專利名稱：：太陽能電池襯底及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明通常涉及光電電池及光電電池的制造。特別地，本發(fā)明涉及改進太陽能電池制造的方法，尤其是在激光刻劃期間。
背景技術：
：光電電池(PV)或者太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)化成直流(DC)電能的材料結器件。當暴露在太陽光(由來自光子的能量組成)時，太陽能電池p-n結的電場分隔開自由電子和空穴對，由此產(chǎn)生光電壓。當太陽能電池連接到電負載時，從n側(cè)到p側(cè)的電路允許電子流動，同時PV電池結器件的面積和其它參數(shù)決定可用電流。電功率是電子和空穴重新組合時產(chǎn)生電流乘以電壓的乘積。在過去的二十年太陽能電池已經(jīng)得到了顯著地發(fā)展，實驗效率已經(jīng)從1980年的低于大約5%增加到2008年的幾乎40%。最常見的太陽能電池材料是硅，其是單晶硅或者多晶硅晶片形成。由于形成硅基太陽能電池產(chǎn)生電的折余成本高于使用傳統(tǒng)方法產(chǎn)生電的成本，所以已經(jīng)在努力減少形成太陽能電池的成本。尤其是，薄膜技術能夠?qū)崿F(xiàn)流線化、大批量地制造太陽能電池以及大大降低的硅消耗。薄膜太陽能器件通常由沉積在玻璃板上的多個薄材料層組成。目前，占主導的太陽能電池薄膜基于所謂單結構造中的非晶硅(a-Si)，該單結構造中，透明導電氧化物(TC0)層沉積在玻璃襯底上，并且非晶硅沉積在TC0層上，背接觸包括在a硅層上的摻鋁氧化鋅(AZ0)層，在AZ0層上的鋁層，和在鋁層上的NiV。串聯(lián)結器件包括沉積在玻璃上的透明導電氧化物(TC0)層、沉積在TC0層上的a硅層，以及在a硅層上的背接觸，該背接觸包括在a硅層上的AZ0層，在AZ0層上的銀層和在銀層上的NiV。目前，在太陽能電池和PV板組裝成PV模塊和太陽能板之前，從很多小的硅薄板或者晶片作為材料單元開始制造它們，并加工成單個的光電電池。通常用刻劃工藝將這些玻璃板再分成大量(100和200之間)的單個太陽能電池，該工藝還對相鄰電池限定了電互聯(lián)。這一刻劃產(chǎn)生了低電流活性‘帶’，通常只有5-10mm寬，其串聯(lián)電連接以產(chǎn)生具有幾安培電流的高功率(通常從幾十瓦到幾百瓦)。激光刻劃能夠?qū)崿F(xiàn)下一代薄膜器件的大批量生產(chǎn)，并且激光刻劃在質(zhì)量上、速度上和穩(wěn)定性上優(yōu)于機械刻劃方法。現(xiàn)有的使用激光刻劃制造太陽能板的工藝可能會帶來問題，尤其是當制造背接觸而在AZ0層上使用銀時。特別地，在激光刻劃期間，銀可能從AZ0剝離，其可能導致在刻劃的帶區(qū)域中形成碎片和缺陷，其可能導致太陽能電池器件中的短路。另外，由于銀從AZ0層剝離，也就是減少了從太陽能電池的反射，所以太陽能電池可能經(jīng)受其它的問題。這可能導致a硅層產(chǎn)生更多的電流。因此，需要高效太陽能電池p-n結的形成以改進太陽能電池的制造工藝。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的方案包括光電電池以及制造光電器件的方法。在一個實施例中，制造光電器件的方法包括在玻璃襯底上沉積透明導電氧化物層；在透明導電氧化物層上沉積硅層；在硅層上形成背接觸，包括形成沉積在硅層上的氧化鋅層，在硅層上沉積中間層，和在中間層上沉積銀層；穿過背接觸激光刻劃。在一個實施例中，沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約550nm和850nm之間的光穿過器件的透射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光透射的5%之內(nèi)。在一個實施例中，沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約800nm和lOOOnm之間的光在器件中的反射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光反射的大約5%之內(nèi)。在一個或者多個實施例中，穿過背接觸的激光刻劃不會引起銀層的剝落。在一個實施例中，中間層包括Cr、Ti、Mo、Si，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一種或者多種，及其組合。例如，中間層可包括Cr的氧化物，比如Cr203。在一個或者多個實施例中，中間層具有小于大約35人的厚度，并且在具體實施例中，小于大約20人。在一個實施例中，沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約550nm和850nm之間的光穿過器件的透射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光透射的5%之內(nèi)。在另一個實施例中，沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約800nm和lOOOnm之間的光在器件中的反射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光反射的大約5%之內(nèi)。本發(fā)明的另一個方案，光電電池包括在玻璃襯底上的透明導電氧化物層；在透明導電氧化物層上的硅層；以及包括AZ0層、具有小于大約35人厚度的中間層、以及在中間層上的銀層的背接觸。在一個實施例中，中間層包括Cr、Ti、Mo、Si，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一種或者多種，及其組合。在具體實施例中，中間層包括Cr203。在另一個具體實施例中，中間層具有小于大約20人的厚度。在一個實施例中，中間層具有一厚度，使得波長在大約550nm和850nm之間的光穿過器件的透射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光透射的5%之內(nèi)。在另一個實施例中，中間層具有一厚度，使得波長在大約800nm和lOOOnm之間的光在器件中的反射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光反射的大約5%之內(nèi)。圖1示意性地描述了用透明導電氧化物涂覆的玻璃襯底；圖2示出了在已經(jīng)穿過透明導電氧化物層激光刻劃出帶之后，圖1的玻璃襯底；圖3示出了已經(jīng)在透明導電氧化物層上沉積硅層之后，圖2的玻璃襯底；圖4示出了已經(jīng)激光刻劃硅層之后，圖3的玻璃襯底；圖5示出了已經(jīng)在硅層上沉積金屬層之后，圖4的玻璃襯底；圖6示出了已經(jīng)激光刻劃金屬層和下面的透明導電氧化物層之后，圖5的玻璃襯底；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例在太陽能電池上的層狀結構；圖8示出了根據(jù)現(xiàn)有技術激光刻劃模塊的TEM(透射電子顯微鏡法)照片；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實施例制造的激光刻劃太陽能電池的TEM照片；圖10示出了不同Cr厚度的透射，具體地，和沒有中間層的樣品相比，包括中間Cr層的串聯(lián)結(TJ)樣品關于透射(QE)對波長的曲線圖；圖11示出了不同Cr厚度的反射，具體地，和沒有中間層的樣品相比，包括中間Cr層的樣品關于反射對波長的曲線5圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實施例制造的包括中間層的樣品的TEM照片；圖13示出了具有不同背接觸的TJ的QE，具體地，和根據(jù)本發(fā)明實施例制造的太陽能電池相比，根據(jù)現(xiàn)有技術方法制造的串聯(lián)結太陽能電池關于QE對波長的曲線圖。具體實施例方式在描述本發(fā)明的幾個示例性實施例之前，應理解的是，本發(fā)明不局限于下面的描述中所提出的結構或者工藝步驟的細節(jié)。本發(fā)明能夠用于其它實施例以及以多種方式實施或者實現(xiàn)。如在這一說明書和所附權利要求中所使用，除非上下文中另外明確指出，否則單數(shù)形式“一個”、“該”包括多個所指對象。應理解的是，這里描述的激光刻劃工藝可應用于所有類型的薄膜太陽能電池制造，包括基于CdTe(碲化鎘)和cigs(銅銦鎵硒)的那些。參考圖1-6，示出了太陽能電池制造工藝的示例性實施例。從圖1開始，以玻璃板或者襯底100開始制造太陽能電池。玻璃板的示例性厚度是大約3mm。在本領域，實際上將該玻璃襯底稱作玻璃上板，因為太陽光將進入穿過該支撐玻璃。在太陽能電池的制造期間，首先，在玻璃襯底100上沉積連續(xù)的、均勻的TC0(透明導電氧化物)層110。TC0層110的厚度通常是幾百納米。TC0層最終形成太陽能電池的前電極。用于TC0層的適當材料包括AZ0和Sn02，并且可以通過任何適當?shù)墓に嚴缁瘜W汽相沉積或者濺射沉積TC0層?，F(xiàn)在參考圖2，在TC0層沉積之后，接下來是激光刻劃工藝(通常將其稱作P1)，其穿過整個TC0層的厚度刻劃帶115。如圖3所示，在該第一次刻劃工藝P1之后，在TC0層上沉積P型和n型硅層120，并且硅層通常是6硅。硅層的總厚度通常是0.5-3um的量級，通常通過化學汽相沉積或者其它適當?shù)墓に噥沓练e該層。參考圖4，硅沉積步驟之后是第二次激光刻劃步驟(通常稱作P2)，其穿過硅層120完全切割帶125。如圖5所示，形成后電極的金屬背接觸130沉積在硅層120上。金屬背接觸130可以是任何合適的金屬，例如鋁、銀或者鉬，并且可以通過適當?shù)某练e工藝例如物理汽相沉積來沉積這一背接觸。通常，金屬背接觸130將包括幾個單獨的層，將在下面更詳細描述。現(xiàn)在參考圖6，使用第三次刻劃工藝(稱作P3)穿過金屬背接觸130和硅層120刻劃帶135。然后用后表面玻璃疊層密封面板。在具體實施例中，在串聯(lián)結器件的制造期間，背接觸130可包括覆蓋a硅層的若干層。在特定結構中，首先在a硅層上沉積AZ0層，然后在AZ0層上沉積銀層。其后，可在銀層上沉積NiV層。應理解的是，本發(fā)明不局限于用于背接觸130的具體金屬。在對AZ0層上具有銀層的器件P3切割期間，已經(jīng)觀察到在刻劃區(qū)域中的銀具有剝落和導致缺陷的趨勢，其帶來不良的電池性能。圖8是放大100倍的SEM照片，示出了對具有包括AZ0上的銀的背接觸的太陽能電池進行P3激光刻劃之后的銀片狀剝落(flaking)(黑色顆粒)。相信剝離和剝落是由于銀和AZ0材料的不良粘結。研究改善銀和AZ0層的粘結性的一種方法是增加銀層的厚度，但是這沒有帶來顯著的改進。此外，研究了氧氬等離子體工藝，其似乎改善了銀和AZ0層之間的粘結性，然而，很難控制散布在沉積腔室中的等離子體的均勻性。然后考慮在背接觸的銀和AZ0層之間的中間層提供多種材料。然而，必須仔細考慮在太陽能電池的銀層下添加任何材料層，因為銀層不僅在導電中起到極其重要的功能，而且還反射光。因此，銀和AZ0層之間的中間層的應用必須不能負面影響太陽能電池中的反射或者電池中光透射?？紤]幾種材料候選用于中間層。在選擇用于中間層的適當材料時必須考慮幾種標準。一個因素是幾種金屬和氧的生成熱。最初，和氧具有較高生成熱的材料是有利的。然而，由于形成金屬氧化物的困難性，所以從考慮中去除了具有理想生成熱的某些材料。另一個考慮的因素是金屬氧化物膜的透明度和它們對于銀層反射率以及太陽能電池中光透射的影響?？紤]的材料包括Ta、Al、V、Cr、Ti和Mo。選作良好候選材料作為中間膜層的材料包括Cr、Ti、W和Ni。此外，選擇具有Ag、Ti、W、Ni和Si的銀合金作為中間層的候選材料。在這些材料中，選擇Crx0y材料用于進一步測試。現(xiàn)在參考圖7，根據(jù)本發(fā)明實施例示出了層狀結構的一個具體實施例。玻璃襯底100示作有TC0層110、a硅層120和金屬背接觸130。金屬背接觸130包括三個層。開始，在a硅層上沉積AZ0層132，并在沉積銀層136之前沉積Cr層134作為背接觸的中間層。Cr層134幫助增加AZ0層132和Ag層136之間的粘結性。此外，薄Cr層將和來自AZ0膜的02反應成Cr203。下面討論的進一步測試揭示了Cr203是透光的并且沒有減少太陽能電池中的反射。中間層134的厚度必須是這樣的厚度，其使得層134不吸收光并且不負面地影響在太陽能電池內(nèi)的反射。對于Cr層，確定了具有大約15人-20人范圍厚度的鉻層提供最佳結果?？傊虚g層必須滿足在太陽能電池使用中可接受的幾個標準。中間層應當通過薄金屬濕潤AZ0表面增加粘結性和/或在AZ0和Ag之間提供良好的化學反應。該層必須足夠薄以至于不吸收所有的光并且就成本和制造而言是合理的。因此，理想的是提供可以通過諸如物理汽相沉積濺射工藝而沉積的材料。在進行初次實驗來確定Cr是用于中間層的最佳材料之后，進行性能測試，以保證Cr將是太陽能電池應用中可接受的。圖9示出了具有圖7所示結構和P3激光刻劃的背接觸的太陽能電池。如圖9所示并和圖8相比，其沒有使用中間層，沒有銀顆粒的剝落，并且銀粘結得很好。在確定中間Cr層在AZ0和Ag之間提供了可接受的粘結性之后，然后進行背接觸的AZ0和銀層之間具有中間Cr層的膜的透射和反射測試，以保證中間層沒有負面影響太陽能電池性能。在450A厚的AZ0層上沉積具有不同Cr層厚度(70A、50A、35A和20A)的四種樣品，并在每一個Cr層上沉積2000A厚的銀層。如圖10所示的利用分光計獲得的透射結果表示，20人層厚度與沒有中間層的樣品表現(xiàn)相似。因此，確定了具有小于大約35人，尤其是小于大約20人的O層，提供最佳結果。當然應理解的是，不同的材料可能需要不同的層厚度實現(xiàn)可接受的結果。接下來對具有大約20人、50人和70人厚度的中間Cr層的樣品進行反射測試，將它們和標準AZO/Ag背接觸比較。在每個樣品中，AZ0厚度是450人而銀層厚度是2000人。圖11示出了反射結果。具有大約20人厚度的O層的樣品顯示出類似于標準樣品的結果。具有為標準樣品反射大約4%之內(nèi)的反射的樣品提供了可接受的結果。使用透射電子顯微鏡(TEM)檢測具有20人中間背接觸層的樣品，并且圖12在鄰近層的示意圖的地方示出了TEM圖。如圖12所見，Cr中間層從TEM圖上是不明顯，其或許是由于Cr層為大約20人厚度的事實。測試由中間Cr背接觸層構成的器件的太陽能電池性能，來確定中間層是否負面影響太陽能電池性能。測試了單結和串聯(lián)結太陽能電池的性能。具有中間Cr背接觸層的單結太陽能電池展現(xiàn)出可接受的性能。通過在玻璃上形成TC0層制成樣品，用DI水清洗它，然后使用PECVD沉積硅層。然后使用濺射形成具有三個不同層AZ0、Cr和Ag的背接觸。在可從NewportOriel得到的電流和電壓測量工具上測試樣品。結果顯示由具有背接觸(AZ0/Cr/Ag)樣品產(chǎn)生的電流(Jsc)與用具有AZO/Ag樣品表現(xiàn)類似，表明Cr沒有降低太陽能電池的性能。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>測試具有中間Cr背接觸層的串聯(lián)結電池，來確定太陽能電池的性能是否是可接受的。通過在玻璃上形成TC0層制成樣品，用DI水清洗它，然后使用PECVD沉積硅層。然后使用濺射形成具有四個不同層AZ0、Cr和kg的背接觸。在可從NewportOriel得到的電流和電壓測量工具上測試樣品。在下表中可以看出，就類似的Jsc和效率(CE%)而言，Cr的存在沒有降低太陽能電池的性能。串聯(lián)結太陽能電池的測試顯示出在背接觸中具有薄中間Cr層的太陽能電池展現(xiàn)出與具有AZ0/Ag背接觸結構的太陽能電池類似的電池性能。圖13示出了相比于在沒有中間層的AZ0上沉積有Ag的標準電池，對在Ag和AZ0背接觸層之間具有20人厚的中間&層的太陽能電池的下部和上部的QE(量子效率)測量值的比較。從圖13以及下表中可以看出，對于QE只有非常小的差別。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>對具有中間Cr層的串聯(lián)結的30CmX30Cm太陽能電池模塊的進一步測試產(chǎn)生了可接受的特性，并顯示出可以焊接Ag材料用于總線工藝，并且800小時的環(huán)境測試是可接受的。與對30CmX30Cm模塊上具有6.3W(8.6%效率)的標準相比，串聯(lián)結太陽能電池展現(xiàn)出7.3ff(9.97%效率)?？梢栽谡婵粘练e腔室中進行根據(jù)本發(fā)明實施例的太陽能電池的制造。真空沉積腔室可以是單獨的腔室或者是板處理系統(tǒng)的一部分。在一些情況中，真空沉積腔室可以是多腔室系統(tǒng)的一部分。玻璃襯底100可以是適于太陽能電池制造時使用的玻璃板?？梢允褂么蠹s50mmX50mm或更大的板尺寸。用于太陽能電池制造的典型板尺寸可以是大約lOOmmX100mm或更大，例如大約156mmX156mm或更大的尺寸；然而，也可以使用更小或者更大的尺寸也是有利的，例如也可以使用大約400mmX500mm的尺寸。太陽能板的厚度例如可以是幾百微米，例如在大約100微米到大約350微米。每個板可適合形成單一的p-n結、雙結、三結、隧道結、p-i-n結或者由適于太陽能電池制造的的半導體材料產(chǎn)生的任何其他類型的P-n結。在另一個實施例中，至少板表面可在其上包括p型硅材料?？梢岳萌魏芜m當?shù)募す饪虅澒ぞ哌M行激光刻劃工藝PI、P2和P3?？虅澞壳笆菐资⒚琢考壍膶挾?。P1刻劃工藝通常使用高達8W的近IR的激光，而P2和P3工藝通常僅僅需要幾百毫瓦的綠色光輸出(greenoutput)。如上所述形成太陽能電池之后，可通過退火熱處理電池。而且，可對該板進行多種布線配置和/或表面處理步驟。適當?shù)恼婵粘练e腔室可包括多種化學汽相沉積腔室。如上所指出，通過等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)來沉積硅層?？蓪ECVD系統(tǒng)配置成處理多種類型的板，例如多種板尺寸的，可從SantaClara,Calif的AppliedMaterials有限公司的分公司，AKT得到的，多個平行板射頻(RF)等離子增強化學汽相沉積(PECVD)系統(tǒng)。然而，應當理解的是，本發(fā)明在其它系統(tǒng)結構中也有用，比如其它化學汽相沉積系統(tǒng)和任何其它膜沉積系統(tǒng)。對于太陽能電池結構，可以在板上沉積附加層。例如，可以在板的前面和/或后面沉積一個或者多個鈍化層或者抗反射涂覆層。而且，可以使用任何適當?shù)臉媹D技術，包括但不局限于干法刻蝕、濕法刻蝕、激光鉆孔、化學機械噴射刻蝕以及其組合在板上構圖多個特征。盡管這里已經(jīng)參考具體實施例對本發(fā)明進行了描述，但是應理解的是這些實施例僅僅是對本發(fā)明的原理和應用的說明?？梢允褂闷渌腃VD腔室、調(diào)節(jié)氣體流動速度、壓力、等離子體密度和溫度實現(xiàn)CVD、PVD和這里的其它工藝，以便于在實際沉積速度時獲得高質(zhì)量膜。應理解的是，本發(fā)明的實施例包括根據(jù)板尺寸、腔室條件等等以及其他的，對這里所述的任何處理參數(shù)/變量遞增或者遞減。對本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以對本發(fā)明的設備和方法作出多種變形和變化。因此，本發(fā)明旨在包括落在所附權利要求和它們的等價物的范圍內(nèi)的變形和變化。10權利要求一種制造光電器件的方法，包括在玻璃襯底上沉積透明導電氧化物層；在透明導電氧化物層上沉積硅層；在硅層上形成背接觸，包括形成沉積在硅層上的氧化鋅層，在硅層上沉積中間層，以及在中間層上沉積銀層；和穿過背接觸激光刻劃。2.如權利要求1的方法，其中沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約550nm和850nm之間的光穿過該器件的透射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光透射的5%之內(nèi)。3.如權利要求1的方法，其中沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約800nm和lOOOnm之間的光在該器件中的反射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光反射的大約5%之內(nèi)。4.如權利要求1的方法，其中穿過背接觸激光刻劃沒有導致銀層的剝落。5.如權利要求4的方法，其中中間層包括Cr。6.如權利要求1的方法，其中中間層包括0、1^0、31，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一種或者多種，及其組合。7.如權利要求1的方法，其中中間層包括Cr的氧化物。8.如權利要求7的方法，其中中間層包括Cr203。9.如權利要求1的方法，其中中間層具有小于大約35人的厚度。10.如權利要求7的方法，其中中間層具有小于大約35人的厚度。11.如權利要求10的方法，其中中間層具有小于大約20人的厚度。12.如權利要求11的方法，其中沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約550nm和850nm之間的光穿過該器件的透射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光透射的5%之內(nèi)。13.如權利要求11的方法，其中沉積一定厚度的中間層，使得波長在大約800nm和lOOOnm之間的光在該器件中的反射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光反射的大約5%之內(nèi)。14.一種光電電池，包括在玻璃襯底上的透明導電氧化物層；在透明氧化物層上的硅層；以及背接觸，包括AZ0層、具有小于大約人厚度的中間層、和在中間層上的銀層。15.如權利要求14的光電電池，其中中間層包括0、！1、110、5土，Cr、Ti、Mo和Si的氧化物中的一種或者多種，及其組合。16.如權利要求14的光電電池，其中中間層包括Cr203。17.如權利要求16的光電電池，其中中間層具有小于大約20人的厚度。18.如權利要求17的光電電池，其中中間層具有這樣的厚度，其使得波長在大約550nm和850nm之間的光穿過該器件的透射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光透射的5%之內(nèi)。19.如權利要求17的光電電池，其中中間層具有這樣的厚度，其使得波長在大約800nm和1OOOnm之間的光在該器件中的反射占穿過背接觸中沒有中間層的光電器件的光反射的大約5%之內(nèi)。全文摘要本發(fā)明公開了太陽能電池襯底及其制造方法。該方法包括在背接觸內(nèi)沉積一定厚度的中間層，其沒有負面影響光穿過太陽能電池的反射或者透射。中間層避免了激光刻劃期間金屬從背接觸的剝離。文檔編號H01L31/18GK101800262SQ200910168518公開日2010年8月11日申請日期2009年8月21日優(yōu)先權日2008年8月21日發(fā)明者希恩-明·H·勒,戴維·坦納申請人:應用材料股份有限公司