專利名稱：發(fā)射器穿繞的背接觸太陽能電池的工藝和制造方法
相關申請的交叉引用本申請要求享有下列專利申請案卷的優(yōu)先權以及利益在2004年9月7日提交的美國臨時專利申請序號60/607,984，名為“發(fā)射器穿繞的背接觸太陽能電池的改進工藝和制造方法”和在2005年8月11日提交的美國臨時專利申請序號60/707,648，名為“發(fā)射器穿繞的背接觸太陽能電池的進一步改進的工藝和制造方法”。本申請還是下列都在2005年2月3日提交的美國專利申請的部分繼續(xù)申請序號11/050,185，名為“背接觸太陽能電池和制備方法”，序號11/050,182，名為“具有自摻雜接觸的嵌入接觸太陽能電池”以及序號11/050,184，名為“發(fā)射器穿繞的背接觸硅太陽能電池的接觸制造”，這些申請要求下列專利申請案卷的利益在2004年2月5日提交的美國臨時專利申請序號60/542,390，名為“背接觸硅太陽能電池的制造”和在2004年2月5日提交的美國臨時專利申請序號60/542,454，名為“使用自摻雜接觸的嵌入接觸電池的制備工藝”。所有所述申請的說明書和權利要求書都通過引用而結合在此，如同全文列出一樣。
背景技術：
發(fā)明領域(技術領域)本發(fā)明涉及制造背接觸硅太陽能電池的方法和工藝，以及通過這些方法制得的太陽能電池。
背景技術：
與在前和后表面上都具有接觸的傳統(tǒng)的硅太陽能電池相比，背接觸硅太陽能電池具有幾個優(yōu)勢。第一個優(yōu)勢是由于減少的或消逝的接觸黑暗(obscuration)損耗(從接觸柵極反射的太陽光不能轉換成電)，背接觸電池具有較高的轉換效率。第二個優(yōu)勢是因為兩個極性接觸都是在相同的表面上，所以背接觸電池組裝到電路更容易，由此更便宜。作為實例，與目前的光伏特模塊組件比較，使用背接觸電池，通過在一個步驟中封裝光伏特模塊和太陽能電池電路可獲得顯著的成本節(jié)約。背接觸電池的最后的優(yōu)勢是通過更統(tǒng)一的外觀而具有更好的美感。在一些領域美感是重要的，例如建筑集成的光伏特系統(tǒng)和汽車用的光伏特遮陽篷頂。
一般的背接觸太陽能電池如圖1所示。硅襯底可以是n型或p型。在一些設計中可省略重摻雜發(fā)射器(n++和p++)中的一個。任選地，在其它設計中，重摻雜發(fā)射器在后表面上可直接相互接觸。后表面鈍化有助于減少在后表面的光生載流子的損耗，并有助于降低由于在接觸之間未摻雜表面的分路電流而導致的電損耗。附圖僅突出了在后表面上的特性。
存在幾種制備背接觸硅太陽能電池的方法。這些方法包括金屬化回繞(MWA)，金屬化穿繞(MWT)，發(fā)射器穿繞(EWT)和背結結構。MWA和MWT在前表面上具有電流收集柵極。為了制備背接觸電池，這些柵極分別回繞邊緣或穿過孔到達后表面。EWT電池從前表面到后表面穿過硅晶片中的摻雜導電溝道纏繞電流收集結(“發(fā)射器”)。“發(fā)射器”是指在半導體器件中的重摻雜區(qū)域。例如通過用激光在硅襯底中鉆孔，隨后在前和后表面上形成發(fā)射器的同時，在孔內(nèi)形成發(fā)射器，來制造這樣的導電溝道。背結電池在太陽能電池的后表面上都具有負和正極性收集結。因為大多數(shù)的光被吸收-還由此在前表面附近光生大多數(shù)的載流子，背結電池需要非常高的材料質量以便載流子具有足夠的時間從前面擴散到后表面，其中在后表面上具有收集結。作為比較，EWT電池在前表面上保持電流收集結，其有利于高電流收集效率。在James M.Gee的美國專利號5,468,652，制備背接觸太陽能電池的方法中公開了EWT電池，全文結合在此。在許多技術出版物中還討論了多種其它背接觸電池設計。
除了美國專利號5,468,652以外，Gee是共同發(fā)明人的兩個其它美國專利公開了用背接觸太陽能電池的模塊組件和層疊的方法美國專利號5,951,786，使用背接觸太陽能電池的層疊的光伏特模塊，和美國專利號5,972,732，單片電路模塊組件的方法。兩個專利都公開了可使用在這里公開的本發(fā)明中的方法和特點，且通過引用而結合，如同全文列出一樣。美國專利號6,384,316，太陽能電池及其制備工藝，公開了可選擇的背接觸電池設計，但是使用了MWT，其中孔或通孔分開的相當遠，其中在前表面上的金屬接觸有助于將電流導電到后表面，且其中孔用金屬襯里。
Eikelboom等，“在結構化金屬箔片上的無匯流條發(fā)射器穿繞太陽能電池的互連用的導電粘合劑”，發(fā)表在2001年10月22-26日德國慕尼黑的17次歐洲光伏特太陽能會議上，公開了使用共同燒制Ag/Al合金的p型接觸制備太陽能電池的工藝，并該工藝在圖2-5中示出，如下1.蝕刻并清洗p型硅晶片2。
2.在兩個表面上POCl3(n+)輕擴散4(100歐姆/平方)。
3.HF蝕刻并清洗。
4.在兩個表面上都沉積SiN層6作為擴散勢壘。在這一階段的太陽能電池在圖2中畫出。
5.激光鉆用于n型接觸的孔8并劃線用于p型接觸的溝槽10。
6.激光損壞蝕刻并清洗。在這一階段的太陽能電池在圖3中畫出。
7.POCl3重擴散使磷擴散進入太陽能電池，以形成n++擴散12。在這一階段的太陽能電池在圖4中畫出。
8.HF蝕刻。
9.印刷用于p型柵極16的Al糊料。
10.印刷用于n型柵極18的金屬糊料。
11.共同燒制接觸。在p接觸溝槽中，p+Al合金結20過摻雜以前的n++擴散。在這一階段的太陽能電池在圖5中畫出。
獲得的電池遭受合金Al柵極的顯著差的導電率。
任何背接觸硅太陽能電池的關鍵問題是開發(fā)使負和正極性柵極和結電絕緣的低成本工藝步驟。技術問題包括摻雜層的圖案化(如果出現(xiàn)的話)，在負和正接觸區(qū)域之間的表面鈍化，以及負和正極性接觸的應用。
發(fā)明概述本發(fā)明是制備背接觸太陽能電池的方法，該方法包括如下步驟提供包括第一導電類型的半導體襯底，在后表面上提供包括相反導電類型的擴散，在后表面上沉積介電層，形成從襯底前表面延伸到襯底后表面的多個洞，從后表面的一個或多個區(qū)域去除擴散和介電層，在所述的一個或多個區(qū)域的每個中產(chǎn)生一個或多個包括第一導電類型的接觸，在后表面上配置與接觸電接觸的第一導電柵極，以及在后表面上配置與在孔中的擴散電接觸的第二導電柵極。產(chǎn)生步驟優(yōu)選包括摻雜具有摻雜劑的襯底，所述的摻雜劑優(yōu)選包括從由硼和鋁組成的組中選出的元素。第一導電柵極優(yōu)選不包括摻雜劑。提供擴散的步驟優(yōu)選包括將襯底暴露給氣體，所述的氣體優(yōu)選包括POCl3。第一導電柵極優(yōu)選與第二導電柵極相互交叉配置。
任選地，沉積步驟包括在前表面上沉積介電層，并且產(chǎn)生步驟包括在孔內(nèi)表面上同時提供包括相反導電類型的第二擴散。該方法任選還包括在前和后表面的一個或兩個表面上構建鈍化層的步驟，所述的構建步驟優(yōu)選使用從由氧化表面或在表面上沉積鈍化層組成的組中選擇的方法。
方法任選還包括如下步驟用電鍍的金屬接觸層涂敷孔的內(nèi)表面以及所述的一個或多個區(qū)域，所述的電鍍的金屬接觸層優(yōu)選包括鎳，其中涂敷步驟在產(chǎn)生步驟之后且在配置步驟之前進行。優(yōu)選使用無電鍍膜法，電鍍接觸層。該方法任選還包括在去除步驟后提供第二擴散的步驟，所述的第二擴散包括在孔的內(nèi)表面和所述的一個或多個區(qū)域上的相反導電類型，且其中產(chǎn)生步驟包括過摻雜第二擴散。
本發(fā)明還是根據(jù)上面所述的方法中的任何一種制備的背接觸太陽能電池。本發(fā)明還是包括鍍層的背接觸太陽能電池，所述的鍍層包括金屬，優(yōu)選包括鎳，該層配置在襯底的一個或多個摻雜區(qū)域和一個或多個導電柵極之間，其中導電柵極不包括金屬。
本發(fā)明還是背接觸太陽能電池和背接觸太陽能電池的制備方法，該方法包括如下步驟提供包括第一導電類型的半導體襯底，在后表面上沉積圖案化的介電層，在沒有被介電層覆蓋的后表面的開口部分上提供包括相反導電類型的擴散，在開口部分上和鄰近開口部分的介電層上配置金屬，燒制該金屬。沉積步驟優(yōu)選包括絲網(wǎng)印刷介電層。提供擴散的步驟優(yōu)選包括使用從由POCl3和PH3組成的組中選出的氣體。金屬優(yōu)選包括第一導電類型的摻雜劑。配置步驟優(yōu)選包括絲網(wǎng)印刷包括金屬的糊料。燒制步驟優(yōu)選包括用金屬對開口部分的擴散形成尖峰。
本發(fā)明的目的是提供背接觸太陽能電池的后表面接觸結構，包括與最小的p型接觸區(qū)域和最大的n型擴散相結合的用于提高傳導的寬柵極線，或用于提高效率的n+發(fā)射器。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于，它提供產(chǎn)生高效率太陽能電池的具有更少，更經(jīng)濟的工藝步驟的制造工藝。
本發(fā)明的其它目的、優(yōu)勢和新特征以及進一步的使用范圍將在下面的詳細描述中結合附圖部分進行闡述，且部分對于本領域技術人員通過檢驗下文而會變得明顯，或可通過本發(fā)明的實踐而獲知。本發(fā)明的目的和優(yōu)勢可通過后附權利要求中特殊指出的手段和組合實現(xiàn)并達到。


附圖，結合入說明書并且形成說明書一部分，舉例說明本發(fā)明的一個或多個實施方案，并且與說明書一起，用于解釋本發(fā)明的原理。附圖僅是為了舉例說明本發(fā)明的一個或多個更優(yōu)選的實施方案，而不是想要限制本發(fā)明。附圖和它們的部件不是必須成比例的。在附圖中圖1是普通背接觸太陽能電池的截面圖。
圖2到5是描述根據(jù)Eikelboom等描述的方法制備的太陽能電池的截面圖。
圖6到8是描述根據(jù)本發(fā)明的硼擴散的EWT電池工藝制備的太陽能電池的截面圖。
圖9到10是描述根據(jù)本發(fā)明，附加地具有鍍鎳(Ni)接觸的硼擴散EWT電池工藝制備的太陽能電池的截面圖。
圖11到13是描述本發(fā)明包括具有Ni接觸的Al合金的p型結的太陽能電池的截面圖。
圖14到17是描述本發(fā)明用雙劃線方法制備的太陽能電池的截面圖。
圖18到21是描述根據(jù)本發(fā)明用備選雙劃線方法制備的太陽能電池的截面圖。
圖22是本發(fā)明一個實施方案的截面示意圖，其中p型金屬對n+擴散形成尖峰。
圖23A是具有相互交叉配置的柵極圖案的背接觸太陽能電池的平面圖。具有不同底紋的柵極相應于負和正導電類型柵極。在電池的邊緣上提供焊接墊，用于將太陽能電池互連到電路中。圖示不是按比例的，典型地柵極線的密度比示出的高的多。
圖23B是圖15A的IBC電池中的相互交叉配置的柵極的截面圖。
圖24是在電池邊緣和中心中具有匯流條的背接觸太陽能電池IBC柵極圖案的平面圖。
圖25是用于背接觸太陽能電池的多水平金屬化的截面圖。
圖26是本發(fā)明的背接觸太陽能電池IBC柵極圖案的平面圖。
圖27是具有鍍金屬化的背接觸太陽能電池IBC柵極的截面圖。
發(fā)明詳述這里公開的本發(fā)明提供改善的背接觸太陽能電池的制備工藝和方法，尤其提供更經(jīng)濟制造的方法和工藝。應該理解雖然公開大量不同離散的方法，但是本領域技術人員能夠合并或改變兩種或更多種方法，由此提供另一種備選的制備方法。還應該理解，雖然附圖和實例工藝步驟描述背接觸發(fā)射器穿繞電池的制造，但是這些工藝步驟可以用于制造其它背接觸太陽能電池結構例如MWT，MWA或背結太陽能電池。
本發(fā)明的工藝優(yōu)選使用激光對p型接觸(激光劃線)圖案化，而不是對以適宜的圖案而涂覆的印刷(即絲網(wǎng)印刷)擴散勢壘材料圖案化。圖案化絲網(wǎng)印刷的擴散勢壘提供低質量界面，例如與硅晶片具有不良鈍化的界面。通過激光劃線所述的接觸區(qū)域，例如蒸發(fā)或CVD的沉積工藝可用于沉積擴散勢壘，從而允許與硅的界面按需要“調諧”。而且，在標準的絲網(wǎng)印刷工藝中，典型地在進行磷或POCl3擴散之前印刷擴散勢壘。通過在磷擴散后沉積擴散勢壘，發(fā)射器可一直延伸到p接觸溝槽，從而極大地改善了電池的效率。可以任選地使用劃線或直接圖案化的其它方法，例如劃片機，鉆石劃線或通過絲網(wǎng)或噴墨印刷實施的HF蝕刻劑糊料。
將激光用于圖案化p型接觸具有幾個其它的優(yōu)勢。第一，激光圖案化可獲得更精細的幾何圖形和精確度，優(yōu)選1到100μm，其中最優(yōu)選的范圍為10到100μm，比用絲網(wǎng)印刷可以容易地實現(xiàn)，尤其對硅太陽能電池典型的粗糙表面。這些更精細的幾何形狀意味著EWT電池的效率可通過最小化p型接觸區(qū)域而最大化。第二，對印刷步驟來說對準容差放寬了。Ag柵極(優(yōu)選100到1000μm寬，且通常400μm寬)僅需要覆蓋激光鉆的孔和激光劃線的溝槽(10-100μm，且通常50μm寬)，從而在對準中留下大的錯誤容差。作為對比，所有的印刷步驟需要Ag柵極對準入150到300μm且正常200μm的擴散勢壘開口中。該數(shù)字與Ag柵極寬度很接近，且給錯誤留下相對小的空間。
本文公開了將Al合金或硼擴散用于摻雜p型接觸的步驟，然而，可使用其它p型摻雜劑，包括但不局限于Ga和In。相似地，對于磷，可備選地使用任何n型摻雜劑。對于本發(fā)明，在n型接觸中優(yōu)選使用一些類型的重p型摻雜，以便p型接觸與后表面上的n型擴散電絕緣。主要的工藝問題是n型和p型擴散在它們的結上的分流，這還能受到p型金屬化影響。
圖6-8示出根據(jù)下面硼擴散工藝制備的太陽能電池1.蝕刻和清洗晶片。
2.在兩個表面上輕POCl3擴散(優(yōu)選約70到140歐姆/平方)。
3.HF蝕刻和清洗。
4.氧化或沉積鈍化層(任選)。對于前表面、后表面、晶片側面或任何其它組合，該層可能是需要的。
5.在兩個表面上沉積SiN作為擴散勢壘。
6.為n型接觸激光鉆孔并為p型接觸劃線溝槽或凹陷。
7.激光損壞蝕刻并清洗，優(yōu)選使用NaOH。
8.在p型溝槽或凹陷中或上面印刷，烘干并燒制含硼的糊料24。在這一階段的太陽能電池示于圖6中。
9.為擴散磷進入到太陽能電池中，進行重POCl3擴散(10到20歐姆/平方)，以便形成n++擴散12，或備選地，涂覆含p的糊料到孔中并擴散。硼優(yōu)選同時擴散到晶片中，產(chǎn)生p++層26。在孔中使用POCl3擴散而不是磷糊料的一個優(yōu)勢在于，POCl3氣體在孔中提供更均勻的擴散。這個階段的太陽能電池示于圖7中。
10.HF蝕刻(在一些情況下，任選的)，以便去除含磷糊料和含p糊料(如果使用)。
11.印刷相互交叉配置的Ag n金屬化柵極18和p金屬化柵極28，以分別接觸n型和p型區(qū)域。
12.共同燒制接觸。在這個階段的太陽能電池示于圖8中。
注意在該工藝中，兩種含Ag的糊料將優(yōu)選具有足夠低的活性以便在SiN層中不形成針孔缺陷，但是仍具有足夠的活性以便分別對在孔和溝槽內(nèi)側的n++和p++層形成良好的電接觸。SiN層可制備成需要的厚度，以阻止糊料滲透它；該層優(yōu)選介于約30nm和140nm厚之間，且最優(yōu)選約80nm厚。
接觸層可任選包括通過薄膜沉積工藝沉積的高質量金屬化，所述的薄膜沉積工藝包括但不局限于濺射，CVD或蒸發(fā)。這些工藝沉積具有用于接觸硅的理想特性的非常薄的純金屬層。問題在于，薄膜沉積是相對昂貴的并且需要分開的圖案化步驟。Mulligan等描述了將薄膜和電鍍的金屬化用于背接觸硅太陽能電池的工藝(美國專利申請，“太陽能電池的金屬接觸結構及其制備方法”，US2004/0200520A1，2001年10月14日)。
接觸層可任擇包括鎳鍍層。燒結的Ni接觸具有比燒制Ag糊料接觸更低的接觸電阻，且可以通過無電鍍Ni膜法容易選擇性沉積在暴露的Si表面。在燒結步驟期間，Ni典型地經(jīng)歷固態(tài)反應以形成硅化鎳，在該情況下，硅化鎳是接觸層。Ni接觸可比燒制的Ag接觸具有較少的結分流問題。另外，通過最佳化電鍍工藝，在已有的SiN(或其它介電)層上可以防止Ni沉積。在整個使用電鍍金屬化的一些硅太陽能制備步驟中，使用無電鍍膜法的Ni。額外的優(yōu)點在于，Ni鍍層改善了界面，以便可使用Ag，Al或其它糊料以形成具有高集成度的接觸。
對全電鍍金屬化電池技術來說，無電鍍膜法的問題之一在于，無電鍍膜法非常慢。然而，本發(fā)明只需要薄層，對電接觸來說，優(yōu)選約10到1000μm(以及最優(yōu)選約100μm)厚。然后絲網(wǎng)印刷的Ag柵極優(yōu)選用于導體。對于該應用，優(yōu)選使用在低溫下燒制的Ag糊料，以使與Ni接觸和下面的硅的冶金學相互作用最小化。盡管因為Cu比Ag更容易傾向氧化，但可以備選地使用絲網(wǎng)印刷的Cu柵極，其優(yōu)選用非氧化金屬或氧化抑制劑覆蓋。備選地，可印刷基底金屬，例如Ni，然后導電率通過鍍更導電的金屬而增加(無電鍍膜或有電電鍍)，所述的更導電的金屬包括但不局限于Ag或Cu。
當為了制備鍍鎳接觸，將鍍鎳法結合手上面所述的硼擴散EWT工藝中時，在步驟10中的HF蝕刻后，優(yōu)選采用下列步驟
11.鍍(優(yōu)選無電鍍膜法)和優(yōu)選燒結Ni接觸層34。在這一階段的太陽能電池如圖9所示。
12.印刷Ag n型柵極18和Ag p型柵極36(優(yōu)選將低溫Ag糊料用于兩個極性柵極)以及燒制/燒結接觸。在該實施方案中，優(yōu)選將相同的金屬用于n型和p型接觸；備選地，可使用不同的材料。在這一階段的太陽能電池在圖10中示出?？捎∷y或一種或多種其它金屬的厚接觸，或備選地，可優(yōu)選使用無電鍍膜法或電鍍，用另外的建立起來的金屬化印刷薄接觸。接下來的金屬化不是必須要包括上面印刷的相同的金屬或合金。
鍍鎳的接觸還可與Al合金p型結結合使用，如圖11-13所示。優(yōu)選的步驟包括1.蝕刻和清洗晶片。
2.在兩個表面上都輕POCl3擴散(優(yōu)選約70到140歐姆/平方)。
3.HF蝕刻和清洗。
4.在一個或多個表面或側面(任選)氧化或沉積鈍化層。
5.在兩個表面上都沉積SiN作為擴散勢壘。
6.為n型接觸激光鉆孔并為p型接觸劃線溝槽或凹陷。
7.激光損壞蝕刻和清洗，優(yōu)選使用NaOH。
8.重POCl3擴散(優(yōu)選約10到30歐姆/平方)，或給孔涂覆含P的糊料并擴散。
9.印刷用于p型柵極16的Al糊料。
10.合金化Al，以形成結20，其過摻雜在p接觸溝槽或凹陷中上面所述的n++擴散。在這一階段的太陽能電池如圖11所示。
11.HCl和HF蝕刻，以去除Al金屬和表面氧化物。
12.進行(無電鍍膜)鍍Ni。
13.燒結以形成Ni接觸34。在這個階段的太陽能電池如圖12所示。
14.印刷Ag n型柵極18和Ag p型柵極36(優(yōu)選將低溫Ag糊料用于兩種極性柵極)并燒制/燒結接觸(或備選地，用無電鍍或電鍍金屬化建立的金屬化)。這一階段的太陽能電池如圖13所示。
Ni使得與摻雜硅低電阻接觸，這允許最小化p型接觸面積的和低溫Ag。低活性的Ag糊料是適宜的，以便SiN和Ni硅化物層不被滲透。
在本發(fā)明的方法中，存在一個潛在的分流，其中重p+接觸擴散接觸后表面n+擴散；參見例如圖10和13。另外，正極性Ag柵極潛在地與后表面n+擴散接觸，由此分流太陽能電池。最佳地，沒有分流，因為兩種材料形成P-N結二極管，并且不存在尖峰形成并且僅有最小的隧道效應。然而，這些問題可以通過包括在后表n+擴散和p+接觸擴散之間設置未摻雜區(qū)域的額外步驟而避免，優(yōu)選使用像絲網(wǎng)印刷地低成本工藝。工藝的一個實例如下1.蝕刻和清洗硅晶片；2.印刷形成電介質材料的糊料；3.燒制糊料以形成電介質；4.清洗和蝕刻表面(任選)；5.在兩個表面上都進行輕(例如70到150歐姆/平方)磷擴散；6.蝕刻氧化物；7.在兩個表面上都沉積氮化硅?？梢詡溥x地使用具有大的折射率，具有與硅處理的相容性且與硅有良好界面特性的其它介電材料(包括但不局限于TiO2或Ta2O5)。
8.為n型孔激光鉆孔并為p型接觸劃線凹陷或溝槽；9.蝕刻和清洗激光消融的特征；10.印刷硼或其它p型摻雜劑擴散源到p型激光消融的特征中；11.進行重(例如5到30歐姆/平方，且優(yōu)選＜20歐姆/平方)磷擴散，以摻雜n型通孔，并驅使硼進入p型接觸開口中；12.蝕刻擴散玻璃(glasses)；且13.涂覆并退火負和正極性柵極分開p+和n+區(qū)域以避免分流的另一種方法優(yōu)選包括如下步驟1.在p型硅晶片中鉆孔，優(yōu)選使用激光。
2.蝕刻并清洗晶片。該步驟可包括堿性蝕刻，或任選包括酸性蝕刻，以織構化前表面，以改進吸收。
3.擴散晶片表面以形成n型層104，優(yōu)選使用POCl3或另一種n型源，且優(yōu)選約在45-140歐姆/平方范圍之間。
4.蝕刻擴散玻璃。
5.在后表面上用激光，蝕刻糊料，機械方法等，劃線用于p接觸的開口。優(yōu)選地，該步驟不將缺陷引入硅中，因為沒有機會把它們蝕刻掉。
6.在晶片前和后表面上沉積圖案化的介電層106，所述的介電層106優(yōu)選包括SiN，鈦或鉭的氧化物等，優(yōu)選約從40nm到150nm的厚度范圍。該層除了在前和后表面上都作為光學涂層外，優(yōu)選在后表面上作為金屬化和擴散勢壘。該層優(yōu)選不沉積在孔上或孔里面。在這一階段的太陽能電池在圖14中示出。
7.進行第二劃線，直接對準并以第一劃線為中心，但是具有較小的尺寸或寬度。這一階段的太陽能電池在圖15中示出。
8.在劃線區(qū)域絲網(wǎng)印刷p型摻雜劑糊料124，例如含硼糊料，并通過擴散或合金化在第二劃線開口中形成p+接觸層126。該階段的太陽能電池在圖16中示出。
9.如果必要，蝕刻硼玻璃或其它p型源。
10.用導體糊料或金屬鍍層金屬化p柵極128和n柵極118。該階段的太陽能電池在圖17中示出。
任選地，可使用下面相似的工藝1.蝕刻并清洗晶片。該步驟可包括堿性蝕刻，或任選包括酸性蝕刻，以織構化前表面，以改進吸收。
2.輕摻雜晶片表面以形成n型層204，優(yōu)選使用POCl3或另一種n型源，且優(yōu)選在約70-140歐姆/平方的范圍中。
3.蝕刻擴散玻璃。
4.用激光、蝕刻糊料、機械方法等，在后表面上劃線用于p接觸的開口。該步驟優(yōu)選不將缺陷引入硅中，因為沒有機會將它們蝕刻掉。
5.沉積介電層206，介電層206優(yōu)選包括SiN，優(yōu)選從約40nm到150nm厚的范圍，且優(yōu)選在兩個表面上。該層除了在前和后表面上都作為光學涂層外，優(yōu)選在后表面上作為金屬化和擴散勢壘。氮化硅優(yōu)選通過等離子增強化學氣相沉積(PECVD)沉積為包括硅、氮和氫的無定形合金(有時標明a-SiNx:H或SiNx:H)。這些薄膜對于提供表面鈍化和體積缺陷是熟知的，由此改善硅太陽能電池的能量轉換效率。
6.鉆孔，優(yōu)選使用激光。
7.激光損壞蝕刻并清洗，優(yōu)選使用NaOH。
8.在孔中重POCl3擴散212(優(yōu)選約10到30歐姆/平方)，或備選性地，給孔涂覆含P糊料并擴散。該階段的太陽能電池在圖18中示出。
9.蝕刻擴散玻璃。
10.進行第二劃線，直接地對準并以第一劃線為中心，但具有較小的直徑或寬度。該階段的太陽能電池在圖19中示出。
11.在劃線區(qū)域中絲網(wǎng)印刷例如含硼糊料的p型摻雜劑糊料224，并通過擴散或合金化在第二劃線開口中形成p+接觸層226。該階段的太陽能電池在圖20中示出。
12.如果必要，蝕刻硼玻璃或其它p型源。
13.用導體糊料或金屬鍍層金屬化p柵極228和n柵極218。該階段的太陽能電池在圖21中示出。
盡管該方法比上面所述相關的方法包括更多的工藝步驟，但是它具有很多優(yōu)點。第一，選擇性的發(fā)射器結構(在前表面上的輕擴散，在孔中的重擴散)允許電池的效率最大化。第二，因為氫提供極好的表面鈍化，優(yōu)選使用PECVD沉積SiNx:H。然而，該材料如果不是不能就是難以圖案化，尤其通過絲網(wǎng)印刷。因此在上面所述的方法中的電介質很可能不是SiN，而是具有較差鈍化特性的另一種材料。而且，絲網(wǎng)印刷很貴且很難準確圖案化。然而，這些方法都導致了p+區(qū)域，其僅在通過第二劃線步驟生成的小部分晶片上近似地形成，從而通過位于第一劃線中的介電層的那部分，與在后表面上的n+區(qū)域分開。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選工藝不使用用于p型接觸的分開圖案化步驟。而是，在進行磷擴散圖案化的同時，限定p型接觸區(qū)域。該工藝優(yōu)選包括如下步驟1.激光鉆孔。
2.蝕刻并清洗晶片。該步驟選擇地包括堿性蝕刻，或任選包括酸性蝕刻，以織構化前表面，以改進吸收。
3.在后表面上絲網(wǎng)印刷形成擴散勢壘圖案(不鄰近孔)的介電材料。在磷擴散步驟期間，該形成圖案化的磷擴散。尤其如果不能容易地蝕刻介電擴散勢壘，且p型金屬不容易燒制穿過擴散勢壘和后表面鈍化材料，圖案優(yōu)選包括用于后面的p型金屬接觸的開口。
4.熱退火介電糊料(例如，約500-1000℃，約5到30分鐘)。
5.進行磷擴散，優(yōu)選使用氣體源(例如POCl3，PH3等)進行。該擴散優(yōu)選是中間擴散，即，足夠輕以在前表面上提供良好的光譜響應，而足夠重以提供用于n型接觸的足夠摻雜。
6.進行蝕刻以去除通過擴散留下的氧化磷玻璃。合適的蝕刻劑在行業(yè)上是熟知的，且可以包括水性HF化學蝕刻，HF氣體蝕刻或多種等離子蝕刻劑化學。
7.在前表面上沉積氮化硅層或其它高折射率材料(例如TiO2和Ta2O5)以形成抗反射涂層，具有約70到80nm的厚度，該厚度取決于折射率和希望的顏色。氮化硅優(yōu)選通過等離子增強化學氣相沉積(PECVD)沉積作為包括硅、氮和氫的無定形合金(有時標明a-SiNx:H或SiNx:H)。這些薄膜對于提供表面鈍化和體積缺陷是熟知的，以及由此改善硅太陽能電池的能量轉換效率。
8.在后表面上沉積氮化硅或其它介電層，優(yōu)選SiNx:H(任選)。該層鈍化后表面并由此改善太陽能電池效率。該步驟可與步驟7同時進行，或在步驟10之后進行。
9.絲網(wǎng)印刷用于p型接觸和柵極的金屬(“p金屬”)，優(yōu)選使用糊料(優(yōu)選Ag-Al或任選Ag或Al)；10.烘干p金屬；11.絲網(wǎng)印刷用于n型接觸和柵極的金屬(優(yōu)選Ag)，優(yōu)選約10到50微米厚；12.燒制金屬；以及13.測試太陽能電池。
在該方法中，p型金屬優(yōu)選對在介電勢壘開口中的磷(n+)擴散形成尖峰，以便制備歐姆接觸。這樣配置的示意圖在圖22中示出。該工藝相對于以現(xiàn)有技術的優(yōu)勢在于，僅需要一次磷擴散，且在工藝開始時鉆孔(其消除了激光損壞蝕刻步驟)，從而降低了工藝成本。
背接觸EWT電池還可用與使用自摻雜金屬化的嵌入接觸電池制備步驟相似的工藝制備。必須注意確保自摻雜金屬填充溝槽和孔，使得串聯(lián)電阻不是問題。這樣工藝的一個實例如下1.蝕刻和清洗Si晶片；2.激光劃線n型溝槽并在后表面上鉆孔；3.輕(60到120歐姆/平方)磷擴散；4.HF蝕刻，以從擴散工藝去除磷玻璃；5.通過例如PECVD或低壓化學氣相沉積(LPCVD)，沉積氮化硅；6.在后表面上激光劃線p型溝槽或凹陷；7.用n型和p型自摻雜金屬化分別填充n型溝槽/孔和p型溝槽；以及8.共同燒制金屬化。
在任何以上的實施方案中，在后表面上的大面積的SiN或其它電介質能夠使優(yōu)選互相交叉的接觸線在實際沒有接觸硅晶片的情況下盡可能的寬(為了輸送更多電流)。它們還能在最小化p型接觸區(qū)域的同時，最大化n+發(fā)射器，由此增加載流子收集效率。整個后表面區(qū)域的百分比由p型接觸占據(jù)。
另外，在這里的所有實施方案，可使用大量的方法或變體，包括但不局限于下面這些。盡管可使用備選方法，例如化學或等離子蝕刻，熱遷移等，但還可使用激光鉆形成透孔。這些方法中的一些描述于美國專利申請序號10/880,190，名為“在薄硅晶片上的發(fā)射器穿繞的背接觸太陽能電池”；美國專利申請序號10/606,487，名為“用熱遷移產(chǎn)生導電通孔的背接觸太陽能電池的制備”，和國際專利申請序號PCT/US04/20370，名為“具有整體導電通孔的背接觸太陽能電池和制備方法”，所有這些通過引用而結合在此。可用絲網(wǎng)印刷蝕刻糊料以進行精細的圖案化。可使用硼硅酸鹽玻璃或另一種p型摻雜源形成p+結。劃線溝槽的尺寸的選擇必須在減少接觸面積和最小化再結合速率之間平衡。最后，還可使用選擇性的發(fā)射器工藝，其中在前表面的擴散輕于在透孔中或在后表面上的擴散。這可以例如通過在前表面上絲網(wǎng)印刷多孔SiO2層來完成，這在重擴散孔和后表面的同時，抑制在前表面上的磷擴散，以及例如通過HF蝕刻掉。備選地，這可以通過在POCl3爐中與單個窄槽面對晶片前表面的條件下放置晶片(即雙置)來完成，這減少在接觸面上的擴散。
除了EWT電池，所有這些步驟還可非常簡單地用于制造背結--激光簡易劃線凹陷或溝槽而不是鉆用于n型接觸的孔。背結太陽能電池在后表面上具有負和正極性電流收集結。這些電池需要高質量材料，以便在鄰近前表面上被吸收的光生載流子能橫穿器件的寬度擴散，以在器件后表面上的結處收集。
最小化相互交叉配置的背接觸柵極圖案中的串聯(lián)電阻因為背接觸硅太陽能電池后表面上同時具有負極性和正極性接觸以及在電流收集柵極，負極性和正極性柵極必須彼此電絕緣。柵極還必須收集電流到焊接墊或匯流條。金屬帶典型地附加在焊接墊或匯流條上，以便連接太陽能電池到電路中。
在背接觸電池中，柵極存在兩種幾何形狀。在“相互交叉的背接觸”(IBC)幾何形狀中，負和正極性導電類型柵極形成相互交叉配置的梳狀結構(圖23A和23B)。該結構在生產(chǎn)中很容易實現(xiàn)，但是由于具有有限的截面面積而導致的長柵極線而遭受高的串聯(lián)電阻。柵極線的長度，以及由此的串聯(lián)電阻可通過包括一個或多個的匯流條而減少(圖24)。然而，因為在匯流條上的區(qū)域中的光電流收集被減少，所以匯流條降低了有效面積。而且，互連鄰近背接觸太陽能電池的幾何圖形對在電池中心具有匯流條而不是在電池邊緣具有焊接墊的電池來說變得更復雜。使用像絲網(wǎng)印刷的低成本生產(chǎn)工藝，可很容易制備IBC圖案。
在背接觸電池中的柵極的第二種幾何圖形使用多水平金屬化(圖25)(Richard M.Swanson，“熱光伏轉換器和用在其中的電池”，美國專利4,234,352，于1980年11月18日授權)。用提供電絕緣的沉積的介電層垂直堆疊金屬水平。多水平金屬化幾何圖形能比IBC幾何圖形取得更低的串聯(lián)電阻，因為金屬覆蓋整個后表面。然而，該結構除金屬化步驟之外，還需要兩個介電沉積(“第一”和“第二”水平)和圖案化步驟。另外，為了避免能在介電絕緣層中導致電分流的針孔缺陷，多水平金屬化需要非常昂貴的薄膜加工技術。
本發(fā)明為減少在背接觸硅太陽能電池的相互交叉背接觸柵極圖案中優(yōu)選的IBC柵極圖案(在電池邊緣上具有焊接墊)的串聯(lián)電阻，提供兩種實施方案。
在第一實施方案中，柵極線制成具有錐形寬度，以便寬度沿著電流流動的方向增加，直到到達電池邊緣。因為柵極的截面區(qū)域以由柵極輸送的電流增加的相同比率增加，這在恒定的柵極覆蓋部分下降低了串聯(lián)電阻。在正極性電流收集柵極510和負極性電流收集柵極520兩個中的錐形寬度圖案的優(yōu)選的實施方案在圖26中示出(未按比例)。圖27示出了在具有鍍金屬化的背表面太陽能電池505上的圖26的IBC柵極的截面圖，即在接觸金屬化上方鍍的金屬530。
總體上，既可通過經(jīng)驗也可通過計算決定錐形度，以決定最佳錐形。另外，金屬覆蓋部分和在相同極性柵極之間的間隔可相似地變動。在具有典型特性的IBC電池的模擬中，IBC柵極的串聯(lián)電阻是為125mm×125mm的電池計算的。在相同極性柵極之間的間隔選定為2mm，且金屬覆蓋部分選定為40％。對恒定寬度IBC幾何形狀來說，柵極線具有400μm的厚度，然而對錐形幾何形狀來說，柵極線從200增加到600μm。錐形相對恒定寬度IBC幾何圖形，該串聯(lián)電阻低36％。注意如果需要，可使用其它錐形，例如柵極線可從250到550μm寬度逐漸變化。
在第二實施方案中，可通過使柵極線更厚，來降低柵極電阻。絲網(wǎng)印刷Ag糊料柵極的厚度受到糊料和絲網(wǎng)的物理特性限制。允許邊緣收集的IBC柵極的優(yōu)選幾何形狀(圖23A)典型地需要相對厚的柵極線(＞50μm)，以便能在具有可接受電阻損失的大尺寸上傳輸電流。這比容易絲網(wǎng)印刷的厚度厚。提高印刷Ag IBC柵極的柵極線厚度的兩種優(yōu)選方法是通過將IBC電池浸入熔融的焊料中(“浸錫”)或通過向柵極線上鍍(電鍍或無電鍍膜)金屬。浸錫是熟知的工藝，其被一些硅太陽能電池制造商用于制備常規(guī)的硅太陽能電池。熔融焊料的溫度取決于焊料組成，但是通常低于250℃。在一個實施方案中，使用Sn:Ag焊料，以便將印刷的Ag柵極線的溶解最小化。
備選地，可通過電鍍或無電鍍，鍍很多種金屬。Cu和Ag是特別有利的，因為這兩種金屬可以容易地焊接，并具有很好的電學導電性。鍍柵極線的另一個優(yōu)點在于，在完成的電池中降低應力?？梢詢?yōu)選使用薄的印刷Ag線，因為最后的導電性由接下來的金屬建立步驟決定。Ag在高溫下燒制(通常高于700℃)，因此保持該層薄度降低了來自高燒制溫度的應力。另外，電鍍通常在低溫(＜100℃)下進行。這樣，在更低的溫度下可增加柵極厚度，由此導致完成的電池中引入更少的應力。
前述的實例可通過取代本發(fā)明用在上述實例中的通常或詳細描述的反應物和/或操作條件而重復同樣的成功。特別地，本領域技術人員將認識到，可修改工藝步驟中的某此，它們的順序變化或額外的步驟增加，都沒有偏離本發(fā)明的范圍。
盡管本發(fā)明通過具體參考那些優(yōu)選實施方案進行了詳細描述，但是其它的實施方案可獲得同樣的結果。本發(fā)明的變化和修改對本領域技術人員來說是顯而易見的，且它意圖覆蓋所有這樣的修改和等同部分。上面引用的所有參考、申請、專利和出版物及相關申請的全部公開內(nèi)容都通過引用而結合在此。
權利要求
1.一種背接觸太陽能電池的制備方法，該方法包括如下步驟提供包括第一導電類型的半導體襯底；在后表面上提供包括相反導電類型的擴散；在后表面上沉積介電層；形成從襯底前表面延伸到襯底后表面的多個孔；從后表面的一個或多個區(qū)域去除擴散和介電層；在所述的一個或多個區(qū)域的每個中產(chǎn)生一個或多個包括第一導電類型的接觸；在后表面上配置與接觸電接觸的第一導電柵極；以及在后表面上配置與在孔中的擴散電接觸的第二導電柵極。
2.權利要求1的方法，其中所述的產(chǎn)生步驟包括用摻雜劑摻雜襯底。
3.權利要求2的方法，其中所述的摻雜劑包括從由硼和鋁組成的組中選擇的元素。
4.權利要求2的方法，其中所述的第一導電柵極不包括摻雜劑。
5.權利要求1的方法，其中所述的提供擴散的步驟包括將襯底暴露給氣體。
6.權利要求5的方法，其中所述的氣體包括POCl3。
7.權利要求1的方法，其中第一導電柵極與第二導電柵極相互交叉配置。
8.權利要求1的方法，其中所述的沉積步驟包括在前表面上沉積介電層，且產(chǎn)生步驟包括在孔的內(nèi)表面上同時提供包括相反導電類型的第二擴散。
9.權利要求1的方法，進一步包括在前表面和后表面的一個或兩個表面上構建鈍化層的步驟。
10.權利要求9的方法，其中所述的構建步驟包括從由氧化表面或在表面上沉積鈍化層組成的組中選擇的方法。
11.權利要求1的方法，進一步包括用電鍍的金屬接觸層涂敷孔的內(nèi)表面和所述的一個或多個區(qū)域的步驟，其中涂敷步驟在產(chǎn)生步驟之后且在配置步驟以前進行。
12.權利要求11的方法，其中所述的接觸層包括鎳。
13.權利要求11的方法，其中使用無電鍍膜法，電鍍所述的接觸層。
14.權利要求11的方法，進一步包括在所述的去除步驟后提供第二擴散的步驟，第二擴散包括在孔的內(nèi)表面和所述的一個或多個區(qū)域上的相反導電類型；其中所述的產(chǎn)生步驟包括過摻雜第二擴散。
15.一種根據(jù)權利要求1的方法制備的背接觸太陽能電池。
16.一種背接觸太陽能電池，其包含含金屬的鍍層，所述層配置在襯底的一個或多個摻雜區(qū)域和一個或多個導電柵極之間，其中所述導電柵極不包括金屬。
17.權利要求16的背接觸太陽能電池，其中所述金屬包括鎳。
18.一種背接觸太陽能電池的制備方法，該方法包括如下步驟提供包括第一導電類型的半導體襯底；在后表面上沉積圖案化的介電層；在沒有被介電層覆蓋的后表面的開口部分上提供包括相反導電類型的擴散；在開口部分上和鄰近開口部分的介電層上配置金屬；以及燒制金屬。
19.權利要求18的方法，其中所述的沉積步驟包括絲網(wǎng)印刷所述的介電層。
20.權利要求18的方法，其中所述的提供擴散的步驟包括使用從由POCl3和PH3構成的組中選出的氣體。
21.權利要求18的方法，其中所述的金屬包括第一導電類型的摻雜劑。
22.權利要求21的方法，其中所述的配置步驟包括絲網(wǎng)印刷包括所述金屬的糊料。
23.權利要求18的方法，其中所述的燒制步驟包括用金屬對開口部分中的擴散形成尖峰。
24.一種根據(jù)權利要求18的方法制備的背接觸太陽能電池。
全文摘要
包括后表面結構的背接觸太陽能電池及其制造方法。摻雜后表面以形成n
文檔編號H01L21/8242GK101088159SQ200580037806
公開日2007年12月12日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權日2004年9月7日
發(fā)明者彼得·哈克, 詹姆斯·M·吉 申請人:日出能源公司