CN103872176B - 具有集成光伏电池的器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有集成光伏电池的器件及其制造方法。一种用于制造具有集成光伏电池的器件的方法，包括：在第一处理衬底上支撑半导体衬底；以及对所述半导体衬底进行掺杂以形成具有相反导电性的交替区域。在所述半导体衬底的第一侧上形成掺杂层。在所述掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
Description
技术领域
本发明涉及光伏器件及制造方法，更具体地，涉及光伏电池在半导体衬底中的单片集成。
背景技术
为了实现用于各种应用——例如为芯片供电或自主电路操作——的高压电源，期望太阳能电池的单片集成。对于此目的，异质结太阳能电池受到关注，这通常是因为它们的高效率，并且更具体地，在相当的转换效率值下异质结太阳能电池得到的开路电压比同质结太阳能电池的开路电压高。
发明内容
一种用于制造具有集成光伏电池的器件的方法包括：在第一处理衬底（handlesubstrate）上支撑半导体衬底；以及对所述半导体衬底进行掺杂以形成具有相反导电性的交替区域。在所述半导体衬底的第一侧上形成掺杂层。在所述掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
另一种用于制造具有集成光伏电池的器件的方法包括：对绝缘体上半导体衬底的掩埋电介质层上的半导体层进行掺杂，以跨所述半导体层形成具有较高和较低掺杂剂浓度的交替区域；在所述半导体层的第一侧上形成至少一个掺杂层；以及在所述至少一个掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与具有高和低掺杂浓度的所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
再一种用于制造具有集成光伏电池的器件的方法包括：对绝缘体上半导体衬底的掩埋电介质层上的半导体层进行掺杂，以跨所述半导体层形成具有较高和较低掺杂剂浓度的交替区域；在所述半导体层的第一侧上形成至少一个掺杂层半导体，所述至少一个掺杂层包括氢化晶体半导体材料；在所述至少一个掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与具有高和低掺杂浓度的所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池；以及使用所述导电岛作为蚀刻掩膜蚀刻所述至少一个掺杂层，以在与所述多个光伏电池中的每一个对应的所述至少一个掺杂层的部分之间产生间隔。
一种具有集成光伏电池的器件包括：半导体衬底，其包括具有相反导电性的掺杂交替区域；以及至少一个掺杂层，其形成在所述半导体衬底的第一侧上。构图的导电材料形成在所述至少一个掺杂层上而形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
另一种具有集成光伏电池的器件包括：绝缘体上半导体衬底，其具有基底半导体、薄半导体层以及在所述基底半导体与所述薄半导体层之间的掩埋电介质层，所述薄半导体层具有跨该薄半导体层的较高和较低掺杂剂浓度的交替区域。至少一个掺杂层形成在所述半导体层的第一侧上；并且构图的导电材料形成在所述至少一个掺杂层上而形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
再一种具有集成光伏电池的器件包括：绝缘体上半导体衬底，其具有基底半导体、薄半导体层以及在所述基底半导体与所述薄半导体层之间的掩埋电介质层，所述薄半导体层具有跨该薄半导体层的较高和较低掺杂剂浓度的交替区域。至少一个掺杂层形成在所述薄半导体层的第一侧上。所述至少一个掺杂层包括晶体半导体材料。构图的导电材料形成在所述至少一个掺杂层上而形成导电岛，使得所述导电岛与具有高和低掺杂浓度的所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。在与所述多个光伏电池中的每一个相对应的所述至少一个掺杂层的部分之间形成间隔。
通过下文中对其示例性实施例的详细描述，这些和其它特征及优点将变得显而易见，所述详细描述要结合附图进行阅读。
附图说明
本公开将参考以下附图在对优选实施例的以下描述中提供细节，在附图中：
图1A是根据本发明原理的器件的横截面视图，该器件具有在被耦合到处理衬底的薄衬底上单片集成并且串联连接的多个光伏电池；
图1B是根据本发明原理的图1A的器件的横截面视图，通过将所述薄衬底转移到第二处理衬底，该器件被进一步处理而形成单片集成的、并且在所述薄衬底的第二侧上串联连接的多个光伏电池；
图1C是根据本发明原理的图1B的器件的横截面视图，其中所述第二处理衬底被去除；
图1D是根据本发明原理的图1A的器件的横截面视图，该器件具有相对于处理衬底的反向叠层；
图2是根据本发明原理的图1D的器件的横截面视图，示出了串联连接的异质光伏电池；
图3A是根据本发明原理的器件的横截面视图，该器件具有在SOI衬底上单片集成并且串联连接的多个光伏电池；
图3B是根据本发明原理的图3A的器件的横截面视图，其中所述衬底和掺杂层具有与图3A的衬底和掺杂层相反的导电性的掺杂剂类型；
图4是根据本发明原理的图3B的器件的横截面视图，示出了串联连接的异质光伏电池；
图5A是根据本发明原理的器件的横截面视图，该器件具有在SOI衬底上单片集成并且串联连接的多个光伏电池，其中穿过掺杂层蚀刻出间隔以将所述电池分开；
图5B是根据本发明原理的图5A的器件的横截面视图，其中所述衬底和掺杂层具有与图5A的衬底和掺杂层相反的导电性的掺杂剂类型；
图6是框图/流程图，示出了根据示例性实施例的用于形成图1A-1D的器件的方法；以及
图7是框图/流程图，示出了根据示例性实施例的用于形成图3A-3B以及图5A-5B的器件的方法。
具体实施方式
根据本发明原理，为光伏电池提供单片集成和所得到的器件。在一个实施例中，异质结太阳能电池，特别地，带有本征薄层的异质结（HIT）电池，被集成在薄的体绝缘体上半导体衬底上和/或晶体半导体的薄层上。所述光伏电池之间至少共享衬底，并且所述光伏电池串联连接以增加集成光伏结构的输出电压。这是因为集成光伏结构的开路电压在一阶上等于串联连接的各太阳能电池单元的开路电压之和。
应当理解，将就放置在晶片上的给定示例性构造来描述本发明；然而，其它构造、结构、衬底材料以及工艺特征和步骤可以在本发明的范围内变化。还应当理解，本发明可以包括串列（tandem）（多结）结构。
也还应当理解，当诸如层、区域或衬底的要素被称为在另一要素“上”或“之上”时，它可以直接在该另一要素上，或者也可以存在中间要素。相反，当一个要素被称为“直接在”另一要素“上”或者“之上”时，不存在中间要素。还应当理解，当一个要素被称为“连接”或“耦合”到另一个要素时，它可以被直接连接或耦合到该另一要素，或者可以存在中间要素。相反，当一个要素被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一要素时，不存在中间要素。
可以为集成电路集成产生光伏器件的设计，或者光伏器件的设计可以与印刷电路板上的部件相结合。电路/板可用图形计算机程序语言实现，并储存在计算机存储介质（例如磁盘、磁带、实体硬盘驱动器、或例如存储存取网络中的虚拟硬盘驱动器）中。若设计者不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，设计者可用物理装置（例如通过提供存储设计的存储介质的副本（copy））传送所产生的设计、或直接或间接地以电子方式（例如通过网络）传送至该实体。再将所储存的设计转换成适当的格式（例如GDSII），用于光刻掩模的制造，光刻掩模典型地包括所关注的要在晶片上形成的芯片设计的多个副本。光刻掩模用于界定待蚀刻或待处理的晶片（和/或其上的层）的区域。
本申请中描述的方法可用于制造光伏器件和/或具有光伏器件的集成电路芯片。所得到的器件/芯片可以以原始晶片的形式（即，作为具有多个未封装的器件/芯片的单个晶片）、作为裸管芯或者以封装的形式由制造商分配。在后一情况下，器件/芯片安装在单个芯片封装体（例如塑料载体，具有固定到主板或更高级的载体上的引线）中或者安装在多芯片封装体（例如，具有表面互连或掩埋互连、或者具有表面互连和掩埋互连的陶瓷载体）中。在任一情况下，再将器件/芯片与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成，作为(a)中间产品，例如主板或(b)最终产品的一部分。所述最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，范围包括玩具、能量收集器、太阳能器件和其它应用，所述其它应用包括具有显示器、键盘或其它输入装置以及中央处理器的计算机产品或装置。此处描述的光伏器件对于用来为电子装置、家庭、建筑物、车辆等提供电力的太阳能电池或面板特别有用。
还应当理解，将用所列的元素来描述材料化合物，例如GaInP、InGaAs或SiGe。这些化合物包括在该化合物内不同比例的元素，例如InGaAs包括InxGayAs1-x-y，其中x、y小于或等于1，或者SiGe包括SixGe1-x，其中x小于或等于1，等等。此外，根据本发明原理，其它元素可以被包含在该化合物中，诸如例如AlInGaAs，并且仍然起作用。在本申请中具有另外的元素的化合物将称为合金。
当前的实施例可以是光伏器件或电路的一部分，并且此处描述的电路可以是用于集成电路芯片、太阳能电池、光敏器件等的设计的一部分。所述光伏器件可以是长度和/或宽度在英尺或米的量级上的大规模器件，或者可以是用于计算器、太阳能供电的灯等的小规模器件。
在说明书中对本发明原理的“一个实施例”或“实施例”以及其其它变型的引用，意味着与该实施例相关地描述的特定特征、结构或特性等等被包含在本发明原理的至少一个实施例中。因此，在贯穿说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”和“在实施例中”以及任何其它变型的出现未必都指同一实施例。
应当理解，下文中“/”、“和/或”以及“……中的至少一者”（例如在“A/B”、“A和/或B”和“A和B中的至少一者”的情况下）中的任何一者的使用，旨在包含仅选择列出的第一个选项（A）、或者仅选择列出的第二个选项（B）或者选择这两个选项（A和B）。作为另一个例子，在“A、B和/或C”以及“A、B和C中的至少一者”的情况下，这种短语旨在包含：仅选择列出的第一个选项（A）、或者仅选择列出的第二个选项（B）、或者仅选择列出的第三个选项（C）、或者仅选择列出的第一个和第二个选项（A和B）、或者仅选择列出的第一个和第三个选项（A和C）、或者仅选择列出的第二个和第三个选项（B和C）、或者选择所有三个选项（A和B和C）。对于该领域和相关领域的普通技术人员而言容易显而易见的是，这可以扩展用于许多列出的项目。
现在参考附图，在图中相似的数字表示相同或相似的部件，首先参考图1A，其示例性地示出了部分制造的光伏器件100。在一个实施例中，将包括薄半导体层或衬底132的叠层134接合到支撑或处理衬底102。如果需要，可以采用可选择性去除的牺牲层103来转移衬底132（如将描述的）。衬底102被接合到衬底132，并且叠层134形成在衬底132上。衬底或层132包括p-或n-掺杂的半导体材料，例如Si、SiGe、Ge、SiC、III-V等。衬底或层132还通过已知的技术（诸如例如选择性注入和/或扩散）分别被掺杂成p-或n-区域112或114（如果半导体是n-，则掺杂区域是p-，反之亦然）。这优选在层转移和层形成在半导体衬底132上之前在衬底132（主衬底）上进行，以在掺杂工艺期间在如果存在其它层时防止高温损坏。隔离区133可以通过掺杂或通过蚀刻部分并且之后在区域133中沉积电介质材料而形成。
叠层134包括本征层110，该本征层110可以包括非晶（amorphous）氢化硅（a-Si:H），但可以采用其它材料。掺杂层116可以包括a-Si:H（p+或n+）层。透明导电氧化物118（TCO）（例如ZnO、氧化铟锡（ITO）等）被沉积在掺杂层116上。TCO118通过进行隔离蚀刻而被构图，从而形成TCO岛118。
注意，代替对TCO118的沉积和构图，可以通过使用遮蔽掩模来沉积构图的TCO。在一些实施例中，对主衬底132进行隔离蚀刻（即，在层转移之前）。在一些实施例中，隔离通过除了蚀刻之外的技术进行，例如通过选择性（即，掩蔽的）注入进行以局部非晶化TCO岛118的部分并且因此减小电导率，或者通过局部氧化/氮化（例如，通过局部激光辐射或者氧或氮的注入）进行。优选在层转移之前对主衬底132执行这些技术。
正如将要描述的，可以在各层形成在衬底132上之后采用低温接合。然而，如图1A所示的叠层134可以用作具有多个光伏电池130的单面（monofacial）器件。电池130被串联连接并且包括与交替的掺杂区域112和114对准的TCO岛。应当理解，处理或保持衬底102可以保留作为器件100的一部分，或者可以被去除并且衬底132被转移到另一平台或衬底。
参考图1B，叠层134和衬底132被转移到另一平台或衬底。这可以在衬底132的相反面或侧提供另外的电池结和/或电极，或者将器件100转移到另一器件或平台。在一个实施例中，器件100在与处理衬底102相反侧被接合到第二处理或保持衬底105。然后，衬底102被剥离。在一个实施例中，这可以包括通过蚀刻或其它工艺去除牺牲层103。还应当理解，除了此处描述的工艺之外，晶片接合和去除还可以包括任何数量的工艺。例如，可以采用剥落技术、粘合剂接合和脱模剂等。
现在，衬底132的第二侧暴露并且可以用于形成另外的层以完成器件101。叠层136包括本征层108、掺杂层106（n+或p+）。层106的掺杂具有与层116相反的导电性。例如，如果层106是p+掺杂的，则层116是n+掺杂的。层106和108可以包括a-Si:H，但可以采用其它适当的材料。导电材料（例如TCO）119被沉积在衬底132的另一侧上，之后使用上述技术中的一种对所述材料构图以形成岛119。这形成了在同一衬底上单片集成的多个相邻太阳能电池130。
由于a-Si:H层（106、108、110、116）非常薄并且掺杂的a-Si:H层106、116的电导率通常低（例如，对于～10nm或更薄的层，低于0.01(Ω.cm)-1的电导率，即～100MΩ/Sq.或更高的薄层电阻），这些层106、116的横向导电可忽略。因此，有效地，相邻太阳能电池130被横向隔离，并且仅通过由TCO层118和119制成的电连接而被串联连接。在一些实施例中，构图的TCO118、119可以用作掩膜来去除两个相邻电池130之间的a-Si:H层106、108、110、116。注意，然后可以用金属层代替位于衬底一侧上的TCO层118或119，因为仅在衬底132的一侧上需要透明（以允许光进入太阳能电池）。然而，TCO118、119可以用在两侧上以用于双面操作（以允许光从两侧进入）。在处理衬底105被剥离之后，这在图1C中的一个实施例中示出。应当理解，衬底105可以在完成的器件中留在适当的位置，并且可以是透明的以穿过其接收光（用于单面或双面操作）。或者，衬底105也可以使用例如牺牲层而被去除。
图1C示出了没有处理衬底的示例性器件150。器件150可以提供单面或双面操作。所述器件可以使用上述转移工艺被转移到印刷线路板、衬底或其它表面或器件，其中可以从顶部和底部都接收光。
在一些实施例中，如在图1B中那样，支撑衬底102或105可以是永久的。在将叠层134接合到支撑衬底105之前，反射材料（例如银）层可以在一侧形成在TCO层118（或TCO层119）的背面（例如，在TCO沉积并随后对TCO和反射金属同时构图之后，或者通过使用相同的遮蔽掩模来沉积构图的TCO和金属），以增加回到太阳能电池中的光反射，来进行更好的光俘获（背反射器）。由于异质结太阳能电池130被串联连接，集成单元的输出电压相应地增加。如果处理衬底105（或102）是柔性的，则集成单元（100、101）可以在需要柔性的应用（例如，可穿戴电子装置或柔性显示器）中用作柔性电源。
图1D示出了器件152，其中可以穿过用作该器件的永久部件的衬底102来接收光。衬底102是透明的并且可以由玻璃、聚合物或其它透明材料形成，并且允许双面操作。
参考图2，图1D的器件152被示例性地描绘以示出相邻电池140和142之间的串联连接。此外，提供了所采用的材料以示例根据一个实施例的结构，也可以采用其它材料和结构。第一异质结电池140包括发射器部分144和背表面场（BSF）接触部分145。在该例子中，电池140的发射器部分144包括TCO118、n+a-Si:H层106和本征a-Si:H层108。电池140的BSF部分145包括p+a-Si:H层110、本征a-Si:H层116和TCO119。p-c-Si衬底112被设置在发射器部分144与BSF部分145之间。
第二异质结电池142（与第一电池140相邻并且通过TCO118和119串联连接）包括发射器部分147和BSF接触部分146。在该例子中，电池142的发射器部分147包括p+a-Si:H层110、本征a-Si:H层116和TCO119。电池142的BSF部分146包括TCO118、n+a-Si:H层106和本征a-Si:H层108。n-c-Si衬底114被设置在发射器部分147与BSF部分146之间。
在图2中，线154示例性地示出了相邻电池140与142之间的电流流动。所述光伏电池140和142之间至少共享衬底层132，并且光伏电池140和142通过TCO118、119而被串联连接以增加集成光伏结构的输出电压。集成光伏结构的开路电压在一阶上等于串联连接的各太阳能电池单元的开路电压之和。注意，图1B和1C的结构提供相似的操作和结构。
参考图3A和3B，示例性地示出了采用绝缘体上半导体（SOI）衬底202的另一示例性集成方案。SOI衬底202包括基底衬底204和掩埋电介质层206以及薄的晶体层或衬底层208。通过已知方法掺杂衬底层208，以形成分别包括图3A中的p+和p-掺杂区的重-轻掺杂区域210、212、以及分别包括图3B中的n+和n-掺杂区的重-轻掺杂区域214、216。掺杂区210、212、214、216可以通过例如掩蔽注入形成。p-（212）和p+（210）区与优选较小的p+区交替，并且n-（216）和n+（214）区与优选较小的n+区交替。隔离区218也通过例如蚀刻或本领域已知的其它技术形成。接下来，本征层220形成在衬底208上。n+掺杂层222（图2A）或p+掺杂层224（图2B）沉积在本征层220上。本征层220和掺杂层222、224可以包括a-Si:H，但可以采用其它适当的材料。如上所述地沉积并且蚀刻TCO堆以形成TCO岛226。
由于掺杂层222和224的可忽略的横向导电性，异质结太阳能电池230被串联集成。在一些实施例中，构图的TCO226可以用作掩膜以在层220、222、224的部分之间产生间隔。该结构在图5A和5B中示例性地描述，在图5A和5B中，两个相邻电池330之间的层被蚀刻。注意，掺杂层222和224分别与掺杂区210和214形成隧道结，这是因为薄的本征层220并且一阶近似可以近似为欧姆接触（在垂直方向）。图1A-1D以及图3A-3B的实施例中的本征层（108、110、220）的厚度优选小于约10nm，但可以采用更厚的层。掺杂层（106、116、222、224）的厚度优选在约3-20nm的范围内，但可以采用更薄或更厚的层。注意，在一些实施例中，可以省略本征层（108、110、220）。
参考图4，图3B的器件被示例性地描绘以示出异质结电池240与隧道结242之间的串联连接。此外，提供了所采用的材料以示例根据一个实施例的结构，也可以采用其它材料和结构。异质结电池240包括TCO226、n+a-Si:H层222、本征a-Si:H层220、p-c-Si衬底212和p+c-Si衬底210。隧道结242包括n+a-Si:H层222、本征a-Si:H层220和p+c-Si衬底210。注意，图3B的结构提供相似的操作和结构。
在图4中，线244示例性地示出了电池240与结242之间的电流流动。电池240和结242之间至少共享衬底层208，并且电池240和结242通过TCO226而被串联连接以增加集成光伏结构的输出电压。该集成光伏结构的开路电压在一阶上等于串联连接的各太阳能电池单元的开路电压之和。
参考图5A和5B，在一些实施例中，正面和/或背面叠层的本征层（108、110（图1B、图1C）、220（图3A、3B））可以被掺杂的氢化晶体材料（例如，图5A中的n+c-Si:H240或图5B中的p+c-Si:H241）代替。然而，由于在这些情况下横向电导率较大，因此需要穿过掺杂层进行蚀刻以产生间隔302。对于图3A和3B的结构，这在图5A和5B中示意性示出；然而，这也适用于图1B、1C和/或1D中的正面接触和背面接触中的任一者或二者。间隔320优选通过使用构图的TCO226作为掩膜并且蚀刻所述层向下到达衬底208而产生。在其它实施例中，所述叠层可以包括层240或241和/或本征层或掺杂层（与其所接触的层240或241具有相同的导电性）。在这些实施例中，掺杂的c-Si:H层240、241的厚度在约2-30nm的范围内，但也可以使用更薄或更厚的层。
氢化晶体材料可以是单晶体（single crystalline）、多晶体（poly-crystalline）或其组合。例如，如果衬底208是单晶（mono-crystalline），则氢化晶体层240和241是单晶体，并且如果衬底208是多晶（multi-crystalline），则氢化晶体层240和241是多晶体。在优选实施例中，衬底208是单晶，并且氢化晶体层240和241是单晶体。掺杂的氢化晶体层可以包含在5-40原子百分比范围内的氢含量。掺杂的氢化晶体层可以包括高于5×1018cm-3的激活的掺杂浓度。
对于所有实施例，衬底材料（基底衬底、薄晶体衬底层等）优选包括晶体材料。晶体衬底或晶体材料是指单晶体或多晶衬底或材料。也可以采用其它IV族半导体材料，例如锗（Ge）、硅锗（SiGe）、碳化硅（SiC）和碳化硅锗（SiGeC）。此外，也可以使用III-V族半导体材料。例子包括但不限于氮化镓（GaN）、氮化镓磷（GaPN）、锑化铝（AlSb）、砷化铝（AlAs）、氮化铝（AlN）、磷化铝（AlP）、氮化硼（BN）、磷化硼（BP）、砷化硼（BAs）、砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、氮化铟（InN）、磷化铟（InP）、砷化铝镓（AlGaAs）、磷化铟镓（InGaP）、砷化铝铟（AlInAs）、锑化铝铟（AlInSb）、砷氮化镓（GaAsN）、砷锑化镓（GaAsSb）、氮化铝镓（AlGaN）、磷化铝镓（AlGaP）、氮化铟镓（InGaN）、砷锑化铟（InAsSb）、锑化铟镓（InGaSb）、磷化铝镓铟（AlGaInP）、砷磷化铝镓（AlGaAsP）、砷磷化铟镓（InGaAsP）、砷锑磷化铟（InAsSbP）、砷磷化铝铟（AlInAsP）、砷氮化铝镓（AlGaAsN）、砷氮化铟镓（InGaAsN）、砷氮化铟铝（InAlAsN）、砷锑氮化镓（GaAsSbN）、氮砷铝锑化镓铟（GaInNAsSb）、砷锑磷化镓铟（GaInAsSbP）及其组合。
在上述实施例中，a-Si:H已经用作了用于本征和/或掺杂层的非晶体（non-crystalline）半导体材料的例子。然而，也可以使用诸如氢化的非晶锗（a-Ge:H）、氢化的非晶碳化硅（a-SiC:H）、氢化的非晶硅锗（a-SiGe:H）或其组合的其它材料。作为Si、Ge、SiC、SiGe等的非晶形式的补充或者替代，也可以使用这些材料的纳晶（nanocrystalline）或微晶（microcrystalline）形式或其组合。
所述层的非晶、纳晶、微晶和晶体形式可以包含氮（N）、氧（O）、氟（F）、氘（D）、氯（Cl）或其组合。这些非晶、纳晶、微晶材料可以通过等离子体增强的化学气相沉积（PECVD）生长；然而，也可以采用诸如热丝CVD（HWCVD）或溅射的本领域中已知的其它生长技术。在PECVD或HWCVD的情况下，用于生长含Si层的气源是甲硅烷（SiH4）,但也可以使用诸如乙硅烷（Si2H6）、二氯甲硅烷（DCS）、四氟硅烷（SiF4）或其组合。在生长期间这些气源可以与氢气混合。用于含Ge层的气源可以包括锗烷（GeH4）。用于含C层的气源可以包括甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6），但是也可以采用（例如，具有CxHy形式的）其它源。氨（NH3）、一氧化二氮（N2O）或其它气源可以用于含氮层。二氧化碳（CO2）N2O或O2可以用于提供含氧层的氧。诸如氢气（H2）、氘（D2）、氦（He）或氩（Ar）的载气可以用于这些层中的任何层或所有层的形成。载气可以与气源预先混合或者在生长时与气源同时流动。
可以使用乙硼烷（B2H6）或三甲基硼（TMB）源进行原位p型掺杂，并且可以使用磷化氢（PH3）气源进行原位n型掺杂，但也可以采用其它掺杂剂源。
氢化晶体硅（c-Si:H）已经用作重掺杂的氢化晶体材料的例子。然而，也可以采用c-SiGe:H和c-Ge:H。用于氢化晶体Si、Ge（和SiGe）的生长的气源可以包括但不限于SiH4（甲硅烷）、GeH4（锗烷）（及其组合）和H2。含Si气源的其它例子是Si2H6和SiF4。对于SiGe层，气体流量比[H2]/([SiH4]+[GeH4])>5是优选的。（原位流动的）掺杂剂气体可以包括但不限于用于n型掺杂的PH3（磷化氢）、以及用于p型掺杂的B2H6（乙硼烷）或TMB（三甲基硼）。这些层可以包含氮（N）、氧（O）、氟（F）、氘（D）、氯（Cl）或其组合。用于生长这些材料的优选技术是PECVD，然而，可以采用诸如热丝CVD（HWCVD）的其它生长方法。PECVD工具可以使用RF或微波功率并且可以具有或不具有远程等离子体配置。
用于上述工艺的生长温度优选接近200℃，其中最高质量的膜在150-250℃的范围内的温度下生长；然而，也可以采用在室温到450℃的范围内的生长温度。氢化晶体材料的氢含量在5-40原子百分比的范围内。可以如在2011年2月23日提交的序列号为13/032,866的美国专利申请中所述的那样执行氢化晶体材料的生长，该专利申请通过引用的方式被并入本申请中。
再次参考图1A-1D和图3A-3B，对于在图1A-1D和图3A-3B中提及的通过叠层形成的“接触”，本征层（例如108、110、220）分别可以是单层或多层。本征层的成分可以是不变的或者在所述层中变化。在一些实施例中，掺杂层（例如层106、116、222、224）由双层构成，其中第二层的带隙小于该双层的第一层的带隙（其中第一层是与所述本征层直接接触的层）。在这些实施例中，具有较小带隙的第二层可以具有比第一层高的掺杂激活（dopingactivation），并且提供更好的多数载流子输运，且同时更好地排斥来自接触的少数载流子。
在其中掺杂层是双层的一些实施例中，通过调制掺杂（或转移掺杂）增强掺杂层的掺杂，所述调制掺杂即为将具有对应导电类型的载流子从具有较大带隙的材料转移到具有较小带隙的材料，或者将相反类型的载流子从具有较小带隙的材料转移到具有较大带隙的材料。对应于n型导电性的载流子是电子，并且对应于p型导电性的载流子是空穴。在一些实施例中，掺杂层由超晶格构成，所述超晶格即为由（相对于彼此）具有小和大带隙的材料交替构成的多层，其中窄带隙层的掺杂通过转移掺杂而被增强。可以通过从诸如例如下述材料的组分别选择大带隙和小带隙材料来形成所述超晶格结构：a-Si:H、a-Ge:H、a-SiGe:H、a-SiC:H、a-SiO:H、a-SiN:H、nc-Si:H、nc-Ge:H、nc-SiGe:H、nc-SiC:H、nc-SiO:H、nc-SiN:H、μc-Si:H、μc-Ge:H、μc-SiGe:H、μc-SiC:H、μc-SiO:H、μc-SiN:H或其组合。
a-Si:H的带隙典型地在1.7-1.8eV的范围内；然而，正如本领域中已知的，通过改变沉积条件，更大或更小的带隙是可能的。a-Ge:H的带隙在0.9-1.2eV的范围内；然而，类似于a-Si:H，更大和更小的带隙也是可能的。两种半导体材料的合金的带隙线性地依赖于这两种半导体的原子分数，例如，a-SixGe1-x合金的带隙为xEg1+(1-x)Eg2，其中Eg1是a-Si:H的带隙，Eg2是a-Ge:H的带隙，x是Si的原子分数（晶格中Si原子的数目除以Si原子和Ge原子的总数），并且1-x是Ge的原子分数。注意（0≤x≤1）。类似地，a-SixC1-x:H合金的带隙随着C的原子分数从0增加到1而从1.7-1.8eV增加到3.6-3.7eV。向a-Si:H、a-Ge:H或a-SiGe:H添加N、O或者N和O会增大带隙，但是带隙的增大典型地不是原子百分比的线性函数。对于化学计量组成x=0.42，氢化非晶氮化硅（a-SixN1-x:H）的带隙为5-5.5eV，并且该带隙可以通过改变N的原子百分比而改变。在Si的原子分数相当的情况下，氢化非晶氧化硅（a-SiO:H）的带隙与a-SiN:H相当。
半导体合金或氧化物/氮化物的带隙可以通过改变材料的晶体部分而改变。纳晶体或微晶材料的带隙通常小于具有相同组成的非晶材料的带隙。氢化纳晶/微晶Si的带隙随着材料结构从完全单晶体/多晶体变化到完全非晶而在～1.1eV到～1.8eV之间变化。类似地，氢化纳晶/微晶Ge的带隙随着材料结构从完全单晶体/多晶体变化到完全非晶在而～0.6eV到～1.2eV之间变化。类似地，氢化纳晶/微晶SiC、SiO、SiGeO、GeO和SiN化合物的带隙分别小于a-SiC:H、a-SiO:H、a-SiGeO:H、a-GeO:H和a-SiN:H的带隙。这也适用于这些材料的组合。在PECVD工艺中，可以通过增加源气体的氢气稀释、增大等离子体频率（例如高至120MHz）或二者，增加材料的晶体部分。例如，可以通过PECVD生长带隙在0.8-2.5eV范围内（取决于生长条件和膜的氧含量）的氢化纳晶氧化硅（nc-SiO:H）。
参考图6和7，图6和7中的流程图/框图示例出了根据本发明各种实施例的可能实现方式的架构、功能和操作。应当注意，在一些备选实施方式中，框中标注的功能可能不按图中示出的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时被执行，或者这些框有时可以以相反的顺序被执行，这取决于所涉及的功能。还应当注意，框图和/或流程示例中的每一个框，以及框图和/或流程示例中框的组合，可以由执行特定功能或动作的专用的基于硬件的系统或者由专用硬件与计算机指令的组合实现。
参考图6，示例性地示出了制造具有集成光伏电池的器件的方法。在框402中，在第一处理衬底上支撑半导体衬底。可以在这些衬底之间采用一个或多个牺牲层以便在转移工艺期间选择性地剥离所述衬底。
在框404中，对半导体衬底进行掺杂以形成具有相反导电性的交替掺杂区。也可以形成隔离区。在框406中，可以在半导体衬底上形成本征层。在框410中，在半导体衬底的第一侧上形成至少一个掺杂层。在一个实施例中，形成至少一个掺杂层包括穿过所述多个电池形成连续的掺杂层。所述至少一个掺杂层包括半导体材料的掺杂非晶形式，其提供了高横向电阻路径以防止所述多个电池之间的横向导电。
在框412中，在所述至少一个掺杂层之上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与所述衬底上的交替掺杂区对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。所述导电岛的导电材料可以包括透明导电氧化物。
在框414中，所述单片结构可以被转移到第二处理衬底。在框416中，从所述第一处理衬底剥离所述单片结构以暴露所述半导体衬底的第二侧或者完成所述器件。这可以包括牺牲层的蚀刻处理等。
在框418中，可以在半导体衬底上形成本征层。在框420中，在半导体衬底的第二侧上形成至少一个另外的掺杂层。在框422中，在所述至少一个另外的掺杂层上构图另一层导电材料以形成导电岛，使得所述导电岛与衬底的交替掺杂区对准，从而在单片结构上进一步界定串联连接的光伏电池。所述第二处理衬底可以是透明的并且保留在所述单片结构上以形成双面器件。所述第二处理衬底也可以被去除以形成双面器件。
在另一个实施例中，在框424中，可以使用所述导电岛作为蚀刻掩膜或以其它方式进行对所述至少一个掺杂层的蚀刻，以使所述一个或多个掺杂层破裂，从而防止通过所述一个或多个掺杂层在电池之间横向导电。这可以包括提供掺杂层而不是本征层来提供导电路径。在框426中，继续处理以完成所述器件。
参考图5，示出了制造具有集成光伏电池的器件的另一方法。在框502中，对绝缘体上半导体衬底的掩埋电介质层上的半导体层进行掺杂，以在跨所述半导体层形成具有较高和较低掺杂剂浓度的交替掺杂区。也可以形成隔离区。在框504中，可以在所述至少一个掺杂层与所述半导体层之间形成本征层。
在框506中，在所述半导体层的第一侧上形成至少一个掺杂层。在一个实施例中，穿过所述多个电池形成连续的掺杂层，并且所述至少一个掺杂层包括半导体材料的掺杂非晶体形式，以防止所述多个电池之间的横向导电。
在框512中，在所述至少一个掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替掺杂区对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。用于所述导电岛的导电材料可以包括透明导电氧化物。在框514中，在另一个实施例中，所述至少一个掺杂层包括晶体半导体，并且使用所述导电岛作为蚀刻掩膜蚀刻所述至少一个掺杂层。当将导电材料用于所述掺杂层时，这防止了横向导电。这可以包括提供掺杂层而不是本征层来提供导电路径。在框516中，继续处理以完成所述器件。
已经描述了异质结太阳能电池的单片集成的优选实施例（这些优选实施例旨在示例而并非限制），应当注意，本领域技术人员可以根据上述教导作出修改和改变。因此，应当理解，可以在由所附权利要求书限定的本发明的范围内在所公开的具体实施例中作出改变。由此已经描述了专利法所要求的具有细节和特殊性的本发明的方面，在所附的权利要求中阐述了受专利证书保护的所要求保护的和所希望的本发明的方面。
Claims (43)
1.一种用于制造具有集成光伏电池的器件的方法，包括：
在第一处理衬底上支撑半导体衬底；
对所述半导体衬底进行掺杂以形成具有相反导电性的交替区域；
在所述半导体衬底的第一侧上形成至少一个掺杂层，每个所述掺杂层具有单一类型的导电性；以及
在所述至少一个掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
将所述单片结构转移到第二处理衬底；以及
从所述第一处理衬底剥离所述单片结构以暴露所述半导体衬底的第二侧。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
在所述半导体衬底的所述第二侧上形成至少一个另外的掺杂层；以及
在所述至少一个另外的掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与具有相反导电性的所述交替区域对准，从而进一步在所述单片结构上界定串联连接的所述多个光伏电池。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第二处理衬底是透明的，并且所述单片结构形成双面器件。
5.如权利要求3所述的方法，还包括去除所述第二处理衬底以形成双面器件。
6.如权利要求3所述的方法，还包括在所述至少一个另外的掺杂层与所述半导体衬底之间形成本征层。
7.如权利要求1所述的方法，其中，形成至少一个掺杂层包括穿过所述多个电池形成连续的掺杂层，所述至少一个掺杂层包括半导体材料的掺杂非晶体形式以防止所述多个电池之间的横向导电。
8.如权利要求1所述的方法，还包括使用所述导电岛作为蚀刻掩膜蚀刻所述至少一个掺杂层。
9.如权利要求8所述的方法，还包括在所述至少一个掺杂层与所述半导体衬底之间形成具有与所述至少一个掺杂层相同的导电性的掺杂的氢化晶体层，以及根据所述蚀刻掩膜蚀刻所述掺杂的氢化晶体层。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在所述至少一个掺杂层与所述半导体衬底之间形成本征层。
11.一种用于制造具有集成光伏电池的器件的方法，包括：
对绝缘体上半导体衬底的掩埋电介质层上的半导体层进行掺杂，以跨所述半导体层形成具有较高和较低掺杂剂浓度的交替区域；
在所述半导体层的第一侧上形成至少一个掺杂层，每个所述掺杂层具有单一类型的导电性；以及
在所述至少一个掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与具有高和低掺杂浓度的所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
在所述至少一个掺杂层与所述半导体层之间形成本征层。
13.如权利要求11所述的方法，其中，形成至少一个掺杂层包括穿过所述多个电池形成连续的掺杂层，所述至少一个掺杂层包括半导体材料的掺杂非晶体形式以防止所述多个电池之间的横向导电。
14.如权利要求11所述的方法，还包括使用所述导电岛作为蚀刻掩膜蚀刻所述至少一个掺杂层。
15.如权利要求14所述的方法，还包括在所述至少一个掺杂层与所述半导体衬底之间形成具有与所述至少一个掺杂层相同的导电性的掺杂的氢化晶体层，以及根据所述蚀刻掩膜蚀刻所述掺杂的氢化晶体层。
16.一种用于制造具有集成光伏电池的器件的方法，包括：
对绝缘体上半导体衬底的掩埋电介质层上的半导体层进行掺杂，以跨所述半导体层形成具有较高和较低掺杂剂浓度的交替区域；
在所述半导体层的第一侧上形成至少一个掺杂层半导体，所述至少一个掺杂层包括氢化晶体半导体材料，每个所述掺杂层具有单一类型的导电性；
在所述至少一个掺杂层上对导电材料进行构图以形成导电岛，使得所述导电岛与具有高和低掺杂浓度的所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池；以及
使用所述导电岛作为蚀刻掩膜蚀刻所述至少一个掺杂层，以在与所述多个光伏电池中的每一个对应的所述至少一个掺杂层的部分之间产生间隔。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
在所述至少一个掺杂层与所述半导体层之间形成本征层或具有与所述至少一个掺杂层的导电类型相同的导电类型的另外的掺杂层。
18.如权利要求17所述的方法，其中，蚀刻所述至少一个掺杂层还包括蚀刻所述本征层或所述另外的掺杂层以产生向下到达所述半导体衬底层的间隔。
19.如权利要求16所述的方法，其中，对导电材料进行构图包括对透明导电氧化物进行构图。
20.一种具有集成光伏电池的器件，包括：
半导体衬底，其包括具有相反导电性的掺杂交替区域；
至少一个掺杂层，其形成在所述半导体衬底的第一侧上，每个所述掺杂层具有单一类型的导电性；以及
构图的导电材料，其形成在所述至少一个掺杂层上而形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
21.如权利要求20所述的器件，还包括支撑所述半导体衬底的第一处理衬底。
22.如权利要求21所述的器件，其中，所述第一处理衬底是透明的。
23.如权利要求20所述的器件，还包括：
至少一个另外的掺杂层，其形成在所述半导体衬底的与所述第一侧相反的第二侧上；以及
第二导电岛，其形成在所述至少一个另外的掺杂层上且与具有相反导电性的所述交替区域对准，从而进一步对所述单片结构界定串联连接的所述多个光伏电池。
24.如权利要求23所述的器件，其中，所述单片结构形成双面器件。
25.如权利要求23所述的器件，还包括形成在所述至少一个另外的掺杂层与所述半导体衬底之间的本征层。
26.如权利要求23所述的器件，还包括掺杂的氢化晶体层，所述掺杂的氢化晶体层形成在所述至少一个另外的掺杂层与所述半导体衬底之间并且具有与所述至少一个掺杂层相同的导电性。
27.如权利要求20所述的器件，其中，所述导电材料包括透明导电氧化物。
28.如权利要求20所述的器件，其中，所述至少一个掺杂层包括穿过所述多个电池形成的连续掺杂层，所述至少一个掺杂层包括半导体材料的掺杂非晶体形式以防止所述多个电池之间的横向导电。
29.如权利要求20所述的器件，还包括在与所述导电岛对应的所述多个电池之间在所述至少一个掺杂层中形成的间隔。
30.如权利要求20所述的器件，还包括形成在所述至少一个掺杂层与所述半导体衬底之间的本征层。
31.如权利要求20所述的器件，还包括掺杂的氢化晶体层，所述掺杂的氢化晶体层形成在所述至少一个掺杂层与所述半导体衬底之间并且具有与所述至少一个掺杂层相同的导电性。
32.一种具有集成光伏电池的器件，包括：
绝缘体上半导体衬底，其具有基底半导体、薄半导体层以及在所述基底半导体与所述薄半导体层之间的掩埋电介质层，所述薄半导体层具有跨该薄半导体层的较高和较低掺杂剂浓度的交替区域；
至少一个掺杂层，其形成在所述半导体层的第一侧上，每个所述掺杂层具有单一类型的导电性；以及
构图的导电材料，其形成在所述至少一个掺杂层上而形成导电岛，使得所述导电岛与所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池。
33.如权利要求32所述的器件，还包括形成在所述至少一个掺杂层与所述薄半导体层之间的本征层。
34.如权利要求32所述的器件，还包括掺杂的氢化晶体层，所述掺杂的氢化晶体层形成在所述至少一个掺杂层与所述半导体层之间并且具有与所述至少一个掺杂层相同的导电性。
35.如权利要求34所述的器件，其中，所述掺杂的氢化晶体层被形成为与所述薄半导体层直接接触。
36.如权利要求32所述的器件，其中，所述导电材料包括透明导电氧化物。
37.如权利要求32所述的器件，其中，所述至少一个掺杂层包括穿过所述多个电池形成的连续掺杂层，所述至少一个掺杂层包括半导体材料的掺杂非晶体形式以防止所述多个电池之间的横向导电。
38.如权利要求37所述的器件，还包括与所述导电岛对应地穿过所述至少一个掺杂层形成的间隔。
39.如权利要求38所述的器件，其中，所述间隔被形成为穿过形成在所述至少一个掺杂层与所述半导体层之间的掺杂的氢化晶体层，所述掺杂的氢化晶体层具有与所述至少一个掺杂层相同的导电性。
40.一种具有集成光伏电池的器件，包括：
绝缘体上半导体衬底，其具有基底半导体、薄半导体层以及在所述基底半导体与所述薄半导体层之间的掩埋电介质层，所述薄半导体层具有跨该薄半导体层的较高和较低掺杂剂浓度的交替区域；
至少一个掺杂层，其形成在所述薄半导体层的第一侧上，所述至少一个掺杂层包括晶体半导体材料，每个所述掺杂层具有单一类型的导电性；
构图的导电材料，其形成在所述至少一个掺杂层上而形成导电岛，使得所述导电岛与具有高和低掺杂浓度的所述交替区域对准，从而在单片结构上界定串联连接的多个光伏电池；以及
在与所述多个光伏电池中的每一个相对应的所述至少一个掺杂层的部分之间形成的间隔。
41.如权利要求40所述的器件，还包括形成在所述至少一个掺杂层与所述薄半导体层之间的本征层。
42.如权利要求40所述的器件，还包括掺杂的氢化晶体层，所述掺杂的氢化晶体层形成在所述至少一个掺杂层与所述半导体衬底之间并且具有穿过其形成的间隔。
43.如权利要求40所述的器件，其中，所述导电材料包括透明导电氧化物。
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