CN103563091A - 具有改善的隧道结的串列太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

光伏装置及用于制造光伏装置的方法包括以下步骤：在透射式衬底上形成吸收光的半导体结构，该半导体结构包括第一掺杂层；及在第一掺杂层上形成本征层，其中本征层包括非晶材料。用等离子体处理本征层以形成晶种位点。通过自晶种位点生长微晶在本征层上形成第一隧道结层。

Description

具有改善的隧道结的串列太阳能电池
技术领域
本发明涉及光伏装置，更具体地涉及用于经由改善的隧道结形成来改善性能的装置及方法。
背景技术
太阳能装置使用光伏电池产生电流。太阳光中的光子撞击太阳能电池或面板且由诸如硅的半导体材料吸收。载流子获得能量以允许该等载流子流动穿过材料以产生电。因此，太阳能电池将太阳能转换成可用的电量。
当光子撞击一块硅时，光子可透射穿过硅，光子可由表面反射，或者若光子能高在硅的能带间隙值，则光子可由硅吸收。根据能带结构，这产生电子空穴对且有时产生热。
当光子被吸收时，光子的能量传给晶格中的载流子。可将价带中的电子激发进入导带，在导带中该等电子可在半导体中自由移动。由电子是其一部分的化学键形成空穴。该等空穴可移动穿过晶格，产生移动的电子空穴对。
光子仅需要与能带间隙相比具有更大能量以将电子自价带激发进入导带。因为太阳能辐射由与硅的能带间隙相比具有更大能量的光子组成，所以太阳能电池将吸收更高能量光子，其中一些能量（高在能带间隙）被转化成热而非可用的电能。
为提高太阳能电池的效率，已开发多结电池。多结电池包堆叠在彼此上的两个或两个以上电池。透射穿过顶部电池的任何辐射具有被更低电池吸收的可能性。太阳能电池可包括具有一个或多个隧道结的薄膜硅结构。在多结电池中，堆叠多个结，产生在彼此上生长结材料的需要。在使用硅材料的情况下，用于串列电池的隧道结可受益在更低的硅的电阻相。尽管如此，在非晶相模板上形成超薄型微晶相极具挑战。由在结晶失败，因此在非晶相上使用微晶相的设计经常降低电池效率。
发明内容
光伏装置及用于制造光伏装置的方法包括以下步骤：在透射式衬底上形成吸收光的半导体结构，该半导体结构包括第一掺杂层；及在第一掺杂层上形成本征层，其中本征层包括非晶材料。用等离子体处理本征层以形成晶种位点。通过从晶种位点生长微晶在本征层上形成第一隧道结层。
用于制造光伏装置的方法包括通过以下步骤形成第一光伏电池：在透射式衬底上形成透明导体；在透明导体上形成第一掺杂层；在第一掺杂层上形成本征层，其中本征层包括非晶材料；用等离子体处理本征层以形成晶种位点；通过从晶种位点生长微晶在本征层上形成第一隧道结层；及通过以下步骤形成第二光伏电池：形成具有与第一隧道结层相反极性的第二隧道结层、由具有与第一电池不同的能带间隙的材料形成的相应本征层及形成在相应本征层上的第二掺杂层。
光伏装置包括吸收光的半导体结构，该半导体结构包括第一掺杂层、本征层及第一隧道结层，本征层包括非晶材料相。本征层与第一隧道结层之间的分界面包括使能第一隧道结层及第二隧道结层的微晶生长的晶种层。
本文的说明性实施例的下列详细描述将使这些及其他特征及优点变得明显，将结合附图阅读该详细描述。
附图说明
本公开将参考下列图提供优选实施例的下列详细描述，其中：
图1为根据一个说明性实施例的光伏装置的剖视图；
图2A为部分制造光伏装置的剖视图，图示根据一个说明性实施例形成在衬底上的透明导电氧化物；
图2B为图2A的部分制造光伏装置的剖视图，图示根据一个说明性实施例形成的第一掺杂层；
图2C为图2B的部分制造光伏装置的剖视图，图示根据一个说明性实施例的非晶本征层，该非晶本征层形成在第一掺杂层上且由等离子体处理以形成晶种位点；
图2D为图2C的部分制造光伏装置的剖视图，图示根据一个说明性实施例形成在非晶本征层的晶种层上的第二掺杂层（隧道结）；
图2E为图2D的部分制造光伏装置的剖视图，图示根据一个说明性实施例形成在第三掺杂层（隧道结）上的另一本征层；
图3A为显示根据本发明原理的电池性能（以效率百分数计量）对电池的隧道结的H+处理时间（以秒计量）的条形图；
图3B为图示根据本发明原理的电池性能（使用占空因子）对电池的隧道结的H+处理时间（以秒计量）的条形图；
图3C显示根据本发明原理的对于不同H2等离子体处理时间及掺杂率，电流密度对电压的曲线；及
图4为显示根据本发明原理用于制造光伏装置的方法的方块/流程图。
具体实施方式
提供具有改善的占空因子的多结光伏装置。光伏装置可作为太阳能电池使用。另外，公开用于形成具有改善的占空因子的光伏装置的方法。光伏装置包括一个或多个微晶硅相隧道结，该一个或多个微晶硅相隧道结形成为与非晶硅模板或本征层接触。氢含量为用于非晶硅上的结晶相形成的因素。根据一个实施例，氢化非晶硅模板（例如，a-Si:H）的氢(H2)等离子体处理有助在产生晶种以使得在掺杂的隧道结处的掺杂活化增加，导致高导电率。此举降低串列太阳能电池结构中隧道结处的阻抗。晶种然后能够为进一步晶体生长做准备以在非晶硅上形成微晶层。
应了解，将在用于太阳能电池的特定说明性架构方面描述本发明；然而，其他架构、结构、衬底材料及处理特征及步骤可在本发明的范畴内变化。包括此类设计的太阳能电池设计或芯片可以图形计算机程序语言产生，且存储在计算机存储媒体（诸如盘、磁带、实体硬盘或诸如存储存取网络中的虚拟硬盘）中。若设计者不制造芯片或用于制造芯片的光刻工艺掩膜，则设计者可通过物理方式（例如，通过提供存储设计的存储媒体副本）或用电子方式（例如，经由因特网）将所得设计直接地或间接地传输至此类实体。所存储设计然后转化为用于光刻工艺掩膜的制造的适当的格式（例如GDSII），该格式通常包括所讨论的芯片设计的多个副本，该等芯片设计待形成在晶片上。光刻工艺掩膜用以界定待蚀刻或待处理的晶片（及/或晶片上的层）的区域。
在下文描述中，陈述许多具体细节，诸如特定结构、组件、材料、尺寸、处理步骤及技术，以提供本发明原理的彻底的了解。尽管如此，一般技术者应了解，该等具体细节是说明性的且不应视为限制。
应了解当层、区域或衬底的组件称为“在”另一组件“上”或“在”另一组件“上方”时，该组件可直接地位在其他组件上或亦可存在中间组件。相反，当组件在另一组件“上”或“直接在”另一组件“上方”时，不存在中间组件。亦应了解，当组件称为“连接”或“耦接”至另一组件时，可将该组件直接连接或耦接至其他组件或可存在中间组件。相反，当组件称为正“直接连接”或“直接耦接”至另一组件时，不存在中间组件。
如本文所描述的方法可用于制造集成电路芯片及/或太阳能电池。所得集成电路芯片或电池可由制造商以未加工晶片形式（亦即，作为具有多个非封装芯片的单个晶片）进行分配作为裸晶粒，或以已封装形式进行分配。在后者情况下，芯片安装在单个芯片封装（诸如塑料托架，该塑料托架具有附着在母板或其他更高水平托架的引线）中或安装在多芯片封装（诸如陶瓷托架，该陶瓷托架具有表面互连或埋入互连中的一者或两者）中。在任何情况下，芯片然后与其他芯片、分立电路组件及/或其他信号处理装置集成作为(a)诸如母板的中间产品或(b)最终产品中的一者的部分。最终产品可为包括光伏装置、具有太阳能电池的集成电路芯片的任何产品，范围从玩具、计算器、太阳能收集器及其他低端应用至高级产品。
现参看附图且首先参看图1，在该等图中，相同组件符号表示相同或相似组件，说明性地描述根据一个实施例的说明性光伏结构100。光伏结构100可用于太阳能电池、光传感器或其他光伏应用。结构100包括准许高的光透射的衬底102。衬底102可包括透明材料，诸如玻璃、聚合物等等或该等材料的组合。
第一电极104包括透明的导电材料。电极104可包括掺杂层，例如N型掺杂层或P型掺杂层。电极104可包括透明导电氧化物(TCO)，例如氟掺杂氧化锡（fluorine-doped tin oxide；SnO2:F或”FTO”）、掺杂氧化锌（例如ZnO:Al）、氧化铟锡(indium tin oxide;ITO)或其他合适的材料。对在本实例而言，说明性地将掺杂氧化锌用于电极104。TCO104准许光穿过到达活性吸光材料下方且允许传导以将光产生的电荷载流子运输远离吸光材料。
吸光材料包括掺杂层106（例如掺杂非晶硅(amorphous silicon;a-Si)或微晶硅(microcrystalline silicon;μc-Si)层且尤其P型掺杂层）。在此说明性结构100中，在电极104上形成层106。在层106上形成相容材料的本征层108。本征层108可为未掺杂的且可包括非晶硅材料。本征层108可包括约100nm至300nm之间的厚度，但是可预期其他厚度。晶种层109形成在本征层108的非晶硅上。通过用等离子体（例如：H2等离子体）轰击本征层108的表面来形成晶种层109。等离子体导致硅晶种开始形成在层108的表面上。
本征层108优选地为薄膜氢化非晶硅(hydrogenated amorphoussilicon;a-Si:H)或氢化非晶碳化硅(hydrogenated amorphous siliconcarbide;a-SiC:H)，可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition;CVD)处理或来自硅烷气及氢气的等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced;PE-CVD)沉积本征层108。
在此实施例中，在本征层108上形成第二掺杂层110（例如，N型层）作为N型隧道结。本征层108可包括非晶氢化硅(amorphoushydrogenated silicon;a-Si:H)，且层110优选地包括N型氢化微晶(hydrogenated microcrystalline;μc-Si:H)。从晶种层109生长层110。晶种层109通过氢等离子体处理形成在本征层108的非晶硅上。等离子体活化表面以使得可随后生长作为微晶硅的薄隧道结110。层110可包括超薄厚度，例如介于约0.1nm至约20nm之间，更优选地小于约5nm。为促进隧道结110的导电率，可在区域中提供更多掺杂。
为改善装置100的性能，希望更低电池125吸收穿过顶部电池115的任何辐射。通过提供能隙分裂（Eg分裂）达成此目的。举例而言，顶部电池115具有更高能带间隙材料且首先接收光120。在顶部电池115处未被吸收的光谱进入电池125。两个不同结之间的较大能带间隙差异最好防止光谱在结之间被共享。这将最大化光电流。能隙分裂准许吸收具有电池之间的不同能量的辐射。因为顶部电池115的能带间隙维持在更高水平，所以一个或多个更低水平电池125被设计具有更低能带间隙。以此方式，更低电池具有更高的吸收透射的辐射的概率，且整个多结电池变得更有效率，因为更少的光子能级在分层的电池之间共享。这导致穿过至底部电池125的光的吸收的概率增加，从而增加更低电池125中的电流且增加短路电流JSC。
为增加效率，优选的是，通过为全部电池保持绝对高级别的能带间隙能量(Eg)，能带间隙之间的更大差异存在于顶部电池115（更高能带间隙）与底部电池125（更低能带间隙）之间，以维持高的开路电压Voc。
本实施例中的底部电池125包括掺杂层112（例如，P型掺杂层），该掺杂层112作为P型隧道结形成在N型层110上。层112优选地包括P型氢化微晶硅(hydrogenated microcrystalline silicon;μc-Si:H)。层112可生长在层110上或可在连续处理中与层110一起生长，在沉积处理期间切换掺杂剂类型以形成层110及层112。层112可包括超薄厚度，例如介于约0.1nm至约20nm之间，且更优选地小于约5nm。在层112上形成相容材料的本征层114。
通过为隧道结层110及112提供的微晶结构，活性掺杂浓度与非晶相的掺杂容量相比可有效地增加一个或两个数量级，因此增加导电率及总电池效率。本征层114可为未掺杂的且可包括氢化微晶硅(hydrogenated microcrystalline silicon;μc-Si:H)或氢化非晶硅锗（例如，a-SiGe:H）材料或其他合适材料。本征层114可包括约150nm的厚度，但是可预期其他厚度。
可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition;CVD)处理或等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced;PE-CVD)沉积硅锗层114以形成非晶硅锗。在此实施例中，N型层118形成在本征层114上。层118优选地包括N型非晶硅或微晶硅。若将添加额外串列电池，则层118可包括使用如上所述的另一晶种层形成的μc-Si:H。层118可包括超薄厚度，例如小于约20nm且更优选地小于约5nm。额外电池及/或层（例如，反射器等等）可在电池125完成后形成。在尤其有用的实施例中，顶部电池115可包括a-Si:H或a-SiC:H且底部电池125可包括a-SiGe:H及μc-Si:H。应注意，串列电池可包括与已呈现的材料相同的材料或与其他材料。举例而言，电池125可包括与电池115相同的材料或包括CIGS(CuInGaS)、Cu2ZnSn(S,Se)4、（CZTS或CZTSe）等等。
参阅图2A至图2E，图示用于提供根据本发明原理的光伏装置的说明性处理序列。图2A图示衬底202，例如透明衬底，具有形成在该衬底202上的透明导体204。衬底202可包括玻璃、聚合物等等，且透明导体可包括ZnO:Al、ITO等等。
在图2B中，掺杂层205形成在透明电极204上且可包括非晶Si及/或非晶SiC。本征层206形成在掺杂层205上。本征层206优选地包括形成在掺杂层205上的非晶硅层。
在图2C中，用等离子体处理本征层206以形成用于微晶生长的晶种。等离子体优选地包括H2等离子体喷淋。在一个说明性实施例中，H2等离子体喷淋在约摄氏150度与摄氏250度之间执行。执行H2等离子体喷淋的压力为介于约0.1至约10托之间，且功率为介于约30至约3000mW/cm2之间，持续约60秒至约1000秒。等离子体喷淋导致形成如图2D所描述的晶种层208。
在图2D中，隧道结层210及212形成在晶种层208上。可使用CVD或PECVD沉积处理形成层210。沉积处理可包括，例如用于层210的N型掺杂剂及用于层212的P型掺杂剂。在一个实施例中，两个层在同一处理期间形成在同一腔室中，其中在处理期间切换掺杂剂类型。或者，层210及212独立地形成。隧道结层210及212优选地为微晶硅。通过使微晶硅隧道结处在晶种层208上来增加掺杂效率，导致通过降低隧道结处的阻抗来改善占空因子(FF)。
在图2E中，另一本征层214形成在层212上。本征层214可包括SiGe、微晶硅或其他合适的材料。继续处理以完成电池（例如，形成另一掺杂层（未图示）等等）。可提供额外电池，该等额外电池可包括或可不包括根据本发明原理的非晶与微晶硅分界面。
参阅图3A，说明性地图示电池性能（以效率百分数计量）对电池的隧道结的H+处理时间（以秒计量）。如所指示，电池效率随着进行H+等离子体处理的时间的增加而增加。如区域302及304所示，在信道结区域中的额外掺杂亦提高效率。
参阅图3B，说明性地图示电池性能（占空因子）对电池的隧道结的H+处理时间（以秒计量）。如所指示，占空因子随着进行H+等离子体处理的时间的增加而增加。如区域306及308所示，在信道结区域中的额外掺杂亦提高占空因子。占空因子(FF)为最大功率点(Pm)除以断路电压(Voc)及短路电流(Jsc)的比：
Figure BDA0000425484290000081
占空因子在当前能源环境中指示光伏装置的效率。
参阅图3C，对于用不同氢等离子体条件形成的太阳能电池结构，绘制电流密度(J)对电压(V)曲线。具有隧道结的不同沉积状态的串列电池说明：增加的H+处理帮助促进在隧道结中的结晶，且增加的掺杂通过降低V=0处的顶点来提高隧道结的导电率，该导电率出现在J-V曲线中。此举导致改善FF。
在曲线310至曲线316中系统地图示了上述趋势。曲线310图示H2等离子体处理100秒。曲线312图示H2等离子体处理300秒。曲线314图示等离子体处理300秒加上掺杂剂水平的4倍增大。曲线316图示H2等离子体处理450秒加上8倍的掺杂剂水平。总体而言，增加氢等离子体时间及掺杂提高串列太阳电池的占空因子。在此实例中，基本掺杂剂水平可为硅烷中的掺杂剂气体的1%至5%的每分钟标准立方公分(sccm)。应了解，使用其他技术及气体可实现掺杂剂水平中的其他提高。
参阅图4，方块/流程图图示根据一个说明性实施例的用于制造光伏装置的方法。在方块402中，形成第一光伏电池或装置。本方法可包括以下步骤：形成单个装置或电池，或可包括以下步骤：形成具有多个堆叠的电池的多结装置。在方块404中，透明导体形成在透射式衬底上。导体可包括氧化锌、氧化铟锡或其他透明导体。在方块406中，形成第一掺杂层。此可包括在透明导体上沉积掺杂材料（例如，非晶硅）。
在方块410中，在第一掺杂层上形成本征层。本征层优选地可包括非晶材料。在此情况下，在第一掺杂层（包括例如另一非晶材料）上形成非晶材料并不困难。在方块412中，用等离子体处理本征层以形成晶种位点。若本征层由非晶硅形成，则等离子体优选地包括氢等离子体。亦可使用其他等离子体。另外，可使用其他技术形成晶种位点，例如退火本征层等等。
在方块414中，第二掺杂层（隧道结）通过从晶种位点生长微晶而形成在本征层上。微晶可包括微晶硅。亦可使用其他非晶/微晶组合，例如a-Ge/微晶锗等等。在方块416中，第二掺杂层可增加该第二掺杂层的掺杂剂浓度以改善导电率，且因此改善总电池效率。微晶相支持更大的掺杂剂水平，且因此支持更大的导电率。
在方块420中，可形成第二光伏电池。在方块422中，形成具有与第二掺杂层相反极性的第三掺杂层（隧道结）。第二掺杂层及第三掺杂层为隧道结。第二掺杂层及第三掺杂层由晶状材料组成，该晶状材料由晶种层使能。第三掺杂层也可增加该第三掺杂层的掺杂剂浓度以改善导电率。在方块424中，相应的本征层优选地由具有与第一电池不同的能带间隙的材料形成。优选地选择能带间隙以使得能带间隙能量随着深度增加而增加（例如，离入射光更远的每一电池具有增加的能带间隙能量）。选择能带间隙以提供最大收集效率（例如，能带间隙分裂布置）。在方块426中，第四掺杂层形成在第二电池的本征层上。根据材料选择，在形成第四掺杂层之前，可形成晶种层。
在方块430中，一个或多个额外的吸收光的半导体结构可形成在第二光伏电池上以继续堆叠串列电池。此举可包括或可不包括形成如上所述的晶种位点。若提供额外电池，则可使用晶种位点（等离子体处理）。亦可形成其他结构，例如背部反射器等等。在方块432中，继续处理以完成装置或系统。
已描述用于具有改善的隧道结的串列太阳电池及方法的优选实施例（意欲为说明性的且不具限制），应注意本领域技术人员根据上述教示可进行修改及变化。因此应了解，已公开的特定实施例的改变仍在由附加权利要求书所概括的本发明的范畴内。已用专利法要求的细节及特殊性如此描述本发明的方面，在附加权利要求中阐述由专利法保护的申请及期望内容。

Claims (25)

1.一种用于制造光伏装置的方法，该方法包含以下步骤：
在透射式衬底上形成吸收光的半导体结构，该半导体结构包括第一掺杂层；
在该第一掺杂层上形成本征层，其中该本征层包括非晶材料；
用等离子体处理该本征层以形成晶种位点；及
通过从该晶种位点生长微晶来在该本征层上形成第一隧道结层。
2.如权利要求1所述的方法，其中该第一隧道结层包括P型层和N型层中的一者。
3.如权利要求1所述的方法，其中该本征层包括非晶硅且该第一隧道结层包括微晶硅。
4.如权利要求1所述的方法，其中该透射式衬底包括形成在该透射式衬底上的透明导体。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述处理的步骤包括用氢等离子体处理该本征层。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包含以下步骤：为该第一隧道结层提供增加的掺杂剂浓度以改善导电率.
7.如权利要求1所述的方法，其中该晶种位点使能形成用于该第一隧道结层及该第二隧道结层的微晶相。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包含以下步骤：在该第一隧道结层上形成一个或多个额外的吸收光的半导体结构。
9.如权利要求8所述的方法，其中该一个或多个额外的吸收光的半导体结构包括额外的串列电池。
10.一种用于制造光伏装置的方法，该方法包括：
通过以下步骤形成第一光伏电池：
在透射式衬底上形成透明导体；
在该透明导体上形成第一掺杂层；
在该第一掺杂层上形成本征层，其中该本征层包括非晶材料；
用等离子体处理该本征层以形成晶种位点；
通过从该等晶种位点生长微晶来在该本征层上形成第一隧道结层；
通过以下步骤形成第二光伏电池：
形成具有与该第一隧道结层相反极性的第二隧道结层、由具有与该第一电池不同的能带间隙的材料形成的相应的本征层、以及在该相应的本征层上形成的第二掺杂层。
11.如权利要求10所述的方法，其中该第一光伏电池的本征层包括非晶硅且该第一隧道结层包括微晶硅。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述处理的步骤包括用氢等离子体处理该本征层。
13.如权利要求10所述的方法，其中该晶种位点使能形成用于该第一隧道结层及该第二隧道结层的微晶相。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包含以下步骤：在该第二光伏电池上形成一个或多个额外的串列电池。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包含以下步骤：用等离子体处理至少一个其他额外的串列电池的本征层以形成晶种位点。
16.如权利要求14所述的方法，进一步包含以下步骤：为串列电池提供作为距入射辐射的距离的函数的增加的能带间隙。
17.如权利要求10所述的方法，进一步包含以下步骤：为该第一隧道结层提供增加的掺杂剂浓度以改善导电率。
18.一种光伏装置，该光伏装置包含：
吸收光的半导体结构，该半导体结构包括第一掺杂层、本征层及第一隧道结层，该本征层包括非晶材料相；及
该本征层与该第一隧道结层之间的分界面，该分界面包括使能该第一隧道结层及第二隧道结层的微晶生长的晶种层。
19.如权利要求18所述的光伏装置，进一步包含透射式衬底，在该透射式衬底上形成该半导体结构。
20.如权利要求19所述的光伏装置，该透射式衬底进一步包含透明电极。
21.如权利要求18所述的光伏装置，其中该本征层包括非晶硅，且该第一隧道结层及该第二隧道结层包括微晶硅。
22.如权利要求18所述的光伏装置，其中该光伏装置包括在光伏装置栈中。
23.如权利要求22所述的光伏装置，其中该光伏装置栈包括能带间隙分裂。
24.如权利要求18所述的光伏装置，其中该第一隧道结层及该第二隧道结层包括超薄掺杂层，所述超薄掺杂层的每一个具有约0.1nm与约20nm之间的厚度。
25.如权利要求18所述的光伏装置，其中该第一隧道结层及该第二隧道结层包括微晶相，该微晶相具有超过非晶相的容量的额外掺杂剂以改善导电率。
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