專利名稱：薄膜多晶太陽能電池及其形成方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及薄膜多晶太陽能電池及其形成方法。
相關(guān)的
背景技術(shù)：
具有通過膜形成步驟例如CVD、外延生長等形成的多晶硅膜的薄膜多晶硅太陽能電池，可以以比通過在晶片內(nèi)形成半導體結(jié)而制成的體晶太陽能電池更低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)，這種太陽能電池有望獲得比a-Si太陽能電池更高的光電轉(zhuǎn)換效率，且有望候選為下一代太陽能電池。一般的薄膜多晶硅太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)包括如

圖15中所示的那些pn結(jié)或如圖16中所示的那些pin結(jié)結(jié)構(gòu)。
在圖15中，數(shù)字81指基材，同時也用作支撐件，而數(shù)字82指導電金屬膜，同時也用作光反射層。數(shù)字83指用一種導電類型的雜質(zhì)高濃度摻雜的多晶硅薄膜半導體層，放置該層是為了在金屬層82和半導體層84之間建立良好的電接觸。數(shù)字84代表多晶硅薄膜半導體層，該層通常用與層83相同導電類型的雜質(zhì)少量摻雜。在與層85接觸的基礎(chǔ)上，在層84的內(nèi)部產(chǎn)生一個電位分布，因此層84作為光電荷(photocharge)產(chǎn)生層。數(shù)字85指用一種與層83和層84的導電類型相反的雜質(zhì)高濃度摻雜的薄膜半導體層。數(shù)字87指用來阻止光反射的抗反射層，設(shè)置該層用來有效地吸收光。數(shù)字86指用來抽取電流的集電極。
當使用小晶粒尺寸的多晶硅膜構(gòu)造太陽能電池時，采用如圖16中所示的pin結(jié)構(gòu)以便通過漂移使電流流動。數(shù)字91指同時也用作支撐件的基材，而數(shù)字92指同時也用作光反射層的導電金屬膜。數(shù)字93指用一種導電類型的雜質(zhì)摻雜的多晶硅薄膜半導體層。數(shù)字94代表本征的多晶硅薄膜半導體層。
數(shù)字95代表用一種與層93的導電類型相反的雜質(zhì)摻雜的薄膜半導體層。在插在層93和95之間的本征半導體層94內(nèi)建立一個電場，且在層94內(nèi)產(chǎn)生的電荷沿著電場流動。數(shù)字97指用來阻止光反射的抗反射層，設(shè)置該層用來有效地吸收光。數(shù)字96指用來抽取電流的集電極。
與體晶硅太陽能電池不同，不需用切片和拋光步驟就可以制造這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池，因此可以降低生產(chǎn)成本。因為它們也可以在玻璃、金屬或諸如此類的基材上生產(chǎn)，所以它也更可能進行連續(xù)生產(chǎn)。鑒于此，它們也可以用于與a-Si太陽能電池的疊層結(jié)構(gòu)，因此，多晶硅薄膜半導體層有希望作為長波光吸收和光電荷產(chǎn)生層的材料。原因是同樣用作長波光吸收和光電荷產(chǎn)生層的a-SiGe膜必須用昂貴的源材料GeH4氣體制成。
實際生產(chǎn)圖15或圖16所示結(jié)構(gòu)的多晶硅太陽能電池以評估它們的性能，可以發(fā)現(xiàn)，每個樣品中的短路電流和占空因數(shù)(fill factors)都大大不同。沒有一個樣品表現(xiàn)出好的短路電流和占空因數(shù)性能。因此生產(chǎn)短路電流和占空因數(shù)性能都好的太陽能電池是關(guān)于薄膜多晶硅太陽能電池的研究中的一個重大課題。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種薄膜多晶太陽能電池，該電池包括基材；設(shè)置在基材上并且由用控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的硅構(gòu)成的第一半導體層；設(shè)置在第一半導體層上并且由用與第一半導體層的導電類型相同的控制導電類型的雜質(zhì)輕摻雜的多晶硅構(gòu)成的第二半導體層；和設(shè)置在第二半導體層上且用導電類型與第一半導體層和第二半導體層摻雜的雜質(zhì)相反的控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的第三半導體層，其中由第一半導體層內(nèi)產(chǎn)生的晶核生長的晶粒連續(xù)地生長以形成第一和第二半導體層，該晶粒也水平生長以接觸相鄰的晶粒，且垂直生長形成與第三半導體層的接觸面。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種薄膜多晶太陽能電池，該電池包括基材；設(shè)置在基材上并且由用一種控制導電類型的雜質(zhì)摻雜的硅構(gòu)成的第一半導體層；設(shè)置在第一半導體層上并且由本征導電類型的硅構(gòu)成的第二半導體層；和設(shè)置在第二半導體層上并且用導電類型與第一半導體層摻雜的雜質(zhì)相反的控制導電類型的雜質(zhì)摻雜的第三半導體層，其中由第一半導體層內(nèi)產(chǎn)生的晶核生長的晶粒連續(xù)地生長以形成第一和第二半導體層，該晶粒也水平生長以接觸相鄰的晶粒，且垂直生長形成與第三半導體層的接觸面。
上述第一個方面包括具有n+/n-/p+或p+/p-/n+結(jié)構(gòu)的太陽能電池，而上述第二個方面包括具有n/i/p或p/i/n結(jié)構(gòu)的太陽能電池。
根據(jù)本發(fā)明形成薄膜多晶太陽能電池的方法包括下列步驟在基材上層疊由用一種控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的硅構(gòu)成的第一薄膜半導體層，在其上層疊由用與第一半導體層的導電類型相同的控制導電類型的雜質(zhì)輕摻雜的多晶硅構(gòu)成的第二薄膜半導體層，且進一步在其上層疊由用與第一和第二半導體層摻雜雜質(zhì)的導電類型相反的控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的第三薄膜半導體層，由此形成有n+/n-/p+或p+/p-/n+半導體結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池，該方法包括重復進行膜淀積和等離子體處理以形成第一半導體層；然后由第一半導體層內(nèi)產(chǎn)生的晶核在垂直于基材的方向上生長晶粒，并且也在橫向上生長晶粒直到該晶粒接觸相鄰的晶粒，且使第二半導體層內(nèi)的晶粒繼續(xù)向上生長到與第三半導體層的接觸面，由此形成第二半導體層。
在上述的太陽能電池及其方法中，優(yōu)選在第一半導體層內(nèi)垂直生長的晶體的晶核密度不超過1×1010cm-3。
在上述的太陽能電池及其方法中，優(yōu)選地，在第一半導體層中，每個由晶核生長的晶體水平生長以接觸相鄰晶體的區(qū)域的形狀是在平行于生長方向的橫截面內(nèi)頂角不小于60°的錐體(或圓錐)或棱錐。
這里采用的術(shù)語“棱錐”指包含三個或更多個角的棱錐，包括三棱錐、四棱錐、五棱錐等等。
關(guān)于晶體生長的開始位置的描述，這里采用的表達方式“在層內(nèi)(例如，第一層)的晶體生長”是指晶體在層內(nèi)的一個位置開始生長且排除晶體在該層與其它層或鄰近該層的基材之間的接觸面內(nèi)開始生長。
在上述的太陽能電池及其方法中，優(yōu)選地，在第二半導體層內(nèi)向上生長到與第三半導體層的接觸面的晶體具有在平行于基材方向上不小于100nm的平均晶粒直徑。
在上述的太陽能電池及其方法中，優(yōu)選地，在第二半導體層內(nèi)生長的晶體和第三半導體層之間形成的接觸面具有不小于20nm的不平坦度。
根據(jù)本發(fā)明，該太陽能電池是這樣的，其中，在第一半導體層內(nèi)產(chǎn)生晶核，晶粒在第二半導體層內(nèi)(或作為第二半導體層)向上生長到與第三半導體層的接觸面，且由晶粒構(gòu)成的晶體層用作光電荷的產(chǎn)生層和輸運層，且在這些太陽能電池中，晶粒內(nèi)產(chǎn)生的電荷在垂直方向上被輸運到基材而沒有被晶粒邊界和沒摻雜的非晶硅等的高阻層所影響，這可以成功地提高占空因數(shù)性能。此外，晶粒的平均顆粒直徑不小于100nm，并且在接觸面的晶體形狀提供不小于20nm的不平坦度，這些可以順利地獲得大的短路電流性能。
在第一半導體層3和金屬層(反射層)2之間接觸面的附近形成用第一導電類型的雜質(zhì)高濃度摻雜的非晶硅膜。在非晶硅膜內(nèi)形成晶核，晶體從晶核在垂直于基材的方向上生長，并且也在水平方向(或橫向)上生長以接觸鄰近的晶體，此后晶體在第二半導體層4內(nèi)繼續(xù)生長一直到與第三半導體層5的接觸面。
在第一半導體層3內(nèi)垂直生長的晶體的晶核密度不超過1×1010cm-3。
在第一半導體層3內(nèi)，每個晶體從晶核生長以橫向接觸相鄰晶體的區(qū)域的形狀是在平行于垂直生長方向的橫截面內(nèi)具有不小于60°頂角的錐體或棱錐。
晶體也在第二半導體層4內(nèi)連續(xù)向上生長到與第三半導體層5的接觸面，且在平行于基材方向晶體的平均晶粒尺寸不小于100nm。
晶體也在第二半導體層4內(nèi)連續(xù)向上生長到與第三半導體層5的接觸面以在接觸面形成不小于20nm的不平坦度的形狀。
數(shù)字6代表抽取電流的集電極。基材1通常是由金屬、玻璃、合成樹脂或諸如此類材料制成，且作為支撐太陽能電池的構(gòu)成材料的支撐件。金屬層2覆蓋在基材的表面并作為一個電極。通過普通的蒸發(fā)、濺射、印刷、涂覆或諸如此類的方法形成該金屬層。在基材是由導電材料例如金屬等制成的情況下，基材本身也可以用作一個電極。當希望降低電極的電阻或反射照在電極上的光以增強多晶硅半導體層內(nèi)的光吸收時，可以以單質(zhì)或合金的形式在電極上放置具有低電阻率和高反射率的金屬例如銀、鋁、銅或諸如此類金屬，并且以單層或疊層結(jié)構(gòu)放置在電極上，以便形成電極和反射層。
通過給基材1的表面提供約0.1～100μm的不平坦性，或通過采用具有不平坦表面形狀的膜，如形成溫度不小于300℃的銀膜作為金屬層2，金屬層表面上的漫反射增加，且反射的光增加了第二半導體層4內(nèi)光的吸收，因此增加產(chǎn)生的電流的量。如果抗反射層7也具有不平坦的表面形狀，在金屬層2上反射的光也將在層7上漫反射，從而增加第二半導體層4內(nèi)光的再傳播率。結(jié)果，光被限制在太陽能電池內(nèi)并在第二半導體層4內(nèi)來回傳播。這導致第二半導體4內(nèi)吸收光的量增加。該效果在波長區(qū)或物質(zhì)的光吸收系數(shù)相對小時更為顯著。它有利于在結(jié)晶硅內(nèi)吸收長波長的光。因此，即使在很小厚度的薄結(jié)晶硅膜內(nèi)也可以產(chǎn)生滿意的電流。
當基材1的表面具有不平坦性或金屬膜2是有不平坦表面形狀的膜時，在其上制成的太陽能電池的結(jié)構(gòu)也反映出不平坦的形狀并容易發(fā)生分流。為了阻止分流的影響擴散到整個電池，因此，也存在在金屬層2上在垂直方向上形成具有高導電率的透明材料層如ZnO或In2O3層的情況。因為ZnO和In2O3具有柱形的晶體結(jié)構(gòu)，因此它們在橫向上的導電率低，且在垂直方向上的導電率高(但是比金屬的導電率低)，因此它們具有適度的電阻。
根據(jù)所采用的基材，硅半導體薄膜3、4、5通過適當?shù)貜母鞣N方法中選擇的它們各自的制備方法制造；例如(1)在熱基材上分解源氣體(例如SiH4、SiCl2H2、Si2H6、SiF2H2等氣體)以獲得硅膜的CVD工藝；(2)在裝載有基材的室內(nèi)，使源氣體例如SiH4、Si2H6、SiF4、Si2F6、SiCl2H2、SiF2H2等與大量的H2一起流動，并在施加RF、LF、VHF、微波等能量條件下誘導輝光放電以淀積膜的等離子放電工藝；(3)引導在鄰近膜形成空間的其各自分開空間內(nèi)產(chǎn)生的SiFn(n＝1～3)自由基和H自由基到膜形成空間內(nèi)，以引起SiFn自由基和H自由基之間氣相碰撞和反應，由此產(chǎn)生膜形成自由基SiF1Hm(1+m≤3)，并在放置于膜形成空間內(nèi)的基材上形成硅膜的淀積工藝(HRCVD工藝)；和其他適當?shù)墓に?。特別地，HRCVD工藝(3)非常適用于在不超過500℃的溫度下制備晶粒直徑不小于1000的多晶薄膜。
引入控制導電類型的雜質(zhì)的方法包括硅層淀積后引入雜質(zhì)到其內(nèi)部的方法和在膜形成期間在源氣體中混合雜質(zhì)并在淀積的同時引入雜質(zhì)的方法，例如離子注入、自由基注入、擴散工藝等，可以從這些方法中采用一種適當?shù)姆椒āＬ峁┯玫谝粚щ婎愋偷碾s質(zhì)高濃度摻雜的硅薄膜半導體層3(第一半導體層)是為了在第二半導體層4和金屬層2之間保持良好的電接觸狀態(tài)。因此，在第二半導體層4和第一半導體層3之間以及在第一半導體層3和金屬層2之間不存在電阻礙，這樣產(chǎn)生歐姆接觸。
第二半導體層4是吸收光以產(chǎn)生電荷的層，因而是能量產(chǎn)生層。第二半導體層4的厚度應足以吸收入射光。但是，如果厚度太大則電荷移動的距離將增加，導致輸送到外部的電流減小。從成本方面考慮，更厚的層增加生產(chǎn)時間和增加使用的材料量，這是不利的。
第二半導體層4結(jié)合金屬層2可以有效地吸收入射光，以便可以減少其膜的厚度。膜厚優(yōu)選不低于1μm，不超過10μm。第二半導體層4用控制導電類型的少量雜質(zhì)摻雜，以便與用與層3的導電類型相反的雜質(zhì)高濃度摻雜的薄膜半導體層5形成好的pn結(jié)。即，第二半導體層4的導電類型必須與第三半導體層5的相反且與第一半導體層3的相同，以便生成歐姆接觸而不形成結(jié)。
第二半導體層4由硅多晶體構(gòu)成，該硅多晶體由在第一半導體層3內(nèi)形成的晶核長成且在垂直方向每一個都是連續(xù)晶粒。第二半導體層4內(nèi)雜質(zhì)的量不應太大，以便當pn結(jié)形成時允許耗盡層擴展穿過整個第二半導體層4。但是，如果雜質(zhì)的量太小，串聯(lián)電阻將會很大，導致在抽取電流到外部時的損失。因此，通常控制雜質(zhì)的混合量以便使第二半導體層4的電阻率落入0.1Ω·cm至100Ω·cm的范圍。
第三半導體層5是用來與第二半導體層4形成pn結(jié)的層。為了第二半導體層4吸收足夠的光和在與第二半導體層4形成的pn結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生電荷，希望第三半導體層5的厚度足夠薄。其厚度希望不超過2000。為了制造與第二半導體層4的大開路電壓的pn結(jié)，需要引入大量用于價電子控制的雜質(zhì)。重要的是通過引入雜質(zhì)有效地產(chǎn)生自由電子或空穴且費米能級有效地移向?qū)Щ騼r帶。一般地，引入大量的雜質(zhì)以便使電阻率不超過1Ω·cm。
適用于第三半導體層5的材料一般是非晶硅、非晶態(tài)碳化硅、多晶硅以及多晶碳化硅。
集電極6用來使聚集在第三半導體層5內(nèi)的電荷流動到外電路。通過在第三半導體層5上形成金屬例如銀、鋁、銅、或諸如此類的高導電率的金屬的網(wǎng)格圖形或梳狀圖形，或通過在第三半導體層5上連接金屬線來制造集電極，所述圖形可通過蒸發(fā)、膏狀物涂敷等形成。
希望集電極寬度盡可能窄和間距盡可能寬，以便增加進入第二半導體層4的入射光的量。但是，另一方面，如果寬度太窄而且間距太寬，串聯(lián)電阻將增加從而阻礙產(chǎn)生的電荷被有效地抽取到外電路。因此，寬度一般限定在0.02～1mm的范圍內(nèi)，而間距限定在1mm～5cm的范圍內(nèi)。集電極的實際寬度和間距是根據(jù)第三半導體層5和抗反射層7的表面電阻值適當決定的。
在第三半導體層5上設(shè)置抗反射層7，以便引導進入太陽能電池的光有效地進入第二半導體層4?？狗瓷鋵?的材料一般是任何一種金屬氧化物，例如In2O3、SnO2、TiO2、ZnO、ZrO等。
考慮材料的折射系數(shù)確定抗反射層7的厚度以便使反射最小化。
在抗反射層7是由低電阻率材料制成且它的表面電阻低于第三半導體層5的表面電阻的情況下，該太陽能電池可以制成在抗反射層7上放置集電極6的結(jié)構(gòu)。
圖2表示本發(fā)明的太陽能電池的另一種結(jié)構(gòu)例子。圖2的太陽能電池與圖1的太陽能電池的不同之處在于，由第一半導體層33、第二半導體層34和第三半導體層35形成pin結(jié)。第二半導體層34的費米能級位于帶隙的中心附近，因此第二半導體層34表現(xiàn)出本征導電性。第二半導體層34根本不含控制導電類型的雜質(zhì)，或者含有少量導電類型與在該層的形成過程中非故意地包括在其內(nèi)部的雜質(zhì)的導電類型相反的補償性雜質(zhì)，以便使費米能級位于帶隙中心附近。
如果第二半導體層具有足夠厚度以有效地吸收光，在第二半導體層內(nèi)的少數(shù)載流子的擴散長度短和擴散電流變得不足的情況下，通常采用這種結(jié)構(gòu)。即，它是通過基于內(nèi)電場的漂移確保電流的技術(shù)。(實施例)
下面將用實施例更詳細描述本發(fā)明。(實施例1)按照以下工序制造具有圖1結(jié)構(gòu)的太陽能電池。
用丙酮和異丙醇清洗具有1mm厚和5cm×5cm面積的不銹鋼基材，良好地干燥，然后安放在電子束蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)。系統(tǒng)的內(nèi)部被控制在1.33×10-4Pa或以下的真空度且在基材1上形成大約500厚的銀膜以獲得反射層2。取出基材1并安置到圖3的等離子增強膜形成系統(tǒng)中的基材固定器57上。同時，基材溫度保持在室溫。
本實施例中使用的等離子增強膜形成系統(tǒng)將在下面描述。在圖3中，數(shù)字41指真空室，數(shù)字42指抽氣管，它連接到?jīng)]表示出的渦輪分子泵和旋轉(zhuǎn)泵并抽空真空室的內(nèi)部。數(shù)字43指源氣體的氣體出口，從氣體出口43通過源氣體供應管44供應源氣體。通過壓縮空氣開動的閥45安裝在源氣體供應管的中部，以便阻止在緊急情況時，例如泵停止或其他類似情況時源氣體被引入室內(nèi)。
各種氣體的質(zhì)量流量控制器46到50連接到源氣體供應管44，以控制每種供應的氣體以需要的流速進入室內(nèi)。本實施例中使用的質(zhì)量流量控制器在流量控制閥上采用一種壓電材料，且具有大約0.2sec的響應速度。數(shù)字46指SiH4氣體的質(zhì)量流量控制器，從一個沒有示出的氣缸通過供應管51向該控制器供應SiH4氣體。同樣地，數(shù)字47、48、49和50分別代表SiF4氣體、H2氣體、用H2稀釋到0.5％的PH3氣體以及用H2稀釋到0.5％的BF3氣體的質(zhì)量流量控制器。數(shù)字52、53、54和55指到各種氣體的質(zhì)量流量控制器的氣體供應管，這些供應管連接到它們各自的未示出的氣缸。
數(shù)字56指引起等離子體的電極，該電極通過一個匹配箱58連接到105MHz的高頻電源59上。數(shù)字57指接地的基材固定器。當在源氣體流動條件下施加來自高頻電源的高頻電能時，電極56和基材固定器57之間發(fā)生等離子體放電?；?安裝在基材固定器57的表面上，用于加熱基材的加熱器60和熱電偶61嵌入基材固定器57內(nèi)。來自每個加熱器60的引線和熱電偶61連接到溫度控制器62，由此使基材固定器57保持在設(shè)定的溫度。數(shù)字63代表測量室內(nèi)壓力的壓力計，數(shù)字64代表用于控制室內(nèi)壓力的壓力控制閥。數(shù)字65代表控制壓力的控制系統(tǒng)，即使源氣體的流速變化該系統(tǒng)也保持室內(nèi)的壓力為恒定的設(shè)定值。
在基材1被安裝在基材固定器57上后，室的內(nèi)部抽空到1×10-4Pa或以下。
其后，溫度控制器62設(shè)定400℃的基材溫度，然后基材固定器57被加熱器60加熱。
達到設(shè)定溫度以后，通過SiH4氣體的質(zhì)量流量控制器使SiH4氣體以0.1sccm流動，通過SiF4氣體的質(zhì)量流量控制器使SiF4氣體以40sccm流動，通過H2氣體的質(zhì)量流量控制器使H2氣體以70sccm流動，通過PH3氣體的質(zhì)量流量控制器使用H2稀釋到0.5％的PH3氣體以5sccm(對于稀釋氣體)流動，且室內(nèi)的壓力通過壓力控制器65設(shè)定在50Pa。在這種狀態(tài)下，對電極56施加來自高頻電源59的105MHz和20W的高頻電力以在電極56和基材固定器57之間引起等離子體放電。通過控制到每個質(zhì)量流量控制器的信號，使SiH4氣體、SiF4氣體和用H2稀釋到0.5％的PH3的每種氣體流每十秒重復地開和關(guān)以將其引入室內(nèi)。另一方面，一直以70sccm的流速將H2氣體引入室內(nèi)。因而，以十秒的間隔進行膜淀積和H2等離子體處理步驟。
膜淀積和H2等離子體處理步驟進行十分鐘以在基材上淀積用P高濃度摻雜的、厚度約為400的薄膜硅半導體層(第一半導體層)3。之后，停止施加高頻電力。
然后，用H2稀釋到0.5％的PH3氣體的流速變到0.2sccm，其他氣體的流速保持不變，基材也保持在400℃，室內(nèi)的壓力通過壓力控制器設(shè)定在50Pa，且系統(tǒng)保持這種狀態(tài)30分鐘。
之后，在這種狀態(tài)下對電極56施加105MHz和20W的高頻電力以在電極56和基材固定器57之間引起等離子體放電。所有的氣體繼續(xù)流動。
維持這種狀態(tài)6個小時，以在用P高濃度摻雜的薄膜硅半導體層(第一半導體層)3上形成厚度大約為3μm、用少量P摻雜的硅半導體層(第二半導體層)4。
然后，將基材溫度變?yōu)?50℃并很好地抽空室內(nèi)。之后，以0.5sccm的流速引入SiH4氣體，以100sccm的流速引入H2氣體，以2.0sccm(對于稀釋氣體)的流速引入用H2稀釋到0.5％的BF3氣體，且室內(nèi)的壓力設(shè)為50Pa。然后，從高頻電源施加105MHz和40W的高頻電力。
連續(xù)施加高頻電力5分鐘，結(jié)果在基材1上的多晶硅層4上形成厚150、用B摻雜的p-型薄膜硅半導體層(第三半導體層)5。
用這種方法，在不銹鋼基材1上，形成由銀反射金屬層2、用P高濃度摻雜的第一半導體層3、用少量P摻雜的第二半導體層4和用大量B摻雜的第三半導體層5構(gòu)成的n+/n-/p結(jié)構(gòu)的pn結(jié)。
然后，將具有多晶硅pn結(jié)的基材從等離子體膜形成系統(tǒng)中取出并安放在電子束蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)。在基材表面安置掩模，并形成0.1mm寬和5mm間距的Cr/Ag/Cr三層結(jié)構(gòu)的梳狀集電極6。
然后，將上述的基材放入濺射系統(tǒng)，且用In2O3靶在10Pa的氧氣氣氛下進行濺射以在集電極6上淀積650厚的抗反射層7。
如上所述，制成圖1所示結(jié)構(gòu)的太陽能電池。此后該樣品被稱為太陽能電池A。通過X-光衍射觀察該太陽能電池的結(jié)晶性，多晶膜強烈地取向于(110)面。
為了進行比較，除了修改用P高濃度摻雜的薄膜硅半導體層(第一半導體層)3的制造程序以便將SiH4氣體、SiF4氣體和用H2稀釋到0.5％的PH3氣體連續(xù)地引入室內(nèi)外，按照與太陽能電池A同樣的制造程序并在同樣條件下制造另外一種太陽能電池。
此后該太陽能電池被稱為比校的太陽能電池B。
作為另一個比較的例子，除了以下各點外，按照與比較的太陽能電池B同樣的制造程序制造一種太陽能電池。在用P高濃度摻雜的薄膜硅半導體層(第一半導體層)3制造之后，在基材保持在400℃情況下，使SiH4氣體以0.1sccm流動，SiF4氣體以10sccm流動，H2氣體通過H2氣體的質(zhì)量流量控制器以100sccm流動，用H2氣體稀釋到0.5％的PH3氣體通過PH3的質(zhì)量流量控制器以0.2sccm(對于稀釋氣體)流動，且室內(nèi)的壓力通過壓力控制器65設(shè)定為50Pa。在這種狀態(tài)下，將來自高頻電源59的105MHz和20W的高頻電力施加到電極56五分鐘以持續(xù)膜形成。
之后，放電停止，SiF4氣體的流速變?yōu)?0sccm，并且H2氣體的流速變?yōu)?0sccm。壓力穩(wěn)定在50Pa后，再施加105MHz和20W的高頻電力6小時以持續(xù)膜形成。結(jié)果，在第一半導體層3上形成厚度大約3μm的用少量P摻雜的硅薄膜半導體層(第二半導體層)4。
之后，用與太陽能電池A和B大致一樣的方法制成用B摻雜的p-型薄膜硅半導體層(第三半導體層)5、梳狀集電極和抗反射層。所得的電池在此后被稱為比較的太陽能電池C。在來自AM1.5模擬器的100mW/cm2的光輻照下評價如上所述制成的太陽能電池A和比較的太陽能電池B、C的性能，且圖5、6、7分別表示太陽能電池A、B、C的I-V性能的測量結(jié)果。
太陽能電池A的短路電流和占空因數(shù)都是優(yōu)秀的。比較的太陽能電池B表現(xiàn)出反常的I-V曲線形狀，因此占空因數(shù)(fill factors)比較差。鑒于此，短路電流不比太陽能電池A的大，但是對太陽能電池B施加-2V的反向電壓時，太陽能電池B產(chǎn)生一個大的電流；亦即，當在電池內(nèi)產(chǎn)生的光電荷被迫到外電路時，大電流被抽出。I-V曲線的反常形狀暗示這種結(jié)構(gòu)內(nèi)存在串聯(lián)的高阻元件。
比較的太陽能電池C具有良好的占空因數(shù)，但是短路電流和對電池施加-2V的反向電壓時的電流都小。
為了檢查這些太陽能電池的晶體結(jié)構(gòu)，用TEM(透射電子顯微鏡)攝取其剖面圖以觀察這些太陽能電池的晶體結(jié)構(gòu)。圖8、9、10分別表示太陽能電池A、B、C的觀察結(jié)果。
從通過SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)分析的p原子的結(jié)果和淀積時間以及各個層的淀積速度估計n+和n-層之間的邊界。
如圖8所示意，在n+層(第一半導體層)產(chǎn)生的晶粒連續(xù)生長穿過n-層(第二半導體層)的內(nèi)部。該結(jié)構(gòu)允許在光輻照下在第二半導體層內(nèi)產(chǎn)生的電荷在第二半導體層和第一半導體層內(nèi)無阻礙地流動并被有效地提取到外電路。在太陽能電池A的樣品中，晶核產(chǎn)生在n+層內(nèi)，且晶體從晶核在有大約80°立體角的變形圓錐體或棱錐結(jié)構(gòu)內(nèi)生長。從TEM圖像估計垂直生長晶體的晶核密度是3×109cm-3。該晶體橫向生長至接觸相鄰的晶體。在垂直方向上，該晶體首先生長接觸相鄰的晶體，然后在n-層直立向上生長到與p層的接觸面。在該樣品中，在橫向上的晶粒直徑是100到300nm。晶體末端(即，在圖中的上端)存在大約50nm的不平坦度。該不平坦度也產(chǎn)生促進光多次反射的新的效果。在不平坦的晶粒上面形成晶粒直徑大約5nm的B摻雜的p-型薄膜硅半導體層(第三半導體層)5。
在比較的太陽能電池B的樣品中，除了晶體生長開始于n-層外，晶體生長的方式與太陽能電池A相同。在n+層內(nèi)沒有觀察到晶體產(chǎn)生。不能完全否認在n+層內(nèi)產(chǎn)生晶體，但是即使在這層內(nèi)有晶體產(chǎn)生，此晶體在淀積時也不生長。在n+層與n-層內(nèi)的晶粒之間存在高電阻的非晶態(tài)n-層。(通過這部分的電子衍射圖像再次證實了此層的存在。)可以推測此高電阻非晶態(tài)n-層的存在是引起太陽能電池性能中的占空因數(shù)降低的原因。
在比較的太陽能電池C的樣品中，與太陽能電池B的樣品的情況一樣，在n+層沒有觀察到晶體產(chǎn)生。
在n-層內(nèi)許多晶體從n+層和n-層之間的接觸面垂直生長。從TEM圖像估計垂直生長的晶體的晶核密度是2×1011cm-3。在橫向上的晶粒直徑大約是25nm。晶體的末端的不平坦度大約是10nm。
在太陽能電池A、B、C的樣品都長時間(大約100小時)連續(xù)地暴露于AM1.5和100mW/cm2的光之后，沒有觀察到哪個太陽能電池的性能發(fā)生改變。(實施例2)按照下述程序制造圖2結(jié)構(gòu)的太陽能電池。
用丙酮和異丙醇清洗具有1mm厚和5cm×5cm面積的不銹鋼基材，良好地干燥，然后安放在電子束蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)。系統(tǒng)內(nèi)的真空度被控制到1.33×10-4Pa或以下，之后在基材31上形成大約500厚的銀膜以獲得反射層32。
然后取出基材并安裝在圖4所示的CVD膜形成系統(tǒng)中。
下面參考圖4詳細描述膜形成系統(tǒng)。
數(shù)字501指膜形成的真空室。數(shù)字502指真空室1的排氣管，該排氣管由兩根管子組成以便使氣體的流動均勻，兩根管子最終耦合成一根管子以連接到抽氣裝置504。調(diào)節(jié)壓力的電機驅(qū)動蝶形閥503連接到排氣管502的中點，根據(jù)壓力計505的信號，通過壓力調(diào)節(jié)器56調(diào)節(jié)該閥運轉(zhuǎn)以產(chǎn)生希望的壓力。
數(shù)字507代表基材支點，在其表面上安裝用于膜形成的基材508?；闹c507具有其內(nèi)部埋有加熱器510的加熱塊509，用來將基材508加熱到希望的溫度。數(shù)字511指附在加熱塊509上的熱電偶以測量加熱塊509的溫度。為了保持基材508的表面溫度處在希望的溫度，溫度控制器512控制加熱塊509的溫度到達預先標定的值。
在圖4中，數(shù)字513指伸縮氣缸，安裝該氣缸以便允許基材支點507的位置可以垂直運動?；闹c507電連接到真空室501。
數(shù)字515指微波腔，在該腔內(nèi)，從氣體引入管516引入的H2在導向的微波能量作用下通過氧化鋁的微波入口514排出以引起等離子體輝光放電，由此產(chǎn)生H自由基。
數(shù)字517指控制氫氣流速的流量控制器，該控制器通過閥518由氣管519連接到氫氣壓力調(diào)節(jié)器(未示出)和氫氣缸(未示出)。
這樣產(chǎn)生的H自由基與從SiFn自由基引入管520引入的SiFn自由基碰撞并反應，由此產(chǎn)生有膜淀積能力的SiH1Fm自由基。
數(shù)字521是產(chǎn)生SiFn自由基的微波空間，在該空間內(nèi)，產(chǎn)生SiFn自由基的氟化硅氣體在反應管中流動，連續(xù)流動到SiFn自由基引入管520，通過微波等離子體排出，由此分解氟化硅氣體以產(chǎn)生SiFn自由基。數(shù)字522代表氟化硅氣體的流量控制器，該控制器通過閥523由氣管524連接到氟化硅氣體壓力調(diào)節(jié)器(未示出)和氟化硅氣缸(未示出)。
數(shù)字525指摻雜劑自由基引入管，通過該管引入由摻雜氣體分解產(chǎn)生的自由基。這樣引入的摻雜劑自由基，如果它們有高的反應性則以原始引入狀態(tài)注入到多晶硅薄膜的晶格內(nèi)，或者如果他們具有低的反應性則通過與H自由基碰撞以具有提高的反應性的還原態(tài)注入到多晶硅薄膜的晶格內(nèi)。數(shù)字526代表分解摻雜劑氣體的微波空間。數(shù)字527指摻雜劑氣體的流量控制器，528指閥。數(shù)字529指引入摻雜劑氣體的氣管，該管連接到摻雜劑氣體的壓力計(未示出)和氣缸(未示出)。
數(shù)字530指監(jiān)控輸入波的功率和反射波的功率的波導。數(shù)字531指輸入波功率探測器，而計數(shù)器532監(jiān)控輸入波功率。數(shù)字533代表反射波功率探測器，而計數(shù)器534監(jiān)控反射波功率。數(shù)字536代表一個波導，數(shù)字537代表阻止反射波進入微波電源538的隔離器。數(shù)字538指用來產(chǎn)生H自由基的微波動力源。
兩套SiFn自由基引入管520和摻雜劑自由基引入管525位于平面內(nèi)對稱的左右位置以便使基材表面上引入的自由基均勻，亦即，以便使膜厚均勻。
數(shù)字539指錐形波導，采用該波導連接微波入口514和一般的方形波導。數(shù)字535指匹配單元，用于使微波動力源系統(tǒng)與負荷匹配，該單元由三個電子管構(gòu)成。
數(shù)字540代表一個斷路器，該斷路器防止在基材上進行不希望的膜形成。數(shù)字541指斷路器控制棒。
在圖4的系統(tǒng)中，基材溫度設(shè)為400℃并且斷路器540處于關(guān)閉狀態(tài)，H2氣體以100sccm從氣體引入管516流入并通過流量控制器517。室501內(nèi)的壓力通過壓力控制器(未示出)設(shè)為50Pa。
501室內(nèi)的壓力穩(wěn)定在50Pa之后，施加400W的微波能以在微波腔515內(nèi)用氫氣產(chǎn)生輝光放電等離子體。在放電穩(wěn)定后，打開斷路器進入膜形成步驟。
膜形成步驟由以下的(1)到(3)三個工序組成，且這些工序以(1)→(2)→(3)→(1)的順序重復30次以淀積摻P(磷)的多晶硅薄膜。
(1)SiF4氣體(流速60sccm)作為源氣體被引入到SiFn自由基引入管520，并施加100W的微波能以將SiFn自由基引入室501內(nèi)，持續(xù)10秒，由此淀積多晶硅薄膜。
(2)用H2氣體稀釋到2％的PF5氣體(稀釋氣體的流速2sccm)作為摻雜氣體被引入到摻雜劑自由基引入管525，并施加100W的微波能以將摻雜劑自由基連同H自由基引入室501內(nèi)，持續(xù)10秒，由此用P(磷)摻雜淀積膜(同時停止引入SiF4氣體)。
(3)停止向室501內(nèi)引入摻雜劑氣體而僅向室501內(nèi)引入氫自由基10秒，以用氫自由基進行淀積膜的表面處理。
在氫氣的引入量上不作特別的變動，并且工序(1)、(2)和(3)始終施加微波能。在沒有SiF4氣體或摻雜氣體流期間停止施加用于分解每種氣體的微波能。
膜形成結(jié)束時關(guān)閉斷路器。因而，在銀反射層32上形成用P摻雜的硅膜33。
在基材溫度設(shè)定為550℃且斷路器540保持關(guān)閉狀態(tài)時，H2氣體以100sccm從氣體引入管516流入并通過流量控制器517。室501內(nèi)的壓力通過壓力控制器(未示出)設(shè)為50Pa。
在室501內(nèi)的壓力穩(wěn)定在50Pa后，施加400W的微波能以在微波腔515內(nèi)用氫氣生成輝光放電等離子體。放電穩(wěn)定后，打開斷路器進入i-層的膜形成步驟。
i-層的膜形成步驟一般由工序I和工序II組成。
工序I由下面的兩道工序(1)和(2)組成，且該工序重復100次。之后不用中斷，進行工序II形成硅薄膜34。
工序I(1)將SiF4氣體(流速60sccm)引入到SiFn自由基引入管520，且施加100W的微波能以將SiFn自由基引入室501內(nèi)，持續(xù)10秒，由此淀積多晶硅薄膜。
(2)停止將SiFn自由基引入室501內(nèi)，而僅引入氫自由基到室501內(nèi)，持續(xù)10秒以用氫自由基進行淀積膜的表面處理。在氫氣的引入量上不作特別的變動且工序(1)和(2)始終施加微波能以激發(fā)氫氣。在沒有SiF4氣體流期間停止施加用于分解SiF4氣體的微波能。
工序II不包括工序I中的工序(2)，且膜形成工序連續(xù)進行而不用停止將SiF4自由基引入到室501內(nèi)。
通過工序II進行膜形成2個小時，之后關(guān)閉斷路器結(jié)束膜形成。
此后，基材溫度變?yōu)?50℃。溫度穩(wěn)定后，H2氣體以100sccm從氣體引入管516流入。壓力設(shè)為50Pa。室501內(nèi)的壓力穩(wěn)定后，打開斷路器15分鐘以對樣品表面進行H2等離子體處理。
在此之后，基材溫度保持在250℃，良好地抽空室內(nèi)。放電穩(wěn)定后，打開斷路器進入B摻雜的硅膜35的膜形成步驟。B摻雜的硅膜35的膜形成步驟由以下的三個工序(1)到(3)組成。
即，這三個工序如下(1)SiF4氣體(流速100sccm)作為源氣體被引入SiFn自由基引入管520，且施加100W的微波能以將SiFn自由基引入室501內(nèi)，持續(xù)10秒，由此淀積多晶硅薄膜。
(2)用H2氣體稀釋到2％的BF3氣體(稀釋氣體的流速3sccm)作為摻雜氣體被引入到摻雜劑自由基引入管525，并施加100W的微波能以將摻雜劑自由基連同H自由基引入到室501內(nèi)，持續(xù)10秒，由此用B(硼)摻雜淀積膜(同時停止SiF4氣體的引入)。
(3)停止向室501內(nèi)引入摻雜劑氣體，而僅將氫自由基引入到室501內(nèi)10秒，以用氫自由基進行淀積膜的表面處理。
在氫氣的引入量上不作特別的變動且工序(1)、(2)和(3)始終施加微波能。在沒有SiF4氣體或摻雜氣體流期間停止施加用于分解每種氣體的微波能。
這些工序以(1)→(2)→(3)→(1)的順序重復3次以淀積摻B(硼)的硅薄膜(在此情況下該薄膜是結(jié)晶的且是多晶硅薄膜)。如上所述，在不銹鋼基材31上形成銀反射膜32、n-型硅層33、i-型硅層34以及p-型半導體層35。
將其上形成有pn結(jié)的基材從CVD膜形成系統(tǒng)取出并又放入電子束蒸發(fā)系統(tǒng)。在基材的表面安置掩模且形成Cr/Ag/Cr三層結(jié)構(gòu)的集電極。該集電極是具有0.1mm寬和5mm間距的梳狀集電極。
然后，將基材放入濺射系統(tǒng)且用In2O3靶在10Pa的氧氣氣氛下進行濺射以在集電極36上淀積65nm厚的抗反射涂層37。
如上所述，制得圖2所示結(jié)構(gòu)的太陽能電池。此后該樣品將被稱為太陽能電池D。
為了進行比較，在與太陽能電池D同樣的條件下制造另一種太陽能電池，不同之處是除了連續(xù)將SiFn自由基和摻雜劑自由基引入室501內(nèi)外，在同樣的條件下制造P摻雜硅薄膜；P摻雜硅薄膜的形成時間是5分鐘；且沒有用于i-層的膜形成的工序I；工序II的膜形成時間是兩小時十八分鐘。該太陽能電池將被稱為比較的太陽能電池E。
還用這樣的方法制造另一種太陽能電池，即，在與比較的太陽能電池E相同的條件下制造P摻雜硅薄膜，并通過用太陽能電池D中的工序I和工序II的工序且在太陽能電池D相同的條件下進行i-層的膜形成，只是工序I的膜形成過程中SiF4氣體的流速是10sccm，而膜形成時間是兩小時十五分。以后該太陽能電池將被稱為比校的太陽能電池F。
用這種方式制造的太陽能電池D、E和F用來自AM1.5模擬器的100mW/cm2的光輻照以測量I-V性能。
結(jié)果，太陽能電池D在短路電流和占空因數(shù)方面都是優(yōu)秀的。比較的太陽能電池E表現(xiàn)出反常的I-V曲線形狀和不利的占空因數(shù)。比較的太陽能電池E顯示出的短路電流不比太陽能電池D大，但是對該電池E施加-2V的反向電壓時有大電流；即，當在電池內(nèi)產(chǎn)生的光電荷被迫到外電路時電流大。反常的I-V曲線形狀暗示該結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在串聯(lián)的高電阻元件。
比較的太陽能電池F表現(xiàn)出良好的占空因數(shù)，但是短路電流和在施加-2V的反向電壓到電池上時的電流都較小。
為了檢查這些太陽能電池的晶體結(jié)構(gòu)，用TEM攝取其剖面圖并觀察這些太陽能電池的晶體結(jié)構(gòu)。
在太陽能電池D的樣品中，晶核在n-層內(nèi)產(chǎn)生，且在這些晶核基礎(chǔ)上，晶體在i-層內(nèi)，在有大約75°立體角的變形圓錐或棱錐結(jié)構(gòu)內(nèi)向上生長到與p-層的接觸面。從TEM圖像估計垂直生長晶體的晶核密度是2×109cm-3。在水平方向，該晶體生長以接觸相鄰的晶體。在垂直方向上，該晶體生長以接觸相鄰的晶體，然后在i-層內(nèi)直立向上生長到與p-層的接觸面。在此樣品中橫向上的晶體的晶粒直徑是150到350nm。在晶體末端存在大約75nm的不平坦度。在不平坦的晶體上面形成具有大約50nm的晶粒直徑的B摻雜p-型薄膜硅半導體層(第三半導體層)5。
比較的太陽能電池E的樣品除了晶體最初在i-層內(nèi)生長外，大致上與太陽能電池D的生長方式相同。在n-層內(nèi)沒有觀察到晶體產(chǎn)生。并不完全否認在n-層內(nèi)產(chǎn)生晶體，但是即使在這層內(nèi)有晶體產(chǎn)生，在淀積時這些晶體也不生長。n-層與i-層內(nèi)晶粒之間也存在高電阻的非晶態(tài)i-層。(通過此部分的電子衍射圖像再次證實了此層的存在。)可以認為此高電阻非晶態(tài)i-層的存在是引起太陽能電池性能中的占空因數(shù)降低的原因在比較的太陽能電池F的樣品中，與比較的太陽能電池E的樣品的情況一樣，在n-層沒有觀察到晶體生長。
在i-層內(nèi)許多晶體從n-層和i-層之間的接觸面垂直生長。從TEM圖像估計垂直生長晶體的晶核密度是9×1010cm-3。在橫向上的晶粒直徑大約是25nm。晶體的末端的不平坦度大約是10nm。
在太陽能電池D、E、F的樣品都長時間(大約100小時)連續(xù)地暴露于AM1.5和100mW/cm2的光之后，沒有觀察到哪個太陽能電池的性能發(fā)生改變。(實施例3)除了在n-層的膜形成中的(3)的處理時間和在i-層的膜形成中工序I中的(2)的處理時間都分別設(shè)為0秒、5秒、20秒和30秒之外，在與實施例2同樣的條件下制造太陽能電池。但是，在n-層的膜形成中(3)的處理時間和i-層的膜形成中工序I中(2)的處理時間都是0秒和5秒的條件下，沒有晶體生長。因此，在n-層的膜形成之后和i-層的膜形成之前，H2氣體以200sccm流動，室內(nèi)的壓力控制在400Pa，基材被加熱到600℃，且這種狀態(tài)保持12小時。之后，基材溫度減小回400℃。
其后，進行i-層的膜形成。這樣獲得的太陽能電池將分別被稱為太陽能電池G、H、I和J。通過X-射線衍射顯示這些太陽能電池都取向(110)。在所有的這些樣品中，i-層的層厚約為2μm。攝取各個樣品的剖面TEM圖像。測試每個太陽能電池的性能。從這些太陽能電池和實施例2中制造的太陽能電池D、F的結(jié)果，表1和圖11、圖12以及圖13分別表示出對電池施加-2V的反向電壓時的電流(Jr(-2V))與從TEM圖像估計的垂直生長晶體的晶核密度、在與p-層的接觸面處的橫向晶粒直徑以及在與p-層的接觸面處的晶體末端的不平坦度之間的關(guān)系。表1

從這些結(jié)果可以看見，通過向電池施加-2V的反向電壓以抽取大電流的條件，即，通過電池內(nèi)產(chǎn)生的光電荷受迫流動到外電路而產(chǎn)生大電流的條件是，晶核密度不超過1×1010cm-3，平均晶粒直徑不小于100nm和晶體表面的不平坦度不小于20nm。
對于為什么在太陽能電池G的樣品中電流低的原因做如下設(shè)想因為晶粒直徑大，所以光吸收系數(shù)小，并且在2μm的層厚中，入射光吸收不好。由此推測通過增加厚度將充分地增加電流。
但是，考慮到生產(chǎn)時間也同樣地增加，這種晶粒直徑的晶體在生產(chǎn)方面是不利的。(實施例4)除了在n-層的膜形成工序(1)中施加的微波能分別設(shè)為80W、150W和200W中之一以外，在與實施例2相同的條件下制造太陽能電池。這樣獲得的太陽能電池分別稱為太陽能電池K、L和M。從X-射線衍射的結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有的太陽能電池都取向(110)。在所有的這些樣品中，i-層的厚度約為2μm。攝取各個樣品的剖面TEM圖像。測試每個太陽能電池的性能。從這些太陽能電池和實施例2中制造的太陽能電池D的結(jié)果，下面的表2表示出變形圓錐或棱錐形狀區(qū)域(從TEM圖像估計的晶核生長的各個晶體在該區(qū)域內(nèi)生長以橫向接觸相鄰的晶體)的立體角的度數(shù)，以及對電池施加-2V的反向電壓時的電流(Jr(-2V))。表2

圖14表示出圓錐或棱錐形狀的立體角的度數(shù)與對電池施加-2V的反向電壓時的電流(Jr(-2V))之間的關(guān)系。
從此結(jié)果可以看出，通過向電池施加-2V的反向電壓而抽出大電流的條件，即，通過電池內(nèi)產(chǎn)生的光電荷受迫流動到外電路而產(chǎn)生大電流的條件是，變形圓錐或棱錐形狀區(qū)域(從TEM圖像估計的從晶核生長的各個晶體在該區(qū)域內(nèi)生長以橫向接觸相鄰的晶體)的立體角的度數(shù)不小于60°。(比較實施例1)除了在n-層的膜形成和i-層的膜形成過程中H2的流速是10sccm和基材溫度是550℃之外，在與實施例2同樣的條件下制造比較的太陽能電池N。通過X-射線衍射檢查獲得的太陽能電池，它的晶體取向為(100)。測試比較的太陽能電池N的性能，發(fā)現(xiàn)電流比太陽能電池D的小30％。
如上所述，本發(fā)明的薄膜多晶硅太陽能電池包括n+/n-/p+結(jié)構(gòu)的太陽能電池，其中晶核產(chǎn)生在n+層內(nèi)，并使用在n-層內(nèi)向上生長到與p+層的接觸面的晶粒構(gòu)成的晶體層作光電荷的產(chǎn)生層和輸運層；并包括n/i/p結(jié)構(gòu)的太陽能電池，其中晶核產(chǎn)生在n-層內(nèi)，并使用在i-層內(nèi)向上生長到與p-層的接觸面的晶粒構(gòu)成的晶體層作光電荷的產(chǎn)生層和輸運層；由此可以提供短路電流和占空因數(shù)性能都優(yōu)異的太陽能電池。
因此，本發(fā)明提供了具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率的薄膜多晶硅太陽能電池。
權(quán)利要求
1.一種薄膜多晶太陽能電池，包括基材；設(shè)置在基材上并且由用控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的硅構(gòu)成的第一半導體層；設(shè)置在第一半導體層上并且由用導電類型與第一半導體層相同的控制導電類型的雜質(zhì)輕摻雜的多晶硅構(gòu)成的第二半導體層；和設(shè)置在第二半導體層上且用導電類型與第一和第二半導體層摻雜的雜質(zhì)相反的控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的第三半導體層，其中從產(chǎn)生在第一半導體層內(nèi)的晶核生長的晶粒連續(xù)地生長以形成第一和第二半導體層，該晶粒也水平生長以接觸相鄰的晶粒，且垂直生長以與第三半導體層形成接觸面。
2.一種薄膜多晶太陽能電池，包括基材；設(shè)置在基材上并且由用控制導電類型的雜質(zhì)摻雜的硅構(gòu)成的第一半導體層；設(shè)置在第一半導體層上并且由本征導電類型的硅構(gòu)成的第二半導體層；和設(shè)置在第二半導體層上并且用導電類型與第一半導體層摻雜的雜質(zhì)相反的控制導電類型的雜質(zhì)摻雜的第三半導體層，其中從產(chǎn)生在第一半導體層內(nèi)的晶核生長的晶粒在第一半導體層和第二半導體層內(nèi)連續(xù)地生長，并且也水平生長以接觸相鄰的晶粒，并且其中垂直生長一直長到與第三半導體層的接觸面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的薄膜多晶太陽能電池，其中在第一半導體層內(nèi)垂直生長的晶體的晶核密度不超過1×1010cm-3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的薄膜多晶太陽能電池，其中在第一半導體層內(nèi)，從晶核生長的每個晶體水平生長以接觸相鄰晶體的區(qū)域形狀是在平行于生長方向的橫截面內(nèi)頂角不小于60°的錐體或棱錐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的薄膜多晶太陽能電池，其中在第二半導體層內(nèi)向上生長到與第三半導體層的接觸面的晶體在平行于基材方向上具有不小于100nm的平均晶粒直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的薄膜多晶太陽能電池，其中在長成第二半導體層的晶體與第三半導體層之間形成的接觸面具有不小于20nm的不平坦性。
7.一種形成薄膜多晶太陽能電池的方法，通過在基材上層疊由用控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的硅構(gòu)成的第一半導體層薄膜，在其上層疊由用與第一半導體層的導電類型相同的控制導電類型的雜質(zhì)輕摻雜的多晶硅構(gòu)成的第二半導體層薄膜，且進一步在其上層疊由用導電類型與第一和第二半導體層摻雜的雜質(zhì)相反的控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的第三半導體層薄膜，由此形成有n+/n-/p+或p+/p-/n+半導體結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池，該方法包括重復進行膜淀積和H2等離子體處理以形成第一半導體層；然后從產(chǎn)生在第一半導體層內(nèi)的晶核在垂直于基材的方向上生長晶粒，并且也在橫向上生長晶粒，直到所述晶粒接觸相鄰的晶粒，且所述晶粒在第二半導體層內(nèi)繼續(xù)向上生長到與第三半導體層的接觸面，由此形成第二半導體層。
8.一種形成薄膜多晶太陽能電池的方法，通過在基材上層疊由用控制導電類型的雜質(zhì)摻雜的硅構(gòu)成的第一半導體層薄膜，在其上層疊由本征導電類型的硅構(gòu)成的第二半導體層薄膜，且進一步在其上層疊由用導電類型與第一半導體層的摻雜雜質(zhì)相反的控制導電類型的雜質(zhì)摻雜的第三半導體層薄膜，由此形成有n/i/p或p/i/n半導體結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池，該方法包括重復進行膜淀積和H2等離子體處理以形成第一半導體層；然后從產(chǎn)生在第一半導體層內(nèi)的晶核在垂直于基材的方向上生長晶體，并且也在橫向上生長晶體，直到所述晶體接觸相鄰的晶體，且所述晶體在第二半導體層內(nèi)繼續(xù)向上生長到與第三半導體層的接觸面，由此形成第二半導體層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中在第一半導體層內(nèi)垂直生長的晶體的晶核密度不超過1×1010cm-3。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中在第一半導體層內(nèi)，從晶核生長的每個晶體水平生長以接觸相鄰晶體的區(qū)域形狀是在平行于生長方向的橫截面內(nèi)頂角不小于60°的錐體或棱錐。
11.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中在第二半導體層內(nèi)向上生長到與第三半導體層的接觸面的晶體具有在平行于基材方向上不小于100nm的平均晶粒直徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中在長成第二半導體層的晶體和第三半導體層之間形成的接觸面的不平坦性不小于20nm。
13.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中在第一半導體層的形成中交替進行膜淀積和氫氣等離子體處理步驟。
全文摘要
為了同時保證優(yōu)異的短路電流和占空因數(shù)性能,提供一種薄膜多晶太陽能電池,該電池包括基材;設(shè)置在基材上并且由用控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的硅構(gòu)成的第一半導體層;設(shè)置在第一半導體層上并且由用與第一半導體層同樣導電類型的控制導電類型的雜質(zhì)輕摻雜的多晶硅構(gòu)成的第二半導體層;和設(shè)置在第二半導體層上且用導電類型與第一半導體層和第二半導體層摻雜的雜質(zhì)相反的控制導電類型的雜質(zhì)重摻雜的第三半導體層,其中從產(chǎn)生在第一半導體層內(nèi)的晶核生長的晶粒連續(xù)地生長以形成第一和第二半導體層,該晶粒也水平生長以接觸相鄰的晶粒,且垂直生長與第三半導體層形成接觸面。
文檔編號H01L31/036GK1384551SQ0212153
公開日2002年12月11日 申請日期2002年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月15日
發(fā)明者石原俊一 申請人:佳能株式會社