CN1384551A

CN1384551A - 薄膜多晶太阳能电池及其形成方法

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Publication number: CN1384551A
Application number: CN02121537A
Authority: CN
Inventors: 石原俊一
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2002-12-11
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: CN1201408C; US6653554B2; EP1241712A2; JP2002343993A; US20020189664A1; EP1241712A3

Abstract

为了同时保证优异的短路电流和占空因数性能,提供一种薄膜多晶太阳能电池,该电池包括基材;设置在基材上并且由用控制导电类型的杂质重掺杂的硅构成的第一半导体层;设置在第一半导体层上并且由用与第一半导体层同样导电类型的控制导电类型的杂质轻掺杂的多晶硅构成的第二半导体层;和设置在第二半导体层上且用导电类型与第一半导体层和第二半导体层掺杂的杂质相反的控制导电类型的杂质重掺杂的第三半导体层,其中从产生在第一半导体层内的晶核生长的晶粒连续地生长以形成第一和第二半导体层,该晶粒也水平生长以接触相邻的晶粒,且垂直生长与第三半导体层形成接触面。

Description

薄膜多晶太阳能电池及其形成方法

发明背景

发明领域

本发明涉及薄膜多晶太阳能电池及其形成方法。

相关的背景技术

具有通过膜形成步骤例如CVD、外延生长等形成的多晶硅膜的薄膜多晶硅太阳能电池，可以以比通过在晶片内形成半导体结而制成的体晶太阳能电池更低的生产成本生产，这种太阳能电池有望获得比a-Si太阳能电池更高的光电转换效率，且有望候选为下一代太阳能电池。一般的薄膜多晶硅太阳能电池的典型结构包括如图15中所示的那些pn结或如图16中所示的那些pin结结构。

在图15中，数字81指基材，同时也用作支撑件，而数字82指导电金属膜，同时也用作光反射层。数字83指用一种导电类型的杂质高浓度掺杂的多晶硅薄膜半导体层，放置该层是为了在金属层82和半导体层84之间建立良好的电接触。数字84代表多晶硅薄膜半导体层，该层通常用与层83相同导电类型的杂质少量掺杂。在与层85接触的基础上，在层84的内部产生一个电位分布，因此层84作为光电荷(photocharge)产生层。数字85指用一种与层83和层84的导电类型相反的杂质高浓度掺杂的薄膜半导体层。数字87指用来阻止光反射的抗反射层，设置该层用来有效地吸收光。数字86指用来抽取电流的集电极。

当使用小晶粒尺寸的多晶硅膜构造太阳能电池时，采用如图16中所示的pin结构以便通过漂移使电流流动。数字91指同时也用作支撑件的基材，而数字92指同时也用作光反射层的导电金属膜。数字93指用一种导电类型的杂质掺杂的多晶硅薄膜半导体层。数字94代表本征的多晶硅薄膜半导体层。

数字95代表用一种与层93的导电类型相反的杂质掺杂的薄膜半导体层。在插在层93和95之间的本征半导体层94内建立一个电场，且在层94内产生的电荷沿着电场流动。数字97指用来阻止光反射的抗反射层，设置该层用来有效地吸收光。数字96指用来抽取电流的集电极。

与体晶硅太阳能电池不同，不需用切片和抛光步骤就可以制造这种结构的太阳能电池，因此可以降低生产成本。因为它们也可以在玻璃、金属或诸如此类的基材上生产，所以它也更可能进行连续生产。鉴于此，它们也可以用于与a-Si太阳能电池的叠层结构，因此，多晶硅薄膜半导体层有希望作为长波光吸收和光电荷产生层的材料。原因是同样用作长波光吸收和光电荷产生层的a-SiGe膜必须用昂贵的源材料GeH₄气体制成。

实际生产图15或图16所示结构的多晶硅太阳能电池以评估它们的性能，可以发现，每个样品中的短路电流和占空因数(fill factors)都大大不同。没有一个样品表现出好的短路电流和占空因数性能。因此生产短路电流和占空因数性能都好的太阳能电池是关于薄膜多晶硅太阳能电池的研究中的一个重大课题。

发明概述

本发明的一个目的是提供短路电流和占空因数性能都好的薄膜多晶硅太阳能电池。

根据本发明的第一个方面，提供一种薄膜多晶太阳能电池，该电池包括：基材；设置在基材上并且由用控制导电类型的杂质重掺杂的硅构成的第一半导体层；设置在第一半导体层上并且由用与第一半导体层的导电类型相同的控制导电类型的杂质轻掺杂的多晶硅构成的第二半导体层；和设置在第二半导体层上且用导电类型与第一半导体层和第二半导体层掺杂的杂质相反的控制导电类型的杂质重掺杂的第三半导体层，其中由第一半导体层内产生的晶核生长的晶粒连续地生长以形成第一和第二半导体层，该晶粒也水平生长以接触相邻的晶粒，且垂直生长形成与第三半导体层的接触面。

根据本发明的第二个方面，提供一种薄膜多晶太阳能电池，该电池包括：基材；设置在基材上并且由用一种控制导电类型的杂质掺杂的硅构成的第一半导体层；设置在第一半导体层上并且由本征导电类型的硅构成的第二半导体层；和设置在第二半导体层上并且用导电类型与第一半导体层掺杂的杂质相反的控制导电类型的杂质掺杂的第三半导体层，其中由第一半导体层内产生的晶核生长的晶粒连续地生长以形成第一和第二半导体层，该晶粒也水平生长以接触相邻的晶粒，且垂直生长形成与第三半导体层的接触面。

上述第一个方面包括具有n⁺/n^-/p⁺或p⁺/p^-/n⁺结构的太阳能电池，而上述第二个方面包括具有n/i/p或p/i/n结构的太阳能电池。

根据本发明形成薄膜多晶太阳能电池的方法包括下列步骤：在基材上层叠由用一种控制导电类型的杂质重掺杂的硅构成的第一薄膜半导体层，在其上层叠由用与第一半导体层的导电类型相同的控制导电类型的杂质轻掺杂的多晶硅构成的第二薄膜半导体层，且进一步在其上层叠由用与第一和第二半导体层掺杂杂质的导电类型相反的控制导电类型的杂质重掺杂的第三薄膜半导体层，由此形成有n⁺/n^-/p⁺或p⁺/p^-/n⁺半导体结结构的太阳能电池，该方法包括：重复进行膜淀积和等离子体处理以形成第一半导体层；然后由第一半导体层内产生的晶核在垂直于基材的方向上生长晶粒，并且也在横向上生长晶粒直到该晶粒接触相邻的晶粒，且使第二半导体层内的晶粒继续向上生长到与第三半导体层的接触面，由此形成第二半导体层。

在上述的太阳能电池及其方法中，优选在第一半导体层内垂直生长的晶体的晶核密度不超过1×10¹⁰cm^-3。

在上述的太阳能电池及其方法中，优选地，在第一半导体层中，每个由晶核生长的晶体水平生长以接触相邻晶体的区域的形状是在平行于生长方向的横截面内顶角不小于60°的锥体(或圆锥)或棱锥。

这里采用的术语“棱锥”指包含三个或更多个角的棱锥，包括三棱锥、四棱锥、五棱锥等等。

关于晶体生长的开始位置的描述，这里采用的表达方式“在层内(例如，第一层)的晶体生长”是指晶体在层内的一个位置开始生长且排除晶体在该层与其它层或邻近该层的基材之间的接触面内开始生长。

在上述的太阳能电池及其方法中，优选地，在第二半导体层内向上生长到与第三半导体层的接触面的晶体具有在平行于基材方向上不小于100nm的平均晶粒直径。

在上述的太阳能电池及其方法中，优选地，在第二半导体层内生长的晶体和第三半导体层之间形成的接触面具有不小于20nm的不平坦度。

根据本发明，该太阳能电池是这样的，其中，在第一半导体层内产生晶核，晶粒在第二半导体层内(或作为第二半导体层)向上生长到与第三半导体层的接触面，且由晶粒构成的晶体层用作光电荷的产生层和输运层，且在这些太阳能电池中，晶粒内产生的电荷在垂直方向上被输运到基材而没有被晶粒边界和没掺杂的非晶硅等的高阻层所影响，这可以成功地提高占空因数性能。此外，晶粒的平均颗粒直径不小于100nm，并且在接触面的晶体形状提供不小于20nm的不平坦度，这些可以顺利地获得大的短路电流性能。

附图简述

图1是表示根据本发明的太阳能电池的结构实例的示意图；

图2是表示根据本发明的太阳能电池的另一结构实例的示意图；

图3是本发明的实施例1中使用的形成多晶硅膜的等离子CVD膜形成装置的示意图；

图4是本发明的实施例2、3、4和比较例1中使用的形成多晶硅膜的HRCVD膜形成装置的示意图；

图5是表示实施例1的结果的曲线图，该图显示太阳能电池A的太阳能电池性能；

图6是表示实施例1的结果的曲线图，该图显示比较的太阳能电池B的太阳能电池性能；

图7是表示实施例1的结果的曲线图，该图显示比较的太阳能电池C的太阳能电池性能；

图8是表示实施例1的结果的视图，该图显示在太阳能电池A的TEM图像中观察的晶体结构的示意图；

图9是表示实施例1的结果的视图，该图显示在比较的太阳能电池B的TEM图像中观察的晶体结构的示意图；

图10是表示实施例1的结果的视图，该图显示在比较的太阳能电池C的TEM图像中观察的晶体结构的示意图；

图11是表示实施例3的结果的曲线图，该图表示从TEM图像估计的垂直生长的晶体的晶核密度与对电池施加-2V的反向电压时的电流(Jr(-2V))之间的关系；

图12是表示实施例3的结果的曲线图，该图表示颗粒直径与对电池施加-2V的反向电压时的电流(Jr(-2V))之间的关系；

图13是表示实施例3的结果的曲线图，该图表示晶体顶端的不平坦度与对电池施加-2V的反向电压时的电流(Jr(-2V))之间的关系；

图14是表示实施例4的结果的曲线图，该图表示从TEM图像估计的从晶核生长的晶体水平生长以接触相邻晶体的变形锥体或棱锥区域的立体角度与对电池施加-2V的反向电压时的电流(Jr(-2V))之间的关系；

图15是表示常规太阳能电池结构实例的示意图；和

图16是表示常规太阳能电池另一结构实例的示意图。

优选实施方案的描述

图1表示本发明的一个实施方案。数字1指同时用作支撑件的基材，而数字2指同时用作光反射层的导电金属膜。数字3代表用第一导电类型的杂质高浓度掺杂的硅薄膜半导体层(第一半导体层)。提供该层3以便与半导体层4实现良好的电接触。数字4指用与第一半导体层3相同导电类型的杂质少量掺杂的硅薄膜半导体层(第二半导体层)，且在与层5接触的基础上在该层4内建立电位分布。因此，层4作为光电荷产生层。数字5指用与层3和层4的导电类型相反的杂质高浓度掺杂的薄膜半导体层(第三半导体层)。数字7指用来阻止光反射的抗反射层，淀积该层以有效地吸收光。

在第一半导体层3和金属层(反射层)2之间接触面的附近形成用第一导电类型的杂质高浓度掺杂的非晶硅膜。在非晶硅膜内形成晶核，晶体从晶核在垂直于基材的方向上生长，并且也在水平方向(或横向)上生长以接触邻近的晶体，此后晶体在第二半导体层4内继续生长一直到与第三半导体层5的接触面。

在第一半导体层3内垂直生长的晶体的晶核密度不超过1×10¹⁰cm^-3。

在第一半导体层3内，每个晶体从晶核生长以横向接触相邻晶体的区域的形状是在平行于垂直生长方向的横截面内具有不小于60°顶角的锥体或棱锥。

晶体也在第二半导体层4内连续向上生长到与第三半导体层5的接触面，且在平行于基材方向晶体的平均晶粒尺寸不小于100nm。

晶体也在第二半导体层4内连续向上生长到与第三半导体层5的接触面以在接触面形成不小于20nm的不平坦度的形状。

数字6代表抽取电流的集电极。基材1通常是由金属、玻璃、合成树脂或诸如此类材料制成，且作为支撑太阳能电池的构成材料的支撑件。金属层2覆盖在基材的表面并作为一个电极。通过普通的蒸发、溅射、印刷、涂覆或诸如此类的方法形成该金属层。在基材是由导电材料例如金属等制成的情况下，基材本身也可以用作一个电极。当希望降低电极的电阻或反射照在电极上的光以增强多晶硅半导体层内的光吸收时，可以以单质或合金的形式在电极上放置具有低电阻率和高反射率的金属例如银、铝、铜或诸如此类金属，并且以单层或叠层结构放置在电极上，以便形成电极和反射层。

通过给基材1的表面提供约0.1～100μm的不平坦性，或通过采用具有不平坦表面形状的膜，如形成温度不小于300℃的银膜作为金属层2，金属层表面上的漫反射增加，且反射的光增加了第二半导体层4内光的吸收，因此增加产生的电流的量。如果抗反射层7也具有不平坦的表面形状，在金属层2上反射的光也将在层7上漫反射，从而增加第二半导体层4内光的再传播率。结果，光被限制在太阳能电池内并在第二半导体层4内来回传播。这导致第二半导体4内吸收光的量增加。该效果在波长区或物质的光吸收系数相对小时更为显著。它有利于在结晶硅内吸收长波长的光。因此，即使在很小厚度的薄结晶硅膜内也可以产生满意的电流。

当基材1的表面具有不平坦性或金属膜2是有不平坦表面形状的膜时，在其上制成的太阳能电池的结构也反映出不平坦的形状并容易发生分流。为了阻止分流的影响扩散到整个电池，因此，也存在在金属层2上在垂直方向上形成具有高导电率的透明材料层如ZnO或In₂O₃层的情况。因为ZnO和In₂O₃具有柱形的晶体结构，因此它们在横向上的导电率低，且在垂直方向上的导电率高(但是比金属的导电率低)，因此它们具有适度的电阻。

根据所采用的基材，硅半导体薄膜3、4、5通过适当地从各种方法中选择的它们各自的制备方法制造；例如：(1)在热基材上分解源气体(例如SiH₄、SiCl₂H₂、Si₂H₆、SiF₂H₂等气体)以获得硅膜的CVD工艺；(2)在装载有基材的室内，使源气体例如SiH₄、Si₂H₆、SiF₄、Si₂F₆、SiCl₂H₂、SiF₂H₂等与大量的H₂一起流动，并在施加RF、LF、VHF、微波等能量条件下诱导辉光放电以淀积膜的等离子放电工艺；(3)引导在邻近膜形成空间的其各自分开空间内产生的SiF_n(n＝1～3)自由基和H自由基到膜形成空间内，以引起SiF_n自由基和H自由基之间气相碰撞和反应，由此产生膜形成自由基SiF₁H_m(1+m≤3)，并在放置于膜形成空间内的基材上形成硅膜的淀积工艺(HRCVD工艺)；和其他适当的工艺。特别地，HRCVD工艺(3)非常适用于在不超过500℃的温度下制备晶粒直径不小于1000的多晶薄膜。

引入控制导电类型的杂质的方法包括硅层淀积后引入杂质到其内部的方法和在膜形成期间在源气体中混合杂质并在淀积的同时引入杂质的方法，例如离子注入、自由基注入、扩散工艺等，可以从这些方法中采用一种适当的方法。提供用第一导电类型的杂质高浓度掺杂的硅薄膜半导体层3(第一半导体层)是为了在第二半导体层4和金属层2之间保持良好的电接触状态。因此，在第二半导体层4和第一半导体层3之间以及在第一半导体层3和金属层2之间不存在电阻碍，这样产生欧姆接触。

第二半导体层4是吸收光以产生电荷的层，因而是能量产生层。第二半导体层4的厚度应足以吸收入射光。但是，如果厚度太大则电荷移动的距离将增加，导致输送到外部的电流减小。从成本方面考虑，更厚的层增加生产时间和增加使用的材料量，这是不利的。

第二半导体层4结合金属层2可以有效地吸收入射光，以便可以减少其膜的厚度。膜厚优选不低于1μm，不超过10μm。第二半导体层4用控制导电类型的少量杂质掺杂，以便与用与层3的导电类型相反的杂质高浓度掺杂的薄膜半导体层5形成好的pn结。即，第二半导体层4的导电类型必须与第三半导体层5的相反且与第一半导体层3的相同，以便生成欧姆接触而不形成结。

第二半导体层4由硅多晶体构成，该硅多晶体由在第一半导体层3内形成的晶核长成且在垂直方向每一个都是连续晶粒。第二半导体层4内杂质的量不应太大，以便当pn结形成时允许耗尽层扩展穿过整个第二半导体层4。但是，如果杂质的量太小，串联电阻将会很大，导致在抽取电流到外部时的损失。因此，通常控制杂质的混合量以便使第二半导体层4的电阻率落入0.1Ω·cm至100Ω·cm的范围。

第三半导体层5是用来与第二半导体层4形成pn结的层。为了第二半导体层4吸收足够的光和在与第二半导体层4形成的pn结结构内产生电荷，希望第三半导体层5的厚度足够薄。其厚度希望不超过2000。为了制造与第二半导体层4的大开路电压的pn结，需要引入大量用于价电子控制的杂质。重要的是通过引入杂质有效地产生自由电子或空穴且费米能级有效地移向导带或价带。一般地，引入大量的杂质以便使电阻率不超过1Ω·cm。

适用于第三半导体层5的材料一般是非晶硅、非晶态碳化硅、多晶硅以及多晶碳化硅。

集电极6用来使聚集在第三半导体层5内的电荷流动到外电路。通过在第三半导体层5上形成金属例如银、铝、铜、或诸如此类的高导电率的金属的网格图形或梳状图形，或通过在第三半导体层5上连接金属线来制造集电极，所述图形可通过蒸发、膏状物涂敷等形成。

希望集电极宽度尽可能窄和间距尽可能宽，以便增加进入第二半导体层4的入射光的量。但是，另一方面，如果宽度太窄而且间距太宽，串联电阻将增加从而阻碍产生的电荷被有效地抽取到外电路。因此，宽度一般限定在0.02～1mm的范围内，而间距限定在1mm～5cm的范围内。集电极的实际宽度和间距是根据第三半导体层5和抗反射层7的表面电阻值适当决定的。

在第三半导体层5上设置抗反射层7，以便引导进入太阳能电池的光有效地进入第二半导体层4。抗反射层7的材料一般是任何一种金属氧化物，例如：In₂O₃、SnO₂、TiO₂、ZnO、ZrO等。

考虑材料的折射系数确定抗反射层7的厚度以便使反射最小化。

在抗反射层7是由低电阻率材料制成且它的表面电阻低于第三半导体层5的表面电阻的情况下，该太阳能电池可以制成在抗反射层7上放置集电极6的结构。

图2表示本发明的太阳能电池的另一种结构例子。图2的太阳能电池与图1的太阳能电池的不同之处在于，由第一半导体层33、第二半导体层34和第三半导体层35形成pin结。第二半导体层34的费米能级位于带隙的中心附近，因此第二半导体层34表现出本征导电性。第二半导体层34根本不含控制导电类型的杂质，或者含有少量导电类型与在该层的形成过程中非故意地包括在其内部的杂质的导电类型相反的补偿性杂质，以便使费米能级位于带隙中心附近。

如果第二半导体层具有足够厚度以有效地吸收光，在第二半导体层内的少数载流子的扩散长度短和扩散电流变得不足的情况下，通常采用这种结构。即，它是通过基于内电场的漂移确保电流的技术。(实施例)

下面将用实施例更详细描述本发明。(实施例1)

按照以下工序制造具有图1结构的太阳能电池。

用丙酮和异丙醇清洗具有1mm厚和5cm×5cm面积的不锈钢基材，良好地干燥，然后安放在电子束蒸发系统内。系统的内部被控制在1.33×10^-4Pa或以下的真空度且在基材1上形成大约500厚的银膜以获得反射层2。取出基材1并安置到图3的等离子增强膜形成系统中的基材固定器57上。同时，基材温度保持在室温。

本实施例中使用的等离子增强膜形成系统将在下面描述。在图3中，数字41指真空室，数字42指抽气管，它连接到没表示出的涡轮分子泵和旋转泵并抽空真空室的内部。数字43指源气体的气体出口，从气体出口43通过源气体供应管44供应源气体。通过压缩空气开动的阀45安装在源气体供应管的中部，以便阻止在紧急情况时，例如泵停止或其他类似情况时源气体被引入室内。

各种气体的质量流量控制器46到50连接到源气体供应管44，以控制每种供应的气体以需要的流速进入室内。本实施例中使用的质量流量控制器在流量控制阀上采用一种压电材料，且具有大约0.2sec的响应速度。数字46指SiH₄气体的质量流量控制器，从一个没有示出的气缸通过供应管51向该控制器供应SiH₄气体。同样地，数字47、48、49和50分别代表SiF₄气体、H₂气体、用H₂稀释到0.5％的PH₃气体以及用H₂稀释到0.5％的BF₃气体的质量流量控制器。数字52、53、54和55指到各种气体的质量流量控制器的气体供应管，这些供应管连接到它们各自的未示出的气缸。

数字56指引起等离子体的电极，该电极通过一个匹配箱58连接到105MHz的高频电源59上。数字57指接地的基材固定器。当在源气体流动条件下施加来自高频电源的高频电能时，电极56和基材固定器57之间发生等离子体放电。基材1安装在基材固定器57的表面上，用于加热基材的加热器60和热电偶61嵌入基材固定器57内。来自每个加热器60的引线和热电偶61连接到温度控制器62，由此使基材固定器57保持在设定的温度。数字63代表测量室内压力的压力计，数字64代表用于控制室内压力的压力控制阀。数字65代表控制压力的控制系统，即使源气体的流速变化该系统也保持室内的压力为恒定的设定值。

在基材1被安装在基材固定器57上后，室的内部抽空到1×10^-4Pa或以下。

其后，温度控制器62设定400℃的基材温度，然后基材固定器57被加热器60加热。

达到设定温度以后，通过SiH₄气体的质量流量控制器使SiH₄气体以0.1sccm流动，通过SiF₄气体的质量流量控制器使SiF₄气体以40sccm流动，通过H₂气体的质量流量控制器使H₂气体以70sccm流动，通过PH₃气体的质量流量控制器使用H₂稀释到0.5％的PH₃气体以5sccm(对于稀释气体)流动，且室内的压力通过压力控制器65设定在50Pa。在这种状态下，对电极56施加来自高频电源59的105MHz和20W的高频电力以在电极56和基材固定器57之间引起等离子体放电。通过控制到每个质量流量控制器的信号，使SiH₄气体、SiF₄气体和用H₂稀释到0.5％的PH₃的每种气体流每十秒重复地开和关以将其引入室内。另一方面，一直以70sccm的流速将H₂气体引入室内。因而，以十秒的间隔进行膜淀积和H₂等离子体处理步骤。

膜淀积和H₂等离子体处理步骤进行十分钟以在基材上淀积用P高浓度掺杂的、厚度约为400的薄膜硅半导体层(第一半导体层)3。之后，停止施加高频电力。

然后，用H₂稀释到0.5％的PH₃气体的流速变到0.2sccm，其他气体的流速保持不变，基材也保持在400℃，室内的压力通过压力控制器设定在50Pa，且系统保持这种状态30分钟。

之后，在这种状态下对电极56施加105MHz和20W的高频电力以在电极56和基材固定器57之间引起等离子体放电。所有的气体继续流动。

维持这种状态6个小时，以在用P高浓度掺杂的薄膜硅半导体层(第一半导体层)3上形成厚度大约为3μm、用少量P掺杂的硅半导体层(第二半导体层)4。

然后，将基材温度变为350℃并很好地抽空室内。之后，以0.5sccm的流速引入SiH₄气体，以100sccm的流速引入H₂气体，以2.0sccm(对于稀释气体)的流速引入用H₂稀释到0.5％的BF₃气体，且室内的压力设为50Pa。然后，从高频电源施加105MHz和40W的高频电力。

连续施加高频电力5分钟，结果在基材1上的多晶硅层4上形成厚150、用B掺杂的p-型薄膜硅半导体层(第三半导体层)5。

用这种方法，在不锈钢基材1上，形成由银反射金属层2、用P高浓度掺杂的第一半导体层3、用少量P掺杂的第二半导体层4和用大量B掺杂的第三半导体层5构成的n⁺/n^-/p结构的pn结。

然后，将具有多晶硅pn结的基材从等离子体膜形成系统中取出并安放在电子束蒸发系统内。在基材表面安置掩模，并形成0.1mm宽和5mm间距的Cr/Ag/Cr三层结构的梳状集电极6。

然后，将上述的基材放入溅射系统，且用In₂O₃靶在10Pa的氧气气氛下进行溅射以在集电极6上淀积650厚的抗反射层7。

如上所述，制成图1所示结构的太阳能电池。此后该样品被称为太阳能电池A。通过X-光衍射观察该太阳能电池的结晶性，多晶膜强烈地取向于(110)面。

为了进行比较，除了修改用P高浓度掺杂的薄膜硅半导体层(第一半导体层)3的制造程序以便将SiH₄气体、SiF₄气体和用H₂稀释到0.5％的PH₃气体连续地引入室内外，按照与太阳能电池A同样的制造程序并在同样条件下制造另外一种太阳能电池。

此后该太阳能电池被称为比校的太阳能电池B。

作为另一个比较的例子，除了以下各点外，按照与比较的太阳能电池B同样的制造程序制造一种太阳能电池。在用P高浓度掺杂的薄膜硅半导体层(第一半导体层)3制造之后，在基材保持在400℃情况下，使SiH₄气体以0.1sccm流动，SiF₄气体以10sccm流动，H₂气体通过H₂气体的质量流量控制器以100sccm流动，用H₂气体稀释到0.5％的PH₃气体通过PH₃的质量流量控制器以0.2sccm(对于稀释气体)流动，且室内的压力通过压力控制器65设定为50Pa。在这种状态下，将来自高频电源59的105MHz和20W的高频电力施加到电极56五分钟以持续膜形成。

之后，放电停止，SiF₄气体的流速变为40sccm，并且H₂气体的流速变为70sccm。压力稳定在50Pa后，再施加105MHz和20W的高频电力6小时以持续膜形成。结果，在第一半导体层3上形成厚度大约3μm的用少量P掺杂的硅薄膜半导体层(第二半导体层)4。

之后，用与太阳能电池A和B大致一样的方法制成用B掺杂的p-型薄膜硅半导体层(第三半导体层)5、梳状集电极和抗反射层。所得的电池在此后被称为比较的太阳能电池C。在来自AM1.5模拟器的100mW/cm²的光辐照下评价如上所述制成的太阳能电池A和比较的太阳能电池B、C的性能，且图5、6、7分别表示太阳能电池A、B、C的I-V性能的测量结果。

太阳能电池A的短路电流和占空因数都是优秀的。比较的太阳能电池B表现出反常的I-V曲线形状，因此占空因数(fill factors)比较差。鉴于此，短路电流不比太阳能电池A的大，但是对太阳能电池B施加-2V的反向电压时，太阳能电池B产生一个大的电流；亦即，当在电池内产生的光电荷被迫到外电路时，大电流被抽出。I-V曲线的反常形状暗示这种结构内存在串联的高阻元件。

比较的太阳能电池C具有良好的占空因数，但是短路电流和对电池施加-2V的反向电压时的电流都小。

为了检查这些太阳能电池的晶体结构，用TEM(透射电子显微镜)摄取其剖面图以观察这些太阳能电池的晶体结构。图8、9、10分别表示太阳能电池A、B、C的观察结果。

从通过SIMS(二次离子质谱仪)分析的p原子的结果和淀积时间以及各个层的淀积速度估计n⁺和n^-层之间的边界。

如图8所示意，在n⁺层(第一半导体层)产生的晶粒连续生长穿过n^-层(第二半导体层)的内部。该结构允许在光辐照下在第二半导体层内产生的电荷在第二半导体层和第一半导体层内无阻碍地流动并被有效地提取到外电路。在太阳能电池A的样品中，晶核产生在n⁺层内，且晶体从晶核在有大约80°立体角的变形圆锥体或棱锥结构内生长。从TEM图像估计垂直生长晶体的晶核密度是3×10⁹cm^-3。该晶体横向生长至接触相邻的晶体。在垂直方向上，该晶体首先生长接触相邻的晶体，然后在n^-层直立向上生长到与p层的接触面。在该样品中，在横向上的晶粒直径是100到300nm。晶体末端(即，在图中的上端)存在大约50nm的不平坦度。该不平坦度也产生促进光多次反射的新的效果。在不平坦的晶粒上面形成晶粒直径大约5nm的B掺杂的p-型薄膜硅半导体层(第三半导体层)5。

在比较的太阳能电池B的样品中，除了晶体生长开始于n^-层外，晶体生长的方式与太阳能电池A相同。在n⁺层内没有观察到晶体产生。不能完全否认在n⁺层内产生晶体，但是即使在这层内有晶体产生，此晶体在淀积时也不生长。在n⁺层与n^-层内的晶粒之间存在高电阻的非晶态n^-层。(通过这部分的电子衍射图像再次证实了此层的存在。)可以推测此高电阻非晶态n^-层的存在是引起太阳能电池性能中的占空因数降低的原因。

在比较的太阳能电池C的样品中，与太阳能电池B的样品的情况一样，在n⁺层没有观察到晶体产生。

在n^-层内许多晶体从n⁺层和n^-层之间的接触面垂直生长。从TEM图像估计垂直生长的晶体的晶核密度是2×10¹¹cm^-3。在横向上的晶粒直径大约是25nm。晶体的末端的不平坦度大约是10nm。

在太阳能电池A、B、C的样品都长时间(大约100小时)连续地暴露于AM1.5和100mW/cm²的光之后，没有观察到哪个太阳能电池的性能发生改变。(实施例2)

按照下述程序制造图2结构的太阳能电池。

用丙酮和异丙醇清洗具有1mm厚和5cm×5cm面积的不锈钢基材，良好地干燥，然后安放在电子束蒸发系统内。系统内的真空度被控制到1.33×10^-4Pa或以下，之后在基材31上形成大约500厚的银膜以获得反射层32。

然后取出基材并安装在图4所示的CVD膜形成系统中。

下面参考图4详细描述膜形成系统。

数字501指膜形成的真空室。数字502指真空室1的排气管，该排气管由两根管子组成以便使气体的流动均匀，两根管子最终耦合成一根管子以连接到抽气装置504。调节压力的电机驱动蝶形阀503连接到排气管502的中点，根据压力计505的信号，通过压力调节器56调节该阀运转以产生希望的压力。

数字507代表基材支点，在其表面上安装用于膜形成的基材508。基材支点507具有其内部埋有加热器510的加热块509，用来将基材508加热到希望的温度。数字511指附在加热块509上的热电偶以测量加热块509的温度。为了保持基材508的表面温度处在希望的温度，温度控制器512控制加热块509的温度到达预先标定的值。

在图4中，数字513指伸缩气缸，安装该气缸以便允许基材支点507的位置可以垂直运动。基材支点507电连接到真空室501。

数字515指微波腔，在该腔内，从气体引入管516引入的H₂在导向的微波能量作用下通过氧化铝的微波入口514排出以引起等离子体辉光放电，由此产生H自由基。

数字517指控制氢气流速的流量控制器，该控制器通过阀518由气管519连接到氢气压力调节器(未示出)和氢气缸(未示出)。

这样产生的H自由基与从SiF_n自由基引入管520引入的SiF_n自由基碰撞并反应，由此产生有膜淀积能力的SiH₁F_m自由基。

数字521是产生SiF_n自由基的微波空间，在该空间内，产生SiF_n自由基的氟化硅气体在反应管中流动，连续流动到SiF_n自由基引入管520，通过微波等离子体排出，由此分解氟化硅气体以产生SiF_n自由基。数字522代表氟化硅气体的流量控制器，该控制器通过阀523由气管524连接到氟化硅气体压力调节器(未示出)和氟化硅气缸(未示出)。

数字525指掺杂剂自由基引入管，通过该管引入由掺杂气体分解产生的自由基。这样引入的掺杂剂自由基，如果它们有高的反应性则以原始引入状态注入到多晶硅薄膜的晶格内，或者如果他们具有低的反应性则通过与H自由基碰撞以具有提高的反应性的还原态注入到多晶硅薄膜的晶格内。数字526代表分解掺杂剂气体的微波空间。数字527指掺杂剂气体的流量控制器，528指阀。数字529指引入掺杂剂气体的气管，该管连接到掺杂剂气体的压力计(未示出)和气缸(未示出)。

数字530指监控输入波的功率和反射波的功率的波导。数字531指输入波功率探测器，而计数器532监控输入波功率。数字533代表反射波功率探测器，而计数器534监控反射波功率。数字536代表一个波导，数字537代表阻止反射波进入微波电源538的隔离器。数字538指用来产生H自由基的微波动力源。

两套SiF_n自由基引入管520和掺杂剂自由基引入管525位于平面内对称的左右位置以便使基材表面上引入的自由基均匀，亦即，以便使膜厚均匀。

数字539指锥形波导，采用该波导连接微波入口514和一般的方形波导。数字535指匹配单元，用于使微波动力源系统与负荷匹配，该单元由三个电子管构成。

数字540代表一个断路器，该断路器防止在基材上进行不希望的膜形成。数字541指断路器控制棒。

在图4的系统中，基材温度设为400℃并且断路器540处于关闭状态，H₂气体以100sccm从气体引入管516流入并通过流量控制器517。室501内的压力通过压力控制器(未示出)设为50Pa。

501室内的压力稳定在50Pa之后，施加400W的微波能以在微波腔515内用氢气产生辉光放电等离子体。在放电稳定后，打开断路器进入膜形成步骤。

膜形成步骤由以下的(1)到(3)三个工序组成，且这些工序以(1)→(2)→(3)→(1)的顺序重复30次以淀积掺P(磷)的多晶硅薄膜。

(1)SiF₄气体(流速：60sccm)作为源气体被引入到SiF_n自由基引入管520，并施加100W的微波能以将SiF_n自由基引入室501内，持续10秒，由此淀积多晶硅薄膜。

(2)用H₂气体稀释到2％的PF₅气体(稀释气体的流速：2sccm)作为掺杂气体被引入到掺杂剂自由基引入管525，并施加100W的微波能以将掺杂剂自由基连同H自由基引入室501内，持续10秒，由此用P(磷)掺杂淀积膜(同时停止引入SiF₄气体)。

(3)停止向室501内引入掺杂剂气体而仅向室501内引入氢自由基10秒，以用氢自由基进行淀积膜的表面处理。

在氢气的引入量上不作特别的变动，并且工序(1)、(2)和(3)始终施加微波能。在没有SiF₄气体或掺杂气体流期间停止施加用于分解每种气体的微波能。

膜形成结束时关闭断路器。因而，在银反射层32上形成用P掺杂的硅膜33。

在基材温度设定为550℃且断路器540保持关闭状态时，H₂气体以100sccm从气体引入管516流入并通过流量控制器517。室501内的压力通过压力控制器(未示出)设为50Pa。

在室501内的压力稳定在50Pa后，施加400W的微波能以在微波腔515内用氢气生成辉光放电等离子体。放电稳定后，打开断路器进入i-层的膜形成步骤。

i-层的膜形成步骤一般由工序I和工序II组成。

工序I由下面的两道工序(1)和(2)组成，且该工序重复100次。之后不用中断，进行工序II形成硅薄膜34。

工序I

(1)将SiF₄气体(流速：60sccm)引入到SiF_n自由基引入管520，且施加100W的微波能以将SiF_n自由基引入室501内，持续10秒，由此淀积多晶硅薄膜。

(2)停止将SiF_n自由基引入室501内，而仅引入氢自由基到室501内，持续10秒以用氢自由基进行淀积膜的表面处理。在氢气的引入量上不作特别的变动且工序(1)和(2)始终施加微波能以激发氢气。在没有SiF₄气体流期间停止施加用于分解SiF₄气体的微波能。

工序II不包括工序I中的工序(2)，且膜形成工序连续进行而不用停止将SiF₄自由基引入到室501内。

通过工序II进行膜形成2个小时，之后关闭断路器结束膜形成。

此后，基材温度变为250℃。温度稳定后，H₂气体以100sccm从气体引入管516流入。压力设为50Pa。室501内的压力稳定后，打开断路器15分钟以对样品表面进行H₂等离子体处理。

在此之后，基材温度保持在250℃，良好地抽空室内。放电稳定后，打开断路器进入B掺杂的硅膜35的膜形成步骤。B掺杂的硅膜35的膜形成步骤由以下的三个工序(1)到(3)组成。

即，这三个工序如下：

(1)SiF₄气体(流速：100sccm)作为源气体被引入SiF_n自由基引入管520，且施加100W的微波能以将SiF_n自由基引入室501内，持续10秒，由此淀积多晶硅薄膜。

(2)用H₂气体稀释到2％的BF₃气体(稀释气体的流速：3sccm)作为掺杂气体被引入到掺杂剂自由基引入管525，并施加100W的微波能以将掺杂剂自由基连同H自由基引入到室501内，持续10秒，由此用B(硼)掺杂淀积膜(同时停止SiF₄气体的引入)。

(3)停止向室501内引入掺杂剂气体，而仅将氢自由基引入到室501内10秒，以用氢自由基进行淀积膜的表面处理。

在氢气的引入量上不作特别的变动且工序(1)、(2)和(3)始终施加微波能。在没有SiF₄气体或掺杂气体流期间停止施加用于分解每种气体的微波能。

这些工序以(1)→(2)→(3)→(1)的顺序重复3次以淀积掺B(硼)的硅薄膜(在此情况下该薄膜是结晶的且是多晶硅薄膜)。如上所述，在不锈钢基材31上形成银反射膜32、n-型硅层33、i-型硅层34以及p-型半导体层35。

将其上形成有pn结的基材从CVD膜形成系统取出并又放入电子束蒸发系统。在基材的表面安置掩模且形成Cr/Ag/Cr三层结构的集电极。该集电极是具有0.1mm宽和5mm间距的梳状集电极。

然后，将基材放入溅射系统且用In₂O₃靶在10Pa的氧气气氛下进行溅射以在集电极36上淀积65nm厚的抗反射涂层37。

如上所述，制得图2所示结构的太阳能电池。此后该样品将被称为太阳能电池D。

为了进行比较，在与太阳能电池D同样的条件下制造另一种太阳能电池，不同之处是：除了连续将SiF_n自由基和掺杂剂自由基引入室501内外，在同样的条件下制造P掺杂硅薄膜；P掺杂硅薄膜的形成时间是5分钟；且没有用于i-层的膜形成的工序I；工序II的膜形成时间是两小时十八分钟。该太阳能电池将被称为比较的太阳能电池E。

还用这样的方法制造另一种太阳能电池，即，在与比较的太阳能电池E相同的条件下制造P掺杂硅薄膜，并通过用太阳能电池D中的工序I和工序II的工序且在太阳能电池D相同的条件下进行i-层的膜形成，只是工序I的膜形成过程中SiF₄气体的流速是10sccm，而膜形成时间是两小时十五分。以后该太阳能电池将被称为比校的太阳能电池F。

用这种方式制造的太阳能电池D、E和F用来自AM1.5模拟器的100mW/cm²的光辐照以测量I-V性能。

结果，太阳能电池D在短路电流和占空因数方面都是优秀的。比较的太阳能电池E表现出反常的I-V曲线形状和不利的占空因数。比较的太阳能电池E显示出的短路电流不比太阳能电池D大，但是对该电池E施加-2V的反向电压时有大电流；即，当在电池内产生的光电荷被迫到外电路时电流大。反常的I-V曲线形状暗示该结构内部存在串联的高电阻元件。

比较的太阳能电池F表现出良好的占空因数，但是短路电流和在施加-2V的反向电压到电池上时的电流都较小。

为了检查这些太阳能电池的晶体结构，用TEM摄取其剖面图并观察这些太阳能电池的晶体结构。

在太阳能电池D的样品中，晶核在n-层内产生，且在这些晶核基础上，晶体在i-层内，在有大约75°立体角的变形圆锥或棱锥结构内向上生长到与p-层的接触面。从TEM图像估计垂直生长晶体的晶核密度是2×10⁹cm^-3。在水平方向，该晶体生长以接触相邻的晶体。在垂直方向上，该晶体生长以接触相邻的晶体，然后在i-层内直立向上生长到与p-层的接触面。在此样品中横向上的晶体的晶粒直径是150到350nm。在晶体末端存在大约75nm的不平坦度。在不平坦的晶体上面形成具有大约50nm的晶粒直径的B掺杂p-型薄膜硅半导体层(第三半导体层)5。

比较的太阳能电池E的样品除了晶体最初在i-层内生长外，大致上与太阳能电池D的生长方式相同。在n-层内没有观察到晶体产生。并不完全否认在n-层内产生晶体，但是即使在这层内有晶体产生，在淀积时这些晶体也不生长。n-层与i-层内晶粒之间也存在高电阻的非晶态i-层。(通过此部分的电子衍射图像再次证实了此层的存在。)可以认为此高电阻非晶态i-层的存在是引起太阳能电池性能中的占空因数降低的原因

在比较的太阳能电池F的样品中，与比较的太阳能电池E的样品的情况一样，在n-层没有观察到晶体生长。

在i-层内许多晶体从n-层和i-层之间的接触面垂直生长。从TEM图像估计垂直生长晶体的晶核密度是9×10¹⁰cm^-3。在横向上的晶粒直径大约是25nm。晶体的末端的不平坦度大约是10nm。

在太阳能电池D、E、F的样品都长时间(大约100小时)连续地暴露于AM1.5和100mW/cm²的光之后，没有观察到哪个太阳能电池的性能发生改变。(实施例3)

除了在n-层的膜形成中的(3)的处理时间和在i-层的膜形成中工序I中的(2)的处理时间都分别设为0秒、5秒、20秒和30秒之外，在与实施例2同样的条件下制造太阳能电池。但是，在n-层的膜形成中(3)的处理时间和i-层的膜形成中工序I中(2)的处理时间都是0秒和5秒的条件下，没有晶体生长。因此，在n-层的膜形成之后和i-层的膜形成之前，H₂气体以200sccm流动，室内的压力控制在400Pa，基材被加热到600℃，且这种状态保持12小时。之后，基材温度减小回400℃。

其后，进行i-层的膜形成。这样获得的太阳能电池将分别被称为太阳能电池G、H、I和J。通过X-射线衍射显示这些太阳能电池都取向(110)。在所有的这些样品中，i-层的层厚约为2μm。摄取各个样品的剖面TEM图像。测试每个太阳能电池的性能。从这些太阳能电池和实施例2中制造的太阳能电池D、F的结果，表1和图11、图12以及图13分别表示出对电池施加-2V的反向电压时的电流(Jr(-2V))与从TEM图像估计的垂直生长晶体的晶核密度、在与p-层的接触面处的横向晶粒直径以及在与p-层的接触面处的晶体末端的不平坦度之间的关系。表1

样品	晶核密度(cm^-3)	晶粒直径(nm)	晶体表面的不平坦度(nm)	Jr(-2V)(a.u.)
样品	晶核密度(cm^-3)	晶粒直径(nm)	晶体表面的不平坦度(nm)	Jr(-2V)(a.u.)	F	9×10¹⁰	33	10	20
J	5×10¹⁰	45	15	24	F	9×10¹⁰	33	10	20
J	5×10¹⁰	45	15	24	I	1×10¹⁰	100	30	29
D	2×10⁹	220	75	30	I	1×10¹⁰	100	30	29
D	2×10⁹	220	75	30	H	3×10⁸	580	20	30
G	4×10⁷	1600	15	25	H	3×10⁸	580	20	30

从这些结果可以看见，通过向电池施加-2V的反向电压以抽取大电流的条件，即，通过电池内产生的光电荷受迫流动到外电路而产生大电流的条件是，晶核密度不超过1×10¹⁰cm^-3，平均晶粒直径不小于100nm和晶体表面的不平坦度不小于20nm。

对于为什么在太阳能电池G的样品中电流低的原因做如下设想：因为晶粒直径大，所以光吸收系数小，并且在2μm的层厚中，入射光吸收不好。由此推测通过增加厚度将充分地增加电流。

但是，考虑到生产时间也同样地增加，这种晶粒直径的晶体在生产方面是不利的。(实施例4)

除了在n-层的膜形成工序(1)中施加的微波能分别设为80W、150W和200W中之一以外，在与实施例2相同的条件下制造太阳能电池。这样获得的太阳能电池分别称为太阳能电池K、L和M。从X-射线衍射的结果发现所有的太阳能电池都取向(110)。在所有的这些样品中，i-层的厚度约为2μm。摄取各个样品的剖面TEM图像。测试每个太阳能电池的性能。从这些太阳能电池和实施例2中制造的太阳能电池D的结果，下面的表2表示出变形圆锥或棱锥形状区域(从TEM图像估计的晶核生长的各个晶体在该区域内生长以横向接触相邻的晶体)的立体角的度数，以及对电池施加-2V的反向电压时的电流(Jr(-2V))。表2

太阳能电池	微波能(W)	圆锥或棱锥的立体角(°)	Jr(-2V)(a.u.)
太阳能电池	微波能(W)	圆锥或棱锥的立体角(°)	Jr(-2V)(a.u.)	K	80	90	31
D	100	75	30	K	80	90	31
D	100	75	30	L	150	60	29
M	200	50	23	L	150	60	29

图14表示出圆锥或棱锥形状的立体角的度数与对电池施加-2V的反向电压时的电流(Jr(-2V))之间的关系。

从此结果可以看出，通过向电池施加-2V的反向电压而抽出大电流的条件，即，通过电池内产生的光电荷受迫流动到外电路而产生大电流的条件是，变形圆锥或棱锥形状区域(从TEM图像估计的从晶核生长的各个晶体在该区域内生长以横向接触相邻的晶体)的立体角的度数不小于60°。(比较实施例1)

除了在n-层的膜形成和i-层的膜形成过程中H₂的流速是10sccm和基材温度是550℃之外，在与实施例2同样的条件下制造比较的太阳能电池N。通过X-射线衍射检查获得的太阳能电池，它的晶体取向为(100)。测试比较的太阳能电池N的性能，发现电流比太阳能电池D的小30％。

如上所述，本发明的薄膜多晶硅太阳能电池包括n⁺/n^-/p⁺结构的太阳能电池，其中晶核产生在n⁺层内，并使用在n^-层内向上生长到与p⁺层的接触面的晶粒构成的晶体层作光电荷的产生层和输运层；并包括n/i/p结构的太阳能电池，其中晶核产生在n-层内，并使用在i-层内向上生长到与p-层的接触面的晶粒构成的晶体层作光电荷的产生层和输运层；由此可以提供短路电流和占空因数性能都优异的太阳能电池。

因此，本发明提供了具有优异的光电转换效率的薄膜多晶硅太阳能电池。

Claims

1、一种薄膜多晶太阳能电池，包括基材；设置在基材上并且由用控制导电类型的杂质重掺杂的硅构成的第一半导体层；设置在第一半导体层上并且由用导电类型与第一半导体层相同的控制导电类型的杂质轻掺杂的多晶硅构成的第二半导体层；和设置在第二半导体层上且用导电类型与第一和第二半导体层掺杂的杂质相反的控制导电类型的杂质重掺杂的第三半导体层，其中从产生在第一半导体层内的晶核生长的晶粒连续地生长以形成第一和第二半导体层，该晶粒也水平生长以接触相邻的晶粒，且垂直生长以与第三半导体层形成接触面。

2、一种薄膜多晶太阳能电池，包括基材；设置在基材上并且由用控制导电类型的杂质掺杂的硅构成的第一半导体层；设置在第一半导体层上并且由本征导电类型的硅构成的第二半导体层；和设置在第二半导体层上并且用导电类型与第一半导体层掺杂的杂质相反的控制导电类型的杂质掺杂的第三半导体层，其中从产生在第一半导体层内的晶核生长的晶粒在第一半导体层和第二半导体层内连续地生长，并且也水平生长以接触相邻的晶粒，并且其中垂直生长一直长到与第三半导体层的接触面。

3、根据权利要求1或2的薄膜多晶太阳能电池，其中在第一半导体层内垂直生长的晶体的晶核密度不超过1×10¹⁰cm^-3。

4、根据权利要求1或2的薄膜多晶太阳能电池，其中在第一半导体层内，从晶核生长的每个晶体水平生长以接触相邻晶体的区域形状是在平行于生长方向的横截面内顶角不小于60°的锥体或棱锥。

5、根据权利要求1或2的薄膜多晶太阳能电池，其中在第二半导体层内向上生长到与第三半导体层的接触面的晶体在平行于基材方向上具有不小于100nm的平均晶粒直径。

6、根据权利要求1或2的薄膜多晶太阳能电池，其中在长成第二半导体层的晶体与第三半导体层之间形成的接触面具有不小于20nm的不平坦性。

7、一种形成薄膜多晶太阳能电池的方法，通过在基材上层叠由用控制导电类型的杂质重掺杂的硅构成的第一半导体层薄膜，在其上层叠由用与第一半导体层的导电类型相同的控制导电类型的杂质轻掺杂的多晶硅构成的第二半导体层薄膜，且进一步在其上层叠由用导电类型与第一和第二半导体层掺杂的杂质相反的控制导电类型的杂质重掺杂的第三半导体层薄膜，由此形成有n⁺/n^-/p⁺或p⁺/p^-/n⁺半导体结结构的太阳能电池，该方法包括：重复进行膜淀积和H₂等离子体处理以形成第一半导体层；然后从产生在第一半导体层内的晶核在垂直于基材的方向上生长晶粒，并且也在横向上生长晶粒，直到所述晶粒接触相邻的晶粒，且所述晶粒在第二半导体层内继续向上生长到与第三半导体层的接触面，由此形成第二半导体层。

8、一种形成薄膜多晶太阳能电池的方法，通过在基材上层叠由用控制导电类型的杂质掺杂的硅构成的第一半导体层薄膜，在其上层叠由本征导电类型的硅构成的第二半导体层薄膜，且进一步在其上层叠由用导电类型与第一半导体层的掺杂杂质相反的控制导电类型的杂质掺杂的第三半导体层薄膜，由此形成有n/i/p或p/i/n半导体结结构的太阳能电池，该方法包括：重复进行膜淀积和H₂等离子体处理以形成第一半导体层；然后从产生在第一半导体层内的晶核在垂直于基材的方向上生长晶体，并且也在横向上生长晶体，直到所述晶体接触相邻的晶体，且所述晶体在第二半导体层内继续向上生长到与第三半导体层的接触面，由此形成第二半导体层。

9、根据权利要求7或8的方法，其中在第一半导体层内垂直生长的晶体的晶核密度不超过1×10¹⁰cm^-3。

10、根据权利要求7或8的方法，其中在第一半导体层内，从晶核生长的每个晶体水平生长以接触相邻晶体的区域形状是在平行于生长方向的横截面内顶角不小于60°的锥体或棱锥。

11、根据权利要求7或8的方法，其中在第二半导体层内向上生长到与第三半导体层的接触面的晶体具有在平行于基材方向上不小于100nm的平均晶粒直径。

12、根据权利要求7或8的方法，其中在长成第二半导体层的晶体和第三半导体层之间形成的接触面的不平坦性不小于20nm。

13、根据权利要求7或8的方法，其中在第一半导体层的形成中交替进行膜淀积和氢气等离子体处理步骤。