CN102122679B - 薄膜太阳能电池结构、薄膜太阳能电池阵列及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种薄膜太阳能电池结构和制作方法以及薄膜太阳能电池阵列。该薄膜太阳能电池结构的制造方法包括：从所述第一表面刻蚀半导体衬底形成至少两个第一沟槽，以及从所述第二表面刻蚀半导体衬底形成至少一个第二沟槽，每个所述第二沟槽位于相邻的两个所述第一沟槽之间；至少在所述第一沟槽的侧壁形成第一结构；至少在所述第二沟槽的侧壁形成第二结构；从所述第一沟槽和第二沟槽切割或拉伸所述半导体衬底以形成薄膜太阳能电池结构。通过本发明能够有效缩短电极之间的距离，减小电子与空位的复合几率，减小体复合电流及表面复合电流，以达到提高发电效率的目的。本发明所提出的薄膜太阳能电池结构和制作方法还可节省半导体用料和降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造领域，特别涉及一种新型、高效率、低成本的薄膜太阳能电池结构、阵列及其制造方法。
背景技术
薄膜太阳能电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池，其用半导体材料极少，因此更容易降低成本，同时它不仅是一种高效能源产品，而且也可作为一种新型的建筑材料，更容易实现与建筑的完美结合。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳能电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。目前，已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种：硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池。由于薄膜太阳能电池用料少、工艺简单、能耗低，成本有一定优势，因此得到了较快的发展。
如图1、图2所示，为现有技术的一种薄膜太阳能电池结构及将太阳能转化为电能的示意图。从图1可以看出，现有技术在晶圆的厚度方向上形成的薄膜太阳能电池结构200，其电极230分别在电池基板210的两侧，两电极230之间的区域为进光区220，电池基板200内为PN结。图2为图1所示的薄膜太阳能电池结构200在AA’方向的视图，可以看出，当电池基板210受光后，PN结中，N型半导体的空穴240往P型区移动，而P型区中的电子241往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。
参考图1、图2，对于这种结构的薄膜太阳能电池，其电极230面积小、电阻大；为了提高太阳能的吸收面积需要增大进光区220的面积，而两个电极230之间的距离与进光区220的宽度一样(一般大于0.5mm)，这样会导致两个电极230间的复合区260加大，使体电流和表面复合电流过大，从而导致发电效率低。另外，现有太阳能电池结构的投资成本较高，因此也影响了薄膜太阳能电池的推广和应用。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决两个电极之间复合区加大而导致发电效率低的缺陷。
为达到上述目的，本发明一方面提出一种薄膜太阳能电池结构的制造方法，所述方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一掺杂类型，所述半导体衬底包括第一表面和与其相对的第二表面；从所述第一表面刻蚀半导体衬底形成至少两个第一沟槽，以及从所述第二表面刻蚀半导体衬底形成至少一个第二沟槽，每个所述第二沟槽位于相邻的两个所述第一沟槽之间；至少在所述第一沟槽的侧壁形成第一结构；至少在所述第二沟槽的侧壁形成第二结构；从所述第一沟槽和第二沟槽切割或拉伸所述半导体衬底以形成薄膜太阳能电池结构，其中，所述第一沟槽和第二沟槽之间的半导体衬底形成所述薄膜太阳能电池结构的半导体基板，所述第一结构、第二结构或其组合为所述薄膜太阳能电池结构的进光面。
本发明另一方面还提出一种薄膜太阳能电池结构，所述结构包括：半导体基板，所述半导体基板具有第一掺杂类型，所述半导体基板包括第三表面和与其相对的第四表面；位于所述半导体基板的第三表面上的第一结构，以及位于第四表面上的第二结构，所述第一结构、第二结构或其组合为太阳能电池结构的进光面；以及位于半导体基板两侧及所述第三表面和第四表面之间的侧墙。
本发明再一方面还提出一种薄膜太阳能电池阵列，包括多个上述的薄膜太阳能电池结构，其中每两个所述薄膜太阳能电池结构相并联。
本发明再一方面还提出一种薄膜太阳能电池阵列，所述阵列包括：多个薄膜太阳能电池结构，所述太阳能电池结构包括具有第一掺杂类型的半导体基板，所述半导体基板具有第三表面和与其相对的第四表面，以及位于第三表面上的第一结构和位于第四表面上的第二结构，所述第一结构至少包括具有第二掺杂类型的第一半导体层和第一电极层，所述第二结构至少包括第二电极层，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型相反，所述第一结构、第二结构或其组合为所述薄膜太阳能电池结构的进光面；多个可弯曲绝缘层，所述可弯曲绝缘层形成在相邻基板相对的两个表面上并连接所述相邻基板；与所述多个可弯曲绝缘层相匹配的多个第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和第二导电层位于绝缘层的两侧，所述第一导电层连接相邻两个薄膜太阳能电池结构的第一电极层，以及所述第二导电层连接相邻两个薄膜太阳能电池结构的第二电极层。
通过本发明的制造方法，有效地利用了衬底(或晶圆)的厚度，增大电极的有效面积，并将电极与进光面设置在同一侧，从而能够有效减小复合距离，缩短电极之间的距离，减小载流子的复合电流，提高发电效率。本发明的电池结构，在半导体基板的侧壁形成了绝缘层，一方面，减少载流子在侧壁部分的复合，进一步提高发电效率，另一方面，绝缘层上还可形成与电极相连接的导电层并隔离导电层，防止了两电极可能的短路，通过导电层实现电池阵列中各个结构间为并联，减小了连接电阻，提高了发电效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有技术的薄膜太阳能电池结构的示意图；
图2为图1所示的薄膜太阳能电池结构在AA’方向的视图；
图3为根据本发明实施例的薄膜太阳能电池结构的制造方法的流程图；
图4-15为根据本发明实施例的薄膜太阳能电池结构的各个制造阶段的的剖面图；
图16为根据本发明实施例的太阳能电池的结构及工作原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明主要在于通过利用衬底的厚度，在衬底厚度方向所在的平面上形成电极，并将太阳能电池的电极和进光面设置在同一侧，从而能够有效减小复合距离，缩短电极之间的距离，减小体复合电流，提高发电效率。并且，本发明的结构在电池基板的两侧具有绝缘层，可以进一步减少载流子在侧面的复合，提高发电效率。
如图3所示，为本发明实施例的形成薄膜太阳能电池结构的方法的流程图，包括以下步骤：
步骤S301，提供半导体衬底，所述半导体衬底101具有第一掺杂类型，所述半导体衬底101包括第一表面101-1和与其相对的第二表面101-2，参考图4、5。在本发明的一个实施例中，半导体衬底101为单晶硅、单晶锗或单晶锗硅，优选地，表面101-1、101-2的晶向为{110}或{112}，与第一表面和第二表面垂直的半导体衬底101的厚度方向的晶向为{111}，在另外的实施例中，半导体衬底101还可以为多晶Si、多晶Ge、多晶SiGe、III-V或II-VI化合物半导体或其组合。所述半导体衬底101具有第一掺杂类型，所述第一掺杂类型可以为p型掺杂或n型掺杂，在一个本发明的实施例中，可以选择p型晶圆或者n型晶圆，在其他实施例中，可通过在半导体衬底进行所需掺杂配置来形成。其中，该半导体衬底的厚度可为0.2-3mm。
步骤S302，从所述第一表面101-1刻蚀半导体衬底101形成至少两个第一沟槽123，以及从所述第二表面101-2刻蚀半导体衬底101形成至少一个第二沟槽124，每个所述第二沟槽124位于相邻的两个所述第一沟槽123之间，如图9所示。本发明的一个实施例的实现步骤如图4-9所示。
具体来说，首先，如图4(俯视图)和图5(AA’向视图)所示，在半导体衬底101的第一表面101-1、第二表面101-2及侧面上形成绝缘层100，例如氮化物层，在该实施例中该绝缘层100为氮化物材料，具有刻蚀阻挡层以及绝缘层的作用，接着在绝缘层100上形成带图形的光刻胶110(或光阻)，其中该光刻胶110的图形与需要刻蚀的至少两个第一沟槽相对应。其中，优选地，所述第一沟槽等间距排列。如图4所示，为本发明实施例的淀积了绝缘层100和带图形的光刻胶110的硅晶片的俯视图，硅晶片的晶向如图所示，形成带图形的光刻胶110可用公知的方法实现。如图5所示，为本发明实施例图4所示的淀积了绝缘层100和带图形的光刻胶110的硅晶片的A-A’剖面图。接着刻蚀绝缘层100至半导体衬底101后形成第一开口121，去除带图形的光刻胶110，从而形成构图的绝缘层120，如图6所示。
而后，如图6、图7所示，在半导体衬底的第二表面上的绝缘层100上形成与第二沟槽对应的第二开口122，每个第二开口122的位置位于两个第一开口121之间。作为本发明的一个优选实施例，每个第一开口121和每个第二开口122之间的间隔相等，以使后续步骤中形成第二沟槽到两侧的第一沟槽的距离相等，从而能够有效提高生产效率，降低成本。如图7所示，为本发明实施例的去除半导体衬底第一表面光刻胶后对第二表面的绝缘层100形成图形化的光刻胶130的示意图。具体地，刻蚀氮化物层100至半导体衬底101后形成第二开口122，去除带图形的光刻胶130，从而形成构图的绝缘层120(参见图8)。
而后，为节省制造时间和降低制造成本，以绝缘层120为掩膜，从第一开口121和第二开口122同时刻蚀半导体衬底101，以形成开口方向相反的第一沟槽123和第二沟槽124，使得第一沟槽123和第二沟槽之间124的半导体衬底101形成薄膜太阳能电池结构的半导体基板150，所述半导体基板150的厚度为大约5-120μm，宽度为大约0.2-3mm，所述厚度为属于同一基板150的、相邻沟槽123、124的侧壁所对应的表面之间的距离，所述宽度为第一表面101-1和第二表面101-2之间的距离，如图9所示。具体地，可采用干法刻蚀，例如RIE，或湿法刻蚀来各向异性刻蚀半导体衬底形成第一沟槽123和第二沟槽124。特别地，当所述衬底包含单晶材料时，例如单晶Si、单晶Ge、单晶SiGe或其组合时，可以利用湿法刻蚀，例如采用氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)或乙二胺-邻苯二酚(EDP)等溶剂进行刻蚀，这样形成的第一沟槽和第二沟槽，其侧壁所对应的表面的晶向为{111}。第一沟槽123和第二沟槽124之间的距离(即半导体衬底101水平方向的宽度)决定了薄膜太阳能电池结构的厚度，从而本方法用光刻来控制薄膜太阳能电池结构的厚度。薄膜太阳能电池结构的厚度为10-120微米。另外，在本发明的实施例中，在刻蚀第一沟槽和第二沟槽之后，无需去除绝缘层120。
另外，在本发明中，第一沟槽123和第二沟槽124的深度可小于或等于半导体衬底101的厚度，例如可以只刻蚀一部分半导体衬底，即第一沟槽123和第二沟槽124的底部没有接触到绝缘层120，同样也可实现本发明的目的。
上述形成第一沟槽123和124的方法为本发明的一个实施例，当然本领域技术人员还可以选择其他方法形成，这些达到与本发明等同效果的方法均应包含在本发明的保护范围之内。
步骤S303，至少在第一沟槽的侧壁上形成第一结构160，如图10所示。所述第一结构160可以为多层结构，在本发明的一个实施例中，第一结构160包括第一半导体层160-1和第一电极层160-2，所述第一半导体层具有第二掺杂类型，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型相反，就是说当第一类型的掺杂为p型时，第二类型的掺杂为n型，第一类型的掺杂为n型时，第二类型的掺杂为p型。所述第一半导体层160-1可以通过掺杂离子扩散的方法，在第一沟槽123侧壁内形成具有第二掺杂类型的第一半导体层160-1；还可以通过在所述结构上沉积具有第二掺杂类型的第一半导体层160-1来形成，而后还可以进一步进行扩散，此实施例中，所述第一半导体层160-1可以是非晶态硅a-Si、多晶硅poly-Si、单晶硅或其组合。特别地，也可以覆盖整个第一沟槽123形成所述第一结构160。
在本发明的另一个实施例中，还可以在形成第一半导体层160-1之前，至少在所述第一沟槽123的侧壁形成第一本征非晶态硅层i-a-Si，第一本征非晶态硅层为未掺杂的非晶态硅，厚度为大约1-10nm，在此实施例中，第一半导体层160-1为具有第二掺杂类型的非晶态硅a-Si，厚度为大约10-50nm。
形成第一半导体层160-1后，在其上形成第一电极层160-2。作为本发明的一个优选实施例，淀积透明导电氧化物TCO(Transparent ConductiveOxide)以形成第一电极层160-2，以便减少电阻和增加电池发电效率。作为本发明的一个优选实施例，在淀积时，温度控制在550℃以下。作为本发明的一个优选实施例，TCO为SnO2和ZnO，其他的实施例中，TCO还可以为In2O3、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
步骤S304，至少在第二沟槽214的侧壁上形成第二结构170，如图11所示。所述第二结构170可以为一层或多层结构。在本发明的一个实施例中，所述第二结构170为一层结构，其包括第二电极170-2，这可通过覆盖第二沟槽来形成。
在本发明的另一个实施例中，所述第二结构170为多层结构，第二结构170可以包括具有第一掺杂类型的第二半导体层170-1和第二电极层170-2，所述第二半导体层170-1可以通过掺杂离子扩散的方法，在第二沟槽124侧壁内具有第一掺杂类型的第二半导体层170-1；还可以通过在所述结构上沉积第一掺杂类型的第二半导体层170-1来形成，而后还可以进一步进行扩散，此实施例中，所述第二半导体层170-1可以是非晶态硅a-Si、多晶硅poly-Si、单晶硅或其组合。特别地，也可以覆盖整个第二沟槽124形成所述第二结构170。
在本发明的再一个实施例中，还可以在形成第二半导体层170-1之前，至少在所述第二沟槽124的侧壁形成第二本征非晶态硅层i-a-Si，第二本征非晶态硅层为未掺杂的非晶态硅，厚度为大约1-10nm，在此实施例中，第二半导体层170-1为具有第一掺杂类型的非晶态硅a-Si，厚度为大约10-50nm。
在形成第二半导体层170-1后，在其上形成第二电极层170-2，同样，第二电极层170-2可以由任意导电材料形成，比如金属材料，作为本发明的一个优选实施例，淀积透明导电氧化物TCO(Transparent ConductiveOxide)以形成第二电极层170-2，以便减少电阻和增加电池发电效率。作为本发明的一个优选实施例，在淀积时，温度控制在550℃以下。作为本发明的一个优选实施例，TCO为SnO2和ZnO，其他的实施例中，TCO还可以为In2O3、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
S305，从所述第一沟槽和第二沟槽切割或拉伸所述半导体基板以形成薄膜太阳能电池结构，其中，所述第一沟槽和第二沟槽之间的半导体衬底形成所述薄膜太阳能电池结构的半导体基板，所述第一结构、第二结构或其组合为所述薄膜太阳能电池结构的进光面。
首先，用激光束或其它切割工具切掉边缘的晶圆，如图12所示，为本发明实施例的切掉边缘晶圆后的俯视图，如图13所示，为本发明实施例的切掉边缘晶圆后的剖面图。
而后，从第一沟槽和第二沟槽切割或拉伸该半导体衬底形成薄膜太阳能电池结构，其中第一结构覆盖的第一沟槽部分形成该薄膜太阳能电池结构的第一结构，第二结构覆盖的第二沟槽部分形成该薄膜太阳能电池结构的第二结构，第一结构、第二结构或其组合为太阳能电池结构的进光面。如图14所示，为拉伸后形成的完整的一块薄膜太阳能电池190的示意图(沿A-A’剖面)，这样形成的太阳能电池结构其相邻的绝缘层的弯曲曲率相反。如图15所示，为切割后连接形成的完整的一块薄膜太阳能电池190的示意图(沿A-A’剖面)。
图16为通过上述步骤形成的太阳能电池的结构及工作原理图，当阳光照射到太阳能电池时，在硅或半导体基板150中产生电子和空穴，电子和空穴被pn结电场分离，扩散到终端T1和T2，最终在终端的T1和T2间形成约0.3至0.8V的电压，从而实现太阳光能向电能的转换。光照射通常从第一结构160进入薄膜太阳能电池结构，但由于薄膜太阳能电池结构的厚度薄，也可选择从第二结构170进入。用这种方法形成的薄膜太阳能电池结构的厚度由第一沟槽和第二沟槽之间的距离决定(图9)，也就是用光刻控制，用现有光刻技术能容易达到很薄的厚度，如5μm。同时此厚度也决定了第一结构和第二结构之间的距离。另外，用这种方法形成的薄膜太阳能电池结构的宽度由沟槽的深度决定，最深可以为该半导体衬底的厚度(图9)。与图一中现有技术对比，用这种方法形成的薄膜太阳能电池结构的第一结构和第二结构之间的距离由薄膜太阳能电池结构的厚度决定，与宽度无关，所以第一结构和第二结构之间的距离能大大缩短，而且此方法可以用厚的半导体衬底(比如1-3mm)来实现宽的薄膜太阳能电池结构，同时不会增加第一结构和第二结构之间的距离，不会影响发电效率。采用厚的半导体衬底，和薄的半导体衬底相比，这种方法能进一步降低薄膜太阳能电池结构的单位面积成本。
通过以上实施例方法制造的太阳能电池能够有效地降低太阳能电池的制造成本。并且通过本发明提出的太阳能电池结构还能够有效减小复合距离，缩短电极之间的距离，减小体复合电流，提高发电效率。另外本发明还可增大电极的有效面积，减小串联电阻。同时由于本发明的薄膜太阳能电池的侧壁具有绝缘层，因此有效减少了电子和空穴在侧面的复合，进一步提高发电效率。
进而，通过切割所形成的电池结构，还形成了一种新的薄膜太阳能电池结构，如图15所示。该结构包括：半导体基板150，所述半导体基板150具有第一掺杂类型，所述半导体基板150包括第三表面150-1和与其相对的第四表面150-2；位于所述半导体基板的第三表面150-1上的第一结构160，以及位于第四表面150-2上的第二结构170，所述第一结构160、第二结构170或其组合为太阳能电池结构的进光面；位于半导体基板150两侧及所述第三表面150-1和第四表面150-2之间的侧墙。在一个实施例中，所述侧墙包括绝缘层120，优选地，所述侧墙还可以进一步包括绝缘层120上的导电层180，其中所述导电层180-1与第一电极层160-2相连接，所述导电层180-2与第二电极层170-2相连接，所述导电层180-1还可以与所述第一电极160-2为一体结构，所述导电层180-2还可以与所述第二电极170-2为一体结构，由TCO材料形成。所述绝缘层120的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3或其组合。
在本发明的一个实施例中，所述半导体基板为单晶Si、单晶Ge、单晶SiGe，优选地，所述第三表面和第四表面的晶向为{111}，与第三表面垂直的面的晶向为{110}或{112}。在其他实施例中，所述半导体基板还可以为多晶Si、多晶Ge、多晶SiGe、III-V或II-VI化合物半导体或其组合。所述半导体基板具有第一掺杂类型，所述第一掺杂类型可以为p型掺杂或n型掺杂。所述半导体基板第三表面与第四表面间的厚度为大约5-120μm，宽度为大约0.2-3mm。
所述第一结构160可以为多层结构，在本发明的一个实施例中，第一结构160包括具有第二掺杂类型的第一半导体层160-1和第一电极层160-2，所述第一半导体层160-1可以是非晶态硅a-Si、多晶硅poly-Si、单晶硅或其组合。在另一个实施例中，第一结构160包括具有第二掺杂类型的第一半导体层160-1、第一电极层160-2以及位于第一半导体层160-1和半导体基板150之间的第一本征非晶态硅层i-a-Si，所述第一半导体层160-1为非晶态硅a-Si，厚度为大约10-50nm，所述第一本征非晶态硅层的厚度为大约1-10nm。
所述第二结构170可以为一层或多层结构。在本发明的一个实施例中，所述第二结构170为一层结构，包括第二电极层170-2。在本发明的另一个实施例中，所述第二结构170为多层结构，第二结构170包括具有第一掺杂类型的第二半导体层170-1和第二电极层170-2，所述第二半导体层170-1可以是非晶态硅a-Si、多晶硅poly-Si、单晶硅或其组合。在另一个实施例中，第二结构170包括具有第一掺杂类型的第二半导体层170-1、第二电极层170-2以及位于第二半导体层170-1和半导体基板150之间的第二本征非晶态硅层i-a-Si，所述第二半导体层170-1为非晶态硅a-Si，厚度为大约10-50nm，所述第二本征非晶态硅层的厚度为大约1-10nm。
以上所述的第一和第二电极层优选由TCO材料形成，所述TCO为SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
所述第一掺杂类型和第二掺杂类型互为相反的掺杂类型，就是说当第一掺杂类型为p型时，第二掺杂类型为n型，第一掺杂类型为n型时，第二掺杂类型为p型。
以上已经根据本发明的另一个实施例描述了本发明的薄膜太阳能电池结构，所述结构中包含了绝缘层，其一方面隔离了第一、第二电极层，防止短路，另一方面还能够减少光激发的载流子在侧面的复合，从而提高发电效率。并且，在优选的实施例中，在所述绝缘层上还包含了导电层，所述导电层和电极为一体结构，并且所述导电层并未阻挡进光面，这样可以增加电极的导电性，减少薄膜太阳能电池的电阻，进而提高发电效率。
此外，通过组合上述薄膜太阳能电池，本发明还形成了一种薄膜太阳能电池阵列，参考图14，所述阵列包括多个上述薄膜太阳能电池结构190，其中每两个所述薄膜太阳能电池结构相并联，参考图14。可以通过上述方法形成多个上述的薄膜太阳能电池结构190，而后将相邻的两个所述薄膜太阳能电池结构190的第一电极层160-2由导电层180-1相连接，以及将第二电极层170-2由导电层180-2相连接，从而形成由多个薄膜太阳能电池并联形成的薄膜太阳能电池阵列，所述导电层180-1、180-2为任意导电材料，在本发明的一个实施例中，导电层180-1、180-2可以在形成第一、第二电极层时一并形成，即导电层180-1与第一电极层160-2具有一体的结构，导电层180-2与第二电极层170-2具有一体的结构，在其他的实施例中，也可以是分开形成。
上述由薄膜太阳能电池结构连接形成的电池阵列，所述结构中包含了绝缘层，其一方面隔离了第一、第二电极层，防止短路，另一方面还能够减少光激发的载流子在侧面的复合，从而提高发电效率。并且，在优选的实施例中，在所述绝缘层上还包含了导电层，所述导电层和电极为一体结构，并且所述导电层并未阻挡进光面，这样可以增加电极的导电性，减少薄膜太阳能电池结构间的连接电阻，进而提高发电效率。
此外，通过拉伸所形成的电池结构，还形成了一种新的薄膜太阳能电池阵列，如图14所示。多个薄膜太阳能电池结构190，所述太阳能电池结构190包括具有第一掺杂类型的半导体基板150，所述半导体基板150具有第三表面150-1和与其相对的第四表面150-2，以及位于第三表面150-1上的第一结构160和位于第四表面150-2上的第二结构170，所述第一结构150包括具有第二掺杂类型的第一半导体层160-1和第一电极层160-2，所述第二结构170包括第二电极层170-2，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型相反，所述第一结构160、第二结构170或其组合为所述薄膜太阳能电池结构190的进光面。
所述太阳能电池结构190还包括多个可弯曲绝缘层120，所述可弯曲绝缘层120形成在相邻半导体基板150相对的两个表面上并连接所述相邻基板150，其中相邻所述可弯曲绝缘层120的弯曲曲率相反；以及与所述多个可弯曲绝缘层相匹配的多个第一导电层180-1和第二导电层180-2，所述第一导电层180-1和第二导电层180-2位于绝缘层120的两侧，所述第一导电层180-1连接相邻两个薄膜太阳能电池结构190的第一电极层160-2，以及所述第二导电层180-2连接相邻两个薄膜太阳能电池结构190的第二电极层170-2。
所述阵列可以采用上述薄膜太阳能电池结构的实施例所述的方法并在步骤S305中进行拉伸后形成本发明实施例的薄膜太阳能电池阵列，在拉伸后，所述半导体基板150基本在同一个水平面上，而绝缘层成为弯曲绝缘层150，从连接相邻的两个基板150相对的表面连接相邻的两个基板150，也可以通过其他方法来实现。在一个优选的实施例中，第一导电层180-1和第二导电层180-1，可以在形成第一、第二电极层时一并形成，即第一导电层与第一电极层具有一体的结构，第二导电层与第二电极层具有一体的结构，第一和第二电极层优选由TCO材料形成，所述TCO为SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
在本发明所述电池阵列的实施例中，所述半导体基板为单晶Si、单晶Ge、单晶SiGe、多晶Si、多晶Ge、多晶SiGe、III-V或II-VI化合物半导体或其组合。优选的实施例中，所述半导体基板为单晶Si、单晶Ge、单晶SiGe时，所述半导体基板的第三表面的晶向可以为{111}，与三表面垂直的面的晶向为{110}或{112}。所述半导体基板第三表面与第四表面间的厚度为大约5-120μm，宽度为大约0.2-3mm，其中所述厚度为第三表面与第四表面间的距离，所述宽度为半导体基板的两可弯曲绝缘层内侧之间的距离。
所述第一结构160可以为多层结构，在本发明的一个实施例中，第一结构160包括具有第二掺杂类型的第一半导体层160-1和第一电极层160-2，所述第一半导体层160-1可以是非晶态硅a-Si、多晶硅poly-Si、单晶硅或其组合。在另一个实施例中，第一结构160包括具有第二掺杂类型的第一半导体层160-1、第一电极层160-2以及位于第一半导体层160-1和半导体基板150之间的第一本征非晶态硅层i-a-Si，所述第一半导体层160-1为非晶态硅a-Si，厚度为大约10-50nm，所述第一本征非晶态硅层的厚度为大约1-10nm。
所述第二结构170可以为一层或多层结构。在本发明的一个实施例中，所述第二结构170为一层结构，包括第二电极层170-2。在本发明的另一个实施例中，所述第二结构170为多层结构，第二结构170包括具有第一掺杂类型的第二半导体层170-1和第二电极层170-2，所述第二半导体层170-1可以是非晶态硅a-Si、多晶硅poly-Si、单晶硅或其组合。在另一个实施例中，第二结构170包括具有第一掺杂类型的第二半导体层170-1、第二电极层170-2以及位于第二半导体层170-1和半导体基板150之间的第二本征非晶态硅层i-a-Si，所述第二半导体层170-1为非晶态硅a-Si，厚度为大约10-50nm，所述第二本征非晶态硅层的厚度为大约1-10nm。
所述第二掺杂类型与第一掺杂类型互为相反类型的掺杂，就是说当第一掺杂类型为p型时，第二掺杂类型为n型，第一掺杂类型为n型时，第二掺杂类型为p型。
上述的电池阵列，在基板的侧壁具有可弯曲绝缘层，可以减小光激发的载流子在基板侧壁的复合，提高发电效率，还可以隔离第一和第二电极层，防止电极短路造成的失效，此外，基板的侧壁部分的绝缘层上还形成了导电层，这样可以减少电池结构间的连接电阻，增加了电池阵列的导电性，进一步提高发电效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (78)
1.一种薄膜太阳能电池结构的制造方法，所述方法包括：
A、提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一掺杂类型，所述半导体衬底包括第一表面和与其相对的第二表面；
B、从所述第一表面刻蚀半导体衬底形成至少两个第一沟槽，以及从所述第二表面刻蚀半导体衬底形成至少一个第二沟槽，每个所述第二沟槽位于相邻的两个所述第一沟槽之间；
C、至少在所述第一沟槽的侧壁形成第一结构；
D、至少在所述第二沟槽的侧壁形成第二结构；
E、从所述第一沟槽和第二沟槽切割或拉伸所述半导体衬底以形成薄膜太阳能电池结构，其中，所述第一沟槽和第二沟槽之间的半导体衬底形成所述薄膜太阳能电池结构的半导体基板，所述第一结构、第二结构或其组合为所述薄膜太阳能电池结构的进光面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤B包括：在所述第一和第二表面上形成绝缘层；刻蚀所述第一表面层上的绝缘层形成暴露第一表面的至少两个第一开口，以及刻蚀所述第二表面层上的绝缘层形成暴露第二表面的至少一个第二开口，每个所述第二开口位于相邻的两个所述第一开口之间；以绝缘层为掩膜刻蚀所述半导体衬底以形成第一沟槽和第二沟槽。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一开口和第二开口之间的间隔相等。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤C包括：至少在所述第一沟槽的侧壁形成具有第二掺杂类型的第一半导体层，以及在所述第一半导体层上形成第一电极层，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型相反。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述形成第一半导体层的步骤包括：通过扩散至少在所述第一沟槽侧壁内形成具有第二掺杂类型的第一半导体层。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述形成第一半导体层的步骤包括：至少在所述第一沟槽的侧壁沉积具有第二掺杂类型的第一半导体层。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：在沉积所述第一半导体层之后进行掺杂扩散退火。
8.根据权利要求4所述的方法，还包括：在形成所述第一半导体层之前，至少在所述第一沟槽的侧壁形成第一本征非晶态硅层i－a－Si。
9.根据权利要求1所述的方法，所述步骤D包括：至少在所述第二沟槽的侧壁形成第二电极层。
10.根据权利要求1所述的方法，所述步骤D包括：至少在所述第二沟槽的侧壁形成具有第一掺杂类型的第二半导体层，以及在所述第二半导体层上形成第二电极层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述形成第二半导体层的步骤包括：通过扩散至少在所述第二沟槽侧壁内形成具有第一掺杂类型的第二半导体层。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述形成第二半导体层的步骤包括：至少在所述第二沟槽的侧壁沉积具有第一掺杂类型的第二半导体层。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：在沉积所述第二半导体层之后进行掺杂扩散退火。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括：在形成所述第二半导体层之前，至少在所述第二沟槽的侧壁形成第二本征非晶态硅层i－a－Si。
15.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一半导体层包括非晶态硅a－Si、多晶硅poly－Si、单晶硅或其组合。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二半导体层包括非晶态硅a－Si、多晶硅poly－Si、单晶硅或其组合。
17.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一半导体层由非晶态硅a－Si形成。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二半导体层由非晶态硅a－Si形成。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一半导体层的厚度在10-50nm之间。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二半导体层的厚度在10-50nm之间。
21.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一本征非晶态硅层的厚度在1-10nm之间。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二本征非晶态硅层的厚度在1-10nm之间。
23.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中所述第一电极层由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
24.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述第二电极层由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
25.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述第二电极层由金属材料形成。
26.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述第一沟槽和第二沟槽的深度小于或等于所述半导体衬底的厚度。
27.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述半导体基板的厚度在5-120μm之间，宽度在0.2-3mm之间，其中所述厚度为属于同一基板的、相邻沟槽的侧壁所对应的表面之间的距离，所述宽度为所述第一表面和第二表面之间的距离。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体衬底为单晶Si、单晶Ge、单晶SiGe、多晶Si、多晶Ge、多晶SiGe、III–V或II-VI化合物半导体或其组合。
29.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体衬底为单晶Si、单晶Ge或单晶SiGe，所述第一或第二沟槽的侧壁所对应的半导体衬底的表面晶向为{111}。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一表面的晶向为{110}或{112}。
31.一种薄膜太阳能电池结构，所述结构包括：
半导体基板，所述半导体基板具有第一掺杂类型，所述半导体基板包括第三表面和与其相对的第四表面；
位于所述半导体基板的第三表面上的第一结构，以及位于第四表面上的第二结构，其包括第二电极层，所述第一结构、第二结构或其组合为太阳能电池结构的进光面；以及
仅位于所述半导体基板两侧的侧墙；
所述侧墙包括绝缘层和其上的导电层，所述导电层与第一或第二电极层为一体结构。
32.根据权利要求31所述的结构，其中所述第一结构包括：第一半导体层和第一电极层，所述第一半导体层具有第二掺杂类型，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型相反。
33.根据权利要求31所述的结构，其中所述第一结构包括第一本征非晶态硅层i－a－Si、第一半导体层和第一电极层，所述第一半导体层具有第二掺杂类型，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型相反。
34.根据权利要求31所述的结构，其中所述第二电极层具有第一掺杂类型。
35.根据权利要求31所述的结构，其中所述第二结构包括第二半导体层。
36.根据权利要求31所述的结构，其中所述第二结构包括第二本征非晶态硅层i－a－Si、具有第一掺杂类型的第二半导体层。
37.根据权利要求32所述的结构，其中所述第一半导体层包括非晶态硅a－Si、多晶硅poly－Si、单晶硅或其组合。
38.根据权利要求35所述的结构，其中所述第二半导体层包括非晶态硅a－Si、多晶硅poly－Si、单晶硅或其组合。
39.根据权利要求33所述的结构，其中所述第一半导体层由非晶态硅a－Si形成。
40.根据权利要求36所述的结构，其中所述第二半导体层由非晶态硅a－Si形成。
41.根据权利要求33所述的结构，其中所述第一本征非晶态硅层的厚度在1-10nm之间。
42.根据权利要求36所述的结构，其中所述第二本征非晶态硅层的厚度在1-10nm之间。
43.根据权利要求33所述的结构，其中所述第一半导体层的厚度在10-50nm之间。
44.根据权利要求36所述的结构，其中所述第二半导体层的厚度在10-50nm之间。
45.根据权利要求32、33或37中任一项所述的结构，其中所述第一电极由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
46.根据权利要求34所述的结构，其中所述第二电极由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
47.根据权利要求31所述的结构，其中所述导电层、第一和第二电极层由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
48.根据权利要求31所述的结构，其中形成所述绝缘层的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3或其组合。
49.根据权利要求31所述的结构，所述半导体基板为单晶Si、单晶Ge、单晶SiGe、多晶Si、多晶Ge、多晶SiGe、III–V或II-VI化合物半导体或其组合。
50.根据权利要求31所述的结构，其中所述半导体基板为单晶Si、单晶Ge或单晶SiGe，所述半导体基板第三表面的晶向为{111}。
51.根据权利要求50所述的结构，其中与所述半导体基板的所述第三表面垂直的面的晶向为{110}或{112}。
52.根据权利要求31所述的结构，其中所述半导体基板厚度在5-120μm之间，宽度在0.2-3mm之间，其中所述厚度为所述第三表面与第四表面间的距离，所述宽度为所述半导体基板的两所述侧墙内侧之间的距离。
53.一种薄膜太阳能电池阵列，所述阵列包括多个权利要求31至52之一所述的薄膜太阳能电池结构，其中每两个所述薄膜太阳能电池结构相并联。
54.一种薄膜太阳能电池结构，所述结构由权利要求1至30之一所述的方法形成。
55.一种薄膜太阳能电池阵列，所述阵列包括：
多个薄膜太阳能电池结构，所述太阳能电池结构包括具有第一掺杂类型的半导体基板，所述半导体基板具有第三表面和与其相对的第四表面，以及位于所述第三表面上的第一结构和位于所述第四表面上的第二结构，所述第一结构至少包括具有第二掺杂类型的第一半导体层和第一电极层，所述第二结构至少包括第二电极层，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型相反，所述第一结构、第二结构或其组合为所述薄膜太阳能电池结构的进光面；
多个可弯曲绝缘层，所述可弯曲绝缘层形成在相邻基板相对的两个表面上并连接所述相邻基板；
与所述多个可弯曲绝缘层相匹配的多个第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和第二导电层位于绝缘层的两侧，所述第一导电层连接相邻两个薄膜太阳能电池结构的第一电极层，以及所述第二导电层连接相邻两个薄膜太阳能电池结构的第二电极层。
56.根据权利要求55所述的阵列，其中相邻所述可弯曲绝缘层的弯曲曲率相反。
57.根据权利要求55所述的阵列，其中所述半导体基板和所述第一半导体层形成PN结。
58.根据权利要求55所述的阵列，其中所述第一结构还包括：位于所述第一半导体层和所述半导体基板之间的第一本征非晶态硅层i－a－Si。
59.根据权利要求55所述的阵列，其中所述第二结构还包括：位于所述第二电极层和所述半导体基板之间的第二半导体层，所述第二半导体层具有第一掺杂类型。
60.根据权利要求59所述的阵列，其中所述第二结构还包括：位于所述第二半导体层和半导体基板间的第二本征非晶态硅层i－a－Si。
61.根据权利要求59所述的阵列，其中所述第一和第二半导体层包括：非晶态硅a－Si、多晶硅poly－Si、单晶硅或其组合。
62.根据权利要求58所述的阵列，其中所述第一半导体层由非晶态硅a－Si形成。
63.根据权利要求59或60所述的阵列，其中所述第二半导体层由非晶态硅a－Si形成。
64.根据权利要求58所述的阵列，其中所述第一本征非晶态硅层的厚度在1-10nm之间。
65.根据权利要求60所述的阵列，其中所述第二本征非晶态硅层的厚度在1-10nm之间。
66.根据权利要求58所述的阵列，其中所述第一半导体层的厚度在10-50nm之间。
67.根据权利要求60所述的阵列，其中所述第二半导体层的厚度在10-50nm之间。
68.根据权利要求55所述的阵列，其中可弯曲绝缘层的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3或其组合。
69.根据权利要求55所述的阵列，其中所述第一和第二电极由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
70.根据权利要求55所述的阵列，其中所述第一导电层与所述第一电极层为一体结构。
71.根据权利要求59所述的阵列，其中所述第二导电层与所述第二电极层为一体结构。
72.根据权利要求70所述的阵列，其中所述第一导电层由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
73.根据权利要求71所述的阵列，其中所述第二导电层由TCO材料形成，所述TCO包括：SnO2、In2O3、ZnO、ITO、CdO、Cd2SnO4、FTO、AZO或其组合。
74.根据权利要求55所述的阵列，其中所述半导体基板为单晶Si、单晶Ge、单晶SiGe、多晶Si、多晶Ge、多晶SiGe、III–V或II-VI化合物半导体或其组合。
75.根据权利要求55所述的阵列，其中所述半导体基板为单晶Si、单晶Ge或单晶SiGe，所述半导体基板第三表面的晶向为{111}。
76.根据权利要求75所述的阵列，其中与所述半导体基板的第三表面垂直的面的晶向为{110}或{112}。
77.根据权利要求55所述的阵列，其中所述半导体基板的厚度在5-120μm之间，宽度在0.2-3mm之间，其中所述厚度为所述第三表面与所述第四表面间的距离，所述宽度为所述半导体基板的两所述可弯曲绝缘层内侧之间的距离。
78.根据权利要求55所述的阵列，其中所述多个薄膜太阳能电池结构设置在与所述第三表面平行的平面上。
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