CN1145139A - 具有埋入触头的多层薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一个多层太阳能电池结构包括一堆P型和n型交替的半导体层(10、11、12、13、14)。它们排列形成多个整流的光电压结(15、16、17、18)。低成本电池可以用劣质材料，通过在薄膜中采用高掺杂水平对之优化而加以制造。通常掺杂水平高于1017原子/cm3，并且层厚度和载流子在厚度方向的扩散长度有关，用埋入触头结构与下置各层接触，这种触头结构包括向下延伸经过所有活性层的沟道，每条沟道壁(33、34)根据相应触头连接的层情况掺以n型或P型杂质，并且沟道用金属接触材料填充或部分填充。

Description

具有埋入触头的多层薄膜太阳能电池
发明领域
本发明总体上涉及太阳能电池技术领域，并且特别涉及对薄膜器件的改进。
发明背景
作为早期专利NO.US4726850和4748130的主题，埋入触头太阳能电池被光电池制造商们广泛用于实现厚衬底(大于120微米)器件。
本发明与一种新型光电池结构以及其实现有关，其中采用多层n型和P型交替的水平硅层，大大提高了对劣质材料吸收光子后产生的载流子的收集率。这样的结构使用传统的方法是不可行的，传统方法中体材料衬底是由直接切成单个晶片或衬底的晶体构成。然而，用于层形成的新型薄膜技术，诸如化学气相沉积、溶液生长、液相外延、等离子沉积及重结晶或非晶态材料等离子沉积及随后结晶等等，使得包括n和P型材料相互交替的多个水平层的结构成为可行。另外，在本发明者最近的名为“Buried Contact Interconnected Thin Film and Bulk PhotovoltaicCells”(PCT/AU92/00658)的发明之前，这样的结构并不被认为适合进行光压器件制造。因为与给定极性的需要并行连接的所有层接触很困难。在PCT/AU92/00658所描述发明中，埋入触头太阳能电池方法通过使用相应的掺杂类型在沟道壁上深度扩散，提供穿过所有水平掺杂硅层整个厚度的沟道，使具适当极性的每个相应层保持接触，如图1所示。这些沟道可以为任何尺寸，只要它们足够深可以与所有活性硅层接触，并且足够窄可以防止由于有用表面区域减少引起的过分损耗，在这些有用表面区域落在接触区的光不能进入硅材料。
发明概述
本发明的要点是一种太阳能电池，它具有至少三层极性交替的材料，在每对交替层之间形成p-n结，至少三层的最大掺杂浓度高于1017原子/cm3，并且至少三层的厚度基本上不大于在相应层中对于给定掺杂浓度材料的少子扩散长度。
一般来说，掺杂层厚度是少子扩散长度的0.05～5倍，并且优选为相应掺杂材料少子扩散长度的0.2～2倍。如果一个扩散长度和/或厚度空间不均匀的器件，其各层的任何部位落在上述范围内，则该器件属于本发明范围。满足这些条件的一个可论证方法是载流子平均收集率是否较高。
电池可以由掺杂的单晶硅或多晶硅，非晶态硅和它的合金，镉碲化物、镉硫化物，铜铟二硒，CuInxGa1-xSySe1-Y形式的合金或其他半导体材料制成。在包含一堆硅层的电池中，也可能包括一层或多层相对薄的硅/锗合金层。诸如氧化硅、氮化物或氮氧化合物的隔离材料层，也可能间隔地夹入其中。
本发明的实施方案可能还包括在极性交替层对之间的本征材料或轻掺杂材料层，这样形成的结是P-本征-n结。
在基于硅材料的实施方案中，一般来说大多数层的最大掺杂浓度是1017原子/cm3或更高，掺杂层的厚度为50～50μm，视材料质量而定。在硅材料中，掺杂浓度优选为在每层的至少50％体积上大于1017原子/cm3，并且更优选为在每层的几乎整个体积上界于1017～1018原子/cm3之间。
在使用硅材料的优选实施方案中，每层的厚度在0.2～15微米之间。
在硅电池中，顶层优选的层内最大掺杂浓度是1018原子/cm3或更高。
另一方面，本发明的要点是形成薄膜太阳能电池的方法，它包括步骤：
a)在衬底上形成多个交替掺杂的半导体材料薄层，在层间形成多个整流结。每层的最大掺杂浓度大于1017原子/cm3，并且每层的厚度基本上不大于相应掺杂材料的少子扩散长度。
b)接着在这些层中形成至少两组沟道，使一些或全部的掺杂层露出来。
c)在至少一个沟道中形成一个P型表面区域，这个区域覆盖这个或这些沟道的整个表面。
d)在至少一个其它的沟道中形成一个n型表面区域，这个区域覆盖这个或这些沟道的整个表面。
e)在每个沟道中形成一个金属触头，触头分别和P型及n型表面区域接触。
衬底材料优选为单晶、多晶或非晶态硅、石墨、钢或其他金属、陶瓷或玻璃之一，并且活性层由一个或几个方法形成，所说方法包括化学气相沉积、溶液生长、液相外延以及非晶态薄膜等离子沉积后结晶。
在进一步实施方案中，方法包括在每对P和n型层之间形成本征或轻掺杂层并且/或者在该堆内形成隔离层的步骤。
附图说明
本发明的实施方案将参照附图加以说明。在图中：
图1示意了本发明太阳能电池的基本结构，这个结构有多个n和p型交替掺杂的单晶或多晶硅层，使用埋入触头和埋入层接触。
图2示意了和图1相同的太阳能电池结构，但是它的尺寸是为使用劣质硅材料的实施方案给出的。
图3示意了本发明的进一步实施方案，它具有和图1、图2类似的结构，但在交替的P型和n型层之间夹有本征层。
图4示意了本发明的进一步实施方案，它具有和图1、图2类似的结构，但在半导体层之间夹有隔离层。
图5示意了本发明的进一步实施方案，它具有和图1、图2类似的结构，但它的金属触头没有与所有层接触。
实施方案详述
参见图1，本发明的实施方案有这样的结构，它包含多个交替的P型半导体层10、11和n型半导体层12、13、14，层与层之间形成整流结15、16、17、18。这些交替半导体层10-14在衬底19上形成并被该衬底支承，衬底19可以从单晶、多晶或非晶态硅、石墨、钢或其他金属、陶瓷玻璃或任何其它在其上可以成功形成半导体薄膜的材料中选择。触头31、32分别由n型层12、13、14与P型层10、11形成。首先形成垂直的沟道，使所有活性半导体层露出来，然后对于那些和n型区域相接触的触头，形成垂直的n型掺杂层33，该掺杂层33和所有n型层12、13、14相连，并且和所有P型层10、11建立了一个结。类似地，对连接P型层10、11的触头来说，在沟道中形成P型掺杂层34，该垂直P型层34和暴露的n型层12、13、14之间形成一个结。然后在n型和P型层33、34所限定的沟道中形成金属触头31、32。
尽管图1的实施方案是一个五层电池，但是应该指出的是为了得到本发明的优点，需要最少3个掺杂层(即p-n-p或n-p-n)。尽管图1实施方案所示的沟道充满了金属，但是应该指出的是，部分填充的沟道也可能产生良好的效果。
图1所示的活性半导体层10-14是可以在衬底19上采用一些已知技术的任一种形成的薄膜，这些技术包括：化学气相沉积、溶液生长、液相外延以及等离子沉积和重结晶或非晶态材料等离子沉积随后的结晶，并在每种情况中层形成过程中或之后注入掺杂物。
如上所述，本发明提供一种改进的电池结构，它包括多个P和/或n型层，并且对如图1所示掺杂层堆中的各层选择不同的掺杂水平和厚度。为了生产可工作的电池，本发明实施方案利用了PCT/AU92/00658描述的接触结构。本发明的一个重要优点是根据相应硅材料质量对各个层的厚度和掺杂水平进行选择，这样，大部分载流子在离结足够近处产生以便被收集。这个要求为下述条件所满足，即在大部分器件区域上少子扩散长度至少相当并且优选地大于各自层厚度。这可以在整个器件厚度上实现高收集率，进而实现高的内部量子效率，并且分别对所有波长的光线来说也是如此。本发明可以实现高效器件，甚至用非常劣质、低成本、其特点是扩散长度短的硅材料制成的器件也是如此。上述策略保证，伴随从中到高水平的光触发，可以产生大电流。考虑到电压，对于扩散长度短的硅材料可以通过提高掺杂浓度和/或减小材料体积来降低整个器件的暗饱和电流，以得到适当的高开路电压。而传统的器件结构，在同样取得高电池效率的同时是不可能做到这一点的。然而在本发明中，可以向水平层中注入更高浓度的掺杂物，而不会对器件产生电流的能力有负面影响。通常，对于传统结构，随着掺杂浓度的提高，材料的扩散长度大大降低。然而，如果已经使用了劣质的半导体材料，实验表明随着掺杂浓度的提高，扩散长度几乎不降低。相应的好处在于暗饱和电流几乎反比于掺杂浓度下降，这样可以产生比通常这种劣质材料预期能够产生的电压高得多的电压。因此，如此结合，可以在劣质材料上实现大电流和高电压，假定水平层厚度尺寸是根据所使用硅材料扩散长度选择的。
为了说明本发明的有效性，使用市场上可买到的计算机模拟软件包对图1的器件结构进行了模拟，各层尺寸如图2所示。在这个例子中，每层掺杂浓度是1×1018原子每立方厘米，但背面掺杂要浓得多，这样可以保证器件的电子性能对背面的表面复合速率不敏感。另外，在被模拟的例子中，顶层的n型层表面掺杂浓度为1×1020原子/cm3，相应的方块电阻为80Ω/口。附带假设顶层的表面复合速率10,000cm/s以保证对在离顶层表面很近处被吸收的短波长光线有良好的器件响应。所给例子的其他模拟参数包括由表面和金属反射造成的5％损耗，这和传统的埋入触头太阳能电池结果类似。
使用本发明并结合以上给出的模拟参数而得出的性能预测表明，即使在相对差的光触发和非常短的少子寿命(小于100ns)的情况下，超过16％的效率可以相对容易地实现。如果采用中等的光触发，同时依然保持很差的单晶或多晶硅材料特性，这些预测效率迅速提高到20％。
n型和P型交叠的多层的另一个优点是，它们为触头点之间的电流传导提供了多条并行路径，从而减少了阻抗损耗。如果每层的宽度按照以前的规则选择使其小于扩散长度，通过在各层之间注入载流子，各层之间将自动共享电流。这个方法还没有被以往的太阳能电池设计利用。结果是，可以对顶层表面掺杂分布和方块电阻进行优化，使得电流收集和暗饱和电流最小化在某种程度上和所得到层中横向阻抗损耗无关。
这个方法另一个长处是它对平行于电池顶层表面的晶界的容忍度。在通常的电池结构中这些是灾难性的，因为任何产生在该晶界背离结的一侧的载流子几乎不会被收集。在本结构中这种和结隔离的情况不会发生，除非在一层中有两个这样的晶界，即使在这种情况下，仅有的器件非活性部分应是直接位于两个晶界之间。
通常，界晶容忍度可以用标准技术，诸如氢化作用、氧化作用、选择性刻蚀等进一步提高。
参照图3，给出本发明的进一步实施方案。在这个方案中，通过在掺杂极性相反的每层之间插入轻掺杂或本征区20、21、22、23，堆的掺杂层之间结的质量得到了提高。这些间隔层20-23可以在某些过程中通过在层沉积过程中切断掺杂源或对两种掺杂类型补偿的方法形成。这些层的期望厚度依赖于材料质量，但是可以从由补偿形成的很薄层到厚至1微米或更多之间变化。该结构在相应的P和n型层之间形成p-I-n结(p-本征-n结)25、26、27、28。
如上所述，水平层可以由一些技术和方法形成，它们中的大多数可以在沉积的同时对层掺杂。在层沉积之后，可以用机械、化学或光学方法形成沟道，象激光刻划、钻石头刻划、切轮切割、光刻结合化学刻蚀的使用等，已经证实可以用于此目的。在适当的沟道形成之后，沟道壁要进行适当极性的掺杂，使接触达到相应的水平掺杂硅层。沟道壁的掺杂可以用扩散、附加层沉积等实现。可以通过电解质沉积、溶液生长、网板印制、焊接、沉浸等方法将金属加入沟道。
这些层的支承衬底可以由许多不同的适用材料，象单晶、多晶或非晶态硅、石墨、钢或其它金属、陶瓷、玻璃等形成。
层材料可以从任何半导体或半导体化合物中选择。例如，在一可能的实例中，可能将相当薄的硅/锗合金层纳入一个硅层堆中，使得器件的红外响应得到扩展而没有导致明显的电压输出损失。也可以使用其他材料，例如非晶硅和它的合金、镉碲化物、镉硫化物、铜铟二硒或CuInxGa1-xSySe1-Y形式的合金。同样可以在该堆中交错插入例如氧化硅、氮化物或氮氧化物之类的隔离层。这在生长过程中会有一些实际好处，可以对氧化沉积后生长的各层重新设定其生长条件，也可以根据由于折射率不匹配这些层的反射情况给出最佳光学设计范围。
参照图4示意了一个实施方案。在此方案中，隔离材料层31-34插入到一堆掺杂层35-40中，该堆包含多个子堆53、54、55，每个子堆包含三个掺杂层35、41、36等，被记为n-p-n层堆。连接方法和前面描述的方案相同，在堆中形成至少两个沟道，并且在相应槽中形成n型垂直表面层45、46、47，以及P型垂直表面层48、49、50，然后通过例如化学镀方法加入金属触头51、52。应该指出其他的堆结构也是可行的，例如在每个子堆中包含很多层而不是三层。
图4所示结构的优点在于，即使在制造过程中电池的一层或几层出现缺陷，在其它情况下这会使上叠层失效或其性能低于期望，在缺陷上放置一层隔离材料可以起到结构“复位”的作用，这样隔离材料层以上的各层将不受缺陷的影响。
参看图5，其所示结构和图1、图2结构类似，但这里不是所有的层10、11、12、13、14都和触头31、32通过垂直掺杂层33、34接触。图5结构的好处在于，由于插入p-n结，未被接触层14和电池结构的其他部分隔离。这在沉积到衬底上的各层最初为劣质材料、但质量随着后续层被沉积而得到改善时，是一个很重要的特点。通过不与靠近衬底的一层或几层接触，如果这些层足够厚，可认为它们非活性并且不会把电池的性能降低至与进行接触时电池的性能一样。
可以用来制造图2电池结构的方法可能有以下步骤：
1.准备电池待沉积的衬底。
2.用化学气相沉积(CVD)方法沉积一个n型硅层。
3.用CVD在前述层上沉积一层p型硅。
4.用CVD在前述层上沉积一层n型硅。
5.用CVD在前述层上沉积一层p型硅。
6.用CVD在前述层上沉积一层n型硅。
7.形成一个屏蔽/表面钝化层。
8.用激光或机械刻划形成一组沟道，之后清洗沟道。
9.通过扩散或CVD在第一沟道壁上形成n型掺杂层。
10.在第一沟道壁表面形成一个屏蔽层。
11.形成第二组沟道，之后清洗沟道。
12.通过扩散或CVD在第二个沟道壁上形成p型掺杂层。
13.化学刻蚀使沟道中的硅暴露。
14.化学镀镍来使沟道中硅被接触。
15.烧结镍
16.在镍上用化学镀的方法镀铜，形成铜导体。
17.在铜上面沉积银覆盖层。
万一在步骤2-6中沉积的是非晶态硅，那么可能需要附加一个结晶步骤，它优选地放在步骤7之后。
虽然附图所针对的是平界面，在实际中为了改善电池的光触发，它们可以是有结构或者是有纹理的。
本领域技术人员意识到可以使用以上在材料选择、制造技术以及结构尺寸方面的变化方案而不违背本发明的精神。

Claims (20)

1.一种太阳能电池，具有至少三层极性交替材料，在每对交替的层间形成p-n结，至少三层的最大掺杂浓度在1017原子/cm3以上，并且至少三层的厚度考虑到相应层材料掺杂浓度基本上不大于少子扩散长度。
2.权利要求1中的太阳能电池，其中掺杂层的厚度是相应掺杂材料少子扩散长度的0.05～5倍。
3.权利要求1中的太阳能电池，其中掺杂层的厚度是相应掺杂材料少子扩散长度的0.2～2倍。
4.权利要求1、2、3中的太阳能电池，其中掺杂层的厚度范围为50～50μm。
5.权利要求1、2、3或4中的太阳能电池，其中电池材料从多种材料中选择一种或几种，这些材料包括掺杂的单晶或多晶硅、非晶态硅及它的合金、镉碲化物、镉硫化物、铜铟二硒及形式为CuInxGa1-xSySe1-Y的合金。
6.以上任何一种权利要求中的太阳能电池，其中电池包括一堆硅层和相对薄的硅/锗合金层。
7.以上任何权利要求中的太阳能电池，其中电池包括一堆硅层，其间间隔插有隔离材料层。
8.权利要求7中的太阳能电池，其中隔离层由氧化硅、氮化物或氮氧化合物构成。
9.权利要求8中的太阳能电池，其中隔离层位于由3或多个掺杂层组成的组之间。
10.以上任何权利要求中的太阳能电池，其中本征材料层或轻掺杂材料层放在一对或多对极性交替层之间，这样产生的结是p-本征-n结。
11.以上任何权利要求中的太阳能电池，其中太阳能电池材料是硅，大多数层中最大掺杂浓度是1017原子/cm3或更高，并且掺杂层的厚度量级为40μm或更少。
12.权利要求11中的太阳能电池，其中每层中至少50％体积上的掺杂浓度大于1017原子/cm3。
13.权利要求12中的太阳能电池，其中每层基本上所有部分掺杂浓度介于1017-1018原子/cm3。
14.以上任何权利要求中的太阳能电池，其中每层的厚度介于0.2和15微米之间。
15.以上任何一个权利要求的太阳能电池，其中顶层掺杂材料的掺杂浓度是1018原子/cm3或更高。
16.一种形成薄膜太阳能电池的方法，它包括步骤：
a)在衬底上形成多个交替掺杂的半导体材料薄层，在其间形成多个整流结。至少3层的最大掺杂浓度大于1017原子/cm3，并且每层的厚度基本上不大于相应掺杂材料的少子扩散长度。
b)接着在所说多层中形成至少两组沟道，使一些或所有的掺杂层露出来。
c)在至少一个沟道中形成P型表面区域，它覆盖这个或这些沟道的整个表面。
d)在至少另一个沟道中形成n型表面区域，它覆盖相应一个或多个沟道的整个表面。
e)在每个沟道中形成一个金属触头，分别和所说P型及n型表面区域相接触。
17.权利要求16中的方法，其中衬底从单晶、多晶或非晶态硅、石墨、钢或其他金属、陶瓷或玻璃中选择其一。
18.权利要求16或17中的方法，其中活性层由下述方法，化学气相沉积、溶液生长、液相外延、等离子沉积及重结晶、以及非晶态材料的等离子沉积和随后的结晶中选择一种或几种加以形成。
19.权利要求16、17或18中的方法，进一步包括在一对或多对p和n型层之间形成本征或轻掺杂层的步骤。
20.权利要求16、17、18或19中的方法，进一步包括在该堆中形成一个或多个隔离层的步骤。
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