CN104969361B - 光电器件及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

光电器件包括具有第一系列凹槽和第二系列凹槽及二者之间的沟道的衬底。第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽具有第一和第二表面及第一和第二表面之间的腔。腔至少部分地填充有第一半导体材料。第一表面涂覆有导体材料而第二表面涂覆有第二半导体材料。沟道横断第一系列凹槽和第二系列凹槽中的凹槽。还公开了生产光电器件的方法。

Description

光电器件及其生产方法
本发明涉及光电器件,更具体地,涉及太阳光伏电池。
术语“光伏”指从在暴露于光的两种材料之间的接合处的光产生电,通常是直流电。光通常是太阳光,且因此光伏常常被称为太阳光伏。已知使用两种材料的半导体。所使用的半导体材料展示光伏效应。
这两种材料通常是半导体:p型和n型半导体材料。当连接在一起时,在这两种类型的半导体材料之间的边界或界面被称为p-n结。通常通过用另一种材料掺杂一种材料来产生这种类型的p-n结。掺杂可以是通过扩散、离子注入或外延。后者涉及使掺杂有一种类型的掺杂剂的第二层晶体在掺杂有不同类型的掺杂剂的第一层晶体的顶部上生长。
可在使用半导体的大部分光电器件中找到p-n结。这些光电器件包括光伏或太阳光伏电池、二极管、发光二极管(LED)和晶体管。p-n结可被看作是出现电能的产生或消耗的活性部位。
对可再生能源的要求推动了在太阳光伏电池的成本和效率中的明显提高,但现有的技术仍然代表产生电的相当昂贵的方法。此外,现有的太阳光伏电池与产生电的其它方法比较是相对低效的,且是相对脆弱的,也就是说,它们相对容易被损坏。
本发明目的在于减轻现有太阳光伏电池的一个或多个缺点。
根据本发明的第一方面,提供了光电器件,其包括:
衬底,其包括第一系列凹槽和第二系列凹槽及二者之间的沟道;
第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽具有第一和第二表面及第一和第二表面之间的腔;
腔至少部分地填充有第一半导体材料;
第一表面涂覆有导体材料而第二表面涂覆有第二半导体材料;以及
其中沟道还横断第一系列凹槽和第二系列凹槽中的凹槽。
本发明的优点可以是:沟道分离第一系列凹槽和第二系列凹槽,使得电流可从与第二系列凹槽隔离的第一系列凹槽得到或被供应到与第二系列凹槽隔离的第一系列凹槽。
第一系列凹槽和第二系列凹槽一般是细长凹槽。在第一系列凹槽和第二系列凹槽之间的沟道一般是细长沟道。
沟道一般在或靠近每个凹槽的一端横断第一系列凹槽和第二系列凹槽中的凹槽。沟道一般靠近每个凹槽的一端横断或横跨第一系列凹槽中的凹槽,并接着在靠近每个凹槽的对立和/或相对端横断或横跨第二系列凹槽中的凹槽之前在第一系列凹槽和第二系列凹槽之间穿过。
第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第一和第二表面可涂覆有导体材料。第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第一和第二表面可涂覆有第二半导体材料。
第二表面可涂覆有第二半导体材料,而第一表面可涂覆有第三半导体材料。至少部分地填充腔的第一半导体材料可以是本征半导体。
第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第一和第二表面可分别被称为整体第一表面和整体第二表面。整体第一表面通常相对于从衬底的法线成第一角度,而整体第二表面通常相对于从衬底的法线成第二角度。第一角度通常是从45°到小于90°。第二角度通常是从45°到小于90°。
第一半导体材料一般是p型半导体材料。第二半导体材料一般是n型半导体材料。p型半导体材料因此通常在凹槽的腔中。
在可选的实施方式中,第一半导体材料是n型半导体材料,而第二半导体材料一般是p型半导体材料。
N型和p型半导体可包括硅、非晶硅、氢化非晶硅、铝、锗、氮化镓、砷化镓、磷化铝、砷化铝、碘化铜、氧化锌和任何其它半导体中的一个或多个。
N型半导体一般包括硅、锗、磷、硒、碲和硫化镉中的一个或多个。
P型半导体一般包括硅、锗、碲化镉、铜铟镓硒(“CIGS”)、铜铟镓二硒、氧化铜、硼、铍、锌和镉中的一个或多个。
第一和第二半导体材料可在界面和/或边界处交会。界面一般被称为p-n结。第一和第二半导体材料可一起被称为活性材料。
活性材料可沉积在腔中和在腔的第一和/或第二表面上,并可提供欧姆和整流触点用于从活性材料引入或提取电荷。活性材料可以是光伏、发光和离子传导中的一个或多个。
第二表面涂覆有导体材料和第二半导体材料。涂覆在第一表面上的导体材料可以与涂覆在第二表面上的导体材料相同,但它可以是不同的。涂覆在第一和/或第二表面上的导体材料可包括铝、铋、镉、铬、铜、镓、金、铟、铅、镁、锰、钐、钪、银、锡和锌中的一个或多个。
第二半导体材料可以是电子阻挡材料例如三氧化钼。第一半导体材料可以是异质结,即p型半导体、n型半导体和施主受主材料中的一个或多个的混合物。
一般,第一系列凹槽和第二系列凹槽及二者之间的沟道的一部分——通常是相当大的一部分——实质上是平行的,一般彼此平行。沟道可横跨第一系列凹槽和第二系列凹槽且一般横跨第一系列凹槽和第二系列凹槽的端部延伸。沟道可横跨第一系列凹槽和第二系列凹槽且一般横跨第一系列凹槽和第二系列凹槽的相对端延伸。
沟道可垂直于和平行于第一系列凹槽和第二系列凹槽延伸。当沟道横跨第一系列凹槽和第二系列凹槽的端部延伸时,通常沟道垂直于第一系列凹槽和第二系列凹槽。当沟道在第一系列凹槽和第二系列凹槽之间延伸时,通常沟道平行于第一系列凹槽和第二系列凹槽。沟道可横跨第一系列凹槽和第二系列凹槽的端部延伸的角度可以是可变的并可选地从0°到90°,通常从35°到55°,且一般是从45°。
当沟道垂直于和平行于第一系列凹槽和第二系列凹槽延伸时,沟道可被称为在至少两个方向上延伸以连接所述第一系列凹槽和第二系列凹槽。
当沟道实质上垂直和横跨第一系列凹槽和第二系列凹槽的端部延伸时,它也可在相对于第一系列凹槽和第二系列凹槽的至少两个方向上延伸。当沟道在相对于第一系列凹槽和第二系列凹槽的至少两个方向上延伸时,它一般形成z字形形状。
包括第一系列凹槽和第二系列凹槽及二者之间的沟道的衬底的表面可被称为结构化表面。结构化表面一般不是平的。衬底可具有平的另一表面。
沟道可被称为定界特征。沟道一般分离第一系列凹槽和第二系列凹槽。沟道一般具有第一和第二表面及二者之间的沟道腔。沟道的至少第一表面可涂覆有导体材料而沟道的第二表面可涂覆有第二半导体材料。沟道的第二表面也可涂覆有导体材料。在沟道的第一和第二表面之间的沟道腔通常至少部分地填充有第一半导体材料。
沟道一般具有相对于从衬底的法线成第一角度的第一表面和相对于从衬底的法线成第二角度的第二表面。沟道的第一表面和沟道的第二表面可垂直于衬底的平面。第一角度通常是从45°到小于90°。第二角度通常是从45°到小于90°。
在腔中的第一半导体材料、在第二表面上的第二半导体材料以及在第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的至少第一表面上的导体材料通常都在电连通中。电连通使得通常电流可在第一和第二半导体材料以及导体材料之间流动。
在沟道腔中的第一半导体材料、在第二表面上的第二半导体材料和在沟道的至少第一表面上的导体材料之间没有电连通。
在第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第一和第二表面之间的腔中的第一半导体材料的深度实质上是相同的或至少类似于在沟道的第一和第二表面之间的沟道腔中的第一半导体材料的深度。
沟道的第一侧和第二侧可提供电路的正极和负极。第一和第二侧可与在沟道的第一和第二表面上的导体材料电连通。沟道的第一侧可与电路的正极电连通、一般附着到电路的正极。沟道的第二侧可与电路的负极电连通、一般附着到电路的负极。
电路中的电可具有从1毫安到1安培的电流、从0.1到3伏的电位和从1x10-6到3瓦的功率中的一个或多个。
沟道的第一和第二侧可相邻于沟道。沟道的第一和第二侧可至少实质上平行于衬底的平面。
沟道一般是不导电的。沟道一般使沟道的第一和第二侧彼此分离和/或绝缘。
光电器件可被称为两端子器件。第一系列凹槽和第二系列凹槽可被称为级联凹槽结构。在使用中,器件可在串联布置中被制造并在并联或组合的串联和并联布置中操作。
在第一系列凹槽和第二系列凹槽的第一和第二表面之间的腔可以是任何形状,且通常是U形的、V形的或半圆形的。在第一系列凹槽和第二系列凹槽的第一和第二表面之间的腔可具有平坦的底部。在沟道的第一和第二表面之间的沟道腔可以是任何形状,且通常是U形的、V形的或半圆形的。在沟道的第一和第二表面之间的沟道腔可具有平坦的底部。在第一系列凹槽和第二系列凹槽的第一和第二表面之间的腔的形状可以与在沟道的第一和第二表面之间的沟道腔的形状相同或不同。
沟道腔的底部可以是平的或可以是坑洼的。沟道腔的坑洼底部可被称为不平的或粗糙的。沟道腔的坑洼底部一般增加沟道腔的底部的表面积。增加沟道腔的底部的表面积可帮助确保沟道使沟道的第一和第二侧彼此分离和/或绝缘。
沟道和第一系列凹槽和第二系列凹槽中的凹槽一般具有从衬底的上表面到最远离上表面的沟道或凹槽中的点测量的深度。
沟道的深度一般大于第一系列凹槽和第二系列凹槽中的凹槽的深度。沟道的深度可至少是第一系列凹槽和第二系列凹槽中的凹槽的深度的至少两倍。
沟道具有深度和宽度。沟道的深度一般是沟道的宽度的两倍。沟道的深度与宽度的高宽比因此一般是2:1。
第一系列凹槽和第二系列凹槽一般形成一系列脊和腔。第一系列凹槽和第二系列凹槽可包括从2到500个腔。
本发明的发明人认识到,与靠近减小成本并增加光电器件的效率的常见趋势相反,如果成本明显减小,可以减小达到一个数量级,则效率较不重要。当光电器件是太阳光伏电池时,这是特别有用的,如果太阳光伏电池的持久性可提高,使得安装相对容易且因此是低成本的,则太阳光伏电池具有更大范围的应用。
根据本发明的第一方面的光电器件可以进行下列操作中的一个或多个:附着、固定和贴到车辆例如汽车或卡车、房屋例如屋顶以及永久结构的任何其它表面。永久结构可以是人造的或天然的。
光电器件被附着、固定和贴附于这些操作中的一个或多个的表面可以是平的或不平的,即粗糙的、崎岖不平的、不平整的和/或坑洼的中的一个或多个。表面可以是包括房屋和/或家屋顶的建筑物的部分。
第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的长度一般为5mm到200mm,通常为5mm到1000mm。第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的宽度一般为0.1μm到100μm,通常为0.3μm到5μm。
衬底可包括可固化树脂且特别是UV可固化树脂。衬底可包括以下中的一项或多项:涂覆到聚氯乙烯(PVC)上的丙烯酸树脂、涂覆到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的丙烯酸树脂、涂覆到聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)上的丙烯酸树脂、涂覆到聚氯乙烯(PVC)上的生物聚合物、涂覆到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的生物聚合物、涂覆到聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)上的生物聚合物。
第一系列级联凹槽结构和第二系列级联凹槽结构可包括衬底。
根据本发明的第二方面,提供了生产光电器件的方法,该方法包括下列步骤:
提供包括第一系列凹槽和第二系列凹槽及二者之间的沟道的衬底,第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽具有第一和第二表面及第一和第二表面之间的腔,且其中沟道还横断第一系列凹槽和第二系列凹槽中的凹槽;
用导体材料涂覆至少第一表面以及用半导体材料涂覆第二表面;以及
用另一半导体材料至少部分地填充腔。
涂覆在第二表面上的半导体材料可被称为第二半导体材料。至少部分地填充腔的另一半导体材料可被称为第一半导体材料。
用导体材料涂覆至少第一表面以及用半导体材料涂覆第二表面的步骤通常在用另一半导体材料至少部分地填充腔的步骤之前。
沟道一般具有第一和第二表面及二者之间的沟道腔。
用另一半导体材料至少部分地填充在凹槽的第一和第二表面之间的腔的步骤也用另一半导体材料至少部分地填充沟道腔。
第一和第二半导体材料一般是不同的。第一半导体材料一般是p型半导体材料。第二半导体材料一般是n型半导体材料。
用导体材料涂覆第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的至少第一表面以及用半导体材料涂覆第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第二表面的步骤一般包括离轴定向涂覆过程。用另一半导体材料至少部分地填充每个凹槽的腔的步骤一般包括离轴定向涂覆过程、定向涂覆过程和均匀涂覆过程中的一个或多个。
第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第一和第二表面及腔通常配置成通过离轴定向涂覆过程来涂覆。
用导体材料涂覆第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的至少第一表面的方法步骤一般在用半导体材料涂覆第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第二表面的步骤之前。用另一半导体材料至少部分地填充腔的方法步骤一般在这些涂覆步骤之后。
离轴定向涂覆过程可包括相对于衬底的平面其因此也相对于第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽以一定角度喷涂导体材料和/或半导体材料,使得只有第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的第一或第二表面被涂覆。这一般是因为涂层实质上由视角限制到第一或第二表面之一。
离轴定向涂覆过程可包括使用屏蔽物来限制导体材料和/或半导体材料到第一系列凹槽和第二系列凹槽中的每个凹槽的至少第一和/或第二表面上的涂覆。
离轴定向涂覆过程可使用一种以上导体材料和/或半导体材料来重复。
提供衬底的步骤一般包括图案化衬底的表面以产生结构化表面。
本发明的第二方面的可选特征可合并到本发明的第一、第三、第四、第五、第六和/或第七方面中,反之亦然。
根据本发明的第三方面,提供了产生结构化表面的方法,所述结构化表面特别设计成允许至少两端子器件在串联布置中被制造但在并联或组合的串联和并联布置中操作,该方法包括下列步骤:图案化表面以产生结构化表面,其中所述结构化表面包括至少两个系列的级联凹槽结构和在至少两个方向上延伸以连接所述级联凹槽结构的定界特征;以及使用离轴定向涂覆过程来界定在所述级联凹槽结构和所述定界特征上的导电表面。
至少两端子器件包括太阳电池、太阳光伏电池、有机发光器件和电化学电池。
本发明的第三方面的可选特征可合并到本发明的第一、第二、第四、第五、第六和/或第七方面中,反之亦然。
根据本发明的第四方面,提供了根据本发明的第三方面生产的太阳电池、有机发光器件或电化学器件。
本发明的第四方面的可选特征可合并到本发明的第一、第二、第三、第五、第六和/或第七方面中,反之亦然。
根据本发明的第五方面,提供了两端子器件,其包括在所述器件的两个端子之间的活性材料且还包括特别设计成允许所述器件在串联布置中被制造但在并联或组合的串联和并联布置中操作的结构化表面,其中所述结构化表面包括至少两个系列的级联凹槽结构和在至少两个方向上延伸以连接所述级联凹槽结构的定界特征,以及此外其中所述级联凹槽结构和定界特征包括通过离轴定向涂覆过程界定的待涂覆的导电表面。
本发明的第五方面的可选特征可合并到本发明的第一、第二、第三、第四、第六和/或第七方面中,反之亦然。
根据本发明的第六方面,提供了产生特别设计成允许至少两端子器件在串联布置中被制造但在并联或组合的串联和并联布置中操作的结构化表面的方法,其包括下列步骤:图案化表面以产生结构化表面,其中所述结构化表面包括至少两个系列的级联凹槽结构和在至少两个方向上延伸到所述级联凹槽结构的定界特征;以及使用离轴定向涂覆过程来界定在所述级联凹槽结构和所述定界特征上的导电表面。
至少两端子器件可包括太阳光伏电池、有机发光器件和电化学电池。
至少两个系列的级联凹槽结构可具有衬底,其中每个凹槽包括相对于从衬底的法线成第一角度的至少一个整体第一表面和相对于从衬底的法线成第二角度的至少一个第二表面,在第一和第二表面之间的结构中有腔。
活性材料可沉积在所述腔中以提供欧姆和整流触点用于从活性材料引入或提取电荷。
活性材料可以是光伏、发光和离子传导。
光伏活性材料可选自下列材料中的一个或多个:碲化镉、铜铟镓二硒、氧化铜、非晶硅、氢化非晶硅、锗或其它半导体。光伏活性材料可以是有机半导体。
定界特征可包括相对于从衬底的法线成第一角度的第一表面和相对于从衬底的法线成第二角度的第二表面。
第一表面和第二表面可垂直于衬底。
定界特征可平行于和垂直于至少两个系列级联凹槽结构延伸。
定界特征可平行于至少两个系列级联凹槽和与至少两个系列级联凹槽成可变角度延伸。
离轴定向涂覆可使用导电层顺序地涂覆仅仅级联凹槽结构或定界特征的一侧。
离轴定向涂覆可使用第一导电层涂覆所述级联凹槽结构或所述定界特征的第一侧并使用第二导电层涂覆所述级联凹槽结构或所述定界特征的第二侧。
离轴定向涂覆从一个角度被执行,使得涂覆实质上由视角限制到仅仅级联凹槽结构或定界特征的一侧。
离轴定向涂覆还可包括屏蔽物,其限制在级联凹槽结构和定界特征上的涂覆,使得仅仅级联凹槽结构或定界特征的一侧被涂覆。
离轴定向涂覆可包括一个或多个涂覆源。
至少一个导电层可由下列材料中的一个或多个组成或包括下列材料中的一个或多个:铝、铋、镉、铬、铜、镓、金、铟、铅、镁、锰、钐、钪、银、锡和锌。
本发明的第六方面的可选特征可合并到本发明的第一、第二、第三、第四、第五和/或第七方面中,反之亦然。
根据本发明的第七方面,提供了两端子器件,其包括特别设计成允许所述器件在串联布置中被制造但在并联或组合的串联和并联布置中操作的结构化表面,其中所述结构化表面包括至少两个系列的级联凹槽结构和在至少两个方向上延伸到所述级联凹槽结构的定界特征,以及此外其中所述级联凹槽结构和定界特征包括通过离轴定向涂覆过程界定的导电表面。
所述离轴定向涂覆可从一个角度被执行,使得涂覆实质上由视角限制到仅仅级联凹槽结构和定界特征的一侧。
所述器件可以是太阳电池、有机发光器件或电化学器件。
本发明的第七方面的可选特征可合并到本发明的第一、第二、第三、第四、第五和/或第六方面中,反之亦然。
现在将仅作为例子并参考附图描述本发明的实施方式,其中:
图1a是本发明的光电器件的平面图;
图1b是本发明的可选的光电器件的平面图;
图2是图1a所示的光电器件的部分的横截面视图;
图3是本发明的光电器件的可选设计的横截面视图;
图4是用于生产本发明的光电器件的辊到辊的平面图和横截面视图;以及
图5是本发明的光电器件的沟道的横截面视图。
图1a示出包括衬底305的光电器件301的平面图。衬底305具有包括第一系列凹槽304a和第二系列凹槽304b及二者之间的沟道302的表面。
光电器件301是太阳光伏电池。光电器件301包括叉合(并联连接的)和级联(串联连接的)凹槽304的混合物。可通过改变凹槽304a和304b的系列的数量来控制光电器件301的操作电压。增加凹槽304a和304b的系列的数量增加光电器件301的操作电压。光电器件301可在并联或串联和并联的组合中操作。光电器件301的优点可以是,这消除了用于串联连接级联凹槽结构以实现期望输出电压的额外过程步骤的需要。
沟道302是分离但也并联地连接级联(串联连接的)凹槽304a和304b的装置,以便使在通过级联凹槽结构304a和304b的数量设计的电压下提取所产生的期望电荷变得可能。
也被称为定界或结构定界特征的沟道302首先靠近结构化网的边缘横跨第一系列级联凹槽304a,并接着横跨在级联凹槽304a和304b之间的空间303,并随后靠近结构化网的相对边缘横跨第二系列级联凹槽304b。因为这些结构定界特征302中的很多被使用,级联凹槽的每个系列304a和304b例如靠近每个边缘被两个连续的单独定界特征302的元件横跨,如在图1a中所描绘的。
空间303分成第一区域306a和第二区域306b。第一区域306a携带正电荷,而第二区域306b携带负电荷306b。
与现有技术的其它已知的光电器件比较,优点可以是,本发明的光电器件不遭受对它的结构中的缺陷的相同的敏感性。在一般已知的平面夹层构造太阳光伏电池的结构中的任何缺陷例如将严重影响该夹层构造合并到其中的电池的总性能。这意味着制造过程必须保持非常干净,且任何随后的涂覆过程必须是高度均匀的。这些需要减小了过程产量和吞吐量,因为沉积在夹层构造中的材料必须是非常均匀的,且这需要处理被谨慎地控制。
此外,一般已知的平面夹层构造具有透明导电层,其可以是例如基于氧化锌或氧化铟的,这是昂贵的。此外,在从夹层构造产生期望电压的随后的制造过程期间产生的任何错误因此是费用大的。透明导电层为了它的沉积需要高温,以便实现商业产品的所需性能,进一步增加设备的制造成本。
本发明的光电器件可减轻具有平面夹层构造的已知太阳光伏电池的一些或所有上述缺点。在涂覆之前,使用凹槽304产生沟道或定界特征302。一些已知的系统首先产生凹槽,然后在产生定界特征302之前涂覆凹槽。
图1b示出包括衬底305的可选的光电器件301的平面图。衬底305具有包括第一系列凹槽304a和第二系列凹槽304b及二者之间的沟道302的表面。图1b所示的光电器件301的其它特征与图1a所示的特征相同。
图1b示出在偏移的第一系列凹槽304a和第二系列凹槽304b之间的直沟道302。
图2示出图1a所示的光电器件301的部分的横截面视图。
例如第一系列凹槽304a的每个凹槽310a和310b具有第一表面312a和第二表面312b及二者之间的腔314。例如第二系列凹槽304b的每个凹槽320a和320b具有第一表面312a和第二表面312b及二者之间的腔314。
沟道302具有分别等于第一系列凹槽304a和第二系列凹槽304b的凹槽310a和310b及320a和320b的深度的两倍的深度。
腔314部分地填充有半导体材料316。第一表面312a涂覆有导体材料318,而第二表面312b涂覆有第二半导体材料317。
使用离轴涂覆技术,第一表面312a涂覆有导体材料318,而第二表面312b涂覆有半导体材料317。使用均匀涂覆技术,腔314部分地填充有另一半导体材料。
离轴定向涂覆要求涂覆从相对于例如第一系列凹槽304a的每个凹槽310a和310b以及第二系列凹槽304b的每个凹槽320a和320b的角度出现。涂料被喷涂到凹槽内并从垂直轴的任一侧沉积。在部分真空中执行离轴定向涂覆。部分真空确保来自源的涂覆材料具有足够的平均自由路径,即直接和未转向路径,以及衬底实质上没有与气体或大气分子的交互作用。
喷涂在本文用于指单独的成分和/或小滴的任何类型的定向涂覆,成分和/或小滴的尺寸小于例如第一系列凹槽304a的每个凹槽310a和310b以及还有例如第二系列凹槽304b的每个凹槽320a和320b的尺寸。
离轴定向涂覆意味着导体材料318和第二半导体材料317的涂覆实质上由视角限制到例如仅仅第一系列凹槽304a的每个凹槽310a和310b的一侧以及还有例如第二系列凹槽304b的每个凹槽320a和320b的一侧。离轴定向涂覆的可接受的限制由涂层被沉积于的结构和/或衬底的类型规定。涂层在结构和/或衬底的表面之上可以是连续或间断的,取决于它的精细结构或所使用的结构或衬底的类型。
由第一系列凹槽304a和第二系列凹槽304b的第一和第二表面312a和312b形成并在第一系列凹槽304a和第二系列凹槽304b的第一和第二表面312a和312b之间的腔314的形状使得视角被限制。被限制的视角是相邻凹槽的上边缘的结果。
在WO 2012/175902A1中进一步描述了离轴定向涂层的过程。离轴定向涂覆的过程可被称为掠射角沉积(GLAD)。
使用离轴定向涂覆将导体材料318和第二半导体材料317沉积在级联凹槽结构化表面304a和304b上,使具有沿着被呈现到涂覆材料源的表面的所界定的几何结构的非接触叉合导体的制造变得可能。
第二表面312b常常涂覆有第二半导体材料(未示出)且接着涂覆有半导体材料317。两个涂层都使用离轴涂覆技术被贴覆。半导体材料317然后涂覆在第二导体材料(未示出)的顶部上。导体材料318和第二半导体材料(未示出)然后用作到沉积在结构化表面、即衬底的表面上的导体材料318和第二半导体材料(未示出)之间的空间中的第一半导体材料316和第二半导体材料317的连接,有时是输入和输出连接。
离轴定向涂覆涂布彼此平行延伸的凹槽304a和304b及定界特征302以及垂直于凹槽304a和304b的定界特征302的部分306a和306b。这通常在单个操作中(如在图1a中所示的)。
级联凹槽结构化表面处理与标准平面夹层结构化器件相关的一些问题,无论现有技术的这些级联凹槽结构化表面是叉合的(并联连接的)还是级联的(串联连接的)。光电器件301提供叉合结构和级联凹槽结构的混合。这允许光电器件301的操作电压由凹槽的系列例如304a和304b的数量设计和控制。任何数量的凹槽的系列例如304a和304b可并联地产生和操作以提供期望电压输出并串联地产生和操作以提供期望电流输出。凹槽的数量影响电压,而凹槽系列的数量影响电流。
常规后离轴定向涂覆脱金属技术需要在一系列级联凹槽结构之间留出足够的空间,以便可维持两个特性。第一特性是物理特性,因为必须有足够的空间来容纳在该系列级联凹槽结构之间的定界特征和还有足够的空间来允许为脱金属技术选择的技术的配准容限,脱金属技术可以是激光技术。第二特性是,在后离轴定向涂覆脱金属过程之后留下的空间仍然需要能够使足够传导性的电流通过以允许级联器件的有效使用。
当使用后离轴定向涂覆脱金属技术时,可例如通过激光切穿所沉积的导体材料同时避免切穿支承衬底或通过将金属蚀刻材料印刷在所沉积的金属上来形成在级联凹槽的系列之间的定界特征或区。在使用这些技术之后,因而产生的定界特征防止级联凹槽的一个系列的正输出与级联凹槽的下一系列的负输出的短路并防止从单独的级联凹槽到边缘触头的横向传导。
在离轴定向涂覆脱金属之后引入的定界特征所需的空间相对大且没有活性功能。因此,存在活性级联凹槽区域的减小,因为定界特征和因而产生的电荷提取区域必须大到足以允许定界特征与其相关容限的配准并提供足够低的电阻路径,使得电荷可被提取而没有过多的内部损耗。因此,对于太阳光伏电池,这个区减小了总辊到辊制造产品的活性区域。
光电器件301增加器件例如太阳光伏电池的制造的速度并降低成本,由于在制造过程期间的减小的消耗而有成品收率的附随的增加。
图3示出光电器件301的可选设计的横截面视图。光电器件301具有结构化表面340和平表面342。级联凹槽结构的第一系列304a和第二系列304b位于定界特征404的任一侧上。与其它已知的平衬底比较,与定界特征404组合的电荷提取导体406a和406b相对紧凑并减小所需的在衬底的表面上的总宽度。定界特征404代表光电器件301的无源区域,且因此无源区域越小越好。
无源区域在这里被示为在例如凹槽304a和定界特征404之间的平区域。无源区域的尺寸然而可进一步减小,且因此可以是在凹槽例如304a和定界特征404之间的尖峰。
离轴定向涂覆用于制造定界特征404,特别是,离轴定向涂覆用于将导体材料、电荷提取导体406a和406b贴覆到相邻于定界特征404的上表面并相邻于定界特征404。
定界特征404实质上垂直于衬底的平面,且因此减小也被称为活性级联的在凹槽304a和304b之间的区域和/或区,并因此增加衬底的有效活性区域。结构定向特征404在离轴定向涂覆的步骤时或之前被产生,从而与当定界特征在(也被称为后)离轴定向涂覆脱金属之后被引入时比较,将非活性区域的宽度减小了超过50%。
电荷提取可通过定界特征404来实现,且当体现在本发明中的定界特征被垂直地定向或实质上垂直地定向时,支持有效电荷提取所需的足够的导电材料406a和406b所需的区域的量减小了。因此,当定界特征的产生与离轴定向涂覆过程组合时,由后离轴定向涂覆脱金属技术引入的无源区域在尺寸上明显减小。
本发明的太阳光伏电池301实现横跨并联地连接的级联凹槽304a和304b的每个系列产生正和负电压——需要能够在通过级联凹槽结构的数量设计的电压下提取所产生的期望电荷的过程。这有利地消除了用于串联连接级联凹槽结构以实现期望输出电压的额外过程步骤的需要。本发明的光电器件帮助增加两端子器件例如太阳光伏电池的制造的速度并降低成本,由于在制造过程期间的较低的消耗量而有成品收率的附随的增加。
一旦被制造,定界特征404的电荷提取导体406a和406b就形成到在级联凹槽结构304a和304b的腔中的半导体材料(未示出)的输入和输出连接。有利地,这允许任何长度的网或太阳光伏电池301被切割,同时有在网的相对边缘处可用的正和负输出。
图4示出用于生产本发明的光电器件的辊到辊系统的平面图和横截面视图。
角501是在最接近的通路处源502到定界特征503的视角,其中最大可能的角被呈现。角501相应于图5中的角607。图5中的角607是在定界特征的两个表面上维持涂覆分离的最大交互作用角。
屏蔽物504限制在级联凹槽结构505和定界特征503上的涂覆,使得当辊在滚筒506周围穿过而级联凹槽结构505和定界特征503呈现在辊的所有位置上时,505和503的几何考虑因素都可被满足。可使用任何数量的屏蔽物504,包括一、二、三、四到多个屏蔽物。这使所使用的选择性涂覆技术能够在与凹槽505(在图2和3中被标记为304a和304b)的离轴定向涂覆相同的时间产生定界特征507的电荷提取导体508和509(图3中被示为406a和406b,图2中被示为306a和306b)。定界特征的区507是特定的区,因为它横跨网510并分离两个导体508和509。
可在单个滚筒506上产生级联凹槽505的多个系列和相对大尺度结构定界特征503的复合物图案,或可部署两个单独的滚筒图案,一个用于级联凹槽的多个系列而一个用于相对大尺度结构定界特征。因此,第二图案,即定界特征可在图案化阶段中级联凹槽图案的产生之前或期间被包括,图案化阶段产生级联凹槽的多个系列的结构化表面。
由一系列级联凹槽和定界特征产生的图案使得它具有定向表面,且当以一定角度,即离轴地涂覆这些表面时,导体和/或半导体材料可沉积在图案的任一侧上,只要它们被涂覆于的结构和源的相对位置满足必要的几何要求。这些要求是,涂覆实质上由视角限制到仅仅表面结构的一个侧面或小平面或表面。因此,离轴定向涂覆的最终结果是,在定界特征的任两个相对的表面之间没有或有很小的导电性。在定界特征的或横跨定界特征的任两个相对的表面之间可以有一些导电性,但这是最小的,且横跨定界特征的这个导电性的不利寄生效应可在光电器件的设计的考虑之内。
与通过已知的脱金属技术例如激光或金属蚀刻的后离轴定向涂覆相反,在离轴定向涂覆之前的表面结构化的时间产生定界特征507意味着对激光配准的容限的严格要求减轻了,且定界特征的总宽度减小了,因而最小化非活性区的尺寸。
使用本发明的方法产生的非活性区小于由已知后离轴定向涂覆脱金属技术产生的非活性区域的50%。因此由于在制造过程期间的降低的消耗量而有成品收率的附随的增加。
图5示出图1a所示的光电器件301的沟道302的横截面视图。
在辊的方向上单个定界特征302的垂直高度601、水平宽度602、初始角603、转角604和有效宽度605都在图5中示出。
在假想的正方形侧结构的基底处的角606定义了这样的角,在该角处,定界特征302的一半将被涂覆有以该角到达的材料。在定界特征302的底部处的角607是这样的角,仅仅一个垂直侧面被以该角涂覆。
这些标准基于定界特征301的高宽比以及角603和604。在这些角和高宽比之间的几何关系可用于计算定界特征的宽度605,且因此在角604下的特征中的转弯处,这个长度被加倍且因此被示为607的临界角是可被允许出现的最大角。
为了举例的目的,角603可能等于零度,在这种情形下,定界特征301将平行和垂直于被涂覆的表面延伸。可以有当定界特征301垂直地延伸时电连接的更大可能性。
为了材料的有效使用,已发现,45度的角603是有用的。当这个角与定界特征的高度601与宽度605的2:1的高宽比耦合时,表明对与商业上有用的器件所需的厚度可比较的涂层的厚度有极好的产量。
对于临界角607,更大尺寸的角是合乎需要的,以便产生所涂覆的表面的良好分离。临界角607由下面的等式定义:
其中∠607是临界角607,601是定界特征的垂直高度,602是定界特征的水平宽度,以及∠603是定界特征的初始角,如上面定义的。在实施方式中,5度的角作为安全因子被加到反正切运算的结果。然而根据应用,这个安全因子在可选的实施方式中可以更大或更小。
因此且为了举例的另外的目的,在定界特征的高度与宽度的1:1的高宽比的情况下,当角603等于75度时,角607等于44度,而当角603等于15度时,角607等于14度。在定界特征的高度与宽度的2:1的高宽比的情况下,当角603等于15度时,角607等于62度,而当角603等于75度时,角607等于27度。在定界特征的高度与宽度的3:1的高宽比的情况下,当角603等于75度时,角607等于37度。在定界特征的高度与宽度的4:1的高宽比的情况下,当角603等于75度时,角607等于45度。上面计算的角假设衬底的平或平坦表面表现为零度。
修改和改进可合并在本文中而不偏离本发明的范围。

Claims (40)

1.一种光电器件(301),包括:
衬底(305),其包括第一系列凹槽(304a)和第二系列凹槽(304b)及二者之间的沟道(302);
所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽具有第一表面(312a)和第二表面(312b)及所述第一表面和所述第二表面之间的腔(314);
所述腔(314)至少部分地填充有第一半导体材料(316);
所述第一表面(312a)涂覆有导体材料(318)而所述第二表面(312b)涂覆有第二半导体材料(317);
其特征在于,所述第一系列凹槽(304a)和第二系列凹槽(304b)的一部分与所述第一系列凹槽(304a)和第二系列凹槽(304b)之间的所述沟道(302)的一部分实质上彼此平行,且其中,所述沟道(302)还横断所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽。
2.如权利要求1所述的光电器件,其中,所述沟道(302)靠近每个凹槽的一端横断所述第一系列凹槽(304a)中的凹槽,并接着在所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)之间穿过,靠近每个凹槽的相对端横断所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽。
3.如权利要求1所述的光电器件,其中,所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的所述第一表面(312a)和所述第二表面(312b)涂覆有所述导体材料(318)。
4.如权利要求2所述的光电器件,其中,所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的所述第一表面(312a)和所述第二表面(312b)涂覆有所述导体材料(318)。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的光电器件,其中,所述第一半导体材料(316)是p型半导体材料,而所述第二半导体材料(317)是n型半导体材料。
6.如权利要求1-4中的任一项所述的光电器件,其中,所述第一半导体材料(316)和所述第二半导体材料(317)一起被称为活性材料,所述活性材料沉积在所述腔(314)中及所述腔(314)的第一表面(312a)和/或第二表面(312b)上,以提供欧姆和整流触点用于从所述活性材料引入或提取电荷。
7.如权利要求5所述的光电器件,其中,所述第一半导体材料(316)和所述第二半导体材料(317)一起被称为活性材料,所述活性材料沉积在所述腔(314)中及所述腔(314)的第一表面(312a)和/或第二表面(312b)上,以提供欧姆和整流触点用于从所述活性材料引入或提取电荷。
8.如权利要求1-4和7中的任一项所述的光电器件,其中,所述沟道(302)横断所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)的端部的角度可变且从0°到90°。
9.如权利要求5所述的光电器件,其中,所述沟道(302)横断所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)的端部的角度可变且从0°到90°。
10.如权利要求6所述的光电器件,其中,所述沟道(302)横断所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)的端部的角度可变且从0°到90°。
11.如权利要求1-4、7和9-10中的任一项所述的光电器件,其中,在所述腔(314)中的所述第一半导体材料(316)、在所述第二表面(312b)上的第二半导体材料(317)以及在所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的至少所述第一表面(312a)上的导体材料(318)都独立地处于电连通。
12.如权利要求5所述的光电器件,其中,在所述腔(314)中的所述第一半导体材料(316)、在所述第二表面(312b)上的第二半导体材料(317)以及在所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的至少所述第一表面(312a)上的导体材料(318)都独立地处于电连通。
13.如权利要求6所述的光电器件,其中,在所述腔(314)中的所述第一半导体材料(316)、在所述第二表面(312b)上的第二半导体材料(317)以及在所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的至少所述第一表面(312a)上的导体材料(318)都独立地处于电连通。
14.如权利要求8所述的光电器件,其中,在所述腔(314)中的所述第一半导体材料(316)、在所述第二表面(312b)上的第二半导体材料(317)以及在所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的至少所述第一表面(312a)上的导体材料(318)都独立地处于电连通。
15.如权利要求1-4、7、9-10和12-14中的任一项所述的光电器件,其中,所述沟道(302)具有第一表面和第二表面及二者之间的沟道腔,所述沟道的所述第一表面和第二表面涂覆有所述导体材料(318)。
16.如权利要求5所述的光电器件,其中,所述沟道(302)具有第一表面和第二表面及二者之间的沟道腔,所述沟道的所述第一表面和第二表面涂覆有所述导体材料(318)。
17.如权利要求6所述的光电器件,其中,所述沟道(302)具有第一表面和第二表面及二者之间的沟道腔,所述沟道的所述第一表面和第二表面涂覆有所述导体材料(318)。
18.如权利要求8所述的光电器件,其中,所述沟道(302)具有第一表面和第二表面及二者之间的沟道腔,所述沟道的所述第一表面和第二表面涂覆有所述导体材料(318)。
19.如权利要求11所述的光电器件,其中,所述沟道(302)具有第一表面和第二表面及二者之间的沟道腔,所述沟道的所述第一表面和第二表面涂覆有所述导体材料(318)。
20.如权利要求15所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的第一侧和第二侧提供电路的正极和负极,所述第一侧和第二侧与在所述沟道(302)的所述第一表面和第二表面上的所述导体材料(318)电连通。
21.如权利要求16-19中的任一项所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的第一侧和第二侧提供电路的正极和负极,所述第一侧和第二侧与在所述沟道(302)的所述第一表面和第二表面上的所述导体材料(318)电连通。
22.如权利要求1-4、7、9-10、12-14和16-20中的任一项所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽的深度的至少两倍。
23.如权利要求5所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽的深度的至少两倍。
24.如权利要求6所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽的深度的至少两倍。
25.如权利要求8所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽的深度的至少两倍。
26.如权利要求11所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽的深度的至少两倍。
27.如权利要求15所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽的深度的至少两倍。
28.如权利要求21所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽的深度的至少两倍。
29.如权利要求1-4、7、9-10、12-14、16-20和23-28中的任一项所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
30.如权利要求5所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
31.如权利要求6所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
32.如权利要求8所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
33.如权利要求11所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
34.如权利要求15所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
35.如权利要求21所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
36.如权利要求22所述的光电器件,其中,所述沟道(302)的深度是所述沟道(302)的宽度的两倍。
37.一种生产光电器件(301)的方法,所述方法包括下列步骤:
提供包括第一系列凹槽(304a)和第二系列凹槽(304b)及二者之间的沟道(302)的衬底(305),所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽具有第一表面(312a)和第二表面(312b)及第一表面(312a)和第二表面(321b)之间的腔(314),所述第一系列凹槽(304a)和第二系列凹槽(304b)的一部分与所述第一系列凹槽(304a)和第二系列凹槽(304b)之间的所述沟道(302)的一部分实质上彼此平行,且其中,所述沟道(302)还横断所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的凹槽;
用导体材料(318)涂覆至少所述第一表面(312a)以及用半导体材料(317)涂覆所述第二表面(312b);
其特征在于,所述方法还包括用另一半导体材料(316)至少部分地填充所述腔(314)的步骤。
38.如权利要求37所述的方法,其中,所述半导体材料(317)是p型半导体材料,而所述另一半导体材料(316)是n型半导体材料。
39.如权利要求37或权利要求38所述的方法,其中,用所述导体材料(318)涂覆所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的至少所述第一表面(312a)以及用所述半导体材料(317)涂覆所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的所述第二表面(312b)的步骤包括离轴定向涂覆过程。
40.如权利要求39所述的方法,其中,所述离轴定向涂覆过程包括相对于所述衬底(305)的平面且因此也相对于所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽以一定角度喷涂所述导体材料(318)和所述半导体材料(317),使得只有所述第一系列凹槽(304a)和所述第二系列凹槽(304b)中的每个凹槽的所述第一表面(312a)或第二表面(312b)被涂覆。
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