背景技术
[0001] 作为用于产生电
力的可再生方式，可由
太阳能电池收获太阳能。太阳能电池通道以光线(也称为“太阳光线”)的形式接收在太阳中产生的
光子。理想地，光子被引导到包含光
电压结(photovoltaic junction)的
半导体主体中。进入光电压结的耗尽区中的一些光子将在其中被吸收，并且通过吸收而给予的所得
能量将导致
电子-空穴对。电
磁场使得电子被扫向一个
电极而空穴被扫到相对的电极。当太阳能电池暴露于太阳时，太阳能的常规注入使得以一定效率相应地产生电力。
[0002] 存在接近太阳能电池的太阳光子可能不被转换为电力、从而减少其潜在的电力生成的多种方式。第一种方式是反射离开太阳能电池的表面以回到环境中。例如，通常认为，太阳能电池能够接收在特定角度范围内入射在太阳能电池上的太阳能电池。在太阳
位置在一天内和一年内改变的情况下，角度越宽，太阳能电池全天接收太阳能越好。
[0003] 可能降低效率的另一方式是如果太阳光子未能进入半导体主体，或者以不被转换为电子-空穴对的方式被吸收。即使光子导致电磁对，如果不是在耗尽区中生成该对，则该对也可快速重组。此外，如果在耗尽区中生成电子-空穴对的位置与耦合到半导体主体的电极之间存在相当大的净
电阻，则仍可能减小电力。
[0004] 因此，太阳能电池技术提出了要解决的大量挑战。然而，由于其代表了一种供给人类电力需要和需求的洁净方式，因此
太阳能技术的进步具有显著改进当代和未来世代的环境的潜力。
发明内容
[0005] 本文中描述的至少一个
实施例涉及一种包括半导体主体的三维太阳能电池。半导体主体具有基本上平坦的底表面以及沿着半导体主体的顶侧以阵列方式形成的成形沟槽。这样，朝向半导体主体的顶侧延伸的多个柱子由此形成在半导体主体中。光收集材料沿着半导体主体的顶侧填充成形沟槽，并且形成了与半导体主体的底表面平行的基本上平坦的光接收顶表面。至少一些沟槽中的每个沟槽被构造成使得在基本上平坦的光接收表面上存在至少一个点，以使得在光线入射在该点上的情况下，如果与进入半导体主体相对地，光线保持在相应沟槽内，则光线将至少在相邻柱子上的第四次反射之后被重定向向上。
[0006] 提供该发明内容以便以简化形式介绍概念的选集，以下在具体实施方式中进一步描述这些概念。该发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于辅助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
[0007] 为了描述可以获得上述和其它优点和特征的方式，将参照附图给出各个实施例的更具体描述。应理解，这些图仅绘出了样本实施例，因此不应视为对本发明的范围的限制，将通过利用附图以附加的特征和细节来描述和说明实施例，在附图中：
[0008] 图1A示出了三维太阳能电池的第一实施例的横截面，其中，示出了若干个太阳光线轨迹；
[0009] 图1B示出了三维太阳能电池的第一实施例的横截面，其中，示出了若干个替选太阳光线轨迹；
[0010] 图2A示出了三维太阳能电池的第二实施例的横截面，其中，示出了若干个太阳光线轨迹；
[0011] 图2B示出了三维太阳能电池的第二实施例的横截面，其中，示出了若干个替选太阳光线轨迹；
[0012] 图3A示出了第二实施例的横截面，其中，一个电极沿着每个柱子的上
侧壁被放置为朝向半导体主体的顶侧；
[0013] 图3B示出了一个电极位于半导体主体的顶表面上的横截面；
[0014] 图4示出了制造广角太阳能电池的替选方式的制造步骤；
[0015] 图5示出了从对太阳能电池的侧面进行包裹而得到的电池结构；
[0016] 图6示出了电池的替选横截面；
[0017] 图7A示出了电池的替选横截面；
[0018] 图7B示出了根据图7A的近似设计而形成的实际沟槽阵列的微观横截面视图；以及
[0019] 图7C示出了表示图7B的进一步放大视图的微观横截面视图，其中添加了一些测量结果。
具体实施方式
[0020] 本文中描述的实施例包括具有宽收集角度的三维太阳能电池设计。这样的宽收集角度可允许太阳能电池也非常高效。所述太阳能电池设计具有两个方面；一方面是光而另一方面是电。这两方面有助于高效率。在光方面，可通过减少背反射以及在宽的且可调整的角度范围内具有入射
辐射的更完整捕获来实现高效率。在电方面，可通过电荷载流子(charge carrier)的高效收集和提取以及通过保持欧姆损耗(由于触点和材料而导致该欧姆损耗)非常低来实现高效率。最终，可以以相对低的成本来制造这些设计。在以下部分中描述光和电设计的这两个方面。
[0021] 太阳能设计
[0022] 所述太阳能电池光设计具有的优点在于，太阳能电池在入射光的宽角度范围内捕获入射
太阳辐射。因此，更多的太阳辐射在太阳位置的宽范围中在太阳能电池内被捕获。换言之，无论什么时候太阳照耀(即，整年以及整天)，都捕获到更多的太阳辐射。该优点通过对太阳能电池进行成形来实现。此外，虽然可以实现使用若干种不同的形状，但是本文中描述的原理不限于任何一种给出的设计。尽管如此，出于说明目的，在图1A和图1B(共同称为“图1”)中示出了一种可能的设计，并且在图2A和图2B(共同称为“图2”)中示出了第二种可能的设计。
[0023] 图1A示出了三维太阳能电池100的横截面，其中，示出了若干个太阳光线轨迹。图1B示出了三维太阳能电池100的横截面，其中，示出了若干个替选太阳光线轨迹。在图
1的设计以及以下关于图2进一步示出的设计这两者中，根据本文中描述的原理，成形沟槽被蚀刻到
硅中。然而，尽管硅由于其低成本是优选的，但是能够形成光电压结的任何其它半导体将会满足要求。这些成形沟槽填充有SiO2，但是也可以使用诸如特定
聚合物的任何其它
钝化材料(在薄表面
氧化物之后)。
[0024] 三维太阳能电池100包括半导体主体110(作为由硅形成的示例)，其具有基本上平坦的底表面101。尽管太阳能电池的“顶”部将被放置成接收阳光并且因而通常将被放置成向上以接收阳光，但是在本描述和
权利要求中，描述词“底”和“顶”仅是用于将一个表面或一侧与另一表面或另一侧区分开的惯用术语。一个极性的
电触点104(例如，该情况下为p触点)沿着半导体主体110的平坦底表面101耦合。在随后的图中将描述其它触点(例如，n触点)的位置。
[0025] 成形沟槽121(包括沟槽121A、121B、121C、121D和121E)沿着与底表面101相对的半导体主体110的顶侧102形成。因此，半导体主体110在各个相邻成形沟槽之间形成柱子111的阵列(包括所示柱子111A、111B、111C和111D)。以此方式，半导体主体110具有朝向半导体主体110的顶侧102延伸的多个排列的柱子111。
[0026] 光收集透明材料103(诸如SiO2)沿着半导体主体110的顶侧102填充排列的成形沟槽121。光收集材料103还形成与半导体主体110的底表面101基本上平行的基本上平坦的光接收顶表面105。排列的柱子111中的每个柱子具有与光收集透明材料103
接触的侧壁。
[0027] 如在图1A和图1B的横截面中可以看出的，至少对于取横截面的
水平方向，柱子集合中的每个柱子均具有两个光电压结，但是存在更多这样的结的配置可以是可能的。因此，当光线水平传播通过任意柱子111时，光子在耗尽区中将具有两次机会被转换为电子-空穴对。例如，在图1中，n+层被掺杂在半导体主体110的表面上。因此，当光线从侧面进入柱子时，其首先将进入n+层，然后遇到形成半导体主体110的大部分的p-硅
块。因此，光线将遇到由耗尽区包围的光电压结。随着光线继续并且将要离开柱子的另一侧，光线将离开p-硅块并进入涂覆柱子的另一侧的n+层，从而遇到由耗尽区包围的另一光电压结。
[0028] 进入的太阳光线的进入角度位置(本文中也称为“收集角度”)根据时间而改变。该角度位置在图1和图2中由角度β来表示，角度β是太阳光线相对于垂直方向(即，垂直于太阳能电池表面)所成的角度。太阳光线在空气/SiO2界面处折射。由于斯涅
耳定律，太阳能电池引入太阳光线的引入角度βin根据以下等式1与收集角度β相关：
[0029]
[0030] 因此，如果将最大收集角度称为βinmax，则得到以下等式2：
[0031]
[0032] 例如，即使收集角度β是90°，如果钝化材料是SiO2或者折射率(n1)为1.5的聚合物，则βin也将是42°。
[0033] 在本文中提供的每个示例中，每个成形柱子的侧壁表面的至少一部分面向光接收表面以相对于光接收顶表面成锐角。在图1的示例中，每个柱子的每侧(左侧和右侧)具有两个这样的表面。例如，每个柱子的右侧包括诸如在柱子111A的侧壁上的浅锐角表面131，其角度为(90-α2)。同样地，每个柱子的右侧包括诸如在柱子111B的侧壁上的锐角表面132。电池100是对称的，以使得对于每个柱子110类似地构造左侧壁。
[0034] 成形沟槽111以下述方式来成形：使得太阳光线的第一次反射为反射提供另外的水平矢量，以便促使得到太阳光线被吸收到柱子中以可能被转换为电子-空穴对的多个机会。此外，每个成形沟槽被构造成使得在一定数量的反射后，太阳光线实际被定向为向上。例如，图1A的太阳光线141初始是完全垂直的，但是在沟槽121B的底部遇到浅锐角表面
131时，太阳光线141被定向为返回向上。“浅锐”角表示相对于光接收顶表面105该角比
15度大但是小于40度的角度。因此，垂直太阳光线在被这样的表面反射时将被重定向为向上，但是具有强的水平分量，从而潜在地允许侧壁上的进一步反射以及返回向上通过沟槽的路径。
[0035] 另一方面，在图1A中太阳光线142具有有限引入角度，并且首先从柱子111B的侧壁的顶部132被反射。由于顶部132相对于光接收表面成尖锐角(90-α2)，因此反射的光线继续大致向下的轨迹，但是具有更强的水平分量，从而促使多次反射，每次反射表示进入柱子中从而可能引起在由柱子形成的两个光电压结之一处或其附近生成电子-空穴对的机会。例如，在光线142的示例中，部分142A被示出为进入柱子111C，而剩余部分142B继续。在至少一部分太阳光线142的第五次反射之后，太阳光线被重定向为向上。在该描述以及权利要求中，“尖锐”角是相对于光接收顶表面105在50度与80度之间的角度。
[0036] 一旦光线撞击太阳能电池，就存在光线可遵循的若干个不同的轨迹。光线可在成像沟槽内被捕获，从而如图1所示与沟槽的侧壁形成若干次反射。例如，示出了在向右方向上进入柱子111C的光线的部分142A。示出了向左反射回来以再次经历柱子111C内的两个光电压结的进一步的反射部分142AA。另一部分142AB没有反射，而是以与太阳光线入射在柱子111C的左侧壁上大致相同的角度进入相邻沟槽121D。
[0037] 图1B示出了太阳光线的若干个替选轨迹。例如，示出了进入柱子111A并且在柱子111A的右侧反射一次的光线151。示出了入射在尖锐角表面132上的光线152。部分152A反射回到沟槽122C中，并且进入柱子111C的左侧壁。部分152A的一部分152AA在柱子111C的右侧壁被反射回到柱子111C中，并且一部分152AB继续到下一沟槽122D中，等等。另一部分152B进入柱子111B的顶部，在内部反射几次，然后进入下一沟槽122B。每次太阳光线从沟槽入射在柱子表面上时，太阳光线的一部分将反射回到沟槽中并且一部分将进入柱子中。每次太阳光线从柱子内入射在柱子的侧壁上时，太阳光线的一部分将被反射回到柱子中并且太阳光线的一部分将从侧壁进入相邻沟槽。
[0038] 图2A示出了第二三维太阳能电池200的横截面，其中示出了若干个太阳光线轨迹。图2B示出了第二三维太阳能电池200的横截面，其中示出了若干个太阳光线轨迹。图2的三维太阳能电池200与图1的太阳能电池100的类似之处在于，其也具有半导体主体
210，在该半导体主体210中形成有限定沟槽221的柱子211的阵列，钝化材料203被设置在沟槽221中从而形成光接收表面205。然而，柱子211被成形为与第一设计的柱子略微不同。具体地，每个柱子的每个侧壁相对于光接收表面完全为锐角。
[0039] 再次，太阳光线可进入沟槽或硅柱子，从沟槽或柱子的另一侧离开，并且继续这样。硅的成形对完全实现上述过程是重要的，但是在该设计中存在显著余地。随着太阳光线在沟槽中来回反弹，每次太阳光线反射时，太阳光线的幅度减小。假设由于填充沟槽的材料(SiO2、聚合物或者任何其它低指标的适当
电介质)而导致的吸收可忽略，可以使用公知的菲涅尔方程来估计每次反射的反射系数。这些方程依赖于入射角度、硅的指标以及槽材料和偏振。
[0040] 对于TE和TM偏振的每次反射的系数分别是 和 这里，θi是第i次反射的入射角。在k次反射之后，反射回来的光线的部分将是每次反射的反射系数的乘积，其可以简记为 或 由于这些反射系数中的每一个均小于1，因此在一定数量的反射之后其乘积将远小于1。该数量通常小于四，并且在最多四次反射之后，太阳光线幅度变得可忽略。因此，为了捕获和吸收所有的入射辐射，沟槽内应该有最多四次反射。
此外，不是所有的反射都应该指向下。
[0041] 一些反射可以将光线向上朝向沟槽的顶部定向，只要如图2所示对沟槽壁的全部接触是四次或更多次即可。这保证了即使太阳光线回到空气中，太阳光线幅度也低至使得这种返回反射对于所有实际目的是可忽略的。例如，光线251在3次反射之后被定向为向上，并且光线252在2次反射之后被被定向为向上。因此，沟槽不需要深。大约10微米或更小的深度可以是可接受的。
[0042] 每次反射进入硅柱子的光线将在一部分吸收和返回反射到硅柱子中之后以相同角度从另一侧离开。因此，在两次反射之后，对于这样的太阳光线的太阳光线幅度的减小将大于留在沟槽中的给定太阳光线的减小。因此，如果太阳光线通过两个沟槽，则其幅度将变得可忽略。如图2所示，下一沟槽中的太阳光线的角度将与第一沟槽中的光线的角度相同。其将仅少量定向为向下。太阳光线相对于硅柱子中的水平方向所成的角度由于硅的较高指标而显著减小。因此，一旦太阳光线进入柱子中，则太阳光线将在短的垂直距离内来回反弹直到其全部被吸收为止。再者，该原理表明硅柱子不需要非常高。
[0043] 所有这些讨论表明进入太阳能电池的表面的给定光线不可能反射回来。相反，光线在电池内来回反弹，使得可被硅吸收并被转换为电的
光谱部分将被吸收和转换。此外，薄硅层可用于实现此。例如，由于一些反射发生在向下的途中而一些发生在向上的途中，因此可使得沟槽的深度浅。此外，在图1和图2的每个设计中，各个沟槽的平均深度至少是半导体主体的顶侧与底部平坦表面之间的半导体主体的厚度的一半。然而，沟槽可大于半导体主体的厚度的30％或者40％。尽管描述了硅作为出现耗尽区的半导体材料，但是其它半导体材料也可满足要求。
[0044] 电设计
[0045] 电设计对于高效地收集在电池中产生的电子-空穴对是重要的。在该设计中，电子是少数载流子，但是本文中描述的原理在空穴是少数载流子的情况下也可适用。如果电子以最小重组到达n+硅层，则收集效率将非常高。由于大部分吸收发生在硅柱子中并且由于这些柱子相当窄，因此收集效率显著增加。此外，如上所述，下层硅部分不需要厚。因此，可以再次相对高效地收集所生成的载流子。例如，柱子可在水平方向上窄，其中中点的平均宽度可能小于该中点处的沟槽的一半宽度、全部宽度或者平均宽度的两倍。
[0046] p电极(其是欧姆触点)在晶片的底侧。n电极(其也是欧姆触点)可以被折叠到背侧，或者可以使用多种不同方式而被构造在顶表面上。图3A和图3B分别示出了不同的这样的设计。在图3A的设计中，n+硅层由在柱子的顶部的一侧的金属形成触点。这样的触点可以通过角
蒸发(angle evaporation)来形成。可以替代地稍后在表面的平坦部分上组合所有这些触点。图3B的设计包括用于触点金属的n+硅层的一些平坦区域。
[0047] 制造考虑
[0048] 可以使用干和湿化学蚀刻来进行所描述的所述设计中的硅的成形。在干蚀刻中，通过调整
等离子体的压力，可以引入一定侧壁角度。甚至诸如10°至20°的侧壁角度也足以实现图2所示的设计类型。化学蚀刻也可以提供倾斜侧壁。这些倾斜侧壁通常沿着不同的晶面。通过选择晶片的朝向和适当的化学蚀刻，可以获得从垂直到高度倾斜的侧壁。用于调整侧壁的角度的另一方式是使用动态掩蔽(dynamic masking)方案。在该方案中，用于蚀刻硅的蚀刻剂也蚀刻了掩模材料。结果，掩模开口在蚀刻期间不断改变。因此，除了垂直蚀刻之外，还发生了横向蚀刻。因此，获得了倾斜侧壁外形。可以通过调整硅和掩模材料的蚀刻率来实现从几乎垂直到长椎体的外形。
[0049] 在初始掩蔽之后，通过蚀刻来使硅成形。这之后是n+扩散和表面钝化。此后，由可流动氧化物或聚合物来填充触点开口和
金属化顶表面。最终，将p触点沉积在太阳能电池的底侧上，从而完成制造。这些步骤与常规的太阳能电池制造可兼容。仅仅是表面织构(surface texturing)和防反射涂覆步骤由硅的初始成形蚀刻来替换。
[0050] 图4示出了如下实现广角太阳能电池的替选方式的制造步骤。根据图4，制造通过对整个硅晶片的一侧的n+掺杂和对晶片的另一侧的p+掺杂而开始。这之后是在整个晶片的每侧沉积触点金属以及对触点进行
烧结。接下来，在晶片的一侧对太阳能电池的期望形状进行
图案化。此后，对金属触点和硅进行蚀刻。对以此方式生产的多个晶片进行堆叠和熔合。熔合是金属对金属并且是直接的。必要时，非常薄的
焊接材料可以涂覆触点，从而降低熔合
温度。该步骤将每个晶片上的单独太阳能电池
串联连接。在特定数量的这样的堆叠之后，所得到的厚晶片被切片为长条的太阳能电池。稍后，由SiO2或聚合物来
覆盖这些条，并且这些条被装配在玻璃盖
滑板上。另一侧也可以包裹在SiO2或聚合物中，从而得到图5所示的电池结构。
[0051] 除了与p电极和n电极在太阳能电池的底部和顶部上相对地，p电极和n电极是在太阳能电池的前面和后面之外，所得到的电池与先前在图1和图2中介绍的电池非常类似。此外，通过掩蔽和蚀刻来实现硅的成形，因此可以获得掩摸上的任意形状。因此，可以以出色的
精度实现期望的光捕获。还可以通过使用薄晶片而非常高效地实现载流子收集。这样的晶片的堆叠不需要精确地对准。即使堆叠的电池相对于彼此上下或者横向移动，电池也将会高效地起作用。这里的另一优点是获得比所使用的晶片的面积大的电池面积。为了对此进行说明，假设每个电池是20微米厚，并且晶片是150微米厚。此外，假设堆叠起来的电池的切片是50微米厚。在该情况下，对单个晶片中的所有切片进行堆叠将导致作为晶片面积3倍的电池面积。因此，将以因数三来减小硅消耗和成本，这是显著的。
[0052] 图6示出了电池的替选横截面。图7A示出了电池的第二替选横截面。图7B示出了根据图7A的近似设计形成的实际沟槽阵列的微观横截面视图。图7C示出了表示图7B的进一步放大视图的微观横截面视图，其中添加了一些测量结果。
[0053] 因此，描述了广角且高效的太阳能电池设计。作为示例而非限制提供了各个实施例的以上详细描述。因此，在不背离本发明的精神或实质特性的情况下，本发明可以以其它具体形式来实施。所描述的实施例在所有方面应被视为仅为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非以上描述来指示。落入权利要求的等同方案的含义和范围内的所有改变将包括在其范围内。
