CN105900248A - 电介质钝化的金属绝缘体光伏太阳能电池 - Google Patents

电介质钝化的金属绝缘体光伏太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明描述一种光伏太阳能电池，根据一个实例实施方案，所述光伏太阳能电池包括半导体光吸收层和电介质堆叠，所述电介质堆叠在所述光吸收层的正侧或所述光吸收层的背侧中的至少一者上。所述电介质堆叠包括足够薄以使电荷载流子隧穿跨越的隧穿电介质层，和与覆盖电介质是不同材料的覆盖电介质层。所述太阳能电池还包括与所述覆盖电介质物理地接触的导电触点。所述导电触点和所述覆盖电介质一同具有以下各项中的任一项：适合于选择性地收集电子的与所述光吸收层的导带紧密地匹配的功函数，或适合于选择性地收集空穴的与所述光吸收层的价带紧密地匹配的功函数。

Description

电介质钝化的金属绝缘体光伏太阳能电池
背景
1.技术领域
本描述一般来说涉及太阳能电池，且明确地说涉及太阳能电池中的电介质层。
2.相关技术的描述
在现有太阳能电池中，经常通过将欧姆金属触点放置成与半导体的重掺杂(例如，约2x1019至5x1020个掺杂原子/cm3)区域进行物理接触(以用于基极和发射极连接)来使电荷载流子与半导体光吸收层分离(光生电子与空穴的分离)并从半导体光吸收层提取电荷载流子。相对重掺杂区域可以具有两个目的。它们希望是不良载流子类型的反射体，而且它们用以减小选定载流子类型的电接触电阻，选定载流子类型本可能(在没有用于欧姆金属触点的重掺杂区域的情况下)将因为金属与轻掺杂半导体直接接触而形成高电阻肖特基接触。然而，在一些情况下，重掺杂并非不良载流子的完美反射体，而且可能引起用表面复合速度(SRV)来量化的某个复合量，从而导致太阳能电池的某种程度的效率损耗。尽管可优化接触和掺杂的形状和放置，但完全减轻使用这种类型的金属接触结构引起的复合可能具有高度挑战性。
一种现有的太阳能电池包括用以吸收太阳光的相对轻掺杂硅层。轻掺杂硅层可以在正侧制绒以更有效地捕获太阳光。所述硅层可由钝化和抗反射电介质层组成，所述电介质层在一个例子中可以是氮化硅层或二氧化硅层和氮化硅层的组合。在正面钝化的情况下，用掺杂物以薄层对硅层掺杂，所述掺杂物具有与用以形成发射极的掺杂物的其余部分相反的掺杂极性。另外，在正侧，可按某个间隔图案化这个电介质层以接近硅并与硅接触。在接触开口中，通常重掺杂了硅并且沉积了金属盖层，诸如银。在一个例子中，吸收体层的背侧可以是钝化电介质，钝化电介质也按某个间隔或岛状物中断且被图案化以进行接触。背面触点(基极触点)中的掺杂在极性上将不同于电池正面(发射极触点)的掺杂极性，而且上覆金属也可不同，诸如铝而不是银。另一种现有的太阳能电池结构(通常制成双面太阳能电池)使用本征(原生的，没有额外掺杂)非晶硅(a-Si)光吸收层在电池的正面和背面提供钝化(且因此减少复合)。p+掺杂的a-Si发射极触点和氧化铟锡(ITO)(其为透明导电氧化物)层沉积在正侧，且n+掺杂的a-Si基极触点再加上ITO层沉积在背侧。尽管装置可能是高效的，但它具有若干缺点，包括相对复杂度和制造成本。首先，a-Si强烈地吸收光，因此这个钝化层必须保持非常薄，通常小于10至15nm。然而，这与实现良好钝化的某个最小a-Si厚度的要求相冲突，从而因为a-Si的吸收而以某种程度的Jsc损耗告终。第二个缺点是即使掺杂的a-Si也不是很导电(特别是在横向薄层电导极其差的情况下)。因此，在一些情况下，必须沉积另一种导电材料来实现电荷载流子的足够的横向传导性。这些层(ITO是一个实例)经常是昂贵的，而且用以沉积这些层的工具(例如，等离子体溅射)是昂贵的制造工具。除了成本之外，制造这种太阳能电池可能需要大量昂贵的工艺步骤，包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和物理气相沉积(PVD)工艺的组合，这进一步抬高太阳能电池的每瓦成本。
附图简述
图1示出根据一个实施方案的正面接触式太阳能电池的轮廓。
图2A示出根据一个实施方案的正面接触式太阳能电池。
图2B示出根据一个实施方案的双面正面接触式太阳能电池。
图3A示出根据一个实施方案的正面接触式太阳能电池的半导体能带图。
图3B示出根据一个实施方案的在零施加电压下的正面接触式太阳能电池的半导体能带图。
图4示出根据一个实施方案的随氧化铝(Al2O3)厚度而变的表面复合速度(SRV)。
图5示出根据一个实施方案的以晶片开始的用于制造正面接触式太阳能电池的基本工艺。
图6示出根据一个实施方案的以外延生长工艺开始的用于制造正面接触式太阳能电池的工艺。
图7示出根据一个实施方案的包括介电背板片的太阳能电池。
附图仅出于说明的目的而示出本发明的实施方案。本领域技术人员将易于从以下论述认识到，可在不脱离本文中描述的本发明的原理的情况下采用本文中说明的结构和方法的替代实施方案。
详细描述
I.太阳能电池的概述和益处
常规的和广泛使用的太阳能电池经常使用发射极结构以将空穴吸引至p型极性且使用基极结构以将电子吸引至n型极性。“发射极结构”和“基极结构”可以是使用一系列处理步骤实现的复合结构，所述步骤需要制造较高掺杂区域，图案化，并实现差异性掺杂-一种复杂的制造工艺。除了复杂性之外，这些一般结构可能因为若干理由而并非最佳电气执行者。首先，触点下方的掺杂可能因为载流子排斥的相对低效性而必然伴有显著的少数载流子损耗，所述掺杂主要可以起到减小多数载流子的接触电阻并增大少数载流子的接触排斥的作用。第二，这些结构需要使晶片的温度升高，这又具有损害晶片的本体寿命的风险。因此，这种广泛使用的载流子分离和收集方法的缺点是：它是复杂的，需要若干工艺步骤，而且未必显现最高性能。
本文中详述的结构和方法提供可用较大电效率和较少工艺复杂度实现载流子分离的解决方案。可以使用沉积的电介质和或半绝缘材料以及具有适当且合适的电性质的金属层来实现以下目标：将空穴吸引至一个外部极性同时排斥这个极性的电子，以及将电子吸引至另一极性同时排斥这个极性的空穴。它们的电性质用以产生驱动力以使电子和空穴向其优选的外部端子行进。也可以选择电性质以确保在每一端子处存在不期望的载流子类型的有效的且非复合性排斥。
而且尽管本文中详述的实施方案论述了用所建议的电介质/金属结构取代常规的正面接触式太阳能电池的发射极和基极结构两者，但本文中提供的革新不应看作限于这些材料/结构组，而且不排除根据公开的主题的其它种类的结构和材料的可能性，例如：
当仅取代发射极或仅取代基极结构而将另一极性维持为与普遍的常规结构类似时，此后称“混合”结构。举例来说，发射极结构是常规的电池结构，而在正面接触式太阳能电池背面的基极被电介质/金属组合取代，电介质/金属组合允许电子(N型衬底)高效地穿过电介质到达背面的基极触点。在这些结构中，Voc可能未必由金属功函数的差指示，金属功函数是在基极和发射极结构两者都被电介质半绝缘/金属结构取代时的驱动力。
当太阳能电池是背面接触式太阳能电池且发射极和基极两者都在太阳能电池背面时。这里，有利的实施方案是具有在基极与发射极之间持续共享的普通电介质，同时被不同地图案化的金属形成使载流子分离的驱动力和高Voc。然而，在替代实施方案中，不排除在基极和发射极使用不同电介质以及不同金属。
可根据电介质和金属的电性质，诸如一般来说是带隙和功函数(本文中详细描述的准则和参数)来结构化和选择电介质金属系统。另外，电介质系统本身，以及在一些情况下，金属层本身可以是单层或多层结构。本文中描述的电介质堆叠和金属的两个特定实例是：
用于电子选择和空穴排斥的具有Al或钛金属的Al2O3/TiOx(n型衬底的基极)，和用于空穴选择和电子排斥的具有Ni金属的Al2O3/NiOx(发射极)。
用于电子选择/空穴排斥的具有铝的SiO2(<1.5nm)/a-Si，和用于空穴选择/电子排斥的具有铝的Al2o3/a-Si(n型衬底的发射极)。
描述一种太阳能电池，其使用位于光吸收半导体层的正侧和/或背侧与基极和/或发射极触点之间的钝化电介质(称作电介质堆叠)和/或半绝缘体层，基极和/或发射极触点传导由入射光产生的电流以使之离开太阳能电池。在一个实施方案中，基极和发射极触点是具有不同功函数的不同金属(或其它导电材料)。光吸收层是本征(没有故意引入的外部掺杂)材料，诸如本征晶体硅，或具有某种相对轻的掺杂(例如，大约1x1014至1x1015个掺杂原子/cm3))。装置的VOC随基极与发射极触点金属的功函数之间的差而变化。还描述了用于制造太阳能电池的方法。
在上述实施方案中，存在多种不同的可能的实施方案。举例来说，可将太阳能电池实现为正面接触式太阳能电池或背面接触式太阳能电池(即，基极和发射极触点两者都在与光接收正侧相反的背侧)。为了制造太阳能电池，光吸收层可以使用半导体(诸如CZ硅)晶片作为开始点，或它可以外延地生长(诸如外延硅)。用于电介质堆叠的电介质可以不同，只要其产生上文所介绍和下文进一步介绍的特征。所使用的电介质的实例可以包括但不限于Al2O3、SiO2、TiOX和NiOx(其中TiOX和NiOX两者中的氧x的量可以不同)。用于触点的金属的实例可以包括但不限于Al、Ti、Al/Ti、Ni和Pt，以及其各种合金。
本文中所提供的太阳能电池的革新还可显著地减少制造高效太阳能电池所需的工艺步骤的数目-因而导致制造成本降低同时提供相对高的转换效率。消除的步骤可以包括产生掺杂物源层所需的步骤，驱动掺杂物进入的高温退火步骤，和与图案化钝化以产生触点相关的步骤。因此，太阳能电池可以用极少制造步骤产生，例如如本文中所描述。这允许生产一种太阳能电池，其可以花费大约5至10分每瓦来制作(不包括开始的半导体晶片的成本，其中当前晶体硅太阳能电池转换工艺成本是大约15分每瓦)。本文中所描述的工艺也可以用相对于现有工艺来说比较便宜的设备来制造太阳能电池。举例来说，可以省略的制造工具有高温炉、图案化设备，诸如平版印刷(或丝网印刷)和蚀刻、丝网印刷或激光烧蚀图案化。这可减少制作用于制造根据此工艺制作的太阳能电池的设施所需的制造设备和设施的资金花费金额。由于当前的太阳能电池市场严重受资金约束，因此这代表着巨大的突破。
太阳能电池也可以具有较高效率(例如，对于单结太阳能电池在超过20％直至约26％或甚至更高的范围内，这取决于半导体材料)，这是因为晶片的少数载流子寿命因为省略了高温步骤而保持为其原来的较高值。如上文所介绍，用于制作太阳能电池的工艺不必包括任何高温加热步骤。由于较高温度的处理步骤可使光吸收半导体层(例如，Si)的质量和少数载流子寿命因为诸如氧沉淀和表面杂质的驱动(这两个因素可减少硅吸收体的本体寿命)等现象降级，因此加热步骤通常表示实现期望的太阳能电池效率的必要折衷。具体地说，加热步骤允许将其它层附着至光吸收层，光吸收层执行各种功能，诸如用于建立强电连接以用于从半导体吸收体去除分离的电荷载流子(空穴和电子)。然而，由于所描述的新颖工艺和结构不必包括任何高温步骤，因此这个折衷是不必要的且因此太阳能电池少数载流子寿命得以延长，而且本征半导体寿命连同光吸收层的高效率得以维持。
太阳能电池操作的方式也可增加太阳能电池的效率和寿命。举例来说，在基极和发射极触点位于光吸收层的任一侧的正面接触式实施方案中，在操作期间因为吸收体半导体衬底的掺杂而跨越光吸收层建立电场。
所述太阳能电池与现有的常规太阳能电池相比还能够实现较高开路电压或VOC。在现有的常规太阳能电池中，最大VOC可受不同地掺杂的本体半导体的功函数的差限制。因为少数载流子寿命(MCL)损耗与掺杂增加之间存在折衷，所以将基极材料适中地保持于低掺杂(例如，约5x1014至1x1016个掺杂原子/cm3)。这导致最大VOC小于硅的带隙差，硅的带隙差通常在0.8电子伏特(eV)而不是1.12eV的范围内。
II.正面接触式太阳能电池
图1示出根据一个实施方案的正面接触式太阳能电池的轮廓。图1中所示的太阳能电池是正面至背面太阳能电池。此处示出为晶体硅(Si)衬底的光吸收半导体层130具有比较少的掺杂(例如，<1x1015个掺杂原子/cm3)或没有额外掺杂(例如，它是本征类型半导体而没有故意的非本征掺杂)。
光吸收半导体层具有覆盖正表面的正侧电介质层(或薄膜)120，和覆盖背表面的背侧电介质层覆盖140。总起来说，正侧层称作正面电介质堆叠120(或电介质堆叠正面)，且背侧层称作背面电介质堆叠140(或电介质堆叠背面)。
正面电介质堆叠120有效地使半导体层的正侧钝化，而且具有导带或价带，所述导带或价带对正面触点110(金属正面)具有低电阻(提供电荷载流子选择性)。在一个实施方案中，正面电介质堆叠包括至少两个电介质层(图1未示出)：物理地接触光吸收层的正侧的隧穿电介质层，和物理地接触正面触点金属的覆盖电介质层。正面电介质堆叠还可在那两层之间包括一个或多个介入电介质层。
背面电介质堆叠140使背侧钝化，且具有价带或导带(与正面电介质堆叠120相反)，所述价带或导带对背面触点150(金属背面)具有低电阻，因此提供载流子收集选择性。在一个实施方案中，背面电介质包括至少两个电介质层(图1未示出)：物理地接触光吸收层的背侧的隧穿电介质层，和物理地接触背面触点金属的覆盖电介质层。背面电介质堆叠还可在那两层之间包括一个或多个介入电介质层。
正面电介质堆叠120和背面电介质堆叠140分别接受电子和空穴(或选择电子和空穴)(或相反)。
正面导电触点110和背面导电触点150分别放置在正面电介质堆叠120和背面电介质堆叠140上。在图1的实例中，正面触点110是图案化的且背面触点150是毯覆的(至少覆盖背面电介质堆叠140的大部分表面)，然而，背面触点150可替代地为图案化的。
正面电介质120和背面电介质140的特定结构，以及用以制作正面触点110和背面触点150的材料可随实现方式而变化。以下小节阐述用于制作高效太阳能电池的参数，以及解决这些参数中的每一者的特定实例。
提供以下参数作为根据公开的主题的革新方面的结构、材料和制造选择的描述性准则。这些参数可集体地、部分地或结合其它太阳能电池考虑而使用，这取决于期望的太阳能电池的特性。
II.A.正面电介质堆叠参数
1)钝化：正面电介质堆叠层需要提供极好的钝化。在一个实施方案中，具有足够钝化的正面电介质堆叠具有例如低于20cm/s的SRV(对应于高质量的表面钝化，从而导致非常低的复合损耗)。
2)接触电阻：在一个实施方案中，正面电介质堆叠对电子具有低接触电阻(对电子的载流子选择性)。这个比接触电阻值的范围可从大约1毫欧姆-cm2至约100毫欧姆-cm2，其中为了实现较高太阳能电池效率，较低的比接触电阻率值是优选的。
3)空穴排斥：正面覆盖电介质是选择性地排斥空穴(来自价带的正电荷)的势垒。在这个配置中，如果接受电子(来自导带的负电荷)的正面电介质堆叠与允许空穴但排斥电子的背面相比具有负偏压，那么太阳能电池产生电力。
重要的是，在替代实施方案中，钝化堆叠可颠倒，其中正面电介质堆叠允许空穴并排斥电子，且背面电介质堆叠允许电子并有效地排斥空穴。然而，在这种情形中，电池的偏压需要反向，使得正面具有正偏压且背面具有负偏压。
4)覆盖电介质的导带与光吸收层的导带之间的低势垒高度：这确保可以易于将电子从光吸收层输送穿过电介质并进入覆盖电介质中。另外，正面电介质堆叠材料(和其相应厚度)与正面触点共同产生电子的功函数，所述功函数接近Si的导带。这允许太阳能电池的正侧具有大的VOC而且也允许良好的接触电阻。对空穴的高势垒连同良好的钝化质量允许有效地从正表面排斥空穴。
5)透明度：正面电介质堆叠的材料在太阳光的有用光谱中可以是高度透明的，而且不应吸收与太阳能电池相关的波长(例如，对于晶体硅太阳能电池是350至1150nm)。
6)覆盖电介质的横向电导率：正面覆盖(顶部)电介质应尽可能导电以确保电流良好的横向传导。电导率可通过在正面覆盖电介质之上添加透明导电氧化物(TCO)ITO来增强。
7)抗反射涂层(ARC)：在一些情况下，正面覆盖电介质可以充当抗反射涂层(ARC)，从而消除对单独ARC的需要。替代地，可添加ARC。ITO或不同的TCO层也可充当ARC。
II.B.背面电介质堆叠参数
8)接触电阻：背面电介质堆叠对空穴可以具有低输送阻力(对空穴或正电荷的载流子选择性)，以防止在背面触点处丢失至串联电阻的那些分离的和收集的空穴。
9)电子排斥：背面覆盖电介质可以是势垒，其非常有效地排斥电子以致不会损耗Jsc(太阳能电池的短路电流密度)。
10)光吸收层的价带与覆盖电介质的价带之间的低势垒高度：这确保空穴可易于从光吸收层隧穿通过隧穿电介质并进入覆盖电介质中。另外，背面电介质堆叠材料(和其相应厚度)以及为背面触点选择的金属应导致背面金属触点的费米能级接近覆盖电介质和光吸收层的价带。这允许太阳能电池的背侧具有大的开路电压VOC和良好的接触电阻。较大的Voc值也导致太阳能电池的功率温度系数的绝对值较小，这对于增强太阳能电池的能量产生是高度期望的。
11)透明度：如果太阳能电池旨在为双面的，那么电介质堆叠材料和背面触点应为透明的。如果太阳能电池并不旨在为双面的(即，对于单面太阳能电池)，背侧的透明度并不有利或没有必要。
12)背面覆盖电介质/半绝缘体的电导率：如果太阳能电池旨在为双面的，那么背面覆盖电介质应尽可能导电以确保电流良好的横向传导以及最小的寄生欧姆损耗。电导率可通过在背面覆盖电介质之上添加TCO(诸如ITO)来增强。如果太阳能电池并不旨在为双面的(即，单面太阳能电池)，那么相对于双面实施方案可降低对背面覆盖电介质的电导率要求，因为背面触点可以是相对薄的毯覆式金属层(即，基本上施加在整个背面覆盖电介质上方)，因而允许具有触点的额外表面区域减轻背面覆盖电介质的电导率的减小。
在太阳能电池的替代实施方案中，多级电介质堆叠可以使得与吸收体接触的层不必包括隧穿层，而是包括具有频带偏移的层，所述层是导电的以实现电荷载流子选择性。
II.C.实例正面接触式太阳能电池
图2A和图2B中示出两个实例正面接触式太阳能电池。图2A示出根据一个实施方案的包括毯覆式背面触点的正面接触式太阳能电池。图2B示出根据一个实施方案的包括图案化背面触点的双面正面接触式太阳能电池。
在图2A和图2B的实例中，光吸收层由本征或轻掺杂(例如：约1x1014个掺杂原子/cm3)晶体硅制成。在这个实例中，太阳能电池在正面电介质堆叠220中包括两层：由氧化铝(Al2O3)制成的隧穿电介质层220b和由氧化钛(TiOX)制成的覆盖电介质层220a。正面触点210是在覆盖电介质之上的图案化金属触点，而且在这个实施方案中通过吸收电子而充当基极触点。正面触点可由Al、Ti或其组合制成，Al、Ti或其组合具有接近晶体硅的导带的功函数。太阳能电池在背面电介质堆叠240中包括两层：由Al2O3制成的隧穿电介质层240b和由NiOX制成的覆盖电介质层240a。背面触点250是毯覆式(图2A)金属触点250a，或双面正面接触式太阳能电池中的图案化(图2B)金属触点250b。
在这些实例太阳能电池中的任一者的一个特定实施方案中，正面Al2O3层220b在约0至2.5纳米(nm)之间，正面TiOX层220a在约1至40nm之间，背面Al2O3层240b在约0至2.5nm之间，且背面NiOX层240a在约1至10nm之间。
重要的是，电介质的若干其它实例可以用以提供上述性质。一个特定实例包括对于电子选择性触点(在正侧)可以使用薄的SiO2(<1.5nm)与a-Si的组合，而对于空穴选择性触点可以使用薄的Al2O3与a-Si。夹层式电介质的其它选择包括已知提供良好的钝化并允许载流子隧穿通过其的材料，包括诸如HfO2等电介质。
尽管不是必要的，但图2A和图2B的实例太阳能电池可以包括上文所介绍的所有特征1至13。以下两节进一步详细描述这些实例太阳能电池可如何包括这些特征。
II.C.1实例正面接触性质
关于正侧钝化(1)，Al2O3本身是用于n型掺杂、p型掺杂和本征(原生)半导体(诸如Si)的极好的钝化。使用Al2O3可以实现小于10cm/s的SRV。Al2O3本身是电介质，且因此其阻隔电子的传导。如果Al2O3层足够薄(例如，小于约2nm，且在一些情况下厚度<1nm)，那么它允许电子隧穿通过。然而，在这些厚度下，Al2O3可能开始失去其钝化质量。图4示出根据一个实施方案的这个概念，其示出随Al2O3厚度而变的SRV。
覆盖电介质解决正面和背面电介质堆叠两者中的薄的Al2O3层的这个钝化问题。对于正面电介质堆叠，覆盖电介质层可以是TiOX。TiOX改进甚至薄的Al2O3(例如，厚度小于2nm)中的Al2O3钝化。图4也示出这个概念，其示出尽管Al2O3层较薄(例如，1nm)，但在5nm的TiOX作为覆盖电介质的情况下，SRV仍可从大于60至100cm/s减小至大约20cm/s。
作为可能的额外益处，如果使TiOX为非化学计量的和缺氧的，那么可使TiOX更具导电性。举例来说，可通过在TiOX(吸钛氧)上添加一层Ti或通过在减少的氮氢混合气氛退火(FGA)环境中将TiOX/Al2O3堆叠退火至大于大约400℃的温度来使TiOX的电阻率低至大约1x10-2Ω-cm。TiOX中的氧空位充当掺杂物以使其更具导电性。
关于正面接触电阻(2)，相对于仅使金属与光吸收层直接物理接触，在Al2O3之上的薄的TiOX层(例如，1至2nm)可显著改进接触电阻。举例来说，在一个实施方案中，Al或Ti用作正面触点(或具有接近光吸收层的导带的真空功函数的其它金属)。Al和Ti分别具有4.15eV和4.3eV的真空功函数。与这些金属与Si直接接触时0.65eV的势垒高度相比，这些金属对于TiOX将具有仅仅大约0.15eV的势垒高度。这可基本上减小接触电阻。电流可通过电场辅助隧穿或通过电场辅助热电子发射来携载。
为了获得最低接触电阻，选择TiOX层的特定厚度是优化问题。TiOX层制得越厚，Al或Ti的费米能级将越接近TiOX的电中性能级(CNL)(下文进一步描述)，作为一般原理电中性能级会产生更多隧穿电流。然而，较厚的TiOX也可使隧穿更困难。Al2O3层的厚度也是因素，它不影响接触电阻，但需要载流子隧穿通过。因此，在确定隧穿电流时可以考虑TiOX和Al2O3的组合厚度。在一个实施方案中，因此选择TiOX厚度以将给定太阳能电池布局的接触电阻减到最小。
关于正面空穴排斥(3)，Al2O3和TiOX两者因为Si、TiOX和Al2O3的相应价带之间的频带不连续性而对空穴都呈现高能势垒高度。
关于从覆盖电介质的导带至光吸收层的导带的低势垒高度(4)，在直接附着至正面和背面触点的本征半导体中，VOC可由正面触点与背面触点的费米能级功函数的差指示。因此，为了获得大的VOC，使正面触点费米能级尽可能接近半导体的导带且使背面金属费米能级尽可能接近半导体的价带可以是有利的。
当金属与诸如晶体硅等半导体直接接触时，金属的功函数因为表面偶极子的存在而固定于Si的大约中间能隙，也称作电中性能级(CNL)。添加薄的电介质(诸如TiOX)将金属功函数从Si的CNL释放为电介质的CNL。就这方面来说，TiOX具有若干优点：1)其导带几乎与Si的导带对准，2)TiOX的CNL接近Si的导带，从而导致对Si的肖特基势垒非常低，3)TiOX可制成为导电的(如上文所介绍)。在一个实施方案中，2nm的TiOX可足以将Al或Ti触点的费米能级释放为TiOX的CNL。因此，TiOX可作用良好以形成低势垒高度。
关于正面电介质堆叠的透明度(5)，TiOX和Al2O3在光吸收硅层的所关注波长(例如，350至1150nm)内是光学上透明的。
关于正面覆盖电介质的横向电导率(6)，为了制作具有某组性质的太阳能电池，正面覆盖电介质需要具有阈值电平的电导率。这个阈值取决于正面触点的线之间的横向间隔。金属线越精细地图案化，正面触点金属“栅格”的横向间隔越小，同时仍维持太阳能电池的总的正表面覆盖的相同百分比覆盖(和因此维持相同的光排斥)。
为了改进横向电导率，可以如上文所介绍通过添加Ti或通过退火来使TiOX缺氧。然而，关于添加Ti并使TiOX/Ti层过厚的折衷是可能使电荷载流子从Si朝金属触点的隧穿更困难(增大隧穿阻力)。另外，如果TiOX/Ti层的厚度大于40nm，那么TiOX可能不再能充当良好的ARC。
关于正面ARC(7)，大约40nm的TiOX可充当极好的ARC层。在TiOX下面存在薄的Al2O3可能不会影响光学ARC性质，因为其光学厚度远小于正被吸收的光的波长(例如，350nm至1150nm)。如果期望较薄的TiOX层，那么TiOX厚度可减小至大约40nm以下且可在TiOX和金属触点之上添加单独的ARC。
在另一实施方案中，如果发现TiOx层没有足够的电导率，那么可在TiOx层之上沉积单独的TCO层(诸如ITO)。这将提供横向电导率。在这种情形中，可通过改变TiOx和TCO组合的厚度来优化ARC性质。举例来说，一个组合可将TiOx层保持为薄的并提供约80nm的ITO以获得良好的横向电导率和ARC性质。
II.C.2实例背面接触性质
关于背侧钝化(8)，如上文所描述，Al2O3本身对于晶体硅上的钝化是极好的。NiOX和Al2O3也可良好地合作以改进钝化。上文对于Al2O3和TiOX的组合钝化的描述同样适用于Al2O3和NiOX的组合钝化，不同之处在于NiOX层的厚度。在一个实施方案中，钝化是通过使NiOX的厚度在大约1至10nm之间实现的。
关于电阻(9)，相对于仅使金属与光吸收层直接物理接触，在Al2O3之上的薄的NiOX层(例如，大约1至2nm)可显著改进接触电阻。举例来说，在一个实例实施方案中，Ni用作背面金属触点(或Ni+、Pt，或具有接近Si的价带的真空功函数的另一金属)。Ni具有～5.1eV eV的真空功函数。因此，Ni对NiOX将具有极小至可忽略的势垒。这可基本上减小接触电阻。电流通过电场辅助隧穿或通过电场辅助热电子发射来携载。与上文所描述的TiOx/Al2O3的情况类似，为了获得最低接触电阻和最佳钝化,选择NiOx/Al2O3堆叠层的特定厚度是优化问题。
关于背面电子排斥(10)，Al2O3和NiOX两者因为NiOX与Si的相应导带之间的频带不连续性而对电子都呈现高能势垒高度。
关于从覆盖电介质的价带至光吸收层的价带的低势垒高度(11)，如上文所描述，为了获得大的VOC，背面金属费米能级尽可能接近覆盖电介质的价带可以是有利的。NiOX的情况如此。另外，NiOX具有极好的性质，即其价带与Si的价带大致对齐，从而对空穴提供极小势垒。在背面电介质堆叠具有极大的SRV的实施方案中，可以使用除了NiOX之外的不同材料，其与硅的价带的带隙也较小，且对电子的排斥势垒也较高。
关于性质(4)和(11)一起，图3A和图3B是实例正面接触式太阳能电池的能带图。图3A示出根据一个实施方案的在平带电压(开路条件)下的实例正面接触式太阳能电池的能带图。图3B示出根据一个实施方案的在零施加电压(短路条件)下的实例正面接触式太阳能电池的能带图。图3A和图3B示出正面电介质堆叠可如何允许电子容易地隧穿通过Al2O3进入TiOX的导带，并接着容易地跃迁至Al或Ti正面触点中。图3A和图3B进一步示出空穴可类似地隧穿/跃迁跨越至正面触点的困难程度。图3A和图3B进一步示出背面电介质堆叠可如何允许空穴容易地隧穿通过Al2O3进入NiOX的价带中，并接着容易地跃迁至Ni背面触点中。图3和图3B进一步示出电子可类似地隧穿/跃迁跨越至正面触点的困难程度。
关于背面电介质堆叠的透明度(12)，NiOX和Al2O3是透明的，而且这个实例的太阳能电池适合用作双面太阳能电池。
关于背面覆盖电介质的横向电导率(13)，如上文，如果太阳能电池并不旨在为双面的(即，为单面太阳能电池)，那么背面触点(例如，Ni)毯覆层提供足够的电导率。如果旨在双面太阳能电池，那么可通过添加一层ITO来增强电导率。
II.D.实例正面接触式太阳能电池的替代实施方案
尽管已将光吸收层(在这个实例中是Si)描述为具有极少或没有掺杂，但在另一实施方案中，光吸收层包括基本掺杂量，同时如上文所描述在太阳能电池的正面和背面仍包括相同的电介质堆叠和金属。光吸收层可以制成为n型或p型。用于制造太阳能电池的工艺流程可相同，但在添加电介质堆叠之前有一个或多个额外掺杂步骤。然而，太阳能电池的功能与本征或轻掺杂的光吸收层相比可稍有不同，这是因为缺乏内建电场辅助载流子输送。值得注意的是，太阳能电池将具有不同的串联电阻。
在相同或替代实施方案中，对于n型基极，太阳能电池的背侧可以包括欧姆接触和常规的扩散发射极，从而使其成为钝化的正面接触式太阳能电池中的后发射极。可以通过将重局部p+掺杂(例如，1x1020个掺杂原子/cm3)添加至半导体吸收体层，和通过使用合适的金属(诸如Al)制作发射极触点来进行局部欧姆接触。另外，可通过使轻p-掺杂(例如，1x1019个掺杂原子/cm3)在太阳能电池的小于1um的背侧中扩散来在背侧上制作发射极。后侧仍用电介质钝化覆盖，电介质钝化不是限制性的且可选自SiNx或SiNx/AlO3组合等多种选项。可通过零星地和局部地对电介质开口来制作局部触点。在这个实施方案中，如上文所描述的正面电介质堆叠和Al和/或Ti金属触点仍可充当电子收集极(基极)。
在与先前实施方案类似的另一实施方案中，由Al2O3/TIOx或SiO2/a-Si组成的基极堆叠可用具有n+掺杂(对于n型硅)局部触点的常规基极取代，而发射极堆叠仍包括上文所描述的结构(AL2O3/NiOx或Al2O3/A-Si)。因此，使发射极在正面或背面的两种可能性都存在。而且对于任一配置应确保正侧的透明度。
III.用晶片进行正面接触式太阳能电池的制造
图5示出根据一个实施方案的以晶片开始的用于制造正面接触式太阳能电池的基本工艺。图＝6所示的制造工艺集中于基极堆叠由Al2O3/TiOx制成且发射极堆叠具有Al2O3/NiOx的实施方案，而且仅应解释为代表性实例而不是结构限制。在适当时也可参考其它结构。在图5的实例中，光吸收层的开始点是材料晶片，诸如单晶Si(例如，直拉(CZ)Si)或多晶Si(mc-Si)。Si的掺杂物类型可以不同(例如，n型或p型，或接近本征晶体硅)。
用标准湿化学法对向阳侧(太阳能电池的光接收侧)执行610锯损伤去除(SDR)并用标准的碱性制绒化学法执行单侧制绒。SDR 610将晶片厚度减小至大致期望的硅厚度并去除任何锯损伤以提供良好的本体少数载流子寿命。也可使用其它用于减小晶片厚度的技术，诸如机械式表面研磨、化学硅蚀刻、使用质子注入进行的解理、激光分裂，或应力诱发的解理。接着清洁晶片，从而去除表面晶片上任何剩余的切割用浆液以及晶片的顶部几μm。
在光吸收层的正侧(向阳侧)添加620两个不同的电介质层以形成正面电介质堆叠。添加的第一层是隧穿电介质，例如Al2O3。添加的第二层是覆盖电介质，例如TiOX。这些层可以使用多种技术来添加620。举例来说，可在高容量的太阳能级反应器可用的情况下使用原子层沉积(ALD)。也可以使用等离子体ALD或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在在正面电介质堆叠包括两层以上的其它实施方案中，可以按照从离光吸收层最近到最远的顺序添加这些额外层。
在光吸收层的背侧(非向阳侧)添加630两个不同的材料层以形成背面电介质堆叠。类似于第一正面层，第一背面层是隧穿电介质，例如Al2O3。第一背面层通常可由与用于第一正面层相同的材料制成，但这不是绝对必要的。如上文所介绍，第二背面层是由与第二正面层不同的材料(例如，NiOX)制成的覆盖电介质。用以添加620正面层的相同技术也可用以添加630背面层。
作为结构组的替代实例，正面层(n型硅的基极)可以是热生长的SiO2(例如，厚度<1.5nm，使用短干式氧化)和沉积的PECVD a-Si，而背侧电介质堆叠可以是Al2O3+PECVD a-Si。举例来说，这个结构可以如下形成：使用背对背晶片进行单侧热氧化生长或从晶片的非向阳侧去除氧化物，随后在两侧进行Al2O3沉积和PECVD a-Si沉积。
可以对光吸收层和附着的正面和背面电介质堆叠退火640以确保第一薄膜的钝化被激活且具有良好的质量。在一个实现方式中，在减少的氮氢混合气氛中在大约400℃下执行退火持续大约10至30分钟，但也可使用其它环境气体(诸如N2)。取决于覆盖电介质中所使用的材料，退火也可具有增大第二薄膜中的一者或两者的电导率的效应。举例来说，如果第二正面薄膜由TiOX制成，那么退火可使TiOX变得缺氧，因而增大其电导率，尤其是在减少的氮氢混合气氛环境中执行时。
分别将正面和背面电触点添加650、660至正面和背面薄膜上。用于触点的材料可以不同，实例包括金属，诸如Al、Ti、Ti加上Al、Cu、Ag、Ni，或另一合适材料。触点也可由其它导电材料(诸如ITO)制成。正面和背面金属触点由不同材料制成，以便与如上文所描述的覆盖电介质的导带或价带更兼容。举例来说，如果正面覆盖电介质由TiOX制成，那么正面触点也可由Ti或Ti加上另一金属制成。类似地，如果背面覆盖电介质由NiOX制成，那么背面触点可由Ni或Ni加上另一金属制成。
触点可以使用多种技术来添加，包括丝网印刷非熔块低固化温度膏、喷墨印刷、溅射/蒸发空白材料层加上后续图案化、PVD沉积在一些情况下加上图案化。如果太阳能电池将为双面太阳能电池(即，在正侧和背侧两者上捕获入射光)，那么也可将Ni喷墨至正面和背面薄膜上，随后喷墨另一材料以将触点加厚并降低电阻率。
在第二薄膜中的一者的横向电导率不足的情况下(例如，在TiOX用作第二薄膜的一些情况下)，可在退火步骤之前或之后在第二薄膜之上溅射氧化铟锡(ITO)。ITO是导电的且因此增大电导率，而且也是透明的且因此不会显著影响太阳能电池的产出。
也可在太阳能电池的正侧和背侧添加抗反射涂层(ARC)。ARC可由诸如SiN等材料制成。
在背面触点的横向电导率起初不够高的非双面实现方式中，可以添加额外层和工艺步骤以改进其横向电导率。举例来说，可以将介电背板片(例如，芳纶纤维和树脂)层压至背侧触点上，且接着可以将第二层金属化(例如，材料片，诸如Al箔)添加至背板片上。背面触点与第二层金属化可以通过背板片中的通孔电连接。替代地，可以将导电背板片层压至背面触点上。可以在添加背板片和/或第二层金属化之前、之后或之前和之后都执行退火步骤640。
在这个工艺的另一方案中，可以替代地在金属化650、660之后(或在任何后续金属化工艺之后)而不是金属化650、660之前执行退火步骤640。这在以下情况下可以是有利的：如果例如退火减小步骤650和660和任何后续金属化工艺中所添加的金属触点或太阳能电池的其它组件之间，和/或金属触点与电介质堆叠之间的电阻的话。
IV.使用外延生长的光吸收体的正面接触式太阳能电池
图6示出根据一个实施方案的用于制造正面接触式太阳能电池的工艺，其中光吸收层是外延生长的。在图6的实例中，光吸收层借助可再使用的硅模板而生长，硅模板诸如在表面具有多孔半导体层705的晶体半导体晶片，其实例包括CZ Si、mc-Si或另一半导体。多孔半导体(诸如晶体硅晶片上的多孔硅)用作外延种子层和剥离释放层。如果晶片先前已用以生长另一光吸收层，那么在再使用晶片以在形成于半导体晶片上的多孔半导体层上使用外延生长来产生太阳能电池的额外半导体层之前重新调节和清洁晶片。
在晶体硅晶片表面上形成710多孔硅外延种子和释放层。在一个实例中，种子和释放层是具有不同孔隙度的不同层。将生长硅的种子层可以具有相对低的孔隙度，这有利于低缺陷硅的生长。与模板接触的释放层可以具有相对高的孔隙度，从而便于在硅的生长完成时进行按需剥离分离。接着在层外部生长或化学气相沉积薄的外延硅层。这个外延生长层变成光吸收层。在一个实现方式中，生长的外延硅层厚度通常在大约1μm与80μm之间。
一旦已生长光吸收层710，光吸收层的不面向模板的暴露表面是光吸收层的背侧。在将光吸收层从模板释放之前，可处理太阳能电池的背侧。类似于上文所描述的步骤630，处理太阳能电池的背侧包括添加715两个或多个材料层以形成背面电介质堆叠。类似于上文所描述的步骤660，在背面电介质堆叠上添加720背面金属触点。取决于实现方式，可将导电或介电背板片层压725在背面触点(例如，半固化片)上。尽管图5中未示出，但添加背板片与上文图5描述的章节中介绍的步骤相同。
使用充当沿着多孔层释放太阳能电池的剥离分离工艺的机械释放(或替代地沿着多孔层释放太阳能电池的湿化学蚀刻释放)使太阳能电池与模板分离730。处理接着可在太阳能电池的正侧开始。处理正侧可以包括使用涉及氢氧化钾或氢氧化钠的标准碱性化学法对光吸收层的正侧制绒735。背板(诸如薄的半固化片)可耐化学腐蚀且与湿式制绒化学法兼容。
类似于上文所描述的步骤620，添加735两个或多个材料层以形成正面电介质堆叠。类似于晶片实现方式，在光吸收层的正侧添加的覆盖电介质不同于在光吸收层的背侧添加的覆盖电介质。
类似于上文所描述的步骤650，添加745正面触点。
也可取决于其它步骤中所使用的材料而执行额外步骤。如果将介电背板片层压725在背面触点上，那么对背板片钻孔750以形成通孔，从而接近背板片下面的背面触点。可以在背板片上添加755第二层金属化并使其与背面触点互连。如果背板片由导电材料制成，那么可以跳过步骤750和755。
尽管图6未示出，但也可在上述步骤中的任一者之间执行一次或多次退火。退火可以引起多种效应，诸如激活钝化层、形成较强的电连接，和其它益处。
图7示出根据图6所示工艺的一个可能实例使用外延生长的太阳能电池形成的太阳能电池的一个可能实例，所述太阳能电池还包括通过通孔880与背面金属触点250a(例如，Ni或Ni加另一金属)互连的介电背板片860(诸如层压片/半固化片)和第二层金属化870。尽管未示出，但正表面可被制绒且可具有ARC涂层。
在另一实施方案中，可以使用与上文展示的类似概念制作背面接触式太阳能电池。在涉及基极电介质堆叠Al2O3/TiOx和发射极堆叠Al2O3/NiOx的特定实施方案中，可以使用多种技术(诸如PECVD、ALD、APCVD等)来沉积共同的Al2O3电介质层。厚度控制和均匀性是重要的，从而使ALD为合适的选择。这之后使图案化的NiOx/Ni堆叠与图案化的TiOx/Ti(或AL)以指交叉方式交替以完成背面接触式太阳能电池。
IV.额外考虑
在阅读本公开后，本领域技术人员将通过本文中公开的原理了解额外替代结构和功能设计。因此，尽管已说明和描述特定实施方案和应用，但应理解，公开的实施方案不限于本文中公开的精确构造和组件。在不脱离所附权利要求书中定义的精神和范围的情况下，可对本文中公开的方法和设备的布置、操作和细节做出对于本领域技术人员来说将显而易见的各种修改、改变和变化。

Claims (27)

1.一种光伏太阳能电池，其包括：
半导体光吸收层；
电介质堆叠，其在所述光吸收层的正侧或所述光吸收层的背侧，所述电介质堆叠包括：
隧穿电介质层，其与所述光吸收层物理地接触，隧穿电介质足够薄以使电荷载流子隧穿跨越；
覆盖电介质层，其与所述隧穿电介质层物理地接触，所述隧穿电介质与覆盖电介质是不同材料；以及
导电触点，其与所述覆盖电介质物理地接触，所述导电触点和所述覆盖电介质一同具有以下各项中的任一项：
适合于选择性地收集电子的与所述光吸收层的导带紧密地匹配的功函数，或
适合于选择性地收集空穴的与所述光吸收层的价带紧密地匹配的功函数。
2.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，
其中所述电介质堆叠是在所述光吸收层的所述光接收正侧的正面电介质堆叠；
其中所述正面电介质堆叠的所述覆盖电介质和所述导电触点包括针对电子的与所述光吸收层的所述导带紧密地匹配的所述功函数；且
其中所述光伏太阳能电池进一步包括：
在所述光吸收层的所述背侧的背面电介质堆叠，所述背面电介质堆叠包括多层介电材料；以及
背面导电触点，其与所述背面电介质堆叠物理地接触，所述背面导电触点与所述背面电介质堆叠一同具有适合于空穴的与所述光吸收层的所述价带紧密地匹配的所述功函数。
3.如权利要求2所述的太阳能电池，其中所述背面电介质堆叠包括：
背面隧穿电介质层，其与所述光吸收层物理地接触，背面隧穿电介质足够薄以使电荷载流子隧穿跨越；以及
背面覆盖电介质层，其与所述背面隧穿电介质层物理地接触，所述背面隧穿电介质与背面覆盖电介质和正面隧穿电介质是不同材料。
4.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，
其中所述光吸收层的与附着至所述电介质堆叠的一侧相反的一侧包括掺杂区域；且
其中所述光伏太阳能电池进一步包括附着至所述光吸收层的所述掺杂侧的第二导电触点，所述光吸收层的所述掺杂侧与所述第二导电触点形成欧姆接触。
5.如权利要求4所述的光伏太阳能电池，其中所述掺杂是p+掺杂，且所述第二导电触点是金属，诸如铝、钛或其合金。
6.如权利要求4所述的光伏太阳能电池，其中所述掺杂是n-掺杂，且所述第二导电触点是金属，诸如铝、钛或其合金。
7.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述隧穿电介质由Al2O3制成。
8.如权利要求7所述的光伏太阳能电池，其中所述隧穿电介质厚度在大约0与2.5纳米(nm)之间。
9.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述覆盖电介质由TiOX制成。
10.如权利要求9所述的光伏太阳能电池，其中所述覆盖电介质厚度在大约1与40nm之间。
11.如权利要求9所述的光伏太阳能电池，其中所述导电触点包括钛和铝金属中的至少一者。
12.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述覆盖电介质由NiOX制成。
13.如权利要求12所述的光伏太阳能电池，其中所述覆盖电介质厚度在大约1与10nm之间。
14.如权利要求12所述的光伏太阳能电池，其中所述导电触点包括镍(Ni)或铂(Pt)中的至少一者。
15.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述光吸收层是由以下各项组成的群组中的至少一者：本征半导体，和掺杂半导体，电荷载流子的掺杂密度不超过大约1x1015个掺杂原子/cm3。
16.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述隧穿电介质层至少在大约350至1150nm的波长范围内是透明的。
17.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述覆盖电介质层至少在大约350至1150nm的波长范围内是透明的。
18.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其在所述覆盖电介质层与所述导电触点之间进一步包括透明导电层。
19.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述透明导电层是氧化铟锡(ITO)。
20.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述导电触点被图案化以仅覆盖所述覆盖电介质的一部分。
21.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述导电触点覆盖所述覆盖电介质的大部分。
22.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其进一步包括附着至所述导电触点的导电背板。
23.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其进一步包括：
介电背板，其附着至所述导电触点，所述介电背板包括多个通孔；以及
第二层导电触点，其附着至所述介电背板且通过所述通孔电连接至所述导电触点。
24.如权利要求1所述的光伏太阳能电池，其中所述第二层触点是铝箔片。
25.一种用于制造正面接触式光伏太阳能电池的方法，其包括：
制备半导体光吸收层；
添加正面隧穿电介质层，所述正面隧穿电介质层与所述光吸收层物理地接触；
添加正面覆盖电介质层，所述正面覆盖电介质层与所述正面隧穿电介质层物理地接触，正面隧穿电介质与正面覆盖电介质是不同材料；
添加背面隧穿电介质层，所述背面隧穿电介质层与所述光吸收层物理地接触，背面隧穿电介质；
添加背面覆盖电介质层，所述背面覆盖电介质层与所述背面隧穿电介质层物理地接触，所述背面隧穿电介质与背面覆盖电介质是不同材料；以及
添加正面导电触点，所述正面导电触点与所述正面覆盖电介质物理地接触，所述正面导电触点与所述正面覆盖电介质一同具有适合于选择性地收集电子的与所述光吸收层的导带紧密地匹配的功函数；
添加背面导电触点，所述背面导电触点与所述背面覆盖电介质物理地接触，所述背面导电触点与所述背面覆盖电介质一同具有适合于选择性地收集空穴的与所述光吸收层的价带紧密地匹配的功函数。
26.一种光伏太阳能电池，其包括：
半导体光吸收层；
正面隧穿电介质层，其与所述光吸收层物理地接触；
正面覆盖电介质层，其与所述正面隧穿电介质层物理地接触，正面隧穿电介质与正面覆盖电介质是不同材料；
正面导电触点，其与所述正面覆盖电介质物理地接触，所述正面导电触点与所述正面覆盖电介质一同具有适合于选择性地收集电子的与所述光吸收层的导带紧密地匹配的功函数；
背面隧穿电介质层，其与所述光吸收层物理地接触；
背面覆盖电介质层，其与所述背面隧穿电介质层物理地接触，背面覆盖电介质与背面隧穿电介质和所述正面覆盖电介质是不同材料；以及
背面导电触点，其与所述背面覆盖电介质物理地接触，所述背面导电触点与所述背面覆盖电介质一同具有适合于选择性地收集空穴的与所述光吸收层的价带紧密地匹配的功函数。
27.一种光伏太阳能电池，其包括：
晶体硅层；
正面Al2O3层，其与所述晶体硅层的正侧物理地接触；
TiOX层，其与所述正面Al2O3层物理地接触；
正面金属触点，其与所述TiOX层物理地接触，所述正面金属触点包括铝、钛或其组合；
背面Al2O3层，其与所述晶体硅层的背侧物理地接触；
NiOX层，其与所述背面Al2O3层物理地接触；以及
背面金属触点，其与所述NiOX层物理地接触，所述背面金属触点包括镍、铂或其组合。
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