CN1369919A - 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通过电流,向该半导体晶体衬底施加光以生成数对空穴和电子。通过使空穴与离子在与该电解液接触的半导体晶体衬底的正面内结合来蚀刻半导体晶体衬底,从而在其上形成至少一个表面不规则性结构。
Description
发明背景
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池和制造太阳能电池的方法，具体而言，是涉及一种在半导体晶体表面上具有组织化结构的太阳能电池以及形成这种组织化结构的方法。
相关技术的描述
太阳能电池一般地是由半导体材料如硅等形成，并且具有平的镜面表面用于接收阳光。该平镜表面被涂以一个防反射膜如氮化硅膜等，用于防止所作用的阳光从该平镜表面反射掉，如此可增加捕获阳光的效率。用于更高效率地捕获阳光的另一个方案是在该太阳能电池的半导体衬底的表面上提供一种组织化结构。
该组织化结构包括在半导体基底的表面上设置的细微的表面不规则性。该组织化结构可通过将其结晶表面是由(100)表面表示的衬底表面浸入一个专门的蚀刻液如酸或碱性液中来形成。特别地，当(100)表面是通过蚀刻液来形成时，它就会产生一个对应于(111)表面的金字塔形成表面不规则性。但是，在具有(111)表面的晶体衬底上形成该组织化结构是不容易的，即便是将其浸入到专门的蚀刻液中。另外，上述的“结晶表面”也可以称为“结晶面”或“结晶平面”。
按照产生组织化结构的另一种工艺方法，可以通过照相平版印刷在一个阻膜上形成一个组织化结构，随后通过蚀刻迁移到该衬底的表面上。其它过程包括在衬底表面上利用一个切割锯在衬底表面上机械地形成凹槽以及随后蚀刻该衬底表面，以及通过激光在衬底表面上形成组织化结构(textured structure)。当将这些处理方法施加给单晶硅或多晶硅衬底而不管它们的结晶表面时，就要涉及很复杂的步骤并且会导致组织化结构费用的增加。这种处理所带来的另一个问题是如此形成的组织化结构会对衬底表面形成机械损伤，有可降低所生成的太阳能电池的性能。
发明概述
因此，本发明的一个目标是提供一种具有组织化结构的太阳能电池，用于捕获照射到其上的更多的阳光，它可以简单地形成在半导化晶体衬底表面上，而不管其中的结晶结构如何；以及制造这种电池的方法。
按照本发明，提供一种制造太阳能电池的方法，包括：使半导体晶体衬底的正面与包含有氟化物的电解液接触，将一个电极放置在电解液中，在该电极与半导体晶体衬底之间通过电流并将光施加到半导体晶体衬底上以生成空穴和电子对，随后在与电解液接触的半导体晶体衬底的正面内通过组合该空穴与离子来蚀刻该电导体晶体衬底，由此至少形成一个表面不规则性结构。
半导体晶体结构包括一个具有(111)表面的单晶硅衬底或多晶硅衬底。
特别地，该半导体晶体衬底包括一个厚度最大为150μm的单晶硅衬底。
按照本发明，另外提供的一种太阳能电池包括一个厚度至多为150μm且具有(111)表面的半导体晶体衬底，而且在该半导体晶体衬底的表面设置有一个组织化结构。
在该太阳能电池中，该半导体晶体衬底包括一个单晶硅衬底或多晶硅衬底。
在该太阳能电池中，该组织化结构是通过如下方式形成：使该半导体晶体衬底的表面与包含有氟化物的电解液接触，在放置在该电解液内的电极与半导体晶体衬底之间通过电流，以及将光照射在该半导体晶体衬底上。
当由于光照射到半导体晶体衬底上而产生的空穴与电解液中的离子彼此结合时，就会发生上述的光-电解蚀刻过程，如此很容易地在半导体晶体衬底的正面上形成表面不规则性的组织化结构。通过该光-电解蚀刻形成的组织化结构不会依赖于该结晶表面，这种方法和太阳能电池可应用于具有(111)表面的晶体衬底。因此有可能利用提供高的光电转换效率的单晶硅衬底不太昂贵地制造出具有组织化结构的太阳能电池以增强捕获阳光的效率。
由于表面不规则性的组织化结构可以形成在厚度为150μm或更少且具有表面(111)的单晶硅衬底的表面上，就有可能提供一种具有高的光电转换效率的太阳能电池，并且足够灵活地应用到弯曲的表面上。
本发明的上述及其它目标、特征和优点可通过下面结合附图的详细说明而更清晰，该附图通过示例的方式说明了本发明的一个实施例。
附图说明
图1是用于通过光电解蚀刻而在晶体衬底的表面上形成组织化结构的设备的垂直横截面视图；
图2是表示通过将光作用到衬底上来蚀刻该晶体衬底的原理；
图3是太阳能电池模块的横截面图。
优选实施例的详细描述
下面首先描述按照本发明的制造太阳能电池的方法。
在本方法中，首先准备一个单晶硅衬底，此时，可在精确调整的层脱(pull-up)条件下从熔化的硅中连续地层脱一个厚度为150μm或更小的均匀单晶硅衬底，作为一个带状晶体。随后，该单晶硅衬底薄条被切割成具有有合适尺寸的矩形片。尽管该单晶硅衬底最好被掺杂以n型杂质，它也可以掺杂以p型杂质。在该优选实施例中，该单晶硅衬底将被处理成用于制造太阳能电池。但是，本发明也可应用于多晶硅衬底或复合型半导体衬底如砷化镓。
随后，该单晶硅衬底的表面利用光电解方法进行蚀刻以在其上形成表面不规则性的组织化图案。该单晶硅衬底的表面应当最好利用图1所示的设备用光电解方法来蚀刻。如图1所示，该设备包括一个在其内壁设有一个开口11a的容器11。一个晶体衬底15用一个密封13如O型圈等以水密封的方式安装在开口11a上方的容器11上。该晶体衬底15以覆盖开口中11a的方式由一个透明玻璃板19固定到容器11上，其中该玻璃板具有一个透明的电子导电薄膜17。该透明玻璃板19牢固地用固定器21和螺栓23固定到容器23上。
随后，包含氟化物的电解液，即氢氟酸(HF)溶液12被倒入该容器11内，在此该溶液与晶体衬底15紧密接触。因此，晶体衬底15的内表面(正面)与氢氟酸溶液12接触，而该晶体衬底15的相对的表面(即反面)与玻璃板19上的透明导电薄膜17接触。在氢氟酸溶液12中放置一个电极25，该电极25与DC电源27的负极连接。因此，该电极25就用作一个阴极或负极。DC电源27的正极通过端子29和透明导电膜17连接到晶体衬底15的反面。因此，该晶体衬底15在电解液中用作一个阳极或正极。
光源31如卤素灯等被布置成：从该光源发出的光通过该玻璃板19和透明导电膜17作用到晶体衬底15的反面。因此，当光线从光源31发出的时候，由用光的作用，具有正电荷的空穴和电子对就会在晶体衬底的反面上产生。并且设计这样一个电路：负电流从DC电源27开始，通过负极25和氢氟酸溶液12，以及随后从透明导电膜17到DC电源27。
如图2所示，在晶体衬底15的反面上形成的空穴通过该晶体衬底15移动到作为负极的衬底的正面，并且在晶体衬底15的正面区域与氢氟酸溶液12内的负离子组合，随后就会按照下式发生蚀刻反应：
由于该蚀刻反应是通过由衬底15的反面提供的空穴与提供给晶体衬底15的正面的负离子组合而产生的，沿垂直于晶体衬底15的平面的方向随机地蚀刻该晶体衬底15。因此该蚀刻反应是方向异性的。随着该蚀刻过程的进行，在衬底表面上(正面)至少形成一个表面不规则性结构，并且多个这样的表面不规则性结构被组合成一个组织化结构16。该氢氟酸溶液的浓度最好大约是10％，并且为了平滑地消除在蚀刻反应中产生的气体可以在氢氟酸溶液中混入一定比例的甲醇等。
再有，用于在(111)表面上形成组织化结构的蚀刻反应也可以在光线照射在晶体衬底15的正面时产生，如同光线照射在晶体衬底15的反面的时候。由于因采用光从衬底15的正面提供的空穴可在衬底15内移动并且易于聚集到在衬底15的正面最初形成的开口，因此，空穴可以在正面处与溶液12内的负离子组合，以便在其上形成该组织化图案。因此，可以当通过光电解蚀刻而在衬底的正面产生光时形成该组织化结构。
一种利用其表面上具有组织化结构的单晶硅衬底制造太阳能电池的方法将在下面详细地描述。
首先，准备一个厚度大约为150μm或更少的n型单晶硅衬底15，该单晶硅衬底15最好是利用上面所述的连续层脱工艺方法产生。利用氢氧化钾和氯化氢的混合液消除已被切割成合适尺寸的单晶硅衬底15的表面上的氧化物。清洁后的单晶硅衬底15安装在如图1所示的光电解蚀刻设备内，随后致动该光电解蚀刻设备以在单晶硅衬底15的表面上形成组织化结构。特别地，光线18(见图2)从卤素灯作用到单晶硅衬底15，并且单晶硅衬底15的正面保持与氢氟酸溶液12接触。一个电流从DC电源27提供给单晶硅衬底衬底15以便随机地蚀刻其正面，如此产生其上的微小表面不规则性的组织化结构。
随后，如图3所示，将杂质如硼热扩散进该单晶硅衬底15的正面形成一个p+层，将杂质如磷热扩散进该单晶硅衬底15的反面，形成一个n+层。在该单晶硅衬底15上的组织化结构16的上表面上形成一个防反射膜33如氮化硅。该防反射膜33最好是通过溅射或PECVD(等离子增强化学蒸汽沉积)方式形成的。
然后，该单晶硅衬底15的正面与反面按照丝网印刷工艺刷上一层胶，该胶主要由金属如银构成，其后所施加的胶被加热进入主要由金属构成的电极35。当加热该胶时，它渗透进防反射膜33并连接到单晶硅衬底15的正面上的导电层(p+)。可替换地，在扩散有杂质的层与电极形成在该单晶硅衬底(此时单晶硅衬底15没有组织化结构)的表面上后，就可以通过光电解蚀刻来形成一个组织化结构。利用厚度为大约150μm的单晶硅衬底15，可以将pn结布置在靠近该衬底的反面表面的衬底上。如上面所描述的，该制造方法的步骤次序可以相应地改变，利用该技术制造的电池可以互连以便在电池之间进行电连接。
其上产生有组织化结构的互连太阳能电池通过胶被结合到一个玻璃板或透明合成树脂板，并且该组件是真空密封的，如此就可以产生一个包含具有纹理结构的高效单晶硅衬底的太阳能电池模块。由于该单晶硅衬底15的厚度至多为150μm，该太阳能电池可以结合到一个弯曲的玻璃板或合成树脂覆盖的表面，如汽车的棚顶，该胶最好是由EVA(乙烯—醋酸—乙烯酯)等制造。该单晶硅衬底15的反面可用一个玻璃条、金属条如不锈钢或者高度防水的透明的聚四氟乙烯膜来保护。
如上面所述的，由于该单晶硅衬底15的厚度低于150μm，该太阳能电池模块是柔软的并且可以结合到一个弯曲的玻璃板或合成树脂覆盖表面。该单晶硅衬底15具有一个(111)结晶表面，因此可以在其表面上利用向该表面照射光通过上述的蚀刻过程而形成一个组织化结构。由于这种组织化结构在防止阳光被太阳能电池反射掉方面以及以高的捕获效率捕获照射的阳光方面具有很高的效率，该太阳能电池提供了很高的光电转换效率。本发明的太阳能电池易于使用并具有高的光电转换效率，并且可以以较低的制造成本生产。
在上面的实施例中，具有(111)表面的单晶硅衬底被处理成一个太阳能电池。但是，通过光电解蚀刻在多晶硅衬底或表面方向不是(111)表面的晶体衬底上也可形成组织化结构。
尽管上面详细地描述的本发明的一个优选实施例，应明白，可以从中做出各种变化和修改而不脱离所附权利要求书的范围。
Claims (6)
1.一种制造太阳能电池的方法，包括：
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通过电流，并且向所述半导体晶体衬底施加光，以生成空穴和电子对；以及
通过在与所述的电解液保持接触的半导体晶体衬底的正面内使所述空穴和离子结合来蚀刻所述半导体晶体衬底，由此形成至少一个表面不规则性结构。
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具有(111)表面的多晶硅衬底或单晶硅衬底。
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厚度的单晶硅衬底。
4.一种太阳能电池，包括其厚度至多为150μm且具有(111)表面的半导体晶体衬底和布置在所述半导体晶体衬底的表面上的组织化结构。
5.根据权利要求4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。
6.根据权利要求4所述太阳能电池，其特征在于：
按以下方式形成所述的组织化结构：通过使所述半导体晶体衬底的表面与含有氟化物的电解液接触，在放置在所述的电解液内的电极与所述的半导体晶体衬底之间通过电流，并向所述半导体晶体衬底施加光。
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