CN1367538A - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

使半导体晶体衬底的一个正面与含有氟化物的电解液接触,将一个电极放置于该电解液中。在该电极和半导体晶体衬底之间产生电流,向该半导体晶体衬底的反面施加光,生成数对空穴和电子。通过使空穴和电解液中的离子结合来蚀刻半导体晶体衬底,从而在半导体晶体衬底中形成多个通孔。

Description

太阳能电池及其制造方法
发明背景
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池和一种制造太阳能电池的方法，具体而言，是涉及一种具有多个定义于半导体晶体衬底中的通孔的透视型太阳能电池和定义这种通孔的方法。
相关技术的描述
迄今为止，非晶硅构成的太阳能电池已被广泛使用。该非晶硅太阳能电池具有约数μm(微米)的小薄膜厚度，可很好地进行批量生产，并可被容易地机加工。该非晶硅太阳能电池可充分地满足市场上对透视型太阳能电池的需求，它具有多个微小的通孔，可提高太阳辐射接收效率和提高可设计性。
但是，因为该非晶硅太阳能电池的光电转换效率低，所以其应用范围有限。因此，使用单晶或多晶硅衬底的太阳能电池最好用于需要高光电转换效率的领域。然而，该单晶或多晶硅衬底比数μm(微米)厚的非晶硅薄膜厚数十倍。生产透视型太阳能电池时，在厚的单晶或多晶硅衬底中形成多个微小的通孔的过程将花费大量的时间和能量，导致透视型太阳能电池的制造成本上升的问题。
特别是，迄今为止，已习惯于根据激光打孔过程或使用碱性溶液的蚀刻处理在透视型太阳能电池中形成多个微小的通孔。然而，这些过程主要目的在于加工具有约数μm(微米)厚度的薄膜。即使将这些过程应用于至少100μm(微米)厚的硅晶体衬底，也难以在短期内以低成本在衬底中生产出多个微小的通孔。
发明概述
因此，本发明的一个目的是提供一种透视型太阳能电池，该电池具有高的光电转换效率，可以低成本制造，和制造这种透视型太阳能电池的方法。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种制造太阳能电池的方法，包括以下步骤：使半导体晶体衬底的一个正面与含有氟化物的电解液接触；将一个电极放置于该电解液中；在该电极和半导体晶体衬底之间产生电流，向该半导体晶体衬底的反面施加光，生成数对空穴和电子，空穴移动到半导体晶体衬底的正面上；通过使空穴和电解液中的离子结合来蚀刻半导体晶体衬底，在半导体晶体衬底中形成多个通孔。
该半导体晶体衬底包括一单晶硅衬底或一多晶硅衬底。另外，该半导体晶体衬底还包括具有至多150μm(微米)厚度的衬底。
根据本发明的另一方面，还提供一种太阳能电池，该电池包括具有至多150μm(微米)厚度的半导体晶体衬底，和定义于其中的多个通孔。
在该太阳能电池中，该半导体晶体衬底包括一单晶硅衬底或一多晶硅衬底。
最好通过使半导体晶体衬底的一个表面与含有氟化物的电解液接触，产生一通过该半导体晶体衬底的电流，并向该半导体晶体衬底的相对表面施加光。可通过用激光束照射打孔来形成通孔。
利用上述设置，因为通过将光应用于半导体晶体衬底反面而产生的空穴和包含氟化物的电解液中的离子彼此结合来执行蚀刻处理(光电解蚀刻处理)，该蚀刻处理可产生衬底的高线性蚀刻。因此，可利用简单设备以低成本在具有的多于100μm(微米)或更大厚度的晶体衬底中容易地形成多个通孔。
可使用结晶硅衬底来提供一种高设计性的透视型太阳能电池，该电池可提供高的光电转换效率。因为该结晶硅衬底具有至多150μm(微米)的相对小的厚度，所以该太阳能电池可变形。通过根据太阳能电池的应用所期望的那样来改变孔口(opening)面积比，可改变太阳能电池的阻光比(light-blocking)ratio)。
结合附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点将从下面的描述中变得明显，附图通过举例说明了本发明的一个最佳实施例。
附图的简要描述
图1是通过光电解液蚀刻在晶体衬底中形成通孔的装置的剖面图；
图2是表示基于光的应用的电解蚀刻原理的示意图；
图3是图1所示装置的变更；和
图4是太阳能电池模块的剖面图。
最佳实施例的详细描述
下面描述根据本发明的太阳能电池的制造方法。在该方法中，首先制备单晶硅衬底。此时，在精确调整层脱(pull-up)条件下连续地从大量熔化单晶硅中层脱厚度为150μm(微米)或更小的均匀单晶硅衬底。接着，将单晶硅衬底切成具有适当尺寸的矩形片。尽管该单晶硅衬底最好搀杂n型杂质，但也可搀杂p型杂质或具有p-n结。在本实施例中，处理该单晶硅衬底来制造太阳能电池。然而，本发明还可应用于多晶硅衬底或复合半导体衬底，例如砷化镓等。
通过CVD(化学汽相淀积)等在单晶硅衬底的整个表面(正面)上形成例如氮化硅膜等绝缘膜。接着，通过光刻和蚀刻在绝缘膜中形成多个微小的孔口。该微小孔口最好是具有50至400μm(微米)范围直径的圆孔，并以规则间隔排列，以提供约20％的孔口面积比。根据太阳能电池的应用来将微小孔口的直径和孔口面积比设置成期望的值。
接着，穿过定义于绝缘膜内的孔口来蚀刻单晶硅衬底，从而在单晶硅衬底中形成多个通孔。最好用图1所示装置对单晶硅衬底进行蚀刻。如图1所示，该装置包括一容器11，该容器11具有定义于其侧壁上的孔口11a。通过例如O型圈等密封13以防水方式将晶体衬底15安装于容器11的孔口11a上。晶体衬底15固定于容器11上，通过具有透明导电膜17的透明玻璃板19来覆盖孔口11a。透明玻璃板19通过夹具21和螺栓23牢固地固定于容器11上。
接着，将含有氟化物的酸性电解液、即氢氟酸溶液引入容器11中，其中，溶液与晶体衬底15保持接触。接着，对应于绝缘膜16中的孔口的晶体衬底15的区域与氢氟酸溶液接触，且晶体衬底15的相反表面(反面)与玻璃板19上的透明导电膜17保持接触。将电极25放置于氢氟酸溶液中，并与DC电源27的负极相连接。因此，电极25作为阴极或负极。DC电源27的正极穿过端子29和透明导电膜17与晶体衬底15的反面连接。因此，晶体衬底15作为阳极或正极。
定位卤素灯等光源31，因此来自光源31的光穿过玻璃板19和透明导电膜17施加于晶体衬底15的反面上。于是，通过应用光，在晶体衬底15的反面上生成具有正电荷的数对空穴和电子。现在生成一电路，其中，负电流从DC电源27经过负极25、氢氟酸HF溶液后从透明导电膜17流到DC电源27。
如图2所示，形成于晶体衬底15的反面上的空穴根据电流经过晶体衬底15移动到其正面。在作为负极与溶液接触的正面上，空穴在晶体衬底15的孔口处与氢氟酸(HF)溶液中的负离子结合，这些离子游离于绝缘膜并与氢氟酸(HF)溶液直接接触。之后，根据下式进行蚀刻反应：
因为通过衬底15的反面所提供的空穴和电解液所提供的负离子的结合而在晶体衬底15正面绝缘膜中的孔口处产生蚀刻反应，所以沿垂直于晶体衬底15平面的方向蚀刻晶体衬底15。因此，蚀刻反应是各向异性的。当蚀刻反应加工形成的空穴到达晶体衬底15的反面时，在晶体衬底15中形成通孔。尽管图2中示出单个蚀刻区，但由于定义于绝缘膜中的孔口，也可同时在晶体衬底15中形成多个这种通孔。氢氟酸(HF)溶液最好具有约2.5-10.0％的浓度，为了顺利去除蚀刻反应产生的氢气，也可在氢氟酸(HF)溶液中混入一定比例的甲醇等。
图3表示在衬底中形成通孔的另一实施例。在本实施例中，在光的入口侧设置具有多个孔口37的作为掩模(mask)的屏板35，代替在衬底上形成绝缘膜和在绝缘膜中形成孔口。将氢氟酸(HF)溶液引入容器11中，其中，溶液与晶体衬底15保持接触。将具有多个孔口37的屏板35设置得与透明玻璃板19相邻，且晶体衬底15的反面与玻璃板19上的透明导电膜17接触。在氢氟酸(HF)溶液中设置电极25，并与DC电源27的负极相连接，以形成电路。来自平行光源39的平行光照射到屏板35上，该光选择性地通过屏板35的孔口37照射到衬底15的反面上。如上所述，在选择性地照射光的部分进行光电解蚀刻。因此，根据屏板35的孔口图案来选择性地进行晶体衬底15中的各向异性蚀刻。因此，通过使用具有孔口的屏板，可同时在晶体衬底中形成多个通孔，如在衬底上形成绝缘层和在绝缘膜中形成孔口的情况下。
为了在晶体衬底中形成多个通孔，可使用激光束打孔。可容易地使用YAG激光来短时间内在厚度约为150μm(微米)的晶体衬底中形成多个通孔。通过YAG激光束打孔，可在孔口面积比为1-30％下任意地形成具有直径为0.5-2.0mm的通孔。具体而言，根据本发明，因为半导体晶体衬底的厚度为约小于150μm(微米)的相对薄的厚度，所以形成通孔花费较短的时间，为厚度为350μm(微米)衬底的1/7倍。另外，通过使用YAG激光束打孔，可容易地调整通孔的直径。由于可调整每个通孔的直径和位置，通过形成任意字形、数字模式或图形模式，可在衬底中获得光传送的任意模式。
下面描述使用上述具有多个微小通孔的单晶硅衬底来制造太阳能电池模块的方法。
首先，当例如氮化硅膜等绝缘膜已被用作掩模来形成通孔时，从晶体衬底15上去除绝缘膜。在本实施例中，事先向整个晶体衬底15中搀入杂质，生成n-层。
接着，向晶体衬底15的表面中扩散例如磷等杂质，在衬底的正面上形成一n+层。接着，用铝胶涂布晶体衬底15的反面，之后加热并扩散到衬底中，在其反面上形成p层。这样，形成一pn结。接着，在衬底的表面上形成氮化硅等防反射膜。在晶体衬底15的每个正面和反面上都形成主要由金属细粉末构成的导电膜图案，之后加热以形成由银等构成的互联电极，这些电极与晶体衬底15正面和反面上的n+层和p层连接。通过粘接剂将如此形成的具有电极的晶体衬底15与玻璃板或合成树脂板粘合，并真空密封该配置，从而生成太阳能电池模块。粘接剂最好由EVA(醋酸乙烯酯)等构成。可用玻璃片、例如铝或不锈钢等金属片或具有高防水性的透明特氟纶膜来保护晶体衬底15的反面。
在上述实施例中，在使用氮化硅膜作为掩模形成通孔后，形成扩散层。然而，在形成扩散层后，可将氮化硅膜形成为掩模，并接着使用该掩模来形成通孔。根据该改进，氮化硅膜可用作防反射膜。另外，还可用例如将屏板作为掩模或激光束打孔等其它方法来在衬底中形成通孔。
下面参照图4来描述太阳能电池模块的结构。如图4所示，单晶或多晶硅衬底1被搀杂成n-型，并在其正面上具有一n+层，在其反面上具有一p+层。结晶硅衬底1具有150μm(微米)或更小的厚度，并具有多个定义于其中的微小通孔2。尽管结晶硅衬底1最好具有约20％的孔口面积比，但可通过根据太阳能电池的应用来如期望地改变孔口面积比来改变结晶硅衬底1的阻光比。金属电极3、4设置于结晶硅衬底1的相反表面上，并在模块中互联，图中未示。在玻璃或透明合成树脂板5、6之间真空密封结晶硅衬底1。
因为结晶硅衬底1具有150μm(微米)或更小的相对小的厚度，所以太阳能电池模块可变形，并可粘合到弯曲的玻璃板或合成树脂盖上。结晶硅衬底1在其表面附近具有p-n结，具有高的光电转换效率。因为可根据光的应用通过上述蚀刻处理以期望的孔口面积比形成高线性微小通孔，所以该太阳能电池是具有高设计性的透视型电池，并可以低成本来制造。
虽然详细显示和描述了本发明的一个最佳实施例，但应该明白，在不脱离下述权利要求的范围下，可进行各种改变和改进。

Claims (11)

1.一种制造太阳能电池的方法，包括以下步骤：
使半导体晶体衬底的一个正面与含有氟化物的电解液接触；
将一个电极放置于所述电解液中；
在所述电极和所述半导体晶体衬底之间产生电流，向所述半导体晶体衬底的反面施加光，以生成数对空穴和电子，所述空穴移动到所述半导体晶体衬底的所述正面上；和
通过使所述空穴和所述电解液中的离子结合来蚀刻所述半导体晶体衬底，由此在所述半导体晶体衬底中形成一通孔。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
所述半导体晶体衬底包括一单晶硅衬底或一多晶硅衬底。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
所述半导体晶体衬底包括一具有至多150μm(微米)厚度的衬底。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：进一步包括：
在所述半导体晶体衬底的一个面上沉积一绝缘膜；
在所述绝缘膜中形成多个孔口；和
通过所述孔口，对所述半导体晶体衬底进行蚀刻，以形成多个通孔。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
所述绝缘膜包括氮化硅膜。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
提供一具有多个孔口的掩模，以选择性地将光照射在所述半导体晶体衬底的反面上。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：
所述掩模包括一具有多个孔口的屏板。
8.一种太阳能电池，该电池包括：
具有至多150μm(微米)厚度的半导体晶体衬底和定义于其中的多个通孔。
9.根据权利要求8所述太阳能电池，其特征在于：
所述半导体晶体衬底包括一单晶硅衬底或一多晶硅衬底。
10.根据权利要求8所述太阳能电池，其特征在于：
按以下方式形成所述通孔：通过使所述半导体晶体衬底的一个正面与含有氟化物的电解液接触，产生一通过所述半导体晶体衬底的电流，并向所述半导体晶体衬底的反面施加光。
11.根据权利要求8所述太阳能电池，其特征在于：
通过用激光束选择性地照射打孔来形成所述通孔。
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