具有叉指背接触的太阳能电池的制作方法

本申请要求于2014年7月17日提交的美国临时申请No.62/025,924(代理人案卷号P76-1PUS)的权益，将其公开内容以其整体并入本文。

技术领域

本申请涉及太阳能电池结构和制造，包括使用隧穿氧化物结和叉指背接触的太阳能电池的设计，以及这种太阳能电池的制造工艺。

定义

“太阳能电池”或“电池”是能够将光转换成电的光伏结构。电池可以具有任何尺寸和任何形状，并且可以由各种材料产生。例如，太阳能电池可以是在硅晶片上制造的光伏结构或衬底材料(例如，玻璃、塑料或能够支撑光伏结构的任何其它材料)上的一个或多个薄膜，或其组合。

“太阳能电池带”、“光伏带”或“带”是光伏结构(诸如太阳能电池)的一部分或片段。太阳能电池可以被划分成多个带。带可以具有任何形状和任何尺寸。带的宽度和长度可以彼此相同或不同。可以通过进一步划分先前划分过的带而形成多个带。

“级联”是太阳能电池或带经由在其边缘上或边缘附近的电极而电耦合的一种物理布置。存在许多物理连接相邻光伏结构的方式。一种方式是在相邻结构的边缘(例如，阳极侧上的一个边缘以及阴极侧上的另一个边缘)处或附近将它们物理地重叠。该重叠过程有时被称为“搭接”。两个或更多个级联的光伏结构或带可以被称为“级联串”，或更简单地称为串。

“指状线”、“指状电极”和“指状物”指光伏结构的用于收集载流子的细长的、导电的(例如，金属的)电极。

“汇流条”、“总线”或“总线电极”指光伏结构的用于聚集由两个或更多个指状线收集的电流的细长的、导电的(例如，金属的)电极。汇流条往往比指状线宽，并且可以沉积或以其他方式被布置在光伏结构上或光伏结构内的任何地方。单个的光伏结构可以具有一个或多个汇流条。

“光伏结构”可以指太阳能电池，片段或太阳能电池带。光伏结构不限于通过特定方法制造的器件。例如，光伏结构可以是晶体硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池、非晶硅基太阳能电池、多晶硅基太阳能电池，或其带。

光伏结构的“前侧”指该结构的通常用于吸收直射目光的一侧。

光伏结构的“背侧”指结构的通常背离直射目光的一侧。

“发射极”是指光伏结构的收集载流子(空穴或电子)的部分。如果这种发射极具有与基极层的导电类型相同的导电类型，则发射极也可以被称为表面场(SF)层，其可以是背表面场(BSF)层或前表面场(FSF)层。一般地，p发射极收集由太阳能电池生成的空穴(即，其向外部电路“发射”p型载流子或空穴)，而n发射极收集电子(即，其向外部电路“发射”n型载流子或电子)。因此，p发射极也可以被称为空穴集电极，以及n发射极也可以被称为电子集电极。

背景技术：

用于制作太阳能板的光伏技术的进步已经帮助太阳能在希望减少其碳足迹和降低其每月的能量成本的那些人中获取大量的吸引力。光伏结构的能量转换效率一直以来是太阳能技术发展的焦点。最新的光伏结构设计已经生产出具有20％或更高的效率的太阳能电池，但对更高效的器件的追求还在继续。

图1示出了示例性的硅异质结(SHJ)太阳能电池(现有技术)。SHJ太阳能电池100可以包括前栅电极102、重掺杂非晶硅(a-Si)发射极层104、本征a-Si层106、晶体Si(c-Si)衬底108和背栅电极110。图1中的箭头指示直接入射的目光。因为在a-Si层106和c-Si层108之间存在固有的带隙偏移，所以a-Si层106可以用于通过产生对于少数载流子的势垒来减少表面复合速度。本征a-Si层106还可以通过修复现有的Si悬空键来钝化c-Si层108的表面。此外，重掺杂的a-Si发射极层104的厚度可以相比于同质结太阳能电池的发射极层的厚度薄得多。因此，SHJ太阳能电池可以利用具有更高的开路电压(Voc)和更大的短路电流(Jsc)来提供更高的效率。然而，这种太阳能电池的效率受到由前侧电极102引起的遮光量的限制。解决该限制的一种方法是在光伏结构的背侧上具有p型和n型电极二者。尽管如此，这种配置要求复杂的制造步骤，并且阻止太阳能电池从背侧吸收光。

技术实现要素：

本发明的一个实施例提供了一种使用叉指背接触的太阳能电池。太阳能电池可以包括晶体硅基极层和在基极层的背侧上的电子集电极区域。电子集电极区域可以包括电耦合到基极层的第一导电氧化物材料。太阳能电池还可以包括在基极层的背侧上的空穴集电极区域。空穴集电极区域可以包括电耦合到基极层的第二导电氧化物材料。电子集电极区域和空穴集电极区域可以形成叉指图案。此外，第一导电氧化物材料和第二导电氧化物材料具有不同的功函数。

在该实施例的变型中，太阳能电池可以包括在基极层和电子集电极区域之间的量子隧穿势垒层。

在另一实施例中，太阳能电池可以包括在量子隧穿势垒层和电子集电极区域之间的本征非晶硅层。

在该实施例的变型中，电子集电极区域或空穴集电极区域不包含掺杂的非晶硅。

在该实施例的变型中，第一导电氧化物材料和第二导电氧化物材料中的至少一个是透明的。

在该实施例的变型中，基极层可以被掺杂有p型掺杂剂。第一导电氧化物材料可以具有小于或等于4.2eV的功函数。

在另一变型中，第一导电氧化物材料包括选自以下材料组成的组中的至少一种材料：掺铝氧化锌、掺钨氧化铟、掺锡氧化铟、掺氟氧化锡、掺锌氧化铟以及掺杂锌和钨的氧化铟。

在该实施例的变型中，基极层被掺杂有n型掺杂剂。第一导电氧化物材料可以具有大于或等于5.0eV的功函数。

在另一变型中，第一导电氧化物材料可以包括选自以下材料组成的组中的至少一种材料：掺钨氧化铟、掺锡氧化铟、镓铟氧化物，镓铟锡氧化物、锌铟氧化物、锌铟锡氧化物、氧化钨、掺钛氧化铟、氧化铈、氧化锰以及氧化铟。

在另一个实施例中，电子集电极区域和空穴集电极区域是至少部分透明的，从而允许太阳能电池从背侧吸收光。

附图说明

图1示出了示例性硅异质结太阳能电池(现有技术)。

图2示出了示例性双侧隧穿结太阳能电池(现有技术)。

图3示出了根据本发明的实施例的示例性隧穿氧化物叉指背接触(TIBC)太阳能电池。

图4示出了根据本发明的实施例的示例性TIBC太阳能电池。

图5A示出根据本发明的实施例的晶体Si和导电氧化物材料之间的能带图。

图5B示出根据本发明的实施例的晶体Si和导电氧化物材料之间的能带图。

图6A示出根据本发明的实施例的晶体Si和导电氧化物材料之间的能带图。

图6B示出了根据本发明实施例的晶体Si和导电氧化物材料之间的能带图。

图6C示出了根据本发明的实施例的晶体Si和导电氧化物材料之间的能带图。

图7示出了根据本发明实施例的TIBC太阳能电池的示例性布局。

图8A示出根据本发明的实施例的TIBC太阳能电池的示例性布局。

图8B示出根据本发明的实施例的TIBC太阳能电池带的示例性级联。

图9示出了根据本发明实施例的TIBC太阳能电池的示例性制造工艺。

在附图中，相似的附图标记指相同的附图元件。

具体实施方式

以下描述被呈现以使本领域任何技术人员能够实现和使用实施例，并且以下描述是在特定应用及其要求的情境中提供的。对所公开的实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可以被应用于其他实施例和应用。因此，本发明不限于所示实施例，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。

概述

本发明的实施例通过提供具有叉指背接触的隧穿结太阳能电池来解决太阳能电池上的前侧电极遮光的问题。太阳能电池可以包括轻掺杂的基极层，其前侧和背侧覆盖有用作量子隧穿势垒(QTB)层的氧化硅的薄层。经常以指状形状形成的电子集电极区域和空穴集电极区域在太阳能电池的背侧上形成叉指图案。然后可以在电子集电极区域和空穴集电极区域上分别形成电子集电极和空穴集电极。这些电极可以相应地形成用于太阳能电池的叉指背接触(IBC)。电子集电极区域可以包括p型掺杂的氢化a-Si或具有足够低的功函数的导电氧化物(CO)。空穴集电极区域可以包括n型掺杂的a-Si或具有足够高的功函数的CO。使用具有被适当调节的功函数的导电氧化物材料可以免除分别使用掺杂的a-Si材料作为电子和空穴集电极的需要。此外，太阳能电池的背侧可以整体或部分地被透明导电氧化物(TCO)材料覆盖，这允许太阳能电池以双面模式运转并从前侧和背侧两侧吸收光。

为了提高钝化，可以在背侧QTB层与电子和空穴集电极区域之间布置本征a-Si的薄层。另外，电极可以基于铜并且使用电镀、物理气相沉积或其组合来形成。因为所有的电连接都在太阳能电池的背侧上，并且因为电池的背侧现在可以是透明的，所以具有IBC的隧穿结太阳能电池可以从前侧和背侧两侧吸收光，这导致了更高的效率。此外，IBC构造可以促进更有效的模块制造和模块具有更高的封装因子，因为不再需要将连接片从太阳能电池的一侧编织到相邻太阳能电池的另一侧。

隧穿氧化物叉指背接触(TIBC)太阳能电池

已经示出，特定类型的SHJ太阳能电池(即，隧穿结太阳能电池)可以提供优异的性能，因为量子隧穿势垒(QTB)层可以有效地钝化基极层的表面而不损害载流子收集效率。隧穿结可以位于太阳能电池的任一侧或两侧。图2示出了示例性双侧隧穿结太阳能电池。双侧隧穿结太阳能电池200可以包括基极层202和覆盖在基极层202的两侧并可以钝化表面缺陷态的量子隧穿势垒(QTB)层204和206。太阳能电池200还包括作为前表面场(FSF)层208的前侧的掺杂a-Si层、作为发射极层210的背侧的掺杂a-Si层、前透明导电氧化物(TCO)层212、背TCO层214、前金属栅线216以及背金属栅线218。要注意，取决于基极层202的掺杂类型，FSF层208和发射极210可以具有不同的掺杂类型。一般地，“发射极”也可以指具有与基极层的掺杂类型相反的掺杂类型以使得在基极层中生成的多数载流子可以被有效地收集的层。表面场层(在基极层的前侧或背侧上)可以与基极层具有相同的掺杂类型，以收集在基极层中生成的少数载流子。例如，如果基极层202是n型掺杂的，则发射极210可以是p型掺杂的，并且FSF层208可以是n型掺杂的。类似地，如果基极层202是p型掺杂的，则发射极210可以是n型掺杂的，并且FSF层208可以是p型掺杂的。

由于通过量子势垒的隧穿效应，沉积在基极层的任一侧或两侧上的超薄隧穿氧化物层(例如，QTB层204和206)可导致可小于1×10¹¹/cm²的低的界面缺陷密度(Dit)，而没有显著增加相关联的串联电阻。作为结果，可以实现具有大于715mV的开路电压(Voc)的高效太阳能电池。关于双侧隧穿结太阳能电池200的细节(包括制造方法)，可以在由发明人Jiunn Benjamin Heng、Chentao Yu、Zheng Xu以及Jianming Fu在2010年11月12日提交的题为“Solar Cell with Oxide Tunneling Junctions”的美国专利No.8,686,283中找到，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

要注意，也可以在太阳能电池的前侧上具有发射极层并且在背侧上具有背表面场(BSF)层，以实现具有改进的性能的背结太阳能电池。然而，将发射极(即多数载流子集电极)放置在背侧上可以具有一定的优点。例如，对于n型掺杂的基极层，在背侧上放置具有更高缺陷密度的重p型掺杂发射极可以减少太阳能电池的前表面附近的短波长光的吸收。此外，当被放置于背侧时，p型掺杂发射极可以相对地较厚，以消除发射极耗尽效应，而不会引发过多的短波长吸收。作为减少载流子耗尽的结果，电池的开路电压和填充因子可以提高。另外，背结结构可以提供更多的灵活性来调节p型掺杂发射极的功函数以更好地匹配背TCO材料的功函数，和/或允许更好的匹配的背侧TCO材料，而不用受TCO材料的光透射性能的限制。此外，因为背结可以主要受长波长、低能量吸收的影响，所以它较少受高能量、过多载流子结复合的影响。关于具有隧道氧化物的背结太阳能电池的细节(包含制造方法)，可以在由发明人Jiunn Benjamin Heng、Jianming Fu、Zheng Xu和Zhigang Xie于2012年8月31日提交的题为“Back Junction Solar Cell with Tunnel Oxide”的美国专利申请No.13/601,441(代理人案卷号SCTY-P52-2NUS)中找到，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

尽管提供了许多益处，但具有隧道氧化物的背结太阳能电池仍然可能依旧表现出某些不足。例如，因为背结结构要求更长的扩散长度以允许过多的载流子被背结处的内建电势扫过，所以会存在电流的固有损耗。

为了进一步改进具有隧道氧化物的背结太阳能电池的性能，在本发明的一些实施例中，将叉指背接触(IBC)结合到这种背结太阳能电池中以形成隧穿氧化物叉指背接触(TIBC)太阳能电池。IBC可以消除对于在常规太阳能电池中引起遮光的前侧电极的需要，从而通过增加短路电流(Isc)来改进太阳能电池性能。另外，与其他常规的基于IBC的太阳能电池相比，TIBC太阳能电池具有增强的Voc，因为隧穿氧化物层可以提高在后面的正电极和负电极上的钝化。在一些实施例中，可以在隧穿氧化物层与电子和空穴集电极层之间插入本征a-Si层，以促进电子和空穴集电极区域之间的更好的钝化和分离，这可以带来提高的Voc和填充因子。

图3示出了根据本发明的实施例的示例性TIBC太阳能电池。太阳能电池300包括基极层302、前QTB层304、背QTB层306、抗反射涂覆(ARC)层308、可选的本征a-Si层310、载流子集电极层312，以及多个电极(诸如电极318和320)，载流子集电极层312包括可以形成叉指图案的电子集电极(也被称为n发射极)和空穴集电极(也称为p发射极)，诸如n发射极314和p发射极316。箭头指示入射光。

基极层302可以包括外延生长的c-Si层，或从经由切克劳斯基(Czochralski(CZ))或浮动区域(FZ)工艺获取的晶锭切割的c-Si晶片，并且轻掺杂有n-型或p型掺杂剂。基极层302的厚度可以在80到200μm之间。在一些实施例中，基极层302的厚度在80到120μm之间。基极层302的电阻率可以在1ohm-cm到10ohm-cm之间。在一个实施例中，基极层302的电阻率在1ohm-cm到5ohm-cm之间，并且体少数载流子寿命(MCL)为至少1ms。在另一实施例中，基极层302可以用n型掺杂剂渐变掺杂，并且可以包括纹理化表面。

QTB层304和306可以与基极层302直接接触，并且可以包括电介质薄膜和/或有低掺杂或无掺杂的宽带隙半导体材料层。用于电介质薄膜的示例性材料包括但不限于：氧化硅(SiOx)、氢化SiOx、氮化硅(SiNx)、氢化SiNx、氮氧化硅(SiON)、氢化SiON、氧化铝(AlOx或Al2O3)以及氮化铝(AlNx)。宽带隙材料的示例包括但不限于：非晶硅(a-Si)、氢化a-Si、碳掺杂a-Si以及碳化硅(SiC)。在一个实施例中，背QTB层306可以包括SiOx，诸如SiO或SiO2，和/或氢化SiOx。前QTB层304可以包括以下的一种或多种：本征a-Si、非晶SiO、SiOx、SiNx以及Al2O3。可以通过使用诸如以下的各种氧化技术来形成SiOx或氢化SiOx层：将晶片浸入热去离子水(DIW)、低压自由基氧化、臭氧氧氧化、原子氧氧化、热氧化、化学氧化、蒸汽或湿法氧化、原子层沉积、DIW中的臭氧鼓泡、以及等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。QTB层304和306的厚度可以在1到20埃之间。在一个实施例中，QTB层304和306可以各自包括具有在8到15埃之间的厚度的SiOx层。在一些实施例中，QTB层304和306的Dit可以小于5×10¹¹/cm²。

ARC层308可以被沉积在前QTB层304上，以最大化由太阳能电池300吸收的光的量。在一些实施例中，ARC层308可以包括以下的一种或多种：透明导电氧化物(TCO)、SiNx、SiOx、以及AlxO3。

本征a-Si层310可以被沉积在背QTB层306上。在一些实施例中，本征a-Si层310的厚度可以在到之间的范围内。在另一实施例中，本征a-Si层310的厚度大约为可以通过使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术来沉积本征a-Si层310。可选的本征a-Si层310可以进一步减少少数载流子复合。

载流子集电极层312可包括叉指图案(例如交错、平行的指状物)的p发射极和n发射极。更具体地，诸如发射极314的n发射极可以包括p型掺杂的a-Si，并且可以与本征a-Si层310接触。在一些实施例中，n发射极可以包括具有渐变掺杂分布的氢化a-Si。如果基极层302是n型掺杂的，则n发射极可以具有与基极层302相反的导电类型。p型掺杂的a-Si层、本征a-Si层310、QTB层306和基极层302一起形成异质隧穿背结。在一些实施例中，n发射极(具有与n型掺杂的基极层302的导电类型相反的导电类型)可以具有在3到20nm之间的厚度以及在1×10¹⁵/cm³到5×10²⁰/cm³之间的掺杂浓度。这种掺杂的并足够厚的n发射极可以确保良好的欧姆接触和大的内建电势，以促进强的隧穿效应。

类似地，诸如发射极316的p发射极可以包括n型掺杂的a-Si，并且与本征a-Si层310接触。在一些实施例中，p发射极可以包括具有渐变掺杂分布的氢化a-Si。如果基极层302是n型掺杂的，则p发射极具有与基极层302相同的导电类型。在一些实施例中，p发射极可以具有在1到30nm之间的厚度以及在1×10¹⁵/cm³到5×10²⁰/cm³之间的掺杂浓度。叉指图案可促进多个p发射极接触下面的本征a-Si层310和QTB层306。n和p发射极二者的叉指图案允许相邻的发射极具有相反的导电掺杂类型。形成发射极经常涉及在一个或多个图案化掩模上外延生长掺杂的Si，因此仔细设计的掩模可以确保在相反掺杂类型的发射极之间保持具有恰当尺寸的间隙。这防止在具有相反极性的电极之间形成短路。

被沉积在p型和n型发射极上的电极，诸如电极318和320，提供对发射极的电耦合。如图3所示，在具有相反掺杂类型的相邻发射极之间可存在间隙，以确保电极不短路。例如，p型发射极314和n型发射极316被间隙330分隔开，这确保电极318和320彼此充分隔离。

在一些实施例中，导电氧化物(CO)层322可以被形成在载流子集电极层312和电极金属层之间。CO层322可促进与p型和n型发射极的良好欧姆接触的形成。在一些实施例中，CO层322可以包括一种或多种透明导电氧化物(TCO)材料。作为结果，太阳能电池300的背侧可以在未被电极覆盖的区域中整体或部分地是透明的。使用TCO允许太阳能电池300接收和吸收入射在其背侧上的光，这相应地允许太阳能电池300以双面模式运转。

可以通过使用以下技术中的一种或多种来沉积CO层322：等离子体气相沉积、热蒸发、离子镀、和远端等离子体沉积。金属层可以被沉积在CO层322上或直接沉积在p型或n型掺杂的a-Si上。在一些实施例中，金属层可以包括一个或多个金属(诸如Cu、Ag、Ni等)的层。包括但不限于以下的各种技术可用于沉积该一个或多个金属层：物理气相沉积(PVD)、丝网印刷、蒸发、喷墨印刷、气溶胶印刷、具有图案的电镀或化学镀。在一个实施例中，金属电极可以包括铜，并且可以通过使用电镀技术来形成。在另一实施例中，可以通过使用PVD工艺沉积铜的籽晶层，并可以通过使用电镀工艺在籽晶层上形成块铜。关于如何在光伏结构上形成电镀金属栅线的更多细节可以在发明人Jianming Fu、Zheng Xu、Chentao Yu以及Jiunn Benjamin Heng的题为“SOLAR CELL WITH ELECTROPLATED METAL GRID”的美国专利申请No.13/220,532中找到，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

代替使用a-Si基发射极，在本发明的一些实施例中，可以通过使用CO材料(可以是透明的或不透明的)来形成n或p发射极，而不用使用任何掺杂的a-Si材料。图4示出了根据本发明的实施例的示例性TIBC太阳能电池。太阳能电池400包括基极层402、前QTB层404、背QTB层406、抗反射涂覆(ARC)层408、可选的本征a-Si层410、CO层412。CO层412可包括起空穴集电极作用的高功函数CO区域和起电子集电极作用的低功函数CO区域。具有不同功函数的这两个CO区域形成叉指图案(诸如低功函数CO区域414(电子集电极)和高功函数CO区域416(空穴集电极))。可以在CO层142上形成多个金属电极(诸如金属电极418和420)。

基极层402、前和背QTB层404和406、ARC层408以及本征a-Si层410可以分别与基极层302、前和背QTB层304和306、ARC层308和本征a-Si层310类似。然而，代替渐变掺杂的a-Si，CO层412(可以包括在两个或更多步骤中沉积的两种类型的CO材料)可以被沉积在本征a-Si层410或背QTB层406(如果a-Si层410不存在)上并与其直接接触。如图4所示，CO层412包括低功函数CO区域(诸如CO区域414)，以及高功函数CO区域(诸如CO区域416)。可以按照叉指图案将高功函数CO区域和低功函数CO区域两者交错。金属电极418和420可以与金属电极318和320类似。

如上所述，为了收集空穴，可以使用高功函数的CO材料代替使用n型掺杂的a-Si。理想地，该高功函数CO材料具有其绝对值在接近或大于基极层402中使用的c-Si(轻掺杂或本征的)的价带边缘的值Ev(大约为5.17eV)的小范围(例如，0.3eV)内的功函数。当与c-Si基极层402接合时，该高功函数CO区域(诸如CO区域416)可以产生内建电场，其可以将空穴拉离生成载流子(即，电子和空穴二者)的基极层402。因为CO材料的功函数足够大，所以在该交界面处的电势差足够大到引起空穴隧穿通过背侧QTB层406。如果基极层402是n型掺杂的，则该高功函数CO层可以起到表面场区域的作用，因为它吸引少数载流子(即，空穴)。如果基极层403是p型掺杂的，则该高功函数CO层可以起到发射极区域的作用，因为它吸引多数载流子(即，空穴)。

类似地，为了收集电子，可以使用低功函数CO材料代替使用p型掺杂的a-Si。理想地，该低功函数CO材料具有其绝对值在接近或小于基极层402中使用的c-Si(轻掺杂或本征的)的导带边缘的值的小范围(例如，0.1eV～0.3eV)内的功函数。当与c-Si基极层402接合时，该低功函数CO区域(诸如CO区域414)可以产生内建电场，其可以将电子拉离基极层402。因为CO材料的功函数足够小，所以在该交界面处的电势差足够大到引起电子隧穿通过背侧QTB层406。如果基极层402是n型掺杂的，则该低功函数CO层可以起到发射极的作用，因为它吸引多数载流子(即，电子)。如果基极层402是p型掺杂的，则该低功函数CO层可以起到表面场区域的作用，因为它吸引少数载流子(即，电子)。

此外，由于本征a-Si层410的钝化效应，可以形成具有低界面缺陷密度的CO膜。在一个实施例中，界面缺陷密度(Dit)可以小于1e¹¹/cm²，这使得可以消除在CO-半导体交界面处的费米能级钉扎效应。费米能级钉扎效应可以由与缺陷相关联的表面态引起，并且将使得在半导体侧的能带弯曲几乎不可能。作为费米能级钉扎的结果，肖特基势垒高度可以对导体(在这种情况下是CO材料)的功函数不敏感。由于由本征a-Si层410导致的低的界面缺陷密度，现在可以基于CO层的费米能级来操纵载流子传输性能。因此，当CO/本征a-Si/QTB结构与轻掺杂的c-Si基极接触时，具有恰当功函数和低Dit的CO层中的简并载流子分布使得可能具有强的隧穿效应。根据Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似，隧穿过程可以取决于在起始侧(c-Si侧)处的可用载流子浓度和在接收侧(CO侧)处的态密度。如以下结合图5A、5B、6A、6B和6C所更详细地解释，取决于CO材料的不同功函数，强隧穿可以在两种不同的情形中存在。

在一个实施例中，当使用具有不同功函数的CO材料代替p型和n型掺杂a-Si作为电子和空穴集电极时，CO材料可以是透明的、不透明的或部分透明的。在一个实施例中，高功函数和低功函数CO材料是透明的(即，二者都是TCO材料)。作为结果，太阳能电池可以从前侧和背侧两侧吸收光。这种太阳能电池可以然后被用于建造能够比常规的单侧太阳能板生产更多能量的双面太阳能板。

图5A示出在晶体Si和具有靠近Si价带边缘的功函数的CO材料之间的交界面处的能带图。在图5A中，CO材料的功函数靠近c-Si价带边缘(差在0.1eV以内)。当CO材料通过QTB层与c-Si基极层接合时，应该对齐CO材料和c-Si的费米能级以保持电中性。作为结果，在c-Si侧的能带向上弯曲，并且在c-Si价带之间(作为价带中的电子被激发到导带的结果，由太阳能电池产生的空穴所在处)出现电势差，空穴将由于隧穿效应而通过QTB朝向CO区域迁移。取决于轻掺杂c-Si的掺杂类型，在交界面处可能存在空穴累积(如果c-Si是p型掺杂的)或载流子反转(如果c-Si是n型掺杂的)，以及最高的空穴浓度可以接近在CO材料中的掺杂浓度(例如，大约1×10²⁰/cm³)。如图5A所示，在QTB/Si交界面处存在能带弯曲，推动费米能级更靠近c-Si的价带边缘(Ev)。因为c-Si和CO之间的能带偏移可以相当小，并且考虑到热拓宽，隧穿效应可以很强。

图5B示出了根据本发明实施例的在c-Si和具有比c-Si价带边缘大得多的功函数的CO材料之间的交界面处的能带图。在图5B中，CO材料的功函数比c-Si价带边缘(大约为5.17eV)大得多。在QTB/Si交界面处，能带弯曲的斜率可以足够大，使得对于空穴的量子阱出现。因此对于在Si侧上的强烈简并的空穴的最低能级不是在价带边缘，而是在第一束缚能级，其可以是在价带边缘之上0.1eV(如图5B中的圆所示)。此外，重空穴和轻空穴具有不同的质量和能量态。作为结果，实现能级对准相对容易，要求能级对准是由于对空穴的带内隧穿的节能要求。另一方面，电子将被势垒排斥。由于接收侧在禁带内，所以将没有电子的隧穿。

要注意，如果CO材料的功函数远小于c-Si价带边缘，则可能没有足够的能带弯曲，因此不足以隧穿通过QTB层。

在一些实施例中，高功函数CO材料可以包括但不限于：掺钨氧化铟(IWO)、掺Sn的氧化铟(ITO)、GaInO(GIO)、GaInSnO(GITO)、ZnInO(ZIO)、ZnInSnO(ZITO)、WOx、MnOx、ITiO、InO、CeO及其组合。可以通过调整载流子浓度和掺杂来调节大多数CO材料的功函数。例如，具有3％或5％Sn的ITO具有在5.0到5.3eV之间的功函数。另外，可以通过控制晶体取向和表面条件来控制CO功函数。为了确保足够低的Dit，在一个实施例中，通过使用低损伤沉积方法在本征a-Si层上沉积CO层。低损伤沉积方法的示例包括但不限于：射频(RF)溅射(RF频率至少13MHz，优选大于13.56MHz)、热蒸发、诸如分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延生长、原子层沉积(ALD)、远端等离子体沉积和离子镀沉积(IPD)。在一个实施例中，交界面处的Dit可以小于1×10¹¹/cm²，这确保了良好的表面钝化。高功函数CO层可以被重掺杂(利用金属离子)，具有至少为1×10¹⁹/cm³的掺杂浓度。在一个实施例中，高功函数CO层的掺杂浓度可以大于2×10²⁰/cm³。

关于具有基于TCO的空穴集电极的太阳能电池的细节(包括制造方法)，可以在由发明人Zhigang Xie、Jiunn Benjamin Heng、Wei Wang、Jianming Fu、Zheng Xu于2013年10月10日提交的题为“NOVEL HOLE COLLECTORS FOR SILICON PHOTOVOLTAIC CELLS”的美国专利申请No.14/051,336(代理人案卷号P64-1NUS)中找到，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

类似地，为了收集电子，可以使用低功函数CO材料代替使用p型掺杂的a-Si。理想地，该低功函数CO材料具有其绝对值在接近或小于基极层中使用的c-Si(轻掺杂或本征的)的导带边缘的值Ec的小范围(例如，0.3eV)内的功函数。当与c-Si基极层402接合时，该低功函数CO区域(诸如CO区域414)可以产生内建电场，其可以将电子拉离基极层402，并因此起到电子集电极(或n发射极)的作用。与高功函数区域的机制类似，在交界面处的低Dit可以减少或消除费米能级钉扎效应，并且隧穿过程取决于在起始侧(c-Si侧)处的可用载流子浓度以及在接收侧(CO侧)处的态密度。基于CO功函数和c-Si导带边缘之间的差，当存在强隧穿时，有三种不同的情形(如下所述)。

关于具有基于TCO的电子集电极的太阳能电池的细节(包括制造方法)，可以在由发明人Zhigang Xie、Wei Wang、Jiunn Benjamin Heng、Jianming Fu和Zheng Xu于2013年10月15日提交的题为“NOVEL ELECTRON COLLECTORS FOR SILICON PHOTOVOLTAIC CELLS”的美国专利申请No.14/054,688(代理人案卷号P65-1NUS)中找到，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

在具有不同功函数的相邻CO区域之间可以存在间隙，以确保电极不短路。例如，低功函数CO区域414和高功函数CO区域416可以由间隙分隔开，以确保电极418和420不短路。CO区域的形成可以涉及在一个或多个图案化掩模上的PECVD，因此仔细设计的掩模可以确保在具有不同功函数的CO区域之间保持具有恰当尺寸的间隙。

图6A示出了根据本发明的实施例的在c-Si和具有略低于c-Si导带边缘的功函数的CO材料之间的交界面处的能带图。在图6A中，CO材料的功函数略低于c-Si导带边缘(差在0.1eV以内)。当CO材料通过QTB层与c-Si基极层接合时，应该对齐CO材料和c-Si的费米能级以保持电中性。作为结果，在c-Si侧的能带向下弯曲，并且在c-Si的导带之间(由太阳能电池产生的电子所在处)出现电势差，电子将由于隧穿效应通过QTB朝向CO区域迁移。取决于轻掺杂c-Si的掺杂类型，在交界面处可能存在电子累积(如果c-Si是n型掺杂的)或载流子反转(如果c-Si是p型掺杂的)，并且最高电子浓度可以接近CO材料中的掺杂浓度(例如，大约1×10²⁰/cm³)。如图6A所示，在QTB/Si交界面处存在能带弯曲，推动费米能级更靠近c-Si的导带边缘(Ec)。因为Si和TCO之间的能带偏移可以相当小，并且考虑到热扩宽，隧穿效应可以很强。

图6B示出根据本发明的实施例的在c-Si和具有比c-Si导带边缘小得多的功函数的CO材料之间的交界面处的能带图。在图6B中，CO材料的功函数比c-Si导带边缘小得多。在QTB/Si交界面处，能带弯曲的斜率可以足够大，使得对于电子的量子阱出现，而三角形状的量子势垒可以仅仅几纳米厚。作为结果，对于在Si侧上的强烈简并的电子的最低能级不在导带边缘处，而是在第一束缚能级，其可以在距导带边缘0.1eV以内(如图6B中的点所示)。因此，对于电子的带内隧穿，可能不存在明显的能级偏移。另一方面，空穴可以被势垒排斥。

图6C示出根据本发明的实施例的在c-Si和具有略大于c-Si导带边缘的功函数的CO材料之间的交界面处的能带图。在图6C中，CO材料的功函数比c-Si的Ec大0.05-0.15eV左右。具有从导带边缘Ec起始的能级的电子将从c-Si侧进入CO的未填充导带。由于电势差，将有更少的电子从CO侧转移到c-Si侧。作为结果，在QTB/Si交界面处的电子浓度将小于例如1×10¹⁸/cm³。因此，在交界面处可能没有足够的能带弯曲，并且钝化受损。为了提高钝化，可以在c-Si衬底的表面上施加浅n型掺杂。要注意，为了最小化不期望的短波长光的吸收，浅掺杂理想地具有至少1×10¹⁹/cm³的峰值浓度和小于或等于100nm的深度。

在一个实施例中，低功函数CO材料具有小于或等于4.2eV的功函数。低功函数CO材料的示例包括但不限于：掺铝氧化锌(AZO)、掺钨氧化铟(IWO)、掺Sn氧化铟(ITO)、掺氟氧化锡(F：SnO2)、掺锌氧化铟(IZO)、掺杂锌和钨的氧化铟(IZWO)及其组合。要注意，可以通过调整载流子浓度和掺杂来调节大多数CO材料的功函数。另外，可以通过控制晶体取向和表面条件来控制CO功函数。与高功函数CO材料的沉积类似，可以通过使用低损伤沉积方法来沉积低功函数CO材料。低损伤沉积方法的示例包括但不限于：射频(RF)溅射、热蒸发、诸如分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延生长、原子层沉积(ALD)、远端等离子体沉积和离子镀沉积(IPD)。在一个实施例中，在交界面处的Dit可以小于1×10¹¹/cm²，这可以确保足够的表面钝化。

在一些实施例中，可以仅用低功函数CO材料替换p型掺杂的a-Si或者仅用高功函数CO材料替换n型掺杂的a-Si，而代替分别用低功函数和高功函数CO材料替换p型掺杂和n型掺杂的a-Si二者。此外，通过将a-Si发射极或CO发射极直接沉积到背侧QTB层上，也可以不在TIBC太阳能电池中包括本征a-Si层(层310或410)。

图7示出了根据本发明的一个实施例的示例性IBC太阳能电池布局。在该示例中，太阳能电池700具有轻n型掺杂的c-Si基极层，在背侧上存在两个区域：作为空穴集电极的高功函数TCO区域702(以点状图案示出)以及作为电子集电极的低功函数TCO区域704(以交叉阴影线图案示出)。两个区域都被按照指状线图案配置，并且指状物是交错的，形成叉指图案。可以在每个区域上分别形成诸如电极708和712的金属电极。在一个实施例中，每个电极的宽度可以小于相应的TCO指状物的宽度以减少遮光。在每个区域(即，电子集电极区域或空穴集电极区域)中，用汇流条连接金属指状线，汇流条被放置在太阳能电池的边缘附近。因为TCO的透明性质，并且因为金属电极仅覆盖背侧的一部分，所以光可以穿过背侧并到达基极层，从而允许太阳能电池以双面模式运转。

在另一实施例中，可以通过使用具有不同功函数的不透明CO材料来形成电子集电极和空穴集电极。可替换地，可以分别通过使用p型掺杂的a-Si和n型掺杂的a-S来形成电子集电极和空穴集电极。这两个区域然后可以被相同的透明或不透明的CO材料覆盖。

图8A示出了根据本发明的实施例的另一个IBC太阳能电池布局。在该示例中，常规的方形或准方形电池800可以被划分为三个带802、804以及806。每个带具有与图7中示出的太阳能电池700的IBC配置类似的IBC配置。在一个实施例中，多个这种带可以被级联成串，其可以具有与常规的太阳能板相同的输出电压，常规的太阳能板具有在单个串中被串联连接的方形或准方形太阳能电池。然后可以在单个板内把利用这些带形成的多个级联串并联连接。因此，可以显著减少整个太阳能板的总内阻，并且可以相应地增加板的输出功率。这种级联(也称为“搭接”)配置的更多细节可以在发明人Bobby Yang、Peter P.Nguyen、Jiunn Benjamin Heng、Anand J.Reddy以及Zheng Xu的题为“HIGH EFFICIENCY SOLAR PANEL”的美国专利申请No.14/563,867(代理人案卷号P67-3US)中找到，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

图8B示出根据本发明的一个实施例的使用IBC的太阳能电池带的示例性级联配置。在该示例中，三个带802、804和806被沿着它们的长边缘串联地级联。因为每个带的汇流条都在背侧，并且具有相反极性的汇流条被安放在相对的边缘上，所以可以相互紧邻地放置带，并且来自两个邻接的带的相邻汇流条具有相反的极性。例如，带802的正汇流条808可以被放置在带804的负汇流条810旁边。在一个实施例中，金属片812可以用于连接汇流条808和810，从而在带802和804之间形成串联连接。在一个实施例，可以彼此靠近地放置带以减小它们之间的间隙。也可以使用其他方法来连接两个相邻的汇流条。例如，可以在汇流条808和810上施加导电粘合胶来连接它们。

制造方法

可以使用或n型或p型掺杂的高质量的太阳级硅(SG-Si)晶片来制造TIBC太阳能电池。图9示出了根据本发明实施例的制造TIBC太阳能电池的示例性工艺。

在操作9A中，可以制备SG-Si衬底以形成基极层900。SG-Si衬底的电阻率可以在但不限于1ohm-cm到10ohm-cm之间的范围中。在一个实施例中，SG-Si衬底的电阻率可以在1ohm-cm到6ohm-cm之间。基极层900可以包括从使用CZ/FZ工艺获得的晶锭切割的c-Si晶片。在一些实施例中，基极层900可以具有范围从80μm到200μm的厚度。制备操作可以包括锯损伤蚀刻，其去除大约10-30μm的硅。在一个实施例中，还可以进行表面纹理化以产生随机角锥状纹理化表面。随后，SG-Si衬底可以经历表面清洁。另外，还可以通过使用外延工艺(诸如MOCVD)形成基极层900，其中，可以在生长衬底上生长c-Si外延膜，并且然后从生长衬底去除c-Si外延膜。在一个实施例中，基极层900可以被轻掺杂，具有范围在5×10¹⁴/cm³到1×10¹⁶/cm³之间的掺杂浓度。

在操作9B中，可以在基极层900的前表面和背表面上形成高质量(具有小于1×10¹¹/cm²的Dit)的电介质材料的薄层，以形成前侧QTB层902和背侧QTB层904。可以使用各种类型的电介质材料来形成QTB层，电介质材料包括但不限于：氧化硅(SiOx，包括二氧化硅和一氧化硅)、氢化SiOx、氮化硅(SiNx)、氢化SiNx、氮氧化硅(SiON)、氢化SiON、氧化铝(AlOx)以及氮化铝(AlNx)。在一个实施例中，背侧QTB层904可以包括SiOx和/或氢化SiOx。可以使用各种技术形成这种氧化物层，这些技术包括但不限于：将衬底浸入热去离子水(DIW)、低压自由基氧化、臭氧氧氧化、原子氧氧化、热氧化、化学氧化、蒸汽或湿法氧化、原子层沉积、DIW中的臭氧鼓泡和/或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。QTB层的厚度可以在1到之间。在一些实施例中，除了电介质材料之外，也可以使用诸如a-Si、氢化a-Si、碳掺杂的a-Si以及SiC的各种宽带隙半导体材料来形成前QTB层902。在一些实施例中，QTB层902和904的Dit可以小于5×10¹¹/cm²。

在操作9C中，可以在QTB层902上形成抗反射涂覆(ARC)层906。在一些实施例中，ARC层906可以包括以下的一种或多种：TCO材料、SiNx、SiOx以及AlxO3。ARC层906的厚度可以是大约100nm。

在可以是可选的操作9D中，可以在背侧QTB层904上形成本征a-Si层908。这种本征a-Si层908可以提高钝化并促进n和p发射极之间的隔离。在一些实施例中，本征a-Si层908的厚度可以在从到的范围。在另一实施例中，本征a-Si层908的厚度大约为可以通过使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术来形成本征a-Si层908。

在操作9E中，可以在本征a-Si层908上沉积诸如发射极910的第一发射极层(n或p)。该发射极层与随后形成的具有相反极性的第二发射极层一起，可以形成叉指图案。在一些实施例中，发射极可以包括具有渐变掺杂的a-Si层。发射极的导电类型可以与基极层900的导电类型相反。在另一实施例中，渐变掺杂a-Si发射极可以具有在1到20nm之间的厚度，并且渐变掺杂a-Si的掺杂浓度在1×10¹⁵/cm³到5×10²⁰/cm³之间。在一些实施例中，发射极可以包括具有恰当功函数的导电氧化物(CO)材料。例如，具有高功函数的CO材料可以包括但不限于：掺钨氧化铟(IWO)、掺Sn的氧化铟(ITO)、GaInO(GIO)、GaInSnO(GITO)、ZnInO(ZIO)、ZnInSnO(ZITO)、WOx、ITiO、MnOx、InO、CeOx及其组合。优选地，CO的功函数可以为至少5.0eV。在另一实施例中，CO材料可以具有大于c-Si价带边缘的能级的功函数。为了促进叉指图案，可以使用涉及施加掩模、材料沉积(可以涉及PECVD或PVD)和掩模去除的工艺。要注意，因为这些发射极位于太阳能电池900的背侧，所以不要求它们是透明的。

在操作9F中，可以在本征a-Si层908上形成具有相反极性的第二发射极层(诸如发射极912)。第二发射极层与在操作9E中形成的第一发射极层交错，从而形成叉指图案。在一些实施例中，第二发射极层可以包括具有渐变掺杂的a-Si层。在另一实施例中，第二发射极层可以具有在1到30nm之间的厚度，以及，如果使用渐变掺杂的a-Si作为该第二发射极层，则渐变掺杂a-Si的掺杂浓度可以在1×10¹⁵/cm³到5×10²⁰/cm³之间。在一些实施例中，第二发射极层可以是具有恰当功函数的CO材料。例如，第二发射极层可以包括低功函数TCO材料，包括但不限于：掺铝氧化锌(AZO)、掺钨氧化铟(IWO)、掺Sn氧化铟(ITO)、掺氟氧化锡(F：SnO2)、掺锌氧化铟(IZO)、掺杂锌和钨的氧化铟(IZWO)及其组合。在另一实施例中，低功函数TCO可以具有小于4.2eV的功函数。为了形成叉指图案，可以使用涉及施加掩模、材料沉积和掩模去除的工艺。可以按照这种方式设计用于沉积两个发射极层的掩模，使得具有相反极性的相邻发射极区域被间隙分隔开。例如，发射极910和发射极912被间隙930分隔开。

在另一个实施例中，发射极910可以被沉积为地毯式覆盖层，并且发射极912可以被沉积在选择的区域中，使得发射极910在发射极912下面的部分可以变成反向掺杂，以实际具有与发射极912相同的掺杂类型，尤其是在可以导致掺杂剂扩散的热处理之后。

可以具有用掺杂的a-Si形成的一种类型的发射极和用具有恰当功函数的CO材料形成的另一个类型的发射极，反之亦然。在一个示例中，基极层900可以是p型掺杂的，p发射极可以是n型掺杂的a-Si，以及n发射极可以包括高功函数CO材料。在另一个示例中，基极层900可以是p型掺杂的，p发射极可以是低功函数CO材料，以及n发射极可以是p型掺杂的a-Si。在另一示例中，基极层900可以是n型掺杂的，n发射极可以是p型掺杂的a-Si，以及p发射极可以包括低功函数CO材料。在又一示例中，基极层900可以是n型掺杂的，n发射极可以是高功函数CO材料，以及p发射极可以是n型掺杂的a-Si。

在操作9G中，在n和p发射极区域上形成背侧电极，诸如电极914和916。电极可以包括一个或多个金属层和CO层。如果两种类型的发射极由掺杂的a-Si制成，则电极可以包括CO层以促进欧姆接触。另一方面，如果通过使用CO材料形成发射极，则将不需要附加的CO层。在一些实施例中，可以通过使用各种技术形成金属层，技术包括但不限于丝网印刷、蒸发、喷墨印刷、气溶胶印刷、电镀或化学镀。在一些实施例中，金属层可以包括通过使用各种技术形成的Cu栅线，技术包括但不限于：化学镀、电镀、溅射以及蒸发。

仅出于例示和描述的目的呈现了各种实施例的前述描述。它们不旨在是详尽的或将本发明限制为所公开的形式。因此，许多修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。另外，上述公开内容不旨在限制本发明。