專利名稱：光生伏打裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接受到輻射光后產(chǎn)生電動勢的光生伏打裝置。
在輻射光照射下產(chǎn)生電動勢的光生伏打裝置的受光面電極層(以下簡述為透明電極層)理想的情況應(yīng)是透明的，以便光能夠輻射到含有執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的光敏層的半導(dǎo)體層。因此，任何通常的透明電極層主要由透明的導(dǎo)電氧化物(TCO)，例如三氧化二銦(In2O3)，二氧化錫(SnO2)或ITO(分別是銦或錫的氧化物)組成，即很少由薄金屬層組成。由TCO組成的這種電極的表面電阻值大約是10～50歐姆/□，它比由薄鋁金屬層做的同樣厚度的電極要高三倍多。這使得用TCO做的那些電極層多產(chǎn)生功率損耗(電阻損耗)，從而降低了電流收集效率。
為避免電流收集效率降低，日本專利申請公開59-50576(1984年)提出了用金屬材料做的柵形電流收集電極作受光面的技術(shù)。
由于金屬的電流收集電極層的電阻值比透明電極層低，所以能防止電流收集效率降低。而另一方面，由于金屬電流收集電極擋住了本應(yīng)到達(dá)光敏層的光，所以金屬電極不可避免地要減少進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的有效受光面積。
為解決這個問題，日本專利申請公開60-149178(1985年)，61-20371(1986年)和日本實用新型申請公開61-86955(1986年)分別提出了改進(jìn)的光生伏打裝置。盡管組成透明電極層的仍是高電阻TCO或薄金屬層，但是這些光生伏打裝置分別減少了透明電極層的電阻損耗而不顯著地犧牲有效受光面積。

圖1是上述技術(shù)之一提出的光生伏打裝置的剖面圖。每一光電轉(zhuǎn)換器元件SC1、SC2、SC3…分別通過疊置的透明電極層11，半導(dǎo)體層12，由電阻金屬(ohmic metal)做成的第一背電極層13，絕緣層14和電阻值比透明電極層11低的第二背電極層15互相連結(jié)，這個次序是從光進(jìn)入面算起的。在這種光生伏打裝置中，多個用與第二背電極層15同樣材料做成的聯(lián)結(jié)導(dǎo)體18在受光區(qū)的多個位置插入內(nèi)表面被絕緣層14包圍的接觸孔16，這樣透明電極11與第二背電極15能夠電連通。多個光電轉(zhuǎn)換器元件SC1、SC2、SC3…裝在透明絕緣基片17上，鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件通過使毗鄰的光電轉(zhuǎn)換器元件之一的第一背電極層13和另一個的第二背電極層結(jié)合而實現(xiàn)相互電串聯(lián)。
上面所引的光生伏打裝置的光電轉(zhuǎn)換器元件把高電阻透明電極層11和低電阻第二背電極層在多個位置電連接，透明電極層11中的電流路徑只延展到鄰近的連接點(diǎn)，從而縮短了電流路徑，這樣在透明電極層11中的電阻損耗可以降低而不顯著地減少有效受光面積。
由于玻璃價格低，且易于做成所選的形狀，通常用它作絕緣基片。但是，由于玻璃在大約550℃軟化，它不能承受600℃以上的熱處理。因而，當(dāng)形成有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層時，只有那些利用低溫的方法，例如汽化、濺射、等離子體化學(xué)汽相沉積、光化學(xué)汽相沉積等可以使用。這就限制了可選擇的用作半導(dǎo)體層12的材料的范圍，從而材料只能從非晶硅，非晶硅碳化物，非晶硅鍺化物，非晶鍺和微晶硅產(chǎn)物中選擇，它們是用等離子體化學(xué)汽相沉積或光化學(xué)汽相沉積和類似方法，使用最高基片溫度為300℃時產(chǎn)生的。
圖2是透明電極層11和第二背電極層15的連結(jié)的放大的剖面圖，因為接觸孔16的內(nèi)表面覆有絕緣層14，所以透明電極層11不是直接連到第一背電極層13的。但是若半導(dǎo)體層12的厚度小于1微米，特別若其厚度小于0.5微米時，通過連結(jié)的邊緣部分12a會產(chǎn)生漏電流，偶而會出現(xiàn)短路。
在毗鄰的光電轉(zhuǎn)換器元件的相鄰區(qū)間和連結(jié)部分(接觸孔16)組成了對產(chǎn)生功率無貢獻(xiàn)的特別區(qū)域，它對輸出功率不利。相鄰區(qū)間對串聯(lián)地連接多個光電轉(zhuǎn)換器元件是非常關(guān)鍵的。由于所需的處理精度，所以相鄰區(qū)間的可縮減的大小是預(yù)定的。因此，為了減小對產(chǎn)生功率無貢獻(xiàn)的區(qū)域的大小，接觸孔16及需用來放置每一接觸孔16的區(qū)間的大小應(yīng)設(shè)置到最佳值。
通常使用光掩模的光刻方法來除去覆蓋層以提供接觸孔16。但是，用光刻方法來精確地設(shè)置微細(xì)位置是很困難的。而且，光刻方法需要很多步驟來執(zhí)行，它還不能方便地形成微細(xì)的接觸孔16。
本發(fā)明已能完全地解決上述那些問題。本發(fā)明涉及的光生伏打裝置使用一種表面覆有絕緣層的金屬基片作絕緣基片。
本發(fā)明的主要目的是提供一種新的光生伏打裝置，它通過引進(jìn)能承受高溫處理的絕緣基片而大大地擴(kuò)大了組成半導(dǎo)體層的材料的選擇自由度。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種新的光生伏打裝置，它通過在整個可見光區(qū)域內(nèi)提供顯著的光吸收特性以及提供具有多個半導(dǎo)體結(jié)的串列結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層產(chǎn)生非常大的光電轉(zhuǎn)換輸出。
本發(fā)明的光生伏打裝置的光電轉(zhuǎn)換元件的透明電極層和第二背電極層間的電連接是借助于其內(nèi)緣表面由絕緣層和同樣直徑的半導(dǎo)體層組成的接觸孔實現(xiàn)的。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種新的光生伏打裝置，即使半導(dǎo)體層很薄，它也能在透明電極層和第一背電極層間提供足夠的距離。
本發(fā)明的第四個目的是提供一種新的光生伏打裝置，它完全不產(chǎn)生漏電流也不會偶然短路。
在制造本發(fā)明涉及的光生伏打裝置的方法中，接觸孔的大小和區(qū)間是基于在透明電極層和第二背電極層接觸處的計算出的輸出電流根據(jù)輸出電壓精確地確定的。此外，透明電極層的厚度也是基于在上述接觸處的計算出的輸出電流根據(jù)輸出電壓確定的。
本發(fā)明的第五個目的是提供一種新的光生伏打裝置，它有最佳的輸出特性并能產(chǎn)生最大輸出功率。
當(dāng)制造本發(fā)明涉及的光生伏打裝置時，多個接觸孔是用能量束形成的。
本發(fā)明的第六個目的是提供一種新的制造光生伏打裝置的方法，它能減少處理步驟，節(jié)約操作時間。
本發(fā)明的第七個目的是提供一種新的制造光生伏打裝置的方法，它能在所需位置精確地形成微細(xì)的接觸孔。
當(dāng)用能量束形成微細(xì)接觸孔時，本發(fā)明提供一種方法，在相繼執(zhí)行了從接觸孔形成區(qū)除去第一背電極層，留下部分或整個半導(dǎo)體層，然后形成絕緣層的步驟以后，用能量束在指定形成微細(xì)接觸孔的區(qū)域整體地除去絕緣層和半導(dǎo)體層。
本發(fā)明的第八個目的是提供一種新的制造光生伏打裝置的方法，它能對透明電極層有選擇地除去絕緣層。
本發(fā)明的上述目的和進(jìn)一步的目的與特征將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中變得更明顯。
圖1是傳統(tǒng)的光生伏打裝置的主要組成部分的剖面圖;
圖2是傳統(tǒng)的光生伏打裝置的光電轉(zhuǎn)換元件部分的放大圖;
圖3和圖4分別是本發(fā)明的光生伏打裝置的主要組成部分的部分剖面透視圖;
圖5是用本發(fā)明實施例方法制造的光生伏打裝置的主要組成部分的部分剖面透視圖;
圖6是用本發(fā)明實施例方法逐次處理的光生伏打裝置的剖面圖;
圖7和圖9分別是本發(fā)明的光生伏打裝置的另一較佳實施例的光電轉(zhuǎn)換元件的剖面圖;
圖8和圖10分別是本發(fā)明的光生伏打裝置的另一較佳實施例的部分剖面圖;
圖11到圖13分別是用本發(fā)明另一較佳實施例的處理方法逐次處理的光生伏打裝置的剖面圖;
圖14是本發(fā)明的光生伏打裝置的主要組成部分的剖面圖;
圖15是表示一級模塊的等效電路圖;
圖16是表明有不同接觸孔半徑的本發(fā)明光生伏打裝置的最大輸出(Pmax)和有效面積因子間的關(guān)系的特性圖;
圖17是表示有不同透明電極層表面電阻的本發(fā)明的光生伏打裝置的最大輸出(Pmax)和有效面積因子間關(guān)系的特性圖;以及圖18是代表光生伏打裝置的最大輸出(Pmax)和透明電極層的表面電阻及厚度之間的特性關(guān)系的圖。
現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的光生伏打裝置的較佳實施例。
圖3是從光入射一側(cè)依次表示出的本發(fā)明光生伏打裝置的主要組成部分的部分剖面透視圖。與上述光從絕緣基片一側(cè)進(jìn)入的傳統(tǒng)的光生伏打裝置不同，本發(fā)明較佳實施例的光生伏打裝置允許光從相反的方向進(jìn)入。從而并不要求光對基片的可透過性，這樣，較佳實施例使用了表面覆有絕緣層的金屬片作絕緣基片。
每一光電轉(zhuǎn)換元件SC1、SC2、SC3…分別由下述疊置構(gòu)成的部分組成(從光入射方向看光生伏打裝置)由TCO制成的透光的受光面電極層(即透明電極層)1;主要由例如非晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體層2，它含有由與層面平行的類似于半導(dǎo)體PIN結(jié)和P-N結(jié)結(jié)合而成的光敏層;由電阻金屬制成的第一背電極層3;由二氧化硅(SiO2)，氮化硅(Si3N4)，氮化鋁(AlN)，三氧化二鋁(Al2O3)，聚酰亞胺，絕緣環(huán)氧樹脂或抗腐蝕涂料制成的絕緣層4;以及由電阻值低于透明電極層1的金屬構(gòu)成的第二背電極5，其中金屬可以是單層或多層的鋁、銀、鈦、鉻或鎳，或者是鎳、銀或銅糊劑做的導(dǎo)電糊劑。在受光區(qū)的多個位置有多個接觸孔6，第二背電極層5或另一導(dǎo)體插入其中，每一接觸孔6的內(nèi)表面被絕緣層4包圍。因此，透明電極層1與第二背電極層5是電連通的。許多光電轉(zhuǎn)換器元件SC1、SC2、SC3…分別裝在絕緣基片70上，基片70是一個復(fù)合片，包括一個由耐熱不銹鋼或鋁做的金屬片71，其上覆有用涂琺瑯的或針孔阻塞(pin-hole-clogged)的氧化鋁膜制成的絕緣片72。毗鄰光電轉(zhuǎn)換元件中的一個的第一背電極層3與另一個的第二背電極層5組合以使所有相鄰光電轉(zhuǎn)換器元件互相電串聯(lián)。
引入到本發(fā)明較佳實施例的絕緣基片70的耐熱性比任何傳統(tǒng)的絕緣基片要好得多。這使得在本發(fā)明的實施例中可以使用熱的化學(xué)汽相沉積方法形成半導(dǎo)體層2。例如，可以有效地使用氫化硅(SiH4)的熱化學(xué)汽相沉積方法產(chǎn)生的多晶硅。通過使用一個薄金屬片71也能生產(chǎn)可變通的光生伏打裝置。
當(dāng)執(zhí)行本發(fā)明的較佳實施例時，制造者可以更自由地選擇制造半導(dǎo)體層2的材料。這就便于在半導(dǎo)體層2中與層表面平行地提供多于兩種的半導(dǎo)體結(jié)。此外，通過擴(kuò)展組成多于兩個半導(dǎo)體結(jié)的半導(dǎo)體材料的光帶能隙“Egopt”的光入射一側(cè)，縮小光帶能隙“Egopt”的背光一側(cè)，可以一點(diǎn)點(diǎn)地移動光吸收的峰值波長和光吸收帶。由此，整個半導(dǎo)體層2能具有覆蓋廣泛波長范圍的非常高的光吸收特性。例如，通過引入串列結(jié)構(gòu)(即多個結(jié))，較佳實施例可以在整個可見光范圍產(chǎn)生非常高的光吸收特性，串列結(jié)構(gòu)提供下述疊加(1)PIN結(jié)層，它由含寬帶“Egopt”的P-型非晶碳化硅(其可吸收光的峰值波長在可見光的短波長部分)，以及I-型和N-型非晶硅組成，和(2)P-N結(jié)層，它由含有窄帶“Egopt”的P-型和N-型多晶硅組成，其中通過將PIN結(jié)層置于受光一側(cè)而使可吸收光的峰值波長在可見光的長波長區(qū)。因此得到了高的光電轉(zhuǎn)換輸出。
上述結(jié)構(gòu)可以通過利用制造半導(dǎo)體材料的多晶硅來實現(xiàn)。實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)是依靠用絕緣的金屬片71構(gòu)成絕緣基片70而采用高溫方法形成半導(dǎo)體層2。
這個實施例為半導(dǎo)體層2提供一個單個的半導(dǎo)體結(jié)。也可以只從低溫處理過程為半導(dǎo)體層2提供多于兩個的半導(dǎo)體結(jié)，因為具有窄帶“Egopt”的非晶鍺化硅層或非晶鍺層能用低溫產(chǎn)生。
圖4是圖3所示較佳實施例的一個變型。其特征是接觸孔6的圓周壁完全覆以半導(dǎo)體層2而不是絕緣層4。當(dāng)半導(dǎo)體層的本征電阻值很高時，可以有效地應(yīng)用這個實施例，這時使用非晶半導(dǎo)體是理想的。
圖5是本發(fā)明實施方法制造的光生伏打裝置的主要組成部分的部分剖面透視圖，其中主要組成部分是從背光一側(cè)看過來的。圖5的光生伏打裝置的結(jié)構(gòu)類似于前面描述的傳統(tǒng)的光生伏打裝置，其中絕緣基片7是由透明玻璃制成的。雖然其它結(jié)構(gòu)沿不同方向疊置，但是它們是用與上述實施例同樣的材料制成的，這樣，相應(yīng)的材料在圖5中用同樣的數(shù)字表示而不再作解釋。
當(dāng)用本發(fā)明實施方法制造有上述結(jié)構(gòu)的光生狀打裝置時，為在透明電極層1和第二背電極層5之間形成接觸，首先第一背電極層3疊置在半導(dǎo)體層2上，完全覆蓋透明電極層1，然后疊置的層在多個預(yù)定位置置于能量束E.B。(例如激光束或電子束)的輻照下，如圖6(a)箭頭所示，以清除半導(dǎo)體層2和第一背電極層3的受束輻照部分。這是本發(fā)明制造光生狀打裝置實施例的方法的特點(diǎn)。圖6(b)示出在能量束E.B.輻照后疊置層的狀態(tài)。由于能量束E.B.的輻照，在受光區(qū)的1～2%面積上形成分立的孔8，露出透明電極層1。具體地說帶有Q開關(guān)的1.06微米波長的釔鋁石榴石(YAG)激光如果被用作輻照能量束E.B.，對于厚度約5，000
的非晶硅半導(dǎo)體層或厚度為1，000埃的鋁層，或者對于用鈦制的第一背電極層，輻照功率密度為1×106到5×107瓦/平方厘米的YAG激光能量束，能形成孔8?？?中的每一個都是圓形，有100微米到最大為1毫米的直徑，它或者可以是方形，有100微米到最大為1毫米的邊長，孔8也可以是除此而外的其它任何形狀。但是因為能量束具有圓截面，所以當(dāng)不進(jìn)行掃描時，提供圓形是比較優(yōu)越的。束的能量分布相對于束的中心的軸呈高斯分布。因此，如果該方法必須借助于光闌切去能量分布中的低坡度部分而只用具有高能量和很細(xì)直徑的那些能量束，使其對孔掃描，則用方形光闌把孔處理成方形比較好。能量束也用來把半導(dǎo)體層2和第一背電極層3分成光電轉(zhuǎn)換器元件SC1、SC2、SC3…。執(zhí)行上述那些過程就形成許多微細(xì)孔8，每一個都有100微米到最大為1毫米的直徑或邊長，這些孔8占有相應(yīng)于總受光區(qū)的0.5%-5%面積的一定區(qū)域。然后在第一背電極層3和微細(xì)孔8上作涂層，形成由光敏樹脂組成的絕緣層4。隨后如圖6(c)所示，通過完全覆蓋孔8的內(nèi)壁，在最終完全形成接觸孔6之前進(jìn)行曝光和顯影。這樣完成了接觸孔6，透明電極層1再次曝露出來。
上述方法在執(zhí)行曝光和顯影過程后最終形成接觸孔6。與此方法無關(guān)，該實施例還用圖型印刷(Pattern-printed)的絕緣層4(包括圖6(b)所示的孔8的內(nèi)壁)形成接觸孔，如圖6(c)所示。換句話說，該實施例也通過執(zhí)行下述步驟形成接觸孔6，首先第一背電極層3和孔8完全用光敏樹脂涂層覆蓋，這樣能形成絕緣層4，然后絕緣層4再露暴于能量束E.B.的輻照下，使絕緣層4的預(yù)定部分能在接觸孔6最終形成前除去。
最后，通過在光電轉(zhuǎn)換器元件SC1、SC2、SC3…的整個絕緣層4上的網(wǎng)板印刷(Screen Printing)來摹制由含有鎳或銀的金屬糊劑組成的第二背電極層5，隨之，這些光電轉(zhuǎn)換器元件相互串聯(lián)。同時，第二背電極層5也填入接觸孔6。當(dāng)完成所有光電轉(zhuǎn)換器元件的連接時，也同時完成了透明電極層1和第二背電極5的接觸。
上述方法用網(wǎng)板印刷形成第二背電極層5的圖案。與此方法無關(guān)，這個實施例也可以執(zhí)行下述步驟首先在絕緣層4上形成第二背電極層5，隨后通過對第二背電極層5輻照能量束把第二背電極層5從每一光電轉(zhuǎn)換器元件上分開。
圖7是光電轉(zhuǎn)換器元件的剖面圖。在該實施例中，每一接觸孔6的內(nèi)表面覆有半導(dǎo)體層2和絕緣層4。具體地說，第一背電極層3的孔徑比接觸孔6的要大，而半導(dǎo)體層2與絕緣層4的孔有同樣的直徑。第一背電極層的邊緣3a在半導(dǎo)體層2的邊緣2a后面。多個有上述結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器元件在透明絕緣基片7上相互串聯(lián)，而毗鄰的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的第二背電極層5和另一個的第一背電極層3相連，這樣使本發(fā)明涉及的光生伏打裝置能整體地完成。圖8是本發(fā)明的光生伏打裝置的部分剖面透視圖。
任何傳統(tǒng)的光生伏打裝置在透明電極層1和第一背電極層3之間跨過非常薄的厚度“t”的半導(dǎo)體層2提供了絕緣距離“L”。另一方面，借助于上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的較佳實施例提供了絕緣距離L，它由半導(dǎo)體層2的厚度“t”和第一背電極層3縮回的長度“d”之和(L＝t+d)組成。由此，有效絕緣長度L比任何傳統(tǒng)的光生伏打裝置要顯著地長。因而，即使當(dāng)受能量束輻射的熱影響的邊緣2a與透明電極層1接觸時，透明電極層1和第一背電極層3之間的電阻值仍然足夠高，這樣很少會發(fā)生，不然的話會由漏電流或偶然短路的有害效應(yīng)造成的輸出功率的降低。
圖9是上述實施例的光電轉(zhuǎn)換器元件的另一變型的剖面圖。圖10是本發(fā)明的光生伏打裝置的部分剖面透視圖，它由多個光電轉(zhuǎn)換器元件串聯(lián)組成，并具有變化了的結(jié)構(gòu)。與上述實施例無關(guān)，這個實施例使用了由復(fù)合片構(gòu)成的絕緣基片70，它由覆有絕緣層72的金屬片71制成。這個絕緣基片70具有相反的入射光方向。即使使用與上述實施例不同結(jié)構(gòu)的光生伏打裝置時，它也保證可以取得與前面的實施例同樣的效果。
下面來描述制備圖7所示結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器元件的方法。首先，在絕緣基片7上形成透明電極層1，半導(dǎo)電層2和第一背電極層3。然后，如圖11(a)所示，在要造成接觸的部位留下至少一部分半導(dǎo)體層2，通過除去第一背電極層部分30形成具有從0.1到最大為1毫米的圓孔或方孔8。接著形成絕緣層4，以使能一起覆蓋孔8和半導(dǎo)體層2的暴露部分。隨后，如圖11(b)所示，絕緣層部分40和留在預(yù)定形成接觸的部位的半導(dǎo)體層2的部分20一起，以具有從0.05到最大0.8毫米的直徑或邊長的園或方形的形狀被除去，這樣透明電極層1能暴露在表面。然后，形成第二背電極層5，使圖7所示的接觸可以最終形成。用來除去如圖11所示的第一背電極層部分30和包含半導(dǎo)體層部分20的絕緣層部分40的能量束E.B.的輻照便于形成微細(xì)接觸，而且對產(chǎn)生更多輸出是很有效的。能量束E.B。既可以從透明電極層的方向，也可以從背電極的方向輻照。為有效地用激光作輻照能量束，建議安排有Q開關(guān)的1.06微米波長的YAG激光器，使它可以發(fā)射功率密度為1×106到1×108瓦/平方厘米的能量。圖11(b)的制造過程值得注意，因為輻照能量束完全透過覆蓋準(zhǔn)備接觸部分的絕緣層部分40，而不被該層所吸收。它是在下面的半導(dǎo)體層部分20被吸收的，因此半導(dǎo)體層部分20本身瞬間被汽化，並且在輻照能量束照射下，同上面的絕緣層部分40一起除去，正確地說，不能對透明電極層1有選擇地除去絕緣層部分40。但是，因為該實施例允許半導(dǎo)體層2留下來作為束吸收劑，所以能量束的輻照有效地方便了有選擇地除去絕緣層部分40。
現(xiàn)在看圖12，用本發(fā)明的方法形成的電接觸的實例描述如下。如圖12(a)所示，首先，用帶有掃描或圓/方形透過裝置的光闌，由能量束E.B.的輻照除去在最后階段要電接觸的特定部分的周緣，以使中心的半導(dǎo)體層部分21和第一背電極部分31能不受影響地留下。然后如圖12(b)所示形成絕緣層4。隨之通過輻照能量束E.B.，與頂部的絕緣層4一起除去剩下的半導(dǎo)體層部分21和第一背電極部分31。接著，形成第二背電極5使其能和透明電極層1電連接。根據(jù)絕緣層4除去部分的大小，電接觸的結(jié)構(gòu)是可以改變的，如圖12(c)和12(d)所示。
現(xiàn)在看圖13，對另一個用本發(fā)明方法制造的電接觸的例子描述如下。圖13(a)代表在中心除去第一背電極層3之后，除去絕緣層4的過程。通過能量束E.B.的作用除去在最后階段要電接觸的特定部分的周緣。圖13(b)和13(c)分別表示與半導(dǎo)體層2一起除去絕緣層4以后，完全電接觸的結(jié)構(gòu)。
在制造光生伏打裝置時，設(shè)置的接觸孔的大小和間隔是非常重要的因素。收縮接觸孔6的大小使受光區(qū)的無效面積減少。而另一方面，提供小的接觸孔6導(dǎo)致在制造過程中產(chǎn)生差的可加工性。
若接觸孔6的大小進(jìn)一步減小，則透明電極層1和第二背電極5之間的接觸電阻在收集電流的接觸孔6的中心增加，從而不能減小電阻損耗。相反，若接觸孔6的大小擴(kuò)大得在制造光電轉(zhuǎn)換器元件時加工方便，則接觸孔的數(shù)目越多，受光區(qū)的無效面積就越大。如果接觸孔的數(shù)目減少，則這些接觸孔的電流收集效率降低，這樣，在透明電極層1的電阻損耗不能完全受到約束。總之，為了從光生伏打裝置產(chǎn)生最大輸出，在確定設(shè)置的接觸孔6的大小和間隔中可能存在某個最佳值。
基于上述考慮，當(dāng)確定這些接觸孔6的大小和間距時，發(fā)明者計算了接觸孔6的輸出電流的量，然后，基于該計算值，發(fā)明者設(shè)計出輸出電壓。注意接觸孔的間距對應(yīng)于接觸孔的數(shù)目和受光區(qū)的有效面積。
圖14是接觸孔6的剖面圖。圖15是相應(yīng)于一級模塊的等效電路圖，其中虛線圍起來的部分相應(yīng)于一個接觸孔6。
電流在半徑為R的圓中產(chǎn)生然后被每一接觸孔6收集。每一圓以接觸孔6為中心畫出，使每一個圓能與以每個接觸孔為中心的其它圓互相接觸，其面積等于被截的方塊，并有相同的面積。從而自動地確定每一圓的半徑R。下面所示的第一表達(dá)式代表從每個接觸孔6的電流輸出Iout。
Iout=2π∫RGRr·i(r)dr···(1)]]>其中R是圓的半徑，R0是接觸孔6的半徑，i(r)是在小區(qū)域產(chǎn)生的電流量。
電流量i(r)用下面所示的第二、第三表達(dá)式計算。
i(r)＝iph-i0〔exp (q (V(r)+RSi (r)))/(nkT) -1〕- (V (r)+Rsi(r))/(Rsh) …(2)(dV(r))/(dr) ＝I(r) (Rst)/(2πr) …(3)其中iph是光電流的密度，i0是反方向的飽和電流密度，V(r)是在半徑r處的電壓，Rs是串聯(lián)電阻，Rsh是分流電阻，n是二極管特征曲線的n值，q是電荷，k是坡爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，Rst是表面電阻，I(r)在半徑r的點(diǎn)處的環(huán)形區(qū)沿接觸孔6的方向流動的電流總量。
圖16是光生伏打裝置的最大輸出和有效面積因子間關(guān)系的特性圖，用接觸孔6的半徑R0作參數(shù)，從上述公式計算決定的。圖16所示光伏打裝置有10厘米×10厘米大小，並且與10個光電轉(zhuǎn)換器元件SC1到SC10結(jié)合，它們以0.15毫米的間隔放置。光生伏打裝置有98.5%的有效面積因子。符號點(diǎn)(·)代表接觸孔6的半徑為0.10毫米。符號圈(○)代表接觸孔6的半徑為0.15毫米。符號三角(△)代表接觸孔6的半徑為0.25毫米。符號方塊(□)代表接觸孔6的半徑為0.55毫米。
從圖16中清楚地看到，當(dāng)接觸孔6的半徑為0.10毫米時，最大功率輸出直到有效面積因子為98%以前一直增加。但是如果接觸孔6的半徑為0.15毫米，或0.25毫米，或0.55毫米時，最大輸出功率本身并不隨有效面積因子的增加而增加，而當(dāng)接觸孔6的半徑為0.15毫米或0.25毫米時，在有效面積因子為97.5%時輸出達(dá)到極大。另一方面，當(dāng)接觸孔6的半徑為0.55毫米時，在有效面積因子為96.3%時輸出達(dá)到最大。由此，基于上面所示三個表達(dá)式的計算，本發(fā)明可以決定接觸孔6的最佳半徑和數(shù)目，即有效面積因子。
圖17是表示光生伏打裝置的最大輸出和有效面積因子之間關(guān)系的特性圖，用透明電極層1的表面電阻Rst作參數(shù)，從上述那些表達(dá)式?jīng)Q定。用于圖17計算的光生伏打裝置的接觸孔6半徑為0.25毫米。符號點(diǎn)(·)代表透明電極層1的表面電阻為10Ω/□。符號圈(○)代表透明電極層1的表面電阻為50Ω/□。符號方塊(□)代表透明電極層1的表面電阻為100Ω/□。
從圖17清楚看到，根據(jù)透明電極層1的表面電阻，接觸孔的數(shù)目有一產(chǎn)生最大輸出的最佳值。換句話說，存在一個最佳有效面積因子。具體地說，當(dāng)透明電極層1的表面電阻分別為10Ω/□，30Ω/□，50Ω/□和100Ω/□時，最佳有效面積因子分別為97.5%，96.5%，96%和95.5%。這時，基于上面那三個表達(dá)式的計算，本發(fā)明可以根據(jù)表面電阻值決定接觸孔6的最佳半徑和數(shù)目，即有效面積比。
上面較佳實施例的描述只是參照使用由透明玻璃片或類似物構(gòu)成的絕緣基片7。但是，即使制造如圖3和圖4所示具有由金屬片71和絕緣層72構(gòu)成的絕緣基片70的這種光生伏打裝置，和上述實施例一樣，應(yīng)用上述表達(dá)式計算在接觸孔6的電流輸出，通過考慮與計算的電流輸出相關(guān)聯(lián)的輸出功率，也能對較佳實施例適當(dāng)決定接觸孔6的大小和間隔(數(shù)目)。
雖然上述實施例用圓接觸孔6，但也可能對上述實施例提供具有最佳形狀的接觸孔，例如方孔。當(dāng)提供方接觸孔時，每一接觸孔6所收集的電流是在互相接觸的以接觸孔6為中心的方形內(nèi)產(chǎn)生的，并被截成相同的面積。因此，接觸孔的大小和間隔能通過計算在方形內(nèi)產(chǎn)生的電流來決定。
為對光生伏打裝置提供高輸出，透明電極層1的厚度是一個重要因素，同樣，厚度也存在一個最佳值。圖18是考慮了由表面電阻值和透明電極層1的厚度變化產(chǎn)生的透光特性的，代表最大輸出的圖。聯(lián)系到圖15的等效電路，圖18中的曲線表明了整個模塊的輸出特性的計算結(jié)果，它是根據(jù)最小光生伏打面積運(yùn)行條件的單位面積產(chǎn)生的電流I(r)和徑向電壓V(r)之間的關(guān)系計算的。圖18中實線(a)代表本發(fā)明實施例的光生伏打裝置的輸出特性，而虛線(b)代表傳統(tǒng)的光生伏打裝置。兩者都是由10厘米×10厘米的集成塊組成。
正如從圖18的特性圖清楚看到的，為使Pmax達(dá)到極大值，存在透明電極層1的某個最佳厚度值。因此當(dāng)制造按本發(fā)明實施的光生伏打裝置時，通過設(shè)計透明電極層的厚度正確地與最佳值相符，可以獲得非常高的輸出電流。
上述最佳實施例分別使用了一個YAG激光器，它能發(fā)射1.06微米波長的能量束。作為變型，例如這些實施例也可以使用YAG激光的二次諧波，波長為0.53微米。也可以使用電子束來代替YAG激光。
本發(fā)明可以幾種形式實施而不偏離其本質(zhì)特征的精神，本實施例只是說明性的，而非限制性的。本發(fā)明的范圍是由所附權(quán)利要求而不是由它們之前的描述所決定的，所有在權(quán)利要求的集合和限制內(nèi)的變化，或等價于這集合和限制的變化都被認(rèn)為是被權(quán)利要求包括了的。
權(quán)利要求
1.一種光生伏打裝置，包括多個串聯(lián)的光電轉(zhuǎn)換器元件，其中每一個所述光電轉(zhuǎn)換器元件包括成疊置結(jié)構(gòu)的透明受光面電極層，含有光敏層的半導(dǎo)體層，第一背電極層，絕緣層，以及第二背電極層，其中所述受光面電極層和第二背電極層在受光區(qū)的多個位置電聯(lián)通，並且每一個所述光電轉(zhuǎn)換器元件置于表面覆蓋絕緣層的金屬基片上。其中互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的所述第一背電極層與另一個的在所述半導(dǎo)體層背面的所述第二背電極層相聯(lián)接，以使所述光電轉(zhuǎn)換器元件能夠互相電串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光生伏打裝置，其中所述半導(dǎo)體層含有多個半導(dǎo)體結(jié)。
3.一種光電轉(zhuǎn)換器元件，包括成疊置結(jié)構(gòu)的透明受光面電極層，含有光敏層的半導(dǎo)體層，第一背電極層，絕緣層和第二背電極層，其中所述受光面電極層和第二背電極層在受光區(qū)的多個位置電連通，其中所述受光面電極層和第二背電極層的電接觸是借助于接觸孔實現(xiàn)的，每一個接觸孔都具有與所述半導(dǎo)體層和絕緣層的孔相同的直徑。
4.一種包括多個如權(quán)利要求3所述的光電轉(zhuǎn)換器元件的光生伏打裝置，多個光電轉(zhuǎn)換器元件置于透明絕緣基片上，其中互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的所述第一背電極層與另一個的在所述半導(dǎo)體層背面的所述第二背電極層相聯(lián)接，以使所述光電轉(zhuǎn)換器元件能夠互相電串聯(lián)。
5.一種包括多個如權(quán)利要求3所述的光電轉(zhuǎn)換器元件的光生伏打裝置，多個光電轉(zhuǎn)換器元件置于表面覆蓋絕緣層的金屬基片上，互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的所述第一背電極層與另一個的在所述半導(dǎo)體層背面的所述第二背電極層相聯(lián)接，以使所述光電轉(zhuǎn)換器元件能夠互相電串聯(lián)。
6.一種光電轉(zhuǎn)換器元件，包括成疊置結(jié)構(gòu)的透明受光面電極層，含有光敏層的半導(dǎo)體層，第一背電極層，絕緣層和第二背電極層，其中所述受光面電極層和所述第二背電極層在受光區(qū)的多個位置電連接，其中所述連接位置的大小和間隔是基于計算出的在所述連接位置的輸出電流根據(jù)輸出功率決定的。
7.一種包括多個如權(quán)利要求6所述的光電轉(zhuǎn)換器元件的光生伏打裝置，多個光電轉(zhuǎn)換器元件置于一個透明絕緣基片上，其中所述光電轉(zhuǎn)換器元件是通過互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的所述第一背電極層與另一個的在所述半導(dǎo)體層背面的所述第二背電極層相聯(lián)接而互相電串聯(lián)地連接的。
8.一種包括多個如權(quán)利要求6所述的光電轉(zhuǎn)換器元件的光生伏打裝置，多個光電轉(zhuǎn)換器元件置于表面覆蓋絕緣層的金屬基片上，其中所述光電轉(zhuǎn)換器元件是通過互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的所述第一背電極層與另一個的在所述半導(dǎo)體層背面的所述第二背電極層相聯(lián)接而互相電串聯(lián)地連接的。
9.一種光電轉(zhuǎn)換器元件，包括成疊層結(jié)構(gòu)的透明受光面電極層，含有光敏層的半導(dǎo)體層、第一背電極層，絕緣層和第二背電極層，其中所述受光面電極層和第二背電極層在受光區(qū)的多個位置電連接，其中所述受光面電極層的厚度是基于計算出的在所述連接位置的輸出電流根據(jù)輸出功率決定的。
10.一種包括多個如權(quán)利要求9所述的光電轉(zhuǎn)換器元件的光生伏打裝置，多個光電轉(zhuǎn)換器元件置于一個透明絕緣基片上，其中所述光電轉(zhuǎn)換器元件是通過互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的所述第一背電極層與另一個的在所述半導(dǎo)體層背面的所述第二背電極層相聯(lián)接而互相電串聯(lián)地連接的。
11.一種包括多個如權(quán)利要求9所述的光電轉(zhuǎn)換器元件的光生伏打裝置，多個光電轉(zhuǎn)換器元件置于表面覆有絕緣層的金屬基片上，其中所述光電轉(zhuǎn)換器元件是通過互相鄰接的光電轉(zhuǎn)換器元件中的一個的所述第一背電極層與另一個的在所述半導(dǎo)體層背面的所述第二背電極層相聯(lián)接而互相電串聯(lián)地連接的。
12.一種制造光生伏打裝置的方法，包括制造多個光電傳換器元件的過程，每一元件包括成疊置結(jié)構(gòu)的透明受光面電極層，含有光敏層的半導(dǎo)體層，第一背電極層，絕緣層和第二背電極層，其中所述受光面電極層在受光區(qū)的多個位置和所述第二背電極層電連接，包括
應(yīng)用能量束形成多個接觸孔，以實現(xiàn)所述受光面電極層和所述第二背電極層的電接觸的方法。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在形成所述半導(dǎo)體層和第一背電極層以后，用能量束形成穿透所述半導(dǎo)體層和所述第一背電極層的貫穿孔的方法。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在包括所述貫穿孔的所述半導(dǎo)體層上形成絕緣層以后，用能量束形成多個接觸孔的方法。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在包括所述貫穿孔的所述半導(dǎo)體層上形成絕緣層以后，用曝光和顯影方法形成多個接觸孔的方法。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在包括所述貫穿孔的所述半導(dǎo)體層上用絕緣層的圖型印刷(Pattern-Printing)形成多個接觸孔的方法。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在包括所述接觸孔的所述絕緣層上形成所述第二背電極以后，對每一光電轉(zhuǎn)換器元件用能量束分開所述第二背電極層的方法。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在包括所述接觸孔的所述絕緣層上用所述第二背電極層的圖型印刷形成每一光電轉(zhuǎn)換器元件的所述第二背電極層的方法。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的制造光生伏打裝置的方法，其中所述形成所述接觸孔的方法包括通過所述第一背電極層形成孔而留下部分的或全部的所述半導(dǎo)體層的方法，在包括所述孔的所述半導(dǎo)體層上形成所述絕緣層的方法，以及用能量束形成接觸孔的方法，每一個接觸孔具有與所述絕緣層和半導(dǎo)電層的孔相同的直徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在包括所述接觸孔的所述絕緣層上形成所述第二背電極以后，對每一光電轉(zhuǎn)換器元件用能量束分開所述第二背電極層的方法。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的制造光生伏打裝置的方法，進(jìn)一步包括在包括所述接觸孔的所述絕緣層上用所述第二背電極的圖型印刷形成每一光電轉(zhuǎn)換器元件的所述第二背電極層的方法。
22.根據(jù)權(quán)利要求12的制造光生伏打裝置的方法，其中所述能量束是從包括脈沖發(fā)射激光束和電子束的組中選出的。
全文摘要
一種光生伏打裝置，提供覆有絕緣層的金屬絕緣基片。相鄰光電轉(zhuǎn)換元件之一的第一背電極與另一個的第二背電極相連實現(xiàn)電串聯(lián)，不影響光電轉(zhuǎn)換的有效面積，使制造者自由地選擇組成半導(dǎo)體層的材料。通過接觸孔實現(xiàn)透明電極與第二背電極的電接觸，在透明電極與第一背電極間提供足夠的絕緣距離，防止意外短路發(fā)生。本發(fā)明還提供了透明電極和第二背電極的電接觸部分的最佳大小和間隔，或透明電極層的最佳厚度。
文檔編號H01L31/078GK1036298SQ8910083
公開日1989年10月11日 申請日期1989年2月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月19日
發(fā)明者木山精一, 細(xì)川弘, 玄野豐 申請人:三洋電機(jī)株式會社