专利名称：用纳米/微球光刻制造纳米/微线太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池，并且更特别地，涉及用于制造基于纳米线/微线 (microwire)的太阳能电池的技术。
背景技术：
对太阳能电池的广泛使用的主要障碍是生产太阳能电池的高成本，通常几乎一半的生产成本用于获取起始太阳能等级硅(Si)晶片(其必须符合某个最小厚度)。虽然 Si被广泛地用作太阳能材料，但Si因为其间接带隙而具有长吸收长度。例如，需要100 微米(μπι)厚的Si晶片来吸收90%的高于1. 12电子伏特(eV)带隙的太阳能。参见例如 B. M. Kayes 等人的"Comparison of the Device Physics Principles of Planar and Radial p-n Junction Nanorod Solar Cells," J. Appl. Phys. ， vol. 97,114302(2005) ( VX 下称为“Kayes”)。备选地，可以使用较低成本的材料，诸如冶金等级多晶Si或者多结晶Si。例如，在 2007年，冶金等级Si每千克(kg)花费约2美元，而高品质太阳能等级Si衬底每kg花费约 20 美兀。参见例如 USGS，Silicon :USGS Mineral Commodity Summaries, January 2008。 然而，这些较低成本的材料通常由于存在许多杂质和晶界而具有非常短的少数载流子寿命 (并且因此具有短的扩散长度)。这种不利特性严重限制了电池效率。规避这种问题的一种方式是寻求这些较低成本材料中的效率提高。对效率提高的有希望的途径是在水平方向而不是垂直方向引导载流子汇集。这种方案可以在圆柱形P-n 结配置中实现，该圆柱形P-n结配置由于汇集在径向方向中发生，所以允许针对短扩散长度材料的更高效的载流子汇集。参见例如描述纳米柱太阳能电池的Kayes。然而，遗憾地是，用于生产纳米等级太阳能器件的传统技术受限于低产量并因此对于大规模商业实现可能过于昂贵。因此，需要降低生产成本并且增加产量的改进的太阳能电池制造技术。
发明内容
本发明提供了用于制造基于纳米线/微线的太阳能电池的技术。在本发明的一个方面中，提供了用于制造太阳能电池的方法。该方法包括以下步骤。提供掺杂衬底。在该衬底上沉积单层球体。该球体包括纳米球、微球或其组合。修整该球体以在单层的单独球体之间引入空间。修整后的球体被用作掩模以对该衬底中的接线进行图案化。该接线包括纳米线、微线或其组合。在图案化的接线上形成掺杂发射极层。在该发射极层之上沉积顶部接触电极。在该衬底的与该接线相反的一侧上沉积底部接触电极。通过参考以下详细描述和附图，将会获得对本发明的更完全理解以及本发明的进一步的特征和优点。
图1图示了根据本发明的一个实施方式的示例性圆柱形p-n结配置的示意图；图2-图9是图示了根据本发明的一个实施方式的，用于制造基于纳米线和/或微线的太阳能电池的示例性方法的示图；图10是图示了根据本发明的一个实施方式的通过扩散形成发射极层的示图；图11是图示了根据本发明的一个实施方式的通过沉积形成发射极层的示图；图12是根据本发明的一个实施方式的与纳米球直径和等离子体蚀刻时间有关的图表；图13A是根据本发明的一个实施方式的使用纳米球掩模进行图案化的示例性纳米线阵列的由上向下扫描电子显微(SEM)图像；图1 是根据本发明的一个实施方式的使用纳米球掩模进行图案化的示例性纳米线阵列的横截面SEM图像；图13C是根据本发明的一个实施方式的图13B的图像的一部分的放大横截面SEM 图像；图14是根据本发明的一个实施方式的具有通过扩散磷旋涂掺杂剂源在纳米线阵列上形成的发射极层的太阳能电池的横截面SEM图像；图15是根据本发明的一个实施方式的具有通过在纳米线阵列上溅射氧化锌 (ZnO)层而形成的η型射极层的太阳能电池的横截面SEM图像；图16Α是图示了根据本发明的一个实施方式的图14的太阳能电池的电特性的图表；图16Β是图示了根据本发明的一个实施方式的图14的太阳能电池的电特性的表格；图16C是图示了根据本发明的一个实施方式的图14的太阳能电池的反射率光谱的图表；图17Α是图示了根据本发明的一个实施方式的图15的太阳能电池的电特性的图表；以及图17Β是图示了根据本发明的一个实施方式的图15的太阳能电池的电特性的表格。
具体实施例方式在此公开的内容是用于制造基于纳米线和/或微线的太阳能电池的技术。本太阳能电池设计采用圆柱形P-n结配置。圆柱形p-n结配置由于汇集在径向方向中发生，而允许针对短的少数载流子扩散长度太阳能材料的更高效的载流子汇集。因此，在本教导中可以实现由于短的少数载流子扩散长度而可能不适合于在传统的平面太阳能电池设计中使用的低成本材料，因而实现节省生产成本。此外，为了实现商业上可行的基于纳米线和/或微线的太阳能电池，重要的是利用低成本方法制造纳米线和/或微线结构。因此，本技术提供了采用“由上向下”纳米球 /微球光刻的制造工艺，从而避免了诸如电子束(e-beam)或者紫外线(UV)光刻之类的受限于低产量并且因而过于昂贵的标准工艺。纳米球/微球光刻制造技术提供了简单、低成本并且高产量的技术以限定大规模纳米线和/或微线结构。参见例如C. L. Cheung等人的"Fabrication of Nanopillars by Nanosphere Lithography,，，Nanotech. 17,1339 (2006) (以下称为 ‘‘Cheung”)以及 Ζ. Huang 等人的"Fabrication of Silicon Nanowire Arrays with Controlled Diameter, Length, and Density, "Advanced Materials 19,744(2007) (以下称为“Huang”)，它们各自的内容在此通过引用并入。纳米球和/或微球光刻制造技术依赖于纳米球和/或微球的大规模自组装布置(参见下文)。相比于对照(control)样本(以常规方式制造的平面器件，即没有纳米线或者微线)，使用本技术制造的基于纳米线和微线的太阳能电池的电特性示出了在较高短路电流和效率方面的有希望的益处(参见下文)。同样地，相比于常规的用于大规模纳米线制造的 “由下向上”技术(即，汽液固(VLS)生长工艺)，本纳米球/微球光刻制造技术无需对于太阳能电池性能可能非常有害的金属催化剂。具体而言，VLS生长中涉及的金属催化剂，诸如金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)，充当实质上增加复合电流的对太阳能电池中的少数载流子的杂质陷讲。这个电流继而减少太阳能电池中的有用光生电流量。此外，纳米球/微球光刻制造技术在控制所生产的纳米线和/或微线的尺寸(直径和高度)中提供更大的灵活性。图1是图示了在圆柱形p-n结配置中按照水平方向指引载流子汇集的示意图。如图1中所示，通过参考示例性基于纳米线的太阳能电池100，在圆柱形P-n结中，电荷载流子(即电子e-空穴h对)汇集发生在径向方向中。换言之，在圆柱形内核(在本示例中为 η型掺杂纳米线10 和围绕该内核的层(在本示例中为ρ型掺杂发射极层104)之间形成 P-n结。纳米线的半径r与少数载流子(在本实例中为空穴)的扩散长度Lp相当，即r Lp。这暗示了空穴可以在主体(即，纳米线102和下面的衬底)中的任何位置生成，并且它们将由P-n结有效地汇集和分离，以产生有用的电流。径向方向中的改进的载流子汇集可以提高太阳能电池的效率。参见例如Kayes，其内容通过引入并入于此。此外，纳米线薄膜还充当增加光吸收的自然抗反射涂层(参见例如L. Tsakalakos等人的“Mrong Broadband Optical Absorption in Silicon Nanowire Films，”J. Nanophot. 1，013552 (2007)，其内容通过引入并入于此)，特别是在较短波长处(参见例如L. Hu等人的“Analysis of Optical Absorption in Silicon Nanowire Arrays for Photovoltaic Applications,，，Nano Lett. ,Vol. 7, no. 11,3249(2007),(以下称为“Hu”)，其内容通过引入并入于此)。这种作用提高了电池的能量转换效率。图2-图9是图示了用于制造基于纳米线和/或微线的太阳能电池的示例性方法的示图。用于制造工艺的起始平台是衬底，即衬底202(参见图2)。衬底202可以是适合于形成用于太阳能电池的P-n结的任何半导体材料。因此，使用n型掺杂剂或ρ型掺杂剂对衬底202进行掺杂。适合的η型掺杂剂包括但不限于磷(P)和砷(As)。适合的ρ型掺杂剂包括但不限于硼(B)0在一个示例性实施方式中，使用ρ型硅(例如，Si(IOO))底。如图2中所示，在衬底上沉积单层球体204。球体204包括纳米球、微球或者纳米球和微球的组合。纳米球在此通常被认为包括具有小于约1 μ m(例如，从约50纳米(nm)至约 1微米(Pm))的直径ds的球体204。微球在此通常被认为包括具有大于或等于约Iym(例如从约1 μ m至约50 μ m)的直径ds的球体204。球体204将用于对衬底中的接线进行图案化，而接线的直径取决于修整步骤(参见下文)之后的球体的直径。因此，修整后的纳米球、微球或者纳米球和微球的组合将分别用于对衬底中的纳米线、微线或者纳米线和微线的组合进行图案化。根据示例性实施方式，使用聚苯乙烯乳胶球体。聚苯乙烯乳胶微球可以从美国马萨诸塞州Waltham的Thermo Fisher Scientific公司购得(聚苯乙烯乳胶微球5000系列)。对通常在水悬浮液中提供的球体使用甲醇+Trit0nTM-X表面活性剂(可从美国密西根州Midland的Dow Chemical公司获得)(例如，聚苯乙烯乳胶纳米球和/或微球悬浮液甲醇TritonTM-X为560 400 1)稀释，并且使用旋涂技术沉积(例如，对于500nm 的纳米球)旋转顺序为每分钟400转数(rpm)(持续10秒)，800rpm(持续120秒)以及 1400rpm(持续10秒)。按照这种方式沉积的纳米球和/或微球将按照自组装方式在衬底上布置其自身，并且因此稀释因数被优化以跨典型的太阳能电池器件的大面积(即，范围从约1厘米(cm) X Icm至约50cmX 50cm，参见下文)而获得单层球体。如果球体浓度过高， 那么在衬底上将会存在(非期望的)两层或更多层纳米球和/或微球的区域。类似地，如果球体浓度过低，那么将会存在(非期望的)其中缺少纳米球/微球的开放区域。也可以使用表面官能化连同与官能化表面相互作用的化学官能化的纳米球和/ 或微球来执行球体沉积工艺。根据示例性实施方式，利用氨基硅烷[3-(2-氨基乙基氨)丙基]三甲氧硅烷(APTQ对衬底的表面进行官能化。将衬底浸入APTS溶液约一小时，吹干并且以85摄氏度(°C)烘烤15分钟。继而，使用简单的滴铸(dropcasting)技术沉积球体(尽管也可以使用其他沉积技术，诸如旋铸、浸涂、喷涂以及上述的旋涂技术)。在本示例中，使用羧化物球(诸如Polybead 羧化物微球，其可从美国宾夕法尼亚州Warrington的 Polysciences公司获得)。这些球体在其表面呈现羧基(COOH)官能团，其与衬底的官能化表面上的NH2基结合，从而增加球体与衬底之间的附着力。在初始球体溶液中的溶剂蒸发之后，使用蒸馏水冲洗衬底以去除过量球体，仅在表面上留下单层球体。尽管需要附加的官能化步骤以及特殊类型的球体，但这种方法提供了某些优点，诸如更稳固的单层形成、更佳的一致性、更容易按比例增加、消耗更少的纳米球溶液，并且最值得注意的是，这种技术允许使用具有粗糙表面的衬底材料(诸如多晶或多结晶或非晶半导体衬底)。也可以使用可选种类的官能化化学反应(例如，其中利用酸基对衬底进行官能化而使用碱对球体进行官能化)执行这种技术。存在可以用来将球体结合到表面的许多其他补充化学反应，包括许多类型的酸/碱相互作用或者各种共价键形成反应。可以在纯硅表面上、自然氧化硅上和生长的氧化硅上进行表面官能化。图3中示出了沉积在衬底202上的单层球体204的俯视图(即，从有利点A的俯视图)。图3图示了在此使用的纳米球/微球光刻制造技术仰赖于大规模的球体自组装布置。术语“大规模“意指覆盖面积比纳米球/微球的尺寸大得多。例如，在本教导中，纳米球/微球的目标在于覆盖大面积的太阳能电池衬底，诸如衬底202，例如具有从约Icm至约 50cm的长度1以及从约Icm至约50cm的宽度W。这种衬底尺寸比具有例如约1 μ m的直径的微球大了五个数量级。如图4中所示，修整球体204以在单层的单独球体之间引入空间。根据示例性实施方式，使用氧(O2)等离子体反应离子蚀刻(RIE)修整球体的直径。通过控制等离子体蚀刻的定时来控制要修整/减少多少球体直径。在图12中呈现有关球体直径和等离子体蚀刻时间的实验数据，其在以下进行描述。为允许稍后形成的纳米线和/或微线之间有足够的间隙空间以容纳发射极层的形成(参见下文)，这种修整步骤是必要的。修整步骤也可以用于将纳米球和/或微球减小至用于接线图案化的适合尺寸(即，直径)。仅通过示例，如果单层球体204(参见以上描述的图幻仅包含微球且期望对衬底中的纳米线进行图案化， 则可使用修整步骤将球体直径减小至所期望的纳米尺寸。在评估起始球体尺寸(修整前) 以及所期望的接线直径时，必须考虑由于修整步骤所造成的球体尺寸的这种减小。如图5中所示，使用球体204(现在具有减小的直径)作为掩模，以对衬底202中的接线502进行图案化。根据示例性实施方式，通过深RIE工艺对衬底202中的接线502 进行图案化。例如，当衬底202包含硅(Si)时，可以使用氢溴酸(HBr)、四氟甲烷(CF4)及氯气(Cl2)化学反应或BOSCH工艺(如，时间多工RIE工艺，其包括由六氟化硫(SF6)的蚀刻步骤和由八氟环丁烷(C4F8)的钝化步骤)。参见例如Cheung。也可以利用湿蚀刻技术以避免真空处理并降低成本。参见例如Huang。尽管湿蚀刻技术利用金属催化剂，诸如Ag (如上文所强调，这对太阳能电池器件并不利)，但金属仅用作蚀刻催化剂而非生长催化剂，因此其不大可能并入半导体材料中。所以，可以将金属的任何有害作用变得最小。如下所述， 在图13A-图13C中示出了按照这种方式(即，禾Ij用深RIE和纳米球掩模)进行图案化的纳米线的示例。如上文所强调，在衬底202中进行图案化的接线502的直径取决于球体204修整后的直径。因此，修整后的纳米球、微球或纳米球和微球的组合将使得纳米线、微线或纳米线和微线的组合分别在衬底202中被图案化。因此，在此通常将纳米线视为包括具有小于约1 μ m (例如从约50nm至约1 μ m)的直径dw的接线502。在此通常将微线视为包括具有大于或等于约1 μ m (例如从约1 μ m至约50 μ m)的直径(Iw的接线502。现在可以清洁在衬底202中进行图案化的接线502以去除由于RIE工艺所造成的任何表面损坏。对于Si衬底，可以使用例如氧化步骤(诸如使用Piranha溶液(硫酸(H2SO4)过氧化氢(H2O2)的容积比=3 1)持续约30分钟)，接着再进行RCA清洁。在RCA清洁中所执行的步骤对于本领域技术人员而言是公知的，因此在此不进行进一步的描述。在这个清洁步骤期间，还去除球体。参见图6。如上文所强调，与传统的由下而上技术(诸如VLS纳米线生长技术，其中利用化学汽相沉积工艺+金属催化剂来生长纳米线)相比，本纳米球/微球光刻制造技术在控制纳米线/微线的尺寸(直径及高度)方面提供更大的灵活性。即，利用本自上而下的方法，可以容易地控制以下二者1)接线直径，其通过选择起始球体的尺寸，接着进行合适的O2等离子体修整技术；以及2)接线高度，其通过控制RIE工艺的蚀刻时间。如图7中所示，在接线502上及衬底202之上形成发射极层702。发射极层702 利用η型掺杂剂或ρ型掺杂剂高度掺杂，例如，浓度为从约IX IO19立方厘米(cm3)至约 1 X IO21Cm3,以便具有与衬底202和接线502的极性相反的极性。合适的η型掺杂剂和ρ型掺杂剂如上所述。仅通过示例，如果接线502由ρ型Si衬底(参见上文)形成，则将利用 η型掺杂剂掺杂发射极层702，以在接线502和发射极层702之间形成圆柱形ρ_η结。发射极层702可以以若干不同方式形成。一种方式是通过主扩散(drive-in diffusion)技术(参见图10，其说明如下)，而另一种方式是通过沉积(参见图11，其说明如下)。如图8中所示，可以例如使用标准图案化技术限定台面结构802以隔离器件。合适的图案化技术对于本领域技术人员而言是公知的，因此在此不进行进一步的描述。在此步骤期间，从衬底202没有包含纳米线或微线的区域去除发射极层702的部分。
如图9中所示，形成顶部接触电极902和底部接触电极904。具体而言，顶部接触电极902沉积在发射极层702之上，而底部接触电极904沉积在衬底202的与接线502相反的一侧上。根据示例性实施方式，顶部接触电极902包括铟锡氧化物(ITO)和/或铝(Al)、 Cu、镍(Ni)、钛(Ti)、钯(Pd)、Ag及Au中的一种或多种(诸如Ti/Pd/Ag或Ti/Au)，而底部接触电极904包括Al、Cu、Ni、Ti、Pd、Ag及Au中的一种或多种(诸如Ti/Pd/Ag或Ti/Au)。 可以使用金属蒸发、电镀或丝网印刷来沉积顶部接触电极902和/或底部接触电极904。如将在下文描述的那样，可以将顶部接触电极902形成为发射极层之上的共形层。如所强调的那样，例如，以上结合对图7的描述，可以以若干不同方式形成发射极层702。图10图示了通过扩散形成发射极层702。即，通过从掺杂剂源将η型掺杂剂或ρ 型掺杂剂扩散到接线502上(如由箭头1002所指示)形成发射极层702。合适的掺杂剂源包括但不限于旋涂玻璃(SOG)掺杂剂或气相掺杂剂前体(precursor)，诸如氯化磷酰 (POCl3)。例如，使用旋涂玻璃(SOG)掺杂剂源，首先在接线502上沉积S0G，接着在主扩散步骤中，在从约850°C至约1，000°C的温度下，使样本退火持续从约10分钟至约30分钟的持续时间(该持续时间取决于目标结深度)。对于气相掺杂剂前体(诸如POCl3)而言，首先将接线502曝露至气相掺杂剂前体，接着在约800°C的温度下，使样本退火持续约1小时的持续时间(可以相应地调整该持续时间以调节结深度)。图11图示了通过沉积形成发射极层702。S卩，以与衬底相反的掺杂类型在接线502 上沉积半导体材料，以形成发射极层702(如箭头1102所指示)。例如，如果衬底为ρ型衬底，则可在接线502上沉积η型Si或另一 η型材料，诸如氧化锌(SiO)和/或ΙΤ0。根据示例性实施方式，使用蒸发、溅射或外延生长在接线502上沉积半导体材料。蒸发、溅射和外延生长沉积技术对于本领域技术人员而言是公知的，因此在此不进行进一步描述。具有按照这种方式(即，通过沉积)形成的发射极层的太阳能电池保证在纳米线/微线表面上共形形成ρ-η结，这对于提高径向方向的载流子汇集是需要的(例如，参见Kayes)。具体而言，利用(发射极层)沉积工艺，所得到的Ρ-η结界面包绕纳米线/微线表面，因此提供了径向ρ-η结结构。利用(发射极层)扩散工艺还可以获得在纳米线/微线表面上Ρ-η结的共形形成。然而，需要对扩散工艺进行严格的和统一的控制。例如，需要对主扩散步骤的持续时间加以控制，以防止可能对Ρ-η结结构有不利的影响的过度扩散/扩散不足。此外，使用沉积工艺形成发射极层允许通过不同于衬底和纳米线/微线的材料形成发射极层。采用不同于衬底和纳米线/微线的材料的发射极层允许形成异质结纳米线/ 微线太阳能电池。异质结纳米线/微线太阳能电池具有优于标准的同质结太阳能电池的优点。例如，使用异质结纳米线/微线太阳能电池，可以使用作为窗发射极层(window emitter layer)的更高带隙材料。此层将可以透光，从而允许大部分的光子能够从中通过朝向更有效率的吸收体(衬底)层，与此同时此窗层可以充当将减少表面复合的表面钝化层。如所描述的那样，例如，上文结合对图4的说明，可以使用氧等离子体RIE工艺修整纳米球/微球。可以通过控制等离子体的定时，控制纳米球/微球的直径所要修整/减小的量。为了说明此工艺，图12中提供了有关其中使用等离子体蚀刻来修整纳米球的实例的经验数据。即，图12是有关纳米球直径及等离子体蚀刻时间的图表1200。在图表1200 中，在χ轴上绘出了等离子体时间(持续时间)(测量单位秒)，并且在y轴上绘出了纳米球(赂)直径(测量单位nm)。在此示例中使用的等离子体蚀刻使用每分钟15标准立方厘米(sccm)的氧(O2)流和100瓦(W)的射频(RF)功率源执行。图13A是使用纳米球掩模进行图案化的示例性纳米线阵列的俯视扫描电子显微(SEM)图像1300A，而图1 是其横截面SEM图像1300B。上文已经详细描述了用于使用纳米球和/或微球掩模对纳米线和/或微线进行图案化的工艺。在此示例中，在P型 Si(IOO)衬底中对纳米线1302的阵列进行图案化。存在于水悬浮液中的纳米球在甲醇中按照4 7(甲醇纳米球)的比例稀释。在沉积之后，如上所述，使用O2等离子体RIE来修整纳米球，其中氧(O2)流为lkccm，RF功率源为100W，压力为1. 76I~0rr并且相应地调整时间，以获得最后的纳米球直径，如图12中所示(如上所述)。此工艺以深RIE继续，其使用 HBr作为主要蚀刻剂，压力为4微米汞柱(mTorr)，RF功率源为650W，气体流为160sCCm，持续时间约四分钟。图13C中示出了(图像1300B的)部分1304的放大图。图13C是图像1300B(图13B)的部分1304的放大图像1300C。图像1300C图示了图案化阵列中的每个纳米线1302具有约1，260nm高度和约235nm的顶部直径。图14是具有通过扩散(即，主扩散)磷旋涂掺杂剂源(P509)而在纳米线阵列上形成的发射极层1402的太阳能电池的横截面SEM图像1400。例如，结合上文对图10的描述，描述了通过扩散形成发射极层。在此示例中，使用上述技术在P型Si (100) (p-Si)衬底中对纳米线阵列进行图案化。使用旋涂技术在纳米线上沉积磷掺杂剂，然后通过在约850°C 约30分钟持续时间的热处理将磷掺杂剂扩散至纳米线中。图15为具有通过在纳米线阵列上溅射ZnO层而形成的η型发射极层1502的太阳能电池的横截面SEM图像1500。例如，结合上文对图11的描述，描述了通过沉积形成的发射极层。在此示例中，使用上述技术在P型Si (100) (p-Si)衬底中对纳米线阵列进行图案化。在纳米线上将ZnO发射极层溅射至约900埃(A )的厚度。继而，在ZnO发射极层之上沉积ITO的共形层，其围绕每个纳米线至约1,500人的厚度并且充当顶部接触电极。针对图14的太阳能电池(即，具有通过扩散磷旋涂掺杂剂源而在纳米线阵列上形成的发射极层)以及图15的太阳能电池(S卩，具有通过在纳米线阵列上溅射ZnO层而形成的η型发射极层)，在模拟日光(一个太阳AM 1.5光谱)的照明下，执行电特性测试。在每个测试中，为了比较，还测试平面对照电池，即，没有纳米线的太阳能电池。在图16Α-图 16C中示出了在图14的太阳能电池上执行的测试的结果，并且在图17Α和图17Β中示出了在图15的太阳能电池上执行的测试的结果。图16Α是图示了图14的具有通过扩散而形成的发射极层的基于纳米线的太阳能电池(即，NW电池)以及标准平面太阳能电池(即，平面对照)的电特性的图表1600Α。在基于纳米线的太阳能电池的发射极层上形成包括例如Al、Cu、Ni、Ti、Pd、Ag及Au中的一种或多种(诸如Ti/PdAg或Ti/Au)的顶部接触电极(参见上文对图9的描述)。图表1600A 示出了在仿真的一个太阳照明下的电特性。在图表1600A中，在χ轴上绘出了电压V (测量单位毫伏(mV))，并且在y轴上绘出了电流I (测量单位毫安(mA))。太阳能电池面积为 0. 45平方厘米(cm2)。图16B为图示了图14的具有通过扩散而形成的发射极层的基于纳米线的太阳能电池(即，NW电池)以及标准平面太阳能电池(即，对照)的电特性的表格 1600B。(从图表1600A导出的)表格1600B中示出的电特性为开路电流(Vqc)(测量单位 mV)、短路电流(Jsc)(测量单位每平方厘米毫安(mA/cm2)、填充因子(FF)以及百分比(％ )效率(Eff)。图16C是图示了图14的具有通过扩散而形成的发射极层的基于纳米线的太阳能电池(即，NW)以及标准平面太阳能电池(即，对照)的反射率光谱的图表1600C。在图表1600C中，在χ轴上绘出波长(λ)(测量单位nm)，以及在y轴上绘出了反射率㈨。从图16A-图16C中示出的结果，很明显地可以看出图14的太阳能电池具有比平面对照电池更高的短路电流(Jsc)。此优点可能是归因于由于存在纳米线而造成的较佳的光捕捉或抗反射性质。然而，基于纳米线的太阳能电池具有较差的填充因子(FF)，因而整体效率并没有提高而是接近对照样本的整体效率。不佳的填充因子(FF)与显著的串联电阻相关联。通过在顶部使用诸如ITO之类的共形及传导层(如上文所描述)对此串联电阻的减少，将提高基于纳米线的太阳能电池效率。基于纳米线的太阳能电池展现有较小反射系数，从而证明了与较高短路电流一致的较佳光捕捉性质。图17A是图示了图15的具有通过沉积而形成的发射极层的基于纳米线的太阳能电池(即，NW)以及标准平面太阳能电池(即，平面对照)的电特性的图表1700A。在基于纳米线的太阳能电池的发射极层之上形成包括例如Al、Cu、Ni、Ti、Pd、Ag及Au中的一种或多种(诸如Ti/Pd/Ag或Ti/Au)的顶部接触电极(参见上文对图9的描述)。图表1700A 示出了在仿真的一个太阳照明下的电特性。在图表1700A中，在χ轴上绘出了电压V(测量单位mV)，并且在y轴上绘出了电流1(测量单位mA)。太阳能电池面积为0. 45cm2。图 17B是图示了图15的具有通过沉积而形成的发射极层的基于纳米线的太阳能电池(即，NW 电池)以及标准平面太阳能电池(即，对照)的电特性的表格1700B。(从图表1700A导出的)表格1700B中示出的电特性为开路电流(Vqc)(测量单位mV)、短路电流(Jsc)(测量单位mA/cm2)、填充因子(FF)以及百分比(％ )效率(Eff)。通过图17A及图17B中示出的结果，很明显可以看出，与对照样本相比，图15的太阳能电池在各方面(即，I、Jsc、效率) 具有更高的效能。总之，在所制造的基于纳米线的太阳能电池的两个示例中，S卩，一个示例具有通过扩散形成的发射极层(图14)，并且一个示例具有通过沉积形成的发射极层(图15)，存在可以从基于纳米线的太阳能电池获得的在较高短路电流及效率方面的有前途的利益。因此，已经说明了纳米球/微球光刻是用于实现具有太阳能电池生产所必须的低成本和高产量的大规模纳米线/微线的可行技术。尽管在此已经描述了本发明的说明性实施方式，但是应当理解，本发明并不限于这些精确的实施方式，并且可以由本领域技术人员做出各种其他改变和修改而不会背离本发明的范围。
权利要求
1.一种用于制造太阳能电池的方法，包括如下步骤 提供掺杂衬底；在所述衬底上沉积单层球体，所述球体包括纳米球、微球或其组合； 修整所述球体以在所述单层中的单独球体之间引入空间；使用修整后的球体作为掩模以对所述衬底中的接线进行图案化，所述接线包括纳米线、微线或其组合；在图案化的接线上形成掺杂发射极层；在所述发射极层之上沉积顶部接触电极；以及在所述衬底的与所述接线相反的一侧上沉积底部接触电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是硅衬底。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述球体包括聚苯乙烯乳胶纳米球、微球或其组
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述球体在悬浮液中，所述方法还包括步骤 使用旋涂技术将所述球体沉积在所述衬底上。
5.根据权利要求1所述的方法，其中使用氧等离子体蚀刻修整所述球体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中使用深反应离子蚀刻工艺在所述衬底中对所述接线进行图案化。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括如下步骤清洁所述接线以去除由于所述深反应离子蚀刻工艺产生的表面损坏。
8.根据权利要求1所述的方法，其中利用η型掺杂剂或P型掺杂剂对所述衬底进行掺ο
9.根据权利要求8所述的方法，其中如果利用ρ型掺杂剂对所述衬底进行掺杂，则利用 η型掺杂剂对所述发射极层进行掺杂，或者如果利用η型掺杂剂对所述衬底进行掺杂，则利用P型掺杂剂对所述发射极层进行掺杂。
10.根据权利要求9所述的方法，其中利用η型掺杂剂或ρ型掺杂剂将所述发射极层掺杂为从约1 X IO19Cm3至约1 X IO21Cm3的浓度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在所述接线上形成所述发射极层的步骤还包括步骤从掺杂剂源将η型掺杂剂或P型掺杂剂扩散到所述接线上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述掺杂剂源是旋涂玻璃掺杂剂源。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述掺杂剂源是气相掺杂剂前体。
14.根据权利要求1所述的方法，其中在所述接线上形成所述发射极层的步骤还包括如下步骤在所述接线上沉积η型半导体材料或ρ型半导体材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使用蒸发、溅射或外延生长在所述接线上沉积所述η型半导体材料或P型半导体材料。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶部接触电极包括铟锡氧化物以及铝、铜、 镍、钛、钯、银或金的一种或多种。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述底部接触电极包括铝、铜、镍、钛、钯、银或金的一种或多种。
18.根据权利要求1所述的方法，其中使用金属蒸发、电镀或丝网印刷沉积所述顶部接触电极和所述底部接触电极。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述球体在其表面上包括至少一种官能团，所述方法还包如下步骤利用与所述球体的所述表面上的官能团互补的基对其上沉积有所述单层球体的所述衬底的表面进行官能化，以增加所述球体与所述衬底之间的附着力。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述球体在其表面上包括羧基官能团，并且利用氨基硅烷[3-(2-氨基乙基氨)丙基]三甲氧硅烷对所述衬底的所述表面进行官能化。
全文摘要
提供用于制造基于纳米线/微线的太阳能电池的技术。在一个方面中，提供用于制造太阳能电池的方法。该方法包括以下步骤。提供掺杂衬底。在该衬底上沉积单层球体。该球体包括纳米球、微球或其组合。修整该球体以在单层中的单独球体之间引入空间。修整后的球体被用作掩模以对该衬底中的接线进行图案化。该接线包括纳米线、微线或其组合。在图案化的接线上形成掺杂发射极层。在该发射极层之上沉积顶部接触电极。在该衬底的与该接线相反的一侧上沉积底部接触电极。
文档编号H01L21/20GK102414788SQ201080018567
公开日2012年4月11日 申请日期2010年6月1日 优先权日2009年6月8日
发明者G·S·图勒维斯基, O·古纳万, S·古哈, W·格拉哈姆, 张郢, 王克嘉 申请人:国际商业机器公司