TW201427052A - 寬能隙光伏裝置及其製造方法 - Google Patents

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Kuniaki Shida
Daisuke Okumura
Jose Briceno
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Abstract

本發明揭示一種寬能隙異質接面光伏材料，其包括一塊體層、一高電阻率層及一微晶碳化矽層。藉由加熱一單件式半導體材料以在一塊體層上形成一高電阻率層而形成該異質接面半導體材料，該高電阻率層在頂面處具有碳化矽(SiC)種晶。在該高電阻率層上濺鍍一層SiC，且使該結構退火。該退火及該等SiC種晶導致該濺鍍SiC層轉換為一微晶立方碳化矽(β-SiC)層。當使用一p型SiC靶材來濺鍍該層SiC時，在該高電阻率層上形成一p型SiC層。該異質接面材料可展現光伏性質。應用包含用該異質接面材料形成一光伏裝置。

Description

寬能隙光伏裝置及其製造方法 [相關申請案之交叉參考]
本申請案主張2012年12月17日提交之名稱為「Wide Band Gap Photovoltaic Device And Process of Manufacture」之美國臨時申請案第61/738,375號(參考號P5)、2012年11月5日提交之名稱為「Photovoltaic Cell and Methods for Manufacture」之美國臨時申請案第61/722,693號(參考號P3)及2012年4月2日提交之名稱為「Single-Piece Photovoltaic Device」之美國臨時申請案第61/619,410號之權利。
本申請案係關於共同待審之與本發明同日提交之名稱為「Single-Piece Photovoltaic Device」之美國申請案第13/---號(參考號P2)及與本發明同日提交之名稱為「Photovoltaic Cell and Methods for Manufacture」之美國申請案第13/---號(參考號P3)，該等申請案之全文以宛如完全所闡述之引用方式併入本文中。
本發明大體上係關於光伏轉換，且更特別而言，本發明係關於一種由一寬能隙異質接面設計形成之高效率光伏轉換太陽能電池。
已回應於環保及節能之一趨勢而引入太陽能電池技術。大型兆瓦級太陽能轉化場已被發展且已在世界各地變為日益受歡迎。當前或 傳統太陽能電池技術利用結晶矽作為一主組件，且在一些其他情況中，利用便宜之多晶矽或其他化合半導體。另外，其他技術將有機材料用於所謂之染料敏化太陽能電池。
在一些方法中，藉由在一p型矽基板上形成一高濃度n型層而製造結晶矽太陽能電池。藉由離子植入或擴散之一方法，藉由引入n型摻雜劑磷以形成一P-N接面，接著藉由一退火方法而大體上形成此高濃度n型層。在形成該P-N接面之後，形成陽極電極及陰極電極以完成一光伏電池。
當形成具有一矽P-N接面之光伏層時，將開路電壓(VOC)之理論最大值(展現效能之一指標)限制為小於600mV以因此限制此等光伏電池之效能或效率。因此，需要形成用於獲得一更高開路電壓之一材料以改良光伏電池效能。
使用一寬能隙異質接面設計之方法用於獲得一更高開路電壓。在此等方法中，磊晶術用於在一結晶基板上沈積一結晶層，且需要約2100K之一處理溫度。
此等方法歸因於多重因數而導致一高電池單位成本。一光伏電池之成本取決於半導體晶圓成本。由於無法藉由使用較小製造幾何形狀而最小化光伏電池，所以光伏電池之成本取決於電池之實體尺寸或面積及基本製造方法之成本。
此外，極高溫度處理將晶圓尺寸限制為每處理高達4英寸以導致一電池單位成本增加。可期望使用一寬能隙異質接面設計來達成一光伏電池中之更高開路電壓輸出，同時降低電池單位成本。
本章節中所描述之方法為可實行之方法，但未必為先前已構思或實行之方法。本章節中之方法涉及內容未得到承認。
本發明之較佳實施例提供一種製造具有光伏性質之一新型材料 之新穎方法。該新型材料之實施例具有使用兩個半導體(諸如單晶矽層及碳化矽層)之一寬能隙異質接面設計。
10‧‧‧半導體基板/n型矽基板
12‧‧‧n型單晶矽層
14‧‧‧高電阻率層
16‧‧‧碳化矽(SiC)種晶
18‧‧‧碳化矽(SiC)靶材
20‧‧‧第一中間材料
22‧‧‧碳化矽(SiC)層
24‧‧‧β-SiC微晶層
26‧‧‧頂部電極
28‧‧‧底部電極
30‧‧‧第二中間材料
40‧‧‧光伏結構
50‧‧‧光伏電池
700‧‧‧程序
701‧‧‧步驟
703‧‧‧步驟
705‧‧‧步驟
707‧‧‧步驟
709‧‧‧步驟
711‧‧‧步驟
713‧‧‧步驟
在附圖中，以舉例方式而非限制方式繪示本發明之較佳實施例，且在附圖中，相同參考符號係指類似元件，且其中：圖1係繪示根據本發明之一或多項實施例之半導體材料在製程之一加熱階段期間之一橫截面的一圖式。
圖2係繪示根據本發明之一或多項實施例之製程之一階段之半導體材料在加熱之後之一橫截面的一圖式。
圖3係繪示根據本發明之一或多項實施例之製程之一階段之半導體材料在濺鍍期間之一橫截面的一圖式。
圖4係繪示根據本發明之一或多項實施例之製程之一階段期間之半導體材料在濺鍍之後之一橫截面的一圖式。
圖5係繪示根據本發明之一或多項實施例之藉由參考圖1至圖4所描述之方法形成之一光伏結構之一橫截面的一圖式。
圖6係繪示根據本發明之一或多項實施例之一組裝光伏電池之一橫截面的一圖式。
圖7係繪示根據本發明之一或多項實施例之用於製造光伏材料之一方法的一流程圖。
在以下描述中，已闡述諸多具體細節以提供本發明之實施例之一更全面理解。然而，熟悉技術者應瞭解，可在無此等具體細節之情況下或藉由此等細節之不同實施方式實踐本發明之實施例。另外，未詳細展示一些熟知結構以避免不必要地使本發明不清楚。
將在結合附圖閱讀各種實施例之以下描述時自該等描述明白本發明之其他及進一步特徵及優點。一般技術者應瞭解，以下實施例及 說明圖僅供繪示及例示，且本發明之各種實施例之元件之諸多組合係可能的。此外，某些圖式未按比例繪製且用於以一繪示方式展示結構。參考附圖(開始於圖1)而描述根據本發明之較佳實施例之例示性寬能隙光伏裝置及用於製造此等裝置之方法。
圖1至圖4係展示根據本發明之一些實施例之一光伏裝置之若干製造階段期間之橫截面圖的圖式。圖1係根據本發明之一些實施例之半導體材料在加熱或退火製程期間之一橫截面之一圖示。根據較佳實施例，半導體基板10係具有1Ω．cm至5Ω．cm之一電阻率、具有(100)之一晶體定向之一6英寸n型單晶矽晶圓。在一些實施例中，該晶體定向可為(110)或(111)，且可使用太陽能級矽或多晶矽。具有不同電阻率之矽基板需要不同加熱溫度及時間。亦可使用其他晶圓尺寸。
在一些實例中，在退火階段之前清潔半導體基板10。清潔方法包含諸如用於半導體之標準RCA清潔法之技術。在一實例中，清潔開始於：使用硫酸過氧化氫水溶液來移除有機材料以在350K處清潔10分鐘。接著，執行純水清潔，接著用紅外光及紫外光乾燥進行氮氣吹乾，接著由一0.5%氫氟酸溶液進行清潔。接著，執行由過氧化氫銨水溶液在350K處清潔10分鐘。在純水沖洗之後，藉由用鹽酸過氧化氫水溶液進行清潔以在80℃處清潔10分鐘而移除重金屬污染物。最後，執行純水清潔及氮氣乾燥之一步驟，接著進行紙IPA乾燥。
在一較佳實施例中，在加熱階段期間，半導體基板10定位於一真空中且經受一預定退火溫度達足以完成半導體基板10之轉變以形成第一中間材料20(如圖2中所展示)之一時間段。在一實例中，壓力約為2E-4Pa，且在具有一惰性氣體之一腔室中經受1500K或更高之溫度，其中半導體基板10在此等條件中維持約30分鐘。雖然本實例中使用約2E-4Pa之一真空，但真空度可變動。例如，真空可為20Pa或更低。惰性氣體之實例包含氬氣、氦氣或其他惰性氣體，或此等氣體之 一或多者之一混合物。
進一步參考圖2，第一中間材料20至少由n型單晶矽層12、高電阻率層14及表面處之碳化矽(SiC)種晶16組成。在較佳實施例中，由於退火階段，所以SiC種晶在表面處形成約2nm至約5nm之一厚度。雖然圖式(諸如圖2)可展示第一中間材料20之組件之間之離散邊界，但熟悉技術者應瞭解，此等邊界可在不背離本發明之精神之情況下經混合且具有混合材料之某一厚度。個別組件之特性(諸如高電阻率層14之厚度、及藉由碳偏析及遷移至表面而形成之SiC種晶之數目及位置)根據壓力、溫度及加熱時間而改變。在較佳實施例中，高電阻率層14之電阻率比n型單晶矽層12之電阻率至少大10倍。
圖3係繪示根據本發明之一些實施例之發生在退火階段之後之一濺鍍階段之一橫截面圖的一圖式。碳化矽靶材18用於在其中形成種晶16(在退火程序期間)之表面處將一層SiC 22(圖3中展示為經部分形成)沈積至第一中間材料20上。在此實例中，當藉由濺鍍程序形成SiC層22時，SiC層22將具有約10nm之一厚度。雖然本實例中使用10nm之厚度，但只要厚度容許光透射穿過SiC層22，則層22之厚度不受限於10nm。此外，雖然本實例中藉由濺鍍方法形成碳化矽，但可藉由包含真空蒸鍍(使用電子束或類似物)或脈衝雷射蒸鍍(諸如PLD、CVD或類似物)之方法形成SiC層22。
圖4係繪示根據本發明之一些實施例之在上述濺鍍階段之後產生之第二中間材料30上之一第二退火程序之一橫截面圖的一圖式。第二中間材料30至少由n型單晶矽層12、高電阻率層14及SiC層22組成。該第二退火程序包括兩個階段。在一第一階段中，退火發生在一特定溫度處以誘發SiC層22轉換為結晶形式。當在第二中間材料30之退火之一第一階段中應用一特定退火溫度時，第一中間材料20上存在種晶16容許SiC之微晶由濺鍍SiC層22形成。在一較佳實施例中，該退火程序 之該第一階段發生在1300K之一退火溫度處以在惰性氣體中持續約2小時。此階段將濺鍍SiC層22轉換為一層微晶立方碳化矽(β-SiC)。在該第一階段之後，繼續在比該第一階段低之一溫度處進行該退火程序之一第二階段，該第二階段導致微晶層中之結晶缺陷減少。在一較佳實施例中，該退火程序之該第二階段發生在900K之一退火溫度處。
圖5係繪示根據本發明之一些實施例之藉由參考圖1至圖4所描述之方法形成之光伏結構40之一橫截面圖的一圖式。光伏結構40至少由n型單晶矽層12、高電阻率層14及β-SiC微晶層24組成。β-SiC係具有約2.2eV之一能隙之一寬能隙材料。n型單晶矽層12與β-SiC微晶層之間之介面形成一異質接面，藉此光伏結構40形成具有光伏性質之一異質接面半導體。
圖6係繪示根據本發明之一些實施例之經組裝且充當光伏電池50之光伏結構40之一橫截面圖的一圖式。在β-SiC微晶層24上形成一透明導電膜作為頂部電極26。在一較佳實施例中，藉由一濺鍍方法在β-SiC微晶層24上形成具有150nm之一厚度之一ZnO透明導電膜。雖然本實例中使用ZnO，但可使用其他透明導電氧化膜(諸如ITO、AZO、GZO、IZO及NbO2)或其等之一堆疊結構。此外，雖然該濺鍍方法描述為用於此實例，但可藉由PLD、MOCVD或一塗覆方法(不限於濺鍍方法)形成該透明導電氧化膜。
為改良光伏電池之效能，可在頂部電極26上形成氮化矽膜作為一抗反射膜。藉由將一Al印刷至底面而塗覆該Al作為底部電極28，且在550K處提供加熱以移除黏結劑。底部電極28之添加完成太陽能電池50之建構。
圖7係繪示根據本發明之一些實施例之用於製造一光伏材料之一程序700的一流程圖。在步驟701中，根據用於在製造之前清潔半導體之標準方法(諸如RCA清潔法)而清潔一半導體基板(諸如上文參考圖1 所描述之n型矽基板10)。在步驟703中，加熱半導體基板晶圓以退火及形成包括一層之原始半導體基板材料之一第一中間晶圓材料，在該第一中間晶圓材料上形成在表面處具有碳化矽種晶之一高電阻率層(如圖1及圖2中所繪示)。
在步驟705中，藉由濺鍍碳化矽靶材或藉由其他沈積方法使第一中間晶圓材料塗覆有一層碳化矽以形成一第二中間晶圓材料。在兩個階段中使該第二中間晶圓材料退火，如圖4中所展示。在步驟707中，在第一退火處理階段中，加熱晶圓以將沈積碳化矽層轉換為一微晶β-SiC層。可歸因於步驟703之後形成之種晶而將沈積SiC轉換為微晶β-SiC。在一較佳實施例中，在約1300K之一溫度處執行步驟707約2小時。在步驟709中，在第二退火階段中，在一更低溫度處加熱晶圓材料以移除結晶缺陷。在一較佳實施例中，在約900K之一溫度處執行步驟709約1小時。
執行後續步驟以完成將晶圓材料組裝至一光伏電池中。在步驟711中，在β-SiC層上沈積一頂部電極。在步驟713中，將一底部電極沈積或印刷至n型矽半導體基板之底部上。可使用上文參考圖6所描述之技術來執行步驟711及713。
上文參考圖1至圖7所描述之製造方法可經調適以與不同材料一起用於產生一光伏結構。在一些替代實施例中，藉由以下調適在高電阻率層14上形成一p型SiC層。在此實例中，在1500K處執行第一退火程序，如參考圖1所描述。用具有80ppm之鋁以充當一p型摻雜劑之一SiC靶材執行濺鍍程序，如圖3中所繪示。在濺鍍之後，如描述般前進至程序之剩餘步驟。亦可由含有硼或鎵之一SiC濺鍍靶材獲得此類型之p型轉換。
根據一或多項實施例，一太陽能電池包括根據需要形成於其內之一第一電極層、一光伏轉換層、一矽半導體基板及一第二電極層， 其中該光伏轉換層由以下各者形成：至少兩層或兩層以上之半導體；一第一高電阻率光伏轉換層，其形成於該半導體基板之一表面處且包含具有不同於該矽半導體基板之電阻率之一電阻率之矽材料；及一第二光伏轉換層，其形成於該第一高電阻率光伏轉換層上且由具有比該矽半導體基板之一能隙大之一能隙之一材料組成。在一些實施例中，該太陽能電池之該第一高電阻率光伏轉換層具有比該矽半導體基板之一電阻率至少大10倍之一電阻率，及該第二光伏轉換層包含具有2eV或更大之一能隙之碳化矽。在一些實施例中，該第一光伏轉換層及該第二光伏轉換層之至少一層包含碳化矽。在一些實施例中，所形成之該第一光伏轉換層及該第二光伏轉換層之至少一層含有鋁。在一些實施例中，藉由800K或更高之加熱處理形成該第一高電阻率光伏轉換層。在一些實施例中，藉由濺鍍、CVD或蒸鍍形成該等光伏轉換層之至少一層。在一些實施例中，在藉由800K或更高之加熱處理形成該等光伏轉換層之至少一層之後形成至少另一層，且亦執行700K或更低之加熱處理。在一些實施例中，藉由使用含有80ppm或更多之鋁之碳化矽靶材之一濺鍍方法形成該等光伏轉換層之至少一層。在一些實施例中，藉由使用含有硼之碳化矽靶材之一濺鍍方法形成該等光伏轉換層之至少一層。在一些實施例中，藉由使用含有鎵之碳化矽靶材之一濺鍍方法形成該等光伏轉換層之至少一層。
可自圖式及申請專利範圍之一檢視獲得本發明之其他特徵、態樣及目的。應瞭解，本發明之其他實施例可被發展且落於本發明及申請專利範圍之精神及範疇內。
已為了繪示及描述之目的而提供本發明之較佳實施例之以上描述。不意欲具窮舉性或使本發明受限於所揭示之精確形式。各種添加、刪除及修改被視為落於本發明之範疇內。因此，由附屬申請專利範圍而非以上描述指示本發明之範疇。此外，可落於申請專利範圍及 其元件及特徵之等效物之含義及範圍內之所有變化將被納入申請專利範圍之範疇內。
12‧‧‧n型單晶矽層
14‧‧‧高電阻率層
24‧‧‧β-SiC微晶層
26‧‧‧頂部電極
28‧‧‧底部電極
40‧‧‧光伏結構
50‧‧‧光伏電池

Claims (23)

  1. 一種異質接面半導體，其包括：半導體材料之一塊體層；一高電阻率層，其提供於該塊體層上；及一微晶立方碳化矽(β-SiC)層，其提供於該高電阻率層上，藉此藉由執行以下步驟產生該塊體層、該高電阻率層、該微晶β-SiC層：使一單件式半導體材料之一頂面暴露於一能源，藉此該能源導致該單件式半導體材料之一部分之加熱；使該單件式半導體材料之該頂面停止暴露於該能源，藉此該暴露步驟及該停止步驟導致該單件式半導體材料轉變為包括該塊體層、該高電阻率層及該高電阻率層之表面處之複數個SiC種晶之結構；在具有該複數個SiC種晶之該高電阻率層上形成一SiC層；及對包括該塊體層、該高電阻率層、該高電阻率層之該表面處之該複數個SiC種晶、及該SiC層之該結構執行一第一退火處理，藉此該退火導致該SiC層轉換為該微晶β-SiC層。
  2. 如請求項1之異質接面半導體，其進一步執行以下步驟：對包括該塊體層、該高電阻率層及該微晶β-SiC層之該結構執行一第二退火以減少該微晶β-SiC層中之結晶缺陷。
  3. 如請求項2之異質接面半導體，其中執行該第二退火發生在比該第一退火之溫度低之一溫度處。
  4. 如請求項1之異質接面半導體，其中執行該第一退火發生在至少 1300K之一溫度處。
  5. 如請求項1之異質接面半導體，其中該暴露步驟及該停止步驟發生在一真空中。
  6. 如請求項1之異質接面半導體，其中執行該第一退火持續至少2小時。
  7. 如請求項1之異質接面半導體，藉此該高電阻率層具有比該塊體層之電阻率大至少10倍之一電阻率。
  8. 如請求項1之異質接面半導體，其中該單件式半導體材料包括矽，該矽具有碳雜質。
  9. 如請求項1之異質接面半導體，其中該塊體層之能隙小於該微晶β-SiC層之能隙。
  10. 如請求項1之異質接面半導體，其中執行該第一退火發生在至少1500K之一溫度處，且其中該形成步驟包括使用具有p型摻雜劑之一SiC靶材來濺鍍。
  11. 如請求項1之異質接面半導體，其中該異質接面半導體在暴露於光時產生光伏效應。
  12. 一種使用如請求項1之異質接面半導體之光伏裝置，該光伏裝置包括：該異質接面半導體；一底部電極，其提供於該異質接面半導體下；及一頂部電極，其提供於該異質接面半導體上。
  13. 一種用於製造一異質接面半導體之方法，其包括由執行以下步驟導致之一轉變程序：使一單件式半導體材料之一頂面暴露於一能源，藉此該能源導致該單件式半導體材料之一部分之加熱；及使該單件式半導體材料之該頂面停止暴露於該能源，藉此該 暴露步驟及該停止步驟導致該單件式半導體材料轉變為包括以下各者之結構：半導體材料之一塊體層；一高電阻率層；及複數個SiC種晶，其等位於該高電阻率層之表面處；該方法進一步包括以下步驟：在具有該複數個SiC種晶之該高電阻率層上形成一SiC層；及對包括該塊體層、該高電阻率層、該高電阻率層之該表面處之該複數個SiC種晶、及該SiC層之該結構執行一第一退火；藉此該退火導致該SiC層轉換為一微晶β-SiC層。
  14. 如請求項13之方法，其進一步執行以下步驟：對包括該塊體層、該高電阻率層及該微晶β-SiC層之該結構執行一第二退火以減少該微晶β-SiC層中之結晶缺陷。
  15. 如請求項14之方法，其中執行該第二退火發生在比該第一退火之溫度低之一溫度處。
  16. 如請求項13之方法，其中執行該第一退火發生在至少1300K之一溫度處。
  17. 如請求項13之方法，其中該暴露步驟及該停止步驟發生在一真空中。
  18. 如請求項13之方法，其中執行該第一退火持續至少2小時。
  19. 如請求項13之方法，其中該高電阻率層具有比該塊體層之電阻率大至少10倍之一電阻率。
  20. 如請求項13之方法，其中該單件式半導體材料包括矽，該矽具有碳雜質。
  21. 如請求項13之方法，其中該塊體層之能隙小於該微晶β-SiC層之能隙。
  22. 如請求項13之方法，其中執行該第一退火發生在至少1500K之一溫度處，且其中該形成步驟包括使用具有p型摻雜劑之一SiC靶材來濺鍍。
  23. 如請求項13之方法，其中該異質接面半導體在暴露於光時產生光伏效應。
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