[发明专利]太阳能电池中合并植入的使用

说明书

技术领域

本发明涉及离子植入，特别涉及太阳能电池的离子植入。

背景技术

离子植入是用以将改变导电率的杂质引入到半导体衬底(substrate)的标准技术。在离子源中，所需的杂质材质被离子化。离子被加速以形成具有特定能量的离子束，并且离子束被导引到衬底的表面。离子束中的高能离子穿透半导体材料的主体并埋入于半导体材质的晶格中，以形成具有所希望的导电率的一区域。

太阳能电池基本上是以与其他半导体元件相同的制程所制成，且时常使用硅为衬底材料。半导体太阳能电池为一简单元件，其具有一内建电场而可分离在半导体材料中由吸收光子所产生的电荷载子(charge carrier)。此电场是由P-N接面(二极体)的形成所产生，其中P-N接面是藉由掺杂不同半导体材料产生。在半导体衬底的一部分(例如表面区域)掺杂相反极性的杂质会形成一P-N接面(p-n junction)，其可用为一转换光源为电力的太阳能元件。

图3表示一太阳能电池的第一实施例以及一代表衬底300的剖面图。光子301由一上表面305进入一太阳能电池300，如箭头所示。这些光子通过一抗反射涂膜310，其设计以最大化穿透衬底300的光子数，并最小化被反射远离衬底的光子数。

详细而言，衬底300被形成以获得一P-N接面320。虽然在其他范例中，接面不一定平行于表面，但此接面实质上平行于衬底300的上表面305。太阳能电池的制造过程中，光子经由一高掺杂区域，也就是一射极330，进入衬底。在一些实施例中，射极330可为一N型掺杂区域，而在其他实施例中，射极可为一P型掺杂区域。具有充分能(高于半导体的能带隙)的光子能够促动位于半导体材料的共价带的一电子至导电带。与此自由电子结合的是在共价带中对应的一正电荷电洞。为了产生可驱动一外接负载的一光电流，这些电子-电洞(e-h)对需要被分离，此过程是以P-N接面的内建电场完成。因此，P-N接面的耗乏区所产生的任一电子电洞(e-h)对都会被分开，而任何其它扩散至元件的耗乏区的少数载子(minority carrier)也会同样的被分开。由于多数的入射光子会被吸收至元件的近表面区域，产生于射极的少数载子需要扩散过射极的深度以到达耗乏区并被扫至另一边。因此，为最大化光生电流的收集以及最小化载子于射极中再结合的机会，使用极浅的射极区域330会有较佳效果。

一些光子通过射极区域330并进入一基极340。当射极330为一N型区域时，基极340是一P型掺杂区域。且这些光子即可激发基极340内可自由的进入射极区域330的电子，而对应的电洞则是留在基极340中。另一方面，当射极330是一P型掺杂区域时，基极则会是一N型掺杂区域。在此情形下，光子便可激发基极340内的电子，这些电子会留在基极区域340中，而对应的电洞则是会移动至射极330。由此P-N接面所导致的电荷分离，可使由光子所产生的多余载子(电子以及电洞)被用以驱动一外部负载而完成电路。

藉由一外部负载外部连接射极区域330到基极340，其便可导电进而提供功率。为达成此目的，接触(contacts)350(基本上为金属)会被分别置于射极区域以及基极的外表面。由于基极并不会直接接收光子，因此，其接触350b会沿着整个外表面放置。另一方面，射极区域的外表面会接收光子，而因此无法完整的被接触所覆盖。然而，若电子必须移动很长的距离以抵达接触，电池的串联电阻则会增加，使功率输出减少。为了试着平衡这两个因素(自由电子移动到接触需要的距离以及暴露出的射极表面360的量)，多数的应用使用指形的接触350a。图4显示图3的太阳能电池的上视图。形成的这些接触相对较薄，同时延伸太阳能电池的宽度。如此一来，自由的电子不需移动很长的距离，但射极大部分的外表面都暴露于光子。在衬底之前表面上的接触指形物(fingers)350a一般为0.1mm，且具有+/-0.1mm的准确度。这些指形物350a之间一般都有1-5mm的间隔。虽然上述的是较为常见的尺寸，但其他尺寸也是可以使用并为本发明所预期。

太阳能电池的进一步加强是高掺杂衬底接触区的加入。图5显示此加强版太阳能电池的一剖面图。此电池与图3的电池相似，但还包括高掺杂接触区370。这些高掺杂接触区370对应于金属指形物370固定在衬底300的区域。这些高掺杂接触区370的加入会使衬底300和金属指形物350a之间有更良好的接触，并且大幅降低电池的串联电阻。此在衬底的表面上具有高掺杂接触区的图案通常被称为选择性射极设计。