具襯底內分布式發射器的光伏電池及制造此電池的方法

專利名稱：具襯底內分布式發射器的光伏電池及制造此電池的方法
技術領域：
本發明涉及光伏電池領域，特別是具有后觸點(rear contacts)，即具有位在未接收光子的電池面上的觸點的光伏電池領域。本發明也涉及以比用于微電子的標準品質更低品質的半導體來制造光伏電池。
背景技術：
光伏電池的制造主要是通過固化液態硅浴中的晶錠(ingot)而得單晶或多晶硅襯底，然后通過切割此晶錠的晶片以獲得襯底或平板。然后在無塵室內使用各種用于在這些硅襯底上沉積的技術以制得光伏電池。通過稱為”同質結”的傳統技術制作光伏電池的期間，首先將結晶硅晶錠切割成在其上制造電池的晶片。接著通過化學侵蝕使此些晶片具特定結構以改善光被即將從這些晶片所制得的光伏電池所捕集。然后通過在這些晶片中氣體擴散來制得p-n型接面。其后制造PECVD沉積以改善電池的遮光性質并鈍化重組缺陷。然后通過在兩面上絲網印刷來沉積導電層以允許光生載流子被收集，且光伏電池的電觸點被制造。然而，對于這種稱為”同質結”技術的類型，其達到工業化的能源效率是有限的，通常約為15%，即使具有”微電子”品質的堿性硅。為了獲得高于20%的效率，必須使用不同結構的光伏電池，像是具有異質結的光伏電池(非晶硅/晶硅)及/或RCC(后觸點電池)型電池，其能明顯地使位于電池正面上與存在收集導體有關的遮光物能夠被克服(所有觸點位于電池背面上)。無論所制作的電池是什么類型，達到有利的能源效率先決條件為在電池核心的光生少數載流子的最大數目為了被收集將能夠到達p-n接面，因此它們的擴散長度大于晶片的厚度。這對于RCC電池來說是非常特別地，因載流子主要于第一微米光硅內產生，在電池正面的區域內，因此在收集前必須橫越整個晶片。因此RCC型電池的制作需要使用從微電子品質(microelectronics quality)的硅中所制得的單晶體，其具有高擴散長度的少數載流子，然而其主要缺點為昂貴的。其他較低成本的硅的類型是存在的，但具有較低純度，所以所給的少數載流子為較低擴散長度。這些較低品質的硅因而無法用于RCC型電池的制作。也具有EWT (發射極環繞)型的光伏電池。此些電池從例如ρ型的硅晶片中制得。 通過激光雕刻硅晶片而產生孔洞(其直徑等于大約60微米，間隔大約2公厘)。然后通過在正面上、在孔洞壁內，且也在電池背面的部份上氣體擴散來制作η+型層而形成電池的發射器。因此，P-n+接面分為多個區塊的電池容積，使得少數載流子在被收集前所能傳送的距離減少。然而，這樣的EWT電池所具有的最大缺點為其具有高制作成本，由于其制作必須在無塵室內進行，且使用了用于在襯底內產生孔洞的激光
發明內容
本發明之一目的為提出一種新的光伏電池結構，使少數電荷載流子的收集與傳送最優化，其制作成本更低，且可從比微電子品質更低品質的半導體中制得。為實現此點，本發明提出一種光伏電池，其包含由第一型導電性半導體所組成的襯底，具有實質上相互平行的二主面，此處襯底包含復數個盲孔，其開口位于此二主面的單個主面，且此處所述的盲孔是由第二型導電性半導體所填充，其與第一型導電性相反且形成光伏電池的發射器，以及此處所述襯底形成光伏電池的底座。此光伏電池的發射器是以分布在盲孔內、在襯底的核心內的數個半導體部分的形式來分布。因此，相較于現存的光伏電池結構，光伏電池內的p-n接面的此排列方式可使光伏電池里面所收集與傳送的少數電荷載流子能夠最優化，因而允許使用品質劣于微電子品質的半導體在其制造上，像是舉例來說，與高分子混合的半導體粉末。因此此電池可使用例如來自微塑料(microplasturgy)的技術以低成本來制作。此外，相較于EWT型光伏電池，根據本發明的光伏電池提供較大的可能性來調節形成電池發射器的半導體部分的尺寸、配置及間距。相較于EWT技術，此光伏電池結構也允許等效電導的低度摻雜半導體的使用。每一盲孔可具有一實質上與襯底的二主面垂直的中心對稱軸。因此電池的發射器是通過設置于光伏電池的襯底內的半導體縱向部分來形成。每一盲孔在穿過所述盲孔的開口所位處的襯底的主面的一平面上，可包含一面積比盲孔的底壁面積大的截面。因此通過選擇這樣的盲孔且因而這樣的半導體部分以形成光伏電池的發射器，這些盲孔的截面面積隨著襯底內的盲孔高度變化，以通過設置于襯底中的半導體來考慮入射光子的光譜吸收，使得少數電荷載流子的運送能被改善。在這種情況下，就每一盲孔而言，在穿過盲孔的開口所位處的襯底的主面的所述平面的區域上的所述盲孔的截面面積，與所述盲孔的底壁面積之間的比率可為1至3。每一盲孔可具有一實質上截頂的圓錐或尖拱形狀。每一盲孔在一與襯底的主面中任一主面平行的平面上，可包含一多邊形狀或例如一星形的截面。因此，通過憑借形成光伏電池發射器的這些半導體部分的原始橫斷面形狀的方法來選擇形成電池發射器的半導體部分的特定外形，收集少數電荷載流子的概率隨著增加相較于襯底內特定體積的發射器面積而增加。襯底的所述主面中的至少一主面是可結構化的，通過此手段來改善光被光伏電池所捕集。發射器的第二型導電性半導體中每立方厘米的摻雜原子或載流子原子濃度可為 IO16至1021，且更好為IOw至102°。襯底的第一型導電性半導體中每立方厘米的摻雜原子濃度可為IO15至IO18,且更好為IO16至IO170有利地，襯底的厚度可小于300微米且每一盲孔的深度可較襯底的一半厚度大。光伏電池在盲孔的開口所位處的襯底的主面上，也可包含由至少一第二型導電性半導體所組成的第一集電極引腳，其與電池發射器接觸，以及由至少一第一型導電性半導體所組成的第二集電極引腳，其與襯底接觸且與第一集電極引腳相互交叉。在這種情況下，第二集電極引腳的第一型導電性與第一集電極引腳的第二型導電性的半導體中每立方厘米的摻雜原子濃度可為IO19至1021。本發明也涉及一種制作光伏電池的方法，其至少包含下列步驟
a)制作一由第一型導電性半導體所組成的襯底，其具有實質上相互平行的二主b)于所述襯底制作復數個盲孔，使得此些盲孔的開口僅位于二主面中的一主面；c)通過一由與第一型導電性相反的第二型導電性半導體所組成的材料來填充盲孔，形成光伏電池的發射器。步驟a)可通過將一由第一型導電性半導體所組成的材料注入一模具來實施。在此方法的過程中，將襯底維持在最初模具中是可能的，移除后者的基座來減輕所有對齊的問題。填充步驟C)也可在盲孔的開口所位處的襯底的主面上，并透過對著具有盲孔開口的襯底主面所放置的第一掩膜，來制作由至少一第二型導電性半導體所組成與電池的發射器接觸的第一集電極引腳，且也包含在步驟c)后移除第一掩膜，并憑著透過設置在盲孔的開口所位處的襯底主面的對面的第二掩膜的注入，來制作由至少一第一型導電性半導體所組成與襯底接觸且與第一集電極引腳相互交叉的第二集電極引腳。所述襯底及/或發射器及/或集電極引腳是由半導體材料及高分子粉末所組成的材料混合物所制成，且所述方法在填充步驟c)后也可包含一脫脂(debinding)混合物的步驟，其是在大約300°C至600°C溫度并經過大約12小時至36小時的時間下所進行，以及一燒結脫脂后所得的粉末的步驟，其是在大約1000°C至1350°C溫度并經過大約1小時至8小時的時間下所完成。所述脫脂步驟及/或所述燒結步驟可在一還原空氣下，例如在一氫空氣下進行。


本發明將憑著閱讀所給實施例的范例描述，其純粹作為表明且未以此限制，并參考附加圖解而更加了解，其中-圖1為根據一特定實施例，描繪一構成本發明主題的光伏電池由截面與側面來看的局部視圖；-圖2為根據一特定實施例，描繪從一構成本發明主題的光伏電池的下方來看的局部視圖；-圖3為根據一特定實施例，描繪一構成本發明主題的光伏電池的部分截面視圖；-圖4為描繪于構成本發明主題的光伏電池的襯底所制作的盲孔的外形與截面的范例。下述不同圖式的相同、類似或均等部件具有相同數字符號，以便于從一圖移至另一圖。為了使圖式更易讀取，圖中所描繪的不同部件不一定以統一的比例來繪制。須了解各種可能性(變體及實施例)并不相互排斥的，且能互相結合。
具體實施例方式首先參照圖1，其為根據一特定實施例所描繪的一光伏電池100由截面與側面來看的局部視圖。此處的ρ型光伏電池100包含由ρ型硅所組成的襯底102。所述襯底102包含為
6了接收光線的正面104，以及背面106。在圖1的范例中，為了更好補集抵達光伏電池100 的光，正面104是具有特定結構的。在不同的實施例中，背面106也可以被結構化，不論是否以類似于正面104的方式。舉例來說，襯底102的厚度是大約50微米至300微米，且更好的是大約100微米至200微米。所述盲孔108形成于襯底102中，每一盲孔108具有一在襯底102的背面106的開口。如圖1所示，盲孔108所具有的外形使得在背面106區域中的盲孔108的截面面積較盲孔108的底壁面積大。圖3為圖1所示的AA軸上的光伏電池100的截面視圖，其能夠看到所述盲孔108在此情況下于與背面106平行的平面上具有三角形狀的截面。所述盲孔108以半導體110填充，在此實例中是η+型硅。因此，硅110的部分形成光伏電池100的發射器且襯底102形成光伏電池100的底座。因此，獲得分布遍及光伏電池100的體積的ρ-η接面。光伏電池100中所產生的電流的收集是通過由η+型硅所組成且與硅110的部分接觸的第一集電極引腳112來完成，且其與由ρ+型硅所組成且與襯底102的背面106接觸的第二集電極引腳114相互交叉(看圖1與圖2)。在平行于襯底102的主面104與106中的任一主面的平面上的盲孔108的截面可具有三角形之外的形狀，舉例來說圓形(舉例來說，看圖4所示的截面110c)。然而，盲孔108的截面更好是選擇圓形之外的形狀，舉例來說如圖3中的三角形、方形、星形(舉例來說，看圖4所示的截面IlOd與IlOf)、或多邊形，不論是規則或不規則(舉例來說，看圖4 所示的八角形截面IlOe)。這些形狀能夠使位在盲孔108中的半導體(所述發射器)與襯底102之間的接觸面積增加，其使得在光伏電池100中收集少數電荷載流子的可能性增加。 對于一給定的體積，相對于圓形截面，三角形狀的截面能夠使發射器的面積增加大約30%。 再次相較于圓形截面，對于通過迭加兩等邊三角形所構成的規則六角形狀的截面而言，其所得的面積增加接近2倍。最后，如有需要，更復雜的形狀可被設想(不論規則或不規則， 具有η邊的多邊形，或具η分支的三角形及/或星狀物的迭加)。依據所使用半導體的品質且特別是其擴散長度，半導體110的兩相鄰部分間的距離，其對應于兩相鄰盲孔108的距離，可為大約40微米至300微米之間，且更好的是60微米至100微米。在圖1的范例中，盲孔108具有一外形使得盲孔108截面的尺寸根據相對于背面 106的截面的距離有規律地減少，舉例來說一錐形外形110a(圖4)。在一變體中，盲孔108 可具有不同形狀的外形，像是舉例來說，截頂的尖拱形狀(參考圖4的110b)，其截面的尺寸不是沿著外形的全長而規律的減少，但主要發生在盲孔108的底壁。所述的盲孔108具有不同形狀的外形也是有可能的(舉例來說，圓柱形，也就是截面的尺寸沿著外形的全長是相同的)。有利地，在穿過背面106的平面上的每一盲孔108包含一面積較所述盲孔108 的底壁面積大的截面，與圖1的范例中的實例相同。因此，盲孔108的截面面積隨著光伏電池100的高度而變化以通過襯底102的半導體材料來考慮到入射光子的光譜吸收。其為可能的，舉例來說，在背面106區域中的盲孔108的截面面積與盲孔108的底壁面積之間的比率為大約1至3，且更好的是大約1. 2至2。此比率的數值特別是通過所使用材料的光子的吸收圖譜按照光源所選擇得。為了限制與由硅110部分所形成的η+區域的高重組活性有關的活性體積的耗損，盡可能的限制盲孔108的體積是可能的，同時考慮到與盲孔108的制作有關的技術限制為孔洞的形狀因數。高度，也就是如圖1所示在Y軸上的尺寸，與盲孔108的一截面的一側 (或在圓形的情況下直徑)的尺寸之間的比率可例如小于或等于10。另外，半導體部分的高度對應于盲孔108的深度是至少相等于襯底102厚度的一半。上述光伏電池100是ρ型，也就是包含在盲孔108中通過由ρ型硅與η+型硅110 組成的襯底102所形成ρ-η接面。在一變體中，所述的光伏電池100可以是η型，也就是包括在盲孔108中通過由η型硅與ρ+型硅110組成的襯底102所形成的p-η接面。另外，用于制作光伏電池100的半導體可為硅之外的半導體，舉例來說鍺。在上述的范例中，集電極引腳112,114因此分別為η+型與ρ+型。一般來說，(ρ型或η型)的襯底具有每立方厘米的摻雜原子濃度為IO15至1018，且有利的是IO"5至1017。所述發射器具有每立方厘米的摻雜原子濃度為IO16至1021，且有利的是IOw至102°。所述集電極引腳具有較其接觸的半導體高的摻雜原子濃度。因此，所述第一集電極引腳具有每立方厘米的摻雜原子濃度為IO19至1021，且有利的是IO^1至1021。若形成所述發射器的半導體具有足夠高的濃度，其也可適用于構成所述第二集電極引腳。這些第二集電極引腳(基座)可因此具有每立方厘米的摻雜原子濃度大約為IO19至1021，且有利的是5*1019至5*102°。現在描述的一種方法是用以制造光伏電池100。此方法使用來自微塑料 (microplasturgy)的低成本技術，其在高分子載體基質中使用含有硅粉末的存料混合物。對于ρ型光伏電池100的制作，首先制備由ρ型、ρ+型與η+型硅粉末以及特別用來保護硅粉末不受其自然氧化的高分子所組成的3存料混合物或填充物。這些混合物的載體高分子是以烯羥型單體為基礎的聚烯羥類型。多種聚烯羥的共聚高分子也可被使用。此處所描述的范例中，硅粉末與聚乙烯混合，且硅粉末的體積分率大約是等于50%。在此例示性實施例中，P型填充物每立方具有厘米的硼原子濃度大約是等于5*1016。所述ρ+型填充物具有每立方厘米的硼原子濃度大約是等于2*102°。最后，η+型填充物具有每立方厘米的磷原子濃度大約是等于2*102°。此方法的第一步驟在于將ρ型填充物注入模型內以形成襯底102。當渴望制作特定結構的正面時，所述模具可復制出此正面所期望的特定結構。有利地，也可能架構電池 100的背面106以進一步改善電池100的光學器件。模具的高度可稍為大于襯底102所期望的厚度。在此處所描述的范例中，所述模具具有橫向尺寸(對應于如圖2所示在X與Z 軸上的尺寸)等于大約10公分，以及高度等于大約250微米。將所述模具的下部，也就是對著襯底102的背面106所設置的模具底部移除，然后通過矩陣印刷襯底102以在襯底102中共同地形成盲孔108。此處所描述的范例中，對于等于大約100微米的擴散長度的材料及250微米厚度的襯底而言，通過鎳基基質來印刷襯底 102，其可具有引腳(意圖沉入襯底102內以形成盲孔108)，具有一截頂的圓錐體以及三角形截面的形狀，此處等邊三角形的側邊在孔洞的頂部與底部之間具有30微米至40微米的尺寸。所制得的盲孔108具有等于大約200微米的深度，且彼此間的間隔距離等于大約200 微米。此間隔一般將根據構成襯底的半導體的品質來選擇其將有利地比少數載流子的擴散強度的兩倍數值低。然后對著背面106涂布第一掩膜，其僅處于暴露意圖與半導體110部分接觸的集
8電極引腳112的位置，且將η+填充物注入盲孔108以形成半導體110部分而形成光伏電池 100的發射器。此掩膜具有一定的高度，例如等于大約20微米，以也形成第一集電極引腳 112。移除第一掩膜，然后對著背面106涂布能使第二集電極引腳114由ρ+硅填充物形成的第二掩膜。依據所使用的載體高分子性質，使電池100在大約300°C至600°C，且優先地400°C 至500°C的溫度下經歷一脫脂(debinding)步驟，其持續時間在大約12小時與36小時之間，優先地在大約18小時與30小時之間變化。此處所描述的范例中，所述脫脂步驟是在電阻爐中等于大約450°C的溫度下大約M小時完成。將脫脂步驟結果所得的結構在大約1000°C至1350°C，且優先地1200°C至1300°C 的溫度下經歷燒結步驟，其持續時間在大約1小時與8小時之間，優先地在大約3小時與6 小時之間變化。此處所描述的范例中，所述燒結步驟是在1300°C下大約4小時完成。這些脫脂及/或燒結步驟更好是在一還原空氣下，優先地是在氫氣或氫化氬下完成以允許光伏電池100的硅的核心氫化作用。
權利要求
1.一種光伏電池(100)，其特征在于其包含一由第一型導電性半導體所組成的襯底 (102)，包含實質上相互平行的二主面(104、106)，此處所述襯底(10 包含復數個盲孔 (108)，其開口位于所述二主面的單個主面(106)，且此處所述盲孔(108)是由與第一型導電性相反的第二型導電性半導體(110)所填充而形成所述光伏電池(100)的發射器，此處所述襯底(10 形成所述光伏電池(100)的底座，此處所述光伏電池(100)在包含所述盲孔(108)的所述開口的所述襯底(102)的所述主面(106)上，也包含由至少一所述第二型導電性半導體所組成與所述光伏電池(100)的所述發射器(110)接觸的第一集電極引腳 (112)，以及由至少一所述第一型導電性半導體所組成與所述襯底(10 接觸并與所述第一集電極引腳(112)相互交叉的第二集電極引腳(114)。
2.根據權利要求1所述的光伏電池(100)，其特征在于每一盲孔(108)具有一實質上與所述襯底(102)的所述二主面(104、106)垂直的中心對稱軸。
3.根據前述權利要求中任一項所述的光伏電池(100)，其特征在于每一盲孔(108)在穿過包含所述盲孔(108)的所述開口的所述襯底(10 的所述主面(106)的一平面上，包含一面積比所述盲孔(108)的底壁面積大的截面。
4.根據權利要求3所述的光伏電池(100)，其特征在于就每一盲孔(108)而言，在穿過所述盲孔的所述開口所處的所述襯底(10 的所述主面(106)的所述平面的區域上的所述盲孔(108)的所述截面的面積，與所述盲孔(108)的所述底壁面積之間的比率為1至3。
5.根據前述權利要求中任一項所述的光伏電池(100)，其特征在于每一盲孔(108)具有一實質上截頂的圓錐或尖拱形狀。
6.根據前述權利要求中任一項所述的光伏電池(100)，其特征在于每一盲孔(108)在一與所述襯底(10 的所述主面(104、106)中任一主面平行的平面上，具有一多邊形狀的截面。
7.根據前述權利要求中任一項所述的光伏電池(100)，其特征在于所述襯底(102)的所述主面(104、106)中至少一主面是結構化的。
8.根據前述權利要求中任一項所述的光伏電池(100)，其特征在于所述發射器的所述第二型導電性半導體(110)中每立方厘米的摻雜原子濃度為IO16至1021、或IOw至102°， 而所述襯底(10 的所述第一型導電性半導體中每立方厘米的摻雜原子濃度為IO15至 1018、或 IO"5 至 1017。
9.根據前述權利要求中任一項所述的光伏電池(100)，其特征在于所述襯底(102)的厚度小于300微米且每一盲孔(108)的深度較所述襯底(10 的一半厚度大。
10.根據前述權利要求中任一項所述的光伏電池(100)，其特征在于所述第二集電極引腳(114)的所述第一型導電性半導體以及所述第一集電極引腳(11 的所述第二型導電性半導體中每立方厘米的摻雜原子濃度為1019至1021。
11.一種制作光伏電池(100)的方法，其特征在于其至少包含下列步驟a)制作一由第一型導電性半導體所組成的襯底(102)，其具有實質上相互平行的二主面(104、106)；b)于所述襯底(102)制作復數個盲孔(108)，使得所述盲孔(108)的開口僅位于所述二主面中的一主面(106)；c)通過一由與第一型導電性相反的第二型導電性半導體所組成的材料來填充所述盲孔(108)，形成所述光伏電池(100)的發射器(110)；其中所述填充步驟c)也在所述盲孔(108)的所述開口所位處的所述襯底(102)的所述主面(106)上，并透過對著具有所述盲孔(108)的所述開口的所述襯底(10 的所述主面(106)所放置的第一掩膜，來制作由至少一所述第二型導電性半導體所組成與所述電池 (100)的所述發射器(110)接觸的第一集電極引腳(112)，且也包含在所述步驟c)后移除所述第一掩膜，并憑著透過設置在所述盲孔(108)的所述開口所位處的所述襯底(102)的所述主面(106)對面的第二掩膜的注入，來制作由至少一所述第一型導電性半導體所組成與所述襯底(10 接觸且與所述第一集電極引腳(11 相互交叉的第二集電極引腳(114)。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于所述步驟a)是通過將一由第一型導電性半導體所組成的材料注入一模具來實施。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于所述襯底(10 及/或所述發射器(110)及/或所述集電極引腳(112、114)是由半導體材料及高分子粉末所組成的材料混合物所制成，且所述方法在所述填充步驟c)后也包含一脫脂所述混合物的步驟，其是在大約300°C至600°C溫度并經過12小時至36小時的時間下所進行，以及一燒結脫脂后所得的粉末的步驟，其是在大約1000°C至1350°C溫度并經過大約1小時至8小時的時間下所完成。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于所述脫脂步驟及/或所述燒結步驟是在一還原空氣下進行。
全文摘要
一種光伏電池(100)，其包含一由第一型導電性半導體所組成的襯底(102)，包含實質上相互平行的二主面(104、106)，此處所述襯底包含復數個盲孔(108)，其開口位于所述二主面的單個主面(106)，且此處所述盲孔是由與第一型導電性相反的第二型導電性半導體所填充而形成光伏電池的發射器，此處所述襯底形成光伏電池的底座，此處所述電池也包含由第二型導電性半導體所組成與光伏電池的發射器接觸的第一集電極引腳(112)，以及由第一型導電性半導體所組成與襯底接觸且與第一集電極引腳相互交叉的第二集電極引腳(114)。
文檔編號H01L31/0352GK102224597SQ200980146434
公開日2011年10月19日 申請日期2009年11月20日 優先權日2008年11月21日
發明者揚尼克·維斯切蒂, 珍-保爾·格蘭德特, 閭客·妃德中尼 申請人:法國原子能與替代能委員會