專利名稱：將金屬接點沉積在埋柵太陽能電池上的方法及由該方法獲得的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于具有摻雜半導(dǎo)體材料本體的埋柵(buried grid)太陽能電池的一個或多個接點的金屬化，即沉積金屬的方法，摻雜半導(dǎo)體材料體具有兩個主要相對面，其形成均具有一個或多個電接點的光入射面以及背面，以及該摻雜半導(dǎo)體材料本體還在主要相對面間具有一個或多個側(cè)面，其中在光入射面的電接點通過按一個或多個凹槽的圖形配置在光入射面的半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)電材料來形成。另外，本發(fā)明還涉及通過這種方法制造的埋柵太陽能電池。
背景技術(shù)：
從1980年以來，通過改革制造方法以及改善產(chǎn)品性能，光電(PV)太陽能電池的世界范圍應(yīng)用的成本已經(jīng)下降了7倍。然而，在我們期望在可再生能源市場中廣泛使用PV太陽能電池前有必要進一步降低制造成本。因此，仍然需要通過改進生產(chǎn)工藝進一步節(jié)約太陽能電池的制造成本。
所有太陽能電池的一個共同的特征是，需要使金屬接點與設(shè)備的正和負表面接觸以傳送光生電流。接點必須低成本、堅固、高導(dǎo)電性而且尤其要制作簡單且效率高。鍍銅的接點用在制作PV太陽能電池中。銅的高導(dǎo)電性對這種應(yīng)用來說很理想，但通過化學(xué)鍍的電流沉積方法有點慢而且效率低。另外，大量化學(xué)制品的成本和處理是與化學(xué)鍍銅有關(guān)的日益增加的問題。
PV太陽能電池通常是基于使用摻雜的半導(dǎo)體材料。在一種類型的太陽能電池中，將硅用作半導(dǎo)體。這種類型的太陽能電池通常包括預(yù)先制造的P型摻雜硅晶片。為了準備太陽能電池，從光入射面對這種晶片進行摻雜以在該表面上形成n型硅。用這種方法，在n型和p型硅間形成稱為p-n節(jié)的梯度接口(gradient interface)。p-n節(jié)產(chǎn)生使得載流子在一個方向中移動的電場。為能引導(dǎo)電流離開電池，在電池上提供金屬接點。這些接點充當電池的正和負接點。然而，通過將金屬接點排列在光入射面上，這些接點降低了太陽能電池的光入射面上的有效面積并因此降低電池的效率。因此，減小這些金屬接點的掩蔽效應(yīng)(shading effect)是很重要的。
在1984年以來的US專利No.4726850和No.4748130以及相應(yīng)的AU專利No.570309(Green以及Wenham)中，公開了一種埋柵太陽能電池，其中在光入射面上的金屬接點嵌入到該表面中的凹槽中以降低掩蔽效應(yīng)以及改善與半導(dǎo)體的電接觸。在這些專利的說明書中，列出了用于提供金屬接點的許多方法。這些方法包括將銀漿刮到凹槽中、浸焊和電鍍。然而，在這些專利說明書中沒有舉例說明電鍍方法。
當在外露表面上形成金屬接點時，將用于準備嵌入的接點材料的常規(guī)電鍍方法用在上述已知的埋柵太陽能電池中所使用的凹槽中將導(dǎo)致在凹槽的內(nèi)部空間中生成不希望的空穴。這些空穴將降低導(dǎo)電體的效率。另外，接點材料也將形成在與凹槽相鄰的區(qū)域中的電絕緣透光層上，這遮蔽了到太陽能電池的入射光并降低其效率。因此，盡管在1984年Green和Wenham提到過使用電鍍來準備嵌入接點，但在本發(fā)明之前，還沒有進一步開發(fā)該方法。
在電鍍產(chǎn)業(yè)，在電鍍槽中使用特殊的添加劑是慣例。這些就其本身而言用在電解鍍銅中為公知的添加劑是整平(levelling)添加劑。該整平添加劑確保在形成電鍍層的過程中層疊增長而且對整平正被電鍍的基本材料中的小劃痕很有效。這些劃痕通常在寬為0.1至5μm以及深為0.1至5μm的數(shù)量級內(nèi)。
用在電解鍍銅中的另一類公知的添加劑是充當控制擴散的電鍍阻化劑的抑制添加劑。這種抑制添加劑(suppressing additive)禁止在具有較高場強的區(qū)域，如在最接近陽極的升高區(qū)域中形成金屬。
在Plating & Surface Finishing(2000年3月，pp81-85，Mikkola等)公開了一種使用光亮劑、整平劑以及抑制劑的鍍銅方法，用于在半導(dǎo)體設(shè)備的區(qū)域中的內(nèi)連所用的亞微米尺寸槽的無空穴間隔填充。在該文中，強調(diào)控制電流強度和添加劑水平對間隔填充機制具有顯著的影響。然而，沒有給出有關(guān)電解槽的具體組成的詳細信息，而且也沒有給出在較大凹槽如深度約為20-50μm以及寬度為10-30μm的凹槽情況下的信息。
因此，在本發(fā)明之前，需要一種用于提供具有良好的導(dǎo)電性以及沒有除由埋柵太陽能電池上的凹槽尺寸(寬度)限定的另外的掩蔽的電接點。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用簡單的電鍍技術(shù)有可能完全填充該類太陽能電池中的凹槽，其中該凹槽通常深20-50μm以及寬10-30μm，該電鍍技術(shù)涉及常規(guī)的電鍍槽以及本身公知的添加劑的特殊組合，以獲得沒有空穴以及在凹槽外部的光入射面上沒有過鍍敷(overplating)的有效的嵌入接點。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種用于金屬化埋柵太陽能電池的一個或多個接點的方法，該太陽能電池具有摻雜的半導(dǎo)體材料本體，該本體具有兩個主要的相對面，該兩個相對面形成均具有一個或多個電接點的光入射面和背面，以及該主體還具有在該主要相對面之間的一個或多個側(cè)面，其中通過按一個或多個凹槽的圖形配置在光入射面的半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)電材料在光入射面上形成電接點或接點，該方法包括步驟a)在半導(dǎo)體本體中提供一個p/n節(jié)以及在光入射面以及任意的其他表面上的電絕緣層，該電絕緣層是透光的并且對化學(xué)鍍不起催化作用，b)在一個或多個側(cè)面上提供外露表面，c)提供具有從光入射面經(jīng)絕緣層并進入半導(dǎo)體本體中的深20-50μm以及在光入射面的水平面上寬10-30μm的一個或多個凹槽，d)在步驟c)中獲得的凹槽中摻入外露材料以重新在凹槽中的表面下部的材料中建立p-n節(jié)，e)通過在化學(xué)鍍后燒結(jié)將晶種層施加到凹槽中的外露半導(dǎo)體材料上，f)通過化學(xué)鍍將導(dǎo)電基層施加到在步驟d)中獲得的晶種層的頂部，以及g)通過使用常規(guī)電鍍槽以及使用實質(zhì)上恒定的電池電壓的電解電鍍，利用導(dǎo)電接點形成材料填充凹槽，該常規(guī)電解槽還包括平整添加劑以及抑制添加劑。
另外，本發(fā)明涉及埋柵太陽能電池，該電池包括摻雜的半導(dǎo)體材料本體，該本體具有兩個主要的相對面，該兩個相對面形成均具有一個或多個電接點的光入射面以及背面，且該本體在主要相對面之間還具有一個或多個側(cè)面，其中通過按一個或多個凹槽的圖形配置在光入射面的半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)電材料來形成光入射面上的電接點，該光入射面具有由凹槽阻斷的電絕緣透光涂層，該凹槽在光入射面的水平面上深20-50μm以及寬10-30μm，并具有涂在凹槽的表面上的晶種層，在該晶種層頂部，凹槽具有導(dǎo)電基層，在該導(dǎo)電基層頂部，再次在電絕緣透光層上基本上沒有空穴和沒有過鍍敷地利用導(dǎo)電接點形成材料填充凹槽。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一個關(guān)鍵特征是使用結(jié)合恒定電池電壓的平整添加劑以及抑制添加劑。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，另一關(guān)鍵特征是用于獲得電解電鍍步驟的有效電接點的方法，該方法是通過結(jié)合晶種層以及其后的導(dǎo)電基層，通過在凹槽中以及在至少一個側(cè)面部分上的化學(xué)鍍以形成至所使用的電解電鍍裝置的夾具的接點來實現(xiàn)的。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的電鍍步驟中，沉積接點形成材料，從凹槽底部形成接點形成材料(由整平添加劑以及抑制添加劑導(dǎo)致的)，以及用基本上一層一層沉積這種材料的方法實現(xiàn)接點形成材料的逐步形成。當凹槽填滿時基本上停止沉積。
通過上面提到的用于化學(xué)鍍銅以便將金屬接點提供到太陽能電池的光入射面的凹槽中的Green和Wenham的現(xiàn)有技術(shù)方法，通過使用化學(xué)還原劑將在所使用的銅電鍍液中的銅離子還原成游離金屬。由于該化合物所帶來的健康風險，通常使用甲醛或(當用作水溶液時)甲醛溶液，并且該化合物的使用要求用于安全處理和排除的特殊預(yù)防措施。在本發(fā)明的方法中，銅離子還原成銅元素是通過外部電源的電子來提供的而且沒有引入化學(xué)還原劑，因此通過使用本發(fā)明的方法不存在這種健康風險。
總之，本發(fā)明的方法與現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)鍍技術(shù)相比對環(huán)境更安全。如一個例子所提到的，在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，必須廢棄溶液中約30％的銅，溶液中僅約70％的銅沉積在晶片上，而在本發(fā)明的方法中采用的溶液中幾乎100％的銅沉積在晶片上。在現(xiàn)有技術(shù)中僅利用70％銅的原因在于銅溶液必須相當頻繁地更新。另外，由于很有效地將銅離子保持在溶液中的復(fù)雜組分，很難從廢棄的溶液除去銅離子。因此，這對現(xiàn)有技術(shù)的方法增加了另外的環(huán)境問題。
本發(fā)明的方法的另一優(yōu)點在于，與現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)鍍技術(shù)相比電鍍速率快至30倍。即，能僅在3分鐘內(nèi)實現(xiàn)將足量的銅金屬沉積在凹槽中以及晶片上的任何想要的位置。作為該短處理時間的結(jié)果以及由于在槽中銅離子的濃度幾乎保持不變的事實，本發(fā)明的方法的該步驟適用于連續(xù)的傳送處理，因為沉積的銅量由從銅陽極分解的等量的銅來補償。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的方法的另一優(yōu)點在于，用于電解銅沉積的化學(xué)物質(zhì)通常比用于化學(xué)銅沉積的化學(xué)物質(zhì)便宜得多。
最后，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在化學(xué)鍍技術(shù)之前，如果劃痕通過介電層出現(xiàn)在光入射面，在所述化學(xué)鍍方法中這些劃痕將自動地被鍍上銅，這導(dǎo)致輕微的掩蔽效應(yīng)以及不想要的外觀。根據(jù)本發(fā)明，該問題對用電鍍方法來電鍍的半導(dǎo)體本體不存在，因為電鍍方法不象化學(xué)鍍一樣是自動催化方法。因此，電解電鍍將僅發(fā)生在正與整流器的陰極(負極)電接觸的區(qū)域上。
粗略估計顯示，與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，本發(fā)明的方法可獲得相當?shù)馁M用節(jié)省。通過預(yù)期在將來五年中全球廣泛增加生產(chǎn)四到五倍的埋柵太陽能電池，上述列出的優(yōu)點在經(jīng)濟方面以及環(huán)境影響方面將的確變得很有益。
本發(fā)明的適用性的范圍由下述詳細說明來體現(xiàn)。然而，應(yīng)當理解，所包括的結(jié)合附圖和具體的例子的詳細說明只是示例性地描述優(yōu)選的實施例，在保護范圍內(nèi)的各種改變和修改在詳細說明的基礎(chǔ)上對現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)人員來說是顯而易見的。


圖1a是根據(jù)本發(fā)明，通過電解鍍銅填充的凹槽的SEM圖象，圖1b是根據(jù)本發(fā)明，通過電解鍍銅僅填充一半的凹槽的SEM圖象，以及圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，通過化學(xué)鍍銅填充的凹槽的SEM圖象。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及對光電埋柵太陽能電池的改進，這種電池基于摻雜的半導(dǎo)體材料的本體如晶片，并且在前表面上具有嵌入接點。本發(fā)明還涉及對準備這種太陽能電池的方法的改進。
根據(jù)優(yōu)選實施例，太陽能電池是用摻雜的硅用作有源半導(dǎo)體設(shè)備制成的。通常是以150×150mm的方形或直徑為150mm的圓形，且厚度約為250-400μm的硅晶片的形式。該硅可以是單晶體(稱為單晶)或可包含許多小的晶體(指多晶體或復(fù)晶)。
通常使用的硅晶片包括p型硅晶片。該晶片的光入射面在800-900℃通過使用磷化合物，如POCl3摻雜以將其制成n型并生成作為太陽能電池的有源組分的基本p/n節(jié)。
為使光生成的自由電子能離開太陽能電池，將金屬接點應(yīng)用到光入射前表面(n型表面)以及后表面(p型表面)上。在前表面，接點覆蓋該表面的最小區(qū)域是很重要的，以便允許光進入硅中。
在所謂的埋柵太陽能電池中通過嵌入在凹槽中的導(dǎo)電材料確保做到這一點，按柵格圖案將導(dǎo)電材料切入太陽能電池的前表面，如在美國專利No.4726850和No.4748130中公開的。在凹槽中嵌入的導(dǎo)電材料形成導(dǎo)電柵線元件的圖形。
柵線元件應(yīng)當盡可能窄以便使光入射面部分最小化，該光入射面部分將被柵線元件掩蔽。被掩蔽的光入射面的比率越小，則電池性能越好。電池性能通常根據(jù)在標準測試條件下的效率來測量-電能除以總的入射太陽光能。
在凹槽被切入前表面時，該表面具有電絕緣層的頂表面涂層，該電絕緣層是透光的并且對化學(xué)鍍不起催化作用。該涂層充當抗反射層。結(jié)合本發(fā)明，電絕緣層的另一重要之處在于，因為這種介電(不導(dǎo)電)層將防止將金屬鍍在光入射前表面的不需要的區(qū)域上。在優(yōu)選實施例中，電絕緣層是涂在硅表面上的氮化硅?？蛇x的電絕緣層可是二氧化硅。
在本優(yōu)選實施例中，使用激光將凹槽切入晶片的前表面中。替代地，可使用金剛石鋸機械地形成凹槽。其他可選方案包括化學(xué)蝕刻的凹槽或等離子體蝕刻的凹槽。
凹槽從光入射面起深20-50μm，因此穿透絕緣氮化硅層并進入半導(dǎo)體本體。在光入射面的水平面上寬為10-30μm。用這種方式，能將p型硅暴露在凹槽中，并且在這種情況下，有必要將凹槽內(nèi)部的表面摻雜來獲得n型硅并因此重建p-n節(jié)。
本發(fā)明的一個基本特征是建立金屬接點，特別是嵌入在前表面上的凹槽中的柵線元件的這種方法，但在另一優(yōu)選實施例中金屬接點也可在背面。電接觸金屬接點的這種建立也可稱為金屬化。
在根據(jù)上述US專利No.4726850以及4748130制造的商業(yè)埋柵太陽能電池中，通過以化學(xué)鍍鎳沉積薄(通常為0.1μm)鎳晶種層、通常在400℃于惰性氣氛(氮、氬或氮氫混合氣體)中將鎳層燒結(jié)到硅表面上來準備柵線元件，以便以高機械粘接性產(chǎn)生與硅的歐姆接觸。在該鎳的薄晶種層的頂部，通過化學(xué)鍍沉積約0.1μm的鎳基層。此后，通過以化學(xué)鍍銅沉積主銅導(dǎo)線(通常5μm)來提供柵線元件的主要導(dǎo)電部分。在圖2上示出了根據(jù)該商業(yè)方法準備的化學(xué)鍍銅凹槽的SEM圖象。從圖2可以看出，與凹槽相鄰的表面也被過鍍敷，由此光入射面的部分被掩蔽。此外，凹槽沒有填充形成接點的銅，因為截面的中央部分是空穴(void)。這種空穴部分降低了柵線元件的導(dǎo)電性。
此外，在鍍敷過程中形成的空穴可帶來很難或不可能在制造步驟后的測試過程中檢測出的潛在的問題。腐蝕性的鍍液可能被收集或包圍在空穴中并且可能很難或不可能通過漂洗去除。這種鍍液將來可能漏出并且可能污染甚至通過腐蝕接點、焊接等等破壞太陽能電池。
根據(jù)本發(fā)明，與商業(yè)方法相同，首先施加薄的化學(xué)鍍鎳的晶種層，然后燒結(jié)來建立金屬化。于是通過化學(xué)沉積方法將相對厚的約2μm的鎳基層沉積在晶種層的頂面。該基層充當隨后鍍銅的導(dǎo)體，以及可根據(jù)厚度充當阻止銅擴散到硅中的阻擋層。最后，用電解鍍銅填充凹槽。正如從圖1a所看到的，現(xiàn)在可能填充凹槽而沒有空穴以及沒有對光入射面的過鍍敷。
兩個化學(xué)鍍步驟彼此不同。因此，晶種層的目的是創(chuàng)建至硅的接點以及用于催化后續(xù)電鍍的晶種。術(shù)語“晶種層”不理解成覆蓋外露的硅表面的連續(xù)層。因此，它通常僅僅是分布在外露的硅表面上的金屬“顆粒”群組。每個群將是用于基層的后續(xù)化學(xué)鍍的催化晶種，基層是真正的連續(xù)層。用于準備鎳晶種層的適當系統(tǒng)是來自EnthoneTM-OMI的AL100鍍槽。
基層必須是在后續(xù)的電解鍍銅步驟中充當陰極以及在最后的太陽能電池中的硅和接點形成材料之間充當接觸元件的具有高導(dǎo)電性的層。這是通過使在最后的化學(xué)沉積中的低磷含量來保證的。此外，基層應(yīng)該具有低的內(nèi)部機械應(yīng)力。如果基層鍍槽穩(wěn)定且容易處理和操作的話則是所希望的。用于準備鎳基層的適當?shù)牡土?、低溫、高速、化學(xué)鍍方法是來自EnthoneTM-OMI的EnplateTMNi 429E鍍槽。
薄的化學(xué)鍍鎳的晶種層的第一種應(yīng)用對已知的商業(yè)方法和根據(jù)本發(fā)明的方法來說是很普通的。該步驟要求對化學(xué)鍍起催化作用的表面。這種催化表面是凹槽中的外露硅表面，而在光入射面上的氮化硅層不對化學(xué)鍍起催化作用。為保證與電解鍍銅步驟中所用的電解電鍍裝置的夾緊夾具的良好接觸，在應(yīng)用晶種層前，在與凹槽的至少一端相鄰的硅晶片的至少一個側(cè)面上提供外露的硅表面。用這種方法，不僅將晶種層應(yīng)用到凹槽中的外露表面中，而且也應(yīng)用在所述側(cè)面上。用這種方法，在晶種層的頂部的基層將是以連通方法覆蓋凹槽表面而且側(cè)面兩者的導(dǎo)電整合層。
在正常的電池處理順序中，也沿晶片的側(cè)面涂上氮化硅。如果留在原處，這種電絕緣氮化硅將導(dǎo)致與晶片的不良電接點。因此，為暴露硅表面，例如通過用C2F6-氧等離子體來進行等離子體蝕刻以從晶片的側(cè)面去除氮化硅。該晶片是“硬幣狀堆疊的”以便僅將晶片的側(cè)面暴露給等離子體。也可考慮用于去除氮化硅的其他技術(shù)，包括磨蝕或高速噴水方法。
如上所述，外露的硅側(cè)面首先被鍍以晶種層然后鍍以較厚的化學(xué)鍍鎳的基層。在后續(xù)步驟中，這些晶片的鍍鎳側(cè)面在電解鍍銅過程中與電鍍夾具具有良好的電接觸。
在化學(xué)鍍鎳后，使用基于硫酸銅(CuSO4.5H2O)以及硫酸(H2SO4)的常規(guī)電鍍槽并另外包括平整添加劑和抑制添加劑，以及使用基本上恒定的電池電壓通過電解鍍銅方法來填充凹槽。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的方法中有用的整平添加劑(整平劑)包括含有硫脲族(-C(S)-NH-)或它的相應(yīng)的異構(gòu)巰基形式的化合物。這些化合物的例子是硫脲以及它的衍生物，如1-乙基硫脲、1，3-二乙基硫脲、1-苯硫脲等等(如參見美國專利No.3682788)，亞乙基硫脲、四氫噻唑-2-硫酮、2-嘧啶硫醇等等(如，參見美國專利3542655)。
另一種在本發(fā)明的方法中用作整平添加劑的化合物是具有相對高的分子量的陽離子，如二甲基苯基吡唑酮鎓染料，例如稱為JanusGreen、Janus Black、Neptune Blue等等的化合物。同樣，聚合二甲基苯基吡唑酮鎓化合物也表現(xiàn)出具有很有效的均染特性。這些的例子包括聚(6-甲基-7二甲胺基-5-苯基-二甲基苯基吡唑酮鎓硫酸鹽)、聚(2-甲基-7二甲胺基-5-苯基-二甲基苯基吡唑酮鎓硫酸鹽)、聚(2，5，8-三苯基-7二甲胺基-5-苯基-二甲基苯基吡唑酮鎓硫酸鹽)。同樣，某些陽離子聚合物，如聚亞烷基亞胺、2-丁吡和/或2-甲基-5-丁吡的聚合物和共聚物均是在本發(fā)明的方法中很有用的整平添加劑。
二硫代氨基甲酸的衍生物如N、N-二烷基-二硫代氨基甲酸-n-丙酯-ω-磺酸鈉以及N-烷基-二硫代氨基甲酸-n-丙酯-ω-磺酸鈉，其中烷基通常包含1-5個碳原子(如，參見美國專利No.3,798,138)，根據(jù)本發(fā)明的方法均可用作整平添加劑。
在本發(fā)明的方法中上述提到的化合物的濃度通常在0.001g/l至0.05g/l的范圍內(nèi)。然而，二硫代氨基甲酸可以相當高的濃度使用。上述化合物的最有效的整平劑是二甲基苯基吡唑酮鎓化合物。
為防止在更接近陽極的區(qū)域(如凹槽的頂部側(cè)面)過鍍敷，進一步將抑制添加劑包含在用在本發(fā)明的方法中的電鍍槽中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)R1-S-S-R2類的有機二硫化物作為抑制添加劑很有用，其中R1和R2可以相同或不同且均是烷基硫酸鹽族。用在本發(fā)明的方法中的抑制添加劑的一個例子是雙(丙基磺酸鈉)二硫化物(bis(sodiumpropylsulfonicacid)disulfide)。通常抑制添加劑的濃度在10-20mg/l的范圍內(nèi)。
可選地，可將載流子光亮劑(carrier brightener)包括在本發(fā)明的方法的電鍍槽組成中。載流子光亮劑的特性是通過提供均勻的、小顆粒、光亮的沉積物來提高其他添加劑的性能以及亮度。包含高分子量化合物(分子量為1000至20000)的一族氧已經(jīng)表現(xiàn)出提供了極好的光亮劑特性。該族包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙二醇、烷基酚聚乙二醇醚(烷基通常是辛基、壬基或十二烷基)、聚乙烯-聚丙二醇嵌段聚合物，以及最終是環(huán)氧乙烷和1，2-環(huán)氧丙烷的共聚物。當包括這些特殊載流子光亮劑時，其濃度的范圍為從0.001至1g/l。
由于與凹槽相鄰的表面已經(jīng)具有氮化硅的電絕緣層的事實，并且使用添加劑，有可能用電解鍍銅技術(shù)填充凹槽而沒有空穴并且沒有過鍍敷。通常以選擇的指定電流強度來執(zhí)行電解過程。根據(jù)本發(fā)明，使用恒定的電池電壓，如0.5-5V或更高，更適宜是0.8-3V，最好是1-2V，這表示初始電流密度很低并隨沉積物增加快速上升。
在優(yōu)選實施例中，在晶片中提供的凹槽包括(i)第一組凹槽，由在光入射面的主要部分上相互隔開分布的多個基本上平行的凹槽組成；以及(ii)第二組凹槽，和第一組凹槽(i)相交的一群或多群窄間隔的凹槽。在這種情況下，金屬化步驟提供相應(yīng)的第一組嵌入導(dǎo)線以及相應(yīng)的第二組嵌入導(dǎo)線，第二組導(dǎo)線形成在交點處電連接到第一組嵌入導(dǎo)線的一束或多束母線(bus-bar)。這種嵌入導(dǎo)線的圖形或柵線元件對導(dǎo)電，并因此對利用在太陽能電池中生成的電流很有利。
最好，在金屬化前，將在一個或多個凹槽中的至少一端的半導(dǎo)體材料的外露表面延伸到至少一個相鄰的外露側(cè)面的至少部分。用這種方式，分別在步驟(e)和(f)中提供的晶種層以及導(dǎo)電基層將不僅應(yīng)用在凹槽中的外露表面而且應(yīng)用在側(cè)面上的連通外露表面上。該連通外露表面確保了在凹槽中形成的基層和在側(cè)面的所述部分上形成的基層間的電接觸，在側(cè)面的所述部分上形成的基層再次確保在電解鍍銅步驟(g)中所用的電解電鍍裝置的夾緊夾具經(jīng)該側(cè)面上的基層與凹槽中的基層的良好的電接觸。
正如上面已經(jīng)提到過的，太陽能電池在背面也具有接點。在根據(jù)Wenham和Green(US4748103和US4726850)準備的上述的商業(yè)埋柵太陽能電池中，通過在金屬化步驟前在蒸發(fā)后燒結(jié)在晶片的背面沉積鋁來提供該背面接點。用這種方式，化學(xué)鍍鎳和電鍍銅也將把鋁沉積物覆蓋在背面上作為最終的背面接點。如果需要整個金屬覆蓋，則用于激活涂在背面的燒結(jié)鋁的刻蝕步驟可任意地在電鍍處理前執(zhí)行。該激活可通過包括用HF和H2SO4的混合物刻蝕燒結(jié)的氧化鋁的特殊的預(yù)處理來執(zhí)行。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，也可將具有創(chuàng)造性的金屬化原理應(yīng)用在背面上。因此，可使用半導(dǎo)體本體來執(zhí)行該創(chuàng)造性方法，該半導(dǎo)體本體在應(yīng)用晶種層的步驟e之前的步驟中已經(jīng)在背面具有鋁涂層。在這種情況下，該鋁涂層可被任意激活以及步驟(e+f+g)還包括分別在鋁涂層上應(yīng)用的晶種層、基層以及接點材料的沉積物。用這種方式，在凹槽以及側(cè)面以及背面上的導(dǎo)電基層在步驟(f)中形成為整合的導(dǎo)電連通單元，在步驟(g)，接點形成材料沉積為凹槽中、側(cè)面以及背面上的整合導(dǎo)電連通沉積物。在金屬化步驟后，必須除去在步驟(e+f+g)中形成的側(cè)面上的導(dǎo)電層，以便消除在半導(dǎo)體的兩個主要相對面上的電接點之間通過側(cè)面上的導(dǎo)電層發(fā)生的短路。
用于在電鍍后從太陽能電池的側(cè)面上除去金屬(鎳和銅層)以避免電氣短路的優(yōu)選方法是從晶片的側(cè)面的一小的間距，通常是1mm在前面或背面中用激光刻畫出一凹槽并進入到晶片厚度的約1/3。然后通過突然折斷(襞開)側(cè)條來去除電池的金屬鍍層的側(cè)面。也可考慮從側(cè)面去除金屬的其他方法，包括機械磨蝕和反應(yīng)性等離子體蝕刻。
在上述的具有兩組凹槽的實施例中，這兩組凹槽包括(i)第一組凹槽，由在光入射面的主要部分上相互隔開分布的多個基本上平行的凹槽組成；以及(ii)第二組凹槽，和第一組凹槽(i)相交的一組或多組窄間隔的凹槽，其中相應(yīng)的第二組導(dǎo)線形成電連接到第一組嵌入導(dǎo)線的一束或多束母線，電解電鍍步驟可在以下條件下執(zhí)行將夾具夾緊到在與第二組的一個或多凹槽連通的一個側(cè)面上的導(dǎo)電層上，以及用以下方式在電鍍步驟(g)中將半導(dǎo)體本體提升或降低到電解槽中，即與離所述側(cè)面較近的第一組凹槽相比，將離在所述側(cè)面上的導(dǎo)電層較遠的第一組凹槽浸沒在電解槽中更長的時間周期。這確保在凹槽中所需的均勻沉積物因為與夾具長間距的凹槽表面部分將比離夾具較近的其他部分浸沒更長的時間周期，所以在侵沒時間相同的情況下，沉積物將更高。
半導(dǎo)體材料本體最好是由摻雜硅制成。然而，任何半導(dǎo)體材料可用在本發(fā)明的太陽能電池中。其他半導(dǎo)體材料的例子是砷化鎵、磷化銦、硒化銅銦以及氧化鋅。
晶種層充當用于后續(xù)金屬化步驟的晶種。優(yōu)選的晶種層是用鎳或其合金制成。其他用作晶種層的可能的金屬的例子是Pd、Au、Ag、Co、Sn以及其合金。
通過將銅擴散到半導(dǎo)體材料中，基層可充當遷移的惰性阻擋層，因為這種遷移是太陽能電池的“壽命殺手”。另外，它應(yīng)當充分導(dǎo)電，應(yīng)當具有低內(nèi)部機械應(yīng)力，并且應(yīng)當顯示出充足的延展性以抵抗熱應(yīng)力。至于晶種層，最好基層是由鎳或其合金制成。用于基層的其他可能的金屬的例子包括Pd、Au、Ag、Co、Sn以及它們的合金。
用以填充凹槽以作為嵌入導(dǎo)線的接點形成材料應(yīng)當是具有高導(dǎo)電性的材料。為此，優(yōu)選材料是銅。
在本說明書中，已經(jīng)主要參考化學(xué)鍍鎳描述了兩個化學(xué)鍍步驟，上述描述是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行的。然而，使用具有良好特性的適當金屬分別作為晶種層和導(dǎo)電基層的其他化學(xué)金屬鍍也可考慮。在這種可選金屬的情況下，包含鍍槽的成分的鍍敷條件應(yīng)當適用于所討論的金屬。這種適合本領(lǐng)域的技術(shù)人員是能了解的，并且適當?shù)腻儾巯到y(tǒng)在市場上可獲得。替代的金屬的例子包括Pd、Au、Ag、Co、Sn以及包含具有Ni的合金的它們的合金。
用相同的方法，也已經(jīng)參考電解鍍銅描述了電解電鍍，所描述的是當前的優(yōu)選實施例。然而，也可考慮使用具有良好導(dǎo)電特性的金屬的其他電解金屬電鍍。在這些替代的金屬的情況下，包括電解槽的成分的電鍍條件應(yīng)當適用于所討論的金屬。這種適合包括選擇整平以及抑制添加劑，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以了解這種結(jié)合，并且可在市場上獲得適當?shù)碾娊獠巯到y(tǒng)。用于接點形成材料的替代的金屬的例子包括Au、Ag、Sn以及Ni。
例子起始材料使用具有圓角以及厚度為300μm的p型摻雜的約13×13cm的正方形常規(guī)硅晶片。這些晶片是商業(yè)上可獲得的，如由Bayer SolarGmbH或PV Silicon GmbH制造。
p摻雜以及SiNx沉積物(通過后續(xù)的在底部、水、酸和水中，以90℃的溫度浸沒晶片)蝕刻、構(gòu)造以及清洗晶片。然后，前表面，即光入射面，在約800-900℃在管狀石英爐中用POCl3來處理，以便以背對背的方式通過堆疊晶片在前表面提供n型摻雜硅層。此后，通過使用二氯甲硅烷+NH3-氣體的LPCVD(低壓化學(xué)汽相淀積)在低壓下，在800-900℃下在第二管狀石英爐中沉積氮化硅以便在晶片的前表面以及側(cè)面上獲得氮化硅(SiNx)層。氮化硅層電絕緣、透光以及對化學(xué)鍍不起催化作用并充當太陽能電池的抗反射涂層。
因此晶片被以硬幣狀堆疊以便保護表面以及使側(cè)面暴露給使用C2F6+氧的等離子蝕刻來去除氮化硅層并暴露側(cè)面。
通過等離子體蝕刻來暴露后表面。
激光刻槽此后，經(jīng)氮化硅層在前表面中用激光切出多個凹槽以做成凹槽柵格。每個凹槽具有包括具有寬20μm和深約30μm的矩形部分以及底部中的V或U型截面的橫剖面，總深度為40μm。該凹槽圖形包括在前表面上分布的第一組80個平行凹槽(1.5mm間距)以及垂直于第一組凹槽并在具有彼此間隔6cm的兩束凹槽中接合的第二組凹槽。每束包括在1.5至2mm寬度內(nèi)的14個平行凹槽。
激光切出的凹槽穿過亞微米氮化硅層以及n型硅，這意味著在凹槽中的硅主要是p型硅。
為制造n型硅，首先通過在達到50℃的溫度下將晶片浸入底部、水、酸以及水中來蝕刻凹槽。然后在約1000℃下在管狀石英爐中用POCl3處理凹槽中的表面來提供凹槽中的n型摻雜硅層。
鋁沉積通過PVD(物理汽相淀積)在晶片的后表面上提供鋁沉積以及在約700℃在管狀石英爐中燒結(jié)沉積物。
晶種層使用來自EnthoneTM-OMI的AL100型鍍槽，在凹槽中的外露表面、側(cè)面以及背面上化學(xué)鍍鎳的晶種層。該系統(tǒng)是Ni2+含量為6g/l以及次磷酸鈉含量為20g/l并另外包含復(fù)雜的試劑和緩沖劑的基于硫酸鎳的溶液。該溶液的PH值被調(diào)整到具有氫氧化物溶液的9.7-10以及鍍敷過程在50-51℃下在100秒內(nèi)執(zhí)行。鍍敷的晶種層的厚度約為0.1μm。然后在400℃在氮的惰性氣氛中將晶種層燒結(jié)到硅表面。
導(dǎo)電基層使用來自EnthoneTM-OMI的EnplateTMNi 429 E鍍槽將化學(xué)鍍鎳的導(dǎo)電基層鍍在晶種層的頂面上。該系統(tǒng)是Ni2+含量為6g/l以及次磷酸鈉含量為20g/l并還包含復(fù)雜的試劑(20g/l)、穩(wěn)定劑和緩沖劑的基于硫酸鎳的溶液，并在75-78℃、pH值6.0-6.2、12分鐘內(nèi)執(zhí)行鍍敷過程。鍍敷的基層厚度約為2μm。
電解鍍銅每個晶片固定在用于夾住在與第二組凹槽，即形成兩束凹槽的那些凹槽的一端相鄰的一個側(cè)面上提供的鎳層的陰極夾具上。在該鎳層上，使用來自EnthoneTM-OMI的UBACTMER電鍍槽，在約6分鐘內(nèi)用2.0伏的恒定電池電壓進行鍍銅。該UBACTMER電鍍槽溶液包含180-240g/l硫酸銅(CuSO4.5H2O)、45-90g/l硫酸(H2SO4)、20-80mg/l的氯離子(Cl-)、1.5-2.5ml/l UBACTMER M光亮劑以及0.1-0.5ml/lUBACTMER L光亮劑。該光亮劑系統(tǒng)包括充當抑制添加劑的R1-S-S-R2型(R1和R2為烷基磺酸鹽族)的有機硫的化合物、充當整平添加劑的二甲基苯基吡唑酮鎓染料以及分子量約為2000的環(huán)氧乙烷與1，2-環(huán)氧丙烷的嵌段共聚物的載流子光亮劑。
通過鍍敷，如圖1a所示，完全用銅填充凹槽并且將銅層沉積在背面以及側(cè)面上。
圖1b示出了填充凹槽基本上從所述凹槽的底部開始，圖1b是已經(jīng)本發(fā)明的方法填充的凹槽的SEM圖象，其中該方法在整個方法進行一半時中止。與此相反，圖2表示除了在光入射面表面過鍍敷外，還伴隨有空穴形成的凹槽填充，圖2是通過現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)鍍方法填充的凹槽的SEM圖象。
激光側(cè)面隔離通過激光切割起斷裂線作用的凹槽以及后來的折斷去除在側(cè)面上不想要的導(dǎo)電鎳和銅沉積物。用這種方式，消除了在前表面中的嵌入銅接點以及在背面上的銅接點間的短路。太陽能電池的測試證明效率為16.5％。
所獲得的晶片可以并聯(lián)連接以形成太陽能電池組合板。
本發(fā)明的上述說明顯示出，用各種方式改變是顯而易見的。不將這些改變視為背離本發(fā)明的范圍，所有這些對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的改變也均被視為包括在隨后的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于金屬化具有摻雜的半導(dǎo)體材料本體的埋柵太陽能電池的一個或多個接點的方法，該本體具有兩個主要的相對面，該兩個主要的相對面形成均具有一個或多個電接點的光入射面以及背面，該本體還在該主要相對面間具有一個或多個側(cè)面，其中在光入射面的電接點是通過按一個或多個凹槽的圖形配置在光入射面的半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)電材料來形成的，該方法包括步驟a)提供具有p/n節(jié)以及在光入射面以及任選的其他表面上具有一電絕緣層的半導(dǎo)體本體，該電絕緣層是透光的而且對化學(xué)鍍不起催化作用；b)在一個或多個側(cè)面上提供外露的表面；c)提供從光入射面經(jīng)絕緣層并進入半導(dǎo)體本體的深度為20-50μm，以及在光入射面的水平面上寬10-30μm的一個或多個凹槽；d)對在步驟c)中獲得的凹槽中的外露材料摻雜以重建在凹槽中的表面下部的材料中的p-n節(jié)；e)通過化學(xué)鍍?nèi)缓鬅Y(jié)，將晶種層應(yīng)用在凹槽中外露的半導(dǎo)體材料上；f)通過化學(xué)鍍，將導(dǎo)電基層應(yīng)用到在步驟d)中獲得的晶種層的頂部；以及g)通過使用另外包括整平添加劑以及抑制添加劑的常規(guī)的電解槽，以及使用基本上恒定的電池電壓的電解電鍍，用導(dǎo)電接點形成材料填充凹槽。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟d)中提供的凹槽包括i)第一組凹槽，其由在光入射面的主要部分上彼此隔開分布的多個基本上平行的凹槽組成，以及ii)第二組凹槽，其為與第一組凹槽(i)交叉的一束或多束狹窄地隔開的凹槽，由此，在步驟(e+f+g)中提供的材料形成相應(yīng)的第一組嵌入導(dǎo)線以及相應(yīng)的第二組嵌入導(dǎo)線，該第二組導(dǎo)線形成電連接到第一組嵌入導(dǎo)線的一束或多束母線。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中將在一個或多個凹槽的至少一端中的半導(dǎo)體材料的外露表面延伸到至少一個相鄰的外露側(cè)面的至少一部分，以及將分別在步驟(e)和(f)中提供的晶種層以及導(dǎo)電基層應(yīng)用到如此連通的外露表面上，該連通的外露表面確保在凹槽中形成的基層與在側(cè)面的所述部分上形成的基層間的電接觸，以及確保了從在步驟(g)中使用的電解電鍍裝置的夾緊夾具經(jīng)在側(cè)面上的基層到凹槽中的基層的良好電接觸。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，在步驟e)之前的步驟中使用已經(jīng)在背面上具有鋁涂層的半導(dǎo)體本體，其中通過蝕刻氧化鋁層激活鋁涂層；以及，其中步驟(e+f+g)進一步包括分別將晶種層、基層以及接點形成材料的沉積物應(yīng)用到鋁涂層上，由此在步驟(f)中在凹槽以及側(cè)面和背面上形成電連通的基層，以及在步驟(g)在凹槽中、側(cè)面上以及背面上形成接點形成材料的電連通沉積物，其中去除在步驟(e+f+g)中在側(cè)面上形成的導(dǎo)電層的一部分以便消除經(jīng)由側(cè)面上的導(dǎo)電層在半導(dǎo)體的兩個主要相對面上的電接點間的短路。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中將夾具夾緊到與第二組的一個或多個凹槽連通的一個側(cè)面上的導(dǎo)電層上，并且按如下方式在步驟(g)中將半導(dǎo)體本體提升或放入到電解槽中，即與較接近所述側(cè)面的第一組凹槽相比，將位于離所述側(cè)面上的導(dǎo)電層較遠處的第一組的凹槽在電解槽中浸沒更長的時間周期。
6.如前述任何一個權(quán)利要求所述的方法，其中在凹槽中的接點形成材料基本上填滿凹槽而沒有過鍍敷電絕緣透光層。
7.如前述任何一個權(quán)利要求所述的方法，其中半導(dǎo)體材料本體包括由硅、砷化鎵、磷化銦、硒化銅銦以及氧化鋅構(gòu)成的組中的一種。
8.如前述任何一個權(quán)利要求所述的方法，其中晶種層和/或基層包括由Pd、Au、Ag、Co、Sn、Ni及它們的合金構(gòu)成的組中的一種。
9.如前述任何一個權(quán)利要求所述的方法，其中接點形成層包括Cu。
10.一種埋柵太陽能電池，包括具有兩個主要相對面的摻雜的半導(dǎo)體材料本體，該兩個主要相對面形成均具有一個或多個電接點的光入射面以及背面，該本體還在該主要相對面間具有一個或多個側(cè)面，其中在光入射面的電接點是通過按一個或多個凹槽的圖形配置在光入射面的半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)電材料來形成的，該光入射面具有由凹槽中斷的電絕緣透光涂層，該凹槽在光入射面的水平面處深20-50μm以及寬10-30μm，并具有覆蓋在凹槽中的表面上的晶種層，在該晶種層的頂部，該凹槽具有導(dǎo)電基層，在該基層的頂部，還以基本上沒有空穴以及沒有過鍍敷電絕緣透光層的方式用導(dǎo)電接點形成材料填充該凹槽。
11.如權(quán)利要求10所述的太陽能電池，其中已經(jīng)通過化學(xué)鍍提供晶種層以及導(dǎo)電基層，以及使用基本上恒定的電池電壓，在另外包括整平添加劑和抑制添加劑的常規(guī)電解槽中，通過電解電鍍提供導(dǎo)電接點形成材料。
12.如權(quán)利要求10或11所述的太陽能電池，其中半導(dǎo)體材料包括由硅、砷化鎵、磷化銦、硒化銅銦以及氧化鋅構(gòu)成的組中的一種。
13.如權(quán)利要求10-12中任何一個所述的太陽能電池，其中接點形成材料包括Cu。
14.如權(quán)利要求10-13中任何一個所述的太陽能電池，其中晶種層包括包括由Pd、Au、Ag、Co、Sn、Ni及它們的合金構(gòu)成的組中的一種。
15.如權(quán)利要求10-14中任何一個所述的太陽能電池，其中導(dǎo)電基層包括由Pd、Au、Ag、Co、Sn、Ni及它們的合金構(gòu)成的組中的一種。
16.如權(quán)利要求10-15中任何一個所述的太陽能電池，其中半導(dǎo)體材料體是摻雜晶片。
17.用在權(quán)利要求1-9中任何一個所述的方法獲得的太陽能電池。
全文摘要
用金屬化埋柵太陽能電池的一個或多個金屬接點的方法制造的一種埋柵太陽能電池，該埋柵太陽能電池具有摻雜半導(dǎo)體材料本體，其中通過以下步驟通過按一個或多個凹槽的圖形配置在半導(dǎo)體材料中的導(dǎo)電材料提供電接點通過化學(xué)鍍?nèi)缓鬅Y(jié)將晶種層應(yīng)用在凹槽中的外露半導(dǎo)體材料上，通過化學(xué)鍍將導(dǎo)電基層應(yīng)用到所述晶種層的頂部以及通過使用另外包括整平添加劑以及抑制添加劑的傳統(tǒng)電解槽、使用基本上恒定的電池電壓的電解電鍍，用導(dǎo)電接點形成材料填充凹槽。
文檔編號H01L31/068GK1447989SQ01814185
公開日2003年10月8日 申請日期2001年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月14日
發(fā)明者詹尼斯·達爾·詹森, 佩·莫勒, 奈杰爾·布盧奈爾·邁森, 理查德·沃特·約翰·拉賽爾, 比德·維浩文 申請人:Ipu生產(chǎn)研究院, 樂思(荷比盧經(jīng)濟聯(lián)盟)化學(xué)有限公司, Bp陽光有限公司