专利名称：具有类似漏斗的沟槽结构的太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
利用将光能转化为有用的电能的太阳能电池是众所周知的。进入到这些太阳能电 池的光被吸收，由此产生电子-空穴对，随后，通过由太阳能电池结产生的电场空间性地分 离电子-空穴对，并在太阳能电池的各个触点处(例如顶面和底面)收集电子-空穴对。例 如，在n-p型太阳能电池中，电子将向顶面行进，随后在该顶面处电子将被位于该顶面上的 金属栅格收集。另一方面，空穴将向太阳能电池的底面行进，在底面处空穴可以被覆盖整个 底面的金属板收集。收集概率描述了器件的某一区域中吸收的光生载流子将被p-n结收集并且因此 对光生电流做出贡献的概率。收集概率取决于与扩散长度相比，光生载流子必须行进的距 离，且取决于器件的表面特性。耗尽区中产生的载流子的收集概率是1，这是因为电子-空 穴对迅速地被电场扫描分离并被收集。远离结，收集概率降低。如果载流子产生在距离结 大于扩散长度处，那么对这种载流子的收集概率就非常低。类似地，如果载流子产生在比结 更靠近具有更高复合的区域处，那么载流子将复合。业内公知一些不同类型的太阳能电池及制造太阳能电池的方法。太阳能电池制造 商不断追求的目标是以有成本效益的方式提高太阳能电池的转换效率。入射到半导体表面上的光子或从顶面反射，或被吸收进材料中，亦或不能发生上 述两个过程中的任一个过程，而从材料中透射出去。对于光伏器件来说，因为没有被吸收的 光子是不会产生电功率的，所以反射和透射通常被视为损耗机理。吸收系数决定了特定波长的光在被吸收之前能穿透进材料中多远的距离。在具有 低吸收系数的材料中，所吸收的光很少，且如果材料足够薄，则其对于该波长来说似乎是透 明的。吸收系数是材料的特性，且还取决于正被吸收的光的波长。吸收系数对于波长的依赖性导致在大部分光被吸收之前，不同波长穿透进半导体 中的距离不同。由吸收系数的倒数(即，a—1)给出了吸收深度。吸收深度是一个有用的参 数，该参数给出了在光降低至其初始强度的约36%时或另选地已经降低了 Ι/e的因数时进 入材料的距离。因为特定材料对于高能光(波长短，例如蓝光)具有大吸收系数，所以高能 光在从表面开始的短距离内(对于太阳能电池来说，在几微米之内)被吸收，而红光光谱却 没有那么强烈地被吸收。即使几百微米之后，也不能在硅中吸收所有近红外光。理想的太阳能电池可由并联有二极管的电流源来做模型。肖克莱(Shockley)理 想二极管方程或理想二极管定律是理想二极管在正向偏置或反向偏置(或没有偏置)下的 I-V特性。方程是Id= I0 [exp (qV/kT) _1]其中Id是二极管电流，I0是反向偏置饱和电流，V是横跨二极管的电压，q是电子 电荷，k是玻耳兹曼(Boltzman)常数，且T是二极管结的绝对温度。
对太阳能电池成本方面的典型需求是可以在廉价衬底上，例如金属衬底上，形成 太阳能电池。另一方面，硅通常用作制造太阳能电池的半导体。其中，从光能转化为电动势 的效率的角度(即从光电转换效率的角度)来考虑，单晶硅是优良的材料。但是，单晶硅相 对昂贵。多晶硅更廉价，但是却具有较低的转换效率。非晶硅更廉价，但是却具有更低的转 换效率。太阳能电池的转换效率被确定为被转换成电的入射功率的分数(fraction)且被 定义为
权利要求
1.一种包括一个或更多个太阳能电池的容积式结构，该结构包括具有图案化表面的 第一导电类型的半导体衬底，该图案限定了类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列；以及第 二相反导电类型的材料层，其至少位于所述衬底的所述图案化表面的一部分上，由此，该结 构限定了结区，在这些结区中通过该结构所暴露于的入射辐射能产生电荷载流子，所述结 区位于所述衬底的所述图案化表面上的不同高度处。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述沟槽的深度和所述沟槽排列的节距之间的 纵横比约为1或更大。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，限定了所述沟槽的深度的不同高度之间的距离 在约8 μ m至约50 μ m的范围内。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，类似漏斗形状的所述沟槽具有倾斜侧面，这些倾 斜侧面沿着至少两个相交平面延伸，限定了所述入射辐射能与所述至少两个侧面之间的多 重相互作用，由此降低了从所述图案化表面反射出的光量，因此增加了所述结构的外量子 效率。
5.根据权利要求4所述的结构，其中，类似漏斗形状的所述沟槽由多个表面形成，所述 多个表面包括水平表面以及连接在所述水平表面之间的所述倾斜侧面；所述结区位于所述 倾斜侧面之间的所述水平表面上。
6.根据权利要求4至5中任意一项所述的结构，其中，所述倾斜侧面的角度被选择为使 得在所述结构中俘获来自多个入射角度的入射辐射能，由此降低从所述图案化表面反射出 的光量，从而增加所述结构的外量子效率。
7.根据权利要求4至6中任意一项所述的结构，其中，所述倾斜侧面的角度被选择为 使得在所述结构中俘获来自多个入射角度的入射辐射能，由此使得所述结构的光程长度增 加，从而增加所述结构的内量子效率。
8.根据权利要求4至7中任意一项所述的结构，其中，所述沟槽中的至少一些沟槽包含 所述结区，所述沟槽的图案使得所述结构的所述图案化表面内的所述结区的填充因数提供 了 对于给定入射角的入射辐射来说，大多数入射辐射能通过所述倾斜侧面被所述结构吸 收，使得入射光的吸收能够靠近所述结区，以及由于红光光谱和红外光谱而产生的光生载 流子，增加了内量子效率。
9.根据权利要求4至8中任意一项所述的结构，其中，所述沟槽中的至少一些沟槽包含 所述结区，所述沟槽的图案使得所述结构的所述图案化表面内的所述结区的填充因数提供 了 对于给定入射角的入射辐射来说，大多数入射辐射能由所述结构通过所述倾斜侧面吸 收，从而导致对入射辐射的UV光谱和蓝光光谱的吸收。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述第二材料层是连续的。
11.根据权利要求10所述的结构，其中，所述第二材料层具有所述第二类型的变化的 导电率，由此限定了间隔开的结区的阵列。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的结构，其中，所述第二材料层是不连续的， 限定了由绝缘层隔开的间隔开的结区的阵列。
13.根据权利要求12所述的结构，其中，所述绝缘层选自硅氧化物层和硅氮化物层。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述结区位于沿着两个大致平行 的平面延伸的两个不同高度处。
15.根据权利要求1至14中任意一项所述的结构，其中，所述结区位于沿着三个大致平 行的平面延伸的三个不同高度处。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，局部相邻的结区之间的距离被选 择为使得入射辐射能的红光光谱和红外光谱二者中的大部分被所述局部相邻的结区之间 的表面吸收。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述半导体衬底是硅衬底。
18.根据权利要求17所述的结构，其中，所述硅衬底是多晶衬底。
19.根据权利要求17所述的结构，其中，所述硅衬底是单晶衬底。
20.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，所述第二材料层和所述衬底由相 同的半导体衬底形成。
21.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，其中，局部相邻的结区之间的距离被选 择为使得入射辐射与所述沟槽的侧面之间的众多相互作用最大化。
22.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，所述结构包括在所述半导体衬底的 未图案化表面上的至少一个电极，以及在所述图案化表面上的至少一个电极。
23.根据前述权利要求中任意一项所述的结构，所述结构包括暴露于入射辐射的一个 或更多个光学元件，用于将所述入射辐射能会聚到类似漏斗的所述沟槽中。
24.根据权利要求23所述的结构，其中，所述间隔开的类似漏斗的沟槽包括在所述图 案化表面上大致径向地排列的沟槽，所述沟槽的排列面向所述入射辐射能。
25.一种制造太阳能结构的方法，该方法包括以下步骤提供第一导电类型的半导体 衬底，在该半导体衬底上生成至少一个牺牲层；在所述至少一个牺牲层的每一个中都生成 间隔开的区域的至少一个图案，以选择的刻蚀速率刻蚀所述至少一个牺牲层，以获得所需 的刻蚀轮廓，由此形成图案化的半导体表面，所述图案包括类似漏斗形状的间隔开的沟槽 的阵列，以及至少在图案化的表面的一部分上生成相反导电类型的第二层，由此限定了位 于所述图案化的表面上的不同高度处的间隔开的结区，使得能够通过所述结构所暴露于的 入射辐射能而在这些结区内产生电荷载流子。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述图案生成由多个表面形成的至少一个沟 槽，该多个表面包括水平表面以及连接在所述水平表面之间的倾斜侧面；所述这些结区位 于所述倾斜侧面之间的所述水平表面上。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述结区位于沿着两个大致平行的平面延伸 的两个不同高度处。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述结区位于沿着三个大致平行的平面延伸 的三个不同高度处。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层和所述衬底由相同的半导体 衬底形成。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述半导体衬底是硅衬底。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述硅衬底是多晶衬底。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述硅衬底是单晶衬底。
33.根据权利要求25所述的方法，其中，所述牺牲层选自热氧化物层、PECVD氧化物层、 氮化物层或光刻胶层。
34.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层是连续的。
35.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层是不连续的，限定了通过绝缘 层隔开的间隔开的结区的阵列。
36.根据权利要求25所述的方法，其中，所述刻蚀是各向同性的。
37.根据权利要求25所述的方法，其中，所述刻蚀是各向异性的。
38.根据权利要求25所述的方法，其中，所述所需的刻蚀轮廓是通过以不同的刻蚀对 PECVD氧化物和热氧化物进行刻蚀而获得的。
39.根据权利要求25所述的方法，其中，所述所需的刻蚀轮廓是通过以不同的刻蚀对 硅和氧化物进行刻蚀而获得的。
40.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第二材料层具有所述第二类型的变化的 导电率，由此定义了间隔开的结区的阵列。
全文摘要
本发明提供了一种包括一个或更多个太阳能电池的容积式太阳能结构。该太阳能结构包括具有图案化表面的第一导电类型的半导体衬底，该图案限定了类似漏斗形状的间隔开的沟槽的阵列，以及第二相反导电类型的材料层，其至少位于衬底的图案化表面的一部分上。该结构因此限定了结区，在这些结区中通过该结构所暴露于的入射辐射能来产生电荷载流子。这些结区位于衬底的图案化表面上的不同高度处。
文档编号H01L31/0352GK102099927SQ200980122261
公开日2011年6月15日 申请日期2009年6月14日 优先权日2008年6月12日
发明者尤里埃尔·利维, 尼西姆·本约瑟夫, 约瑟夫·夏皮尔 申请人:申卡尔工程和设计学院, 耶路撒冷希伯来大学伊森姆研究发展公司