光伏器件及其形成方法

光伏器件及其形成方法
【专利摘要】本发明涉及光伏器件及其形成方法。光伏器件和方法包括晶体衬底以及与所述衬底接触地形成的发射极接触部分。背表面场结包括同质结层，所述同质结层与所述晶体衬底接触地形成且具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型和比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度。所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度。与所述衬底相对地且与所述同质结层接触地形成钝化层，该钝化层是未掺杂的或者具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型。
【专利说明】光伏器件及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光伏器件及制造方法，并且更具体地，涉及具有嵌入的同质结的异质结构器件。
【背景技术】
[0002]在已知为具有薄本征层的异质结(HIT电池)的常规异质结(HJ)太阳能电池中，背表面场(BSF)接触由薄的本征(i)氢化非晶(amorphous)娃(a_S1:H)层和a_S1:H的掺杂层构成，所述a-S1:H层用于钝化晶体Si (C-Si)衬底的背表面，并且所述a-S1:H的掺杂层具有与所述C-Si衬底相同的导电类型以建立电场来排斥来自C-Si衬底的背表面的少数载流子(在P型衬底的情况下，电子；并且在n型衬底的情况下，空穴)。如果HJ太阳能电池以包括从电池背面和正面二者的光收集的双面模式使用，则背面收集受到所述掺杂层和本征a-S1: H层中的吸收的限制。

【发明内容】

[0003]一种光伏器件包括晶体衬底、与所述衬底接触地形成的发射极接触部分、以及背表面场结。所述背表面场结包括与所述晶体衬底接触的同质结层，所述同质结层具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度(active dopingdensity)高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度。与所述衬底相对地且与所述同质结层接触地形成钝化层，所述钝化层是掺杂的或未掺杂的。
[0004]另一光伏器件包括由单晶体(mono-crystal line)或多晶体(mult1-crystal line)材料构成的衬底、与所述衬底接触地形成的发射极接触部分、以及背表面场结。所述背表面场结包括与所述衬底接触的同质结层，所述同质结层包括氢化的单晶(single-crystalline)或多晶(poly-crystalline)材料并具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度。与所述衬底相对地且与所述同质结层接触地形成钝化层，所述钝化层是掺杂的或未掺杂的。还形成导电接触部分。
[0005]又一光伏器件包括:发射极；耦合到所述发射极的掺杂的单晶体或多晶体Si衬底；以及掺杂的晶体层，其与所述发射极相对地直接形成在所述衬底上并且具有氢化的单晶或多晶Si材料，包括在约IO18到约3 X IO20Cm-3的范围内的活性掺杂密度以及约I到25nm之间的厚度。掺杂的氢化非晶体(non-crystalline)材料形成在所述掺杂的晶体层上,并且包括在约2到约20nm的范围内的厚度，其中所述衬底、晶体层和非晶体材料包括相同的掺杂剂导电性。
[0006]一种形成光伏器件的方法，包括:提供晶体衬底；与所述衬底接触地形成发射极接触部分；以及通过如下步骤形成背表面场结:与所述晶体衬底接触地形成同质结层，所述同质结层具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度；以及形成钝化层，所述钝化层与所述衬底相对地形成在所述同质结层上并且是未掺杂的或者具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型。
[0007]另一种形成光伏器件的方法，包括:提供晶体衬底；与所述衬底接触地形成发射极接触部分；以及通过如下步骤形成背表面场结:与所述晶体衬底接触地形成同质结层，所述同质结层包括氢化的单晶或多晶材料，具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度；以及与所述衬底相对地在所述同质结层上形成包括与所述同质结层相同的元素的氢化的非晶、纳晶(nano-crystal line)或微晶材料作为钝化层，所述钝化层是未掺杂的或具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型。
[0008]另一种形成光伏器件的方法，包括:提供掺杂的单晶体或多晶体Si衬底；在所述衬底上形成发射极；直接在所述衬底上形成具有氢化的单晶或多晶Si材料的掺杂的晶体层，所述掺杂的晶体层包括在约IO18到约3X 102°cm_3的范围内的活性掺杂密度以及约I到25nm之间的厚度；以及形成掺杂的氢化非晶体材料，所述掺杂的氢化非晶体材料形成在所述掺杂的晶体层上并包括在约2到约20nm的范围内的厚度，其中所述衬底、晶体层和非晶体材料包括相同的掺杂剂导电性。
[0009]从以下对其示例性实施例的详细描述，这些和其它特征及优点将变得显而易见，所述详细描述要结合附图阅读。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]本公开将参考以下附图在以下对优选实施例的描述中提供细节，在附图中:
[0011]图1是根据本发明原理的具有背表面场接触部分的异质结器件的横截面视图，该背表面场接触部分具有嵌入的同质结代替异质结构的本征层；
[0012]图2A是根据本发明原理的单面异质结太阳能电池的横截面视图，该太阳能电池具有背表面场接触和单发射极前接触；
[0013]图2B是根据本发明原理的双面异质结太阳能电池的横截面视图，该太阳能电池具有背表面场接触和单发射极前接触；
[0014]图3A是根据本发明原理的单面异质结太阳能电池的横截面视图，该太阳能电池具有背表面场接触和双发射极前接触；
[0015]图3B是根据本发明原理的双面异质结太阳能电池的横截面视图，该太阳能电池具有背表面场接触和双发射极前接触；
[0016]图4是根据本发明原理的所示的测试结构的测量寿命(秒)(没有俄歇(Auger)校正)与少数载流子密度(CnT3)之间的关系的曲线；
[0017]图5是根据本发明原理的具有背表面场接触的叉指式(interdigitated)背接触构造异质结太阳能电池的横截面视图；以及
[0018]图6是根据本发明原理的制造具有背表面场接触的光伏器件的框图/流程图。【具体实施方式】
[0019]根据本发明原理，公开光伏器件及形成方法。在特别有用的实施例中，形成背表面场接触，该背表面场接触包括具有嵌入的同质结的异质结。所述同质结可以包括单晶或多晶掺杂层，该单晶或多晶掺杂层具有与吸收区(衬底)的导电类型相同的导电类型以及比少数载流子在该单晶或多晶掺杂层中的扩散长度小的厚度。在一些实施例中，与具有本征薄层的常规异质结背表面场接触相比，所述背表面场提供了如下优点中的一个或多个:(i)由于在背表面场层中的较低吸收损耗，光从背面的收集更高效，得到更高的太阳能电池短路电流；(ii)由于有效降低了背表面场层与吸收区(衬底)之间的带偏移，太阳能电池的填充因子更高；(iii)吸收区(衬底)的背表面的钝化更好，因此太阳能电池开路电压更高。注意，这是非穷举性列举并且可以实现和预期其它优点。
[0020]应当理解，将就具有衬底和示例性光伏叠层的给定示例性构造来描述本发明；然而，其它构造、结构、衬底、材料和工艺特征和步骤可以在本发明的范围内变化。
[0021]还应当理解的是，当诸如层、区域或衬底的要素被称为在另一要素“上”或“之上”时，它可以直接在该另一要素上，或者也可以存在居间要素。相反，当一个要素被称为“直接在”另一要素“上”或者“之上”时，不存在居间要素。应当理解，当一个要素被称为“连接”或“耦合”到另一个要素时，它可以被直接连接或耦合到该另一要素，或者可以存在居间要素。相反，当一个要素被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一要素时，不存在居间要素。
[0022]可以为集成电路集成产生光伏器件的设计，或者光伏器件的设计可以与印刷电路板上的部件相结合。电路/板可用图形计算机程序语言实现，并储存在计算机存储介质(例如磁盘、磁带、实体硬盘驱动器、或例如存储存取网络中的虚拟硬盘驱动器)中。若设计者不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，设计者可用物理装置(例如通过提供存储设计的存储介质的副本(copy))传送所产生的设计、或直接或间接地以电子方式(例如通过网络)传送至该实体。再将所储存的设计转换成适当的格式(例如⑶SII)，用于光刻掩模的制造，光刻掩模典型地包括所关注的要在晶片或衬底上形成的芯片设计的多个副本。光刻掩模可以用于界定待蚀刻或待处理的晶片(和/或其上的层)的区域。
[0023]本申请中描述的方法可用于制造光伏器件和/或具有光伏器件的集成电路芯片。所得到的器件/芯片可以以原始晶片的形式(即，作为具有多个未封装的器件/芯片的单个晶片或衬底)、作为裸管芯或者以封装的形式由制造商分配。在后一情况下，器件/芯片安装在单个芯片封装体(例如塑料载体，具有固定到主板或更高级的载体上的引线)中或者安装在多芯片封装体(例如，具有表面互连或掩埋互连、或者具有表面互连和掩埋互连的载体)中。在任一情况下，再将器件/芯片与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成，作为(a)中间产品，例如主板或(b)最终产品的一部分。所述最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，范围包括玩具、能量收集器、太阳能器件和其它应用，所述其它应用包括具有显示器、键盘或其它输入装置以及中央处理器的计算机产品或装置。此处描述的光伏器件对于用来为电子装置、家庭、建筑物、车辆等提供电力的太阳能电池或面板特别有用。本发明实施例可以是光伏器件或电路的一部分，并且此处所描述的电路可以是用于集成电路芯片、太阳能电池、光敏器件等的设计的一部分。光伏器件可以是长度和/或宽度在英尺或米量级的大尺寸器件，或者可以是用于计算器、太阳能供电的灯等中的小尺寸器件。
[0024]应当注意，化合物的列表和化合物的形式是为了示例的目的以及易于理解，而不应当被解释为限制。例如，衬底可以包括层C-Si或C-SiGe ;然而，也可以采用其它形式的硅或硅锗(多晶、纳晶/微晶和单晶)。诸如SiGe或SiC的符号包括这些化合物的任何比例，例如SiLxGex或Sil_yCy。这些化合物也可以采取不同的形式，例如，多晶、纳晶/微晶、单
晶或者甚至非晶。
[0025]现在参考附图，其中相似的附图标记表示相同或相似的要素，并且首先参考图1，示出了光伏器件100的示例性结构，其中示例性地描述了 n型衬底102。当前的实施例也可应用于P掺杂衬底，在这种情况下，对应的层被适当掺杂以按计划工作。衬底102优选包括硅并且可以是单晶的(c-Si)或微晶的(y c-Si)。单晶(或单晶体)结构可以具有任何晶体或结晶取向。根据本发明原理，衬底102的发射极侧110包括层或结构的叠层120。叠层120包括掺杂层(例如，P+掺杂剂)122和本质层(1-层)124。形成钝化本征层或(一个或多个)i_层的(一种或多种)半导体材料可以包括a-S1: H、a-Ge: H、a_SiGex: H、a_SiNx: H、a-SiOx:H、a-SiCx:H或这些材料的组合。形成掺杂层122的(一种或多种)半导体材料可以包括S1、Ge、SiGex, SiCx, SiOx, SiNx的(一种或多种)非晶、纳晶、微晶或多晶膜，或者这些材料的组合，并且可以包含或不包含氢。形成掺杂层122的膜可以包含或不包含氟或氘。在一个例子中，掺杂层122包括p+掺杂的a-S1:H层，并且本征层124包括a-S1:H层。层122和124中每一个的厚度优选小于20nm。
[0026]发射极侧110可以包括与发射极侧110叠层120连接的导电层152。导电层152可以包括诸如铟锡氧化物、锌氧化物等的透明导电氧化物(TC0)153。也可以包括其它结构，诸如导电指155、抗反射涂层、保护涂层等等。导电指155可以包括例如铝、银、钨等。
[0027]发射极(前)结110处的电场由掺杂类型与C-Si衬底102的掺杂类型相反的掺杂的a-S1:H层122建立，例如，如果c-Si衬底102是n型，则a_S1:H层122是p+掺杂的，并且如果c-Si是p型的，则a-S1:H层122是n+掺杂的。
[0028]与发射极侧110相反的是背侧130。背侧130也可以包括导电层162。背侧130上的导电层164可以与层或结构的叠层132连接。导电层162可以包括诸如铟锡氧化物(ITO)、锌氧化物、或掺铝的锌氧化物(ZnO: Al)等的透明导电氧化物(TCO) 163。也可以包括其它结构。例如，可以形成抗反射涂层(ARC)，或者可以采用导电指170。导电指170可以包括例如铝、银、钨等，并且可以被构图(pattern)(例如，在双面器件中)。否则，代替指170，可以形成连续导电层作为反射器。
[0029]层152和162中的至少一者包括透明导电材料以允许光进入吸收层102 (衬底)。使用TCO材料来减小太阳能电池的前接触和/或背接触的薄层电阻。为了使抗反射特性最佳，TCO层的厚度可以在70-1 IOnm的范围内。
[0030]如果层152和162都由透明导电材料构成，则光可以从电池的两侧进入，并且该电池被称为双面电池。否则，该电池被称为单面电池(仅从一个方向接收光)。如果层152 (或162)由透明导电材料构成时，可能需要金属指155 (或170)允许低的电接触电阻，而如果层152 (或162)由金属构成，则该接触的导电性足够并且不需要金属指155 (或170)。用于层152或162的金属可以具有反射特性。
[0031]TCO层153 (或163)也用作单面结构的前接触中的以及双面结构的前接触和背接触中的抗反射涂层(ARC)。TCO层也可以与反射性背接触金属电极相结合来增强从单面结构的背面的反射。在单面和双面结构二者中，TCO层也用作抑制金属扩散到附近的薄a-S1:H层中的阻挡物。
[0032]钝化层142与导电层162接触。在一个实施例中，该层142包括n+掺杂的a_S1:H，该n+掺杂的a-S1:H可以包括小于20nm的厚度。层142也可以是未掺杂的。
[0033]常规叠层通常包括与发射极侧110上的层124类似的本征层，该本征层将被放置在层142的位置，即，常规本征层将处于衬底102和层142之间的位置。常规本征a-S1:H层的厚度典型地在3-10nm的范围内。
[0034]然而，根据本发明原理，传统上用于钝化HIT电池背面的本征a-S1:H层被具有与c-Si衬底102相同的掺杂类型的氢化晶体硅(c-S1:H)薄层或者多晶层144代替。c-Si层144可以是单晶的、多晶的并且/或者包括非晶体部分(例如，纳晶、微晶、非晶或其组合)。掺杂的c-Si层144与c-Si衬底102形成嵌入的同质结。掺杂的c-Si层144具有比c_Si衬底102的活性掺杂水平高的活性掺杂水平。
[0035]背表面场结处的电场由具有与c-Si衬底102相同的掺杂类型的掺杂的a-S1:H层142建立，例如，如果c-Si衬底102是n型，则a-S1: H M 142是n+掺杂的，并且如果c-Si是P型的，则a-S1:H层142是p+掺杂的。掺杂的a-S1:H层122、142的厚度在3_15nm的范围内，但也可以使用更薄或更厚的层。
[0036]在c-Si衬底102的活性掺杂水平处于1014cm_3到5X 1018cm_3之间的范围内的一个例子中，c-S1:H层144的活性掺杂水平在约IO16CnT3到约3X 102°cnT3之间的范围内。在c-Si衬底102的活性掺杂水平处于IO16CnT3到5 X 1017cm_3之间的范围内的另一个例子中，c-S1:H层144的活性掺杂水平在约IO18CnT3到约102°cm_3之间的范围内。掺杂的c_S1:H层144的厚度小于少数载流子在掺杂的c-S1:H层144中的扩散长度。
[0037]当光源在半导体内产生电子-空穴对(电荷载流子)时，载流子在到达表面耗尽区之前扩散通过体材料。光生少数载流子可以在到达表面之前与多得多的多数载流子复合。因此在照射时表面电势的变化是少数载流子到达表面的能力(即，少数载流子的扩散长度)的度量。应当注意，在较高的掺杂水平(例如，高于IO19CnT3)下，少数载流子寿命可以变得与多数载流子寿命相当或超过多数载流子寿命，这取决于材料质量。
[0038]在n+c_S1:H层144的活性掺杂浓度处于IO19 -1O20Cm-3的范围内的一个例子中，少子空穴在n+c-S1:H层144中的扩散长度在50nm-2 U m的范围内，并且n+c_S1:H层144的厚度在Inm-1OOnm的范围内。在n+c_S1:H层144的活性掺杂浓度处于IO19 -1O20CnT3的另一个例子中，少子空穴在n+c-S1: H层144中的扩散长度在50nm-2 y m的范围内，并且n+c_S1: H层144的厚度在lnm-25nm的范围内。在n+c-S1:H层144的活性掺杂浓度为约5X IO19CnT3的又一个例子中，少子空穴在n+c-S1:H层144中的扩散长度在IOOnm-1iim的范围内，并且n+c-S1:H层144的厚度在2nm_15nm的范围内。
[0039]用于c-S1:H层144的生长的气体源可以包括但不限于以下前体(precursor)气体中的一种或多种:SiH4 (甲娃烧)、Si2H4 (乙硅烷)、SiH2Cl2 (二氯甲硅烷)、SiF4 (四氟硅烷)及其组合。也可以采用稀释气体，例如H2载气/稀释气体。稀释气体与前体气体的流量比优选大于5，例如[H2]/[SiH4]>5。(原位流动的)掺杂剂气体可以包括但不限于用于n型掺杂的PH3 (磷化氢)、以及用于p型掺杂的B2H6 (乙硼烷)或TMB (三甲基硼)。
[0040]c-S1:H层144也可以包括以下中的一种或多种:锗(Ge)、氮(N)、氧(O)、氟(F)、氘
(D)、氯(Cl)、碳(C)或其组合。用于含Ge层的气体源可以包括锗烷(GeH4)15用于含C层的气体源可以包括甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6),但是也可以采用其它源(例如，具有CxHy形式)。用于生长这些材料的一种优选技术是等离子体增强化学气相沉积(PECVD);然而，也可以采用诸如例如热线化学气相沉积(HWCVD)等的其它生长方法。生长温度可以是约200°C;然而，可以使用室温至450°C范围内的生长温度。c-S1:H层144可以包括约5原子百分比到约40原子百分比的氢。
[0041]在一个实施例中，可以采用外延生长来形成层144或器件100的其它层。衬底102可以包括例如体单晶体硅衬底、Ge、II1-V衬底(例如，GaAs)等。在当前实施例中，硅是用于外延生长的优选衬底材料；然而根据本发明原理也可以采用其它晶体衬底材料。
[0042]外延生长可以包括在硅衬底102的预定区域上在约150摄氏度或更高的温度下的重掺杂或未掺杂的硅。在一个实施例中，使用等离子体增强化学气相沉积工艺(PEVCD)在氢气稀释的娃烧环境中进行C-娃的选择性外延生长。在150摄氏度下氢气和娃烧气体的气体比([H2]/[SiH4])优选为0到约1000之间。在特别有用的实施例中，硅的外延生长在约5-10的气体比下开始。通过将氢气稀释增加到例如5或更大，提高外延硅的质量。对于更高的氢气稀释，产生更平滑的界面(外延硅与晶体硅之间的界面)并且观察到更少的堆垛层错和其它缺陷。
[0043]射频(RF)或直流(DC)等离子体增强化学气相沉积(CVD)优选在范围从约室温到约500摄氏度的沉积温度下进行，并且优选在范围从约150摄氏度到约250摄氏度的沉积温度下进行。等离子体功率密度可以在从约2mW/cm2到约2000mW/cm2的范围内。沉积压力范围可以为约IOmtorr到约5torr。低温外延Si可以生长在诸如S1、Ge和II1-V的不同的衬底上。
[0044]通过包含薄的氢化非晶体Si层的层142来钝化掺杂的c-S1:H层144的表面，所述氢化非晶体Si层是未掺杂的或者具有与c-Si衬底102和c-S1:H层144的导电类型相同的导电类型。例如，如果c-Si衬底102是n型的且c-S1:H层144是n+掺杂的，则所述氢化的非晶体层142是未掺杂的或n+掺杂的。术语“非晶体”表示所述材料是非晶的、纳晶的或微晶的。所述氢化的非晶体材料可以包括a-S1:H，然而，也可以使用诸如氢化的非晶碳化硅(a_SiC:H)、氢化的非晶硅锗(a_SiGe:H)或其组合的其它材料。这些层可以包含氮(N)、氧(O)、氟(F)、氘(D)、氯(Cl)或其组合。这些材料可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长；然而，也可以使用诸如热线CVD (HWCVD)或溅射的其它生长技术。可以使用乙硼烷(B2H6)或三甲基硼(TMB)源进行原位p型掺杂，并且可以使用磷化氢(PH3)气体源进行原位n型掺杂，但也可以采用其它掺杂剂源。氨(NH3)、一氧化二氮(N2O)或其它气体源可以用于含氮层。二氧化碳(C02)、N2O或O2可以用于提供含氧层的氧。诸如氢气(H2)、氘(D2)、氦(He)或氩(Ar)的载气可以用于这些层中的任何层或所有层。载气可以与气体源预先混合或者在生长时与气体源同时流动。生长温度为约200°C，最高质量的膜在150-250°C的范围内的温度下生长；然而，可以使用在室温到450°C的范围内的生长温度。
[0045]本领域技术人员将理解，所公开的背表面场(BSF)接触的应用不限于具有异质结(HJ)前接触的太阳能电池器件，并且所公开的BSF接触可以与任何已知的(一种或多种)太阳能电池前接触结构结合使用。
[0046]参考图2A和2B，示例性实施例示出了单发射极前接触202，其中P+掺杂区204形成发射极结。发射极接触206穿过抗反射涂层208形成。P+掺杂区204可以用诸如扩散和/或注入的常规技术形成。图2A示出了单面实施例，并且图2B示出了双面实施例。背接触导电层214形成在透明导电氧化物(TCO)材料212上以减小太阳能电池200的背面210上的薄层电阻。TCO层212也可以用作单面结构的前接触中的以及双面结构(图2B)的前接触和背接触中的抗反射涂层(ARC)220。TCO层212也可以与反射性背接触金属电极(214)相结合来增强从单面结构(图2A)的背侧的反射。电极214可以被构图或以其它方式形成为结构216。在单面和双面结构二者中，TCO层212还可以用作抑制金属扩散到薄a-S1:H层中的阻挡物。TCO层212可以包括铟锡氧化物(ITO)或掺铝的锌氧化物(ZnO:A1)，但也可以使用其它透明导电材料。为了使抗反射特性最佳，TCO层212的厚度可以在70-110nm的范围内。
[0047]参考图3A和3B，示出了具有双发射极前接触302的示例性实施例，其中P+掺杂区304形成发射极结，并且p++掺杂区306在具有金属发射极接触308的金属接触区域处钝化c-Si衬底102的发射极表面。ARC310可以由二氧化硅、氮化硅或其组合构成，但也可以使用其它材料。ARC310也可以用于钝化c-Si衬底102的发射极表面。根据本发明原理的BSF结构可以用于形成具有单面结构(图3A)或双面结构(图3B)的太阳能电池。
[0048]图2A-2B和3A-3B所示的异质结太阳能电池包括单面和双面构造的薄本征层类型电池(HIT电池)。在单面结构(图2A和3A)中，背接触电极214、314由毯式(blanket)金属层构成，并且光从电池前面穿过前金属格栅(接触202、308 )进入。在双面结构(图2B和3B )中，背接触电极也由金属格栅216、316构成，由此允许光从两侧(前侧和背侧)进入。
[0049]通过包含层144，在单面和双面这两种类型的电池中，填充因子增大了 2-3% (绝对)或更多，并且总体效率提高了高达2% (相对)。这是因为层144减小了导电层(TCO)212与衬底102之间的有效带偏移，并且消除了通常在光伏电池背侧采用的本征层(例如，ia-S1:H)。在双面结构中，层144将从背侧的光收集提高了高达5%(相对)，并且通过消除吸收而将总体电池效率提高了高达2% (相对)。
[0050]参考图4，使用测试结构402示例性地示出了测得的寿命(秒)(没有俄歇校正)与少数载流子密度(cm_3)之间的关系的曲线430。测试结构402包括衬底404以及n掺杂形式的层144和n掺杂的非晶体层142的对称布置。衬底404被纹理化(texture)并且包括厚度为280微米的n型CZ (Czochralski) c-Si。与衬底404接触的相邻层144包括5nm厚的n+掺杂的c-Si，并且未掺杂的a-S1:H142的厚度也是5nm。曲线430根据图例416示出了少数载流子密度410、特定载流子密度412和表观载流子密度414。曲线430代表光电导衰减并且证明很高的寿命，该寿命接近体极限(如果在相同类型的体材料中测量产生的值)。曲线430表明使用根据本发明原理的嵌入的同质结实现了极佳的表面钝化。
[0051]参考图5，根据本发明原理也可以采用其它结构。例如，图5示出了叉指式背接触(IBC)结构500，其中背表面场(BSF)接触502和发射极接触504沿着衬底506 (例如c_Si)的同一侧的表面交替。结构500可以包括可选的前表面场(FSF)508和ARC510。当衬底为n型时，FSF508可以包括n+掺杂的c-Si层。在该实施例中，BSF接触502包括类似于层144的晶体层512 (例如，n+c-S1:H)、类似于层142的非晶体层514 (例如，n+a-S1:H)、TCO层516和导电接触层518。发射极接触504包括本征层520 (例如，a_S1:H)、p+掺杂的非晶体层(a-S1:H) 522、TCO层516和接触层518。IBC500具有形成于衬底506的同一侧(这意味着前侧或背侧)上的发射极和BSF接触。
[0052]参考图6，框图/流程图示出了根据本发明原理的用于形成光伏器件的方法。在框610中，提供晶体衬底。在框620中，与所述衬底接触地形成发射极接触部分。在框630中，形成背表面场结。在框632中，与所述晶体衬底接触地形成同质结层。该同质结层包括与所述衬底相同的导电类型以及高于所述衬底的活性掺杂密度。活性掺杂密度可以在约IO18到约3X102°cm_3之间的范围内。所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度。所述同质结层可以包括在约I到约25nm之间的范围内的厚度。
[0053]在特别有用的实施例中，形成同质结层包括形成具有5-40原子百分比的氢的氢化单晶或多晶材料。所述氢化单晶或多晶材料优选包括Si，但也可以预期其它材料。
[0054]在框634中，通过等离子体增强化学气相沉积生长同质结层。在框636中，在低于450摄氏度并且更优选在约150到200摄氏度之间的温度下执行等离子体增强化学气相沉积。在框638中，等离子体增强化学气相沉积包括源气体(例如硅烷，如果采用硅)以及稀释气体(例如氢气)，并且采用约为5或更大的源气体与稀释气体的气体比。
[0055]在框640中，在同质结层上形成钝化层。该钝化层可以是未掺杂的或者具有与衬底的掺杂类型相同的掺杂类型。该钝化层可以包括含有与所述同质结层相同的元素的氢化的非晶、纳晶或微晶材料。所述相同的元素可以包括Si，但也可以预期其它材料。钝化层可以包括在约2到约20nm之间的范围内的厚度。所述衬底、同质结层和钝化层优选包括相同的导电类型。
[0056]在框650中，形成背接触层。在框652中，透明导体可以形成在钝化层上。在框654中，导电接触可以形成在透明导体上。该层可以包括反射性材料(例如，尤其在单面实施例中)。在框656中，可以使用光刻等对导电接触进行构图以形成导电指或线，例如在双面器件中。
[0057]已经描述了用于光伏器件的异质结构背表面场中的嵌入结的优选实施例(这些优选实施例旨在示例而并非限制)，应当注意，本领域技术人员可以根据上述教导作出修改和改变。因此，应当理解，可以在由所附权利要求书限定的本发明的范围内在所公开的具体实施例中作出改变。由此已经描述了专利法所要求的具有细节和特殊性的本发明的方面，在所附的权利要求中阐述了受专利证书保护的所要求保护的和所希望的本发明的方面。
【权利要求】
1.一种光伏器件，包括: 晶体衬底； 与所述衬底接触地形成的发射极接触部分；以及 背表面场结，所述背表面场结包括: 与所述晶体衬底接触的同质结层，所述同质结层具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度；以及 与所述衬底相对地且与所述同质结层接触地形成的钝化层，所述钝化层是掺杂的或未掺杂的。
2.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述同质结层包括氢化的单晶或多晶材料。
3.根据权利要求2所述的光伏器件，其中所述氢化的单晶或多晶材料包括具有5-40原子百分比的氢的Si。
4.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述钝化层包括含有与所述同质结层相同的元素的氢化的非晶、纳晶或微晶材料。
5.根据权利要求4所述的光伏器件，其中所述相同的元素包括Si。
6.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述同质结层具有在约IO18到约3X102°cm_3之间的范围内的活性掺杂密度。
7.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述同质结层包括约I到约25nm之间的范围内的厚度。
8.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述钝化层包括约2到约20nm之间的范围内的厚度。
9.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述衬底、所述同质结层和所述钝化层包括相同的导电类型。
10.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述晶体衬底包括单晶体或多晶体衬底。
11.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述发射极接触部分和所述背表面场结被配置为形成双面器件。
12.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述发射极接触部分和所述背表面场结以叉指式布置形成所述衬底的同一侧上。
13.一种光伏器件，包括: 由单晶体或多晶体材料构成的衬底； 与所述衬底接触地形成的发射极接触部分；以及 背表面场结，所述背表面场结包括: 与所述衬底接触的同质结层，所述同质结层包括氢化的单晶或多晶材料并具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度； 与所述衬底相对地且与所述同质结层接触地形成的钝化层，所述钝化层是掺杂的或未掺杂的；以及 导电接触部分。
14.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述同质结层包括5到40原子百分比的氢。
15.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述氢化的单晶或多晶材料包括Si。
16.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述钝化层包括含有与所述同质结层相同的元素的氢化的非晶体材料。
17.根据权利要求16所述的光伏器件，其中所述氢化的非晶体材料包括氢化的非晶Si。
18.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述同质结层具有在约IO18到约3X IO20Cm-3之间的范围内的活性掺杂密度。
19.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述同质结层包括约I到约25nm之间的范围内的厚度。
20.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述钝化层具有约2到约20nm之间的范围内的厚度。
21.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述衬底、所述同质结层和所述钝化层包括相同的导电类型。
22.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述发射极接触部分和所述背表面场结被配置为形成双面器件。
23.根据权利要求13所述的光伏器件，其中所述发射极接触部分和所述背表面场结以叉指式布置形成所述衬底的同一侧上。
24.一种光伏器件，包括: 发射极； 掺杂的单晶体或多晶体Si衬底，其耦合到所述发射极； 掺杂的晶体层，其与所述发射极相对地直接形成在所述衬底上并且具有氢化的单晶或多晶Si材料，包括在约IO18到约3X 102°cm_3的范围内的活性掺杂密度以及约I到25nm之间的厚度；以及 掺杂的氢化非晶体材料，其形成在所述掺杂的晶体层上，包括在约2到约20nm的范围内的厚度，其中所述衬底、晶体层和非晶体材料包括相同的掺杂剂导电性。
25.根据权利要求24所述的光伏器件，其中所述掺杂的晶体层和所述衬底形成嵌入的同质结。
26.一种形成光伏器件的方法，包括: 提供晶体衬底； 与所述衬底接触地形成发射极接触部分；以及 通过如下步骤形成背表面场结: 与所述晶体衬底接触地形成同质结层，所述同质结层具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度；以及 形成钝化层，所述钝化层与所述衬底相对地形成在所述同质结层上并且是未掺杂的或者具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型。
27.根据权利要求26所述的方法，其中形成所述同质结层包括形成氢化的单晶或多晶材料，所述氢化的单晶或多晶材料具有5-40原子百分比的氢。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述氢化的单晶或多晶材料包括Si。
29.根据权利要求26所述的方法，其中形成所述钝化层包括形成含有与所述同质结层相同的元素的氢化的非晶、纳晶或微晶材料。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述相同的元素包括Si。
31.根据权利要求26所述的方法，其中所述同质结层具有在约1O18到约3X102°cm_3之间的范围内的活性掺杂密度。
32.根据权利要求26所述的方法，其中所述同质结层包括约I到约25nm之间的范围内的厚度。
33.根据权利要求26所述的方法，其中所述钝化层具有在约2到约20nm之间的范围内的厚度。
34.根据权利要求26所述的方法，其中形成所述同质结层包括通过等离子体增强化学气相沉积生长所述同质结层。
35.根据权利要求34所述的方法，其中在低于450摄氏度下进行所述等离子体增强化学气相沉积。
36.根据权利要求34所述的方法，其中所述等离子体增强化学气相沉积包括源气体和稀释气体，所述源气体包括硅烷，所述稀释气体包括氢气。
37.根据权利要求34所述的方法，其中所述等离子体增强化学气相沉积包括为约5或更大的源气体与稀释气体的气体比。
38.根据权利要求26所述的方法，还包括在所述钝化层上形成透明导体。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括在所述透明导体上形成导电接触。
40.根据权利要求39所述的方法，还包括对所述导电接触进行构图以形成用于双面器件的导电指。
41.一种形成光伏器件的方法，包括: 提供晶体衬底； 与所述衬底接触地形成发射极接触部分；以及 通过如下步骤形成背表面场结: 与所述晶体衬底接触地形成同质结层，所述同质结层包括氢化的单晶或多晶材料并具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型以及比所述衬底的活性掺杂密度高的活性掺杂密度，其中所述同质结层包括小于少数载流子在该同质结层中的扩散长度的厚度；以及与所述衬底相对地在所述同质结层上形成包括与所述同质结层相同的元素的氢化的非晶、纳晶或微晶材料作为钝化层，所述钝化层是未掺杂的或者具有与所述衬底的导电类型相同的导电类型。
42.根据权利要求41所述的方法，其中形成所述同质结层包括5到40原子百分比的氢。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述氢化的单晶或多晶材料包括Si。
44.根据权利要求41所述的方法，其中所述同质结层、所述钝化层和所述衬底包括Si。
45.根据权利要求41所述的方法，其中所述同质结层被掺杂成具有在约IO18到约3X 1O20Cm-3之间的范围内的活性掺杂密度。
46.根据权利要求41所述的方法，其中所述同质结层包括约I到约25nm之间的范围内的厚度。
47.根据权利要求41所述的方法，其中所述钝化层具有在约2到约20nm之间的范围内的厚度。
48.根据权利要求41所述的方法，其中形成所述同质结层包括通过等离子体增强化学气相沉积生长所述同质结层。
49.根据权利要求48所述的方法，其中利用包括硅烷的源气体和包括氢气的稀释气体在低于450摄氏度下进行所述等离子体增强化学气相沉积，源气体与稀释气体的气体比为约5或更大。
50.一种形成光伏器件的方法，包括: 提供掺杂的单晶体或多晶体Si衬底； 在所述衬底上形成发射极； 直接在所述衬底上形成具有氢化的单晶或多晶Si材料的掺杂的晶体层，所述掺杂的晶体层包括在约IO18到约3X102°cm_3的范围内的活性掺杂密度以及约I到25nm之间的厚度；以及 形成掺杂的氢化非晶体材料，所述掺杂的氢化非晶体材料形成在所述掺杂的晶体层上并包括在约2到约20nm的范围内的厚度，其中所述衬底、晶体层和非晶体材料包括相同的掺杂剂导电性。
【文档编号】H01L31/068GK103681905SQ201310439847
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2012年9月25日
【发明者】陈自强, B·海克麦特朔塔巴里, D·K·萨达那, D·沙赫莉亚迪 申请人:国际商业机器公司