CN1210815C - 一种光电设备 - Google Patents

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Abstract

一种光电转换元件设置在支座的多个凹槽的每个凹槽中。由凹槽内表面反射的光束照射在光电转换元件上。光电转换元件具有近似的球形形状并且具有下述结构。中央部分n-型非晶硅(a-Si)层的外表面被具有比a-Si更宽光学带隙的p-型非晶体SiC(a-SiC)层覆盖，从而形成pn结。支座的第一导体在凹槽的底部或其附近连接至光电转换元件的p-型a-SiC层。支座的第二导体由一个绝缘体与第一导体绝缘，并且连接至光电转换元件的n-型a-Si层。

Description

一种光电设备
技术领域
本发明涉及一种光电设备，和一种适用于制造光电设备等的大量制作球形半导体颗粒的批量生产设备。
在本文所述的公开中，术语“pin结”应理解为包括如下结构，在近似球形的光电转换元件干形成有n-、i-和p-型半导体层，并由此使这些半导体层以所述顺序从该近似球形光电转换元件的内部向外设置或者从外部向内设置。
背景技术
通常的现有技术提供的光电设备所包括的光电转换元件由晶体硅半导体晶片制成。现有技术的光电设备由于其晶体制作步骤复杂而成本较高。另外，制作半导体晶片的步骤不仅复杂，因为它包括块状单晶的切割、切片和磨光；而且该步骤也比较浪费，因为由切割、切片、磨光等产生的晶体废料在体积上多达初始块状单晶的大约50％以上。
另一现有技术提供的光电设备所包括的光电转换元件由非晶硅(简称“a-Si”)薄膜制成，它解决了上面所述的问题。由于薄膜光电转换层由等离子体CVD(化学气相沉积法)方法形成，所以该现有技术光电设备具有如下优点，不再必需传统方法所需的诸多步骤例如块状单晶切割、切片和磨光，并且沉积膜可以整体用作器件活性层。然而该非晶硅光电设备具有如下缺点，由于非晶结构使得半导体内部具有大量晶体缺陷(即间隙状态)，非晶硅太阳能电池具有光电转换效率因光致退化现象而降低的问题。为解决此问题，现已研制开发出一种通过采用氢化处理以消减晶体缺陷的技术，从而实现了诸如非晶硅太阳能电池等电子器件的制造。
然而即使这种处理也不能完全消除晶体缺陷的负面影响，例如非晶硅太阳能电池仍然具有光电转换效率降低15％至25％的弱点。
一种用于抑制光致退化的新近研制技术已经实现一种堆叠型太阳能电池，其中光电活性i-型层制作得极薄，并且采用2结或3结太阳能电池，由此能成功地将光致退化抑制至大约10％。显然当太阳能电池的工作温度较高时其光致退化程度降低。尽管现在已经研制出可使太阳能电池在上述这种条件下工作的模块技术，但是它不能满足所有需求，因而还需要进一步的改进。
再一个克服上述问题的现有技术公开在日本已审查的专利公告JP-B2 7-54855(1995)中。根据该现有技术，以下述方式制作一个太阳能阵列。将每个具有p-型硅球体和n-型硅表层的球形颗粒埋在具有多个孔的铝箔中。通过从铝箔的后侧蚀刻除去n-型硅表层，将内部的p-型硅球体加以暴露。将暴露式硅球体连接至另一铝箔板上。
在该现有技术中，为了通过降低高纯硅的用量来降低成本，必须通过降低颗粒的外径来降低整个装置的平均厚度。为了提高转换效率，必须增大光接收表面，为此目的，必须将颗粒设置得彼此更加靠近。总之，需要将大量具有较小外径的颗粒密集排布并且连接至铝箔板上。这使得将颗粒连接至铝箔板上的步骤复杂化，结果不能实现充分的成本降低。
需要上述这种球形半导体颗粒来制造如公开在JP-B2 7-54855中的太阳能阵列。在这种太阳能阵列中，通过将硅球形半导体颗粒电连接至金属箔基板上，可以获得由照射光至硅球形半导体颗粒产生的光电动力。
如美国专利No.5,012,619中所公开的，这种球形颗粒以如下方式制造，而将固态材料压碎成具有不规则外形的颗粒，所得颗粒加入一个设有研磨用内衬的园筒中，并且在园筒中形成气体旋流以使颗粒与内衬碰撞或者使颗粒互相碰撞。
该现有技术需要很多的时间和劳动来制造球形半导体颗粒，因而在成本降低方面是较差的。
另一个现有技术公开在日本未审查的专利公告JP-A 8-239298(1996)中。在该现有技术中，用下述方式制作一个较细的硅棒。将一个保持竖直的硅棒的端部通过高频加热进行熔化。在硅籽晶熔融粘结至熔化的硅棒上之后，将硅籽晶与硅棒沿竖直方向彼此分离，从而获得粗细度小于1mm的细硅棒。该现有技术是以例如5mm/min至10mm/min的速度来制作细硅棒。但是，人们期望能以比此制造速度高得多的速度制作大量的球形半导体颗粒。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高度可靠的高效率的光电设备，它可以容易地大量制作同时降低了半导体材料例如高纯硅的用量，也即提供一种高度可靠的高效率的可以用较小量资源和能量消耗的低成本制造的光电设备。
本发明的另一个目的在于提供一种能够容易地用简单操作来大量制作球形半导体颗粒的设备。
本发明的第一方面提供了一种光电设备，包括：
(a)多个光电转换元件，每个光电转换元件具有近似球形的形状并且包括一个第一半导体层和位于第一半导体层外部的一个第二半导体层，用于在第一与第二半导体层之间产生光电动力，第二半导体层具有一个开口，一部分第一半导体层通过该开口暴露出来；和
(b)支座，包括一个第一导体，一个第二导体，和一个位于第一与第二导体之间用于使第一与第二导体彼此电绝缘的绝缘体，该支座具有多个彼此相邻设置的凹槽，凹槽内表面由第一导体或者由形成于第一导体上的覆盖层构成，光电转换元件位于相应的凹槽中，使得光电转换元件由构成凹槽的第一导体部分或形成于其上的覆盖层部分所反射的光束加以照射，第一导体电连接至光电转换元件的第二半导体层，并且第二导体电连接至第一半导体层的暴露部分。
根据本发明，近似球形的光电转换元件设在支座的相应凹槽中，相应凹槽的内表面由第一导体或由形成在第一导体上的覆盖层构成。因此，外部光束例如日光直接照射在每个光电转换元件上，以及在由位于凹槽内表面上的第一导体部分或形成在第一导体上的覆盖层部分反射之后照射在每个光电转换元件上。
由于光电转换元件位于相应凹槽中，所以其间形成有间隔，也就是说，其设置不是密集的。然而，降低了所用光电转换元件的数量，则结果可以减少光电转换元件的高纯度材料(例如硅)的用量，并且可以更容易地进行将光电转换元件连接至支座导体的步骤。
另外，凹槽设置得彼此相邻，从而外部光束由凹槽的内表面加以反射然后照射在光电转换元件上。因此，光电转换元件可以有效地利用外部光束产生光电动力。相应地实现了与光电转换元件光源相对的每单位面积产生电能的最大化。
光电转换元件可以由单晶、多晶或非晶体材料制成，并且可以由硅材料、化合物半导体材料等制成。光电转换元件可以具有pn结构、pin结构、肖特基势垒结构、MIS(metal-insulator-semiconductor，金属-绝缘体-半导体)结构、同质结结构、异质结结构等。
内部第一半导体层通过外部第二半导体层的开口而部分暴露，这使得将光照射时在第一与第二半导体层之间产生的光电动力输出成为可能。位于支座相应凹槽中的相应光电转换元件的第二半导体层电连接至支座的第一导体。相应光电转换元件的内部第一半导体层的暴露部分电连接至第二导体，第二导体形成在第一导体上，并有绝缘体介于其间。在第一导体和第二导体延伸以形成平面的结构中，光电转换元件在平行于第一和第二导体的方向上彼此相连，从而可以产生大的电流。
光电转换元件可以是完全球体，或者具有近似完全球面的外表面。第一半导体层可以是固体并且具有近似球形的形状。替代地，第一半导体层可以形成在一个预先制作的芯部的外表面上。作为进一步的替代方式，近似球形第一半导体层可以具有一个空心的中央部分。
在本发明中，优选光电转换元件具有0.5mm至2.0mm的外径。
根据本发明，光电转换元件可以具有0.5mm至2.0mm的外径，优选为0.8mm至1.2mm，更优选为大约1.0mm。这使得可以充分地降低材料例如高纯硅的用量并且使电能产生量最大化成为可能。另外，球形光电转换元件在制造过程中可以容易地加工从而可以提高生产率。
在本发明中，优选第二半导体层的开口具有45°至90°的圆心角θ1。
通过将圆心角θ1设定在45°至90°，优选设定在60°至90°，可以减少第一半导体层和第二半导体在形成开口时废弃部分的量，也就是说可以减少材料损耗。另外，将圆心角θ1设定在此范围使得开口可以具有足够的面积用于第一半导体层与支座的第二导体之间的电连接。
在本发明中，优选支座的凹槽具有相应的多边形(例如蜂窝多边形)开口，彼此相邻的开口是连续的，每个凹槽沿着向其底部方向变窄，并且每个光电转换元件的第一半导体层和第二半导体层在凹槽的底部或其附近分别电连接至第二导体和第一导体。
在本发明中，优选第一导体设有圆形第一连接孔，该第一连接孔形成在凹槽的底部或其附近，所述绝缘体设有圆形第二连接孔，与第一连接孔具有共同轴线，光电转换元件位于第二半导体层开口附近的部分固定在第一连接孔中，位于第二半导体层开口上方的外表面部分电连接至第一导体的第一连接孔的端面或者电连接至其该端面附近的部分，并且光电转换元件的第一半导体层的暴露部分通过所述第二连接孔电连接至第二导体。
在本发明中，优选光电转换元件的外径D1、第二半导体层开口的内径D2，以及第一连接孔的内径D3和第二连接孔的内径D4满足关系D1＞D3＞D2＞D4。
根据本发明，光电转换元件位于开口附近的部分固定在第一导体的第一连接孔中，光电转换元件的第一半导体层的暴露部分通过支座的绝缘体的第二连接孔电连接至第二导体，支座的第一导体和第二导体可以容易地分别电连接至光电转换元件的第二半导体层和第一半导体层。
至于第二半导体层与第一导体之间的电连接，将第二半导体层外表面位于开口上方的部分电连接至第一连接孔的端面和/或第一导体的该端面附近部分，也即第一连接孔的内圆周面和/或第一导体位于第一连接孔附近以及围绕第一连接孔的部分(见图1)。
例如，通过弹性形变形成的第二导体的各突出部可以插入通过第二连接孔，并且电连接至第一半导体层通过开口暴露的部分。替代地，第一半导体层通过开口暴露的部分可以用设在第二连接孔中的导电粘合剂或者经由导电凸缘例如金属凸缘连接至第二导体。
将外径D1和内径D2-D4设定为满足上述不等式使得可以实现可靠的电连接而不会引起不利的短路。
在本发明中，优选聚光比x＝S1/S2选择在2至8的范围内，其中S1为支座的各凹槽的开口面积，S2为光电转换元件包含其中心的截面的面积。
本发明的第二方面提供了一种光电设备，包括：
(a)多个光电转换元件，每个光电转换元件具有近似球形的形状并且包括一个第一半导体层和位于第一半导体层外部的一个第二半导体层，用于在第一与第二半导体层之间产生光电动力，第二半导体层具有一个开口，一部分第一半导体层通过该开口暴露；和
(b)支座，包括一个第一导体，一个第二导体，和一个位于第一与第二导体之间用于使第一与第二导体彼此电绝缘的绝缘体，该支座具有多个彼此相邻设置的凹槽，凹槽内表面由第一导体或者形成于第一导体上的覆盖层构成，光电转换元件位于相应的凹槽中，使得光电转换元件由构成凹槽的第一导体部分或形成于其上的覆盖层部分所反射的光束加以照射，第一导体电连接至光电转换元件的第二半导体层，并且第二导体电连接至第一半导体层的暴露部分，
其中各光电转换元件具有0.5mm至2mm的外径，并且聚光比x＝S1/S2选择在2至8的范围内，其中S1为支座的各凹槽的开口面积，S2为光电转换元件包含其中心的截面的面积。
本发明的第三方面提供了一种光电设备，包括：
(a)多个光电转换元件，每个光电转换元件具有近似球形的形状并且包括一个第一半导体层和位于第一半导体层外部的一个第二半导体层，用于在第一与第二半导体层之间产生光电动力，第二半导体层具有一个开口，一部分第一半导体层通过该开口暴露；和
(b)支座，包括一个第一导体，一个第二导体，和一个位于第一与第二导体之间用于使第一与第二导体彼此电绝缘的绝缘体，该支座具有多个彼此相邻设置的凹槽，凹槽内表面由第一导体或者形成于第一导体上的覆盖层构成，光电转换元件位于相应的凹槽中，使得光电转换元件由构成凹槽的第一导体部分或形成于其上的覆盖层部分所反射的光束加以照射，第一导体电连接至光电转换元件的第二半导体层，并且第二导体电连接至第一半导体层的暴露部分，
其中各光电转换元件具有0.8mm至1.2mm的外径，并且聚光比x＝S1/S2选择在4至6的范围内，其中S1为支座的各凹槽的开口面积，S2为光电转换元件包含其中心的截面的面积。
例如，支座的相应凹槽的开口呈蜂窝多边形例如六边形。各凹槽沿着向其底部方向变窄，光电转换元件设在各凹槽的底部。各光电转换元件在凹槽的底部或其附近电连接至支座的导体。由于相应凹槽的开口呈多边形并且是互相连续的，所以除光电转换元件区域之外由支座与光源(例如日光)相对的所有表面所接收的所有光束都可以照射在光电转换元件上。因此，可以实现所谓的聚光型光电转换元件，其中聚光比x＝S1/S2设定在例如2至8(优选4至6)。这使得可以增大光电转换元件之间的间隔，降低光电转换元件的数量，并且简化将光电转换元件连接至支座的步骤成为可能。因此，可以减少作为光电转换元件材料的高纯度半导体的用量，从而可以成本低廉地实施本发明。支座具有相当简单的结构，因而具有生产率方面的优势并且可以容易地制造。
本发明人进行的实验表明，如果将根据本发明的光电设备，其中近似球形的硅光电转换元件具有800μm至1,000μm的外径并且聚光比设定在4-6，转换成假想的平板形式，其所用硅的重量等于构成光电设备所有光电转换元件的硅的重量，并且其面积等于光电设备在与来自光源的光束相垂直的平面上的投影面积，则该假想的平板具有大约90μm至120μm的厚度。这说明用于产生1W电功率的硅用量低达2g，其具有划时代的意义。在上述采用形成在单晶硅半导体晶片上的光电转换元件的第一种现有技术中，硅单晶厚达350μm至500μm，在包括切片损耗的情况下其厚度高达1mm。因此，在第一种现有技术中，用于产生1W电功率的硅用量为大约15至20g。可以理解本发明能够使硅用量比第一种现有技术中低得多。
当聚光比x设定为大于8时，可以减少所需光电转换元件的数量，并且可以进一步降低用于产生1W电功率的硅用量。然而实际上，随着聚光比x的增大，作为光电转换元件所吸收光能与入射在凹槽上的光能之比的聚光效率就会降低，从而相应降低了光电设备的性能。
通过如上所述将各光电转换元件的外径设定在0.5mm至2.0mm(优选为0.8mm至1.2mm)并且将聚光比x设定为2至8(优选为4至6)，可以减少光电转换元件的数量，可以降低用于产生1W电功率的硅用量，并且可以简化将光电转换元件电连接至支座的步骤。因此，各光电转换元件的外径值与聚光比x的组合对于减少光电转换元件的数量和降低用于产生1W电功率的硅用量是重要的。
当各光电转换元件的外径小于0.5mm时，尽管硅用量降低，但是所需光电转换元件的数量变得过大。当各光电转换元件的外径小于2mm时，尽管所需光电转换元件的数量减少，但是硅用量变得过大。
当聚光比小于2时，不能充分地降低硅用量。当聚光比大于8时，聚光效率变得小于例如80％，从而其性能相应降低。通过将聚光比x设定在适当的范围内，本发明可以使聚光效率大于80％或者甚至90％。
根据本发明，通过将各光电转换元件的外径值和聚光比x设定在上述范围，可以实现如下显著优点，即所需光电转换元件的数量以及用于产生1W电功率的硅用量可以大幅度降低至第三种现有技术中所述相应数量的1/5至1/10。
在采用非晶硅光电转换元件以及以上述范围的聚光比聚集光束的光电设备中，光电转换元件的温度可以提高至40℃至80℃，高于采用非晶硅薄板型光电转换元件的情况。这使得可以抑制非晶硅光电转换元件的退化，从而可以延长光电设备的寿命。
在本发明中，优选光电转换元件具有如下方式的pn结，即具有一种导电型的第二半导体层形成在具有另一种导电型的第一半导体层的外部，第二半导体层比第一半导体层具有更宽的光学带隙(见图14)。
在本发明中，优选光电转换元件具有如下方式的pin结，即具有一种导电型的第一半导体层、非晶体本征半导体层、具有比第一半导体层更宽光学带隙的另一种导电型的非晶体第二半导体层以此顺序向外设置(见图15和16)。
在本发明中，优选第一半导体层和第二半导体层分别由n-型硅和p-型非晶体SiC制成。
在本发明中，优选制成第一半导体层的n-型硅为n-型单晶硅或n-型微晶(μc)硅。
根据本发明，通过不同种类的非晶体半导体形成pn或pin异质结窗口结构。位于光入射侧并且由窗口材料制成的第二半导体层的光学带隙设定成宽于内部第一半导体层的光学带隙。以此方法，使第二半导体层的光学吸收系数较小，也就是说，由第二半导体层吸收的光束不多，从而降低了表面层的电子-空穴重新结合的速度，因而减小了光学吸收损耗。另外，提高了短波一侧的感光度从而获得宽隙窗口作用。作为这些作用的结果可以提高能量转换效率。
特别地，pin结结构可以将较多的光能导入作为光电动力产生层的本征半导体层(i层)，提高了短波一侧的感光度从而获得宽隙窗口作用。本发明使得可以进行比n-型硅表层形成在p-型硅球体外部的第三种现有技术中的颗粒要好得多的能量转化操作。
具有pin结的光电转换元件的i层的作用在于通过其中的光吸收形成电子-空穴对、产生光电流，并且加以输送。p层和n层的作用在于通过将费米能级固定在靠近价带或导带的位置来聚集光载流子，并且产生一个内部电场用于将i层中产生的电子和空穴运送至两个电极。
本发明的第四方面提供了一种球形半导体颗粒的批量生产设备，包括：坩埚，用于存储半导体；加热装置，用于加热并熔化坩埚中的半导体；喷嘴，用于将来自坩埚的熔融半导体滴落；和振动装置，用于振动所述熔融半导体，并且在气相中将正在滴落的熔融半导体转变成具有均匀颗粒直径的球形颗粒。
根据本发明，半导体存在坩埚中并且由加热装置使其熔化。所得熔融半导体从喷嘴滴落并且由振动装置进行振动。其结果是，从喷嘴滴落的熔融半导体在气相中被转变成球形颗粒。球形颗粒具有近似恒定的直径。以此方式，可以用简单操作容易地大量制作球形半导体颗粒。术语“气相”可以是空气或Ar、N2等惰性气体，甚至包括真空。
从喷嘴滴落的熔融半导体处于液态形式而不是固体直线形式。因此，可以在短时间内高速地容易地制作大量的球形半导体颗粒。例如，本发明可以通过从喷嘴以1cm/s至1m/s的速度滴落熔融半导体来制作球形半导体颗粒，此速度比上述现有技术中的速度要高得多。
在本发明中，优选批量生产设备进一步包括用于对坩埚中熔融半导体加压的装置。
在本发明中，优选所述加压装置为气源，用于将气压高于大气压的惰性气体提供至坩埚中半导体上方的空间。
在本发明中，优选将喷嘴出口相通的空间的气压选择为低于坩埚中半导体上方空间的气压。
在本发明中，优选设有多个喷嘴，各喷嘴具有1±0.5mm的内径和1mm至100mm的长度。
在本发明中，优选各喷嘴具有5mm至10mm的长度。
根据本发明，坩埚中的熔融半导体可以用气体或液体或通过采用活塞等来加压。加压的熔融半导体从坩埚滴落。例如，为了用气体加压熔融半导体，将气压高于大气压的惰性气体Ar、N2等从气源提供至坩埚中半导体上方的空间。替代地，可以将喷嘴出口下方空间的气压设定为低于坩埚中半导体上方空间的气压，使得来自坩埚的熔融半导体从喷嘴滴落。将喷嘴内径和长度分别设为1±0.5mm和1mm至100mm(优选5mm至10mm)，例如通过加压装置的加压可以使熔融半导体从喷嘴以恒定的流速滴落，而不会由于其自重导致以过高的流速滴落。这使得可以精确制作具有均匀颗粒直径的球形颗粒。
在本发明中，优选加热装置包括设在坩埚附近的感应加热线圈和用于激励感应加热线圈的高频电源。
在本发明中，优选加热装置是用于加热坩埚的电阻加热装置。
也就是说，用于加热坩埚中半导体的加热装置可以具有用于感应加热的结构，包括感应线圈和高频电源，或者可以是电阻加热装置例如用焦耳热加热坩埚的电加热器。
在本发明中，优选振动装置具有10Hz至1kHz的振动频率。
通过此设置，将熔融半导体转变成具有均匀颗粒直径的球形半导体颗粒，使得可以大量制作球形半导体颗粒。
在本发明中，优选振动装置施加声波或超声波至正在滴落的熔融半导体，从而振动正在滴落的熔融半导体。
根据本发明，施加声波或超声波至正在滴落的熔融半导体使得可以精确地将熔融半导体转变成具有均匀颗粒直径的球形颗粒。
在本发明中，优选喷嘴是振动的，振动装置通过往复运动来振动喷嘴。
在本发明中，优选振动装置驱动喷嘴使得喷嘴出口沿垂直于喷嘴轴线的方向振动，其振动幅度A小于待制作颗粒外径D1的1/2。
在本发明中，优选振动装置沿喷嘴的轴线方向振动喷嘴。
根据本发明，使喷嘴振动以便至少在其出口的附近作往复运动，这使得可以精确地制作具有均匀颗粒直径的球形半导体颗粒。使喷嘴出口沿垂直于其轴线的方向振动且振幅A小于待制作颗粒外径D1的1/2以便具有均匀的颗粒直径(也即A＜D1/2)，使得可以精确地制作具有外径D1的球形颗粒。替代地，喷嘴可以沿轴线振动，也即沿竖直方向振动。这也使得可以制作具有均匀直径(D1)的球形颗粒。
在本发明中，优选振动装置是用于改变坩埚中半导体上方空间的气压的气压改变装置。
在本发明中，优选振动装置包括振动膜，其设置成与坩埚中半导体上方的空间相通，和驱动源，用于使所述振动膜往复运动。
在本发明中，优选振动装置包括驱动腔，其与坩埚中半导体上方的空间相连，和驱动源，用于使所述驱动腔内的气压振荡。
根据本发明，用于振动熔融半导体的振动装置是用于通过向坩埚中半导体上方的空间施加气压来改变该空间气压的气压改变装置。气压改变装置可以实施为一个振动膜和一个用于使该振动膜往复运动的驱动源(例如电机和曲柄)，或者实施为一个驱动腔和一个用于改变该驱动腔容积从而使该驱动腔内的气压振荡的驱动源。
在本发明中，优选振动装置使坩埚振动。
根据本发明，为了振动熔融半导体，可以由驱动源振动其中临时存储有熔融半导体的坩埚。
在本发明中，优选批量生产设备进一步包括洛仑兹力产生装置，用于向从喷嘴滴落的熔融半导体上施加洛仑兹力，从而通过减小熔融半导体截面的夹紧作用来形成颗粒。
根据本发明，使电流流经从喷嘴滴落的导电熔融半导体，并且在熔融半导体周围形成AC磁场，从而将洛仑兹力施加在液柱式熔融半导体上，产生的夹紧作用使其截面减小。这使得可以精确地将从喷嘴滴落的熔融半导体转变成具有均匀直径的球形颗粒。
本发明的第五方面提供了一种球形半导体颗粒批量生产设备，包括：坩埚，用于临时性地存储半导体；加热装置，用于加热并熔化坩埚中的半导体；喷嘴，用于将来自坩埚的熔融半导体滴落；振动装置，用于振动所述熔融半导体，并且在气相中将正在滴落的熔融半导体转变成具有均匀颗粒直径的球形颗粒；和结晶装置，用于在气相中对从喷嘴滴落的液态或固态颗粒进行加热以控制其冷却速度，从而将所述颗粒转变成单晶或多晶颗粒。
本发明的第六方面提供了一种球形半导体颗粒批量生产设备，包括结晶装置，用于对存在于气相中的液态或固态颗粒进行加热，从而将所述颗粒转变成单晶或多晶颗粒。
根据本发明，从喷嘴滴落的液态或固态颗粒由结晶装置加热并再次熔化，从而将颗粒在气相中转变成单晶或多晶颗粒。
待加热颗粒可以是熔融(即液态)半导体颗粒或者是由从喷嘴滴落的熔融半导体颗粒经冷却形成的固态颗粒，或者甚至是通过磨碎或压碎块状半导体而获得的颗粒。
在本发明中，优选结晶装置是激光源，用于向所述颗粒照射激光。
在本发明中，优选结晶装置是辐射热源，设在与颗粒通路相邻的位置，用于通过辐射热加热颗粒。
在本发明中，优选结晶装置加热颗粒使得颗粒的冷却速度具有一个和缓的分布，从而阻止在颗粒中产生裂纹并且阻止颗粒变为非晶体。
根据本发明，结晶装置可以是激光源或者用于产生辐射热的辐射热源。结晶装置降低了颗粒冷却时的温度下降速度，从而阻止在颗粒中产生裂纹并且阻止颗粒变为非晶体。其结果是，可以可靠地形成单晶或多晶球形颗粒。
本发明的第七方面提供了一种球形半导体颗粒批量生产设备，包括坩埚，用于临时性地存储半导体；加热装置，用于加热并熔化坩埚中的半导体；喷嘴，用于将来自坩埚的熔融半导体滴落；振动装置，用于振动所述熔融半导体，并且在气相中将正在滴落的熔融半导体转变成具有均匀颗粒直径的球形颗粒；结晶装置，用于在气相中对从喷嘴滴落的液态或固态颗粒进行加热以控制其冷却速度，从而将所述颗粒转变成单晶或多晶颗粒；和扩散装置，用于使一种导电型的结晶半导体颗粒通过一个材料气体中的通道，材料气体中含有结晶半导体颗粒需要掺杂的原子或分子，从而在各结晶半导体颗粒上形成另一种导电型的表面层。
本发明提供了一种球形半导体颗粒批量生产设备，其中一种导电型的结晶半导体颗粒通过一个材料气体中的通道，材料气体中含有结晶半导体颗粒需要掺杂的原子或分子，从而在各结晶半导体颗粒上形成另一种导电型的表面层。
根据本发明，采用气体扩散方法或固态扩散方法可以用简单操作在一种导电型(例如p-型)的结晶半导体颗粒每个上形成另一种导电型(例如n-型)的表面层。气体扩散方法是一种将掺杂杂质以气体形式加入高温硅表面的技术。固态扩散方法是一种将含有杂质的扩散剂淀积在硅表面上然后在高温下对其进行热处理的技术。
在本发明中，优选所述通道沿竖直方向延伸，并且在结晶半导体颗粒下落通过该通道时进行表面层扩散。
通过扩散方法在每个硅球体的表面上形成扩散层的一个例子为通过气体扩散方法在每个p-型硅球体中形成浅n-型扩散层，下面加以说明。采用P2O5、POCl3、PH3等气体作为扩散源。首先，将含有扩散源和少量氢气的惰性气体导入一个扩散层形成空间，扩散层形成空间与激光束照射空间相邻并且在气氛方面与后者隔离，扩散层形成空间充满惰性气体。在通过激光束照射进行高质量再次结晶之后，p-型硅球体从其顶部通过扩散层形成空间至其底部，同时保持在高温。随着p-型硅球体通过扩散层形成空间，其每个在其整个表面上形成有对于各硅球体用作太阳能电池所必需深度的n-型扩散层。通过连续导入惰性气体并适当控制扩散层形成空间的气氛，可以连续进行此步骤，从而制作大量的每个上都形成有表面层的硅球体。
在本发明中，优选对由于通过所述通道而使其上淀积有扩散剂的结晶半导体颗粒进行加热，以在其上形成具有所需厚度的表面层。
根据本发明，使例如p-型硅球体从其顶部通过扩散层形成空间至其底部，并且在此过程中，其每个在其整个表面上都形成有n-型扩散层。然后将大量的所得硅球体加入一个由石英等制成的容器中并再次经受热处理。因而形成具有所需厚度的n-型扩散层。
在本发明中，优选半导体是硅。
根据本发明，本发明可以用另一种半导体实施。
本发明的第八方面提供了一种光电转换元件，包括由上述批量生产设备形成的多个半导体层。
本发明的第九方面提供了一种光电设备，包括多个上述的光电转换元件。
本发明的第十方面提供了一种球形半导体颗粒大量制作方法，包括如下步骤：加热并熔化半导体；在气相中滴落熔融的半导体；并且振动所述熔融的半导体。
本发明的第十一方面提供了一种球形半导体颗粒大量制作方法，包括如下步骤：在气相中对正在滴落的半导体颗粒进行加热并且再次熔化，并且从而将半导体颗粒转变成单晶或多晶半导体颗粒。
在本发明中，优选大量制作方法还包括在含有所述单晶或多晶半导体颗粒需要掺杂成分的气体中进行扩散的步骤。
根据本发明，采用上述由球形半导体颗粒制成的光电转换元件可以容易地制作光电设备。采用这种光电转换元件的光电设备用尽可能少的单晶或多晶半导体材料产生与光源相对每单位面积最高的电功率。光电转换元件可以不仅由单晶或多晶制成，也可以由非晶体材料制成。
根据本发明，通过在第一半导体层与pin结层之间引入具有高导电性的微晶(μc)半导体层，可以提高光电转换效率。非晶体pin层或非晶体pin层与第二半导体层的异质结可以实现有效率的光载流子聚集，并且减少了光载流子的重新结合损耗。
非晶体半导体层在接收由支座凹槽内表面反射的光束时其温度提高至40℃至80℃。这抑制了光电转换特性的恶化，因而是有利的。由于每个光电转换元件都具有近似球形的形状，抑制了用于接收直射光束或反射光束的每单位面积的入射光能量的增加，这压抑制了光电转换特性的恶化。
在本发明中，优选第一半导体层是直接带隙半导体层。
在本发明中，优选所述直接带隙半导体层由选自如下组的半导体制成，该组包括InAs、GaSb、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP和CdTe。
根据本发明，采用容易吸收光束的直接带隙半导体层作为内部的第一半导体层，使得可以获得足够高的电子和空穴迁移概率，这也有助于提高光电转换效率。
在本发明中，优选每个都具有向外延伸的外围部分的多个支座彼此相邻设置，并且彼此相邻的每对支座中一个支座外围部分的第一导体部分与另一支座外围部分的第二导体部分彼此叠置并且互相电连接。
在本发明中，优选所述外围部分具有向上的突出部或向下的突出部，并且彼此相邻的每对支座中一个支座的向上突出部或向下突出部与另一支座的向上突出部或向下突出部彼此接触并且互相电连接。
根据本发明，在安装有光电转换元件的多个支座中，彼此相邻的每对支座中一个支座外围部分的第一导体部分与另一支座外围部分的第二导体部分彼此叠置并且互相电连接，从而将由光电转换元件产生的相应支座的光电动力互相串联连接。这使得可以输出所需的高压。
根据本发明，彼此相邻的每对支座中外围部分的向上突出部和向下突出部、多个向上突出部或多个向下突出部互相电连接(见图12和13)，从而可以使各支座的凹槽彼此更加靠近，并且可以将尽可能多的凹槽和光电转换元件设置在一个有限区域内。
本发明通过减少光电转换元件的数量，使得可以大幅度地减少光电转换元件材料(特别是昂贵的硅)的用量并且简化将光电转换元件连接至支座的步骤，从而提高了生产率并降低了成本。特别地，采用根据本发明的光电转换元件，使得可以实现一种能够节省资源和能量的制作方法。日光等由构成支座各凹槽内表面的第一导体表面或者形成于其上的覆盖层的表面加以反射，所得反射光照射在光电转换元件上。以此方式，可以有效率地利用入射光。第一导体或者形成于其上的覆盖层不仅用于反射入射光，而且用于导引电流(第一导体连接至相应光电转换元件的第二半导体层)。由于具有简单的结构，所以支座具有较高的生产率。
特别地，通过将各光电转换元件的外径设定在0.5mm至2.0mm(优选为0.8mm至1.2mm)并且将聚光比x设定为2至8(优选为4至6)，本发明可以实现如下显著优点，即用于产生1W电功率的硅用量以及所需光电转换元件的数量可以大幅度降低至第三种现有技术中的1/5至1/10。减少硅的用量使得可以以低成本来实现光电设备。减少所需光电转换元件的数量从而简化将光电转换元件电连接至支座的步骤，从而提高了生产率，这也有助于实现低成本的光电设备。
因此，本发明可以一种高度可靠的高效率的光电设备。
通过将外部的非晶体第二半导体层的光学带隙设定成宽于中央侧的第一半导体层的光学带隙，形成pn或pin结。以此方法，光束由窗口材料制成的光入射侧的第二半导体层吸收得不多，从而降低了表面层的重新结合速度，并获得宽隙窗口作用。作为这些作用的结果是可以提高能量转换效率。
将具有高导电性的微晶(μc)半导体层插入在中央侧第一半导体层与外侧pin结层之间可以提高能量转换效率。
本发明通过采用直接带隙第一半导体层也可以提高能量转换效率。
另外，本发明使光电转换元件的制造变得容易。
本发明通过从喷嘴滴落已经在坩埚中熔化的半导体并且使该熔融半导体振动的简单操作，使得可以大量制作具有均匀颗粒直径的球形半导体颗粒。如此制作的颗粒可以容易地在气相中转变成单晶或多晶颗粒。通过掺杂可以容易地在每个结晶半导体颗粒上形成表面层。
附图说明
从下面参照附图给出的详细说明可以更清楚本发明的其它和进一步的目的、特色和优点。附图中：
图1为根据本发明一个实施例的光电设备1的局部放大剖视图；
图2为表示光电设备1的结构的剖视图；
图3为图2的光电设备1的分解透视图；
图4为支座3一部分的平面图；
图5为光电转换元件31的剖视图，其中光电转换元件31为各光电转换元件2安装于支座3上之前的型式；
图6为剖视图，表示光电转换元件2和支座3的组件4的制作方法；
图7为剖视图，表示通过切割各光电转换元件31来形成开口32的方法；
图8为简化透视图，表示将光电转换元件2置入支座3的相应凹槽17中的方法；
图9为透视图，表示光电转换元件2和支座3的组件4和4b如何互相连接；
图10为图9中所示组件4和4b的外围部分61和61b及其附近的分解剖视图；
图11为简化侧视图，表示组件4、4b和4c如何互相地电连接；
图12为根据本发明另一实施例的彼此相邻组件4和4b的电连接结构的剖视图；
图13为根据本发明再一实施例的彼此相邻组件4和4b的电连接结构的剖视图；
图14为根据本发明另一实施例的光电转换元件2的局部剖视图；
图15为根据本发明再一实施例的光电转换元件2的局部剖视图；
图16为根据本发明再一实施例的光电转换元件2的局部剖视图；
图17用简化方式表示根据本发明另一个方面的球形半导体颗粒批量生产设备的整体结构；
图18为图17的设备的工作流程图；
图19用简化方式表示用于将熔融半导体从坩埚208提供至喷嘴209并将其从喷嘴209滴落的结构；
图20为熔化部分207的简化剖视图；
图21表示从各喷嘴209的喷嘴出口218滴落的熔融半导体是如何形成球形颗粒的；
图22A-22D表示由本发明人进行的模拟结果，表明滴落的立方体熔融半导体颗粒是如何改变其形状成为球形的；
图23A和23B为根据本发明另一实施例的半导体颗粒的剖视图；
图24为根据本发明另一实施例的振动装置228的简化剖视图；
图25为根据本发明再一实施例的振动装置234的简化剖视图；
图26为表面层形成装置225的具体结构的剖视图；以及
图27用简化方式表示根据本发明另一实施例的表面层形成装置238的结构。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的优选实施例。
图1为根据本发明一个实施例的光电设备的局部放大剖视图。图2为表示光电设备1结构的剖视图。图3为图2的光电设备1的分解透视图。光电设备1具有下述基本结构。多个通常的球形光电转换元件2和安装有光电转换元件2的支座3构成组件4，被埋入在由透明合成树脂材料例如PVB(poly(vinyl butyral)，聚乙烯缩丁醛)或EVA(ethylene vinyl acetate，乙烯醋酸乙烯酯共聚物)制成的填料层5中。由聚碳酸酯或类似物制成的透明保护板6设在填料层5的光源(例如日光)侧并且固定于其上。将一个防水后罩板12固定在填料层5的表面上与保护板6相反的一侧(图2的底侧)。这样，光电设备1整体上呈现平板形状。
每个光电转换元件2具有第一半导体层7和位于第一半导体层7外部的第二半导体层8。在第二半导体层8形成有开口9。第一半导体层7的部分10(图1的底部)通过开口9暴露。当光束从图1的上方照射时，在光电转换元件2的第一半导体层7与第二半导体层8之间产生光电动力。
通过将一个绝缘体15夹在第一导体13与第二导体14之间，以此方式构造支座3。也就是说，第一导体13与第二导体14由绝缘体15而彼此电绝缘。每个第一导体13与第二导体14可以是铝箔板或其它金属板。绝缘体15可以由合成树脂材料例如聚酰亚胺或某种其它绝缘材料制成。彼此相邻地设置有多个凹槽17。凹槽17的内表面为第一导体13的表面。光电转换元件2设在相应凹槽17的底部。
图4为支座3一部分的平面图。在本发明中，凹槽17的开口18呈多边形。在此实施例中，它们呈现蜂窝状，也即规则六边形。根据本发明的另一实施例，各凹槽17的开口18呈现另一种具有三个以上顶点的多边形。各开口18的长度W1(见图4)为例如2mm。彼此相邻的开口18是连续的；也就是说，凹槽17通过倒U形弯曲部分19(见图1)彼此连接。该结构使得在与光束11相对的区域可以容纳尽可能多的凹槽17，并且使得凹槽17的内表面(即第一导体13的表面)可以将入射光加以反射并将所得反射光导引至相应的光电转换元件2中。因此，该结构提供了较大的聚光比。
各凹槽17向底部变窄，并且呈现例如抛物线截面。在各凹槽17的底部，光电转换元件2的第一半导体层7通过连接部分21电连接至支座3的第二导体14上。在各凹槽17的底部或其附近，光电转换元件2的第二半导体层8通过连接部分21电连接至支座3的第一导体13上。
图5为光电转换元件31的剖视图，其中光电转换元件31为各光电转换元件2安装于支座3上之前的型式。图5光电转换元件31的剖面结构类似于图1中所示各光电转换元件2的剖面结构。球形第一半导体层7由n-型硅制成，可以是非晶硅、单晶硅或者多晶硅。位于第一半导体层7外部的第二半导体层8由p-型硅制成，也可以是非晶硅、单晶硅或者多晶硅。当第二半导体层8的光学带隙设定得宽于第一半导体层7的光学带隙(例如第二半导体层8由p-型a-SiC制成)时，可以获得宽隙窗口效应(widegap window action)。
根据本发明的另一实施例，图5中所示第一半导体层7由选自如下组的直接带隙半导体制成，该组半导体包括呈n-型导电性的InAs、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP和CdTe。第二半导体层8形成在由这种直接带隙半导体制成的第一半导体层7上。第二半导体层8由选自如下组的半导体制成，该组半导体包括呈p-型导电性的AlGaAs、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、GaAs、AlGaP和CdTe以及与之类似的化合物半导体。以此方式形成pn结结构。
在非晶体半导体用作第一半导体层7和第二半导体层8时，通过在第一半导体层68与第二半导体层70之间形成一个i-型半导体层69，可以形成pin结结构(后面说明；见图15)。
下面说明用于制作光电转换元件31(见图5)和支座3(见图1)的组件4的方法。
图6剖视图表示光电转换元件2和支座3的组件4的制作方法。在制作了图5中所示的球形光电转换元件31之后，将光电转换元件2如图6所示加以切割。在每个获得的光电转换元件2中，如图6中所示，第一半导体层7的部分10通过第二半导体层8的开口9加以暴露。开口9的形状通过平面切割光电转换元件31而获得，具有小于180°的圆心角θ1。圆心角θ1可以在例如45°至90°的范围内。圆心角θ1优选在60°至90°的范围内。各光电转换元件31的外径D1可以在例如0.5mm至2.0mm的范围内。外径D1优选在0.8mm至1.2mm的范围内。在图6中，符号D2表示开口9的内径。聚光比x＝S1/S2在2至8的范围内，其中S1为支座3的各凹槽17的开口面积，S2为各光电转换元件2包括其中心的截面的面积。聚光比x优选在4至6的范围内。
图7剖视图表示通过切割各光电转换元件31来形成开口9的方法。在将各球形光电转换元件31的顶部由吸附垫34进行真空吸附的同时，通过环带形磨料35对球形光电转换元件31进行研磨。磨料35缠绕在辊轴36和37上从而被旋转驱动。
返回图6，用下述方式制作支座3。制备由铝箔制成的第一导体13，并在其中形成连接孔39。各连接孔39的内径D3设定得小于各光电转换元件2的外径D1并且大于第二半导体层8的开口9的内径D2(D1＞D3＞D2)。制备薄板形绝缘体15并在其中形成连接孔40。各连接孔40的内径D4设定得小于各光电转换元件2的开口9的内径D2(D2＞D4)。具有连接孔39的第一导体13设置在具有连接孔40的绝缘体15之上并且与之粘合，从而第一导体13和绝缘体15彼此成为一体。每对连接孔39和40具有共同的轴线。所得结构设置在第二导体14之上并且与之粘合，从而使它们彼此成为一体以制成平板支座3a。根据本发明的另一实施例，具有连接孔39的第一导体13、具有连接孔40的绝缘体15以及第二导体14彼此叠置并且同时粘合，从而使之彼此形成为一体。第一导体13、第二导体14和绝缘体15各具有例如60μm的厚度。各光电转换元件2开口9的周围部分固定在连接孔39中并且与绝缘体15的连接孔40相对。替代地，开口9的周围部分可以设置在第一导体13上以与连接孔39相对。
并且参照图1。各光电转换元件2的第二半导体层8的外表面上位于图1中开口9上方并且围绕开口9的部分，电连接至支座3a(或3)的第一导体13位于连接孔39附近的部分，也即连接孔39的内圆周面或者第一导体13位于连接孔39附近并围绕连接孔39的部分。第二半导体层8的外表面连接至第一导体13的连接部分44(见图1)位于包含开口9的光电转换元件2底表面的外围45与第二导体14相对的一侧(图1上方)，从而可靠地防止第一导体13与第一半导体层7电连接。连接部分44平行于包含开口9的光电转换元件2的底表面，并且比通过光电转换元件2中心46的假想平面47更靠近开口9(即图1中较下方)。
接着，使平板支座3a经受塑性形变，从而彼此相邻地设置多个凹槽17。第二导体14变形成使之通过绝缘体15的连接孔40向上凸出(图6中)，也即使之穿过连接孔40并突出其上，从而成为连接部分21。所得支座3可以具有例如大约1mm的高度H1。
将第一半导体层7电连接至第二导体14的步骤以及将第二半导体层8电连接至第一导体13的步骤可以顺次(可以先进行任一步骤)或者同时进行。
每个都具有开口9的光电转换元件2容纳在如此形成的相应凹槽17中。
根据本发明的另一实施例，支座3用下述方式制作。在将第一导体13、绝缘体15和第二导体14的3层结构塑性形变以形成凹槽17之后，通过采用两种激光束分别在第一导体13和绝缘体15中形成连接孔39和40。
图8为简化透视图，表示将光电转换元件2置入支座3的相应凹槽17中的方法。通过在由吸附垫34真空吸附光电转换元件31的状态下对光电转换元件31进行切割制成一组光电转换元件2，使之开口9朝下进行输送并且置入支座3的相应凹槽17中。例如，将100个吸附垫34直线排列。在通过吸附垫34将一组光电转换元件2置入相应凹槽17中之后，将支座3沿方向42移动等于凹槽17的一个间距的距离，并且用上述方式通过采用吸附垫34将另一组光电转换元件2置入新的凹槽17中。通过重复上述操作将光电转换元件2置入所有的凹槽17中。然后，在各凹槽17的底部进行将各光电转换元件2电连接至支座3的操作。
各光电转换元件2的第一半导体层7通过开口9暴露出来，并且通过第二导体14的连接孔40电连接至连接部分21。各光电转换元件2的第二半导体层8外表面上位于开口9之上的部分电连接至第一导体13位于连接孔39附近的部分。可以通过采用激光束(形成共晶)、导电粘合剂或金属凸缘，将各光电转换元件2的第一半导体层7和第二半导体层8分别电连接至第二导体14和第一导体13。以此方式，无需采用含铅焊料来进行电连接，这在环境保护方面是优选的。
图9为透视图，表示光电转换元件2和支座3的组件4和4b如何互相连接。组件4和4b在其向外延伸的平面外围部分61和61b处互相电连接。
图10为图9中所示组件4和4b的外围部分61和61b及其附近的分解剖视图。组件4b的支座3b的第二导体14位于另一组件4的支座3的第一导体13之上，与之电连接并且与之固定。以此方式，组件4、4b、……的光电转换元件2产生的光电动力互相串联，从而可以输出所需的高电压。
图11为表示组件4、4b和4c如何互相电连接的简化侧视图。组件4b的外围部分61b用上述方式设置在组件4的外围部分61之上并与之电连接。另外，组件4c的外围部分61c设置在组件4b的外围部分61b1(位于外围部分61b的相对侧)之上并与之电连接。在图11的结构中，组件4b的外围部分61b位于组件4的外围部分61之上，并且组件4b的另一个外围部分61b1位于组件4c的外围部分61c之下。以此方式，将各组件彼此连接，其方式使得各组件的两个外围部分分别位于两个相邻组件之上和之下，从而形成一个两阶结构。沿图11的左右方向，外围部分61与61b之间以及外围部分61b1与61c之间的交叠长度L61可以设定在例如1mm。
图12为根据本发明另一实施例的彼此相邻组件4和4b的电连接结构的剖视图。一个组件4的外围部分61向上突出而另一个组件4b的外围部分61b向下突出。外围部分61的第二导体14电连接至外围部分61b的第一导体13。
图13为根据本发明再一实施例的彼此相邻组件4和4b的电连接结构的剖视图。该实施例类似于图12的实施例，其与后者的区别在于组件4的外围部分61(向上突出)的第一导体13电连接至组件4b的外围部分61b(向下突出)的第二导体14。图12和13的连接结构可以使支座3和3b的凹槽17彼此更加靠近，从而可以在有限区域内设置尽可能多的凹槽17和光电转换元件2。
图14为根据本发明另一实施例的光电转换元件2的局部剖视图。尽管在图14-16中各半导体层被画成具有平坦形状(沿圆周方向扩展)，但是实际上半导体层是沿径向向外(图14-16中朝上)依次叠置的，因而具有球形表面。
在图14的光电转换元件2中，沿径向向外依次叠置有n-型微晶(μc)硅层63、n-型多晶硅层64、p-型a-SiC层65和p-型微晶SiC层66(层64-66构成一个双异质结层)。图14-16的每个具有pn结的光电转换元件2的结构概括在表1中。
表1
    图     数标     层
    14     66     p微晶-SiC
    65     p a-SiC
    64     n多晶硅
    63     n微晶-Si
    15     70     p a-SiC
    69     i a-SiC
    68     n微晶-Si
    16     77     p微晶-SiC
    76     p a-SiC
    75     i a-SiC
    74     i a-Si
    73     n微晶-Si
图15为根据本发明再一实施例的光电转换元件2的局部剖视图。半导体层68-70的详细情况如表1中所示。替代地，在图15的光电转换元件2中，半导体层68可以由n-型单晶硅或多晶硅制成。
图16为根据本发明再一实施例的光电转换元件2的局部剖视图。半导体层73-77的详细情况如表1中所示。替代地，图16中的半导体层73和74可以由n-型单晶硅制成。半导体层74也可以由i-型微晶硅制成。
在本发明中，光电转换元件2也可以具有与上述不同的结构。
根据本发明的另一实施例，支座3可以由如下制作的另一种类型的支座替代，通过模制(例如注入模制)例如绝缘合成树脂材料(例如聚碳酸酯)来形成一个具有凹槽的结构，然后在其表面上涂敷导电材料例如Ni以形成第一和第二导体。该第一和第二导体可以由例如铝箔制成。替代地，它们可以通过涂敷Cr或涂敷Ag来形成。作为进一步的替代，它们可以通过蒸发镀或溅射镀金属Ni、Cr、Al、Ag等来形成。在第一导体上可以形成一层覆盖层，并且该覆盖层可以由金属(通过电镀等方式形成)或合成树脂制成。
图17用简化方式表示根据本发明另一个方面的球形半导体颗粒大量生产设备的整体结构。图18为图17的设备的运作流程图。为了大量生产由硅制成的球形半导体颗粒以用于制造光电设备等，首先将硅半导体原料加入顶部料斗201。料斗201的内部总是保持在常压下，原料从料斗201经开/关阀202提供给中间料斗203。中间料斗203的内部在其接受原料时保持在常压下，而在其提供原料时保持在工作气压下。原料从中间料斗203通过开/关阀204提供给底部料斗205。底部料斗205的内部总是保持在工作气压下。固态的原料停留在底部料斗205中。以此方式，在图18中的步骤s1，将颗粒状硅半导体原料提供至顶部料斗201。在步骤s2，通过开/关阀202和204的作用，在对外部气压进行屏蔽的状态下，以恒定的速度将原料从顶部料斗201经由中间料斗203提供至底部料斗205。
在步骤s3，在固态预加热部分206中，通过高频感应加热对提供自底部料斗205的原料进行预加热。根据本发明的另一实施例，替代高频感应加热，在反射炉、电子炉等中进行辐射加热。
在步骤s4，在熔化部分207中对在固态预加热部分206中已经预加热的原料进行加热从而熔化。在熔化部分207中，原料可以如同在固态预加热部分206中那样通过高频感应加热加以熔化。根据本发明的另一实施例，原料通过用反射炉、电子炉等进行辐射加热来加热并熔化。熔化部分207设有一个坩埚208，熔融半导体临时存储在坩埚208中。坩埚208中的熔融半导体由在其上方空间产生的工作气压进行加压，同时进行振动(步骤s4a)。坩埚208的底部设有多个喷嘴209，将熔融半导体由之以恒定流速滴落，流速对应于在坩埚208中熔融半导体上方空间产生的气压。替代地，在坩埚208的底部设有单个喷嘴209。
图19用简化方式表示用于将熔融半导体从坩埚208提供至喷嘴209并将其从喷嘴209滴落的结构。在熔化部分207中，加压装置211用惰性气体例如Ar气或N2气在坩埚208中熔融半导体上方的空间产生气压。坩埚208中的半导体如上所述由加热装置212加热从而熔化。从喷嘴209滴落的熔融半导体流由振动装置213加以振动。
图20为熔化部分207的简化剖视图。包含气源214，加压装置211将惰性气体提供至坩埚208中熔融半导体上方的空间。为了通过感应加热来加热并熔化坩埚208中的半导体，从高频电源215将例如200至500KHz的高频能量提供至围绕坩埚208的感应加热线圈216。以此方式，对坩埚208中的半导体进行感应加热。坩埚208由耐熔导电材料例如碳或石墨制成。每个喷嘴209具有1±0.5mm的内径和1mm至100mm(优选为5mm至10mm)的长度。以此方式，可以将熔融半导体以对应于由气源214在熔融半导体上方空间产生的气压的流速，例如既定的恒定流速，从喷嘴209滴落。各个喷嘴209的喷嘴出口218与之相通的空间217的气压为大气压。
根据本发明的另一实施例，替代由气源214在熔融半导体上方空间产生气压，在坩埚208中熔融半导体上方的空间设定为大气压，而将各个喷嘴209的喷嘴出口218与之相通的空间217的气压设定成低于坩埚208中熔融半导体上方空间的气压。坩埚208中的半导体可以通过具有电加热器的电阻加热装置来进行加热并熔化，电加热器固定在坩埚208上或者设在其附近。
从喷嘴209滴落的熔融半导体流接收来自振动装置213的10Hz至1KHz声波而受到振动。替代地，振动频率可以在超声波范围。
图21表示从各喷嘴209的喷嘴出口218滴落的熔融半导体是如何形成球形颗粒的。从喷嘴出口218滴落的熔融半导体在竖直方向是连续的。然而，随着熔融半导体进一步滴落，它受到振动装置213的振动作用在竖直方向被分割成颗粒。
图22A-22D表示由本发明人进行的模拟结果，表明滴落的立方体熔融半导体颗粒是如何改变其形状成为球形的。图22A表示一个从喷嘴209滴落之后的分离的熔融半导体颗粒。该熔融半导体颗粒逐渐变圆，如图22B和22C所示，并且最终呈近似完整的球形，如图22D所示。
根据本发明的另一实施例，驱动各喷嘴209，使喷嘴出口218沿垂直于其轴线的方向(即沿图19-21中左右方向)振动，并且各喷嘴218的左右振动幅度A设定为小于待制作颗粒直径D1的1/2。该方法还可以生产具有精确直径D1的颗粒。根据本发明的再一个实施例，各喷嘴209沿着其轴线振动，也即沿着图19-21中的上下方向振动。喷嘴209可以是刚性的或者弹性的。
返回图17和18，从喷嘴209滴落的熔融半导体流改变其形状成为球形。随着颗粒通过一个冷却圆筒221，其球面度提高并且其表面变得更为光洁。在冷却圆筒221中进行冷却控制(图18中步骤s6)。在步骤s7，将已冷却的颗粒进行分类；例如，仅选择其直径D1在1±0.5mm范围内的颗粒。在步骤s8，用自激光源222发出的激光束223照射被选颗粒。具体地说，在步骤s8，从喷嘴209滴落的固态颗粒用激光束223在气相中进行照射，从而被加热并再次熔化。结果，各颗粒变为单晶或多晶，同时防止在其表面上产生裂纹并且防止颗粒变为非晶体。激光源222用于使颗粒结晶并且构成结晶装置224。如此结晶的颗粒在步骤s9被再次分类；仅选择其直径D1在上述1±0.5mm范围内的颗粒，并将其导引至表面层形成装置225。在步骤s10，进行表面层处治。具体地说，在表面层形成装置225中，使一种导电型(例如p-型)的单晶或多晶半导体颗粒通过一个通道，在该通道中存在气相中形态的扩散源，扩散源中含有颗粒表面层需要掺杂的原子或分子，从而形成另一种导电型(例如n-型)的表面层。通道竖直延伸，伴随颗粒通过该通道下落发生表面层扩散。扩散源可以是P2O5、POCl3、PH3等。以此方式，通过气相扩散方法形成表面层。根据本发明的另一实施例，对其表面随其通过通道淀积有扩散材料的颗粒再次加热，以形成具有所需厚度的表面层；表面层通过固态扩散方法形成。表面层也可以通过真空蒸发镀形成。
已经形成有表面层的颗粒在冷却圆筒227中受到冷却(步骤s11)。以此方式，其球面度得以提高并且表面层受到控制以保持在所需状态，从而在步骤s12获得没有裂纹等并且具有良好球面度和表面形状的光电转换元件。
图23A和23B为根据本发明另一实施例的半导体颗粒的剖视图。已经发现，由压碎硅半导体获得的颗粒(见图23A)，颗粒在气相中下落时，用自YAG激光源222发出的20W激光束223对其照射10ms来加热和熔化颗粒，可以使之改变成如图23B所示的球形颗粒。以此方式形成的颗粒具有更好的结晶度。
图24为根据本发明另一实施例的振动装置228的简化剖视图。该振动装置228具有一个与坩埚208中半导体上方的空间相通的振动膜229，和一个驱动源231，用于沿图24中的竖直方向使振动膜229往复运动。驱动源231可以具有一个电机和由电机驱动的曲柄机构。随着振动膜229沿图24中的竖直方向运动，作用在熔融半导体232上方的空间233上的压力周期性改变以实现振动。
图25为根据本发明再一实施例的振动装置234的简化剖视图。驱动腔236通过管道235与坩埚208中半导体232上方的空间233相连。驱动源237周期性地改变驱动腔236的容积，从而改变其内部压力以及气压。以此方式，可以改变空间233的气压，从而可以使熔融半导体232振动。
图26为表面层形成装置225的具体结构的剖视图。已经由结晶装置224结晶并固化的颗粒由表面层形成装置225用上述方式形成表面层。在此实施例中，硅球体通过气体扩散方法形成表面扩散层。下面说明对每个p-型硅球体形成浅n-型扩散层的例示性方法。扩散源为P2O5、POCl3、PH3等。首先，将含有扩散源和少量氢气的惰性气体导入扩散层形成空间239，扩散层形成空间239与激光束照射空间相邻并且在气氛方面与后者隔离，扩散层形成空间239充满惰性气体。扩散层形成空间239在竖直方向占大约5m，其顶部241和底部242的温度分别设定在大约1,400℃和大约1,350℃。在通过激光束照射进行高质量再次结晶之后，p-型硅球体从顶部241通过扩散层形成空间239至底部242，同时保持高温。p-型硅球体通过扩散层形成空间239需时大约1秒。随着p-型硅球体通过扩散层形成空间239，其每个在其整个表面形成有深度大约0.5μm的n-型扩散层，这对于各硅球体用作太阳能电池是必需的。通过连续导入惰性气体并适当控制扩散层形成空间239的气氛，可以连续进行此步骤，从而制作大量的每个上都形成有表面层的硅球体。
图27用简化方式表示根据本发明另一实施例的表面层形成装置238的结构。在此实施例中，扩散层形成空间243类似于上述扩散层形成空间239，其温度设定在大约1,200℃。以上述相同方式使p-型硅球体用大约1秒从顶部244通过扩散层形成空间243至底部245。随着硅球体通过扩散层形成空间243，其整个表面上形成有深度大约0.1μm的浅n-型扩散层。接着，将所得到的大量硅球体加入由石英等制成的容器246中，然后在900℃至1,000℃再次热处理大约数十分钟，从而获得所需的n-型扩散层。
下面说明本发明人进行的通过在具有喷嘴的坩埚中熔化来制作颗粒的有关实验结果。
用于实验的设备：高频加热设备，型号名YKN-5(由NipponKoshuha有限公司制造)
高频输出功率：5kW
必需电源：3相200V，11kVA
振动频率：约400kHz
尺寸：宽600mm×高1,170mm×深700mm
重量：约250kg
冷却方法：空气冷却
实例1
将约1.5ml的硅材料加入一个石墨坩埚中。该石墨坩埚具有20mm的外径，40mm的外部长度，其容积由内径10mm且长度35mm表示，并且容纳在一个陶瓷气密并且绝热的容器中，容器一端具有一个内径1mm且长度5mm的喷嘴。在进行颗粒制作即刻前，施加4.6kW的高频感应功率大约20分钟以稳定颗粒制作条件比如温度。施加大约300Pa的氮气压开始颗粒制作，从而制得具有平均直径大约1mm的硅球体。为了降低硅和石墨之间的反应程度以及由于氧气存在引起石墨燃烧的程度，在开始施加高频感应功率时在其中流速变为零的系统中保持大约100Pa的氮气压，以阻止此时的冷却现象。为了降低由于热辐射引起的喷嘴温度降低的程度，在一个长度大约10mm的温度保持部分通过之后进行取样。
实例2
将约1.5ml的硅材料加入一个石墨坩埚中。该石墨坩埚具有20mm的外径，40mm的外部长度，其容积由内径10mm且长度30mm表示，并且容纳在一个陶瓷气密并且绝热的容器中，容器一端具有一个内径1mm且长度10mm的喷嘴。在进行颗粒制作即刻前，施加4.6kW的高频感应功率大约15分钟以稳定颗粒制作条件比如温度。施加大约500Pa的氮气压开始颗粒制作，从而制得具有平均直径大约1mm的硅球体。为了降低硅和石墨之间的反应程度以及由于氧气存在引起石墨燃烧的程度，在开始施加高频感应功率时在其中流速变为零的系统中保持大约100Pa的氮气压，以阻止此时的冷却现象。为了降低由于热辐射引起的喷嘴温度降低的程度，在一个长度大约10mm的温度保持部分通过之后进行取样。
实例3
将约1.2ml的硅材料加入一个石墨坩埚中。该石墨坩埚具有20mm的外径，40mm的外部长度，其容积由内径10mm且长度25mm表示，并且容纳在一个陶瓷气密并且绝热的容器中，容器一端具有一个内径1mm且长度10mm的喷嘴。在进行颗粒制作即刻前，施加3.6kW的高频感应功率大约20分钟以稳定颗粒制作条件比如温度。施加大约300Pa的氮气压开始颗粒制作，从而制得具有平均直径大约1mm的硅球体。为了降低硅和石墨之间的反应程度以及由于氧气存在引起石墨燃烧的程度，在开始施加高频感应功率时在其中流速变为零的系统中保持大约100Pa的氮气压，以阻止此时的冷却现象。为了降低由于热辐射引起的喷嘴温度降低的程度，在一个长度大约20mm的温度保持部分通过之后进行取样。所施加的高频感应功率低于实例2中的原因在于，通过在喷嘴的另一端在内径10mm且长度25mm的石墨坩埚上固定一个具有1mm内径孔的石墨盖用于气体加压而降低了热辐射。
实例4
将约1.2ml的硅材料加入一个石墨坩埚中。该石墨坩埚具有20mm的外径，40mm的外部长度，其容积由内径10mm且长度25mm表示，并且容纳在一个陶瓷气密并且绝热的容器中，容器一端具有一个内径1mm且长度10mm的喷嘴。在进行颗粒制作即刻前，施加高频感应功率3.6kW大约20分钟以稳定颗粒制作条件比如温度。施加大约200Pa的氮气压开始颗粒制作，从而制得具有平均直径大约1mm的硅球体。为了降低硅和石墨之间的反应程度以及由于氧气存在引起石墨燃烧的程度，在开始施加高频感应功率时在其中流速变为零的系统中保持大约100Pa的氮气压，以阻止此时的冷却现象。为了降低由于热辐射引起的喷嘴温度降低的程度，在一个长度大约20mm的温度保持部分通过之后进行取样。氮气压低于实例3中的原因在于沿喷嘴排出方向施加有频率30Hz且冲程约0.1mm的振动。施加振动以获得更尖锐的颗粒直径分布。当在颗粒直径1mm的排出条件下施加振动时，输出球体的直径变得小于1mm。
下面说明本发明人进行的熔化结晶有关的实验结果。
用于实验的设备：高功率、高速脉冲YAG激光焊接机，型号ML-2650A(由Miyachi Technos有限公司制造)
最大额定输出功率：500W
最大输出能量：70J/脉冲(脉冲宽度：10m/s)
脉冲宽度：0.5ms至30.0ms(步长：0.1ms)
脉冲重复频率：1pps至500pps
谐振波长：1.064μm
实例5
将体积对应于1mm直径球体的矿石压碎硅材料加入石英板的圆锥孔中。用50W的激光束照射硅材料30ms，从而获得直径大约1mm的结晶硅球体。
实例6
将体积对应于1mm直径球体的球形非晶硅材料加入石英板的圆锥孔中。用50W的激光束照射硅材料30ms，从而获得直径大约1mm的结晶硅球体。
实例7
将体积对应于1mm直径球体的球形非晶硅材料加入具有2.5mm内径的石英管中。用50W的激光束照射硅材料30ms，从而获得直径大约1mm的结晶硅球体。
实例8
将体积对应于1mm直径球体的球形非晶硅材料用粘合剂粘附在一根细丝上。用36W的激光束照射硅材料10ms，从而获得直径大约1mm的结晶硅球体。
每次激光束照射以如下方式进行，即通过监视器使激光束照射在以照射目标重心对应点为中心、直径约0.6mm的圆形区域。在通过冷却圆筒之后进行取样。
在此说明书中，术语“pin结”包括如下结构，n、i和p-型半导体层以所述顺序向内或向外排列地形成在近似球形的光电转换元件2上。
根据本发明制作的球形半导体颗粒为光电转换元件2。上述光电设备1可以用如此制作的光电转换元件2来构造。
本发明可以用其它的具体形式来加以实施而不会偏离其精神或主要特征。因而所述各实施例应当理解为在所有方面都只是例示性的而非限制性的，本发明的范围由所附的各权利要求给出而不是由前述说明给出，因此处于权利要求等同物的含义和范围内的所有变化均应包含在本发明中。

Claims (15)

1.一种光电设备，包括：
(a)多个光电转换元件，每个光电转换元件具有近似球形的形状并且包括一个第一半导体层和位于第一半导体层外部的一个第二半导体层，用于在第一与第二半导体层之间产生光电动力，第二半导体层具有一个开口，一部分第一半导体层通过该开口暴露出来；和
(b)支座，包括一个第一导体，一个第二导体，和一个位于第一与第二导体之间用于使第一与第二导体彼此电绝缘的绝缘体，该支座具有多个彼此相邻设置的凹槽，凹槽内表面由第一导体或者由形成于第一导体上的覆盖层构成，光电转换元件位于相应的凹槽中，使得光电转换元件由构成凹槽的第一导体部分或形成于其上的覆盖层部分所反射的光束加以照射，第一导体电连接至光电转换元件的第二半导体层，并且第二导体电连接至第一半导体层的暴露部分；
其中聚光比x＝S1/S2选择在2至8的范围内，其中S1为支座的各凹槽的开口面积，S2为光电转换元件包含其中心的截面的面积。
2.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于所述光电转换元件具有0.5mm至2.0mm的外径。
3.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于所述第二半导体层的开口具有45°至90°的圆心角θ1。
4.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于所述支座的凹槽具有相应的多边形开口，彼此相邻的开口是连续的，每个凹槽沿着向其底部方向变窄，并且每个光电转换元件的第一半导体层和第二半导体层在凹槽的底部或其附近分别电连接至第二导体和第一导体。
5.如权利要求4所述的光电设备，其特征在于所述第一导体设有圆形第一连接孔，该第一连接孔形成在凹槽的底部或其附近，所述绝缘体设有圆形第二连接孔，其与第一连接孔具有共同轴线，光电转换元件位于第二半导体层开口附近的部分固定在第一连接孔中，位于第二半导体层开口上方的外表面部分电连接至第一导体的第一连接孔的端面或者电连接至其该端面附近的部分，并且光电转换元件的第一半导体层的暴露部分通过所述第二连接孔电连接至第二导体。
6.如权利要求5所述的光电设备，其特征在于光电转换元件的外径D1、第二半导体层开口的内径D2、第一连接孔的内径D3以及第二连接孔的内径D4满足关系D1＞D3＞D2＞D4。
7.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于：
各光电转换元件具有0.8mm至1.2mm的外径，并且聚光比x＝S1/S2选择在4至6的范围内，其中S1为支座的各凹槽的开口面积，S2为光电转换元件包含其中心的截面的面积。
8.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于所述光电转换元件具有如下方式的pn结，即具有一种导电型的第二半导体层形成在具有另一种导电型的第一半导体层的外部，第二半导体层比第一半导体层具有更宽的光学带隙。
9.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于所述光电转换元件具有如下方式的pin结，即具有一种导电型的第一半导体层、非晶体本征半导体层、具有比第一半导体层更宽光学带隙的另一种导电型的非晶体第二半导体层以该顺序向外设置。
10.如权利要求8所述的光电设备，其特征在于所述第一半导体层和第二半导体层分别由n-型硅和p-型非晶体SiC制成。
11.如权利要求10所述的光电设备，其特征在于制成所述第一半导体层的n-型硅为n-型单晶硅或n-型微晶硅。
12.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于所述第一半导体层是直接带隙半导体层。
13.如权利要求12所述的光电设备，其特征在于所述直接带隙半导体层由选自如下组的半导体制成，该组包括InAs、GaSb、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP和CdTe。
14.如权利要求1所述的光电设备，其特征在于每个都具有向外延伸的外围部分的多个支座彼此相邻设置，并且彼此相邻的每对支座中一个支座外围部分的第一导体部分与另一支座外围部分的第二导体部分彼此叠置并且互相电连接。
15.如权利要求14所述的光电设备，其特征在于所述外围部分具有向上的突出部或向下的突出部，并且彼此相邻的每对支座中一个支座的向上突出部或向下突出部与另一支座的向上突出部或向下突出部彼此接触并且互相电连接。
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