CN112186055B - 一种组合式太阳能三维集成系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种组合式太阳能三维集成系统及其制备方法，所述集成系统包括顶部太阳能电池、底部太阳能电池、第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，所述顶部太阳能电池设置在所述底部太阳能电池上方，且所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间通过衬底结构作为共用电极，所述共用电极与所述第一硅通孔结构电连接，所述顶部太阳能电池的顶部电极和所述底部太阳能电池的底部电极通过第二硅通孔结构电连接，使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接，本发明通过太阳能电池并联的方式提高电了池容量，同时有效减少了能量损耗，提高了系统集成度。

Description

一种组合式太阳能三维集成系统及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种组合式太阳能三维集成系统及其制备方法。
背景技术
在摩尔定律引领器件的小型化技术发展路线之外，功能化的微纳米器件集成形成多功能化的微纳米器件系统，并实现人体健康、环境监测、人机交互、个人电子以及生物诊断等方面的大规模网络，其重要性日益凸显。集成嵌入式的能量收集器件形成智能化的自供能系统是电子器件发展的重要方面。自供能器件可以将环境中的能源如热能、太阳能和机械能等转化为电能。其中，太阳能电池在自供能中具有较好的前景，可以为射频设别标签、物联网、手机等便携式电子产品供能。
为了满足轻便、易于携带的要求，太阳能电池的体积要不断缩小，重量也要不断减轻。然而，这将导致太阳能电池可存储的能量降低。为了维持太阳能电池原有的能量存储能力，必须增加可接收的太阳光照面积。对于硅基太阳能电池，可以采用在硅衬底上刻蚀形成硅纳米结构比如硅纳米孔或者硅纳米线的方法来增加太阳光照接收面积，然而高深宽比的硅纳米结构将会增加工艺复杂程度，同时也会增加光的损耗。
因此，有必要提供一种新型的组合式太阳能三维集成系统及其制备方法以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合式太阳能三维集成系统及其制备方法，在提高电池容量的同时，有效减少了能量损耗。
为实现上述目的，本发明的一种组合式太阳能三维集成系统，包括顶部太阳能电池、底部太阳能电池、第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，所述顶部太阳能电池设置在所述底部太阳能电池上方，且所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间通过衬底结构作为共用电极，所述共用电极与所述第一硅通孔结构电连接，所述顶部太阳能电池的顶部电极和所述底部太阳能电池的底部电极通过第二硅通孔结构电连接，使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接。
本发明的有益效果在于：采用衬底结构作为顶部太阳能电池和底部太阳能电池的共用电极，并通过第一硅通孔结构和第二硅通孔结构将顶部太阳能电池和底部太阳能电池并联在一起，不仅提高了太阳能电池的容量，而且通过第一硅通孔结构和第二硅通孔结构的方式进行集成，有效提高了系统集成度，减小了系统所占用的面积，同时衬底结构厚度小，能够有效减小电池本身电阻，进一步减小能量损耗。
进一步的，所述顶部太阳能电池包括设置在所述衬底结构顶部的顶部硅纳米孔阵列，所述顶部硅纳米孔阵列表面依次设置有第一半导体层和顶部金属电极层，所述第一半导体层和所述顶部金属电极层将所述顶部硅纳米孔阵列完全填充。其有益效果在于：通过将衬底结构和第一半导体层组成PN结，并配合顶部金属电极层形成顶部太阳能电池，从而采集太阳能进行供电，且第一半导体层和顶部金属电极层填充在顶部硅纳米孔阵列内部，结构稳定，系统占用面积小。
进一步的，所述底部太阳能电池包括设置在所述衬底结构底部的底部硅纳米孔阵列，所述底部硅纳米孔阵列表面依次设置有第二半导体层和底部金属电极层，所述第二半导体层和所述底部金属电极层将所述底部硅纳米孔阵列完全填充。其有益效果在于：通过衬底结构和第二半导体层形成PN结，并配合底部金属电极层以形成底部太阳能电池，从而采集太阳能进行供电，且第二半导体层和底部金属电极层完全填充在底部硅纳米孔阵列内部，整体结构问题，系统占用面积小。
进一步的，所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构均贯穿所述衬底结构，所述第二硅通孔结构内壁设置有第一隔离介质，所述第一隔离介质覆盖所述第一半导体层侧面，且所述第一隔离介质还覆盖所述顶部金属电极层侧面和顶层，所述第一隔离介质在所述顶部金属电极层的顶层设置有断裂槽和第一沟槽结构，所述断裂槽使得所述顶部金属电极层局部暴露出来，所述第一沟槽结构设置在所述第二硅通孔结构左侧。其有益效果在于：通过设置的第一隔离介质将顶部太阳能电池和底部太阳能电池两侧隔离起来，避免外部产生干扰影响。
进一步的，所述第一隔离介质表面由内到外依次设置有第一铜扩散阻挡层和第一铜籽晶层，且所述第一铜扩散阻挡层和第一铜籽晶层也由内到外依次设置在所述第一沟槽结构内部内壁和所述第一硅通孔结构内部，所述第一硅通孔结构内部的所述第一铜籽晶层外壁设置有第一铜金属层，所述第二硅通孔结构内部的所述第一铜籽晶层和所述第一沟槽结构顶端的所述第一铜籽晶层外壁设置有第二铜金属层。其有益效果在于：通过在第一沟槽结构内部、第一硅通孔结构内部和第二硅通孔结构内部分别设置第一铜扩散阻挡层、第一铜籽晶层和第一铜金属层以直接进行金属布线，能够有效减少后续交互连线的长度，增加电荷传输速度。
进一步的，所述第一铜扩散阻挡层、所述第一铜籽晶层和所述第一铜金属层将所述第一硅通孔结构内部完全填充，所述第一隔离介质、第一铜扩散阻挡层、所述第一铜籽晶层和所述第二铜金属层将所述第二硅通孔结构内部完全填充。
进一步的，所述第一硅通孔结构底部和所述第二硅通孔结构底部设置有第二隔离介质，位于所述第一硅通孔结构底部的所述第二隔离介质将所述第一硅通孔结构底部完全覆盖，位于所述第二硅通孔结构底部的所述第二隔离介质覆盖所述第一隔离介质底部，且位于所述第二硅通孔结构底部的所述第二隔离介质内部设置有第二沟槽结构。其有益效果在于：通过第二隔离介质将第一硅通孔结构结构底部隔离开来，同时便于设置第二沟槽结构以便于进行第二次金属布线，从而顶部太阳能电池的顶部金属电极层和底部太阳能电池的底部金属电极层电连接在一起，配合第一硅通孔结构内部的金属布线，减小布线长度，增加电荷传输速度。
进一步的，所述第二沟槽结构内部设置有第二铜扩散阻挡层，所述第二铜扩散阻挡层覆盖所述第二沟槽结构内壁和所述底部金属电极层底部局部区域，所述第二铜扩散阻挡层表面设置有第二铜籽晶层，所述第二铜籽晶层外壁设置有第三铜金属层，所述第二沟槽结构内部被所述第二铜扩散阻挡层、第二铜籽晶层和所述第三铜金属层完全填充。其有益效果在于：通过在第二沟槽结构内部设置二铜扩散阻挡层、第二铜籽晶层和第三铜金属层，从而使得顶部金属电极层和底部金属电极层电连接在一起，将顶部太阳能电池和底部太阳能电池并联连接，有效增加整个系统的太阳能电池容量。
进一步的，位于所述第一硅通孔结构底部的所述第二隔离介质底部、位于所述第二硅通孔结构底部的第二隔离介质底部均与所述底部金属电极层的底部齐平。
本发明还提供了一种组合式太阳能三维集成系统的制备方法，包括如下步骤：
选择衬底结构并在所述衬底结构上刻蚀出顶部硅纳米孔阵列并制备得到顶部太阳能电池；
刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，在所述顶部太阳能电池顶端、所述第一硅通孔结构顶部和所述第二硅通孔结构顶部进行第一次金属布线，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池；
在所述第一硅通孔结构底部、第二硅通孔结构底部和所述底部太阳能电池进行第二次金属布线，以使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接。
本方法的有益效果在于：通过在衬底结构上刻蚀顶部硅纳米孔阵列和底部硅纳米孔阵列，沉积材料层以分别得到顶部太阳能电池和底部太阳能电池，并在制得的第一硅通孔结构、第二硅通孔结构内部进行金属布线，从而将顶部太阳能电池和底部太阳能电池集成在一起，显著提高了太阳能电池的容量，不仅降低了系统占用的面积，而且提高了系统集成度，同时减小了系统内连线长度，增加了电荷传输速度。
进一步的，所述选择衬底结构并在所述衬底结构上刻蚀出顶部硅纳米孔阵列并制备得到顶部太阳能电池的具体过程包括：
选择衬底结构，并在所述衬底结构上定义所述顶部硅纳米孔阵列的图形和位置；
通过刻蚀工艺在所述衬底结构刻蚀得到多个所述顶部硅纳米孔阵列；
在所述顶部硅纳米孔阵列内部沉积一层第一半导体层，并在所述第一半导体层表面沉积一层顶部金属电极层。其有益效果在于：通过在衬底结构上预先定义出顶部硅纳米孔阵列的图形和位置，以便于后续进行精准的刻蚀处理，以得到顶部硅纳米孔阵列，从而便于后续沉积第一半导体层和顶部金属电极层，得到结构稳定和性能稳定的顶部太阳能电池。
进一步的，所述衬底结构采用P型导电的硅材料，所述第一半导体层采用N型导电的ZnO、IGZO、IZO、或者In2O3中的至少一种。
进一步的，所述衬底结构采用N型导电的硅材料，所述第一半导体层采用P型导电的聚3,4-乙烯二氧噻吩材料或者NiO材料中的至少一种。其有益效果在于：衬底结构和第一半导体层分别采用P型材料或者N型材料共同构成PN结，从而配合顶部金属电极层形成顶部太阳能电池，能够根据不同的条件选择不同的材料，可选择性强。
进一步的，所述顶部硅纳米孔阵列的每一个顶部硅纳米孔的直径为200～300nm，深度为1～10μm。其有益效果在于：上述尺寸大小的顶部硅纳米孔结构稳定，同时不会对衬底结构内部产生不良影响。
进一步的，所述第一半导体层的厚度为50～100nm。
进一步的，所述顶部金属电极层的厚度为100～200nm。
进一步的，所述刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，在所述顶部太阳能电池顶端、所述第一硅通孔结构顶部和所述第二硅通孔结构顶部进行第一次金属布线，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池的具体过程包括：
刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到两个硅盲孔结构；
在所述顶部太阳能电池表面和两个所述硅盲孔结构内部进行第一次金属布线；
减薄两个所述硅盲孔结构底部以分别得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池。其有益效果在于：通过上述处理方式分别得到第一硅通孔结构、第二硅通孔结构，并在第一硅通孔结构、第二硅通孔结构的顶部进行第一次金属布线，同时刻蚀衬底结构得到底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池，减薄之后的衬底结构将整个系统厚度降低，从而有效降低太阳能电池本身的电阻，以减少能量损耗。
进一步的，所述刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到两个硅盲孔结构的具体过程包括：
在所述顶部金属电极层表面定义出两个所述硅盲孔结构的位置；
刻蚀位于左侧的所述顶部金属电极层和所述第一半导体层直至与所述衬底结构接触，以得到浅沟槽结构；
刻蚀位于右侧的所述顶部金属电极层、所述第一半导体结构和所述衬底结构，得到右侧的硅盲孔结构；
在所述浅沟槽结构、所述顶部金属电极层表面以及右侧的所述硅盲孔结构表面沉积一层第一隔离介质；
刻蚀所述浅沟槽结构内部的第一隔离介质以及所述第一隔离介质正下方的衬底结构，以形成左侧的硅盲孔结构；
刻蚀位于所述顶部金属电极层顶部且位于右侧的所述硅盲孔结构的第一隔离介质，以形成第一沟槽结构。其有益效果在于：通过依次刻蚀的方式对衬底结构和顶部太阳能电池进行刻蚀，以得到左右两个硅盲孔结构和第一沟槽结构，便于后续进行金属布线。
进一步的，上述的刻蚀方法采用离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀，或者通过使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀工艺中的至少一种。
进一步的，所述第一隔离介质包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。
进一步的，所述在所述顶部太阳能电池表面和两个所述硅盲孔结构内部进行第一次金属布线的具体过程包括：
在左侧和右侧的所述硅盲孔结构以及所述第一沟槽结构表面依次沉积一层第一铜扩散阻挡层和第一铜籽晶层；
在所述第一铜籽晶层表面沉积一层牺牲层，并在所述牺牲层表面定义第一铜金属层和第二铜金属层的图形；
在左侧的所述硅盲孔结构内部电镀一层第一铜金属层，在所述第一沟槽结构和右侧的所述硅盲孔结构内部电镀一层第二铜金属层，去除所述牺牲层；
刻蚀左侧的所述硅盲孔结构和所述第一沟槽结构之间的所述第一铜籽晶层、所述第一铜扩散阻挡层以及所述第一隔离介质，使得所述顶部金属电极层漏出。
其有益效果在于：通过在左右两个硅盲孔结构内部内部进行金属布线，在左侧的硅盲孔结构内部沉积第一铜扩散阻挡层、第一铜籽晶层和第一铜金属层，在右侧的硅盲孔结构内部沉积第一铜扩散阻挡层、第一铜籽晶层和第二铜金属层，完成第一次金属布线，采用直接沉积布线的方式，减少了系统内的互连线长度，增加了电荷传输速度。
进一步的，所述第一铜扩散阻挡层采用TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种。
进一步的，所述第一铜籽晶层采用Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。
进一步的，所述减薄两个所述硅盲孔结构底部以分别得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池的具体过程包括：
削减所述衬底结构底部、所述第一隔离介质底部、所述第一铜扩散阻挡层底部、所述第一铜籽晶层底部、所述第一铜金属层和所述第二铜金属层，直至左右两侧的所述硅盲孔结构上下导通，分别形成第一硅通孔结构和第二硅通孔结构；
在所述衬底结构底部定义出底部硅纳米孔阵列的图形和位置；
刻蚀所述衬底结构底部以得到底部硅纳米孔阵列；
在所述底部硅纳米孔阵列表面沉积一层第二半导体层，并在所述第二半导体层表面沉积一层底部金属电极层，使得所述衬底结构、所述第二半导体层和所述底部金属电极层构成底部太阳能电池。其有益效果在于：在制备得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构之后，通过定义底部硅纳米孔阵列的图形和位置的方式，从而便于准确刻蚀得到底部硅纳米孔阵列，以便于沉积材料得到底部太阳能电池，提高底部太阳能电池制备的效率。
进一步的，所述衬底结构采用P型导电的硅材料，所述第二半导体层采用N型导电的ZnO、IGZO、IZO、或者In2O3中的至少一种。
进一步的，所述衬底结构采用N型导电的硅材料，所述第二半导体层采用P型导电的聚3,4-乙烯二氧噻吩材料或者NiO材料中的至少一种。其有益效果在于：通过将衬底结构和第二半导体层的材料分别选择P型材料和N型材料构成PN结以形成底部太阳能电池，由于顶部太阳能电池和底部太阳能电池共用衬底结构，因此第一半导体层和第二半导体层采用相同的材料。
进一步的，所述底部硅纳米孔阵列的每一个底部硅纳米孔的直径为200～300nm，深度为1～10μm。
进一步的，所述底部金属电极层的厚度为100～200nm。
进一步的，所述在所述第一硅通孔结构底部、第二硅通孔结构底部和所述底部太阳能电池进行第二次金属布线，以使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接的具体过程包括：
采用光刻和刻蚀工艺分别去除左右两侧的所述底部金属电极层，得到左右两侧的隔离槽，以使得所述第一硅通孔结构底部和所述第二硅通孔结构底部露出；
在所述隔离槽内部沉积一层第二隔离介质，并使得所述第二隔离介质底部与所述底部金属电极层底部齐平；
去除右侧的所述第二隔离介质内部局部区域，以露出所述第二铜金属层、所述第一铜籽晶层和所述第一铜扩散阻挡层，并在所述第二硅通孔结构底部形成第二沟槽结构；
在所述第二沟槽结构内壁、所述底部金属电极层表面以及所述第二隔离介质表面沉积一层第二铜扩散阻挡层，在所述第二铜扩散阻挡层表面沉积一层第二铜籽晶层，并在所述第二铜籽晶层表面沉积一层第三铜金属层；
去除位于左侧的所述第二铜籽晶层的局部区域和第二铜扩散阻挡层的局部区域，以露出所述底部金属电极层和左侧的所述第二隔离介质。其有益效果在于：通过第二隔离介质将第一硅通孔结构底部隔离起来，同时利用右侧的第二隔离介质内部的第二沟槽结构以及第二硅通孔结构，将顶部太阳能电池和底部太阳能电池之间电连接，从而实现顶部太阳能电池和底部太阳能电池的并联连接，不仅有效提高了太阳能电池的容量，而且利用第一铜金属层、第二铜金属层和第三铜金属层，便于将整个系统的电能输出至外部。
进一步的，所述第二隔离介质采用SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。
进一步的，所述第二铜扩散阻挡层采用TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种。
进一步的，所述第二铜籽晶层采用Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。
进一步的，所述第三铜金属层底部和所述第二铜籽晶层底部齐平。
附图说明
图1为本发明的组合式太阳能三维集成系统的整体结构示意图；
图2为本发明的制备方法工作流程示意图；
图3为本发明的制备方法在完成步骤S12后得到的结构示意图；
图4为本发明的制备方法在完成步骤S13后得到的结构示意图；
图5为本发明的制备方法在完成步骤S213后得到的结构示意图；
图6为本发明的制备方法在完成步骤S214后得到的结构示意图；
图7为本发明的制备方法在完成步骤S216后得到的结构示意图；
图8为本发明的制备方法在完成步骤S221后得到的结构示意图；
图9为本发明的制备方法在完成步骤S222后得到的结构示意图；
图10为本发明的制备方法在完成步骤S223后得到的结构示意图；
图11为本发明的制备方法在完成步骤S224后得到的结构示意图；
图12为本发明的制备方法在完成步骤S231后得到的结构示意图；
图13为本发明的制备方法在完成步骤S233后得到的结构示意图；
图14为本发明的制备方法在完成步骤S234后得到的结构示意图；
图15为本发明的制备方法在完成步骤S31后得到的结构示意图；
图16为本发明的制备方法在完成步骤S32后得到的结构示意图；
图17为本发明的制备方法在完成步骤S33后得到的结构示意图；
图18为本发明的制备方法在完成步骤S34后得到的结构示意图；
图19为本发明的制备方法在完成步骤S35后得到的结构示意图；
图20为本发明的制备方法的步骤S1的具体工作流程示意图；
图21为本发明的制备方法的步骤S2的具体工作流程示意图；
图22为本发明的制备方法的步骤S21的具体工作流程示意图；
图23为本发明的制备方法的步骤S22的具体工作流程示意图；
图24为本发明的制备方法的步骤S23的具体工作流程示意图；
图25为本发明的制备方法的步骤S3的具体工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
针对现有技术存在的问题，如图1所示，本发明的实施例提供了一种组合式太阳能三维集成系统，包括顶部太阳能电池101、底部太阳能电池102、第一硅通孔结构103和第二硅通孔结构104，所述顶部太阳能电池101设置在所述底部太阳能电池102上方，且所述顶部太阳能电池101和所述底部太阳能电池102之间通过衬底结构200作为共用电极，所述共用电极与所述第一硅通孔结构103电连接，所述顶部太阳能电池101的顶部电极和所述底部太阳能电池102的底部电极通过第二硅通孔结构104电连接，使得所述顶部太阳能电池101和所述底部太阳能电池102之间并联连接。
上述的集成系统通过第一硅通孔结构103和第二硅通孔结构104，将共用电极的顶部太阳能电池101和底部太阳能电池104集成在一起并进行并联电连接，从而增大了系统的电池容量，同时上述的集成方式使得整个系统占用面积减小，提高了系统的集成度。
在一种可能的实施例中，所述顶部太阳能电池101包括设置在所述衬底结构200顶部的顶部硅纳米孔阵列，所述顶部硅纳米孔阵列表面依次设置有第一半导体层201和顶部金属电极层202，所述第一半导体层201和所述顶部金属电极层202将所述顶部硅纳米孔阵列完全填充，所述底部太阳能电池102包括设置在所述衬底结构200底部的底部硅纳米孔阵列，所述底部硅纳米孔阵列表面依次设置有第二半导体层208和底部金属电极层209，所述第二半导体层208和所述底部金属电极层209将所述底部硅纳米孔阵列完全填充。
通过在衬底结构200的上下两端，即正面和反面，分别进行刻蚀得到顶部硅纳米孔阵列和底部硅纳米孔阵列，从而制备分别得到顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102，即可并将顶部硅纳米孔阵列和底部硅纳米孔阵列完全填充，从而使得得到的顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102在共用电极的同时，具有良好的结构稳定性，并且电池内部性能稳定。
在一种可能的实施例中，所述第一硅通孔结构103和所述第二硅通孔结构104均贯穿所述衬底结构200，所述第二硅通孔结构104内壁设置有第一隔离介质203，所述第一隔离介质203覆盖所述第一半导体层201侧面，且所述第一隔离介质203还覆盖所述顶部金属电极层202侧面和顶层，所述第一隔离介质203在所述顶部金属电极层202的顶层设置有断裂槽和第一沟槽结构105，所述断裂槽使得所述顶部金属电极层局部暴露出来，所述第一沟槽结构105设置在所述第二硅通孔结构104左侧。
上述设置的第一隔离介质203将顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102上的侧面隔离起来，避免顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102侧面出现干扰的情况，保证顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102工作的稳定性。
在一种可能的实施例中，所述第一隔离介质203表面由内到外依次设置有第一铜扩散阻挡层204和第一铜籽晶层205，且所述第一铜扩散阻挡层204和第一铜籽晶层205也由内到外依次设置在所述第一沟槽结构105内部内壁和所述第一硅通孔结构103内部，所述第一硅通孔结构103内部的所述第一铜籽晶层205外壁设置有第一铜金属层206，所述第二硅通孔结构104内部的所述第一铜籽晶层205和所述第一沟槽结构105顶端的所述第一铜籽晶层205外壁设置有第二铜金属层207。
通过在第一硅通孔结构103内部、第一沟槽结构105内部和第二硅通孔结构104内部，分别设置第一铜扩散阻挡层204和第一铜籽晶层205，并在第一硅通孔结构103内部设置第一铜金属层206，在第二硅通孔结构103内部设置第二铜金属层207，从而顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102的衬底结构200通过第一铜金属层206引出，而通过第二铜金属层207将顶部太阳能电池101的顶部金属电极层202引出，以便于进行电力传输。
在一种可能的实施例中，所述第一铜扩散阻挡层204、所述第一铜籽晶层205和所述第一铜金属层206将所述第一硅通孔结构103内部完全填充，所述第一隔离介质203、第一铜扩散阻挡层204、所述第一铜籽晶层205和所述第二铜金属层207将所述第二硅通孔结构104内部完全填充。
在一种可能的实施例中，所述第一硅通孔结构103底部和所述第二硅通孔结构104底部设置有第二隔离介质210，位于所述第一硅通孔结构103底部的所述第二隔离介质210将所述第一硅通孔结构103底部完全覆盖，位于所述第二硅通孔结构104底部的所述第二隔离介质210覆盖所述第一隔离介质203底部，且位于所述第二硅通孔结构104底部的所述第二隔离介质210内部设置有第二沟槽结构106，所述第二沟槽结构106内部设置有第二铜扩散阻挡层211，所述第二铜扩散阻挡层211覆盖所述第二沟槽结构106内壁和所述底部金属电极层209底部局部区域，所述第二铜扩散阻挡层211表面设置有第二铜籽晶层212，所述第二铜籽晶层212外壁设置有第三铜金属层213，所述第二沟槽结构106内部被所述第二铜扩散阻挡层211、第二铜籽晶层212和所述第三铜金属层213完全填充。
在第二隔离介质210的隔离作用下，将第一硅通孔结构103底部隔离开来，避免第一硅通孔结构103内部沉积的材料层对底部太阳能电池102产生干扰影响，同时右侧的第二隔离介质210内部的第二沟槽结构106，通过内部设置的第二铜扩散阻挡层211、第二铜籽晶层212和第三铜金属层213实现与第二铜金属层207之间的电连接，而第二铜扩散阻挡层211直接与底部太阳能电池102的底部金属电极层209电连接，从而通过第二铜金属层207和第三铜金属层213将顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102之间电连接以并联在一起。
在一种可能的实施例中，位于所述第一硅通孔结构103底部和所述第二硅通孔结构104底部的第二隔离介质210底部与所述底部金属电极层209的底部齐平。
本发明的有益效果在于：顶部太阳能电池和底部太阳能电池通过第一硅通孔结构和第二硅通孔结构并联起来，显著增加了系统的太阳能电池容量，而且以硅通孔结构的形式集成太阳能电池，提高了集成度，同时在进行金属布线的时候是直接沉积的方式进行，从而减小了系统层次之间的互连线长度，以增加太阳能电池的电荷传输速度，而且衬底结构被减薄，从而降低了整个系统的厚度，进一步减少了系统内太阳能电池的电阻，减少了能量损耗。
本发明还公开了一种组合式太阳能三维集成系统的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、选择衬底结构并在所述衬底结构上刻蚀出顶部硅纳米孔阵列并制备得到顶部太阳能电池。
在一种可能的实施例中，如图20所示，上述步骤的具体过程包括：
S11、选择衬底结构，并在所述衬底结构上定义所述顶部硅纳米孔阵列的图形和位置。
具体的，本技术方案选择的衬底为硅晶圆作为衬底，即选择硅衬底，在使用时，通过正面旋涂光刻胶并采用曝光和显影工艺来定义顶部硅纳米孔阵列的图形和位置，顶部硅纳米孔阵列的数量至少为一个，本技术方案中的数量为四个。
S12、通过刻蚀工艺在所述衬底结构刻蚀得到多个所述顶部硅纳米孔阵列。
具体采用深反应离子刻蚀工艺对衬底结构进行刻蚀，以得到顶部硅纳米孔阵列，所述结构如图3所示。
在一种可能的实施例中，所述顶部硅纳米孔阵列的直径为200～300nm，深度为1～10μm。
S13、在所述顶部硅纳米孔阵列内部沉积一层第一半导体层，并在所述第一半导体层表面沉积一层顶部金属电极层。
在第一半导体层201和顶部金属电极层202完成沉积之后，所得结构如图4所示。
在一种可能的实施例中，所述第一半导体层201的厚度为50～100nm，优选为80nm。
在一种可能的实施例中，所述顶部金属电极层202的厚度为100～200nm，优选为150nm。
需要说明的是，所述衬底结构200采用P型导电的硅材料或者N型导电的硅材料，当所述衬底结构200采用P型导电的硅材料时，所述第一半导体层201采用N型导电的ZnO、IGZO、IZO、或者In2O3中的至少一种；当所述衬底结构200采用N型导电的硅材料，所述第一半导体层201采用P型导电的聚3,4-乙烯二氧噻吩材料或者NiO材料中的至少一种，使得第一半导体层201和衬底结构200能够沟形成PN结以构成顶部太阳能电池101。
S2、刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，在所述顶部太阳能电池顶端、所述第一硅通孔结构顶部和所述第二硅通孔结构顶部进行第一次金属布线，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池。
具体的，如图21所示，所述步骤S2的具体过程包括：
S21、刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到两个硅盲孔结构。
其中，如图22所示，所述步骤S21的的具体过程包括：
S211在所述顶部金属电极层表面定义出两个所述硅盲孔结构的位置。具体通过旋涂光刻胶并通过曝光和显影工艺定义硅盲孔结构的位置。
S212、刻蚀位于左侧的所述顶部金属电极层和所述第一半导体层直至与所述衬底结构接触，以得到浅沟槽结构。
S213、刻蚀位于右侧的所述顶部金属电极层、所述第一半导体结构和所述衬底结构，得到右侧的硅盲孔结构。完成之后得到的结构如图5所示。
S214、在所述浅沟槽结构、所述顶部金属电极层表面以及右侧的所述硅盲孔结构表面沉积一层第一隔离介质。
所得结构如图6所示。
S215、刻蚀所述浅沟槽结构内部的第一隔离介质以及所述第一隔离介质正下方的衬底结构，以形成左侧的硅盲孔结构；
S216、刻蚀位于所述顶部金属电极层顶部且位于右侧的所述硅盲孔结构的第一隔离介质，以形成第一沟槽结构。
所得结构如图7所示。
在一种可能的实施例中，上述的刻蚀方法采用离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀，或者通过使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀工艺中的至少一种。
在一种可能的实施例中，所述第一隔离介质包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种，优选的，本方案采用SiO2。
S22、在所述顶部太阳能电池表面和两个所述硅盲孔结构内部进行第一次金属布线。
在一种可能的实施例中，如图23所述，所述步骤S22的具体过程包括：
S221、在左侧和右侧的所述硅盲孔结构以及所述第一沟槽结构表面依次沉积一层第一铜扩散阻挡层和第一铜籽晶层。
所得结构如图8所示。
S222、在所述第一铜籽晶层表面沉积一层牺牲层，并在所述牺牲层表面定义第一铜金属层和第二铜金属层的图形。
具体的定义方式采用光刻和刻蚀工艺进行定义，所得结构如图9所示。
S223、在左侧的所述硅盲孔结构内部电镀一层第一铜金属层，在所述第一沟槽结构和右侧的所述硅盲孔结构内部电镀一层第二铜金属层，去除所述牺牲层。
所得结构如图10所示。
S224、刻蚀左侧的所述硅盲孔结构和所述第一沟槽结构之间的所述第一铜籽晶层、所述第一铜扩散阻挡层以及所述第一隔离介质，使得所述顶部金属电极层漏出。
所得结构如图11所示。
需要说明的是，本技术方案中的牺牲层301采用Ni材料。
在一种可能的实施例中，所述第一铜扩散阻挡层204采用TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种，优选为TaN材料。
在一种可能的实施例中，所述第一铜籽晶层205采用Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种，优选为Co材料。
S23、减薄两个所述硅盲孔结构底部以分别得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池。
在一种可能的实施例中，如图24所示，所述步骤S23的具体过程包括：
S231、削减所述衬底结构底部、所述第一隔离介质底部、所述第一铜扩散阻挡层底部、所述第一铜籽晶层底部、所述第一铜金属层和所述第二铜金属层，直至左右两侧的所述硅盲孔结构上下导通，分别形成第一硅通孔结构和第二硅通孔结构。
通过贯穿两个硅盲孔结构分别得到第一硅通孔结构103和第二硅通孔结构104，所得结构如图12所示。
需要说明的是，上述的削减方法具体采用机械磨削和化学抛光的方式进行。
S232、在所述衬底结构底部定义出底部硅纳米孔阵列的图形和位置。
具体的，采用曝光和显影工艺定义底部硅纳米孔阵列的位置。
S233、刻蚀所述衬底结构底部以得到底部硅纳米孔阵列。
所得结构如图13所示，底部硅纳米孔的数量至少为一个，本实施例为四个。
在一种可能的实施例中，所述底部硅纳米孔阵列的每一个底部硅纳米孔的直径为200～300nm，深度为1～10μm。
优选的，底部硅纳米孔的直径为150nm，深度为6μm，以保证衬底结构200的稳定性。
S234在所述底部硅纳米孔阵列表面沉积一层第二半导体层，并在所述第二半导体层表面沉积一层底部金属电极层，使得所述衬底结构、所述第二半导体层和所述底部金属电极层构成底部太阳能电池。
所得结构如图14所示。
在一种可能的实施例中，衬底结构200采用P型导电或者N型导电的硅材料，当所述衬底结构200采用P型导电的硅材料，所述第二半导体层208采用N型导电的ZnO、IGZO、IZO、或者In2O3中的至少一种；当所述衬底结构200采用N型导电的硅材料，所述第二半导体层208采用P型导电的聚3,4-乙烯二氧噻吩材料或者NiO材料中的至少一种。
需要说明的是，由于本技术方案中的顶部太阳能电池101和底部太阳能电池102采用衬底结构200作为共用电极，因此顶部太阳能电池101的第一半导体层201和底部太阳能电池102的第二半导体层208采用相同类型的导电材料，即同为N型导电材料或者P型导电材料，以便于与衬底结构200构成PN结。
在一种可能的实施例中，所述底部金属电极层的厚度为100～200nm。
S3、在所述第一硅通孔结构底部、第二硅通孔结构底部和所述底部太阳能电池进行第二次金属布线，以使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接。
在一种可能的实施例中，如图25所示，所述步骤S3的具体过程包括：
S31、采用光刻和刻蚀工艺分别去除左右两侧的所述底部金属电极层，得到左右两侧的隔离槽，以使得所述第一硅通孔结构底部和所述第二硅通孔结构底部露出。其所得结构如图15所示。
S32、在所述隔离槽内部沉积一层第二隔离介质，并使得所述第二隔离介质底部与所述底部金属电极层底部齐平。
其所得结构如图16所示。
S33、去除右侧的所述第二隔离介质内部局部区域，以露出所述第二铜金属层、所述第一铜籽晶层和所述第一铜扩散阻挡层，并在所述第二硅通孔结构底部形成第二沟槽结构。
所得结构如图17所示。
S34、在所述第二沟槽结构内壁、所述底部金属电极层表面以及所述第二隔离介质表面沉积一层第二铜扩散阻挡层，在所述第二铜扩散阻挡层表面沉积一层第二铜籽晶层，并在所述第二铜籽晶层表面沉积一层第三铜金属层。
所得结构如图18所示。
S35、去除位于左侧的所述第二铜籽晶层的局部区域和第二铜扩散阻挡层的局部区域，以露出所述底部金属电极层和左侧的所述第二隔离介质。
所得结构如图19所示。
在一种可能的实施例中，所述第二隔离介质采用SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种，优选为SiO2薄膜材料。
在一种可能的实施例中，所述第二铜扩散阻挡层211采用TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种，优选为TaN材料。
在一种可能的实施例中，所述第二铜籽晶层212采用Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种，优选为Co材料。
在一种可能的实施例中，所述第三铜金属层213底部和所述第二铜籽晶层212底部齐平。
在本方案中采用的刻蚀工艺、沉积工艺、抛光等工艺均为现有技术中的成熟工艺，本方案不涉及对具体工艺的改进，任何能够实现本方案中对应工艺的功能的相关工艺均可以应用于本申请技术方案之中，对此不作特别限定
本发明的有益效果在于：通过上述方式制得的集成系统，将顶部太阳能电池和底部太阳能电池并联在一起，有效增加了太阳能电池的容量，同时采用硅通孔结构实现系统集成，有效降低了整个系统占用的面积，提高了系统的集成度，而且采用直接沉积的方式对衬底结构引出，从而有效减少系统集成后的互连线长度，增加电荷传输速度，同时衬底结构被减薄，使得顶部太阳能电池和底部太阳能电池的电阻本身减小，从而有效降低了系统的能量损耗。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (33)

1.一种组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，包括顶部太阳能电池、底部太阳能电池、第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，所述顶部太阳能电池设置在所述底部太阳能电池上方，且所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间通过衬底结构作为共用电极，所述共用电极与所述第一硅通孔结构电连接，所述顶部太阳能电池的顶部电极和所述底部太阳能电池的底部电极通过第二硅通孔结构电连接，使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接，所述第一硅通孔结构和第二硅通孔结构分别设置在所述组合式太阳能三维集成系统的两侧。
2.根据权利要求1所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，所述顶部太阳能电池包括设置在所述衬底结构顶部的顶部硅纳米孔阵列，所述顶部硅纳米孔阵列表面依次设置有第一半导体层和顶部金属电极层，所述第一半导体层和所述顶部金属电极层将所述顶部硅纳米孔阵列内部完全填充。
3.根据权利要求2所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，所述底部太阳能电池包括设置在所述衬底结构底部的底部硅纳米孔阵列，所述底部硅纳米孔阵列表面依次设置有第二半导体层和底部金属电极层，所述第二半导体层和所述底部金属电极层将所述底部硅纳米孔阵列内部完全填充。
4.根据权利要求3所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构均贯穿所述衬底结构，所述第二硅通孔结构内壁设置有第一隔离介质，所述第一隔离介质覆盖所述第一半导体层侧面，且所述第一隔离介质还覆盖所述顶部金属电极层侧面和顶层，所述第一隔离介质在所述顶部金属电极层的顶层设置有断裂槽和第一沟槽结构，所述断裂槽使得所述顶部金属电极层局部暴露出来，所述第一沟槽结构设置在所述第二硅通孔结构左侧。
5.根据权利要求4所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，所述第一隔离介质表面由内到外依次设置有第一铜扩散阻挡层和第一铜籽晶层，且所述第一铜扩散阻挡层和第一铜籽晶层也由内到外依次设置在所述第一沟槽结构内部内壁和所述第一硅通孔结构内部，所述第一硅通孔结构内部的所述第一铜籽晶层外壁设置有第一铜金属层，所述第二硅通孔结构内部的所述第一铜籽晶层和所述第一沟槽结构顶端的所述第一铜籽晶层外壁设置有第二铜金属层。
6.根据权利要求5所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，所述第一铜扩散阻挡层、所述第一铜籽晶层和所述第一铜金属层将所述第一硅通孔结构内部完全填充，所述第一隔离介质、第一铜扩散阻挡层、所述第一铜籽晶层和所述第二铜金属层将所述第二硅通孔结构内部完全填充。
7.根据权利要求4所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，所述第一硅通孔结构底部和所述第二硅通孔结构底部设置有第二隔离介质，位于所述第一硅通孔结构底部的所述第二隔离介质将所述第一硅通孔结构底部完全覆盖，位于所述第二硅通孔结构底部的所述第二隔离介质覆盖所述第一隔离介质底部，且位于所述第二硅通孔结构底部的所述第二隔离介质内部设置有第二沟槽结构。
8.根据权利要求7所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，所述第二沟槽结构内部设置有第二铜扩散阻挡层，所述第二铜扩散阻挡层覆盖所述第二沟槽结构内壁和所述底部金属电极层底部局部区域，所述第二铜扩散阻挡层表面设置有第二铜籽晶层，所述第二铜籽晶层外壁设置有第三铜金属层，所述第二沟槽结构内部被所述第二铜扩散阻挡层、第二铜籽晶层和所述第三铜金属层完全填充。
9.根据权利要求7所述的组合式太阳能三维集成系统，其特征在于，位于所述第一硅通孔结构底部的所述第二隔离介质底部、位于所述第二硅通孔结构底部的第二隔离介质底部均与所述底部金属电极层的底部齐平。
10.一种组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择衬底结构并在所述衬底结构上刻蚀出顶部硅纳米孔阵列并制备得到顶部太阳能电池；
刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，在所述顶部太阳能电池顶端、所述第一硅通孔结构顶部和所述第二硅通孔结构顶部进行第一次金属布线，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池；
在所述第一硅通孔结构底部、第二硅通孔结构底部和所述底部太阳能电池进行第二次金属布线，以使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接。
11.根据权利要求10所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述选择衬底结构并在所述衬底结构上刻蚀出顶部硅纳米孔阵列并制备得到顶部太阳能电池的具体过程包括：
选择衬底结构，并在所述衬底结构上定义所述顶部硅纳米孔阵列的图形和位置；
通过刻蚀工艺在所述衬底结构刻蚀得到多个所述顶部硅纳米孔阵列；
在所述顶部硅纳米孔阵列内部沉积一层第一半导体层，并在所述第一半导体层表面沉积一层顶部金属电极层。
12.根据权利要求11所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述衬底结构采用P型导电的硅材料，所述第一半导体层采用N型导电的ZnO、IGZO、IZO、或者In2O3中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述衬底结构采用N型导电的硅材料，所述第一半导体层采用P型导电的聚3,4-乙烯二氧噻吩材料或者NiO材料中的至少一种。
14.根据权利要求11所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述顶部硅纳米孔阵列的每一个顶部硅纳米孔的直径为200~300 nm，深度为1~10μm。
15.根据权利要求11所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一半导体层的厚度为50~100 nm。
16.根据权利要求11所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述顶部金属电极层的厚度为100~200 nm。
17.根据权利要求11所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，在所述顶部太阳能电池顶端、所述第一硅通孔结构顶部和所述第二硅通孔结构顶部进行第一次金属布线，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池的具体过程包括：
刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到两个硅盲孔结构；
在所述顶部太阳能电池表面和两个所述硅盲孔结构内部进行第一次金属布线；
减薄两个所述硅盲孔结构底部以分别得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池。
18.根据权利要求17所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述刻蚀所述顶部太阳能电池左右两侧以得到两个硅盲孔结构的具体过程包括：
在所述顶部金属电极层表面定义出两个所述硅盲孔结构的位置；
刻蚀位于左侧的所述顶部金属电极层和所述第一半导体层直至与所述衬底结构接触，以得到浅沟槽结构；
刻蚀位于右侧的所述顶部金属电极层、所述第一半导体结构和所述衬底结构，得到右侧的硅盲孔结构；
在所述浅沟槽结构、所述顶部金属电极层表面以及右侧的所述硅盲孔结构表面沉积一层第一隔离介质；
刻蚀所述浅沟槽结构内部的第一隔离介质以及所述第一隔离介质正下方的衬底结构，以形成左侧的硅盲孔结构；
刻蚀位于所述顶部金属电极层顶部且位于右侧的所述硅盲孔结构的第一隔离介质，以形成第一沟槽结构。
19.根据权利要求18所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，上述的刻蚀方法采用离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、激光烧蚀，或者通过使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀工艺中的至少一种。
20.根据权利要求18所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一隔离介质包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。
21.根据权利要求18所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述在所述顶部太阳能电池表面和两个所述硅盲孔结构内部进行第一次金属布线的具体过程包括：
在左侧和右侧的所述硅盲孔结构以及所述第一沟槽结构表面依次沉积一层第一铜扩散阻挡层和第一铜籽晶层；
在所述第一铜籽晶层表面沉积一层牺牲层，并在所述牺牲层表面定义第一铜金属层和第二铜金属层的图形；
在左侧的所述硅盲孔结构内部电镀一层第一铜金属层，在所述第一沟槽结构和右侧的所述硅盲孔结构内部电镀一层第二铜金属层，去除所述牺牲层；
刻蚀左侧的所述硅盲孔结构和所述第一沟槽结构之间的所述第一铜籽晶层、所述第一铜扩散阻挡层以及所述第一隔离介质，使得所述顶部金属电极层漏出。
22.根据权利要求21所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一铜扩散阻挡层采用TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种。
23.根据权利要求21所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一铜籽晶层采用Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。
24.根据权利要求21所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述减薄两个所述硅盲孔结构底部以分别得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，并在所述衬底结构底部刻蚀出底部硅纳米孔阵列以制备得到底部太阳能电池的具体过程包括：
削减所述衬底结构底部、所述第一隔离介质底部、所述第一铜扩散阻挡层底部、所述第一铜籽晶层底部、所述第一铜金属层和所述第二铜金属层，直至左右两侧的所述硅盲孔结构上下导通，分别形成第一硅通孔结构和第二硅通孔结构；
在所述衬底结构底部定义出底部硅纳米孔阵列的图形和位置；
刻蚀所述衬底结构底部以得到底部硅纳米孔阵列；
在所述底部硅纳米孔阵列表面沉积一层第二半导体层，并在所述第二半导体层表面沉积一层底部金属电极层，使得所述衬底结构、所述第二半导体层和所述底部金属电极层构成底部太阳能电池。
25.根据权利要求24所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述衬底结构采用P型导电的硅材料，所述第二半导体层采用N型导电的ZnO、IGZO、IZO、或者In2O3中的至少一种。
26.根据权利要求24所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述衬底结构采用N型导电的硅材料，所述第二半导体层采用P型导电的聚3,4-乙烯二氧噻吩材料或者NiO材料中的至少一种。
27.根据权利要求24所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述底部硅纳米孔阵列的每一个底部硅纳米孔的直径为200~300 nm，深度为1~10μm。
28.根据权利要求24所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述底部金属电极层的厚度为100~200 nm。
29.根据权利要求24所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述在所述第一硅通孔结构底部、第二硅通孔结构底部和所述底部太阳能电池进行第二次金属布线，以使得所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池之间并联连接的具体过程包括：
采用光刻和刻蚀工艺分别去除左右两侧的所述底部金属电极层，得到左右两侧的隔离槽，以使得所述第一硅通孔结构底部和所述第二硅通孔结构底部露出；
在所述隔离槽内部沉积一层第二隔离介质，并使得所述第二隔离介质底部与所述底部金属电极层底部齐平；
去除右侧的所述第二隔离介质内部局部区域，以露出所述第二铜金属层、所述第一铜籽晶层和所述第一铜扩散阻挡层，并在所述第二硅通孔结构底部形成第二沟槽结构；
在所述第二沟槽结构内壁、所述底部金属电极层表面以及所述第二隔离介质表面沉积一层第二铜扩散阻挡层，在所述第二铜扩散阻挡层表面沉积一层第二铜籽晶层，并在所述第二铜籽晶层表面沉积一层第三铜金属层；
去除位于左侧的所述第二铜籽晶层的局部区域和第二铜扩散阻挡层的局部区域，以露出所述底部金属电极层和左侧的所述第二隔离介质。
30.根据权利要求29所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第二隔离介质采用SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。
31.根据权利要求29所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第二铜扩散阻挡层采用TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种。
32.根据权利要求29所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第二铜籽晶层采用Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。
33.根据权利要求29所述的组合式太阳能三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第三铜金属层底部和所述第二铜籽晶层底部齐平。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201036182A (en) * 2008-11-26 2010-10-01 Microlink Devices Inc Solar cell with a backside via to contact the emitter layer
CN102368506A (zh) * 2011-09-26 2012-03-07 浙江大学 一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置
CN102779866A (zh) * 2012-08-17 2012-11-14 天津中环半导体股份有限公司 一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法
CN104362143A (zh) * 2010-12-22 2015-02-18 美国亚德诺半导体公司 垂直集成系统
CN106415853A (zh) * 2014-06-27 2017-02-15 英特尔公司 基于穿硅过孔的光伏电池
CN107195714A (zh) * 2017-05-12 2017-09-22 中国计量大学 一种含有图形化光学隔离层的叠层太阳能电池
CN107564980A (zh) * 2016-07-01 2018-01-09 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 半导体装置及其制造方法
CN108604608A (zh) * 2015-12-18 2018-09-28 荷兰能源研究中心基金会 串联太阳能电池及制造这种太阳能电池的方法
CN109148615A (zh) * 2017-06-16 2019-01-04 福建金石能源有限公司 一种异质结太阳能电池电极的制作方法
CN111435691A (zh) * 2019-10-17 2020-07-21 杭州纤纳光电科技有限公司 一种叠层mwt太阳能电池组件及其制备方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201036182A (en) * 2008-11-26 2010-10-01 Microlink Devices Inc Solar cell with a backside via to contact the emitter layer
CN104362143A (zh) * 2010-12-22 2015-02-18 美国亚德诺半导体公司 垂直集成系统
CN102368506A (zh) * 2011-09-26 2012-03-07 浙江大学 一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置
CN102779866A (zh) * 2012-08-17 2012-11-14 天津中环半导体股份有限公司 一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法
CN106415853A (zh) * 2014-06-27 2017-02-15 英特尔公司 基于穿硅过孔的光伏电池
CN108604608A (zh) * 2015-12-18 2018-09-28 荷兰能源研究中心基金会 串联太阳能电池及制造这种太阳能电池的方法
CN107564980A (zh) * 2016-07-01 2018-01-09 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 半导体装置及其制造方法
CN107195714A (zh) * 2017-05-12 2017-09-22 中国计量大学 一种含有图形化光学隔离层的叠层太阳能电池
CN109148615A (zh) * 2017-06-16 2019-01-04 福建金石能源有限公司 一种异质结太阳能电池电极的制作方法
CN111435691A (zh) * 2019-10-17 2020-07-21 杭州纤纳光电科技有限公司 一种叠层mwt太阳能电池组件及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"III-V multi-junction solar cell using metal";Thierry Salvetat et.al.;《AIP Conference Proceedings》;20160901;第060004-1至060004-4页 *

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