專利名稱：具有類似漏斗的溝槽結構的太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池及其制造方法。
背景技術：
利用將光能轉化為有用的電能的太陽能電池是眾所周知的。進入到這些太陽能電 池的光被吸收，由此產(chǎn)生電子-空穴對，隨后，通過由太陽能電池結產(chǎn)生的電場空間性地分 離電子-空穴對，并在太陽能電池的各個觸點處(例如頂面和底面)收集電子-空穴對。例 如，在n-p型太陽能電池中，電子將向頂面行進，隨后在該頂面處電子將被位于該頂面上的 金屬柵格收集。另一方面，空穴將向太陽能電池的底面行進，在底面處空穴可以被覆蓋整個 底面的金屬板收集。收集概率描述了器件的某一區(qū)域中吸收的光生載流子將被p-n結收集并且因此 對光生電流做出貢獻的概率。收集概率取決于與擴散長度相比，光生載流子必須行進的距 離，且取決于器件的表面特性。耗盡區(qū)中產(chǎn)生的載流子的收集概率是1，這是因為電子-空 穴對迅速地被電場掃描分離并被收集。遠離結，收集概率降低。如果載流子產(chǎn)生在距離結 大于擴散長度處，那么對這種載流子的收集概率就非常低。類似地，如果載流子產(chǎn)生在比結 更靠近具有更高復合的區(qū)域處，那么載流子將復合。業(yè)內(nèi)公知一些不同類型的太陽能電池及制造太陽能電池的方法。太陽能電池制造 商不斷追求的目標是以有成本效益的方式提高太陽能電池的轉換效率。入射到半導體表面上的光子或從頂面反射，或被吸收進材料中，亦或不能發(fā)生上 述兩個過程中的任一個過程，而從材料中透射出去。對于光伏器件來說，因為沒有被吸收的 光子是不會產(chǎn)生電功率的，所以反射和透射通常被視為損耗機理。吸收系數(shù)決定了特定波長的光在被吸收之前能穿透進材料中多遠的距離。在具有 低吸收系數(shù)的材料中，所吸收的光很少，且如果材料足夠薄，則其對于該波長來說似乎是透 明的。吸收系數(shù)是材料的特性，且還取決于正被吸收的光的波長。吸收系數(shù)對于波長的依賴性導致在大部分光被吸收之前，不同波長穿透進半導體 中的距離不同。由吸收系數(shù)的倒數(shù)(即，a—1)給出了吸收深度。吸收深度是一個有用的參 數(shù)，該參數(shù)給出了在光降低至其初始強度的約36%時或另選地已經(jīng)降低了 Ι/e的因數(shù)時進 入材料的距離。因為特定材料對于高能光(波長短，例如藍光)具有大吸收系數(shù)，所以高能 光在從表面開始的短距離內(nèi)(對于太陽能電池來說，在幾微米之內(nèi))被吸收，而紅光光譜卻 沒有那么強烈地被吸收。即使幾百微米之后，也不能在硅中吸收所有近紅外光。理想的太陽能電池可由并聯(lián)有二極管的電流源來做模型。肖克萊(Shockley)理 想二極管方程或理想二極管定律是理想二極管在正向偏置或反向偏置(或沒有偏置)下的 I-V特性。方程是Id= I0 [exp (qV/kT) _1]其中Id是二極管電流，I0是反向偏置飽和電流，V是橫跨二極管的電壓，q是電子 電荷，k是玻耳茲曼(Boltzman)常數(shù)，且T是二極管結的絕對溫度。
對太陽能電池成本方面的典型需求是可以在廉價襯底上，例如金屬襯底上，形成 太陽能電池。另一方面，硅通常用作制造太陽能電池的半導體。其中，從光能轉化為電動勢 的效率的角度(即從光電轉換效率的角度)來考慮，單晶硅是優(yōu)良的材料。但是，單晶硅相 對昂貴。多晶硅更廉價，但是卻具有較低的轉換效率。非晶硅更廉價，但是卻具有更低的轉 換效率。太陽能電池的轉換效率被確定為被轉換成電的入射功率的分數(shù)(fraction)且被 定義為
權利要求
1.一種包括一個或更多個太陽能電池的容積式結構，該結構包括具有圖案化表面的 第一導電類型的半導體襯底，該圖案限定了類似漏斗形狀的間隔開的溝槽的陣列；以及第 二相反導電類型的材料層，其至少位于所述襯底的所述圖案化表面的一部分上，由此，該結 構限定了結區(qū)，在這些結區(qū)中通過該結構所暴露于的入射輻射能產(chǎn)生電荷載流子，所述結 區(qū)位于所述襯底的所述圖案化表面上的不同高度處。
2.根據(jù)權利要求1所述的結構，其中，所述溝槽的深度和所述溝槽排列的節(jié)距之間的 縱橫比約為1或更大。
3.根據(jù)權利要求1所述的結構，其中，限定了所述溝槽的深度的不同高度之間的距離 在約8 μ m至約50 μ m的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求1所述的結構，其中，類似漏斗形狀的所述溝槽具有傾斜側面，這些傾 斜側面沿著至少兩個相交平面延伸，限定了所述入射輻射能與所述至少兩個側面之間的多 重相互作用，由此降低了從所述圖案化表面反射出的光量，因此增加了所述結構的外量子 效率。
5.根據(jù)權利要求4所述的結構，其中，類似漏斗形狀的所述溝槽由多個表面形成，所述 多個表面包括水平表面以及連接在所述水平表面之間的所述傾斜側面；所述結區(qū)位于所述 傾斜側面之間的所述水平表面上。
6.根據(jù)權利要求4至5中任意一項所述的結構，其中，所述傾斜側面的角度被選擇為使 得在所述結構中俘獲來自多個入射角度的入射輻射能，由此降低從所述圖案化表面反射出 的光量，從而增加所述結構的外量子效率。
7.根據(jù)權利要求4至6中任意一項所述的結構，其中，所述傾斜側面的角度被選擇為 使得在所述結構中俘獲來自多個入射角度的入射輻射能，由此使得所述結構的光程長度增 加，從而增加所述結構的內(nèi)量子效率。
8.根據(jù)權利要求4至7中任意一項所述的結構，其中，所述溝槽中的至少一些溝槽包含 所述結區(qū)，所述溝槽的圖案使得所述結構的所述圖案化表面內(nèi)的所述結區(qū)的填充因數(shù)提供 了 對于給定入射角的入射輻射來說，大多數(shù)入射輻射能通過所述傾斜側面被所述結構吸 收，使得入射光的吸收能夠靠近所述結區(qū)，以及由于紅光光譜和紅外光譜而產(chǎn)生的光生載 流子，增加了內(nèi)量子效率。
9.根據(jù)權利要求4至8中任意一項所述的結構，其中，所述溝槽中的至少一些溝槽包含 所述結區(qū)，所述溝槽的圖案使得所述結構的所述圖案化表面內(nèi)的所述結區(qū)的填充因數(shù)提供 了 對于給定入射角的入射輻射來說，大多數(shù)入射輻射能由所述結構通過所述傾斜側面吸 收，從而導致對入射輻射的UV光譜和藍光光譜的吸收。
10.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，其中，所述第二材料層是連續(xù)的。
11.根據(jù)權利要求10所述的結構，其中，所述第二材料層具有所述第二類型的變化的 導電率，由此限定了間隔開的結區(qū)的陣列。
12.根據(jù)權利要求1至11中任意一項所述的結構，其中，所述第二材料層是不連續(xù)的， 限定了由絕緣層隔開的間隔開的結區(qū)的陣列。
13.根據(jù)權利要求12所述的結構，其中，所述絕緣層選自硅氧化物層和硅氮化物層。
14.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，其中，所述結區(qū)位于沿著兩個大致平行 的平面延伸的兩個不同高度處。
15.根據(jù)權利要求1至14中任意一項所述的結構，其中，所述結區(qū)位于沿著三個大致平 行的平面延伸的三個不同高度處。
16.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，其中，局部相鄰的結區(qū)之間的距離被選 擇為使得入射輻射能的紅光光譜和紅外光譜二者中的大部分被所述局部相鄰的結區(qū)之間 的表面吸收。
17.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，其中，所述半導體襯底是硅襯底。
18.根據(jù)權利要求17所述的結構，其中，所述硅襯底是多晶襯底。
19.根據(jù)權利要求17所述的結構，其中，所述硅襯底是單晶襯底。
20.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，其中，所述第二材料層和所述襯底由相 同的半導體襯底形成。
21.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，其中，局部相鄰的結區(qū)之間的距離被選 擇為使得入射輻射與所述溝槽的側面之間的眾多相互作用最大化。
22.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，所述結構包括在所述半導體襯底的 未圖案化表面上的至少一個電極，以及在所述圖案化表面上的至少一個電極。
23.根據(jù)前述權利要求中任意一項所述的結構，所述結構包括暴露于入射輻射的一個 或更多個光學元件，用于將所述入射輻射能會聚到類似漏斗的所述溝槽中。
24.根據(jù)權利要求23所述的結構，其中，所述間隔開的類似漏斗的溝槽包括在所述圖 案化表面上大致徑向地排列的溝槽，所述溝槽的排列面向所述入射輻射能。
25.一種制造太陽能結構的方法，該方法包括以下步驟提供第一導電類型的半導體 襯底，在該半導體襯底上生成至少一個犧牲層；在所述至少一個犧牲層的每一個中都生成 間隔開的區(qū)域的至少一個圖案，以選擇的刻蝕速率刻蝕所述至少一個犧牲層，以獲得所需 的刻蝕輪廓，由此形成圖案化的半導體表面，所述圖案包括類似漏斗形狀的間隔開的溝槽 的陣列，以及至少在圖案化的表面的一部分上生成相反導電類型的第二層，由此限定了位 于所述圖案化的表面上的不同高度處的間隔開的結區(qū)，使得能夠通過所述結構所暴露于的 入射輻射能而在這些結區(qū)內(nèi)產(chǎn)生電荷載流子。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述圖案生成由多個表面形成的至少一個溝 槽，該多個表面包括水平表面以及連接在所述水平表面之間的傾斜側面；所述這些結區(qū)位 于所述傾斜側面之間的所述水平表面上。
27.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述結區(qū)位于沿著兩個大致平行的平面延伸 的兩個不同高度處。
28.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述結區(qū)位于沿著三個大致平行的平面延伸 的三個不同高度處。
29.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述第二材料層和所述襯底由相同的半導體 襯底形成。
30.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述半導體襯底是硅襯底。
31.根據(jù)權利要求30所述的方法，其中，所述硅襯底是多晶襯底。
32.根據(jù)權利要求30所述的方法，其中，所述硅襯底是單晶襯底。
33.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述犧牲層選自熱氧化物層、PECVD氧化物層、 氮化物層或光刻膠層。
34.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述第二材料層是連續(xù)的。
35.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述第二材料層是不連續(xù)的，限定了通過絕緣 層隔開的間隔開的結區(qū)的陣列。
36.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述刻蝕是各向同性的。
37.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述刻蝕是各向異性的。
38.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述所需的刻蝕輪廓是通過以不同的刻蝕對 PECVD氧化物和熱氧化物進行刻蝕而獲得的。
39.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述所需的刻蝕輪廓是通過以不同的刻蝕對 硅和氧化物進行刻蝕而獲得的。
40.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中，所述第二材料層具有所述第二類型的變化的 導電率，由此定義了間隔開的結區(qū)的陣列。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包括一個或更多個太陽能電池的容積式太陽能結構。該太陽能結構包括具有圖案化表面的第一導電類型的半導體襯底，該圖案限定了類似漏斗形狀的間隔開的溝槽的陣列，以及第二相反導電類型的材料層，其至少位于襯底的圖案化表面的一部分上。該結構因此限定了結區(qū)，在這些結區(qū)中通過該結構所暴露于的入射輻射能來產(chǎn)生電荷載流子。這些結區(qū)位于襯底的圖案化表面上的不同高度處。
文檔編號H01L31/0352GK102099927SQ200980122261
公開日2011年6月15日 申請日期2009年6月14日 優(yōu)先權日2008年6月12日
發(fā)明者尤里埃爾·利維, 尼西姆·本約瑟夫, 約瑟夫·夏皮爾 申請人:申卡爾工程和設計學院, 耶路撒冷希伯來大學伊森姆研究發(fā)展公司