具有埋入触头的多层薄膜太阳能电池制造技术

一个多层太阳能电池结构包括一堆Ｐ型和ｎ型交替的半导体层（１０、１１、１２、１３、１４）。它们排列形成多个整流的光电压结（１５、１６、１７、１８）。低成本电池可以用劣质材料，通过在薄膜中采用高掺杂水平对之优化而加以制造。通常掺杂水平高于１０↑［１７］原子／ｃｍ↑［３］，并且层厚度和载流子在厚度方向的扩散长度有关，用埋入触头结构与下置各层接触，这种触头结构包括向下延伸经过所有活性层的沟道，每条沟道壁（３３、３４）根据相应触头连接的层情况掺以ｎ型或Ｐ型杂质，并且沟道用金属接触材料填充或部分填充。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及太阳能电池
，并且特别涉及对薄膜器件的改进。
技术介绍
作为早期专利NO.US4726850和4748130的主题，埋入触头太阳能电池被光电池制造商们广泛用于实现厚衬底(大于120微米)器件。本专利技术与一种新型光电池结构以及其实现有关，其中采用多层n型和P型交替的水平硅层，大大提高了对劣质材料吸收光子后产生的载流子的收集率。这样的结构使用传统的方法是不可行的，传统方法中体材料衬底是由直接切成单个晶片或衬底的晶体构成。然而，用于层形成的新型薄膜技术，诸如化学气相沉积、溶液生长、液相外延、等离子沉积及重结晶或非晶态材料等离子沉积及随后结晶等等，使得包括n和P型材料相互交替的多个水平层的结构成为可行。另外，在本专利技术者最近的名为“Buried Contact Interconnected Thin Film and Bulk PhotovoltaicCells”(PCT/AU92/00658)的专利技术之前，这样的结构并不被认为适合进行光压器件制造。因为与给定极性的需要并行连接的所有层接触很困难。在PCT/AU92/00658所描述专利技术中，埋入触头太阳能电池方法通过使用相应的掺杂类型在沟道壁上深度扩散，提供穿过所有水平掺杂硅层整个厚度的沟道，使具适当极性的每个相应层保持接触，如图1所示。这些沟道可以为任何尺寸，只要它们足够深可以与所有活性硅层接触，并且足够窄可以防止由于有用表面区域减少引起的过分损耗，在这些有用表面区域落在接触区的光不能进入硅材料。专利技术概述本专利技术的要点是一种太阳能电池，它具有至少三层极性交替的材料，在每对交替层之间形成p-n结，至少三层的最大掺杂浓度高于1017原子/cm3，并且至少三层的厚度基本上不大于在相应层中对于给定掺杂浓度材料的少子扩散长度。一般来说，掺杂层厚度是少子扩散长度的0.05～5倍，并且优选为相应掺杂材料少子扩散长度的0.2～2倍。如果一个扩散长度和/或厚度空间不均匀的器件，其各层的任何部位落在上述范围内，则该器件属于本专利技术范围。满足这些条件的一个可论证方法是载流子平均收集率是否较高。电池可以由掺杂的单晶硅或多晶硅，非晶态硅和它的合金，镉碲化物、镉硫化物，铜铟二硒，CuInxGa1-xSySe1-Y形式的合金或其他半导体材料制成。在包含一堆硅层的电池中，也可能包括一层或多层相对薄的硅/锗合金层。诸如氧化硅、氮化物或氮氧化合物的隔离材料层，也可能间隔地夹入其中。本专利技术的实施方案可能还包括在极性交替层对之间的本征材料或轻掺杂材料层，这样形成的结是P-本征-n结。在基于硅材料的实施方案中，一般来说大多数层的最大掺杂浓度是1017原子/cm3或更高，掺杂层的厚度为50～50μm，视材料质量而定。在硅材料中，掺杂浓度优选为在每层的至少50％体积上大于1017原子/cm3，并且更优选为在每层的几乎整个体积上界于1017～1018原子/cm3之间。在使用硅材料的优选实施方案中，每层的厚度在0.2～15微米之间。在硅电池中，顶层优选的层内最大掺杂浓度是1018原子/cm3或更高。另一方面，本专利技术的要点是形成薄膜太阳能电池的方法，它包括步骤a)在衬底上形成多个交替掺杂的半导体材料薄层，在层间形成多个整流结。每层的最大掺杂浓度大于1017原子/cm3，并且每层的厚度基本上不大于相应掺杂材料的少子扩散长度。b)接着在这些层中形成至少两组沟道，使一些或全部的掺杂层露出来。c)在至少一个沟道中形成一个P型表面区域，这个区域覆盖这个或这些沟道的整个表面。d)在至少一个其它的沟道中形成一个n型表面区域，这个区域覆盖这个或这些沟道的整个表面。e)在每个沟道中形成一个金属触头，触头分别和P型及n型表面区域接触。衬底材料优选为单晶、多晶或非晶态硅、石墨、钢或其他金属、陶瓷或玻璃之一，并且活性层由一个或几个方法形成，所说方法包括化学气相沉积、溶液生长、液相外延以及非晶态薄膜等离子沉积后结晶。在进一步实施方案中，方法包括在每对P和n型层之间形成本征或轻掺杂层并且/或者在该堆内形成隔离层的步骤。 附图说明本专利技术的实施方案将参照附图加以说明。在图中图1示意了本专利技术太阳能电池的基本结构，这个结构有多个n和p型交替掺杂的单晶或多晶硅层，使用埋入触头和埋入层接触。图2示意了和图1相同的太阳能电池结构，但是它的尺寸是为使用劣质硅材料的实施方案给出的。图3示意了本专利技术的进一步实施方案，它具有和图1、图2类似的结构，但在交替的P型和n型层之间夹有本征层。图4示意了本专利技术的进一步实施方案，它具有和图1、图2类似的结构，但在半导体层之间夹有隔离层。图5示意了本专利技术的进一步实施方案，它具有和图1、图2类似的结构，但它的金属触头没有与所有层接触。实施方案详述参见图1，本专利技术的实施方案有这样的结构，它包含多个交替的P型半导体层10、11和n型半导体层12、13、14，层与层之间形成整流结15、16、17、18。这些交替半导体层10-14在衬底19上形成并被该衬底支承，衬底19可以从单晶、多晶或非晶态硅、石墨、钢或其他金属、陶瓷玻璃或任何其它在其上可以成功形成半导体薄膜的材料中选择。触头31、32分别由n型层12、13、14与P型层10、11形成。首先形成垂直的沟道，使所有活性半导体层露出来，然后对于那些和n型区域相接触的触头，形成垂直的n型掺杂层33，该掺杂层33和所有n型层12、13、14相连，并且和所有P型层10、11建立了一个结。类似地，对连接P型层10、11的触头来说，在沟道中形成P型掺杂层34，该垂直P型层34和暴露的n型层12、13、14之间形成一个结。然后在n型和P型层33、34所限定的沟道中形成金属触头31、32。尽管图1的实施方案是一个五层电池，但是应该指出的是为了得到本专利技术的优点，需要最少3个掺杂层(即p-n-p或n-p-n)。尽管图1实施方案所示的沟道充满了金属，但是应该指出的是，部分填充的沟道也可能产生良好的效果。图1所示的活性半导体层10-14是可以在衬底19上采用一些已知技术的任一种形成的薄膜，这些技术包括化学气相沉积、溶液生长、液相外延以及等离子沉积和重结晶或非晶态材料等离子沉积随后的结晶，并在每种情况中层形成过程中或之后注入掺杂物。如上所述，本专利技术提供一种改进的电池结构，它包括多个P和/或n型层，并且对如图1所示掺杂层堆中的各层选择不同的掺杂水平和厚度。为了生产可工作的电池，本专利技术实施方案利用了PCT/AU92/00658描述的接触结构。本专利技术的一个重要优点是根据相应硅材料质量对各个层的厚度和掺杂水平进行选择，这样，大部分载流子在离结足够近处产生以便被收集。这个要求为下述条件所满足，即在大部分器件区域上少子扩散长度至少相当并且优选地大于各自层厚度。这可以在整个器件厚度上实现高收集率，进而实现高的内部量子效率，并且分别对所有波长的光线来说也是如此。本专利技术可以实现高效器件，甚至用非常劣质、低成本、其特点是扩散长度短的硅材料制成的器件也是如此。上述策略保证，伴随从中到高水平的光触发，可以产生大电流。考虑到电压，对于扩散长度短的硅材料可以通过提高掺杂浓度和/或减小材料体积来降低整个器件的暗饱和电流，以得到适当的高开路电压。而传统的器件结构，在同样取得高电池效率的同时是不可能做到这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池，具有至少三层极性交替材料，在每对交替的层间形成ｐ－ｎ结，至少三层的最大掺杂浓度在１０１７原子／ｃｍ３以上，并且至少三层的厚度考虑到相应层材料掺杂浓度基本上不大于少子扩散长度。２．权利要求１中的太阳能电池，其中掺杂层的厚度是相应掺杂材料少子扩散长度的０．０５～５倍。

【技术特征摘要】
AU 1994-3-31 PM48341.一种太阳能电池，具有至少三层极性交替材料，在每对交替的层间形成p-n结，至少三层的最大掺杂浓度在1017原子/cm3以上，并且至少三层的厚度考虑到相应层材料掺杂浓度基本上不大于少子扩散长度。2.权利要求1中的太阳能电池，其中掺杂层的厚度是相应掺杂材料少子扩散长度的0.05～5倍。3.权利要求1中的太阳能电池，其中掺杂层的厚度是相应掺杂材料少子扩散长度的0.2～2倍。4.权利要求1、2、3中的太阳能电池，其中掺杂层的厚度范围为50～50μm。5.权利要求1、2、3或4中的太阳能电池，其中电池材料从多种材料中选择一种或几种，这些材料包括掺杂的单晶或多晶硅、非晶态硅及它的合金、镉碲化物、镉硫化物、铜铟二硒及形式为CuInxGa1-xSySe1-Y的合金。6.以上任何一种权利要求中的太阳能电池，其中电池包括一堆硅层和相对薄的硅/锗合金层。7.以上任何权利要求中的太阳能电池，其中电池包括一堆硅层，其间间隔插有隔离材料层。8.权利要求7中的太阳能电池，其中隔离层由氧化硅、氮化物或氮氧化合物构成。9.权利要求8中的太阳能电池，其中隔离层位于由3或多个掺杂层组成的组之间。10.以上任何权利要求中的太阳能电池，其中本征材料层或轻掺杂材料层放在一对或多对极性交替层之间，这样产生的结是p-本征-n结。11.以上任何权利要求中的太阳能电池，其中太阳能电池材料是硅，大多数层中最大掺杂浓度是1017原子/cm3或更高，并且掺杂层的厚度量级为40μm或更少。12...

【专利技术属性】
技术研发人员：SR文汉姆，MA格林，
申请(专利权)人：太平太阳有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]