專利名稱：半導(dǎo)體層材料和異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尤其是用于作為用于太陽(yáng)能電池的發(fā)射體材料使用的半導(dǎo)體層材料以及一種異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
在所謂的可再生能量下，太陽(yáng)能在以下程度上變得有意義，S卩如何實(shí)現(xiàn)降低太陽(yáng)能電池模塊和整個(gè)設(shè)備的成本和提高能量產(chǎn)量并且從而總地使每單位產(chǎn)生的電能的成本接近在基于化石載能體產(chǎn)生能量時(shí)設(shè)置經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)的值。各個(gè)電池的光電產(chǎn)量在此起重要作用。與同質(zhì)結(jié)電池相比，利用異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池可以由于發(fā)射體的較低的反向飽和電流而獲得明顯較高的電壓。異質(zhì)結(jié)電池的效率潛能絕對(duì)地超過同質(zhì)結(jié)電池的效率潛能11%。迄今可用的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池具有由非晶硅(aSi)組成的摻雜異質(zhì)發(fā)射體， ^ JAL M. Tanaka, M. Taguchi, T. Matsuyama, T. Sawada, S. Tsuda, S. Nakano, H. Hanafusa, Y. Kuwano 的"Development of New a-Si/c-Si Heterojunction Solar Cells: ACJ-HIT(Artificially Constructed Junction-Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer) "(Jpn. J. App 1. Phys., 31，3518-22 (1992))和 T. Sawada, N. Terada, S. Tsuge, T. Baba, T. Akahama, K. Wakisaka, S. Tsuda, S. Nakano 的“High efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell，，(Conference Record of the 1st WCPEC,夏威夷，1994，1219-1226)。發(fā)射體的摻雜能夠?qū)崿F(xiàn)pn結(jié)的形成并且從而能夠?qū)崿F(xiàn)通過太陽(yáng)光生成的載流子的提取。但是，通常在5nm和20nm之間厚的非晶硅層的最重要的任務(wù)在該情況下是鈍化太陽(yáng)能電池的晶片表面并且從而減小通過太陽(yáng)光產(chǎn)生的載流子的復(fù)合速率，由此太陽(yáng)能電池中的載流子的濃度提高。由于較高的載流子濃度，而在電池中發(fā)生準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的較大的分裂，這與在太陽(yáng)能電池處較高的可達(dá)電壓意義相同。不過，aSi發(fā)射體的高摻雜導(dǎo)致，在發(fā)射體中吸收的光不貢獻(xiàn)于在太陽(yáng)能電池中的電流產(chǎn)生；參見 T. Mueller, S. Schwertheim, Μ. Scherff, W. R. Fahner 的 “High quality passivation for heterojunction solar cells by hydrogenated amorphous Silicon suboxide films”(Appl. Phys. Lett. , 92，033504 (2008)) 在發(fā)射體中所吸收的光為能量轉(zhuǎn)換而丟失。作為在異質(zhì)電池中aSi的替代材料已經(jīng)測(cè)試由SiC或SiOx組成的鈍化層，參見 S. Miyajima, M. Sawamura, A. Yamada, M. Konagai 的"Properties of η-type hydrogenated nanocrystalline cubil Silicon carbide films deposited by VHF-PECVD at IowSubstrate temperatures"(J. Non cyrst. Solides, 354，2350 (2008))。也已經(jīng)研究了在異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中使用嵌入到SiO2中的、由微晶硅組成的材料的可能性(SIP0S 概念)；參見 E. Yablonovich, T. Gmitter, R. M. Swanson, Y. H. Kwark 的 “A 720 mV open circuit voltage SiOx:c_Si:SiOx double heterostructure solar cell，， (Appl.Phys. Lett, 47，1211(1985))。最后所述類型的材料具有比較小的導(dǎo)電性，其限制應(yīng)用可能性。該問題直至一定程度上通過另一比較新的材料解決，該另一比較新的材料由硅和亞化學(xué)計(jì)量的SiOx制成的交替的分別幾個(gè)納米厚的層組成，參見R. R51ver, B. Berghoff, D. B^itzner, B. Spangenberg, H. Kurz 的"Charge transport in Si/Si02 multiple quantum wells for all Silicon tandem solar cells”(Proceedings of the 22nd EU PVSEC,米蘭(2007)) 。此外，硅基礎(chǔ)上的所謂疊層(Tandem)太陽(yáng)能電池是已知的，其中使用由交替的Si層和 SiOx層組成的堆疊作為太陽(yáng)能電池的吸收光的層和產(chǎn)生載流子的層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所基于的任務(wù)是提供一種用于實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的發(fā)射體層的改善的解決方案，其尤其是將良好的鈍化特性與足夠高的導(dǎo)電性以及對(duì)于太陽(yáng)光的有效分量的高透明度相關(guān)聯(lián)。該任務(wù)在提供適當(dāng)?shù)牟牧系囊饬x上通過具有權(quán)利要求1的特征的半導(dǎo)體層材料的提供以及在產(chǎn)品解決方案的意義上通過具有權(quán)利要求9的特征的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池解決。發(fā)明思想的有益的改進(jìn)是從屬權(quán)利要求的主題。這里所建議的作為異質(zhì)發(fā)射體的基于Si的納米結(jié)構(gòu)材料的最重要的優(yōu)點(diǎn)是與迄今所使用的非晶硅相比小得多的光吸收作用，由此可以顯著最小化在電“死(toten)”非晶 Si層中由于光吸收作用的損耗。換句話說(shuō)，本發(fā)明帶來(lái)以下優(yōu)點(diǎn)，即減小通過在發(fā)射體中所吸收的光子引起的損耗，這導(dǎo)致太陽(yáng)能電池中的改善的電流產(chǎn)量并且從而導(dǎo)致較大的可達(dá)的效率，其中材料具有可比的電特性(表面鈍化和導(dǎo)電性)。本發(fā)明的基本思想是，提供一種新式的Si納米結(jié)構(gòu)材料，該Si納米結(jié)構(gòu)材料由于其納米晶體結(jié)構(gòu)而具有比迄今所使用的非晶Si高得多的光學(xué)透明度，但是同時(shí)顯示相似良好的鈍化特性和相似良好的導(dǎo)電性。預(yù)算表明，利用所建議的Si納米結(jié)構(gòu)發(fā)射體由于其較高的光學(xué)透明度而可以達(dá)到絕對(duì)地與具有常規(guī)非晶Si發(fā)射體的異質(zhì)電池相比直至m的效率改善。該納米結(jié)構(gòu)材料尤其是通過在低于IOnm的層厚范圍中交替地沉積亞化學(xué)計(jì)量氧化硅(SiOx)層(可替代地也為碳化硅(SiCx)層或者氮化硅(SiNx)層)和硅層來(lái)產(chǎn)生。通過特別是在1000°c左右或在1000°C之上接著退火，發(fā)生在SiOx (可替代地SiCx，SiNx)中剩余的硅的相位分離并且由此發(fā)生有損于SiOx層W]的Si層的各向同性生長(zhǎng)。形成在相鄰的多晶硅層之間的接觸點(diǎn)，由此產(chǎn)生由Si晶體組成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。所建議的層材料原則上除了這里所建議地作為異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的發(fā)射體材料來(lái)使用之外也可以被使用。在現(xiàn)有任務(wù)的范圍內(nèi)特別有利的實(shí)施方案規(guī)定，通過第二層構(gòu)成堆疊的限制層并且在其外側(cè)，與之相鄰的第一層的微接觸區(qū)域暴露。這里需要的概念“納米結(jié)構(gòu)材料”意味著，至少第一層具有納米晶體結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的擴(kuò)展方案中規(guī)定，第一和第二層的厚度分別處于Inm和20nm之間、優(yōu)選2nm和IOnm之間的范圍中。此外規(guī)定，尤其是總厚度處于5nm和IOOnm之間、優(yōu)選IOnm和60nm之間的范圍中。此外被認(rèn)為有利的是，層的總數(shù)目處于4和20之間、優(yōu)選地8和16之間。如果摻雜所提及的類型的網(wǎng)絡(luò)，則其在太陽(yáng)能電池中可以被用作發(fā)射體。半導(dǎo)體材料(這里尤其是硅)在有利的擴(kuò)展方案中以處于IO18至102°cm_3、尤其是5X IO18至 5X IO19Cm-3范圍中的濃度作為ρ材料用磷摻雜或者作為η材料用硼摻雜。通過該網(wǎng)絡(luò)的僅在各個(gè)點(diǎn)形成與相鄰層的接觸的特性，當(dāng)在異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中使用時(shí)僅產(chǎn)生在發(fā)射體層和硅晶片之間的準(zhǔn)點(diǎn)狀的結(jié)，而晶片表面的大部分通過SiO2 (可替代地SiC，SiN)鈍化。由此保持晶片表面的良好鈍化的也在常規(guī)的異質(zhì)太陽(yáng)能電池中被充分利用的優(yōu)點(diǎn)。


此外，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益性從根據(jù)附圖的以下闡述中得出。其中 圖1作為剖視圖示出異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的構(gòu)造的示意圖，
圖2A和2B示出在沉積層堆疊(圖2A)之后以及在接著退火(圖2B)之后在半導(dǎo)體襯底上的根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層材料的實(shí)施形式的示意剖視圖，
圖3示出非晶硅(實(shí)線)和根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體層材料(虛線)的吸收譜的比較式圖形表示，禾口
圖4作為電流密度電壓特性曲線示出所建議的半導(dǎo)體層材料的不同實(shí)施形式的導(dǎo)電性的比較式圖形表示。
具體實(shí)施例方式圖1以示意剖視圖示出在ρ型或η型導(dǎo)電的Si半導(dǎo)體襯底3上的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池1的構(gòu)造。在Si襯底3上布置異質(zhì)發(fā)射體層5并且在該異質(zhì)發(fā)射體層上布置TCO層 7。在前側(cè)，通過局部前側(cè)接觸部9補(bǔ)充層構(gòu)造并且在后側(cè)通過整面的后側(cè)接觸部11補(bǔ)充
層構(gòu)造。圖2Α和2Β示出在硅襯底30上的由半導(dǎo)體層材料組成的堆疊50，或50，所述半導(dǎo)體層材料在按照?qǐng)D1的太陽(yáng)能電池構(gòu)造的情況下可以被用作異質(zhì)發(fā)射體層5。圖2Α示出在第一方法階段之后用數(shù)字50’表示的堆疊，并且圖2Β示出在第二方法階段之后然后用數(shù)字 50表示的堆疊，并且堆疊的各個(gè)層的參考數(shù)字(參見下面)與此對(duì)應(yīng)地被形成。如在圖2Α中可以良好識(shí)別出的那樣，層堆疊通過相繼的、尤其是互相重疊地沉積的Si層51’ “第一層”和作為第二層的SiO層52’構(gòu)成?？梢宰R(shí)別出，堆疊的與硅襯底30 最近相鄰的層是SiO層52’，也即這里也稱為“第二層”的層。堆疊的覆蓋層也通過這樣的第二層52’構(gòu)成。Si層51’被摻雜，并且SiO層52’是亞化學(xué)計(jì)量層，并且層厚分別低于 IOnm0圖2Β示出在溫度>1000°C時(shí)接著退火的結(jié)果中產(chǎn)生的構(gòu)造50，其中在第一和第二層之間的界面這樣不規(guī)則地被結(jié)構(gòu)化，使得在分別通過第二層52相互分開的相鄰的第一層51之間以及在與硅襯底30的界面處構(gòu)成微接觸區(qū)域(“點(diǎn)接觸”)50a。構(gòu)造具有對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的層結(jié)構(gòu)的功能重要的微接觸區(qū)域的該結(jié)構(gòu)與在退火時(shí)離解Si和亞化學(xué)計(jì)量 SiO2相聯(lián)系，在其范圍中Si種子層各向同性地生長(zhǎng)。在退火之后才實(shí)現(xiàn)在圖1中所示類型的太陽(yáng)能電池情況下接觸用作異質(zhì)發(fā)射體層的層堆疊的自由表面。圖3示出，有利地作為發(fā)射體材料的根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)建的半導(dǎo)體層材料的吸收系數(shù)(虛線)處于在大約680nm之下的范圍中、也即在可見光的范圍中，低于由非晶硅的可比層的吸收系數(shù)(實(shí)線)。
圖4最后示出由具有在退火之前分別為60nm的總厚度和第一層的一致厚度(3nm) 以及第二層的不同厚度(1. 5-5nm)的Si和SiOx組成的不同構(gòu)建的半導(dǎo)體層堆疊的電流密度電壓特性曲線?？梢宰R(shí)別出，相應(yīng)的測(cè)量值良好地與分別計(jì)算的曲線一致(除了對(duì)于具有 5nm厚的510!￡層的實(shí)施方案而言處于3V之下的電壓之外)。尤其是也可以識(shí)別出，通過選擇第二層的厚度有可能在廣闊的范圍中調(diào)整所建議的半導(dǎo)體層材料的導(dǎo)電性。本發(fā)明的實(shí)施方案不局限于上述例子和所強(qiáng)調(diào)的方面，而是同樣處于按照專業(yè)的商業(yè)范圍內(nèi)的大量變換也是可能的。
權(quán)利要求
1.尤其是用于作為異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的發(fā)射體材料使用的半導(dǎo)體層材料，其被構(gòu)成為分別由多個(gè)交替地上下重疊地布置的第一和第二層組成的堆疊，其中第一層由元素的多晶半導(dǎo)體組成，并且第二層由半導(dǎo)體的亞化學(xué)計(jì)量的電絕緣化合物尤其是氧化物、碳化物或氮化物組成，并且其中通過退火不規(guī)則地對(duì)在第一和第二層之間的界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，使得在相鄰的通過第二層相互分開的第一層之間構(gòu)造微接觸區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體層材料，其中所述堆疊的限制層由第二層構(gòu)成，并且在其外側(cè)，與之相鄰的第一層的微接觸區(qū)域暴露。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體層材料，其中半導(dǎo)體是硅。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體層材料，其中半導(dǎo)體以處于IOw至102°cnT3、尤其是5X IOw至5X IO19CnT3范圍中的濃度作為ρ材料用磷摻雜或者作為η材料用硼摻雜。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體層材料，其中至少第一層具有納米晶體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體層材料，其中第一和第二層的厚度分別處于 Inm和20nm之間、優(yōu)選2nm和IOnm之間的范圍中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體層材料，其中總厚度處于5nm和IOOnm之間、優(yōu)選IOnm和60nm之間的范圍中。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體層材料，其中層的總數(shù)目處于4和20之間、優(yōu)選地8和16之間。
9.異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，具有半導(dǎo)體襯底和之上所布置的構(gòu)成太陽(yáng)能電池的外部表面的摻雜的異質(zhì)發(fā)射體層，所述異質(zhì)發(fā)射體層同時(shí)作為鈍化層起作用并且通過根據(jù)權(quán)利要求2 至8之一所述的半導(dǎo)體層材料構(gòu)成，其中半導(dǎo)體層材料的外側(cè)與半導(dǎo)體襯底相鄰，在所述外側(cè)處，第一層的微接觸區(qū)域暴露。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，其中半導(dǎo)體襯底是硅晶片。
全文摘要
本發(fā)明涉及尤其是作為用于異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的發(fā)射體材料使用的半導(dǎo)體層材料，其被構(gòu)成為分別由多個(gè)交替地上下疊置地布置的第一和第二層組成的堆疊，其中第一層由元素的多晶半導(dǎo)體組成，并且第二層由半導(dǎo)體的亞化學(xué)計(jì)量的電絕緣化合物尤其是氧化物、碳化物或氮化物組成，并且其中通過退火這樣不規(guī)則地對(duì)在第一和第二層之間的界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，使得在相鄰的通過第二層相互分開的第一層之間構(gòu)造微接觸區(qū)域。
文檔編號(hào)H01L31/072GK102576744SQ201080038231
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者R.勒爾維爾, T.瓦格納 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司