專利名稱：一種硅光電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種硅光電池的設(shè)計。
背景技術(shù)：
光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽能電池， 目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。近年來隨著微小型半導體逆變器的迅速發(fā)展，光電池的應(yīng)用更加普遍。硅基電池包括多晶硅、單晶硅和非晶硅電池三種。現(xiàn)在單晶硅光電池エ藝已近成熟，在電池制作中，提高光電轉(zhuǎn)換效率歸納起來主要基于以下三個方面的改進1，改進電池材料性能和少子壽命；2，改進電池研制的エ藝過程；3，改進電池結(jié)構(gòu)設(shè)計。在三個方面中， 又以改進電池結(jié)構(gòu)最為靈活，發(fā)展最快。現(xiàn)有的硅光電池在結(jié)構(gòu)方面為了使光能夠盡可能地耦合到半導體中，目前有以下幾種措施使用有效的ー層或多層抗反射膜來減小電池上表面的光反射。上表面絨面結(jié)構(gòu)和后來改進的微槽結(jié)構(gòu)不僅可以減小電池上表面對光的反射損失，而且使進入到硅內(nèi)的折射光偏轉(zhuǎn)了ー個角度，相當于增加了光子的光程和被半導體吸收的幾率。將電池背面拋光并蒸上光反射能力強的金屬(如金，銅，鋁)，此時背金起到了反射界面的作用，這種背金發(fā)射和正面絨面結(jié)構(gòu)或微槽結(jié)構(gòu)能形成“光陷規(guī)則”使光在電池內(nèi)部發(fā)生多次反射，這種結(jié)構(gòu) エ藝簡単，成本較低，但是其獲得的光生電流較低，轉(zhuǎn)換效率不高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的硅光電池獲得的光生電流較低，轉(zhuǎn)換效率不高的缺陷，提出了ー種硅光電池。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種硅光電池，包括背面P+歐姆接觸區(qū)、P-基區(qū)和N+發(fā)射區(qū)，所述背面P+歐姆接觸區(qū)、P-基區(qū)和N+發(fā)射區(qū)組成pin結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括介質(zhì)埋層，所述介質(zhì)埋層位于P-基區(qū)內(nèi)部，耗盡區(qū)外部，并且介質(zhì)埋層不隔斷P-基區(qū)。進ー步的，所述的硅光電池還包括位于硅光電池頂部的減反射層，所述減反射層覆蓋于N+發(fā)射區(qū)之上。進ー步的，所述介質(zhì)埋層具體為ニ氧化硅。進ー步的，所述介質(zhì)埋層的厚度為ば=^i^，其中，λ為入射光波長，η為介質(zhì)埋層折射率，β為光進入介質(zhì)埋層的入射角。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出的硅光電池通過在光電池基區(qū)引入埋層介質(zhì)形成內(nèi)部反射機制，引入的介質(zhì)埋層具有一定的反射入射光的能力，使得光電池胡總收集幾率高的位置能接收更多的光照，吸收更多的光子，因而可以在不增加電池厚度的條件下獲得高的光生電流，轉(zhuǎn)換效率得到有效的提升。
圖1是本發(fā)明硅光電池實施例ー的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明硅光電池實施例一局部A的埋層光反射原理示意圖。圖3是本發(fā)明硅光電池實施例ニ的結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明硅光電池實施例ニ局部A’的埋層光反射示意圖。圖5是硅光電池位置與收集幾率的關(guān)系曲線圖。圖6是以ニ氧化硅為埋層介質(zhì)時的一種埋層制作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明作進ー步的闡述。實施例一按照本發(fā)明的硅光電池的ー種體現(xiàn)如圖1的實施例一所示。包括背面P+歐姆接觸區(qū)105、P-基區(qū)103和N+發(fā)射區(qū)102，所述背面P+歐姆接觸區(qū)105、P_基區(qū)103和N+發(fā)射區(qū)102組成pin結(jié)構(gòu)，還包括介質(zhì)埋層104，所述介質(zhì)埋層104位于P-基區(qū)103內(nèi)部，耗盡區(qū)107外部，并且介質(zhì)埋層103不隔斷P-基區(qū)103。這里，107區(qū)域為N+發(fā)射區(qū)102和P-基區(qū)103所形成的耗盡區(qū)。這里，硅光電池還包括位于硅光電池頂部的減反射層101，減反射層101覆蓋于N+ 發(fā)射區(qū)102之上。這里，介質(zhì)埋層103理論上可以是任何與硅折射率差異較大且與硅能形成良好界面態(tài)的固體物質(zhì)，比如ニ氧化硅、碳化硅和氮化硅。在本實施例里中具體采用ニ氧化硅。介質(zhì)埋層103的厚度取決于入射光的波長，埋層的折射率和表面是否采用絨面結(jié)構(gòu)，埋層厚度的選取是為了獲得界面處特定波長的光的最大反射率。作為ー種優(yōu)選方案，
介質(zhì)埋層103的厚度為ゴ=^廠，其中，λ為入射光波長，η為介質(zhì)埋層折射率，β為光進入介質(zhì)埋層的入射角。在本實施例中，β =0，即介質(zhì)埋層103的厚度為ゴ=T^^，
4* ^o2
nsio2為ニ氧化硅的折射率。在圖1所示的實施例中，105作為歐姆接觸區(qū)，背面金屬106和正面電極108組成了硅光電池的兩個電極，109為正面重摻雜區(qū)。N+發(fā)射區(qū)102，P_基區(qū)103和背面P+歐姆接觸區(qū)105組成了硅光電池基本的pin 結(jié)構(gòu)，介質(zhì)埋層104位于P-基區(qū)103中部用于引入反射機制，正面重摻雜區(qū)109結(jié)深大于 N+發(fā)射區(qū)用于減小接觸電阻，并且具有內(nèi)部鈍化作用。介質(zhì)埋層103的位置取決于pin電池耗盡區(qū)的位置和電池的厚度，埋層位置的選取是為了使埋層盡量貼近收集幾率最高的耗盡區(qū)，從而使光能夠盡可能反射到耗盡區(qū)。介質(zhì)埋層103的寬度W取決于硅光電池等效串聯(lián)電阻的要求，一般來說光電池減薄后可以適當提高Pin光電池的i區(qū)濃度從而降低等效串聯(lián)電阻，但埋層寬度越大等效串聯(lián)電阻越高。圖1所示的介質(zhì)埋層103為左右対稱的兩個，在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)實際需求選擇介質(zhì)埋層的個數(shù)、位置和寬度。
減反射層101可以由單層或多層減反射膜構(gòu)成，目的是為了使電池表面非遮光區(qū)的光反射率為最小，反射率的值與減反射膜的折射率和厚度有關(guān)。N+發(fā)射區(qū)102的結(jié)深約為3um，摻雜濃度約為IO17至1018cnT3，P-基區(qū)103厚度約為lOOum，摻雜濃度約為IO14至 1015cnT3，N+發(fā)射區(qū)102與P-基區(qū)103界面處形成了耗盡區(qū)107，耗盡區(qū)107是光生電流的主要貢獻區(qū)域。背面P+歐姆接觸區(qū)105厚度約為1至2um，摻雜約為1018cm_3，P-基區(qū)103 和背面P+歐姆接觸區(qū)105形成了高低結(jié)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)起到了背電場(BSF)的作用，背電場能反射朝背面擴散電子，使電子有一定幾率回到耗盡區(qū)對光生電流產(chǎn)生貢獻，提高了光電池的效率，尤其對于厚度小、少子壽命大的光電池，背電場作用更為顯著。背面金屬106 — 般為銅或鋁，厚度約為lum。背面金屬起到了反射界面的作用，這種背金發(fā)射和正面結(jié)構(gòu)能形成“光陷規(guī)則”使光在電池內(nèi)部發(fā)生多次反射，在不增加電池厚度的條件下獲得高的光生電流。頂層重摻雜區(qū)109位于頂層電極108之下，頂層重摻雜區(qū)109摻雜濃度約為102°cm_3 結(jié)深約為4um，頂層電極108為鋁電扱，頂層重摻雜區(qū)109的高濃度減小了遮光區(qū)的電阻，并且形成了內(nèi)部鈍化，是少子的表面復合有所減少。具體工作原理如下收集幾率是光電池理論中描述光生載流子的空間參數(shù)，它被定義為平均而言，一個光生載流子，對光電池短路電流所作貢獻的概率。由于光生載流子在電池中產(chǎn)生的位置不同，經(jīng)過不同的路徑最后對光電流做出貢獻的幾率也就不同，它是 ー個位置的函數(shù)。根據(jù)定義，經(jīng)過推導和測算，收集幾率是隨著光生載流子的產(chǎn)生點離開耗盡區(qū)邊沿距離的增加而指數(shù)地減小。普通pin電池的收集幾率與位置的關(guān)系如圖5所示，明顯地，耗盡區(qū)區(qū)域的收集幾率是最高的，為了使更多的光能集中在耗盡區(qū)，本發(fā)明提出了増加內(nèi)部介質(zhì)埋層(本實施例的介質(zhì)埋層為ニ氧化硅)從而引入基區(qū)內(nèi)部的反射機制。圖2是圖1中A虛線部分的局部示意圖，借用此部分來說明介質(zhì)埋層結(jié)構(gòu)的光學特性。參考圖2，光垂直入射到光電池基區(qū)103后，要經(jīng)過ニ氧化硅埋層104，此時基區(qū) 103和埋層104形成了“硅-ニ氧化硅-硅”的薄膜結(jié)構(gòu)。不同介質(zhì)薄膜的表面會發(fā)生一定程
度的反射，反射率的大小與入射光波長和ニ氧化硅薄層厚度有關(guān)，要使硅-ニ氧化硅界面
2 2
獲得最大的反射率需滿足如下方程:n 2d =と，所求的最大反射率R為R = Csi2 ^o22)2，
咖2 4nsl +Tisw2
其中，nsio2和nsi分別為ニ氧化硅和硅的折射率，d為ニ氧化硅埋層104的厚度，λ為入射光的波長。經(jīng)推算理論上ニ氧化硅埋層所能達到的最大反射率約為47. 81%。另外對于其它介質(zhì)埋層的反射率計算只需將上式ニ氧化硅的折射率換成所求介質(zhì)折射率即可，由公式可以看出折射率值與硅的3. 42相差較大的介質(zhì)組成的埋層具有更高的反射率，但是具體設(shè)計時仍要考慮埋層和硅的界面特性和エ藝的兼容性。介質(zhì)埋層的位置也是影響本發(fā)明轉(zhuǎn)換效率的因素之一，理論上要求埋層越接近耗盡區(qū)效果越好，但埋層區(qū)域一旦與耗盡區(qū)重疊則使耗盡區(qū)的光生載流子貢獻區(qū)域損失，效率反而降低，一般合適的位置應(yīng)使埋層位于耗盡區(qū)下方3-5um處。介質(zhì)埋層的寬度W是影響光電池寄生串聯(lián)電阻的重要因素，埋層越寬，基區(qū)中連接埋層上下的硅通道部分越窄，電阻越大，光反射區(qū)域也越大。在光入射的過程中，由于埋層已經(jīng)反射了大約45%的光到收集幾率更高的區(qū)域，進入埋層下方的光對光生電流的影響將很小，故在同等的指標下本發(fā)明光電池可以比一般硅光電池更薄，基區(qū)的摻雜也更高。摻雜的提高一定程度上減小了埋層寬度對寄生串聯(lián)電阻的影響。另外，薄電池使P+，P-形成的背面場作用更為顯著，這一點有助于光生電流的増加。實施例ニ 按照本發(fā)明的硅光電池的ー種體現(xiàn)如圖3的實施例ニ所示。圖3是光電池的硅表面經(jīng)過堿性溶液腐蝕所形成的絨面結(jié)構(gòu)圖，截取其局部A’如圖4所示。不同于實施例一， 從空氣中入射的光在經(jīng)過表面折射率為H1的減反射膜201之后發(fā)生了折射，其中絨面的光入射角為α，則根據(jù)折射定律可以計算出光進入介質(zhì)埋層204的入射角β的值，此時計算埋層介質(zhì)反射率最大時的厚度d應(yīng)根據(jù)下式進行
, Ansio2d = —--
4 τ cos β其中，nsi。2為ニ氧化硅的折射率，d為ニ氧化硅埋層204的厚度，λ為入射光的波長，β為光進入介質(zhì)埋層的入射角。圖4是圖3中Α’虛線部分的局部示意圖，借用此部分來說明介質(zhì)埋層結(jié)構(gòu)的光學特性，具體原理、過程與實施例一相似，在此不再詳細描述。為了實現(xiàn)實施例一和實施例ニ所描述的以ニ氧化硅作為埋層介質(zhì)硅光電池時，需要在在常規(guī)光電池エ藝的基礎(chǔ)上引入局部氧化工藝和SOI的鍵合技木，具體可以參考如圖 6所示的一種埋層制作方法，具體步驟如下1，在P型摻雜約為IO14CnT3的單晶襯底612上生長ー層氧化層611 ；2，在氧化層611上淀積ー層氮化物613 ；3，進行氮化物613的刻蝕，暴露出氧化層的部分即為氮化物窗ロ ；4，進行LOCOS氧化(會出現(xiàn)614所示的鳥嘴現(xiàn)象)；5，去除氮化物，并拋光直至非氮化物窗ロ區(qū)露出硅；6，利用SOI的鍵合技術(shù)將上一歩所得硅片與另ー塊摻雜相同的硅片鍵合；7，在上一歩所得硅片上進行擴散，注入等其它エ藝步驟。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種硅光電池，包括背面P+歐姆接觸區(qū)、P-基區(qū)和N+發(fā)射區(qū)，所述背面P+歐姆接觸區(qū)、P-基區(qū)和N+發(fā)射區(qū)組成Pin結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括介質(zhì)埋層，所述介質(zhì)埋層位于 P-基區(qū)內(nèi)部，耗盡區(qū)外部，并且介質(zhì)埋層不隔斷P-基區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅光電池，其特征在干，所述的硅光電池還包括位于硅光電池頂部的減反射層，所述減反射層覆蓋于N+發(fā)射區(qū)之上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅光電池，其特征在干，所述介質(zhì)埋層具體為ニ氧化硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅光電池，其特征在干，所述介質(zhì)埋層的厚度為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅光電池，包括背面P+歐姆接觸區(qū)、P-基區(qū)和N+發(fā)射區(qū)，所述背面P+歐姆接觸區(qū)、P-基區(qū)和N+發(fā)射區(qū)組成pin結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括介質(zhì)埋層，所述介質(zhì)埋層位于P-基區(qū)內(nèi)部，耗盡區(qū)外部，并且介質(zhì)埋層不隔斷P-基區(qū)。本發(fā)明提出的硅光電池通過在光電池基區(qū)引入埋層介質(zhì)形成內(nèi)部反射機制，引入的介質(zhì)埋層具有一定的反射入射光的能力，使得光電池收集幾率高的位置能接收更多的光照，吸收更多的光子，因而可以在不增加電池厚度的條件下獲得高的光生電流，轉(zhuǎn)換效率得到有效的提升。
文檔編號H01L31/052GK102569472SQ20121000389
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者吳浩然, 張有潤, 張波 申請人:電子科技大學