本發(fā)明大體上涉及光電設(shè)備的制造和結(jié)構(gòu)。具體地，本發(fā)明涉及光伏太陽能電池中轉(zhuǎn)換效率的增強(qiáng)以及光學(xué)損失的減少。更具體地，本發(fā)明涉及具有紋理化表面的光伏太陽能電池。

背景技術(shù)：

光電設(shè)備，具體地，光伏太陽能電池依賴于用于產(chǎn)生電荷載流子的光子的吸收。大多數(shù)光伏太陽能電池使用p-n結(jié)形式的半導(dǎo)體材料。p-n結(jié)能夠收集電荷載流子并且產(chǎn)生電力。

然而，由于尤其在半導(dǎo)體材料表面上的電荷載流子的復(fù)合，至少就某些部分而言，光伏太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率因復(fù)合損失而受限制。表面鈍化必然使得半導(dǎo)體材料表面處的懸空鍵鈍化。薄膜通常涂覆在用于鈍化半導(dǎo)體材料的暴露表面上。不同的材料皆可用于表面鈍化。例如，諸如熱生長二氧化硅或氮化硅等電介質(zhì)材料通常用于pv行業(yè)。還可以使用具有比散裝半導(dǎo)體更寬帶隙的半導(dǎo)體材料。例如，固有不定形氫化硅可用于鈍化晶體硅。鈍化層的厚度通常包括一納米與幾十納米之間，以避免鈍化層吸收光。

由于光伏(pv)電池的前表面和/或后表面的反射，所以pv太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率還受光學(xué)損失的限制。

在本文件中，光電設(shè)備的前側(cè)指暴露于入射光束的一側(cè)，諸如，太陽能電池中的太陽光、或者在光電二極管檢測(cè)器上待檢測(cè)到的入射光束等。光電設(shè)備的背側(cè)與前側(cè)相對(duì)。

抗反射涂層或arc通常用于減少入射光在前表面上的反射(參見us2011/0097840)。arc可在單個(gè)薄電介質(zhì)層中或多層堆棧中構(gòu)成。每層arc的厚度和折射指數(shù)被選擇為使得在每個(gè)表面或界面上反射的光束之間建立破壞性地干擾，以降低整體反射的射束強(qiáng)度。例如，可以使用包括硫化鋅(zns)層和氟化鎂(mgf)層的雙層抗反射涂層?？商娲?，具有可變折射指數(shù)的兩層氮化硅也能夠用作抗反射涂層。

表面紋理化也可用于減少尤其前表面上發(fā)生的光反射。而且，紋理化薄太陽能電池的表面使得光在薄太陽能電池內(nèi)能夠發(fā)生多程全內(nèi)反射。因此，表面紋理化還增強(qiáng)了太陽能電池內(nèi)的光陷阱。光陷阱增加了入射光子在太陽能電池內(nèi)的光程長度。特別是對(duì)于薄的設(shè)備而言，因?yàn)楣鑳?nèi)近紅外光子的吸收需要比電池厚度更大的光程長度，所以通過增加太陽能電池內(nèi)的光陷阱而表面紋理化，由此增加光吸收和電荷載流子的產(chǎn)生。

在過去，已經(jīng)針對(duì)表面紋理化采用了各種技術(shù)。這些紋理化技術(shù)可被分類成濕蝕刻和干蝕刻工藝。具體地，單晶硅襯底的各向異性濕蝕刻優(yōu)先沿著某些結(jié)晶學(xué)方位蝕刻。因此，硅的蝕刻會(huì)導(dǎo)致形成由隨機(jī)分布的棱錐構(gòu)成的紋理化表面，其中，棱錐的頂部突出至襯底之外。諸如等離子蝕刻等其他紋理化工藝可產(chǎn)生其他類型的表面紋理化，諸如，逆向型棱錐等，其中，棱錐的頂部被定位成朝向散裝硅襯底(參見p.rocaicabarrocasetal.,“methodoftexturingthesurfaceofasiliconsubstrate,andtexturedsiliconsubstrateforasolarcell”,us2012/0146194并且參見a.mavrokefalosetal.,“efficientlighttrappingininvertednanopyramidthincrystallinesiliconmembranesforsolarcellapplications”,nanolett.,2012,12,2792-2796)或者硅納米線或硅納米椎體(參見sangmoojeongetal.“all-back-contactultra-thinsiliconnanoconesolarcellwith13.7％powerconversionefficiency”,naturecomm.,2013,doi:10.1038/ncomms3950)。

而且，還可結(jié)合濕蝕刻或干蝕刻采用掩模技術(shù)，以產(chǎn)生周期性表面紋理化。通過干蝕刻或濕蝕刻的納米壓印的納米結(jié)構(gòu)能夠在太陽能電池的表面處形成光子結(jié)構(gòu)或周期性逆向棱錐。

由于顯影表面更高并且由于存在不均勻性，所以紋理化表面的表面鈍化，例如，棱錐形表面，比平坦表面的表面鈍化更為復(fù)雜。

太陽能電池的結(jié)構(gòu)大體上依賴于同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)類型的平面結(jié)點(diǎn)。絲網(wǎng)印刷太陽能電池與埋入接?xùn)盘柲茈姵靥峁┣氨砻嫔系慕饘倬W(wǎng)格觸點(diǎn)與后觸點(diǎn)。在該設(shè)備中，跨設(shè)備厚度形成p-n結(jié)。相反，后觸點(diǎn)或叉指背接觸(ibc)太陽能電池將兩個(gè)電極放置于后表面上，由此消除前側(cè)上的陰影損失。在ibc結(jié)構(gòu)中，p-n結(jié)形成在太陽能電池的背側(cè)附近。已經(jīng)提出了諸如徑向結(jié)硅納米線等其他類型的結(jié)點(diǎn)，其中，每個(gè)硅納米線均具有徑向摻雜輪廓，由此形成徑向p-n結(jié)。

因此，具有紋理化表面的太陽能電池設(shè)備大體上表現(xiàn)出比具有平坦表面的太陽能電池更高的復(fù)合損失。這些復(fù)合損失一般歸因于紋理化表面的不均勻性和/或未完成的鈍化。已經(jīng)表明構(gòu)成徑向p-n結(jié)的規(guī)則陣列的硅納米線增加入射太陽能輻射的光程為高至因數(shù)73，但是，在光陷阱、提供改進(jìn)吸收性的優(yōu)點(diǎn)和表面復(fù)合的缺點(diǎn)之間存在競(jìng)爭(zhēng)性(參見erikgarnettandpeidongyang“l(fā)ighttrappinginsiliconnanowiresolarcell”,nanolett.,2010,10,1081-1087orf.prioloetal.“siliconnanostructuresforphotonicsandphotovoltaics”,naturecomm.,january2014,doi:10.1038/nnano.2013.271)。

已經(jīng)提出了大體上在不增加與納米結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的復(fù)合的情況下而增強(qiáng)太陽能電池的光吸收的其他表面修正方案。具體地，硅襯底上形成的針狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生提供高度吸收入射光的所謂黑硅表面(參見jinhunoh,hao-chihyuanandhowardm.branz“an18.2％-efficientblack-siliconsolarcellachievedthroughcontrolofcarrierrecombinationinnanostructures”,naturenanotechnology,vol.7,2012,pp.743-748)。通過表面面積的同步控制以及光與陰影摻雜能夠抑制螺旋鉆復(fù)合。然而，針狀結(jié)構(gòu)表面的鈍化比較困難。因此，納米結(jié)構(gòu)硅太陽能電池的表面復(fù)合仍存在問題。

文獻(xiàn)us2013/0291336a1公開了在太陽能電池的前側(cè)表面上形成氧化鋅或氧化鎂鋅納米棒陣列、在納米棒上形成保護(hù)層、這些納米棒具有高長寬比和幾微米的長度。根據(jù)us2013/0291336a1，納米棒陣列導(dǎo)致在寬太陽光波長范圍和寬入射角范圍內(nèi)的低反射率，由此致使太陽光的吸收增加，并且轉(zhuǎn)而與具有常規(guī)arc層的太陽能電池相比較，太陽能電池效率更高。

技術(shù)問題

因此，需要諸如太陽能電池的光電設(shè)備，在不增加電荷載流子的表面復(fù)合的情況下，提供增強(qiáng)的光陷阱。

具體地，需要在不增加電荷載流子的表面復(fù)合的情況下進(jìn)一步提高太陽能電池效率并且進(jìn)一步增加太陽能電池對(duì)入射光的吸收。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)公開的主題，提供光電設(shè)備和太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制造方法。

更精確地，本發(fā)明由此提供一種半導(dǎo)體光電設(shè)備，包括具有表面的半導(dǎo)體襯底。

根據(jù)本發(fā)明，所述光電設(shè)備包括分層界面和紋理化表面結(jié)構(gòu)，分層界面包括至少一層，所述分層界面具有與所述半導(dǎo)體襯底的所述表面接觸的第一表面并且所述分層界面被適配成用于鈍化所述半導(dǎo)體襯底的所述表面，所述分層界面具有第二表面并且所述分層界面被適配成用于使所述第一表面與所述第二表面電絕緣；以及所述紋理化表面結(jié)構(gòu)包括多條納米線和透明電介質(zhì)涂層，所述紋理化表面結(jié)構(gòu)與所述分層界面的所述第二表面接觸，所述多條納米線從所述第二表面突出，并且所述多條納米線嵌入在所述第二表面與所述透明電介質(zhì)涂層之間。

該光電設(shè)備在不增加電荷載流子的表面復(fù)合的情況下提供增強(qiáng)的光陷阱。更精確地，通過入射光在紋理化表面結(jié)構(gòu)上的散射而增強(qiáng)光陷阱，但是，表面復(fù)合由于提供襯底與紋理化表面結(jié)構(gòu)的納米線之間的電絕緣的分層界面而不增加。納米線與透明電介質(zhì)涂層形成紋理化表面結(jié)構(gòu)。紋理化表面結(jié)構(gòu)由于覆蓋納米線的透明電介質(zhì)涂層而減少光吸收。而且，紋理化表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)反射率也由于此透明電介質(zhì)涂層、分層界面、以及納米線的復(fù)合而降低。因此，半導(dǎo)體襯底吸收的光增加。

根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式，所述分層界面包括鈍化層和透明電介質(zhì)層，所述分層界面的所述第一表面是所述鈍化層的表面，并且所述分層界面的所述第二表面是所述透明電介質(zhì)層的表面，所述鈍化層與所述透明電介質(zhì)層的另一表面接觸，并且所述透明電介質(zhì)層與所述半導(dǎo)體襯底的所述表面分離。

根據(jù)該第一實(shí)施方式的具體方面，所述鈍化層包括不定形氫化硅層并且所述透明電介質(zhì)層包括氮化硅、氧化硅或氧化鋁的層。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述分層界面包括單個(gè)鈍化和電絕緣層。

根據(jù)該實(shí)施方式的具體方面，所述單個(gè)鈍化和電絕緣層包括氮化硅、氧化硅或氧化鋁的層。

根據(jù)本發(fā)明的另一具體方面，所述分層界面中的所述至少一層和所述透明電介質(zhì)涂層具有選定為使得所述分層界面、所述多條納米線以及所述透明電介質(zhì)涂層共同形成抗反射涂層的相應(yīng)厚度和折射指數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的具體方面，所述鈍化層、所述透明電介質(zhì)層、所述單個(gè)鈍化和電絕緣層和/或所述透明電介質(zhì)涂層具有包括在2納米與300納米之間的厚度，優(yōu)選地，10納米與200納米之間。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，所述半導(dǎo)體襯底的所述表面在至少測(cè)微計(jì)的尺度區(qū)域內(nèi)是平坦的。

根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施方式，所述半導(dǎo)體襯底的所述表面包括顯微結(jié)構(gòu)的紋理化表面。

根據(jù)本發(fā)明的具體方面，所述多條納米線在所述電介質(zhì)層上具有隨機(jī)性或周期性空間分布。

根據(jù)本發(fā)明的具體方面，所述多條納米線在所述電介質(zhì)層上具有隨機(jī)性或周期性空間分布。

根據(jù)本發(fā)明的具體方面，所述襯底包括單晶硅襯底或微晶硅襯底或多晶硅襯底。

優(yōu)選地，所述多條納米線包括多條硅或氧化鋅納米線。

根據(jù)本發(fā)明的具體方面，涂覆所述電介質(zhì)涂層的所述納米線具有包括在20納米與200納米之間的高度、包括在20納米與50納米之間的直徑、包括在10⁷cm^-2與10⁹cm^-2之間的密度、和/或包括在1與100之間的長寬比。

具體地，該光電設(shè)備可包括太陽能電池、光電二極管、或光檢測(cè)器。

本發(fā)明還涉及一種光電設(shè)備的制造方法，包括下列步驟：

a)提供具有表面的半導(dǎo)體襯底；

b)在所述襯底表面上形成包括至少一層的分層界面，第一表面具有的所述分層界面與所述半導(dǎo)體襯底的所述表面接觸，并且所述分層界面被適配成用于鈍化所述半導(dǎo)體襯底的所述表面，所述分層界面具有第二表面并且所述分層界面被適配成用于使所述第一表面與所述第二表面電絕緣；

c)形成從所述分層界面的所述第二表面突出的多條納米線；以及

d)在該多條納米線上形成透明電介質(zhì)涂層，使得所述多條納米線嵌入在所述分層界面的所述第二表面與所述透明電介質(zhì)涂層之間。

該方法能夠在不增加電荷載流子的表面復(fù)合的情況下制造諸如具有增加陷阱和光吸收特性的太陽能電池等光電設(shè)備。

由于僅需要很少的額外步驟，所以該方法容易被實(shí)施成常規(guī)的太陽能電池制造方法。

在溫度低于500℃時(shí)，優(yōu)選地，低于450℃時(shí)，在低溫等離子體反應(yīng)器中能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的方法，

根據(jù)本發(fā)明中的方法的具體方面，在所述電介質(zhì)層上形成多條納米線的步驟c)包括下列步驟：

e)在所述分層界面的所述第二表面上蒸發(fā)金屬催化劑薄層；

f)將金屬催化劑薄層暴露于氫等離子體用于形成金屬催化劑微滴；

g)使用蒸液固法從金屬催化劑微滴生長納米線；

h)移除金屬催化劑微滴。

根據(jù)具體方面，所述步驟b)包括：

b1)在半導(dǎo)體襯底的所述表面上形成用于鈍化所述半導(dǎo)體襯底表面的鈍化層；以及

b2)在所述鈍化層上形成透明電介質(zhì)層，所述透明電介質(zhì)層與所述鈍化層接觸，并且所述透明電介質(zhì)層與所述半導(dǎo)體襯底的所述表面分離。

附圖說明

僅出于非限制性示出目的給出該描述，并且當(dāng)參考所附附圖時(shí)，能夠更好地理解該描述，其中：

圖1表示在電介質(zhì)包覆層沉積之前的中間制造步驟太陽能電池結(jié)構(gòu)的橫截面；

圖2表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的太陽能電池結(jié)構(gòu)的橫截面；

圖3示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的制造方法；

圖4表示作為硅納米線生長溫度的函數(shù)的有效載流子壽命的測(cè)量；

圖5表示分別具有電介質(zhì)層無納米線(平直線)、具有納米線且納米線上無電介質(zhì)涂層(虛線)、具有納米線且納米線上具有不同厚度的電介質(zhì)涂層(對(duì)于黑色圓圈而言，為20nm，并且相應(yīng)地對(duì)于白色圓圈而言，為50nm)的各個(gè)太陽能電池結(jié)構(gòu)的吸收光譜的測(cè)量。

具體實(shí)施方式

設(shè)備

圖1示意性地表示在用于包覆納米線的透明電介質(zhì)涂層沉積之前，在中間制造步驟中的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的太陽能電池結(jié)構(gòu)的橫截面沉積。

太陽能電池包括具有前表面20和后表面30的半導(dǎo)體襯底1。前表面20暴露于入射的太陽光并且后表面30大體與前表面平行。半導(dǎo)體襯底1包括同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)設(shè)備(此處未示出)。

例如，半導(dǎo)體襯底1選自于單晶硅(c-si)襯底或諸如微晶硅(μc-si)、多晶硅、硒化銅銦鎵(cigs)、以及碲化鎘(cdte)等其他半導(dǎo)體材料。優(yōu)選地，半導(dǎo)體襯底1包括單晶硅襯底或微晶硅或多晶硅。例如，半導(dǎo)體襯底1由雙面打磨的硅晶圓構(gòu)成。

太陽能電池包括半導(dǎo)體襯底的前側(cè)表面20上的分層界面和該分層界面上的紋理化表面結(jié)構(gòu)。

如此處使用的，術(shù)語“表面上的層”指：不管形成所述層的沉積或生長工藝如何，該層與此表面接觸沉積。

分層界面具有第一表面21和第二表面23。分層界面的第一表面21與前側(cè)表面20接觸。分層界面選擇為使得該分層界面鈍化半導(dǎo)體襯底1的前側(cè)表面20。而且，分層界面被配置為使得第一表面21與第二表面23電絕緣。

在圖1和圖2示出的第一實(shí)施方式中，分層界面包括鈍化層2和透明電介質(zhì)層3。

在圖1的示例性示圖中，太陽能電池包括位于半導(dǎo)體襯底1的表面20上的鈍化層2。鈍化層2可以是諸如氫化不定形硅(a-si:h)等半導(dǎo)體層?？商娲兀g化層2可以是氫化不定形氧化硅(a-siox:h)、氧化鋁(alox)、碳化硅、或二氧化硅的電介質(zhì)層。

該鈍化層2的厚度一般包括在2納米與20納米之間。

優(yōu)選地，鈍化層2包括具有約4納米的厚度的氫化不定形硅(a-si:h)層。

在該實(shí)施方式中，分層界面的第一表面21是鈍化層2的表面，即，位于半導(dǎo)體襯底的表面20上。

鈍化層2能夠通過化學(xué)和物理方式中和晶體硅表面20處的不飽和懸空鍵。而且，鈍化層2能夠減少電荷載流子在半導(dǎo)體襯底表面處發(fā)生的中和或復(fù)合。

在圖1中，太陽能電池包括位于半導(dǎo)體襯底1的背側(cè)表面30上的另一鈍化層12。該鈍化層12一般包括作為前表面的鈍化層2的同一材料層，諸如，不定形氫化硅(a-si:h)等。該鈍化層12的厚度一般包括在2納米與至少30納米之間，并且優(yōu)選地，20納米左右。

同樣，鈍化層12能夠通過化學(xué)和物理方式中和晶體硅后表面30的不飽和懸空鍵。

太陽能電池還包括位于前表面的鈍化層2上的透明電介質(zhì)層3。透明電介質(zhì)層3包括例如單層氮化硅(sinx,a-sinx:h)、或二氧化硅(sio2)、或氧化鋁。

在該實(shí)施方式中，分層界面的第二表面22是透明電介質(zhì)層3的表面，該表面22與鈍化層2分離。鈍化層2與該透明電介質(zhì)層3的另一表面22接觸。

透明電介質(zhì)層3被配置為提供其表面22與其表面23之間的電絕緣。因此，分層界面在提供半導(dǎo)體襯底的表面20與該分層界面的第二表面23之間的電絕緣的同時(shí)提供半導(dǎo)體襯底的表面20的鈍化。

太陽能電池進(jìn)一步包括位于分層界面的第二表面23上的紋理化表面結(jié)構(gòu)。

更精確地，該紋理化表面結(jié)構(gòu)包括納米線4。納米線形成在分層界面的第二表面23上。

在圖1和圖2的實(shí)施例中，納米線4位于電介質(zhì)層3的表面23上。

例如，納米線4由硅、氧化硅、氧化鋅、或在低溫下生長的納米線制成，優(yōu)選地，溫度低于500℃，例如，使用汽-液-固法。納米線的長度一般包括在20納米與200納米之間。納米線的直徑一般包括在2納米與50納米之間。

一般地，納米線4從下層分層界面的第二表面23突出，納米線4的一個(gè)極端與第二表面23接觸，并且至少所述納米線的另一部分距該第二表面23一定距離并且由此突出。因此，每個(gè)納米線4的極端均與分層界面的第二表面23接觸。在圖1和圖2的實(shí)施例中，納米線與電介質(zhì)層3接觸。然而，納米線4并不與鈍化層2接觸。因此，納米線4與鈍化層2并且與半導(dǎo)體襯底1的表面20電絕緣。該配置避免了在半導(dǎo)體襯底1的鈍化表面上引入缺陷。

多條納米線4可具有相對(duì)于分層界面的第二表面23隨機(jī)分布的定向。

在示出的實(shí)施例中，納米線4是直的；然而，在本公開的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其他的形狀。優(yōu)選地，納米線4具有自分層界面的第二表面23的法線至相對(duì)于分層界面的第二表面23的法線形成高達(dá)85度以上的角的傾斜定向的定向。在實(shí)施例中，納米線4豎直對(duì)準(zhǔn)，即，此處指納米線與局部表面的法線平行。

納米線的密度包括在10⁷cm^-2與10⁹cm^-2之間，例如，10⁸cm^-2。

納米線的空間分布是隨機(jī)的?？商娲?，納米線的空間分布是周期性的，例如，遵循具有中心到中心距離為600nm的六邊形圖案。

圖2表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的太陽能電池設(shè)備的示例性結(jié)構(gòu)。太陽能電池包括分層界面和分層界面的第二表面23上的紋理化表面結(jié)構(gòu)。

紋理化表面結(jié)構(gòu)包括納米線4和納米線4上的電介質(zhì)涂層5。例如，電介質(zhì)涂層5包括氮化硅(sinx)層或二氧化硅(sio2)層。電介質(zhì)涂層5的厚度包括在10納米與300納米之間，并且優(yōu)選地，在20nm與50nm之間。電介質(zhì)涂層5覆蓋納米線4并且一般還覆蓋在所述納米線4之間的電介質(zhì)層3的表面。

該電介質(zhì)涂層5被選定為透明的，以減少由于設(shè)備表面的吸收而產(chǎn)生的可能光學(xué)損失。

因此，納米線4完全嵌入在分層界面的第二表面23與電介質(zhì)涂層5之間。換言之，納米線4形成支持電介質(zhì)涂層5的骨架。因此，形成電介質(zhì)涂覆的納米線。

在第一實(shí)施方式的情況下，納米線4嵌入在分層界面的電介質(zhì)層與電介質(zhì)涂層5之間。

紋理化表面結(jié)構(gòu)與分層界面的第二表面23接觸。紋理化表面具有另一表面25，即，電介質(zhì)涂層5的表面。該表面25是太陽能電池設(shè)備的前表面。

通過在攜帶電介質(zhì)涂覆的納米線的設(shè)備側(cè)面上接收入射光而操作光電設(shè)備。入射光入射在紋理化表面結(jié)構(gòu)的表面25上。因此，入射光入射在電介質(zhì)涂覆的納米線上。電介質(zhì)涂覆的納米線將入射光衍射至半導(dǎo)體襯底1中并且由此增強(qiáng)半導(dǎo)體襯底1內(nèi)的光陷阱。

一方面，光電設(shè)備的結(jié)構(gòu)能夠分離與設(shè)備的表面反射率有關(guān)的光學(xué)特性，另一方面，能夠分離與半導(dǎo)體襯底1的表面20的鈍化有關(guān)的所述設(shè)備的電特性。

更精確地，紋理化表面結(jié)構(gòu)提供表面粗糙度，即，能夠在不增加設(shè)備的該表面上的光吸收的情況下減少表面反射。納米線4形成用于支持透明電介質(zhì)涂層5的結(jié)構(gòu)。透明電介質(zhì)涂層5能夠降低包括所述納米線的紋理化表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)反射率。電介質(zhì)涂層5優(yōu)選由在考慮光譜范圍內(nèi)為透明的材料制成。例如，在太陽能電池應(yīng)用中，電介質(zhì)涂層5至少在自350nm延伸至1000nm的光譜范圍內(nèi)透明。

電介質(zhì)涂覆的納米線的尺度一般低于入射光波長。這確保了入射在硅納米線4上的入射光發(fā)生衍射。例如，氮化硅涂覆的納米線具有105nm的平均長度、425nm的直徑。此處，將電介質(zhì)涂覆的納米線的長寬比限定為這些電介質(zhì)涂覆的納米線的高度與直徑之間的比例。在上述實(shí)施例中，電介質(zhì)涂覆的納米線長寬比等于105/425＝0.247。優(yōu)選地，電介質(zhì)涂覆的納米線的長寬比包括在0.5與100之間。

因此，電介質(zhì)涂覆的納米線能夠在提供低吸收并且將入射光衍射至半導(dǎo)體襯底的同時(shí)降低表面反射系數(shù)。

因此，該紋理化表面結(jié)構(gòu)提供增加光電設(shè)備內(nèi)的光陷阱的表面紋理化，例如，太陽能電池內(nèi)的光陷阱。

納米線可以在低溫下形成，一般小于500℃，由此保留半導(dǎo)體襯底中電子突觸的電特性。

電介質(zhì)層3的厚度一般包括在1納米與100納米之間。例如，電介質(zhì)層3是具有100納米厚度的二氧化硅(sio2)層。

納米線4與半導(dǎo)體襯底1之間的電介質(zhì)層3提供納米線與半導(dǎo)體襯底1之間、或納米線4與鈍化層2之間的電絕緣。而且，電介質(zhì)層3通過物理方式分離半導(dǎo)體襯底的鈍化表面與通過納米線4提供的粗糙度。

尤其對(duì)于具有平坦表面的半導(dǎo)體襯底而言，鈍化層2能夠接近完善半導(dǎo)體襯底1的表面的表面鈍化。由于超細(xì)(一般小于20nm)，所以鈍化層2幾乎不吸收任何光，因此，穿過所述鈍化層2的光到達(dá)半導(dǎo)體襯底1。然后，入射光在半導(dǎo)體襯底的電子突觸內(nèi)產(chǎn)生電荷載流子。

優(yōu)選地，電介質(zhì)涂層5的電介質(zhì)層3和/或鈍化層2的厚度與折射指數(shù)被選擇為使得在入射光束的所需波長范圍內(nèi)形成抗反射堆。因此，電介質(zhì)層3、5和/或鈍化層2構(gòu)成抗反射涂層(arc)。

而且，令人驚訝的是，此處公開的太陽能電池結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了前表面鈍化。

在分層界面上具有紋理化表面結(jié)構(gòu)的太陽能電池能夠增加光陷阱和低表面復(fù)合兩者。分層界面提供半導(dǎo)體襯底的表面鈍化以及與該半導(dǎo)體襯底的電絕緣。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒈砻娴墓鈱W(xué)性質(zhì)與半導(dǎo)體襯底的電鈍化去耦合。

在變形中，電介質(zhì)層3可提供梯度曲線作為該層厚度的函數(shù)。在此變形中，該電介質(zhì)層3仍具有與分層界面的第一表面21電絕緣的第二表面23。包括納米線的紋理化表面結(jié)構(gòu)仍在該電介質(zhì)層3的第二表面23上。

在另一變形中，分層界面包括第一電介質(zhì)層3上的其他透明層。例如，分層界面包括鈍化層2上的電介質(zhì)層的多層堆棧。然而，分層界面仍提供了第一表面21和第二表面23。在這種情況下，第二表面32是多層堆棧的頂表面。如上面詳述的第一實(shí)施方式，第一表面21與半導(dǎo)體襯底1的表面20接觸，使半導(dǎo)體襯底1的表面20與第二表面23鈍化的分層界面與第一表面21電絕緣。包括納米線的紋理化表面結(jié)構(gòu)還位于此分層界面的該第二表面23上。

在另一實(shí)施方式中(此處未示出)，分層界面包括單個(gè)界面層，而非位于鈍化層2上的電介質(zhì)層3。在這種情況下，分層界面仍提供第一表面21和第二表面23，即，同一界面層的兩個(gè)表面。該界面層在半導(dǎo)體襯底表面20上，并且包括納米線的紋理化表面結(jié)構(gòu)在該界面層的第二表面23上。在這種情況下，該界面層由提供第一表面21與第二表面23之間的電絕緣并且還具有用于鈍化半導(dǎo)體襯底1的表面20的鈍化特性的電介質(zhì)材料制成。例如，單個(gè)界面層可由氧化硅制成。界面層的厚度一般包括在1納米與100納米之間。例如，電介質(zhì)界面層是具有100納米的厚度的二氧化硅(sio2)層。

在該實(shí)施方式中，單個(gè)界面層同時(shí)提供半導(dǎo)體襯底的表面鈍化與半導(dǎo)體襯底和納米線4之間的電絕緣。

光電設(shè)備進(jìn)一步包括沉積或生長在此單個(gè)界面層上的納米線4、以及覆蓋所述納米線的透明電介質(zhì)涂層5。

如同第一實(shí)施方式，納米線4提供支持透明電介質(zhì)涂層5的紋理化表面。該電介質(zhì)涂層5能夠降低表面反射率。被涂覆的納米線在該紋理化表面處不產(chǎn)生吸收損失的情況下將入射光衍射至襯底中。

優(yōu)選地，該單個(gè)界面層3的和電介質(zhì)涂層5的厚度和反射指數(shù)被選擇為使得在入射光束的所需波長范圍內(nèi)形成抗反射堆。因此，電介質(zhì)層3和5形成抗反射涂層。

在該實(shí)施方式的變形中，形成分層界面的界面層可提供梯度曲線作為該層厚度的函數(shù)。

在提供半導(dǎo)體襯底的電絕緣與表面鈍化的分層界面上具有紋理化表面結(jié)構(gòu)的太陽能電池既提供高的光陷阱、又提供低表面復(fù)合。太陽能電池的該架構(gòu)還能夠從半導(dǎo)體襯底的電鈍化去耦合表面的光學(xué)特性。

總之，太陽能電池包括用于通過形成鈍化表面而鈍化半導(dǎo)體襯底并且用于將所述鈍化表面與利用電介質(zhì)涂覆的納米線紋理化的表面電絕緣的至少一個(gè)界面層。

因此，此處公開的設(shè)備向半導(dǎo)體襯底同時(shí)提供由于納米線的粗糙表面紋理和鈍化表面。此架構(gòu)能夠降低暴露于入射光的表面的光學(xué)反射率，同時(shí)，限制利用納米線被紋理化的粗糙表面的光學(xué)吸收。同時(shí)，該架構(gòu)能夠在不增加在半導(dǎo)體襯底表面電荷載流子的復(fù)合的情況下增加半導(dǎo)體襯底對(duì)光的吸收。

此處公開的設(shè)備也具體適配于ibc類型太陽能電池，其中，電觸點(diǎn)位于襯底的背側(cè)上。

在上面詳述的實(shí)施例中，分層界面和紋理化表面結(jié)構(gòu)位于其上的襯底表面20是平坦表面。

可替代地，襯底前表面20可包括顯微結(jié)構(gòu)，這些顯微結(jié)構(gòu)包括顯微鏡可見水平的平坦表面。例如，襯底前表面20可包括提供平坦刻面的棱錐或逆向棱錐形狀的顯微結(jié)構(gòu)。在顯微結(jié)構(gòu)襯底的情況下，分層界面沉積在紋理化表面上，并且包括納米線的紋理化表面結(jié)構(gòu)形成在分層界面的平坦表面上。顯微鏡可見水平的表面紋理與納米計(jì)水平的納米的組合能夠進(jìn)一步增強(qiáng)太陽能電池結(jié)構(gòu)內(nèi)的光陷阱。由電介質(zhì)涂覆的納米線制成的紋理化表面結(jié)構(gòu)將光衍射至半導(dǎo)體襯底中并且顯微鏡可見水平的紋理化表面有助于進(jìn)一步增強(qiáng)光陷阱。

方法

太陽能電池制造方法的具體實(shí)施例詳述如下。

選擇單晶硅(c-si)晶圓作為半導(dǎo)體襯底1。

半導(dǎo)體襯底1可以是雙側(cè)打磨襯底?？商娲兀雽?dǎo)體襯底1可具有顯微鏡可見尺寸的平坦表面的紋理化前表面，例如，棱錐或逆向棱錐形狀。

一般地，襯底包括此處未描述的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)類型的電子突觸。

a.裸襯底表面的清潔

例如，在濕蝕刻工藝中，利用具有包括5％氫氟酸(hf)的溶液清潔c-si晶圓的表面20、30至少30秒。

b.形成分層界面

分層界面形成在半導(dǎo)體襯底1的表面20上。

在具體實(shí)施方式中，按照兩步驟執(zhí)行此步驟b：

-b1鈍化層的沉積

至少一個(gè)鈍化層2沉積在c-si晶圓的前側(cè)上。優(yōu)選地，鈍化層2沉積在前側(cè)20上并且另一鈍化層122沉積在c-si晶圓1的背側(cè)30上。例如，在低溫下，例如，在175℃時(shí)，在等離子體反應(yīng)器中，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(pecvd)可以沉積鈍化層2、12。出于示出性之目的，將20nm厚的a-si:h鈍化層2沉積在前側(cè)表面20上并且將50nm厚的a-si:h鈍化層12沉積在后側(cè)表面30上。

-b2電介質(zhì)層的沉積

下一步驟包括將電介質(zhì)層3沉積在前側(cè)上，例如，沉積在前側(cè)鈍化層2上。例如，電介質(zhì)層3所使用的材料是不定形氫化氮化硅(a-sinx:h)或二氧化硅(sio2)。在室溫下，在等離子體反應(yīng)器中或通過原子層沉積(ald)可以沉積電介質(zhì)層3。從光譜橢圓對(duì)稱)測(cè)量判斷電介質(zhì)層的厚度。該電介質(zhì)層的厚度包括在20nm與200nm之間。

在變形中，電介質(zhì)層沉積的此步驟b2)包括具有梯度指數(shù)曲線的電介質(zhì)層的沉積。

可替代地，在半導(dǎo)體襯底表面上沉積鈍化層的步驟b1)和在鈍化層上沉積電介質(zhì)層的b2)可以被界面層沉積的步驟所取代，所述界面層既是鈍化材料又是電絕緣材料，諸如，二氧化硅(sio2)等。

在變形中，形成分層界面的此步驟包括被適配成用于鈍化半導(dǎo)體襯底并且用于提供與半導(dǎo)體襯底電絕緣的表面的界面層，還包括沉積具有梯度指數(shù)曲線的界面層。

在又一變形中，形成分層界面的步驟b進(jìn)一步包括在電絕緣層上沉積一個(gè)或多個(gè)其他透明層。

在任何情況下，分層界面均具有與半導(dǎo)體襯底的表面20接觸的第一表面21和是分層界面的頂表面的第二表面，該第二表面與該第一表面電絕緣。此外，在任何情況下，分層界面均提供在其上形成該分層界面的半導(dǎo)體襯底表面20的表面鈍化。

下列步驟涉及紋理化表面結(jié)構(gòu)在分層界面上，更精確地，在分層結(jié)構(gòu)的第二表面上的形成。

c.多條納米線的形成

優(yōu)選地，使用vls(汽-液-固)法生長納米線。

e)超薄層金屬催化劑的沉積

非常薄層的低熔點(diǎn)金屬催化劑沉積在分層界面的第二表面23上。例如，在圖1和圖2示出的第一實(shí)施方式中，該薄層金屬催化劑沉積在電介質(zhì)層3上。

在室溫下，通過蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)可以沉積金屬催化劑。低點(diǎn)金屬催化劑可以選自于錫(sn)、銦(in)、或鉍(bi)。

作為可選項(xiàng)，在掩模步驟之前或之后，可以執(zhí)行超薄膜金屬催化劑的沉積的此步驟，以允許低熔點(diǎn)金屬催化劑僅沉積在襯底的某些確定區(qū)域上。例如，可以使用掩模處理在分層界面的第二表面23上產(chǎn)生金屬催化劑的周期性圖案，在之后步驟中，移除掩模。在優(yōu)選實(shí)施方式中，使用具有中心到中心距離為600nm的六邊形掩模生長硅納米線。

f)金屬催化劑微滴的形成

將氫等離子體應(yīng)用于薄層低熔點(diǎn)金屬催化劑在分層界面的第二表面32上產(chǎn)生納米計(jì)尺寸的金屬微滴。氫等離子體條件可以是：100sccm的流率、0.6torr的壓力、金屬熔點(diǎn)溫度以上的溫度(例如，250℃)、50w的無線電頻率功率(例如，持續(xù)10min)。

g)納米線的合成

等離子體增強(qiáng)汽-液-固(vls)法可用于納米線的合成。低熔點(diǎn)催化劑允許將納米線生長過程的溫度降至425℃或以下。例如，在下列實(shí)驗(yàn)條件下可以獲得硅納米線：作為前驅(qū)物氣體的硅烷(sih4)和作為運(yùn)載氣體的氫氣(h2)的氣體混合物、相應(yīng)的硅烷流率為10sccm并且氫氣流率為100sccm、總壓為1torr、溫度425℃、無線電頻率功率為2w、持續(xù)時(shí)間2min。因此，從液態(tài)金屬催化劑微滴生長硅納米線。

如圖1中示出的，硅納米線4從分層界面的第二表面23突出。

硅納米線的長度和直徑一般包括在20nm與200nm之間。納米線的長寬比選自于在1與100之間并且優(yōu)選地低于10。

h)移除金屬催化劑

從作為生長納米線的表面移除剩余的金屬催化劑。例如，以100sccm的流率、0.6torr的壓力、250℃的溫度、5w的無線電頻率功率、30min持續(xù)時(shí)間，通過應(yīng)用氫等離子體移除剩余的金屬催化劑微滴。

d.通過透明電介質(zhì)涂層涂覆納米線

透明電介質(zhì)涂層5沉積在納米線4上。例如，電介質(zhì)涂層5所使用的材料是不定形氫化氮化硅(a-sinx:h)或二氧化硅(sio2)。，透明電介質(zhì)涂層5可以在室溫下沉積在等離子體反應(yīng)器中或ald中。電介質(zhì)涂層5的厚度包括在20納米與200納米之間。

因此，實(shí)現(xiàn)了包括納米線4和透明電介質(zhì)涂層5的紋理化表面結(jié)構(gòu)。納米線完全嵌入在分層界面的第二表面23與電介質(zhì)涂層5之間。

本發(fā)明的方法能夠制造具有改善轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。具體地，該方法能夠在不影響表面復(fù)合的情況下提高對(duì)可見光譜的吸收。

作為本公開的一部分，如圖1中示出的，在無電介質(zhì)涂層5的情況下，在僅包括鈍化層2的太陽能電池中，以及針對(duì)在具有鈍化層2和電介質(zhì)層3的分層界面上存在納米線4的不同太陽能電池，已經(jīng)測(cè)得少數(shù)載流子壽命。僅包括鈍化層1和12的參考太陽能電池具有500微秒的少數(shù)載流子壽命。圖4表示了包括鈍化層和覆蓋有電介質(zhì)層的硅納米線的不同太陽能電池的少數(shù)載流子壽命(l.t.)作為硅納米線的生長溫度(t以℃為單位)的函數(shù)(步驟(f)以上)。在氫等離子體和硅烷中，各自持續(xù)2min，通過vls沉積硅納米線。在圖4表示的圖表中，每個(gè)方形均表示一次硅納米線生長。

令人驚訝的是，這些太陽能電池的少數(shù)載流子壽命包括在1000微秒與約1700微秒之間，即，比無硅納米線的作為被鈍化c-si晶圓的500μs少數(shù)載流子壽命高許多。而且，少數(shù)載流子壽命看似隨著硅納米線生長溫度而增加。更精確地，少數(shù)載流子壽命從275℃時(shí)的1000μs增加高達(dá)至425℃時(shí)的最大值約1700μs，然后，在475℃溫度時(shí)下降。

從這些少數(shù)壽命測(cè)量中得出，與僅包括鈍化層2和12的參考太陽能電池相比較，具有分層界面和未涂覆納米線的這些結(jié)構(gòu)提供增強(qiáng)的前表面鈍化。

通過測(cè)量作為350nm至1100nm的光譜范圍內(nèi)的波長λ的函數(shù)的光譜吸收比a(λ)而評(píng)估根據(jù)本公開的太陽能電池的吸收特性。使用下列式子從350nm至1100nm的光譜范圍內(nèi)的總吸收比的積中計(jì)算積分短路電流密度jsc：

jsc＝e∫a(λ).n(λ).dλ

其中，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)太陽能光譜內(nèi)的波長λ，e表示電子電荷，a(λ)是總吸收比，并且n(λ)是每秒每單位面積的光子數(shù)。

圖5中的平直線表示在4納米的鈍化層上具有100nm厚的sinx電介質(zhì)層并且無納米線的參考太陽能電池結(jié)構(gòu)的已測(cè)量總吸收比光譜a(λ)。優(yōu)化sinx電介質(zhì)層的厚度，以獲得最大化jsc的抗反射涂層。該參考太陽能電池的積分短路電流密度jsc為36.94ma/cm²。

圖5中的其他曲線表示根據(jù)本公開的第一實(shí)施方式的具有包括鈍化層2和絕緣層3的分層界面并且具有包括納米線4和電介質(zhì)涂層5的紋理化表面結(jié)構(gòu)的不同太陽能電池的吸收比測(cè)量。

為了嵌入硅納米線4，鈍化c-si襯底對(duì)納米線去耦合的電介質(zhì)層3的厚度減少至50nm。在該50nm厚的電介質(zhì)層3上生長200nm長度的硅納米線。

圖5中的虛線表示在4nm厚的鈍化層2上具有由50nm厚的sinx電介質(zhì)層3構(gòu)成的分層界面、在分層界面上具有硅納米線4并且在納米線上無電介質(zhì)涂層的太陽能電池結(jié)構(gòu)的測(cè)量吸收光譜a(λ)(如圖1示出的)。該太陽能電池的積分短路電流密度為36.92ma/cm²。

圖5中的黑圓圈線表示在4nm厚的鈍化層2上具有由50nm厚的sinx電介質(zhì)層3構(gòu)成的分層界面、以及位于該分層界面上的紋理化表面結(jié)構(gòu)的另一太陽能電池結(jié)構(gòu)的測(cè)量吸收光譜a(λ)，該紋理化表面結(jié)構(gòu)由硅納米線4和位于硅納米線4上的20nm厚的電介質(zhì)涂層5構(gòu)成(如圖2中示出的)。該太陽能電池的積分短路電流密度jsc為37.15ma/cm²。從相同條件下沉積在平坦表面上的相似電介質(zhì)涂層的厚度的測(cè)量評(píng)估電介質(zhì)涂層5的厚度。

圖5中的白色圓圈線表示具有在4nm厚的鈍化層2上由50nm厚的sinx電介質(zhì)層構(gòu)成的分層界面、以及該分層界面上的紋理化表面結(jié)構(gòu)的太陽能電池結(jié)構(gòu)的測(cè)量總系數(shù)比光譜a(λ)，該紋理化表面結(jié)構(gòu)由硅納米線4和硅納米線4上的50nm厚的電介質(zhì)涂層5構(gòu)成(如圖2中示出的)。該太陽能電池的積分短路電流密度jsc為38.90ma/cm²。

在圖5中，黑圓圈線與白圓圈線之間的差異僅在于氮化硅電介質(zhì)涂層5的厚度，相應(yīng)地，對(duì)黑圓圈線而言，為20nm，并且對(duì)于白圓圈線而言，為50nm。

如此處公開的，與具有分層界面但不具有紋理化表面結(jié)構(gòu)的參考太陽能電池相比較，具有分層界面和紋理化表面結(jié)構(gòu)的太陽能電池提供相同或更高的jsc。

從圖5中的不同太陽能電池的光譜吸收比曲線得出，與100nm的優(yōu)化電介質(zhì)層相比較，分層界面上足夠長的涂覆電介質(zhì)的硅納米線的組合導(dǎo)致太陽能光譜藍(lán)色區(qū)域中的吸收增加，而近紅外光譜區(qū)域中無任何損失。此處，證明積分短路電流密度為38.90ma/cm²。然而，該值38.90ma/cm²充分低于使用本發(fā)明的方法的最大可實(shí)現(xiàn)jsc值。

具有硅納米線的紋理化表面結(jié)構(gòu)提供光散射，由此使光在太陽能電池中被截獲。

針對(duì)涂覆有分層界面和在該分層界面上的紋理化表面結(jié)構(gòu)的半無限c-si晶圓，模擬計(jì)算jsc值。更精確地，分層界面由a-si:h鈍化層2和薄sinx電介質(zhì)層3構(gòu)成，并且紋理化表面結(jié)構(gòu)由涂覆有在其上部的氮化硅涂層sinx的硅納米線4構(gòu)成。對(duì)于該模擬，具有425nm直徑的涂覆有氮化硅的納米線整齊地位于具有600nm中心到中心距離的六邊形布置中。sinx電介質(zhì)層3厚度的值在30nm與70nm之間變化，并且涂覆有氮化硅的納米線高度的值在80nm與140nm之間變化。獲得在350nm至1100nm光譜范圍內(nèi)的積分短路電流密度jsc的二維圖。從該計(jì)算中得出，包括的jsc值40ma/cm²與高至42ma/cm²之間。更精確地，對(duì)于具有105nm長度或高度的氮化硅納米線、以及50nm厚的氮化硅電介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)最大jsc值42ma/cm²。

這表明可以實(shí)現(xiàn)42ma/cm²的高jsc值。而且，在調(diào)查的電介質(zhì)層厚度和sinx納米線高度范圍內(nèi)，jsc值的散布局限于小于2.1ma/cm²(在～40ma/cm²與高至42ma/cm²之間)，從而概括了此解決方案的魯棒性。

與僅包括無納米線的分層界面的太陽能電池相比較，在該分層界面上具有紋理化表面結(jié)構(gòu)的太陽能電池結(jié)構(gòu)的積分jsc值的增加指太陽能電池內(nèi)的光陷阱由于納米線的存在而增加。

因此，本公開能夠制造既表現(xiàn)出增強(qiáng)的壽命、又提高總吸收比(尤其在光譜的藍(lán)色區(qū)域內(nèi))的太陽能電池。

因此，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高。

從本公開得出，包括薄電介質(zhì)層3的分層界面提供鈍化c-si襯底與納米線之間的有效電絕緣或去耦合。

因此，本發(fā)明對(duì)由于涂覆有電介質(zhì)的納米線而造成低反射率的光學(xué)表面特性與由于分層界面對(duì)半導(dǎo)體襯底的表面鈍化而產(chǎn)生的電表面鈍化特性進(jìn)行了有利地組合。

本發(fā)明的方法僅需要比常規(guī)制造過程多幾個(gè)步驟。

本方法可以在制造前后太陽能電池結(jié)構(gòu)以及諸如叉指背接觸(ibc)太陽能電池結(jié)構(gòu)等全背接觸結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。太陽能電池的電觸點(diǎn)可以通過導(dǎo)電插頭或?qū)拥某练e形成。

本發(fā)明具體應(yīng)用于諸如光伏太陽能電池等光電設(shè)備。

本公開還應(yīng)用于諸如光電二極管或光檢測(cè)器的其他光電設(shè)備。在前表面上嵌入納米線的電介質(zhì)層能夠在不增加電荷載流子在光電設(shè)備內(nèi)的表面復(fù)合的情況下增加入射光在光電設(shè)備中的耦合。