用于光伏转换器的基于有机硅成份的改进的发射极结构以及制造所述光伏装置的方法
【专利摘要】本发明的目的是降低并且优选地消除载流子收集界限效应，以便显著提高转换效率。这一改进通过对非晶态层厚度进行适当的调整而实现，或者通过非连续性地分隔非晶态化粒子束或者非晶态化纳米级球状来实现。
【专利说明】用于光伏转换器的基于有机硅成份的改进的发射极结构以及制造所述光伏装置的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多界面新装置的改进的发射极结构，其用于光伏转换器中的光电转换从而从光能特别是太阳辐射光能中产生电能，以及其制造方法。
【背景技术】
[0002]本发明是在相同发明人Zbigniew T.KUZNICKI和Patrick MEYRUEIS名下的W02010/089624中在先公开的光伏发射极的结构的基础上获得，该在先公开的内容结合于此作为参考。
[0003]该现有的光伏装置能够利用高能光子，特别是UV和可见光光子，以及邻近的IR光子，所述装置包括按照W02010/089624的权利要求中的方法制造的P型或η型光伏材料的平板、晶片或薄片，具有用于暴露于光子辐射的上表面，具有内置P-N结，通过该P-N结分界为发射极部分和基极部分，具有前、后载流子收集和提取部件，并且包括至少一个专用于或适合于吸收高能或能量光子并且位于相邻或接近至少一个异质界面的位置的区域或局部。该装置的特征在于所述光伏材料的平板、晶片或薄片还包括至少一个异向介质场或区域，形成一个低能级副载流子生成腔，其与至少一个用于能量光子的吸收区域或局部相邻或者接近，并且受到内部或者外部施加的电场影响，该电场具有足够的强度，能够将由初始的热电子所释放的副电子以足以防止它们返回到所述异向介质区域或场内的速度从它们在相应异向介质区域或局部内的最初位点提取和移走，从而形成了产生多级转换亚结构，其中在异向介质场或区域内的双空位的密度大于IO18双空位/cm3，优选的是大于IO19双空位/cm3,最优选的是大于102°双空位/cm3,并且在异向介质和相应的相邻η型材料之间的传导具有一个时间常数，该时间常数最大不超过与副载流子生成时间常数相同的幅度，其中一个或每个平面非晶态半导体材料层的厚度在IOnm至50nm之间，并且其中连续或者非连续层形状的相应关联异向介质场或区域的宽度小于10nm，所述半导体材料优选地具有5μπι至500 μ m范围内的厚度，优选的是在10 μ m至280 μ m的范围内。
[0004]该在先发明的特征还在于具有载流子收集界限，在此称作CCL，其作为将发射极分隔为上发射极和下发射极两部分的界限，所述上发射极是电子死区，而下发射极是电子完全激活的区域。如图1所示，该转换器包括连接到前栅极的表面层和连接到后电极的的基底，以及二者之间的被分隔为上发射极和下发射极的发射极结构。所述上、下发射极的厚度分别以《du》和《dl》表示(图1)。所述上、下发射极由被称为CCL (载流子收集界限)的界限区所分隔。该光伏发射极结构可参见图1，其中所述CCL界限以黑实线表示。
[0005]所述CCL可以被定义为是作为阻止所生成的载流子向着PN收集结移动的潜在屏障的界面。因而在上发射极内生成的具有相反符号的载流子不能被收集，因为它们不可能相对于所述CCL而彼此分离。
【发明内容】
[0006]本发明具有多个目的。
[0007]其中第一个目的是继续对来自所述光电转换器的全体部件的全部光生自由载流子进行收集，即特别是对来自位于前表面和纳米级硅分层系统之间的上发射极的自由载流子进行收集。
[0008]第二个目的是降低直至优选地消除CCL效应以便极大地提高转换效率。
[0009]最后一个目的是通过对非晶态硅层的适当修正进一步提高转换效率。
[0010]上述改进在本发明中通过至少一次双转换的方式加以实现，其导致非晶态粒子束扫描硅晶片。适当的扫描过程产生非连续或局部变薄的并且非常薄的非晶态层。这一过程可以由离子束移植工艺或者电子束辐射工艺来执行。所述离子可以是，例如，硅或磷离子。
[0011]所述CCL效应通过适当的结构非连续性或者通过,例如，穿越局部变薄的CCL的隧道传导而加以抑制。
[0012]在这一情况下，上述结构传导载流子穿过有限的特定薄层区域，所述载流子必然到达收集PN结。它们能够穿过埋层子结构的晶体通道或者穿过非常薄的区域，在这些位置埋层结构的厚度被减小至使得隧道传导效应可以出现。所有这些穿越相对于载流子沿着埋层子结构的移动一即垂直于收集PN结的移动一来说必须不被过度分隔。
[0013]本发明的以上和其它有益效果将通过下面参照附图的描述中更为清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是根据W02010/089624的光伏发射极的横向剖面结构视图，其中CCL区以加
粗黑实线的方式表示；
[0015]图2至7是改进后的光伏发射极的剖视图，其中CCL得到抑制；其中更具体的:
[0016]图2是非晶态硅层的剖视图，其中a-Si (非晶硅)形状是波状的；
[0017]图3是非晶态硅层的剖视图，其中a-Si (非晶硅)形状是四边形的；
[0018]图4是与图2相似的非晶态硅层的剖视图，但是其是非连续的；
[0019]图5是与图3相似的非晶态硅层的剖视图，但是其是非连续的；
[0020]图6是具有三层埋层纳米级硅层系统的非晶态硅层的剖视图，即三层非晶态a-Si层被埋于不同的深度上；
[0021]图7是基本上与图6相同的非晶态硅层的剖视图，但是第二层相对于第一层和第三层具有偏移；
[0022]图8和图9是晶片的平面结构图，其示出了三种不同的离子或电子束扫描图案，包括采用了纵向路径、交叉路径和倾斜路径。
[0023]图11和图12是非晶态粒子束末端和由此生成的形状的示意图，其中更具体的:
[0024]图11公开了采用包括多种封闭路径的图案和采用相对低的离子束电流；
[0025]图12公开了采用包括单独一个路径的图案和采用相对高的离子束电流。
【具体实施方式】
[0026]有机硅晶片首先部分地按照W02010/089624中所公开的方法进行处理，该方法结合于此作为参考。
[0027]1.在单晶晶片内插入非晶态硅层[0028]该处理可以通过离子束植入的方式或者通过电子束辐射的方式来执行。所述离子，例如，优选的是硅离子或者磷离子。
[0029]其主要目的是在非晶态硅层a-Si内部或者与非晶态硅层a-Si —起产生包括图2至7所示的连续凹陷或突起以及空洞或者非连续部分的凸版。这些结构由一层纳米级异向介质MTM的纳米级层与硅晶体c-Si相分离，所述纳米级异向介质是以离子束植入或者电子束辐射或者其它等效手段从晶体硅c-Si中提取出来的异向介质。该纳米级层的所述异向介质MTM用标记<c-Si>来表示。其被插入于非晶态/晶体娃(a-Si/c-Si)之间的异质界面的单晶硅一侧。标记a-Si和c-Si与在附图中定义的相同。
[0030]在上述处理的任一处理过程中，通过离子或者电子在结构中的渗透以及与之相互作用会发生插入过程，并且最终在一定深度内达到了稳定。
[0031]通过植入或者辐射方式达到的所述插入过程是在已经置入了 PN结结构之后发生的，该PN结结构是通过专门的P掺杂扩散或者通过处延附生而获得的。因而该PN结是已经置入的并且P掺杂特征是重掺杂特征，同样该PN结的N部也必须是重掺杂的，因而扫描过程可以发生。
[0032]可以通过以离子束或者电子束扫描所述结构而达到了插入，从而可以以可大可小的能量和剂量，即可大可小的离子流或电子速率执行离子植入或者电子辐射过程。
[0033]我们采用离子束植入或者电子束辐射的扫描步幅。如图所示，在对局部受控的非晶态化必要的时间点上，我们可以采用较低的离子束流和多个封闭路径，或者采用较高的离子束流和单独一个路径，正如相关的图11和图12中所示的那样。
[0034]我们可以采用如图11所示的多个封闭路径和较低能量剂量的离子束，或者采用单独一个路径和高能量剂量的离子束(图12)。
[0035]扫描可以以一个或者多个路径完成，并且接着移动所述离子束以便在凹陷或突起之间产生非连续部分，即a-Si条带(图8至10)。
[0036]采用电子束的扫描也是非常相似的，从而获得相关附图所示的扫描图案。
[0037]另一种可选的方式是首先沿着晶片的一个方向扫描，接着沿着与第一个方向垂直的晶片的另一个方向扫描，如图9所示。
[0038]还可以先以直线方式扫描，并且接下来以倾斜方式扫描，如图10所示。
[0039]如图8至10所示,在直线之间以a-Si表示的条带限定了形成a_Si材料突起的粒子束的一条或多条路径的宽度，所述突起具有在离子植入或者电子辐射过程产生的界限，该界限是从标记为<c_Si>的晶体硅中提取的异向介质MTM。
[0040]所述离子植入的能级范围是10至300KeV，并且在具有重掺杂特征的情况下，离子剂量在 5 X IO14CnT2 至 5 X IO16CnT2 之间。
[0041]电子束能级，即加速度电势范围为200KeV至5MeV。
[0042]离子束流或者沉降能量取决于离子特性。如果植入电荷足以获得非晶态，则需要至少一条路径。但是如果单一电荷不足以造成处于晶态的硅的非晶态化，则需要多条路径以局域累积沉降能量。
[0043]如果掺杂特性是之前带入到发射极的，则硅离子可以被用于通过硅的自我植入在硅结构中产生埋层非晶态。
[0044]粒子束的末端必须具有适当的形状以及焦点设置以便确保适当的结果。[0045]如图2、3和4所示的形状，即连续的凹陷或者平面和空洞，示出了它们之间的通道，载流子通过隧道效应而从这些通道中穿过。
[0046]由于植入，非晶态化层a-Si与周围的有机硅晶体之间具有相交的界面区域。由于该相交的界面没有实际的有益效果，有必要进行热处理以便使本装置具有可应用性。
[0047]2.热处理
[0048]接下来执行热处理，这一工艺将使所述界限适当变薄和变清洁，其包括多个热周期。
[0049]为了获得非连续c-Si/a-Si界面，要执行适当的热处理。
[0050]例如，该热处理包括一初始的连续退火步骤，接下来是至少一个周期的相继非连续退火序列。
[0051]退火速率将被限制在避免产生结构性缺陷的范围。选用大约100°C的低温以稳固固态的外延附生，而高温为大约500°C。每次高温下的暴露持续例如2至5分钟，而恢复时间为例如I至4分钟，通过采用适当的温度梯度，该时间可以被减少。例如，执行3至6个周期是必要的。
[0052]在热处理完成之后，物相之间的所述c-Si/a-Si界限是清晰、清洁和精确的。
[0053]上面所描述的发射极将被用于光电转换器，该光电转换器还必须具有前、后电极和各种常规部件，以及适当的光学模块或平台以将太阳辐射光汇聚到晶片上。
[0054]如此制造的所述光电转换器将具有高转换效率，从而使整体有效表面积不需要太大，因而就要求具有适当的汇聚透镜。
【权利要求】
1.一种由有机硅成份制作的发射极结构，该发射极结构被用于能够将高能光子特别是UV和可见光光子以及IR光子转换为自由电子的光伏转换器，该改进的发射极结构是P型或η型光伏材料的平板、晶片或者薄片的一部分，具有暴露于光子辐射的上表面，其中主要为太阳光辐射，具有分界发射极部分和基极部分的内置PN结，具有前、后电极并且包括至少一个专用于或适合于吸收高能或能量光子并且位于相邻或接近一个异质界面的区域或局部，所述光伏材料的平板、晶片或者薄片还包括至少一个异向介质MTM区域，该形成一个低能级副载流子生成腔，其与至少一个用于能量光子的吸收区域或局部相邻或者接近，并且受到内部或者外部施加的电场影响，该电场具有足够的强度，能够将由初始的热电子所释放的副电子以足以防止它们返回到所述异向介质MTM区域内的速度从它们在相应异向介质MTM区域内的最初位点提取和移走，从而形成了产生多级转换的亚结构，其中在异向介质MTM区域内的双空位的密度大于IO18双空位/cm3，优选的是大于IO19双空位/cm3，最优选的是大于102°双空位/cm3，并且在异向介质MTM和相应的相邻η型材料之间的传导具有一个时间常数，该时间常数最大不超过与副载流子生成时间常数相同的幅度，其中非晶态半导体材料层受到将离子或电子插入、沉降或植入至凸版的处理，所述凸版由被空洞或者非连续部分分隔的连续突起制成，其形状是一层或多层的连续或非连续层。
2.根据权利要求1所述的发射极，其特征在于，所述突起为多个条带，每个条带是通过用于离子植入或电子辐射的粒子束的至少一条路径而生成的，这些条带由非晶态有机硅a-Si制成，具有包含异向介质MTM的改进的上表面并且被空洞或者非连续部分所分隔。
3.根据权利要求2所述的发射极结构，其特征在于，所述异向介质是重掺杂晶体有机硅。
4.一种制造光伏材料的方法，所述光伏材料能够吸收和利用高能或能量光子，特别是UV和可见光光子，其特征在于所述方 法包括以下步骤: a)提供或者制造常规的由无机晶体半导体材料如Si或GaS制成的p型或η型光伏材料，具有暴露于光子辐射的上表面，具有分界发射极部分和基极部分的内置PN结，包括至少一个专门设计、处理或者适合于吸收高能或能量光子并且位于相邻或接近一个异质界面的区域或局部； b)生成或者保持在所述材料的所述发射极和/或基极部分的η型区域内的结构缺陷，包括能够起到低能级副代中心作用的双空位，其以纳米级组的形式集中并且在生产过程和光伏转换条件下得以维持； c)根据预定的强度、能量和特征引入，特别是扩散或植入，η型掺杂杂质，如磷或砷，以便使双空位进入电荷状态，在该状态下它们与弱键电子相渗透并在被植入杂质的上述或各个区域内产生良好的导电性，例如在重掺杂半导体材料内的金属型导电性； 其中步骤b)和c)以如下方式执行:使至少一个基于半导体的异向介质场或者区域被生成，作为上述或者一个异质界面的过渡区域， d)提供内置电场或装置以施加围绕或者在所述或每个异向介质场或区域上延伸的电场，并且具有足以将释放的副电子以足以防止它们返回到所述异向介质区域或局部内的速度从它们在相应异向介质区域或局部内的最初位点提取和移走的强度， e)在非晶态半导体材料层平面提供连接凸起和空洞，非晶态半导体材料层平面受到将离子或者电子插入、沉积或植入到凸版的处理，所述凸版由被空洞或者非连续部分分隔的连续突起制成，其形状是一层或多层的连续或非连续层； 其中所述方法还包括:优选地，在步骤C)之后，和/或在步骤e)之后，对被埋于光伏材料的发射极部份内的一个连续纳米级平面异向介质层执行至少一个预定时长和强度的材料热处理步骤，所述热处理的总能量保持平衡，该热处理大约以450°C到600°C之间的温度，优选地约为500°C，执行约30至50分钟时长的连续热退火，优选的约为40分钟。 其中，作为上述步骤b)和c)的结果，在与所述或一个影响所述光伏材料的光子辐射的能量光子的吸收区域或局部相连或者接近的区域内，至少产生了异向介质场或区域，至少在直接由所述能量光子所释放的主电子的热化范围内，其在多级过程中与异向介质低能级代中心相碰撞释放副代电子，其阶取决于当发生碰撞时由主电子所保留的剩余能量， 其中上述连续的可操作制造步骤的参数设置如下:所述或每层平面非晶态半导体材料层的厚度在IOnm至50nm之间，并且相关联的具有连续或非连续层的形状的材料场或区域的宽度小于10nm，半导体材料优选地具有5μπι至500μπι范围内的厚度，优选的是在10 μ m至280 μ m之间，并且， 其中步骤b)和c)以如下方式进一步执行:一方面，在异向介质场或区域中的双空位密度大于IO18双空位/cm3，优选的是大于IO19双空位/cm3，最优选的是大于102°双空位/cm3，并且在异向介质和相应的相邻η型材料之间的传导具有一个时间常数，该时间常数最大不超过与副载流子生成时间常数相同的幅度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其包括在邻近半导体材料的两相之间或者两类半导体材料之间的所述或一个异质界面的区域内通过能量束，例如电子束或是离子束，的方式生成双空位，以执行尚子植入或者电子福射。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于用于移植离子是硅或磷离子。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述离子植入能量范围从10至300KeV，并且在具有重掺杂特征的情况下离子剂量为5 X IO14CnT2至5 X IO16CnT2之间。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电子束的能量为200keV至5MeV。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其包括非晶态化半导体材料的至少重复的小区域或局部以生成相应的用于能量光子的吸收区域或局部，并且在接下来的生产步骤中继续保持在非晶态化过程中的结构缺陷。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述热处理包括一个最初的连续退火步骤，接下来是至少一个周期的相继非连续退火序列。
11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，包括形成一个连续或者非连续半导体异向介质层或场，其与非晶态半导体材料的连续或非连续区域或局部紧密相关，处于半导体材料的上表面上或在上表面附近，所述场和区域共同构成了前子结构。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在制造周期的同时或跟随着制造周期，形成至少两个连续或非连续半导体异向介质纳米级层或场，其中至少一个被埋于在发射极或者基极部分中的所述材料层内，并且与相应的非晶态半导体材料的连续或非连续区域或局部紧密关联，包括相同类型的掺杂杂质以及与相应关联的异向介质层或场一起形成子结构。
13.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述热处理包括激光退火或者RTA/RTP退火以及外延生长层沉积，以在配置、距离、热化限制和时间常数最优化等方面相适应。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其包括局部植入的非晶态导体材料投影，具有由空洞分隔的连续的凹陷。
15.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，离子束的扫描图案是交叉路径图案。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述交叉路径图案是倾斜线状图案。
17.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述扫描图案是由条带隔离带所分隔的连续平行路径。
18.根据权利要求4所述的方法，其特征在于通过离子束植入或者电子束辐射进行的插入过程之后，进行热处理，包括一个最初的连续退火步骤，接下来是至少一个周期的相继非连续退火序列，退火速率将被限制为避免结构缺陷，其中低温被选择用于稳固固态外延生长，例如大约100°C，而高温是大约500°C。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，每次高温下的暴露持续例如2至5分钟，而恢复时间为例如I至4分钟，通过采用适当的温度梯度，该时间可以被减少。例如，执行3至6个周期是必要的。
20.一种制造光伏装置的方法 ，所述光伏装置能够利用高能光子，特别是UV和可见光光子以及IR光子，包括如下步骤: 提供光伏材料制造的平板、晶片或薄片，至少一种活性子结构包括对能量光子的至少一个吸收区域或局部，和至少一个纳米级异向介质场或区域， 在所述平板、晶片或薄片上形成前、后传导结构，能够提取在光伏材料内生成的载流子， 对所述平板、晶片或薄片的前和/或后表面执行附加处理以便改变其反射和/或转换属性。
【文档编号】H01L31/18GK103503158SQ201280014082
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年3月22日 优先权日:2011年3月25日
【发明者】兹比格卢·库茨尼奇, 帕特里克·梅里埃斯 申请人:赛腾高新技术公司