TW201403836A - Ｎ摻雜以矽爲基礎之太陽能電池 - Google Patents

Abstract

一種光伏打裝置包含具有N摻雜矽基之第一半導電區域(2)，及具有P摻雜矽基之第二半導電區域(3)。該兩個半導電區域經組態以形成PN接面。該第一半導電區域(2)無硼且包含濃度至少等於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質。

Description

N摻雜以矽為基礎之太陽能電池

本發明係關於一種太陽能電池，其具備由N摻雜矽製成之區域，該區域與由P摻雜矽製成之區域形成PN接面。

在光伏打裝置之領域中，通常存在PN類型之接面，其形成於半導體材料中且被加偏壓。由半導體材料俘獲之光子之部分被變換成電子-電洞對，此情形在光伏打裝置內部誘發電流。

正在進行相當大量之工作以便增加光伏打裝置之轉換效率，亦即，增加針對給定量之入射光能量所產生的電能之量。然而，所獲得之改良亦必須能夠以中等整合成本容易地整合以便限制光伏打裝置之最終價格。

可觀察到，需要提供在製造方面繼續保持簡單且廉價之同時呈現改良型效能之光伏打裝置。

此目標傾向於借助於一種光伏打裝置而達成，該光伏打裝置包含：- 第一半導電區域，其係由N摻雜矽製成；- 第二半導電，其係由P摻雜矽製成且經組態以與該第一半導電區域 形成PN或PIN接面；且其中該第一半導電區域包含濃度至少等於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質。

1‧‧‧光伏打裝置

2‧‧‧第一半導電區域

3‧‧‧第二半導電區域

4‧‧‧第二摻雜部分

5‧‧‧超級摻雜區域

其他優點及特徵將自本發明之特定具體實例之以下描述變得更清楚地顯而易見，該等具體實例係僅出於非限制性實例目的而給出且在附加圖式中予以表示，在該等圖式中，圖1及圖2用橫截面以示意性方式表示兩個光伏打裝置。

如圖1及圖2所說明，光伏打電池1係由矽製成，亦即，該光伏打電池在半導電區域中包含至少50%之矽。以甚至更佳方式，該光伏打電池至少包含亦被稱作基板之第一半導電區域2。此第一半導電區域2係以矽為基礎且係N摻雜的。可藉由添加一或多種電摻雜雜質來獲得N型摻雜。此等N型摻雜雜質係有利地選自P、As、Sb及Li。

光伏打電池1亦包含第二以矽為基礎之半導電區域3。此第二半導電區域3係P摻雜的，且其經配置以便與第一N型半導電區域2形成PN接面或PIN接面。P型第二半導電區域3經摻雜有有利地選自B、Ga、In、Al及Ti之電摻雜雜質。在特別有利具體實例中，第一半導電區域具有至少等於1微米之厚度，或第一半導電區域表示太陽能電池之半導體體積之最大部分。

以有利方式，P型第二半導電區域3無硼原子，亦即，硼濃度小於10ppba。在替代具體實例中，硼原子之濃度小於0.2ppma。此低 硼濃度使光誘發性降級(Light Induced Degradation)對壽命之影響能夠受到限制。

在特定具體實例中，第一N型半導電區域2相比於第二P型半導電區域3具有大得多的厚度。相比於具有第一P型半導電區域2之太陽能電池，第一N型半導電區域2之使用使晶體缺陷及金屬雜質(亦被稱作金屬污染物，諸如，鐵)之電衝擊能夠受到限制。看起來，電特性之此改良可藉由針對電子電洞相比於針對電子較小之有效俘獲橫截面進行解釋。

以較佳方式，光伏打裝置1經配置成使得待收集輻射經由第二半導電區域3而進入。然而，亦有可能使入射輻射經由相對表面而進入。以特別有利方式，電活性光伏打裝置1之主要部分係藉由N摻雜材料形成，該N摻雜材料限制在照明下之寄生降級現象及與金屬雜質有聯繫之電屬性減損的程度。在特定具體實例中，提供初始N摻雜基板，且接著對該基板進行摻雜以形成P型區域及關聯PN接面。為了促進太陽能電池之形成，在初始基板中，P摻雜區域在範圍上小於N摻雜區域。

在特別有利具體實例中，用於主要部分N型之第一半導電區域2亦經摻雜有較佳地選自Ga、Al、In、Ti之P型摻雜雜質。第一半導電區域2係共摻雜的，亦即，該第一半導電區域包含以相似比例之P型摻雜雜質及N型摻雜雜質。

在第一半導電區域2中，P型摻雜雜質之濃度至少等於N型摻雜雜質之濃度之20%。本發明者已發現，此具體實例使少數載子之擴散率能夠減小，從而使少數載子之再結合能夠受到限制。此效應係藉由光 伏打裝置中之載子之壽命的相當大之增加進行表示，該增加使該裝置之轉換效率能夠增加。借助於此半導體基板而形成之光伏打電池在兩個相對面之間呈現相比於根據先前技術之電池增加的電壓。

出於實例目的，當PN接面經配置成近接於基板之前表面時，第一半導電區域2之共摻雜使少數載子在後表面上之再結合能夠受到限制。

共摻雜第一半導電區域2之使用(亦即，同時地呈現以略微等效比例之P型電摻雜劑及N型電摻雜劑)特別有利，此係因為該使用使電池之轉換效率能夠以廉價方式增加。

以有利方式，第一半導電區域2之共摻雜部分自第一半導電區域與第二半導電區域之間的界面(PN接面)延伸直至第一半導電區域2之相對表面，接觸連接位於該相對表面處。該等接觸連接可藉由一或多個金屬凸塊或藉由導電層達成。接觸連接經設計成自光伏打裝置輸出電流。出於實例目的，該等接點可配置於前表面及後表面上。

以較佳方式，第二半導電區域3無硼原子，或硼原子之濃度小於0.02ppma。此特定性使光伏打裝置之效率能夠進一步增加。

在特定具體實例中，第一N型半導電區域2亦包含摻雜部分4且更特定地包含更強摻雜部分，該等部分通向基板之後表面以便促進電裝置經由後表面之電接觸。摻雜部分4具有濃度小於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質。以此方式，在半導體材料之表面處，存在具有濃度至少等於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質之第一部分，及具有濃度小於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質之第二部分。因 此，存在具有不同電阻率值的兩種類型之部分，該等部分向外通向半導體材料之表面。以有利方式，P型摻雜劑之濃度在兩個鄰近N型部分中相同。有利的是基於電阻率減小之事實而在第二部分4中進行電接觸連接。

在另一具體實例中，第一N型半導電區域2包含覆蓋基板之整個主表面之單一摻雜部分4。第一部分之相對表面形成PN接面。在此組態中，可以以下方式P/N/N+來表示結構。

摻雜部分4表示電池之小厚度，使得若在第一半導電區域中P型摻雜劑之比例小於P型摻雜劑之比例，則影響可忽略。通常，摻雜部分4具有小於或等於1微米之厚度。

舉例而言，對於具有為N摻雜(幾乎獨佔式地由磷以等於0.1ppm之濃度進行摻雜)之第一半導電區域2之太陽能電池，有利的是具有相反類型之摻雜，例如，由鎵以至少等於0.02ppma之濃度進行摻雜。此太陽能電池相比於沒有第一半導電區域2之P型摻雜之太陽能電池呈現少數載子之增加壽命，此情形使能夠達成改良型效率。

此特定光伏打電池針對不同摻雜含量(尤其是在0.001ppma至0.01ppma之磷範圍內)呈現良好結果，該磷範圍對應於極弱摻雜光伏打電池。亦已針對具有包含於0.01ppma與0.1ppma之間的磷濃度之光伏打電池獲得良好結果，該磷濃度對應於中等摻雜光伏打電池。

針對強摻雜光伏打電池(亦即，針對具有包含於0.1ppm與1ppma之間的磷濃度之電池)獲得等效結果。令人驚訝地，當第一半導電區域中之磷濃度包含於1ppma與10ppma之間時，極強摻雜光伏打電池亦展示極好結果。

針對磷摻雜來說明前述內容中指示之結果，但可針對任何其他N型電子摻雜劑及針對後者之組合來擴展該等結果。此情形引起此特定光伏打電池能夠用電子級矽、太陽能級矽或甚至純化冶金級矽進行實施。變得有可能以低成本來改良電池之轉換效率。

雖然通常容許少數載子之壽命隨著電活性雜質之濃度增加而逐漸地減低，但已發現用於即使在光伏打電池含有高總濃度之摻雜雜質時亦保持光伏打裝置中載子之可接受壽命的手段。

第一半導電區域2可為單晶體或多結晶體。第二半導電區域3可為單晶體或多結晶體。以有利方式，該兩個半導電區域呈現相同結晶性。亦可設想具有處於非晶態之一個或兩個半導電區域以便形成具有雜接面之光伏打電池。

有利的是形成具有濃度小於P型摻雜劑之濃度之10%的N型摻雜劑之第二P型半導電區域3。

再次，有利的是形成一或多個超級摻雜區域5，該一或多個超級摻雜區域通向層3之表面以便促進電接觸連接(圖1)。摻雜區域5屬於與第二半導電層3之導電類型相同的導電類型，亦即，摻雜區域5為P型，其電阻率低於第二半導電層3之其餘部分之電阻率。取決於所使用之具體實例，摻雜區域可覆蓋基板之整個表面或形成一或多個區域。

在特別有利具體實例中，第一半導電區域及第二半導電區域係由單一半導體材料塊體形成，以便限制減小裝置在垂直於外加電場之方向上之總體電效能的界面。以甚至更有利方式，此半導體材料塊體係共摻雜的且最初為N型，亦即，該塊體遍及整個厚度包含用於主要部分N型 之摻雜及少數P型摻雜，P型摻雜劑之濃度包含於N型摻雜劑之濃度之20%與100%之間。

接著對該塊體之表面中之一者進行摻雜以便形成PN接面、第二半導電區域3及第一半導電區域2。以此方式，P型摻雜雜質之濃度在第一部分及第二部分中相同，此情形使較易於主控光伏打裝置中誘發之電場。

光伏打電池包含複數個凸塊，該複數個凸塊形成於基板之表面中之一者上或形成於基板之兩個相對表面上且經組態以連接該電池與外部。

1‧‧‧光伏打裝置

2‧‧‧第一半導電區域

3‧‧‧第二半導電區域

4‧‧‧第二摻雜部分

5‧‧‧超級摻雜區域

Claims (6)

1. 一種光伏打裝置，其包含：第一半導電區域(2)，其係由N摻雜矽製成；第二半導電區域(3)，其係由P摻雜矽製成且經組態以與該第一半導電區域(2)形成PN或PIN接面；裝置特徵在於該第一半導電區域(2)包含濃度至少等於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其特徵在於該第一N型半導電區域(2)係至少由選自Ga、In、Al、Ti之第一摻雜雜質摻雜，該第一N型半導電區域(2)無硼。
3. 如申請專利範圍第1項及第2項中任一項之裝置，其特徵在於該第一N型半導電區域(2)係至少由選自P、As、Sb、Li之第二摻雜雜質摻雜。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之裝置，其特徵在於該裝置包含單塊半導體元件，該第一N型半導電區域(2)及該第二P型半導電區域(3)形成於該單塊半導體元件內部。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之裝置，其特徵在於該第一N型半導電區域(2)包含：一或多個第一部分(2)，其通向表面且具有濃度至少等於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質；及一或多個第二摻雜部分(4)，其通向該表面且具有濃度小於N型摻雜雜質之濃度之20%的P型摻雜雜質。
6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其特徵在於P型摻雜雜質之該濃度在該等第一及第二部分(2、4)中相同。