專利名稱：太陽基元和電池三維集成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光伏技術(shù)，更具體而言，涉及利用三維(3D)集成的光伏基元(cell)和電池(battery)集成。
背景技術(shù)：
光伏器件或太陽基元是將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能的電子器件。由太陽基元產(chǎn)生的電能通常存儲在電池中以備使用。在現(xiàn)有太陽功率系統(tǒng)中公知的太陽基元和電池為具有布線連接的獨立部件。因此，現(xiàn)有太陽功率系統(tǒng)損耗大且在能量管理上不是有效的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的 一個方面提供一種集成光伏基元和電池器件。該器件包括具有第一側(cè)的光伏基元，所述光伏基元的第一側(cè)具有到在所述光伏基元中設(shè)置的n型層和p型層的隔離電接觸；具有第一側(cè)的電池，所述電池的第一側(cè)具有到在所述電池中設(shè)置的陰極和電子的集電體的隔離電接觸，其中所述光伏基元的第一側(cè)接合到所述電池的第一側(cè)；以及至少一個互連，其將所述光伏基元和所述電池三維集成為用于俘獲和存儲太陽能的集成器件。本發(fā)明的另一方面提供一種制造光伏基元和電池集成器件的方法。提供光伏基元，其中所述光伏基元的第一側(cè)包括到n型層和p型層二者的隔離電接觸。提供電池，其中所述電池的第一側(cè)包括到陰極和集電體二者的隔離電接觸。將所述光伏基元和所述電池接合，以形成用于俘獲和存儲太陽能的集成器件。本發(fā)明另一方面提供一種光伏功率系統(tǒng)，其包括多個三維集成光伏基兀和電池器件，以及用于優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換的邏輯電路。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的集成光伏基元和電池器件的橫截面圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的集成光伏基元和電池器件的制造流程圖。圖3是光伏基元的第一制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖4a是光伏基元的第二制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖4b是光伏基元的第二制造步驟中的光伏基元頂視圖。圖5是光伏基元的第三制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖6是光伏基元的第四制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖7a是光伏基元的第五制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖7b是光伏基元的第五制造步驟中的光伏基元頂視圖。圖8a是光伏基元的第六制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖Sb是光伏基元的第六制造步驟中的光伏基元頂視圖。
圖9a是光伏基元的第七制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖9b是光伏基元的第七制造步驟中的光伏基元頂視圖。圖1Oa是光伏基元的第八制造步驟中的光伏基元橫截面圖。圖1Ob是光伏基兀的第八制造步驟中的光伏基兀底視圖。圖11是電池的第一制造步驟中的電池橫截面圖。圖12是電池的第二制造步驟中的電池橫截面圖。圖13是電池的第三制造步驟中的電池橫截面圖。圖14是電池的第四制造步驟中的電池橫截面圖。圖15是電池的第五制造步驟中的電池橫截面圖。圖16是電池的第六制造步驟中的電池橫截面圖。圖17是根據(jù)本發(fā)明實施例的集成器件的集成制造步驟中的光伏基元和電池器件的橫截面圖。圖18是根據(jù)本發(fā)明實施例的光伏功率系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖。圖19是根據(jù)本發(fā)明實施例用于集成光伏基元和電池器件的示例性設(shè)計流程方框圖。
具體實施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的集成光伏基元和電池器件100。器件100包括集成為單個器件的光伏基元110和電池120。光伏基元110將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能然后存儲在電池120中。光伏基元110和電池120可以分別制造，以便最大化制造效率，然后再將兩個部件接合在一起形成單個集成器件100。在該示例中，光伏基元110基于晶體硅制成；然而，也可以采用其它類型的太陽基元，包括薄膜太陽基元，這不會脫離本發(fā)明的范圍。例如，光伏基元110可以基于非晶硅、碲化鎘或硒化銅銦鎵制成。如要了解薄膜型太陽基元技術(shù)，可以參閱K. L. Chopra的“Thin-Film Solar Cells:An Overview”PROGRESS IN PH0T0V0LTAICS:RESEARCH ANDAPPLICATIONS, Prog. Photovolt: Res. App1.，2004; 12:6992，該文章被并入本文。類似的，在所述示例中，電池120基于可再充電固態(tài)鋰離子電池。然而，電池120也可以采用其它類型，這不會脫離本發(fā)明的范圍。例如，電池120可以是其它類型的濕基元或干基元電池或者超級電容器。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，電池120包括多個三維電池基元130a和130b。這些三維電池基元130a和130b放大了電池120的表面積，因此可以增大能量密度。通過并聯(lián)連接電池基元130a和130b，電池電壓保持恒定，而電池容量卻得以擴展。電池基元130a和130b的數(shù)量不限于圖1所示數(shù)量。為了更加詳細地說明如上所述具有三維電池基元的可再充電固態(tài)電池，可以參閱 Loic Baggetto 的的 “On the route toward3D_integratedall-solid-state micro-batteries”，Solid-State Technology, Aug. 2008,該文章被并入本文中。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，光伏基元110包括用于光伏基元的第一導電接觸層
111、鈍化層112、重摻雜η型娃層113、ρ型娃層114、重摻雜ρ型娃層115、襯里層116、介電層117和用于光伏基元的第二導電接觸層118。
每個上述層在晶體硅光伏基元技術(shù)中都屬于普通常識。本發(fā)明的范圍不限于上述層，還可以包括附加的層或更少層。雖然圖1示出各層表面為平面線，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，對于單晶硅而言，這些表面可以是粗糙表面而非平滑表面。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解每個層的目的、構(gòu)成每個層的材料以及每個層的合適厚度。所以在此僅作簡要說明。用于光伏基元的第一導電接觸層111是由良導體例如金屬制成的接觸網(wǎng)格，它用作電子的集電體。在網(wǎng)格之間通常設(shè)置保護性透明包封層。在其它實施例中，第一導電接觸層111也可以由透明導電氧化物制成。鈍化層112是用于表面鈍化的材料層，通常還提供入射光的抗反射。重摻雜n型硅層113是利用能夠提供額外導電電子以便產(chǎn)生負電子電荷載流子的材料所重摻雜的硅。在其它實施例中，該n型層可以由非晶硅、硫化鎘、硫化鋅或氧化鋅制成。p型硅層114是利用能夠在硅晶格中導致缺失電子以便產(chǎn)生正電荷載流子的材料所摻雜的硅，所述材料。在其它實施例中，P型層可以由非晶硅、碲化鎘、二硒化銅銦鎵、硒硫化銅銦、硫硒化銅鎵、硫硒化銅鋅錫、銅秘黃銅礦(copper bismuth chalcopyrite)化合物或鋅黃錫礦(kesterite)化合物。雖然圖1示出各層表面為平面線，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，對于單晶硅而言，這些表面可以是粗糙表面而非平滑表面。重摻雜p型硅層115被重摻雜以便形成與電極的良好電接觸。襯里層116用于加襯該硅層以便保護免受第二導電接觸層118的擴撒。示例性材料包括鈀、鎳、鎳鎢和氮化鉭。介電層117用于將摻雜的硅與第二導電接觸層118電絕緣。該介電層可以由任意介電材料例如氧化硅形成。用于光伏基元的第二導電接觸層118由良導體例如金屬制成。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，第二導電接觸層由 銅制成，它可以接合到電池。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，電池120包括用于電池的第一導電接觸層121、襯里層122、介電層123、陰極層124、電解質(zhì)層125、陽極層126、阻擋層127、摻雜硅襯底層128和用于電池的第二導電接觸層129。每個上述層在固態(tài)鋰離子電池技術(shù)中都屬于普通常識。本發(fā)明的范圍不限于上述層，還可以包括附加的層或更少層。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解每個層的作用、構(gòu)成每個層的材料以及每個層的合適厚度。所以在此僅作簡要說明。用于電池的第一導電接觸層121是由良導體例如金屬制成。用于電池的第一導電接觸層121必須由能夠接合到用于光伏基元的第二導電接觸層118的材料構(gòu)成。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，該第一導電接觸層由銅制成。襯里層122用于加襯該硅層以便保護免受第一導電接觸層121的擴撒。示例性材料包括鈀、鎳、鎳鎢和氮化鉭。介電層123用于將摻雜硅與第一導電接觸層121電絕緣。該介電層可以由任意介電材料例如氧化硅形成。陰極層124由鋰能夠遷移進和遷移出的材料制成。在優(yōu)選實施例中，陰極層124由氧化鋰鈷制成。
電解質(zhì)層125由充分傳導以便鋰離子遷移的材料制成。在優(yōu)選實施例中，電解質(zhì)層125是固態(tài)電解質(zhì)層。陽極層126由鋰能夠遷移進和遷移出的材料制成。在優(yōu)選實施例中，陽極層126由娃制成。阻擋層127由能夠保護摻雜硅襯底層128免受鋰離子擴撒的材料制成。在優(yōu)選實施例中，阻擋層127由氮化鈦制成。摻雜硅襯底層128用作在垂直結(jié)構(gòu)中蝕刻的襯底，并且被摻雜以便導電。用于電池的第二導電接觸層129由良導體例如金屬制成，它用作電子的集電體。垂直互連140和150提供光伏基元110和電池120之間的電連接。具體而言，垂直互連140提供用于光伏基元的第一導電接觸層111和用于電池的第一導電接觸層121之間的電連接。垂直互連150提供用于光伏基元的第二導電接觸層118和用于電池的第二導電接觸層129之間的電連接。垂直互連150不需要整個延伸穿過摻雜硅襯底層128，這是因為該襯底被摻雜以便導電。隔離溝槽160a_d用于將垂直互連140形成的電連接與垂直互連150形成的電連接隔離。圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的制造集成光伏基元和電池器件的制造流程圖。圖2所示步驟不是用于限制本發(fā)明的范圍，而僅是用于示出優(yōu)選實施例。具體步驟、步驟編號和步驟順序都可以改變而不會脫離本發(fā)明的范圍。在圖2中，在流程圖左側(cè)示出光伏基元制造流程200。圖1所示的光伏基元110正是通過制造流程200制成。在流程圖的右側(cè)示出電池制造流程210。圖1所示電池120正是通過制造流程210制成。在制造光伏基元110和電池120之后，在最終步驟230中將光伏基元110和電池120層疊，并 且通過壓縮接合工藝接合接觸層118和120，從而形成單一集成器件。參照圖2和光伏基元制造流程200，在第一步驟201中，形成具有P型層114、115和介電層117的晶片。在第二步驟202中，穿過晶片形成通孔。在第三步驟203中，在晶片P型層114的暴露表面中形成η型摻雜層113。在第四步驟204中，去除介電層117的一部分，以便繞通孔形成介電層的隔離區(qū)。在第五步驟205中，沉積襯里層116，以便保護垂直互連140和接觸層118的金屬免受擴撒影響。在第六步驟206中，金屬化晶片具有隔離介電區(qū)的一側(cè)，以便形成用于光伏基元的第二接觸層118，以及填充通孔以便形成垂直互連140。在第七步驟207中，在η型層113中沉積鈍化層112，去除鈍化層112的一部分以便暴露出下面的垂直互連140，以及將第一接觸層111沉積到鈍化層112上。在第八步驟208中，形成隔離溝槽160a和160b，以便電隔離互連周圍的接觸區(qū)，從而將互連與接觸層118的其余部分隔開。經(jīng)過這些步驟形成圖1所示的光伏基元110。參照圖2和電池制造流程210，在第一步驟211中，形成襯底128。在第二步驟212中，將垂直溝槽蝕刻到襯底中。在第三步驟213中，將阻擋層127、陽極層126、電解質(zhì)層125和陰極層124沉積到襯底上和溝槽中。沉積到溝槽中的層形成電池基元130。在第四步驟214中，穿過多個層124-127將通孔形成到襯底中。在第五步驟215中，在陰極層和孔中形成介電層123，以便將孔與各個層隔離。在第六步驟216中，去除介電層123的一部分區(qū)域，以便暴露出下面的陰極層124。在第七步驟217中，沉積襯里層122以便保護下面的層。在第八步驟218中，金屬化電池120的具有多個層的一側(cè)，以便形成接觸層121，以及填充孔以形成垂直互連150。在第九步驟219中，形成隔離溝槽160c和160d，以便隔離互連周圍的接觸區(qū)，從而將互連與接觸層121的其余部分隔開。經(jīng)過這些步驟形成圖1所示的電池120。圖3-17是處于不同制造過程階段的、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的集成光伏基元和電池器件的橫截面圖。圖3是處于光伏基元第一制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。該晶片包括摻雜p型娃層114和重摻雜p型娃層115。圖4a是處于光伏基元第二制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。介電層117沉積在晶片上。介電層可以由氧化物或氮化物制成。然后穿過該晶片形成通孔401。通過在介電層117上采用激光刻劃束，以及采用博世工藝(Bosch process)穿孔硅層114和115，從而形成通孔401。 圖4b是光伏基元的第二制造步驟中的光伏基元的頂視圖。從頂側(cè)示出該通孔401，該頂側(cè)也用作集成器件的光照側(cè)。圖5是光伏基元的第三制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。重摻雜n型硅層113通過到摻雜硅層114和115的擴散而形成。這在通孔401從晶片頂部延伸到介電層117的壁上形成n型區(qū)域。圖6是光伏基元的第四制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。隔離介電區(qū)601圍繞通孔401形成，它也可以利用激光刻劃束而形成。圖7a是光伏基元第五制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。襯里層116和接觸層118沉積到晶片上。襯里層116保護硅層113、114和115免受接觸層118的擴撒影響。襯里層116和接觸層118填充圖6中的通孔401，以便形成導電垂直互連140。圖7b是處于光伏基元第五制造步驟中的光伏基元的頂視圖。從頂視圖示出垂直互連140。圖8a是處于光伏基元第六制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。鈍化層112沉積在晶片上。鈍化層112用于表面鈍化，通常還用于入射光的抗反射。圖Sb是處于光伏基元第六制造步驟中的光伏基元的頂視圖。從頂視圖示出，鈍化層覆蓋晶片的光照側(cè)，并且覆蓋垂直互連140。圖9a是處于光伏基元第七制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。鈍化層111的一部分901被去除，接觸層111沉積到鈍化層112上。圖9b是處于光伏基元第七制造步驟中的光伏基元的頂視圖。接觸層111由網(wǎng)格形成，因此沒有覆蓋整個鈍化層112。接觸層111必須被定位為形成與下面的垂直互連140的電連接。圖1Oa是處于光伏基元第八制造步驟中的光伏基元的橫截面圖。在晶片的底部形成隔離溝槽160a和160b。可以利用激光刻劃束形成隔離溝槽160a和160b。圖1Ob是處于光伏基元第八制造步驟中的光伏基元的底視圖。隔離溝槽160a和160b將垂直互連140與第二接觸層1001的其余部分電隔離。圖11是處于電池第一制造步驟中的電池的橫截面圖。電池1100包括陰極層124、電解質(zhì)層125、陽極層126、阻擋層127、摻雜硅襯底層128和第二導電接觸層129。電池1100還包括多個電池基元130a和130b，以便增大電池1100的表面積從而增大能量密度。通過并聯(lián)連接電池基元130a和130b，電池電壓保持恒定，并且電池容量得以擴展。圖12是處于電池第二制造步驟中的電池的橫截面圖。通孔1201穿過層124-127并且進入下面的襯底層128。圖13是處于電池第三制造步驟中的電池的橫截面圖。介電層123沉積為使得介電層123至少部分地沉積到孔1201中，沉積程度足以使得孔1201和層124-127電絕緣。因此，典型地，介電層123的深度至少為層124-127的總厚度。介電層123不應當將孔1201與襯底層128電絕緣。圖14是處于電池第四制造步驟中的電池的橫截面圖。介電層123的一部分1401被去除，以便暴露出下面的陰極層124。介電層123的一部分1401可以利用激光刻劃束來去除。圖15是處于電池第五制造步驟中的電池的橫截面圖。襯里層122沉積到電池的頂部，以使得該層填充從介電層123去除的部分1401以及孔1201。然后，金屬化處理電池的頂部，以便形成第一接觸層121和垂直互連150。垂直互連150不必穿過整個摻雜硅襯底層128，因為該襯底被摻雜以便導電。圖16是處于電池第六制造步驟中的電池的橫截面圖。在電池的頂部形成隔離溝槽160c和160d。可以利用激光刻劃束形成隔離溝槽160c和160d。隔離溝槽160c和160d將垂直互連150與第二接觸層1601的其余部分電隔尚。圖17是根據(jù)本發(fā)明實施例的集成器件的集成制造步驟中的光伏基元和電池器件的橫截面圖。在分別制造光伏基元110和電池120之后，這兩二者被接合在一起，如圖17所示。光伏基元100的第二導電接觸層118被熱壓縮接合到電池120的第一導電接觸層121。銅-銅熱壓縮接合工藝是三維集成領(lǐng)域的公知常識。

圖18是根據(jù)本發(fā)明實施例的光伏功率系統(tǒng)1800的系統(tǒng)流程圖。光伏功率系統(tǒng)1800包括光伏基兀和電池集成器件100的面板1810。面板1810可以包括任意數(shù)量的光伏基元和電池集成器件100。面板1810連接到邏輯電路1820，該邏輯電路包括逆變器1821和控制器1822。邏輯電路1820可以構(gòu)建到面板1810中，或者利用CMOS技術(shù)直接集成到光伏基元和電池集成器件100。邏輯電路1820連接到負載1803，該負載由光伏基元和電池集成器件100的面板1810產(chǎn)生的電能供電。圖19示出了例如在半導體IC邏輯設(shè)計、仿真、測試、布圖和制造中使用的示例性設(shè)計流程1900的方塊圖。設(shè)計流程1900包括用于處理設(shè)計結(jié)構(gòu)或器件以產(chǎn)生上述以及圖1或圖3-17中示出的設(shè)計結(jié)構(gòu)和/或器件的邏輯上或其他功能上等效表示的過程、機器和/或機制。由設(shè)計流程1900處理和/或產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以在機器可讀傳輸或存儲介質(zhì)上被編碼以包括數(shù)據(jù)和/或指令，所述數(shù)據(jù)和/或指令在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上執(zhí)行或以其他方式處理時，產(chǎn)生硬件組件、電路、器件或系統(tǒng)的邏輯上、結(jié)構(gòu)上、機械上或其他功能上的等效表示。機器包括但不限于用于IC設(shè)計過程(例如設(shè)計、制造或仿真電路、組件、器件或系統(tǒng))的任何機器。例如，機器可以包括用于產(chǎn)生掩模的光刻機、機器和/或設(shè)備(例如電子束直寫儀)、用于仿真設(shè)計結(jié)構(gòu)的計算機或設(shè)備、用于制造或測試過程的任何裝置，或用于將所述設(shè)計結(jié)構(gòu)的功能上的等效表示編程到任何介質(zhì)中的任何機器(例如，用于對可編程門陣列進行編程的機器)。設(shè)計流程1900可隨被設(shè)計的表示類型而不同。例如，用于構(gòu)建專用IC (ASIC)的設(shè)計流程1900可能不同于用于設(shè)計標準組件的設(shè)計流程1900，或不同于用于將設(shè)計實例化到可編程陣列(例如，由Altera inc.或XMnx inc.提供的可編程門陣列(pga)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA))中的設(shè)計流程1900。圖9示出了多個此類設(shè)計結(jié)構(gòu)，其中包括優(yōu)選地由設(shè)計過程1910處理的輸入設(shè)計結(jié)構(gòu)920。設(shè)計結(jié)構(gòu)1920可以是由設(shè)計過程1910生成和處理以產(chǎn)生硬件器件的邏輯上等效的功能表示的邏輯仿真設(shè)計結(jié)構(gòu)。設(shè)計結(jié)構(gòu)1920還可以或備選地包括數(shù)據(jù)和/或程序指令，所述數(shù)據(jù)和/或程序指令由設(shè)計過程1910處理時，生成硬件器件的物理結(jié)構(gòu)的功能表示。無論表示功能和/或結(jié)構(gòu)設(shè)計特性，均可以使用例如由核心開發(fā)人員/設(shè)計人員實施的電子計算機輔助設(shè)計(ECAD)生成設(shè)計結(jié)構(gòu)1920。當編碼在機器可讀數(shù)據(jù)傳輸、門陣列或存儲介質(zhì)上時，設(shè)計結(jié)構(gòu)1920可以由設(shè)計過程1910內(nèi)的一個或多個硬件和/或軟件模塊訪問和處理以仿真或以其他方式在功能上表示例如圖1或圖3-17中示出的那些電子組件、電路、電子或邏輯模塊、裝置、器件或系統(tǒng)。因此，設(shè)計結(jié)構(gòu)1920可以包括文件或其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包括人類和/或機器可讀源代碼、編譯結(jié)構(gòu)和計算機可執(zhí)行代碼結(jié)構(gòu)，當所述文件或其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由設(shè)計或仿真數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理時，在功能上仿真或以其他方式表示電路或其他級別的硬件邏輯設(shè)計。此類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以包括硬件描述語言(HDL)設(shè)計實體或遵循和/或兼容低級HDL設(shè)計語言(例如Verilog和VHDL)和/或高級設(shè)計語言(例如C或C++)的其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。設(shè)計過程1910優(yōu)選地采用和結(jié)合硬件和/或軟件模塊，所述模塊用于合成、轉(zhuǎn)換或以其他方式處理圖1或圖3-17中示出的組件、電路、器件或邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計/仿真功能等價物以生成可以包含設(shè)計結(jié)構(gòu)(例如設(shè)計結(jié)構(gòu)1920)的網(wǎng)表1980。網(wǎng)表1980例如可以包括編譯或以其他方式處理的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)，所述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示描述與集成電路設(shè)計中的其他元件和電路的連接的線纜、分離組件、邏輯門、控制電路、I/O設(shè)備、模型等的列表。網(wǎng)表1980可以使用迭代過程合成，其中網(wǎng)表1980被重新合成一次或多次，具體取決于器件的設(shè)計規(guī)范和參數(shù)。對于在此所述的其他設(shè)計結(jié)構(gòu)類型，網(wǎng)表1980可以記錄在機器可讀數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)上或編程到可編程門陣列中。所述介質(zhì)可以是非易失性存儲介質(zhì)，例如磁或光盤驅(qū)動器、可編程門陣列、壓縮閃存或其他閃存。此外或備選地，所述介質(zhì)可以是可在其上經(jīng)由因特網(wǎng)或其他適合聯(lián)網(wǎng)手段傳輸和中間存儲數(shù)據(jù)分組的系統(tǒng)或高速緩沖存儲器、緩沖器空間或?qū)щ娀蚬鈱骷筒牧?。設(shè)計過程1910可以包括用于處理包括網(wǎng)表1980在內(nèi)的各種輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的硬件和軟件模塊。此類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型例如可以駐留在庫元件1930內(nèi)并包括一組常用元件、電路和器件，其中包括給定制造技術(shù)(例如，不同的技術(shù)節(jié)點，32納米、45納米、90納米等)的模型、布圖和符號表示。所述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型還可包括設(shè)計規(guī)范1940、特征數(shù)據(jù)1950、檢驗數(shù)據(jù)1960、設(shè)計規(guī)則1970和測試數(shù)據(jù)文件1985，它們可以包括輸入測試模式、輸出測試結(jié)果和其他測試信息。設(shè)計過程1910還可例如包括標準機械設(shè)計過程，例如用于諸如鑄造、成型和模壓成形等操作的應力分析、熱分析、機械事件仿真、過程仿真。機械設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下理解在設(shè)計過程1910中使用的可能機械設(shè)計工具和應用的范圍。設(shè)計過程1910還可包括用于執(zhí)行諸如定時分析、驗證、設(shè)計規(guī)則檢查、放置和路由操作之類的標準電路設(shè)計過程的模塊。設(shè)計過程1910采用和結(jié)合邏輯和物理設(shè)計工具(例如HDL編譯器)以及仿真建模工具以便與任何其他機械設(shè)計或數(shù)據(jù)(如果適用)一起處理設(shè)計結(jié)構(gòu)1920連同示出的部分或全部支持數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而生成第二設(shè)計結(jié)構(gòu)1990。設(shè)計結(jié)構(gòu)1990以用于機械設(shè)備和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)格式(例如以IGES、DXF、Parasolid XT、JT、DRC或任何其他用于存儲或呈現(xiàn)此類機械設(shè)計結(jié)構(gòu)的適合格式)駐留在存儲介質(zhì)或可編程門陣列上。類似于設(shè)計結(jié)構(gòu)1920，設(shè)計結(jié)構(gòu)1990優(yōu)選地包括一個或多個文件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或其他計算機編碼的數(shù)據(jù)或指令，它們駐留在傳輸或數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)上，并且由ECAD系統(tǒng)處理時生成圖1或圖3-17中示出的本發(fā)明的一個或多個實施例的邏輯上或以其他方式在功能上等效的形式。在一個實施例中，設(shè)計結(jié)構(gòu)990可以包括在功能上仿真圖1或圖3-17中示出的器件的編譯后的可執(zhí)行HDL仿真模型。設(shè)計結(jié)構(gòu)1990還可以采用用于集成電路的布圖數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)格式和/或符號數(shù)據(jù)格式(例如以⑶SII (⑶S2)、GLU OASIS、圖文件或任何其他用于存儲此類設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的適合格式存儲的信息)。設(shè)計結(jié)構(gòu)1990可以包括信息，例如符號數(shù)據(jù)、圖文件、測試數(shù)據(jù)文件、設(shè)計內(nèi)容文件、制造數(shù)據(jù)、布圖參數(shù)、線纜、金屬層、過孔、形狀、用于在整個生產(chǎn)線中路由的數(shù)據(jù)，以及制造商或其他設(shè)計人員/開發(fā)人員制造上述以及圖1或圖3-17中示出的器件或結(jié)構(gòu)所需的任何其他數(shù)據(jù)。設(shè)計結(jié)構(gòu)1990然后可以繼續(xù)到階段1995，例如，在階段1995,設(shè)計結(jié)構(gòu)1990 :繼續(xù)到流片(tape-out),被發(fā)布到制造公司、被發(fā)布到掩模室(maskhouse),被發(fā)送到其他設(shè)計室，被發(fā)回給客戶等。在此所使用的該術(shù)語為僅為了說明特定實施例的目的，且不旨在作為本發(fā)明的限制。如在此所使用，單數(shù)形式“一”、“一個”以及“該”意味著包括復數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。應進一步可以理解，當在本說`明書中使用時術(shù)語“包含”和/或“包括”說明闡明的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在或增加。以下權(quán)利要求中相應的結(jié)構(gòu)、材料、動作和所有裝置或步驟加功能要素的等價物旨在包括與作為具體所主張的與其他主張要素組合執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動作。本發(fā)明的描述已為了例示與描述的用途而進行說明，但不旨在全面性或限于本發(fā)明所揭示的形式中。此領(lǐng)域一般技術(shù)人員顯然將可得知許多修改例與變化例而不悖離本發(fā)明的范疇與精神。該實施例為選擇并說明以最佳解釋本發(fā)明與該實際應用的原理，且讓此領(lǐng)域其他一般技術(shù)人員能夠了解用于各種實施例的本發(fā)明，其具有適合于所列入考慮的該特定用途的各種修改例。
權(quán)利要求
1.一種集成光伏基兀和電池器件，包括 具有第一側(cè)的光伏基元，所述光伏基元的第一側(cè)具有到在所述光伏基元中設(shè)置的n型層和P型層的隔離電接觸； 具有第一側(cè)的電池，所述電池的第一側(cè)具有到在所述電池中設(shè)置的陰極和電子的集電體的隔離電接觸，其中所述光伏基元的所述第一側(cè)接合到所述電池的所述第一側(cè)；以及至少一個互連，其將所述光伏基元和所述電池三維集成為用于俘獲和存儲太陽能的集成器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述陰極是陰極層，以及其中所述集電體包括襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中所述電池還包括 電解質(zhì)層； 陽極層；以及 阻擋層； 其中所述至少一個互連穿過所述陰極層、電解質(zhì)層、陽極層和阻擋層，以提供從所述電池的所述第一側(cè)到所述襯底的電接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述光伏基元還包括 介電層，其中所述至少一個互連穿過所述P型層和所述介電層，以提供從所述光伏基元的所述第一側(cè)到所述n型層的電接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述光伏基元是薄膜基元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中所述薄膜基元包括選自以下材料的材料非晶硅、締化鎘、二硒化銅銦鎵、硒硫化銅銦、硫硒化銅鎵、硫硒化銅鋅錫、銅秘黃銅礦化合物以及鋅黃錫礦化合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述電池是固態(tài)鋰電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中所述電池被三維集成以包含垂直電池基元結(jié)構(gòu)。
9.一種制造集成光伏基元和電池器件的制造方法，所述方法包括 提供光伏基元，其中所述光伏基元的第一側(cè)包括到n型層和p型層二者的隔離電接觸； 提供電池，其中所述電池的第一側(cè)包括到陰極和集電體二者的隔離電接觸；以及 將所述光伏基元和所述電池接合，以形成用于俘獲和存儲太陽能的三維集成器件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中提供所述光伏基元的步驟包括 至少部分穿過所述光伏基元形成互連，以提供到所述光伏基元的所述第一側(cè)上的所述n型層的電接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中提供所述電池的步驟包括 至少部分穿過所述電池形成互連，以提供到所述電池的所述第一側(cè)上的所述集電體的電接觸。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中接合所述光伏基元和所述電池的步驟包括 利用壓縮接合將所述光伏基元的所述第一側(cè)接合到所述電池的所述第一側(cè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中提供所述光伏基元的步驟包括 形成具有P型層和介電層的晶片；穿過所述晶片形成通孔； 在所述晶片的所述P型層的暴露表面中形成η型摻雜層； 去除所述晶片的所述介電層的一部分，以形成圍繞所述通孔的介電層隔離區(qū)； 金屬化所述晶片具有隔離介電區(qū)的一側(cè)以形成接觸層，其中至少部分填充所述通孔以便形成互連；以及 去除所述接觸層的一部分，以圍繞所述互連形成將所述互連與所述接觸層的其余部分隔開的隔離的接觸區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述電池的步驟包括 形成襯底； 將至少一個垂直溝槽蝕刻到所述襯底中； 在所述襯底上形成阻擋層； 在所述阻擋層上形成陽極層； 在所述陽極層上形成電解質(zhì)層； 在所述電解質(zhì)層上形成陰極層； 穿過各層將孔形成到襯底中； 在所述陰極層上形成將所述孔與所有層電隔離的介電層； 去除所述介電層的區(qū)域以暴露所述陰極層； 金屬化所述電池具有所述孔和暴露的陰極層的一側(cè)以形成接觸層，其中填充所述孔以形成互連；以及 去除所述接觸層的一部分，以圍繞所述互連形成將所述互連與所述接觸層的其余部分隔開的隔離的接觸區(qū)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述光伏基元的步驟包括形成薄膜光伏基J Li ο
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中形成所述薄膜光伏基元的步驟包括沉積P型層，所述P型層包括選自以下材料的材料非晶硅、碲化鎘、二硒化銅銦鎵、硒硫化銅銦、硫硒化銅鎵、硫硒化銅鋅錫、銅鉍黃銅礦化合物以及鋅黃錫礦化合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中提供所述電池的步驟包括形成具有垂直電池基元結(jié)構(gòu)的三維集成固態(tài)電池。
18.一種用于能量轉(zhuǎn)換的光伏功率系統(tǒng)，包括 多個如權(quán)利要求1所述的三維集成光伏基元和電池器件；以及 用于優(yōu)化所述能量轉(zhuǎn)換的邏輯電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述多個三維集成光伏基元和電池器件并聯(lián)連接。
20.一種機器可讀的設(shè)計結(jié)構(gòu)，用于仿真、設(shè)計或制造如權(quán)利要求1所述的集成光伏基兀和電池器件。
全文摘要
一種集成光伏基元和電池器件及其制造方法，以及一種包含所述集成光伏基元和電池器件的光伏功率系統(tǒng)。所述集成光伏基元和電池器件(100)包括光伏基元(110)、電池(120)和互連(140,150)，該互連將光伏基元和電池三維集成為用于俘獲和存儲太陽能的集成器件。本發(fā)明還提供一種機器可讀的設(shè)計結(jié)構(gòu)，用于仿真、設(shè)計或制造所述集成光伏基元和電池器件。
文檔編號H01L31/058GK103069580SQ201180039676
公開日2013年4月24日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者劉菲, H·德利吉安尼 申請人:國際商業(yè)機器公司