光伏器件及其制造方法

专利名称：光伏器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及晶体硅的光伏器件以及该晶体硅光伏器件的制造方法。本发明 总体涉及利用晶体半导体的光电转换特性的光伏器件以及该光伏器件的制造方法。
背景技术：
作为抵抗全球变暖的措施，在很多地方，太阳能光伏系统的安装日益增加。
在2005年全世界的光伏器件的总产出是1759MW，比前一财政年度增加147%。 目前，最普遍的光伏器件是晶体光伏器件，且利用单晶硅或多晶硅的光伏器件 占大部分产品。称为晶体光伏器件的光伏器件使用硅晶片作为基板，该硅晶片 是通过形成大的硅锭块并将该硅锭块切割成薄片形成的。
估计在使用单晶硅或多晶硅的晶体光伏器件中，约为1(^m的硅晶片厚度 足够用于生成光电动势。然而，从硅晶块切下的硅晶片具有约200至50(^m的 厚度。这意味着在光伏器件中使用的硅晶片的仅约5%对光电转换起作用。
随着光伏器件生产的增加，在产业中，作为硅晶片原材料的硅供应短缺， 以及硅晶片价格的急剧上升成为问题。2006年全世界包括用于半导体的多晶硅 的生产是约37000吨，其中用于太阳能销售的多晶硅是11000吨。光伏器件生 产每年都在增长，该需求已经很紧迫。为了增加多晶硅的生产能力，需要大量 投资，且很难确保生产与要求相符合。因此，预期硅晶片供应的短缺将继续。
在本文中，作为使用单晶半导体基板的光伏器件的另一种模式，给出了形 成薄片的单晶半导体层的光伏器件。例如，专利文献l(专利文献l:日本公开
专利申请第H10-335683号)披露了一种串联太阳能电池，其中将氢离子注入单
晶硅基板，从该单晶硅基板分离的层状单晶硅层被布置在支承基板上以便降低
成本并节约资源，同时维持高的转换效率。在该串联太阳能电池中，利用导电 胶使单晶半导体层和基板彼此接合。
此外，按照惯例己经作出在基板上直接形成晶体半导体层的尝试。例如， 开发出一种用于制造硅薄膜光伏器件的方法，其中通过使用高于27MHz的VHF和调制的脉冲在基板上沉积晶体硅膜(参见专利文献2:日本公开专利申请第
2005-50905号)。此外，披露了在薄膜多晶硅膜通过等离子体CVD法形成在称 为纹理电极的、其表面具有微小的不均匀性的特定电极上时， 一种用于控制等 离子体处理条件以优化晶粒中和晶粒边界的掺杂剂的浓度的技术(参见专利文 献3:日本公开专利申请第2004-14958号)。

发明内容
根据常规领域，用于晶体光伏器件的半导体基板的厚度大于或等于光电转 换所需的半导体基板厚度的10倍，并且浪费了昂贵的晶片。另一方面，相对 于使用半导体基板的光伏器件，晶体硅薄膜光伏器件在光电转换特性方面因为 晶体质量差而仍是次等的。晶体硅薄膜光伏器件存在的问题是晶体硅膜需要通 过化学气相沉积方法形成厚度大于或等于1 Mm的膜，其生产率较低。
.H- LI mil CHI 口， nA"、固h M A 、1/ P=3, /丄P=I LL 一 L "th 4"t^ +>iV八ZtAtJV+> ,、1 Fn T
iiL5T，仕々U/tl守fB収^)守平師干守1牛/云Y寻M勺又厚、承T仪伎甘tTJ刀7i;^ ， l口J逖 是不能长时间地维持接合强度。具体地，在光伏器件曝露于直射日光下的情形 中，问题在于包含在导电胶中的有机材料变性且接合强度降低。此外，存在可 靠性的问题，使得导电胶中的导电材料(例如，银)扩散到单晶半导体层，这 会劣化半导体的光电转换特性。
鉴于以上问题，本发明的目的是有效使用光伏器件必需的硅半导体材料。 另一个目的是提高光伏器件的生产率以及光电转换特性。本发明的又一个目的 是改进光伏器件的可靠性。
根据本发明的光伏器件使用与单晶半导体基板或多晶半导体基板分离的 单晶半导体层或多晶半导体层并且具有所谓的SOI结构，其中半导体层与具有 绝缘表面的基板或绝缘基板接合。单晶半导体层或多晶半导体层是单晶半导体 基板或多晶半导体基板的表面层部分，与半导体基板分离并被转移。单晶半导 体层或者多晶半导体层用作光电转换层，并可以包括杂质半导体层，在该层的 光入射面一侧和/或与光入射面相对的一侧加入氢或卤素。
单晶半导体层或多晶半导体层通过以下方式与单晶半导体基板或多晶半 导体基板分离将氢离子或卤素离子引入基板，并利用引入离子形成的分离层 作为解理平面(cleavage plane)。单晶半导体层或多晶半导体层固定在具有绝 缘表面或绝缘基板的基板上。优选地将一种或多种类型由单一种类的原子组成 的不同物质的离子引入单晶半导体基板或多晶半导体基板。例如，在引入氢离
8子的情况下，氢离子优选地包括H+， H/和H3+离子，具有高比例的H3+离子。通
过将许多原子的离子引入单晶半导体基板或多晶半导体基板，可显著增加剂 量，并可在低温下沿离子引入形成的层(分离层)进行解理，用于形成单晶半导 体层或多晶半导体层。
无论单晶半导体层或多晶半导体层以及具有绝缘表面的基板或绝缘基板 都利用具有平滑表面并形成亲水表面作为接合表面的层进行固定。通过利用分 子或原子之间的相互作用的范德瓦尔斯力或氢键形成接合。较好地，在将基板 与单晶半导体层接合时，在形成接合的一个或两个表面上提供接合层，该接合 层是由氧化硅形成的，以有机硅烷作为原材料。作为有机硅烷气体，可以使用
例如以下含硅化合物四乙氧基硅烷(TEOS)(化学式Si(OC2H5)4)、三甲基硅 烷(TMS) ((CH丄SiH)、四甲基环四硅氧垸(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(0MCTS)、 六甲基二硅氮烷(H腦S)、三乙氧基硅烷(SiH(0C2H5)3)、三(二甲基氨基硅
IA 、 * it /、t /nTT \\\ A"Ar 山丄1、- 口 、ii AA口 、ly 口， /丄t=l 乂-, 1=1 、1/ 口， /丄1=1 h F=I ^"T力/r, Z力-
'阮J drtUN J寺。Hi肌定况，仕平品千守,伝现多品千守nV云勺兵fl5E球
表面的基板或绝缘基板之间提供具有平滑表面并能形成亲水表面的层，以提供
单晶半导体。
应注意，单晶是其中的晶面和晶体轴对准且构成该单晶的原子或分子空间 有序的晶体。但是，虽然单晶的结构是有序对准的原子，但是单晶可以包含晶 格缺陷，其中当部分或多个单晶包含有意或无意的晶格应变时所述对准混乱。
通过使用与单晶半导体基板或多晶半导体基板分离的半导体层作为光电 转换层，可以获得具有优异光电转换特性的光伏器件。当该半导体层包含在光 入射面或与之相背面加入氢或卤素的杂质半导体层时，改进了光生载流子的收 集效率；因此，改进光电转换特性。半导体层可以是薄层同时保持为将半导体 层与单晶半导体基板或多晶半导体基板分离的光电转换并将分离的半导体层 与具有绝缘表面的基板或绝缘基板接合所需的厚度；因此，提高了光伏器件的 光电转换特性。此外，可以节省硅资源。
通过使用特定的氧化硅膜作为接合层，可以在低于或等于70(TC的温度形 成接合。因此，即使在使用温度上限为低于或等于70(TC的基板，例如玻璃基 板，的情况下，也可以在玻璃等的基板上提供具有高接合强度的接合部分的单 晶半导体层或多晶半导体层。


9图1显示光伏器件的横截面结构，其中使用在绝缘基板上的单晶半导体层 作为光电转换层；
图2显示光伏器件的横截面结构，其中使用在绝缘基板上的单晶半导体层 什刀兀屯符伏伝；
图3显示光伏器件的横截面结构，其中使用在绝缘基板上的单晶半导体层 作为光电转换层；
图4显示涉及实施方式的光伏器件的平面图5A至5D显示涉及实施方式的光伏器件的制造步骤的横截面图6显示在分离层和第一杂质半导体层中的杂质分布的曲线图，所述分离
层和第一杂质半导体层形成在单晶半导体基板中；
图7A和7B是显示涉及实施方式的光伏器件的制造步骤的横截面图； 图8A至8C是显示涉及实施方式的光伏器件的制造步骤的横截面图； 图9是曲线图，显示第一杂质半导体层、第二杂质半导体层和宽带隙层的
关系，所述第一杂质半导体层、第二杂质半导体层和宽带隙层形成在半导体层
中；
图10是使用带模型说明图9的结构的图11显示涉及实施方式的光伏器件模块的制造步骤的平面图12A和12B显示涉及实施方式的光伏器件模块的制造步骤的横截面图13显示涉及实施方式的光伏器件模块的制造步骤的平面图14A和14B显示涉及实施方式的光伏器件模块的制造步骤的横截面图15显示涉及实施方式的光伏器件模块的制造步骤的平面图16A和16B显示涉及实施方式的光伏器件模块的制造步骤的横截面图17A至17D显示涉及实施方式的光伏器件的制造步骤的横截面图18是曲线图，显示在分离层和第一杂质半导体层中的杂质分布，所述
分离层和第一杂质半导体层形成在半导体层中；
图19A至19C显示涉及实施方式的光伏器件的制造步骤的横截面图； 图20是曲线图，显示第一杂质半导体层、第二杂质半导体层和宽带隙层
的关系，所述第一杂质半导体层、第二杂质半导体层和宽带隙层形成在半导体
层中；禾口
图21是使用带模型说明图20的结构的图。
具体实施例方式
下文将参考附图描述本发明的实施方式。注意，本发明不限于以下给出的描 述，且对本领域中的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和范围的情况 下可按各种方式进行其方式和细节方面的各种修改。因此，本发明不应被解释为限 制于以下给出的实施方式的描述。注意，在以下描述的本发明的结构中，类似的附 图标记表明不同附图中的类似的部分。
(光伏器件的结构)
图1示出其中基板101上形成有半导体层102的光伏器件的横截面结构。基 板101是具有绝缘表面的基板或绝缘基板，且是可用于电子产业中的多种玻璃基板 中的任一种，诸如铝硅酸盐玻璃基板、铝硼硅酸盐玻璃基板和溴硼硅酸盐玻璃基板。
或者，可使用陶瓷基板、石英玻璃基板或诸如硅晶片之类的半导体基板。半导体层
i no 曰白、i/. p, 口 2吊w v出m m曰r+.+ j^"^t i、i/*mii m曰diBi/Tir甘士i ;7Tft々曰
丄uz疋日日'l平干守'i平，井且巡币'l丈/t)平日日妊。hj WL5C川〃、平日日十寸'l平巫i;yCi^夕日日
半导体基板分离的诸如硅、锗的晶体半导体或者诸如砷化镓或磷化铟的化合物半导体。
在基板101和半导体层102之间，提供具有平坦表面并形成亲水性表面的接 合层103。绝缘膜适合用作接合层103。例如，可以使用氧化硅膜。优选使用通过 化学气相沉积方法形成的氧化硅膜作为接合层103。可使用的有机硅垸气体的示例 包括含硅化合物，诸如四乙氧基硅垸(TEOS)(化学式Si(OC2H5)4)、三甲基硅烷 (TMS)(TMS: (CH3)3SiH)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)、八甲基环四硅氧垸 (OMCTS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三乙氧基甲硅垸(8旧(0(:2&)3)以及三(二甲 基氨基硅浣)(SiH(N(CH3)2)3)。
提供厚度为5-500纳米的具有平滑表面并形成亲水表面的接合层103。当接合 层103的厚度在上述范围之内时，没有反映其上形成接合层103的表面的不平坦性， 接合层103的表面可以进行平面化。此外，可以减轻因接合层103和与接合层103 接合的基板之间的应力引起的变形。
接合层103设置在半导体层102上，且布置成与基板101的表面密切接触， 从而即使在室温下也能够进行接合。为了使基板101与接合层103(由各种材料在 低温条件下形成)接合，对其表面进行清洁。当使具有经过清洁的表面的基板101 和接合层103相互密切接触时，通过表面之间的吸引力形成接合。在这种情况 下，优选进行处理，使羟基与基板101和接合层103的任一表面或两个表面连接，即形成接合。通过氧等离子体处理或臭氧处理，使得基板101的表面为亲水性。 考虑到因为受到氧等离子体处理或臭氧处理的表面被活化且羟基被吸引而发生这 种现象。即，在对基板101的表面进行处理使其具有亲水性的情形中，通过表面上 的羟基的作用由氢键接合形成接合。为了增加在室温下形成的接合的强度，优选进 行热处理。
作为用于在低温将基板101与接合层103相互接合的处理，可通过利用诸如 氩的稀有气体的离子束辐射来清洗形成接合的表面。通过用离子束辐射，悬键暴露 于基板101或接合层103的表面上，且形成极端活性表面。当将由此活化的表面布 置成相互密切接触时，即使在低温下也能形成接合。优选地，在真空中实施通过表 面活化形成接合的方法，因为表面必须是非常清洁的。
当按压基板101和半导体层102时，可以形成强接合。此外，在相互重叠 的基板101和半导体层102上进行热处理时，接合强度提高。使用快速热退火 (RTA)设备，可以在300-700。C进行热处理。通过从基板101侧向半导体层102 发射激光，可以提高接合强度。可以在压力下进行这种处理。
通过从单晶半导体基板分离薄片来形成半导体层102。例如，可通过以下方式 形成半导体层102:将高浓度氢离子注入单晶半导体基板的预定深度，进行热处理， 且分离为单晶半导体基板的外层的单晶硅层。可以使用以氟为代表的卤素离子替 代将被注入单晶半导体基板的氢离子。可以在引入卤素后引入氢，或者引入氢 后可引入卤素。此外，可以在该步骤之前或之后引入如氦、氩或氪的稀有气体 离子。半导体层102的厚度为0. 1-10 pm。该半导体层102的厚度足以吸收阳 光。此外，该厚度适合于提取光生载流子，所述载流子在由于复合而使光生载 流子消失之前通过电极在半导体层102中流动。
在这种情况下，优选地将由单一种类的原子组成的不同物质的一种或多种 类型的离子引入单晶半导体基板。例如，在将氢离子引入单晶半导体基板的情 况下，氢离子优选地包括H+， H2+和H:/离子，具有高比例的H3+离子。通过将许 多原子的离子引入，可用许多离子辐照该单晶半导体基板；因此，可以縮短离 子引入的时间。
通过离子注入法或离子掺杂法可以将离子引入单晶半导体基板。离子注入 法指将经过质量分离的离子化气体注入半导体中的方法。在这种离子注入法 中，例如可以选择性引入H/。离子掺杂法指将未经质量分离的离子化气体通过 电场加速并引入基板的方法。采用这种离子掺杂法，甚至可以在大面积基板上以高效率进行大剂量的离子掺杂。
作为获得半导体层102的另一种方法，可采用以下方法单晶硅在多孔硅 上外延生长后，通过水射流的分裂将多孔硅层分离。
第一电极104设置在半导体层102和接合层103之间。使用如铝、镍或银 的金属形成第一电极104。在光入射表面是在基板101侧的情况下，4可由氧 化锡铟等的透明电极形成第一电极10。优选地，在半导体层102与第一电极 104接触的一面上部分形成第一杂质半导体层105。在半导体层102具有p-型 电导率情况下，用元素周期表中第13族的元素，如硼，掺杂第一杂质半导体 层105，使其杂质浓度提高，第一杂质半导体层105具有p+型电导率。在光入 射在半导体层102侧的情况下，第一杂质半导体层105与光入射表面相背，第 一杂质半导体层105形成内电场(也称作背面场(BSF))。 BSF的结构适合用于改 进光生载流子的外量子效率。这种结构有效地作用于光伏器件，该器件中，光 电转换层由O. 1-10，的半导体层102形成。注意到，可以省略第一杂质半导 体层105。当提供下面描述的第二杂质半导体层106时，该光伏器件可以发挥 功能。
半导体层102包括第二杂质半导体层106，该层一部分在与第一杂质半导 体层105相背的一面。形成的第二杂质半导体层106具有与第一杂质半导体层 105相反的电导率类型。例如，在第一杂质半导体层105具有p-型电导率时， 第二杂质半导体层106是具有n-型电导率的层。作为n-型杂质，可使用元素 周期表第15族的元素，例如磷或砷。可以通过离子注入法或离子掺杂法加入 所述杂质元素。
第二杂质半导体层106包括宽的带一隙层106a，该层包含氢或以氟为典型 的卤素，以及n-型或p-型杂质。氢或以氟为典型的卤素可分布在第二杂质半 导体层106的整个部分上；但是，它们进行优先分布，使靠近半导体层106表 面处的浓度较高。在任何情况中，第二杂质半导体层106中的氢或卤素的浓度 优选地高于在半导体层102的厚度方向分布的半导体层102中心区的浓度。图 1显示第二杂质半导体层106的表面层中的一个区域，其中氢或卤素以宽的带 —隙层106a那样的高浓度分布。很明显，不限制氢或卤素在第二杂质半导体 层106中的分布，氢或卤素可以分布在第二杂质半导体层106的整个部分上。 因为在靠近添加了杂质元素的杂质半导体层处产生用作为载流子阱的缺陷，因 此能使所含卤素补偿该缺陷，以提高转换效率。200880011759.2
将包含浓度大于其他区域的氢或以氟为典型的卤素的宽的带一隙层106a 设置在半导体层102中的第二杂质半导体层106的表面一侧；因此，该区域的 能隙变宽。当宽的带一隙层106a中的能隙变宽时，当光入射面在宽的带一隙 层106a—侧时，更多的光进入适合用于光电转换的半导体层102;因此，可以 提高转换效率。
第二电极107设置在第二杂质半导体层106上。在光入射表面在第二杂质半 导体层106—侧的情形中，第二电极107是由铝、银等形成的电极，并形成梳形， 或者第二电极107由铟锡氧化物等透明电极形成。在该结构中，保护膜108优选地 形成在第二杂质半导体层106上。保护膜108优选地由氮化硅膜形成。保护膜108 还包括叠加的多个具有不同折射率的膜，使得可具有反射膜的功能。例如，可以使 用具有氮化硅膜和氟化镁膜的叠加层结构作为抗反射膜的结构。在光入射表面在基 板101 —侧的情形中，第二电极107可由诸如铝的金属形成。
图2示出其中基板101设置有阻挡层109和接合层103的结构。当提供阻挡 层109时，可防止半导体层102被污染。即，可防止诸如类似碱金属或碱土金属的 移动离子之类的杂质从基板101扩散到半导体层102中。阻挡层109优选地是氮化 硅、氮化铝等的致密绝缘膜。在这种情形中，接合层103优选设置在阻挡层109 上，而阻挡层109设置在基板101上。当接合层103也设置在基板101 —侧时，可 使用氮化硅等的致密绝缘膜作为阻挡层109，可以和半导体层102形成有利的接 合。注意到其他要素类似于图1中的那些要素。
图3显示的结构中，在半导体层102中的第一杂质半导体层105包含氢或 以氟为典型的卤素。氢或以氟为典型的卤素可分布在第一杂质半导体层105的 整个部分上。第一杂质半导体层105包含宽的带一隙层105a，该层包含氢或以 氟为典型的卤素以及n-型或p-型杂质。优先分布宽的带一隙层105a中的氢或 以氟为典型的卤素，使它们在第一电极104—侧的浓度较高。图3示出的方式 中，包含较高浓度的氢或卤素的宽的带一隙层105a形成在第一杂质半导体层 105的第一电极104侧上，但是本发明不限于这种方式。氢或卤素可以分布在 第二杂质半导体层106的整个部分上。通过提高第一杂质半导体层105中氢或 以氟为典型的卤素的浓度，可以使宽的带一隙层105a的能隙变宽。当第一杂 质半导体层105的能隙变宽时，背面场(BSF)强度提高，并可以改进光生载流 子的收集效率。此外，因为内置电势(built-in potential)(内置电场)也增大， 因此可以改进光电转换特性。在所有情况下，第一杂质半导体层105a和第二杂质半导体层106中的氢或卤素的浓度较好地高于半导体层102的厚度方向分
布的半导体层102中心区域的浓度。注意到其他要素类似于图1中的那些要素。 参照图1至图3描述了使用与基板101接合的半导体层102的光伏器件的 结构，但是，该实施方式不限于这种结构，可以通过在不同结构中自由组合要 素来实施。此外，可以使用多晶半导体层替代单晶半导体层。
(实施方式1)
参照附图描述光伏器件的制造方法，在该制造方法中，从单晶半导体基板 分离薄单晶半导体层并将该分离的单晶半导体层转移到具有绝缘表面的基板上或 绝缘基板上。
图4是与该实施方式有关的光伏器件的俯视图。该光伏器件具有其中光入射 到设置在基板101上的半导体层102面的结构。在基板101的周边部分中，在半导 体层102上设置有开口的绝缘层110。在该半导体层102上形成具有梳形的第二电 极107。在与第二电极107相背一面上的提取电极111通过穿透绝缘层110和 半导体层102的接触孔与第一电极电连接。
下面，参照对应于图4中A-B线的横截面图描述光伏器件的制造步骤。 如图5A所示，表面保护膜113形成在单晶半导体基板112表面上。单晶 半导体基板112的典型例子是单晶硅，而具有镜面抛光表面的硅晶片是合适的。 较好地，釆用化学气相沉积方法由氧化硅或氮化硅形成表面保护膜113。通常 采用等离子体化学气相沉积(CVD)法作为化学气相沉积法。较好地设置表面保 护膜113，以保护单晶半导体基板112表面避免因离子引入而粗糙。较好地设 置表面保护膜113的厚度为50-200纳米。将经过电场加速的离子引入在表面 保护膜113的整个表面，使得在单晶半导体基板112中的预定深度形成分离层 114。
考虑被转移至基板的半导体层的厚度进行离子引入。半导体层的厚度约为 0. 1-10 pm。为了在距离单晶半导体基板112的表面相对较大距离的位置形成分离 层114，通过80kV或更高的高电压加速并且引入离子。离子优选地以近似直角入 射在单晶半导体基板112的主平面上，可积极地利用沟道现象。例如，选择单晶半 导体基板U2的晶面取向，使得离子垂直入射到晶轴<100>。此外，通过倾斜基板 可以控制引入的离子达到的深度。在分离层114上的区域是半导体层102。
可以通过引入氢或以氟为典型的卤素形成分离层114。还可以引入如氦、
15氩或氪的稀有气体的离子。可以采用离子注入法或离子掺杂法引入离子。在单 晶半导体基板112中形成分离层114的情况下，优先引入一种或多种由单一种
原子组成的不同物质的离子。在引入氢离子时，氢离子较好地包括H+、 H/和H/ 离子，且H3+离子的比例较高，因为可縮短离子引入所需的时间。通过引入许多 原子的氢离子，在分离层114中形成硅的悬键，该悬键被终止以形成小孔隙(微 孔隙)。
通过以下方式形成分离层114:将稀有气体的离子物质引入单晶半导体基 板112，在引入该离子物质的区域形成悬键，并引入氢使悬键和氢接合。这种 方法中，较好地引入大量的氢离子，使氢和硅在单晶半导体基板112中不仅形 成Si-H键还以高比例形成Si-H2键。因为与Si-H键相比，Si-H2键在低温开始 释放氢，因此可以在低温进行半导体层102的分离。以任何速率，通过离子引 入形成的小孔隙可以是在硅晶体晶格之间的未键合的氢；因此，可以通过低温 热处理容易地分离半导体层102。
然后，如图5B所示，在单晶半导体基板112的表面上掺杂薄的硼区域， 硼是能提供p-型电导率的杂质元素，使得形成第一杂质半导体层105。在此实 施方式的光伏器件中，将第一杂质半导体层105设置在与光入射表面相背的面 上，使形成背面场(BSF)。
图6示出引入的杂质在分离层U4和第一杂质半导体层105中的分布，所 述各层形成在单晶半导体基板112中。分离层114形成在距单晶半导体基板112 远距离之处(由长虚线和短虚线标出的区域)，该区域中氢或如氟的卤素的浓度 分布高于其他区域。第一杂质半导体层105形成在单晶半导体基板112的表面 区域(用虚线标出的区域)，该区域中，作为提供P-型电导率的杂质元素的硼的 浓度分布高于其他区域。
图5C示出在第一杂质半导体层105上形成第一电极104的步骤。第一电 极104由如铝、镍或银的金属形成。采用真空沉积法或溅射法形成第一电极104， 使得其表面平坦化。
图5D示出在第一电极104上设置覆盖单晶半导体基板112的保护膜115 以及进一步形成接合层103的步骤。保护膜115优选由氮化硅膜形成，以防止 杂质污染。保护膜115可以防止如可移动离子或湿气等杂质的扩散污染半导体 层102。此外，保护膜115可以防止第一电极104在形成接合层103时发生氧 化。接合层103优选由氧化硅膜形成。作为氧化硅膜，如上所述优选使用通过化学气相沉积法、使用有机硅烷形成的氧化硅膜。或者，可以使用通过化学气 相沉积法、使用硅垸气体形成的氧化硅膜。例如，在等于或小于350°C的膜形 成温度下实施通过化学气相沉积法形成膜，所述膜形成温度是在单晶半导体基板中形成的分离层114中不发生脱气的温度。相反，在高于膜形成温度的热处理温度下 实施热处理，使半导体层从单晶半导体基板112分离。图7A示出一个步骤，其中设置与形成在单晶半导体基板112上的接合层 103的表面密切接触的基板101以使两者相互接合。需充分清洁形成接合的表 面。然后，将基板101和接合层103设置为相互密切接触，因而在它们之间形 成接合。通过如上所述的氢键合形成该接合。通过将基板101和单晶半导体基 板112相互压在一起，可以进一步可靠地形成接合。为了形成良好的接合，可以对基板101和接合层103的一个表面或两个表 面进行活化。例如，基板101和接合层103的一个表面或两个表面可以通过用 原子束或离子束辐照要形成接合的表面进行活化。当使用原子束或离子束时， 可以使用氩气等的稀有气体的中性原子束或离子束。或者，在要形成接合的表 面上进行等离子体辐照或自由基处理。这种表面处理甚至可以在200-40(TC的 温度下促进在不同种类材料之间形成接合。基板101和单晶半导体基板112用插入其间的接合层103相互接合之后， 较好地进行热处理或加压处理。热处理或加压处理能够提高接合强度。优选地 在等于或低于基板101的上限温度的条件下进行热处理。考虑到基板101和单 晶半导体基板112的耐压性，进行加压处理，以在垂直于接合表面的方向施加压 力。可以使用卤素灯等进行加热。在低温进行激光辐射以提高接合强度。优 选地，用于进行辐射的激光的波长在可见光至紫外光波长范围。例如，进行准 分子激光辐射，或者使用准分子灯作为辐射紫外光的装置，以提高接合强度。 在任何速率下，紫外光辐射可以促进接合部分的反应并提高接合强度。在图7B中，将基板101和单晶半导体基板112相互接合之后，进行热处 理，使用分离层114作为解理平面将单晶半导体基板112与基板101分离。优 选地，在形成接合层103的温度至基板101的上限温度之间的温度范围进行热 处理。例如，当在400-60(TC进行热处理时，在分离层114中形成的微小孔隙 的体积发生变化，能将单晶半导体基板112与其上留有半导体层102的基板101 分离。为形成分离层114而引入的包含氢或如氟的卤素的宽的带一隙层116留 在半导体层102的表面上。宽的带一隙层116是能隙大于1. 12 eV的层，该能隙是硅的能隙，因为宽的带一隙层116包含单晶半导体基板112的硅中的氢或卤素。因为Si-H或Si-F的能隙大于Si-Si的能隙，所以宽的带一隙层116不 可避免地具有较宽的能隙。分离的半导体层102的表面具有很小的不平整。可 以留下该不平整。期望微小不平整能抑制光反射。在将半导体层102的表面平 坦化的情况中，采用化学机械抛光(CMP)法对表面进行抛光。图8A示出在与基板101接合的半导体层102上形成绝缘层110的步骤。 作为绝缘层110，优选地通过化学气相沉积法形成氮化硅膜或氧化硅膜。图8B示出在绝缘层110中形成开口，并将通过该开口加入是n-型杂质元 素的磷或砷以形成第二杂质半导体层106的步骤。第二杂质半导体层106用作 光入射面。在这种情况下，形成第二杂质半导体层106，以包括宽的带一隙层 116。宽的带一隙层116是包含n-型杂质元素以及氢或如氟的卤素的层。可以 形成第二杂质半导体层106，以包含宽的带一隙层116作为整个部分。此外， 第二杂质半导体层106形成的深度可大于宽的带一隙层116。在这种情况下， 通过以下方式可以防止宽的带一隙层116中的氢被释放，即，在半导体层102 的表面上形成氮化硅膜作为保护膜108，然后引入如磷或砷的n-型杂质元素。图9示出第一杂质半导体层105、第二杂质半导体层106和宽的带一隙层 116a之间的关系的曲线图，这些层形成在半导体层102中。由虚线标出n-型 杂质元素在第二杂质半导体层106中的分布，由长虚线短虚线标出包含在宽的 带一隙层116a中的氢或如氟的卤素的分布。宽的带一隙层1163是同时包含11-型杂质元素和氢或如氟的卤素的区域。氢或如氟的卤素的浓度向着半导体基板 101的表面增高。图IO是示出使用的带模式的状态的图。根据此实施方式，如图10所示， 宽的带一隙层116的能隙宽度大于半导体层102中心部分的宽度。因此，当光 入射表面在宽的带一隙层116侧时，在半导体层102中可获取更多的光。此外， 宽的带一隙层116用作空穴阻挡层，可防止在第二杂质半导体层106中或其附 近产生的空穴流入宽的带一隙层116，被电极吸收，并且消失。因此，可以提 高光生载流子的收集效率，即外量子效率。此外，通过在由半导体层102、第 一杂质半导体层105和第二杂质半导体层106形成的半导体结点加入宽的带一 隙层116，可以提高内置电势(内置电场)。当接合层103和基板IOI彼此相对 时，将第一杂质半导体层105设置在半导体层102在基板IOI侧的区域中。图8C示出形成第二电极107和与第一电极104连接的提取电极111的步骤。在形成穿过半导体层102的接触孔后形成提取电极111。可由铝、银、铅-锡(焊剂)等形成第二电极107和提取电极111。例如，可以采用丝网印刷方法 使用银糊形成第二电极107和提取电极111。在上述方式中，可制造图4所示的光伏器件。按照该实施方式，可以在等 于或低于700°C (优选地，等于或低于50(TC)的处理温度下制造单晶光伏器件。 也就是说，可以在上限温度等于或低于70(TC时在大面积基板上制造包含单晶 半导体层的高效率光伏器件。可以通过单晶半导体基板的外层分离获得单晶半 导体层。因为可以重复使用单晶半导体基板，所以可以有效地利用资源。此外， 通过提供在光入射表面或其相背面加入氢或卤素的杂质半导体层，可以改进光 生载流子的收集效率，并提高光电转换特性。(实施方式2)此实施方式描述在大面积基板上提供单晶半导体层的方法以及制造光伏 器件模块的例子。光伏器件的制造步骤类似于在图5A至8C中所示的步骤。将按照图5A至5D中步骤制造的单晶半导体基板112与基板101接合。在 此，使用具有接合多个单晶半导体基板112的面积的基板作为基板101。用接 合层103将单晶半导体基板112固定在基板101上。将多个单晶半导体基板112 固定在基板IOI，然后进行热处理以形成接合。当将单晶半导体基板112分离 时，将半导体层102设置在基板101上。图11示出多个半导体层102与基板 101接合的状态。图12A和12B分别是沿图11中C-D线和E-F线取得的横截面 图。半导体层102以一定距离设置在相邻半导体层102之间。在以下步骤中， 可以把设置有多个半导体层102的基板101作为一个单元来处理以进行这些步 骤。进行图8A和8B所示的步骤，以在半导体层102中形成第二杂质半导体层 106。在半导体层102上形成绝缘层IIO之后，在绝缘层110中形成开口。然 后，形成第二杂质半导体层106。因为可以用离子掺杂设备形成第二杂质半导 体层106，与逐个处理晶体半导体基板的情况相比，可以减少处理时间。然后， 形成保护膜108。图13示出形成与第一电极104连接的接触孔117的步骤。图14A和14B 分别是沿图13中C-D线和E-F线取得的横截面图。形成对保护膜108侧敞开 的接触孔117。通过用聚光的激光束辐照半导体层102，除去半导体层102以19露出第一电极104的表面或侧面而形成接触孔117。因为激光束可在基板101 上扫描，因此即使在设置多个半导体层102的情况中，形成接触孔117所需的时间也可以较短。之后，如图15所示形成第一电极104的提取电极111和第二电极107。图 16A和16B分别是沿图15中的C-D线和E-F线取得的横截面图。当形成提取电 极111以填充接触孔117时，提取电极111可以与第一电极104连接。可由铝、 银、铅-锡(焊剂)等形成第二电极107和提取电极111。例如，可以采用丝网印 刷方法使用银糊形成第二电极107和提取电极111。在基板101上引入第二电 极107和提取电极111的情况下，可以形成连接端。在上述方式中，可以制造在一个基板上设置多个光伏器件的光伏器件模 块。根据该实施方式，可以在等于或低于70(TC(优选地，等于或低于50(TC) 的处理温度下制造单晶光伏器件。也就是说，可以在等于或低于70(TC的上限 温度下在大面积玻璃基板上制造包含单晶半导体层的高效率光伏器件模块。(实施方式3)此实施方式描述了通过再使用已取下半导体层102的单晶半导体基板112 制造按实施方式1所述的光伏器件的步骤。图17A示出一个步骤，其中在实施方式1中已用于形成半导体层102的单 晶半导体基板112上形成表面保护膜113，并通过引入氢或以氟为典型的囟素 的离子形成分离层114。可将如氦气、氩气或氪气等稀有气体的离子加入分离 层114。宽的带一隙层116保留在单晶半导体基板112的表面。宽的带一隙层 116是在前面过程中已形成为分离层并包含在该过程中保留的氢或卤素的层。 在该过程中，优选地用如CMP处理使单晶半导体基板112平坦化。然后，如图17B所示，在单晶半导体基板112的表面上掺杂薄的硼区域， 形成第一杂质半导体层105，硼作为提供p-型电导率的杂质元素。形成第一杂 质半导体层105以包含宽的带一隙层116。可以形成第一杂质半导体层105以 包含宽的带一隙层116作为整个部分。此外，形成的第一杂质半导体层105的 深度大于宽的带一隙层116。图18示出分离层114、第一杂质半导体层105和宽的带一隙层116a的关 系的曲线图，这些层形成在单晶半导体基板112中。在距单晶半导体基板112 表面的远距离处形成分离层114。由虚线标出p-型杂质元素在第一杂质半导体20层105中的分布，由长虚线短虚线标出氢或如氟的囟素在宽的带一隙层U6a中的分布。宽的带一隙层116a是同时包含p-型杂质元素和氢或如氟的卤素的区域。氢或如氟的卤素的浓度向着半导体基板101的表面增高。第一杂质半导体层105设置在与光入射面相对的面上以形成背面电场(BSF)。
图17C示出在第一杂质半导体层105上形成第一电极104的步骤。第一电极104由如铝、镍或银的金属形成。由真空沉积法或溅射法形成第一电极104，以具有平坦化的表面。
图17D示出在第一电极104上进一步形成保护膜115以覆盖单晶半导体基板112和进一步形成接合层103的步骤。优选地由氧化硅膜形成接合层103。作为氧化硅膜，如上所述优选地使用通过化学气相沉积法使用有机硅垸气体形成的氧化硅膜。或者，可以使用通过化学气相沉积使用硅烷气体形成的氧化硅膜。
然后，与实施方式l类似，使半导体层102与基板101接合。图19A示出在与基板101接合的半导体层102上形成绝缘层110的步骤。作为绝缘层110，优选地通过化学气相沉积法形成氮化硅膜或氧化硅膜。为形成分离层114而引入的包含氢或如氟的卤素的宽的带一隙层116留在半导体层102的表面上。宽的带一隙层116是能隙大于1.12 eV的层，该能隙是硅的能隙，因为宽的带一隙层116包含单晶半导体基板112的硅中的氢或卤素。
图19B示出在绝缘层110中形成开口，并通过该开口加入是n-型杂质元素的磷或砷以形成第二杂质半导体层106的步骤。第二杂质半导体层106用作光入射面。在这种情况下，形成第二杂质半导体层106，以包括宽的带一隙层116。可以形成第二杂质半导体层106，以包含宽的带一隙层116作为整个部分。此外，第二杂质半导体层106形成的深度可大于宽的带一隙层116。在这种情况下，通过以下方式可以防止释放宽的带一隙层116中的氢，g卩，在半导体层102的表面上形成氮化硅膜作为保护膜108，然后引入如磷或砷的n-型杂质元素。
图20是显示第一杂质半导体层105、第二杂质半导体层106和宽的带一隙层116a之间关系的曲线图，这些层形成在半导体层102中。在与半导体层102相对的面上形成宽的带一隙层116a。在图20中，由虚线标出p-型杂质元素在第一杂质半导体层105中的分布以及n-型杂质元素在第二杂质半导体层106中的分布，由长虚线短虚线标出氢或如氟的卤素在宽的带一隙层116a中的分布。宽的带一隙层116a是包含n-型或p-型杂质元素以及氢或如氟的卤素的区域。图21是示出使用带模式的状态的图。根据此实施方式，如图21所示，第
一杂质半导体层105和处于第二杂质半导体层106的外部的宽的带一隙层116的能隙宽度大于半导体层102中心部分的宽度。因此，当光入射表面在第二杂质半导体层106上的宽的带一隙层116侧时，半导体层102中可获取更多的光。此外，在第二杂质半导体层106上的宽的带一隙层116用作空穴阻挡层，可防止在第二杂质半导体层106中或其附近产生的空穴流入宽的带一隙层116，被电极吸收，并且消失。此外，在第一杂质半导体层105面上的宽的带一隙层116具有电子阻挡层的功能。根据这种结构，可以在第一杂质半导体层105和第二杂质半导体层106的表面形成作为对电子和空穴的宽的带一隙层116的阻挡层，使得防止光生载流子以相反方向扩散和被电极吸收。因此，可以提高光生载流子的收集效率，即外量子效率。
图19C示出形成第二电极107和与第一电极104连接的提取电极111的步骤。在形成穿过半导体层102的接触孔后形成提取电极111。可由铝、银、铅-锡(焊剂)等形成第二电极107和提取电极111。例如，可以采用丝网印刷方法使用银糊形成第二电极107和提取电极111。
在上述方式中，制造光伏器件。根据该实施方式，可以在等于或低于700t:(优选地，等于或低于500"C)的处理温度下制造单晶光伏器件。也就是说，可以制造在上限温度等于或低于700。C的大面积基板上设置单晶半导体层的光伏器件。可以通过单晶半导体基板的外层分离获得单晶半导体层。因为可以重复使用单晶半导体基板，所以可以有效地利用资源。此外，通过提供在半导体层102的光入射表面或其相背面加入氢或卤素、具有宽的带隙的杂质半导体层，可以改进光生载流子的收集效率，并提高光电转换特性。
此申请基于2007年4月13日向日本专利局提交的日本专利申请S/N.2007-106591，其整个内容通过引用结合于此。
权利要求
1.一种光伏器件，包括具有第一绝缘表面的基板；具有第二绝缘表面的绝缘层，其中，第二绝缘表面形成为与第一绝缘表面密切接触；形成在绝缘层上的第一电极；形成在第一电极上的单晶半导体层；和形成在单晶半导体层上的第二电极，其中，单晶半导体层包含包含第一杂质的第一杂质层；形成在第一杂质层和第二电极之间的第二杂质层，其包含第二杂质，其中，第一杂质的第一电导率类型不同于第二杂质的第二电导率类型，其中，第二杂质层包含第一区域；和形成在第一区域和第二电极之间的第二区域，其中，氢或卤素在第二区域中的浓度大于在第一区域的浓度，和其中，第二绝缘表面能形成亲水表面。
2. 如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于， 第二绝缘表面与第一绝缘表面通过范德瓦尔斯力或氢键接合。
3. 如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于， 第一电极的表面与单晶半导体层的表面密切接触。
4. 如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，第一电导率类型是p-型电导率类型，和 第二电导率类型是n-型电导率类型。
5. 如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，单晶半导体层还包含在第二半导体和第一电极之间的第三层，其包含第三杂质， 其中，第三杂质的第三电导率类型不同于第二电导率类型，和 其中，第三杂质的浓度大于第一杂质的浓度。
6. 如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，绝缘层包含氧化硅。
7. 如权利要求6所述的光伏器件，其特征在于， 采用化学气相沉积方法使用有机硅烷气体沉积氧化硅，和其中，有机硅烷气体选自下组四乙氧基硅垸、三甲基硅烷、四甲基环 四硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、六甲基二硅氮垸、三乙氧基硅垸和三(二甲基 氨基硅垸)。
8. 如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于， 所述基板是选自下组的基板铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃和硼硅酸钡玻璃。
9. 一种光伏器件，包括 具有第一绝缘表面的基板；具有第二绝缘表面的绝缘层，其中，第二绝缘表面形成为与第一绝缘表 面密切接触；形成在绝缘层上的第一电极； 形成在第一电极上的单晶半导体层；和 形成在单晶半导体层上的第二电极， 其中，单晶半导体层包含包含第一杂质的第一杂质层；和形成在第一杂质层和第二电极之间的第二杂质层，其包含第二杂质， 其中，第一杂质的第一电导率类型不同于第二杂质的第二电导率类型， 其中，第二杂质层包含第一区域；和形成在第一区域和第二电极之间的第二区域， 其中，氢或卤素在第二区域中的浓度大于在第一区域的浓度， 其中，第一杂质层包含第三区域；和形成在第三区域和第二杂质层之间的第四区域， 其中，氢或卤素在第四区域的浓度高于在第三区域的浓度，和 其中，第二绝缘表面能形成亲水表面。
10. 如权利要求9所述的光伏器件，其特征在于， 第二绝缘表面通过范德瓦尔斯力或氢键与第一绝缘表面接合。
11. 如权利要求9所述的光伏器件，其特征在于， 第一电极的表面与单晶半导体层的表面密切接触。
12. 如权利要求9所述的光伏器件，其特征在于，第一电导率类型是p—型电导率类型，和第二电导率类型是n-型电导率类型。
13. 如权利要求9所述的光伏器件，其特征在于，单晶半导体层还包含在第二半导体和第一电极之间的第三层，其包含第三杂质， 其中，第三杂质的第三电导率类型不同于第二电导率类型，和 其中，第三杂质的浓度大于第一杂质的浓度。
14. 如权利要求9所述的光伏器件，其特征在于， 所述绝缘层包含氧化硅。
15. 如权利要求14所述的光伏器件，其特征在于， 采用化学气相沉积方法使用有机硅垸气体沉积氧化硅，其中，有机硅烷气体选自下组四乙氧基硅垸、三甲基硅垸、四甲基环四硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、六甲基二硅氮垸、三乙氧基硅烷和三(二甲基 氨基硅烷)。
16. 如权利要求9所述的光伏器件，其特征在于，所述基板是选自下组的基板铝硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃和硼硅酸钡玻璃。
17. —种制造光伏器件的方法，该方法包括以下步骤制备单晶半导体基板，该基板包含第一区域、与第一区域相邻的第二区域、以及在第一区域和第二区域之间的第三区域； 将氢或囟素注入第一区域和第三区域；在注入步骤之后，通过化学气相沉积法，使用有机硅垸气体，在第二区 域上形成与之接触的氧化硅膜；通过使绝缘表面与氧化硅膜密切接触，使具有绝缘表面的基板与氧化硅 膜接合；在接合步骤之后，将第一区域与第三区域分离；和 在分离步骤之后，在第三区域加入杂质元素。
18. 如权利要求17所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，将通过等离子体激发方式使用氢气或卤素气体产生的离子注入，进行氢 或卤素掺杂。
19. 如权利要求18所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，所述离子是H+、 H2+和H:,+ ，具有高比例的H二
20. 如权利要求17所述的制造光伏器件的方法，其特征在于， 有机硅垸气体选自下组四乙氧基硅烷、三甲基硅垸、四甲基环四硅氧烷、八甲基环四硅氧垸、六甲基二硅氮垸、三乙氧基硅烷和三(二甲基氨基硅 垸)。
21. 如权利要求17所述的制造光伏器件的方法，其特征在于， 通过进行热处理，在第一区域和第三区域之间产生裂解，从而将第一区域和第三区域分离。
22. 如权利要求21所述的制造光伏器件的方法，其特征在于， 在形成氧化硅膜的步骤中没有释放注入的氢或卤素，和 在热处理时释放注入的氢或卤素。
23. 如权利要求21所述的制造光伏器件的方法，其特征在于， 在等于或低于35(TC的温度进行形成氧化硅膜的步骤，和 在等于或高于40(TC的温度进行热处理。
24. —种制造光伏器件的方法，该方法包括以下步骤 制备单晶半导体基板，该基板包含第一区域、与第一区域相邻的第二区域、在第一区域和第二区域之间的第三区域、以及在第二区域和第三区域之间 的第四区域；将氢或卤素注入第一区域、第三区域和第二区域； 在注入步骤之后，在第二区域加入第一杂质；在加入步骤之后，通过化学气相沉积法，使用有机硅烷气体，在第二区 域上形成与之接触的氧化硅膜；通过使绝缘表面与氧化硅膜密切接触，使具有绝缘表面的基板与氧化硅 膜接合；在接合步骤之后，使第一区域与第三区域分离；和 在分离步骤之后，在第三区域加入第二杂质元素，其中，第一杂质的第一电导率类型不同于第二杂质的第二电导率类型。
25. 如权利要求24所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，将通过等离子体激发方式使用氢气或卤素气体产生的离子注入，进行氢或卤素掺杂。
26. 如权利要求25所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，所述离子是H+、 H2+和H/，具有高比例的H二
27. 如权利要求24所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，所述有机硅院气体选自下组四乙氧基硅烷、三甲基硅烷、四甲基环四硅氧垸、八甲基环四硅氧烷、六甲基二硅氮烷、三乙氧基硅烷和三(二甲基氨基硅垸)。
28. 如权利要求24所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，通过进行热处理，在第一区域和第三区域之间产生裂解，从而将第一区域和第三区域分离。
29. 如权利要求28所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，在形成氧化硅膜的步骤中没有释放注入的氢或卤素，和在热处理时释放注入的氢或卤素。
30. 如权利要求28所述的制造光伏器件的方法，其特征在于，在等于或低于35(TC的温度进行形成氧化硅膜的步骤，和在等于或高于40(TC的温度进行热处理。
全文摘要
一种光伏器件使用与单晶半导体基板或多晶半导体基板分离的单晶或多晶半导体层作为光电转换层，并且具有SOI结构，在该结构中，半导体层与具有绝缘表面的基板或绝缘基板接合。单晶半导体层是单晶半导体基板的分离的表面层部分并被转移，该单晶半导体层被用作光电转换层，且包含在光入射表面或者相背表面加入了氢或卤素的杂质半导体层。将该半导体层固定于具有绝缘表面的基板或绝缘基板。
文档编号H01L31/04GK101657907SQ200880011759
公开日2010年2月24日 申请日期2008年3月17日 优先权日2007年4月13日
发明者山崎舜平, 荒井康行 申请人:株式会社半导体能源研究所