具有紋理化表面的光電設備及其製造方法與流程

2023-05-30 03:44:31

本發明大體上涉及光電設備的製造和結構。具體地，本發明涉及光伏太陽能電池中轉換效率的增強以及光學損失的減少。更具體地，本發明涉及具有紋理化表面的光伏太陽能電池。

背景技術：

光電設備，具體地，光伏太陽能電池依賴於用於產生電荷載流子的光子的吸收。大多數光伏太陽能電池使用p-n結形式的半導體材料。p-n結能夠收集電荷載流子並且產生電力。

然而，由於尤其在半導體材料表面上的電荷載流子的複合，至少就某些部分而言，光伏太陽能電池的轉換效率因複合損失而受限制。表面鈍化必然使得半導體材料表面處的懸空鍵鈍化。薄膜通常塗覆在用於鈍化半導體材料的暴露表面上。不同的材料皆可用於表面鈍化。例如，諸如熱生長二氧化矽或氮化矽等電介質材料通常用於pv行業。還可以使用具有比散裝半導體更寬帶隙的半導體材料。例如，固有不定形氫化矽可用於鈍化晶體矽。鈍化層的厚度通常包括一納米與幾十納米之間，以避免鈍化層吸收光。

由於光伏(pv)電池的前表面和/或後表面的反射，所以pv太陽能電池的轉換效率還受光學損失的限制。

在本文件中，光電設備的前側指暴露於入射光束的一側，諸如，太陽能電池中的太陽光、或者在光電二極體檢測器上待檢測到的入射光束等。光電設備的背側與前側相對。

抗反射塗層或arc通常用於減少入射光在前表面上的反射(參見us2011/0097840)。arc可在單個薄電介質層中或多層堆棧中構成。每層arc的厚度和折射指數被選擇為使得在每個表面或界面上反射的光束之間建立破壞性地幹擾，以降低整體反射的射束強度。例如，可以使用包括硫化鋅(zns)層和氟化鎂(mgf)層的雙層抗反射塗層。可替代地，具有可變折射指數的兩層氮化矽也能夠用作抗反射塗層。

表面紋理化也可用於減少尤其前表面上發生的光反射。而且，紋理化薄太陽能電池的表面使得光在薄太陽能電池內能夠發生多程全內反射。因此，表面紋理化還增強了太陽能電池內的光陷阱。光陷阱增加了入射光子在太陽能電池內的光程長度。特別是對於薄的設備而言，因為矽內近紅外光子的吸收需要比電池厚度更大的光程長度，所以通過增加太陽能電池內的光陷阱而表面紋理化，由此增加光吸收和電荷載流子的產生。

在過去，已經針對表面紋理化採用了各種技術。這些紋理化技術可被分類成溼蝕刻和幹蝕刻工藝。具體地，單晶矽襯底的各向異性溼蝕刻優先沿著某些結晶學方位蝕刻。因此，矽的蝕刻會導致形成由隨機分布的稜錐構成的紋理化表面，其中，稜錐的頂部突出至襯底之外。諸如等離子蝕刻等其他紋理化工藝可產生其他類型的表面紋理化，諸如，逆向型稜錐等，其中，稜錐的頂部被定位成朝向散裝矽襯底(參見p.rocaicabarrocasetal.,「methodoftexturingthesurfaceofasiliconsubstrate,andtexturedsiliconsubstrateforasolarcell」,us2012/0146194並且參見a.mavrokefalosetal.,「efficientlighttrappingininvertednanopyramidthincrystallinesiliconmembranesforsolarcellapplications」,nanolett.,2012,12,2792-2796)或者矽納米線或矽納米椎體(參見sangmoojeongetal.「all-back-contactultra-thinsiliconnanoconesolarcellwith13.7％powerconversionefficiency」,naturecomm.,2013,doi:10.1038/ncomms3950)。

而且，還可結合溼蝕刻或幹蝕刻採用掩模技術，以產生周期性表面紋理化。通過幹蝕刻或溼蝕刻的納米壓印的納米結構能夠在太陽能電池的表面處形成光子結構或周期性逆向稜錐。

由於顯影表面更高並且由於存在不均勻性，所以紋理化表面的表面鈍化，例如，稜錐形表面，比平坦表面的表面鈍化更為複雜。

太陽能電池的結構大體上依賴於同質結或異質結類型的平面結點。絲網印刷太陽能電池與埋入接柵太陽能電池提供前表面上的金屬網格觸點與後觸點。在該設備中，跨設備厚度形成p-n結。相反，後觸點或叉指背接觸(ibc)太陽能電池將兩個電極放置於後表面上，由此消除前側上的陰影損失。在ibc結構中，p-n結形成在太陽能電池的背側附近。已經提出了諸如徑向結矽納米線等其他類型的結點，其中，每個矽納米線均具有徑向摻雜輪廓，由此形成徑向p-n結。

因此，具有紋理化表面的太陽能電池設備大體上表現出比具有平坦表面的太陽能電池更高的複合損失。這些複合損失一般歸因於紋理化表面的不均勻性和/或未完成的鈍化。已經表明構成徑向p-n結的規則陣列的矽納米線增加入射太陽能輻射的光程為高至因數73，但是，在光陷阱、提供改進吸收性的優點和表面複合的缺點之間存在競爭性(參見erikgarnettandpeidongyang「lighttrappinginsiliconnanowiresolarcell」,nanolett.,2010,10,1081-1087orf.prioloetal.「siliconnanostructuresforphotonicsandphotovoltaics」,naturecomm.,january2014,doi:10.1038/nnano.2013.271)。

已經提出了大體上在不增加與納米結構相關聯的複合的情況下而增強太陽能電池的光吸收的其他表面修正方案。具體地，矽襯底上形成的針狀結構產生提供高度吸收入射光的所謂黑矽表面(參見jinhunoh,hao-chihyuanandhowardm.branz「an18.2％-efficientblack-siliconsolarcellachievedthroughcontrolofcarrierrecombinationinnanostructures」,naturenanotechnology,vol.7,2012,pp.743-748)。通過表面面積的同步控制以及光與陰影摻雜能夠抑制螺旋鑽複合。然而，針狀結構表面的鈍化比較困難。因此，納米結構矽太陽能電池的表面複合仍存在問題。

文獻us2013/0291336a1公開了在太陽能電池的前側表面上形成氧化鋅或氧化鎂鋅納米棒陣列、在納米棒上形成保護層、這些納米棒具有高長寬比和幾微米的長度。根據us2013/0291336a1，納米棒陣列導致在寬太陽光波長範圍和寬入射角範圍內的低反射率，由此致使太陽光的吸收增加，並且轉而與具有常規arc層的太陽能電池相比較，太陽能電池效率更高。

技術問題

因此，需要諸如太陽能電池的光電設備，在不增加電荷載流子的表面複合的情況下，提供增強的光陷阱。

具體地，需要在不增加電荷載流子的表面複合的情況下進一步提高太陽能電池效率並且進一步增加太陽能電池對入射光的吸收。

技術實現要素：

根據公開的主題，提供光電設備和太陽能電池結構及其製造方法。

更精確地，本發明由此提供一種半導體光電設備，包括具有表面的半導體襯底。

根據本發明，所述光電設備包括分層界面和紋理化表面結構，分層界面包括至少一層，所述分層界面具有與所述半導體襯底的所述表面接觸的第一表面並且所述分層界面被適配成用於鈍化所述半導體襯底的所述表面，所述分層界面具有第二表面並且所述分層界面被適配成用於使所述第一表面與所述第二表面電絕緣；以及所述紋理化表面結構包括多條納米線和透明電介質塗層，所述紋理化表面結構與所述分層界面的所述第二表面接觸，所述多條納米線從所述第二表面突出，並且所述多條納米線嵌入在所述第二表面與所述透明電介質塗層之間。

該光電設備在不增加電荷載流子的表面複合的情況下提供增強的光陷阱。更精確地，通過入射光在紋理化表面結構上的散射而增強光陷阱，但是，表面複合由於提供襯底與紋理化表面結構的納米線之間的電絕緣的分層界面而不增加。納米線與透明電介質塗層形成紋理化表面結構。紋理化表面結構由於覆蓋納米線的透明電介質塗層而減少光吸收。而且，紋理化表面結構的光學反射率也由於此透明電介質塗層、分層界面、以及納米線的複合而降低。因此，半導體襯底吸收的光增加。

根據本發明的第一實施方式，所述分層界面包括鈍化層和透明電介質層，所述分層界面的所述第一表面是所述鈍化層的表面，並且所述分層界面的所述第二表面是所述透明電介質層的表面，所述鈍化層與所述透明電介質層的另一表面接觸，並且所述透明電介質層與所述半導體襯底的所述表面分離。

根據該第一實施方式的具體方面，所述鈍化層包括不定形氫化矽層並且所述透明電介質層包括氮化矽、氧化矽或氧化鋁的層。

根據本發明的另一實施方式，所述分層界面包括單個鈍化和電絕緣層。

根據該實施方式的具體方面，所述單個鈍化和電絕緣層包括氮化矽、氧化矽或氧化鋁的層。

根據本發明的另一具體方面，所述分層界面中的所述至少一層和所述透明電介質塗層具有選定為使得所述分層界面、所述多條納米線以及所述透明電介質塗層共同形成抗反射塗層的相應厚度和折射指數。

根據本發明的具體方面，所述鈍化層、所述透明電介質層、所述單個鈍化和電絕緣層和/或所述透明電介質塗層具有包括在2納米與300納米之間的厚度，優選地，10納米與200納米之間。

根據本發明的具體實施方式，所述半導體襯底的所述表面在至少測微計的尺度區域內是平坦的。

根據本發明的另一具體實施方式，所述半導體襯底的所述表面包括顯微結構的紋理化表面。

根據本發明的具體方面，所述多條納米線在所述電介質層上具有隨機性或周期性空間分布。

根據本發明的具體方面，所述多條納米線在所述電介質層上具有隨機性或周期性空間分布。

根據本發明的具體方面，所述襯底包括單晶矽襯底或微晶矽襯底或多晶矽襯底。

優選地，所述多條納米線包括多條矽或氧化鋅納米線。

根據本發明的具體方面，塗覆所述電介質塗層的所述納米線具有包括在20納米與200納米之間的高度、包括在20納米與50納米之間的直徑、包括在107cm-2與109cm-2之間的密度、和/或包括在1與100之間的長寬比。

具體地，該光電設備可包括太陽能電池、光電二極體、或光檢測器。

本發明還涉及一種光電設備的製造方法，包括下列步驟：

a)提供具有表面的半導體襯底；

b)在所述襯底表面上形成包括至少一層的分層界面，第一表面具有的所述分層界面與所述半導體襯底的所述表面接觸，並且所述分層界面被適配成用於鈍化所述半導體襯底的所述表面，所述分層界面具有第二表面並且所述分層界面被適配成用於使所述第一表面與所述第二表面電絕緣；

c)形成從所述分層界面的所述第二表面突出的多條納米線；以及

d)在該多條納米線上形成透明電介質塗層，使得所述多條納米線嵌入在所述分層界面的所述第二表面與所述透明電介質塗層之間。

該方法能夠在不增加電荷載流子的表面複合的情況下製造諸如具有增加陷阱和光吸收特性的太陽能電池等光電設備。

由於僅需要很少的額外步驟，所以該方法容易被實施成常規的太陽能電池製造方法。

在溫度低於500℃時，優選地，低於450℃時，在低溫等離子體反應器中能夠實現本發明的方法，

根據本發明中的方法的具體方面，在所述電介質層上形成多條納米線的步驟c)包括下列步驟：

e)在所述分層界面的所述第二表面上蒸發金屬催化劑薄層；

f)將金屬催化劑薄層暴露於氫等離子體用於形成金屬催化劑微滴；

g)使用蒸液固法從金屬催化劑微滴生長納米線；

h)移除金屬催化劑微滴。

根據具體方面，所述步驟b)包括：

b1)在半導體襯底的所述表面上形成用於鈍化所述半導體襯底表面的鈍化層；以及

b2)在所述鈍化層上形成透明電介質層，所述透明電介質層與所述鈍化層接觸，並且所述透明電介質層與所述半導體襯底的所述表面分離。

附圖說明

僅出於非限制性示出目的給出該描述，並且當參考所附附圖時，能夠更好地理解該描述，其中：

圖1表示在電介質包覆層沉積之前的中間製造步驟太陽能電池結構的橫截面；

圖2表示根據本發明的第一實施方式的太陽能電池結構的橫截面；

圖3示意性地表示根據本發明的太陽能電池的製造方法；

圖4表示作為矽納米線生長溫度的函數的有效載流子壽命的測量；

圖5表示分別具有電介質層無納米線(平直線)、具有納米線且納米線上無電介質塗層(虛線)、具有納米線且納米線上具有不同厚度的電介質塗層(對於黑色圓圈而言，為20nm，並且相應地對於白色圓圈而言，為50nm)的各個太陽能電池結構的吸收光譜的測量。

具體實施方式

設備

圖1示意性地表示在用於包覆納米線的透明電介質塗層沉積之前，在中間製造步驟中的根據本發明的第一實施方式的太陽能電池結構的橫截面沉積。

太陽能電池包括具有前表面20和後表面30的半導體襯底1。前表面20暴露於入射的太陽光並且後表面30大體與前表面平行。半導體襯底1包括同質結或異質結設備(此處未示出)。

例如，半導體襯底1選自於單晶矽(c-si)襯底或諸如微晶矽(μc-si)、多晶矽、硒化銅銦鎵(cigs)、以及碲化鎘(cdte)等其他半導體材料。優選地，半導體襯底1包括單晶矽襯底或微晶矽或多晶矽。例如，半導體襯底1由雙面打磨的矽晶圓構成。

太陽能電池包括半導體襯底的前側表面20上的分層界面和該分層界面上的紋理化表面結構。

如此處使用的，術語「表面上的層」指：不管形成所述層的沉積或生長工藝如何，該層與此表面接觸沉積。

分層界面具有第一表面21和第二表面23。分層界面的第一表面21與前側表面20接觸。分層界面選擇為使得該分層界面鈍化半導體襯底1的前側表面20。而且，分層界面被配置為使得第一表面21與第二表面23電絕緣。

在圖1和圖2示出的第一實施方式中，分層界面包括鈍化層2和透明電介質層3。

在圖1的示例性示圖中，太陽能電池包括位於半導體襯底1的表面20上的鈍化層2。鈍化層2可以是諸如氫化不定形矽(a-si:h)等半導體層。可替代地，鈍化層2可以是氫化不定形氧化矽(a-siox:h)、氧化鋁(alox)、碳化矽、或二氧化矽的電介質層。

該鈍化層2的厚度一般包括在2納米與20納米之間。

優選地，鈍化層2包括具有約4納米的厚度的氫化不定形矽(a-si:h)層。

在該實施方式中，分層界面的第一表面21是鈍化層2的表面，即，位於半導體襯底的表面20上。

鈍化層2能夠通過化學和物理方式中和晶體矽表面20處的不飽和懸空鍵。而且，鈍化層2能夠減少電荷載流子在半導體襯底表面處發生的中和或複合。

在圖1中，太陽能電池包括位於半導體襯底1的背側表面30上的另一鈍化層12。該鈍化層12一般包括作為前表面的鈍化層2的同一材料層，諸如，不定形氫化矽(a-si:h)等。該鈍化層12的厚度一般包括在2納米與至少30納米之間，並且優選地，20納米左右。

同樣，鈍化層12能夠通過化學和物理方式中和晶體矽後表面30的不飽和懸空鍵。

太陽能電池還包括位於前表面的鈍化層2上的透明電介質層3。透明電介質層3包括例如單層氮化矽(sinx,a-sinx:h)、或二氧化矽(sio2)、或氧化鋁。

在該實施方式中，分層界面的第二表面22是透明電介質層3的表面，該表面22與鈍化層2分離。鈍化層2與該透明電介質層3的另一表面22接觸。

透明電介質層3被配置為提供其表面22與其表面23之間的電絕緣。因此，分層界面在提供半導體襯底的表面20與該分層界面的第二表面23之間的電絕緣的同時提供半導體襯底的表面20的鈍化。

太陽能電池進一步包括位於分層界面的第二表面23上的紋理化表面結構。

更精確地，該紋理化表面結構包括納米線4。納米線形成在分層界面的第二表面23上。

在圖1和圖2的實施例中，納米線4位於電介質層3的表面23上。

例如，納米線4由矽、氧化矽、氧化鋅、或在低溫下生長的納米線製成，優選地，溫度低於500℃，例如，使用汽-液-固法。納米線的長度一般包括在20納米與200納米之間。納米線的直徑一般包括在2納米與50納米之間。

一般地，納米線4從下層分層界面的第二表面23突出，納米線4的一個極端與第二表面23接觸，並且至少所述納米線的另一部分距該第二表面23一定距離並且由此突出。因此，每個納米線4的極端均與分層界面的第二表面23接觸。在圖1和圖2的實施例中，納米線與電介質層3接觸。然而，納米線4並不與鈍化層2接觸。因此，納米線4與鈍化層2並且與半導體襯底1的表面20電絕緣。該配置避免了在半導體襯底1的鈍化表面上引入缺陷。

多條納米線4可具有相對於分層界面的第二表面23隨機分布的定向。

在示出的實施例中，納米線4是直的；然而，在本公開的範圍內，可以設想其他的形狀。優選地，納米線4具有自分層界面的第二表面23的法線至相對於分層界面的第二表面23的法線形成高達85度以上的角的傾斜定向的定向。在實施例中，納米線4豎直對準，即，此處指納米線與局部表面的法線平行。

納米線的密度包括在107cm-2與109cm-2之間，例如，108cm-2。

納米線的空間分布是隨機的。可替代地，納米線的空間分布是周期性的，例如，遵循具有中心到中心距離為600nm的六邊形圖案。

圖2表示根據本發明的第一實施方式的太陽能電池設備的示例性結構。太陽能電池包括分層界面和分層界面的第二表面23上的紋理化表面結構。

紋理化表面結構包括納米線4和納米線4上的電介質塗層5。例如，電介質塗層5包括氮化矽(sinx)層或二氧化矽(sio2)層。電介質塗層5的厚度包括在10納米與300納米之間，並且優選地，在20nm與50nm之間。電介質塗層5覆蓋納米線4並且一般還覆蓋在所述納米線4之間的電介質層3的表面。

該電介質塗層5被選定為透明的，以減少由於設備表面的吸收而產生的可能光學損失。

因此，納米線4完全嵌入在分層界面的第二表面23與電介質塗層5之間。換言之，納米線4形成支持電介質塗層5的骨架。因此，形成電介質塗覆的納米線。

在第一實施方式的情況下，納米線4嵌入在分層界面的電介質層與電介質塗層5之間。

紋理化表面結構與分層界面的第二表面23接觸。紋理化表面具有另一表面25，即，電介質塗層5的表面。該表面25是太陽能電池設備的前表面。

通過在攜帶電介質塗覆的納米線的設備側面上接收入射光而操作光電設備。入射光入射在紋理化表面結構的表面25上。因此，入射光入射在電介質塗覆的納米線上。電介質塗覆的納米線將入射光衍射至半導體襯底1中並且由此增強半導體襯底1內的光陷阱。

一方面，光電設備的結構能夠分離與設備的表面反射率有關的光學特性，另一方面，能夠分離與半導體襯底1的表面20的鈍化有關的所述設備的電特性。

更精確地，紋理化表面結構提供表面粗糙度，即，能夠在不增加設備的該表面上的光吸收的情況下減少表面反射。納米線4形成用於支持透明電介質塗層5的結構。透明電介質塗層5能夠降低包括所述納米線的紋理化表面結構的光學反射率。電介質塗層5優選由在考慮光譜範圍內為透明的材料製成。例如，在太陽能電池應用中，電介質塗層5至少在自350nm延伸至1000nm的光譜範圍內透明。

電介質塗覆的納米線的尺度一般低於入射光波長。這確保了入射在矽納米線4上的入射光發生衍射。例如，氮化矽塗覆的納米線具有105nm的平均長度、425nm的直徑。此處，將電介質塗覆的納米線的長寬比限定為這些電介質塗覆的納米線的高度與直徑之間的比例。在上述實施例中，電介質塗覆的納米線長寬比等於105/425＝0.247。優選地，電介質塗覆的納米線的長寬比包括在0.5與100之間。

因此，電介質塗覆的納米線能夠在提供低吸收並且將入射光衍射至半導體襯底的同時降低表面反射係數。

因此，該紋理化表面結構提供增加光電設備內的光陷阱的表面紋理化，例如，太陽能電池內的光陷阱。

納米線可以在低溫下形成，一般小於500℃，由此保留半導體襯底中電子突觸的電特性。

電介質層3的厚度一般包括在1納米與100納米之間。例如，電介質層3是具有100納米厚度的二氧化矽(sio2)層。

納米線4與半導體襯底1之間的電介質層3提供納米線與半導體襯底1之間、或納米線4與鈍化層2之間的電絕緣。而且，電介質層3通過物理方式分離半導體襯底的鈍化表面與通過納米線4提供的粗糙度。

尤其對於具有平坦表面的半導體襯底而言，鈍化層2能夠接近完善半導體襯底1的表面的表面鈍化。由於超細(一般小於20nm)，所以鈍化層2幾乎不吸收任何光，因此，穿過所述鈍化層2的光到達半導體襯底1。然後，入射光在半導體襯底的電子突觸內產生電荷載流子。

優選地，電介質塗層5的電介質層3和/或鈍化層2的厚度與折射指數被選擇為使得在入射光束的所需波長範圍內形成抗反射堆。因此，電介質層3、5和/或鈍化層2構成抗反射塗層(arc)。

而且，令人驚訝的是，此處公開的太陽能電池結構增強了前表面鈍化。

在分層界面上具有紋理化表面結構的太陽能電池能夠增加光陷阱和低表面複合兩者。分層界面提供半導體襯底的表面鈍化以及與該半導體襯底的電絕緣。該結構能夠將表面的光學性質與半導體襯底的電鈍化去耦合。

在變形中，電介質層3可提供梯度曲線作為該層厚度的函數。在此變形中，該電介質層3仍具有與分層界面的第一表面21電絕緣的第二表面23。包括納米線的紋理化表面結構仍在該電介質層3的第二表面23上。

在另一變形中，分層界面包括第一電介質層3上的其他透明層。例如，分層界面包括鈍化層2上的電介質層的多層堆棧。然而，分層界面仍提供了第一表面21和第二表面23。在這種情況下，第二表面32是多層堆棧的頂表面。如上面詳述的第一實施方式，第一表面21與半導體襯底1的表面20接觸，使半導體襯底1的表面20與第二表面23鈍化的分層界面與第一表面21電絕緣。包括納米線的紋理化表面結構還位於此分層界面的該第二表面23上。

在另一實施方式中(此處未示出)，分層界面包括單個界面層，而非位於鈍化層2上的電介質層3。在這種情況下，分層界面仍提供第一表面21和第二表面23，即，同一界面層的兩個表面。該界面層在半導體襯底表面20上，並且包括納米線的紋理化表面結構在該界面層的第二表面23上。在這種情況下，該界面層由提供第一表面21與第二表面23之間的電絕緣並且還具有用於鈍化半導體襯底1的表面20的鈍化特性的電介質材料製成。例如，單個界面層可由氧化矽製成。界面層的厚度一般包括在1納米與100納米之間。例如，電介質界面層是具有100納米的厚度的二氧化矽(sio2)層。

在該實施方式中，單個界面層同時提供半導體襯底的表面鈍化與半導體襯底和納米線4之間的電絕緣。

光電設備進一步包括沉積或生長在此單個界面層上的納米線4、以及覆蓋所述納米線的透明電介質塗層5。

如同第一實施方式，納米線4提供支持透明電介質塗層5的紋理化表面。該電介質塗層5能夠降低表面反射率。被塗覆的納米線在該紋理化表面處不產生吸收損失的情況下將入射光衍射至襯底中。

優選地，該單個界面層3的和電介質塗層5的厚度和反射指數被選擇為使得在入射光束的所需波長範圍內形成抗反射堆。因此，電介質層3和5形成抗反射塗層。

在該實施方式的變形中，形成分層界面的界面層可提供梯度曲線作為該層厚度的函數。

在提供半導體襯底的電絕緣與表面鈍化的分層界面上具有紋理化表面結構的太陽能電池既提供高的光陷阱、又提供低表面複合。太陽能電池的該架構還能夠從半導體襯底的電鈍化去耦合表面的光學特性。

總之，太陽能電池包括用於通過形成鈍化表面而鈍化半導體襯底並且用於將所述鈍化表面與利用電介質塗覆的納米線紋理化的表面電絕緣的至少一個界面層。

因此，此處公開的設備向半導體襯底同時提供由於納米線的粗糙表面紋理和鈍化表面。此架構能夠降低暴露於入射光的表面的光學反射率，同時，限制利用納米線被紋理化的粗糙表面的光學吸收。同時，該架構能夠在不增加在半導體襯底表面電荷載流子的複合的情況下增加半導體襯底對光的吸收。

此處公開的設備也具體適配於ibc類型太陽能電池，其中，電觸點位於襯底的背側上。

在上面詳述的實施例中，分層界面和紋理化表面結構位於其上的襯底表面20是平坦表面。

可替代地，襯底前表面20可包括顯微結構，這些顯微結構包括顯微鏡可見水平的平坦表面。例如，襯底前表面20可包括提供平坦刻面的稜錐或逆向稜錐形狀的顯微結構。在顯微結構襯底的情況下，分層界面沉積在紋理化表面上，並且包括納米線的紋理化表面結構形成在分層界面的平坦表面上。顯微鏡可見水平的表面紋理與納米計水平的納米的組合能夠進一步增強太陽能電池結構內的光陷阱。由電介質塗覆的納米線製成的紋理化表面結構將光衍射至半導體襯底中並且顯微鏡可見水平的紋理化表面有助於進一步增強光陷阱。

方法

太陽能電池製造方法的具體實施例詳述如下。

選擇單晶矽(c-si)晶圓作為半導體襯底1。

半導體襯底1可以是雙側打磨襯底。可替代地，半導體襯底1可具有顯微鏡可見尺寸的平坦表面的紋理化前表面，例如，稜錐或逆向稜錐形狀。

一般地，襯底包括此處未描述的同質結或異質結類型的電子突觸。

a.裸襯底表面的清潔

例如，在溼蝕刻工藝中，利用具有包括5％氫氟酸(hf)的溶液清潔c-si晶圓的表面20、30至少30秒。

b.形成分層界面

分層界面形成在半導體襯底1的表面20上。

在具體實施方式中，按照兩步驟執行此步驟b：

-b1鈍化層的沉積

至少一個鈍化層2沉積在c-si晶圓的前側上。優選地，鈍化層2沉積在前側20上並且另一鈍化層122沉積在c-si晶圓1的背側30上。例如，在低溫下，例如，在175℃時，在等離子體反應器中，通過等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)可以沉積鈍化層2、12。出於示出性之目的，將20nm厚的a-si:h鈍化層2沉積在前側表面20上並且將50nm厚的a-si:h鈍化層12沉積在後側表面30上。

-b2電介質層的沉積

下一步驟包括將電介質層3沉積在前側上，例如，沉積在前側鈍化層2上。例如，電介質層3所使用的材料是不定形氫化氮化矽(a-sinx:h)或二氧化矽(sio2)。在室溫下，在等離子體反應器中或通過原子層沉積(ald)可以沉積電介質層3。從光譜橢圓對稱)測量判斷電介質層的厚度。該電介質層的厚度包括在20nm與200nm之間。

在變形中，電介質層沉積的此步驟b2)包括具有梯度指數曲線的電介質層的沉積。

可替代地，在半導體襯底表面上沉積鈍化層的步驟b1)和在鈍化層上沉積電介質層的b2)可以被界面層沉積的步驟所取代，所述界面層既是鈍化材料又是電絕緣材料，諸如，二氧化矽(sio2)等。

在變形中，形成分層界面的此步驟包括被適配成用於鈍化半導體襯底並且用於提供與半導體襯底電絕緣的表面的界面層，還包括沉積具有梯度指數曲線的界面層。

在又一變形中，形成分層界面的步驟b進一步包括在電絕緣層上沉積一個或多個其他透明層。

在任何情況下，分層界面均具有與半導體襯底的表面20接觸的第一表面21和是分層界面的頂表面的第二表面，該第二表面與該第一表面電絕緣。此外，在任何情況下，分層界面均提供在其上形成該分層界面的半導體襯底表面20的表面鈍化。

下列步驟涉及紋理化表面結構在分層界面上，更精確地，在分層結構的第二表面上的形成。

c.多條納米線的形成

優選地，使用vls(汽-液-固)法生長納米線。

e)超薄層金屬催化劑的沉積

非常薄層的低熔點金屬催化劑沉積在分層界面的第二表面23上。例如，在圖1和圖2示出的第一實施方式中，該薄層金屬催化劑沉積在電介質層3上。

在室溫下，通過蒸發或電子束蒸發可以沉積金屬催化劑。低點金屬催化劑可以選自於錫(sn)、銦(in)、或鉍(bi)。

作為可選項，在掩模步驟之前或之後，可以執行超薄膜金屬催化劑的沉積的此步驟，以允許低熔點金屬催化劑僅沉積在襯底的某些確定區域上。例如，可以使用掩模處理在分層界面的第二表面23上產生金屬催化劑的周期性圖案，在之後步驟中，移除掩模。在優選實施方式中，使用具有中心到中心距離為600nm的六邊形掩模生長矽納米線。

f)金屬催化劑微滴的形成

將氫等離子體應用於薄層低熔點金屬催化劑在分層界面的第二表面32上產生納米計尺寸的金屬微滴。氫等離子體條件可以是：100sccm的流率、0.6torr的壓力、金屬熔點溫度以上的溫度(例如，250℃)、50w的無線電頻率功率(例如，持續10min)。

g)納米線的合成

等離子體增強汽-液-固(vls)法可用於納米線的合成。低熔點催化劑允許將納米線生長過程的溫度降至425℃或以下。例如，在下列實驗條件下可以獲得矽納米線：作為前驅物氣體的矽烷(sih4)和作為運載氣體的氫氣(h2)的氣體混合物、相應的矽烷流率為10sccm並且氫氣流率為100sccm、總壓為1torr、溫度425℃、無線電頻率功率為2w、持續時間2min。因此，從液態金屬催化劑微滴生長矽納米線。

如圖1中示出的，矽納米線4從分層界面的第二表面23突出。

矽納米線的長度和直徑一般包括在20nm與200nm之間。納米線的長寬比選自於在1與100之間並且優選地低於10。

h)移除金屬催化劑

從作為生長納米線的表面移除剩餘的金屬催化劑。例如，以100sccm的流率、0.6torr的壓力、250℃的溫度、5w的無線電頻率功率、30min持續時間，通過應用氫等離子體移除剩餘的金屬催化劑微滴。

d.通過透明電介質塗層塗覆納米線

透明電介質塗層5沉積在納米線4上。例如，電介質塗層5所使用的材料是不定形氫化氮化矽(a-sinx:h)或二氧化矽(sio2)。，透明電介質塗層5可以在室溫下沉積在等離子體反應器中或ald中。電介質塗層5的厚度包括在20納米與200納米之間。

因此，實現了包括納米線4和透明電介質塗層5的紋理化表面結構。納米線完全嵌入在分層界面的第二表面23與電介質塗層5之間。

本發明的方法能夠製造具有改善轉換效率的太陽能電池。具體地，該方法能夠在不影響表面複合的情況下提高對可見光譜的吸收。

作為本公開的一部分，如圖1中示出的，在無電介質塗層5的情況下，在僅包括鈍化層2的太陽能電池中，以及針對在具有鈍化層2和電介質層3的分層界面上存在納米線4的不同太陽能電池，已經測得少數載流子壽命。僅包括鈍化層1和12的參考太陽能電池具有500微秒的少數載流子壽命。圖4表示了包括鈍化層和覆蓋有電介質層的矽納米線的不同太陽能電池的少數載流子壽命(l.t.)作為矽納米線的生長溫度(t以℃為單位)的函數(步驟(f)以上)。在氫等離子體和矽烷中，各自持續2min，通過vls沉積矽納米線。在圖4表示的圖表中，每個方形均表示一次矽納米線生長。

令人驚訝的是，這些太陽能電池的少數載流子壽命包括在1000微秒與約1700微秒之間，即，比無矽納米線的作為被鈍化c-si晶圓的500μs少數載流子壽命高許多。而且，少數載流子壽命看似隨著矽納米線生長溫度而增加。更精確地，少數載流子壽命從275℃時的1000μs增加高達至425℃時的最大值約1700μs，然後，在475℃溫度時下降。

從這些少數壽命測量中得出，與僅包括鈍化層2和12的參考太陽能電池相比較，具有分層界面和未塗覆納米線的這些結構提供增強的前表面鈍化。

通過測量作為350nm至1100nm的光譜範圍內的波長λ的函數的光譜吸收比a(λ)而評估根據本公開的太陽能電池的吸收特性。使用下列式子從350nm至1100nm的光譜範圍內的總吸收比的積中計算積分短路電流密度jsc：

jsc＝e∫a(λ).n(λ).dλ

其中，對於標準太陽能光譜內的波長λ，e表示電子電荷，a(λ)是總吸收比，並且n(λ)是每秒每單位面積的光子數。

圖5中的平直線表示在4納米的鈍化層上具有100nm厚的sinx電介質層並且無納米線的參考太陽能電池結構的已測量總吸收比光譜a(λ)。優化sinx電介質層的厚度，以獲得最大化jsc的抗反射塗層。該參考太陽能電池的積分短路電流密度jsc為36.94ma/cm2。

圖5中的其他曲線表示根據本公開的第一實施方式的具有包括鈍化層2和絕緣層3的分層界面並且具有包括納米線4和電介質塗層5的紋理化表面結構的不同太陽能電池的吸收比測量。

為了嵌入矽納米線4，鈍化c-si襯底對納米線去耦合的電介質層3的厚度減少至50nm。在該50nm厚的電介質層3上生長200nm長度的矽納米線。

圖5中的虛線表示在4nm厚的鈍化層2上具有由50nm厚的sinx電介質層3構成的分層界面、在分層界面上具有矽納米線4並且在納米線上無電介質塗層的太陽能電池結構的測量吸收光譜a(λ)(如圖1示出的)。該太陽能電池的積分短路電流密度為36.92ma/cm2。

圖5中的黑圓圈線表示在4nm厚的鈍化層2上具有由50nm厚的sinx電介質層3構成的分層界面、以及位於該分層界面上的紋理化表面結構的另一太陽能電池結構的測量吸收光譜a(λ)，該紋理化表面結構由矽納米線4和位於矽納米線4上的20nm厚的電介質塗層5構成(如圖2中示出的)。該太陽能電池的積分短路電流密度jsc為37.15ma/cm2。從相同條件下沉積在平坦表面上的相似電介質塗層的厚度的測量評估電介質塗層5的厚度。

圖5中的白色圓圈線表示具有在4nm厚的鈍化層2上由50nm厚的sinx電介質層構成的分層界面、以及該分層界面上的紋理化表面結構的太陽能電池結構的測量總係數比光譜a(λ)，該紋理化表面結構由矽納米線4和矽納米線4上的50nm厚的電介質塗層5構成(如圖2中示出的)。該太陽能電池的積分短路電流密度jsc為38.90ma/cm2。

在圖5中，黑圓圈線與白圓圈線之間的差異僅在於氮化矽電介質塗層5的厚度，相應地，對黑圓圈線而言，為20nm，並且對於白圓圈線而言，為50nm。

如此處公開的，與具有分層界面但不具有紋理化表面結構的參考太陽能電池相比較，具有分層界面和紋理化表面結構的太陽能電池提供相同或更高的jsc。

從圖5中的不同太陽能電池的光譜吸收比曲線得出，與100nm的優化電介質層相比較，分層界面上足夠長的塗覆電介質的矽納米線的組合導致太陽能光譜藍色區域中的吸收增加，而近紅外光譜區域中無任何損失。此處，證明積分短路電流密度為38.90ma/cm2。然而，該值38.90ma/cm2充分低於使用本發明的方法的最大可實現jsc值。

具有矽納米線的紋理化表面結構提供光散射，由此使光在太陽能電池中被截獲。

針對塗覆有分層界面和在該分層界面上的紋理化表面結構的半無限c-si晶圓，模擬計算jsc值。更精確地，分層界面由a-si:h鈍化層2和薄sinx電介質層3構成，並且紋理化表面結構由塗覆有在其上部的氮化矽塗層sinx的矽納米線4構成。對於該模擬，具有425nm直徑的塗覆有氮化矽的納米線整齊地位於具有600nm中心到中心距離的六邊形布置中。sinx電介質層3厚度的值在30nm與70nm之間變化，並且塗覆有氮化矽的納米線高度的值在80nm與140nm之間變化。獲得在350nm至1100nm光譜範圍內的積分短路電流密度jsc的二維圖。從該計算中得出，包括的jsc值40ma/cm2與高至42ma/cm2之間。更精確地，對於具有105nm長度或高度的氮化矽納米線、以及50nm厚的氮化矽電介質層，實現最大jsc值42ma/cm2。

這表明可以實現42ma/cm2的高jsc值。而且，在調查的電介質層厚度和sinx納米線高度範圍內，jsc值的散布局限於小於2.1ma/cm2(在～40ma/cm2與高至42ma/cm2之間)，從而概括了此解決方案的魯棒性。

與僅包括無納米線的分層界面的太陽能電池相比較，在該分層界面上具有紋理化表面結構的太陽能電池結構的積分jsc值的增加指太陽能電池內的光陷阱由於納米線的存在而增加。

因此，本公開能夠製造既表現出增強的壽命、又提高總吸收比(尤其在光譜的藍色區域內)的太陽能電池。

因此，太陽能電池的轉換效率提高。

從本公開得出，包括薄電介質層3的分層界面提供鈍化c-si襯底與納米線之間的有效電絕緣或去耦合。

因此，本發明對由於塗覆有電介質的納米線而造成低反射率的光學表面特性與由於分層界面對半導體襯底的表面鈍化而產生的電錶面鈍化特性進行了有利地組合。

本發明的方法僅需要比常規製造過程多幾個步驟。

本方法可以在製造前後太陽能電池結構以及諸如叉指背接觸(ibc)太陽能電池結構等全背接觸結構中實現。太陽能電池的電觸點可以通過導電插頭或層的沉積形成。

本發明具體應用於諸如光伏太陽能電池等光電設備。

本公開還應用於諸如光電二極體或光檢測器的其他光電設備。在前表面上嵌入納米線的電介質層能夠在不增加電荷載流子在光電設備內的表面複合的情況下增加入射光在光電設備中的耦合。