具有纹理化表面的光电设备及其制造方法与流程

本发明大体上涉及光电设备的制造和结构。具体地，本发明涉及光伏太阳能电池中转换效率的增强以及光学损失的减少。更具体地，本发明涉及具有纹理化表面的光伏太阳能电池。

背景技术：

光电设备，具体地，光伏太阳能电池依赖于用于产生电荷载流子的光子的吸收。大多数光伏太阳能电池使用p-n结形式的半导体材料。p-n结能够收集电荷载流子并且产生电力。

然而，由于尤其在半导体材料表面上的电荷载流子的复合，至少就某些部分而言，光伏太阳能电池的转换效率因复合损失而受限制。表面钝化必然使得半导体材料表面处的悬空键钝化。薄膜通常涂覆在用于钝化半导体材料的暴露表面上。不同的材料皆可用于表面钝化。例如，诸如热生长二氧化硅或氮化硅等电介质材料通常用于pv行业。还可以使用具有比散装半导体更宽带隙的半导体材料。例如，固有不定形氢化硅可用于钝化晶体硅。钝化层的厚度通常包括一纳米与几十纳米之间，以避免钝化层吸收光。

由于光伏(pv)电池的前表面和/或后表面的反射，所以pv太阳能电池的转换效率还受光学损失的限制。

在本文件中，光电设备的前侧指暴露于入射光束的一侧，诸如，太阳能电池中的太阳光、或者在光电二极管检测器上待检测到的入射光束等。光电设备的背侧与前侧相对。

抗反射涂层或arc通常用于减少入射光在前表面上的反射(参见us2011/0097840)。arc可在单个薄电介质层中或多层堆栈中构成。每层arc的厚度和折射指数被选择为使得在每个表面或界面上反射的光束之间建立破坏性地干扰，以降低整体反射的射束强度。例如，可以使用包括硫化锌(zns)层和氟化镁(mgf)层的双层抗反射涂层。可替代地，具有可变折射指数的两层氮化硅也能够用作抗反射涂层。

表面纹理化也可用于减少尤其前表面上发生的光反射。而且，纹理化薄太阳能电池的表面使得光在薄太阳能电池内能够发生多程全内反射。因此，表面纹理化还增强了太阳能电池内的光陷阱。光陷阱增加了入射光子在太阳能电池内的光程长度。特别是对于薄的设备而言，因为硅内近红外光子的吸收需要比电池厚度更大的光程长度，所以通过增加太阳能电池内的光陷阱而表面纹理化，由此增加光吸收和电荷载流子的产生。

在过去，已经针对表面纹理化采用了各种技术。这些纹理化技术可被分类成湿蚀刻和干蚀刻工艺。具体地，单晶硅衬底的各向异性湿蚀刻优先沿着某些结晶学方位蚀刻。因此，硅的蚀刻会导致形成由随机分布的棱锥构成的纹理化表面，其中，棱锥的顶部突出至衬底之外。诸如等离子蚀刻等其他纹理化工艺可产生其他类型的表面纹理化，诸如，逆向型棱锥等，其中，棱锥的顶部被定位成朝向散装硅衬底(参见p.rocaicabarrocasetal.,“methodoftexturingthesurfaceofasiliconsubstrate,andtexturedsiliconsubstrateforasolarcell”,us2012/0146194并且参见a.mavrokefalosetal.,“efficientlighttrappingininvertednanopyramidthincrystallinesiliconmembranesforsolarcellapplications”,nanolett.,2012,12,2792-2796)或者硅纳米线或硅纳米椎体(参见sangmoojeongetal.“all-back-contactultra-thinsiliconnanoconesolarcellwith13.7％powerconversionefficiency”,naturecomm.,2013,doi:10.1038/ncomms3950)。

而且，还可结合湿蚀刻或干蚀刻采用掩模技术，以产生周期性表面纹理化。通过干蚀刻或湿蚀刻的纳米压印的纳米结构能够在太阳能电池的表面处形成光子结构或周期性逆向棱锥。

由于显影表面更高并且由于存在不均匀性，所以纹理化表面的表面钝化，例如，棱锥形表面，比平坦表面的表面钝化更为复杂。

太阳能电池的结构大体上依赖于同质结或异质结类型的平面结点。丝网印刷太阳能电池与埋入接栅太阳能电池提供前表面上的金属网格触点与后触点。在该设备中，跨设备厚度形成p-n结。相反，后触点或叉指背接触(ibc)太阳能电池将两个电极放置于后表面上，由此消除前侧上的阴影损失。在ibc结构中，p-n结形成在太阳能电池的背侧附近。已经提出了诸如径向结硅纳米线等其他类型的结点，其中，每个硅纳米线均具有径向掺杂轮廓，由此形成径向p-n结。

因此，具有纹理化表面的太阳能电池设备大体上表现出比具有平坦表面的太阳能电池更高的复合损失。这些复合损失一般归因于纹理化表面的不均匀性和/或未完成的钝化。已经表明构成径向p-n结的规则阵列的硅纳米线增加入射太阳能辐射的光程为高至因数73，但是，在光陷阱、提供改进吸收性的优点和表面复合的缺点之间存在竞争性(参见erikgarnettandpeidongyang“lighttrappinginsiliconnanowiresolarcell”,nanolett.,2010,10,1081-1087orf.prioloetal.“siliconnanostructuresforphotonicsandphotovoltaics”,naturecomm.,january2014,doi:10.1038/nnano.2013.271)。

已经提出了大体上在不增加与纳米结构相关联的复合的情况下而增强太阳能电池的光吸收的其他表面修正方案。具体地，硅衬底上形成的针状结构产生提供高度吸收入射光的所谓黑硅表面(参见jinhunoh,hao-chihyuanandhowardm.branz“an18.2％-efficientblack-siliconsolarcellachievedthroughcontrolofcarrierrecombinationinnanostructures”,naturenanotechnology,vol.7,2012,pp.743-748)。通过表面面积的同步控制以及光与阴影掺杂能够抑制螺旋钻复合。然而，针状结构表面的钝化比较困难。因此，纳米结构硅太阳能电池的表面复合仍存在问题。

文献us2013/0291336a1公开了在太阳能电池的前侧表面上形成氧化锌或氧化镁锌纳米棒阵列、在纳米棒上形成保护层、这些纳米棒具有高长宽比和几微米的长度。根据us2013/0291336a1，纳米棒阵列导致在宽太阳光波长范围和宽入射角范围内的低反射率，由此致使太阳光的吸收增加，并且转而与具有常规arc层的太阳能电池相比较，太阳能电池效率更高。

技术问题

因此，需要诸如太阳能电池的光电设备，在不增加电荷载流子的表面复合的情况下，提供增强的光陷阱。

具体地，需要在不增加电荷载流子的表面复合的情况下进一步提高太阳能电池效率并且进一步增加太阳能电池对入射光的吸收。

技术实现要素：

根据公开的主题，提供光电设备和太阳能电池结构及其制造方法。

更精确地，本发明由此提供一种半导体光电设备，包括具有表面的半导体衬底。

根据本发明，所述光电设备包括分层界面和纹理化表面结构，分层界面包括至少一层，所述分层界面具有与所述半导体衬底的所述表面接触的第一表面并且所述分层界面被适配成用于钝化所述半导体衬底的所述表面，所述分层界面具有第二表面并且所述分层界面被适配成用于使所述第一表面与所述第二表面电绝缘；以及所述纹理化表面结构包括多条纳米线和透明电介质涂层，所述纹理化表面结构与所述分层界面的所述第二表面接触，所述多条纳米线从所述第二表面突出，并且所述多条纳米线嵌入在所述第二表面与所述透明电介质涂层之间。

该光电设备在不增加电荷载流子的表面复合的情况下提供增强的光陷阱。更精确地，通过入射光在纹理化表面结构上的散射而增强光陷阱，但是，表面复合由于提供衬底与纹理化表面结构的纳米线之间的电绝缘的分层界面而不增加。纳米线与透明电介质涂层形成纹理化表面结构。纹理化表面结构由于覆盖纳米线的透明电介质涂层而减少光吸收。而且，纹理化表面结构的光学反射率也由于此透明电介质涂层、分层界面、以及纳米线的复合而降低。因此，半导体衬底吸收的光增加。

根据本发明的第一实施方式，所述分层界面包括钝化层和透明电介质层，所述分层界面的所述第一表面是所述钝化层的表面，并且所述分层界面的所述第二表面是所述透明电介质层的表面，所述钝化层与所述透明电介质层的另一表面接触，并且所述透明电介质层与所述半导体衬底的所述表面分离。

根据该第一实施方式的具体方面，所述钝化层包括不定形氢化硅层并且所述透明电介质层包括氮化硅、氧化硅或氧化铝的层。

根据本发明的另一实施方式，所述分层界面包括单个钝化和电绝缘层。

根据该实施方式的具体方面，所述单个钝化和电绝缘层包括氮化硅、氧化硅或氧化铝的层。

根据本发明的另一具体方面，所述分层界面中的所述至少一层和所述透明电介质涂层具有选定为使得所述分层界面、所述多条纳米线以及所述透明电介质涂层共同形成抗反射涂层的相应厚度和折射指数。

根据本发明的具体方面，所述钝化层、所述透明电介质层、所述单个钝化和电绝缘层和/或所述透明电介质涂层具有包括在2纳米与300纳米之间的厚度，优选地，10纳米与200纳米之间。

根据本发明的具体实施方式，所述半导体衬底的所述表面在至少测微计的尺度区域内是平坦的。

根据本发明的另一具体实施方式，所述半导体衬底的所述表面包括显微结构的纹理化表面。

根据本发明的具体方面，所述多条纳米线在所述电介质层上具有随机性或周期性空间分布。

根据本发明的具体方面，所述多条纳米线在所述电介质层上具有随机性或周期性空间分布。

根据本发明的具体方面，所述衬底包括单晶硅衬底或微晶硅衬底或多晶硅衬底。

优选地，所述多条纳米线包括多条硅或氧化锌纳米线。

根据本发明的具体方面，涂覆所述电介质涂层的所述纳米线具有包括在20纳米与200纳米之间的高度、包括在20纳米与50纳米之间的直径、包括在10⁷cm^-2与10⁹cm^-2之间的密度、和/或包括在1与100之间的长宽比。

具体地，该光电设备可包括太阳能电池、光电二极管、或光检测器。

本发明还涉及一种光电设备的制造方法，包括下列步骤：

a)提供具有表面的半导体衬底；

b)在所述衬底表面上形成包括至少一层的分层界面，第一表面具有的所述分层界面与所述半导体衬底的所述表面接触，并且所述分层界面被适配成用于钝化所述半导体衬底的所述表面，所述分层界面具有第二表面并且所述分层界面被适配成用于使所述第一表面与所述第二表面电绝缘；

c)形成从所述分层界面的所述第二表面突出的多条纳米线；以及

d)在该多条纳米线上形成透明电介质涂层，使得所述多条纳米线嵌入在所述分层界面的所述第二表面与所述透明电介质涂层之间。

该方法能够在不增加电荷载流子的表面复合的情况下制造诸如具有增加陷阱和光吸收特性的太阳能电池等光电设备。

由于仅需要很少的额外步骤，所以该方法容易被实施成常规的太阳能电池制造方法。

在温度低于500℃时，优选地，低于450℃时，在低温等离子体反应器中能够实现本发明的方法，

根据本发明中的方法的具体方面，在所述电介质层上形成多条纳米线的步骤c)包括下列步骤：

e)在所述分层界面的所述第二表面上蒸发金属催化剂薄层；

f)将金属催化剂薄层暴露于氢等离子体用于形成金属催化剂微滴；

g)使用蒸液固法从金属催化剂微滴生长纳米线；

h)移除金属催化剂微滴。

根据具体方面，所述步骤b)包括：

b1)在半导体衬底的所述表面上形成用于钝化所述半导体衬底表面的钝化层；以及

b2)在所述钝化层上形成透明电介质层，所述透明电介质层与所述钝化层接触，并且所述透明电介质层与所述半导体衬底的所述表面分离。

附图说明

仅出于非限制性示出目的给出该描述，并且当参考所附附图时，能够更好地理解该描述，其中：

图1表示在电介质包覆层沉积之前的中间制造步骤太阳能电池结构的横截面；

图2表示根据本发明的第一实施方式的太阳能电池结构的横截面；

图3示意性地表示根据本发明的太阳能电池的制造方法；

图4表示作为硅纳米线生长温度的函数的有效载流子寿命的测量；

图5表示分别具有电介质层无纳米线(平直线)、具有纳米线且纳米线上无电介质涂层(虚线)、具有纳米线且纳米线上具有不同厚度的电介质涂层(对于黑色圆圈而言，为20nm，并且相应地对于白色圆圈而言，为50nm)的各个太阳能电池结构的吸收光谱的测量。

具体实施方式

设备

图1示意性地表示在用于包覆纳米线的透明电介质涂层沉积之前，在中间制造步骤中的根据本发明的第一实施方式的太阳能电池结构的横截面沉积。

太阳能电池包括具有前表面20和后表面30的半导体衬底1。前表面20暴露于入射的太阳光并且后表面30大体与前表面平行。半导体衬底1包括同质结或异质结设备(此处未示出)。

例如，半导体衬底1选自于单晶硅(c-si)衬底或诸如微晶硅(μc-si)、多晶硅、硒化铜铟镓(cigs)、以及碲化镉(cdte)等其他半导体材料。优选地，半导体衬底1包括单晶硅衬底或微晶硅或多晶硅。例如，半导体衬底1由双面打磨的硅晶圆构成。

太阳能电池包括半导体衬底的前侧表面20上的分层界面和该分层界面上的纹理化表面结构。

如此处使用的，术语“表面上的层”指：不管形成所述层的沉积或生长工艺如何，该层与此表面接触沉积。

分层界面具有第一表面21和第二表面23。分层界面的第一表面21与前侧表面20接触。分层界面选择为使得该分层界面钝化半导体衬底1的前侧表面20。而且，分层界面被配置为使得第一表面21与第二表面23电绝缘。

在图1和图2示出的第一实施方式中，分层界面包括钝化层2和透明电介质层3。

在图1的示例性示图中，太阳能电池包括位于半导体衬底1的表面20上的钝化层2。钝化层2可以是诸如氢化不定形硅(a-si:h)等半导体层。可替代地，钝化层2可以是氢化不定形氧化硅(a-siox:h)、氧化铝(alox)、碳化硅、或二氧化硅的电介质层。

该钝化层2的厚度一般包括在2纳米与20纳米之间。

优选地，钝化层2包括具有约4纳米的厚度的氢化不定形硅(a-si:h)层。

在该实施方式中，分层界面的第一表面21是钝化层2的表面，即，位于半导体衬底的表面20上。

钝化层2能够通过化学和物理方式中和晶体硅表面20处的不饱和悬空键。而且，钝化层2能够减少电荷载流子在半导体衬底表面处发生的中和或复合。

在图1中，太阳能电池包括位于半导体衬底1的背侧表面30上的另一钝化层12。该钝化层12一般包括作为前表面的钝化层2的同一材料层，诸如，不定形氢化硅(a-si:h)等。该钝化层12的厚度一般包括在2纳米与至少30纳米之间，并且优选地，20纳米左右。

同样，钝化层12能够通过化学和物理方式中和晶体硅后表面30的不饱和悬空键。

太阳能电池还包括位于前表面的钝化层2上的透明电介质层3。透明电介质层3包括例如单层氮化硅(sinx,a-sinx:h)、或二氧化硅(sio2)、或氧化铝。

在该实施方式中，分层界面的第二表面22是透明电介质层3的表面，该表面22与钝化层2分离。钝化层2与该透明电介质层3的另一表面22接触。

透明电介质层3被配置为提供其表面22与其表面23之间的电绝缘。因此，分层界面在提供半导体衬底的表面20与该分层界面的第二表面23之间的电绝缘的同时提供半导体衬底的表面20的钝化。

太阳能电池进一步包括位于分层界面的第二表面23上的纹理化表面结构。

更精确地，该纹理化表面结构包括纳米线4。纳米线形成在分层界面的第二表面23上。

在图1和图2的实施例中，纳米线4位于电介质层3的表面23上。

例如，纳米线4由硅、氧化硅、氧化锌、或在低温下生长的纳米线制成，优选地，温度低于500℃，例如，使用汽-液-固法。纳米线的长度一般包括在20纳米与200纳米之间。纳米线的直径一般包括在2纳米与50纳米之间。

一般地，纳米线4从下层分层界面的第二表面23突出，纳米线4的一个极端与第二表面23接触，并且至少所述纳米线的另一部分距该第二表面23一定距离并且由此突出。因此，每个纳米线4的极端均与分层界面的第二表面23接触。在图1和图2的实施例中，纳米线与电介质层3接触。然而，纳米线4并不与钝化层2接触。因此，纳米线4与钝化层2并且与半导体衬底1的表面20电绝缘。该配置避免了在半导体衬底1的钝化表面上引入缺陷。

多条纳米线4可具有相对于分层界面的第二表面23随机分布的定向。

在示出的实施例中，纳米线4是直的；然而，在本公开的范围内，可以设想其他的形状。优选地，纳米线4具有自分层界面的第二表面23的法线至相对于分层界面的第二表面23的法线形成高达85度以上的角的倾斜定向的定向。在实施例中，纳米线4竖直对准，即，此处指纳米线与局部表面的法线平行。

纳米线的密度包括在10⁷cm^-2与10⁹cm^-2之间，例如，10⁸cm^-2。

纳米线的空间分布是随机的。可替代地，纳米线的空间分布是周期性的，例如，遵循具有中心到中心距离为600nm的六边形图案。

图2表示根据本发明的第一实施方式的太阳能电池设备的示例性结构。太阳能电池包括分层界面和分层界面的第二表面23上的纹理化表面结构。

纹理化表面结构包括纳米线4和纳米线4上的电介质涂层5。例如，电介质涂层5包括氮化硅(sinx)层或二氧化硅(sio2)层。电介质涂层5的厚度包括在10纳米与300纳米之间，并且优选地，在20nm与50nm之间。电介质涂层5覆盖纳米线4并且一般还覆盖在所述纳米线4之间的电介质层3的表面。

该电介质涂层5被选定为透明的，以减少由于设备表面的吸收而产生的可能光学损失。

因此，纳米线4完全嵌入在分层界面的第二表面23与电介质涂层5之间。换言之，纳米线4形成支持电介质涂层5的骨架。因此，形成电介质涂覆的纳米线。

在第一实施方式的情况下，纳米线4嵌入在分层界面的电介质层与电介质涂层5之间。

纹理化表面结构与分层界面的第二表面23接触。纹理化表面具有另一表面25，即，电介质涂层5的表面。该表面25是太阳能电池设备的前表面。

通过在携带电介质涂覆的纳米线的设备侧面上接收入射光而操作光电设备。入射光入射在纹理化表面结构的表面25上。因此，入射光入射在电介质涂覆的纳米线上。电介质涂覆的纳米线将入射光衍射至半导体衬底1中并且由此增强半导体衬底1内的光陷阱。

一方面，光电设备的结构能够分离与设备的表面反射率有关的光学特性，另一方面，能够分离与半导体衬底1的表面20的钝化有关的所述设备的电特性。

更精确地，纹理化表面结构提供表面粗糙度，即，能够在不增加设备的该表面上的光吸收的情况下减少表面反射。纳米线4形成用于支持透明电介质涂层5的结构。透明电介质涂层5能够降低包括所述纳米线的纹理化表面结构的光学反射率。电介质涂层5优选由在考虑光谱范围内为透明的材料制成。例如，在太阳能电池应用中，电介质涂层5至少在自350nm延伸至1000nm的光谱范围内透明。

电介质涂覆的纳米线的尺度一般低于入射光波长。这确保了入射在硅纳米线4上的入射光发生衍射。例如，氮化硅涂覆的纳米线具有105nm的平均长度、425nm的直径。此处，将电介质涂覆的纳米线的长宽比限定为这些电介质涂覆的纳米线的高度与直径之间的比例。在上述实施例中，电介质涂覆的纳米线长宽比等于105/425＝0.247。优选地，电介质涂覆的纳米线的长宽比包括在0.5与100之间。

因此，电介质涂覆的纳米线能够在提供低吸收并且将入射光衍射至半导体衬底的同时降低表面反射系数。

因此，该纹理化表面结构提供增加光电设备内的光陷阱的表面纹理化，例如，太阳能电池内的光陷阱。

纳米线可以在低温下形成，一般小于500℃，由此保留半导体衬底中电子突触的电特性。

电介质层3的厚度一般包括在1纳米与100纳米之间。例如，电介质层3是具有100纳米厚度的二氧化硅(sio2)层。

纳米线4与半导体衬底1之间的电介质层3提供纳米线与半导体衬底1之间、或纳米线4与钝化层2之间的电绝缘。而且，电介质层3通过物理方式分离半导体衬底的钝化表面与通过纳米线4提供的粗糙度。

尤其对于具有平坦表面的半导体衬底而言，钝化层2能够接近完善半导体衬底1的表面的表面钝化。由于超细(一般小于20nm)，所以钝化层2几乎不吸收任何光，因此，穿过所述钝化层2的光到达半导体衬底1。然后，入射光在半导体衬底的电子突触内产生电荷载流子。

优选地，电介质涂层5的电介质层3和/或钝化层2的厚度与折射指数被选择为使得在入射光束的所需波长范围内形成抗反射堆。因此，电介质层3、5和/或钝化层2构成抗反射涂层(arc)。

而且，令人惊讶的是，此处公开的太阳能电池结构增强了前表面钝化。

在分层界面上具有纹理化表面结构的太阳能电池能够增加光陷阱和低表面复合两者。分层界面提供半导体衬底的表面钝化以及与该半导体衬底的电绝缘。该结构能够将表面的光学性质与半导体衬底的电钝化去耦合。

在变形中，电介质层3可提供梯度曲线作为该层厚度的函数。在此变形中，该电介质层3仍具有与分层界面的第一表面21电绝缘的第二表面23。包括纳米线的纹理化表面结构仍在该电介质层3的第二表面23上。

在另一变形中，分层界面包括第一电介质层3上的其他透明层。例如，分层界面包括钝化层2上的电介质层的多层堆栈。然而，分层界面仍提供了第一表面21和第二表面23。在这种情况下，第二表面32是多层堆栈的顶表面。如上面详述的第一实施方式，第一表面21与半导体衬底1的表面20接触，使半导体衬底1的表面20与第二表面23钝化的分层界面与第一表面21电绝缘。包括纳米线的纹理化表面结构还位于此分层界面的该第二表面23上。

在另一实施方式中(此处未示出)，分层界面包括单个界面层，而非位于钝化层2上的电介质层3。在这种情况下，分层界面仍提供第一表面21和第二表面23，即，同一界面层的两个表面。该界面层在半导体衬底表面20上，并且包括纳米线的纹理化表面结构在该界面层的第二表面23上。在这种情况下，该界面层由提供第一表面21与第二表面23之间的电绝缘并且还具有用于钝化半导体衬底1的表面20的钝化特性的电介质材料制成。例如，单个界面层可由氧化硅制成。界面层的厚度一般包括在1纳米与100纳米之间。例如，电介质界面层是具有100纳米的厚度的二氧化硅(sio2)层。

在该实施方式中，单个界面层同时提供半导体衬底的表面钝化与半导体衬底和纳米线4之间的电绝缘。

光电设备进一步包括沉积或生长在此单个界面层上的纳米线4、以及覆盖所述纳米线的透明电介质涂层5。

如同第一实施方式，纳米线4提供支持透明电介质涂层5的纹理化表面。该电介质涂层5能够降低表面反射率。被涂覆的纳米线在该纹理化表面处不产生吸收损失的情况下将入射光衍射至衬底中。

优选地，该单个界面层3的和电介质涂层5的厚度和反射指数被选择为使得在入射光束的所需波长范围内形成抗反射堆。因此，电介质层3和5形成抗反射涂层。

在该实施方式的变形中，形成分层界面的界面层可提供梯度曲线作为该层厚度的函数。

在提供半导体衬底的电绝缘与表面钝化的分层界面上具有纹理化表面结构的太阳能电池既提供高的光陷阱、又提供低表面复合。太阳能电池的该架构还能够从半导体衬底的电钝化去耦合表面的光学特性。

总之，太阳能电池包括用于通过形成钝化表面而钝化半导体衬底并且用于将所述钝化表面与利用电介质涂覆的纳米线纹理化的表面电绝缘的至少一个界面层。

因此，此处公开的设备向半导体衬底同时提供由于纳米线的粗糙表面纹理和钝化表面。此架构能够降低暴露于入射光的表面的光学反射率，同时，限制利用纳米线被纹理化的粗糙表面的光学吸收。同时，该架构能够在不增加在半导体衬底表面电荷载流子的复合的情况下增加半导体衬底对光的吸收。

此处公开的设备也具体适配于ibc类型太阳能电池，其中，电触点位于衬底的背侧上。

在上面详述的实施例中，分层界面和纹理化表面结构位于其上的衬底表面20是平坦表面。

可替代地，衬底前表面20可包括显微结构，这些显微结构包括显微镜可见水平的平坦表面。例如，衬底前表面20可包括提供平坦刻面的棱锥或逆向棱锥形状的显微结构。在显微结构衬底的情况下，分层界面沉积在纹理化表面上，并且包括纳米线的纹理化表面结构形成在分层界面的平坦表面上。显微镜可见水平的表面纹理与纳米计水平的纳米的组合能够进一步增强太阳能电池结构内的光陷阱。由电介质涂覆的纳米线制成的纹理化表面结构将光衍射至半导体衬底中并且显微镜可见水平的纹理化表面有助于进一步增强光陷阱。

方法

太阳能电池制造方法的具体实施例详述如下。

选择单晶硅(c-si)晶圆作为半导体衬底1。

半导体衬底1可以是双侧打磨衬底。可替代地，半导体衬底1可具有显微镜可见尺寸的平坦表面的纹理化前表面，例如，棱锥或逆向棱锥形状。

一般地，衬底包括此处未描述的同质结或异质结类型的电子突触。

a.裸衬底表面的清洁

例如，在湿蚀刻工艺中，利用具有包括5％氢氟酸(hf)的溶液清洁c-si晶圆的表面20、30至少30秒。

b.形成分层界面

分层界面形成在半导体衬底1的表面20上。

在具体实施方式中，按照两步骤执行此步骤b：

-b1钝化层的沉积

至少一个钝化层2沉积在c-si晶圆的前侧上。优选地，钝化层2沉积在前侧20上并且另一钝化层122沉积在c-si晶圆1的背侧30上。例如，在低温下，例如，在175℃时，在等离子体反应器中，通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)可以沉积钝化层2、12。出于示出性之目的，将20nm厚的a-si:h钝化层2沉积在前侧表面20上并且将50nm厚的a-si:h钝化层12沉积在后侧表面30上。

-b2电介质层的沉积

下一步骤包括将电介质层3沉积在前侧上，例如，沉积在前侧钝化层2上。例如，电介质层3所使用的材料是不定形氢化氮化硅(a-sinx:h)或二氧化硅(sio2)。在室温下，在等离子体反应器中或通过原子层沉积(ald)可以沉积电介质层3。从光谱椭圆对称)测量判断电介质层的厚度。该电介质层的厚度包括在20nm与200nm之间。

在变形中，电介质层沉积的此步骤b2)包括具有梯度指数曲线的电介质层的沉积。

可替代地，在半导体衬底表面上沉积钝化层的步骤b1)和在钝化层上沉积电介质层的b2)可以被界面层沉积的步骤所取代，所述界面层既是钝化材料又是电绝缘材料，诸如，二氧化硅(sio2)等。

在变形中，形成分层界面的此步骤包括被适配成用于钝化半导体衬底并且用于提供与半导体衬底电绝缘的表面的界面层，还包括沉积具有梯度指数曲线的界面层。

在又一变形中，形成分层界面的步骤b进一步包括在电绝缘层上沉积一个或多个其他透明层。

在任何情况下，分层界面均具有与半导体衬底的表面20接触的第一表面21和是分层界面的顶表面的第二表面，该第二表面与该第一表面电绝缘。此外，在任何情况下，分层界面均提供在其上形成该分层界面的半导体衬底表面20的表面钝化。

下列步骤涉及纹理化表面结构在分层界面上，更精确地，在分层结构的第二表面上的形成。

c.多条纳米线的形成

优选地，使用vls(汽-液-固)法生长纳米线。

e)超薄层金属催化剂的沉积

非常薄层的低熔点金属催化剂沉积在分层界面的第二表面23上。例如，在图1和图2示出的第一实施方式中，该薄层金属催化剂沉积在电介质层3上。

在室温下，通过蒸发或电子束蒸发可以沉积金属催化剂。低点金属催化剂可以选自于锡(sn)、铟(in)、或铋(bi)。

作为可选项，在掩模步骤之前或之后，可以执行超薄膜金属催化剂的沉积的此步骤，以允许低熔点金属催化剂仅沉积在衬底的某些确定区域上。例如，可以使用掩模处理在分层界面的第二表面23上产生金属催化剂的周期性图案，在之后步骤中，移除掩模。在优选实施方式中，使用具有中心到中心距离为600nm的六边形掩模生长硅纳米线。

f)金属催化剂微滴的形成

将氢等离子体应用于薄层低熔点金属催化剂在分层界面的第二表面32上产生纳米计尺寸的金属微滴。氢等离子体条件可以是：100sccm的流率、0.6torr的压力、金属熔点温度以上的温度(例如，250℃)、50w的无线电频率功率(例如，持续10min)。

g)纳米线的合成

等离子体增强汽-液-固(vls)法可用于纳米线的合成。低熔点催化剂允许将纳米线生长过程的温度降至425℃或以下。例如，在下列实验条件下可以获得硅纳米线：作为前驱物气体的硅烷(sih4)和作为运载气体的氢气(h2)的气体混合物、相应的硅烷流率为10sccm并且氢气流率为100sccm、总压为1torr、温度425℃、无线电频率功率为2w、持续时间2min。因此，从液态金属催化剂微滴生长硅纳米线。

如图1中示出的，硅纳米线4从分层界面的第二表面23突出。

硅纳米线的长度和直径一般包括在20nm与200nm之间。纳米线的长宽比选自于在1与100之间并且优选地低于10。

h)移除金属催化剂

从作为生长纳米线的表面移除剩余的金属催化剂。例如，以100sccm的流率、0.6torr的压力、250℃的温度、5w的无线电频率功率、30min持续时间，通过应用氢等离子体移除剩余的金属催化剂微滴。

d.通过透明电介质涂层涂覆纳米线

透明电介质涂层5沉积在纳米线4上。例如，电介质涂层5所使用的材料是不定形氢化氮化硅(a-sinx:h)或二氧化硅(sio2)。，透明电介质涂层5可以在室温下沉积在等离子体反应器中或ald中。电介质涂层5的厚度包括在20纳米与200纳米之间。

因此，实现了包括纳米线4和透明电介质涂层5的纹理化表面结构。纳米线完全嵌入在分层界面的第二表面23与电介质涂层5之间。

本发明的方法能够制造具有改善转换效率的太阳能电池。具体地，该方法能够在不影响表面复合的情况下提高对可见光谱的吸收。

作为本公开的一部分，如图1中示出的，在无电介质涂层5的情况下，在仅包括钝化层2的太阳能电池中，以及针对在具有钝化层2和电介质层3的分层界面上存在纳米线4的不同太阳能电池，已经测得少数载流子寿命。仅包括钝化层1和12的参考太阳能电池具有500微秒的少数载流子寿命。图4表示了包括钝化层和覆盖有电介质层的硅纳米线的不同太阳能电池的少数载流子寿命(l.t.)作为硅纳米线的生长温度(t以℃为单位)的函数(步骤(f)以上)。在氢等离子体和硅烷中，各自持续2min，通过vls沉积硅纳米线。在图4表示的图表中，每个方形均表示一次硅纳米线生长。

令人惊讶的是，这些太阳能电池的少数载流子寿命包括在1000微秒与约1700微秒之间，即，比无硅纳米线的作为被钝化c-si晶圆的500μs少数载流子寿命高许多。而且，少数载流子寿命看似随着硅纳米线生长温度而增加。更精确地，少数载流子寿命从275℃时的1000μs增加高达至425℃时的最大值约1700μs，然后，在475℃温度时下降。

从这些少数寿命测量中得出，与仅包括钝化层2和12的参考太阳能电池相比较，具有分层界面和未涂覆纳米线的这些结构提供增强的前表面钝化。

通过测量作为350nm至1100nm的光谱范围内的波长λ的函数的光谱吸收比a(λ)而评估根据本公开的太阳能电池的吸收特性。使用下列式子从350nm至1100nm的光谱范围内的总吸收比的积中计算积分短路电流密度jsc：

jsc＝e∫a(λ).n(λ).dλ

其中，对于标准太阳能光谱内的波长λ，e表示电子电荷，a(λ)是总吸收比，并且n(λ)是每秒每单位面积的光子数。

图5中的平直线表示在4纳米的钝化层上具有100nm厚的sinx电介质层并且无纳米线的参考太阳能电池结构的已测量总吸收比光谱a(λ)。优化sinx电介质层的厚度，以获得最大化jsc的抗反射涂层。该参考太阳能电池的积分短路电流密度jsc为36.94ma/cm²。

图5中的其他曲线表示根据本公开的第一实施方式的具有包括钝化层2和绝缘层3的分层界面并且具有包括纳米线4和电介质涂层5的纹理化表面结构的不同太阳能电池的吸收比测量。

为了嵌入硅纳米线4，钝化c-si衬底对纳米线去耦合的电介质层3的厚度减少至50nm。在该50nm厚的电介质层3上生长200nm长度的硅纳米线。

图5中的虚线表示在4nm厚的钝化层2上具有由50nm厚的sinx电介质层3构成的分层界面、在分层界面上具有硅纳米线4并且在纳米线上无电介质涂层的太阳能电池结构的测量吸收光谱a(λ)(如图1示出的)。该太阳能电池的积分短路电流密度为36.92ma/cm²。

图5中的黑圆圈线表示在4nm厚的钝化层2上具有由50nm厚的sinx电介质层3构成的分层界面、以及位于该分层界面上的纹理化表面结构的另一太阳能电池结构的测量吸收光谱a(λ)，该纹理化表面结构由硅纳米线4和位于硅纳米线4上的20nm厚的电介质涂层5构成(如图2中示出的)。该太阳能电池的积分短路电流密度jsc为37.15ma/cm²。从相同条件下沉积在平坦表面上的相似电介质涂层的厚度的测量评估电介质涂层5的厚度。

图5中的白色圆圈线表示具有在4nm厚的钝化层2上由50nm厚的sinx电介质层构成的分层界面、以及该分层界面上的纹理化表面结构的太阳能电池结构的测量总系数比光谱a(λ)，该纹理化表面结构由硅纳米线4和硅纳米线4上的50nm厚的电介质涂层5构成(如图2中示出的)。该太阳能电池的积分短路电流密度jsc为38.90ma/cm²。

在图5中，黑圆圈线与白圆圈线之间的差异仅在于氮化硅电介质涂层5的厚度，相应地，对黑圆圈线而言，为20nm，并且对于白圆圈线而言，为50nm。

如此处公开的，与具有分层界面但不具有纹理化表面结构的参考太阳能电池相比较，具有分层界面和纹理化表面结构的太阳能电池提供相同或更高的jsc。

从图5中的不同太阳能电池的光谱吸收比曲线得出，与100nm的优化电介质层相比较，分层界面上足够长的涂覆电介质的硅纳米线的组合导致太阳能光谱蓝色区域中的吸收增加，而近红外光谱区域中无任何损失。此处，证明积分短路电流密度为38.90ma/cm²。然而，该值38.90ma/cm²充分低于使用本发明的方法的最大可实现jsc值。

具有硅纳米线的纹理化表面结构提供光散射，由此使光在太阳能电池中被截获。

针对涂覆有分层界面和在该分层界面上的纹理化表面结构的半无限c-si晶圆，模拟计算jsc值。更精确地，分层界面由a-si:h钝化层2和薄sinx电介质层3构成，并且纹理化表面结构由涂覆有在其上部的氮化硅涂层sinx的硅纳米线4构成。对于该模拟，具有425nm直径的涂覆有氮化硅的纳米线整齐地位于具有600nm中心到中心距离的六边形布置中。sinx电介质层3厚度的值在30nm与70nm之间变化，并且涂覆有氮化硅的纳米线高度的值在80nm与140nm之间变化。获得在350nm至1100nm光谱范围内的积分短路电流密度jsc的二维图。从该计算中得出，包括的jsc值40ma/cm²与高至42ma/cm²之间。更精确地，对于具有105nm长度或高度的氮化硅纳米线、以及50nm厚的氮化硅电介质层，实现最大jsc值42ma/cm²。

这表明可以实现42ma/cm²的高jsc值。而且，在调查的电介质层厚度和sinx纳米线高度范围内，jsc值的散布局限于小于2.1ma/cm²(在～40ma/cm²与高至42ma/cm²之间)，从而概括了此解决方案的鲁棒性。

与仅包括无纳米线的分层界面的太阳能电池相比较，在该分层界面上具有纹理化表面结构的太阳能电池结构的积分jsc值的增加指太阳能电池内的光陷阱由于纳米线的存在而增加。

因此，本公开能够制造既表现出增强的寿命、又提高总吸收比(尤其在光谱的蓝色区域内)的太阳能电池。

因此，太阳能电池的转换效率提高。

从本公开得出，包括薄电介质层3的分层界面提供钝化c-si衬底与纳米线之间的有效电绝缘或去耦合。

因此，本发明对由于涂覆有电介质的纳米线而造成低反射率的光学表面特性与由于分层界面对半导体衬底的表面钝化而产生的电表面钝化特性进行了有利地组合。

本发明的方法仅需要比常规制造过程多几个步骤。

本方法可以在制造前后太阳能电池结构以及诸如叉指背接触(ibc)太阳能电池结构等全背接触结构中实现。太阳能电池的电触点可以通过导电插头或层的沉积形成。

本发明具体应用于诸如光伏太阳能电池等光电设备。

本公开还应用于诸如光电二极管或光检测器的其他光电设备。在前表面上嵌入纳米线的电介质层能够在不增加电荷载流子在光电设备内的表面复合的情况下增加入射光在光电设备中的耦合。