專利名稱：包括所有背面接觸結構的光電器件以及相關處理的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及高效太陽能電池。尤其，本發明涉及基于包括異質 結的半導體器件的太陽能電池。
背景技術：
無疑地，如果太陽能量能夠以可用的方式獲得，則太陽能量提供電 勢，為人類的使用提供實際上無限制的能量。或許只要在使用太陽能量 以獲得電的方面作出最大努力，則其能通過任一種現有的電子網絡用在 家庭、居民區或工業水平上。從太陽輻射產生該電的主要方式包括借助 于光電轉換器直接產生。這些類型的器件依賴于異質結的存在，并在現 有技術中是公知的。(如該上下文中所使用的，異質結是由不同半導體 材料層構成的半導體結。這些材料通常具有不同的帶隙。作為一個實例， 異質結可通過一種導電類型的層或區域與相反導電性的層或區域的接觸
形成，例如"p-n"結)。除了太陽能電池之外，使用異質結的其它器件 包括薄膜晶體管和雙極晶體管。
總之，光電器件將輻射如太陽能、白熾光或熒光輻射轉換成電能。 太陽光對于大部分器件來說是典型輻射源。轉換為電能通過公知的光電 效應實現。根據該現象，撞擊光電器件的輻射由器件的有源區域吸收， 產生電子空穴對，其有時被共同稱作光生電荷載流子。電子和空穴擴散， 并且通過所建立的電場聚集到器件中。
考慮到太陽能電池用作這種可靠形式的干凈、可再生能量的潛力， 已經作出很大努力以提高其性能。這種性能的一個主要測量是器件的光 電轉換效率。轉換效率通常被測量為由器件產生的電流量，與接觸其有 源表面的光能成比例。如該文獻中所記載的，光電轉換效率很小的增加、 例如1 %或更小都表示光電技術非常顯著的進步。
光電器件的性能很大程度上依賴于每個半導體層的組分和微結構。 例如，由結構缺陷或雜質原子導致的缺陷位置存在于單晶半導體層的表 面上或本體內。而且，多晶半導體材料含有任意取向的晶粒，具有引起 大量本體和表面缺陷位置的晶界。
存在這種類型的多種缺陷是光電器件中的有害效應源。例如，很多
電荷栽流子在異質結附近的缺陷位置處復合，而不是繼續其預定的路徑 至一個或多個集電極。由此，作為電流載流子其丟失了。電荷載流子的 復合是光電轉換效率降低的一個主要原因。
表面缺陷的負效應可通過鈍化技術被最小化至一定程度。例如，本 征(即未摻雜)非晶半導體材料層被形成于襯底表面上。存在該本征層 降低了襯底表面處電荷載流子的復合，并由此提高了光電器件的性能。
使用這種類型的本征層通常在US.專利5， 213， 628 (Noguchi等人) 中描述。Noguchi描述了一種光電器件，其包括所選導電類型的單晶硅 或多晶硅半導體層。250埃或更少的實質上的本征層形成于襯底上方。基 本上非晶層形成于本征層上，具有與襯底相反的導電性，并實現"半導 體夾入結構，，。光電器件通過在非晶層上方增加透明電極和貼附到襯底 下側上的背電極完成。
Noguchi專利中描述的光電器件在一些情況下似乎相當程度地最小 化了電荷載流子復合的問題。例如，認為存在所選厚度的本征層能增加 器件的光電轉換效率。而且，由于Noguchi等人的公開，以這種方式鈍 化半導體襯底表面的觀點已經在很多參考文獻中作了描述。實例包括U. S. 專利5, 648, 675 (Terada等人)和U. S.專利>^開號2002/0069911 Al (Nakamura等人)2003/0168660 Al( Terakawa等人)；和2005/0062041 Al ( Terakawa等人)。
雖然上述參考文獻在一定程度上解決了復合問題，但是仍存在一些 明顯缺陷。例如，存在本征層雖然是有利的，但是其導致形成另一界面， 即在本征層和其上覆蓋的非晶層之間。該新的界面是用于雜質和寄生的 污染物的再一位置，從而被捕獲和聚集，并且可能會導致電荷載流子的 另外復合。作為實例，多層結構制造期間的沉積步驟之間的中斷能不給 污染物進入提供機會。而且，由于導電性變化和/或帶隙變化導致的界 面處帶的突然彎曲會引起高密度界面態，這是復合的另一個可能原因。
而且，雖然消除電荷載流子復合一定會增加光電轉換效率，但是也 存在能降低常規太陽能電池的性能的其他因素。作為實例，現有技術中 的太陽能電池通常都用電池前面側上的很多電連接制造，即表面接收入 射光。由此，電池的前表面通常都包括前側金屬網格線或電流收集帶， 與相關器件和硬件如母線和接頭一起。
由于很多原因，在太陽能電池前側上存在這些部件是不利的。例如，
網格線和接頭降低了均勻性和太陽能電池的整體外形。例如在住宅設計 中，太陽能電池的美學特征通常表示標準質量參數。而且，太陽能電池 的操作性能會受到存在的這些前側部件的不利影響，由于其"遮擋"了 將被電池吸收的部分入射光。
與太陽能電池中前表面部件相關的各種問題被部分成功的解決了。 例如，已經開發了一種在電池的背面側上具有所有電連接的硅光電裝
置。如美國專利5, 053, 083 (Sinton)中所描述的，"背面側"型電池 顯示出增加的效率，這主要是由于缺少了阻擋所需光能量的前側部件。 而且，沒有這些部件利于在電池前面側上的其他處理和操作，例如形成 紋理應用，如以下所述。
然而，增加光電效率的動力仍然是不懈的，這是由于該效率直接影 響光電器件的經濟可行性。由此，改進的光電器件在本領域中非常受歡 迎。該器件最小化了在半導體層之間各界面區域處電荷載流子復合的問 題。而且，該器件顯示出確保良好光電性能、如光電轉換效率的電特性。 而且，器件能夠被有效且經濟地制造。
制造該器件消除了引入過多量的雜質和其他缺陷的工藝步驟。對于 很多這種器件的另一種重要需求是其視覺特征。具體地，當用在一定應 用如家庭和其他結構的美學設計中時，太陽能電池結構美學上令人愉悅 并且流4亍。

發明內容
本發明的一個實施實例涉及到半導體結構，其包括
(a) —種導電類型的半導體襯底，具有前表面和后表面；
(b) 第一非晶半導體層，其設置在半導體襯底的前表面上；
(c) 第二非晶半導體層，其設置在半導體襯底的后表面的一部分 上，其中第二非晶半導體層沿著其深度有組分梯度，從在襯底界面處基 本本征，到相對側的基本導電，所述第二非晶半導體層具有通過結合所 選摻雜劑原子獲得的所選導電類型；和
(d) 第三非晶半導體層，其設置在半導體襯底的后表面的另一部分 上，并且與第二非晶半導體層相間隔，其中第三非晶半導體層沿其深度 有組分梯度，從與襯底界面處的基本本征到相對側的基本導電，所述第 三非晶半導體層具有通過結合所選摻雜劑原子獲得的與第二非晶層的導 電類型不同的導電類型。
本發明的另 一 實施例涉及到太陽能模塊，包括一個或多個太陽能電 池器件，其中至少一個太陽能電池器件包括在此描述的半導體結構。
用于制造光電器件的方法構成了本發明的另一實施例。該方法包括
步驟
(I)在半導體襯底的前表面上方形成第一非晶半導體層；
(II )在半導體襯底的后表面的一部分上形成第二非晶半導體層，
通過在該后表面部分上方連續沉積半導體材料和摻雜劑，同時改變摻雜
劑濃度以使第二非晶半導體層沿其深度有組分梯度，從與襯底后表面界
面處的基本本征到相對側處的基本導電；
(ffl)在半導體襯底的后表面的另一部分上形成第三非晶半導體
層，通過在該后表面部分上方連續沉積半導體材料和摻雜劑，同時改變
摻雜劑濃度，以使第三非晶半導體層沿其深度有組分梯度，從與襯底的
后表面的界面處的基本本征到相對側處的基本導電。
根據以下詳細描述，結合附圖，本發明的各特征、方面和優點將更
加明顯。


圖1是描述了根據本發明一個實施例的光電器件結構的示意性截面圖。
圖2是描述了根據本發明另一實施例的光電器件結構的示意性截面圖。
圖3是描述了根據本發明再一實施例光電器件結構的示意性截面圖。
具體實施例方式
本發明的硅襯底可以是多種形式的。如圖1中所描述的，襯底10可 以是單晶或多晶硅。而且，襯底材料可以是n型或p型，這部分取決于 光電器件的電學需求。襯底10包括前表面12和后表面14。襯底通常具 有約50微米至約600微米的厚度。(應當理解，在此提供的所有附圖都 不必按比例畫出，而是為了便于理解本文內容而畫出)。
在沉積其他半導體層之前，通常在襯底上進行各種常規處理步驟。 例如，可清洗襯底并將其設置在真空室中(例如，等離子體反應室，如 以下所述)。之后將室加熱到足以去除襯底上或襯底中的任何濕氣的溫 度。通常，在約120 - 2401C范圍內的溫度是足夠的。有時，然后將氫氣
引入到室中，且將襯底暴露到等離子體放電中，用于附加的表面清洗。 然而，在清洗和預處理步驟上可以有很多變化。通常，在用于器件的另 外制造的室中進行這些步驟。
在襯底上方形成的各種半導體層通常都(盡管并不總是)通過等離 子體沉積來涂覆。可以用多種不同類型的等離子體沉積。非限制性的實
例包括化學氣相沉積(CVD);真空等離子體噴射(VPS);低壓等離子 體噴射(LPPS)，等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，射頻等離子體 增強化學氣相沉積(REPECVD )，膨脹熱等離子體化學氣相沉積(ETPCVD ); 電子回旋加速器諧振源等離子體增強化學氣相沉積(ECRPECVD)，電感 耦合等離子體增強化學氣相沉積(ICPECVD )和空氣等離子體噴射(APS )。 也可使用濺射技術，如反應濺射。而且，也可以采用這些技術中任一些 的組合。本領域技術人員熟知所有這些沉積技術的一般操作細節。在一 些優選實施例中，通過PECVD工藝形成各半導體層。
在圖1中描述的本發明的一個實施例中，本征非晶硅層16形成于襯 底10的前表面12上。如前所述，本征層1是6未摻雜的(即，具有基 本為零的摻雜濃度)。該層可以很多種方式形成。作為非限制性實例， 硅襯底IO可以設置在等離子體反應室(例如CVD或PECVD)中。在對室 抽真空之后，將襯底加熱到適當溫度，例如約1201C至約240*C。含硅氣 體如硅烷被泵抽到室中，同時例如通過輝光放電產生等離子體。等離子 體引起氣態前體的分解，導致形成硅的非晶層。
本征層165的厚度取決于各種因素，包括該層的光學和電學特性。 層的厚度很大程度上受襯底界面處電荷載流子復合的最小化程度的影 響。通常，層16的厚度小于或等于約250埃。在一些具體實施例中，層 16具有的厚度在約30埃到約180埃的范圍內。例如通過進行關于結合 了半導體的光電器件的光電轉換效率的測量，確定給定情況下最適當的
厚度而不需要過度的努力。
根據該實施例，透明膜或層18被設置在光電器件的光接收側上的本 征非晶硅層16上。膜18為器件提供了抗反射(AR)特性。透明膜包括 各種材料如金屬氧化物。非限制性實例包括氮化硅(S i N )、氧化鋅(ZnO )、 摻雜的ZnO、和氧化銦錫(ITO)。膜18通過各種常規技術形成，如'減 射或蒸發。其厚度取決于各種因素，包括所需的AR特性。通常，透明膜 l8 (具有頂表面20)具有在約200埃到約IOOO埃范圍內的厚度。 第二非晶半導體層22被設置在襯底10的后表面14的一部分上。雖 然襯底10是光電器件的主要功率產生層，但是半導體層22構成了一個 器件的一個電極的一個部件。如本領域技術人員所理解的，電極通常被 設計成承載功率(電流)通過器件并將該功率運載到外部電路。半導體 層22可以是n型或p型，這取決于光電器件的電結構。
根據本發明的主要實施例，第二非晶層22在摻雜劑濃度方面有組分 梯度。總之，摻雜劑濃度在與襯底的界面處即在圖1的區域24中基本上 為零。根據半導體導電性目的，在層22的相反側即區域26中摻雜劑濃 度為最大值。對于這些類型層的組分梯度的概念通常也在轉讓給本發明 受讓人的未決申請中作了描述J. Johnson和V.Manivannan于2005年 10月31日提交的U.S.專利申請S.N. 11/263， 159。該專利申請的內容在 此通過參考并入本文。
術語"組分梯度"意思是描述作為半導體層22的深度("D")函數 的摻雜劑濃度的變化(即"梯度")。在一些實施例中，梯度基本上是 連續的，但是并不總是這種情況。例如，濃度的改變速度本身也隨著深 度而變化，在一些區域中稍有增加，而在其他區域中稍有降低。(然而， 整體梯度特征總在于向著襯底10的方向上摻雜劑濃度降低)。而且，在 一些情況下，摻雜劑濃度對于深度的一些部分保持常數，盡管該部分可 能很小。梯度中這些變化的任一種和所有都意味著被術語"梯度，，所包 括。對于給定半導體層的具體摻雜劑濃度曲線將取決于各種因素，例如， 摻雜劑的類型和半導體器件的電性需求；和其微結構和厚度。
如上所述，層22的摻雜劑濃度在與襯底的界面處基本上為零，和特 定的摻雜劑曲線無關。由此，本征區域24用于防止與襯底表面14的界 面處電荷載流子復合。相反位置處，非晶層22、區域26的下表面基本是 導電的。在該區域中的具體摻雜劑濃度取決于半導體器件的特定需求。 作為多晶或單晶硅襯底情況下的非限制性實例，區域26通常都具有在約 1 x 10'6cm —3到約1 x 10"cnT3范圍內的摻雜劑濃度。
梯度非晶層22的厚度也取決于各種因素，如所采用的摻雜劑類型； 襯底的導電類型；梯度變化曲線；和區域26中的摻雜劑濃度。如層16 中的情況，層22的厚度通常都低于或等于約250埃。在一些具體實施例 中，梯度層22具有在約30埃到約180埃范圍內的厚度。如對于層16的 之前描述，給定情況下最適合的厚度能通過關于器件的光電轉換效率進
行測量來容易地確定。其他特性的測量(例如開路電壓(v。。)、短路電
流(1 )，和填充系數(FF))也能有助于確定層22最適合的厚度。
在一些優選實施例中(并非所有)，電極層28形成于非晶半導體層 22的后側上(圖1 )。通常，電極層28用作擴散阻擋層，防止金屬原子 從導電層(以下描述)擴散到半導體層22中。電極層28通常由導電材 料如氧化銦錫、Zn0、摻雜的ZnO等形成。其可由用于沉積導電層的任一 種典型沉積技術形成。層28通常具有在約50埃到約500埃范圍內的厚 度，盡管該范圍可明顯變化。
通過繼續參考圖l，金屬觸點30被設置在非晶半導體層22上。在 沒有插入電極層28的情況下，金屬觸點30被直接施加到層22上。當存 在層28時，金屬層30將被施加于其上方。金屬觸點30用作導電電極， 其將由光電器件產生的電流傳送到所需要的位置。金屬觸點能由各種導 電材料形成，如銀Ug)、鋁(Al )、銅(Cu)、鉬(Mo)、鴒(W)、 鈦(Ti )、鈀(Pd)和其各種組合。盡管金屬觸點30在圖1中示出為材 料層，但是其形狀和尺寸能夠明顯變化，如以下進一步描述的。金屬觸 點可通過各種技術形成，例如等離子體沉積、絲網印刷、真空蒸鍍(有 時使用掩模)、氣動分配或直接寫入技術如噴墨印刷。
第三非晶半導體層32被設置在襯底IO的后表面14的另一部分上。 與層22的情況相同，半導體32構成了一個光電器件的一個電極的另一 個部件。層32可以是n型或p型的。然而，在很多這種類型的半導體結 構中，層32具有與半導體層22不同的導電性(n或p)。(圖1中，層 22被任意描述為n型，同時將層32描述為p型)。
與非晶半導體層22的情況相同，層32在摻雜劑濃度方面有組分梯 度。由此，摻雜劑濃度在與襯底的界面處即圖1中的區域34基本為零。 該本征區域防止電荷載流子復合，如之前所描述的。在層32的相反側， 即區域36，根據半導體導電性的目的，摻雜劑濃度為最大值。正如層22 和16的情況那樣，層32的厚度通常小于或等于約250埃。在具體實施 例中，該層具有約30埃到約180埃范圍內的厚度。
正如區域26的情況那樣，區域36通常都具有在約1 x 10"cm—3到約 1 x 102lcm —3范圍內的摻雜劑濃度。然而，具體濃度不需要與區域26的相 同，且其部分取決于器件的整體結構。而且，半導體層32的整體梯度圖 形與半導體層22的相似或者基本相同。然而，在一些實施例中，梯度曲
線相互不同，其再次取決于如層組分和厚度、摻雜劑類型、半導體需求
等因素。而且，應當強調的是，"區域"24、 26、 34和36的確切深度 根據在此討論的因素而改變，該因素例如是半導體層厚度和摻雜劑曲 線。這對于其它圖中描述的類似區域也是對的。
圖1中，半導體層22和32的各個寬度被描述為相互相等。(圖中， 用箭頭和字母"W"表示寬度尺寸)。然而，不必使得寬度相等。在一些 優選實施例中，i-p-梯度非晶層的寬度(在此，可選電極層38能夠被施 加到非晶半導體層32的后側上方)。層38以與層28相似的方式實施， 例如用作下部非晶半導體層和以下描述的金屬觸點之間的擴散阻擋層。 電極層38也通常由導電材料形成。其具有與層28相同的厚度，但是在 一些實施例中，該厚度也可以是不同的。
金屬觸點40被設置在非晶半導體層32上，如圖1中所描述的。與 金屬觸點30的情況相同，觸點40可被直接施加到層32上，或者可選層 38的頂部上。金屬觸點40用作另一導電電極，將由光電器件產生的電流 傳送到所需要的位置。金屬觸點由上述的導電材料形成，并且通常由與 觸點30相同的材料制成。而且，觸點40的尺寸和形狀可以顯著變化， 與其形成的方式相關。換句話說，這些參數和細節對于觸點30不必相同， 因為它們很大一部分依賴于光電器件的整體結構。
還如圖1中所示，第二非晶半導體層22通過隔離溝槽42與第三非 晶半導體層32相間隔。通常，溝槽42的主要功能是在電學上和在結構 上隔離兩個半導體層，和/或隔離接觸層30和接觸層40。溝槽的精確形 狀也可以變化。在各種半導體層和金屬層的制造期間或之后，通過很多 常規技術來形成溝槽。作為實例，溝槽可通過鉆孔工藝如激光鉆孔或通 過機械劃片技術來形成。在一些情況下，溝槽被填充或部分填充有電絕 緣材料，例如聚合物樹脂(在此未示出)。在用于形成器件的各種制造 步驟如蝕刻、研磨或劃片步驟期間，絕緣材料用于保護襯底10的下側。
接觸層30和40構成了電子系統的一部分，用于互連各種半導體元 件。任一種常規電設計可用于這種系統。如在此強調的，優選實施例需 要所有電觸點都結合到確保器件的前表面即頂表面20基本沒有阻擋入射 光的任何部件的位置中。通常，之后，各種電互連一般都位于襯底的后 表面14的附近，形成"全部-背面-接觸"結構。
作為圖示，觸點是交叉型的。例如(和當從器件的平面透視圖看時)，
觸點被設置成梳狀，如U.S.公開號2005/0062041 Al中所描述的，在此 通過參考將其并入本文。交叉型設置也在各種其他參考文獻中描述，例 如U. S.專利號5， 053， 383 (Sinton) ; 4， 200, 472 (Chappell等人); 和公開號2004/0200520 Al (Mulligan等人)，在此通過參考將其并入 本文。本領域技術人員對于特定器件能容易確定最適當的金屬化和電設 計，而不需要過度努力。
半導體層22和32的組分梯度能通過各種技術來進行。沉積每一層 通常都在單獨的步驟中進行。通常，梯度變化通過在等離子體沉積期間 調整摻雜劑水平來實現。在典型實施例中，硅前體氣體如硅烷(SiHO被 引入到設置了襯底的真空室中。稀釋氣體如氬也可以與硅前體氣體一起 被引入。前體氣體的流速可以顯著變化，但是通常在約10sccm到約 300sccm的范圍內。在沉積的最初階段期間，沒有摻雜劑前體。因此， 區域24和34基本上是本征的("未摻雜的，，)，如上所述，由此用于 鈍化襯底10的表面。
由于對于每一層22和32繼續沉積工藝，因此摻雜劑前體被增加到 等離子體混合物。前體的選擇當然取決于所選擇的摻雜劑，例如n型摻 雜劑如磷(P)、砷(As)和銻(Sb);或者p型摻雜劑如硼(B)。提 供摻雜劑化合物的幾個非限制性實例對于p型摻雜劑是乙硼烷氣體 (B2HO ，或者對于n型摻雜劑是磷化氫(PHO 。摻雜劑氣體可以是純 的，或者其被載氣如氬、氫或氦稀釋。形成每一層22和32的期間，仔 細控制摻雜劑氣體的添加，以提供所需要的摻雜曲線。本領域技術人員 熟知氣體測量裝置例如質量流量控制器，其能用于執行該任務。摻雜劑 氣體的供給速度被選擇為基本上匹配上述的梯度設計。由此，在非常一 般的術語中，摻雜劑氣體的供給速度在沉積工藝中逐步增加。然而，供 給速度的很多具體變化都能被編程到沉積方案中。在處理的這個步驟結 束時的最大流速導致形成基本導電的區域26和36，如前所述。每個區域 26和36都與襯底形成了異質結。
在圖1的實施例中，本征非晶硅層被形成于襯底的前表面上。然而， 在其他實施例中，代替本征層形成有組分梯度的非晶半導體層。該替換 實施例的一個圖示在圖2中描述。(該圖中，與圖1中那些相似或相同 的很多元件沒有被標記，或者被提供有相同的元件標號)。由此，如圖2 中所示，第一非晶半導體層50被設置在襯底10的前表面12上。該第一
非晶半導體層沿其深度有組分梯度。由此，該層在與襯底的界面處(即
區域52 )基本為本征，和在相對側(區域54 )基本為導電。
對于圖l的梯度層，層50根據前述相同技術有組分梯度。而且，該 層50的梯度曲線與其他梯度層的梯度曲線相似，盡管其也可以具有不同 曲線。通常，層的導電區(即區域54)具有前述的一般范圍內的摻雜劑 原子濃度，即約1 x 10'6cm —3到約1 x io2lcm—3。用于梯度層50的摻雜劑 類型部分取決于襯底的導電類型。通常，該層與襯底形成了異質結。
正如其它摻雜區域的情況那樣，層50的具體摻雜劑濃度曲線取決于 各種因素，例如，摻雜劑類型和半導體器件的電需求；以及其微結構和 厚度。存在組分梯度的層50能夠非常有利地作為防止電荷載流子復合的 附加位置。以這種方式，電荷載流子向著器件的集電極的預期路徑增強 了，由此導致更大的光電轉換。層50能被稱作前表面場(FSF)。
正如圖1的實施例中那樣，透明膜或層56被設置在圖2中非晶半導 體層50的頂部上，為器件提供了抗反射特性。而且，器件還包括第二和 笫三非晶半導體層22、 32，其形成在襯底的后表面14上。在優選實施 例中，這些層中的每一層都有組分梯度，如前所述。
通過繼續參考圖2，金屬接觸層30和40被分別形成于層22和32 上方。在該特定圖示中，在金屬接觸層和下部非晶層22和32之間(即 與圖l的層28和38相類似)沒有電極層。然而，應當理解，電極層也 可以用在該實施例中，例如，實施為擴散阻擋層。
在本發明的優選實施例中，對半導體器件的至少一個平面型表面形 成紋理(texture)。對器件的各種表面形成紋理都能降低不希望的光反 射。而且，形成紋理能通過延長一個半導體層中的光學路徑長度("光 學光陷阱，，)更加有效地利用入射光。通常，至少對前側(即，最接近 入射光的表面)形成紋理。
形成紋理能通過各種技術進行。 一個啟發性的信息源是這樣一篇文 獻，David King等人的"Experimental Optimization of an Anisotropic Etching Process for Random Texturization of Silicon Solar Cells" ， IEEE， Conference Proceedings (1991 )第303 - 308 頁。在此通過參考將該文獻并入本文。經常地，使用低濃度(例如，低 于約5%體積)的堿性化合物如氫氧化鉀或氫氧化鈉的中堿性溶液，通過 蝕刻技術來實施形成紋理。堿溶液也含有其他化合物，例如，氫氧化合
物如異丙醇。也可采用很多其它類型的堿性溶液。
圖3是這些優選實施例中一些的半導體器件的非限制性圖示。(該 圖中，與圖1中的那些相似或相同的很多元件都沒有標記，或者其被提 供有相同的元件數字)。在一些優選實施例中，對襯底的前表面12形成 紋理，如圖3中所示。而且，對后表面14形成紋理。
形成紋理類型可以根據上述討論的大量因素而顯著變化。作為一個 實例，被形成紋理的部件是微觀角錐60的形式，如圖3中所示。應當強 調的是，圖3示出了被形成紋理的所有平坦表面，盡管對于這種情況這 不需要或不是優選。本領域技術人員將理解，對于很多表面所形成紋理 的輪廓都由下部表面的輪廓有效地產生。例如，如果襯底表面12和14 被形成紋理，則設置在這些表面上方的層(和其之后的層)總是適合于 襯底表面的共形特征。例如，圖3中示出了半導體層16、 22、 32，透明 層18;和金屬接觸層30、 40。(在存在時，光學電極層例如圖l中的層 28和38也可以被形成紋理)。
與光電器件的半導體層的形成紋理相關的各種其他細節在本領域中 是公知的。作為一個實例，U. S.專利號6， 670, 542 (Sakata等人)描述 了形成在光電轉換器件中使用的單晶層的形成紋理的表面的步驟。 Sakata等人的專利在此也通過參考結合。而且，Sakata等人的專利也在 此通過參考并入本文。而且，Sakata等人公開了一種有助于確保i型非 晶層(與在此所描述的相似)以所需要的層均勻度形成于所形成紋理的 表面上的工序。
上述討論涉及到經常用作太陽能電池器件的半導體結構。這些器件 中的一個或多個可結合到太陽能模塊的形式中。例如，很多太陽能電池 能彼此串聯或并聯地電連接，以形成模塊(本領域技術人員熟知電連接 等相關細節)。這種模塊能夠實現比單個太陽能電池器件更大的能量輸 出。
太陽能模塊的非限制性實例在各種參考文獻中都有描述，例如U. S. 專利6， 667, 434 (Morizane等人)，在此通過參考將其并入本文。該模 塊通過各種技術形成。例如，很多太陽能電池器件可夾入到玻璃層之間， 或者玻璃層和透明樹脂片之間，例如，樹脂片由EVA(乙烯基乙酸乙烯酯) 制成。由此，根據本發明的一些實施例，太陽能模塊含有至少一個太陽 能電池器件，其自身就包括與半導體襯底相鄰的有組分梯度的非晶層，如前面所描述的。使用梯度層能提高器件特性，如光電轉換效率等，并 由此提高太陽能模塊的整個性能。
Morizane等的參考文獻對于一些太陽能模塊還描述了各種其他特 征。例如，該專利描述了 "兩側入射"型太陽能模塊，其中光能接觸模 塊的前和后表面。而且，專利描述了太陽能模塊，其必須非常防潮(例 如戶外所使用的那些)。在這些類型模塊中，密封樹脂能用于密封每個 太陽能電池元件的側面。而且，模塊包括防止不希望的鈉擴散到附近的 玻璃層的各種樹脂層。太陽能模塊的所有這些類型都結合了包括在此所 描述的有組分梯度的單個(或多個)非晶層的器件。
本領域技術人員通常熟知關于太陽能模塊的主要部件如各種襯底材 料、背材和模塊框架的很多其他細節。其他細節和考慮也是公知的，例 如進和出模塊的引線連接(例如通向電反相器的那些)；以及各種模塊 封裝技術。
實例
以下提供一般實例。應當認為其僅為示意性的，且不應將其構成為 任一種類型的對所要求本發明的范圍的限制。
根據本發明一些實施例的光電器件的制造能如下進行 一種導電類 型的單晶或多晶半導體襯底(或硅晶片)首先通過常規技術被蝕刻。例 如，含有所選比例的超純去離子水、氫氧化鉀U0H，濃度為45% )和異 丙醇的形成紋理溶液首先在石英容器中制備。形成紋理溶液的溫度通常 都被保持在65*C - 80TC。然后將襯底浸入到攪動溶液達到所確定的時間 段，以適合于實現所需要的蝕刻程度(通常為約5-60分鐘)。在形成 紋理步驟之后，移走襯底并且用去離子水清洗。
在一些情況下，在形成紋理之前對襯底進行各種預處理步驟。例如， 襯底(例如，晶片)能被浸入到緩沖氧化物蝕刻(B0E)溶液中達60秒， 之后進行表面損傷去除蝕刻。后一步驟能在85"C下在KOH:H20溶液為1: 1 的溶液中進行達30分鐘，并且能導致約30微米的所需要的襯底減薄。 晶片能被儲存在異丙醇中達約至少IO分鐘，以防止表面氧化。
通過參考圖3的示意性實施例，在器件的前側上形成部件的制備中， 然后襯底IO被設置在等離子體反應室(例如等離子體增強化學氣相沉 積系統)中。真空泵用于從室中去除空氣，且之后將襯底預加熱到約120 至約240TC。在襯底的前表面上進行可選的氫等離子體表面制備步驟。以
約50至約500sccm (標準立方厘米每分鐘)的流速將氫氣(H2)引入到 室中。節流閥用于保持約200mTorr至約800mTorr范圍內的常數處理壓 力。功率密度在約6 mW/cm2至約50 mW / cm2范圍內的可替換的頻率輸 入功率用于引起和保持等離子體。所施加的輸入功率從約100 kHz至約 2.45GHz。氫等離子體表面制備時間從約1到約60秒。
在氫等離子體制備步驟的結束時(如果采用這種步驟的話)，以約 10sccm至約300sccm的流速，將硅烷(SiHO引入到處理室中。這將開 始沉積本征非晶硅層16。(該實施例中，沒有包括在等離子體中的摻雜 劑前體，使得非晶層的組分是本征的(未摻雜的)，由此用于鈍化半導 體襯底的表面)。沉積繼續進行直到本征層實現所需要的平均厚度。如 上所述，層通常與下部襯底的表面輪廓共形，并由此還具有所形成紋理 的表面。
在形成本征層16之后，透明抗反射層或涂層18能在適當的處理室 中形成。如上所述，多種技術可用于形成這種層，如賊射、CVD、蒸發等。 沉積繼續進行直到層18具有所需要的厚度。正如層16的情況那樣，層 18通常近似地與下部表面共形，由此產生所形成紋理的最上部表面20。
在形成所有后側部件的制備中，之后能將襯底10重新放置在真空室 中。存在關于形成每一個后側非晶層、以及覆蓋的金屬觸點和介入的可 選電極層的很多細節。不需要詳細說明這些層的形成中包括的很多步 驟，這是由于其在半導體工業是非常常規的。如本領域技術人員所理解 的，在后側上形成各種層包括連續的沉積和光刻步驟，例如，掩模、固 化(啄光)、光致抗蝕劑剝離、蝕刻等。
關于梯度層22和32的形成進行簡要評述。(這些形成中的步驟基 本上相同，盡管不同摻雜劑原子都用于提供不同的導電類型)。如對于 器件的前側所描述的，氫等離子體制備步驟首先對后側實施，其中，以 約10sccm至約300sccm的流速將硅烷引入到處理室中。這將導致本征非 晶區24和34的形成(取決于首先形成哪一層)。在每一種情況下，不 存在的摻雜劑前體起鈍化襯底的后表面14的作用。
隨著對層22和32中的每一層的沉積工藝的繼續，隨后將所需要的 摻雜劑前體添加到等離子體混合物中。摻雜劑前體的實例是、 B (CH3) 3 和PH"其可以是純的形式或者用載氣如氬、氫或氦來稀釋。前體的流速 在組分梯度層沉積過程中增加。這通過單層在摻雜濃度中形成梯度。在
梯度層沉積工藝完成時，等離子體中的摻雜劑前體的濃度基本實現了摻
雜的非晶半導體特性，即在區域26和36中。
根據前述技術中的一種或多種如濺射，之后將電極層28和38 (如 果存在的話)形成在各自的、梯度層上方。觸點30和40還能以常規方 式形成，例如通過絲網印刷。隔離溝槽42還能以公知方式形成，例如通 過激光鉆孔或機械切片。本領域技術人員也熟知用于器件的其他常規制 造步驟。而且，上面列舉出的專利和其他參考文獻提供了含有關于多個 這種類型器件的模塊制造的更多細節。
盡管已經詳細描述并示出了本發明，但是應當清楚地理解，該描述 公開了本發明不同實施例的實例，但不限于所提供的實例或說明。因此， 本領域技術人員可作出各種修改、改進和替換而不超出本所要求本發明 觀念的精神和范圍。在此，上述的所有這些專利、專利申請、文獻和文 章都通過參考并入本文。
權利要求
1.一種半導體結構，包括(a)一種導電類型的半導體襯底(10)，其具有前表面(12)和后表面(14)；(b)第一非晶半導體層(16)，其設置在半導體襯底(10)的前表面(12)上；(c)第二非晶半導體層(22)，其設置在半導體襯底(10)的后表面(14)的一部分上，其中第二非晶半導體層(22)沿著其深度有組分梯度，從與襯底(10)的界面處的基本本征到相反側處的基本導電，所述第二非晶半導體層(22)具有通過結合所選擇的摻雜劑原子獲得的所選的導電類型；和(d)第三非晶半導體層(32)，其被設置在半導體襯底(10)的后表面(14)的另一部分上并且與第二非晶半導體層(22)間隔開，其中第三非晶半導體層(32)沿其深度有組分梯度，從與襯底(10)的界面處的基本本征到相對側上的基本導電，所述第三非晶半導體層(32)具有通過結合所選擇的摻雜劑原子獲得的與第二非晶層(22)的導電類型不同的導電類型。
2. 如權利要求1的半導體結構，其中對于第二非晶半導體層(22 ) 和第三非晶半導體層(32)，在與襯底(10)的界面處的摻雜劑原子濃 度基本為零；和在相反側處的摻雜劑原子濃度是在約1 x 10'6cm—3到約1 x 102'cm—3的范圍內。
3. 如權利要求1的半導體結構，其中至少一個電觸點(30)設置在 第二非晶半導體層(22)上方，且至少一個電觸點(40)設置在第三非 晶半導體層(32)上方。
4. 如權利要求3的半導體結構，其中一個電極層(28 )設置在第二 非晶半導體層(22 )和其上覆蓋的電觸點(30 )之間；和一個電極層(38 ) 被設置在第三非晶半導體層(32)和其上覆蓋的電觸點(40)之間。
5. 如權利要求1的半導體結構，其中第二非晶半導體層(22)通過 隔離溝槽(42)與第三非晶半導體層(32)間隔開。
6. 如權利要求1的半導體結構，其中透明層(18)布置在第一非晶 半導體層(16)上。
7. 如權利要求6的半導體結構，其中透明層(18 )包括抗反射結構。
8. 如權利要求6的半導體結構，其中透明層(18)由包括氮化硅的 材料形成。
9. 如權利要求1的半導體結構，其中襯底(10)是單晶或多晶硅； 并且是n型或p型。
10. 如權利要求1的半導體結構，其中第一非晶半導體層U6)是本 征的。
11. 如權利要求l的半導體結構，其中第一非晶半導體層(16)沿其 深度有組分梯度，從與村底(10)的界面處的基本本征到相對側處的基 本導電。
12. 如權利要求1的半導體結構，其中襯底(10)的前表面(12)是 形成紋理的。
13. 如權利要求3的半導體結構，其中設置在第二非晶半導體層 (22)上的至少一個電觸點(30)與設置在第三非晶半導體層(32)上的至少一個電觸點(40)成交叉指型的。
14. 一種太陽能電池，其包括半導體結構，該半導體結構具有全部背 面接觸結構，其中該半導體結構的至少一個非晶半導體層包括有組分梯 度的摻雜劑原子曲線。
15. —種制造光電器件的方法，包括步驟(I )在半導體襯底(10)的前表面(12)上方形成第一非晶半導 體層(16);(II )在半導體襯底(10)的后表面(l4)的一部分上形成第二非 晶半導體層(22)，通過在該后表面部分上方沉積半導體材料和摻雜劑， 同時改變摻雜劑濃度以使該第二非晶半導體層(22)沿其深度有組分梯 度，從與襯底的后表面(14)的界面處的基本本征到相對側處的基本導 電；(in)在半導體襯底(io)的后表面(14)的另一部分上形成第三非晶半導體層(32)，通過在該后表面部分上方沉積半導體材料和摻雜 劑，同時改變摻雜劑濃度以使該第三非晶半導體層(32)沿其深度有組 分梯度，從與襯底(10)的后表面(14)的界面處的基本本征到相對側 處的基本導電。
全文摘要
一種半導體結構包括一種導電類型的半導體襯底，其具有前表面和后表面。將第一非晶半導體層涂敷到前表面上；將第二和第三非晶半導體層設置在襯底的部分后表面上。第二和第三層每一個都沿其深度有組分梯度，從在與襯底的界面處的基本本征到其相反表面處的基本導電。在一些情況下，第一半導體層也有組分梯度，同時在其他情況下，其特性是本征的。半導體結構可用作太陽能電池；和包括多個這種電池的模塊表示為本發明的另一實施例。也描述了用于制造光電器件的方法。
文檔編號H01L31/068GK101097969SQ200710126319
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月29日 優先權日2006年6月30日
發明者J·N·約翰遜, V·馬尼文南 申請人:通用電氣公司