專利名稱：用納米/微球光刻制造納米/微線太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池，并且更特別地，涉及用于制造基于納米線/微線 (microwire)的太陽能電池的技術。
背景技術：
對太陽能電池的廣泛使用的主要障礙是生產(chǎn)太陽能電池的高成本，通常幾乎一半的生產(chǎn)成本用于獲取起始太陽能等級硅(Si)晶片(其必須符合某個最小厚度)。雖然 Si被廣泛地用作太陽能材料，但Si因為其間接帶隙而具有長吸收長度。例如，需要100 微米(μπι)厚的Si晶片來吸收90%的高于1. 12電子伏特(eV)帶隙的太陽能。參見例如 B. M. Kayes 等人的"Comparison of the Device Physics Principles of Planar and Radial p-n Junction Nanorod Solar Cells," J. Appl. Phys. ， vol. 97,114302(2005) ( VX 下稱為“Kayes”)。備選地，可以使用較低成本的材料，諸如冶金等級多晶Si或者多結晶Si。例如，在 2007年，冶金等級Si每千克(kg)花費約2美元，而高品質太陽能等級Si襯底每kg花費約 20 美兀。參見例如 USGS，Silicon :USGS Mineral Commodity Summaries, January 2008。 然而，這些較低成本的材料通常由于存在許多雜質和晶界而具有非常短的少數(shù)載流子壽命 (并且因此具有短的擴散長度)。這種不利特性嚴重限制了電池效率。規(guī)避這種問題的一種方式是尋求這些較低成本材料中的效率提高。對效率提高的有希望的途徑是在水平方向而不是垂直方向引導載流子匯集。這種方案可以在圓柱形P-n 結配置中實現(xiàn)，該圓柱形P-n結配置由于匯集在徑向方向中發(fā)生，所以允許針對短擴散長度材料的更高效的載流子匯集。參見例如描述納米柱太陽能電池的Kayes。然而，遺憾地是，用于生產(chǎn)納米等級太陽能器件的傳統(tǒng)技術受限于低產(chǎn)量并因此對于大規(guī)模商業(yè)實現(xiàn)可能過于昂貴。因此，需要降低生產(chǎn)成本并且增加產(chǎn)量的改進的太陽能電池制造技術。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供了用于制造基于納米線/微線的太陽能電池的技術。在本發(fā)明的一個方面中，提供了用于制造太陽能電池的方法。該方法包括以下步驟。提供摻雜襯底。在該襯底上沉積單層球體。該球體包括納米球、微球或其組合。修整該球體以在單層的單獨球體之間引入空間。修整后的球體被用作掩模以對該襯底中的接線進行圖案化。該接線包括納米線、微線或其組合。在圖案化的接線上形成摻雜發(fā)射極層。在該發(fā)射極層之上沉積頂部接觸電極。在該襯底的與該接線相反的一側上沉積底部接觸電極。通過參考以下詳細描述和附圖，將會獲得對本發(fā)明的更完全理解以及本發(fā)明的進一步的特征和優(yōu)點。
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的示例性圓柱形p-n結配置的示意圖；圖2-圖9是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的，用于制造基于納米線和/或微線的太陽能電池的示例性方法的示圖；圖10是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的通過擴散形成發(fā)射極層的示圖；圖11是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的通過沉積形成發(fā)射極層的示圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的與納米球直徑和等離子體蝕刻時間有關的圖表；圖13A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的使用納米球掩模進行圖案化的示例性納米線陣列的由上向下掃描電子顯微(SEM)圖像；圖1 是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的使用納米球掩模進行圖案化的示例性納米線陣列的橫截面SEM圖像；圖13C是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的圖13B的圖像的一部分的放大橫截面SEM 圖像；圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有通過擴散磷旋涂摻雜劑源在納米線陣列上形成的發(fā)射極層的太陽能電池的橫截面SEM圖像；圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有通過在納米線陣列上濺射氧化鋅 (ZnO)層而形成的η型射極層的太陽能電池的橫截面SEM圖像；圖16Α是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的圖14的太陽能電池的電特性的圖表；圖16Β是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的圖14的太陽能電池的電特性的表格；圖16C是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的圖14的太陽能電池的反射率光譜的圖表；圖17Α是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的圖15的太陽能電池的電特性的圖表；以及圖17Β是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的圖15的太陽能電池的電特性的表格。
具體實施例方式在此公開的內容是用于制造基于納米線和/或微線的太陽能電池的技術。本太陽能電池設計采用圓柱形P-n結配置。圓柱形p-n結配置由于匯集在徑向方向中發(fā)生，而允許針對短的少數(shù)載流子擴散長度太陽能材料的更高效的載流子匯集。因此，在本教導中可以實現(xiàn)由于短的少數(shù)載流子擴散長度而可能不適合于在傳統(tǒng)的平面太陽能電池設計中使用的低成本材料，因而實現(xiàn)節(jié)省生產(chǎn)成本。此外，為了實現(xiàn)商業(yè)上可行的基于納米線和/或微線的太陽能電池，重要的是利用低成本方法制造納米線和/或微線結構。因此，本技術提供了采用“由上向下”納米球 /微球光刻的制造工藝，從而避免了諸如電子束(e-beam)或者紫外線(UV)光刻之類的受限于低產(chǎn)量并且因而過于昂貴的標準工藝。納米球/微球光刻制造技術提供了簡單、低成本并且高產(chǎn)量的技術以限定大規(guī)模納米線和/或微線結構。參見例如C. L. Cheung等人的"Fabrication of Nanopillars by Nanosphere Lithography,，，Nanotech. 17,1339 (2006) (以下稱為 ‘‘Cheung”)以及 Ζ. Huang 等人的"Fabrication of Silicon Nanowire Arrays with Controlled Diameter, Length, and Density, "Advanced Materials 19,744(2007) (以下稱為“Huang”)，它們各自的內容在此通過引用并入。納米球和/或微球光刻制造技術依賴于納米球和/或微球的大規(guī)模自組裝布置(參見下文)。相比于對照(control)樣本(以常規(guī)方式制造的平面器件，即沒有納米線或者微線)，使用本技術制造的基于納米線和微線的太陽能電池的電特性示出了在較高短路電流和效率方面的有希望的益處(參見下文)。同樣地，相比于常規(guī)的用于大規(guī)模納米線制造的 “由下向上”技術(即，汽液固(VLS)生長工藝)，本納米球/微球光刻制造技術無需對于太陽能電池性能可能非常有害的金屬催化劑。具體而言，VLS生長中涉及的金屬催化劑，諸如金(Au)、銀(Ag)和銅(Cu)，充當實質上增加復合電流的對太陽能電池中的少數(shù)載流子的雜質陷講。這個電流繼而減少太陽能電池中的有用光生電流量。此外，納米球/微球光刻制造技術在控制所生產(chǎn)的納米線和/或微線的尺寸(直徑和高度)中提供更大的靈活性。圖1是圖示了在圓柱形p-n結配置中按照水平方向指引載流子匯集的示意圖。如圖1中所示，通過參考示例性基于納米線的太陽能電池100，在圓柱形P-n結中，電荷載流子(即電子e-空穴h對)匯集發(fā)生在徑向方向中。換言之，在圓柱形內核(在本示例中為 η型摻雜納米線10 和圍繞該內核的層(在本示例中為ρ型摻雜發(fā)射極層104)之間形成 P-n結。納米線的半徑r與少數(shù)載流子(在本實例中為空穴)的擴散長度Lp相當，即r Lp。這暗示了空穴可以在主體(即，納米線102和下面的襯底)中的任何位置生成，并且它們將由P-n結有效地匯集和分離，以產(chǎn)生有用的電流。徑向方向中的改進的載流子匯集可以提高太陽能電池的效率。參見例如Kayes，其內容通過引入并入于此。此外，納米線薄膜還充當增加光吸收的自然抗反射涂層(參見例如L. Tsakalakos等人的“Mrong Broadband Optical Absorption in Silicon Nanowire Films，”J. Nanophot. 1，013552 (2007)，其內容通過引入并入于此)，特別是在較短波長處(參見例如L. Hu等人的“Analysis of Optical Absorption in Silicon Nanowire Arrays for Photovoltaic Applications,，，Nano Lett. ,Vol. 7, no. 11,3249(2007),(以下稱為“Hu”)，其內容通過引入并入于此)。這種作用提高了電池的能量轉換效率。圖2-圖9是圖示了用于制造基于納米線和/或微線的太陽能電池的示例性方法的示圖。用于制造工藝的起始平臺是襯底，即襯底202(參見圖2)。襯底202可以是適合于形成用于太陽能電池的P-n結的任何半導體材料。因此，使用n型摻雜劑或ρ型摻雜劑對襯底202進行摻雜。適合的η型摻雜劑包括但不限于磷(P)和砷(As)。適合的ρ型摻雜劑包括但不限于硼(B)0在一個示例性實施方式中，使用ρ型硅(例如，Si(IOO))底。如圖2中所示，在襯底上沉積單層球體204。球體204包括納米球、微球或者納米球和微球的組合。納米球在此通常被認為包括具有小于約1 μ m(例如，從約50納米(nm)至約 1微米(Pm))的直徑ds的球體204。微球在此通常被認為包括具有大于或等于約Iym(例如從約1 μ m至約50 μ m)的直徑ds的球體204。球體204將用于對襯底中的接線進行圖案化，而接線的直徑取決于修整步驟(參見下文)之后的球體的直徑。因此，修整后的納米球、微球或者納米球和微球的組合將分別用于對襯底中的納米線、微線或者納米線和微線的組合進行圖案化。根據(jù)示例性實施方式，使用聚苯乙烯乳膠球體。聚苯乙烯乳膠微球可以從美國馬薩諸塞州Waltham的Thermo Fisher Scientific公司購得(聚苯乙烯乳膠微球5000系列)。對通常在水懸浮液中提供的球體使用甲醇+Trit0nTM-X表面活性劑(可從美國密西根州Midland的Dow Chemical公司獲得)(例如，聚苯乙烯乳膠納米球和/或微球懸浮液甲醇TritonTM-X為560 400 1)稀釋，并且使用旋涂技術沉積(例如，對于500nm 的納米球)旋轉順序為每分鐘400轉數(shù)(rpm)(持續(xù)10秒)，800rpm(持續(xù)120秒)以及 1400rpm(持續(xù)10秒)。按照這種方式沉積的納米球和/或微球將按照自組裝方式在襯底上布置其自身，并且因此稀釋因數(shù)被優(yōu)化以跨典型的太陽能電池器件的大面積(即，范圍從約1厘米(cm) X Icm至約50cmX 50cm，參見下文)而獲得單層球體。如果球體濃度過高， 那么在襯底上將會存在(非期望的)兩層或更多層納米球和/或微球的區(qū)域。類似地，如果球體濃度過低，那么將會存在(非期望的)其中缺少納米球/微球的開放區(qū)域。也可以使用表面官能化連同與官能化表面相互作用的化學官能化的納米球和/ 或微球來執(zhí)行球體沉積工藝。根據(jù)示例性實施方式，利用氨基硅烷[3-(2-氨基乙基氨)丙基]三甲氧硅烷(APTQ對襯底的表面進行官能化。將襯底浸入APTS溶液約一小時，吹干并且以85攝氏度(°C)烘烤15分鐘。繼而，使用簡單的滴鑄(dropcasting)技術沉積球體(盡管也可以使用其他沉積技術，諸如旋鑄、浸涂、噴涂以及上述的旋涂技術)。在本示例中，使用羧化物球(諸如Polybead 羧化物微球，其可從美國賓夕法尼亞州Warrington的 Polysciences公司獲得)。這些球體在其表面呈現(xiàn)羧基(COOH)官能團，其與襯底的官能化表面上的NH2基結合，從而增加球體與襯底之間的附著力。在初始球體溶液中的溶劑蒸發(fā)之后，使用蒸餾水沖洗襯底以去除過量球體，僅在表面上留下單層球體。盡管需要附加的官能化步驟以及特殊類型的球體，但這種方法提供了某些優(yōu)點，諸如更穩(wěn)固的單層形成、更佳的一致性、更容易按比例增加、消耗更少的納米球溶液，并且最值得注意的是，這種技術允許使用具有粗糙表面的襯底材料(諸如多晶或多結晶或非晶半導體襯底)。也可以使用可選種類的官能化化學反應(例如，其中利用酸基對襯底進行官能化而使用堿對球體進行官能化)執(zhí)行這種技術。存在可以用來將球體結合到表面的許多其他補充化學反應，包括許多類型的酸/堿相互作用或者各種共價鍵形成反應?？梢栽诩児璞砻嫔?、自然氧化硅上和生長的氧化硅上進行表面官能化。圖3中示出了沉積在襯底202上的單層球體204的俯視圖(即，從有利點A的俯視圖)。圖3圖示了在此使用的納米球/微球光刻制造技術仰賴于大規(guī)模的球體自組裝布置。術語“大規(guī)?！耙庵父采w面積比納米球/微球的尺寸大得多。例如，在本教導中，納米球/微球的目標在于覆蓋大面積的太陽能電池襯底，諸如襯底202，例如具有從約Icm至約 50cm的長度1以及從約Icm至約50cm的寬度W。這種襯底尺寸比具有例如約1 μ m的直徑的微球大了五個數(shù)量級。如圖4中所示，修整球體204以在單層的單獨球體之間引入空間。根據(jù)示例性實施方式，使用氧(O2)等離子體反應離子蝕刻(RIE)修整球體的直徑。通過控制等離子體蝕刻的定時來控制要修整/減少多少球體直徑。在圖12中呈現(xiàn)有關球體直徑和等離子體蝕刻時間的實驗數(shù)據(jù)，其在以下進行描述。為允許稍后形成的納米線和/或微線之間有足夠的間隙空間以容納發(fā)射極層的形成(參見下文)，這種修整步驟是必要的。修整步驟也可以用于將納米球和/或微球減小至用于接線圖案化的適合尺寸(即，直徑)。僅通過示例，如果單層球體204(參見以上描述的圖幻僅包含微球且期望對襯底中的納米線進行圖案化， 則可使用修整步驟將球體直徑減小至所期望的納米尺寸。在評估起始球體尺寸(修整前) 以及所期望的接線直徑時，必須考慮由于修整步驟所造成的球體尺寸的這種減小。如圖5中所示，使用球體204(現(xiàn)在具有減小的直徑)作為掩模，以對襯底202中的接線502進行圖案化。根據(jù)示例性實施方式，通過深RIE工藝對襯底202中的接線502 進行圖案化。例如，當襯底202包含硅(Si)時，可以使用氫溴酸(HBr)、四氟甲烷(CF4)及氯氣(Cl2)化學反應或BOSCH工藝(如，時間多工RIE工藝，其包括由六氟化硫(SF6)的蝕刻步驟和由八氟環(huán)丁烷(C4F8)的鈍化步驟)。參見例如Cheung。也可以利用濕蝕刻技術以避免真空處理并降低成本。參見例如Huang。盡管濕蝕刻技術利用金屬催化劑，諸如Ag (如上文所強調，這對太陽能電池器件并不利)，但金屬僅用作蝕刻催化劑而非生長催化劑，因此其不大可能并入半導體材料中。所以，可以將金屬的任何有害作用變得最小。如下所述， 在圖13A-圖13C中示出了按照這種方式(即，禾Ij用深RIE和納米球掩模)進行圖案化的納米線的示例。如上文所強調，在襯底202中進行圖案化的接線502的直徑取決于球體204修整后的直徑。因此，修整后的納米球、微球或納米球和微球的組合將使得納米線、微線或納米線和微線的組合分別在襯底202中被圖案化。因此，在此通常將納米線視為包括具有小于約1 μ m (例如從約50nm至約1 μ m)的直徑dw的接線502。在此通常將微線視為包括具有大于或等于約1 μ m (例如從約1 μ m至約50 μ m)的直徑(Iw的接線502。現(xiàn)在可以清潔在襯底202中進行圖案化的接線502以去除由于RIE工藝所造成的任何表面損壞。對于Si襯底，可以使用例如氧化步驟(諸如使用Piranha溶液(硫酸(H2SO4)過氧化氫(H2O2)的容積比=3 1)持續(xù)約30分鐘)，接著再進行RCA清潔。在RCA清潔中所執(zhí)行的步驟對于本領域技術人員而言是公知的，因此在此不進行進一步的描述。在這個清潔步驟期間，還去除球體。參見圖6。如上文所強調，與傳統(tǒng)的由下而上技術(諸如VLS納米線生長技術，其中利用化學汽相沉積工藝+金屬催化劑來生長納米線)相比，本納米球/微球光刻制造技術在控制納米線/微線的尺寸(直徑及高度)方面提供更大的靈活性。即，利用本自上而下的方法，可以容易地控制以下二者1)接線直徑，其通過選擇起始球體的尺寸，接著進行合適的O2等離子體修整技術；以及2)接線高度，其通過控制RIE工藝的蝕刻時間。如圖7中所示，在接線502上及襯底202之上形成發(fā)射極層702。發(fā)射極層702 利用η型摻雜劑或ρ型摻雜劑高度摻雜，例如，濃度為從約IX IO19立方厘米(cm3)至約 1 X IO21Cm3,以便具有與襯底202和接線502的極性相反的極性。合適的η型摻雜劑和ρ型摻雜劑如上所述。僅通過示例，如果接線502由ρ型Si襯底(參見上文)形成，則將利用 η型摻雜劑摻雜發(fā)射極層702，以在接線502和發(fā)射極層702之間形成圓柱形ρ_η結。發(fā)射極層702可以以若干不同方式形成。一種方式是通過主擴散(drive-in diffusion)技術(參見圖10，其說明如下)，而另一種方式是通過沉積(參見圖11，其說明如下)。如圖8中所示，可以例如使用標準圖案化技術限定臺面結構802以隔離器件。合適的圖案化技術對于本領域技術人員而言是公知的，因此在此不進行進一步的描述。在此步驟期間，從襯底202沒有包含納米線或微線的區(qū)域去除發(fā)射極層702的部分。
如圖9中所示，形成頂部接觸電極902和底部接觸電極904。具體而言，頂部接觸電極902沉積在發(fā)射極層702之上，而底部接觸電極904沉積在襯底202的與接線502相反的一側上。根據(jù)示例性實施方式，頂部接觸電極902包括銦錫氧化物(ITO)和/或鋁(Al)、 Cu、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、Ag及Au中的一種或多種(諸如Ti/Pd/Ag或Ti/Au)，而底部接觸電極904包括Al、Cu、Ni、Ti、Pd、Ag及Au中的一種或多種(諸如Ti/Pd/Ag或Ti/Au)。 可以使用金屬蒸發(fā)、電鍍或絲網(wǎng)印刷來沉積頂部接觸電極902和/或底部接觸電極904。如將在下文描述的那樣，可以將頂部接觸電極902形成為發(fā)射極層之上的共形層。如所強調的那樣，例如，以上結合對圖7的描述，可以以若干不同方式形成發(fā)射極層702。圖10圖示了通過擴散形成發(fā)射極層702。即，通過從摻雜劑源將η型摻雜劑或ρ 型摻雜劑擴散到接線502上(如由箭頭1002所指示)形成發(fā)射極層702。合適的摻雜劑源包括但不限于旋涂玻璃(SOG)摻雜劑或氣相摻雜劑前體(precursor)，諸如氯化磷酰 (POCl3)。例如，使用旋涂玻璃(SOG)摻雜劑源，首先在接線502上沉積S0G，接著在主擴散步驟中，在從約850°C至約1，000°C的溫度下，使樣本退火持續(xù)從約10分鐘至約30分鐘的持續(xù)時間(該持續(xù)時間取決于目標結深度)。對于氣相摻雜劑前體(諸如POCl3)而言，首先將接線502曝露至氣相摻雜劑前體，接著在約800°C的溫度下，使樣本退火持續(xù)約1小時的持續(xù)時間(可以相應地調整該持續(xù)時間以調節(jié)結深度)。圖11圖示了通過沉積形成發(fā)射極層702。S卩，以與襯底相反的摻雜類型在接線502 上沉積半導體材料，以形成發(fā)射極層702(如箭頭1102所指示)。例如，如果襯底為ρ型襯底，則可在接線502上沉積η型Si或另一 η型材料，諸如氧化鋅(SiO)和/或ΙΤ0。根據(jù)示例性實施方式，使用蒸發(fā)、濺射或外延生長在接線502上沉積半導體材料。蒸發(fā)、濺射和外延生長沉積技術對于本領域技術人員而言是公知的，因此在此不進行進一步描述。具有按照這種方式(即，通過沉積)形成的發(fā)射極層的太陽能電池保證在納米線/微線表面上共形形成ρ-η結，這對于提高徑向方向的載流子匯集是需要的(例如，參見Kayes)。具體而言，利用(發(fā)射極層)沉積工藝，所得到的Ρ-η結界面包繞納米線/微線表面，因此提供了徑向ρ-η結結構。利用(發(fā)射極層)擴散工藝還可以獲得在納米線/微線表面上Ρ-η結的共形形成。然而，需要對擴散工藝進行嚴格的和統(tǒng)一的控制。例如，需要對主擴散步驟的持續(xù)時間加以控制，以防止可能對Ρ-η結結構有不利的影響的過度擴散/擴散不足。此外，使用沉積工藝形成發(fā)射極層允許通過不同于襯底和納米線/微線的材料形成發(fā)射極層。采用不同于襯底和納米線/微線的材料的發(fā)射極層允許形成異質結納米線/ 微線太陽能電池。異質結納米線/微線太陽能電池具有優(yōu)于標準的同質結太陽能電池的優(yōu)點。例如，使用異質結納米線/微線太陽能電池，可以使用作為窗發(fā)射極層(window emitter layer)的更高帶隙材料。此層將可以透光，從而允許大部分的光子能夠從中通過朝向更有效率的吸收體(襯底)層，與此同時此窗層可以充當將減少表面復合的表面鈍化層。如所描述的那樣，例如，上文結合對圖4的說明，可以使用氧等離子體RIE工藝修整納米球/微球?？梢酝ㄟ^控制等離子體的定時，控制納米球/微球的直徑所要修整/減小的量。為了說明此工藝，圖12中提供了有關其中使用等離子體蝕刻來修整納米球的實例的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。即，圖12是有關納米球直徑及等離子體蝕刻時間的圖表1200。在圖表1200 中，在χ軸上繪出了等離子體時間(持續(xù)時間)(測量單位秒)，并且在y軸上繪出了納米球(賂)直徑(測量單位nm)。在此示例中使用的等離子體蝕刻使用每分鐘15標準立方厘米(sccm)的氧(O2)流和100瓦(W)的射頻(RF)功率源執(zhí)行。圖13A是使用納米球掩模進行圖案化的示例性納米線陣列的俯視掃描電子顯微(SEM)圖像1300A，而圖1 是其橫截面SEM圖像1300B。上文已經(jīng)詳細描述了用于使用納米球和/或微球掩模對納米線和/或微線進行圖案化的工藝。在此示例中，在P型 Si(IOO)襯底中對納米線1302的陣列進行圖案化。存在于水懸浮液中的納米球在甲醇中按照4 7(甲醇納米球)的比例稀釋。在沉積之后，如上所述，使用O2等離子體RIE來修整納米球，其中氧(O2)流為lkccm，RF功率源為100W，壓力為1. 76I~0rr并且相應地調整時間，以獲得最后的納米球直徑，如圖12中所示(如上所述)。此工藝以深RIE繼續(xù)，其使用 HBr作為主要蝕刻劑，壓力為4微米汞柱(mTorr)，RF功率源為650W，氣體流為160sCCm，持續(xù)時間約四分鐘。圖13C中示出了(圖像1300B的)部分1304的放大圖。圖13C是圖像1300B(圖13B)的部分1304的放大圖像1300C。圖像1300C圖示了圖案化陣列中的每個納米線1302具有約1，260nm高度和約235nm的頂部直徑。圖14是具有通過擴散(即，主擴散)磷旋涂摻雜劑源(P509)而在納米線陣列上形成的發(fā)射極層1402的太陽能電池的橫截面SEM圖像1400。例如，結合上文對圖10的描述，描述了通過擴散形成發(fā)射極層。在此示例中，使用上述技術在P型Si (100) (p-Si)襯底中對納米線陣列進行圖案化。使用旋涂技術在納米線上沉積磷摻雜劑，然后通過在約850°C 約30分鐘持續(xù)時間的熱處理將磷摻雜劑擴散至納米線中。圖15為具有通過在納米線陣列上濺射ZnO層而形成的η型發(fā)射極層1502的太陽能電池的橫截面SEM圖像1500。例如，結合上文對圖11的描述，描述了通過沉積形成的發(fā)射極層。在此示例中，使用上述技術在P型Si (100) (p-Si)襯底中對納米線陣列進行圖案化。在納米線上將ZnO發(fā)射極層濺射至約900埃(A )的厚度。繼而，在ZnO發(fā)射極層之上沉積ITO的共形層，其圍繞每個納米線至約1,500人的厚度并且充當頂部接觸電極。針對圖14的太陽能電池(即，具有通過擴散磷旋涂摻雜劑源而在納米線陣列上形成的發(fā)射極層)以及圖15的太陽能電池(S卩，具有通過在納米線陣列上濺射ZnO層而形成的η型發(fā)射極層)，在模擬日光(一個太陽AM 1.5光譜)的照明下，執(zhí)行電特性測試。在每個測試中，為了比較，還測試平面對照電池，即，沒有納米線的太陽能電池。在圖16Α-圖 16C中示出了在圖14的太陽能電池上執(zhí)行的測試的結果，并且在圖17Α和圖17Β中示出了在圖15的太陽能電池上執(zhí)行的測試的結果。圖16Α是圖示了圖14的具有通過擴散而形成的發(fā)射極層的基于納米線的太陽能電池(即，NW電池)以及標準平面太陽能電池(即，平面對照)的電特性的圖表1600Α。在基于納米線的太陽能電池的發(fā)射極層上形成包括例如Al、Cu、Ni、Ti、Pd、Ag及Au中的一種或多種(諸如Ti/PdAg或Ti/Au)的頂部接觸電極(參見上文對圖9的描述)。圖表1600A 示出了在仿真的一個太陽照明下的電特性。在圖表1600A中，在χ軸上繪出了電壓V (測量單位毫伏(mV))，并且在y軸上繪出了電流I (測量單位毫安(mA))。太陽能電池面積為 0. 45平方厘米(cm2)。圖16B為圖示了圖14的具有通過擴散而形成的發(fā)射極層的基于納米線的太陽能電池(即，NW電池)以及標準平面太陽能電池(即，對照)的電特性的表格 1600B。(從圖表1600A導出的)表格1600B中示出的電特性為開路電流(Vqc)(測量單位 mV)、短路電流(Jsc)(測量單位每平方厘米毫安(mA/cm2)、填充因子(FF)以及百分比(％ )效率(Eff)。圖16C是圖示了圖14的具有通過擴散而形成的發(fā)射極層的基于納米線的太陽能電池(即，NW)以及標準平面太陽能電池(即，對照)的反射率光譜的圖表1600C。在圖表1600C中，在χ軸上繪出波長(λ)(測量單位nm)，以及在y軸上繪出了反射率㈨。從圖16A-圖16C中示出的結果，很明顯地可以看出圖14的太陽能電池具有比平面對照電池更高的短路電流(Jsc)。此優(yōu)點可能是歸因于由于存在納米線而造成的較佳的光捕捉或抗反射性質。然而，基于納米線的太陽能電池具有較差的填充因子(FF)，因而整體效率并沒有提高而是接近對照樣本的整體效率。不佳的填充因子(FF)與顯著的串聯(lián)電阻相關聯(lián)。通過在頂部使用諸如ITO之類的共形及傳導層(如上文所描述)對此串聯(lián)電阻的減少，將提高基于納米線的太陽能電池效率?；诩{米線的太陽能電池展現(xiàn)有較小反射系數(shù)，從而證明了與較高短路電流一致的較佳光捕捉性質。圖17A是圖示了圖15的具有通過沉積而形成的發(fā)射極層的基于納米線的太陽能電池(即，NW)以及標準平面太陽能電池(即，平面對照)的電特性的圖表1700A。在基于納米線的太陽能電池的發(fā)射極層之上形成包括例如Al、Cu、Ni、Ti、Pd、Ag及Au中的一種或多種(諸如Ti/Pd/Ag或Ti/Au)的頂部接觸電極(參見上文對圖9的描述)。圖表1700A 示出了在仿真的一個太陽照明下的電特性。在圖表1700A中，在χ軸上繪出了電壓V(測量單位mV)，并且在y軸上繪出了電流1(測量單位mA)。太陽能電池面積為0. 45cm2。圖 17B是圖示了圖15的具有通過沉積而形成的發(fā)射極層的基于納米線的太陽能電池(即，NW 電池)以及標準平面太陽能電池(即，對照)的電特性的表格1700B。(從圖表1700A導出的)表格1700B中示出的電特性為開路電流(Vqc)(測量單位mV)、短路電流(Jsc)(測量單位mA/cm2)、填充因子(FF)以及百分比(％ )效率(Eff)。通過圖17A及圖17B中示出的結果，很明顯可以看出，與對照樣本相比，圖15的太陽能電池在各方面(即，I、Jsc、效率) 具有更高的效能?？傊?，在所制造的基于納米線的太陽能電池的兩個示例中，S卩，一個示例具有通過擴散形成的發(fā)射極層(圖14)，并且一個示例具有通過沉積形成的發(fā)射極層(圖15)，存在可以從基于納米線的太陽能電池獲得的在較高短路電流及效率方面的有前途的利益。因此，已經(jīng)說明了納米球/微球光刻是用于實現(xiàn)具有太陽能電池生產(chǎn)所必須的低成本和高產(chǎn)量的大規(guī)模納米線/微線的可行技術。盡管在此已經(jīng)描述了本發(fā)明的說明性實施方式，但是應當理解，本發(fā)明并不限于這些精確的實施方式，并且可以由本領域技術人員做出各種其他改變和修改而不會背離本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于制造太陽能電池的方法，包括如下步驟 提供摻雜襯底；在所述襯底上沉積單層球體，所述球體包括納米球、微球或其組合； 修整所述球體以在所述單層中的單獨球體之間引入空間；使用修整后的球體作為掩模以對所述襯底中的接線進行圖案化，所述接線包括納米線、微線或其組合；在圖案化的接線上形成摻雜發(fā)射極層；在所述發(fā)射極層之上沉積頂部接觸電極；以及在所述襯底的與所述接線相反的一側上沉積底部接觸電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述襯底是硅襯底。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述球體包括聚苯乙烯乳膠納米球、微球或其組
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述球體在懸浮液中，所述方法還包括步驟 使用旋涂技術將所述球體沉積在所述襯底上。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中使用氧等離子體蝕刻修整所述球體。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中使用深反應離子蝕刻工藝在所述襯底中對所述接線進行圖案化。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，還包括如下步驟清潔所述接線以去除由于所述深反應離子蝕刻工藝產(chǎn)生的表面損壞。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中利用η型摻雜劑或P型摻雜劑對所述襯底進行摻ο
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中如果利用ρ型摻雜劑對所述襯底進行摻雜，則利用 η型摻雜劑對所述發(fā)射極層進行摻雜，或者如果利用η型摻雜劑對所述襯底進行摻雜，則利用P型摻雜劑對所述發(fā)射極層進行摻雜。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中利用η型摻雜劑或ρ型摻雜劑將所述發(fā)射極層摻雜為從約1 X IO19Cm3至約1 X IO21Cm3的濃度。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在所述接線上形成所述發(fā)射極層的步驟還包括步驟從摻雜劑源將η型摻雜劑或P型摻雜劑擴散到所述接線上。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述摻雜劑源是旋涂玻璃摻雜劑源。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述摻雜劑源是氣相摻雜劑前體。
14.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在所述接線上形成所述發(fā)射極層的步驟還包括如下步驟在所述接線上沉積η型半導體材料或ρ型半導體材料。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中使用蒸發(fā)、濺射或外延生長在所述接線上沉積所述η型半導體材料或P型半導體材料。
16.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述頂部接觸電極包括銦錫氧化物以及鋁、銅、 鎳、鈦、鈀、銀或金的一種或多種。
17.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述底部接觸電極包括鋁、銅、鎳、鈦、鈀、銀或金的一種或多種。
18.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中使用金屬蒸發(fā)、電鍍或絲網(wǎng)印刷沉積所述頂部接觸電極和所述底部接觸電極。
19.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述球體在其表面上包括至少一種官能團，所述方法還包如下步驟利用與所述球體的所述表面上的官能團互補的基對其上沉積有所述單層球體的所述襯底的表面進行官能化，以增加所述球體與所述襯底之間的附著力。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中所述球體在其表面上包括羧基官能團，并且利用氨基硅烷[3-(2-氨基乙基氨)丙基]三甲氧硅烷對所述襯底的所述表面進行官能化。
全文摘要
提供用于制造基于納米線/微線的太陽能電池的技術。在一個方面中，提供用于制造太陽能電池的方法。該方法包括以下步驟。提供摻雜襯底。在該襯底上沉積單層球體。該球體包括納米球、微球或其組合。修整該球體以在單層中的單獨球體之間引入空間。修整后的球體被用作掩模以對該襯底中的接線進行圖案化。該接線包括納米線、微線或其組合。在圖案化的接線上形成摻雜發(fā)射極層。在該發(fā)射極層之上沉積頂部接觸電極。在該襯底的與該接線相反的一側上沉積底部接觸電極。
文檔編號H01L21/20GK102414788SQ201080018567
公開日2012年4月11日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權日2009年6月8日
發(fā)明者G·S·圖勒維斯基, O·古納萬, S·古哈, W·格拉哈姆, 張郢, 王克嘉 申請人:國際商業(yè)機器公司