[发明专利]具有交替的N掺杂区域和P掺杂区域的单片硅晶圆

说明书

技术领域

本发明涉及在竖直横截面上具有交替的n掺杂区域和p掺杂区域的新型的单片硅晶圆以及其制备方法的各种变型。

这样的晶圆在制造光伏模块和光伏电池的情况下是特别有利的。

背景技术

当前，光伏(PV)模块主要通过组装由单晶硅或多晶硅制成的电池制造而成，这些电池通常由p导电性的晶圆制造。

在大约1m²的合理尺寸的PV模块中，晶圆的标准尺寸(156mm×156mm)意味着PV模块的开路电压(V_oc)被限制为几十伏。

为了尝试增大PV模块的V_oc电压，已经开发了多种方式。

第一选择可以是使用晶体硅(Si)以外的材料，尤其是具有比硅的1.1eV(电子伏)宽的能带隙的半导体，诸如晶体Si上的非晶Si等材料(称为异质结技术)或者甚至诸如CdTe(碲化镉)的材料。遗憾的是，在开路电压方面的提高是有限的，这是因为使用过宽能带隙(>2eV)的半导体导致光子吸收量显著下降以及能量转换效率损失。

另一可能性将是相对于实际标准156mm×156mm减小电池的尺寸；这将可以通过增大形成该模块的串联连接的电池数来增大电压V_oc的值。然而，该解决方案将使制造模块所需的处理操作更难以执行。而且，出于互连目的而保持形成PV模块的电池之间的间隙的需求导致可用区域(即，允许电载流子的光生的区域)的损失。当实现大数量的较小电池时，该区域损失是重大的。最后，除非使用背部接触电池技术，否则该解决方案造成与金属化和互连有关的难题。

为了试图减小该可用区域的损失，可以设想到制造标准尺寸为156mm×156mm的单片晶圆以及例如通过激光烧蚀来蚀刻后验沟槽；这可以具有有效地产生多个较小电池的效果。然而，蚀刻过程易于导致弱化晶圆，并因此导致机械强度的问题。而且，子电池之间的隔离问题是复杂的，尤其是对于高的隔离电阻需要用于目标应用的情况。最后，如上文所述，除非使用RCC技术，否则该解决方案造成金属化和互连的问题。

最近，Pozner等人^[1]通过对电池的串联连接进行建模，设想到电池的p-n结平面是竖直的，与结平面是水平的常规的晶圆构型相反。该方法的优势是可以设想使用单片衬底的晶圆级处理制造电池。然而，关于这样的结构的实际制造而言，很多技术问题仍未得到解答，而且这样的结构的成本面临着非常高的风险。

Gatos等人^[2]提议利用通过使用切克劳斯基(Czochralski)过程进行定向性凝固，而在硅晶体的生长期间非均匀掺入氧。对氧浓度的这些波动的起因知之甚少，但是Gatos等人使用该原理来通过热退火获得交替的n/p导电性的结构。

具体而言，在本领域^[3]中已知，在包含氧的硅晶圆中，400℃-500℃的温度下的热退火允许形成热施主(thermaldonor，TD)，即表现为硅中的给电子体的氧的小的团聚体(通常由3到20个氧原子的结合而形成)。因此，当这些热施主在p型硅中产生时，它们可导致材料补偿及其导电性变化。电子的逸出取决于氧的局部浓度，对从与凝固方向平行地切割切克劳斯基晶锭获得的晶圆例如在450℃的温度下进行50小时的退火因此允许获得p/n结构。

遗憾的是，浓度波动是不可控制的，通常大约100微米^[2]的n区域和p区域的尺寸不能够被控制。因此，不可能限定这样的结构的输出电压，且这表示将这些结构集成到整个太阳能系统的主要障碍。而且，在子电池串联连接以获得高电压的构型中，则不可能平衡电流，这对于阵列的能量转换效率是非常大的限制。

而且，从技术角度看，晶圆的表面上的各种子电池之间的尺寸变化([2]，图1)引入表示关于光伏电池的制造方面的主要缺点的复杂性。最后，在Gatos等人^[2]获得的结构中，不可能限定子电池之间的隔离电阻。这样的限制对光伏电池的能量转换效率是不利的。

发明内容

因此，需要提供适于制造高开路电压且最小化非活性区域(即，不允许聚集光生载流子的区域)的PV模块的硅晶圆。

本发明的目的准确地旨在提供允许消除上述缺点的新型的单片硅晶圆以及获得这样的晶圆的方法。

更精确地说，根据本发明的第一方面，本发明涉及一种单片硅晶圆，其在至少一个竖直横截面上具有交替的n掺杂区域和p掺杂区域，所述n掺杂区域和所述p掺杂区域分别贯穿所述晶圆的厚度，其特征在于：