CN1224110C - 太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种太阳电池，它包括：本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；在所述衬底(100)的光接收一面上形成的n型扩散层(103)；在所述半导体衬底(100)的光接收一面相对的一面的局部地区形成的高浓度的p型扩散层(102)；用离子注入法在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及与各扩散层(103，102)连接的电极(105，106)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。

Description

太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池及其制备方法的改进。
背景技术
传统太阳电池通常具有如图9所示的结构制备过程如下所述。在本说明书中，将光接收表面或光接收面称为正表面或正面，相对的表面或相对面称为背表面或背面。
如图9A所示，采用厚度为30-500μm、硼浓度约为1×1015cm-3的单晶硅衬底(基片)100。也可以采用多晶硅衬底。在背表面局部形成至少达1×1017cm-3的高浓度p型扩散层。这个部分成为局部BSF(背表面场)层。制备方法包括以下步骤，用诸如氧化硅薄膜的掩膜材料101覆盖住除背面上将形成扩散层区域以外的衬底；在500-1200℃的温度BBr3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热，在整个基片上形成含有高浓度硼的氧化物；应用固相扩散将高浓度的硼仅注入到背面上未被掩膜覆盖的硅衬底区域中，形成高浓度的p型扩散层102。
需要说明的是，高浓度和低浓度分别表示注入到衬底中杂质的浓度。其中特别地，高浓度指的是，足以在低浓度衬底中形成扩散层的P型或N型杂质的浓度。
然后，如图9B所示，从基片表面上去除氧化膜和掩膜材料。如图9C所示，在正表面上形成至少达1×1018cm-3的高浓度n型扩散层103。用类似的方式，用掩膜材料101覆盖背表面。然后，在500-1200℃温度、POCl3与氧气的混合气体中对基片进行加热，由此在整个基片表面上形成含有高浓度磷的氧化物。通过固相扩散将高浓度的磷仅注入到正表面上未被掩膜覆盖的硅衬底中。结果，形成n型扩散层103。从而，在光接收面上形成n+扩散层103，在背表面局部地区形成p+扩散层102。在去除掩膜材料101后，用SiO2薄膜104覆盖整个表面。
如图9D所示，在去除无用绝缘膜的部分以梳形方式形成Ag/Pd/Ti的N电极105。在整个背面上形成Ag/Pd/Ti/Al的P电极106。从而制成了局部BSF型单晶硅太阳电池。图9E示出该太阳电池的底视图。图9F是沿图9E的X-Y线截取的太阳电池的截面图。尽管未示出，但在光接收表面上设有抗反射涂层。
当采用n型衬底时，对上述的p型和n型进行互换。
通过在p-(或n-)型衬底的正表面上形成n+/p(或p+/n)结，在其背表面上形成p+/p-(或n+/n-)低-高浓度结，从正面到背面引入势能梯度，这种结构是电极位于两表面的硅太阳电池的通用结构。
如图10所示的仅在背面有电极的太阳电池也是人们熟知的。这种太阳电池是用以下工艺步骤制备而成的。
如图10A所示，采用厚度为30-500μm、约含1×1013cm-3低浓度硼的单晶硅衬底(基片)100。在背表面用岛形方式形成至少达1×1017cm-3的高浓度p型扩散层，该层为局部BSF层。需要说明的是，上述的低浓度范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3。
制备方法包括以下步骤：用诸如氧化硅薄膜的掩膜材料101同时覆盖正面和背面；用光刻等方法除去背面预定部分的掩膜材料；在500-1200℃的温度、BBr3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热，由此在基片整个表面上形成含有高浓度硼的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的硼仅注入到背面上未被掩膜覆盖部分背表面区域中，形成高浓度的p型扩散层102。如后面所要说到的，在从基片表面上去除氧化膜和掩膜材料之后，形成N电极前，以岛形方式在背面形成至少达1×1018cm-3的高浓度n型扩散层。
如图10B所示，从背面预定部分除去覆盖正、背面的掩膜材料101。如图10C所示，以使在500-1200℃温度、POCl3与氧气的混合气体中对基片进行加热，在基片的整个表面上形成含有高浓度磷的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的磷仅注入到背面上未被掩膜覆盖的部分中。因此，在与光接收面相对的背面上形成岛形n+扩散层107和p+扩散层102。
如图10D所示，在去除无用绝缘膜之后，用CVD等方法在整个背面上淀积氧化硅薄膜104。用光刻在CVD氧化膜中形成窗口，与岛形n+扩散层和p+扩散层接触。在形成窗口的部分设置Ag/Pd/Ti/Al电极。电极是以梳形方式形成的，分为与岛形n+扩散层相互接触的N电极和与岛形p+扩散层相互接触的P电极。图10E是形成电极前的基片的底视图。图10F是沿图10E的X-Y线截取的在形成电极后的基片截面图。然后，在光接收表面上形成抗反射涂层。
通过在p-或n-型低浓度衬底的背面上形成岛形n+/p-(或p+/n-)结和p+/p-(或n+/n-)低-高浓度结，将势能梯度的结构引入到衬底中，这种结构是两个电极位于同一面的背面双电极接触型硅太阳电池的通用结构。
对于将低能量密度的太阳光转换为电能的太阳电池中，提高其光电转换效率是一个永久的目标。从入射能量的有效利用的角度看，尽管在太阳电池光接收表面附近对较短波长的太阳能量光基本完全实现了光电转换，但存在长波长光的无法利用和损失的问题。
作为利用长波长部分光的一种方法，可采用改变太阳电池中衬底禁带宽度的结构，以实现低能量长波光的光电转换。
然而，在采用单晶衬底的太阳电池中，通常难以改变其衬底的禁带宽度。这是因为具有均匀物理特性的单晶的禁带宽度到处是基本一致的。为了改变禁带宽度，将一种半导体材料叠加在另一种半导体材料上，但是，在晶格常数和热膨胀系数上能够匹配的这种其它半导体材料很少。
一种在薄膜厚度方向较为任意改变物理常数的非晶半导体，在整个薄膜中它包含有许多成为少数载流子复合中心的因素，如禁带内能级和晶粒边界。在这种非晶材料中，在很大程度上影响着太阳电池的转换效率的载流子扩散长度比单晶中的扩散长度相对短一些。因此，预计在没有划时代思想的非晶材料中是不能获得高效率的。在传统技术中，具有不同禁带宽度的半导体材料的薄膜淀积技术是关键。薄膜通常是利用CVD生长的。在这种情况下，材料气体的选择和设定薄膜生长条件是控制的难点。此外，薄膜的形成对于衬底的状态是敏感的。可以说，生长薄膜本身有各种各样的问题。薄膜会生长在整个被处理的表面上而不是限制在所需区域中。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提高太阳电池的效率。
在依照本发明的太阳电池及其制备太阳电池的方法中，采用离子注入在半导体背面上不形成扩散层的地方形成有缺陷层或非晶层，离子注入能容易地被控制在受影响的形成区域内，是一种通用工艺方法。这可以导致太阳电池效率的提高。被注入的物质至少是硅、锗、氢、氟、氧、碳等当中的一种。要依据半导体衬底和工艺方法的不同来选择合适的原子或分子
本发明可应用于下列4种类型的太阳电池及其制备方法中：
(I)一种太阳电池，包括本征或低浓度p型(p-型)半导体单晶衬底；在衬底光接收一面上形成的n型扩散层；在与衬底光接收一面相对的一面上局部地区形成的高浓度的p型(p+型)扩散层；以及与各扩散层连接的电极。
(II)一种太阳电池，包括本征或低浓度p型(p-型)半导体单晶衬底；在与衬底光接收面相对的一面上局部地区形成并间隔开的高浓度的p型(p+型)扩散层和n型扩散层；以及与这些扩散层连接的电极。
(III)一种(I)型的太阳电池，进一步包括高浓度的p型(p+型)扩散层之间区域中以电浮动态出现的n型扩散层。
(IV)一种太阳电池，包括本征或低浓度p型(p-型)半导体单晶衬底；在衬底光接收一面上形成的n型扩散层；在与衬底光接收一面相对的一面上局部地区形成并间隔开的高浓度的p型(p+型)扩散层和n型扩散层；在光接收一面和相对一面上n型扩散层和相对一面上p型扩散层上设置的电极。
根据本发明，在(I)-(IV)型太阳电池中通过离子注入形成晶体缺陷层或通过离子注入形成非晶层。在(I)型和(III)型太阳电池中，在高浓度p型(p+型)扩散层之间的区域中形成这些晶体缺陷层成非晶层。在(II)型和(IV)型太阳电池中，在与衬底光接收面相对的一面上形成的扩散层之间形成这些晶体缺陷层或非晶层。
以下将说明本发明的优点，以采用单晶硅衬底的太阳电池为例。
例如，在合适的条件下，将硅(28Si+)离子注入到与光接收面相对的背面中，然后施加适当热处理，能够在晶体中形成许多晶体缺陷。由于连绵不断的晶体缺陷形成非晶层。这种有缺陷的结构允许对以前不能在光接收表面附近和体内被有效吸收的长波光进行光电转换。理想的硅的禁带为1.12eV。当转换为波长时，这大约相当于1.1μm。原则上，在太阳电池中是不能对波长大于这一波长的光进行光电转换的。更长波长的光穿过太阳电池或者被转换为热，如图7所示。
图7示出不存在缺陷层的部分的能带。用hv＞Eg代表短波长的光。被短波长光激励的电子到达导带。用hv＜Eg表示的长波长光对光电转换没有贡献。这种光穿过电池或者被转换成热。
根据本发明，在与光接收面相对的背面上形成的晶体缺陷局部改变了晶体的原子排列，扰乱电子能级的简并，在硅能带的禁带中形成陷阱。
图8示出存在缺陷层的部分的能带。在导带与价带之间由缺陷层产生的能级起陷阱作用。这个陷阱允许对于在不存在缺陷层时不能被有效吸收的长波光激励的电子跳到导带上，如图8所示。在体内未被吸收的长波光被这一缺陷层所吸收。其一个光子将价带的电子升高到陷阱，下一个光子将陷阱上的电子升高到导带上。通过这种两级激励，产生光电转换。
在本发明中，通过将离子注入到与光接收面相对的背面中，在背面附近且没有扩散层的区域形成缺陷层。因此，缺陷层与体内产生的少数载流子的迁移路径不相干，如图5所示。众所周知，晶体缺陷通常是起少数载流子复合中心的作用。然而，在本发明中，由于入射光在体内产生的绝大多数载流子到达电极，不受缺陷层的任何影响，其缺点很少。
在背面设置两个电极的系统中，与衬底的杂质类型相反的扩散层可以在背面形成，而在结区的耗尽层中形成缺陷层。在这种结构中，可以将高的电场施加于缺陷层上产生的载流子对上，使载流子快速移动，从而能够减少在缺陷层上的复合。
从收集缺陷层上产生的载流子的角度考虑，采用低杂质浓度的衬底，以岛形方式在与光接收面相对的表面上形成n型和p型两种扩散层的这种背面双电极接触型太阳电池是有优点的。这是因为缺陷层中产生载流子的位置位于收集电极附近，如图6所示。
为了扰动晶体结构，可以采用诸如Si和Ge一类的衬底材料元素或类似半导体材料。通过热处理晶体缺陷还原和形成的程度会随注入后的热处理条件而不同，从而可使得形成缺陷层的处理时间减少。在这种情况下，通过与注入半导体材料一起注入氢、氟、氧或碳，被注入的氢、氟、氧或碳与悬空键相结合，变为缺陷的核心。从而，方便了缺陷层的形成。
除了如上所述的通过离子注入形成缺陷层以外，在类似位置通过离子注入形成非晶层在提高转换效率上也是有效的。
尽管非晶层是缺陷层缺陷数量增加的最终状态，但其物理特性与晶体的物理特性不同。例如，单晶硅具有1.1eV(300K)均匀禁带宽度。非晶硅的视在禁带(Tauc禁带)呈现1.7-1.8eV的相对较高水平。根据非晶的形成条件、薄膜中氢的含量、以及通过与诸如锗和氧的不同元素形成合金，这个值可以在较宽范围变化。
利用非晶层提高转换效率的这种特性，类似缺陷层的长波长光的光电转换得以实现。
具体说，注入的锗这类原子在类似缺陷层的位置上形成禁带宽度小于单晶硅禁带宽度的非晶层，通过像缺陷层一样的长波光光电转换效果，提高太阳电池的转换效率。
图11示出与图8相对应的存在非晶层的部分的能带。通过硅、锗等的离子注入变成非晶层，根据非晶层的形成条件，其禁带宽度小于单晶硅的禁带宽度。这一层允许对太阳电池中其它部分晶体区中不能被吸收的长波光进行光电转换。
因此，借助于易于控制受影响区形成的离子注入工艺方法，注入与衬底半导体材料相同或相似的物质和/或诸如氢、氟、氧、碳等便于形成缺陷的元素，在与光接收面相对的表面的所需区域中形成缺陷层或非晶层，可以对体内不能被有效吸收的波长范围的光进行光电转换，提高了太阳电池的转换效率。
本发明的第一方面，提供了一种太阳电池，它包括：本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；在所述衬底(100)的光接收一面上形成的n型扩散层(103)；在所述半导体衬底(100)的光接收一面相对的一面的局部地区形成的高浓度的p型扩散层(102)；用离子注入法在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及与各扩散层(103，102)连接的电极(105，106)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
根据本发明的第二方面，提供了一种太阳电池，它包括：本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；在所述半导体衬底(100)的光接收表面相对的一面的局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)和n型扩散层(107)；用离子注入法在所述局部地区形成的扩散层(102，107)之间形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及与光接收表面相对一面上的各扩散层(107，102)连接的电极(105-1，106-1)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
根据本发明的第三方面，提供了一种太阳电池，它包括：本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；在所述衬底(100)的光接收一面上形成的n型扩散层(103)；在所述衬底(100)的与光接收一面相对的一面的局部地区形成的高浓度的p型扩散层(102)；在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域以电浮动态出现的n型扩散层(108)；在所述的与光接收面相对一面的局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域用离子注入法形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及分别与光接收面上所述n型扩散层和与光接收面相对一面上所述p型扩散层(102)连接的电极(105，106)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
根据本发明的第四方面，提供了一种太阳电池，它包括：本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；在所述衬底(100)的光接收一面上形成的n型扩散层(103)；在所述衬底(100)的与光接收表面相对的一面的局部地区形成并分隔开的高浓度p型扩散层(102)和n型扩散层(107)；用离子注入法在所述局部地区形成的扩散层(102，107)之间形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及分别设置在所述的光接收面和其相对面上的n型扩散层(103，107)和所述的与光接收面相对一面上的p型扩散层(102)上的电极(105-1，106-1)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
根据本发明的第五方面，提供了一种制备太阳电池的方法，它包括步骤：在本征或含有低浓度p型杂质的半导体单晶衬底(100)的光接收一面上形成n型扩散层(103)；在所述衬底(100)的与光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；用离子注入法在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及分别在所述的光接收面上的n型扩散层(103)和在所述的与光接收面相对一面的p型扩散层(102)上形成电极(105，106)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
根据本发明的第六方面，提供了一种制备太阳电池的方法，它包括步骤：在本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)的光接收面上形成n型扩散层(103)；在与所述光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；在所述局部地区形成的P型扩散层(102)之间的区域中形成电浮动态的n型扩散层(108)；用离子注入法在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域中形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)；以及分别在所述光接收面上所述n型扩散层(103)和在与所述光接收面相对一面的所述n型扩散层(107)和所述p型扩散层(102)上形成电极(105，106)，其中，在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
根据本发明的第七方面，提供了一种制备太阳电池的方法，它包括步骤：在本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)的光接收面上形成n型扩散层(103)；在与所述光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；在所述局部地区形成的p型扩散层(102)之间的局部地区形成n型扩散层(107)；用离子注入法在所述局部地区形成的p型与n型扩散层(102，107)之间的区域中形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)；以及在光接收面上的所述n型扩散层(103)上和在与所述光接收面相对一面上的所述p型扩散层(102)上形成电极(105-1，106-1)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
根据本发明的第八方面，提供了一种制备太阳电池的方法，它包括步骤：在本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)的光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；在所述局部地区形成的p型扩散层(102)之间局部地区形成n型扩散层(107)；通过离子注入在所述局部地区形成的型p与n型扩散层(102，107)之间的区域中形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及在与所述光接收面相对一面上的所述p型扩散层(102)和所述n型扩散层(107)上分别形成电极(105-1，106-1)，其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
从以下对本发明的详细描述同时结合附图，本发明的上述目的和其它一些目的、特征、有关问题和优点将会更加清楚。
附图说明
图1A-1I是表明本发明第一实施例的太阳电池的制备步骤的截面图。
图2A-2H是表明本发明第二实施例的太阳电池的制备步骤的截面图。
图3是本发明另一实施例的太阳电池的截面图。
图4是本发明又一实施例的太阳电池的截面图。
图5和6是表明本发明机理的图。
图7是表明无缺陷层的传统太阳电池效果的图。
图8是表明有缺陷层的本发明太阳电池的工作情况的图。
图9A-9D和9F是表明传统太阳电池一例的制备步骤的截面图，图9E是经过图9D步骤后传统太阳电池的底视图。
图10A-10D和10F是表明传统太阳电池另一例的制备步骤的截面图，图10E是经图10D步骤后传统太阳电池的底视图。
图11示出存在非晶层的部分的能带。
具体实施方式
在附图中，100代表单晶硅衬底；101代表掩膜材料；102代表p型扩散层；103、107和108代表n型扩散层；104代表氧化膜；105表示n电极；106表示p电极；110表示抗注入掩膜；v代表缺陷层(或非晶层)。
图1A-1I示出本发明第一实施例的太阳电池的制备步骤。
如图1A所示，在硼浓度约为1×1015cm-3、厚度为30-500μm的单晶衬底(基片)100的背表面局部地区形成至少达1×1017cm-3的高浓度p型扩散层。用诸如氧化硅薄膜的掩膜材料101覆盖正面和背面两面。采用光刻和腐蚀技术，以岛形方式在背面的掩膜材料上形成岛形孔。
如图1B所示，在500-1200℃的温度、BBr3气体与氧气的混合气体中对基片加热。在基片的整个表面上形成含有高浓度硼的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的硼仅注入到背面上未被掩膜覆盖的硅衬底区域中。结果，形成岛形的p型扩散层102。
从基片上去除氧化物和掩膜材料之后，用掩膜材料覆盖背面，如图1C所示。然后，在500-1200℃的温度、POCl3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热。在整个表面上形成含有高浓度磷的氧化物，如图1D所示。通过固相扩散，将高浓度的磷注入到正面上未被掩膜覆盖部分的硅衬底中。结果，在整个正面上形成至少达1×1018cm-3高浓度n型扩散层103。
在进行所要求的高温热处理步骤之后和形成电极步骤之前，形成本发明的缺陷层。如图1E所示，整个背面被氧化物薄膜104一类的注入保护膜所覆盖。然后，通过光刻在背面上形成有图案的抗注入掩膜110，以覆盖岛形p型扩散层102。
如图1F所示，将硅离子注入到有抗注入掩膜的背面中。例如，在40keV能量和2×1015cm-2剂量水平的条件下注入28Si+离子。在注入28Si+离子后，在30keV能量和5×1014cm-2剂量水平的条件下以同样的方式注入19F+离子。
参考图1G，去除抗注入材料和适当冲洗处理之后，进行热处理，以获得最佳缺陷层v。例如，在700℃下在氮气中退火10分钟。其中形成缺陷层的状态可以由离子注入条件和接下来的热处理条件来确定。
其余的工艺步骤与传统的太阳电池的制备步骤类似。如图1H所示，用氧化物薄膜104覆盖正、背两面。在所需部位形成窗口。在正面和背面上分别形成电极105和106。此外，在光接收面上形成抗反射涂层。由此做成一个太阳电池。图1I示出所获得的太阳电池的截面图。
图2A-2H示出本发明第二实施例的太阳电池的制备步骤。第二实施例的太阳电池在背面上同时设有P电极和N电极。
如图2A所示，在厚度为30-500μm、含有约1×1015cm-3低浓度硼的单晶衬底(基片)100的背表面局部地区形成至少1×1017cm-3的高浓度p型扩散层。用诸如氧化硅薄膜的掩膜材料101覆盖正面和背面两面。采用光刻和刻蚀方法，以岛形方式在背面的掩膜材料上形成岛形孔。
如图2B所示，在500-1200℃的温度、BBr3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热。结果，在基片的整个表面上形成含有高浓度硼的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的硼仅注入到背面上未被掩膜覆盖的硅衬底部分中。结果，得到岛形的p型扩散层。
如图2C所示，从基片表面去除氧化物和掩膜材料之后，在背面局部地区形成至少1×1018cm-3的高浓度n型扩散层。以类似方式，用掩膜材料101覆盖正面和背面。然后，在背面上已经形成p型扩散层的区域以外的区域中在掩膜材料上形成岛形孔。
如图2D所示，在500-1200℃的温度、POCl3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热。结果，在基片表面整个形成含有高浓度磷的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的磷仅注入到硅衬底背面上未被掩膜覆盖的部分，从而以岛形方式获得n型扩散层107。
在进行所要求的高温热处理步骤之后和形成电极之前，形成本发明的缺陷层。如图2E所示，整个背面被注入保护膜所覆盖。然后，通过光刻术在背面上形成抗注入掩膜110，以覆盖岛形p型扩散层和n型扩散层。
如图2F所示，将硅(Si)离子注入到有抗注入材料作掩膜的背面中。例如，在40keV能量和2×1015cm-2剂量水平的条件下注入28Si+离子。在28Si+离子注入工艺过程后，在30keV能量和5×1014cm-2剂量水平的条件下注入19F+离子，形成缺陷层v。
如图2G所示，去除抗注入材料并进行适当冲洗处理。然后，进行热处理，以获得最佳缺陷层v。例如，在700℃下在氮气中退火10分钟。根据离子注入条件和接下来的热处理条件可确定形成的缺陷层的状态。
其余的工艺步骤与传统的太阳电池的制备步骤类似。在与光接收面相对的表面上形成电极105-1和106-1，在光接收表面上形成抗反射涂层。由此做成一个太阳电池。图2H是所获得的太阳电池的截面图。
以下将说明根据注入条件和热处理条件所形成的缺陷层的状态。
通过改变注入离子的能量，可改变被注入离子在半导体衬底中的平均自由程，从而改变所形成缺陷的位置(深度)。此外，改变离子的扩展也与平均自由程有关。在较高能量下注入的离子比在较低能量下注入的离子平均位置更深，扩展更宽。另外，注入能量在很大程度上会扰动半导体衬底中的组成原子。通过离子注入更易于使晶体变为非晶。
此外，采用相同的能量，通过改变注入的角度能够改变深度和扩展。通过设定相对衬底法向的更大入射角(如约为60°)，能够在比垂直注入衬底时更浅和更窄的范围(入射角约为60°时的深度和扩展为垂直注入衬底时的1/2)形成缺陷。
通过改变离子的剂量水平能够改变晶体的扰动程度。较高的剂量使得注入位置成为非晶。改变注入离子的能量以及质量数也会对此产生影响。在高能下越重的离子对晶体组成原子排列的扰动越大。
晶体缺陷的形成状态受到注入和接下去的退火条件引起的衬底组成原子扰动特性的影响。例如，将28Si+离子注入到Si衬底中时，通过在至少900℃的高温下退火10分钟，晶体的排列几乎还原。对于变为非晶的层，通过在较低温度下的退火处理足以使晶体还原。在最初进行至少900℃高温退火时，在前述的非晶层的边界附近不规则地形成几微米的相对较大的位错环。当对衬底组成原子的扰动较小时，通过低温退火处理晶体不容易还原。尽管能够均匀地形成相对较小的缺陷，但是如果进行高温退火，将足以使晶体还原。在这种情况中，将不形成缺陷。
在这种状态下，诸如氟、氧、碳等其它类型原子注入到衬底组成原子已扰动的层中，就会以这些原子作为核心形成缺陷。注入的条件与前述条件相似。通过改变注入能量、注入角度以及原子的质量数可以控制缺陷形成的位置。此外，通过事先使被注入的区域足够地变为非晶，即使在注入相对较小的原子时，也不易于产生隧道现象引起的唯一分布，在隧道现象中，小原子贯穿衬底组成原子。因此，更易于控制分布。
通过将这些注入条件和所获得的现象组合，能够获得适合器件结构的合适缺陷层。所获得的缺陷主要起能带之间陷阱的作用。考虑到少数载流子的移动，通过在不易于作为载流子复合中心工作的区域中提供缺陷能够提高电池特性(电流值)。
作为对第一实施例的一种改进，可以在半导体衬底背面上形成的岛形p型扩散层之间的区域中形成以电浮动状态出现的岛形n型扩散层。
其制备方法与第一实施例的制备方法基本相似，区别是在背表面一侧形成浮置结。
在形成图1B的岛形p型扩散层后接着从基片表面去除氧化物薄膜和掩膜材料。在背面上，局部地区形成约为1×1017cm-3的将变为浮置结的岛形n型扩散层。然后，用掩膜材料同时覆盖正表面和背表面。以岛形方式在背面上形成p型扩散层之间的区域上通过光刻和腐蚀技术在掩膜材料中形成岛形孔。在500-1200℃的温度、POCl3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热。结果，在基片表面整个形成含有高浓度磷的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的磷仅注入到硅衬底背面上未被掩膜覆盖的部分中。从而，获得岛形n型扩散层，形成浮置结。
接下来的工艺过程与图1C以及以下的工艺步骤相似。图3示出所获电池的截面图。108表示形成浮置结的岛形n型扩散层。
浮置结电池意味着该电池在背面上形成与p型电极接触的区域以外的区域形成电浮动状态的n型扩散层。目的是利用硅衬底与氧化物薄膜之间边界上表面复合速率对n型扩散层而言较慢的事实，通过抑制电池的暗电流来改善其特性(参考第22届IEEE光伏专家会议(1991)，p.284)。对于少数载流子寿命长的电池而言，这种结构是有效的。然而，在传统结构的实际太阳电池中不存在明显差别。相反，本发明的特征在于，在邻近p型电极接触以外背面区域中形成有效的光电转换的层，因此，到达背面氧化物薄膜/p型扩散层的界面的载流子比传统电池更多。因此，与本发明的浮置结组合是改善特性的一种有效技术。本发明有效地利用了在应用传统电池中没有如此有效的浮置结结构。
只要注入位置不在p型电极接触部分(局部BSF区域)和浮置结结区，对其不加特别限制。
作为对本发明第二实施例的一种改进，可以在正面形成n型扩散层，提供N电极。
其制备方法与第二实施例相似。
在形成图2B所示的岛形p型扩散层后，从基片表面去除氧化物薄膜和掩膜材料。在整个光接收表面和非光接收表面局部区域上形成至少为1×1018cm-3的高浓度n型扩散层。然后，用掩膜材料仅覆盖背面。接着，通过光刻和腐蚀技术，在背面上形成p型扩散层之间的区域的掩膜材料中形成岛形孔。下一步，在500-1200℃的温度下，在POCl3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热。结果，在基片整个表面形成含有高浓度磷的氧化物。通过固相扩散，从整个正面和背面上未被掩膜覆盖的预定区域注入高浓度的磷。从而获得n型扩散层。
接下来的工艺过程与第二实施例的工艺步骤相似，不同之处在于在正面上增加了N电极。图4示出所获电池的截面图。
通过在两个表面上都设置N电极，与N电极连接的n型扩散层位于正表面和背表面两面上，而电极是少数载流子(电子)的收集体，使少数载流子到达被收集位置的距离缩短一半。少数载流子移动的距离更短有一个优点，它减小对衬底少数载流子寿命的影响。这种结构对于制备性能不因为减小衬底寿命而改变的器件是有用的。例如，对于空间中应用的太阳电池，这是有用的，在这种电池中，衬底的寿命可能会由于类似辐射一类事件而缩短。
通过将本发明应用于在两面设置电极的太阳电池，到达正面和背面两面的载流子的数目比传统的太阳电池更多。通过在该区域中设置与N电极接触的n型扩散层，能够收集到到达那里的载流子。除了两面上有n型扩散层的结构的优点外，允许充分利用本发明的优点改善特性。
在以上的实施例中对局部BSF结构的太阳电池作了介绍。尽管本发明可以应用于局部BSF结构之外的结构，许多其它结构在整个非光接收表面中具有载流子的通道，这种结构对起载流子复合中心作用的缺陷层的缺点很敏感。因此，在这种情况中将会降低本发明的效果。
以下将描述另一个实施例。在厚度为30-500μm、含有浓度约为1×1015cm-3硼的单晶硅衬底的背表面局部形成至少达1×1017cm-3的高浓度p型扩散层。这种方法包括用诸如氧化硅薄膜这类掩膜材料覆盖正面和背面两面、采用光刻和腐蚀技术以岛形方式仅在背面上在掩膜材料中形成岛形孔的步骤。
在500-1200℃的温度、BBr3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热。结果，在整个基片上形成含有高浓度硼的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的硼仅注入到背面上未被掩膜覆盖的硅衬底区域中。由此获得岛形p型扩散层。
从基片表面去除氧化物和掩膜材料之后，在整个正面上形成至少达1×1018cm-3高浓度n型扩散层。然后，用掩膜材料覆盖背表面。在500-1200℃的温度、POCl3气体与氧气的混合气体中对基片进行加热。结果，在基片整个表面上形成含有高浓度磷的氧化物。通过固相扩散，将高浓度的磷仅注入到正面上未被掩膜覆盖的硅衬底部分中。
在进行所要求的高温热处理步骤之后和形成电极之前，形成本发明的缺陷层。用诸如氧化物薄膜一类的注入保护膜覆盖整个背面。然后，通过光刻在背面上形成抗注入掩膜110，以覆盖岛形p型扩散层。将锗(Ge)离子注入到有光致抗蚀剂作掩膜的背面中。例如，在100keV能量和2×1015cm-2剂量水平下注入73Ge+。
通过改变覆盖背面的氧化物薄膜的厚度和注入能量，可改变非晶层的形成深度。由注入能量和剂量水平可改变非晶层的厚度和质量。由注入离子的剂量水平和类型可改变非晶层的物理性能。
然后，去除抗注入材料并进行适当冲洗处理。为维持非晶层，不进行高温热处理。
接下来的工艺步骤与传统的太阳电池的制备步骤类似。在正面和背面两面上形成电极。此外，在光接收面上形成抗反射涂层。由此做成一个太阳电池。
通过在太阳电池的与光接收表面相对的区域中形成缺陷层或非晶层，能够对体内不能被有效吸收的波长区的光进行光电转换。因此，能够改善太阳电池的性能。此外，由于采用了易于控制和通用的离子注入法，能够制备出稳定和高可靠性的太阳电池。
尽管对本发明已经作了详细描述，但是，显然应当明白，这仅仅是作为说明和举例，而不是作为限制。本发明的精神和范围仅受附加的各项权利要求所限制。

Claims (28)

1.一种太阳电池，其特征在于它包括：
本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；
在所述衬底(100)的光接收一面上形成的n型扩散层(103)；
在所述半导体衬底(100)的光接收一面相对的一面的局部地区形成的高浓度的p型扩散层(102)；
用离子注入法在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及
与各扩散层(103，102)连接的电极(105，106)；
其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
2.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：用于所述离子注入的物质由至少从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和至少从硅和锗中选择的一种物质组成。
3.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：所述的非晶层是通过离子注入剂量至少达2×1015cm-2的硅或锗形成的。
4.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：用于形成所述非晶层的离子注入物质包括一种其禁带宽度小于所述衬底禁带宽度的物质。
5.如权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：当所述衬底为硅衬底时，用于形成所述非晶层的离子注入物质包括锗，所述锗的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度。
6.一种太阳电池，其特征在于它包括：
本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；
在所述半导体衬底(100)的光接收表面相对的一面的局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)和n型扩散层(107)；
用离子注入法在所述局部地区形成的扩散层(102，107)之间形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及
与光接收表面相对一面上的各扩散层(107，102)连接的电极(105-1，106-1)；
其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
7.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于：用于所述离子注入的物质由从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和从硅和锗中选择的一种物质组成。
8.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于：所述的非晶层是通过离子注入剂量至少达2×1015cm-2的硅或锗形成的。
9.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于：用于形成所述非晶层的离子注入物质包括一种禁带宽度小于所述衬底禁带宽度的物质。
10.如权利要求6所述的太阳电池，其特征在于：当所述衬底为硅衬底时，用于形成所述非晶层的离子注入物质包括锗，所述锗的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度。
11.一种太阳电池，其特征在于它包括：
本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；
在所述衬底(100)的光接收一面上形成的n型扩散层(103)；
在所述衬底(100)的与光接收一面相对的一面的局部地区形成的高浓度的p型扩散层(102)；
在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域以电浮动态出现的n型扩散层(108)；
在所述的与光接收面相对一面的局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域用离子注入法形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及
分别与光接收面上所述n型扩散层和与光接收面相对一面上所述p型扩散层(102)连接的电极(105，106)，
其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
12.如权利要求11所述的太阳电池，其特征在于：用于所述离子注入的物质由从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和从硅和锗中选择的一种物质构成。
13.如权利要求11所述的太阳电池，其特征在于：所述的有晶体缺陷的或是为非晶的层是通过离子注入剂量达2×1015cm-2的硅或锗形成的。
14.如权利要求11所述的太阳电池，其特征在于：用于形成所述有晶体缺陷的或是为非晶的层的离子注入物质包括一种禁带宽度小于所述衬底禁带宽度的物质。
15.如权利要求11所述的太阳电池，其特征在于：当所述衬底为硅衬底时，用于形成所述有晶体缺陷的或是为非晶的层的离子注入物质包括锗，锗的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度。
16.一种太阳电池，其特征在于它包括：
本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)；
在所述衬底(100)的光接收一面上形成的n型扩散层(103)；
在所述衬底(100)的与光接收表面相对的一面的局部地区形成并分隔开的高浓度p型扩散层(102)和n型扩散层(107)；
用离子注入法在所述局部地区形成的扩散层(102，107)之间形成的有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及
分别设置在所述的光接收面和其相对面上的n型扩散层(103，107)和所述的与光接收面相对一面上的p型扩散层(102)上的电极(105-1，106-1)，
其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
17.如权利要求16所述的太阳电池，其特征在于：用于所述离子注入的物质由从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和从硅和锗中选择的一种物质构成。
18.如权利要求16所述的太阳电池，其特征在于：所述的非晶层是通过离子注入剂量至少达2×1015cm-2的硅或锗形成的。
19.如权利要求16所述的太阳电池，其特征在于：用于形成所述非晶层的离子注入物质包括一种禁带宽度小于所述衬底禁带宽度的物质。
20.如权利要求16所述的太阳电池，其特征在于：当所述衬底为硅衬底时，用于形成所述非晶层的离子注入物质包括锗，所述锗的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度。
21.一种制备太阳电池的方法，其特征在于它包括步骤：
在本征或含有低浓度p型杂质的半导体单晶衬底(100)的光接收一面上形成n型扩散层(103)；
在所述衬底(100)的与光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；
用离子注入法在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及
分别在所述的光接收面上的n型扩散层(103)和在所述的与光接收面相对一面的p型扩散层(102)上形成电极(105，106)，
其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
22.如权利要求21所述的制备太阳电池的方法，其特征在于：用于所述离子注入的物质由从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和从硅和锗中选择的一种物质构成。
23.一种制备太阳电池的方法，其特征在于它包括步骤：
在本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)的光接收面上形成n型扩散层(103)；
在与所述光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；
在所述局部地区形成的P型扩散层(102)之间的区域中形成电浮动态的n型扩散层(108)；
用离子注入法在所述局部地区形成的高浓度p型扩散层(102)之间的区域中形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)；以及
分别在所述光接收面上所述n型扩散层(103)和在与所述光接收面相对一面的所述p型扩散层(102)上形成电极(105，106)，
其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
24.如权利要求23所述的制备太阳电池的方法，其特征在于：用于所述离子注入的物质由从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和从硅和锗中选择的一种物质构成。
25.一种制备太阳电池的方法，其特征在于它包括步骤：
在本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)的光接收面上形成n型扩散层(103)；
在与所述光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；
在所述局部地区形成的p型扩散层(102)之间的局部地区形成n型扩散层(107)；
用离子注入法在所述局部地区形成的p型与n型扩散层(102，107)之间的区域中形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)；以及
在光接收面上的所述n型扩散层(103)上和在与所述光接收面相对一面上的所述n型扩散层(107)和p型扩散层(102)上形成电极(105-1，106-1)，
其中，在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
26.如权利要求25所述的制备太阳电池的方法，其特征在于：用于所述离子注入的物质由从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和从硅和锗中选择的一种物质构成。
27.一种制备太阳电池的方法，其特征在于它包括步骤：
在本征或低浓度p型半导体单晶衬底(100)的光接收面相对的一面的局部地区形成高浓度的p型扩散层(102)；
在所述局部地区形成的p型扩散层(102)之间局部地区形成n型扩散层(107)；
通过离子注入在所述局部地区形成的p型与n型扩散层(102，107)之间的区域中形成有晶体缺陷的或是为非晶的层(v)，其中在形成有晶体缺陷的层时，在导带和该导带的价带之间产生能量级，在形成为非晶的层时，该非晶层的禁带宽度小于所述衬底禁带宽度；以及
在与所述光接收面相对一面上的所述p型扩散层(102)和所述n型扩散层(107)上分别形成电极(105-1，106-1)，
其中，所述的低浓度的范围为1×1013cm-3到1×1017cm-3，所述的高浓度范围为大于1×1017cm-3。
28.如权利要求27所述的制备太阳电池的方法，其特征在于：用于所述离子注入的物质由从氢、氟、氧和碳中选择的一种物质和从硅和锗中选择的一种物质构成。
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