TWI535042B - 具有已處理表面之光伏打電池及相關應用 - Google Patents

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Description

具有已處理表面之光伏打電池及相關應用
本申請案主張對以下申請案之權益：於2008年8月15日提出申請且標題為「SOLAR CELL WITH PATTERNED CONTACTS」之第61/089,389號美國臨時申請案，其主張對於2009年8月5日提出申請且標題為「PHOTOVOLTAIC CELL WITH PATTERNED CONTACTS」之第12/535,952號美國專利申請案之優先權；於2009年8月6日提出申請且標題為「VERTICAL MULTI JUNCTION CELL WITH TEXTURED SURFACE」之第12/536,982號美國專利申請案，其主張對於2008年8月14日提出申請且標題為「VERTICAL MULTIJUNCTION CELL WITH TEXTURED SURFACE」之第61/088,921號美國臨時申請案之優先權；於2009年8月6日提出申請且標題為「PHOTOVOLTAIC CELL WITH BUFFER ZONE」之第12/536,987號美國專利申請案，其主張對於2008年8月14日提出申請且標題為「SOLAR CELL WITH BUFFER ZONE」之第61/088,936號美國臨時申請案之優先權；及於2009年8月6日提出申請且標題為「ELECTROLYSIS VIA VERTICAL MULTI-JUNCTION PHOTOVOLTAIC CELL」之第12/536,992號美國專利申請案，其主張對於2008年8月28日提出申請且標題為「ELECTROLYSIS VIA VERTICAL MULTI-JUNCTION SOLAR CELL」之第61/092,531號美國臨時申請案之優先權。上文參考之各申請案之全文以引用方式併入本文中。
化石能源之有限供應及對其之增加之需求及相關聯全球環境破壞已驅使全球努力使利用能源及相關技術多元化。一種此類資源係太陽能，其採用光伏打(PV)技術來將光轉換為電。此外，太陽能可用於熱量產生(例如，在太陽能爐、蒸汽產生器及諸如此類中)。太陽能技術通常實施於一系列PV電池或太陽能電池或其面板中，其接收日光且將日光轉換為電，電隨後可被傳遞至一電力網中。已在太陽能面板之設計及生產中達成重大進步，其已有效地增加效率同時降低其製造成本。隨著開發出效率更高之太陽能電池，電池之大小減小，從而導致採用太陽能面板來提供替代逐漸減少且高度需求之非再生源之一具競爭性可再生能量之實際性增加。為此，可部署像太陽能聚集器等太陽能收集系統以將太陽能轉換為可被傳遞至電力網之電且亦收穫熱量。除開發太陽能聚集器技術以外，亦已開始利用太陽能聚集器來開發太陽能電池。
稱作一垂直多接面(VMJ)太陽能電池之高強度太陽能電池技術係邊緣照射且端上具有電觸點之小型垂直接面單元電池之一整體接合之串聯連接陣列。該獨特VMJ電池設計可固有地提供高壓低串聯電阻輸出特性，從而使其理想地適於高強度光伏打聚集器中之高效效能。VMJ電池之另一關鍵特徵係其導致低製造成本之設計簡單性。
可根據在100至2500個太陽聚光強度之範圍內在具有40個串聯連接之接面之一實驗性VMJ電池上取得之效能資料證明VMJ之效力，其中在25伏下輸出功率密度超過400,000瓦/m2，其效率接近20%。應瞭解，VMJ太陽能電池中之上述效能係藉由低製造成本及低製造複雜度實現。據信此等態樣係使得光伏打聚集器系統在解決全球能量問題是顯著地成本更加高效且可行所需要之切實可行技術效能及經濟效率之所需助推器。此外，電池效率之任何增加(例如，輸出更多瓦)會直接減小聚集器系統大小(例如，與材料賬單相關聯之較低成本)，從而產生較低$/瓦之光伏打電力成本。
應注意，較低$/瓦成本實質上與太陽能電池技術採用及市場滲透性相關，乃因全球能量需求正穩定增加(不僅在新興國家而且亦在發達國家)，同時傳統化石燃料成本正逐步升高。此外，存在對所有相關聯問題(例如，環境污染、全球變暖及與對外來燃料供應之依賴性聯繫在一起之國家安全及經濟危險)之廣泛增加之關注。此等與增長之公共意識相關之環境、經濟及安全因素正驅使對找到更加成本高效且環境友好型可再生能量解決方案之濃厚興趣。在所有可用可再生能源中，太陽能具有以一高效且持續之方式滿足需求之大致最大潛力。事實上，地球每幾分鐘之週期接收到比人類一整年可自大致所有其他資源消耗之能量多之日光形式之能量。
即使光伏打電力被廣泛地視為一理想可再生能量技術，但其相關聯成本可係採用及市場滲透性之一主要障礙。在獲得市場份額及採用之前，基於光伏打之電力需要變得比傳統電源(包括良好地發展、用於消費者中且大致成本高效之燃煤電力)具成本競爭性。此外，對低成本電力之可用性在所有全球經濟體中被視為根本性的；因此可需要光伏打電力系統之太瓦(例如，數千十億瓦)。市場研究顯示所安裝之光伏打電力系統必須降至$3/瓦之一基準成本才能在大效用規模應用中在無補貼之情況下稱得上具成本競爭性。由於所安裝光伏打系統成本當前超過$6/瓦，因此仍需要實質成本改良。
在過去幾十年間，嘗試達成較低$/瓦之效能係光伏打技術中多數研究及開發之首要目標。儘管該行業花費數十億美元來追求各種技術(目標係使光伏打能量更加成本高效)，但現有光伏打行業仍需要相當大補貼來支援銷售，此可係市場發展及行業發展之不利狀況之一指標。
當前，矽太陽能電池(其保持與20世紀60年代之最初發現及發展時大致相同)支配~93%之光伏打市場。力圖降低成本之現有光伏打行業深深依賴於低成本廢料級半導體矽之可用性來製造習用太陽能電池。應注意，此種尾料級矽(經常稱作太陽能級矽)主要係自晶圓生產剩下之鑄錠頭及尾及要求較高品質之甲級矽晶圓之半導體裝置製造者拒絕之不合格材料。儘管光伏打銷售額快速增加，在過去十年中每年增長~40%(其中2007年產量估計為3.8十億瓦(GW)，但銷售額現在受到太陽能級矽之短缺及較高價格之阻礙。儘管甲級矽可用，但其不被視為一可選項，乃因其使製造成本進一步增加若干倍。
對於典型習用太陽能電池，超過一半製造成本係用於生產用於太陽能電池之晶圓之原始半導體多晶矽。因此，一典型14%效率之太陽能電池額定為0.014W/cm2且在任何額外製造之前具有高於$3/瓦(或$0.042/cm2)之矽晶圓成本。因此，現有光伏打行業必須提出並解決僅開始矽材料成本超過大規模應用之基準價格效用需要之事實。作為一對比態樣，生產在一面積基礎上以超過$100/cm2銷售之微處理器晶片之半導體製造者能夠負擔與利用甲級矽晶圓相關聯之成本。
太陽能級矽之短缺及光伏打行業不能夠達成重要基準成本連同開發用於太空應用之新穎更高效三接面太陽能電池之出現最近已重新產生對光伏打聚集器之大量興趣。光伏打聚集器之明顯優點係因使用大面積不昂貴材料(玻璃鏡面反射器或塑膠透鏡)來將日光聚集於面積小得多之昂貴太陽能電池上而產生之潛在成本效益，從而使用便宜材料來取代昂貴材料。設計用於1000個太陽聚光強度之光伏打聚集器會將昂貴半導體矽需要顯著降低~99.9%，此意指1000MW之VMJ電池使用1MW之習用太陽能電池當前所需要之相同量昂貴半導體矽係可能的。實用主義地，此被視為緩和任一矽短缺問題之一實際方法。
對太陽能聚集器之相當多工作多數聚焦於開發用於高強度之矽聚集器太陽能電池設計；雖然在20世紀70年代能量危機期間已做了大量卓有成效的開發工作，但當時其結果在成本效益上表現中庸而不能令人滿意。進行了對最初以用於以500個太陽聚光之強度運作之聚集器系統之矽電池為目標之研究及開發；然而，當在嘗試克服正在研究之太陽能電池設計中之串聯電阻問題時遇到未解決之開發困難時彼目標降低至250個太陽聚光。舉例而言，聚集器太陽能電池中之高串聯電阻損失確實曾被視為習用VMJ太陽能電池技術已提出且已解決之一主要問題。應注意，針對聚集器技術開發之一相當大部分太陽能電池製造起來相當複雜及昂貴，其藉由6或7個高溫步驟(>1000℃)及6或7個光微影遮掩步驟。此複雜度歸因於最小化基本上將此等設計中之最佳者之最大強度作業限制為不高於250個太陽聚光之串聯電阻損失之設計嘗試。此種複雜度及相關聯成本阻礙聚集器技術及相關聯太陽能電池技術之實質發展，而促進像薄膜太陽能電池技術等替代技術之發展。
垂直多接面(VMJ)太陽能電池技術大致不同於習用聚集器太陽能電池。該VMJ太陽能電池技術相對於其他技術提供至少兩個優點：(1)其不需要光微影，及(2)可採用大於1000℃之溫度下之一單個高溫擴散步驟來形成兩個接面。因此，較低製造成本係理所當然的。此外，可以高強度運作VMJ太陽能電池；例如以2500個太陽聚光運作。自此種作業顯而易見，串聯電阻在VMJ電池設計中並不成問題；甚至在強度高於習用常識之一數量級時亦不成問題，即便這在經濟上係不可行的。此外，2500個太陽聚光下之VMJ單元電池之電流密度通常接近70A/cm2，此係可對基於其他技術之多數太陽能電池大致有害之一輻射位準。
如上所述，重新對光伏打聚集器之興趣主要係由於三接面太陽能電池藉由III-V材料(包含鎵(Ga)、磷(P)、砷化物(As)、銦(In)及鍺(Ge))作出之發展。三接面電池可使用20至30個串聯分層於鍺晶圓上之不同半導體：生長於一金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)反應器中之經摻雜GaInP2及GaAs層，其中每一類型之半導體將具有致使其以某一色彩最有效地吸收日光之一特性帶隙能量。該等半導體層經精心選擇以吸收接近整個太陽光譜，從而自盡可能多之日光發電。此等多接面裝置係到目前為止最高效之太陽能電池，其在適度太陽能聚集及實驗室條件下達到40.7%效率高之一記錄。但由於其製造起來係昂貴的，因此其需要應用於光伏打聚集器中。
然而，對III-V太陽能電池材料之需求及其成本正快速增加。作為一實例，在12個月(12/2006-12/2007)中，純鎵之成本自約$350/Kg增加至$680/kg且鍺價格大致增加至$1000-$1200/Kg。在2002年價格為$94/Kg之銦在2007年增加至接近$1000/Kg。此外，預計對銦之需求隨著若干新公司於2007年開始之對薄膜CIGS(CuInGaSe)太陽能電池之大規模製造而繼續增加。此外，銦係廣泛用於形成用於液晶顯示器及大平板監視器之銦錫氧化物形式之透明電塗層之一稀有元素。實際地，此等材料似乎並非解決主要全球能量問題提供太瓦低成本電力所需要之可行長期光伏打(PV)解決方案。
儘管面積為0.26685cm2之III-V半導體太陽能電池可產生2.6瓦之一功率(或約10W/cm2)，且已估計此種技術可最終以8-10分/kWh產生電，但大致類似於來自習用源之電之價格，可需要進一步分析來支援此種估計。然而，VMJ太陽能電池使用成本最低之半導體材料藉由低成本製造在2500個太陽聚光之強度下顯示超過40W/cm2之輸出功率。(此輸出功率超過400,000W/m2。)除基於先進材料之複雜PV技術以外，基於Si之太陽能電池技術在光伏打元件及應用中保持大致支配地位。此外，若一全球需要出現，在廣泛全球應用之可預知之未來中矽係將能夠供應太瓦光伏打電力之具有一現有行業基礎之唯一半導體材料。
下文呈現一簡化概要以提供對本文所述某些態樣之一基本理解。此概要並非一詳盡概述，亦非意欲識別關鍵/緊要元件或刻畫本文所述各種態樣之範疇。其唯一目的係以一簡化形式呈現某些概念來作為稍後呈現之更詳細說明之一前序。
本發明提供基於半導體之光伏打電池及減輕光生載流子之再結合損失之製程。在一態樣中，為降低再結合損失，以減小金屬觸點與主動光伏打元件之間的接觸之電介質材料圖案來塗佈該主動PV元件中之擴散摻雜層。可利用各種圖案，且可以一種或多種電介質來塗佈該PV元件之一個或多個表面。可藉由經圖案化之PV元件或單元電池來產生垂直多接面(VMJ)太陽能電池。經圖案化之PV元件可增加VMJ太陽能電池之串聯電阻，且圖案化該PV元件中之一個或多個表面可給用於產生VMJ太陽能電池之一製程添加複雜度；此外，降低擴散摻雜層處之載流子損失可增加太陽能電池之效率且從而提供超過增加之製造複雜度之PV運作優點。亦提供實現基於半導體之PV電池之製作之一系統。
可在任一類光伏打電池(例如，太陽能電池、熱光伏打電池或藉由光子之雷射源激發之電池)中利用本文所述態樣或特徵及相關聯優點，例如降低光生載流子之再結合損失。另外，亦可將本發明之態樣實施於其他類能量轉換電池(例如，β伏打電池(betavoltaic cell))中。
本發明經由垂直多接面(VMJ)電池之光接收表面上之一紋理化來減輕該垂直多接面(VMJ)電池中之體再結合損失。該等紋理可呈腔形凹槽(如「V」形剖面組態、「U」形剖面組態及諸如此類)之形式，其中包括此種剖面組態之一平面大致垂直於堆疊形成VMJ之單元電池之方向。在一個態樣中，包括大致重複剖面(例如，使凹槽在其上延伸之一方向成剖面)之一平面大致垂直於堆疊該等單元電池之方向。此一配置促進將折射光引導離開VMJ之p+及n+擴散摻雜區，同時在一減小之體積中產生所需載流子。相應地，入射光可在包括該剖面組態且大致垂直於堆疊該等單元電池之該方向之平面中折射。
應瞭解，本發明之VMJ之紋理化在PN接面之定向及/或與入射光之互動兩個方面上與用於習用矽光伏打電池紋理之先前技術不同。舉例而言，習用矽光伏打電池通常經紋理化以阻止光之穿透，使得更接近於PN接面(水平定位)吸收更多較長波長以用於載流子之更佳電流收集，且從而減輕對太陽光譜中較長波長之差光譜回應。相比之下，此在本發明之包括垂直接面且因此已經提供對太陽光譜中較長波長之一增強光譜回應之VMJ中不需要。
在一特定態樣中，實施本發明之凹槽(例如，V凹槽)之一結果係藉由減小體積來減輕體再結合損失-(與使用紋理化之習用太陽能表面相反，此降低反射，或致使經反射或折射之光變得更接近於接面)。特定而言，該VMJ電池已展現針對短波長及長波長兩者之更佳載流子電流收集，其中該短波長回應係由於消除頂表面處一高度摻雜之水平接面，且該長波長回應係由於垂直接面之增強之收集效率。作為另一實例，若替代本發明之腔形凹槽化紋理，將其他紋理(例如，隨機、稜錐、穹形及類似凸起組態)實施為VMJ之部分，則入射光變為在所有方向上折射，從而在p+及n+擴散區中產生光吸收且因此產生降低之效率。
根據一相關方法，最初可藉由堆疊多個電池單元來形成一VMJ，其中每一電池本身可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板或層。每一層可由形成一PN接面之雜質摻雜半導體材料構成，且進一步包括增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式(built-in)」靜電漂移場。隨後，將複數個此類電池單元整合以形成一VMJ。接下來，在該VMJ電池之接收光之一表面上，可形成腔形凹槽(例如，經由一劃片鋸)，其中包括該剖面組態之平面大致垂直於堆疊形成該VMJ之該等單元電池之方向。相應地，入射光可在包括該等重複剖面組態且大致垂直於堆疊該等單元電池之該方向之平面中折射(例如，從而針對一給定深度供應一較高吸收。)此外，可結合本發明之各種態樣來實施具有反射塗層之各種後表面及側表面。
在一相關態樣中，本發明之一凹槽化表面進一步改良載流子收集，同時降低體再結合損失。舉例而言，可垂直於該等p+nn+(或n+pp+)單元電池來定位該等V凹槽，以增加太陽光譜中較長波長之光學吸收路徑且使得光吸收能夠被大致侷限於p+nn+單元電池之n型體區內。此外，此等V凹槽可具有經施加以改良電池中之入射光吸收之一抗反射塗層。
在一相關態樣中，本發明經由一垂直多接面(VMJ)電池之光接收表面上之一紋理化來減輕該垂直多接面(VMJ)電池中之體再結合損失。該等紋理可呈腔形凹槽(如「V」形剖面組態、「U」形剖面組態及諸如此類)之形式，其中包括此種剖面組態之一平面大致垂直於堆疊形成VMJ之單元電池之方向。在一個態樣中，包括大致重複剖面(例如，使凹槽在其上延伸之一方向成剖面)之一平面大致垂直於堆疊該等單元電池之該方向。此一配置促進將折射光引導離開VMJ之p+及n+擴散摻雜區，同時在一減小之體積中產生所需載流子。相應地，入射光可在包括該剖面組態且大致垂直於堆疊該等單元電池之該方向之平面中折射。
應瞭解，本發明之VMJ之紋理化在PN接面之定向及/或與入射光之互動兩個方面上與用於習用矽光伏打電池紋理之先前技術不同。舉例而言，習用矽光伏打電池通常經紋理化以阻止光之穿透，使得更接近於PN接面(水平定位)吸收更多較長波長以用於載流子之更佳電流收集，且從而減輕對太陽光譜中較長波長之差光譜回應。相比之下，此在本發明之包括垂直接面且因此已經提供對太陽光譜中較長波長之一增強光譜回應之VMJ中不需要。
在一特定態樣中，實施本發明之凹槽(例如，V凹槽)之一結果係藉由減小體積來減輕體再結合損失-(與使用紋理化之習用太陽能表面相反，此降低反射，或致使經反射或折射之光變得更接近於接面)。特定而言，該VMJ電池已展現針對短波長及長波長兩者之更佳載流子電流收集，其中該短波長回應係由於消除頂表面處一高度摻雜之水平接面，且該長波長回應係由於垂直接面之增強之收集效率。作為另一實例，若替代本發明之腔形凹槽化紋理，將其他紋理(例如，隨機、稜錐、穹形及類似凸起組態)實施為VMJ之部分，則入射光變為在所有方向上折射，從而在p+及n+擴散區中產生光吸收且因此產生降低之效率。
根據一相關方法，最初可藉由堆疊多個電池單元來形成一VMJ，其中每一電池本身可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板或層。每一層可由形成一PN接面之雜質摻雜半導體材料構成，且進一步包括增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式」靜電漂移場。隨後，將複數個此類電池單元整合以形成一VMJ。接下來，在該VMJ電池之接收光之一表面上，可形成腔形凹槽(例如，經由一劃片鋸)，其中包括該剖面組態之平面大致垂直於堆疊形成該VMJ之該等單元電池之方向。相應地，入射光可在包括該等重複剖面組態且大致垂直於堆疊該等單元電池之該方向之平面中折射(例如，從而針對一給定深度供應一較高吸收。)此外，可結合本發明之各種態樣來實施具有反射塗層之各種後表面及側表面。
在一相關態樣中，本發明之一凹槽化表面進一步改良載流子收集，同時降低體再結合損失。舉例而言，可垂直於該等p+nn+(或n+pp+)單元電池來定位該等V凹槽，以增加太陽光譜中較長波長之光學吸收路徑且使得光吸收能夠被大致侷限於p+nn+單元電池之n型體區內。此外，此等V凹槽可具有經施加以改良電池中之入射光吸收之一抗反射塗層。
在另一態樣中，本發明在一高電壓矽垂直多接面(VMJ)光伏打電池之端層處供應一或多個緩衝帶，以在提供保護該等作用層的同時提供一歐姆觸點之一屏障。此(等)緩衝帶可呈另外堆疊於該VMJ電池之端層上方及/或下方之一非作用層配置的形式。該VMJ電池本身可包括複數個電池單元，其中每一電池單元採用若干作用層(例如，三個)來形成一PN接面及一「內建式」靜電漂移場(其增強朝向該PN接面之少數載流子移動)。
因此，可保護位於一VMJ電池之任何端處(且作為其電池單元之部分)的各種作用層(例如，nn+及/或p+n接面)免受有害形式的應力及/或張力(例如，在該VMJ之製作及/或作業期間可在該VMJ中誘發的熱/機械壓力、扭力、力矩、剪力及諸如此類)。此外，可經由具有大致低電阻率歐姆觸點的材料(金屬或半導體)來形成該緩衝帶，使得其在運作條件下於該光伏打電池中將不會貢獻任何實質串聯電阻損失。舉例而言，可藉由採用係p型摻雜之低電阻率矽晶圓來形成該緩衝帶，使得當製造該VMJ光伏打電池時使用其他p型摻雜劑(例如，鋁合金)時，其將減輕自動摻雜之一風險(與採用可產生不期望pn接面之n型晶圓相比-當一目標係產生一大致低電阻率歐姆觸點時)。應瞭解，可將本發明實施為任一類光伏打電池(例如，太陽能電池或熱光伏打電池)之部分。另外，亦可將本發明之態樣實施於其他類能量轉換電池(例如，β伏打電池)中。
在相關態樣中，該緩衝帶可呈一電池單元之一端層之一表面上之一邊的形式，其充當此種作用層之一保護邊界，且進一步形成該VMJ電池之框架以便於搬運及運輸。同樣地，藉由實現對該VMJ電池之一牢固抓握，此種邊形成物亦便於與抗反射性塗層相關之作業(例如，當在作業期間牢固地維持該電池(例如，藉由對其之機械夾持)時，可均勻地施加塗層)。此外，可在沈積期間實體地將該等緩衝帶(例如，定位於該VMJ之端處的非作用層)定位為毗鄰其他緩衝帶，且從而可在不破壞主動單元電池的情況下，容易地移除無意地向下穿透至接觸表面上的任一不期望電介質塗層材料。可自大致低電阻率且高度摻雜的矽(例如，約0.008」之一厚度)形成該緩衝帶。此種緩衝帶隨後可接觸將一VMJ電池自一光伏打電池陣列中之另一VMJ電池分割或分離的導電引線。
根據再一態樣，可將該緩衝帶夾於一電觸點與該等VMJ電池之作用層之間。此外，此等緩衝帶可具有大致匹配於該等作用層之熱膨脹特性之熱膨脹特性，從而減輕效能降格(例如，在製造時焊接或軟銲引線時所導致之應力/張力之減輕)。舉例而言，可採用匹配於所有主動單元電池之熱膨脹係數(3×10-6/℃)之高度摻雜之低電阻率矽層。相應地，可向該等主動單元電池提供大致強之歐姆觸點，其另外減輕由焊接/軟銲所導致及/或來自觸點材料中之不匹配熱膨脹係數之應力問題。其他實例包括引入金屬層，例如鎢(4.5×10-6/℃)或鉬(5.3×10-6/℃)，其因大致類似於主動矽(3×10-6/℃)p+nn+單元電池之熱膨脹係數而被選擇。可在不向高強度太陽能電池或光伏打電池引入有害應力之情況下焊接或軟銲施加至該緩衝帶之低電阻率矽層之外部層或施加至熔合至該等主動單元電池之電極之金屬層之金屬化，其中此等外部層用作歐姆觸點；而不是與其他單元電池串聯之單元電池段。
可將本發明之各種態樣實施為具有用於該等緩衝帶之相關聯結晶平面之定向之米勒指數(111)之晶圓之部分，其被視為比通常用於製作主動VMJ單元電池之(100)結晶定向矽在機械上更強且蝕刻更慢。相應地，低電阻率矽層可具有與該等主動單元電池之結晶定向不同之一結晶定向，其中藉由採用此種替代定向，提供具有改良之機械強度/端觸點之一裝置。換言之，與非主動(111)定向之端層相比，(100)定向之單元電池之邊緣通常蝕刻較快且實質上修整具有此種結晶定向之主動單元電池之角，從而產生具有用於焊接或另外連接端觸點之更高機械強度之一更穩定裝置結構。
在一相關態樣中，本發明採用一垂直多接面(VMJ)光伏打電池，以經由用於化合物(例如，水)之一電解之入射光及電流產生來提供該等化合物之電解(例如，氫及氧之產生)。此種VMJ包括與電解質接觸之複數個電池單元，其中每一電池單元採用若干作用層(例如，三個)來形成一PN接面及一「內建式」靜電漂移場(其增強朝向該PN接面之少數載流子移動)。可將該VMJ部分地或完全地浸入水/電解質內，作為一透明器皿(例如，玻璃或塑膠)之部分，其中當光遇到此種VMJ時，可在該整個VMJ中形成複數個電解電極(陽極/陰極)。每當達到電解之臨限電壓時，在此等電解電極之間流動之電流流動穿過水且將水分解為氫及氧。通常，此種分解臨限電壓位於1.18伏至1.6伏之一範圍內以分裂水且產生氫及氧。應瞭解，藉由堆疊之複數個電池單元(例如，串聯連接之複數個電池)可達到更高電壓。此外，可進一步採用觸媒添加劑來增加氫及氧釋放效率，且降低由高電極電位及電解質溶液所導致之半導體腐蝕。此外，該電解質可由不會有害地影響形成該VMJ電池之堆疊層之任一溶液形成(例如，由銥、其一二元合金或其一氧化物製成之基於銥之材料)。
在一相關態樣中，該VMJ被部分地或完全地浸入水/電解質中，且可包括在該VMJ電池之矽上方突出以增加與水及電解質之接觸面積且增強氫產生之凸起金屬區域(例如，VMJ電極)。舉例而言，此等突出物可係若干毫米。根據再一態樣，可在VMJ電池製作期間將大致薄之電極觸媒材料(例如，鉑、RuO2或鈦)層併入至該金屬化中以增強氫之形成。此外，選擇電極觸媒材料存在相當大之靈活性，乃因對於電極觸媒材料而言該金屬化之n+負性(-)側可不同於p+正性(+)側。應瞭解，熟習此項技術者可容易地選擇將增強氫產生且穩定且與VMJ電池製作相容之觸媒材料。此外，可採用超音波單元來釋放保持附接於電解電極上之所產生之氧或氫泡。應瞭解，電解質之流動亦可移除此等所形成之泡。
根據一相關方法，將電解質溶液引入至含有VMJ之一容器中，在該容器中將該VMJ完全或大致浸沒。然後使此種系統經受入射光且一電流流動自該VMJ產生。該VMJ上之入射光可在整個電解質溶液中產生電流，且其中達到或超過用於分解水之一臨限值(例如，1.6伏左右)之任一位置，水之電解發生。舉例而言，跨越每一單元電池可產生0.6伏之一電壓(例如，針對一1000個太陽聚光)且在一第一單元電池區與一第三單元電池區之間，電解可發生。相應地，可將用以收集所產生之氧氣及氫氣之各種收集機構(例如，隔膜、篩板及諸如此類)定位於電壓超過用於水電解之臨限值(例如，1.6伏左右)且預期水之分解之區之間。應瞭解，亦可將此等收集機構定位於電解質之下游流動中以收集所產生之氧氣及氫氣。
為實現上述及相關目的，本文結合以下說明及附圖闡述某些說明性態樣。此等態樣表示可實踐之各種方式，意欲將所有該等態樣涵蓋於本文中。當結合圖式考量以下詳細說明時其他優點及新穎特徵可變得顯而易見。
現在參照圖式來闡述本發明，其中在所有圖式中使用相同之參考編號來指代相同之元件。出於解釋之目的，在以下說明中，列舉了大量具體細節以便提供對本發明之一透徹理解。然而，可顯而易見，可在沒有此等具體細節之情況下實踐本發明。在其他實例中，以方塊圖形式顯示眾所習知之結構及裝置，以促進闡述本發明。
在本說明、隨附申請專利範圍或圖式中，術語「或」意欲意指一包括性「或」而非一排他性「或」。亦即，「X採用A或B」意欲意指該等自然包括性排列中之任一者，除非另有規定或自上下文中明顯看出。亦即，若X採用A，X採用B，或X採用A及B兩者，則在上述實例中任一者之情形下皆滿足「X採用A或B」。此外，本說明書及附圖中所用冠詞「一(a)」及「一(an)」通常應解釋為意指「一個或多個」，除非另有規定或根據上下文明顯係指一單數形式。
此外，相對於作為本文所述光伏打電池之部分之雜質摻雜材料之命名法，對於摻雜施體雜質，可互換使用術語「n型」及「N型」，術語「n+型」及「N+型」亦如此。對於摻雜受體雜質，術語「p型」及「P型」亦可互換使用，且術語「p+型」及「P+型」亦如此。為清晰起見，摻雜類型還以縮寫形式出現，例如，n型被標記為N，p+型被指示為P+等。多層光伏打元件或單元電池被標記為一組字母，其中每一者指示該層之摻雜類型；舉例而言，一p型/n型接面被標記為PN，而一p+型/n型/n+型接面藉由P+NN+指示；其他接面組合之標記亦遵守此註解。
如下文更加詳細地說明，提供減輕光生載流子之再結合損失之光伏打電池及製程。為降低再結合損失，以減小金屬觸點與主動光伏打(PV)元件之間的接觸之電介質材料圖案來塗佈該主動PV元件中之擴散摻雜層。可利用各種圖案，且可以一種或多種電介質來塗佈該PV元件之一個或多個表面。可藉由經圖案化之PV元件或單元電池來產生垂直多接面光伏打電池。儘管經圖案化之PV元件可增加VMJ光伏打電池之串聯電阻，且圖案化該PV元件中之一個或多個表面可給用於產生VMJ光伏打電池之一製程添加複雜度，但降低一PV元件中擴散摻雜層處之載流子損失增加光伏打電池之效率，且從而提供超過增加之製造複雜度之PV運作優點。此外，呈一非作用層配置形式之緩衝帶保護該等作用層免受因外力/熱因素(例如，焊接)而產生之誘發應力或張力。另外，每當達到電解作業之臨限電壓(例如，用於水電解之1.6伏)時，由該VMJ產生之電流流動穿過用於其一分解(例如，氫及氧)之一電解質(例如，鹽水)。
製程包括用於產生具有降低之光生載流子再結合損失之光伏打電池之一方法，該方法包含：藉由一電介質塗層圖案化一光伏打(PV)元件之一組表面；在該PV元件之經圖案化表面中之一者或多者上沈積一歐姆觸點；堆疊具有歐姆觸點之一組圖案化PV元件以形成一垂直多接面(VMJ)光伏打電池；及處理所形成之VMJ光伏打電池以促進一PV裝置中之部署，最佳化光伏打效能或其一組合。此外，在該方法中，該組表面中之一個或多個表面包括一擴散摻雜層，其跨越一延伸區或一受侷限區。該方法進一步包含利用一經圖案化之電介質塗層作為一掩模來在該光伏打元件中產生受侷限之擴散摻雜區。此外，在該方法中，用於該歐姆觸點之材料係具有近乎匹配於該光伏打元件之熱膨脹係數之熱膨脹係數之一導電材料。此外，在該方法中，藉由一電介質塗層圖案化一光伏打(PV)元件之一組表面包括沈積以相對於該PV元件中一〈qrs〉結晶方向之一第一角度定向之一組條帶或以偏離該PV元件中之〈qrs〉結晶方向之一第二角度定向之一組條帶中之至少一者，其中q、r及s係米勒指數。此外，在該方法中，該等條帶組中之至少一者中之條帶之密度至少部分地由預期該複數個基於半導體之PV元件以其運作之輻射強度規定。此外，在該方法中，該處理動作包括切割該所形成之VMJ光伏打電池以大致將(qrs)結晶面曝露給日光，其中q、r及s係米勒指數。此外，在該方法中，形成該VMJ光伏打電池之具有歐姆觸點之經圖案化PV元件之一堆疊係電流匹配的。
另外，亦提供用以根據本文所述特徵製作並處理光伏打電池之系統。在一態樣中，揭示一種設備，其包含：用於藉由一電介質塗層圖案化一光伏打(PV)元件之一組表面之構件；用於在該PV元件之經圖案化表面中之一者或多者上沈積一金屬觸點之構件；用於堆疊具有金屬觸點之一組經圖案化PV元件以形成一垂直多接面(VMJ)光伏打電池之構件；及用於處理所形成之VMJ光伏打電池以促進一PV裝置中之部署，最佳化光伏打效能或其一組合之構件。所揭示之設備進一步包含用於利用一經圖案化電介質塗層作為一掩模來在該光伏打元件中產生受侷限之擴散摻雜區之構件。此外，該設備包含用於探測一PV元件、具有電介質塗層之一PV元件、具有金屬觸點之一PV元件或一所形成VMJ光伏打電池中之至少一者之構件。
圖1圖解說明根據本發明之一態樣作為一垂直多接面(VMJ)電池120之部分之一凹槽化表面100之一示意性透視圖。此一紋理化100配置使得折射光能夠被引導離開p+及n+擴散摻雜區，同時產生所需載流子。相應地，入射光可在具有一法向向量n之平面110中折射。此種平面110平行於VMJ 120之PN接面平面，且可包括凹槽100之剖面組態。此外，可將一抗反射塗層施加至紋理化100之表面以增加該電池中之入射光吸收。換言之，平面110之定向大致垂直於堆疊單元電池111、113、115之方向。應瞭解，亦可涵蓋其他非垂直定向(例如，以各種角度曝露之結晶平面)且所有此等態樣被視為歸屬於本發明之範疇內。
圖2圖解說明用於將該VMJ之一表面凹槽化之例示性紋理，該VMJ在該表面上接收光。此種凹槽化可呈腔形凹槽之形式，舉例而言，如具有各種角度(例如，0°<θ<180°)之「V」形剖面組態、「U」形剖面組態及諸如此類，其中包括該剖面組態之平面大致垂直於堆疊形成該VMJ之單元電池之方向及/或大致平行於該VMJ之PN接面。應瞭解，本發明之VMJ之紋理化210、220、230在PN接面之定向及/或與入射光之互動上與用於習用矽光伏打電池紋理之先前技術不同。舉例而言，習用矽光伏打電池通常經紋理化以阻止光之穿透，使得更接近於PN接面(水平定位)吸收更多較長波長以用於載流子之更佳電流收集，且從而減輕對太陽光譜中較長波長之差光譜回應。相比之下，此在本發明之包括垂直接面且已經提供對太陽光譜中較長波長之一增強光譜回應之VMJ中不需要。
而是，用於實施本發明之凹槽(例如，V凹槽)之一個態樣係藉由減小體積來減輕體再結合損失-(與使用紋理化之習用太陽能表面相反，此降低反射，或致使經反射或折射之光變得更接近於接面)。特定而言，VMJ電池已展現針對短波長及長波長兩者之更佳載流子電流收集，其中該短波長回應係由於消除頂表面處一高度摻雜之水平接面且該長波長回應係由於垂直接面之增強之收集效率。作為另一實例，若替代本發明之腔形凹槽化紋理，將其他紋理(例如，隨機、稜錐、穹形及類似凸起組態)實施為VMJ之部分，則入射光變為在所有方向上折射，從而在p+及n+擴散區中產生光吸收且因此產生降低之效率。應瞭解，此等「U」及「V」形凹槽在性質上係例示性且其他組態亦歸屬於本發明之範疇內。
圖3圖解說明根據本發明之一態樣可在一側345上實施凹槽化紋理之單元電池311、313、317之一配置。如前文所解釋，VMJ 315本身由複數個整體接合之電池單元311、313、317(1至k，k係一整數)形成，其中每一電池單元本身由堆疊之基板或層(未顯示)形成。舉例而言，每一電池單元311可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板，且由雜質摻雜之半導體材料構成，該雜質摻雜之半導體材料形成一PN接面及增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式」靜電漂移場。應瞭解，可將各種N+型及P型摻雜層形成物實施為該等電池單元之部分且此等配置亦歸屬於本發明之範疇內。
相應地，一光接收表面345上之紋理促進折射光被引導離開p+及n+擴散摻雜區，同時產生所需載流子。因此，入射光可在包括剖面組態且大致垂直於堆疊該等單元電池之該方向(例如，垂直於向量n)之平面中折射。
圖4圖解說明一單元電池之一特定態樣，其一陣列可形成具有本發明之一紋理化凹槽化之一VMJ電池。單元電池400包括在一大致平行之配置中堆疊在一起之層411、413、415。此等層411、413、415可進一步包括雜質摻雜之半導體材料，其中層413係一種傳導率類型且層411係一相反傳導率類型-以在交點412處界定一PN接面。同樣，層415可係與層413相同之傳導率類型-此外藉由大致較高之雜質濃度，從而產生增強朝向PN接面412之少數載流子移動之一內建式靜電漂移場。可將此等單元電池整體接合在一起以形成一VMJ及根據本發明之各種態樣凹槽化之表面。
根據再一態樣，為自複數個電池400製作該VMJ，最初可將相同PNN+(或NPP+)接面形成為至N型(或P型)矽之高電阻率(例如，高於100ohm-cm)扁平晶圓(具有約0.008英吋之一厚度)中約3至10μm之一深度。隨後，將此等PNN+晶圓堆疊在一起，其中將一薄鋁片插入其之間，其中每一晶圓之PNN+接面及結晶定向可以相同方向定向。此外，可採用鋁-矽共熔合金，或具有大致匹配於矽之熱係數之熱係數之金屬，例如鉬或鎢。接下來，可將該等矽晶圓與鋁界面熔合在一起，使得可將堆疊之總成接合在一起。亦可以另外堆疊於該VMJ電池之端層上方及/或下方之一非作用層配置之形式供應具有大致低電阻率之緩衝帶，從而實施保護該等作用層免受有害形式之應力及/或張力(例如，在VMJ之製作及/或作業期間可在該VMJ中誘發之熱/機械壓力、扭力、力矩、剪力及諸如此類)之一屏障。然後可將此種電池之表面凹槽化以減輕體再結合損失，如前文所詳細闡述。應瞭解，亦可採用其他材料，例如鍺及鈦。同樣，亦可採用鋁-矽共熔合金。
圖5圖解說明將一VMJ之接收光之一表面凹槽化之一相關方法500。儘管本文將所述例示性方法圖解說明及闡述為一系列代表各種事件及/或動作之塊，但本發明並不受此等塊之所圖解說明之次序限制。舉例而言，根據本發明，除本文所圖解說明之次序以外，某些動作或事件可以不同次序及/或與其他動作或事件同時發生。此外，實施根據本發明之一方法可能並不需要所有所圖解說明之塊、事件或動作。此外，應瞭解，根據本發明之例示性方法及其他方法可與本文所圖解說明及闡述之方法結合實施，且亦可與其他未圖解說明或闡述之系統及設備結合實施。
最初，且在510處，如前文所詳細闡述形成具有PN接面之多個電池單元。如前文所解釋，每一電池單元本身可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板。每一層可由形成一PN接面之雜質摻雜半導體材料構成，且進一步包括增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式」靜電漂移場。隨後，且在520處，將複數個此類電池單元整合以形成一VMJ，其中亦可將緩衝帶實施為對此等電池之一保護(例如，在製作期間在其上誘發之應力/張力)。接下來且在530處，在該VMJ電池之接收光之一表面上，可形成腔形凹槽(例如，經由一劃片鋸)，其中包括剖面組態之平面大致垂直於堆疊形成該VMJ之該等單元電池之方向。隨後且在540處，可在包括該剖面組態(及/或平行於該等PN接面)且大致垂直於堆疊該等單元電池之方向之平面中折射入射光。
圖6圖解說明根據本發明之一態樣作為垂直多接面(VMJ)電池之部分之緩衝帶之一配置之一示意性方塊圖。VMJ615本身由複數個整體接合之電池單元611、617(1至n，n係一整數)形成，其中每一電池單元本身由堆疊之基板或層(未顯示)形成。舉例而言，每一電池單元611、617可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板，且由雜質摻雜之半導體材料構成，該雜質摻雜之半導體材料形成一PN接面及增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式」靜電漂移場。相應地，可保護定位於一VMJ電池615之任何端處(且作為其電池單元之部分)之各種作用層(例如，nn+及/或p+n接面，或pp+及/或pn+接面)免受有害形式之應力及/或張力(例如，在VMJ之製作及/或作業期間可在該VMJ中誘發之熱/機械壓力、扭力、力矩、剪力及諸如此類)。
此外，可經由具有大致低電阻率之歐姆觸點(例如，具有小於約0.5ohm-cm之上限之任一範圍)之材料形成緩衝帶610、612中之每一者，同時減輕及/或消除不期望之自動摻雜。舉例而言，可藉由採用係p型摻雜之低電阻率晶圓使用其他p型摻雜劑(例如，鋁合金)來形成緩衝帶610、612，以減輕自動摻雜之一風險(與採用可產生不期望pn接面之n型晶圓相比-當期望產生一大致低電阻率歐姆觸點時)。
圖7圖解說明一單元電池之一特定態樣，其一陣列可形成一VMJ電池。單元電池700包括在一大致平行之配置中堆疊在一起之層711、713、715。此等層711、713、715可進一步包括雜質摻雜之半導體材料，其中層713係一種傳導率類型且層711係一相反傳導率類型-以在交點712處界定一PN接面。同樣，層715可係與層713相同之傳導率類型-此外藉由大致較高之雜質濃度，從而產生增強朝向PN接面712之少數載流子移動之一內建式靜電漂移場。可將此等單元電池整體接合在一起以形成一VMJ，其中可定位本發明之一緩衝帶以保護該VMJ及形成其之相關聯單元電池及/或層。
根據再一態樣，為自複數個電池700製作該VMJ，最初可將相同PNN+(或NPP+)接面形成為至N型(或P型)矽之高電阻率(例如，高於100ohm-cm)扁平晶圓(具有約0.008英吋之一厚度)中約3至10μm之一深度。隨後，將此等PNN+晶圓堆疊在一起，其中一薄鋁層插入每一晶圓之間，其中每一晶圓之PNN+接面及結晶定向可以相同方向定向。此外，可採用鋁-矽共熔合金，或具有大致匹配於矽之熱係數之熱係數之金屬，例如鉬或鎢。接下來，可將該等矽晶圓與鋁界面熔合在一起，使得可將堆疊之總成接合在一起。此外，亦可採用鋁-矽共熔合金。應瞭解，可將各種N+型及P型摻雜層實施為該等電池單元之部分且此等配置亦歸屬於本發明之範疇內。
亦可以另外堆疊於該VMJ電池之端層上方及/或下方之一非作用層配置之形式供應具有大致低電阻率之緩衝帶，從而實施保護該等作用層免受有害形式之應力及/或張力(例如，在VMJ之製作及/或作業期間可在該VMJ中誘發之熱/機械壓力、扭力、力矩、剪力及諸如此類)之一屏障。
圖8圖解說明呈單元電池830(840)之一端層831(841)之表面上之一邊形成物810(812)形式之一緩衝帶之一例示性剖面，其部分形成VMJ電池800。此等邊形成物810、812充當該等電池單元之作用層之一保護邊界，且進一步部分地形成VMJ電池800之框架以便於搬運及運輸(例如，該VMJ電池之一低電阻率緩衝帶及邊緣或端觸點)。同樣，藉由實現對VMJ電池800之一牢固抓握，該邊形成物亦便於與抗反射性塗層相關之作業(例如，當在作業期間牢固地維持該電池(例如，藉由對其之機械夾持)時可均勻地施加塗層)。此外，可在沈積製程期間實體地將此等邊形成物定位為毗鄰其他邊形成物，其中可在不破壞單元電池830、840之情況下容易地移除無意地向下穿透至接觸表面上之任一不期望電介質塗層材料。代表緩衝帶之邊形成物810(812)可由大致低電阻率且高度摻雜之矽(例如，約0.008」之一厚度)形成，其中該邊形成物隨後可接觸將一VMJ電池自一光伏打電池陣列中之另一VMJ電池分割之導電引線。此外，由於該緩衝帶之大致低電阻率，不要求該等導電引線具有與該緩衝帶之完全電接觸。因此，其可係部分接觸，例如一點接觸或一系列點接觸，同時又提供良好之電接觸。應瞭解，圖8在性質上係例示性，且其他變化形式(例如，在製造時形成之到達800之表面之緩衝帶810，其中810接合至作用層841)亦歸屬於本發明之範疇內。舉例而言，810之形狀可代表至如前文所述之緩衝帶上之金屬化層之一部分引線接觸。
該等導電引線可呈電極層之形式，其藉由在一基板上沈積一第一導電材料而形成-且可包含鎢、銀、銅、鈦、鉻、鈷、鉭、鍺、金、鋁、鎂、錳、銦、鐵、鎳、鈀、鉑、鋅、其合金、銦錫氧化物、其他導電及半導電金屬氧化物、氮化物及二氧化矽、多晶矽、經摻雜非晶形矽及各種金屬組合物合金。此外，電極可採用其他經摻雜或未經摻雜之導電或半導電聚合物、低聚物或單體，例如PEDOT/PSS、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、其衍生物及諸如此類。此外，由於某些金屬可具有形成於其上之可有害地影響VMJ電池之效能之一氧化物層，因此非金屬材料(例如，非晶形碳)亦可用於電極形成。應瞭解，圖8之邊形成物在性質上係例示性且具有與該等作用層之一表面接觸範圍之其他緩衝帶組態(例如，矩形、圓形、剖面)亦歸屬於本發明之範疇內。
此外，可將本發明之各種態樣實施為具有用於該等緩衝帶之相關聯結晶平面之定向之米勒指數(111)之晶圓之部分，其被視為比通常用於製作主動VMJ單元電池之(100)結晶定向矽在機械上更強且蝕刻更慢。相應地，低電阻率矽層可具有與該等主動單元電池之結晶定向不同之一結晶定向，其中藉由採用此種替代定向，提供具有改良之機械強度/端觸點之一裝置。換言之，與非主動(111)定向之端層相比，(100)定向之單元電池之邊緣蝕刻較快且實質上修整具有此種結晶定向之主動單元電池之角，從而產生具有用於焊接或另外連接端觸點之更高機械強度之一更穩定裝置結構。
圖9圖解說明在一高電壓矽垂直多接面(VMJ)光伏打電池之端層處採用緩衝帶以提供保護其作用層之一屏障之一相關方法900。儘管本文將所述例示性方法圖解說明及闡述為一系列代表各種事件及/或動作之塊，但本發明並不受此等塊之所圖解說明之次序限制。舉例而言，根據本發明，除本文所圖解說明之次序以外，某些動作或事件可以不同次序及/或與其他動作或事件同時發生。此外，實施根據本發明之一方法可能並不需要所有所圖解說明之塊、事件或動作。此外，應瞭解，根據本發明之例示性方法及其他方法可與本文所圖解說明及闡述之方法結合實施，且亦可與其他未圖解說明或闡述之系統及設備結合實施。最初，且在910處，如前文所詳細闡述形成具有PN接面之多個電池單元。如前文所解釋，每一電池單元本身可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板。每一層可由形成一PN接面之雜質摻雜半導體材料構成，且進一步包括增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式」靜電漂移場。隨後且在920處，將複數個此類電池單元整合以形成一VMJ。接下來且在930處，可實施接觸該VMJ之端層之一緩衝帶，以提供保護其作用層之一屏障。此(等)緩衝帶可呈另外堆疊於該VMJ電池之端層上方及/或下方之一非作用層配置之形式。然後可在940處將該VMJ實施為一光伏打電池之部分。
圖10圖解說明包括光伏打(PV)電池1023、1025、1027(1至k，其中k係一整數)之一模組化配置1020之一太陽能總成之一示意性剖面圖1000。每一PV電池可採用具有根據本發明之一態樣之緩衝帶之複數個VMJ。通常，PV電池(亦稱作光伏打電池)1023、1025、1027中之每一者可將光(例如，日光)轉換為電能。該等PV電池之模組化配置1020可包括促進構造且提供一靈活配置之標準化單元或段。
在一個例示性態樣中，光伏打電池1023、1025、1027中之每一者可係包括複數個玻璃基板(未顯示)之一染料敏化太陽能電池(DSC)，其中沈積於其上的係透明導電塗層，例如一氟摻雜錫氧化物層(舉例而言)。此種DSC可進一步包括一半導體層，例如TiO2粒子、一敏化染料層、一電解質及一觸媒層，例如Pt-(未顯示)-其可夾於該等玻璃基板之間。舉例而言，可在該玻璃基板之塗層上進一步沈積一半導體層，且可將該染料層作為一單層吸附於該半導體層上。因此，可藉由一氧化還原來形成一電極及一相反電極以控制其之間的電子流動。
相應地，電池1023、1025、1027經歷激勵、氧化及還原之循環，此產生電子之一流動，例如電能。舉例而言，入射光1005激勵染料層中之染料分子，其中光激勵之染料分子隨後將電子注入該半導體層之傳導帶中。此可導致該等染料分子之氧化，其中所注入之電子可流過該半導體層以形成一電流。此後，該等電子在觸媒層處還原電解質，且將經氧化之染料分子反轉為一中性狀態。可連續重複此種激勵、氧化及還原之循環以提供電能。
圖11圖解說明根據本發明之一態樣針對電解採用一垂直多接面(VMJ)電池1110之一電解系統之一示意性方塊圖。可部分地或完全地將VMJ 1110浸入水/電解質內，作為一透明器皿(例如，石英、玻璃或塑膠)1130之部分。當入射光1135遇到此種VMJ 1110之一表面1137時，可在該整個VMJ中及/或在其上之一表面1137上形成呈陽極及/或陰極形式之複數個電解電極。每當達到電解之臨限電壓時，在形成於表面1137上之此等電解電極之間流動之電流然後流動穿過水且將水分解為氫及氧。VMJ 1110包括複數個整體接合之電池單元1111、1117(1至n，其中n係一整數)，其中每一電池單元本身由堆疊之基板或層(未顯示)形成。舉例而言，每一電池單元1111、1117可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板，且由雜質摻雜之半導體材料構成，該雜質摻雜之半導體材料形成一PN接面及增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式」靜電漂移場。當入射光1135被引導至表面1137時，在VMJ 1110之各個區中，則可形成複數個陰極及陽極，其隨後用作用於電解作業之電極。
每當達到電解之臨限電壓時，在此等電解電極之間流動之電流流動穿過該電解質且將水分解為氫及氧。通常，此種分解臨限電壓位於1.18伏至1.6伏之一範圍內以分裂水且產生氫及氧。應瞭解，藉由堆疊之複數個電池單元(例如，串聯連接之複數個電池)可達到更高電壓。此外，可進一步採用觸媒材料來增加氫及氧釋放效率且降低由高電極電位及電解質溶液所導致之半導體腐蝕。此外，該電解質可由不會有害地影響形成該VMJ電池之堆疊層之任一溶液形成(例如，由銥、其一二元合金或其一氧化物製成之基於銥之觸媒)。在相關態樣中，超音波轉換器(transducer)可運作地與該電解系統互動以釋放保持附接於該等電解電極上之氧或氫泡。
可進一步將VMJ 1110定位於一熱量調節總成1119上，熱量調節總成1119移除自熱點區域產生的熱量，以將該VMJ電池的溫度梯度維持於預定位準內。此種熱量調節總成1119可呈一散熱片配置之形式，其包括表面安裝至該VMJ之一背側的複數個散熱片，其中每一散熱片可進一步包括大致垂直於該背側延伸的複數個鰭狀物(未顯示)。該等鰭狀物可擴大散熱片之一表面面積，以增加與冷卻介質(例如，電解質、諸如水等冷卻流體)的接觸，該冷卻介質可進一步用於自該等鰭狀物及/或光伏打電池耗散熱量。因此，可藉由該散熱片來傳導來自該VMJ之熱量，且使其進入周圍電解質，及/或不影響電解作業的物質。此外，可經由至該等散熱片之熱傳導路徑(例如，金屬層)傳導來自該VMJ電池的熱量，以減輕該等散熱片至該等VMJ電池的直接實體或熱傳導，且提供用於該電解之恰當作業之一可縮放解決方案。
在一相關態樣中，可將該等散熱片定位於各種平面或三維配置中，以監視、調節及全面地管理離開該VMJ電池的熱量流動。此外，每一散熱片可進一步採用熱/電結構(未顯示)，該等結構可具有一螺旋、扭轉、盤旋、迷宮形狀或於一個部分中具有線之一較密集圖案分佈且於其他部分中具有線之相對較不密集之圖案分佈的其他結構形狀。舉例而言，此等結構之一個部分可由提供相對高之各向同性傳導率之一材料形成，且另一部分可由在另一方向上提供高熱傳導率之一材料形成。相應地，熱量調節總成之每一熱/電結構提供一熱量傳導路徑，該熱量傳導路徑可耗散來自熱點的熱量，且使其進入熱量調節裝置之各個熱量傳導層或相關聯散熱片，且從而促進該電解作業。應瞭解，可經由與該電解質介質分離之一獨立冷卻介質來冷卻該等散熱片。
圖12圖解說明本發明之包括與一單個單元電池1201之電極相關聯之金屬層之突出物1211、1215的進一步態樣。此等突出物1211、1215自VMJ 1200之一表面1241突出(例如，若干毫米)以經由增加一接觸表面面積來促進該電解製程。此外，可在VMJ電池製作期間，將大致薄的電極觸媒材料(例如，鉑、RuO2或鈦)層併入至該金屬化中，以增強氫產生。此外，選擇電極觸媒材料存在相當大的靈活性，乃因對於電極觸媒材料而言該金屬化之n負性(-)側1211可不同於p+正性(+)側1215。應瞭解，熟習此項技術者可容易地選擇將增強氫產生且穩定且與VMJ電池製作相容的觸媒材料。當入射光1235到達該VMJ之表面1241時，可在其上形成複數個陰極/陽極。舉例而言，在該VMJ上之若干區中(在帶負電之陰極處)，發生一還原反應，其中給氫陽離子來自該陰極之電子(e-)，以形成氫氣(以酸平衡之半反應)：
陰極(還原)：2H +(aq)+2e-→H 2(g)
給氫陽離子來自該陰極之電子(e-)以形成氫氣(以酸平衡之半反應)。
在帶正電之陽極處，一氧化反應發生，從而產生氧氣且給該陰極電子以完成該電路：
陽極(氧化)：2H 2 O(l)→O 2(g)+4H +(aq)+4e-
亦可藉由下列鹼來平衡相同之半反應。一般而言，不是所有半反應應藉由酸或鹼來平衡。一般而言，為增加半反應，其兩者通常應藉由酸或鹼來平衡。
陰極(還原)：2H 2 O(l)+2e-→H 2(g)+2OH -(aq)
陽極(氧化)：4OH -(aq)→O 2(g)+2H 2 O(l)+4e-
組合任一半反應對產生水至氧及氫之相同總分解：
總反應：2H 2 O(l)→2H 2(g)+O 2(g)
如上文所指示，所產生之氫分子之數目因此係氧分子之數目之兩倍。假設兩種氣體之溫度及壓力相等，所產生之氫氣因此具有所產生之氧氣之兩倍體積。經推動而穿過水之電子之數目係所產生之氫分子之數目之兩倍且係所產生之氧分子之數目之四倍。如前文所解釋，若添加一水溶性電解質，則水之傳導率顯著升高。相應地，該電解質分離為陽離子及陰離子；其中該等陰離子沖向陽極且中和其中積累之帶正電之H+；類似地，該等陽離子沖向陰極且中和其中積累之帶負電之OH-。此允許電之連續流動。應瞭解，應結合用於VMJ電池之材料來考量電解質之選擇，以便不會有害地影響其材料及作業。選擇一電解質之額外因素關於來自該電解質之一陰離子與氫氧化物離子競爭放棄一電子。具有比氫氧化物小之標準電極電位之一電解質陰離子將可能替代該氫氧化物而被氧化，且因此將不產生任何氧氣。同樣，將還原具有比一氫離子大之一標準電極電位之一陽離子，且將不產生任何氫氣。為減輕此等情況，以下陽離子具有比H+低之電極電位且因此適於用作電解質陽離子：Li+、Rb+、K+、Cs+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Na+及Mg2+。亦可使用鈉及鋰，若此不會有害地影響該VMJ電池-乃因其形成不昂貴之可溶鹽。
圖13圖解說明VMJ 1310上之各個點之一電壓-距離曲線，其中單元電池1311、1317交叉或分享一共同邊界。如所圖解說明，VMJ 1310包括串聯連接之複數個單元電池1311、1317，其中該電壓可作為堆疊在一起之電池之數目之一線性函數增加(例如，在水平軸上自左向右)。如圖13中所圖解說明，電池1之兩端之間的電壓差係0.6伏，且藉由在其上堆疊電池2，經組合電池中之此種電壓差增加至1.2伏。同樣，藉由在其上堆疊電池3，該電壓差可增加至1.8伏。因此，電解可在該VMJ之一表面上之超過用於分解水之臨限值之任何兩個點之間發生。舉例而言，對於一40接面VMJ電池在1000個太陽聚光下之一開路電壓，可產生32伏(例如，每一單元電池0.8伏)。假設以1.6伏起始電解，則僅兩個單元電池便足以提供該電壓。在另一態樣中，當電流負載增加時，由在1000個太陽聚光下處於最大功率之VMJ電池IV特性確定之電壓降至24伏或每單元電池0.6伏。因此，可需要三個單元電池，其貢獻1.8伏用於給該電解反應供電。(較高電流密度下之電解通常亦可需要一過電壓。)
應進一步瞭解，儘管在一單個VMJ之背景下闡述電解，但本發明並不受此限制且可實施為複數個VMJ電池(例如，並聯及/或串聯，或彼此運作地分離)之部分。藉由確定在VMJ之展現不同電壓之各個區之間形成之電流關係，可定製一VMJ電池設計以提供用於在需要處處置較高電流之額外接觸區域。舉例而言，可藉由增加各個點處之金屬化厚度來減小接觸電流密度(若此係需要的)。此外，可採用各種形式之加壓來改良電解效率及/或分解之產物(例如，氫、氧)之收集(例如，篩分機構、過濾機構及諸如此類)。應瞭解，本發明並不限於水之電解且可合適地與VMJ互動之其他化合物之電解亦歸屬於本發明之範疇內。
圖14圖解說明根據本發明之一態樣經由一VMJ之水電解之一相關方法1400。儘管本文將所述例示性方法圖解說明及闡述為一系列代表各種事件及/或動作之塊，但本發明並不受此等塊之所圖解說明之次序限制。舉例而言，根據本發明，除本文所圖解說明之次序以外，某些動作或事件可以不同次序及/或與其他動作或事件同時發生。此外，實施根據本發明之一方法可能並不需要所有所圖解說明之塊、事件或動作。此外，應瞭解，根據本發明之例示性方法及其他方法可與本文所圖解說明及闡述之方法結合實施，且亦可與其他未圖解說明或闡述之系統及設備結合實施。最初且在1410處，將電解質溶液引入至含有VMJ之一容器中，在該容器中該VMJ完全或大致浸沒。然後在1420處使此種系統經受入射光且自該VMJ產生一電流流動。在1430處，該入射光可在整個電解質溶液中產生水電解，且其中達到或超過用於分解水之一臨限值(例如，1.2伏左右)之任一位置，電解發生。舉例而言，跨越每一單元電池可產生0.6伏之一電壓(例如，針對一1000個太陽聚光)且在一第一單元電池區與一第三單元電池區之間，電解可發生。相應地，可將各種收集機構(例如，隔膜、篩板及諸如此類)定位於電壓超過用於電解之臨限值(例如，1.6左右)之區之間，且從而在1440處收集所產生之氫。應瞭解，亦可採用例如下游收集等其他收集機制。
圖15圖解說明可用於根據本發明之一態樣之電解之一VMJ電池。VMJ 1515本身由複數個整體接合之電池單元1511、1517(1至n，n係一整數)形成，其中每一電池單元本身由堆疊之基板或層(未顯示)形成。舉例而言，每一電池單元1511、1517可包括堆疊在一起之複數個平行半導體基板，且由雜質摻雜之半導體材料構成，該雜質摻雜之半導體材料形成一PN接面及增強朝向此種PN接面之少數載流子移動之一「內建式」靜電漂移場。此外，藉由實施一或多個緩衝帶1510、1512，可保護位於一VMJ電池1515之任何端處(且作為其電池單元之部分)之各種作用層(例如，nn+及/或p+n接面)免受有害形式之應力及/或張力(例如，在VMJ之製作及/或作業期間可在該VMJ中誘發之熱/機械壓力、扭力、力矩、剪力及諸如此類)。可經由具有大致低電阻率歐姆觸點(例如，具有小於約0.5ohm-cm之上限之任一範圍)之材料形成此等緩衝帶1510、1512中之每一者，同時減輕及/或消除不期望之自動摻雜。舉例而言，可藉由採用係p型摻雜之低電阻率晶圓使用其他p型摻雜劑(例如，鋁合金)來形成緩衝帶1510、1512，以減輕自動摻雜之一風險(與採用可產生不期望pn接面之n型晶圓相比-當期望產生一大致低電阻率歐姆觸點時)。舉例而言，在該VMJ之端觸點處亦可採用觸媒材料(例如，鉑、鈦及諸如此類)，以促進電解作業。
圖16圖解說明一單元電池1600之一特定態樣，其一陣列可形成用於本發明之電解之一VMJ電池。單元電池1600包括在一大致平行之配置中堆疊在一起之層1611、1613、1615。此等層1611、1613、1615可進一步包括雜質摻雜之半導體材料，其中層1613係一種傳導率類型且層1611係一相反傳導率類型-以在交點1612處界定一PN接面。同樣，層1615可係與層1613相同之傳導率類型-此外藉由大致較高之雜質濃度，從而產生增強朝向PN接面1612之少數載流子移動之一內建式靜電漂移場。可將此等單元電池整體接合在一起以形成一VMJ(例如，針對此種接合使用觸媒材料以增強電解)，其如前文詳細闡述執行電解。
根據再一態樣，為自複數個電池1600製作VMJ，最初可將相同PNN+(或NPP+)接面形成為至N型(或P型)矽之高電阻率(例如，高於100ohm-cm)扁平晶圓(具有約0.008英吋之一厚度)中約3至10μm英吋之一深度。隨後，將此等PNN+晶圓堆疊在一起，其中一薄鋁層插入每一晶圓之間，其中每一晶圓之PNN+接面及結晶定向可以相同方向定向。此外，可採用鋁-矽共熔合金，或亦可採用具有大致匹配於矽之熱係數之熱係數之例如鍺及鈦等金屬或例如鉬或鎢等金屬。接下來，可將該等矽晶圓與鋁合金界面熔合在一起，使得可將堆疊之總成接合在一起(例如，進一步包括觸媒材料)。應瞭解，亦可採用其他材料，例如鍺及鈦。同樣，亦可採用鋁-矽共熔合金。應進一步瞭解，應選擇電解質使得其不會有害地影響VMJ之作業，及/或導致對VMJ有害之化學反應。應瞭解，可將各種N+型及P型摻雜層形成物實施為該等電池單元之部分且此等配置亦歸屬於本發明之範疇內。
圖17圖解說明包括用於電解之具有一紋理化表面之一VMJ之本發明再一態樣。繪示根據本發明之一態樣作為一垂直多接面(VMJ)電池1720之部分之一凹槽化表面1700之一示意性透視圖。此一紋理化1700配置使得折射光能夠被引導離開p+及n+擴散摻雜區，同時產生所需載流子。相應地，入射光可在具有一法向向量n之平面1710中折射。此種平面1710平行於VMJ 1720之PN接面平面，且可包括凹槽1700之剖面組態。換言之，平面1710之定向大致垂直於堆疊單元電池1711、1713、1715之方向。此種凹槽化表面可增加電解製程之效率。
圖18圖解說明用於將該VMJ之一表面凹槽化之例示性紋理，該表面在其上接收光以用於一電解質之電解。此種凹槽化可呈腔形凹槽之形式，舉例而言，如具有各種角度θ(例如，0°<θ<180°)之「V」形剖面組態、「U」形剖面組態及諸如此類，其中包括該剖面組態之平面大致垂直於堆疊形成該VMJ之單元電池之方向，及/或大致平行於該VMJ之PN接面。應瞭解，本發明之VMJ之紋理化1810、1820、1830在PN接面之定向及/或與入射光之互動上與用於習用矽光伏打電池紋理之先前技術不同。舉例而言，習用矽光伏打電池通常經紋理化以阻止光之穿透，使得更接近於PN接面(水平定位)吸收更多較長波長以用於載流子之更佳電流收集，且從而減輕對太陽光譜中較長波長之差光譜回應。相比之下，此在本發明之包括垂直接面且已經提供對太陽光譜中較長波長之一增強光譜回應之VMJ中不需要。
而是，用於實施圖7之凹槽(例如，V凹槽)之一個態樣係藉由減小體積來減輕體再結合損失-(與使用紋理化之習用太陽能表面相反，此降低反射，或致使經反射或折射之光變得更接近於接面)。特定而言，VMJ電池已展現針對短波長及長波長兩者之更佳載流子電流收集，其中該短波長回應係由於消除頂表面處一高度摻雜之水平接面且該長波長回應係由於垂直接面之增強之收集效率。作為另一實例，若替代本發明之腔形凹槽化紋理，將其他紋理(例如，隨機、棱錐、穹形及類似凸起組態)實施為VMJ之部分，則入射光變為在所有方向上折射，從而在p+及n+擴散區中產生光吸收且因此產生降低之效率。此外，可向該VMJ電池之背側施加反射塗層以進一步增強光吸收。
在另一態樣中，本發明係關於改良光伏打電池(例如，太陽能電池)尤其是在高強度輻射位準下可產生一大致高電力輸出之高強度太陽能電池(例如，邊緣照射或垂直接面結構)之效能。在本文中列舉形成用於製作VMJ光伏打電池之單元電池之PV元件之各種設計以經由經圖案化之觸點來降低光生載流子之再結合損失。
該VMJ電池在1000個太陽聚光強度下具有超過30%之一固有理論上限效率，因此使用實驗理解及來自電腦模擬及建模分析之見識，進一步效能改良係可能的。儘管易於使用分析方程式以良好的結果對習用一個太陽聚光太陽能電池建模，但對於以高強度運作之邊緣照射之VMJ電池情況並非如此，乃因在高強度下，即使二階效應可對電池運作效率具有實質影響。儘管結合太陽能電池圖解說明本發明之態樣或特徵，但可在其他光伏打電池(例如，熱光伏打電池或藉由光子之雷射源激發之電池)中利用此等態樣或特徵及相關聯優點(例如，光生載流子之再結合損失之降低)。此外，亦可將本發明之態樣實施於其他類能量轉換電池(例如，β伏打電池)中。
在高強度下之太陽能電池中產生之電子-電洞載流子對之物理性質係相當複雜，乃因許多物理參數發揮作用，包括但不限於：表面再結合速度、載流子移動性及濃度、發射極(例如，擴散)反向飽和電流、少數載流子壽命、帶隙變窄、內建式靜電場及各種再結合機制。移動性隨增加載流子密度而快速降低且奧格再結合隨作為載流子密度之立方之強度快速增加。為將此等態樣併入至VMJ太陽能電池效能之建模中，電腦模擬(例如，一半導體中光生載流子運輸之二維數字計算分析)可提供對以高強度運作或用於高強度下之作業之垂直接面單元電池或PV元件中之物理參數之見識。此等模擬提供一分析及設計工具以理解效能效率之可能源並增加高強度下之VMJ電池之效能。應瞭解，儘管即使易於使用簡單分析方程式以良好的結果對習用一個太陽聚光太陽能電池建模，但對於以高照射強度運作之邊緣照射之VMJ光伏打電池情況並非如此，乃因在高強度下，即使二階效應可對電池運作效率具有一強烈影響。
基於併入有一半導體陣列之觸點對觸點VMJ單元電池之模型之計算模擬在物理學上揭露VMJ單元電池中在高強度下發生光生載流子之再結合損失之若干特定區。此等區中之至少某些區呈現強度相依之複雜損失機制。計算模擬揭露PV元件或VMJ單元電池中可經改良以降低再結合損失且改良VMJ電池之效能之若干區。本發明之態樣提供此等改良。
串聯電阻已被視為習用聚集器太陽能電池之設計問題之一顯著來源。VMJ光伏打電池設計證明在此方面不止足夠，顯示即使在2500個太陽聚光之強度下串聯電阻亦不成問題。然而，在某些情形中，可有利地以串聯電阻之一增加交換較小之設計簡單性，以改良光伏打聚集器之接近1000個太陽聚光運作之VMJ光伏打電池之效率。
應瞭解，針對大致較高強度下(例如，VMJ電池仍能夠高效地運作之2500個太陽聚光)之作業之設計在光學、結構、太陽追蹤及熱控制方面可需要大致更苛刻且昂貴之聚集器系統工程設計，而不可能貢獻任何更佳之總效能或經濟效益。因此，本發明中所列舉之太陽能電池之態樣或特徵及用於其產生之相關聯製程可增加在1000個太陽聚光或更高之範圍內運作之高強度VMJ電池之效率效能。效率增加可使利用本發明之態樣之VMJ太陽能電池或其他太陽能電池成本更高效且可行，即使其針對大於1000個太陽聚光之強度可涉及額外製造及串聯電阻之一潛在增加。本文所述態樣或特徵可提供足夠之工程設計折衷以使使用太陽能電池、VMJ電池或另外利用本發明之態樣之光伏打聚集器系統在提供較低$/瓦之效能時更可行且成本更高效。
使用大於500個太陽聚光之強度下之良好矽處理之現實參數(少數-載流子壽命、表面再結合速度等)對習用VMJ單元電池設計(例如，具有深接面之P+NN+片)之電腦建模分析顯示某些特定區之以下百分比再結合損失：
●P+擴散　22.7%
●P+觸點　5.3%
●N+擴散　32.8%
●N+觸點　11.4%
因此，此分析表明其金屬觸點佔超過形成VMJ太陽能電池之單元電池中之所有再結合損失之一半之重摻雜P+及N+擴散發射極區，及一最佳化之擴散N+發射極在設計上可不同於一最佳擴散P+發射極(部分係由於移動性之差異)。可針對N+PP+單元電池或P+NN+單元電池(具有淺P+N接面)切換源自N+及P+區中之再結合損失之相對量值。在一態樣中，本發明針對降低前述擴散區中之再結合損失以改良VMJ電池之效能。
藉由高強度下每一單元電池接面之開路電壓Voc=0.8伏，在習用VMJ電池開發中成功達成高少數-載流子壽命及低表面再結合速度。Voc係由日光產生之電流及擴散發射極反向飽和電流(Jo)確定，其中存在於一VMJ太陽能電池之單元電池中之P+N及NN+接面兩者為開路電壓做貢獻。來自一電視點之最佳接面係最低Jo；使用Jo=1x10-13Acm-2，其代表擴散接面中之高品質低反向飽和電流，分析顯示約3至10μm之擴散深度係用於P+及N+擴散兩者之充足深度，即使在考量歐姆金屬觸點處之無限再結合速度時。
應注意，即使深且漸進之NN+擴散輪廓將提供將增強朝向接面屏障之少數載流子移動之一內建式靜電漂移場(針對最終收集)且降低此區中之再結合，但電腦模擬揭露NN+接面增強在高強度下變得較不有效，此可導致如上所示N+區中之較高再結合。
實驗及計算建模及模擬已識別用於改良效能之主要區域對於以高強度運作之VMJ單元電池在重摻雜P+及N+擴散及金屬觸點區中呈減小之再結合損失。由於一高品質氧化物鈍化表面可具有低至幾cm/秒之一再結合速度(其顯著低於金屬觸點處之再結合速度)且考量到由擴散輪廓產生之漂移場在高強度下變得較不有效，因此本發明之態樣藉由PV元件或VMJ單元電池之經圖案化電介質塗層提供減小之金屬接觸面積及擴散面積，以改良VMJ太陽能電池之效能。
參照圖式，圖19A圖解說明在PV元件之表面中之一者與一金屬觸點1925之間具有一經圖案化電介質塗層1920之一光伏打元件1910之一圖示1900。注意，為清晰起見將PV元件1910之表面、電介質塗層1920及金屬觸點1925圖解說明為不接觸。然而，在本文所述太陽能電池中，此等表面係接觸的。將圖案電介質塗層1920圖解說明為組裝於一週期陣列或晶格中之間斷橢圓形區。PV元件1910通常係一N型半導體材料片，其中該半導體材料係Si、Ge、GaAs、InAs或其他III-V半導電化合物、II-VI半導電化合物、CuGaSe、CuInSe、CuInGaSe中之一者。該片可在該片之一第一表面上包括一經摻雜P+擴散區1916(標記為P+)且在大致平行於該第一表面之一第二表面上包括一經摻雜N+擴散區1914(標記為N+)。主動PV元件1910之厚度負擔擴散摻雜層1914與1916之間的一N型(N)層1912。擴散層1914及1916之厚度範圍可自3μm至10μm，且由用於將載流子引入一N型材料片(例如，片1912)中之摻雜製程確定。可藉由通常用於半導體處理之大致任一摻雜方式(例如，技術及摻雜劑材料)來實現將擴散摻雜層包括在內。摻雜劑材料針對N+及P+摻雜可分別包括磷及硼。出於解釋之目的，擴散層N+ 1914及P+ 1916與N型(N)層1912之間的界面被識別為明顯突發邊界；然而，此等界面可係不規則的，其中中性與經摻雜材料之間具有混合區域。混合之程度至少由用於產生經摻雜擴散區之機制或方式規定。
儘管針對作為PV元件1910之前驅物之一初始N型半導體材料片圖解說明本發明之態樣或特徵，但亦可在PV元件1910之一初始本徵(例如，名義上未經摻雜)之前驅物中實施或實現此等態樣或特徵。此外，在替代或額外情形中，可採用P型前驅物：PV元件1910可係一P型經摻雜半導體材料片，其可在該片之一第一表面及其附近包括P+擴散層1916，且可在大致平行於該第一表面之一第二表面及其附近包括N+摻雜擴散層1914，如前文所述。
在本發明之一態樣中，經圖案化之電介質塗層1920在主動PV元件1910之金屬化時減小金屬-擴散摻雜層界面(例如，金屬與N+層1914界面)之形成-一經圖案化電介質塗層中之開口係金屬層與擴散摻雜層形成一界面之區。由於此等界面具有高再結合損失，金屬-擴散摻雜層接觸之減小從而減輕光生載流子(例如，電子及電洞)之非輻射性損失，PV元件1910之光伏打效率隨之增加。此外，藉由電介質材料塗佈一PV元件(例如，1910)產生表面狀態之鈍化且因此降低表面再結合損失。可藉由光微影技術或允許一電介質表面之受控制圖案化之大致任一其他技術(舉例而言，濕式蝕刻)來實現電介質塗層之圖案化。此等光微影技術通常藉由對電介質塗層中電介質材料之多個遮掩及移除處理步驟來提供圖案形成。或者或另外，在存在遮蔽所沈積之材料以規定一特定圖案之一掩模之情況下，可藉由沈積技術(例如，像化學氣相沈積(CVD)及其變化形式等氣相塗佈、電漿蝕刻CVD(PECVD)、分子束壘晶(MBE)等)來實現電介質塗層之圖案化。
應瞭解，電介質塗層1920可採用提供N+摻雜擴散層1914與金屬觸點1925之間的電接觸之各種平面幾何圖形及組態。如前文所指示，在實例性圖示1920中，電介質塗層1920採用橢圓形間斷區域之一正方形-晶格配置。亦可形成電介質區之其他晶格。此等晶格可包括三角形晶格、單斜晶格、面心正方形晶格或諸如此類。一經圖案化之電介質塗層內電介質材料之一或多個部分之替代或額外配置可包括電介質材料之間斷或連貫條帶。應注意，可將一經圖案化電介質塗層(例如，塗層1920)置於金屬觸點1935與P+擴散摻雜層1916之間(例如，參見圖19B)。經圖案化電介質塗層1920之位置由一太陽能聚集器或其他太陽能-電能轉換設備或裝置中在運作輻射強度下具有支配損失之中性摻雜接面規定。舉例而言，在PV元件1910(例如，一P+NN+單元電池)中，N+擴散區或層及其與金屬1925之接觸在高電磁輻射強度下具有大致較高之損失，因此圖示1900中所顯示之組態中之經圖案化電介質塗層1920可係用以降低再結合(例如，輻射性及非輻射性)損失且改良PV元件1910之效能(尤其在高強度下)之大致最不昂貴之組態。
應瞭解，大致任一電介質材料圖案(例如，一間斷開口陣列，例如電介質塗層1920中電介質橢圓形區域之間的空間)可降低一單個擴散層(例如，N+層1914)處之再結合損失，此乃因於一稍後步驟中施加之金屬化可確保在完全接合至VMJ電池結構內之下一平面單元電池時所有或大致所有開放接觸區域互相連接。如本文所述用於產生一VMJ光伏打電池之單元電池由塗佈有一電介質圖案且如前文所述金屬化之PV元件1910構成。因此，此(等)單元電池不同於用於製作習用VMJ太陽能電池之習用單元電池。注意，金屬層與經摻雜層之間的較小接觸面積可為形成一太陽能電池之一PV元件(例如，1910)堆疊中之串聯電阻之一增加做貢獻；因此，用於減小接觸面積比率之一有利圖案係一高密度緊密間隔開之較小開口以用於最佳化一給定強度之效能。再結合損失可包括光生載流子之輻射性或非輻射性再結合，其中非輻射性再結合可包含奧格散射、載流子-聲子鬆弛或諸如此類。奧格再結合速率隨載流子密度(例如，光生載流子之密度)之立方而增加；當計及奧格體散射時，將一光伏打裝置之體積加倍可導致再結合損失增加至16倍。因此，可利用較薄之片1910或使得PV元件1910較薄之大致任一設計修改(例如，使用藉由紋理化之表面(例如，V凹槽化表面、U凹槽化表面...)或背側反射器之光捕獲)來藉由減小形成一VMJ光伏打電池之單元電池之厚度減輕高強度下之體奧格再結合。當如根據本文所述態樣設計之VMJ單元電池負擔再結合損失之一50%降低時，PV電池中之收集效率可顯著增加。
應瞭解，電介質塗層1920可採用大致任一電介質材料。在一態樣中，電介質塗層可係一熱氧化物層，其具有一低表面再結合速度。應進一步瞭解，實現與在電介質中具有經圖案化之開口之基於半導體(例如，基於Si)之VMJ光伏打電池之單元電池或PV元件之端之電接觸可需要可由低電阻率矽(其熱匹配或大致匹配於該等單元電池之熱膨脹係數)或一金屬(例如，具有近乎匹配於矽之熱係數之熱係數之鉬或鎢)提供之一完全電接觸。同樣，對於基於非矽之一半導體材料或化合物之一VMJ太陽能電池，可藉由具有近乎匹配於形成該等VMJ太陽能電池之單元電池之半導體材料之熱係數之熱係數之導電材料(例如，金屬或低電阻率經摻雜半導體)來實行經圖案化電介質塗層(例如，1920或1960)之金屬化。
相對於金屬層，金屬接觸層1925與金屬接觸層1935可係全異的。舉例而言，一第一金屬接觸層(例如，層1925)可包括摻雜劑，且一第二接觸層(例如，層1935)可併入有一擴散屏障以減輕自動摻雜。
圖19B係兩個擴散摻雜區中具有經圖案化之電介質塗層之一光伏打元件1910之一圖示1950。在圖示1950中，一第一經圖案化電介質塗層1920在一N+擴散摻雜層1914與一第一金屬觸點1925之間，且一第二經圖案化電介質塗層1960在一P+擴散摻雜層1916與一第二金屬觸點1935之間。電介質塗層1960之態樣與電介質塗層1920之態樣大致相同。如上所述，金屬觸點層1925與1935可係全異的。
應注意，藉由引入第二經圖案化電介質塗層提供之光生載流子之再結合損失之減輕及隨之增加之PV元件效能超過與準備一第二經圖案化電介質塗層相關聯之額外處理動作之增加之複雜度及可能額外費用。
為確保一光伏打裝置中PV元件1910之高效作業，電介質塗層1920中之第一圖案將與塗層1960中之第二圖案相關，以便使金屬層1925之一組一個或多個開口及區段相對。當經圖案化之電介質塗層1920相對於經圖案化之電介質塗層1960係「異相」的且電介質塗層互相遮蔽相應金屬層1925之區段時，一PV元件1910堆疊中之單元電池之間的電阻增加且一VMJ太陽能電池之效率降低。
另外或或者，透過圖案電介質塗層1920形成之開口在大小上可不同於藉由電介質塗層1960產生之開口，例如不同面積。舉例而言，更需要具有比PV元件1910或P+NN+單元電池中之P+觸點之開口面積寬之N+觸點開口面積，以更有效地降低總損失，尤其在N+擴散區及金屬觸點處存在較高損失之情況下。如上所述，可實施或利用開口大小之間的此種全異性而不管電介質塗層之特定圖案如何。
圖19C顯示根據本文所述態樣之實例性組前驅物及可藉由摻雜產生之衍生PV元件之一圖示。如前文所指示，可採用三種前驅物類型來生產如本文所述經處理以引入經圖案化之電介質塗層及金屬觸點之PV元件：(i)N型經摻雜前驅物1980，(ii)P型經摻雜前驅物1985，及(iii)本徵前驅物1990。前驅物係半導電材料，例如Si、Ge、GaAs、InAs或其他III-V半導電化合物；II-VI半導電化合物、CuGaSe、CuInSe、CuInGaSe。在摻雜時，N型前驅物1980可導致包括一N+型擴散摻雜區及一P+型摻雜區之PV元件1982，此種PV元件係PV元件1910。此外，前驅物1980之摻雜可導致PV元件1984，其中層或區係N型及P型擴散摻雜。前驅物1985實現PV元件1986及1988之形成，其中N+及P+擴散摻雜層在PV元件1986中，且N+擴散摻雜及P型摻雜在元件1988中。本徵前驅物1990之各種摻雜產生PV元件1992-1998。在PV元件1992中，包括P型及N型摻雜區；PV元件1994包括N+型及P型摻雜層；PV元件1996包括N型及P+型摻雜層；且N+型及P+型層包括於PV元件1998中。儘管將在前驅物材料1980、1985及1990中引入之不同摻雜區圖解說明為延伸區，但可在空間上受侷限或接近受侷限此等區，如本文所述。可藉由一經圖案化之電介質材料塗佈本文所圖解說明之各種PV元件且如本文所述將其金屬化以形成可堆疊以產生根據本發明之態樣之一單體光伏打電池之單元電池。在一態樣中，P+NN+PV元件或單元電池中藉由用經圖案化之電介質材料塗佈形成之經圖案化觸點可用於陸地PV聚集器，而P+PN+PV元件或單元電池可係輻射加固的且從而用於太空應用。
圖20A係具有藉由一電介質塗層圖案化之一單個表面之一PV元件之一剖面之一圖示2000。電介質材料之圖案產生沈積於一N+擴散摻雜層2014頂部之電介質區段2005。應注意，P+擴散摻雜層2016上具有一經圖案化電介質塗層之一PV元件之一額外或替代組態係可能的。在圖示2000中所圖解說明之PV元件中，一N型區2012將擴散摻雜區2014與2016分離。如上所述，此種組態在減輕與高強度下之PV元件之作業相關聯之再結合損失方面係有效的。
圖20B圖解說明在藉由金屬觸點2025及2035金屬化後之圖示2030之PV元件。N+擴散層2014上經圖案化電介質塗層區2005之存在降低電觸點2025與2035之間的電耦合。如上所述，金屬接觸層可係全異的。
圖20C圖解說明其中沿方向2080堆疊之構成單元電池20701-2070M(M係一正整數)在N+擴散摻雜層上利用一單側不對稱經圖案化電介質塗層(例如，藉由電介質區2005塗佈)之一VMJ光伏打電池2060之一實例性實施例。因作為PV元件之單元電池2070λ(λ=1,2...M)之堆疊而產生之VMJ太陽能電池係一單體(例如，整體地接合)、軸向定向之結構。在一態樣中，基於單元電池之半導電材料，可形成兩類VMJ光伏打電池：(a)同類及(b)異類。在(a)中，單元電池20701-2070M係基於相同或大致相同之前驅物，而在(b)中，單元電池係基於全異之前驅物。全異前驅物可基於相同半導電化合物，例如Si、Ge、GaAs、InAs或其他III-V半導電化合物、II-VI半導電化合物、CuGaSe、CuInSe、CuInGaSe，但在摻雜類型上不同，或對於熔合之化合物而言在熔合濃度上不同。同類VMJ光伏打電池可利用一電磁輻射源之發射光譜之各個部分，例如太陽光譜。一VMJ太陽能電池可沿方向2080產生一串聯電壓，其中ΔV C 係一構成PV元件2070λ之一電壓。在一態樣中，M~40通常用於形成一VMJ太陽能電池。具有M~40之一1cm2 VMJ在典型作業條件(例如，入射光子通量、輻射波長、溫度或諸如此類)下可輸出接近25伏。應瞭解，一PV元件堆疊之效能受具有最低效能之PV元件限制，此乃因此種元件係串聯連接中之一電流輸出瓶頸；即，電流輸出降低至表現最差之單元電池之電流輸出。因此，為最佳化效能，基於在大致類似於在該領域中一太陽能收集器系統之正常運作條件下預期之效能表徵之條件下(例如，輻射波長、聚集強度)在一測試床中進行之一效能表徵，形成VMJ光伏打電池之主動PV元件或單元電池之堆疊可係電流匹配或近乎電流匹配的。匹配之電流係由一PV元件或單元電池在太陽能-電能轉換時產生之電流。
此外，可處理(例如，鋸割、切割、蝕刻、剝離或諸如此類)產生VMJ太陽能電池之PV元件20701-2070M之單體堆疊，以便在該VMJ太陽能電池係一PV模組或裝置之部分時將一特定結晶平面(qrs)曝露或接近曝露給日光，其中q、r、s係米勒指數，其係整數。在一態樣中，為達成表面狀態之實質鈍化，特定結晶平面可(100)平面。20D圖解說明藉由一PV元件或單元電池堆疊2092(具有圖20C中所呈現之風格之經圖案化觸點)產生之一VMJ PV電池2090，該VMJ PV電池經處理以曝露一特定結晶表面(qrs)(藉由在方向〈qrs〉上定向之一法向向量2094指示)。注意，可利用具有本文所述之經圖案化觸點之任何PV元件來形成曝露結晶平面(qrs)之一VMJ PV電池。此外，作為該處理之部分，且基於方向〈qrs〉，可移除該VMJ PV電池之一部分2096以產生一平坦表面以促進或實現該VMJ PV電池用於一PV裝置或模組中。
圖21A係圖解說明至一PV元件之實例性電介質塗層圖案之一圖示。圖案2130及2140對應於一PV元件中一第一及第二表面之圖案。該電介質塗層中之開口係線或條帶，其具有一經界定寬度w 2135且彼此之間具有間距間隔w P 2145。在一態樣中，圖案電介質塗層中之此種開口結構提供接觸面積之一減小(1+w/w P )-1；舉例而言，當w=w P時，接觸面積存在一50%之減小。然而，由於較小接觸面積可為串聯電阻之一增加做貢獻，因此用於降低接觸面積比率之較佳線或條帶圖案係高密度之緊密間隔開之較小線或條帶開口。可改變該密度以最佳化一給定輻射強度(其係預期該PV元件作為一PV模組中一太陽能電池或PV電池之部分以其運作之輻射強度)之效能。一PV元件1910或一晶圓之相對表面上之額外或替代圖案亦係可能以及有利的。如所圖解說明，可在每一PV元件1910或一晶圓之相對側上製作線或條帶開口且自一側向另一側誤定向90度；即，經圖案化電介質塗層2130中之條帶以相對於〈100〉方向之一角度1935度定向，而經圖案化電介質塗層2140中之條帶以相對於〈100〉之一45度角度對準。注意，其他相對誤定向亦係可能及有利的。此外，如上文所指示，透過經圖案化電介質塗層2130形成之開口在大小上可不同於藉由電介質塗層2140產生之開口，例如跨越一不同面積。舉例而言，通常更需要具有比具有P+NN+單元電池之一PV元件中之P+觸點之開口面積寬之N+觸點開口面積，以更有效地降低總損失，尤其在N+擴散區及金屬觸點處存在較高損失之情況下。在替代方案中，可能需要實施比N+觸點之開口面積寬之P+觸點開口面積以減輕N+PP+單元電池(例如，PV元件1986)中之再結合損失。
在製作垂直多接面太陽能電池(其包括堆疊及熔合本文所述之表面圖案化之PV元件)時，當與金屬化接合在一起時，以不同方式定向之電介質區域可在一所界定圖案中形成低電阻觸點。在一態樣中，該等觸點(藉由電介質塗層2130及2140中之開口促進)直接對準且在一受控制圖案中互相毗鄰，其中一個晶圓之P+觸點在若干點處與下一晶圓之N+觸點介接，以保持成品VMJ電池中之串聯電阻較低。如前文所述，在一態樣中，可鋸割所製作之VMJ電池以使其在被照射之表面處具有一較佳〈100〉結晶定向以建立鈍化之最低表面狀態。因此，如圖21A中所圖解說明，一經圖案化PV元件之一第一表面上之線或條帶之相對定向可以距一第二表面中之線或條帶之一角度γ(例如，90度)相對誤定向，其中該第一及第二表面包括該〈100〉結晶方向，例如法向於該(100)結晶平面。線或條帶之其他定向亦係可能及有利的。同樣，可實施不同表面處線或條帶之相對誤定向γ。在一態樣中，誤定向γ係一有限實數；例如，電介質塗層圖案在全異表面處並不互相對準。另外，由於可處理本文所述之VMJ光伏打電池以曝露或大致曝露任一結晶平面(qrs)，因此可以相對於結晶方向〈qrs〉(其中q、r及s係米勒指數)之一角度a來定向一電介質塗層中之條帶。特定而言，一第一表面上一經圖案化電介質塗層中之條帶可包括以相對於〈qrs〉之一第一角度α定向之條帶，而一第二表面中一經圖案化電介質塗層中之條帶可以相對於〈qrs〉之一第二角度p(α≠β)定向；從而提供一誤定向γ=α-β。
圖21B圖解說明一P+擴散摻雜層2176及一N+擴散摻雜層2174兩者上沈積有電介質塗層圖案之一PV元件2150之一剖面圖。在PV元件2150中，N型區2172將擴散摻雜區2014與2016分離。所圖解說明之剖面係圖解說明一第一表面上電介質區(例如，電介質區2155)與一第二表面上彼等電介質區(例如，電介質區2165)之對準之一截面。應瞭解，其他剖面界面可顯示電介質材料(該第一表面及第二表面)之未對準區。如上所述，此種對準促進在經堆疊以形成一VMJ太陽能電池時保持PV元件2150之間的串聯電阻，此乃因P+擴散摻雜層中之金屬觸點可匹配於一後續堆疊之N+擴散摻雜層中之一金屬觸點，如圖21C中所圖解說明。應瞭解，如上文所指示，電介質區2155之間的間距可不同於電介質區2165之間的間距。
圖22圖解說明具有電介質塗層區2205之一實例性PV元件2200之一剖面圖，電介質塗層區2205藉由經圖案化電介質塗層2202之沈積而產生，其促進或能夠在該PV元件之金屬化時降低該PV元件之一表面中之一金屬接觸面積中之至少一者。在PV元件2200中，N+擴散區2214經構造以減小摻雜層體積且從而減輕光生載流子之再結合損失。可藉由經圖案化電介質塗層中之開口結構來確定N+摻雜區；例如，N+擴散區2214可係沿電介質塗層2202之一條帶化圖案中之間距定向之條帶。藉由利用電介質塗層區2205作為一掩模以控制或操縱N+摻雜來形成此等區。至少部分地基於經圖案化之電介質塗層2202及所沈積區2205之拓撲，可完全侷限或準侷限N+擴散摻雜區域或體積2214，例如在兩個或更少個方向上受侷限且在一第三方向上延伸。在PV元件2200之一特徵中，N型材料區2212散佈有N+擴散摻雜區2214。此外，P+擴散摻雜區2216不塗佈一經圖案化電介質材料。
在金屬化時(例如，藉由一金屬觸點塗佈P+擴散層2216之表面及受侷限、間斷N+擴散摻雜區(例如，區2214組)之經圖案化表面)，可堆疊並處理(例如，藉由一高溫製造步驟軟銲或熔合)一組金屬化之PV元件以形成具有根據本文所述態樣之降低之再結合損失之一VMJ光伏打電池。
圖23A圖解說明相對擴散摻雜區上沈積有電介質塗層圖案之一PV元件2300之一剖面圖。在一態樣中，利用一第一電介質塗層圖案(例如，沿相對於〈100〉結晶方向旋轉135度之一方向定向之一條帶化圖案2330)來減小一第一擴散摻雜區處之金屬接觸表面，而一第二電介質塗層圖案(例如，相對於該〈100〉結晶方向45度定向之一條帶化圖案2340)。N+及P+擴散摻雜區兩者可分別包括在兩個或更多個方向上受侷限之摻雜區2314及2316。該等電介質塗層圖案中之開口可用作掩模以產生體積減小之摻雜擴散層；該等開口在經塗佈電介質之區2305與2325之間形成。兩個擴散摻雜層處金屬接觸表面及摻雜區體積之減小可提供相對於一單個摻雜區中電介質塗層及摻雜體積減小之增強之載流子再結合損失減輕。如上所述，藉由經圖案化之PV元件或單元電池產生之一VMJ之經改良PV效能之效益超過與表面圖案化相關聯之額外處理複雜度及成本。此外，透過圖案電介質塗層2330形成之開口在大小上可不同於藉由電介質塗層2340產生之開口，例如跨越一不同面積，以便進一步控制源自擴散摻雜區域之再結合損失。舉例而言，可能更需要具有比產生P+摻雜區之開口大之產生N+摻雜區之開口，以更有效地降低總損失，尤其在該N+擴散區及金屬觸點處存在較高損失時。
圖23B圖解說明具有如上所述可互不相同之金屬接觸層2365及2375之經圖案化PV元件2350之一剖面。所圖解說明之剖面截面顯示N+擴散摻雜層之表面上之金屬區2365(例如，在電介質材料之空間中)與P+擴散摻雜層之表面上之金屬區2375(例如，在電介質材料之空間中之區)對準。在PV元件2350中，在一N型前驅物中形成摻雜區。可堆疊並處理一組經圖案化之PV元件2350以形成具有經改良效能之VMJ太陽能電池。
圖24呈現具有紋理化表面且藉由沿法向於單元電池24101-241010之平面之一方向堆疊該等單元電池形成之一紋理化垂直多接面(VMJ)光伏打電池2405之一實例性實施例之一透視圖；每一單元電池2410κ(其中κ=1,2,...10)由具有一經圖案化電介質塗層及金屬觸點之一PV元件構成，如本文所述。儘管在實例性紋理化PV電池2405中圖解說明一組10個單元電池，但注意，紋理化VMJ光伏打電池可包含M個單元電池，其中M係一正整數。可將一紋理VMJ光伏打電池(例如，2410κ)中之單元電池體現於單元電池2070λ、2180λ，或2350，或如本文所述生產之任何其他單元電池中。在光伏打電池2405中，紋理化表面2412係一V凹槽化表面；然而，可形成其他各種形狀之凹槽或腔，例如U凹槽。將該紋理化表面形成至因處理具有本文所述之經圖案化金屬觸點之單元電池或PV元件之單體堆疊而曝露或大致曝露給電磁輻射之一平面(qrs)上；例如，參見圖20D。入射光可在具有一法向向量n 2432之平面2430中折射。此種平面2430平行於其上塗佈有經圖案化之電介質材料之單元電池2410κ之表面，且可包括凹槽2415之剖面組態-平面2430大致垂直於堆疊單元電池2410κ之方向。單元電池2410κ之單體堆疊之表面之紋理化(其導致紋理化表面2412)使得折射光能夠被引導離開P+及N+擴散摻雜區而不阻礙載流子之光生，從而有效地將組成紋理化光伏打電池2405之單元電池製作得較薄，且如前文所指示降低再結合損失。此外，可將一抗反射塗層施加至紋理化表面2410以增加該電池中之入射光吸收。
鑒於上述實例性系統及元件，參照圖25至圖28中之流程圖可更佳地瞭解可根據所揭示之標的物實施之實例性方法。出於解釋之簡單性之目的，將本文所列舉之所述方法呈現及說明為一系列動作；然而，應理解及瞭解，所述及所主張之標的物並不受動作次序之限制，乃因某些動作可以與本文所示及所述之次序不同之次序及/或與其他動作同時發生。舉例而言，應理解及瞭解，可將本文所述之一方法替代表示為一系列相互關聯之狀態或事件(例如，在一狀態圖示或互動圖示中)。此外，實施根據本說明書之實例性方法可能並不需要所有所圖解說明之動作。另外，可聯合實施本文所述實例性方法以實現一個或多個特徵或優點。
圖25係根據本文所揭示之態樣用於產生具有降低之載流子再結合損失之VMJ太陽能電池之一實例性方法2500之一流程圖。本實例性方法並不限於太陽能電池且其亦可經實行以產生任一或大致任一光伏打電池。本文所述之一個或多個組件或模組可實行本實例性方法2500。在動作2510處，藉由一電介質塗層將一光伏打元件(例如，PV元件1910)之一組表面圖案化。藉由電介質塗層將該PV元件圖案化包括利用產生前文所述電介質塗層中之一者或多者之任一合適技術。作為一實例，圖案化可藉由沈積及光微影技術進行。作為另一實例，亦可採用蝕刻技術來互補或補充所採用之圖案化協定。可採用大致任一或任一電介質材料來塗佈該組表面。在動作2520處，將一金屬觸點沈積至該PV元件之經圖案化表面中之一者或多者上。動作2530之替代或額外實現可包括將一歐姆觸點或導電觸點沈積至該PV元件之經圖案化表面中之一者或多者上。可將用於該金屬觸點或歐姆觸點之材料體現於大致任一或任一導電材料中，例如一低電阻率經摻雜半導體或一金屬。在一態樣中，該導電材料較佳具有近乎匹配於該PV元件之半導體材料之熱係數之熱係數。在另一態樣中，該導電材料具有促進經圖案化及金屬化之PV元件之堆疊之接合特性。在再一態樣中，電介質材料塗層之圖案藉由將全異表面上之金屬區對準(例如，圖案2330及2340中之90度誤定向之條帶化開口產生沿一堆疊方向(例如，z方向2080)對準之金屬接觸區)來確保相對表面之金屬化產生具有低電阻之區。在動作2530處，堆疊一組經圖案化、金屬化之光伏打元件以形成一VMJ太陽能電池。應瞭解，此等PV元件可包括如上所述受侷限之擴散摻雜區。在動作2540處，處理所形成之VMJ太陽能電池以促進一PV裝置中之部署、最佳化光伏打效能或其一組合。此種處理可包括各種製造步驟或程序，例如切割程序、拋光程序、清潔程序、整合程序及諸如此類。此等程序可至少部分針對在將所形成之VMJ太陽能電池部署於一PV裝置中時將一特定結晶平面曝露給日光。在一個實例中，處理包含切割所形成之VMJ電池以便將〈100〉結晶平面曝露或大致曝露給日光以建立鈍化之最低表面狀態。
圖26係根據本文所述態樣用於產生具有降低之載流子再結合損失之太陽能電池之一實例性方法2600之一流程圖。本實例性方法2600並不限於製造太陽能電池；實例性方法2600亦可經實行以產生任一或大致任一光伏打電池。本文所述之一個或多個組件或模組可實行本實例性方法2600。在動作2610處，藉由一電介質塗層將一光伏打元件(例如，PV元件1910)之一組表面圖案化。藉由電介質塗層將該PV元件圖案化包括利用產生前文所述電介質塗層中之一者或多者之任一合適技術。作為一實例，圖案化可藉由沈積及光微影技術進行。作為另一實例，亦可採用蝕刻技術來互補或補充所採用之圖案化協定。可採用大致任一或任一電介質材料來塗佈該組表面。在動作2620處，可利用一經圖案化之電介質塗層來產生該PV元件中之受侷限擴散摻雜區。可將該經圖案化之電介質塗層用作規定摻雜區之侷限程度之一掩模。在一態樣中，該等摻雜區之侷限可接近二維，其中該摻雜大致沿一個維度延伸且沿兩個全異方向受侷限。摻雜區之侷限亦可接近三維，其中該PV元件中之摻雜限於一組一個或多個大致小於該PV元件之大小之局部化區域(例如，參見圖22)。作為一實例，一條帶化電介質材料圖案(例如，圖案2330)在用作用於摻雜之一掩模時可導致大致在兩個方向上(例如，朝向一名義上未經摻雜半導體材料片之一中心之擴散方向及法向於該經圖案化塗層中之間距或條帶之方向)受侷限之擴散摻雜層。擴散摻雜區之受侷限區減小其體積且減輕光生載流子再結合損失。
在動作2630處，將一歐姆觸點沈積至該PV元件之經圖案化表面中之一者或多者上。可將用於該歐姆觸點之材料體現於大致任一或任一導電材料中，例如一低電阻率經摻雜半導體或一金屬。在一態樣中，該導電材料近乎匹配於該PV元件之半導體材料(例如，Si、Ge、GaAs、InAs或其他III-V半導電化合物、II-VI半導電化合物、CuGaSe、CuInSe、CuInGaSe...)之熱係數且適於熔合。如前文所指示，電介質材料塗層之圖案藉由將全異表面上之金屬化區對準(例如，圖案2330及2340中之90度誤定向之條帶化開口產生沿一堆疊方向(例如，z方向2080)對準之金屬接觸區)來確保一歐姆觸點至相對經圖案化表面上之沈積產生具有低電阻之區。
在動作2640處，堆疊一組經圖案化、金屬化之光伏打元件以形成一太陽能電池。形成該太陽能電池之該組光伏打元件跨越M個元件，其中M係至少部分地由該太陽能電池之一目標作業電壓確定之一自然數。在一態樣中，該組PV元件可係同類或異類。在一同類組中，該組中之每一元件或單元電池係基於相同或大致相同之前驅物，而在一異類組中，每一元件係基於全異之前驅物。全異前驅物可基於相同半導電化合物，例如Si、Ge、GaAs、InAs或其他III-V半導電化合物、II-VI半導電化合物、CuGaSe、CuInSe、CuInGaSe，但在摻雜類型上不同，或對於熔合之化合物而言在熔合濃度上不同。此外，此等經圖案化、金屬化之PV元件包括如上所述受侷限之擴散摻雜區。在2650處，處理該太陽能電池以促進一PV裝置中之部署，最佳化光伏打效能或其一組合。處理可包括各種製造步驟或程序，例如切割程序、拋光程序、清潔程序、整合程序或諸如此類。此等步驟可至少部分意欲在將所形成之太陽能電池部署於一PV裝置中時將一特定結晶平面曝露給日光。在一個實例中，處理包含切割所形成之太陽能電池以便將(100)結晶平面曝露或大致曝露給日光以建立鈍化之最低表面狀態。應瞭解，可處理該太陽能電池以曝露或大致曝露其他結晶平面，例如(qrs)平面(例如，(311))。
圖27係根據本文所述態樣實現太陽能電池之製作之一實例性系統2700之一方塊圖。沈積反應器2710實現對基於半導體之晶圓之處理以產生組成如本文所述太陽能電池(例如，VMJ太陽能電池)之PV元件或單元電池。沈積反應器2710及其中之模組包括各種硬體組件、軟體組件或其組合及相關電或電子電路以實現該處理。在態樣中，塗佈器模組2712允許藉由一電介質塗層將一半導體晶圓或基板之一表面圖案化。該晶圓或基板可係名義上未經摻雜或經摻雜，且係用於產生該等太陽能電池之PV元件之前驅物。如上文所指示，圖案化可基於經由一合適掩模、光微影或蝕刻沈積該電介質材料。沈積反應器2710亦包括允許將摻雜劑包括於PV元件之半導體前驅物內之摻雜模組2714。摻雜劑可如上文所述形成擴散摻雜層(例如，參見圖19或圖23)；然而，摻雜模組2714亦負擔大致任一類型之摻雜，例如基於壘晶之摻雜(例如，Δ摻雜)。此外，摻雜模組2714允許形成可防止自動摻雜之擴散屏障。
如上所述，藉由一電介質材料塗佈一PV元件可在摻雜之前或之後發生。在經圖案化電介質塗佈之後之摻雜利用此種塗層作為一掩模以用於產生受侷限或接近受侷限之摻雜區(例如，參見圖22)。
金屬化模組2716實現金屬層至包括摻雜區(延伸或受侷限)及經圖案化電介質塗層之一PV元件之沈積。可藉由半導體材料(藉由後續摻雜)或一金屬材料之沈積來實現金屬化。在一態樣中，此等材料具有匹配於或近乎匹配於具有摻雜區之PV元件之熱係數之熱係數。
沈積反應器2710可包括濺鍍室、壘晶室、氣相沈積室、電子束槍、源材料夾持器、晶圓儲存器、樣本基板、爐、真空幫浦(例如，渦輪幫浦、擴散幫浦)或諸如此類。此外，沈積反應器2710可包括：其中包括處理器及記憶體之電腦，其中記憶體係揮發性或非揮發性；可程式化邏輯控制器；專用處理器，例如專用晶片集；或諸如此類。沈積反應器2710亦可包括例如作業系統等軟體應用程式或用以實行一個或多個處理動作(至少包括前文所述彼等動作)之程式碼指令。所述硬體、軟體或其組合促進或實現沈積反應器2710及其中模組之至少一部分功能性。一匯流排2718允許沈積反應器2710中各種硬體、軟件或其組合之間資訊(例如，資料或程式碼指令)之傳送、材料之轉移、經處理元件之交換等。
可向一封裝平臺2730供應光伏打元件以用於進一步處理。一交換鏈路(例如，一運送者鏈路)或其中一交換室及機電組件可供應該(等)PV元件；藉由箭頭2720圖解說明該交換鏈路或交換室中之至少一者。組裝模組2732可收集一組PV元件且允許藉由一高溫製程或步驟堆疊該等PV元件中之每一者以產生一太陽能電池(例如，一VMJ太陽能電池)。將該堆疊轉移至將該太陽能電池完成至一所確定規格之一規格模組2734，例如，鋸割該堆疊以允許曝露該堆疊中形成該太陽能電池之PV元件之一特定結晶平面。可至少部分地藉由測試模組2760來促進或允許此種處理，測試模組2760可確定該太陽能電池中該等PV元件或單元電池之結晶學定向；可經由X-射線光譜學來證實此種確定，例如衍射光譜及搖擺曲線光譜。
出於品質確保之目的或為滿足規格，測試模組2760可探測太陽能電池製造之各個階段前驅物材料或經處理材料。作為一實例，測試模組2760可探測PV元件之一經圖案化電介質塗層中之開口之密度以確定此種密度在一太陽能聚集器中對於一預期日光強度或光子通量是否足夠。作為另一實例，測試模組可確定可因具有金屬層之一PV元件中之熱循環而產生之偵測密度，以證實用於金屬化之材料或製程是否足夠。至少出於此等目的，測試模組2760可實施或實現少數-載流子壽命量測、X-射線光譜學、掃描電子顯微鏡學、穿隧電子顯微鏡學、掃描穿隧顯微鏡學、電子能量損失光譜學或諸如此類。由測試模組2760實施之探測可係原位或非原位。可經由交換鏈路2740及2750將經處理材料或裝置(例如，太陽能電池)之前驅物之樣本供應至測試模組。
處理單元(未顯示)可實行邏輯以控制本文結合系統2700之作業闡述之各種製程之至少部分。此(等)處理單元(未顯示)可包括執行實行該控制邏輯之程式碼指令之處理器；可將該等程式碼指令(例如，程式模組或軟體應用程式)保存於功能性地耦合至該(等)處理器之記憶體(未顯示)中。
上文所述內容包括提供本發明之優點之系統及方法之實例。當然，不可能出於闡述本發明之目的而闡述各組件或方法之每一種可構想之組合，但熟習此項技術者可認識到，所主張之標的物可具有許多其他組合及排列。此外，就本詳細說明、申請專利範圍、附件及圖式中所用術語「包括(includes)」、「具有(has)」、「擁有(possesses)」及諸如此類而言，此等術語之包括方式既定類似於術語「包含(comprising)」在申請專利範圍中用作一轉折詞時「包含(comprising)」被解釋的那樣。
100．．．凹槽化表面
110．．．平面
111．．．單元電池
113．．．單元電池
115．．．單元電池
120．．．垂直多接面電池
210．．．紋理化
220．．．紋理化
230．．．紋理化
311．．．單元電池
313．．．單元電池
315．．．VMJ
317．．．單元電池
345．．．側
400．．．單元電池
411．．．層
412．．．交點
413．．．層
415．．．層
610．．．緩衝帶
611．．．電池單元
612．．．緩衝帶
615．．．VMJ
617．．．電池單元
700．．．單元電池
711．．．層
712．．．交點
713．．．層
715．．．層
800．．．VMJ電池
810．．．邊形成物
812．．．邊形成物
830．．．單元電池
831．．．端層
840．．．單元電池
841．．．端層
1005．．．入射光
1020．．．模組配置
1023．．．光伏打電池
1025．．．光伏打電池
1027．．．光伏打電池
1110．．．垂直多接面電池
1111．．．電池單元
1117．．．電池單元
1119．．．熱量調節總成
1130．．．器皿
1135．．．入射光
1137．．．表面
1200．．．VMJ
1201．．．單元電池
1211．．．突出物
1215．．．突出物
1235．．．入射光
1241．．．表面
1310．．．VMJ
1311．．．單元電池
1317．．．單元電池
1510．．．緩衝帶
1511．．．電池單元
1512．．．緩衝帶
1515．．．VMJ
1517．．．電池單元
1600．．．單元電池
1611．．．層
1612．．．交點
1613．．．層
1615．．．層
1700．．．凹槽化表面
1710．．．平面
1711．．．單元電池
1713．．．單元電池
1715．．．單元電池
1720．．．垂直多接面電池
1810．．．紋理化
1820．．．紋理化
1830．．．紋理化
1910．．．光伏打元件
1912．．．N型(N)層
1914．．．經摻雜N+擴散區
1916．．．經摻雜P+擴散區
1920．．．電介質塗層
1925．．．金屬觸點
1935．．．金屬觸點
1960．．．電介質塗層
1980．．．N型經摻雜前驅物
1982．．．PV元件
1984．．．PV元件
1985．．．P型經摻雜前驅物
1986．．．PV元件
1988．．．PV元件
1990．．．本徵前驅物
1992．．．PV元件
1994．．．PV元件
1996．．．PV元件
1998．．．PV元件
2005．．．電介質塗層區
2012．．．N型區
2014．．．N+擴散摻雜層
2016．．．P+擴散摻雜層
2025．．．金屬觸點
2035．．．金屬觸點
2060．．．VMJ光伏打電池
20701．．．構成單元電池
20702．．．構成單元電池
2070M．．．構成單元電池
2080．．．方向
2092．．．堆疊
2094．．．法向向量
2096．．．部分
2130．．．圖案
2135．．．寬度w
2140．．．圖案
2145．．．間距間隔wP
2150．．．PV元件
2155．．．電介質區
2165．．．電介質區
2172．．．N型區
2174．．．N+擴散摻雜層
2176．．．P+擴散摻雜層
2200．．．PV元件
2202．．．電介質塗層
2205．．．電介質塗層區
2212．．．N型材料區
2214．．．N+擴散區
2216．．．P+擴散摻雜區
2300．．．PV元件
2305．．．區
2314．．．摻雜區
2316．．．摻雜區
2325．．．區
2330．．．條帶化圖案
2340．．．條帶化圖案
2350．．．PV元件
2365．．．金屬接觸層
2375．．．金屬接觸層
2405．．．垂直多接面(VMJ)光伏打電池
2412．．．紋理化表面
2415．．．凹槽
2430．．．平面
2432．．．法向向量n
2700．．．系統
2710．．．沈積反應器
2712．．．塗佈器模組
2714．．．摻雜模組
2716．．．金屬化模組
2718．．．匯流排
2720．．．箭頭
2730．．．封裝平臺
2732．．．組裝模組
2734．．．規格模組
2740．．．交換鏈路
2750．．．交換鏈路
2760．．．測試模組
圖1圖解說明根據本發明之一態樣作為垂直多接面(VMJ)電池之部分之一紋理化或凹槽化表面之一示意性透視圖；
圖2圖解說明用於實施本發明之凹槽之例示性剖面；
圖3圖解說明根據本發明之一態樣用以形成具有一凹槽化表面之一VMJ之電池單元之一例示性堆疊；
圖4圖解說明根據本發明之一態樣部分地形成一VMJ之一特定單元電池；
圖5圖解說明根據本發明之一態樣產生具有凹槽化表面之一VMJ以減輕體再結合損失之一相關方法；
圖6圖解說明根據本發明之一態樣作為一垂直多接面(VMJ)電池之部分之緩衝帶之一配置之一示意性方塊圖；
圖7圖解說明根據本發明之一特定態樣其一陣列可形成一VMJ電池之一單元電池之一特定態樣；
圖8圖解說明呈位於一VMJ之任一端處之單元電池之表面上之一邊形成物形式之一緩衝帶之一例示性剖面；
圖9圖解說明在一高電壓矽垂直多接面(VMJ)光伏打電池之端層處採用緩衝帶以提供保護其作用層之一屏障之一相關方法；
圖10圖解說明包括可實施具有緩衝帶之VMJ之光伏打(PV)電池之一模組化配置之一太陽能總成之一示意性剖面圖；
圖11圖解說明根據本發明之一態樣針對水電解採用一垂直多接面(VMJ)電池之一電解系統之一示意性方塊圖；
圖12圖解說明自該VMJ之一表面突出可促進電解製程之金屬層突出物；
圖13圖解說明跨越該VMJ且在作為其部分之整個堆疊電池中之一電壓梯度；
圖14圖解說明根據本發明之一態樣經由一VMJ之水電解之一方法；
圖15圖解說明可用於本發明之電解之一VMJ電池；
圖16圖解說明一單個電池單元，複數個該單個電池單元形成用於本發明之電解之VMJ；
圖17圖解說明具有一凹槽化表面以改良電解製程之效率之一VMJ電池；
圖18圖解說明根據本發明之一態樣用於電解之一VMJ之一表面之例示性凹槽化；
圖19A及圖19B係根據本應用中所揭示之態樣PV元件之經圖案化表面之實例性組態之圖示；圖19C顯示根據本文所揭示之態樣之實例性組前驅物及可藉由摻雜產生之衍生PV元件之一圖示；
圖20A至圖20C圖解說明根據本文所述態樣PV元件之經圖案化電介質塗層及一說明性VMJ堆疊之實例性組態之圖示。20D圖解說明經處理以曝露一特定結晶表面之一VMJ PV電池；
圖21A至圖21C圖解說明根據本文所述態樣PV元件之經圖案化電介質塗層及一說明性VMJ堆疊之實例性組態之圖示；
圖22圖解說明根據本文所述態樣具有一減小之擴散摻雜層之一主動PV元件之經圖案化電介質塗層之一實例性組態之一剖面圖；
圖23A及圖23B圖解說明根據本文所述態樣一PV元件之經圖案化電介質塗層之實例性組態之圖示；
圖24呈現根據本文所述態樣具有紋理化表面之一光伏打電池之一實施例之一透視圖；
圖25係根據本文所揭示之態樣用於產生具有降低之載流子再結合損失之一光伏打電池之一實例性方法之一流程圖；
圖26顯示根據本文所述態樣用於產生具有降低之載流子再結合損失之VMJ太陽能電池之一實例性方法之一流程圖；及
圖27係根據本文所述態樣實現太陽能電池之製作之一實例性系統之一方塊圖。
100．．．凹槽化表面
110．．．平面
111．．．單元電池
113．．．單元電池
115．．．單元電池
120．．．垂直多接面電池

Claims (14)

  1. 一種光伏打電池，其包含：複數個基於半導體之光伏打(PV)元件之一單體堆疊，其中該複數個基於半導體之PV元件中的每一元件包括一P型擴散摻雜區或一N型擴散摻雜區中之至少一者；一經圖案化之電介質塗層，其沈積於該P型擴散摻雜區或該N型擴散摻雜區中之至少一者上；及一金屬層，其位於該複數個基於半導體之PV元件中之元件之間的界面處。
  2. 如請求項1之光伏打電池，其中該P型擴散摻雜區或該N型擴散摻雜區中之至少一者包括一個或多個受侷限區。
  3. 如請求項1之光伏打電池，其中該經圖案化之電介質塗層包括間斷電介質材料區或連貫電介質材料區中之至少一者。
  4. 如請求項3之光伏打電池，其中該等連貫電介質材料區包括電介質區域之一週期性晶格或一近週期性晶格中之至少一者。
  5. 如請求項3之光伏打電池，其中該等間斷電介質材料區包括以相對於一〈qrs〉結晶方向之一第一角度定向之一組條帶或以偏離該〈qrs〉結晶方向之一第二角度定向之一組條帶中的至少一者，其中q、r及s係米勒指數。
  6. 如請求項5之光伏打電池，其中該等條帶組中之至少一者中之條帶的密度至少部分地由預期該複數個基於半導體之PV元件以其運作的輻射強度規定。
  7. 如請求項5之光伏打電池，其中該PV元件中之一第一擴散摻雜層塗佈有一第一電介質材料圖案，且該PV元件中之一第二擴散摻雜層塗佈有一第二電介質材料圖案。
  8. 如請求項7之光伏打電池，其中該第一電介質材料圖案至少部分地由該第一擴散摻雜層中的再結合損失機制確定。
  9. 如請求項7之光伏打電池，其中該第二電介質材料圖案至少部分地由該第二擴散摻雜層中的再結合損失機制確定。
  10. 如請求項1之光伏打電池，其中複數個基於半導體之光伏打(PV)元件之該堆疊經處理以將一或多個特定結晶平面實質上曝露於日光。
  11. 如請求項1之光伏打電池，其中該金屬層具有近乎匹配於該光伏打元件之該半導體材料之一或多個熱膨脹係數的一或多個熱膨脹係數。
  12. 如請求項1之光伏打電池，其中在能量轉換時，由該等基於半導體之光伏打(PV)元件供應的電流輸出係近乎匹配的。
  13. 如請求項1之光伏打電池，其中該複數個基於半導體之PV元件中的每一元件係藉由對一N型半導電前驅物、一P型半導電前驅物或一本徵半導電前驅物中之一者進行摻雜而形成。
  14. 如請求項1之光伏打電池，其中該單體堆疊之一表面包括具有一腔形成物圖案之一紋理化表面。
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