專利名稱：光電設(shè)備和用于大量制作球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電設(shè)備，和一種適用于制造光電設(shè)備等的大量制作球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備。
在本文所述的公開中，術(shù)語“pin結(jié)”應(yīng)理解為包括如下結(jié)構(gòu)，在近似球形的光電轉(zhuǎn)換元件上形成有n-、i-和p-型半導(dǎo)體層，并由此使這些半導(dǎo)體層以所述順序從該近似球形光電轉(zhuǎn)換元件的內(nèi)部向外設(shè)置或者從外部向內(nèi)設(shè)置。
另一現(xiàn)有技術(shù)提供的光電設(shè)備所包括的光電轉(zhuǎn)換元件由非晶硅(簡稱“a-Si”)薄膜制成，它解決了上面所述的問題。由于薄膜光電轉(zhuǎn)換層由等離子體CVD(化學(xué)氣相沉積法)方法形成，所以該現(xiàn)有技術(shù)光電設(shè)備具有如下優(yōu)點(diǎn)，不再必需傳統(tǒng)方法所需的諸多步驟例如塊狀單晶切割、切片和磨光，并且沉積膜可以整體用作器件活性層。然而該非晶硅光電設(shè)備具有如下缺點(diǎn)，由于非晶結(jié)構(gòu)使得半導(dǎo)體內(nèi)部具有大量晶體缺陷(即間隙狀態(tài))，非晶硅太陽能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率因光致退化現(xiàn)象而降低的問題。為解決此問題，現(xiàn)已研制開發(fā)出一種通過采用氫化處理以消減晶體缺陷的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了諸如非晶硅太陽能電池等電子器件的制造。
然而即使這種處理也不能完全消除晶體缺陷的負(fù)面影響，例如非晶硅太陽能電池仍然具有光電轉(zhuǎn)換效率降低15％至25％的弱點(diǎn)。
一種用于抑制光致退化的新近研制技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一種堆疊型太陽能電池，其中光電活性i-型層制作得極薄，并且采用2結(jié)或3結(jié)太陽能電池，由此能成功地將光致退化抑制至大約10％。顯然當(dāng)太陽能電池的工作溫度較高時(shí)其光致退化程度降低。盡管現(xiàn)在已經(jīng)研制出可使太陽能電池在上述這種條件下工作的模塊技術(shù)，但是它不能滿足所有需求，因而還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
再一個(gè)克服上述問題的現(xiàn)有技術(shù)公開在日本已審查的專利公告JP-B27-54855(1995)中。根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)，以下述方式制作一個(gè)太陽能陣列。將每個(gè)具有p-型硅球體和n-型硅表層的球形顆粒埋在具有多個(gè)孔的鋁箔中。通過從鋁箔的后側(cè)蝕刻除去n-型硅表層，將內(nèi)部的p-型硅球體加以暴露。將暴露式硅球體連接至另一鋁箔板上。
在該現(xiàn)有技術(shù)中，為了通過降低高純硅的用量來降低成本，必須通過降低顆粒的外徑來降低整個(gè)裝置的平均厚度。為了提高轉(zhuǎn)換效率，必須增大光接收表面，為此目的，必須將顆粒設(shè)置得彼此更加靠近?？傊?，需要將大量具有較小外徑的顆粒密集排布并且連接至鋁箔板上。這使得將顆粒連接至鋁箔板上的步驟復(fù)雜化，結(jié)果不能實(shí)現(xiàn)充分的成本降低。
需要上述這種球形半導(dǎo)體顆粒來制造如公開在JP-B27-54855中的太陽能陣列。在這種太陽能陣列中，通過將硅球形半導(dǎo)體顆粒電連接至金屬箔基板上，可以獲得由照射光至硅球形半導(dǎo)體顆粒產(chǎn)生的光電動(dòng)力。
如美國專利No.5,012,619中所公開的，這種球形顆粒以如下方式制造，而將固態(tài)材料壓碎成具有不規(guī)則外形的顆粒，所得顆粒加入一個(gè)設(shè)有研磨用內(nèi)襯的園筒中，并且在園筒中形成氣體旋流以使顆粒與內(nèi)襯碰撞或者使顆?；ハ嗯鲎?。
該現(xiàn)有技術(shù)需要很多的時(shí)間和勞動(dòng)來制造球形半導(dǎo)體顆粒，因而在成本降低方面是較差的。
另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)公開在日本未審查的專利公告JP-A8-239298(1996)中。在該現(xiàn)有技術(shù)中，用下述方式制作一個(gè)較細(xì)的硅棒。將一個(gè)保持豎直的硅棒的端部通過高頻加熱進(jìn)行熔化。在硅籽晶熔融粘結(jié)至熔化的硅棒上之后，將硅籽晶與硅棒沿豎直方向彼此分離，從而獲得粗細(xì)度小于1mm的細(xì)硅棒。該現(xiàn)有技術(shù)是以例如5mm/min至10mm/min的速度來制作細(xì)硅棒。但是，人們期望能以比此制造速度高得多的速度制作大量的球形半導(dǎo)體顆粒。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種能夠容易地用簡單操作來大量制作球形半導(dǎo)體顆粒的設(shè)備。
本發(fā)明的第一方面提供了一種光電設(shè)備，包括(a)多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件具有近似球形的形狀并且包括一個(gè)第一半導(dǎo)體層和位于第一半導(dǎo)體層外部的一個(gè)第二半導(dǎo)體層，用于在第一與第二半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生光電動(dòng)力，第二半導(dǎo)體層具有一個(gè)開口，一部分第一半導(dǎo)體層通過該開口暴露出來；和(b)支座，包括一個(gè)第一導(dǎo)體，一個(gè)第二導(dǎo)體，和一個(gè)位于第一與第二導(dǎo)體之間用于使第一與第二導(dǎo)體彼此電絕緣的絕緣體，該支座具有多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的凹槽，凹槽內(nèi)表面由第一導(dǎo)體或者由形成于第一導(dǎo)體上的覆蓋層構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換元件位于相應(yīng)的凹槽中，使得光電轉(zhuǎn)換元件由構(gòu)成凹槽的第一導(dǎo)體部分或形成于其上的覆蓋層部分所反射的光束加以照射，第一導(dǎo)體電連接至光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層，并且第二導(dǎo)體電連接至第一半導(dǎo)體層的暴露部分。
根據(jù)本發(fā)明，近似球形的光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)在支座的相應(yīng)凹槽中，相應(yīng)凹槽的內(nèi)表面由第一導(dǎo)體或由形成在第一導(dǎo)體上的覆蓋層構(gòu)成。因此，外部光束例如日光直接照射在每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件上，以及在由位于凹槽內(nèi)表面上的第一導(dǎo)體部分或形成在第一導(dǎo)體上的覆蓋層部分反射之后照射在每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件上。
由于光電轉(zhuǎn)換元件位于相應(yīng)凹槽中，所以其間形成有間隔，也就是說，其設(shè)置不是密集的。然而，降低了所用光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量，則結(jié)果可以減少光電轉(zhuǎn)換元件的高純度材料(例如硅)的用量，并且可以更容易地進(jìn)行將光電轉(zhuǎn)換元件連接至支座導(dǎo)體的步驟。
另外，凹槽設(shè)置得彼此相鄰，從而外部光束由凹槽的內(nèi)表面加以反射然后照射在光電轉(zhuǎn)換元件上。因此，光電轉(zhuǎn)換元件可以有效地利用外部光束產(chǎn)生光電動(dòng)力。相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)了與光電轉(zhuǎn)換元件光源相對(duì)的每單位面積產(chǎn)生電能的最大化。
光電轉(zhuǎn)換元件可以由單晶、多晶或非晶體材料制成，并且可以由硅材料、化合物半導(dǎo)體材料等制成。光電轉(zhuǎn)換元件可以具有pn結(jié)構(gòu)、pin結(jié)構(gòu)、肖特基勢壘結(jié)構(gòu)、MIS(metal-insulator-semiconductor，金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)、同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等。
內(nèi)部第一半導(dǎo)體層通過外部第二半導(dǎo)體層的開口而部分暴露，這使得將光照射時(shí)在第一與第二半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生的光電動(dòng)力輸出成為可能。位于支座相應(yīng)凹槽中的相應(yīng)光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層電連接至支座的第一導(dǎo)體。相應(yīng)光電轉(zhuǎn)換元件的內(nèi)部第一半導(dǎo)體層的暴露部分電連接至第二導(dǎo)體，第二導(dǎo)體形成在第一導(dǎo)體上，并有絕緣體介于其間。在第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體延伸以形成平面的結(jié)構(gòu)中，光電轉(zhuǎn)換元件在平行于第一和第二導(dǎo)體的方向上彼此相連，從而可以產(chǎn)生大的電流。
光電轉(zhuǎn)換元件可以是完全球體，或者具有近似完全球面的外表面。第一半導(dǎo)體層可以是固體并且具有近似球形的形狀。替代地，第一半導(dǎo)體層可以形成在一個(gè)預(yù)先制作的芯部的外表面上。作為進(jìn)一步的替代方式，近似球形第一半導(dǎo)體層可以具有一個(gè)空心的中央部分。
在本發(fā)明中，優(yōu)選光電轉(zhuǎn)換元件具有0.5mm至2.0mm的外徑。
根據(jù)本發(fā)明，光電轉(zhuǎn)換元件可以具有0.5mm至2.0mm的外徑，優(yōu)選為0.8mm至1.2mm，更優(yōu)選為大約1.0mm。這使得可以充分地降低材料例如高純硅的用量并且使電能產(chǎn)生量最大化成為可能。另外，球形光電轉(zhuǎn)換元件在制造過程中可以容易地加工從而可以提高生產(chǎn)率。
在本發(fā)明中，優(yōu)選第二半導(dǎo)體層的開口具有45°至90°的圓心角θ1。
通過將圓心角θ1設(shè)定在45°至90°，優(yōu)選設(shè)定在60°至90°，可以減少第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體在形成開口時(shí)廢棄部分的量，也就是說可以減少材料損耗。另外，將圓心角θ1設(shè)定在此范圍使得開口可以具有足夠的面積用于第一半導(dǎo)體層與支座的第二導(dǎo)體之間的電連接。
在本發(fā)明中，優(yōu)選支座的凹槽具有相應(yīng)的多邊形(例如蜂窩多邊形)開口，彼此相鄰的開口是連續(xù)的，每個(gè)凹槽沿著向其底部方向變窄，并且每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層在凹槽的底部或其附近分別電連接至第二導(dǎo)體和第一導(dǎo)體。
在本發(fā)明中，優(yōu)選第一導(dǎo)體設(shè)有圓形第一連接孔，該第一連接孔形成在凹槽的底部或其附近，所述絕緣體設(shè)有圓形第二連接孔，與第一連接孔具有共同軸線，光電轉(zhuǎn)換元件位于第二半導(dǎo)體層開口附近的部分固定在第一連接孔中，位于第二半導(dǎo)體層開口上方的外表面部分電連接至第一導(dǎo)體的第一連接孔的端面或者電連接至其該端面附近的部分，并且光電轉(zhuǎn)換元件的第一半導(dǎo)體層的暴露部分通過所述第二連接孔電連接至第二導(dǎo)體。
在本發(fā)明中，優(yōu)選光電轉(zhuǎn)換元件的外徑D1、第二半導(dǎo)體層開口的內(nèi)徑D2，以及第一連接孔的內(nèi)徑D3和第二連接孔的內(nèi)徑D4滿足關(guān)系D1＞D3＞D2＞D4。
根據(jù)本發(fā)明，光電轉(zhuǎn)換元件位于開口附近的部分固定在第一導(dǎo)體的第一連接孔中，光電轉(zhuǎn)換元件的第一半導(dǎo)體層的暴露部分通過支座的絕緣體的第二連接孔電連接至第二導(dǎo)體，支座的第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體可以容易地分別電連接至光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層和第一半導(dǎo)體層。
至于第二半導(dǎo)體層與第一導(dǎo)體之間的電連接，將第二半導(dǎo)體層外表面位于開口上方的部分電連接至第一連接孔的端面和/或第一導(dǎo)體的該端面附近部分，也即第一連接孔的內(nèi)圓周面和/或第一導(dǎo)體位于第一連接孔附近以及圍繞第一連接孔的部分(見圖1)。
例如，通過彈性形變形成的第二導(dǎo)體的各突出部可以插入通過第二連接孔，并且電連接至第一半導(dǎo)體層通過開口暴露的部分。替代地，第一半導(dǎo)體層通過開口暴露的部分可以用設(shè)在第二連接孔中的導(dǎo)電粘合劑或者經(jīng)由導(dǎo)電凸緣例如金屬凸緣連接至第二導(dǎo)體。
將外徑D1和內(nèi)徑D2-D4設(shè)定為滿足上述不等式使得可以實(shí)現(xiàn)可靠的電連接而不會(huì)引起不利的短路。
在本發(fā)明中，優(yōu)選聚光比x＝S1/S2選擇在2至8的范圍內(nèi)，其中S1為支座的各凹槽的開口面積，S2為光電轉(zhuǎn)換元件包含其中心的截面的面積。
本發(fā)明的第二方面提供了一種光電設(shè)備，包括(a)多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件具有近似球形的形狀并且包括一個(gè)第一半導(dǎo)體層和位于第一半導(dǎo)體層外部的一個(gè)第二半導(dǎo)體層，用于在第一與第二半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生光電動(dòng)力，第二半導(dǎo)體層具有一個(gè)開口，一部分第一半導(dǎo)體層通過該開口暴露；和
(b)支座，包括一個(gè)第一導(dǎo)體，一個(gè)第二導(dǎo)體，和一個(gè)位于第一與第二導(dǎo)體之間用于使第一與第二導(dǎo)體彼此電絕緣的絕緣體，該支座具有多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的凹槽，凹槽內(nèi)表面由第一導(dǎo)體或者形成于第一導(dǎo)體上的覆蓋層構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換元件位于相應(yīng)的凹槽中，使得光電轉(zhuǎn)換元件由構(gòu)成凹槽的第一導(dǎo)體部分或形成于其上的覆蓋層部分所反射的光束加以照射，第一導(dǎo)體電連接至光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層，并且第二導(dǎo)體電連接至第一半導(dǎo)體層的暴露部分，其中各光電轉(zhuǎn)換元件具有0.5mm至2mm的外徑，并且聚光比x＝S1/S2選擇在2至8的范圍內(nèi)，其中S1為支座的各凹槽的開口面積，S2為光電轉(zhuǎn)換元件包含其中心的截面的面積。
本發(fā)明的第三方面提供了一種光電設(shè)備，包括(a)多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件具有近似球形的形狀并且包括一個(gè)第一半導(dǎo)體層和位于第一半導(dǎo)體層外部的一個(gè)第二半導(dǎo)體層，用于在第一與第二半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生光電動(dòng)力，第二半導(dǎo)體層具有一個(gè)開口，一部分第一半導(dǎo)體層通過該開口暴露；和(b)支座，包括一個(gè)第一導(dǎo)體，一個(gè)第二導(dǎo)體，和一個(gè)位于第一與第二導(dǎo)體之間用于使第一與第二導(dǎo)體彼此電絕緣的絕緣體，該支座具有多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的凹槽，凹槽內(nèi)表面由第一導(dǎo)體或者形成于第一導(dǎo)體上的覆蓋層構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換元件位于相應(yīng)的凹槽中，使得光電轉(zhuǎn)換元件由構(gòu)成凹槽的第一導(dǎo)體部分或形成于其上的覆蓋層部分所反射的光束加以照射，第一導(dǎo)體電連接至光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層，并且第二導(dǎo)體電連接至第一半導(dǎo)體層的暴露部分，
其中各光電轉(zhuǎn)換元件具有0.8mm至1.2mm的外徑，并且聚光比x＝S1/S2選擇在4至6的范圍內(nèi)，其中S1為支座的各凹槽的開口面積，S2為光電轉(zhuǎn)換元件包含其中心的截面的面積。
例如，支座的相應(yīng)凹槽的開口呈蜂窩多邊形例如六邊形。各凹槽沿著向其底部方向變窄，光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)在各凹槽的底部。各光電轉(zhuǎn)換元件在凹槽的底部或其附近電連接至支座的導(dǎo)體。由于相應(yīng)凹槽的開口呈多邊形并且是互相連續(xù)的，所以除光電轉(zhuǎn)換元件區(qū)域之外由支座與光源(例如日光)相對(duì)的所有表面所接收的所有光束都可以照射在光電轉(zhuǎn)換元件上。因此，可以實(shí)現(xiàn)所謂的聚光型光電轉(zhuǎn)換元件，其中聚光比x＝S1/S2設(shè)定在例如2至8(優(yōu)選4至6)。這使得可以增大光電轉(zhuǎn)換元件之間的間隔，降低光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量，并且簡化將光電轉(zhuǎn)換元件連接至支座的步驟成為可能。因此，可以減少作為光電轉(zhuǎn)換元件材料的高純度半導(dǎo)體的用量，從而可以成本低廉地實(shí)施本發(fā)明。支座具有相當(dāng)簡單的結(jié)構(gòu)，因而具有生產(chǎn)率方面的優(yōu)勢并且可以容易地制造。
本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，如果將根據(jù)本發(fā)明的光電設(shè)備，其中近似球形的硅光電轉(zhuǎn)換元件具有800μm至1,000μm的外徑并且聚光比設(shè)定在4-6，轉(zhuǎn)換成假想的平板形式，其所用硅的重量等于構(gòu)成光電設(shè)備所有光電轉(zhuǎn)換元件的硅的重量，并且其面積等于光電設(shè)備在與來自光源的光束相垂直的平面上的投影面積，則該假想的平板具有大約90μm至120μm的厚度。這說明用于產(chǎn)生1W電功率的硅用量低達(dá)2g，其具有劃時(shí)代的意義。在上述采用形成在單晶硅半導(dǎo)體晶片上的光電轉(zhuǎn)換元件的第一種現(xiàn)有技術(shù)中，硅單晶厚達(dá)350μm至500μm，在包括切片損耗的情況下其厚度高達(dá)1mm。因此，在第一種現(xiàn)有技術(shù)中，用于產(chǎn)生1W電功率的硅用量為大約15至20g?？梢岳斫獗景l(fā)明能夠使硅用量比第一種現(xiàn)有技術(shù)中低得多。
當(dāng)聚光比x設(shè)定為大于8時(shí)，可以減少所需光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量，并且可以進(jìn)一步降低用于產(chǎn)生1W電功率的硅用量。然而實(shí)際上，隨著聚光比x的增大，作為光電轉(zhuǎn)換元件所吸收光能與入射在凹槽上的光能之比的聚光效率就會(huì)降低，從而相應(yīng)降低了光電設(shè)備的性能。
通過如上所述將各光電轉(zhuǎn)換元件的外徑設(shè)定在0.5mm至2.0mm(優(yōu)選為0.8mm至1.2mm)并且將聚光比x設(shè)定為2至8(優(yōu)選為4至6)，可以減少光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量，可以降低用于產(chǎn)生1W電功率的硅用量，并且可以簡化將光電轉(zhuǎn)換元件電連接至支座的步驟。因此，各光電轉(zhuǎn)換元件的外徑值與聚光比x的組合對(duì)于減少光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量和降低用于產(chǎn)生1W電功率的硅用量是重要的。
當(dāng)各光電轉(zhuǎn)換元件的外徑小于0.5mm時(shí)，盡管硅用量降低，但是所需光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量變得過大。當(dāng)各光電轉(zhuǎn)換元件的外徑小于2mm時(shí)，盡管所需光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量減少，但是硅用量變得過大。
當(dāng)聚光比小于2時(shí)，不能充分地降低硅用量。當(dāng)聚光比大于8時(shí)，聚光效率變得小于例如80％，從而其性能相應(yīng)降低。通過將聚光比x設(shè)定在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，本發(fā)明可以使聚光效率大于80％或者甚至90％。
根據(jù)本發(fā)明，通過將各光電轉(zhuǎn)換元件的外徑值和聚光比x設(shè)定在上述范圍，可以實(shí)現(xiàn)如下顯著優(yōu)點(diǎn)，即所需光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量以及用于產(chǎn)生1W電功率的硅用量可以大幅度降低至第三利現(xiàn)有技術(shù)中所述相應(yīng)數(shù)量的1/5至1/10。
在采用非晶硅光電轉(zhuǎn)換元件以及以上述范圍的聚光比聚集光束的光電設(shè)備中，光電轉(zhuǎn)換元件的溫度可以提高至40℃至80℃，高于采用非晶硅薄板型光電轉(zhuǎn)換元件的情況。這使得可以抑制非晶硅光電轉(zhuǎn)換元件的退化，從而可以延長光電設(shè)備的壽命。
在本發(fā)明中，優(yōu)選光電轉(zhuǎn)換元件具有如下方式的pn結(jié)，即具有一種導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層形成在具有另一種導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層的外部，第二半導(dǎo)體層比第一半導(dǎo)體層具有更寬的光學(xué)帶隙(見圖14)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選光電轉(zhuǎn)換元件具有如下方式的pin結(jié)，即具有一種導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層、非晶體本征半導(dǎo)體層、具有比第一半導(dǎo)體層更寬光學(xué)帶隙的另一種導(dǎo)電型的非晶體第二半導(dǎo)體層以此順序向外設(shè)置(見圖15和16)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層分別由n-型硅和p-型非晶體SiC制成。
在本發(fā)明中，優(yōu)選制成第一半導(dǎo)體層的n-型硅為n-型單晶硅或n-型微晶(μc)硅。
根據(jù)本發(fā)明，通過不同種類的非晶體半導(dǎo)體形成pn或pin異質(zhì)結(jié)窗口結(jié)構(gòu)。位于光入射側(cè)并且由窗口材料制成的第二半導(dǎo)體層的光學(xué)帶隙設(shè)定成寬于內(nèi)部第一半導(dǎo)體層的光學(xué)帶隙。以此方法，使第二半導(dǎo)體層的光學(xué)吸收系數(shù)較小，也就是說，由第二半導(dǎo)體層吸收的光束不多，從而降低了表面層的電子-空穴重新結(jié)合的速度，因而減小了光學(xué)吸收損耗。另外，提高了短波一側(cè)的感光度從而獲得寬隙窗口作用。作為這些作用的結(jié)果可以提高能量轉(zhuǎn)換效率。
特別地，pin結(jié)結(jié)構(gòu)可以將較多的光能導(dǎo)入作為光電動(dòng)力產(chǎn)生層的本征半導(dǎo)體層(i層)，提高了短波一側(cè)的感光度從而獲得寬隙窗口作用。本發(fā)明使得可以進(jìn)行比n-型硅表層形成在p-型硅球體外部的第三種現(xiàn)有技術(shù)中的顆粒要好得多的能量轉(zhuǎn)化操作。
具有pin結(jié)的光電轉(zhuǎn)換元件的i層的作用在于通過其中的光吸收形成電子-空穴對(duì)、產(chǎn)生光電流，并且加以輸送。p層和n層的作用在于通過將費(fèi)米能級(jí)固定在靠近價(jià)帶或?qū)У奈恢脕砭奂廨d流子，并且產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電場用于將i層中產(chǎn)生的電子和空穴運(yùn)送至兩個(gè)電極。
本發(fā)明的第四方面提供了一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，包括坩堝，用于存儲(chǔ)半導(dǎo)體；加熱裝置，用于加熱并熔化坩堝中的半導(dǎo)體；噴嘴，用于將來自坩堝的熔融半導(dǎo)體滴落；和振動(dòng)裝置，用于振動(dòng)所述熔融半導(dǎo)體，并且在氣相中將正在滴落的熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形顆粒。
根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體存在坩堝中并且由加熱裝置使其熔化。所得熔融半導(dǎo)體從噴嘴滴落并且由振動(dòng)裝置進(jìn)行振動(dòng)。其結(jié)果是，從噴嘴滴落的熔融半導(dǎo)體在氣相中被轉(zhuǎn)變成球形顆粒。球形顆粒具有近似恒定的直徑。以此方式，可以用簡單操作容易地大量制作球形半導(dǎo)體顆粒。術(shù)語“氣相”可以是空氣或Ar、N2等惰性氣體，甚至包括真空。
從噴嘴滴落的熔融半導(dǎo)體處于液態(tài)形式而不是固體直線形式。因此，可以在短時(shí)間內(nèi)高速地容易地制作大量的球形半導(dǎo)體顆粒。例如，本發(fā)明可以通過從噴嘴以1cm/s至1m/s的速度滴落熔融半導(dǎo)體來制作球形半導(dǎo)體顆粒，此速度比上述現(xiàn)有技術(shù)中的速度要高得多。
在本發(fā)明中，優(yōu)選批量生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)一步包括用于對(duì)坩堝中熔融半導(dǎo)體加壓的裝置。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述加壓裝置為氣源，用于將氣壓高于大氣壓的惰性氣體提供至坩堝中半導(dǎo)體上方的空間。
在本發(fā)明中，優(yōu)選將噴嘴出口相通的空間的氣壓選擇為低于坩堝中半導(dǎo)體上方空間的氣壓。
在本發(fā)明中，優(yōu)選設(shè)有多個(gè)噴嘴，各噴嘴具有1±0.5mm的內(nèi)徑和1mm至100mm的長度。
在本發(fā)明中，優(yōu)選各噴嘴具有5mm至10mm的長度。
根據(jù)本發(fā)明，坩堝中的熔融半導(dǎo)體可以用氣體或液體或通過采用活塞等來加壓。加壓的熔融半導(dǎo)體從坩堝滴落。例如，為了用氣體加壓熔融半導(dǎo)體，將氣壓高于大氣壓的惰性氣體Ar、N2等從氣源提供至坩堝中半導(dǎo)體上方的空間。替代地，可以將噴嘴出口下方空間的氣壓設(shè)定為低于坩堝中半導(dǎo)體上方空間的氣壓，使得來自坩堝的熔融半導(dǎo)體從噴嘴滴落。將噴嘴內(nèi)徑和長度分別設(shè)為1±0.5mm和1mm至100mm(優(yōu)選5mm至10mm)，例如通過加壓裝置的加壓可以使熔融半導(dǎo)體從噴嘴以恒定的流速滴落，而不會(huì)由于其自重導(dǎo)致以過高的流速滴落。這使得可以精確制作具有均勻顆粒直徑的球形顆粒。
在本發(fā)明中，優(yōu)選加熱裝置包括設(shè)在坩堝附近的感應(yīng)加熱線圈和用于激勵(lì)感應(yīng)加熱線圈的高頻電源。
在本發(fā)明中，優(yōu)選加熱裝置是用于加熱坩堝的電阻加熱裝置。
也就是說，用于加熱坩堝中半導(dǎo)體的加熱裝置可以具有用于感應(yīng)加熱的結(jié)構(gòu)，包括感應(yīng)線圈和高頻電源，或者可以是電阻加熱裝置例如用焦耳熱加熱坩堝的電加熱器。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置具有10Hz至1kHz的振動(dòng)頻率。
通過此設(shè)置，將熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形半導(dǎo)體顆粒，使得可以大量制作球形半導(dǎo)體顆粒。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置施加聲波或超聲波至正在滴落的熔融半導(dǎo)體，從而振動(dòng)正在滴落的熔融半導(dǎo)體。
根據(jù)本發(fā)明，施加聲波或超聲波至正在滴落的熔融半導(dǎo)體使得可以精確地將熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形顆粒。
在本發(fā)明中，優(yōu)選噴嘴是振動(dòng)的，振動(dòng)裝置通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)來振動(dòng)噴嘴。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)噴嘴使得噴嘴出口沿垂直于噴嘴軸線的方向振動(dòng)，其振動(dòng)幅度A小于待制作顆粒外徑D1的1/2。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置沿噴嘴的軸線方向振動(dòng)噴嘴。
根據(jù)本發(fā)明，使噴嘴振動(dòng)以便至少在其出口的附近作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這使得可以精確地制作具有均勻顆粒直徑的球形半導(dǎo)體顆粒。使噴嘴出口沿垂直于其軸線的方向振動(dòng)且振幅A小于待制作顆粒外徑D1的1/2以便具有均勻的顆粒直徑(也即A＜D1/2)，使得可以精確地制作具有外徑D1的球形顆粒。替代地，噴嘴可以沿軸線振動(dòng)，也即沿豎直方向振動(dòng)。這也使得可以制作具有均勻直徑(D1)的球形顆粒。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置是用于改變坩堝中半導(dǎo)體上方空間的氣壓的氣壓改變裝置。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置包括振動(dòng)膜，其設(shè)置成與坩堝中半導(dǎo)體上方的空間相通，和驅(qū)動(dòng)源，用于使所述振動(dòng)膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)腔，其與坩堝中半導(dǎo)體上方的空間相連，和驅(qū)動(dòng)源，用于使所述驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的氣壓振蕩。
根據(jù)本發(fā)明，用于振動(dòng)熔融半導(dǎo)體的振動(dòng)裝置是用于通過向坩堝中半導(dǎo)體上方的空間施加氣壓來改變?cè)摽臻g氣壓的氣壓改變裝置。氣壓改變裝置可以實(shí)施為一個(gè)振動(dòng)膜和一個(gè)用于使該振動(dòng)膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源(例如電機(jī)和曲柄)，或者實(shí)施為一個(gè)驅(qū)動(dòng)腔和一個(gè)用于改變?cè)擈?qū)動(dòng)腔容積從而使該驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的氣壓振蕩的驅(qū)動(dòng)源。
在本發(fā)明中，優(yōu)選振動(dòng)裝置使坩堝振動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，為了振動(dòng)熔融半導(dǎo)體，可以由驅(qū)動(dòng)源振動(dòng)其中臨時(shí)存儲(chǔ)有熔融半導(dǎo)體的坩堝。
在本發(fā)明中，優(yōu)選批量生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)一步包括洛侖茲力產(chǎn)生裝置，用于向從噴嘴滴落的熔融半導(dǎo)體上施加洛侖茲力，從而通過減小熔融半導(dǎo)體截面的夾緊作用來形成顆粒。
根據(jù)本發(fā)明，使電流流經(jīng)從噴嘴滴落的導(dǎo)電熔融半導(dǎo)體，并且在熔融半導(dǎo)體周圍形成AC磁場，從而將洛侖茲力施加在液柱式熔融半導(dǎo)體上，產(chǎn)生的夾緊作用使其截面減小。這使得可以精確地將從噴嘴滴落的熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻直徑的球形顆粒。
本發(fā)明的第五方面提供了一種球形半導(dǎo)體顆粒批量生產(chǎn)設(shè)備，包括坩堝，用于臨時(shí)性地存儲(chǔ)半導(dǎo)體；加熱裝置，用于加熱并熔化坩堝中的半導(dǎo)體；噴嘴，用于將來自坩堝的熔融半導(dǎo)體滴落；振動(dòng)裝置，用于振動(dòng)所述熔融半導(dǎo)體，并且在氣相中將正在滴落的熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形顆粒；和結(jié)晶裝置，用于在氣相中對(duì)從噴嘴滴落的液態(tài)或固態(tài)顆粒進(jìn)行加熱以控制其冷卻速度，從而將所述顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒。
本發(fā)明的第六方面提供了一種球形半導(dǎo)體顆粒批量生產(chǎn)設(shè)備，包括結(jié)晶裝置，用于對(duì)存在于氣相中的液態(tài)或固態(tài)顆粒進(jìn)行加熱，從而將所述顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒。
根據(jù)本發(fā)明，從噴嘴滴落的液態(tài)或固態(tài)顆粒由結(jié)晶裝置加熱并再次熔化，從而將顆粒在氣相中轉(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒。
待加熱顆?？梢允侨廴?即液態(tài))半導(dǎo)體顆?；蛘呤怯蓮膰娮斓温涞娜廴诎雽?dǎo)體顆粒經(jīng)冷卻形成的固態(tài)顆粒，或者甚至是通過磨碎或壓碎塊狀半導(dǎo)體而獲得的顆粒。
在本發(fā)明中，優(yōu)選結(jié)晶裝置是激光源，用于向所述顆粒照射激光。
在本發(fā)明中，優(yōu)選結(jié)晶裝置是輻射熱源，設(shè)在與顆粒通路相鄰的位置，用于通過輻射熱加熱顆粒。
在本發(fā)明中，優(yōu)選結(jié)晶裝置加熱顆粒使得顆粒的冷卻速度具有一個(gè)和緩的分布，從而阻止在顆粒中產(chǎn)生裂紋并且阻止顆粒變?yōu)榉蔷w。
根據(jù)本發(fā)明，結(jié)晶裝置可以是激光源或者用于產(chǎn)生輻射熱的輻射熱源。結(jié)晶裝置降低了顆粒冷卻時(shí)的溫度下降速度，從而阻止在顆粒中產(chǎn)生裂紋并且阻止顆粒變?yōu)榉蔷w。其結(jié)果是，可以可靠地形成單晶或多晶球形顆粒。
本發(fā)明的第七方面提供了一種球形半導(dǎo)體顆粒批量生產(chǎn)設(shè)備，包括坩堝，用于臨時(shí)性地存儲(chǔ)半導(dǎo)體；加熱裝置，用于加熱并熔化坩堝中的半導(dǎo)體；噴嘴，用于將來自坩堝的熔融半導(dǎo)體滴落；振動(dòng)裝置，用于振動(dòng)所述熔融半導(dǎo)體，并且在氣相中將正在滴落的熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形顆粒；結(jié)晶裝置，用于在氣相中對(duì)從噴嘴滴落的液態(tài)或固態(tài)顆粒進(jìn)行加熱以控制其冷卻速度，從而將所述顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒；和擴(kuò)散裝置，用于使一種導(dǎo)電型的結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒通過一個(gè)材料氣體中的通道，材料氣體中含有結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒需要摻雜的原子或分子，從而在各結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒上形成另一種導(dǎo)電型的表面層。
本發(fā)明提供了一種球形半導(dǎo)體顆粒批量生產(chǎn)設(shè)備，其中一種導(dǎo)電型的結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒通過一個(gè)材料氣體中的通道，材料氣體中含有結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒需要摻雜的原子或分子，從而在各結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒上形成另一種導(dǎo)電型的表面層。
根據(jù)本發(fā)明，采用氣體擴(kuò)散方法或固態(tài)擴(kuò)散方法可以用簡單操作在一種導(dǎo)電型(例如p-型)的結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒每個(gè)上形成另一種導(dǎo)電型(例如n-型)的表面層。氣體擴(kuò)散方法是一種將摻雜雜質(zhì)以氣體形式加入高溫硅表面的技術(shù)。固態(tài)擴(kuò)散方法是一種將含有雜質(zhì)的擴(kuò)散劑淀積在硅表面上然后在高溫下對(duì)其進(jìn)行熱處理的技術(shù)。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述通道沿豎直方向延伸，并且在結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒下落通過該通道時(shí)進(jìn)行表面層擴(kuò)散。
通過擴(kuò)散方法在每個(gè)硅球體的表面上形成擴(kuò)散層的一個(gè)例子為通過氣體擴(kuò)散方法在每個(gè)p-型硅球體中形成淺n-型擴(kuò)散層，下面加以說明。采用P2O5、POCl3、PH3等氣體作為擴(kuò)散源。首先，將含有擴(kuò)散源和少量氫氣的惰性氣體導(dǎo)入一個(gè)擴(kuò)散層形成空間，擴(kuò)散層形成空間與激光束照射空間相鄰并且在氣氛方面與后者隔離，擴(kuò)散層形成空間充滿惰性氣體。在通過激光束照射進(jìn)行高質(zhì)量再次結(jié)晶之后，p-型硅球體從其頂部通過擴(kuò)散層形成空間至其底部，同時(shí)保持在高溫。隨著p-型硅球體通過擴(kuò)散層形成空間，其每個(gè)在其整個(gè)表面上形成有對(duì)于各硅球體用作太陽能電池所必需深度的n-型擴(kuò)散層。通過連續(xù)導(dǎo)入惰性氣體并適當(dāng)控制擴(kuò)散層形成空間的氣氛，可以連續(xù)進(jìn)行此步驟，從而制作大量的每個(gè)上都形成有表面層的硅球體。
在本發(fā)明中，優(yōu)選對(duì)由于通過所述通道而使其上淀積有擴(kuò)散劑的結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒進(jìn)行加熱，以在其上形成具有所需厚度的表面層。
根據(jù)本發(fā)明，使例如p-型硅球體從其頂部通過擴(kuò)散層形成空間至其底部，并且在此過程中，其每個(gè)在其整個(gè)表面上都形成有n-型擴(kuò)散層。然后將大量的所得硅球體加入一個(gè)由石英等制成的容器中并再次經(jīng)受熱處理。因而形成具有所需厚度的n-型擴(kuò)散層。
在本發(fā)明中，優(yōu)選半導(dǎo)體是硅。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明可以用另一種半導(dǎo)體實(shí)施。
本發(fā)明的第八方面提供了一種光電轉(zhuǎn)換元件，包括由上述批量生產(chǎn)設(shè)備形成的多個(gè)半導(dǎo)體層。
本發(fā)明的第九方面提供了一種光電設(shè)備，包括多個(gè)上述的光電轉(zhuǎn)換元件。
本發(fā)明的第十方面提供了一種球形半導(dǎo)體顆粒大量制作方法，包括如下步驟加熱并熔化半導(dǎo)體；在氣相中滴落熔融的半導(dǎo)體；并且振動(dòng)所述熔融的半導(dǎo)體。
本發(fā)明的第十一方面提供了一種球形半導(dǎo)體顆粒大量制作方法，包括如下步驟在氣相中對(duì)正在滴落的半導(dǎo)體顆粒進(jìn)行加熱并且再次熔化，并且從而將半導(dǎo)體顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶半導(dǎo)體顆粒。
在本發(fā)明中，優(yōu)選大量制作方法還包括在含有所述單晶或多晶半導(dǎo)體顆粒需要摻雜成分的氣體中進(jìn)行擴(kuò)散的步驟。
根據(jù)本發(fā)明，采用上述由球形半導(dǎo)體顆粒制成的光電轉(zhuǎn)換元件可以容易地制作光電設(shè)備。采用這種光電轉(zhuǎn)換元件的光電設(shè)備用盡可能少的單晶或多晶半導(dǎo)體材料產(chǎn)生與光源相對(duì)每單位面積最高的電功率。光電轉(zhuǎn)換元件可以不僅由單晶或多晶制成，也可以由非晶體材料制成。
根據(jù)本發(fā)明，通過在第一半導(dǎo)體層與pin結(jié)層之間引入具有高導(dǎo)電性的微晶(μc)半導(dǎo)體層，可以提高光電轉(zhuǎn)換效率。非晶體pin層或非晶體pin層與第二半導(dǎo)體層的異質(zhì)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)有效率的光載流子聚集，并且減少了光載流子的重新結(jié)合損耗。
非晶體半導(dǎo)體層在接收由支座凹槽內(nèi)表面反射的光束時(shí)其溫度提高至40℃至80℃。這抑制了光電轉(zhuǎn)換特性的惡化，因而是有利的。由于每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件都具有近似球形的形狀，抑制了用于接收直射光束或反射光束的每單位面積的入射光能量的增加，這壓抑制了光電轉(zhuǎn)換特性的惡化。
在本發(fā)明中，優(yōu)選第一半導(dǎo)體層是直接帶隙半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述直接帶隙半導(dǎo)體層由選自如下組的半導(dǎo)體制成，該組包括InAs、GaSb、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP和CdTe。
根據(jù)本發(fā)明，采用容易吸收光束的直接帶隙半導(dǎo)體層作為內(nèi)部的第一半導(dǎo)體層，使得可以獲得足夠高的電子和空穴遷移概率，這也有助于提高光電轉(zhuǎn)換效率。
在本發(fā)明中，優(yōu)選每個(gè)都具有向外延伸的外圍部分的多個(gè)支座彼此相鄰設(shè)置，并且彼此相鄰的每對(duì)支座中一個(gè)支座外圍部分的第一導(dǎo)體部分與另一支座外圍部分的第二導(dǎo)體部分彼此疊置并且互相電連接。
在本發(fā)明中，優(yōu)選所述外圍部分具有向上的突出部或向下的突出部，并且彼此相鄰的每對(duì)支座中一個(gè)支座的向上突出部或向下突出部與另一支座的向上突出部或向下突出部彼此接觸并且互相電連接。
根據(jù)本發(fā)明，在安裝有光電轉(zhuǎn)換元件的多個(gè)支座中，彼此相鄰的每對(duì)支座中一個(gè)支座外圍部分的第一導(dǎo)體部分與另一支座外圍部分的第二導(dǎo)體部分彼此疊置并且互相電連接，從而將由光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的相應(yīng)支座的光電動(dòng)力互相串聯(lián)連接。這使得可以輸出所需的高壓。
根據(jù)本發(fā)明，彼此相鄰的每對(duì)支座中外圍部分的向上突出部和向下突出部、多個(gè)向上突出部或多個(gè)向下突出部互相電連接(見圖12和13)，從而可以使各支座的凹槽彼此更加靠近，并且可以將盡可能多的凹槽和光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)。
本發(fā)明通過減少光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量，使得可以大幅度地減少光電轉(zhuǎn)換元件材料(特別是昂貴的硅)的用量并且簡化將光電轉(zhuǎn)換元件連接至支座的步驟，從而提高了生產(chǎn)率并降低了成本。特別地，采用根據(jù)本發(fā)明的光電轉(zhuǎn)換元件，使得可以實(shí)現(xiàn)一種能夠節(jié)省資源和能量的制作方法。日光等由構(gòu)成支座各凹槽內(nèi)表面的第一導(dǎo)體表面或者形成于其上的覆蓋層的表面加以反射，所得反射光照射在光電轉(zhuǎn)換元件上。以此方式，可以有效率地利用入射光。第一導(dǎo)體或者形成于其上的覆蓋層不僅用于反射入射光，而且用于導(dǎo)引電流(第一導(dǎo)體連接至相應(yīng)光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層)。由于具有簡單的結(jié)構(gòu)，所以支座具有較高的生產(chǎn)率。
特別地，通過將各光電轉(zhuǎn)換元件的外徑設(shè)定在0.5mm至2.0mm(優(yōu)選為0.8mm至1.2mm)并且將聚光比x設(shè)定為2至8(優(yōu)選為4至6)，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)如下顯著優(yōu)點(diǎn)，即用于產(chǎn)生1W電功率的硅用量以及所需光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量可以大幅度降低至第三種現(xiàn)有技術(shù)中的1/5至1/10。減少硅的用量使得可以以低成本來實(shí)現(xiàn)光電設(shè)備。減少所需光電轉(zhuǎn)換元件的數(shù)量從而簡化將光電轉(zhuǎn)換元件電連接至支座的步驟，從而提高了生產(chǎn)率，這也有助于實(shí)現(xiàn)低成本的光電設(shè)備。
因此，本發(fā)明可以一種高度可靠的高效率的光電設(shè)備。
通過將外部的非晶體第二半導(dǎo)體層的光學(xué)帶隙設(shè)定成寬于中央側(cè)的第一半導(dǎo)體層的光學(xué)帶隙，形成pn或pin結(jié)。以此方法，光束由窗口材料制成的光入射側(cè)的第二半導(dǎo)體層吸收得不多，從而降低了表面層的重新結(jié)合速度，并獲得寬隙窗口作用。作為這些作用的結(jié)果是可以提高能量轉(zhuǎn)換效率。
將具有高導(dǎo)電性的微晶(μc)半導(dǎo)體層插入在中央側(cè)第一半導(dǎo)體層與外側(cè)pin結(jié)層之間可以提高能量轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明通過采用直接帶隙第一半導(dǎo)體層也可以提高能量轉(zhuǎn)換效率。
另外，本發(fā)明使光電轉(zhuǎn)換元件的制造變得容易。
本發(fā)明通過從噴嘴滴落已經(jīng)在坩堝中熔化的半導(dǎo)體并且使該熔融半導(dǎo)體振動(dòng)的簡單操作，使得可以大量制作具有均勻顆粒直徑的球形半導(dǎo)體顆粒。如此制作的顆?？梢匀菀椎卦跉庀嘀修D(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒。通過摻雜可以容易地在每個(gè)結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒上形成表面層。
從下面參照附圖給出的詳細(xì)說明可以更清楚本發(fā)明的其它和進(jìn)一步的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)。附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光電設(shè)備1的局部放大剖視圖；圖2為表示光電設(shè)備1的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖3為圖2的光電設(shè)備1的分解透視圖；圖4為支座3一部分的平面圖；圖5為光電轉(zhuǎn)換元件31的剖視圖，其中光電轉(zhuǎn)換元件31為各光電轉(zhuǎn)換元件2安裝于支座3上之前的型式；圖6為剖視圖，表示光電轉(zhuǎn)換元件2和支座3的組件4的制作方法；圖7為剖視圖，表示通過切割各光電轉(zhuǎn)換元件31來形成開口32的方法；圖8為簡化透視圖，表示將光電轉(zhuǎn)換元件2置入支座3的相應(yīng)凹槽17中的方法；圖9為透視圖，表示光電轉(zhuǎn)換元件2和支座3的組件4和4b如何互相連接；圖10為圖9中所示組件4和4b的外圍部分61和61b及其附近的分解剖視圖；圖11為簡化側(cè)視圖，表示組件4、4b和4c如何互相地電連接；圖12為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的彼此相鄰組件4和4b的電連接結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖13為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的彼此相鄰組件4和4b的電連接結(jié)構(gòu)的剖視圖；
圖14為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件2的局部剖視圖；圖15為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件2的局部剖視圖；圖16為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件2的局部剖視圖；圖17用簡化方式表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的球形半導(dǎo)體顆粒批量生產(chǎn)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)；圖18為圖17的設(shè)備的工作流程圖；圖19用簡化方式表示用于將熔融半導(dǎo)體從坩堝208提供至噴嘴209并將其從噴嘴209滴落的結(jié)構(gòu)；圖20為熔化部分207的簡化剖視圖；圖21表示從各噴嘴209的噴嘴出口218滴落的熔融半導(dǎo)體是如何形成球形顆粒的；圖22A-22D表示由本發(fā)明人進(jìn)行的模擬結(jié)果，表明滴落的立方體熔融半導(dǎo)體顆粒是如何改變其形狀成為球形的；圖23A和23B為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體顆粒的剖視圖；圖24為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的振動(dòng)裝置228的簡化剖視圖；圖25為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的振動(dòng)裝置234的簡化剖視圖；圖26為表面層形成裝置225的具體結(jié)構(gòu)的剖視圖；以及圖27用簡化方式表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的表面層形成裝置238的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
下面參照


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光電設(shè)備的局部放大剖視圖。圖2為表示光電設(shè)備1結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖3為圖2的光電設(shè)備1的分解透視圖。光電設(shè)備1具有下述基本結(jié)構(gòu)。多個(gè)通常的球形光電轉(zhuǎn)換元件2和安裝有光電轉(zhuǎn)換元件2的支座3構(gòu)成組件4，被埋入在由透明合成樹脂材料例如PVB(poly(vinyl butyral)，聚乙烯縮丁醛)或EVA(ethylene vinyl acetate，乙烯醋酸乙烯酯共聚物)制成的填料層5中。由聚碳酸酯或類似物制成的透明保護(hù)板6設(shè)在填料層5的光源(例如日光)側(cè)并且固定于其上。將一個(gè)防水后罩板12固定在填料層5的表面上與保護(hù)板6相反的一側(cè)(圖2的底側(cè))。這樣，光電設(shè)備1整體上呈現(xiàn)平板形狀。
每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件2具有第一半導(dǎo)體層7和位于第一半導(dǎo)體層7外部的第二半導(dǎo)體層8。在第二半導(dǎo)體層8形成有開口9。第一半導(dǎo)體層7的部分10(圖1的底部)通過開口9暴露。當(dāng)光束從圖1的上方照射時(shí)，在光電轉(zhuǎn)換元件2的第一半導(dǎo)體層7與第二半導(dǎo)體層8之間產(chǎn)生光電動(dòng)力。
通過將一個(gè)絕緣體15夾在第一導(dǎo)體13與第二導(dǎo)體14之間，以此方式構(gòu)造支座3。也就是說，第一導(dǎo)體13與第二導(dǎo)體14由絕緣體15而彼此電絕緣。每個(gè)第一導(dǎo)體13與第二導(dǎo)體14可以是鋁箔板或其它金屬板。絕緣體15可以由合成樹脂材料例如聚酰亞胺或某種其它絕緣材料制成。彼此相鄰地設(shè)置有多個(gè)凹槽17。凹槽17的內(nèi)表面為第一導(dǎo)體13的表面。光電轉(zhuǎn)換元件2設(shè)在相應(yīng)凹槽17的底部。
圖4為支座3一部分的平面圖。在本發(fā)明中，凹槽17的開口18呈多邊形。在此實(shí)施例中，它們呈現(xiàn)蜂窩狀，也即規(guī)則六邊形。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，各凹槽17的開口18呈現(xiàn)另一種具有三個(gè)以上頂點(diǎn)的多邊形。各開口18的長度W1(見圖4)為例如2mm。彼此相鄰的開口18是連續(xù)的；也就是說，凹槽17通過倒U形彎曲部分19(見圖1)彼此連接。該結(jié)構(gòu)使得在與光束11相對(duì)的區(qū)域可以容納盡可能多的凹槽17，并且使得凹槽17的內(nèi)表面(即第一導(dǎo)體13的表面)可以將入射光加以反射并將所得反射光導(dǎo)引至相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件2中。因此，該結(jié)構(gòu)提供了較大的聚光比。
各凹槽17向底部變窄，并且呈現(xiàn)例如拋物線截面。在各凹槽17的底部，光電轉(zhuǎn)換元件2的第一半導(dǎo)體層7通過連接部分21電連接至支座3的第二導(dǎo)體14上。在各凹槽17的底部或其附近，光電轉(zhuǎn)換元件2的第二半導(dǎo)體層8通過連接部分21電連接至支座3的第一導(dǎo)體13上。
圖5為光電轉(zhuǎn)換元件31的剖視圖，其中光電轉(zhuǎn)換元件31為各光電轉(zhuǎn)換元件2安裝于支座3上之前的型式。圖5光電轉(zhuǎn)換元件31的剖面結(jié)構(gòu)類似于圖1中所示各光電轉(zhuǎn)換元件2的剖面結(jié)構(gòu)。球形第一半導(dǎo)體層7由n-型硅制成，可以是非晶硅、單晶硅或者多晶硅。位于第一半導(dǎo)體層7外部的第二半導(dǎo)體層8由p-型硅制成，也可以是非晶硅、單晶硅或者多晶硅。當(dāng)?shù)诙雽?dǎo)體層8的光學(xué)帶隙設(shè)定得寬于第一半導(dǎo)體層7的光學(xué)帶隙(例如第二半導(dǎo)體層8由p-型a-SiC制成)時(shí)，可以獲得寬隙窗口效應(yīng)(widegap window action)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，圖5中所示第一半導(dǎo)體層7由選自如下組的直接帶隙半導(dǎo)體制成，該組半導(dǎo)體包括呈n-型導(dǎo)電性的InAs、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP和CdTe。第二半導(dǎo)體層8形成在由這種直接帶隙半導(dǎo)體制成的第一半導(dǎo)體層7上。第二半導(dǎo)體層8由選自如下組的半導(dǎo)體制成，該組半導(dǎo)體包括呈p-型導(dǎo)電性的AlGaAs、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、GaAs、AlGaP和CdTe以及與之類似的化合物半導(dǎo)體。以此方式形成pn結(jié)結(jié)構(gòu)。
在非晶體半導(dǎo)體用作第一半導(dǎo)體層7和第二半導(dǎo)體層8時(shí)，通過在第一半導(dǎo)體層68與第二半導(dǎo)體層70之間形成一個(gè)i-型半導(dǎo)體層69，可以形成pin結(jié)結(jié)構(gòu)(后面說明；見圖15)。
下面說明用于制作光電轉(zhuǎn)換元件31(見圖5)和支座3(見圖1)的組件4的方法。
圖6剖視圖表示光電轉(zhuǎn)換元件2和支座3的組件4的制作方法。在制作了圖5中所示的球形光電轉(zhuǎn)換元件31之后，將光電轉(zhuǎn)換元件2如圖6所示加以切割。在每個(gè)獲得的光電轉(zhuǎn)換元件2中，如圖6中所示，第一半導(dǎo)體層7的部分10通過第二半導(dǎo)體層8的開口9加以暴露。開口9的形狀通過平面切割光電轉(zhuǎn)換元件31而獲得，具有小于180°的圓心角θ1。圓心角θ1可以在例如45°至90°的范圍內(nèi)。圓心角θ1優(yōu)選在60°至90°的范圍內(nèi)。各光電轉(zhuǎn)換元件31的外徑D1可以在例如0.5mm至2.0mm的范圍內(nèi)。外徑D1優(yōu)選在0.8mm至1.2mm的范圍內(nèi)。在圖6中，符號(hào)D2表示開口9的內(nèi)徑。聚光比x＝S1/S2在2至8的范圍內(nèi)，其中S1為支座3的各凹槽17的開口面積，S2為各光電轉(zhuǎn)換元件2包括其中心的截面的面積。聚光比x優(yōu)選在4至6的范圍內(nèi)。
圖7剖視圖表示通過切割各光電轉(zhuǎn)換元件31來形成開口9的方法。在將各球形光電轉(zhuǎn)換元件31的頂部由吸附墊34進(jìn)行真空吸附的同時(shí)，通過環(huán)帶形磨料35對(duì)球形光電轉(zhuǎn)換元件31進(jìn)行研磨。磨料35纏繞在輥軸36和37上從而被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。
返回圖6，用下述方式制作支座3。制備由鋁箔制成的第一導(dǎo)體13，并在其中形成連接孔39。各連接孔39的內(nèi)徑D3設(shè)定得小于各光電轉(zhuǎn)換元件2的外徑D1并且大于第二半導(dǎo)體層8的開口9的內(nèi)徑D2(D1＞D3＞D2)。制備薄板形絕緣體15并在其中形成連接孔40。各連接孔40的內(nèi)徑D4設(shè)定得小于各光電轉(zhuǎn)換元件2的開口9的內(nèi)徑D2(D2＞D4)。具有連接孔39的第一導(dǎo)體13設(shè)置在具有連接孔40的絕緣體15之上并且與之粘合，從而第一導(dǎo)體13和絕緣體15彼此成為一體。每對(duì)連接孔39和40具有共同的軸線。所得結(jié)構(gòu)設(shè)置在第二導(dǎo)體14之上并且與之粘合，從而使它們彼此成為一體以制成平板支座3a。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，具有連接孔39的第一導(dǎo)體13、具有連接孔40的絕緣體15以及第二導(dǎo)體14彼此疊置并且同時(shí)粘合，從而使之彼此形成為一體。第一導(dǎo)體13、第二導(dǎo)體14和絕緣體15各具有例如60μm的厚度。各光電轉(zhuǎn)換元件2開口9的周圍部分固定在連接孔39中并且與絕緣體15的連接孔40相對(duì)。替代地，開口9的周圍部分可以設(shè)置在第一導(dǎo)體13上以與連接孔39相對(duì)。
并且參照?qǐng)D1。各光電轉(zhuǎn)換元件2的第二半導(dǎo)體層8的外表面上位于圖1中開口9上方并且圍繞開口9的部分，電連接至支座3a(或3)的第一導(dǎo)體13位于連接孔39附近的部分，也即連接孔39的內(nèi)圓周面或者第一導(dǎo)體13位于連接孔39附近并圍繞連接孔39的部分。第二半導(dǎo)體層8的外表面連接至第一導(dǎo)體13的連接部分44(見圖1)位于包含開口9的光電轉(zhuǎn)換元件2底表面的外圍45與第二導(dǎo)體14相對(duì)的一側(cè)(圖1上方)，從而可靠地防止第一導(dǎo)體13與第一半導(dǎo)體層7電連接。連接部分44平行于包含開口9的光電轉(zhuǎn)換元件2的底表面，并且比通過光電轉(zhuǎn)換元件2中心46的假想平面47更靠近開口9(即圖1中較下方)。
接著，使平板支座3a經(jīng)受塑性形變，從而彼此相鄰地設(shè)置多個(gè)凹槽17。第二導(dǎo)體14變形成使之通過絕緣體15的連接孔40向上凸出(圖6中)，也即使之穿過連接孔40并突出其上，從而成為連接部分21。所得支座3可以具有例如大約1mm的高度H1。
將第一半導(dǎo)體層7電連接至第二導(dǎo)體14的步驟以及將第二半導(dǎo)體層8電連接至第一導(dǎo)體13的步驟可以順次(可以先進(jìn)行任一步驟)或者同時(shí)進(jìn)行。
每個(gè)都具有開口9的光電轉(zhuǎn)換元件2容納在如此形成的相應(yīng)凹槽17中。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，支座3用下述方式制作。在將第一導(dǎo)體13、絕緣體15和第二導(dǎo)體14的3層結(jié)構(gòu)塑性形變以形成凹槽17之后，通過采用兩種激光束分別在第一導(dǎo)體13和絕緣體15中形成連接孔39和40。
圖8為簡化透視圖，表示將光電轉(zhuǎn)換元件2置入支座3的相應(yīng)凹槽17中的方法。通過在由吸附墊34真空吸附光電轉(zhuǎn)換元件31的狀態(tài)下對(duì)光電轉(zhuǎn)換元件31進(jìn)行切割制成一組光電轉(zhuǎn)換元件2，使之開口9朝下進(jìn)行輸送并且置入支座3的相應(yīng)凹槽17中。例如，將100個(gè)吸附墊34直線排列。在通過吸附墊34將一組光電轉(zhuǎn)換元件2置入相應(yīng)凹槽17中之后，將支座3沿方向42移動(dòng)等于凹槽17的一個(gè)間距的距離，并且用上述方式通過采用吸附墊34將另一組光電轉(zhuǎn)換元件2置入新的凹槽17中。通過重復(fù)上述操作將光電轉(zhuǎn)換元件2置入所有的凹槽17中。然后，在各凹槽17的底部進(jìn)行將各光電轉(zhuǎn)換元件2電連接至支座3的操作。
各光電轉(zhuǎn)換元件2的第一半導(dǎo)體層7通過開口9暴露出來，并且通過第二導(dǎo)體14的連接孔40電連接至連接部分21。各光電轉(zhuǎn)換元件2的第二半導(dǎo)體層8外表面上位于開口9之上的部分電連接至第一導(dǎo)體13位于連接孔39附近的部分。可以通過采用激光束(形成共晶)、導(dǎo)電粘合劑或金屬凸緣，將各光電轉(zhuǎn)換元件2的第一半導(dǎo)體層7和第二半導(dǎo)體層8分別電連接至第二導(dǎo)體14和第一導(dǎo)體13。以此方式，無需采用含鉛焊料來進(jìn)行電連接，這在環(huán)境保護(hù)方面是優(yōu)選的。
圖9為透視圖，表示光電轉(zhuǎn)換元件2和支座3的組件4和4b如何互相連接。組件4和4b在其向外延伸的平面外圍部分61和61b處互相電連接。
圖10為圖9中所示組件4和4b的外圍部分61和61b及其附近的分解剖視圖。組件4b的支座3b的第二導(dǎo)體14位于另一組件4的支座3的第一導(dǎo)體13之上，與之電連接并且與之固定。以此方式，組件4、4b、……的光電轉(zhuǎn)換元件2產(chǎn)生的光電動(dòng)力互相串聯(lián)，從而可以輸出所需的高電壓。
圖11為表示組件4、4b和4c如何互相電連接的簡化側(cè)視圖。組件4b的外圍部分61b用上述方式設(shè)置在組件4的外圍部分61之上并與之電連接。另外，組件4c的外圍部分61c設(shè)置在組件4b的外圍部分61b1(位于外圍部分61b的相對(duì)側(cè))之上并與之電連接。在圖11的結(jié)構(gòu)中，組件4b的外圍部分61b位于組件4的外圍部分61之上，并且組件4b的另一個(gè)外圍部分61b1位于組件4c的外圍部分61c之下。以此方式，將各組件彼此連接，其方式使得各組件的兩個(gè)外圍部分分別位于兩個(gè)相鄰組件之上和之下，從而形成一個(gè)兩階結(jié)構(gòu)。沿圖11的左右方向，外圍部分61與61b之間以及外圍部分61b1與61c之間的交疊長度L61可以設(shè)定在例如1mm。
圖12為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的彼此相鄰組件4和4b的電連接結(jié)構(gòu)的剖視圖。一個(gè)組件4的外圍部分61向上突出而另一個(gè)組件4b的外圍部分61b向下突出。外圍部分61的第二導(dǎo)體14電連接至外圍部分61b的第一導(dǎo)體13。
圖13為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的彼此相鄰組件4和4b的電連接結(jié)構(gòu)的剖視圖。該實(shí)施例類似于圖12的實(shí)施例，其與后者的區(qū)別在于組件4的外圍部分61(向上突出)的第一導(dǎo)體13電連接至組件4b的外圍部分61b(向下突出)的第二導(dǎo)體14。圖12和13的連接結(jié)構(gòu)可以使支座3和3b的凹槽17彼此更加靠近，從而可以在有限區(qū)域內(nèi)設(shè)置盡可能多的凹槽17和光電轉(zhuǎn)換元件2。
圖14為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件2的局部剖視圖。盡管在圖14-16中各半導(dǎo)體層被畫成具有平坦形狀(沿圓周方向擴(kuò)展)，但是實(shí)際上半導(dǎo)體層是沿徑向向外(圖14-16中朝上)依次疊置的，因而具有球形表面。
在圖14的光電轉(zhuǎn)換元件2中，沿徑向向外依次疊置有n-型微晶(μc)硅層63、n-型多晶硅層64、p-型a-SiC層65和p-型微晶SiC層66(層64-66構(gòu)成一個(gè)雙異質(zhì)結(jié)層)。圖14-16的每個(gè)具有pn結(jié)的光電轉(zhuǎn)換元件2的結(jié)構(gòu)概括在表1中。
表1

圖15為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件2的局部剖視圖。半導(dǎo)體層68-70的詳細(xì)情況如表1中所示。替代地，在圖15的光電轉(zhuǎn)換元件2中，半導(dǎo)體層68可以由n-型單晶硅或多晶硅制成。
圖16為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換元件2的局部剖視圖。半導(dǎo)體層73-77的詳細(xì)情況如表1中所示。替代地，圖16中的半導(dǎo)體層73和74可以由n-型單晶硅制成。半導(dǎo)體層74也可以由i-型微晶硅制成。
在本發(fā)明中，光電轉(zhuǎn)換元件2也可以具有與上述不同的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，支座3可以由如下制作的另一種類型的支座替代，通過模制(例如注入模制)例如絕緣合成樹脂材料(例如聚碳酸酯)來形成一個(gè)具有凹槽的結(jié)構(gòu)，然后在其表面上涂敷導(dǎo)電材料例如Ni以形成第一和第二導(dǎo)體。該第一和第二導(dǎo)體可以由例如鋁箔制成。替代地，它們可以通過涂敷Cr或涂敷Ag來形成。作為進(jìn)一步的替代，它們可以通過蒸發(fā)鍍或?yàn)R射鍍金屬Ni、Cr、Al、Ag等來形成。在第一導(dǎo)體上可以形成一層覆蓋層，并且該覆蓋層可以由金屬(通過電鍍等方式形成)或合成樹脂制成。
圖17用簡化方式表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的球形半導(dǎo)體顆粒大量生產(chǎn)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)。圖18為圖17的設(shè)備的運(yùn)作流程圖。為了大量生產(chǎn)由硅制成的球形半導(dǎo)體顆粒以用于制造光電設(shè)備等，首先將硅半導(dǎo)體原料加入頂部料斗201。料斗201的內(nèi)部總是保持在常壓下，原料從料斗201經(jīng)開/關(guān)閥202提供給中間料斗203。中間料斗203的內(nèi)部在其接受原料時(shí)保持在常壓下，而在其提供原料時(shí)保持在工作氣壓下。原料從中間料斗203通過開/關(guān)閥204提供給底部料斗205。底部料斗205的內(nèi)部總是保持在工作氣壓下。固態(tài)的原料停留在底部料斗205中。以此方式，在圖18中的步驟s1，將顆粒狀硅半導(dǎo)體原料提供至頂部料斗201。在步驟s2，通過開/關(guān)閥202和204的作用，在對(duì)外部氣壓進(jìn)行屏蔽的狀態(tài)下，以恒定的速度將原料從頂部料斗201經(jīng)由中間料斗203提供至底部料斗205。
在步驟s3，在固態(tài)預(yù)加熱部分206中，通過高頻感應(yīng)加熱對(duì)提供自底部料斗205的原料進(jìn)行預(yù)加熱。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，替代高頻感應(yīng)加熱，在反射爐、電子爐等中進(jìn)行輻射加熱。
在步驟s4，在熔化部分207中對(duì)在固態(tài)預(yù)加熱部分206中已經(jīng)預(yù)加熱的原料進(jìn)行加熱從而熔化。在熔化部分207中，原料可以如同在固態(tài)預(yù)加熱部分206中那樣通過高頻感應(yīng)加熱加以熔化。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，原料通過用反射爐、電子爐等進(jìn)行輻射加熱來加熱并熔化。熔化部分207設(shè)有一個(gè)坩堝208，熔融半導(dǎo)體臨時(shí)存儲(chǔ)在坩堝208中。坩堝208中的熔融半導(dǎo)體由在其上方空間產(chǎn)生的工作氣壓進(jìn)行加壓，同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)(步驟s4a)。坩堝208的底部設(shè)有多個(gè)噴嘴209，將熔融半導(dǎo)體由之以恒定流速滴落，流速對(duì)應(yīng)于在坩堝208中熔融半導(dǎo)體上方空間產(chǎn)生的氣壓。替代地，在坩堝208的底部設(shè)有單個(gè)噴嘴209。
圖19用簡化方式表示用于將熔融半導(dǎo)體從坩堝208提供至噴嘴209并將其從噴嘴209滴落的結(jié)構(gòu)。在熔化部分207中，加壓裝置211用惰性氣體例如Ar氣或N2氣在坩堝208中熔融半導(dǎo)體上方的空間產(chǎn)生氣壓。坩堝208中的半導(dǎo)體如上所述由加熱裝置212加熱從而熔化。從噴嘴209滴落的熔融半導(dǎo)體流由振動(dòng)裝置213加以振動(dòng)。
圖20為熔化部分207的簡化剖視圖。包含氣源214，加壓裝置211將惰性氣體提供至坩堝208中熔融半導(dǎo)體上方的空間。為了通過感應(yīng)加熱來加熱并熔化坩堝208中的半導(dǎo)體，從高頻電源215將例如200至500KHz的高頻能量提供至圍繞坩堝208的感應(yīng)加熱線圈216。以此方式，對(duì)坩堝208中的半導(dǎo)體進(jìn)行感應(yīng)加熱。坩堝208由耐熔導(dǎo)電材料例如碳或石墨制成。每個(gè)噴嘴209具有1±0.5mm的內(nèi)徑和1mm至100mm(優(yōu)選為5mm至10mm)的長度。以此方式，可以將熔融半導(dǎo)體以對(duì)應(yīng)于由氣源214在熔融半導(dǎo)體上方空間產(chǎn)生的氣壓的流速，例如既定的恒定流速，從噴嘴209滴落。各個(gè)噴嘴209的噴嘴出口218與之相通的空間217的氣壓為大氣壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，替代由氣源214在熔融半導(dǎo)體上方空間產(chǎn)生氣壓，在坩堝208中熔融半導(dǎo)體上方的空間設(shè)定為大氣壓，而將各個(gè)噴嘴209的噴嘴出口218與之相通的空間217的氣壓設(shè)定成低于坩堝208中熔融半導(dǎo)體上方空間的氣壓。坩堝208中的半導(dǎo)體可以通過具有電加熱器的電阻加熱裝置來進(jìn)行加熱并熔化，電加熱器固定在坩堝208上或者設(shè)在其附近。
從噴嘴209滴落的熔融半導(dǎo)體流接收來自振動(dòng)裝置213的10Hz至1KHz聲波而受到振動(dòng)。替代地，振動(dòng)頻率可以在超聲波范圍。
圖21表示從各噴嘴209的噴嘴出口218滴落的熔融半導(dǎo)體是如何形成球形顆粒的。從噴嘴出口218滴落的熔融半導(dǎo)體在豎直方向是連續(xù)的。然而，隨著熔融半導(dǎo)體進(jìn)一步滴落，它受到振動(dòng)裝置213的振動(dòng)作用在豎直方向被分割成顆粒。
圖22A-22D表示由本發(fā)明人進(jìn)行的模擬結(jié)果，表明滴落的立方體熔融半導(dǎo)體顆粒是如何改變其形狀成為球形的。圖22A表示一個(gè)從噴嘴209滴落之后的分離的熔融半導(dǎo)體顆粒。該熔融半導(dǎo)體顆粒逐漸變圓，如圖22B和22C所示，并且最終呈近似完整的球形，如圖22D所示。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)各噴嘴209，使噴嘴出口218沿垂直于其軸線的方向(即沿圖19-21中左右方向)振動(dòng)，并且各噴嘴218的左右振動(dòng)幅度A設(shè)定為小于待制作顆粒直徑D1的1/2。該方法還可以生產(chǎn)具有精確直徑D1的顆粒。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，各噴嘴209沿著其軸線振動(dòng)，也即沿著圖19-21中的上下方向振動(dòng)。噴嘴209可以是剛性的或者彈性的。
返回圖17和18，從噴嘴209滴落的熔融半導(dǎo)體流改變其形狀成為球形。隨著顆粒通過一個(gè)冷卻圓筒221，其球面度提高并且其表面變得更為光潔。在冷卻圓筒221中進(jìn)行冷卻控制(圖18中步驟s6)。在步驟s7，將已冷卻的顆粒進(jìn)行分類；例如，僅選擇其直徑D1在1±0.5mm范圍內(nèi)的顆粒。在步驟s8，用自激光源222發(fā)出的激光束223照射被選顆粒。具體地說，在步驟s8，從噴嘴209滴落的固態(tài)顆粒用激光束223在氣相中進(jìn)行照射，從而被加熱并再次熔化。結(jié)果，各顆粒變?yōu)閱尉Щ蚨嗑?，同時(shí)防止在其表面上產(chǎn)生裂紋并且防止顆粒變?yōu)榉蔷w。激光源222用于使顆粒結(jié)晶并且構(gòu)成結(jié)晶裝置224。如此結(jié)晶的顆粒在步驟s9被再次分類；僅選擇其直徑D1在上述1±0.5mm范圍內(nèi)的顆粒，并將其導(dǎo)引至表面層形成裝置225。在步驟s10，進(jìn)行表面層處治。具體地說，在表面層形成裝置225中，使一種導(dǎo)電型(例如p-型)的單晶或多晶半導(dǎo)體顆粒通過一個(gè)通道，在該通道中存在氣相中形態(tài)的擴(kuò)散源，擴(kuò)散源中含有顆粒表面層需要摻雜的原子或分子，從而形成另一種導(dǎo)電型(例如n-型)的表面層。通道豎直延伸，伴隨顆粒通過該通道下落發(fā)生表面層擴(kuò)散。擴(kuò)散源可以是P2O5、POCl3、PH3等。以此方式，通過氣相擴(kuò)散方法形成表面層。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，對(duì)其表面隨其通過通道淀積有擴(kuò)散材料的顆粒再次加熱，以形成具有所需厚度的表面層；表面層通過固態(tài)擴(kuò)散方法形成。表面層也可以通過真空蒸發(fā)鍍形成。
已經(jīng)形成有表面層的顆粒在冷卻圓筒227中受到冷卻(步驟s11)。以此方式，其球面度得以提高并且表面層受到控制以保持在所需狀態(tài)，從而在步驟s12獲得沒有裂紋等并且具有良好球面度和表面形狀的光電轉(zhuǎn)換元件。
圖23A和23B為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體顆粒的剖視圖。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由壓碎硅半導(dǎo)體獲得的顆粒(見圖23A)，顆粒在氣相中下落時(shí)，用自YAG激光源222發(fā)出的20W激光束223對(duì)其照射10ms來加熱和熔化顆粒，可以使之改變成如圖23B所示的球形顆粒。以此方式形成的顆粒具有更好的結(jié)晶度。
圖24為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的振動(dòng)裝置228的簡化剖視圖。該振動(dòng)裝置228具有一個(gè)與坩堝208中半導(dǎo)體上方的空間相通的振動(dòng)膜229，和一個(gè)驅(qū)動(dòng)源231，用于沿圖24中的豎直方向使振動(dòng)膜229往復(fù)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源231可以具有一個(gè)電機(jī)和由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄機(jī)構(gòu)。隨著振動(dòng)膜229沿圖24中的豎直方向運(yùn)動(dòng)，作用在熔融半導(dǎo)體232上方的空間233上的壓力周期性改變以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。
圖25為根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的振動(dòng)裝置234的簡化剖視圖。驅(qū)動(dòng)腔236通過管道235與坩堝208中半導(dǎo)體232上方的空間233相連。驅(qū)動(dòng)源237周期性地改變驅(qū)動(dòng)腔236的容積，從而改變其內(nèi)部壓力以及氣壓。以此方式，可以改變空間233的氣壓，從而可以使熔融半導(dǎo)體232振動(dòng)。
圖26為表面層形成裝置225的具體結(jié)構(gòu)的剖視圖。已經(jīng)由結(jié)晶裝置224結(jié)晶并固化的顆粒由表面層形成裝置225用上述方式形成表面層。在此實(shí)施例中，硅球體通過氣體擴(kuò)散方法形成表面擴(kuò)散層。下面說明對(duì)每個(gè)p-型硅球體形成淺n-型擴(kuò)散層的例示性方法。擴(kuò)散源為P2O5、POCl3、PH3等。首先，將含有擴(kuò)散源和少量氫氣的惰性氣體導(dǎo)入擴(kuò)散層形成空間239，擴(kuò)散層形成空間239與激光束照射空間相鄰并且在氣氛方面與后者隔離，擴(kuò)散層形成空間239充滿惰性氣體。擴(kuò)散層形成空間239在豎直方向占大約5m，其頂部241和底部242的溫度分別設(shè)定在大約1,400℃和大約1,350℃。在通過激光束照射進(jìn)行高質(zhì)量再次結(jié)晶之后，p-型硅球體從頂部241通過擴(kuò)散層形成空間239至底部242，同時(shí)保持高溫。p-型硅球體通過擴(kuò)散層形成空間239需時(shí)大約1秒。隨著p-型硅球體通過擴(kuò)散層形成空間239，其每個(gè)在其整個(gè)表面形成有深度大約0.5μm的n-型擴(kuò)散層，這對(duì)于各硅球體用作太陽能電池是必需的。通過連續(xù)導(dǎo)入惰性氣體并適當(dāng)控制擴(kuò)散層形成空間239的氣氛，可以連續(xù)進(jìn)行此步驟，從而制作大量的每個(gè)上都形成有表面層的硅球體。
圖27用簡化方式表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的表面層形成裝置238的結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施例中，擴(kuò)散層形成空間243類似于上述擴(kuò)散層形成空間239，其溫度設(shè)定在大約1,200℃。以上述相同方式使p-型硅球體用大約1秒從頂部244通過擴(kuò)散層形成空間243至底部245。隨著硅球體通過擴(kuò)散層形成空間243，其整個(gè)表面上形成有深度大約0.1μm的淺n-型擴(kuò)散層。接著，將所得到的大量硅球體加入由石英等制成的容器246中，然后在900℃至1,000℃再次熱處理大約數(shù)十分鐘，從而獲得所需的n-型擴(kuò)散層。
下面說明本發(fā)明人進(jìn)行的通過在具有噴嘴的坩堝中熔化來制作顆粒的有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
用于實(shí)驗(yàn)的設(shè)備高頻加熱設(shè)備，型號(hào)名YKN-5(由NipponKoshuha有限公司制造)高頻輸出功率5kW必需電源3相200V，11kVA振動(dòng)頻率約400kHz尺寸寬600mm×高1,170mm×深700mm
重量約250kg冷卻方法空氣冷卻實(shí)例1將約1.5ml的硅材料加入一個(gè)石墨坩堝中。該石墨坩堝具有20mm的外徑，40mm的外部長度，其容積由內(nèi)徑10mm且長度35mm表示，并且容納在一個(gè)陶瓷氣密并且絕熱的容器中，容器一端具有一個(gè)內(nèi)徑1mm且長度5mm的噴嘴。在進(jìn)行顆粒制作即刻前，施加4.6kW的高頻感應(yīng)功率大約20分鐘以穩(wěn)定顆粒制作條件比如溫度。施加大約300Pa的氮?dú)鈮洪_始顆粒制作，從而制得具有平均直徑大約1mm的硅球體。為了降低硅和石墨之間的反應(yīng)程度以及由于氧氣存在引起石墨燃燒的程度，在開始施加高頻感應(yīng)功率時(shí)在其中流速變?yōu)榱愕南到y(tǒng)中保持大約100Pa的氮?dú)鈮?，以阻止此時(shí)的冷卻現(xiàn)象。為了降低由于熱輻射引起的噴嘴溫度降低的程度，在一個(gè)長度大約10mm的溫度保持部分通過之后進(jìn)行取樣。
實(shí)例2將約1.5ml的硅材料加入一個(gè)石墨坩堝中。該石墨坩堝具有20mm的外徑，40mm的外部長度，其容積由內(nèi)徑10mm且長度30mm表示，并且容納在一個(gè)陶瓷氣密并且絕熱的容器中，容器一端具有一個(gè)內(nèi)徑1mm且長度10mm的噴嘴。在進(jìn)行顆粒制作即刻前，施加4.6kW的高頻感應(yīng)功率大約15分鐘以穩(wěn)定顆粒制作條件比如溫度。施加大約500Pa的氮?dú)鈮洪_始顆粒制作，從而制得具有平均直徑大約1mm的硅球體。為了降低硅和石墨之間的反應(yīng)程度以及由于氧氣存在引起石墨燃燒的程度，在開始施加高頻感應(yīng)功率時(shí)在其中流速變?yōu)榱愕南到y(tǒng)中保持大約100Pa的氮?dú)鈮?，以阻止此時(shí)的冷卻現(xiàn)象。為了降低由于熱輻射引起的噴嘴溫度降低的程度，在一個(gè)長度大約10mm的溫度保持部分通過之后進(jìn)行取樣。
實(shí)例3將約1.2ml的硅材料加入一個(gè)石墨坩堝中。該石墨坩堝具有20mm的外徑，40mm的外部長度，其容積由內(nèi)徑10mm且長度25mm表示，并且容納在一個(gè)陶瓷氣密并且絕熱的容器中，容器一端具有一個(gè)內(nèi)徑1mm且長度10mm的噴嘴。在進(jìn)行顆粒制作即刻前，施加3.6kW的高頻感應(yīng)功率大約20分鐘以穩(wěn)定顆粒制作條件比如溫度。施加大約300Pa的氮?dú)鈮洪_始顆粒制作，從而制得具有平均直徑大約1mm的硅球體。為了降低硅和石墨之間的反應(yīng)程度以及由于氧氣存在引起石墨燃燒的程度，在開始施加高頻感應(yīng)功率時(shí)在其中流速變?yōu)榱愕南到y(tǒng)中保持大約100Pa的氮?dú)鈮?，以阻止此時(shí)的冷卻現(xiàn)象。為了降低由于熱輻射引起的噴嘴溫度降低的程度，在一個(gè)長度大約20mm的溫度保持部分通過之后進(jìn)行取樣。所施加的高頻感應(yīng)功率低于實(shí)例2中的原因在于，通過在噴嘴的另一端在內(nèi)徑10mm且長度25mm的石墨坩堝上固定一個(gè)具有1mm內(nèi)徑孔的石墨蓋用于氣體加壓而降低了熱輻射。
實(shí)例4將約1.2ml的硅材料加入一個(gè)石墨坩堝中。該石墨坩堝具有20mm的外徑，40mm的外部長度，其容積由內(nèi)徑10mm且長度25mm表示，并且容納在一個(gè)陶瓷氣密并且絕熱的容器中，容器一端具有一個(gè)內(nèi)徑1mm且長度10mm的噴嘴。在進(jìn)行顆粒制作即刻前，施加高頻感應(yīng)功率3.6kW大約20分鐘以穩(wěn)定顆粒制作條件比如溫度。施加大約200Pa的氮?dú)鈮洪_始顆粒制作，從而制得具有平均直徑大約1mm的硅球體。為了降低硅和石墨之間的反應(yīng)程度以及由于氧氣存在引起石墨燃燒的程度，在開始施加高頻感應(yīng)功率時(shí)在其中流速變?yōu)榱愕南到y(tǒng)中保持大約100Pa的氮?dú)鈮?，以阻止此時(shí)的冷卻現(xiàn)象。為了降低由于熱輻射引起的噴嘴溫度降低的程度，在一個(gè)長度大約20mm的溫度保持部分通過之后進(jìn)行取樣。氮?dú)鈮旱陀趯?shí)例3中的原因在于沿噴嘴排出方向施加有頻率30Hz且沖程約0.1mm的振動(dòng)。施加振動(dòng)以獲得更尖銳的顆粒直徑分布。當(dāng)在顆粒直徑1mm的排出條件下施加振動(dòng)時(shí)，輸出球體的直徑變得小于1mm。
下面說明本發(fā)明人進(jìn)行的熔化結(jié)晶有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
用于實(shí)驗(yàn)的設(shè)備高功率、高速脈沖YAG激光焊接機(jī)，型號(hào)ML-2650A(由Miyachi Technos有限公司制造)最大額定輸出功率500W最大輸出能量70J/脈沖(脈沖寬度10m/s)脈沖寬度0.5ms至30.0ms(步長0.1ms)脈沖重復(fù)頻率1pps至500pps諧振波長1.064μm實(shí)例5將體積對(duì)應(yīng)于1mm直徑球體的礦石壓碎硅材料加入石英板的圓錐孔中。用50W的激光束照射硅材料30ms，從而獲得直徑大約1mm的結(jié)晶硅球體。
實(shí)例6
將體積對(duì)應(yīng)于1mm直徑球體的球形非晶硅材料加入石英板的圓錐孔中。用50W的激光束照射硅材料30ms，從而獲得直徑大約1mm的結(jié)晶硅球體。
實(shí)例7將體積對(duì)應(yīng)于1mm直徑球體的球形非晶硅材料加入具有2.5mm內(nèi)徑的石英管中。用50W的激光束照射硅材料30ms，從而獲得直徑大約1mm的結(jié)晶硅球體。
實(shí)例8將體積對(duì)應(yīng)于1mm直徑球體的球形非晶硅材料用粘合劑粘附在一根細(xì)絲上。用36W的激光束照射硅材料10ms，從而獲得直徑大約1mm的結(jié)晶硅球體。
每次激光束照射以如下方式進(jìn)行，即通過監(jiān)視器使激光束照射在以照射目標(biāo)重心對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心、直徑約0.6mm的圓形區(qū)域。在通過冷卻圓筒之后進(jìn)行取樣。
在此說明書中，術(shù)語“pin結(jié)”包括如下結(jié)構(gòu)，n、i和p-型半導(dǎo)體層以所述順序向內(nèi)或向外排列地形成在近似球形的光電轉(zhuǎn)換元件2上。
根據(jù)本發(fā)明制作的球形半導(dǎo)體顆粒為光電轉(zhuǎn)換元件2。上述光電設(shè)備1可以用如此制作的光電轉(zhuǎn)換元件2來構(gòu)造。
本發(fā)明可以用其它的具體形式來加以實(shí)施而不會(huì)偏離其精神或主要特征。因而所述各實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解為在所有方面都只是例示性的而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附的各權(quán)利要求給出而不是由前述說明給出，因此處于權(quán)利要求等同物的含義和范圍內(nèi)的所有變化均應(yīng)包含在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
1.一種光電設(shè)備，包括(a)多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件具有近似球形的形狀并且包括一個(gè)第一半導(dǎo)體層和位于第一半導(dǎo)體層外部的一個(gè)第二半導(dǎo)體層，用于在第一與第二半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生光電動(dòng)力，第二半導(dǎo)體層具有一個(gè)開口，一部分第一半導(dǎo)體層通過該開口暴露出來；和(b)支座，包括一個(gè)第一導(dǎo)體，一個(gè)第二導(dǎo)體，和一個(gè)位于第一與第二導(dǎo)體之間用于使第一與第二導(dǎo)體彼此電絕緣的絕緣體，該支座具有多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的凹槽，凹槽內(nèi)表面由第一導(dǎo)體或者由形成于第一導(dǎo)體上的覆蓋層構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換元件位于相應(yīng)的凹槽中，使得光電轉(zhuǎn)換元件由構(gòu)成凹槽的第一導(dǎo)體部分或形成于其上的覆蓋層部分所反射的光束加以照射，第一導(dǎo)體電連接至光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層，并且第二導(dǎo)體電連接至第一半導(dǎo)體層的暴露部分。
2.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換元件具有0.5mm至2.0mm的外徑。
3.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于所述第二半導(dǎo)體層的開口具有45°至90°的圓心角θ1。
4.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于所述支座的凹槽具有相應(yīng)的多邊形開口，彼此相鄰的開口是連續(xù)的，每個(gè)凹槽沿著向其底部方向變窄，并且每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層在凹槽的底部或其附近分別電連接至第二導(dǎo)體和第一導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求4所述的光電設(shè)備，其特征在于所述第一導(dǎo)體設(shè)有圓形第一連接孔，該第一連接孔形成在凹槽的底部或其附近，所述絕緣體設(shè)有圓形第二連接孔，其與第一連接孔具有共同軸線，光電轉(zhuǎn)換元件位于第二半導(dǎo)體層開口附近的部分固定在第一連接孔中，位于第二半導(dǎo)體層開口上方的外表面部分電連接至第一導(dǎo)體的第一連接孔的端面或者電連接至其該端面附近的部分，并且光電轉(zhuǎn)換元件的第一半導(dǎo)體層的暴露部分通過所述第二連接孔電連接至第二導(dǎo)體。
6.如權(quán)利要求5所述的光電設(shè)備，其特征在于光電轉(zhuǎn)換元件的外徑D1、第二半導(dǎo)體層開口的內(nèi)徑D2、第一連接孔的內(nèi)徑D3以及第二連接孔的內(nèi)徑D4滿足關(guān)系D1＞D3＞D2＞D4。
7.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于聚光比x＝S1/S2選擇在2至8的范圍內(nèi)，其中S1為支座的各凹槽的開口面積，S2為光電轉(zhuǎn)換元件包含其中心的截面的面積。
8.一種光電設(shè)備，包括(a)多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件具有近似球形的形狀并且包括一個(gè)第一半導(dǎo)體層和位于第一半導(dǎo)體層外部的一個(gè)第二半導(dǎo)體層，用于在第一與第二半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生光電動(dòng)力，第二半導(dǎo)體層具有一個(gè)開口，一部分第一半導(dǎo)體層通過該開口暴露出來；和(b)支座，包括一個(gè)第一導(dǎo)體，一個(gè)第二導(dǎo)體，和一個(gè)位于第一與第二導(dǎo)體之間用于使第一與第二導(dǎo)體彼此電絕緣的絕緣體，該支座具有多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的凹槽，凹槽內(nèi)表面由第一導(dǎo)體或者形成于第一導(dǎo)體上的覆蓋層構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換元件位于相應(yīng)的凹槽中，使得光電轉(zhuǎn)換元件由構(gòu)成凹槽的第一導(dǎo)體部分或形成于其上的覆蓋層部分所反射的光束加以照射，第一導(dǎo)體電連接至光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層，并且第二導(dǎo)體電連接至第一半導(dǎo)體層的暴露部分，其中各光電轉(zhuǎn)換元件具有0.5mm至2mm的外徑，并且聚光比x＝S1/S2選擇在2至8的范圍內(nèi)，其中S1為支座的各凹槽的開口面積，S2為光電轉(zhuǎn)換元件包含其中心的截面的面積。
9.一種光電設(shè)備，包括(a)多個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件具有近似球形的形狀并且包括一個(gè)第一半導(dǎo)體層和位于第一半導(dǎo)體層外部的一個(gè)第二半導(dǎo)體層，用于在第一與第二半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生光電動(dòng)力，第二半導(dǎo)體層具有一個(gè)開口，一部分第一半導(dǎo)體層通過該開口暴露；和(b)支座，包括一個(gè)第一導(dǎo)體，一個(gè)第二導(dǎo)體，和一個(gè)位于第一與第二導(dǎo)體之間用于使第一與第二導(dǎo)體彼此電絕緣的絕緣體，該支座具有多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的凹槽，凹槽內(nèi)表面由第一導(dǎo)體或者形成于第一導(dǎo)體上的覆蓋層構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換元件位于相應(yīng)的凹槽中，使得光電轉(zhuǎn)換元件由構(gòu)成凹槽的第一導(dǎo)體部分或形成于其上的覆蓋層部分所反射的光束加以照射，第一導(dǎo)體電連接至光電轉(zhuǎn)換元件的第二半導(dǎo)體層，并且第二導(dǎo)體電連接至第一半導(dǎo)體層的暴露部分，其中各光電轉(zhuǎn)換元件具有0.8mm至1.2mm的外徑，并且聚光比x＝S1/S2選擇在4至6的范圍內(nèi)，其中S1為支座的各凹槽的開口面積，S2為光電轉(zhuǎn)換元件包含其中心的截面的面積。
10.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換元件具有如下方式的pn結(jié)，即具有一種導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層形成在具有另一種導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層的外部，第二半導(dǎo)體層比第一半導(dǎo)體層具有更寬的光學(xué)帶隙。
11.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換元件具有如下方式的pin結(jié)，即具有一種導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層、非晶體本征半導(dǎo)體層、具有比第一半導(dǎo)體層更寬光學(xué)帶隙的另一種導(dǎo)電型的非晶體第二半導(dǎo)體層以該順序向外設(shè)置。
12.如權(quán)利要求10所述的光電設(shè)備，其特征在于所述第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層分別由n-型硅和p-型非晶體SiC制成。
13.如權(quán)利要求12所述的光電設(shè)備，其特征在于制成所述第一半導(dǎo)體層的n-型硅為n-型單晶硅或n-型微晶(μc)硅。
14.一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，包括坩堝，用于存儲(chǔ)半導(dǎo)體；加熱裝置，用于加熱并熔化坩堝中的半導(dǎo)體；噴嘴，用于將來自坩堝的熔融半導(dǎo)體滴落；和振動(dòng)裝置，用于振動(dòng)所述熔融半導(dǎo)體，并且在氣相中將正在滴落的熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形顆粒。
15.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)一步包括用于對(duì)坩堝中熔融半導(dǎo)體加壓的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述加壓裝置為氣源，用于將氣壓高于大氣壓的惰性氣體提供至坩堝中半導(dǎo)體上方的空間。
17.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于將噴嘴出口相通的空間的氣壓選擇為低于坩堝中半導(dǎo)體上方空間的氣壓。
18.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于設(shè)有多個(gè)噴嘴，各噴嘴具有1±0.5mm的內(nèi)徑和1mm至100mm的長度。
19.如權(quán)利要求18所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于各噴嘴具有5mm至10mm的長度。
20.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述加熱裝置包括設(shè)在坩堝附近的感應(yīng)加熱線圈和用于激勵(lì)感應(yīng)加熱線圈的高頻電源。
21.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述加熱裝置是用于加熱坩堝的電阻加熱裝置。
22.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置具有10Hz至1kHz的振動(dòng)頻率。
23.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置施加聲波或超聲波至正在滴落的熔融半導(dǎo)體，從而振動(dòng)正在滴落的熔融半導(dǎo)體。
24.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述噴嘴是振動(dòng)的，所述振動(dòng)裝置通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)來振動(dòng)噴嘴。
25.如權(quán)利要求24所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)噴嘴使得噴嘴出口沿垂直于噴嘴軸線的方向振動(dòng)，其振動(dòng)幅度A小于待制作顆粒外徑D1的1/2。
26.如權(quán)利要求24所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置沿噴嘴的軸線方向振動(dòng)噴嘴。
27.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置是用于改變坩堝中半導(dǎo)體上方空間的氣壓的氣壓改變裝置。
28.如權(quán)利要求27所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置包括振動(dòng)膜，其設(shè)置成與坩堝中半導(dǎo)體上方的空間相通，和驅(qū)動(dòng)源，用于使所述振動(dòng)膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
29.如權(quán)利要求27所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)腔，其與坩堝中半導(dǎo)體上方的空間相連，和驅(qū)動(dòng)源，用于使所述驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)的氣壓振蕩。
30.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述振動(dòng)裝置使坩堝振動(dòng)。
31.如權(quán)利要求14所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)一步包括洛侖茲力產(chǎn)生裝置，用于向從噴嘴滴落的熔融半導(dǎo)體上施加洛侖茲力，從而通過減小熔融半導(dǎo)體截面的夾緊作用來形成顆粒。
32.一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，包括坩堝，用于臨時(shí)性地存儲(chǔ)半導(dǎo)體；加熱裝置，用于加熱并熔化坩堝中的半導(dǎo)體；噴嘴，用于將來自坩堝的熔融半導(dǎo)體滴落；振動(dòng)裝置，用于振動(dòng)所述熔融半導(dǎo)體，并且在氣相中將正在滴落的熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形顆粒；和結(jié)晶裝置，用于在氣相中對(duì)從噴嘴滴落的液態(tài)或固態(tài)顆粒進(jìn)行加熱以控制其冷卻速度，從而將所述顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒。
33.一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，包括坩堝，用于臨時(shí)性地存儲(chǔ)半導(dǎo)體；加熱裝置，用于加熱并熔化坩堝中的半導(dǎo)體；噴嘴，用于將來自坩堝的熔融半導(dǎo)體滴落；振動(dòng)裝置，用于振動(dòng)所述熔融半導(dǎo)體，并且在氣相中將正在滴落的熔融半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成具有均勻顆粒直徑的球形顆粒；結(jié)晶裝置，用于在氣相中對(duì)從噴嘴滴落的液態(tài)或固態(tài)顆粒進(jìn)行加熱以控制其冷卻速度，從而將所述顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒；和擴(kuò)散裝置，用于使一種導(dǎo)電型的結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒通過一個(gè)材料氣體中的通道，材料氣體中含有結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒需要摻雜的原子或分子，從而在各結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒上形成另一種導(dǎo)電型的表面層。
34.一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，包括結(jié)晶裝置，用于對(duì)存在于氣相中的液態(tài)或固態(tài)顆粒進(jìn)行加熱，從而將所述顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶顆粒。
35.如權(quán)利要求32或34所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述結(jié)晶裝置是激光源，用于向所述顆粒照射激光。
36.如權(quán)利要求32或34所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述結(jié)晶裝置是輻射熱源，設(shè)在與顆粒通路相鄰的位置，用于通過輻射熱加熱顆粒。
37.如權(quán)利要求35所述的球形半導(dǎo)體顆粒批量生產(chǎn)設(shè)備，其中所述結(jié)晶裝置加熱顆粒使得顆粒的冷卻速度具有一個(gè)和緩的分布，從而阻止在顆粒中產(chǎn)生裂紋并且阻止顆粒變?yōu)榉蔷w。
38.一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于一種導(dǎo)電型的結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒通過一個(gè)材料氣體中的通道，材料氣體中含有結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒需要摻雜的原子或分子，從而在各結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒上形成另一種導(dǎo)電型的表面層。
39.如權(quán)利要求33所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述通道沿豎直方向延伸，并且在結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒下落通過該通道時(shí)進(jìn)行表面層擴(kuò)散。
40.如權(quán)利要求39所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于對(duì)由于通過所述通道而使其上淀積有擴(kuò)散劑的結(jié)晶半導(dǎo)體顆粒進(jìn)行加熱，以在其上形成具有所需厚度的表面層。
41.如權(quán)利要求33所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于所述半導(dǎo)體是硅。
42.一種光電轉(zhuǎn)換元件，包括由權(quán)利要求14的批量生產(chǎn)設(shè)備形成的多個(gè)半導(dǎo)體層。
43.一種光電設(shè)備，包括多個(gè)權(quán)利要求42的光電轉(zhuǎn)換元件。
44.一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)方法，包括如下步驟加熱并熔化半導(dǎo)體；在氣相中滴落熔融的半導(dǎo)體；并且振動(dòng)所述熔融的半導(dǎo)體。
45.一種球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)方法，包括如下步驟在氣相中對(duì)正在滴落的半導(dǎo)體顆粒進(jìn)行加熱并且再次熔化，從而將半導(dǎo)體顆粒轉(zhuǎn)變成單晶或多晶半導(dǎo)體顆粒。
46.如權(quán)利要求44所述的球形半導(dǎo)體顆粒的批量生產(chǎn)方法，還包括如下步驟在含有所述單晶或多晶半導(dǎo)體顆粒需要摻雜的成分的氣體中進(jìn)行擴(kuò)散。
47.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于所述第一半導(dǎo)體層是直接帶隙半導(dǎo)體層。
48.如權(quán)利要求47所述的光電設(shè)備，其特征在于所述直接帶隙半導(dǎo)體層由選自如下組的半導(dǎo)體制成，該組包括InAs、GaSb、CuInSe2、Cu(InGa)Se2、CuInS、GaAs、InGaP和CdTe。
49.如權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于每個(gè)都具有向外延伸的外圍部分的多個(gè)支座彼此相鄰設(shè)置，并且彼此相鄰的每對(duì)支座中一個(gè)支座外圍部分的第一導(dǎo)體部分與另一支座外圍部分的第二導(dǎo)體部分彼此疊置并且互相電連接。
50.如權(quán)利要求49所述的光電設(shè)備，其特征在于所述外圍部分具有向上的突出部或向下的突出部，并且彼此相鄰的每對(duì)支座中一個(gè)支座的向上突出部或向下突出部與另一支座的向上突出部或向下突出部彼此接觸并且互相電連接。
全文摘要
一種光電轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在支座的多個(gè)凹槽的每個(gè)凹槽中。由凹槽內(nèi)表面反射的光束照射在光電轉(zhuǎn)換元件上。光電轉(zhuǎn)換元件具有近似的球形形狀并且具有下述結(jié)構(gòu)。中央部分n－型非晶硅(a－Si)層的外表面被具有比a－Si更寬光學(xué)帶隙的p－型非晶體SiC(a－SiC)層覆蓋,從而形成pn結(jié)。支座的第一導(dǎo)體在凹槽的底部或其附近連接至光電轉(zhuǎn)換元件的p－型a－SiC層。支座的第二導(dǎo)體由一個(gè)絕緣體與第一導(dǎo)體絕緣,并且連接至光電轉(zhuǎn)換元件的n－型a－Si層。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1357927SQ01140130
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2001年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月24日
發(fā)明者浜川圭弘, 室園干男, 高倉秀行, 山口由岐夫, 山形順, 安田英典 申請(qǐng)人:珂琳21風(fēng)險(xiǎn)投資株式會(huì)社