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CN1862840B - 表面钝化的光生伏打器件 - Google Patents

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CN1862840B CN2006100826943A CN200610082694A CN1862840B CN 1862840 B CN1862840 B CN 1862840B CN 2006100826943 A CN2006100826943 A CN 2006100826943A CN 200610082694 A CN200610082694 A CN 200610082694A CN 1862840 B CN1862840 B CN 1862840B
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Abstract

提供了一种包括光生伏打单元(12)的光生伏打器件(10)。光生伏打单元(12)包括包含结晶半导体材料的发射层(16)和邻接发射层(16)设置的轻掺杂结晶衬底(22)。轻掺杂结晶衬底(22)和发射层(16)相反地掺杂。而且，光生伏打器件(10)包括耦接至光生伏打单元(12)的背面钝化结构(14)。该结构包括邻接轻掺杂结晶衬底(22)设置的重掺杂背面场层(24)。重掺杂背面场层(24)包括非晶或微晶半导体材料，其中重掺杂背面场层(24)和轻掺杂结晶衬底(22)相同地掺杂，以及其中重掺杂背面场层(24)的掺杂水平比轻掺杂结晶衬底(22)的掺杂水平高。另外，该结构还可包括邻接轻掺杂结晶衬底(22)设置的本征背面钝化层(26)，其中本征背面钝化层(26)包括非晶或微晶半导体材料。

Description

表面钝化的光生伏打器件
技术领域
本发明一般涉及光生伏打器件。更具体地，本发明涉及具有提高的转换效率和光限制性质的表面钝化的光生伏打器件。
背景技术
光生伏打器件如太阳能电池将入射的电磁辐射转换成到电能。根据这些器件的效率测量它们的性能以将这些入射的辐射转换成电能。
光生伏打器件是产生能的环境有利的方式。同样，将来这些器件可提供用于供给能量的日益增加的有用选择。然而，由于在制作太阳能电池时经常涉及高成本，所以制造这种器件可不一定提供可行的选择来满足所有的消费者需求。
高效率的太阳能电池提供了成本减少的可替换方法。换句话说，太阳能电池产生的功率越大，制造相同量的功率需要电池的数量就越少。因此，将减少效率和可变光生伏打器件的总成本。然而，各种因素如电荷载流子的复合会导致能量显著损耗，且只有少量的入射辐射有效地转换成了电能。因此，电池效率会减小。
尽管，具有通过组合结晶硅(c-Si)和非晶硅(a-Si)制作的异质结结构的太阳能电池显示了提高的效率，但需要进一步增强这些器件的效率，同时保持低的处理成本以使这些器件成为可变的能源。因此，需要具有相对高效率的光生伏打器件，其可以以低的成本处理。
发明内容
根据本技术的一个方面，提供了一种包括光生伏打单元和背面钝化结构的光生伏打器件。光生伏打单元包括包含结晶半导体材料的发射层。而且，光生伏打单元包括邻接发射层设置的轻掺杂的结晶衬底，其中该轻掺杂的结晶衬底包括单晶或多晶半导体材料，且相反地掺杂该轻掺杂的结晶衬底和发射层。光生伏打器件还包括背面钝化结构，该背面钝化结构包括邻接轻掺杂的结晶衬底设置的重掺杂的背面场层，该重掺杂的背面场层包括掺杂非晶或掺杂微晶半导体材料，其中相同地掺杂该重掺杂的背面场层和轻掺杂的结晶衬底，且其中该重掺杂的背面场层的掺杂水平比轻掺杂的结晶衬底的掺杂水平高。
根据本技术的另一方面，提供了一种光生伏打器件。该光生伏打器件包括光生伏打单元和背面钝化结构。背面钝化结构包括邻接轻掺杂的结晶衬底设置的本征背面钝化层，其中该本征层包括非晶或微晶半导体材料。而且，配置该本征层以提供表面钝化，或者减小用于将电子或空穴从轻掺杂的结晶衬底横越到重掺杂背面场层或者其二者的势垒。
在本技术的又一方面中，提供了一种器件。该器件包括具有发射层和结晶衬底的第一结构，其中该发射层和结晶衬底相反地掺杂且设置为形成p-n结，且该发射层包括结晶半导体材料。而且，该器件包括具有结晶衬底和重掺杂背面场层的第二结构，其中该重掺杂的背面场层可包括非晶或微晶半导体材料。而且，相同地掺杂该重掺杂的背面场层和结晶衬底，其中布置该重掺杂的背面场层和结晶衬底以形成异质结，且其中该重掺杂的背面场层的掺杂水平比结晶衬底的掺杂水平高。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细说明时，本发明的这些和其它特征和优点将变得更好理解，其中在整个图中相同的符号代表相同的部件，其中：
图1是根据本技术的某些方面使用n+-p-i-p+结构的示例性光生伏打器件的示意表示；
图2是根据本技术的某些方面的图1的光生伏打器件能带图的示意表示；
图3是根据本技术的某些方面没有本征背面钝化层且具有n+-p-p+结构的示例性光生伏打器件的示意表示；
图4是根据本技术的某些方面的图3的光生伏打器件能带图的示意表示；
图5是根据本技术的某些方面使用具有可变厚度i-层的p+-n-i-n+结构的示例性光生伏打器件的示意表示；
图6是根据本技术的某些方面存在于图5的光生伏打器件中的点或线接触区域的透视图；
图7是根据本技术的某些方面的图5的光生伏打器件能带图的示意表示；
图8是根据本技术的某些方面没有本征背面钝化层且具有p+-n-n+结构的示例性光生伏打器件的示意表示；以及
图9是根据本技术的某些方面的图8的光生伏打器件能带图的示意表示。
具体实施方式
一般地，光生伏打器件的结构包括一种掺杂类型的第一层和另一掺杂类型的第二层或设置在两个电流收集电极之间的基层和发射层。如本领域技术人员将理解的，当光入射在光生伏打器件上时，电子-空穴对产生，然后其朝着各自的电极被拉过这两种掺杂类型的层的结，且对由该器件产生的电流有贡献。为了增加该器件的效率，通常希望防止在该器件内产生的电荷载流子如电子和空穴的复合发生光生伏打反应，以及能够在各自电极处收集电荷载流子。根据本技术的某些方面，载流子产生/传输层可包括轻掺杂结晶衬底。在某些实施例中，轻掺杂结晶衬底可具有表面缺陷如不饱和键，其可防止电荷载流子在各自电极处的收集。换句话说，由体杂质、结晶缺陷和表面缺陷如悬挂键产生的轻掺杂结晶衬底的能带中的缺陷态会导致电荷载流子的俘获和复合，由此降低了该器件的电荷收集效率。
因此，在某些实施例中，该器件结构可包括使用非晶或微晶半导体材料的一个或多个钝化层的背面钝化(BSP)结构，如背面场(BSF)层和/或本征背面钝化(i-BSP)层。在这些实施例中，BSF层可邻接于轻掺杂结晶衬底设置，以钝化轻掺杂结晶衬底的表面，而且还用于载流子收集效率的改善。如在此所使用的，术语“邻接”意指彼此最接近的任意两层的层位置以便该层可彼此接触或面对。在某些实施例中，BSF层的掺杂水平和带隙比轻掺杂结晶衬底的高。如本领域普通技术人员将理解的，钝化结晶衬底的表面指的是钝化不饱和键、或存在于结晶衬底表面上的任何其它的表面缺陷。在这些实施例中，通过朝着发射层反射一种特定类型的电荷载流子以便被电耦合至该发射层的电极收集，BSF层建立了有助于在各自电极处的电荷载流子收集的电场。换句话说，轻掺杂结晶衬底的钝化提高了少数载流子寿命且有助于它们在各自电极处的收集。然而，在某些实施例中，由于能带弯曲和/或带不连续，i-BSP层可连同轻掺杂结晶衬底一起形成异质结，其有时会对电荷载流子收集施加限制。在这些实施例中，作为入射光或光生电荷载流子的结果而在轻掺杂结晶衬底中产生的电荷载流子会横穿势垒，同时从轻掺杂结晶衬底朝着BSF层或发射层行进以便在各自的电极处被收集。在这种实施例中，通过改变轻掺杂结晶衬底和/或i-BSP层和/或BSF层的杂质/掺杂水平，可改变能带弯曲和/或带不连续。可替换地，如下面详细描述的，在一些实施例中，i-BSF层可制作得足够薄以有助于电荷载流子在存在于异质结处的势垒处以最小的障碍隧穿过i-BSP层。如本领域普通技术人员将理解的，隧穿是量子力学效应，其是微粒的波状性质的结果，通过该微粒波状性质能使微粒穿透表面上难以渗透的阻挡而进入被经典力学禁止的空间区域中。
一般地，存在可用于表现光生伏打器件性能的特征的多种参数。这些参数的一些可包括转换效率、开路电路(Voc)、短路电流(Jsc)和填充因数。如本领域普通技术人员将理解的，Voc定义为当没有电流流动时，跨越光生伏打器件如太阳能电池的最大可能的电压。而且，Jsc定义为当该器件在短路条件下工作时光生伏打器件可以提供的最大电流。在一些实施例中，可减小发射层的厚度以最小化发射层处的载流子损耗和/或光损耗，由此增加了电流密度。在光生伏打器件中，其具有恒定的Jsc和Voc，当分路电阻保持相对高同时串联电阻保持低时，可在设定的照明强度下提高填充因数。如将理解的，对器件的形成和相关的阻抗分量有贡献的各种层以及形成在这些层之间的界面可以被优化，以提高填充因数并因此提高器件的功率转化效率。在这些实施例中，可使用在BSF层提供低表面复合速率的所需厚度的本征背面钝化(i-BSP)层来增加光生伏打器件中的电流密度。而且，当用重掺杂BSF层补充时，通过阻碍的电场可增强特定类型的电荷载流子的收集，由此提高了光生伏打器件的性能。在某些实施例中，设置在光生伏打器件背面上的i-BSP层可制作得不连续。在这些实施例中，不连续的i-BSP层能够使轻掺杂结晶衬底和重掺杂BSP层在i-BSP层中的不连续区/孔中直接接触。在一些实施例中，i-BSP层的不连续区域的表面积之和与i-BSP层整个表面积的比率可在约0.5％到约20％的范围内。一般地，不连续区域的表面积与i-BSP层的整个表面积的该比率依赖于以下因素，如i-BSP层的钝化效率、本征非晶硅和结晶衬底的界面处的富含氢的二氢化物界面薄层(例如，高达27％的氢含量)的特性、掺杂水平和BSF效率。在这些实施例中，可经由光刻或通过特定的膜沉积工艺在重掺杂BSF层上图案化i-BSP层。
图1示出了使用电耦接至背表面钝化(BSP)结构14的光生伏打单元12的示例性光生伏打器件10。在某些实施例中，光生伏打器件10可包含太阳能电池。在所示的实施例中，光生伏打单元12包括具有结晶半导体材料的发射层16。在某些实施例中，发射层16可包括半导体材料，如硅。一般地，可通过优化发射层16的厚度和掺杂水平来增强发射层16的电荷收集效率。如本领域的技术人员所理解的，一旦吸收，来自具有其能量值比半导体材料的带隙能量值高的光子的多余能量就会转移成不希望的热。在某些实施例中，可减小发射层16的厚度，以此减少了由于发射层16引起的光吸收损耗。在某些实施例中，发射层16的厚度可在约200nm至约1000nm的范围内。在一些实施例中，发射层16的掺杂水平可在约1×1017cm-3至约1×1021cm-3的范围内，且优选在约1×1019cm-3至约3×1020cm-3的范围内。
在某些实施例中，光生伏打器件10可任选地包括邻接于发射层16设置的电介质层18。一般地，使用电介质层18来钝化发射层16的表面。另外，电介质层18也可用作抗反射涂层(ARC)。在某些实施例中，电介质层可包括氮化硅、氧化硅、氧氮化硅、氧化钛、氧化锌、氟化镁、氧氮化硅氧化锆、氧化铝或它们的组合。而且，电介质层18也可包括增强氧化铝的四面体结构的至少一种金属氧化物或非金属氧化物，例如(Al2O3)X(TiO2)1-X合金，包括氧化铝和氧化钛两种氧化物的混合物。另外，一个或多个电极如金属接触电极20可设置在电介质层18上。在某些实施例中，使用金属接触电极20来收集电荷载流子。如将理解的，根据发射层16的掺杂类型、掺杂水平或激活能，具有特定尺寸的金属接触电极20可由具有合适的功函数和电阻率值的材料制成，以使得它们与发射层的接触电阻在约0.05欧姆至约10欧姆的范围内，用于增强的载流子收集。
在目前所设想的实施例中，光生伏打单元12进一步包括相对厚的层，如邻接于相对重掺杂发射层16的轻掺杂结晶衬底22。如下面详细描述的，在某些实施例中，轻掺杂结晶衬底22可包括单晶或多晶或半导体材料。在某些实施例中，轻掺杂结晶衬底22可具有约1×1014cm-3至约5×1016cm-3范围内的掺杂水平。在某些实施例中，轻掺杂结晶衬底22和发射层16可以是相反掺杂的。换句话说，轻掺杂结晶衬底22和发射层16可形成p-n结。例如，在一个实施例中，发射层16可以是n或n+掺杂的，轻掺杂结晶衬底22可以是p掺杂的。可替换地，在一些实施例中，发射层16可以是p或p+掺杂的，轻掺杂结晶衬底22可以是n掺杂的。如在此所使用的，符号n+和p+表示具有比由符号n和p表示的掺杂水平相对更高值的掺杂水平。
而且，在所示的实施例中，BSP结构14可包括重掺杂背面场(BSF)层24。在所示的实施例中，重掺杂BSF层24设置在轻掺杂结晶衬底22的上方。在某些实施例中，重掺杂BSF层24可包括掺杂的非晶或微晶半导体材料。在这些实施例中，重掺杂BSF层24可包括硅、碳化硅、硅锗或它们的化合物。在某些实施例中，重掺杂BSF层24和轻掺杂结晶衬底22可具有与比轻掺杂结晶衬底22的掺杂水平更高的重掺杂BSF层24的掺杂水平相同的掺杂类型(n或p型)。一般地，光生伏打器件10的各种层的材料和掺杂水平被选择为以便提供光生伏打器件10的适应能级图。换句话说，光生伏打器件10各种层的材料和掺杂水平控制了能级图和由此的特征性质，如光生伏打器件的电荷传输、电流密度和效率。例如，改变三层即发射层16、轻掺杂结晶衬底22和重掺杂BSF层24的掺杂水平和掺杂类型(n或p型)改变了光生伏打器件的能级图，如图2、4、7和9的替换实施例所示和下面进一步描述的。在某些实施例中，掺杂该重掺杂BSF层24以获得约1×1017cm-3至约8×1020cm-3范围内的掺杂水平或约0.08eV至1.0eV范围内的激活能。在一些实施例中，可掺杂重掺杂BSF层24以获得约6×1017cm-3至约1×1020cm-3范围内的掺杂水平，或可替换地约0.2eV至0.9eV范围内的激活能。在示例性实施例中，可掺杂重掺杂BSF层24以获得约1×1017cm-3至约1×1019cm-3范围内的掺杂水平，可替换地，可掺杂该层24以获得约0.08eV至0.5eV范围内的激活能。而且，在某些实施例中，重掺杂BSF层24的能量带隙可在约1.2eV至2.1eV的范围内变化。
另外，在某些实施例中，BSP结构14可包括设置在重掺杂BSF层24和轻掺杂结晶衬底22之间的本征背面钝化(i-BSP)层26，在i-BSP层26和轻掺杂结晶衬底22之间形成了异质结25。在某些实施例中，i-BSP层26包括非晶或微晶半导体材料。在一些实施例中，i-BSP层26可包括硅、碳化硅、硅锗或它们的化合物。在某些实施例中，i-BSP层26的厚度可在约1nm至约30nm范围内，且优选约1nm至约5nm。一般地，在轻掺杂结晶衬底22表面处使用i-BSP层26有助于有效的表面钝化，其接着有助于在电极处收集载流子和减小电荷复合。在某些实施例中，在缺少BSF的情况下，由靠近发射层16的光生伏打效应产生的轻掺杂结晶衬底22中的电子-空穴对的电子可扩散并漂移跨越半导体p-n结至发射层16，由此产生了光生伏打器件工作需要的电荷部分。在这些实施例中，由于从i-BSP层26和BSF层24向发射层16反射这些电子的BSF的存在，使得在朝着BSF层24的方向上更远离发射层16产生的电子朝着发射层16横过，用于在各自的电极上收集电荷。在所示的实施例中，使用i-BSP层26来钝化轻掺杂结晶衬底22的表面，同时使用电介质层18来钝化发射层16的表面，其也用作ARC。另外，如下详细描述的，在某些实施例中，i-BSP层26可有助于空穴从轻掺杂结晶衬底22隧穿至重掺杂BSF层24。在这些实施例中，BSF层的厚度可在约2nm至约30nm的范围内。
此外，在所示的实施例中，光生伏打器件10还可包括透明的导电背电极层，如邻接于重掺杂BSF层24设置的透明导电氧化物(TCO)层28。一般地，配置TCO层28以收集从电耦合的光生伏打单元12和BSP结构14产生的电荷载流子。在某些实施例中，TCO层28可包括氧化铟锡或掺杂的氧化锌。此外，在目前所设想的实施例中，可邻接重掺杂的BSF层24或TCO 28层设置反射体金属背接触，如反射背接触层30。如本领域技术人员将理解的，一般使用反射背接触层30来增强光反射或俘获。另外，反射背接触层30还可有助于光生伏打器件10中使用的背电极的导电性。
如本领域技术人员将理解的，取决于轻掺杂结晶衬底的性质和类型，实现了光生伏打器件的处理条件。例如，在某些实施例中，轻掺杂结晶衬底可包括半导体材料，如单晶或多晶形式的硅。在这种示例性实施例中，用于光生伏打器件10的处理温度可有利地保持很低，以便最小化热预算并增加制备产量。在本技术的某些实施例中，光生伏打器件10的各种层例如可使用浸渍涂布、旋涂、杆涂或刮刀涂布，通过任意合适的沉积技术如溶液浇铸来形成。可替换地，还可采用真空沉积技术来沉积光生伏打器件10的各种层，真空沉积技术的例子可包括溅射、热蒸镀、e-束蒸镀、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、射频等离子体增强化学汽相沉积(RFPECVD)、扩展热等离子体化学汽相沉积(ETPCVD)、反应溅射、反应离子研磨、电子回旋加速器共振等离子体增强化学汽相沉积(ECRPECVD)、感应耦合式等离子体增强化学汽相沉积(ICPECVD)、原子层沉积(ALD)、彭宁放电、螺旋等离子体源、等离子体束源等离子体增强化学汽相沉积(PBSPECVD)或其组合。此外，适合于用在制造集成电路或半导体基器件的其它类型的沉积技术还可用在此处描述的一些或所有层的沉积中。而且，透明的导电氧化物和两个电极可通过使用如溅射、热蒸镀、e-束蒸镀、反应离子研磨、电镀、非电解镀层或丝网印刷的技术形成。
在图1的示例性实施例中，发射层16是n+掺杂的，轻掺杂的结晶衬底22是p掺杂的，重掺杂的BSF层24是p+掺杂的，且顾名思义，i-BSP层26是本征的。换句话说，光生伏打器件10包括具有n+-p-i-p+半导体结的半导体结构。n+-p-i-p+半导体结的能带图32示于图2中。在所示的实施例中，附图标记34、36和38分别指导带(CB)、费米能级和价带(VB)的能级。
在目前所设想的实施例中，由能带图32中的附图标记40表示的区域代表如在光生伏打器件10(参见图1)中使用的发射层16中的能级。相似地，由附图标记42表示的区域代表轻掺杂结晶衬底22(参见图1)中的能级，由附图标记44表示的区域代表i-BSP层26的能级，且由附图标记46表示的区域代表重掺杂BSF层24(参见图1)中的能级。
在目前所设想的实施例中，作为光入射在光生伏打器件10上的结果产生的电子-空穴对的空穴48在由箭头50表示的方向上在价带38中行进。在目前所设想的实施例中，在发射层16中产生的一些空穴48穿过能带弯曲52，同时从区域40横过至区域42。该能带弯曲52建立了能够使并有助于空穴移动到空穴收集电极或TCO层28的内建电场。在作为相对重掺杂且由单晶硅制成的相对薄的发射层16的情况下，对于来自发射层16的最终电荷收集可获得的空穴量不太显著，除非对于空间单元应用将发射层16设计为增强蓝和紫外线(UV)光的吸收。然而，一些空穴在由附图标记42所示的轻掺杂结晶衬底22中产生并横过，空穴48横穿区域42和44之间的势垒。在该实施例中，势垒54是通过由于使具有一种掺杂类型的较低带隙结晶衬底与具有相反掺杂类型和相对低激活能的较宽带隙非晶层接触而造成VB中的带不连续性从而形成的异质结。在所示的实施例中，势垒54与由于重掺杂的BSF层24和TCO层28的结形成所建立的可能的肖特基或绝缘体势垒一起，在反射空穴48和发送它们回到光生伏打单元12的有源区的异质结25附近或两端建立了合并的受阻电场，由此导致了空穴收集效率损耗。在这些实施例中，某些部分的空穴48可在到达背面的TCO层28和在背面的TCO层28处收集之前在光生伏打单元12中复合，由此，降低了光生伏打器件的空穴收集效率。在某些实施例中，通过适当地组合发射层16、轻掺杂结晶衬底22、重掺杂BSF层24中的掺杂剂浓度，以及背面的载流子收集电极的功函数，换句话说，TCO层28和/或反射背接触层30，可减小空穴48不希望的复合。另外，i-BSP层26可制作得超薄，具有纳米范围的厚度以有助于空穴48以由势垒54引起的最小阻碍从轻掺杂结晶衬底22隧穿至重掺杂BSF层24。而且，VB 38还包括区域44和46之间的能带弯曲56。
在目前所设想的图2的实施例中，作为入射光的结果，在光生伏打单元12中产生的大部分来自轻掺杂结晶衬底22的电子58，必须在CB34中朝着发射层16横过用于电荷收集。在所示的实施例中，电子58可在相对接近或相对远离轻掺杂结晶衬底22正面(接近电介质层18的轻掺杂结晶衬底22的表面)的区域中的轻掺杂结晶衬底22中产生。在某些实施例中，位于电子扩散长度内但远离轻掺杂结晶衬底22正面的区域中产生电子58，能够实现电子58在正面处的有效收集。例如，在图2的所示实施例中，在接近轻掺杂结晶衬底22正面的区域中产生的电子在如由箭头68所示的方向上运输，其中电子在朝着发射层16的方向上移动用于电荷收集。而且，在所示的实施例中，相对远离轻掺杂结晶衬底22的正面产生的电子可具有在由箭头60所示的方向上，或换句话说，朝着它们穿过带不连续62区域处的窄CB势阱背面横过的可能性。在某些实施例中，可通过从热或光辐射得到的少量能量来克服带不连续62。在某些实施例中，可设计区域46处的背面电场，以通过由箭头66所示方向上的势垒64反射回电子。在这些实施例中，可设计i-BSP层26来提供低的背面复合速率，因此，较高的电子载流子寿命和扩散长度能使来自背面的这些反射电子在轻掺杂结晶硅衬底22的正面被收集。
图3示出了图1的光生伏打器件的可替换实施例。在所示的实施例中，示例性光生伏打器件70包括具有异质结74的背面钝化(BSP)结构72。在所示的实施例中，异质结74形成在轻掺杂结晶衬底22和如与图1的异质结25相对的重掺杂BSF层24之间，其中异质结25形成在轻掺杂结晶衬底22和i-BSP层26之间。如同图1，在所示的实施例中，发射层16是n+掺杂的，轻掺杂结晶衬底22是p掺杂的，重掺杂BSF层是p+掺杂的，由此形成了n+-p-p+结构。
图4示出了图3的光生伏打器件70的能带图76。在所示的实施例中，CB、费米能级和VB的能级分别由附图标记78、80和82示出。在所示的实施例中，区域40代表参考图2如上所述的发射层16的能级图。相似地，区域42和46代表掺杂的结晶衬底22和重掺杂BSF层24的能级图。在所示的实施例中，能带弯曲52形成在发射层16和轻掺杂结晶衬底22的结处的VB 82中。在某些实施例中，在VB处从发射层16朝着轻掺杂结晶衬底22横过的空穴48穿过参考图2如上所述的能带弯曲52。在所示的实施例中，缺少i-BSP层26会在VB处产生带不连续86和窄势阱，如与形成在BSF层24附近的轻掺杂结晶衬底22一侧的势垒54(参见图2)相对。如本领域技术人员将理解的，可通过拥有比阱的势能更高能量的电子来克服窄的势阱，因此不会不利地影响电流密度。如将理解的，由于对该材料的光子或热辐射，电子可获得该希望的能量来克服窄电势。在所示的实施例中，在掺杂的结晶衬底22的表面处缺少i-BSP层26(参见图2)会导致轻掺杂结晶衬底22的无效表面钝化，由此导致电荷载流子增加的复合。在目前所设想的实施例中，轻掺杂结晶衬底22的背面与BSF层24接触，其中BSF层24是重掺杂的且显示出较高的杂质和悬挂键密度、以及如与使用本征i-BSP层26的图2中所示的实施例相比较高的表面粗糙度，由此不利地影响了界面性质，同时对于电荷载流子收集提供了相对高的导电率。因此，存在钝化轻掺杂结晶衬底22和减小或消除背面电荷载流子势垒之间的权衡。如上所述，在这些实施例中，通过移除i-BSP层26(参见图2)，可基本上移除在VB处由于带不连续引起的势垒54(参见图2)。可替换地，当在该器件中使用i-BSP层26(参见图2)时，通过调节i-BSP层26的费米能级和带隙能量可减小势垒在VB处的高度。在这些以后的实施例中，通过改变各半导体层中的掺杂剂浓度，可基本减小由于在轻掺杂结晶衬底22背面处的BSF层24和TCO层28的肖特基接触形成而还可存在的势垒。可替换地，通过用提供与BSF层半导体欧姆接触的电极层代替TCO层28，可消除由于特基接触引起的势垒。
在所示的实施例中，空穴48从区域40朝着区域42横穿过p-n结，而不被VB 82处的带隙不连续所大大地阻碍。在该实施例中，空穴48在由箭头84所示的方向上在区域42中继续它们的扩散移动，在由箭头84所示的方向上空穴48在具有带不连续86的背异质结74处遇到窄势阱，且随后到达BSF层24(参见图3)或用于收集的区域46。在所示实施例的CB 78中，如由箭头88所示从轻掺杂结晶衬底22朝着发射层16横过的电子58漂移越过具有能带弯曲90的结区域和发射层16与轻掺杂结晶衬底22之间的内建电场，以到达发射层16并且在金属接触电极20处被收集。相反地，在由相对于电子58的横向方向88的箭头92所示的反向扩散的电子，也就是说，从轻掺杂结晶衬底22朝着重掺杂BSF层24横过的电子，穿过由于形成异质结74引起的能带弯曲和带不连续所引起的势垒94。在某些实施例中，在由箭头92所示的方向上横过的这些电子可通过如由箭头96所示的势垒94反射且在与如由箭头98所示的它们的初始方向相对的方向上开始横过。如将理解的，利用这些反向横过电子的足够低的背面复合速率和高扩散长度(由箭头92所示)，它们中的某部分最后可以到达发射层16且在各自的电极处被这些反向横过电子。与在带不连续区域62(参见图2)的异质结25(参见图1)处显示出窄势阱的光生伏打器件10的结构(参见图1)不同，图3和4所示的实施例中i-BSP层16的消除建立了在CB 78处仅具有势垒74而没有势阱的异质结74。
现在参考图5，根据本技术的某些实施例说明了图1的示例性光生伏打器件的可替换实施例。在目前所设想的实施例中，光生伏打器件100包括参考图1上如所述的电介质层18、金属电极20、TCO层28和反射背接触30。而且，在所示的实施例中，光生伏打器件100包括光生伏打单元102和背面钝化结构(BSP)104。在所示的实施例中，光生伏打单元102包括邻接于轻n掺杂的结晶衬底108设置的p+掺杂的发射层106。在某些实施例中，n掺杂的结晶衬底108可以是单晶或多晶衬底。
而且，在图5所示的实施例中，光生伏打器件100包括背面钝化结构104。在目前所设想的实施例中，背面钝化结构104包括i-BSP层110和n+重掺杂的BSF层114。在所示的实施例中，邻接轻掺杂结晶衬底108设置i-BSP层，以便i-BSP层110和轻掺杂结晶衬底108形成异质结112。如将理解的，图5中所示的示例性实施例使用p+-n-i-n+结构。参考图2的结构如上所述，不管是否存在异质结112的势垒154，邻接轻掺杂结晶衬底108的i-BSP层110的小厚度值都有助于电子从轻掺杂结晶衬底108隧穿到n+重掺杂的BSF层114中。
在目前所设想的实施例中，i-BSP层110可具有可变的厚度，如图6所示。图6是图5的异质结112的透视图。在某些实施例中，i-BSP层110的厚度可在约1nm至约30nm的范围内变化。在一些实施例中，i-BSP层110的厚度可从约1nm变化到约5nm，以有助于载流子隧穿。在一些实施例中，可使用具有均方根(RMS)表面粗糙度范围的超薄厚度的i-BSP层110或较高的重掺杂结晶衬底108。在其它实施例中，可通过利用图案化技术如光刻或通过膜沉积、或者通过使用较低的带隙材料如微晶硅不连续地建立i-BSP层110来减轻对i-BSP层110厚度的限制。在图6的某些实施例中，i-BSP层110的可变厚度在一些位置如由附图标记116表示的环绕区域处是这样的，即使得轻掺杂结晶衬底108可处于与n+重掺杂BSF层114接触的点或线上。有利地，由于在n+重掺杂BSF层114和轻掺杂结晶衬底108之间直接形成的异质结，点和/或接触区116没有受到势垒引起的任意异质结的影响。而且，在这些实施例中，由于i-BSF层110和n+重掺杂BSF层114的较小厚度，光生伏打器件100受到相对少的Staebler-Wronski效应的影响。然而，参考图6如上所述，点和/或线接触区116会受到低的电流特性和高复合率的影响。参考图4如上所述，通过改变各半导体层中的掺杂剂浓度，可基本减小由于在轻掺杂结晶衬底108背面处的BSF层114和TCO层28的肖特基接触形成而还可存在的势垒。如上所述，具有i-BSP层110提供了用于异质结112处的轻掺杂结晶衬底108的表面钝化。另外，如在前所论述的，在发射层、BSF层和各接触电极的前后界面区域处可能的肖特基的形成会引起来自降低载流子收集效率的电场的不利机理。如将理解的，通过选择半导体层的适当掺杂水平和接触电极功函数和/或热退火和金属引起再结晶的组合工艺，可由带轮廓工程技术(band profile engineering)基本减少这种问题。
而且，由附图标记118表示的区域110代表具有设置在轻掺杂结晶衬底102和n+重掺杂BSF层114之间的i-BSP层110的区域。有利地，这些区域118提供了轻掺杂结晶衬底102的表面钝化。根据区域118中的i-BSP层110的厚度，区域118可有助于电子隧穿或可形成异质结引起的如上所述的势垒。在图7所示的实施例中，能带图120包括价带122、费米能级124和导电126的能级。在所示的实施例中，区域128代表p+掺杂的发射层106的能级图。而且，区域130代表n轻掺杂结晶衬底108的能级图，区域132代表i-BSP层110的能级图，以及区域134代表n+重掺杂BSF层114的能级图。在所示的实施例中，能带图120显示出区域128和130之间的能带弯曲和/或带不连续，其分别表示p+掺杂的发射层116和n轻掺杂结晶衬底108的能级。在所示的实施例中，价带122中的能带弯曲136有助于空穴48从n轻掺杂结晶衬底108朝着p+掺杂发射层106移动，如由箭头140所示。在某些实施例中，在n轻掺杂结晶衬底108中产生的电子-空穴对的一些空穴可朝着如由箭头142所示的i-BSP层110移动。在这种实施例中，空穴可穿过带不连续144处的窄势阱。在某些实施例中，克服144处的势阱并且朝着如由箭头146所示的n+重掺杂BSF层114移动的空穴可穿过势垒148。在目前所设想的实施例中，空穴48在势垒148处反射且朝着轻掺杂结晶衬底108返回以被设置在如由箭头150所示的p+掺杂发射层106处的金属电极收集。
而且，能带图120包括如由箭头152所示横过CB的电子58。在所示的实施例中，在n轻掺杂结晶衬底108(区域130)和i-BSP层110(区域132)的导带处引起的能带弯曲和不连续形成势垒154。在某些实施例中，势垒154阻碍了电子58的运动。然而，在一些实施例中，可选择i-BSP层110的厚度以便电子58可隧穿过i-BSP层110且不必穿过势垒154。如早期所述的，在这些实施例中，i-BSP层110的厚度可在约1nm至约5nm的范围内变化，以有助于电子隧穿过i-BSP层110。
现在参考图8，根据本技术的某些方面说明了光生伏打器件的可替换示例性实施例。在所示的实施例中，该示例性光生伏打器件156使用光生伏打单元158和BSP结构160。在该实施例中，光生伏打单元158包括参考图7如上所述的p+掺杂的发射层106和n轻掺杂的结晶衬底108。而且，光生伏打单元158包括形成在BSP结构160的n+重掺杂BSF层114和n轻掺杂结晶衬底108之间的异质结161。因此，示例性光生伏打器件156包括p+-n-n+结构。在目前所设想的实施例中，如以下参考图9详细描述的，可移除或减小电子收集势垒或势垒154(参见图7)。
图9示出了具有价带164、费米能级166和导带168的能级的光生伏打器件156的能带图162。在所示的实施例中，参考图7如上所述，区域128代表p+掺杂的发射层106的能级图，区域130代表n轻掺杂结晶衬底108的能级图，以及区域134代表n+重掺杂BSF层114的能级图。而且，区域128和130之间的结在VB 164和CB 168处分别形成能带弯曲136和能带弯曲138。在目前所设想的实施例中，横过如由箭头170所示的VB 164的空穴48被邻接p+掺杂的发射层设置的金属电极120收集。在所示的实施例中，VB 164包括对于空穴在势垒174形式的异质结161处的能带弯曲和带隙不连续。在某些实施例中，朝着区域134横过的空穴48，也就是说，朝着n+重掺杂BSF层114从如由箭头172所示的n轻掺杂结晶衬底108横过的空穴可穿过势垒174并且被势垒174反射，如由箭头176所示。在一些实施例中，反射的空穴48可然后开始朝着区域128移动以在金属接触电极120处被收集。而且，在所示的实施例中，在由箭头178所示的方向上移动的电子58可穿过带不连续区180处的小势阱，其可通过如上所述的少量能量克服。
尽管本技术指的是光生伏打器件的背面钝化。如将理解的，对于其它器件的表面钝化也可使用这些技术，该器件例如为双面光生伏打器件、但不限制于双面光生伏打器件。
虽然只说明和描述了本发明的某些特征，但对于本领域技术人员可进行许多修改和改变。因此，要理解的是，所附的权利要求意指覆盖如落入本发明的真实精神之内的所有的这种修改和改变。
元件列表
10  光生伏打器件
12  光生伏打单元
14  背面钝化结构
16  发射层
18  电介质层
20  金属接触电极
22  轻掺杂结晶衬底
24  背面场(BSF)层
25  异质结
26  本征背面钝化(i-BSP)层
28  透明导电层
30  反射背面接触
32  能带图
34  导带(CB)
36  费米能级
38  价带(VB)
40  发射层区域
42  轻掺杂结晶衬底区域
44  本征背面钝化层区域
46  重掺杂背面场(BSF)层区域
48  空穴
50  空穴路径
52  价带(VB)的能带弯曲
54  势垒
56  能带弯曲
58  电子
60  电子路径
62  带不连续/势阱
64  势垒
66  电子反射路径
68   电子路径
70   光生伏打器件
72   背面钝化结构
74   异质结
76   能带图
78   导带(CB)
80   费米能级
82   价带(VB)
84   空穴路径
86   带不连续/势阱
88   电子路径
90   能带弯曲
92   电子路径
94   势垒
96   电子反射路径
98   电子反射路径
100  光生伏打器件
102  光生伏打单元
104  背面钝化结构
106  p+掺杂的发射层
108  n轻掺杂的结晶衬底
110  本征背面钝化(i-BSP)层
112  异质结
114  n+重掺杂的背面场(BSF)层
116  点和/或线接触区
118  钝化接触区域
120  能带图
122  价带(VB)
124  费米能级
126  导带(CB)
128  发射层区域
130  轻掺杂结晶衬底区域
132  i-BSP层区域
134  重掺杂的BSF区域
136  在VB处的能带弯曲
138  在CB处的能带弯曲
140  空穴路径
142  空穴路径
144  带不连续/势阱
146  空穴路径
148  势垒
150  空穴反射路径
152  电子路径
154  势垒
156  光生伏打器件
158  光生伏打单元
160  背面钝化结构
162  能带图
164  价带(VB)
166  费米能级
168  导带(CB)
170  空穴路径
172  空穴路径
174  势垒
176  空穴反射路径
178  电子路径
180  带不连续/势阱

Claims (7)

1.一种光生伏打器件(10)，包括：
光生伏打单元(12)，包括：
发射层(16)，包括结晶半导体材料；
邻接并接触发射层(16)而设置的轻掺杂结晶衬底(22)，其中轻掺杂结晶衬底(22)和发射层(16)具有相反的掺杂类型；以及其中轻掺杂结晶衬底(22)包括单晶或多晶半导体材料；以及
背面钝化结构(14)，包括：
本征背面钝化层(26)，其具有1nm至30nm范围的厚度并邻接轻掺杂结晶衬底(22)而设置，其中本征背面钝化层(26)包括非晶或微晶半导体材料，并且其中本征背面钝化层(26)被配置成提供表面钝化，或减少对于电子(58)或空穴(48)从轻掺杂结晶衬底(22)横过到重掺杂背面场层(24)的势垒，或这两者；
重掺杂背面场层(24)，其包括邻接本征背面钝化层(26)设置的掺杂的非晶或掺杂的微晶半导体材料，其中重掺杂背面场层(24)和轻掺杂结晶衬底(22)具有相同的掺杂类型，以及其中重掺杂背面场层(24)的掺杂水平比轻掺杂结晶衬底(22)的掺杂水平高。
2.如权利要求1的光生伏打器件(10)，其中重掺杂背面场层(24)的激活能在0.08eV至1.0eV的范围内。
3.如权利要求1的光生伏打器件(10)，其中光生伏打器件(10)包括太阳能电池。
4.一种具有正面和背面的光生伏打器件(10)，包括：
光生伏打单元(12)，包括：
发射层(16)，包括结晶半导体材料；
邻接并接触发射层(16)而设置的轻掺杂结晶衬底(22)，其中轻掺杂结晶衬底(22)和发射层(16)具有相反的掺杂类型；以及其中轻掺杂结晶衬底(22)包括单晶或多晶半导体材料；
背面钝化结构(14)，包括：
邻接于轻掺杂结晶衬底(22)设置的本征背面钝化层(26)，其中本征背面钝化层(26)包括非晶或微晶半导体材料，以及其中本征背面钝化层(26)被配置成提供表面钝化，或减少对于电子(58)或空穴(48)从轻掺杂结晶衬底(22)横过到重掺杂背面场层(24)的势垒，或这两者；以及
邻接于本征背面钝化层(26)设置的重掺杂背面场层(24)，其中重掺杂背面场层(24)包括掺杂的非晶或掺杂的微晶半导体材料，其中重掺杂背面场层(24)和轻掺杂结晶衬底(22)具有相同的掺杂类型，以及其中重掺杂背面场层(24)的掺杂水平比轻掺杂结晶衬底(22)的掺杂水平高。
5.如权利要求4的光生伏打器件(10)，其中本征背面钝化层(26)具有1nm至5nm范围的厚度并被配置成有助于轻掺杂结晶衬底(22)中产生的电子(58)或空穴(48)隧穿至重掺杂背面场层(24)。
6.如权利要求4的光生伏打器件(10)，其中发射层(16)的掺杂水平在1×1017cm-3至1×1021cm-3的范围内。
7.如权利要求4的光生伏打器件(10)，其中本征背面钝化层(26)具有可变的厚度，以使得轻掺杂结晶衬底(22)与重掺杂背面场层(24)进行点接触、或线接触、或这两者。
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