本申請是基于申請日為2013年12月17日、申請?zhí)枮?01380067323.6(國際申請?zhí)枮閜ct/us2013/075808)、發(fā)明創(chuàng)造名稱為“混合型發(fā)射極全背接觸式太陽能電池”的中國專利申請的分案申請。

與聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)有關(guān)的聲明

本文描述的發(fā)明得到美國政府支持，在美國能源部授予的編號de-fc36-07go17043的合同下完成。美國政府可擁有本發(fā)明的某些權(quán)利。

本文中所述主題的實(shí)施例整體涉及太陽能電池。更具體地講，所述主題的實(shí)施例涉及太陽能電池制造方法和結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

太陽能電池是為人們所熟知的用于將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能的裝置。太陽能電池具有在正常工作期間面向太陽以收集太陽輻射的正面，以及與正面相對的背面。在全背接觸式太陽能電池中，所有金屬觸點(diǎn)和相應(yīng)的發(fā)射極均形成在太陽能電池的背面上。外部電路(如，負(fù)載)可連接到將由太陽能電池供電的金屬觸點(diǎn)。

為了節(jié)省有商業(yè)價(jià)值的可再生能源，需要以低成本制造太陽能電池。本發(fā)明的實(shí)施例涉及混合型發(fā)射極設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)在保持效率的同時(shí)簡化太陽能電池的制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施例中，全背接觸式太陽能電池具有混合型發(fā)射極設(shè)計(jì)。太陽能電池可具有形成在單晶硅基板的背側(cè)表面上的薄介質(zhì)層。該薄介質(zhì)層可包含直接形成于單晶硅基板的背側(cè)表面上的二氧化硅。太陽能電池的一個(gè)發(fā)射極可包含形成在薄介質(zhì)層上的摻雜多晶硅。太陽能電池的另一個(gè)發(fā)射極可形成在單晶硅基板中并包含摻雜單晶硅。太陽能電池包括接觸孔，其允許金屬觸點(diǎn)連接到相應(yīng)的發(fā)射極。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本公開內(nèi)容的全文時(shí)將易于明了本發(fā)明的這些特征和其他特征，本公開內(nèi)容包括附圖和權(quán)利要求書。

附圖說明

結(jié)合以下附圖考慮時(shí)，可通過參考具體實(shí)施方式和權(quán)利要求得到對主題的更完整理解，其中在所有這些附圖中，相似標(biāo)號指代類似元件。附圖未按比例繪制。

圖1-圖12為示意性地說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造太陽能電池的方法的截面圖。

圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造太陽能電池的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明中，提供了許多具體的細(xì)節(jié)，例如設(shè)備、工藝步驟和結(jié)構(gòu)的例子，以提供對本發(fā)明實(shí)施例的全面理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在不具有這些具體細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其他示例中，不顯示或描述眾所周知的細(xì)節(jié)以避免混淆本發(fā)明的方面。

圖1-圖12為示意性地說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造太陽能電池的方法的截面圖。圖1-圖12未按比例繪制。

圖1中，在單晶硅基板101上形成薄介質(zhì)層102?；?01可包括長壽命n型單晶硅晶片。在一個(gè)實(shí)施例中，薄介質(zhì)層102包含直接形成在單晶硅基板101的背側(cè)表面131上的二氧化硅。背側(cè)表面131與單晶硅基板101的正側(cè)表面132相對。正側(cè)表面132在太陽能電池的正面上，其也稱為“向陽面”，因?yàn)樗谡９ぷ髌陂g面向太陽。背側(cè)表面131在太陽能電池的背面上。因?yàn)榘l(fā)射極和相應(yīng)的金屬觸點(diǎn)片全部在太陽能電池的背面上形成，故制造中的太陽能電池為全背接觸式太陽能電池。

薄介質(zhì)層102可提供隧穿功能，例如作為隧道氧化物。在一個(gè)實(shí)施例中，薄介質(zhì)層102包含直接熱生長在背側(cè)表面131上以至小于或等于40埃的厚度(例如，介于5至40埃之間，優(yōu)選地為20埃的厚度)的二氧化硅。

圖2中，在薄介質(zhì)層102上形成多個(gè)摻雜多晶硅發(fā)射極103。為了清楚地舉例說明，僅在圖中示出一個(gè)多晶硅發(fā)射極103。多晶硅發(fā)射極103可在沉積期間摻雜或在沉積之后摻雜。在圖2的例子中，多晶硅發(fā)射極103摻雜有p型摻雜物，諸如硼?？梢岳斫?，多晶硅發(fā)射極103還可摻雜有n型摻雜物，這適當(dāng)?shù)馗淖兞藢ζ渌l(fā)射極和/或單晶硅基板101的摻雜。在圖2的例子中，可例如采用濕法刻蝕或干法刻蝕將薄介質(zhì)層102中不在多晶硅發(fā)射極103下方的部分移除。

從下文將更明顯地看出，制造中的太陽能電池僅具有一種極性(在該例子中為p型)的多晶硅發(fā)射極；極性相反的發(fā)射極為單晶硅發(fā)射極。這有利地允許多晶硅發(fā)射極103在原位摻雜。

可通過如圖9所示在薄介質(zhì)層102上形成一層多晶硅層201而形成多晶硅發(fā)射極103。該多晶硅層201可通過沉積工藝(例如，通過低壓化學(xué)氣相沉積法(lpcvd))形成，其厚度例如為約1000埃至5000埃。隨后是如圖10所示的圖案化步驟，諸如掩模和蝕刻，用于將多晶硅層201圖案化。在圖10的例子中，在將薄介質(zhì)層102圖案化期間，薄介質(zhì)層102呈現(xiàn)出圖案。圖案化的多晶硅層201充當(dāng)多晶硅發(fā)射極103。該多晶硅層201可在圖案化步驟之前或之后摻雜。

也可采用其他處理步驟形成多晶硅發(fā)射極103，包括通過圖11所示的印刷。在圖11的例子中，使用噴墨打印機(jī)的印刷頭205選擇性地印刷出發(fā)射極203。發(fā)射極203可包含噴墨印刷在薄介質(zhì)層102上的硅納米粒子。發(fā)射極203可在印刷步驟之前或之后摻雜。熱處理步驟使硅納米粒子聚結(jié)形成多晶硅，其充當(dāng)多晶硅發(fā)射極103。因?yàn)橛糜谠趩尉Ч?01中形成單晶硅發(fā)射極的摻雜物可擴(kuò)散穿過薄介質(zhì)層102，故不必額外對該薄介質(zhì)層102進(jìn)行蝕刻，由此有利地省去了圖案化步驟。

繼續(xù)參見圖3，形成多晶硅發(fā)射極103后，在多晶硅發(fā)射極103和單晶硅基板101上形成摻雜物源層104。在圖3的例子中，摻雜物源層104包含n型摻雜物(諸如磷)，以便隨后在單晶硅基板101中形成n型發(fā)射極。為了適應(yīng)不同的摻雜物極性要求，可以改變摻雜物源層104中的摻雜物(例如，改變?yōu)閜型)。在一個(gè)實(shí)施例中，摻雜物源層104包括通過例如大氣壓化學(xué)氣相沉積法(apcvd)形成的厚約1000埃的磷硅酸鹽玻璃(psg)毯覆式層。

圖4中，執(zhí)行擴(kuò)散步驟以使摻雜物從摻雜物源層104擴(kuò)散到單晶硅基板101，從而形成單晶硅發(fā)射極108。在圖4的例子中，由于摻雜物源層104包含n型摻雜物，故所得的發(fā)射極108包含n型摻雜單晶硅。該擴(kuò)散步驟可通過例如在擴(kuò)散爐中的熱處理過程來執(zhí)行。在該擴(kuò)散步驟期間，來自多晶硅發(fā)射極103的一定量摻雜物可擴(kuò)散穿過薄介質(zhì)層102，以在單晶硅基板101內(nèi)形成摻雜區(qū)109。在圖4的例子中，因?yàn)槎嗑Ч璋l(fā)射極103摻雜有p型摻雜物，所以摻雜區(qū)109為p型摻雜區(qū)。

要利用多晶硅發(fā)射極103下方的低電荷載流子復(fù)合，與單晶硅發(fā)射極108相比，多晶硅發(fā)射極103可覆蓋單晶硅基板101背表面131的更多面積。例如，多晶硅發(fā)射極103可具有覆蓋背表面131總面積的至少80％的總面積。

圖5中，在摻雜物源層104上形成材料疊堆105。材料疊堆105可包括一層或多層材料，諸如防潮層、抗反射涂層，以及取決于制造過程特殊要求的其他材料層。材料疊堆105可在擴(kuò)散步驟之前或之后形成。

圖6中，形成了接觸孔106，以使單晶硅發(fā)射極108和多晶硅發(fā)射極103暴露。一般來講，太陽能電池中有多個(gè)發(fā)射極108和103，每個(gè)發(fā)射極通過相應(yīng)的接觸孔106連接到相應(yīng)的金屬觸點(diǎn)。在圖6的例子中，為了暴露下面的發(fā)射極103，穿過材料疊堆105和摻雜物源層104但不穿過薄介質(zhì)層102形成了接觸孔106。同樣在圖6的例子中，為了暴露下面的發(fā)射極108，穿過材料疊堆105和摻雜物源層104形成了接觸孔106。當(dāng)薄介質(zhì)層102的一部分留在發(fā)射極108上時(shí)(例如，像在圖12的例子中那樣)，還穿過薄介質(zhì)層102形成了相應(yīng)的孔106，以使下面的發(fā)射極108暴露。接觸孔106可通過激光燒蝕、掩模和蝕刻、或其他處理步驟形成。

圖7中，在接觸孔106內(nèi)形成金屬觸點(diǎn)107，以連接到相應(yīng)的發(fā)射極。金屬觸點(diǎn)107可包括單層金屬觸點(diǎn)或多層金屬觸點(diǎn)。比如，金屬觸點(diǎn)107可包括發(fā)射極(如發(fā)射極103或108)上形成的鋁、鋁上形成的包含鈦鎢的擴(kuò)散阻擋層，以及擴(kuò)散阻擋層上形成的包含銅的晶種層。

在圖7的例子中，連接到單晶硅發(fā)射極108的金屬觸點(diǎn)107為n極性金屬觸點(diǎn)，因?yàn)槠溥B接到n型摻雜發(fā)射體108。相似地，連接到多晶硅發(fā)射極103的金屬觸點(diǎn)107為p極性金屬觸點(diǎn)，因?yàn)槠溥B接到p型摻雜發(fā)射極103。n極性金屬觸點(diǎn)連接在一起并與p極性金屬觸點(diǎn)電絕緣，其中p極性金屬觸點(diǎn)也連接在一起。n極性金屬觸點(diǎn)可與p極性金屬觸點(diǎn)相互交叉。

太陽能電池的制造還可以包括另外的處理步驟。如圖8所示，可將單晶硅基板101的正側(cè)表面132紋理化。在一個(gè)實(shí)施例中，采用包含氫氧化鉀和異丙醇的濕蝕刻工藝，使正側(cè)表面132具備無規(guī)棱錐紋理。該紋理化表面有助于提高太陽輻射收集效率。正側(cè)表面132還可包括材料疊堆133，該材料疊堆133可包括一層或多層材料，諸如抗反射涂層、鈍化層等。在不減損本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)的前提下，對正側(cè)表面132執(zhí)行或在正側(cè)表面132下方執(zhí)行的紋理化處理和其他處理可以在制造過程的任意合適步驟處執(zhí)行。

由于一種極性的發(fā)射極包含摻雜多晶硅，而另一種極性(即相反極性)的發(fā)射極包含形成在單晶硅基板中的摻雜單晶硅，故所得的太陽能電池(在一個(gè)實(shí)施例中為全背接觸式太陽能電池)具有混合型發(fā)射極設(shè)計(jì)。更具體地講，在圖8的例子中，發(fā)射極103包含p型摻雜多晶硅，而發(fā)射極108包含n型摻雜單晶硅并形成在n型摻雜單晶硅基板中。應(yīng)當(dāng)理解，發(fā)射極103、發(fā)射極108和基板101的摻雜的極性可隨摻雜其他特征所作出的適當(dāng)改變而變化。例如，在其他實(shí)施例中，單晶硅基板101可為p型摻雜的，單晶硅發(fā)射極108可為p型摻雜的，而多晶硅發(fā)射極103可為n型摻雜的。

一般來講，在單晶硅基板中有p型摻雜發(fā)射極和n型摻雜發(fā)射極兩者的發(fā)射極設(shè)計(jì)中，發(fā)射極內(nèi)的摻雜物濃度必須在獲得低接觸電阻所需的高摻雜物濃度與高少數(shù)載流子壽命所需的低摻雜物濃度間實(shí)現(xiàn)平衡。低接觸電阻與高少數(shù)載流子壽命這兩種相互沖突的需求導(dǎo)致未達(dá)最優(yōu)的太陽能電池結(jié)構(gòu)。

其中p型摻雜發(fā)射極和n型摻雜發(fā)射極均形成在多晶硅中的太陽能電池消除了低接觸電阻與高少數(shù)載流子壽命之間的折衷。具體地講，將多晶硅發(fā)射極從單晶硅基板分離的介質(zhì)層篩選出少數(shù)載流子，從而實(shí)現(xiàn)較高的摻雜物濃度，同時(shí)維持相對高的少數(shù)載流子壽命。主要缺點(diǎn)是需要在多晶硅中的p型摻雜發(fā)射極與n型摻雜發(fā)射極間形成溝槽。要形成這種溝槽，需要在太陽能電池的背側(cè)表面上執(zhí)行另外的圖案化步驟和特定鈍化，這會(huì)增加太陽能電池的制造成本。

本發(fā)明的混合型發(fā)射極設(shè)計(jì)提供了迄今尚未實(shí)現(xiàn)的許多有益效果，包括多晶硅發(fā)射極103的較高摻雜物濃度，以及較低接觸電阻。這無需通過在單晶硅基板101中提供單晶硅發(fā)射極108來形成溝槽就能實(shí)現(xiàn)。發(fā)射極間沒有溝槽便省去了圖案化步驟和相關(guān)的工藝步驟。另外，由于僅涉及一種極性的多晶硅發(fā)射極，故多晶硅發(fā)射極可在原位摻雜。因此，本發(fā)明的太陽能電池以較低的制造成本實(shí)現(xiàn)了所有多晶硅發(fā)射極的絕大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)在參見圖13，其示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造太陽能電池的方法300的流程圖。在圖13的例子中，在單晶硅基板的背側(cè)表面上形成薄介質(zhì)層(步驟301)。在一個(gè)實(shí)施例中，硅基板包括摻雜有n型摻雜物的高壽命單晶硅晶片。該薄介質(zhì)層可包含直接熱生長于單晶硅基板的背側(cè)表面上的二氧化硅。在薄介質(zhì)層上形成包含摻雜多晶硅的第一發(fā)射極(步驟302)。第一發(fā)射極可以是摻雜多晶硅以具有第一極性。例如，該多晶硅可摻雜有p型摻雜物。

可根據(jù)方法400形成包含多晶硅的第一發(fā)射極，方式為：在薄介質(zhì)層上形成摻雜多晶硅層(步驟401)，并且隨后將摻雜多晶硅層圖案化以形成第一發(fā)射極(步驟402)。還可根據(jù)方法500形成包含多晶硅的第一發(fā)射極，方式為：在薄介質(zhì)層上印刷摻雜硅納米粒子(步驟501)，并且隨后進(jìn)行熱處理以使硅納米粒子聚結(jié)形成多晶硅(步驟502)。第一發(fā)射極可在形成在薄介質(zhì)層上之前或之后摻雜。

在單晶硅基板中形成第二發(fā)射極(步驟303)。在一個(gè)實(shí)施例中，形成第二發(fā)射極的方式為：在單晶硅基板上形成摻雜物源層，并且隨后使摻雜物從摻雜物源層擴(kuò)散到單晶硅基板中以形成包含單晶硅的第二發(fā)射極。第二發(fā)射極可被摻雜為具有與多晶硅發(fā)射極的第一極性相反的第二極性。在多晶硅發(fā)射極為p型摻雜的例子中，單晶硅發(fā)射極可摻雜有n型摻雜物，而單晶硅基板可摻雜有n型摻雜物。在多晶硅發(fā)射極為n型摻雜的其他例子中，單晶硅發(fā)射極可摻雜有p型摻雜物，而單晶硅基板可摻雜有p型摻雜物。

隨后將相互交叉的金屬觸點(diǎn)連接到第一發(fā)射極和第二發(fā)射極(步驟304)。

本發(fā)明已公開了混合型發(fā)射極全背接觸式太陽能電池及其制造方法。雖然已提供了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例是用于舉例說明的目的，而不用于限制。通過閱讀本發(fā)明，許多另外的實(shí)施例對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言將是顯而易見的。