专利名称：太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种根据权利要求I所述的太阳能电池，包括一个硅层、一个构造成用于光输入的正面和ー个背面，所述硅层具有第一掺杂类型的掺杂。
背景技术：
这种半导体-硅太阳能电池用于将到达太阳能电池上的电磁辐射转换成电能。为此，光经由构造成用于光输入的正面输入到太阳能电池中，从而通过在硅层中的吸收产生电子-空穴对。硅层为此具有基区掺杂，并且在与相反掺杂的发射区的分界面上构成pn界面，在所述Pn界面上实现电荷载体分离。经由相反掺杂的各区域的电触点接通，太阳能电池能够与外部的电路相连。除了电特性，例如表面的复合特性和半导体层的材料质量，光效率对于太阳能电池的效率也很重要。光效率表示到达正面的电磁辐射与太阳能电池中由于光输入电子-空穴对的总生成量的比。由于硅是ー种间接半导体，并且由此与直接半导体相比对于入射的辐射具有较小的吸收值，特别是在硅太阳能电池中，在太阳能电池内部延长光程十分重要，以便提高光效率由于较低的吸收特性，较大波长的光的一部分穿过太阳能电池并到达太阳能电池的背面。因此为了提高光效率已知将背面构造成镜面的，从而到达背面的光线被重新朝正面的方向反射。ー种改善内部的背面反射的可能性是采用在亚微米范围的衍射结构。这种衍射结构使得在背面上反射的光子仅沿确定的衍射方向反射。在理想情况下，第一衍射级接近平行于背面的表面，从而在背面上衍射的光子的光程在硅中明显提高。例如在W092/14270的由多个所施加的层构成的太阳能电池中已知，在P型掺杂的硅层上构造织构层，该织构层具有构造成光学衍射结构的织构，然后在该织构层上构造金属层。这种结构对层结构硅太阳能电池实现了特性的优化，其中，对垂直于层结构正面抵达的光线进行这种优化。但在采用硅太阳能电池时，光通常也以非垂直的入射角到达太阳能电池的正面。此外，在高效的晶片硅太阳能电池中，通过正面织构，例如倒棱锥/金字塔形状的正面织构，提高了光输入，并由此提高了光效率，因为到达的光线即使在首次反射时至少也到达另ー个正面表面。此外，由此还实现光线倾斜的输入，使得在第一次穿过硅层直到到达背面时实现了与平整表面相比较长的光程。但所述光线多数不是垂直地到达背面。此外，在高效的晶体硅太阳能电池中，必须考虑电特性，特别是复合特性。背面织构构造为光学衍射结构，会导致在背面的织构层上的表面増大，从而背面上提高的总表面复合会对太阳能电池的总效率产生不利的影响
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提供ー种太阳能电池，在这种太阳能电池中，改进背面在光学特性和电特性。此外，根据本发明的太阳能电池的突出之处还在于能够简单地制造。所述目的通过根据权利要求I的太阳能电池来实现，根据本发明的太阳能电池的优选实施构型在权利要求2至16中给出。根据本发明的太阳能电池包括硅层，所述硅层具有第一掺杂类型的掺杂。因此，这种第一掺杂类型的掺杂是基区掺杂，也就是说，硅层构成基层。此外，所述太阳能电池具有ー个构造成用于光输入的正面和ー个背面。在硅层的背面设置至少ー个织构层和ー个金属层。
织构层至少在部分区域中具有背面织构，所述背面织构构造成光学衍射结构。这种衍射结构也称为衍射构造，就是说，这种织构的光学特性基本上不是通过几何光学，而是通过波动光学描述的。在太阳能电池的背面上使用衍射的织构原则上是已知的，并且例如在WO 92/14270或C. Heine，R. H. Morf的用于太阳能应用的亚微米光栅(bubmicrometer gratings for Soiar energy applications, Applied Optics, VL. 34,no. 14，1995年5月)中有所记载重要的是，在织构层和金属层之间设置至少ー个织构中间结构。金属层与织构层和/或基层导电地连接。此外，织构中间结构至少在在800nm至IlOOnm的波长范围内，优选至少在600mn至1200nm的波长范围内是基本透明的。这里的基本透明是指，织构中间结构的吸收系数α最大为IO4CnT1，优选最大为IO3CnT1,进ー步优选最大为IO2Cm'这些条件对于在相关波长范围内的所有波长λ都适用，优选至少对于800nm至IlOOnm的波长范围,进ー步优选至少在600nm至1200nm的波长范
围适用。织构中间结构至少在800nm至IlOOnm的波长范围、优选至少在600nm至1200nm
的波长范围内具有小于织构层折射率的折射率。折射率(也称为折射系数)通常是与波长相关的。因此，不同折射率ηι、η2的比值表示对于在相关波长范围内的每个波长λ，分别是指ηι(λ)和η2(λ)之间的比值。这同样也适用于吸收系数α。在本发明的范围内，必要时也可在所述的各层之间分别设置另外的中间层。重要的是，由硅层起，各层以硅层、织构层、织构中间结构、金属层的顺序设置。此外，在根据本发明的太阳能电池中，直接设置在基层的背面的层具有关于少数载流子(Minoritatsladungstrager)的复合使表面钝化的钝化层。这意味着,在基层和直接设置在基层上的层之间的分界面上，少数载流子表面复合速度极小。根据本发明的太阳能电池的所有设置在基层与织构中间结构之间的层的折射率与硅的折射率最大相差30%，其中，所述各层的折射率在所述范围内彼此不同。前面所述的关于折射率的条件涉及相关的波长范围，优选至少涉及800nm至IlOOnm的波长范围、进ー步优选至少在600nm至1200nm的波长范围内适用。通过基层和织构中间结构之间的所有层的折射率的相互调配，降低了这些层的分界面上的反射，从而主要通过衍射结构确定背面的光学特性，在其他分界面上不会出现不希望的光学效果。
因此，根据本发明的太阳能电池与目前已知的太阳能电池的区别就在于，在织构层的背面上构成衍射结构，并且在织构层和金属层之间设置至少ー个在所述波长范围内基本透明的织构中间结构，所述织构中间结构具有小于织构层的折射率。由此实现了这样的优点，即，減少通过被吸收的光线而在金属层中激发的表面等离子体，或者防止发生其他不希望的吸收过程，并且另一方面，已经极大地降低在织构层的织构侧衍射射线的倏逝波在光学透明的织构中间结构中的強度。由此，结果就是实现了太阳能电池的背面在所述波长范围的辐射衍射方面非常好的光学品质。因此，可以首次在高效太阳能电池中使用这种衍射结构，特别是与太阳能电池正面上的折射织构相结合，也就是说，与基本上通过几何光学描述的织构相结合。此外，在根据本发明的太阳能电池中，太阳能电池的背面的电特性和光学特性是分离的，因为光学特性基本上通过织构层的织构与织构中间结构和金属层相结合而确定， 然而电特性基本上通过钝化层确定。因而，几乎可以独立地对这两类特性进行优化，从而总体上实现了在背面具有非常高的光品质和电品质的太阳能电池。织构中间结构优选由一个单独的层构成。同样也属于本发明的范围的是，织构中间结构由多个单层和/或一种复合材料构成，所述复合材料是不同材料的空间复合体。织构中间层和/或其他设置在织构层和金属层之间的层有利地降低了通过背面织构引起的不平度，使得金属层构造在与背面织构的表面相比不平度较低的面上，优选构造在基本平坦的平面上。因此，在这个优选实施构型中，太阳能电池在背面既具有带有构造成衍射结构织构的织构层，也具有基本平坦的金属层。由此进ー步强化了前面所述的用于提高光学品质的优点，因为防止了在金属中激发表面等离子体。构造成衍射结构的织构的高度差通常大于50nm。因此特别有利的是，织构中间结构以及必要时其他设置在织构层和金属层之间的层具有至少50nm的总厚度，优选织构中间结构具有至少50nm的厚度。为了防止对太阳能电池的光学品质和/或电特性的不利影响，优选在织构层和金属层之间只设置织构中间结构。为了优化根据本发明的太阳能电池的背面的光学品质，有利的是，所有设置在基层和织构中间结构之间的层的折射率与硅的折射率最大相差10%，优选最大相差5%,进一步优选最大相差I %。如述关于折射率的条件涉及相关的波长范围，优选至少涉及800nm至IlOOnm的波长范围。优选这样来构造直接设置在基层背面的钝化层，使得对于少数载流子的表面复合速度小于104cm/s,优选小于103cm/s,尤其是小于102cm/s。钝化层优选是无掺杂的，以便实现少数载流子极小的表面复合速度。特别有利的是，钝化层由氢化的无定形硅(Si:H)构成，其中，当钝化层由本征的、无定形的氢化硅(i-a-Si:H)构成时，可以实现少数载流子的特别低的表面复合速度。已经公知在太阳能电池中使用由氢化的无定形娃，并在M. Taguchi等的DOI 10. 1002/pip. 646有所记载。这种钝化层同时具有非常高的钝化质量和几乎与硅相同的折射率这两个优点。根据本发明的太阳能电池能够构造成多种优选实施构型，其中发射区可以设置在太阳能电池的不同的位置处。构造多个发射区同样也属于本发明的范围。发射区可以构造成自身的层或者构造成基层内部的扩散物。重要的是，发射区的掺杂类型与基底的掺杂类型相反。这里掺杂类型是指η型掺杂和与其相反的P型掺杂。在根据本发明的优选实施构型的第一方案中，织构层构造成发射层并与基层相反地掺杂。此外在发射层和基层之间设置至少ー个无掺杂的pn中间层，通过所述pn中间层在发射区和基层之间构成pn界面。发射层至少在发射层的多数载流子方面构造成能导电的层。因此，在这个优选实施例中，发射区设置在根据本发明的太阳能电池的背面上并构造成织构层。pn中间层导致在发射层和基层之间的pn界面上的复合明显降低。因此，pn中间层优选如前面所述构造成钝化层。基层的接通优选通过构造在太阳能电池正面上的金属的接通结构，例如公知的梳 状的触点网格形式的接通结构来实现。在基层/pn中间层/发射层的层序列中优选不设置任何另外的中间层，以避免在构成pn界面时出现干扰。pn中间层优选具有小于IOnm的厚度,特别是约5nm的厚度。织构中间结构优选构造成导电的，从而实现了发射层经由织构中间结构与金属层的大面积的接通。这里特别有利的是，织构中间结构以公知的方式由导电的氧化物(TC0，透明导电氧化物)构成，例如M. Taguchi等在DOI 10. 1002/pip. 646中所述的氧化物。在优选实施构型的另ー个第二方案中，织构中间结构构造成电绝缘的，而金属层在背面的多个局部的区域上至少与基层导电连接。在这ー优选实施构型中，金属层由此构成基层的金属接通部。金属层优选在多个局部区域上直接与基层相邻接。因此，在这一优选实施构型中，基部在背面的多个局部区域上接通。由此一方面可以实现基区接通部较低的串联电阻，另ー方面又只在几个局部区域中实现背面的接通，在接通的区域实现了较小的总表面复合。这里特别有利的是，背面接通部通过局部熔化来构成，例如DE 100 46 170 Al中所述(所谓的激光烧制接触，LFC)。在这个优选实施构型中，优选织构层直接构造在基层上，特别优选织构层如前面所述地构造成钝化层。由此，一方面通过织构层在与基层的边界面上的钝化作用实现了背面的高的电品质，并且在背面的总面积上实现了利用局部的接通区域的小的覆盖面积。在这个优选实施构型中，有利的是，织构层无掺杂地特别是由本征的、无定形的氢化的硅构成，和/或织构中间结构由ニ氧化硅或SiN或Al2O3构成。在优选实施构型的另ー个第三方案中，织构层和基层具有相同掺杂类型的掺杂。此外，在织构层和基层之间设置至少ー个未掺杂的基区-织构中间层，织构中间结构至少在织构层的多数载流子方面构造成导电的层。因此在这个优选实施构型中，基层背面的钝化作用通过无掺杂的基区-织构中间层来实现，但所述基区-织构中间层至少在多数载流子方面是导电的。例如可以这样来实现，即基区-织构中间层构造成具有小于IOnm的厚度，特别是具有约5nm的厚度。优选基区-织构中间层如前面所述构成钝化层，特别是优选由本征的、无定形的氢化的硅构成。这个实施构型具有这样的优点，即同时形成对基区的钝化和对于多数载流子导电的层，所述层接下来可以大面积地接通。在这个优选实施构型中，织构层比基层更高地掺杂，从而在太阳能电池的背面构成所谓的背面电场(BSF)，并由此额外地降低背面上的复合速度，因而提高了太阳能电池的背面的电品质。其中，织构中间结构优选由透明导电氧化物(TCO)构成。由此得到这样的优点，即，构造基层和金属层之间大面积的电接通，从而存在极小的接触电阻，并且同时由于基区-织构中间层和/或由于织构的高掺杂在太阳能电池的背面上实现了附加的钝化作用。这里有利的是，为了提高金属层和基层之间的导电性，另使得金属层可以局部地直接与基层邻接，例如如前所述，通过局部的熔化以形成LFC。在方案2和3的上述优选实施构型中，发射区在太阳能电池的正面上的设置优选例如通过在太阳能电池的正面上构造发射层或与基区掺杂相反地掺杂的渗入扩散结构来实现，以便构成发射区。
发射区的接通优选以公知的方式通过构造在正面上的金属化结构，例如梳状的金属化结构来实现。基层优选构造成晶体的硅基体，特别是构造成硅晶片，并优选具有20 至300iim的厚度。在基层通过金属层局部接通的情况下，根据本发明的太阳能电池的制造优选包括以下方法步骤首先，对基层的背面进行表面清洁。接着沉积一钝化层，所述钝化层优选由本征的、无定形的氢化的硅构成。必要时沉积另一个掺杂的无定形硅层。然后，进行蚀刻掩模的构造，以形成衍射结构。这里特别优选采用公知的压印法，在这种压印法中，首先涂覆一种漆，并通过压印对所述漆进行结构化处理(形成凸凹结构)。接着，通过蚀刻实现通过此前构造的掩模而形成的衍射结构。然后，构造织构中间结构，其中，使衍射结构变得平整，并最终将金属层构造到织构中间结构上，例如通过局部熔化(LFC)实现局部的接通。根据本发明的带有大面积接通的基层的太阳能电池的制造优选包括以下步骤在对基层的背面进行表面清洁之后，进行钝化层和掺杂的织构层的沉积，其中织构层具有与基层相同的掺杂类型。接着如前面所述，通过建立蚀刻掩模和蚀刻织构来形成织构。所产生的衍射结构通过织构层变得平整，其中织构层构造成导电的，优选构造成TCO。最后，将金属层大面积地、优选整面地构造到织构中间结构上。如前面所述，根据本发明的太阳能电池特别适于通过背面上的衍射结构将正面上的折射织构与衍射织构相组合。如前所述，基本已知在太阳能电池的背面采用衍射的织构，并且例如在C. Heine,R. H. Morf 的用于太阳能应用的亚微米光栅(Submicrometer gratings for Solar energyapplications, Applied Optics, VL. 34, no. 14,1995 年 5 月)中所述。但在这一在现有技术水平下已知的硅太阳能电池中，没有实现折射和衍射织构的组合。本申请人的研究证实，这个根本缺点的原因在于，当带有折射织构的正面与带有衍射织构的背面相组合时，光以不同的方向以及以不同的相对位置到达背面，因而射线的一部分不是以最佳的角度到达背面。此外，由背面衍射的光线至少部分地以不利的角度到达正面，使得这些光线形成反聚束并且由此降低了光效率。当正面织构是三维织构时，例如现有技术中已知的通过倒棱锥形构成的织构，这种效应特别明显。因此在优选实施构型中，根据本发明的太阳能电池的正面只是在一个部分区域中具有正面织构，所述正面织构沿着空间方向A是周期性的，周期长度大于I y m，背面则在至少一个部分区域中具有背面织构，所述背面织构 沿空间方向B是周期性的，周期长度小于Ium0其中，空间方向A与空间方向B之间的角度在80°到100°之间。因此，在太阳能电池的正面的俯视图中，正面织构的周期性延伸的空间方向A与背面织构的周期性延伸的空间方向B呈80°到100。之间的角。当对于一个织构存在这样的矢量V，当平移一个V或V的整数倍时，织构转换到其自身，则该织构称为周期性的。周期的生成矢量是可能满足上述条件的矢量V的最小值。只有当这种最小可能的矢量存在时，才存在周期性。对于V'满足，只有平移一个V'或V'的整数倍时，织构才转换到其自身。V'的长度即周期长度。如只存在一个(线性独立的)这种矢量，则存在线性周期性。优选正面和背面织构都具有线性周期性。其中，空间方向A平行于正面延伸，而空间方向B平行于背面延伸。这里以及后面的概念“平行”涉及正面和背面的未形成织构的表面，就是假想的平坦的平面，所述平面构成未形成织构的正面或背面。通常正面平行于背面。表述“一个空间方向X平行于一个平面E延伸”应理解为，X表示的矢量位于平面E中，即X的所有点也是E的点。根据本发明的太阳能电池在这个优选实施构型中在正面具有沿空间方向A周期性延伸的织构。由此减少了光线到达背面的可能的方向和位置。此外，背面织构沿该空间方向B周期性地延伸，该空间方向与空间方向A呈80°到100°之间的角。因此，对于大部分可能的光程而言，避免了前面所述的光程缩短的不利效应。由于正面织构构成沿空间方向A周期性延伸的织构，至少当射线垂直地到达正面上时，基本上是在一个通过空间方向A和垂直于正面的空间方向而形成的平面内进行聚束。由此，可以这样优化衍射的背面织构-在背面上衍射的射线几乎平行于背面传输，由此实现了光程延长，-在背面上衍射的射线这样到达正面，以实现在正面上的完全反射并由此也实现了光程的延长。以及，-在背面上不会出现导致损耗的多次反射。这种优化一定程度上已经这样得以实现，即，背面织构周期性延伸的空间方向B与空间方向A呈80°到100°之间的角。通过85°到95°之间的角，优选通过90°的角，即两个互成直角的空间方向，提高了优化。正面织构和背面织构优选分别基本上覆盖太阳能电池的整个正面和背面，必要时具有例如用于构造金属化结构的中断部。同样属于本发明的范围的是，仅在正面和/或背面的一个或多个部分区域具有织构。在这个实施构型中，正面织构和背面织构优选设置在正面和背面的彼此相对的部分区域上。本发明的范围还包括，必要时将太阳能电池的正面和/或背面分成多个部分区域，这些部分区域分别具有周期性延伸的织构。但重要的是，必要时在不同于周期性延伸的空间方向的其他空间方向中所存在的重复结构与周期性延伸的织构相比具有明显更大的周期。因此，正面织构优选在与空间方向A垂直的空间方向A'上不具有周期性或具有周期长度至少为30 Pm、优选至少50 的周期性。空间方向A'同样平行于正面延伸。此外有利的是，正面织构沿空间方向A'不具有周期性或者具有的周期长度至少为正面织构沿空间方向A的周期长度的5倍，优选至少为10倍，进一步优选为15倍。此外，背面织构优选在垂直于空间方向B的空间方向B'上不具有周期性或其周期性所具有的周期长度至少为5 u m,优选至少10 u m,进一步优选至少为30 u m,特别是至少为50i!m。空间方向B'同样平行于背面延伸，此外有利的是，背面织构沿空间方向B'不具有周期性或具有的周期长度至少为背面织构沿空间方向B的周期长度的5倍、优选至少为10倍，进一步优选为15倍。
此外有利的是，织构在空间方向A'或B'不具有或仅具有微小的高度变化，也就是说，织构的高度尺寸在该空间方向不发生改变或没有明显的改变。因此，优选正面织构的高度沿空间方向A'的改变不超过2 ym，特别是正面织构在空间方向A'上具有大致恒定的高度。此外，背面织构在空间方向A'的高度优选不大于50nm，特别是在空间方向A'上背面织构具有大致恒定的高度。上述条件简化了制造过程，并防止出现不利的光学效应。为了简化根据本发明的太阳能电池的制造和降低制造成本，特别有利的是，正面织构是沿空间方向A'直线延伸的织构和/或背面是沿空间方向B'直线延伸的织构。这种结构也称为地堑结构。周期性延伸的空间方向在这种情况下垂直于直线的或地堑式的织构元素。特别有利的是，正面织构沿空间方向A'和/或背面织构沿空间方向B'分别具有大致恒定的横截面和大致恒定的横截面形状。在本发明的范围内，在正面和/或背面上的部分区域中织构中断，例如以便构造用于电触点接通硅基体的金属化结构。正面织构的高度，即正面织构的光学相关面的最大高度差优选在2 ii m至50 ii m之间，优选在5 ii m至30 ii m之间。由此优化了折射光学作用和制造成本。背面织构的高度，即背面织构的光学相关面的最大高度差优选在50 y m至500 y m之间，优选在80 ii m至300 V- m之间。由此优化了衍射光学作用和制造成本。为了不对太阳能电池的电特性产生不利影响以及通过金属结构实现简单的电接通，有利的是，正面织构具有小于40 y m的周期，优选小于20 y m的周期。为了实现背面优化的光学特性，可选和/或额外有利的是，背面织构具有大于50nm的周期，优选大于lOOnm。正面织构优选直接在硅基体的正面上形成。同样属于本发明的范围的还有，在硅基体的正面上构造一个或多个层，并且在所述层中的一个或多个层上形成织构。正面织构和背面织构的周期优选这样选择，正面织构主要是折射织构，而背面织构主要是衍射织构。因此正面的周期优选大于3 ym，特别是大于5 Pm。可选地或附加地，背面织构的周期小于800nm,优选小于600nm。为了最佳地提高光效率，正面织构优选至少覆盖正面的30%，优选至少60%，进一步优选至少90%，必要时设有例如用于金属化的中断部。相同的情况也适用于背面上的背面织构。为了制造高效的太阳能电池，通常采用单晶的硅基体。在这种情况下，正面织构优选通过直线的织构元素构成，所述织构元素分别具有三角形的横截面。采用多晶的硅晶片也同样有利。但其实现的效率与单晶的太阳能电池相比略低，材料成本则明显较低。在采用多晶的硅晶片时，优选形成具有这样的横截面的正面织构，所述横截面具有弯曲或圆形的边缘。由于在蚀刻单晶硅基体时沿不同的空间方向有不同的蚀刻速度，背面织构优选具有直线的织构元素，例如在上述出版物J. Heine ；R. H. Morf，a a 0.，在第2478页关于图3所说明的那样。但通常这种具有锯齿形横截面的织构元素的制造是极为复杂和高成本的。 因此，优选用近似锯齿形状的台阶形状，如所述出版物在同一页关于图4所说明的那样。本说明书将引用该出版物进行说明。尖塔状且具有互相垂直的侧面的背面织构构成了一种能特别简单并且由此特别经济地进行制造的衍射织构，如在前述出版物中关于图2所作的说明。同样，本发明的范围还包括正弦形的衍射织构以及锯齿状的衍射织构。由于背面织构的结构尺寸较小，通常只能根据工艺条件近似地实现上述优选的横截面形状，特别是通常会在结构的边缘处出现倒圆。与目前已知的衍射的背面织构不同，在根据本发明的太阳能电池中射线由于正面织构通常不会垂直地到达背面。因此，优选针对射线向背面的非垂直入射来优化背面织构，特别是以这样的方式，根据公式I来选择给定的背面入射角9的背面织构的周期Ak:Ar =~公式 I)
ncos(60其中，n为硅基体的折射率，而\为到达背面的射线的波长。优选这里的\是最大相关波长，即在到达太阳能电池的射线的频谱中作用于太阳能电池中的载流子生成的最大波长，角度e是射线由于正面织构而射向背面的主入射角。尤其当正面织构和背面织构之间呈90°的角和/或正面织构具有三角形横截面时，公式I给出了背面织构的最佳周期。在采用单晶的硅晶片和对正面织构进行蚀刻时，由于晶向通常得到41. 4°的背面入射角0。此外，硅的最大相关波长优选选定为入=IlOOnm,因为这是接近能带隙的波长。因此，在该优选实施构型中，娃的折射率n = 3. 5,周期Ali = 419nm。
下面借助附图和实施例说明其他特征和优选实施构型。其中图I示出根据本发明优选实施构型的前述的第一方案的太阳能电池，其中织构层构造成发射层；图2示出根据本发明的太阳能电池优选实施构型的前述的第二方案的实施例，其中织构层构造成钝化层，以及图3示出根据本发明的太阳能电池优选实施构型的前述的第三方案的实施例，其中通过掺杂的织构层形成背面电场(BSF)。
具体实施例方式在图I至3中示意性示出的根据本发明的太阳能电池的各实施例分别具有一个构造成η型掺杂的硅晶片的基 层1、21、31。图I至3中的各示意图分别示出太阳能电池的一个局部，也就是说，太阳能电池在右边缘和左边缘相似。在图I至3中分别示出部分剖视图，其中，太阳能电池的正面位于上方，背面则位于下方。所示的太阳能电池分别在一个尺寸为20cmX20cm的硅晶片上构成，其中当基区掺杂为IO15CnT3时，硅晶片具有250 μ m的厚度。所有三个实施例都在正面具有在图平面中从右向左延伸的直线光学结构，所述光学结构垂直于图平面具有三角形的横截面，从而沿着垂直于图平面的表面构成作为正面表面走向的地堑形。这种折射的正面织构具有ΙΟμ 的周期，其中织构元素的高度约为14 μ m0同样，在所有三个实施例中，在背面上设置织构层2、22、32，这些织构层的衍射织构分别水平地在图I至3的图平面中具有尖塔状的横截面。背面织构在图I至3中分别与图平面垂直地直线延伸。背面织构具有约420nm的周期。其中，正面织构周期性延伸的空间方向与背面织构的周期性延伸的空间方向成90°角，也就是说，正面织构的直线走向垂直于背面织构的直线走向。背面上的织构元素的高度约为O. Ιμπι。图I示出根据优选实施构型的上述第一方案的实施例。在基层I之上，在背面设置ρη中间层5,所述ρη中间层具有约5nm的厚度并由本征的、无定形的氢化娃构成。在其上构造织构层2，该织构层由P型掺杂的纳米晶体硅组成，其厚度约为150nm。掺杂(浓度)为 IO1W30在织构层2上构造织构中间结构3，所述织构中间结构由导电透明氧化物(TCO)组成。这种导电透明氧化物使织构导致的不平度变平，从而在理想情况下将金属层4作为平整的层构造到织构中间结构3上。所述金属层至少构造在一个与织构层的表面相比明显更为平整的面上。在基层I和构造成发射层的织构层2之间通过ρη中间层5形成一个ρη界面。到达正面的射线输入基层I中，并在这里至少被部分吸收，从而产生电子-空穴对。在ρη界面上实现载流子分离。构造成发射层的织构层2的多数载流子通过导电的织构中间结构3和用于接通金属发射区的金属层4导出。基层I的多数载流子通过(未示出的)梳状金属化结构在太阳能电池的正面导出。因此，图I所示的实施例具有这样的优点，即，一方面基层I的背面通过ρη中间层5以很高的质量钝化。此外，所述背面由于织构层2的衍射织构而对于在600nm至1200nm的波长范围内的射线具有非常高的光学品质，使得在首次穿过基层I时没有被吸收的射线由于明显延长的光程可以极大地作用于电子-空穴对的产生。其中，借助织构中间结构3对织构的平整，防止在金属层4中形成等离子体，也提闻了光学品质。金属层4由铝制成。
在图2中用部分剖视图示意性示出根据本发明的太阳能电池的优选实施构型的上述第二方案的实施例。在基层21上在背面直接设置织构层22。其中，织构层由本征的、无定形的氢化硅构成，并由此也作为钝化层，用于基层21背面的电钝化。织构层22的衍射织构和基层21的正面的折射织构与根据图I的实施例的构造相似。织构中间结构21电绝缘地构造成二氧化硅层。在其上设置由铝组成的金属层24。在该实施例中，织构层22的织构也通过织构中间结构23平整，从而使金属层24构造在平坦的平面上。 基层21的电触点接通这样来实现，即通过激光使金属层24、织构中间结构23、织构层22和基层21的一小部分区域局部熔化，从而在熔体混合物固化之后构成在图2中示出的结构。其中，金属层24在局部区域24a上与基层21直接相邻，从而构成电触点。区域24b在此表示基层21中在触点接通过程中被熔化的区域。在基层21的正面上通过由气相的扩散而扩散渗入(未示出的)发射层，该发射层通过(未示出的)梳状金属化结构电接通。在图3中示出的根据优选实施构型的上述第三方案中，同样在基层31的正面上构成折射织构，而根据图I构成织构层32的衍射织构。同样根据图2，在基层的正面扩散渗入发射层，该发射层通过梳状的金属触点接通结构导电地触点接通。在基层31的背面上设置基区-织构中间层35。该基区-织构中间层不导电地由本征的、无定形的氢化娃构成并具有约5nm的厚度。织构层32设置在基区-织构中间层35上并且同样具有η型掺杂，也就是说，与基层31相同掺杂类型的掺杂。但织构层32的掺杂浓度为1019cm_3，比基层31更高。因此在该实施例中，基层31的背面在两个方面被电钝化一方面通过构造成钝化层的基区-织构中间层35实现了较低的表面复合速度。另一方面通过掺杂的织构层31构成所谓背面电场(BSF)，所述背面电场附加地降低基层31的背面上的复合速度。因而，本实施例中所示的太阳能电池在基层31的背面上具有特别高的电品质。织构中间结构33导电地由透明氧化物(TCO)构成，使得基层31中的多数载流子经由金属层34导出。然而，基区-织构中间层35是本征的，S卩，不导电的。但由于较小的5nm的厚度，至少基层31的多数载流子可以没有明显的电阻而到达织构层32，并通过织构中间结构33到达金属层34，从而不会由于可能通过基区-织构中间层35导致的串联电阻而出现损耗。
权利要求
1.太阳能电池，包括ー个娃层、一个构造成用于光输入的正面和ー个背面，所述娃层具有第一掺杂类型的掺杂，其中，硅层是掺杂的基层(1、21、31)，在硅层的背面上设置至少ー个织构层(2、22、32)和ー个金属层(4、24、34)，必要时分别具有另外的中间层，并且织构层(2、22、32)至少在ー个部分区域内具有背面织构，所述背面织构构造成光学的衍射结构，其特征在于，在背面织构和金属层(4、24、34)之间设置至少ー个织构中间结构(3、23、33)，其中金属层(4、24、34)与织构层(2、22、32)和/或与基层(1、21、31)导电地连接，织构中间结构(3、23、33)至少在800nm至IlOOnm的波长范围内是基本透明的，并至少在该波长范围内具有小于织构层折射率的折射率n，所有设置在基层(1、21、31)和织构中间结构(3、 23.33)之间的层的折射率与硅的折射率最大相差30%，并且直接设置在基层(1、21、31)的背面上的层是在少数载流子的复合方面使表面钝化的钝化层。
2.根据权利要求I所述的太阳能电池，其特征在于，织构中间结构(3、23、33)至少在600nm至IOOOnm的波长范围内是基本透明的。
3.根据上述权利要求中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在于，织构中间结构(3、23.33)和/或其他设置在织构层(2、22、32)与金属层(4、24、34)之间的层会降低由背面织构引起的不平度，从而金属层(4、24、34)构造在与背面织构的表面相比不平度较低的面上。
4.根据上述权利要求中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在于，织构中间结构(3、23.33)以及必要时其他设置在织构层(2、22、32)与金属层(4、24、34)之间的层具有至少50nm的总厚度，优选织构中间结构(3、23、33)具有至少50nm的厚度。
5.根据上述权利要求中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在于，织构中间结构(3、23.33)至少在800nm至IlOOnm的波长范围内具有平均小于2的折射率n，优选小于I.6的折射率，特别是大致具有空气的折射率，和/或织构中间结构的吸收系数α最大为IO4CnT1,优选最大为IO3CnT1,进ー步优选最大为IO2CnT1t5
6.根据上述权利要求中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在于，钝化层是在少数载流子的复合方面使表面钝化的钝化层，特别是这样的钝化层，该钝化层在与基层(1、21、31)的背面的分界面上对于少数载流子具有小于103cm/s，优选小于102cm/s，特别是小于lOkm/s的复合速度。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，钝化层是无掺杂的。
8.根据权利要求6至7中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在干，钝化层由硅构成，优选由本征的、无定形的氢化娃构成。
9.根据上述权利要求中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在干，织构层(2)构造成发射层，并与基层相反地掺杂，在发射层和基层(I)之间设置至少ー个无掺杂的pn中间层(5)，通过所述pn中间层在发射层和基层(I)之间构成pn界面，并且发射层至少在发射层的多数载流子方面构造成导电的层，优选在基层/pn中间层/发射层的层序列中没有设置其他的中间层。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其特征在干，pn中间层(5)构造为根据权利要求6至8中至少ー项所述的钝化层。
11.根据权利要求I至8中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在于，织构中间结构(23)构造成电绝缘，金属层(24)在背面的多个局部区域中至少与基层(21)导电连接，优选金属层(24)在基层(21)背面的表面的多个局部的区域内直接与基层邻接。
12.根据权利要求11所述的太阳能电池，其特征在干，织构层(22)直接构造到基层(21)上，优选的是，织构层(22)构造成根据权利要求6至7中至少ー项所述的钝化层。
13.根据权利要求I至8中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在干，织构层(32)和基层具有相同掺杂类型的掺杂，在织构层(32)和基层(31)之间设置至少ー个基区-织构中间层(35)，并且织构中间结构(33)至少在织构层(32)的多数载流子方面构造成导电的层，优选在基层/基区-织构中间层/织构层/织构中间层的层序列中没有设置其他的中间层。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，基区-织构中间层(35)是无掺杂的，优选基区-织构中间层(35)构造成根据权利要求6至8中至少ー项所述的钝化层。
15.根据权利要求13至14中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在干，织构层(32)的掺杂高于基层(31)。
16.根据上述权利要求中至少ー项所述的太阳能电池，其特征在于，设置在基层(I、21、31)和织构中间结构(3、23、33)之间的所有层的折射率至少在800nm至IlOOnm的波长范围内与硅的折射率相差最大10%，优选最大相差5%，进ー步优选最大相差1%。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能电池，包括一个硅层、一个构造成用于光输入的正面和一个背面，所述硅层具有第一掺杂类型的掺杂，其中，硅层是掺杂的基层(1、21、31)，在硅层的背面上设置至少一个织构层(2、22、32)和一个金属层(4、24、34)，必要时分别设置在另外的中间层上，并且织构层至少在一个部分区域内具有背面织构，所述背面织构构造成光学的衍射结构。重要的是，在背面织构和金属层(4、24、34)之间设置至少一个织构中间结构(3、23、33)，其中，金属层(4、24、34)与织构层(2、22、32)和/或与基层(1、21、31)导电地连接，织构中间结构(3、23、33)至少在800nm至11OOnm的波长范围内是基本透明的，并至少在该波长范围内具有小于织构层折射率的折射率n，所有设置在基层(1、21、31)和织构中间结构(3、23、33)之间的层的折射率与硅的折射率最大相差30％，并且直接设置在基层(1、21、31)的背面上的层是在少数载流子的复合方面使表面钝化的钝化层。
文档编号H01L31/0236GK102648529SQ201080042146
公开日2012年8月22日 申请日期2010年9月13日 优先权日2009年9月21日
发明者B·布拉西, H·豪泽, J·C·戈尔德施密特, M·佩特斯, M·赫姆勒, P·伯格 申请人:弗劳恩霍弗实用研究促进协会, 弗赖堡阿尔伯特-路德维格大学