專利名稱:光電轉換器件的制造方法
本發(fā)明涉及制造光電轉換器件的方法，更具體來說，涉及包括消除在半導體制備過程中產生的短路電流通路的步驟的方法。
迄今，廉價太陽能電池早已使用非單晶半導體的光電轉換器件。這種器件主要以小緊湊型生產，例如以幾個平方厘米的小面積。為降低每單位面積的光電轉換器件的制造成本，曾試圖生產例如面積達數千平方厘米的大面積的光電轉換器件。然而，大面積光電轉換器件必然存有許多缺陷，如針孔，裂紋等，這些缺陷造成短路通道或至少成為漏電部分。由于該些缺陷使該器件的填充系數大幅度地降低，從而使光電轉換效率大為下降。由于這原因，只能以小產率來生產這種大面積的器件，于是，制造成本也就沒有降低多少。因此，在生產這種大面積太陽能電池時，要求從器件中消除短路電流通道。
各種嘗試消除這種短路的方法的一個實例公開于公開號為昭60-46080的日本專利申請中。這種嘗試是將具有一個pin結的半導體層的一個表面浸沒在浸蝕溶液中，而另一表面裝配以電極，并在電極上加電壓以便選擇性地浸蝕短路電流通道。在該公開的文獻第376頁、左欄第9行到右欄頂行中對該技術的一個實施例有所描述。該浸蝕溶液為0.01至1重量%的氯化氫與0.05摩爾%的氯化鈉的水溶液。
然而，所述公開了現有技術仍存在許多缺陷。即，浸蝕過程之后，被浸蝕的部分需有選擇地用絕緣體材料進行填充。此外，還不能在浸蝕之前先在半導體上形成金屬膜，這是由于浸蝕溶液包含著能溶解金屬的酸性物質。此外，該技術還需要另外的能有效地消除浸蝕過程中包含在半導體中的水或其他雜質的附加過程。
在美國專利第4，166918中也曾提出過另一個措施。在該美國專利中是利用一個反向偏壓以燒毀帶有一層厚的薄膜鋁熱劑的半導體層中的短路電流通道。從而消除短路效應。然而即使消除過程完畢后，仍會有遺留的可穿過半導體層的通道，該通道也就可能成為短路電流通道。
因此，本發(fā)明一個目的是提供一種改進的、成本極為低廉的制造光電轉換器件的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種改進的制造優(yōu)良特性的光電轉換器件的方法。
本發(fā)明的又另一個目的是提供一種改進的以高產率地制造光電轉換器件的方法。
本發(fā)明的再另一個目的是提供一種改進的制造高工作性能的光電轉換器件的方法。
本發(fā)明還有另一個目的就是提供一種改進的制造高轉換效率的光電轉換器件的方法。
為實現上述目的，在形成具有一光電轉換區(qū)的半導體層之后，向該半導體層施加反向電壓，其中的短路電流通路被燒毀且加熱使之變成絕緣。從批量中準備廢棄的品質差的制品可加以修整，因而使生產率得到提高。
此外，修整處理也可壓低產品特性的離散程度和降低在使用該器件時損壞的可能性。由于修整處理只在完成傳統的操作過程之后進行的，故可在對傳統操作不作大量改進的情況下實現修整處理工作。按照本發(fā)明的方法，由于光電轉換器件的并聯電阻成分提高，因而使填充系數得到改進，從而最終改進了轉換效率。
當鄰接半導體層的透明電極是由氧化物或氮化物組成時，則在燒毀后，可將短路電流通道轉變成為例如氧化物或氮化物制成填塞好的間隙(stop-gaps)。
圖1是顯示按照本發(fā)明的方法的原理圖。
圖2(A)是顯示當施加在光電轉換器件的反向電壓逐漸地增加時通過該器件的電流的變化的曲線圖。
圖2(B)是按照本發(fā)明所制造的光電轉換器件的電壓-電流特性的曲線圖。
圖3(A)和(B)顯示按照本發(fā)明的光電轉換器件的其他布置法及向本發(fā)明的光電轉換器件提供反向電壓的電壓源的剖視圖。
圖4是顯示在按照本發(fā)明的修整處理過程完畢時電流與電壓點分布的圖。
圖5與6顯示在按本發(fā)明的方法制造的光電轉換器件上施加反向電壓之前與之后的光電流的曲線圖。
現參照圖1來說明按照本發(fā)明的光電轉換器件。為便于理解，本實施例只用簡單的一個Pin結進行描繪。所述器件是由一個玻璃襯底，一個第一電極2，一個p-型非晶態(tài)硅半導體層3，一個本征型非晶態(tài)硅半導層4，一個n-型非晶態(tài)硅半導體層5，及一個第二電極6組成的。第一電極2和第二電極6分別連接到電壓源7的負極端和正極端。電壓源的電壓由0伏特逐漸地提高到將近8伏特。在試驗中光電轉換器件的電壓-電流關系由圖2的曲線表示。
在圖2(A)中，當電壓由0伏特提高至5.5伏特時，電流的增長與電壓的增長成正比例。在0伏特到1伏特的電壓范圍，其電阻值只8.6歐姆那么大，由此容易想象其中有短路電流通道8存在。隨著電壓的升高，在其升高過程的中間階段，電流多次發(fā)生間歇性下落。當電壓上升超過5.5伏特時，電流突然下跌。此后，直至電壓到約8伏特，電流強度保持很低。其電阻值約為800歐姆，即為電壓為0至1伏特時的電阻值的90倍。圖2(B)是說明圖2(A)所示的被施加過反向電壓的光電轉換器件的電壓-電流特性的曲線圖。其電阻值保持平穩(wěn)且不低于50歐姆，即使在8伏特的反向電壓下也只容許15毫安培的電流通過。換句話說，在初始施加電壓時，短路電流通路已被燒毀或變成絕緣體。
通常，具整流結的二極管對施加于其上的反向偏壓的響應并不顯出如圖2(A)所說明的特性。但，如存在短路電流通道，則電流可有選擇性通過這些通道，因為這些通道的電阻值明顯為低，以下該通道的電阻以R1，R2…及Rn<<Ro表示之。該短路電流通道是由包含在半導體中的灰塵或片狀粉末所構成的，因此通道的截面積基本上是非常小，從而使所通過的電流密度高達到可導致發(fā)生燒毀、汽化、氧化或其它類似的現象，最后至少可使通道變成絕緣。一個業(yè)經反向偏壓處理的器件，其并聯電阻會增大且會有一個提高的開路電壓，其結果是轉換效率也提高。也可用其它的方式方法將反向電壓施加到該光電轉換器件上，只要能讓充分大的電流通過短路電流通道即可。
試驗1在玻璃襯底1上形成的一個由銦-錫氧化物(ITO)薄膜和氧化錫薄膜構成的雙層的第一電極2，一個非晶態(tài)碳化硅的p-型半導體層3，一個非晶態(tài)硅的本征半導體層4，一個微晶硅的n-型半導體層5，及一個由ITO薄膜、銀膜和金膜組成的多層電極6。該轉換器件不是集成的，因而其面積只有4.59平方厘米。在反向偏壓(RB)處理之前，對150件樣品進行測試，其轉換率離散在3至10%之間，而產率則為30%。
然后按上述對圖1的說明向該150件樣品施加反向偏壓。換句話說，將電壓源7的正極端接到第二電極6，其負極端接到第一電極2，并將其輸出電壓提高到8伏特。在本說明書中反向電流停止流動所對應的點叫做RB端點。在這試驗中RB端點聚集在約3至5V的范圍內。試驗的結果可見于圖5和表1中，其中Rsh表示在施加1伏特反向偏壓時的電阻值。
表1RB RB處理前 處理后樣品件數(0＜Rsh≤10歐姆) 113 0樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐姆) 25 15樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐姆) 12 139平均變換效率 5.6% 10.0%試驗2在玻璃襯底上形成一個由銦-錫氧化物(ITO)薄膜和氧化錫薄膜的雙層的第一電極2，一個非晶態(tài)硅的p-型半導體層3，一個非晶態(tài)硅半導體的本征半導體層4，一個非晶態(tài)硅的n-型半導體層5，及一個鋁電極6。
按上述試驗的相同方式對150件樣品施加反向偏壓。圖5及下面的表2顯示該光電轉換器件樣品經過反向偏壓處理之前和之后的代表性特性曲線及數據。經RB處理之前和之后的電壓-電流特性曲線分別由曲線22和23表示。
表2RB RB處理前 處理后短路電流(毫安培) 46.000 76.040開路電壓(伏特) 0.209 0.748填充系數 0.348 0.572轉換效率(%) 0.74 7.09如上表中所示，那些幾乎不能符合商品要求的制品，可用僅加10至20秒鐘的反向偏壓加以矯正。與表1相應的150件樣品的特性示于下列表中。
表3RB RB處理前 處理后樣品件數(0＜Rsh≤10歐姆) 91 0樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐) 1 15樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐姆) 52 139平均轉換率 5.1% 8.6%試驗3本試驗是按圖3(A)所示的布置進行試驗。在一個玻璃襯底12上形成一個由銦-錫氧化物(ITO)與氧化錫薄膜組成的雙層的第一電極13，一個非晶態(tài)硅的p-型半導體層14，一個非晶態(tài)硅的本征半導體層14，一個微晶硅的n-型半導體層14，及一個由ITO薄膜、銀膜和金膜組成的多層的第二電極15。該轉換器件是集成的，通過適當的順序將各層進行分割，以制成15個彼此間串聯連接的獨立電池，其面積達到69.83平方厘米。在進行反向偏壓處理之前，在50件樣品樣中，其轉換效率超過7%的光電換器件的產率為30%。
然而該50件樣品，按圖3(A)所示分別用電壓源16在光電轉換器件中的各片段施加反向偏壓。換句話說，對于每一個片段的電壓源16的正極端連接到第二電極15而負極端連接到第一電極13，電壓極升高到8伏特。試驗的結果示于表4中，其中Rsh表示在反向偏壓為1伏特時的電阻值。其RB端電壓聚集在4至6伏范圍之內的樣品的RB端電壓點可見圖4。
表4RB RB處理前 處理后樣品件數(0＜Rsh≤10歐姆) 40 0樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐姆) 10 15樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐姆) 0 39平均轉換效率 4.5% 9.5%所有樣品的轉換效率均在9.5±5%的范圍內，而無實質性的波動情況。
試驗4本試驗是按圖3(B)所示的布置進行試驗。在一個玻璃襯底17形成一個由銦-錫氧化物(ITO)薄膜與氧化錫薄膜組成的雙層的第一電極18，一個非晶態(tài)硅的n-型半體層19，一個非晶態(tài)硅的本征半導體層19，一個非晶態(tài)硅的p-型半導體層19，及一個由ITO制成的第二電極20。
按前述試驗的相同方法向50件樣品施加反向偏壓。圖6及下面表5顯示該光電轉換器件樣晶經過反向偏壓處理之前和之后的代表性特性曲線及數據。對光電轉換器件進行反向偏壓處理之前與之后的電壓-電流特性曲線分別由曲線24與25表示。
表5RB RB處理前 處理后短路電流(毫安培) 71.650 72.21開路電壓(伏特) 11.486 12.074填充系數 0.444 0.650轉換效率(%) 4.53 8.23如上表中所示，填充系數有突出的增長，因而使轉換效率得到改進。與表1相應的50件樣品的特性示于下列表中。
表6RB RB處理前 處理后樣品件數(10＜Rsh≤1千歐姆) 28 0樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐姆) 22 15樣品件數(10歐姆＜Rsh≤1千歐姆) 0 35平均轉換效率 4.7% 7.5%試驗5和試驗1中構造相同的50件光電轉換器件按試驗1的方法通過施加反向偏壓進行矯正。施加反向偏壓后，在沒有拆開該器件的供壓線路的情況下，對樣品進行測定。換句話說，利用那個向光電轉換器件施加偏壓時所用的線路，以施加正向偏壓于該變換器件上，并探查該轉換器件的特性。在本試驗中，用光(AM1，100毫瓦特/平方厘米)照射該光電轉換器件。正向偏壓只通過調換電壓源7的電極位置來實現的。當然，在轉換器件與電壓源之間可裝配一個關開設備以轉換所加電壓的極性。按照這種測定方法，轉換器件的制造成本可基本上降低，因為在進行反向偏壓矯正之后，不須經過停頓而可立即進行性能檢查。
一般說來，當光電轉換器件中的本征層的厚度增加時，則存在于轉換器件中的缺陷就有增加的趨勢，從而在某些制造極薄的光電轉換器的情況下，在必要采取某些有效措施以避免轉換器件被高溫所燒毀。在上述試驗中，直至本征層的厚度不低于約在3000埃時，是不會產生問題的。
雖然只詳細公開和描述幾個按照本發(fā)明的實施例，但對本專業(yè)的普通技術人員來說，許多改進和變化是易于使之實現。例如，可只用一個電壓源通過特定的線路設計以便向具有多個彼此并聯連接單元的光電轉換器件提供反向偏壓，而該線路設計能將正確的反向偏壓施加于每個單元上。
權利要求
1.一個制造光電轉換器件的方法，其特征在于，該方法包括制備具有電極布置的光電轉換半導體層的一個步驟和通過向光電轉換器件施加反向電壓以便從所述半導體層中消除短路電流通道的一個步驟。
2.按權利要求
1所述的方法，其特征在于，在所述消除步驟中逐漸提高所述反向電壓。
3.按權利要求
1所述的方法，其特征在于，所述半導體層是由非單晶半導體制成的。
4.按權利要求
1所述的方法，其特征在于，所述半導體中含有pin結。
5.按權利要求
1所述的方法，其特征在于，在完成消除步驟后，利用用于向所述電極布置和電壓源之間施加反向電壓步驟中的連接線路，以檢測所述轉換器件的電特性。
6.按權利要求
1所述的方法，其特征在于，所述轉換器件是由多個獨立光電轉換單元組成的。而這些單元是彼此間串聯連接的。
7.按權利要求
6所述的方法，其特征在于，所述的各個單元分別提供以一個電壓。
8.按權利要求
1所述的方法，其特征在于，所述的電極布置包括有一個直接與所述半導體層接觸的透明導電的氧化物層。
9.按權利要求
1所述的方法，其特征在于，所述的電極布置包括一個直接與所述半導體層接觸的透明導電的氮化物層。
10.按權利要求
4所述的方法，其特征在于，所述的本征層的厚度超過3000埃。
專利摘要
通過在制造光電變換器件的最后步驟中對轉換器件進行修整處理，從而可在高生產率下生產光電轉換器件。在半導體層的形成過程中所產生的短路電流通道可通過向該半導體層施加反向電壓而消除之，然后將之加熱并使之成為絕緣體。在消除短路電流通道后，即使在8伏特的反向電壓下，其反向電流也不會再超過15毫安培。
文檔編號H01L31/04GK87100588SQ87100588
公開日1987年8月19日 申請日期1987年2月2日
發(fā)明者鈴木邦夫, 小林一平, 柴田克彥, 薄田真人, 金花美樹雄, 深田武, 永山進, 阿部雅芳, 山崎舜平 申請人:株式會社半導體能源研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan