CN102301490A - 光生伏打模块和制造具有级联半导体层堆叠的光生伏打模块的方法 - Google Patents

光生伏打模块和制造具有级联半导体层堆叠的光生伏打模块的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种单片集成光生伏打模块。该模块包括绝缘衬底和位于衬底之上的下电极。该模块还包括：下电极之上的微晶硅层的下堆叠；下堆叠之上的非晶硅层的上堆叠；以及上堆叠之上的上电极。硅层的上堆叠和下堆叠具有不同的能带隙。该模块还包括在硅层的下堆叠和上堆叠中从下电极到上电极垂直延伸的内置旁路二极管。该内置旁路二极管包括下堆叠和上堆叠的多个部分，该多个部分的结晶比例大于下堆叠和上堆叠的其余部分的结晶比例。

Description

光生伏打模块和制造具有级联半导体层堆叠的光生伏打模块的方法
相关申请的交叉引用
本申请是非临时专利申请并且要求于2009年6月10日提交的题目为“Photovoltaic Devices Having Tandem Semiconductor Layer Stacks”的共同待决美国临时专利申请No.61/185,770(“770申请”)、于2009年6月30日提交的题目为“Photovoltaic Devices Having MultipleSemiconductor Layer Stacks”的共同待决美国临时专利申请No.61/221,816(“816申请”)和于2009年8月3日提交的题目为“Photovoltaic Devices Having Multiple Semiconductor Layer Stacks”的共同待决美国临时专利申请No.61/230,790(“790申请”)的优先权利益。“770”、“816”和“790”申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本文公开的主题涉及光生伏打装置。一些已知光生伏打装置包括具有硅的薄膜的活性部分的薄膜太阳能模块。入射在模块上的光进入活性硅膜。如果光由硅膜吸收，则光能够在硅中产生电子和空穴。电子和空穴用于产生可从模块汲取并且施加到外部电负载的电势和/或电流。
背景技术
光中的光子激励硅膜中的电子并且使得电子与硅膜中的原子分离。为了使得光子激励电子并且使得电子与膜中的原子分离，光子必须具有超过硅膜中的能带隙的能量。光子的能量与入射在膜上的光的波长有关。因此，基于膜的能带隙和光的波长由硅膜吸收光。
一些已知光生伏打装置包括级联层堆叠，该级联层堆叠包括两组或更多组硅膜，该两组或更多组硅膜以一组在另一组之上的方式沉积并且位于下电极与上电极之间。不同组膜可以具有不同的能带隙。通过提供具有不同能带隙的不同的膜可以增加装置的效率，这是由于更多波长的入射光能够被装置吸收。例如，第一组膜的能带隙可以大于第二组膜的能带隙。具有与超过第一组膜的能带隙的能量关联的波长的一些光由第一组膜进行吸收以产生电子空穴对。具有与没有超过第一组膜的能带隙的能量关联的波长的一些光穿过第一组膜而不会产生电子空穴对。如果第二组膜具有较低的能带隙，则穿过第一组膜的该光的至少一部分可由第二组膜进行吸收。
为了提供具有不同能带隙的不同组膜，硅膜可以与锗进行合金以改变膜的能带隙。然而，将膜与锗进行合金会降低能够用于制造的沉积率。另外，与没有锗的情况相比，与锗进行合金的硅更倾向于出现光诱导退化。此外，用于沉积硅锗合金的锗烷源气体成本高而且危险。
作为将硅膜与锗进行合金的替代，能够通过将硅膜沉积为微晶硅膜以替代非晶硅膜降低光生伏打装置中的硅膜的能带隙。非晶硅膜的能带隙通常大于在微晶状态下沉积的硅膜。一些已知光生伏打装置包括具有与微晶硅膜进行串行堆叠的非晶硅膜的半导体层堆叠。在这些装置中，非晶硅膜以相对小厚度进行沉积以降低结中的载流子输运相关的损耗。例如，非晶硅膜可以以小厚度进行沉积以减少通过入射光从硅原子激励的电子和空穴的量并且在到达顶电极或底电极之前与其它硅原子或其它电子和空穴复合。没有到达电极的电子和空穴不对由光生伏打装置产生的电压或电流作贡献。然而，由于非晶硅结的厚度减小，所以非晶硅结吸收较少光并且硅膜中的光电流的流动下降。结果，将入射光转换成电流的光生伏打装置的效率受到装置堆叠中的非晶硅结的限制。
在具有相对薄的非晶硅膜的某些光生伏打装置中，具有活性非晶硅膜的装置中的光生伏打电池的表面区域相对于电池的非活性区域可能减少。活性区域包括将入射光转换成电的硅膜，而无活性或非活性区域包括电池的不存在硅膜或者不将入射光转换成电的部分。通过相对于装置中的非活性区域增加装置中的光生伏打电池的活性区域可以增大由光生伏打装置产生的电能。例如，增加具有活性非晶硅膜的单片集成薄膜光生伏打模块中的电池的宽度增加暴露于太阳光的模块中的活性光生伏打材料的比例或百分比。随着活性光生伏打材料的比例增加，由装置产生的总光电流可能增加。
增加电池的宽度还增加了装置的透光电极的大小或面积。透光电极是传导在电池中产生的电子或空穴以产生装置的电压或电流的电极。随着透光电极的大小或面积增加，透光电极的电阻(R)也增加。通过透光电极的电流(I)也可能增加。由于通过透光电极的电流和透光电极的电阻增加，光生伏打装置中的能耗(例如I2R损耗)增加。由于能耗增加，光生伏打装置变得低效并且该装置产生较少功率。因此，在单片集成薄膜光生伏打装置中，在装置中的活性光生伏打材料的比例与在装置的透明导电电极中产生的能耗之间存在平衡。
需要将入射光转换成电流的效率增加和/或能耗降低的光生伏打装置。
发明内容
在一个实施例中，提供单片集成光生伏打模块。该模块包括绝缘衬底和位于衬底之上的下电极。该模块还包括：下电极之上的微晶硅层的下堆叠；下堆叠之上的非晶硅层的上堆叠；以及上堆叠之上的上电极。硅层的上堆叠和下堆叠具有不同的能带隙。该模块还包括在硅层的下堆叠和上堆叠中从下电极到上电极垂直延伸的内置旁路二极管。该内置旁路二极管包括下堆叠和上堆叠的多个部分，该多个部分的结晶比例大于下堆叠和上堆叠的其余部分的结晶比例。
在另一个实施例中，提供制造光生伏打模块的方法。该方法包括提供衬底和在衬底之上沉积下电极。该方法还包括：在下电极之上沉积微晶硅层的下堆叠；在微晶硅层的下堆叠之上沉积非晶硅层的上堆叠；以及在非晶硅层的上堆叠之上沉积上电极。下堆叠和上堆叠中的至少一个包括具有n掺杂硅层、本征硅层和p掺杂硅层的硅层的N-I-P堆叠。本征硅层的能带隙通过在至少250摄氏度的温度下沉积本征硅层而降低。
在另一个实施例中，提供制造光生伏打模块的方法。该方法包括提供衬底和下电极以及在下电极之上沉积微晶硅层的下堆叠。该方法还包括在下堆叠之上沉积非晶硅层的上堆叠以及在非晶硅层的上堆叠之上提供上电极。该方法还包括通过去除上电极的部分增加下堆叠和上堆叠的结晶度。下堆叠和上堆叠的结晶度增加以形成从下电极到上电极延伸通过上堆叠和下堆叠的内置旁路二极管。
附图说明
图1是根据一个实施例的光生伏打电池的示意图。
图2示意性示出了根据一个实施例的图1所示的模板层中的结构。
图3示意性示出了根据另一个实施例的图1所示的模板层中的结构。
图4示意性示出了根据另一个实施例的图1所示的模板层中的结构。
图5是根据一个实施例的光生伏打装置的示意图和该装置的放大视图。
图6是根据一个实施例的制造光生伏打装置的过程的流程图。
当结合附图进行阅读时能够更好理解上述内容以及下面对当前描述的技术的某些实施例的详细描述。为了示出当前描述的技术的目的，附图中示出了某些实施例。然而，应该明白，当前描述的技术不限于附图中所示的布置和手段。此外，应该明白，附图中的部件不是按照比例进行绘制并且部件之间的相对尺寸不应该被解释或诠释为要求这些相对尺寸。
具体实施方式
图1是根据一个实施例的光生伏打电池100的示意图。电池100包括衬底102和透光覆盖层104以及位于上电极层110和下电极层112或电极110和112之间的上活性硅层堆叠106和下活性硅层堆叠108。上和下电极层110、112以及上和下层堆叠106和108位于衬底102与覆盖层104之间。电池100是衬底结构光生伏打电池。例如，入射在电池100上的与衬底102相对的覆盖层104上的光进入电池100的活性硅层堆叠106、108并由电池100的活性硅层堆叠106、108转换成电势。光穿过覆盖层104和电池100的附加层和部件以到达上层堆叠106和下层堆叠108。光由上层堆叠106和下层堆叠108吸收。
由上和下层堆叠106、108吸收的入射光中的光子在上和下层堆叠106、108中激励电子并且使得上和下层堆叠106、108中的电子与原子分离。当电子与原子分离时产生互补正电荷或空穴。上和下层堆叠106、108具有不同能带隙，该不同能带隙吸收入射光中的波长的频谱的不同部分。电子漂移或扩散穿过上和下层堆叠106、108并且在上电极层110和下电极层112中的一个处被收集。空穴漂移或扩散穿过上和下层堆叠106、108并且在上电极层110和下电极层112中的另一个处被收集。电子和空穴在上电极层110和下电极层112处的收集在电池100中产生电势差。电池100中的电势差可以加到在另外电池(未示出)中产生的电势差。在彼此串行耦合的多个电池100中产生的电势差可以加在一起以增加由电池100产生的总电势差。通过相邻电池100之间电子和空穴的流动产生电流。电流可从电池100汲取并且施加给外部电负载。
在图1中示意性示出了电池100的部件和层，并且部件和层的形状、方向或相对大小并非意图进行限制。衬底102位于电池100的底部。衬底102对电池100的其它层和部件提供机械支撑。衬底102包括或由例如非导电材料的介电材料形成。衬底102可由具有相对低软化点的电介质(例如，软化点低于大约750摄氏度的一种或多种介电材料)产生。仅仅举例来讲，衬底102可由钠钙浮法玻璃、低铁浮法玻璃或者包括至少10％(重量百分比)的氧化钠(Na2O)的玻璃形成。在另一个例子中，衬底可由另一种类型的玻璃(例如，浮法玻璃或硼硅玻璃)形成。替代地，衬底102由陶瓷(例如，氮化硅(Si3N4)或氧化铝(矾土或Al2O3))形成。在另一个实施例中，衬底102由导电材料(例如，金属)形成。仅仅举例来讲，衬底102可由不锈钢、铝或钛形成。
衬底102具有足以在电池100的制造和处理期间机械支撑电池100的其余层并且同时对电池100提供机械和热稳定性的厚度。在一个实施例中，衬底102的厚度至少近似是0.7到5.0毫米。仅仅举例来讲，衬底102可以是近似2毫米厚层的伏法玻璃。替代地，衬底102可以是近似1.1毫米厚层的硼硅玻璃。在另一个实施例中，衬底102可以是近似3.3毫米厚层的低铁或标准浮法玻璃。
纹理(textured)模板层114可以沉积在衬底102之上。替代地，模板层114没有包括在电池100内。模板层114是具有受控和预定的三维纹理的层，该三维纹理对沉积在模板层114上面或上方的电池100中的层和部件中的一个或更多个上应用纹理。在一个实施例中，可以根据在于2010年4月19日提交的题目为“Photovoltatic Cells And MethodsTo Enhance Light Trapping In Thin Film Silicon”的共同待决美国专非临时利申请No.12/762,880(“880申请”)中描述的实施例之一沉积和形成纹理模板层114。“880”申请的全部内容以引用方式并入本文。关于“880”申请，本文描述的模板层114可以类似于“880”申请中描述的模板层136并且包括“880”申请中描述和示出的结构300、400、500中的一个或更多个的阵列。
可以通过模板层114的一个或更多个结构200、300和400(图2-4中示出)的形状和尺寸确定所示出的实施例中的模板层114的纹理。模板层114沉积在衬底102之上。例如，模板层114可以直接沉积在衬底102上面。
图2示意性示出了根据一个实施例的模板层114中的峰结构200。在模板层114中产生峰结构200在模板层114上方的层中应用预定纹理。由于结构200沿模板层114的上表面202表现为尖峰，所以结构200称作峰结构200。由一个或更多个参数(包括峰高(Hpk)204、间距206、过渡形状208和底部宽度(Wb)210)定义峰结构200。如图2所示，峰结构200形成的形状为随着与衬底102的距离增加宽度减小。例如，峰结构200的尺寸从位于衬底102处或附近的底部212到多个峰214减小。在图2的二维视图中峰结构200表示为三角形，但是还可以是三维的角锥形或圆锥形。
峰高(Hpk)204表示峰214与峰结构200之间的过渡形状208之间的平均或中间距离。例如，模板层114可以作为近似平坦层沉积到峰214的底部212或者过渡形状214的区域。模板层114可以持续进行沉积以形成峰214。底部212或过渡形状208与峰214之间的距离可以是峰高(Hpk)204。
间距206表示峰结构200的峰214之间的平均或中间距离。间距206在两个或更多方向上近似相同。例如，间距206可以在与衬底102平行延伸的两个垂直方向上相同。在另一个实施例中，间距206可以沿不同方向而不同。替代地，间距206可以表示相邻峰结构200上的其它相似点之间的平均或中间距离。过渡形状208是峰结构200之间的模板层114的上表面202的一般形状。如所示实施例中所示，过渡形状208可以采取平“面”的形状。替代地，当从三维角度进行观看时，该平面形状可以是圆锥形或角锥形。底部宽度(Wb)210是模板层114的峰结构200与底部212之间的界面处横跨峰结构200的平均或中间距离。底部宽度(Wb)210可以在两个或更多方向上近似相同。例如，底部宽度(Wb)可以在与衬底102平行延伸的两个垂直方向上相同。替代地，底部宽度(Wb)210可以沿不同方向而不同。
图3示出了根据一个实施例的模板层114的谷结构300。谷结构300的形状与图2所示的峰结构200的形状不同，但是可以通过在上文中结合图2描述的一个或更多个参数进行定义。例如，谷结构300可以由峰高(Hpk)302、间距304、过渡形状306和底部宽度(Wb)308进行定义。谷结构300形成为从谷结构300的上表面310延伸到模板层114的凹陷或空腔。在图3的二维视图中谷结构300显示为具有抛物线形状，但是可以具有三维的圆锥形、角锥形或抛物面形状。在操作中，谷结构300可以与理想抛物线的形状稍微不同。
通常，谷结构300包括从上表面310朝着衬底102向下延伸到模板层114的空腔。谷结构300向下延伸到位于过渡形状306之间的模板层114的低点312或最低点。峰高(Hpk)302表示上表面310与低点312之间的平均或中间距离。间距304表示谷结构300的相同或共同点之间的平均或中间距离。例如，间距304可以是在谷结构300之间进行延伸的过渡形状306的中点之间的距离。间距304可以在两个或更多方向上近似相同。例如，间距304可以在与衬底102平行延伸的两个垂直方向上相同。在另一个实施例中，间距304可以沿不同方向不同。替代地，间距304可以表示谷结构300的低点312之间的距离。替代地，间距304可以表示相邻谷结构300上的其它相似点之间的平均或中间距离。
过渡形状306是谷结构300之间的上表面310的一般形状。如所示实施例所示，过渡形状306可以采取平“面”的形式。替代地，当从三维角度观看时，该平面形状可以是圆锥形或角锥形的。底部宽度(Wb)308表示相邻谷结构300的低点312之间的平均或中间距离。替代地，底部宽度(Wb)308可以表示过渡形状306的中点之间的距离。底部宽度(Wb)308在两个或更多方向上可以近似相同。例如，底部宽度(Wb)308可以在与衬底102平行延伸的两个垂直方向上相同。替代地，底部宽度(Wb)308可以沿不同方向而不同。
图4示出了根据一个实施例的模板层114的圆形结构400。圆形结构400的形状与图2所示的峰结构200以及图3所示的谷结构300的形状不同，但是可以由在上文中结合图2和图3描述的一个或更多个参数进行定义。例如，圆形结构400可以由峰高(Hpk)402、间距404、过渡形状406和底部宽度(Wb)408进行定义。圆形结构400形成为从模板层114的底部膜410向上延伸的模板层114的上表面414的凸起。圆形结构400可以具有近似抛物线形状或圆形形状。在操作中，圆形结构400可以与理想抛物面的形状稍微不同。尽管在图4的二维视图中圆形结构400表示为抛物面，替代地，圆形结构400可以具有从衬底102向上延伸的三维抛物面、角锥或圆锥的形状。
通常，圆形结构400从底部膜410向上远离衬底102向圆形高点412或圆形顶点凸起。峰高(Hpk)402表示底部膜410与高点412之间的平均或中间距离。间距404表示圆形结构400的相同或共同点之间的平均或中间距离。例如，间距404可以是高点412之间的距离。间距404在两个或更多方向上可以近似相同。例如，间距404在与衬底102平行延伸的两个垂直方向上可以相同。替代地，间距404可以沿不同方向而不同。在另一个例子中，间距404可以表示在圆形结构400之间延伸的过渡形状406的中点之间的距离。替代地，间距404可以表示相邻圆形结构400上的其它相似点之间的平均或中间距离。
过渡形状406是圆形结构400之间的上表面414的一般形状。如所示实施例所示，过渡形状406可以采取平“面”的形式。替代地，当从三维角度观看时，平面形状可以是圆锥形或角锥形。底部宽度(Wb)408表示圆形结构400的相对侧上的过渡形状406之间的平均或中间距离。替代地，底部宽度(Wb)408可以表示过渡形状406的中点之间的距离。
根据一个实施例，结构200、300和400的间距204、302、402和/或底部宽度(Wb)210、308、408近似400纳米到近似1500纳米。替代地，结构200、300、400的间距204、302、402可以小于近似400纳米或者大于近似1500纳米。结构200、300、400的平均或中间峰高(Hpk)204、302、402可以是对应结构200、300、400的间距206、304、404的近似25％到80％。替代地，平均峰高(Hpk)204、302、402可以是间距206、304、404的不同分数。底部宽度(Wb)210、308、408可以近似与间距206、304、404相同。在另一个实施例中，底部宽度(Wb)210、308、408可与间距206、304、404不同。底部宽度(Wb)210、308、408可以在两个或更多方向上近似相同。例如，底部宽度(Wb)210、308、408在与衬底102平行延伸的两个垂直方向上可以相同。替代地，底部宽度(Wb)210、308、408可以沿不同方向而不同。
基于PV电池100(图1所示)是双结还是三结电池100和/或电流限制层在上和/或下层堆叠106、108(图1所示)中的哪个半导体膜或层上，模板层114中的结构200、300、400的参数可以不同。例如，上和下层堆叠106、108可以包括N-I-P和/或P-I-N掺杂非晶或掺杂微晶硅层的两个或更多堆叠。上文描述的一个或更多个参数可以基于N-I-P和/或P-I-N堆叠中的哪个半导体层是电流限制层。例如，N-I-P和/或P-I-N堆叠中的一个或更多个层可以限制当光撞击PV电池100时由PV电池100产生的电流量。结构200、300、400的一个或更多个参数可以基于电流限制层位于这些层中的哪个上。
在一个实施例中，如果PV电池100(图1所示)包括上和/或下层堆叠106、108(图1所示)中的微晶硅层并且微晶硅层是上和下层堆叠106、108的电流限制层，则微晶硅层下方的模板层114中的结构200、300、400的间距206、304、404可以在近似500与1500纳米之间。微晶硅层的能带隙对应于波长在近似500与1500纳米之间的红外光。例如，结构200、300、400可以反射更多波长在500与1500nm之间的红外光(在间距206、404、504近似匹配这些波长的情况下)。结构200、300、400的过渡形状208、306、406可以是平面并且底部宽度(Wb)210、308、408可以是间距206、304、404的60％到100％。峰高(Hpk)204、302、402可以在间距206、304、404的25％与75％之间。例如，相对于其它比率，峰高(Hpk)204、302、402与间距206、304、404的比率可以提供结构200、300、400中的能够向上和/或下硅层堆叠106、108反射回更多光的散射角。
在另一个例子中，如果PV电池100(图1所示)包括非晶硅的一个层堆叠106或108以及微晶半导体层的另一个层堆叠106或108，则基于上和下层堆叠106、108的哪个是电流限制堆叠，模板层114的间距206、304、404的范围可以不同。如果上硅层堆叠106包括微晶N-I-P或P-I-N掺杂半导体层堆叠，下硅层堆叠108包括非晶N-I-P或P-I-N掺杂半导体层堆叠，并且上硅层堆叠106、108是电流限制层，则间距206、304、504可以位于近似500与1500纳米之间。与之相较，如果下硅层堆叠108是电流限制层，则间距206、304、404可以近似位于350与1000nm之间。
返回图1所示的电池100的讨论，可以根据在“880申请”中描述的一个或更多个实施例形成模板层114。例如，可以通过在衬底102上沉积非晶硅层然后使用反应离子蚀刻穿透位于非晶硅的上表面上的二氧化硅球体对非晶硅进行纹理化处理形成模板层114。替代地，可以通过在衬底102上溅射铝钛双份子层然后对模板层114进行阳极化形成模板层114。在另一个实施例中，可以通过使用气相化学沉积沉积纹理化氟掺杂氧化锡(SnO2:F)的膜形成模板层。可以从厂家(例如，AsahiGlass Company或Pilkington Glass)获得模板层114的这些膜中的一个或更多个。在替代实施例中，可以通过向衬底102施加静电电荷然后将充电的衬底102置于具有相反带电粒子的环境内形成模板层114。静电力将带电粒子吸向衬底102以形成模板层114。通过在接下来的沉积步骤中将粘合剂“胶”层(未示出)沉积在粒子上或者通过对粒子和衬底102进行退火处理，这些粒子接下来永久附接到衬底102。粒子材料的实例包括多面体陶瓷和钻石状材料粒子(例如，碳化硅、氧化铝、氮化铝、钻石和CVD钻石)。
下电极层112沉积在模板层114的上方。下电极层112包括导电反射体层116和导电缓冲层118。反射体层116沉积在模板层114的上方。例如，反射体层116可以直接沉积在模板层114上。反射体层116具有由模板层114规定的纹理化上表面120。例如，反射体层116可以沉积在模板层114上从而反射体层116包括尺寸和/或形状与模板层114的结构200、300、400(图2到图4所示)类似的结构(未示出)。
反射体层116可以包括或者由例如银的反射导电材料形成。替代地，反射体层116可以包括或者由铝或包括银或铝的合金形成。反射体层116的厚度近似在100到300纳米之间并且可以通过在模板层114上溅射反射体层116的材料进行沉积。
反射体层116提供导电层和用于将光向上反射到上和下活性硅层堆叠106、108的反射表面。例如，入射在覆盖层104上并且穿过上和下活性硅层堆叠106、108的光的一部分可以不由上和下活性硅层堆叠106、108进行吸收。这部分的光可以从反射体层116反射回上和下层堆叠106、108从而反射的光可由上和/或下层堆叠106、108进行吸收。反射体层116的纹理化上表面120增加了经由进入上和下活性硅层堆叠106、108的光的部分或全部散射吸收或“捕获”的光的量。峰高(Hpk)204、302、402、间距206、304、404、过渡形状208、306、406、和/或底部宽度(Wb)210、308、408(图2到图4所示)可以进行变化以增加对于期望或预定波长范围的光在上和下层堆叠106、108中被捕获的光的量。
缓冲层118沉积在反射体层116的上方并且可以直接沉积在反射体层116上。缓冲层118提供与下活性硅层堆叠108的电接触。例如，缓冲层118可以包括或者由透明导电氧化物(TCO)材料形成，该透明导电氧化物(TCO)材料与下层堆叠108中的下活性硅层进行电耦合。在一个实施例中，缓冲层118包括铝掺杂氧化锌、氧化锌和/或氧化铟锡。缓冲层118可以沉积为厚度近似50到500纳米，但可以使用不同厚度。
在一个实施例中，缓冲层118产生反射体层116与下活性硅层堆叠108之间的化学缓冲。例如，缓冲层118能够防止在电池100的处理和制造过程中反射体层116对下活性硅层堆叠108的化学侵蚀。缓冲层118阻止或防止下层堆叠108中硅的污染并且可以降低下层堆叠108中的等离子体激元吸收损耗。
缓冲层118可以在反射体层116与下活性硅层堆叠108之间提供光缓冲。例如，缓冲层118可以是按一定厚度沉积的透光层，该一定厚度基于从反射体层116反射的预定波长范围。缓冲层118的厚度可以允许一定波长的光穿过缓冲层118，从反射体层116反射，返回穿过缓冲层118并且进入下层堆叠108。仅仅举例来讲，缓冲层118可以按近似75到80纳米的厚度沉积。
下活性硅层堆叠108沉积在缓冲层118上方或者直接沉积在缓冲层118上。在一个实施例中，下层堆叠108以厚度近似1到3毫米进行沉积，尽管下层堆叠108可以以不同厚度进行沉积。下层堆叠108包括硅的三个子层122、124、126。在一个实施例中，子层122、124、126分别是n掺杂、本征和p掺杂微晶硅膜，可以使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在相对低沉积温度沉积子层122、124、126。例如，可以在近似160到250摄氏度的范围内的温度沉积子层122、124、126。在相对低沉积温度沉积子层122、124、126可以降低掺杂物从一个子层122、124、126到另一个子层122、124、126的互扩散。此外，在给定子层122、124、126中使用低沉积温度可以帮助防止氢分别从上和下层堆叠106、108中的基础子层(underlying sublayer)122、124、126的散发。
替代地，下层堆叠108可以在相对高沉积温度进行沉积。例如，下层堆叠108可以在近似250到350摄氏度的范围内的温度进行沉积。随着沉积温度上升，下层堆叠108中的结晶结构的平均颗粒尺寸可能增加并且可以导致下层堆叠108中红外光的吸收增加。因此，下层堆叠108可以在较高温度进行沉积以增加下层堆叠108中硅晶的平均颗粒尺寸。此外，在较高温度沉积下层堆叠108可以使得下层堆叠108在接下来的上层堆叠106的沉积期间更加热稳定。如下所述，下层堆叠108的顶子层126可以是p掺杂硅膜。在这个实施例中，下层堆叠108的底和中子层122、124可以在近似250到350摄氏度的范围内的相对高沉积温度进行沉积，而顶子层126在近似150到250摄氏度的范围内的相对低温度进行沉积。替代地，顶子层126可以在至少160摄氏度的温度进行沉积。p掺杂子层126可以在低温进行沉积以降低p掺杂顶子层126与本征中子层124之间的互扩散量。替代地，p掺杂顶子层126在较高沉积温度(例如，近似250到350摄氏度)进行沉积。
子层122、124、126可以具有至少近似10纳米的平均颗粒尺寸。在另一个实施例中，子层122、124、126中的平均颗粒尺寸为至少近似20纳米。替代地，子层122、124、126的平均颗粒尺寸为至少近似50纳米。在另一个实施例中，平均颗粒尺寸为至少近似100纳米。可选择的是，平均颗粒尺寸可以是至少近似1毫米。子层122、124、126中的平均颗粒尺寸可以通过各种方法进行确定。例如，可以使用透射电子显微镜(“TEM”)测量平均颗粒尺寸。在这个例子中，获得子层122、124、126的薄样本。例如，获得厚度近似1毫米或更小的子层122、124、126的一个或更多个的样本。电子束透过该样本。该电子束可以在整个样本或样本的一部分上进行光栅化。由于电子穿过样本，所以电子与样本的微晶结构相互作用。电子传播的路径可由该样本改变。在电子穿过样本以后电子被收集并且基于收集的电子产生图像。该图像提供了样本的二维表示。该样本中的晶体颗粒可以显现为与样本的非晶部分不同。基于这个图像，可以测量样本中的晶体颗粒的尺寸。例如，能够测量图像中出现的若干晶体颗粒的表面积并且对其求平均值。这个平均值是获得样本的位置处的样本中的平均晶体颗粒尺寸。例如，该平均值可以是从其获得样本的子层122、124、126中的平均晶体颗粒尺寸。
底子层122可以是n掺杂硅的微晶层。在一个实施例中，通过使用氢(H)、硅烷(SiH4)和磷化氢或者三氢化磷(PH3)的源气组合，在近似2到3托的真空压力，以近似500到1000瓦特的能量在工作频率为近似13.56MHz的PECVD室中沉积底子层122。用于沉积底子层122的源气的比率可以是近似200到300份氢气比近似1份硅烷比近似0.01份磷化氢。
中子层124可以是本征硅的微晶层。例如，中子层124可以包括没有掺杂或者掺杂浓度低于1018/cm3的硅。在一个实施例中，通过使用氢(H)和硅烷(SiH4)的源气组合，以近似9到10托的真空压力，以近似2到4千瓦的能量在工作频率为近似13.56MHz的PECVD室内沉积中子层124。用于沉积中子层124的源气的比率可以是近似50到65份氢气比近似1份硅烷。
顶子层126可以是p掺杂硅的微晶层。替代地，顶子层126可以是p掺杂硅的原始晶体层。在一个实施例中，通过使用氢(H)、硅烷(SiH4)和三甲基硼(B(CH3)3，或者TMB)的源气组合，以近似2到3托的真空压力，以近似500到1000瓦特的能量在工作频率为近似13.56MHz的PECVD内沉积顶子层126。用于沉积顶子层126的源气的比率可以是近似200到300份氢气比近似1份硅烷比近似0.01份磷化氢。TMB可用于对顶子层126中的硅掺杂硼。与使用不同类型的掺杂物(例如，三氟化硼(BF3)或乙硼烷(B2H6))相比较，使用TMB对顶子层126中的硅进行掺杂可以提供更好的热稳定性。例如，与使用三氟化物或乙硼烷相比较，使用TMB掺杂硅可以导致在接下来层的沉积过程中较少硼从顶子层126扩散进入相邻层(例如，中子层124)。仅仅举例来讲，在上层堆叠106的沉积过程中，与当使用三氟化物或乙硼烷掺杂顶子层126相比较，使用TMB掺杂顶子层126可以导致较少硼扩散进入中子层124。
在一个实施例中，三个子层122、124、126形成活性硅层的N-I-P结或N-I-P堆叠。对于下层堆叠108，三个子层122、124、126具有近似1.1eV的能带隙。替代地，下层堆叠108可以具有不同的能带隙。如下所述，下层堆叠108的能带隙与上层堆叠106的不同。上和下层堆叠106、108的不同能带隙允许上和下层堆叠106、108吸收不同波长的入射光。
在一个实施例中，中间反射体层128沉积在上层堆叠与下层堆叠106、108之间。例如，中间反射体层128可以直接沉积在下层堆叠108上。替代地，中间反射体层128不包括在电池100中并且上层堆叠106沉积在下层堆叠108上。中间反射体层128将光部分反射入上层堆叠106并且允许一些光穿过中间反射体层128并且进入下层堆叠108。例如，中间反射体层128可以将入射在电池100上的光的波长的频谱的子集向上反射回上层堆叠106。
中间反射体层128包括或者由部分反射材料形成。例如，中间反射体层128可以由二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、铝掺杂氧化锌(AZO)、氧化铟锡(ITO)、掺杂氧化硅或掺杂氮化硅形成。在一个实施例中，中间反射体层128厚度是近似10到200纳米，但是可以使用不同厚度。
上活性硅层堆叠106沉积在下活性硅层堆叠108之上。例如，上层堆叠106可以直接沉积在中间反射体层128上或在下层堆叠108上。在一个实施例中，上层堆叠106以近似200到400纳米的厚度沉积，但是，上层堆叠106也可以不同厚度进行沉积。上层堆叠106包括硅的三个子层130、132、134。
在一个实施例中，子层130、132、134分别是n掺杂、本征和p掺杂非晶硅(a-Si:H)膜，可以使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在相对高沉积温度沉积子层130、132、134。例如，子层130、132、134可以在近似185到250摄氏度的温度下进行沉积。在一个实施例中，子层130、132、134在185到225摄氏度之间的温度下进行沉积。替代地，p掺杂子层134可以在比n掺杂和本征子层130、132的沉积温度低的温度下沉积。例如，p掺杂子层134可以在近似120到200摄氏度的温度下沉积，而本征和/或n掺杂子层132、130在至少200摄氏度的温度下沉积。仅仅举例来讲，本征和/或n掺杂子层132、130可以在近似250到350摄氏度的温度下沉积。
在相对低沉积温度沉积子层130、132、134中的一个或更多个可以降低掺杂物在下层堆叠108中的子层122、124、126之间和/或在上层堆叠106中的子层130、132、134之间的互扩散。掺杂物在子层122、124、126中和之间以及在子层130、132、134中和之间的扩散可以基于加热子层122、124、126和130、132、134的温度。例如，掺杂物在子层122、124、126、130、132、134之间的互扩散可以随着暴露于增加的温度而增加。使用较低的沉积温度可以降低在子层122、124、126中和/或在子层130、132、134中的掺杂物的扩散量。在给定子层122、124、126、130、132、134中使用较低沉积温度可以降低氢分别从上和下层堆叠106、108中的基础子层122、124、126、130、132、134进行散发。
相对于在较高沉积温度下沉积非晶硅层，在相对较低沉积温度下沉积子层130、132、134可以增加上层堆叠的能带隙。例如，子层130、132、134在近似185到250摄氏度的温度下沉积为非晶硅层可以使得上层堆叠106的能带隙近似1.85到1.95eV。增加上层堆叠106的能带隙可以使得子层130、132、134吸收入射光中的波长的频谱的较小子集，但是可以增加电池100中产生的电势差。
替代地，可以在相对高沉积温度下沉积上层堆叠106。例如，上层堆叠106可以在近似250到350摄氏度的温度下进行沉积。随着非晶硅的沉积温度增加，硅的能带隙下降。例如，在近似250到350摄氏度之间的温度下以层中相对较少到无锗作为非晶硅层沉积子层130、132、134可以使得上层堆叠106的能带隙是至少1.65eV。在一个实施例中，由硅中锗含量为0.01％或更小的非晶硅形成的上层堆叠106的能带隙是1.65到1.80eV。锗含量可以表示相对于上层堆叠106中的例如硅的其它材料上层堆叠106中的锗的比例或百分比。降低上层堆叠106的能带隙可以使得子层130、132、134吸收入射光中的波长的频谱的更大子集并且可以使得由串行电互连的多个电池100产生较大电流。
可以通过测量上层堆叠106的氢含量检验在相对高沉积温度下上层堆叠106的沉积。在一个实施例中，在高于近似250摄氏度的温度下沉积上层堆叠106的情况下，上层堆叠106的最终氢含量低于近似8％(原子百分比)。可以使用二次离子质谱仪(“SIMS”)测量上层堆叠106中的最终氢含量。上层堆叠106的样本安置到SIMS中。然后通过粒子束对样本进行溅射。该粒子束使得从样本发射二次离子。使用质谱仪收集并分析二次离子。质谱仪然后确定样本的分子组成。质谱仪能够确定样本中氢的原子百分比。
替代地，可以使用傅立叶变换红外光谱仪(“FTIR”)测量上层堆叠106中的最终氢浓度。在FTIR中，红外光束然后穿过上层堆叠106的样本。样本中的不同分子结构和种类可以不同地吸收红外光。基于样本中的不同分子种类的相对浓度，获得样本中的分子种类的频谱。能够从这个频谱确定样本中的氢的原子百分比。替代地，获得几个频谱并且从该频谱群确定样本中的氢的原子百分比。
如下所述，顶子层134可以是p掺杂硅膜。在这个实施例中，底子层130和中子层132可以在近似250到350摄氏度的范围内的相对高沉积温度下进行沉积，而顶子层134在近似150到200摄氏度的范围内的相对低温度下进行沉积。p掺杂顶子层134在低温下进行沉积以降低p掺杂顶子层134与本征中子层132之间的互扩散量。低温沉积p掺杂顶子层134可以增加顶子层134的能带隙和/或使得顶子层134透过更多可见光。
底子层130可以是n掺杂硅的非晶层。在一个实施例中，在工作频率为近似13.56MHz的PECVD室内，通过使用氢气(H2)、硅烷(SiH4)和磷化氢或三氢化磷(PH3)的源气组合，在近似2到3托的真空压力下以及以近似500到1000瓦特的能量沉积底子层130。用于沉积底子层130的源气的比率可以是近似200到300份氢气比近似1份硅烷比近似0.01份磷化氢。
中子层132可以是本征硅的非晶层。替代地，中子层132可以是本征硅的多形(polymorphous)层。在一个实施例中，在工作频率为近似13.56MHz的PECVD室内，通过使用氢(H)和硅烷(SiH4)的源气组合，在近似1到3托的真空压力下以及以近似200到400瓦特的能量沉积中子层132。用于沉积中子层132的源气的比率可以是近似4到12份氢气比近似1份硅烷。
在一个实施例中，顶子层134是p掺杂硅的原始晶体层。替代地，顶子层134可以是p掺杂硅的非晶层。在一个实施例中，顶子层134在工作频率为近似13.56MHz的PECVD室内，通过使用氢(H)、硅烷(SiH4)和三氟化硼(BF3)、TMB或乙硼烷(B2H6)的源气组合，在近似2到3托的真空压力下，以近似500到1000瓦特的能量进行沉积。用于沉积顶子层134的源气的比率可以是近似200到300份氢气比近似1份硅烷比近似0.1份掺杂气体。
三个子层130、132、134可以形成活性硅层的NIP结。三个子层130、132、134的能带隙与下层堆叠108的能带隙不同。例如，上层堆叠106的能带隙可以比下层堆叠108的能带隙大至少约50％。在另一示例中，上层堆叠106的能带隙可以比下层堆叠108的能带隙大至少约60％。替代地，上层堆叠106的能带隙可以比下层堆叠108的能带隙大至少约40％。上层堆叠106和下层堆叠108的不同能带隙允许上层堆叠106和下层堆叠108吸收入射光的不同波长并且可以增加电池100将入射光转换成电势和/或电流的效率。
可以使用椭圆光度法测量上和下层堆叠106、108的能带隙。替代地，外量子效率(EQE)测量可用于获得上和下层堆叠106、108的能带隙。通过改变入射在半导体层或层堆叠上的光的波长并且测量将入射光子转换成到达外部电路的电子的层或层堆叠的效率获得EQE测量。基于在不同波长将入射光转换成电子的上和下层堆叠106、108的效率，可以推导出上和下层堆叠106、108的能带隙。例如，与转换不同能量的光相比较，上和下层堆叠106、108的每个可以更加有效地转换能量大于上和下层堆叠106、108的能带隙的入射光。
上电极层110沉积在上层堆叠106上方。例如，上电极层110可以直接沉积在上层堆叠106上。上电极层110包括或者由导电透光材料形成。例如，上电极层110可由透明导电氧化物形成。这些材料的例子包括氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO2)、氟掺杂氧化锡(SnO2:F)、锡掺杂氧化铟(ITO)、二氧化钛(TiO2)、和/或铝掺杂氧化锌(Al:ZnO)。上电极层110可以以各种厚度进行沉积。在一些实施例中，上电极层110的厚度是近似50nm到2毫米。
在一个实施例中，上电极层110由ITO或Al:ZnO的60到90纳米厚度层形成。上电极层110可以用作具有在电池100的上电极层110中产生抗反射(AR)效应的厚度的导电材料和透光材料。例如，上电极层110可以允许入射光的一个或更多个波长的相对大百分比传播穿过上电极层110而反射由上电极层110反射并且远离电池100的活性层的光的波长的相对小百分比。仅仅举例来讲，上电极层110可以反射入射光中的一个或更多个波长的5％或更少。在另一个例子中，上电极层110可以反射光的近似3％或更少。在另一个实施例中，上电极层110可以反射光的近似2％或更少远离层堆叠106、108、110。在另一个例子中，上电极层110可以反射光的近似0.5％或更少。
可以调整上电极层110的厚度以增加传播穿过上电极层110并且向下进入上和下层堆叠106、108的入射光的量。尽管相对薄上电极层110的薄层电阻相对高，诸如近似20到50欧姆每平方(Ω/□)，但是可以通过减小上电极层110的宽度补偿上电极层110的相对高的薄片电阻(如下所述)。
粘合层136沉积在上电极层110之上。例如，粘合层136可以直接沉积在上电极层110上。替代地，粘合剂层144不包括在电池100中。粘合层136将覆盖层104固定到上电极层110。粘合层136可以防止湿气侵入电池100。例如，粘合层136可以包括诸如聚乙烯醇缩丁醛(“PVB”)、沙林或乙烯醋酸乙烯(“EVA”)共聚物的材料。
覆盖层104安置在粘合层136的上方。替代地，覆盖层104安置在上电极层110上面。覆盖层104包括或者由透光材料形成。在一个实施例中，覆盖层104是一片钢化玻璃。在覆盖层104中使用钢化玻璃可以帮助保护电池100防止受到物理损害。例如，钢化玻璃覆盖层104可以帮助保护电池100防止受到冰雹和其它环境损害。在另一个实施例中，覆盖层104是一片钠钙玻璃、低铁钢化玻璃、或者低铁退火玻璃。使用高透明低铁玻璃覆盖层104能够提高硅层堆叠106、108的透光率。可选择的是，AR涂层(未示出)可以设置在覆盖层104的顶部上。
图5是根据一个实施例的光生伏打装置500和装置500的放大视图502的示意图。装置500包括彼此串行电耦合的多个光生伏打电池504。电池504可与电池100(图1所示)类似。例如，每个电池504可以具有上和下层堆叠106、108(例如，图1所示)的级联布置，每个层堆叠吸收光的波长的频谱的不同子集。图1的示意性图示可以是沿图5中的线1-1的截面视图。装置500可以包括彼此串行电耦合的许多电池504。仅仅举例来讲，装置500可以具有彼此串行电连接的25个、50个或100个或更多电池504。每个最外面的电池504还可以与多个导线506、508之一进行电连接。导线506、508在装置500的相对端510、512之间进行延伸。导线506、508与外部电负载510连接。由装置500产生的电流应用到外部负载510。
如上所述，每个电池504包括几层。例如，每个电池504包括与衬底102(图1所示)类似的衬底512、与下电极层112(图1所示)类似的下电极层514、级联硅层堆叠516、与上电极层110(图1所示)类似的上电极层518、与粘合层136(图1所示)类似的粘合层520和与覆盖层104(图1所示)类似的覆盖层522。级联硅层堆叠516包括每个吸收或捕获入射在装置500上的光的波长的频谱的不同子集的活性硅层的上、下堆叠。例如，级联层堆叠516可以包括与上活性硅层堆叠106(图1所示)类似的上层堆叠、与下活性硅层堆叠108(图1所示)类似的下层堆叠。级联层堆叠516中的上和下层堆叠可以通过与中间反射体层128(图1所示)类似的中间反射体层彼此分离。
一个电池504的上电极层518与相邻或邻接电池100中的下电极层514进行电耦合。如上所述，电子和空穴在上和下电极层518和514处的收集在每个电池504中产生电压差。电池504中的电压差可以沿装置500中的多个电池504相加。电子和空穴流过一个电池504中的上和下电极层518和514到达相邻电池504中的相对电极层518和514。例如，如果当光撞击级联层堆叠516时第一电池504中的电子流到下电极层514，则电子流过第一电池504的下电极层514到达与第一电池504相邻的第二电池504中的上电极层518。类似的是，如果空穴流到第一电池504中的上电极层518，则空穴从第一电池504中的上电极层518流到第二电池504中的下电极层514。通过电子和空穴流过上和下电极层518和514产生电流和电压。该电流应用到外部负载510。
装置500可以是与在于2009年9月29日提交的题目为“Monolithically-Integrated Solar Module”的共同待决美国非临时申请No.12/569,510(“510申请”)中描述的实施例的一个或更多个类似的单片集成太阳能电池模块。“510申请”的全部内容以引用方式并入本文。例如，为了产生装置500中的下和上电极层514和518以及级联层堆叠516的形状，装置500可以被加工成在“510申请”中描述的单片集成模块。在一个实施例中，去除下电极层514的部分以产生下分离间隙524。可以在下电极层514上使用图形化技术去除下电极层514的部分。例如，在下电极层514中划线下分离间隙524的激光可用于产生下分离间隙524。在去除下电极层514的部分以产生下分离间隙524以后，下电极层514的其余部分被布置为在与放大视图502的平面垂直的方向上延伸的线性条带。
级联层堆叠516沉积在下电极层514上从而使得级联层堆叠516填充下分离间隙524中的空间。级联层堆叠516然后暴露给聚焦能束(例如，激光束)以去除级联层堆叠516的部分并且在级联层堆叠516中产生层间间隙526。层间间隙526使相邻电池504的级联层堆叠516分离。在去除级联层堆叠516的部分以产生层间间隙526以后，级联层堆叠516的其余部分被布置为在与放大视图502的平面垂直的方向上延伸的线性条带。
上电极层518沉积在层间间隙526中的级联层堆叠516上和下电极层514上。在一个实施例中，可以通过基于进行调整或调谐以产生抗反射效果的厚度沉积相对薄上电极层518增加装置500的转换效率。例如，上电极层518的厚度538可以进行调整以增加透过上电极层518并且进入级联层堆叠516的可见光的量。透过上电极层518的可见光的量可以基于入射光的波长和上电极层518的厚度而不同。上电极层518的一个厚度可以使得一个波长的更多光传播通过上电极层518(与其它波长的光相比)。仅仅举例来讲，上电极层518可以沉积为近似60到90纳米的厚度。
在增加由PV装置500产生的总功率方面，由薄上电极层518提供的抗反射效果引起的增加电力输出能够足以即便不全部克服至少部分克服在上电极层518中发生的能耗。例如，由于上电极层518的电阻，由电池504产生的光电流的一些I2R损耗可能出现在相对薄的上电极层518中。但是，由于上电极层518的厚度基于入射光的波长，增加穿过上电极层518的入射光的量可以导致产生的光电流量增加。由于穿过上电极层518的光的量增加可以导致光电流量增加。光电流量增加可以克服或者至少部分补偿与薄上电极层518的相对高薄片电阻关联的I2R能耗。
仅仅举例来讲，在级联层堆叠516中具有串行堆叠的一个非晶硅结层堆叠和一个微晶硅结的电池504中，能够实现近似1.25到1.5伏的范围内的输出电压和近似每平方厘米10到15毫安培的范围内的电流密度。即使在上电极层具有相对高薄层电阻的情况下，电池504的薄上电极层518中的I2R损耗可以足够小以使得可以增加电池504的宽度540。例如，电池504的宽度540可以增加到与近似0.4到1厘米那么大(即使上电极层518的薄片电阻为至少10欧姆每平方，例如，薄片电阻为至少近似15到30欧姆每平方)。由于能够在装置500中控制电池504的宽度540，所以无需在薄上电极层518的顶上使用或添加导电栅格就可以降低上电极层518中的I2R能耗。
去除上电极层518的多个部分以产生上分离间隙528。上分离间隙528使相邻电池504中的上电极层518的多个部分电气分离。可以通过将上电极层518暴露到例如激光的聚焦能束产生上分离间隙528。聚焦能束可以局部增加与上分离间隙528邻近的级联层堆叠516的结晶度。例如，通过暴露于聚焦能束可以增加在上电极层518与下电极层514之间延伸的垂直部分530中的级联层堆叠516的结晶比例。此外，聚焦能束可能使得掺杂物在级联层堆叠516内进行扩散。级联层堆叠516的垂直部分530设置在上电极层518与下电极层514之间以及在上电极层518的左边沿534的下方。如图5所示，上电极层518中的每个间隙528由相邻电池504中的上电极层518的左边沿534和相对右边沿536进行约束。
可以通过各种方法确定级联层堆叠516和垂直部分530的结晶比例。例如，拉曼光谱能够用于获得多层堆叠516和垂直部分530中的非晶材料与结晶材料的相对体积的比较。例如，寻求检查的级联层堆叠516和垂直部分530中的一个或更多个能够暴露给来自激光器的单色光。基于级联层堆叠516和垂直部分530的化学成分和晶体结构，单色光可以被散射。当光被散射时，光的频率(和波长)发生变化。例如，散射光的频率能够漂移。测量并分析散射光的频率。基于散射光的频率的强度和/或漂移，能够确定被检查的级联层堆叠516和垂直部分530的非晶和结晶材料的相对体积。基于这些相对体积，可以测量被检查的级联层堆叠516和垂直部分530中的结晶比例。如果检查了级联层堆叠516和垂直部分530的几个样本，则结晶比例可以是几个测量的结晶比例的平均值。
在另一个例子中，能够获得级联层堆叠516和垂直部分530的一个或更多个TEM图像以确定级联层堆叠516和垂直部分530的结晶比例。获得被检查的级联层堆叠516和垂直部分530的一个或更多个片断。针对每个TEM图像测量每个TEM图像中表示结晶材料的表面积的百分比。然后可以对TEM图像中的结晶材料的百分比进行平均以确定被检查的级联层堆叠516和垂直部分530中的结晶比例。
在一个实施例中，相对于级联层堆叠516的其余部分，垂直部分530的增加的结晶度和/或扩散形成内置旁路二极管532，该旁路二极管532在图5所示的附图中垂直延伸穿过多层堆叠516的厚度。例如，垂直部分530中级联层堆叠516的结晶比例和/或互扩散可以大于级联层堆叠516的其余部分中的结晶比例和/或互扩散。通过控制聚焦能束的能量和脉冲持续时间，能够穿过各个电池504形成内置旁路二极管532而不会在各个电池504中产生电短路。内置旁路二极管532在装置500中产生穿过电池504的电旁路。
在没有内置旁路二极管532的情况下，在一个电池504被遮光或不再暴露于光而其它电池504继续暴露于光的情况下，这一个电池504可能由于暴露的电池504产生的电势变为反向偏置。例如，由暴露于光的电池504产生的电势可以在被遮光的电池504的上和下电极层518和514处跨越被遮光的电池504建立。结果，被遮光的电池504的温度可能升高，并且如果被遮光的电池504的温度显著升高，则被遮光的电池504会受到永久性损坏和/或烧毁。另外，没有内置旁路二极管532的被遮光的电池504可以防止由整个装置500产生电势或电流。
通过内置旁路二极管532，由暴露于光的电池504产生的电势可以通过在被遮光的电池504的上分离间隙528的边沿处形成的旁路二极管532绕过被遮光的电池504。当被遮光的电池504受到反向偏置时，级联层堆叠516的部分530的增加的结晶度和/或级联层堆叠516中的部分530与上电极层518之间的互扩散提供电流流过的路径。例如，由于旁路二极管532的电阻特性在反向偏置之下低于大部分被遮光的电池504，所以整个被遮光的电池504的反向偏置可以通过旁路二极管532消散。
可以通过比较遮光个别电池504之前和之后装置500的电输出确定内置旁路二极管532的存在。例如，可以照射装置500并且测量由装置500产生的电势。一个或更多个电池504可被遮光而其余电池504被照射。通过将导线506和508连接在一起，装置500可能会短路。装置500然后可以在预定时间(例如，1小时)内暴露于光。被遮光的电池504与未被遮光的电池504然后再次受到照射并且测量由装置500产生的电势。如果在电池504的遮光之前和之后的电势彼此在近似100毫伏的范围内，则装置500可能包括内置旁路二极管532。替代地，如果在电池504的遮光以后的电势比电池504的遮光之前的电势低近似200到1500毫伏，则装置500可能没有包括内置旁路二极管532。在另一个实施例中，可以通过电探测电池504确定针对特定电池504的内置旁路二极管的存在。如果当电池504受到反向偏置时电池504展示了可逆非永久二极管击穿(在无照射的情况下)，则电池504包括内置旁路二极管532。例如，如果当跨越电池504的上和下电极层514和518施加近似-5到-8伏特的反向偏压时电池504展示泄漏电流大于近似每平方厘米10毫安(在无照射的情况下)，则电池504包括内置旁路二极管532。
图6是制造根据一个实施例的光生伏打装置的处理过程600的流程图。在602中，提供衬底。例如，可以提供例如衬底102(图1所示)的衬底。在604中，模板层沉积在衬底上。例如，模板层114(图1所示)可以沉积在衬底102上。替代地，处理过程600的流程可以沿路径606绕过604从而没有模板层包括在光生伏打装置中。在608中，下电极层沉积在模板层或衬底上。例如，下电极层112(图1所示)可以沉积在模板层114或衬底102上。
在610中，去除下电极层的多个部分以使装置中的每个电池的下电极层分离。如上所述，可以使用例如激光束的聚焦能束去除下电极层的多个部分。在612中，沉积下活性硅层堆叠。例如，下层堆叠108(图1所示)可以沉积在下电极层112(图1所示)上。在614中，中间反射体层沉积在下层堆叠的上方。例如，中间反射体层128(图1所示)可以沉积在下层堆叠106上。替代地，处理过程600的流程沿路径616绕过在614中的中间反射体层的沉积。在618中，在中间反射体层或下层堆叠的上方沉积上活性硅层堆叠。例如，在一个实施例中，上层堆叠106(图1所示)沉积在中间反射体层128上。替代地，上层堆叠106可以沉积在下层堆叠108上。
在620中，在装置中的相邻电池之间去除上和下层堆叠的多个部分。例如，如上所述，可以在相邻电池504(图5所示)之间去除上、和下层堆叠106、108(图1所示)的部分。在622中，上电极层沉积在上和下层堆叠的上方。例如，上电极层110(图1所示)可以沉积在上和下层堆叠106、108的上方。在624中，去除上电极层的多个部分。例如，去除上电极层110的多个部分以使得装置500(图5所示)中的相邻电池504的上电极层110互相分离。如上所述，去除上电极层110的多个部分可以导致在上层堆叠106中形成内置旁路二极管。
在626中，导线与装置中的最外面的电池进行电连接。例如，导线506和508(图5所示)可以与装置500(图5所示)中的最外面的电池504(图5所示)进行电耦合。在628中，粘合层沉积在上电极层的上方。例如，粘合层136(图1所示)可以沉积在上电极层110(图1所示)的上方。在630中，覆盖层粘到粘合层。例如，覆盖层104(图1所示)可以通过粘合层136与电池100(图1所示)的基础层和部件进行接合。在632中，接线盒安装到该装置。例如，被构造为将电势和/或电流从装置500传递到一个或更多个连接器的接线盒可以安装到装置500并且与装置500电耦合。
应该明白，以上描述是示意性的而非限制性的。例如，上述的实施例(和/或它的方面)可以用于进行彼此组合。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行多种变动以适应本发明的教导的特定情况或材料。本文所述的材料的尺寸、类型、各种部件的方向以及各种部件的数目和位置意图定义某些实施例的参数并且绝非进行限制并且仅仅是实例实施例。当回顾以上描述时，本领域技术人员将清楚权利要求的精神和范围内的许多其它实施例和变型。因此，应当参照所附权利要求及其等同物的全范围确定本发明的范围。在所附权利要求中，术语“包括”和“在其中”用作对应术语“包含”和“其中”的普通英文等同物。此外，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等等仅仅用作标记，并非意图对它们的对象施加数字要求。另外，下面权利要求的限制没有按照装置加功能形式进行书写并且并非基于35U.S.C.ξ112第六段进行解释，除非以及直到这些权利要求限定清楚地使用在功能描述后的短语“......的装置”，而缺乏进一步的结构。

Claims (20)

1.一种单片集成光生伏打模块，包括：
绝缘衬底；
位于衬底之上的下电极；
位于下电极之上的微晶硅层的下堆叠；
位于微晶硅层的下堆叠之上的非晶硅层的上堆叠，上堆叠和下堆叠具有不同的能带隙；
位于非晶硅层的上堆叠之上的上电极；以及
在微晶硅层的下堆叠和非晶硅层的上堆叠中从下电极到上电极垂直延伸的内置旁路二极管，所述内置旁路二极管包括微晶硅层的下堆叠和非晶硅层的上堆叠的多个部分，该多个部分的结晶比例大于微晶硅层的下堆叠和非晶硅层的上堆叠的其余部分的结晶比例。
2.根据权利要求1的光生伏打模块，其中，所述旁路二极管形成在装置的光生伏打电池中，并且当所述光生伏打电池在装置的相邻光生伏打电池之间受到反向偏置时传导电流通过微晶硅层的下堆叠和非晶硅层的上堆叠。
3.根据权利要求1的光生伏打模块，其中，当电池中的非晶硅层的上堆叠和微晶硅层的下堆叠被遮光但一个或更多个相邻电池被暴露于光时，所述旁路二极管在上电极与下电极之间传导电流通过装置的光生伏打电池的非晶硅层的上堆叠和微晶硅层的下堆叠。
4.根据权利要求1的光生伏打模块，其中，非晶硅层的上堆叠的能带隙比微晶硅层的下堆叠的能带隙大至少50％。
5.根据权利要求1的光生伏打模块，其中，非晶硅层的上堆叠的能带隙为至少1.65eV。
6.根据权利要求5的光生伏打模块，其中，非晶硅层的上堆叠的锗含量低于0.01％。
7.根据权利要求1的光生伏打模块，其中，非晶硅层的上堆叠的能带隙为1.85eV或更小。
8.根据权利要求1的光生伏打模块，其中，上堆叠的非晶硅层的氢含量的原子百分比低于约10％。
9.根据权利要求1的光生伏打模块，还包括非晶硅层的上堆叠和微晶硅层的下堆叠之间的中间反射体层，其中，所述反射体层将入射光的一部分反射进入非晶硅层的上堆叠并且允许光的另一部分进入微晶硅层的下堆叠。
10.一种制造光生伏打模块的方法，所述方法包括：
提供衬底；
在衬底之上沉积下电极；
在下电极之上沉积微晶硅层的下堆叠；
在微晶硅层的下堆叠之上沉积非晶硅层的上堆叠；以及
在非晶硅层的上堆叠之上沉积上电极，其中，下堆叠和上堆叠中的至少一个包括具有n掺杂硅层、本征硅层和p掺杂硅层的硅层的N-I-P堆叠，本征硅层的能带隙通过在至少250摄氏度的温度下沉积本征硅层而降低。
11.根据权利要求10的方法，其中下堆叠包括N-I-P堆叠，并且沉积下堆叠包括在至少250摄氏度的温度下沉积本征硅层。
12.根据权利要求10的方法，其中上堆叠包括N-I-P堆叠，并且沉积上堆叠包括在至少250摄氏度的温度下沉积本征硅层。
13.根据权利要求10的方法，其中沉积下堆叠和沉积上堆叠包括沉积下堆叠和上堆叠使得上堆叠的能带隙比下堆叠的能带隙大至少50％。
14.根据权利要求10的方法，其中沉积上堆叠包括沉积上堆叠使得上堆叠的能带隙为至少1.65eV。
15.根据权利要求10的方法，其中沉积上堆叠包括沉积上堆叠使得上堆叠的能带隙为1.85eV或更小。
16.根据权利要求10的方法，还包括通过去除上电极的部分增加下堆叠和上堆叠的结晶度，下堆叠和上堆叠的结晶度增加以形成从下电极到上电极延伸通过上堆叠和下堆叠的内置旁路二极管。
17.根据权利要求16的方法，还包括当包括内置旁路二极管的光生伏打电池被遮而没有入射光并且相邻光生伏打电池被暴露于光时，或者当包括内置旁路二极管的光生伏打电池受到反向偏置时，通过内置旁路二极管在上电极和下电极之间电传导光电流。
18.一种制造光生伏打模块的方法，所述方法包括：
提供衬底和下电极；
在下电极之上沉积微晶硅层的下堆叠；
在下堆叠之上沉积非晶硅层的上堆叠；
在非晶硅层的上堆叠之上提供上电极；以及
通过去除上电极的部分增加下堆叠和上堆叠的结晶度，下堆叠和上堆叠的结晶度增加以形成从下电极到上电极延伸通过上堆叠和下堆叠的内置旁路二极管。
19.根据权利要求18的方法，其中该增加包括将上电极暴露于聚焦能束，该聚焦能束去除上电极以使光生伏打装置的相邻电池中的上电极的多个部分电气分离。
20.根据权利要求18的方法，还包括当包括内置旁路二极管的光生伏打电池被遮而没有入射光并且相邻光生伏打电池被暴露于光时，或者当包括内置旁路二极管的光生伏打电池受到反向偏置时，通过内置旁路二极管在上电极和下电极之间电传导光电流。
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