專利名稱：太陽電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽電池及其制備方法的改進(jìn)。
傳統(tǒng)太陽電池通常具有如圖9所示的結(jié)構(gòu)制備過程如下所述。在本說明書中，將光接收表面或光接收面稱為正表面或正面，相對的表面或相對面稱為背表面或背面。
如圖9A所示，采用厚度為30-500μm、硼濃度約為1×1015cm-3的單晶硅襯底(基片)100。也可以采用多晶硅襯底。在背表面局部形成至少達(dá)1×1017cm-3的高濃度p型擴(kuò)散層。這個部分成為局部BSF(背表面場)層。制備方法包括以下步驟，用諸如氧化硅薄膜的掩膜材料101覆蓋住除背面上將形成擴(kuò)散層區(qū)域以外的襯底；在500-1200℃的溫度、BBr3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱，在整個基片上形成含有高濃度硼的氧化物；應(yīng)用固相擴(kuò)散將高濃度的硼僅注入到背面上未被掩膜覆蓋的硅襯底區(qū)域中，形成高濃度的p型擴(kuò)散層102。
然后，如圖9B所示，從基片表面上去除氧化膜和掩膜材料。如圖9C所示，在正表面上形成至少達(dá)1×1018cm-3的高濃度n型擴(kuò)散層103。用類似的方式，用掩膜材料101覆蓋背表面。然后，在500-1200℃溫度、POCl3與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱，由此在整個基片表面上形成含有高濃度磷的氧化物。通過固相擴(kuò)散將高濃度的磷僅注入到正表面上未被掩膜覆蓋的硅襯底中。結(jié)果，形成n型擴(kuò)散層103。從而，在光接收面上形成n+擴(kuò)散層103，在背表面局部地區(qū)形成p+擴(kuò)散層102。在去除掩膜材料101后，用SiO2薄膜104覆蓋整個表面。
如圖9D所示，在去除無用絕緣膜的部分以梳形方式形成Ag/Pd/Ti的N電極105。在整個背面上形成Ag/Pd/Ti/Al的P電極106。從而制成了局部BSF型單晶硅太陽電池。圖9E示出該太陽電池的底視圖。圖9F是沿圖9E的X-Y線截取的太陽電池的截面圖。盡管未示出，但在光接收表面上設(shè)有抗反射涂層。
當(dāng)采用n型襯底時，對上述的p型和n型進(jìn)行互換。
通過在p-(或n-)型襯底的正表面上形成n+/p(或p+/n)結(jié)，在其背表面上形成p+/p-(或n+/n-)低-高濃度結(jié)，從正面到背面引入勢能梯度，這種結(jié)構(gòu)是電極位于兩表面的硅太陽電池的通用結(jié)構(gòu)。
如

圖10所示的僅在背面有電極的太陽電池也是人們熟知的。這種太陽電池是用以下工藝步驟制備而成的。
如圖10A所示，采用厚度為30-500μm、約含1×1013cm-3低濃度硼的單晶硅襯底(基片)100。在背表面用島形方式形成至少達(dá)1×1017cm-3的高濃度p型擴(kuò)散層，該層為局部BSF層。
制備方法包括以下步驟用諸如氧化硅薄膜的掩膜材料101同時覆蓋正面和背面；用光刻等方法除去背面預(yù)定部分的掩膜材料；在500-1200℃的溫度、BBr3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱，由此在基片整個表面上形成含有高濃度硼的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的硼僅注入到背面上未被掩膜覆蓋部分背表面區(qū)域中，形成高濃度的p型擴(kuò)散層102。如后面所要說到的，在從基片表面上去除氧化膜和掩膜材料之后，形成N電極前，以島形方式在背面形成至少達(dá)1×1018cm-3的高濃度n型擴(kuò)散層。
如圖10B所示，從背面預(yù)定部分除去覆蓋正、背面的掩膜材料101。如圖10C所示，以使在500-1200℃溫度、POCl3與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱，在基片的整個表面上形成含有高濃度磷的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的磷僅注入到背面上未被掩膜覆蓋的部分中。因此，在與光接收面相對的背面上形成島形n+擴(kuò)散層107和p+擴(kuò)散層102。
如圖10D所示，在去除無用絕緣膜之后，用CVD等方法在整個背面上淀積氧化硅薄膜104。用光刻在CVD氧化膜中形成窗口，與島形n+擴(kuò)散層和p+擴(kuò)散層接觸。在形成窗口的部分設(shè)置Ag/Pd/Ti/Al電極。電極是以梳形方式形成的，分為與島形n+擴(kuò)散層相互接觸的N電極和與島形p+擴(kuò)散層相互接觸的P電極。圖10E是形成電極前的基片的底視圖。圖10F是沿圖9E的X-Y線截取的在形成電極后的基片截面圖。然后，在光接收表面上形成抗反射涂層。
通過在p-或n-型低濃度襯底的背面上形成島形n+/p-(或p+/n-)結(jié)和p+/p-(或n+/n-)低-高濃度結(jié)，將勢能梯度的結(jié)構(gòu)引入到襯底中，這種結(jié)構(gòu)是兩個電極位于同一面的背面雙電極接觸型硅太陽電池的通用結(jié)構(gòu)。
對于將低能量密度的太陽光轉(zhuǎn)換為電能的太陽電池中，提高其光電轉(zhuǎn)換效率是一個永久的目標(biāo)。從入射能量的有效利用的角度看，盡管在太陽電池光接收表面附近對較短波長的太陽能量光基本完全實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，但存在長波長光的無法利用和損失的問題。
作為利用長波長部分光的一種方法，可采用改變太陽電池中襯底禁帶寬度的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)低能量長波光的光電轉(zhuǎn)換。
然而，在采用單晶襯底的太陽電池中，通常難以改變其襯底的禁帶寬度。這是因為具有均勻物理特性的單晶的禁帶寬度到處是基本一致的。為了改變禁帶寬度，將一種半導(dǎo)體材料疊加在另一種半導(dǎo)體材料上，但是，在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上能夠匹配的這種其它半導(dǎo)體材料很少。
一種在薄膜厚度方向較為任意改變物理常數(shù)的非晶半導(dǎo)體，在整個薄膜中它包含有許多成為少數(shù)載流子復(fù)合中心的因素，如禁帶內(nèi)能級和晶粒邊界。在這種非晶材料中，在很大程度上影響著太陽電池的轉(zhuǎn)換效率的載流子擴(kuò)散長度比單晶中的擴(kuò)散長度相對短一些。因此，預(yù)計在沒有劃時代思想的非晶材料中是不能獲得高效率的。在傳統(tǒng)技術(shù)中，具有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料的薄膜淀積技術(shù)是關(guān)鍵。薄膜通常是利用CVD生長的。在這種情況下，材料氣體的選擇和設(shè)定薄膜生長條件是控制的難點。此外，薄膜的形成對于襯底的狀態(tài)是敏感的?？梢哉f，生長薄膜本身有各種各樣的問題。薄膜會生長在整個被處理的表面上而不是限制在所需區(qū)域中。
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提高太陽電池的效率。
在依照本發(fā)明的太陽電池及其制備太陽電池的方法中，采用離子注入在半導(dǎo)體背面上不形成擴(kuò)散層的地方形成有缺陷層或非晶層，離子注入能容易地被控制在受影響的形成區(qū)域內(nèi)，是一種通用工藝方法。這可以導(dǎo)致太陽電池效率的提高。被注入的物質(zhì)至少是硅、鍺、氫、氟、氧、碳等當(dāng)中的一種。要依據(jù)半導(dǎo)體襯底和工藝方法的不同來選擇合適的原子或分子本發(fā)明可應(yīng)用于下列4種類型的太陽電池及其制備方法中(I)一種太陽電池，包括本征或低濃度p型(p-型)半導(dǎo)體單晶襯底；在襯底光接收一面上形成的n型擴(kuò)散層；在與襯底光接收一面相對的一面上局部地區(qū)形成的高濃度的p型(p+型)擴(kuò)散層；以及與各擴(kuò)散層連接的電極。
(II)一種太陽電池，包括本征或低濃度p型(p-型)半導(dǎo)體單晶襯底；在與襯底光接收面相對的一面上局部地區(qū)形成并間隔開的高濃度的p型(p+型)擴(kuò)散層和n型擴(kuò)散層；以及與這些擴(kuò)散層連接的電極。
(III)一種(I)型的太陽電池，進(jìn)一步包括高濃度的p型(p+型)擴(kuò)散層之間區(qū)域中以電浮動態(tài)出現(xiàn)的n型擴(kuò)散層。
(IV)一種太陽電池，包括本征或低濃度p型(p-型)半導(dǎo)體單晶襯底；在襯底光接收一面上形成的n型擴(kuò)散層；在與襯底光接收一面相對的一面上局部地區(qū)形成并間隔開的高濃度的p型(p+型)擴(kuò)散層和n型擴(kuò)散層；在光接收一面和相對一面上n型擴(kuò)散層和相對一面上p型擴(kuò)散層上設(shè)置的電極。
根據(jù)本發(fā)明，在(I)-(IV)型太陽電池中通過離子注入形成晶體缺陷層或通過離子注入形成非晶層。在(I)-(III)型太陽電池中，在高濃度p型(p+型)擴(kuò)散層之間的區(qū)域中形成這些晶體缺陷層成非晶層。在(II)型和(IV)型太陽電池中，在與襯底光接收面相對的一面上形成的擴(kuò)散層之間形成這些晶體缺陷層或非晶層。
以下將說明本發(fā)明的優(yōu)點，以采用單晶硅襯底的太陽電池為例。
例如，在合適的條件下，將硅(28Si+)離子注入到與光接收面相對的背面中，然后施加適當(dāng)熱處理，能夠在晶體中形成許多晶體缺陷。由于連綿不斷的晶體缺陷形成非晶層。這種有缺陷的結(jié)構(gòu)允許對以前不能在光接收表面附近和體內(nèi)被有效吸收的長波光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。理想的硅的禁帶為1.12eV。當(dāng)轉(zhuǎn)換為波長時，這大約相當(dāng)于1.1μm。原則上，在太陽電池中是不能對波長大于這一波長的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。更長波長的光穿過太陽電池或者被轉(zhuǎn)換為熱，如圖7所示。
圖7示出不存在缺陷層的部分的能帶。用hv＞Eg代表短波長的光。被短波長光激勵的電子到達(dá)導(dǎo)帶。用hv＜Eg表示的長波長光對光電轉(zhuǎn)換沒有貢獻(xiàn)。這種光穿過電池或者被轉(zhuǎn)換成熱。
根據(jù)本發(fā)明，在與光接收面相對的背面上形成的晶體缺陷局部改變了晶體的原子排列，擾亂電子能級的簡并，在硅能帶的禁帶中形成陷阱。
圖8示出存在缺陷層的部分的能帶。在導(dǎo)帶與價帶之間由缺陷層產(chǎn)生的能級起陷阱作用。這個陷阱允許對于在不存在缺陷層時不能被有效吸收的長波光激勵的電子跳到導(dǎo)帶上，如圖8所示。在體內(nèi)未被吸收的長波光被這一缺陷層所吸收。其一個光子將價帶的電子升高到陷阱，下一個光子將陷阱上的電子升高到導(dǎo)帶上。通過這種兩級激勵，產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換。
在本發(fā)明中，通過將離子注入到與光接收面相對的背面中，在背面附近且沒有擴(kuò)散層的區(qū)域形成缺陷層。因此，缺陷層與體內(nèi)產(chǎn)生的少數(shù)載流子的遷移路徑不相干，如圖5所示。眾所周知，晶體缺陷通常是起少數(shù)載流子復(fù)合中心的作用。然而，在本發(fā)明中，由于入射光在體內(nèi)產(chǎn)生的絕大多數(shù)載流子到達(dá)電極，不受缺陷層的任何影響，其缺點很少。
在背面設(shè)置兩個電極的系統(tǒng)中，與襯底的雜質(zhì)類型相反的擴(kuò)散層可以在背面形成，而在結(jié)區(qū)的耗盡層中形成缺陷層。在這種結(jié)構(gòu)中，可以將高的電場施加于缺陷層上產(chǎn)生的載流子對上，使載流子快速移動，從而能夠減少在缺陷層上的復(fù)合。
從收集缺陷層上產(chǎn)生的載流子的角度考慮，采用低雜質(zhì)濃度的襯底，以島形方式在與光接收面相對的表面上形成n型和p型兩種擴(kuò)散層的這種背面雙電極接觸型太陽電池是有優(yōu)點的。這是因為缺陷層中產(chǎn)生載流子的位置位于收集電極附近，如圖6所示。
為了擾動晶體結(jié)構(gòu)，可以采用諸如Si和Ge一類的襯底材料元素或類似半導(dǎo)體材料。通過熱處理晶體缺陷還原和形成的程度會隨注入后的熱處理條件而不同，從而可使得形成缺陷層的處理時間減少。在這種情況下，通過與注入半導(dǎo)體材料一起注入氫、氟、氧或碳，被注入的氫、氟、氧或碳與懸空鍵相結(jié)合，變?yōu)槿毕莸暮诵摹亩?，方便了缺陷層的形成?br> 除了如上所述的通過離子注入形成缺陷層以外，在類似位置通過離子注入形成非晶層在提高轉(zhuǎn)換效率上也是有效的。
盡管非晶層是缺陷層缺陷數(shù)量增加的最終狀態(tài)，但其物理特性與晶體的物理特性不同。例如，單晶硅具有1.1eV(300K)均勻禁帶寬度。非晶硅的視在禁帶(Tauc禁帶)呈現(xiàn)1.7-1.8eV的相對較高水平。根據(jù)非晶的形成條件、薄膜中氫的含量、以及通過與諸如鍺和氧的不同元素形成合金，這個值可以在較寬范圍變化。
利用非晶層提高轉(zhuǎn)換效率的這種特性，類似缺陷層的長波長光的光電轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)。
具體說，注入的鍺這類原子在類似缺陷層的位置上形成禁帶寬度小于單晶硅禁帶寬度的非晶層，通過像缺陷層一樣的長波光光電轉(zhuǎn)換效果，提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。
圖11示出與圖8相對應(yīng)的存在非晶層的部分的能帶。通過硅、鍺等的離子注入變成非晶層，根據(jù)非晶層的形成條件，其禁帶寬度小于單晶硅的禁帶寬度。這一層允許對太陽電池中其它部分晶體區(qū)中不能被吸收的長波光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
因此，借助于易于控制受影響區(qū)形成的離子注入工藝方法，注入與襯底半導(dǎo)體材料相同或相似的物質(zhì)和/或諸如氫、氟、氧、碳等便于形成缺陷的元素，在與光接收面相對的表面的所需區(qū)域中形成缺陷層或非晶層，可以對體內(nèi)不能被有效吸收的波長范圍的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，提高了太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。
從以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述同時結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述目的和其它一些目的、特征、有關(guān)問題和優(yōu)點將會更加清楚。
圖1A-1I是表明本發(fā)明第一實施例的太陽電池的制備步驟的截面圖。
圖2A-2H是表明本發(fā)明第二實施例的太陽電池的制備步驟的截面圖。
圖3是本發(fā)明另一實施例的太陽電池的截面圖。
圖4是本發(fā)明又一實施例的太陽電池的截面圖。
圖5和6是表明本發(fā)明機理的圖。
圖7是表明無缺陷層的傳統(tǒng)太陽電池效果的圖。
圖8是表明有缺陷層的本發(fā)明太陽電池的工作情況的圖。
圖9A-9D和9F是表明傳統(tǒng)太陽電池一例的制備步驟的截面圖，圖9E是經(jīng)過圖9D步驟后傳統(tǒng)太陽電池的底視圖。
圖10A-10D和10F是表明傳統(tǒng)太陽電池另一例的制備步驟的截面圖，圖10E是經(jīng)圖10D步驟后傳統(tǒng)太陽電池的底視圖。
圖11示出存在非晶層的部分的能帶。
在附圖中，100代表單晶硅襯底；101代表掩膜材料；102代表p型擴(kuò)散層；103、107和108代表n型擴(kuò)散層；104代表氧化膜；105表示n電極；106表示p電極；110表示抗注入掩膜；v代表缺陷層(或非晶層)。
圖1A-1I示出本發(fā)明第一實施例的太陽電池的制備步驟。
如圖1A所示，在硼濃度約為1×1015cm-3、厚度為30-500μm的單晶襯底(基片)100的背表面局部地區(qū)形成至少達(dá)1×1017cm-3的高濃度p型擴(kuò)散層。用諸如氧化硅薄膜的掩膜材料101覆蓋正面和背面兩面。采用光刻和腐蝕技術(shù)，以島形方式在背面的掩膜材料上形成島形孔。
如圖1B所示，在500-1200℃的溫度、BBr3氣體與氧氣的混合氣體中對基片加熱。在基片的整個表面上形成含有高濃度硼的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的硼僅注入到背面上未被掩膜覆蓋的硅襯底區(qū)域中。結(jié)果，形成島形的p型擴(kuò)散層102。
從基片上去除氧化物和掩膜材料之后，用掩膜材料覆蓋背面，如圖1C所示。然后，在500-1200℃的溫度、POCl3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱。在整個表面上形成含有高濃度磷的氧化物，如圖1D所示。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的磷注入到正面上未被掩膜覆蓋部分的硅襯底中。結(jié)果，在整個正面上形成至少達(dá)1×1018cm-3高濃度n型擴(kuò)散層103。
在進(jìn)行所要求的高溫?zé)崽幚聿襟E之后和形成電極步驟之前，形成本發(fā)明的缺陷層。如圖1E所示，整個背面被氧化物薄膜104一類的注入保護(hù)膜所覆蓋。然后，通過光刻在背面上形成有圖案的抗注入掩膜110，以覆蓋島形p型擴(kuò)散層102。
如圖1F所示，將硅離子注入到有抗注入掩膜的背面中。例如，在40keV能量和2×1015cm-2劑量水平的條件下注入28Si+離子。在注入28Si+離子后，在30keV能量和5×1014cm-2劑量水平的條件下以同樣的方式注入19F+離子。
參考圖1G，去除抗注入材料和適當(dāng)沖洗處理之后，進(jìn)行熱處理，以獲得最佳缺陷層v。例如，在700℃下在氮氣中退火10分鐘。其中形成缺陷層的狀態(tài)可以由離子注入條件和接下來的熱處理條件來確定。
其余的工藝步驟與傳統(tǒng)的太陽電池的制備步驟類似。如圖1H所示，用氧化物薄膜104覆蓋正、背兩面。在所需部位形成窗口。在正面和背面上分別形成電極105和106。此外，在光接收面上形成抗反射涂層。由此做成一個太陽電池。圖1I示出所獲得的太陽電池的截面圖。
圖2A-2H示出本發(fā)明第二實施例的太陽電池的制備步驟。第二實施例的太陽電池在背面上同時設(shè)有P電極和N電極。
如圖2A所示，在厚度為30-500μm、含有約1×1015cm-3低濃度硼的單晶襯底(基片)100的背表面局部地區(qū)形成至少1×1013cm-3的高濃度p型擴(kuò)散層。用諸如氧化硅薄膜的掩膜材料101覆蓋正面和背面兩面。采用光刻和刻蝕方法，以島形方式在背面的掩膜材料上形成島形孔。
如圖2B所示，在500-1200℃的溫度、BBr3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱。結(jié)果，在基片的整個表面上形成含有高濃度硼的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的硼僅注入到背面上未被掩膜覆蓋的硅襯底部分中。結(jié)果，得到島形的p型擴(kuò)散層。
如圖2C所示，從基片表面去除氧化物和掩膜材料之后，在背面局部地區(qū)形成至少1×1018cm-3的高濃度n型擴(kuò)散層。以類似方式，用掩膜材料101覆蓋正面和背面。然后，在背面上已經(jīng)形成p型擴(kuò)散層的區(qū)域以外的區(qū)域中在掩膜材料上形成島形孔。
如圖2D所示，在500-1200℃的溫度、POCl3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱。結(jié)果，在基片表面整個形成含有高濃度磷的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的磷僅注入到硅襯底背面上未被掩膜覆蓋的部分，從而以島形方式獲得n型擴(kuò)散層107。
在進(jìn)行所要求的高溫?zé)崽幚聿襟E之后和形成電極之前，形成本發(fā)明的缺陷層。如圖2E所示，整個背面被注入保護(hù)膜所覆蓋。然后，通過光刻術(shù)在背面上形成抗注入掩膜110，以覆蓋島形p型擴(kuò)散層和n型擴(kuò)散層。
如圖2F所示，將硅(Si)離子注入到有抗注入材料作掩膜的背面中。例如，在40keV能量和2×1015cm-2劑量水平的條件下注入28Si+離子。在28Si+離子注入工藝過程后，在30keV能量和5×1014cm-2劑量水平的條件下注入19F+離子，形成缺陷層v。
如圖2G所示，去除抗注入材料并進(jìn)行適當(dāng)沖洗處理。然后，進(jìn)行熱處理，以獲得最佳缺陷層v。例如，在700℃下在氮氣中退火10分鐘。根據(jù)離子注入條件和接下來的熱處理條件可確定形成的缺陷層的狀態(tài)。
其余的工藝步驟與傳統(tǒng)的太陽電池的制備步驟類似。在與光接收面相對的表面上形成電極105-1和106-1，在光接收表面上形成抗反射涂層。由此做成一個太陽電池。圖2H是所獲得的太陽電池的截面圖。
以下將說明根據(jù)注入條件和熱處理條件所形成的缺陷層的狀態(tài)。
通過改變注入離子的能量，可改變被注入離子在半導(dǎo)體襯底中的平均自由程，從而改變所形成缺陷的位置(深度)。此外，改變離子的擴(kuò)展也與平均自由程有關(guān)。在較高能量下注入的離子比在較低能量下注入的離子平均位置更深，擴(kuò)展更寬。另外，注入能量在很大程度上會擾動半導(dǎo)體襯底中的組成原子。通過離子注入更易于使晶體變?yōu)榉蔷А?br> 此外，采用相同的能量，通過改變注入的角度能夠改變深度和擴(kuò)展。通過設(shè)定相對襯底法向的更大入射角(如約為60°)，能夠在比垂直注入襯底時更淺和更窄的范圍(約為60°入射角下的深度和擴(kuò)展的1/2)形成缺陷。
通過改變離子的劑量水平能夠改變晶體的擾動程度。較高的劑量使得注入位置成為非晶。改變注入離子的能量以及質(zhì)量數(shù)也會對此產(chǎn)生影響。在高能下越重的離子對晶體組成原子排列的擾動越大。
晶體缺陷的形成狀態(tài)受到注入和接下去的退火條件引起的襯底組成原子擾動特性的影響。例如，將28Si+離子注入到Si襯底中時，通過在至少900℃的高溫下退火10分鐘，晶體的排列幾乎還原。對于變?yōu)榉蔷У膶樱ㄟ^在較低溫度下的退火處理足以使晶體還原。在最初進(jìn)行至少900℃高溫退火時，在前述的非晶層的邊界附近不規(guī)則地形成幾微米的相對較大的位錯環(huán)。當(dāng)對襯底組成原子的擾動較小時，通過低溫退火處理晶體不容易還原。盡管能夠均勻地形成相對較小的缺陷，但是如果進(jìn)行高溫退火，將足以使晶體還原。在這種情況中，將不形成缺陷。
在這種狀態(tài)下，諸如氟、氧、碳等其它類型原子注入到襯底組成原子已擾動的層中，就會以這些原子作為核心形成缺陷。注入的條件與前述條件相似。通過改變注入能量、注入角度以及原子的質(zhì)量數(shù)可以控制缺陷形成的位置。此外，通過事先使被注入的區(qū)域足夠地變?yōu)榉蔷?，即使在注入相對較小的原子時，也不易于產(chǎn)生隧道現(xiàn)象引起的唯一分布，在隧道現(xiàn)象中，小原子貫穿襯底組成原子。因此，更易于控制分布。
通過將這些注入條件和所獲得的現(xiàn)象組合，能夠獲得適合器件結(jié)構(gòu)的合適缺陷層。所獲得的缺陷主要起能帶之間陷阱的作用。考慮到少數(shù)載流子的移動，通過在不易于作為載流子復(fù)合心工作的區(qū)域中提供缺陷能夠提高電池特性(電流值)。
作為對第一實施例的一種改進(jìn)，可以在半導(dǎo)體襯底背面上形成的島形p型擴(kuò)散層之間的區(qū)域中形成以電浮動狀態(tài)出現(xiàn)的島形n型擴(kuò)散層。
其制備方法與第一實施例的制備方法基本相似，區(qū)別是在背表面一側(cè)形成浮置結(jié)。
在形成圖1B的島形p型擴(kuò)散層后接著從基片表面去除氧化物薄膜和掩膜材料。在背面上，局部地區(qū)形成約為1×1017cm-3的將變?yōu)楦≈媒Y(jié)的島形n型擴(kuò)散層。然后，用掩膜材料同時覆蓋正表面和背表面。以島形方式在背面上形成p型擴(kuò)散層之間的區(qū)域上通過光刻和腐蝕技術(shù)在掩膜材料中形成島形孔。在500-1200℃的溫度、POCl3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱。結(jié)果，在基片表面整個形成含有高濃度磷的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的磷僅注入到硅襯底背面上未被掩膜覆蓋的部分中。從而，獲得島形n型擴(kuò)散層，形成浮置結(jié)。
接下來的工藝過程與圖1C以及以下的工藝步驟相似。圖3示出所獲電池的截面圖。108表示形成浮置結(jié)的島形n型擴(kuò)散層。
浮置結(jié)電池意味著該電池在背面上形成與p型電極接觸的區(qū)域以外的區(qū)域形成電浮動狀態(tài)的n型擴(kuò)散層。目的是利用硅襯底與氧化物薄膜之間邊界上表面復(fù)合速率對n型擴(kuò)散層而言較慢的事實，通過抑制電池的暗電流來改善其特性(參考第22屆IEEE光伏專家會議(1991)，p.284)。對于少數(shù)載流子壽命長的電池而言，這種結(jié)構(gòu)是有效的。然而，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實際太陽電池中不存在明顯差別。相反，本發(fā)明的特征在于，在鄰近p型電極接觸以外背面區(qū)域中形成有效的光電轉(zhuǎn)換的層，因此，到達(dá)背面氧化物薄膜/p型擴(kuò)散層的界面的載流子比傳統(tǒng)電池更多。因此，與本發(fā)明的浮置結(jié)組合組合是改善特性的一種有效技術(shù)。本發(fā)明有效地利用了在應(yīng)用傳統(tǒng)電池中沒有如此有效的浮置結(jié)結(jié)構(gòu)。
只要注入位置不在p型電極接觸部分(局部BSF區(qū)域)和浮置結(jié)結(jié)區(qū)，對其不加特別限制。
作為對本發(fā)明第二實施例的一種改進(jìn)，可以在正面形成n型擴(kuò)散層，提供N電極。
其制備方法與第二實施例相似。
在形成圖2B所示的島形p型擴(kuò)散層后，從基片表面去除氧化物薄膜和掩膜材料。在整個光接收表面和非光接收表面局部區(qū)域上形成至少為1×1018cm-3的高濃度n型擴(kuò)散層。然后，用掩膜材料僅覆蓋背面。通過光刻和腐蝕技術(shù)，在背面上形成p型擴(kuò)散層之間的區(qū)域的掩膜材料中形成島形孔。在500-1200℃的溫度下，在POCl3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱。結(jié)果，在基片整個表面形成含有高濃度磷的氧化物。通過固相擴(kuò)散，從整個正面和背面上未被掩膜覆蓋的預(yù)定區(qū)域注入高濃度的磷。從而獲得n型擴(kuò)散層。
接下來的工藝過程與第二實施例的工藝步驟相似，不同之處在于在正面上增加了N電極。圖4示出所獲電池的截面圖。
通過在兩個表面上都設(shè)置N電極，與N電極連接的n型擴(kuò)散層位于正表面和背表面兩面上，而電極是少數(shù)載流子(電子)的收集體，使少數(shù)載流子到達(dá)被收集位置的距離縮短一半。少數(shù)載流子移動的距離更短有一個優(yōu)點，它減小對襯底少數(shù)載流子壽命的影響。器件的性能并不因為減小襯底壽命而改變，對于制備這樣的器件而言，這種結(jié)構(gòu)是有用的。例如，對于空間中應(yīng)用的太陽電池，這是有用的，在這種電池中，襯底的壽命可能會由于類似輻射一類事件而縮短。
通過將本發(fā)明應(yīng)用于在兩面設(shè)置電極的太陽電池，到達(dá)正面和背面兩面的載流子的數(shù)目比傳統(tǒng)的太陽電池更多。通過在該區(qū)域中設(shè)置與N電極接觸的n型擴(kuò)散層，能夠收集到到達(dá)那里的載流子。除了兩面上有n型擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點外，允許充分利用本發(fā)明的優(yōu)點改善特性。
在以上的實施例中對局部BSF結(jié)構(gòu)的太陽電池作了介紹。盡管本發(fā)明可以應(yīng)用于局部BSF結(jié)構(gòu)之外的結(jié)構(gòu)，許多其它結(jié)構(gòu)在整個非光接收表面中具有載流子的通道，這種結(jié)構(gòu)對起載流子復(fù)合中心作用的缺陷層的缺點很敏感。因此，在這種情況中將會降低本發(fā)明的效果。
以下將描述另一個實施例。在厚度為30-500μm、含有濃度約為1×1015cm-3硼的單晶硅襯底的背表面局部形成至少達(dá)1×1017cm-3的高濃度p型擴(kuò)散層。這種方法包括用諸如氧化硅薄膜這類掩膜材料覆蓋正面和背面兩面、采用光刻和腐蝕技術(shù)以島形方式僅在背面上在掩膜材料中形成島形孔的步驟。
在500-1200℃的溫度、BBr3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱。結(jié)果，在整個基片上形成含有高濃度硼的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的硼僅注入到背面上未被掩膜覆蓋的硅襯底區(qū)域中。由此獲得島形p型擴(kuò)散層。
從基片表面去除氧化物和掩膜材料之后，在整個正面上形成至少達(dá)1×1018cm-3高濃度n型擴(kuò)散層。然后，用掩膜材料覆蓋背表面。在500-1200℃的溫度、POCl3氣體與氧氣的混合氣體中對基片進(jìn)行加熱。結(jié)果，在基片整個表面上形成含有高濃度磷的氧化物。通過固相擴(kuò)散，將高濃度的磷僅注入到正面上未被掩膜覆蓋的硅襯底部分中。
在進(jìn)行所要求的高溫?zé)崽幚聿襟E之后和形成電極之前，形成本發(fā)明的缺陷層。用諸如氧化物薄膜一類的注入保護(hù)膜覆蓋整個背面。然后，通過光刻在背面上形成抗注入掩膜110，以覆蓋島形p型擴(kuò)散層。將鍺(Ge)離子注入到有光致抗蝕劑作掩膜的背面中。例如，在100keV能量和2×1015cm-2劑量水平下注入73Ge+。
通過改變覆蓋背面的氧化物薄膜的厚度和注入能量，可改變非晶層的形成深度。由注入能量和劑量水平可改變非晶層的厚度和質(zhì)量。由注入離子的劑量水平和類型可改變非晶層的物理性能。
然后，去除抗注入材料并進(jìn)行適當(dāng)沖洗處理。為維持非晶層，不進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼?br> 接下來的工藝步驟與傳統(tǒng)的太陽電池的制備步驟類似。在正面和背面兩面上形成電極。此外，在光接收面上形成抗反射涂層。由此做成一個太陽電池。
通過在太陽電池的與光接收表面相對的區(qū)域中形成缺陷層或非晶層，能夠?qū)w內(nèi)不能被有效吸收的波長區(qū)的光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。因此，能夠改善太陽電池的性能。此外，由于采用了易于控制和通用的離子注入法，能夠制備出穩(wěn)定和高可靠性的太陽電池。
盡管對本發(fā)明已經(jīng)作了詳細(xì)描述，但是，顯然應(yīng)當(dāng)明白，這僅僅是作為說明和舉例，而不是作為限制。本發(fā)明的精神和范圍僅受附加的各項權(quán)利要求所限制。
權(quán)利要求
1.一種太陽電池，其特征在于它包括本征或低濃度p型半導(dǎo)體單晶襯底(100)；在所述襯底(100)的光接收一面上形成的n型擴(kuò)散層(103)；在所述半導(dǎo)體襯底(100)的光接收一面相對的一面的局部地區(qū)形成的高濃度的p型擴(kuò)散層(102)；用離子注入法在所述局部地區(qū)形成的高濃度p型擴(kuò)散層(102)之間的區(qū)域形成的有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及與各擴(kuò)散層(103，102)連接的電極(105，106)。
2.一種太陽電池，其特征在于它包括本征或低濃度p型半導(dǎo)體單晶襯底(100)；在所述半導(dǎo)體襯底(100)的光接收表面相對的一面的局部地區(qū)形成的高濃度p型擴(kuò)散層(102)和n型擴(kuò)散層(107)；用離子注入法在所述局部地區(qū)形成的擴(kuò)散層(102，107)之間形成的有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及與光接收表面相對一面上的各擴(kuò)散層(107，102)連接的電極(105-1，106-1)。
3.一種太陽電池，其特征在于它包括本征或低濃度p型半導(dǎo)體單晶襯底(100)；在所述襯底(100)的光接收一面上形成的n型擴(kuò)散層(103)；在所述襯底(100)的與光接收一面相對的一面的局部地區(qū)形成的高濃度的p型擴(kuò)散層(102)；在所述局部地區(qū)形成的高濃度p型擴(kuò)散層(102)之間的區(qū)域以電浮動態(tài)出現(xiàn)的n型擴(kuò)散層(108)；用離子注入法在所述的與光接收面相對一面的局部地區(qū)形成的高濃度p型擴(kuò)散層(102)之間的區(qū)域形成的有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及分別與光接收面上所述n型擴(kuò)散層和與光接收面相對一面上所述p型擴(kuò)散層(102)連接的電極(105，106)。
4.一種太陽電池，其特征在于它包括本征或低濃度p型半導(dǎo)體單晶襯底(100)；在所述襯底(100)的光接收一面上形成的n型擴(kuò)散層(103)；在所述襯底(100)的與光接收表面相對的一面的局部地區(qū)形成并分隔開的高濃度p型擴(kuò)散層(102)和n型擴(kuò)散層(107)；用離子注入法在所述局部地區(qū)形成的擴(kuò)散層(102，107)之間形成的有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及分別設(shè)置在所述的光接收面和其相對面上的n型擴(kuò)散層(103，107)和所述的與光接收面相對一面上的p型擴(kuò)散層(102)上的電極(105-1，106-1)。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于所述的非晶層是通過離子注入劑量至少達(dá)3×1014cm-2的硅或鍺形成的。
7.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括一種其禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度的物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1所述的太陽電池，其特征在于當(dāng)所述襯底為硅襯底時，用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括鍺，其形成的禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度。
9.如權(quán)利要求2所述的太陽電池，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
10.如權(quán)利要求2所述的太陽電池，其特征在于所述的非晶層是通過離子注入劑量至少達(dá)3×1014cm-2的硅或鍺形成的。
11.如權(quán)利要求2所述的太陽電池，其特征在于用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括一種禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度的物質(zhì)。
12.如權(quán)利要求2所述的太陽電池，其特征在于當(dāng)所述襯底為硅襯底時，用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括鍺，其形成的禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度。
13.如權(quán)利要求3所述的太陽電池，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
14.如權(quán)利要求3所述的太陽電池，其特征在于所述的非晶層是通過離子注入劑量至少達(dá)3×1014cm-2的硅或鍺形成的。
15.如權(quán)利要求3所述的太陽電池，其特征在于用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括一種禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度的物質(zhì)。
16.如權(quán)利要求3所述的太陽電池，其特征在于當(dāng)所述襯底為硅襯底時，用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括鍺，其形成的禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度。
17.如權(quán)利要求4所述的太陽電池，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
18.如權(quán)利要求4所述的太陽電池，其特征在于所述的非晶層是通過離子注入劑量至少達(dá)3×1014cm-2的硅或鍺形成的。
19.如權(quán)利要求4所述的太陽電池，其特征在于用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括一種禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度的物質(zhì)。
20.如權(quán)利要求4所述的太陽電池，其特征在于當(dāng)所述襯底為硅襯底時，用于形成所述非晶層的離子注入物質(zhì)包括鍺，其形成的禁帶寬度小于所述襯底禁帶寬度。
21.一種制備太陽電池的方法，其特征在于它包括步驟在本征或含有低濃度第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)的半導(dǎo)體單晶襯底(100)的光接收一面上形成n型擴(kuò)散層(103)；在所述襯底(100)的與光接收面相對的一面的局部地區(qū)形成高濃度的p型擴(kuò)散層(102)；用離子注入法在所述局部地區(qū)形成的高濃度p型擴(kuò)散層(102)之間的區(qū)域形成有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及分別在所述的光接收面上的n型擴(kuò)散層(103)和在所述的與光接收面相對一面的p型擴(kuò)散層(102)上形成電極(105，106)。
22.一種制備太陽電池的方法，其特征在于它包括步驟在本征或低濃度p型半導(dǎo)體單晶襯底(100)的光接收面上形成n型擴(kuò)散層(103)；在與所述光接收面相對的一面的局部地區(qū)形成高濃度的p型擴(kuò)散層(102)；在所述局部地區(qū)形成的擴(kuò)散層(102)之間的區(qū)域中形成電浮動態(tài)的n型擴(kuò)散層(108)；用離子注入法在所述局部地區(qū)形成的高濃度p型擴(kuò)散層(102)之間的區(qū)域中形成有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及分別在所述光接收面上所述n型擴(kuò)散層(103)和在與所述光接收面相對一面的所述p型擴(kuò)散層(102)上形成電極(105，106)。
23.一種制備太陽電池的方法，其特征在于它包括步驟在本征或低濃度p型半導(dǎo)體單晶襯底(100)的光接收面上形成n型擴(kuò)散層(103)；在與所述光接收面相對的一面的局部地區(qū)形成高濃度的p型擴(kuò)散層(102)；在所述局部地區(qū)形成的p型擴(kuò)散層(102)之間的局部地區(qū)形成n型擴(kuò)散層(107)；用離子注入法在所述局部地區(qū)形成的p型與n型擴(kuò)散層(102，107)之間的區(qū)域中形成有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及在光接收面上的所述n型擴(kuò)散層(103)上和在與所述光接收面相對一面上的所述p型擴(kuò)散層(102)上形成電極(105-1，106-1)。
24.一種制備太陽電池的方法，其特征在于它包括步驟在本征或低濃度p型半導(dǎo)體單晶襯底(100)的光接收面相對的一面的局部地區(qū)形成高濃度的p型擴(kuò)散層(102)；在所述局部地區(qū)形成的p型擴(kuò)散層(102)之間局部地區(qū)形成n型擴(kuò)散層(107)；通過離子注入在所述局部地區(qū)形成的型p與n型擴(kuò)散層(102，107)之間的區(qū)域中形成有晶體缺陷的或是為非晶的層(v)；以及在與所述光接收面相對一面上的所述p型擴(kuò)散層(102)和所述n型擴(kuò)散層(107)上分別形成電極(105-1，106-1)。
25.如權(quán)利要求21所述的制備太陽電池的方法，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
26.如權(quán)利要求22所述的制備太陽電池的方法，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
27.如權(quán)利要求23所述的制備太陽電池的方法，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
28.如權(quán)利要求24所述的制備太陽電池的方法，其特征在于用于所述離子注入的物質(zhì)至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種，并且至少包括硅和鍺之一。
全文摘要
一種太陽電池,用島形方式在低濃度P型半導(dǎo)體單晶襯底(100)的與光接收面相對的一面上形成P型擴(kuò)散層(102),通過離子注入在P型擴(kuò)散層(102)之間形成有晶體缺陷的層(V)或是非晶的層(V)。離子注入的元素至少從氫、硅、鍺、氟、氧和碳中選擇一種,離子注入物質(zhì)最好使用半導(dǎo)體物質(zhì)的組成物質(zhì),如硅。在具有晶體缺陷或非晶層(V)的太陽電池中,可以利用現(xiàn)有太陽電池不能有效利用的較長波長的光,因此,提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/0352GK1198597SQ9810781
公開日1998年11月11日 申請日期1998年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月28日
發(fā)明者中村一世 申請人:夏普公司