CN1455959A - 光电元件及组件 - Google Patents
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Abstract
一种光电元件，带有至少一个具有某种基本掺杂的三晶体晶片(2)、光接收面(3)、与光接收面相对的电结合面(4)、以及设置在电结合位置(4)上的至少一个交叉指形半导体结构(5)，具有至少一个n型半导体部分结构(6)和与n型半导体部分结构(6)具有预定间隔(8)排列的至少一个p型半导体部分结构(7)。半导体部分结构之一和硅晶片(2)由此形成一个p－n结(9)。
Description
本发明涉及用硅晶片制造光电元件的制造方法以及具有至少一个硅晶片的光电组件。硅晶片具有预定的基本掺杂、光接收面、远离光接收面的电结合面、以及排列在电结合面上至少一个交叉指形半导体结构，交叉指形半导体结构具有至少一个n型半导体部分结构以及排列在距离n型半导体部分结构预定距离处的至少一个p型半导体部分结构。半导体部分结构中的一个和硅晶片形成p-n结。
这种光电元件公开在德国专利申请公开No.195 25 720中。
制造已知的元件包括以下步骤：
(a)提供硅晶片，具有光接收面和与光接收面相对的电结合面，具有p型掺杂形式的预定基本掺杂；
(b)在电结合面向硅晶片提供钝化层；
(c)在电结合面的钝化层中制成多个一个挨一个排列的槽，槽可以延伸到硅晶片内；
(d)在硅晶片中槽处形成n型掺杂区以得到n型半导体部分结构；
(e)在钝化层上相邻槽之间形成多个P型厚膜电接触部，以得到p型半导体部分结构和接触部分结构；以及
(f)在每个槽中形成薄膜接触部以得到辅助接触部分。
光电元件是一种用于将电磁能转变成电能的太阳能电池。元件的中心部分是硅晶片。硅晶片为平坦的单晶硅体，两个主要表面的取向相反。硅晶片的厚度通常约160μm(微米)或更多，基本上小于硅晶片的横向伸展长度(直径)。硅晶片的横向伸展长度约10cm。
硅晶片用硅作为它的半导体基底材料。此外，硅晶片具有预定的基本掺杂(basic doping)。预定的基本掺杂意味着将预定的掺杂剂或杂质原子引入到基底材料内，用于改变基底材料的电性能。掺杂得到两种导电类型，p型导电类型和n型导电类型。用于硅的合适掺杂剂为用于产生p型导电类型的元素周期表第三主族元素和用于产生n型导电类型的元素周期表第五主族元素。
硅晶片具有光接收面(正面)，可以提供有结构。当光电元件工作时，电磁辐射通过光接收面进入硅晶片内。为了将电能提供到外部电路，交叉指形半导体结构排列在硅晶片的电结合面(背面)。该半导体结构由n型半导体部分结构和p型半导体部分结构组成。半导体部分结构中的一种与硅晶片一起形成p-n结，该结对于产生光电流很必要。
半导体部分结构以相距预定的距离排列。这意味着在交叉指形半导体部分结构之间没有p-n结。半导体部分结构例如为栅格形或指形。它们由多个金属薄条(web)组成，其中一个半导体部分结构的一个金属薄条例如通过槽或间隔与另一个半导体部分结构的一个薄条隔开。以一个表面尽可能大的方式将半导体部分结构相互结合，该表面由相对排列的p和n型的半导体部分结构形成。
半导体部分结构中的一种与硅晶片一起形成光电元件的基底。半导体部分结构中的另一个形成光电元件的发射极。为了电接触交叉指形半导体结构，交叉指形接触结构安装在交叉指形半导体结构上，交叉指形半导体结构具有用于电接触n型半导体部分结构的半导体部分结构，以及用于电接触p型半导体部分结构的接触部分结构。
本发明的一个目的是提供一种基于硅晶片制备光电元件的电结合面的简单方法。
为此，本发明提供一种光电元件的制造方法，方法包括为具有光接收面和与光接收面相对的电结合面的硅晶片提供预定的基本掺杂，特征在于方法还包括以下步骤：
(a)在硅晶片的电结合面上形成掺杂层(doped layer)，其中掺杂层的掺杂与硅晶片的预定掺杂不同，以在硅晶片中得到p-n结；
(b)以对应于交叉指形半导体部分结构的形式，在掺杂层上施加用于产生n型半导体部分结构的n型掺杂剂和产生p型半导体部分结构的p型掺杂剂，使掺杂剂扩散到掺杂层内，由此形成半导体部分结构；以及
(c)通过除去半导体部分结构之间间隔中的掺杂层，隔开半导体部分结构。
根据本发明方法的优点在于不必在钝化层中形成沟槽，因此根据本发明的方法可以更简单和经济。
硅晶片的层厚度限制到160μm或更多。这可以由所讨论类型的光电元件配备有单晶硅晶片的事实解释。低于160μm的层厚度不能保证单晶硅晶片的机械稳定性。为了具有较小厚度的硅晶片，合适的硅晶片为三晶体硅晶片，如德国专利申请公开No.43 43 296中介绍的。
根据本发明的方法，进行所谓的背面结合硅晶片或光电元件。以此方式，可以用硅晶片防止光电元件的遮蔽，同时可以确保在160μm以下的层厚度硅晶片的机械稳定性。
硅晶片的预定基本掺杂为n型或p型基本掺杂，其中n型掺杂主要为负电荷(电子)，p型主要为正电荷(空穴)。因此n型半导体部分结构或p型半导体部分结构与硅晶片形成p-n结。这意味着硅晶片和半导体部分结构中的一种形成光电元件的基底。通过另一种半导体部分结构形成光电元件的发射极。
硅晶片的光敏材料吸收光子导致发生电荷分离。掺杂形成某种少数电荷载流子。对于p型掺杂，上述少数带电载流子为电子，对于n型掺杂，少数带电载流子为“荷正电”的电子空穴。掺杂层具有与硅晶片的预定基本掺杂相反的掺杂。这意味着对于n型基本掺杂的硅晶片，掺杂层为p型掺杂，反之亦然。
根据另一实施例，光接收面和/或硅晶片的电结合面提供有钝化层。钝化层直接施加在硅晶片的表面上，显著降低了发生表面电荷复合减少光电流的可能性。电结合面上的钝化层还起到了使p和n型半导体部分结构相互绝缘的作用。钝化层位于p和n型半导体部分结构之间的间隔中。钝化层含有特别选自氧化硅和/或氮化硅组成的组的钝化剂。
在另一实施例中，至少一个密封层施加在钝化层上，其中密封层包括至少一个透明材料。特别是光接收面上钝化层上的密封层由透明材料组成。透明材料确保了电磁辐射能穿过光电有源硅晶片。优选透明材料不易感光。这意味着在光电元件的工作期间密封层的透明材料的透射性基本保持不变。例如通过光致(photo-induced)过程不会减少对于某个波长的电磁辐射的透射性。优选在300nm(纳米)和1200nm之间的区域中密封透明。在该区域中，硅吸收了电荷分离需要的电磁辐射。特别是透明材料选自玻璃和/或乙基乙烯乙酸酯(EVA)。除此之外，可以使用在使用光电元件的条件下不易感光的任何其它合成材料。使用条件涉及例如一个波长区域和一个电磁辐射强度。
本发明还涉及光电组件，具有光接收面和与光接收面相对的电结合面，组件包括具有预定基本掺杂的至少一个硅晶片，该至少一个硅晶片具有光接收面和与光接收面相对的电结合面，设置晶片以便晶片的光接收面形成光电组件的光接收面，电结合面形成光电元件的电结合面，以及结合面处硅晶片之间的电接头，特征在于晶片为具有预定基本掺杂的三晶体硅晶片，并且在于每个晶片在结合面提供至少一个交叉指形半导体结构，该交叉指形半导体结构包括至少一个提供有第一接触部分结构的n型半导体部分结构和至少一个提供有第二接触部分结构的p型半导体部分结构，其中n型半导体部分结构或p型半导体部分结构与晶片形成p-n结。
每个硅晶片自身形成太阳能电池形式的光电元件。硅晶片链(chain)一起形成太阳能组件。这种布局的特别的优点在于与p型半导体部分结构和n型半导体部分结构的电接触部设置在硅晶片的一面上，由此可以容易地自动制造。与太阳能电池的两面上电结合相比，带搭叠(lapping)、互连、叠合以及密封太阳能电池或太阳能组件显著增加了产量。废弃不用的是将几个太阳能电池结合到一个太阳能组件内的复杂互连，其中太阳能电池的光接收面和结合面必须通过折叠或弯曲的金属接触带无张力连接。
下面参考附图更详细地介绍本发明，其中：
图1a和1b每个示意性地示出了光电元件的剖面图；
图2示意性示出了部分光电元件的剖面图；
图3a和3b每个示意性地示出了交叉指形结合结构的平面图；以及
图4a和4b示意性示出了制造光电元件的各工艺阶段。
光电元件1为太阳能电池101，由硅晶片2组成(图1a)。硅晶片2用硼作为它的掺杂剂，由此预定基本掺杂为p型掺杂。
硅晶片2具有约100μm的层厚度22。硅晶片具有光接收面3。在光电元件1的工作期间，电磁辐射19进入光电有源硅晶片2。在硅晶片2的光接收面3上设置有氧化硅的钝化层10。密封11设置在钝化层10上。密封11为抗反射层，用于增加光耦合到硅晶片2内。硅晶片2还包括在与光接收面3相对的硅晶片2面上的电结合面4。在电结合面4上排列有一个交叉指形半导体结构5。半导体结构5由n型半导体部分结构6和p型半导体部分结构7组成。
设置这些半导体部分结构以便在它们之间存在中间空间或间隔8(参见图2)。n型半导体部分结构6和p型半导体部分结构7不具有公共的p-n结。相反，n型半导体部分结构6和p型掺杂的硅晶片2形成p-n结9。
电结合面4也具有钝化层10。钝化层10排列在交叉指形半导体结构6和7之间的电结合面4的表面上。钝化层10不仅用于减少分开电荷载流子的光电流减少表面电荷复合。钝化层10也将n型半导体部分结构6和p型半导体部分结构7相互电绝缘。
为了电接触光电元件1，交叉指形半导体结构5被提供有交叉指形接触结构16，包括用于电连接n型半导体部分结构6的第一接触部分17和用于电连接p型半导体部分结构7的第二接触部分结构18。交叉指形接触结构16的金属薄条宽度基本上对应于交叉指形半导体结构5的金属薄条宽度。
第一可能的交叉指形接触结构16以及因此交叉指形半导体结构5显示在图3a中。第一和第二接触部分结构17和18以及因此n型和p型半导体部分结构6和7由此形成梳形或指形结构。这些部分结构相互接合(interengage)同时不相互接触。交叉指形接触结构16和交叉指形半导体结构5的另一实施例再现在图3b中。
本发明还提供一种光电组件102形式的光电元件1，参见图1b。光电组件102包括以上介绍的多个硅晶片2(太阳能电池101)。设置太阳能组件102的硅晶片2以下面的方式形成链12：硅晶片2的光接收面3形成光电组件102的公共光接收面13，硅晶片2的电结合面4形成光电组件102的公共结合面14。硅晶片2取向一致地并排排列。硅晶片2的链12为太阳能组件102，由各太阳能电池101或各硅晶片2的容易制造的电串联互连接头15形成。太阳能组件102整体嵌在乙基乙烯乙酸酯的密封材料111中。密封材料111和太阳能组件102一起嵌在玻璃的第二密封材料112中。在另一实施例中，外部密封由不同透明材料的玻璃组成。
现在参考示出了根据本发明方法的几个阶段的图4a和4b。
在本发明的方法中，首先提供具有光接收面和与光接收面相对的电结合面的硅晶片2，其具有预定的基本掺杂。为此，从p型掺杂的硅(硼掺杂)的晶体上切割下硅晶片。通过常规的方法清洁硅晶片，并通过腐蚀除去任何表面不平整之处。切割期间，微裂纹可能出现在硅晶片的表面上，可以通过腐蚀工艺除去。这样增加了硅晶片的机械稳定性。
含液态磷的组合物抛射(flung)到要制备的硅晶片2的电结合面4上(工艺阶段401)。合适的组合物为Merck公司的phosphorous(磷)-Silodop B-430，其含有磷离子和四乙基硅酸盐、乙醇、乙酸乙酯以及乙酸(phosphorous-Silodop B-430为商标)的混合物。施加组合物产生硅晶片和施加其上的含磷层24的组合层23。磷层24为几μm厚。在约200℃加热10分钟组合层23，使含磷层硬化(工艺阶段402)。
然后磷从硬化的含磷层扩散到p型硅晶片2内(工艺阶段403)。用n型掺杂制备掺杂层25。在约850℃的温度同时退火30分钟可以实现。所得掺杂层25生成光电元件1工作需要的p-n结9。掺杂层25为几十μm厚。
在硬化含磷层期间或磷扩散期间，形成磷玻璃层26。制造掺杂的层25之后，用氢氟酸水溶液腐蚀该磷玻璃层26(工艺阶段404)。
现在在掺杂层25之上或之中形成交叉指形半导体结构5。为此，p和n型掺杂剂施加到在掺杂层25。(工艺阶段405)。这可以借助丝网印刷法实现，其中以对应于要制备的交叉指形半导体部分结构6和7的形式印刷含n型掺杂剂27的n膏30和含p型掺杂剂28的p膏31(金属薄条的宽度29在40和100μm之间)。膏30和31作为n和p型掺杂剂27和28的源。
掺杂剂27和28在连续式加热炉中被烧上。烧上(burning-in)期间，含在p膏31中的掺杂剂(铝)穿过(烧过(rired through))n型掺杂层25。在该工艺期间，在p膏31下掺杂层25的n型掺杂被过度补偿。这导致p型半导体部分结构7与p型硅晶片2电接触。烧上期间在n膏30下产生n型半导体部分结构6。n膏30的烧上期间，掺杂层25的n型特性保持不变。
此外，烧上期间形成了交叉指形接触结构。由p膏31产生用于p型半导体部分结构7的电接触的第二接触部分结构18，由n膏30下产生用于电结合n型半导体部分结构6的第一接触部分结构17。
为了在p型半导体部分结构6和n型半导体部分结构7之间进行电绝缘，等离子腐蚀电结合面4，其中的交叉指形接触结构16被用做腐蚀掩模(工艺阶段407)。由此n和p型半导体部分结构6和7之间没有被接触部分结构17和18覆盖的掺杂层25的空闲空间被腐蚀到硅晶片2。形成n和p型半导体部分结构6和7相互隔开的腐蚀沟槽。
p型半导体部分结构7和硅晶片2一起形成光电元件1的基底32。n型半导体部分结构6形成光电元件1的发射极33。
为防止表面电荷复合和额外绝缘n和p型半导体部分结构6和7，在n和p型半导体部分结构6和7之间的硅晶片2的表面上形成氧化硅的钝化层10上(工艺阶段408)。
合适的硅晶片为三晶体晶片，从p型掺杂(掺硼)的三晶体硅上切下。
在以上介绍的例子中，硅晶片2被提供有p型掺杂，掺杂层为n型。然而，在本发明的另一实施例中，硅晶片被提供有n型掺杂，掺杂层为p型。用于硅的合适掺杂剂为用于产生p型掺杂的元素周期表第三主族元素和用于产生n型掺杂的元素周期表第五主族元素。
根据本发明的方法容易通过自动的方式制造元件，因此是更经济的方法。本发明还涉及太阳能组件形式的元件的互连。由此可以获得20％的元件的额定效率。
Claims (9)
1.一种光电元件的制造方法，方法包括为具有光接收面和与光接收面相对的电结合面的硅晶片提供预定的基本掺杂，特征在于方法还包括以下步骤：
(a)在硅晶片的电结合面上制成掺杂层，其中掺杂层的掺杂与硅晶片的预定掺杂不同，以在硅晶片中得到p-n结；
(b)以对应于交叉指形半导体部分结构的形式，在掺杂层上施加用于产生n型半导体部分结构的n型掺杂剂和产生p型半导体部分结构的p型掺杂剂，使掺杂剂扩散到掺杂层内，由此形成半导体部分结构；以及
(c)通过除去半导体部分结构之间间隔中的掺杂层，隔开半导体部分结构。
2.根据权利要求1的方法，其中硅晶片为三晶体硅晶片。
3.根据权利要求1或2的方法，其中步骤(b)包括以对应于交叉指形半导体部分结构的形式，在掺杂层上施加含n型掺杂剂的金属膏和含p型掺杂剂的金属膏，以及烧上掺杂剂形成半导体部分结构和交叉指形接触结构。
4.根据权利要求1-3中任何一个的方法，其中使用p掺杂对硅晶片进行基本掺杂，使用磷作为掺杂剂制备掺杂层。
5.根据权利要求4的方法，其中含液体磷的溶液被施加在硅晶片上以得到要加热的组合物。
6.根据权利要求1-5中任何一个的方法，还包括在硅晶片的光接收面上和/或电结合面上施加钝化层。
7.据权利要求6的方法，其中施加钝化层包括施加一层二氧化硅或氮化硅。
8.根据权利要求6或7的方法，还包括在钝化层上施加至少一个密封层，其中密封层包括至少一种透明材料。
9.一种光电组件，具有光接收面和与光接收面相对的电结合面，组件包括具有预定基本掺杂的至少一个硅晶片，该至少一个硅晶片具有光接收面和与光接收面相对的电结合面，设置该晶片以便晶片的光接收面形成光电组件的光接收面，电结合面形成光电元件的电结合面，以及结合面处硅晶片之间的电连接，特征在于该晶片为具有预定基本掺杂的三晶体硅晶片，并且在于每个晶片在结合面提供有至少一个交叉指形半导体结构，该交叉指形半导体结构包括至少一个提供有第一接触部分结构的n型半导体部分结构和至少一个提供有第二接触部分结构的p型半导体部分结构，其中n型半导体部分结构或p型半导体部分结构与该晶片形成一个p-n结。
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