CN1008580B - 光电转换器件的制造方法 - Google Patents

Abstract

通过在制造光电变换器件的最后步骤中对转换器件进行修整处理，从而可在高生产率下生产光电转换器件，在半导体层的形成过程中所产生的短路电流通道可通过向该半导体层施加反向电压而消除之，然后将之加热并使之成为绝缘体。在消除短路电流通道后，即使在8伏特的反向电压下，其反向电流也不会再超过15毫安培。

Description

本发明涉及制造光电转换器件的方法，更具体来说，涉及包括消除在半导体制备过程中产生的短路电流通路的步骤的方法。

迄今，廉价太阳能电池早已使用非单晶半导体的光电转换器件。这种器件主要以小紧凑型生产，例如以几个平方厘米的小面积。为降低每单位面积的光电转换器件的制造成本，曾试图生产例如面积达数千平方厘米的大面积的光电转换器件。然而，大面积光电转换器件必然存有许多缺陷，如针孔，裂纹等，这些缺陷造成短路通道或至少成为漏电部分。由于这些缺陷使该器件的填充系数大幅度地降低，从而使光电转换效率大为下降。由于这原因，只能以小产率来生产这种大面积的器件，于是，制造成本也就没有降低多少。因此，在生产这种大面积太阳能电池时，要求从器件中消除短路电流通道。

各种尝试消除这种短路的方法的一个实例公开于公开号为昭60-46080的日本专利申请中。这种尝试是将具有一个pin结的半导体层的一个表面浸没在浸蚀溶液中，而另一表面装配以电极，并在电极上加电压以便选择性地浸蚀短路电流通道。在该公开的文献第376页、左栏第9行到右栏顶行中对该技术的一个实施例有所描述。该浸蚀溶液为0.01至1重量%的氯化氢与0.05摩尔%的氯化钠的水溶液。

然而，所述公开的现有技术仍存在许多缺陷。即，浸蚀过程之后，被浸蚀的部分需有选择地用绝缘体材料进行填充。此外，还不能在浸蚀之前先在半导体上形成金属膜，这是由于浸蚀溶液包含着能溶解金属的酸性物质。此外，该技术还需要另外的能有效地消除浸蚀过程中包含在 半导体中的水或其他杂质的附加过程。

在美国专利第4，166918中也曾提出过另一个措施。在该美国专利中是利用一个反向偏压以烧毁带有一层厚的薄膜铝热剂的半导体层中的短路电流通道。从而消除短路效应。然而即使消除过程完毕后，仍会有遗留的可穿过半导体层的通道，该通道也就可能成为短路电流通道。

因此，本发明一个目的是提供一种改进的、成本极为低廉的制造光电转换器件的方法。

本发明的另一个目的是提供一种改进的制造优良特性的光电转换器件的方法。

本发明的又一个目的是提供一种改进的以高产率地制造光电转换器件的方法。

本发明的再一个目的是提供一种改进的制造高工作性能的光电转换器件的方法。

本发明还有一个目的就是提供一种改进的制造高转换效率的光电转换器件的方法。

为实现上述目的，在形成具有一光电转换区的半导体层之后，向该半导体层施加反向电压，其中的短路电流通路被烧毁且加热使之变成绝缘。从批量中准备废弃的品质差的制品可加以修整，因而使生产率得到提高。

此外，修整处理也可压低产品特性的离散程度和降低在使用该器件时损坏的可能性。由于修整处理只在完成传统的操作过程之后进行的，故可在对传统操作不作大量改进的情况下实现修整处理工作。按照本发明的方法，由于光电转换器件的并联电阻成分提高，因而使填充系数得到改进，从而最终改进了转换效率。

当邻接半导体层的透明电极是由氧化物或氮化物组成时，则在烧毁后，可将短路电流通道转变成为例如氧化物或氮化物制成填塞好的间隙 （stop-gaps）。

图1是显示按照本发明的方法的原理图。

图2（A）是显示当施加在光电转换器件的反向电压逐渐地增加时通过该器件的电流的变化的曲线图。

图2（B）是按照本发明所制造的光电转换器件的电压-电流特性的曲线图。

图3（A）和（B）显示按照本发明的光电转换器件的其他布置法及向本发明的光电转换器件提供反向电压的电压源的剖视图。

图4是显示在按照本发明的修整处理过程完毕时电流与电压点分布的图。

图5与6显示在按本发明的方法制造的光电转换器件上施加反向电压之前与之后的光电流的曲线图。

现参照图1来说明按照本发明的光电转换器件。为便于理解，本实施例只用简单的一个Pin结进行描绘。所述器件是由一个玻璃衬底，一个第一电极2，一个p-型非晶态硅半导体层3，一个本征型非晶态硅半导层4，一个n-型非晶态硅半导体层5，及一个第二电极6组成的。第一电极2和第二电极6分别连接到电压源7的负极端和正极端。电压源的电压由0伏特逐渐地提高到将近8伏特。在试验中光电转换器件的电压-电流关系由图2的曲线表示。

在图2（A）中，当电压由0伏特提高至5.5伏特时，电流的增长与电压的增长成正比例。在0伏特到1伏特的电压范围，其电阻值只8.6欧姆那么大，由此容易想象其中有短路电流通道8存在。随着电压的升高，在其升高过程的中间阶段，电流多次发生间歇性下落。当电压上升超过55伏特时，电流突然下跌。此后，直至电压到约8伏特，电流强度保持很低。其电阻值约为800欧姆，即为电压为0至1伏特时的电阻值的90倍。图2（B）是说明图2（A）所示的被施加过反向电压的光电转换器件的电 压-电流特性的曲线图。其电阻值保持平稳且不低于50欧姆，即使在8伏特的反向电压下也只容许15毫安培的电流通过。换句话说，在初始施加电压时，短路电流通路已被烧毁或变成绝缘体。

通常，具整流结的二极管对施加于其上的反向偏压的响应并不显出如图2（A）所说明的特性。但，如存在短路电流通道，则电流可有选择性通过这些通道，因为这些通道的电阻值明显为低，以下该通道的电阻以R₁，R₂…及R_n＜＜R_o表示之。该短路电流通道是由包含在半导体中的灰尘或片状粉末所构成的，因此通道的截面积基本上是非常小，从而使所通过的电流密度高达到可导致发生烧毁、汽化、氧化或其它类似的现象，最后至少可使通道变成绝缘。一个业经反向偏压处理的器件，其并联电阻会增大且会有一个提高的开路电压，其结果是转换效率也提高。也可用其它的方式方法将反向电压施加到该光电转换器件上，只要能让充分大的电流通过短路电流通道即可。

试验1

在玻璃衬底1上形成的一个由氧化铟-锡（ITO）薄膜和氧化锡薄膜构成的双层的第一电极2，一个非晶态碳化硅的p-型半导体层3，一个非晶态硅的本征半导体层4，一个微晶硅的n-型半导体层5，及一个由ITO薄膜、银膜和金膜组成的多层电极6。该转换器件不是集成的，因而其面积只有4.59平方厘米。在反向偏压（RB）处理之前，对150件样品进行测试，其转换率离散在3至10%之间，而产率则为30%。

然后按上述对图1的说明向该150件样品施加反向偏压。换句话说，将电压源7的正极端接到第二电极6，其负极端接到第一电极2，并将其输出电压提高到8伏特。在本说明书中反向电流停止流动所对应的点叫做RB端点。在这试验中RB端点聚集在约3至5V的范围内。试验的结果可见于图5和表1中，其中Rsh表示在施加1伏特反向偏压时的电阻值。

表1

R    B    R    B

处理前    处理后

样品件数（0＜Rsh≤10欧姆）    113    0

样品件数（10欧姆＜Rsh≤1千欧姆）    25    11

样品件数（Rsh＞1千欧姆）    12    139

平均变换效率    5.6%    10.0%

试验2

在玻璃衬底上形成一个由氧化铟-锡（ITO）薄膜和氧化锡薄膜的双层的第一电极2，一个非晶态硅的p-型半导体层3，一个非晶态硅半导体的本征半导体层4，一个非晶态硅的n-型半导体层5，及一个铝电极6。

按上述试验的相同方式对150件样品施加反向偏压。图5及下面的表2显示该光电转换器件样品经过反向偏压处理之前和之后的代表性特性曲线及数据。经RB处理之前和之后的电压-电流特性曲线分别由曲线22和23表示。

表2

R    B    R    B

处理前    处理后

短路电流（毫安培）    46.500    76.040

开路电压（伏特）    0.209    0.748

填充系数    0.348    0.572

转换效率（%）    0.74    7.09

如上表中所示，那些几乎不能符合商品要求的制品，可用仅加10至20秒钟的反向偏压加以矫正。与表1相应的150件样品的特性示于下列表中。

表3

R    B    R    B

处理前    处理后

样品件数（0＜Rsh≤10欧姆）    97    0

样品件数（10欧姆＜Rsh≤1千欧）    1    13

样品件数（Rsh＞1千欧姆）    52    137

平均转换率    5.1%    8.6%

试验3

本试验是按图3（A）所示的布置进行试验。在一个玻璃衬底12上形成一个由氧化铟-锡（ITO）与氧化锡薄膜组成的双层的第一电极13，一个非晶态硅的p-型半导体层14，一个非晶态硅的本征半导体层14，一个微晶硅的n-型半导体层14，及一个由ITO薄膜、银膜和金膜组成的多层的第二电极15。该转换器件是集成的，通过适当的顺序将各层进行分割，以制成15个彼此间串联连接的独立电池，其面积达到69.83平方厘米。在进行反向偏压处理之前，在50件样品样中，其转换效率超过7%的光电换器件的产率为30%。

然而该50件样品，按图3（A）所示分别用电压源16在光电转换器件中的各片段施加反向偏压。换句话说，对于每一个片段，电压源16的正极端连接到第二电极15而负极端连接到第一电极13，其电压输出升高到8伏特。试验的结果示于表4中，其中Rsh表示在反向偏压为1伏特时的电阻值。其RB端电压聚集在4至6伏范围之内的样品的RB端电压点可见图4。

表4

R    B    R    B

处理前    处理后

样品件数（0＜Rsh≤10欧姆）    40    0

样品件数（10欧姆＜Rsh≤1千欧姆）    10    15

样品件数（Rsh＞1千欧姆）    0    35

平均转换效率    4.5%    9.5%

所有样品的转换效率均在9.5±5%的范围内，而无实质性的波动情况。

试验4：

本试验是按图3（B）所示的布置进行试验。在一个玻璃衬底17形成一个由氧化铟-锡（ITO）薄膜与氧化锡薄膜组成的双层的第一电极18，一个非晶态硅的n-型半体层19，一个非晶态硅的本片半导体层19，一个非晶态硅的p-型半导体层19，及一个由ITO制成的第二电极20。

按前述试验的相同方法向50件样品施加反向偏压。图6及下面表5显示该光电转换器件样晶经过反向偏压处理之前和之后的代表性特性曲线及数据。对光电转换器件进行反向偏压处理之前与之后的电压-电流特性曲线分别由曲线24与25表示。

表5

R    B    R    B

处理前    处理后

短路电流（毫安培）    71.650    72.21

开路电压（伏特）    11.486    12.074

填充系数    0.444    0.650

转换效率（%）    4.53    8.23

如上表中所示，填充系数有突出的增长，因而使转换效率得到改进。

与表1相应的50件样品的特性示于下列表中。

表6

R    B    R    B

处理前    处理后

样品件数（10＜Rsh≤1千欧姆）    28    0

样品件数（10欧姆＜Rsh≤1千欧姆）    22    15

样品件数（Rsh＞1千欧姆）    0    35

平均转换效率    4.7%    7.5%

试验5

和试验1中构造相同的50件光电转换器件按试验1的方法通过施和反向偏压进行矫正。施加反向偏压后，在没有拆开该器件的供压线路的情况下，对样品进行测定。换句话说，利用那个向光电转换器件施加偏压时所用的线路，以施加正向偏压于该变换器件上，并探查该转换器件的特性。在本试验中，用光（AM1，100毫瓦特/平方厘米）照射该光电转换器件。正向偏压只通过调换电压源7的电极位置来实现的。当然，在转换器件与电压源之间可装配一个关开设备以转换所加电压的极性。按照这种测定方法，转换器件的制造成本实际上可降低，因为在进行反向偏压矫正之后，不须经过停顿而可立即进行性能检查。

一般说来，当光电转换器件中的本征层的厚度增加时，则存在于转换器件中的缺陷就有增加的趋势，从而在某些制造极薄的光电转换器的情况下，在必要采取某些有效措施以避免转换器件被高温所烧毁。在上述试验中，直至本征层的厚度不低于约在3000埃时，是不会产生问题的。

虽然只详细公开和描述几个按照本发明的实施例，但对本专业的普通技术人员来说，许多改进和变化是易于使之实现。例如，可只用一个电压源通过特定的线路设计以便向具有多个彼此并联连接单元的光电转换器件提供反向偏压，而该线路设计能将正确的反向偏压施加于每个单元上。

Claims (9)

1、一种消除光电转换器件中缺陷的方法，所述光电转换器件具有第一和第二电极，其间夹有含pin结的半导体层，其特征在于该方法为：

在所述第一和第二电极间串联一电压源和一电流计；和

使所述电压源通过所述第一和第二电极将低于破坏电压的一反向电压加到所述半导体层上，并使通过所述半导体层的电流受到监测，以便确认指示该半导体层缺陷的烧毁程度而造成的电流下降情况。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述消除步骤中逐渐提高所述反向电压。

3、按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体层是由非单晶半导体制成的。

4、按权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括这样的步骤：在完成消除步骤后，再利用所述电极布置和施加反向电压的电压源之间的连接线路来检测所述转换器件的电特性，以便确定消除该器件中缺陷的效果。

5、按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转换器件是由多个独立的光电转换单元组成的，而这些单元是彼此串联连接的。

6、按权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述的每个单元都分别施加一个电压。

7、按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电极布置包括一个直接与所述半导体层表面接触的透明的导电氧化物层。

8、按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电极布置包括一个直接与所述半导体层表面接触的透明的导电氮化物层。

9、按权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述的半导体层施加电压的步骤中，同时用连接于所述第一和第二电极之间的电压计对所施加的电压进行监测。

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