CN102099927A - 具有类似漏斗的沟槽结构的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括一个或更多个太阳能电池的容积式太阳能结构。该太阳能结构包括具有图案化表面的第一导电类型的半导体衬底，该图案限定了类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列，以及第二相反导电类型的材料层，其至少位于衬底的图案化表面的一部分上。该结构因此限定了结区，在这些结区中通过该结构所暴露于的入射辐射能来产生电荷载流子。这些结区位于衬底的图案化表面上的不同高度处。

Description

具有类似漏斗的沟槽结构的太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池及其制造方法。
背景技术
利用将光能转化为有用的电能的太阳能电池是众所周知的。进入到这些太阳能电池的光被吸收，由此产生电子-空穴对，随后，通过由太阳能电池结产生的电场空间性地分离电子-空穴对，并在太阳能电池的各个触点处(例如顶面和底面)收集电子-空穴对。例如，在n-p型太阳能电池中，电子将向顶面行进，随后在该顶面处电子将被位于该顶面上的金属栅格收集。另一方面，空穴将向太阳能电池的底面行进，在底面处空穴可以被覆盖整个底面的金属板收集。
收集概率描述了器件的某一区域中吸收的光生载流子将被p-n结收集并且因此对光生电流做出贡献的概率。收集概率取决于与扩散长度相比，光生载流子必须行进的距离，且取决于器件的表面特性。耗尽区中产生的载流子的收集概率是1，这是因为电子-空穴对迅速地被电场扫描分离并被收集。远离结，收集概率降低。如果载流子产生在距离结大于扩散长度处，那么对这种载流子的收集概率就非常低。类似地，如果载流子产生在比结更靠近具有更高复合的区域处，那么载流子将复合。
业内公知一些不同类型的太阳能电池及制造太阳能电池的方法。太阳能电池制造商不断追求的目标是以有成本效益的方式提高太阳能电池的转换效率。
入射到半导体表面上的光子或从顶面反射，或被吸收进材料中，亦或不能发生上述两个过程中的任一个过程，而从材料中透射出去。对于光伏器件来说，因为没有被吸收的光子是不会产生电功率的，所以反射和透射通常被视为损耗机理。
吸收系数决定了特定波长的光在被吸收之前能穿透进材料中多远的距离。在具有低吸收系数的材料中，所吸收的光很少，且如果材料足够薄，则其对于该波长来说似乎是透明的。吸收系数是材料的特性，且还取决于正被吸收的光的波长。
吸收系数对于波长的依赖性导致在大部分光被吸收之前，不同波长穿透进半导体中的距离不同。由吸收系数的倒数(即，a-1)给出了吸收深度。吸收深度是一个有用的参数，该参数给出了在光降低至其初始强度的约36％时或另选地已经降低了1/e的因数时进入材料的距离。因为特定材料对于高能光(波长短，例如蓝光)具有大吸收系数，所以高能光在从表面开始的短距离内(对于太阳能电池来说，在几微米之内)被吸收，而红光光谱却没有那么强烈地被吸收。即使几百微米之后，也不能在硅中吸收所有近红外光。
理想的太阳能电池可由并联有二极管的电流源来做模型。肖克莱(Shockley)理想二极管方程或理想二极管定律是理想二极管在正向偏置或反向偏置(或没有偏置)下的I-V特性。
方程是：ID＝Io[exp(qV/kT)-1]
其中ID是二极管电流，Io是反向偏置饱和电流，V是横跨二极管的电压，q是电子电荷，k是玻耳兹曼(Boltzman)常数，且T是二极管结的绝对温度。
对太阳能电池成本方面的典型需求是可以在廉价衬底上，例如金属衬底上，形成太阳能电池。另一方面，硅通常用作制造太阳能电池的半导体。其中，从光能转化为电动势的效率的角度(即从光电转换效率的角度)来考虑，单晶硅是优良的材料。但是，单晶硅相对昂贵。多晶硅更廉价，但是却具有较低的转换效率。非晶硅更廉价，但是却具有更低的转换效率。
太阳能电池的转换效率被确定为被转换成电的入射功率的分数(fraction)且被定义为：
η = P MAX E * A
其中PMAX是最大输出功率[W]，E是辐照度(W/m2)，且A是表面积(m2)。
量子效率(QE：Quantum Efficiency)是用于比较一个太阳能电池与另一太阳能电池的性能的最常用的参数。QE是指由太阳能电池收集的电荷载流子数量与入射到太阳能电池上的给定能量的光子数量的比。因此QE与太阳能电池对入射到该电池上的光的光谱中的不同波长的响应有关。
假设QE是波长或能量的函数。量子效率理想地具有正方形，其中QE值在被测波长的整个谱范围内是1且是恒定的。但是，对于大多数太阳能电池来说，QE由于受光反射系数和电子-空穴复合的影响都有降低，其中电荷载流子不能迁移到外电路中。影响收集概率的相同的机制同样也影响QE。因为高能光(蓝光)在非常接近表面处被吸收，所以前表面处的大量复合影响QE的“蓝光”部分。类似地，低能光(红光)在太阳能电池主体内被吸收，且低扩散长度将影响太阳能电池主体的收集概率，降低光谱的红光部分中的QE。综合了器件的厚度并被标准化到入射光子的数量，量子效率可被称为由于单一波长的生成轮廓的收集概率。
通常考虑太阳能电池的两种类型的量子效率(QE)：外量子效率是由太阳能电池收集的电荷载流子数量与入射到太阳能电池上的给定能量的光子的数量的比。内量子效率是对电流有贡献的电子的数量与光生电子的数量之间的比。
太阳能电池的设计涉及指定太阳能电池结构的参数，以便使得在给定的某组约束下效率最大化。这些约束由制造太阳能电池的工作环境来定义。例如在目标为制造具有价格竞争性的太阳能电池的商业环境下，所以必须考虑制造特定太阳能电池结构的成本。但是，在研究环境下，其目标是制造高效的实验室型电池，使效率最大化而非成本最大化是主要的考虑因素。
通常，为了使太阳能电池的外量子效率最大化，公知的是使用抗反射涂层。抗反射涂层包括介电材料薄层，该介电材料薄层具有特定选择的厚度，以使得涂层中的干涉效应致使从抗反射涂层顶面反射出的波相对于从半导体表面反射出的波异相。这些异相的反射波彼此相消干涉，从而使净反射能为零。
发明内容
本领域中亟需提供一种高效率广谱的太阳能结构，同时降低通常与制造工艺有关的太阳能结构的成本，并还要简化制造工艺。
常规的硅太阳能电池由于以下几个主要原因而造成效率和成本效益不足：
-单晶硅晶片太昂贵以致不能应用于大面积的太阳能电池场；多晶硅基太阳能电池当前具有过低的效率。
-用于使在硅响应的全光谱中阳光辐射吸收最大化的多层抗反射(AR：Anti-reflecting)涂层结构太昂贵。使用单层抗反射涂层会导致电池光吸收效率显著降低，由此会对内量子效率和外量子效率二者有影响。如上所述，抗反射涂层在来自薄膜涂层的顶面和底面的两个反射波之间制造干涉。如果这些波是反相的，则它们将彼此抵消，并使反射光最小化。当针对特定使用的玻璃调整薄膜的折射率，且将薄膜的厚度控制为目标波长的四分之一时，会发生最佳抵消。鉴于此，可以针对特定波长相对简单地设计抗反射涂层。但是，来自太阳的光具有宽范围的波长，且希望将它们尽可能多地用于产生能量。传统的方案是利用多层涂层技术，其中利用许多层的组合来产生所希望的效果。除了增加成本之外，多层涂层在某些入射角下将比未涂覆的硅反射更多的太阳光。因此，通常来说，抗反射涂层会将太阳能电池所用的波长带窄化在红光光谱附近，降低了太阳能电池在蓝光和近红外光谱中的量子效率。
与抗反射涂层的使用有关的另一问题是太阳能电池量子效率的降低，这是由于太阳的不同位置导致不同的入射光角度。从太阳能电池反射出的光取决于该光在表面上入射的角度。在一整天的时间当中以及在一整年当中，太阳的位置在改变。随着太阳在天空上移动，太阳光的入射角在改变，且反射量在早晨和傍晚时间增加。大多数太阳能电池都被固定在某处，而不能随着太阳在天空移动而追踪太阳的轨迹。为太阳能电池提供高的抗反射性能需要涂层在太阳光从不同角度入射的一整天当中都降低反射，而不仅仅是在太阳位于头顶上时。追踪太阳的问题和不同入射角的问题也存在于太阳能系统中，在太阳能系统中太阳能电池与集光器相联系。通常，为了在顶部的n型或p型层与金属层之间获得欧姆接触，对顶部的层施加重掺杂。但是，添加掺杂剂会降低电荷载流子扩散长度。如果扩散长度短，则少数载流子发生复合而不是从太阳能电池中导出，且因此不能产生电流。因此，太阳能电池的接触金属的区域难于优化，这是因为较高的掺杂剂浓度增加了金属-半导体边界的效率，但是也降低了载流子扩散长度(增加了表面复合速度)，降低了量子效率。
此外，红外(IR)阳光辐射在远离浅结的硅深处被吸收。因此，由IR辐射产生的大部分少数载流子不能到达结，且因此不能对太阳能电池的内量子效率有贡献。这种问题在多晶硅中甚至更严重，因为在多晶硅中电子扩散长度比单晶硅的电子扩散长度短得多。
由于这些上述的原因，常规的硅基太阳能电池的量子效率对于单结晶(即单晶)硅来说被限制在约20％，而对多晶硅来说被限制在约13％。
本发明能够克服上述缺陷，并能够增加半导体基太阳能电池的量子效率(例如提升至约1.3倍)。为了最大化电池量子效率，本发明能够增加电池所收集的光量，该光量被转化为载流子，并增加了对光生载流子的收集。虽然降低反射是实现高效率太阳能电池的一个关键部分，但是使太阳能电池中光谱的吸收最大化也是必要的。吸收的光量取决于光程长度和吸收系数。本发明使可用于转化成电流的、在宽带太阳光谱和宽的入射角下传输的太阳能最大化。例如，本发明使用半导体领域中的低成本标准微电子制造技术，来提供廉价且可靠的太阳能电池结构。可替换地，本发明可使用喷墨印刷技术。
因此，提供一种包括一个或更多个太阳能电池的容积式结构。该太阳能结构包括：具有图案化表面的第一导电类型的半导体衬底，该图案限定了类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列；以及第二相反导电类型的材料层，其至少位于衬底的所述图案化表面的一部分上。该结构由此限定了结区，在这些结区中通过该结构所暴露于的入射辐射能来产生载流子。这些结区位于衬底的图案化表面上的不同高度处。
在一些实施方式中，限定了沟槽的深度的不同高度之间的距离在约8μm至约50μm的范围内。
沟槽排列限定了沟槽图案的节距。优选地，这样进行构造以使得沟槽深度和沟槽排列节距之间的纵横比约为1或更大。但是，在一些实施方式中，沟槽深度和沟槽排列节距之间的纵横比约为0.8。
类似漏斗形状的沟槽具有倾斜侧面，这些倾斜侧面沿着至少两个相交平面延伸，限定了入射辐射能与所述至少两个侧面的多重相互作用，从而降低了从图案化表面反射出的光量，因此增加了该结构的外量子效率。
在一些实施方式中，类似漏斗形状的沟槽由多个表面形成，这些多个表面包含水平表面和连接在水平表面之间的倾斜侧面；结区位于倾斜侧面之间的水平表面上。
可以选择倾斜侧面的角度，以使得在该结构中俘获来自多个入射角的入射辐射能，从而降低从图案化表面反射出的光量，因此增加该结构的外量子效率。这还致使结构的光程长度增加，因此增加了结构的内量子效率。
在一些实施方式中，沟槽中的至少一些沟槽包含结区，沟槽的图案使得结构的图案化表面内的结区的填充因数提供了：对于给定入射角的入射辐射来说，大多数入射辐射能通过倾斜侧面被该结构吸收。这使得入射光的吸收能够靠近结区，以及由于红光光谱和红外光谱产生的光生载流子，增加了内量子效率概率。这还使得在p型区而不是在n+型区(该n+型区中，载流子寿命较低，且扩散长度较低)中对入射辐射的UV光谱和蓝光光谱的吸收。
第二材料层可以是连续的。在这种情况下，第二材料层具有第二类型(例如n+层中的n++区域)的变化的导电率，由此在所述连续的层中限定了间隔开的结区的阵列。
另选地，第二材料层是不连续的，限定了通过绝缘层隔开的间隔开的结区的阵列。绝缘层可选自硅氧化物层或硅氮化物层。
优选地，在一种构造中，结区位于沿着两个大致平行的平面延伸的两个不同高度处。在其他构造中，结区位于沿着三个大致平行的平面延伸的三个不同高度处。
在一些实施方式中，局部相邻的结区之间的距离被选择为使得入射辐射能的红光光谱和红外光谱二者中的大部分被该局部相邻的结区之间的表面吸收。
在一些实施方式中，局部相邻的结区之间的距离被选择为使得入射辐射与沟槽的侧面之间的众多相互作用最大化。
应当理解，如果光没有在结的扩散长度内被吸收，则光生载流子损失，而复合。因此，通过适当选择非平面构造(即位于不同高度处)内设置的结之间的距离，使得光程被折叠，以使整个光程长度是结之间距离的几倍，实质上增加了器件的内量子效率。结构中的光程(沿着直线或曲线)的长度是指未被吸收的光子在其逸出该结构之前在结之间可以行进的距离，因此光程长度和结之间距离之比高表明光在结之间往返多次(即，多次全内反射)。因此，本发明能够使用具有较短扩散长度的低级材料(较廉价)并仍能保持高量子效应。而且，增加硅的掺杂水平(这实际上减小了扩散长度)，导致较高的二极管内建电压和由此产生的较高的电动力。
而且，通过改变光在太阳能结构中行进的角度，通过使其入射在倾斜的表面(即，倾斜轮廓)上，使得不仅能够降低反射，而且能将光倾斜地耦合进半导体中，因此给出了比结之间的距离更长的光程。特别是较弱地吸收的红光和IR光倾斜地穿过该结构，使得与常规平面太阳能电池结构相比，光生效应可发生在更靠近结处。
通常，根据斯涅耳(Snell)定律，光折射进半导体材料的角度为如下：
n1sinθ1＝n2sinθ2
其中θ1和θ2是入射到界面上的光在折射率分别是n1和n2的介质内相对于界面的法向面的角度。
如果光从高折射率介质传到低折射率介质，则存在发生全内反射(TIR：Total Internal Reflection)的可能性。发生这种情况的角度是临界角，且通过将上述等式中的θ2设为0来找出临界角。
本发明使用全内反射原理来引起在结构内的多重相互作用。每个沟槽都充当近乎完美的“黑体(Black Body)”，即，不管入射光的波长和角度如何，仅入射光的很小一部分被反射。
而且，本发明通过使光载流子(在结之间中产生)到达较近的结所必需行进的距离最小化，来增加内量子效率。
在一些实施方式中，本发明的结构可用单晶硅衬底或用多晶硅衬底制造。但是，应当强调的是，本发明并不局限于硅材料，且可使用任何半导体材料。第二材料层和衬底可由相同的半导体衬底形成，该相同的半导体可以不同于硅。
本发明的结构可包括：位于半导体衬底的未图案化表面上的至少一个电极，以及位于图案化表面上的至少一个电极。
在一些实施方式中，该结构包括暴露于入射辐射的一个或更多个光学元件，用于将入射辐射能会聚到类似漏斗的沟槽中。间隔开的类似漏斗的沟槽包括在图案化表面上大致径向地排列的沟槽，沟槽的排列面向入射辐射能。
而且，本发明的太阳能结构减少了对任何抗反射涂层的需求。
因此，本发明提供了一种新型容积式太阳能结构，其具有在半导体表面上限定了间隔开的沟槽的图案。这种图案与优化的掺杂分布以及接触电极相结合，从而在没有显著增加附加成本的情况下，使量子效率提升30％。
根据本发明的另一广义方面，还提供一种制造太阳能结构的方法。该方法包括提供第一导电类型的半导体衬底，在半导体衬底上生成至少一个牺牲层；在至少一个牺牲层的每一个中生成间隔开的区域的至少一个图案，以选择的刻蚀速率刻蚀至少一个牺牲层，以获得所需的刻蚀轮廓，由此形成图案化半导体表面，该图案包括类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列，以及至少在图案化表面的一部分上生成相反导电类型的第二层，由此在图案化表面上限定出位于不同高度的间隔开的结区，能够通过该结构所暴露于的入射辐射能而在这些结区中产生电荷载流子。
在一些实施方式中，图案生成了由多个表面形成的至少一个沟槽，该多个表面包括水平表面和连接在水平表面之间的倾斜侧面；结区位于倾斜侧面之间的水平表面上。
在一些实施方式中，牺牲层选自热氧化物层、PECVD氧化物层、氮化物层或光刻胶层。
刻蚀可以是各向同性的或各向异性的。
在一些实施方式中，通过以不同的刻蚀对PECVD氧化物和热氧化物、和/或硅和氧化物进行刻蚀来获得所需的刻蚀轮廓。
附图说明
为了理解本发明并在实践中了解如何实施本发明，现在将参考附图，以仅非限制性示例的方式来说明一些实施方式，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的太阳能结构的示意图；
图2A-2C是根据本发明另一实施方式的太阳能结构的示意图；
图3表示了入射光在图1的太阳能结构中的传播；
图4表示了入射光在图2C的太阳能结构中的传播；
图5表示了入射光在图2C的太阳能结构中的传播的顶视图；
图6表示了本发明的太阳能结构的顶视图；
图7A-7E例示了对图1的太阳能结构的制造工艺的一种选择；以及
图8A-8H例示了对图2C的太阳能结构的制造工艺的一种选择。
具体实施方式
参考图1，其例示了根据本发明一个实施方式的容积式结构(即周期性结构)的示例的表示。太阳能结构100包括具有图案化表面的第一导电类型的半导体衬底10，在该特定示例中，该半导体衬底10为p型硅。该图案定义了类似漏斗形状(即具有沿着两个相交平面延伸的倾斜侧面)的间隔开的沟槽的阵列，沟槽的底部和顶面(由沟槽之间的空间定义的)沿着两个大致平行的平面(10A、10B)延伸。在衬底10的被图案化侧的顶部上设置有第二相反导电类型(n+型导电类型)的材料层20，从而定义了p-n结区域，其中通过入射辐射能而产生电荷载流子。在该示例中，层20是不连续的，形成通过绝缘体22隔离的结阵列。p-n结区域位于衬底的被图案化侧上的不同高度处(10A、10B)(例如顶部和底部)，从而形成非平面的表面。图中示出了两个太阳能电池。
将层的材料类型和结构的几何形状(即结构的轮廓)进行优化，来增加电池的量子效率以及确保优化的光俘获。入射光朝向类似漏斗的沟槽传播，以随后被太阳能电池吸收或反射。因此光在沟槽之间被俘获。
应当注意到，通过适当选择在本发明的太阳能电池构造中使用的材料的类型而实质上降低表面复合速度。特别地，硅氧化物层和p+层的组合可降低表面复合速度。
在某些实施方式中，在电池的没有n型层的任何表面都生成掺杂浓度高于p型衬底的掺杂浓度的p型掺杂薄层。这就形成一种将光生电子推离硅表面的局部电场，表面生成(surface generation)降低了电子寿命并因此缩短了电子扩散长度。
在该特定且非限制性示例中，太阳能结构的尺寸如下：沟槽深度(即不同高度之间的差)在约8μm至12μm的范围内。n+型区域具有约为1μm的宽度且间隔大约9μm的距离，使得沟槽排列的节距为约10μm。沟槽深度和沟槽排列节距之间的纵横比在约0.8至1.2的范围内。
还应当认识到，衬底的掺杂相对较高，处在约1016-1018的范围内，以增加电池转换效率。较短的扩散距离能降低光生电子的寿命，且因此较高的衬底掺杂水平会导致横跨电池施加的电压较高，且因此使更大部分的光能转化为电功率。
参考图2A，其示出了半导体衬底10的图案化表面的示例。图案化的半导体衬底10定义了通过侧面连接起来的水平区域20。该图案定义了沿着位于不同高度处的三个平行平面(10A、10B、10C)(例如顶部、中部和底部)延伸的类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列(在该具体例子中为2个)。应当理解的是，最佳的太阳能电池结构(即外部轮廓)一方面取决于衬底材料的某些可变参数，另一方面取决于太阳能电池的光学设计的某些可变参数。通过利用标准处理步骤，本发明提供了一种太阳能结构，其中尺寸a-g中的每一个可选自从零直至几十微米。图2B示出d和g等于零的情况。
图2C示出了由图2A的图案化半导体衬底10形成的容积式太阳能结构200。在该特定示例中，图案化半导体衬底10是p型导电类型的硅衬底。第二相反导电类型的材料限定了间隔开的n+型区域20的阵列，这些区域位于衬底的图案化侧上。在该特定和非限制性示例中，太阳能电池的尺寸如下：两个第一平行平面(10A和10B)之间的距离约为9.5μm，且两个第二平行平面(10B和10C)之间的距离约为8μm，因此沟槽的深度约为17.5。n+型区域的宽度约为1μm。n+型区域在中间水平面(10B)处分开约2μm的距离，且在顶部水平面(10A)处分开约13μm的距离，使得沟槽排列的节距约为14μm。沟槽深度和沟槽排列节距之间的纵横比是1或更大，在该特定情况下约为1.25。
在本发明的另选实施方式中，n+型区域覆盖沟槽表面的较大部分直至覆盖整个表面(例如图案化结构的连续的n+表面层)。在这种情况下，n++区域设置(通过掺杂)在沟槽底部上以及沟槽之间的空间中。
参考图3，其示出了针对以给定入射角度接触太阳能电池的给定光线，入射光在图1的太阳能结构中的传播。光线a-h示出了在电池中的可能的传播(即透射和反射)。如果a-d示出的是透射传播，则可以观察到光线a和b首先被太阳能电池吸收，垂直于电池表面传播，但是它们在到达底部结附近之前传播了12μm以上，c和d与电池表面倾斜地传播。如果e-h示出了反射传播，则可以观察到e消失了，而f和g被倾斜地反射，但在它们到达底部结附近之前，通过了12μm以上之后穿入相邻太阳能电池中，且h垂直于太阳能电池传播，且可以被底部电池吸收或被相邻太阳能电池的底部电池吸收。
通过利用本发明的构造，结之间产生的光生载流子需要行进仅大约6-7μm来到达结，因此使复合率最小化。而且，光线在到达底部结附近之前已经在电池中行进了10μm至20μm之间，增加了收集概率和量子效率。
而且，通过利用本发明的太阳能结构，与反射光线(光线e)有关的损失仅发生在太阳能电池总面积的约15％的面积上，例如在沟槽排列的约14微米的节距中的约2微米的水平平面。本发明的构造的另一优点在于较弱地吸收的红光和IR光倾斜穿入半导体衬底中，使得在结附近发生光生作用，增加了收集概率。
参考图4，其示出了针对以给定入射角度接触太阳能电池的给定光线，入射光在图2C的太阳能结构中的传播。光线轨迹示出了电池中可能的传播(即透射和反射)。选择电池的优化的几何形状，以便通过构造电池使所有光线在它们到达底部结附近之前都在该电池中穿透在10μm和20μm之间，来最大化量子效率。而且，吸收系数对波长的依赖性使得在大部分光被吸收之前不同波长穿透进半导体中的距离不同(即吸收深度不同)。在本发明中，大约75％的入射光不是通过顶部结(即重掺杂区域)进入电池，而是通过侧壁进入电池，使得UV和蓝光谱也为量子效率做出了贡献。而且，大多数光线倾斜地穿透衬底，因此在靠近结处被吸收，使复合率最小化。由于本发明的太阳能电池构造提供了短的收集距离(即对入射光的吸收在靠近结区处发生)，所以光生载流子的寿命可被缩短，致使能够有效使用多晶硅作为半导体衬底，其中多晶硅的电子扩散长度短于单晶硅的电子扩散长度。
参考图5，其示出了在本发明的太阳能电池中的光线轨迹传播的顶视图。光线沿着类似漏斗的沟槽60反射，直至该光线在底部结区附近穿透衬底。通过使用这种类型的构造，外量子效率增加，且反射光线的损失被最小化(太阳能电池的总面积的约15％)。
参考图6，其示出了本发明的太阳能结构的顶视图(径向构造)。如图中所示，在径向构造中，类似漏斗的沟槽60由沿着半导体表面径向排列的线表示。
参考图7A，其示出了根据一个实施方式的太阳能结构的制造过程。通过以下步骤提供本发明的太阳能结构：提供一种导电类型的半导体衬底，在半导体衬底上生成至少一个牺牲层(sacrificial layer)；生成牺牲层的隔开区域的图案；以选择的刻蚀速率刻蚀至少一个牺牲层，以获得所需的刻蚀轮廓；获得具有倾斜的类似漏斗的表面的半导体衬底；以及生成位于倾斜的类似漏斗的衬底的选择区域上的不同导电类型的间隔开的固体材料的阵列，由此获得太阳能结构。在该特定的且非限制性示例中，太阳能结构的制造从p型硅晶片10的起始材料开始。硅晶片10可以是单晶硅晶片或多晶硅晶片。随后，通过热氧化步骤在硅晶片10上生长约0.8μm厚的硅热氧化物层12。利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)技术在硅热氧化物层12上沉积厚度约100nm的氧化物层14。利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在PECVD硅氧化物层14上沉积厚度约50nm的氮化物层16。随后通过常规光刻或通过任何其他图案化技术(例如喷墨印刷)形成第一图案化掩模层(例如抗蚀剂)，限定出宽度为约7μm宽或以上且间隔开约3μm或更大的距离的间隔开的多个区域。
通过作为刻蚀掩模的图案化掩模层，对氮化物层16和PECVD氧化物层14二者的暴露区域实施刻蚀处理。随后去除图案化掩模层。
如图7B所示，随后通过光刻或通过任何其他常规图案化技术，形成第二图案化掩模层18(例如抗蚀剂)，限定出间隔开的多个区域，该多个区域覆盖氮化物层16顶部的一部分和由第一图案限定出的间隙的一部分。
如图7C所示，随后，经由氮化物层16实施缓冲湿法氧化刻蚀(缓冲HF)，以去除一部分PECVD硅氧化物层14和一部分硅氧化物层12。应当注意的是选择缓冲HF以使PECVD氧化物刻蚀速率与热氧化物刻蚀速率之间的刻蚀选择性比是约6.7∶1，以使得层12的侧壁被倾斜地刻蚀(即倾斜轮廓)。应当理解，利用湿法刻蚀技术能够以不同刻蚀速率来去除热氧化物膜和PECVD层，来获得所需的刻蚀轮廓。因为执行的湿法刻蚀会与刻蚀速率比成比例地减小所暴露的热氧化物的膜厚，所以相应地调节沉积的氧化物的初始厚度。随后，如图7D所示，去除掩模层18。接着施加湿法氮化物刻蚀，来去除层16。随后对热氧化物层12以及硅层10施加选择性刻蚀(RIE)，以使硅和热氧化物之间的刻蚀选择性比为10∶1，获得对硅层10的侧壁的倾斜刻蚀(倾斜轮廓)。类似地，与使用湿法刻蚀技术相比，RIE技术能够以不同的刻蚀速率去除热氧化物膜和硅层，来获得所需刻蚀轮廓。
随后，施加短的各向同性湿法刻蚀，以清洁整个硅表面。施加p+型扩散，从而形成促使内建电场的形成的表层，该内建电场将光生电子推离硅表面。接着施加热氧化步骤，以生长约300nm的连续氧化物层22。施加另一RIE步骤，以刻蚀连续氧化物层22的水平区域(即顶面和底面)，而仅在倾斜的侧面和垂直表面上留下氧化物。随后施加n+掺杂并且n+掺杂对暴露的水平区域产生影响，以通过来自气相的或沉积的掺杂氧化物的磷或砷的扩散而形成区域20，从而形成n+-p结。可选地，随后沉积抗反射氮化物层。随后，如本领域中通常进行的处理，在晶片的正面进行金属化，接着在硅晶片的背面蒸镀铝。应当指出的是，通过重掺杂，紧邻金属区域的n型区域(n+)有助于通过量子隧穿效应和/或热助隧穿效应形成欧姆(低电阻)接触。
参考图8A，其示出了根据另一实施方式的太阳能结构的制造过程。在该特定的且非限制性示例中，太阳能结构的制造从p型硅晶片10的起始材料开始。硅晶片10可以是单晶硅晶片或多晶硅晶片。随后，通过热氧化步骤在硅晶片10上生长约1μm厚的硅热氧化物层12。利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在硅热氧化物层12上沉积约100nm厚的氧化物层14。随后通过光刻或通过任何其他图案化技术(例如喷墨印刷)形成图案化掩模层16(例如抗蚀剂)，限定宽度约2μm或以上且分开约12μm或更大的距离的间隔开的多个区域。
如图8B所示，通过作为刻蚀掩模的图案化掩模层16施加用于对热氧化物12和PECVD氧化物14二者的暴露区域进行刻蚀的第一反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)。随后通过用作刻蚀掩模的图案化掩模层16施加用于对硅晶片10的暴露区域进行刻蚀的第二反应离子刻蚀(RIE)，以在硅晶片10中形成高度约10μm的间隔开的多个沟槽。
随后对热氧化物层12和PECVD氧化物层14二者进行湿法氧化刻蚀，以使得PECVD氧化物和热氧化物之间的刻蚀选择性比为6.7∶1，从而获得对层12和14的侧壁的倾斜刻蚀。应当理解，利用湿法刻蚀技术使得能够以不同的刻蚀速率去除热氧化物膜和PECVD层，以获得所需的刻蚀轮廓。因为执行湿法刻蚀会与刻蚀速率比成比例地减小所暴露的热氧化物的膜厚，所以相应地调节沉积的氧化物的初始厚度。随后，如图8D中所示，去除掩模层16。
图8E中示出了通过湿法刻蚀步骤获得的氧化物倾斜轮廓，其中测得的倾斜长度约为6.3μm。
如图8F中所示，施加RIE步骤，刻蚀约0.5μm的热氧化物层14。
如图8G中所示，随后对热氧化物层12和硅层10进行选择性刻蚀，以使得硅和热氧化物之间的刻蚀选择性比是19∶1，获得对硅层10的侧壁的倾斜的刻蚀。热氧化物层12被刻蚀掉的厚度约为0.5μm，而硅层10被刻蚀掉的厚度约为9.5μm。
如图8I中所示，对结构施加p+型(例如硼)扩散步骤。硼的浓度可以约为1017-1018cm-3。如上所述，施加p+型扩散以形成促进电场的形成的p+表层，该电场将光生电子推离硅表面。接着施加湿法氧化步骤，以生长约0.8μm的连续氧化物层20。施加另一RIE步骤，从而刻蚀连续氧化物层20的水平区域。随后施加n+掺杂并n+掺杂对暴露出的水平区域产生影响，以通过来自气相的或掺杂沉积的、含有磷或砷的氧化物而形成结的n+区域，从而形成n+-p结。随后如本领域中所通常执行的，在晶片的正面进行金属化，接着在硅晶片的背面蒸镀铝。应当认识到，通过重掺杂，紧邻金属区域的n型区域(n+)有助于通过量子隧穿效应和/或热助隧穿效应形成欧姆(低电阻)接触。
此外，由于大多数的辐射都不通过结区(n+区)进入电池，而是在沟槽中内(即，通过结构的倾斜侧面)进入电池，因此结区的掺杂水平和扩散长度可以明显大于使用连续的第二材料层(连续的n+层)时。而这进而导致第二材料层(n+层)的较低的串联电阻，由此能够增加相邻接触电极(例如相邻的金属线)之间的距离。因此，使较小部分的结构区域被金属覆盖，进一步增加了结构的外量子效率。

Claims (40)

1.一种包括一个或更多个太阳能电池的容积式结构，该结构包括：具有图案化表面的第一导电类型的半导体衬底，该图案限定了类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列；以及第二相反导电类型的材料层，其至少位于所述衬底的所述图案化表面的一部分上，由此，该结构限定了结区，在这些结区中通过该结构所暴露于的入射辐射能产生电荷载流子，所述结区位于所述衬底的所述图案化表面上的不同高度处。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述沟槽的深度和所述沟槽排列的节距之间的纵横比约为1或更大。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，限定了所述沟槽的深度的不同高度之间的距离在约8μm至约50μm的范围内。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，类似漏斗形状的所述沟槽具有倾斜侧面，这些倾斜侧面沿着至少两个相交平面延伸，限定了所述入射辐射能与所述至少两个侧面之间的多重相互作用，由此降低了从所述图案化表面反射出的光量，因此增加了所述结构的外量子效率。
5.根据权利要求4所述的结构，其中，类似漏斗形状的所述沟槽由多个表面形成，所述多个表面包括水平表面以及连接在所述水平表面之间的所述倾斜侧面；所述结区位于所述倾斜侧面之间的所述水平表面上。
6.根据权利要求4至5中任意一项所述的结构，其中，所述倾斜侧面的角度被选择为使得在所述结构中俘获来自多个入射角度的入射辐射能，由此降低从所述图案化表面反射出的光量，从而增加所述结构的外量子效率。
7.根据权利要求4至6中任意一项所述的结构，其中，所述倾斜侧面的角度被选择为使得在所述结构中俘获来自多个入射角度的入射辐射能，由此使得所述结构的光程长度增加，从而增加所述结构的内量子效率。
8.根据权利要求4至7中任意一项所述的结构，其中，所述沟槽中的至少一些沟槽包含所述结区，所述沟槽的图案使得所述结构的所述图案化表面内的所述结区的填充因数提供了：对于给定入射角的入射辐射来说，大多数入射辐射能通过所述倾斜侧面被所述结构吸收，使得入射光的吸收能够靠近所述结区，以及由于红光光谱和红外光谱而产生的光生载流子，增加了内量子效率。
9.根据权利要求4至8中任意一项所述的结构，其中，所述沟槽中的至少一些沟槽包含所述结区，所述沟槽的图案使得所述结构的所述图案化表面内的所述结区的填充因数提供了：对于给定入射角的入射辐射来说，大多数入射辐射能由所述结构通过所述倾斜侧面吸收，从而导致对入射辐射的UV光谱和蓝光光谱的吸收。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述第二材料层是连续的。
11.根据权利要求10所述的结构，其中，所述第二材料层具有所述第二类型的变化的导电率，由此限定了间隔开的结区的阵列。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的结构，其中，所述第二材料层是不连续的，限定了由绝缘层隔开的间隔开的结区的阵列。
13.根据权利要求12所述的结构，其中，所述绝缘层选自硅氧化物层和硅氮化物层。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述结区位于沿着两个大致平行的平面延伸的两个不同高度处。
15.根据权利要求1至14中任意一项所述的结构，其中，所述结区位于沿着三个大致平行的平面延伸的三个不同高度处。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，局部相邻的结区之间的距离被选择为使得入射辐射能的红光光谱和红外光谱二者中的大部分被所述局部相邻的结区之间的表面吸收。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述半导体衬底是硅衬底。
18.根据权利要求17所述的结构，其中，所述硅衬底是多晶衬底。
19.根据权利要求17所述的结构，其中，所述硅衬底是单晶衬底。
20.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述第二材料层和所述衬底由相同的半导体衬底形成。
21.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，局部相邻的结区之间的距离被选择为使得入射辐射与所述沟槽的侧面之间的众多相互作用最大化。
22.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，所述结构包括：在所述半导体衬底的未图案化表面上的至少一个电极，以及在所述图案化表面上的至少一个电极。
23.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，所述结构包括暴露于入射辐射的一个或更多个光学元件，用于将所述入射辐射能会聚到类似漏斗的所述沟槽中。
24.根据权利要求23所述的结构，其中，所述间隔开的类似漏斗的沟槽包括在所述图案化表面上大致径向地排列的沟槽，所述沟槽的排列面向所述入射辐射能。
25.一种制造太阳能结构的方法，该方法包括以下步骤：提供第一导电类型的半导体衬底，在该半导体衬底上生成至少一个牺牲层；在所述至少一个牺牲层的每一个中都生成间隔开的区域的至少一个图案，以选择的刻蚀速率刻蚀所述至少一个牺牲层，以获得所需的刻蚀轮廓，由此形成图案化的半导体表面，所述图案包括类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列，以及至少在图案化的表面的一部分上生成相反导电类型的第二层，由此限定了位于所述图案化的表面上的不同高度处的间隔开的结区，使得能够通过所述结构所暴露于的入射辐射能而在这些结区内产生电荷载流子。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述图案生成由多个表面形成的至少一个沟槽，该多个表面包括水平表面以及连接在所述水平表面之间的倾斜侧面；所述这些结区位于所述倾斜侧面之间的所述水平表面上。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述结区位于沿着两个大致平行的平面延伸的两个不同高度处。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述结区位于沿着三个大致平行的平面延伸的三个不同高度处。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层和所述衬底由相同的半导体衬底形成。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述半导体衬底是硅衬底。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述硅衬底是多晶衬底。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述硅衬底是单晶衬底。
33.根据权利要求25所述的方法，其中，所述牺牲层选自热氧化物层、PECVD氧化物层、氮化物层或光刻胶层。
34.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层是连续的。
35.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层是不连续的，限定了通过绝缘层隔开的间隔开的结区的阵列。
36.根据权利要求25所述的方法，其中，所述刻蚀是各向同性的。
37.根据权利要求25所述的方法，其中，所述刻蚀是各向异性的。
38.根据权利要求25所述的方法，其中，所述所需的刻蚀轮廓是通过以不同的刻蚀对PECVD氧化物和热氧化物进行刻蚀而获得的。
39.根据权利要求25所述的方法，其中，所述所需的刻蚀轮廓是通过以不同的刻蚀对硅和氧化物进行刻蚀而获得的。
40.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层具有所述第二类型的变化的导电率，由此定义了间隔开的结区的阵列。
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