專利名稱：薄硅晶片上的發(fā)射體繞通背面接觸太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電太陽能電池，其用于從光直接產(chǎn)生電能，而無論所用的光是自然光還是人造光，更具體而言，涉及采用發(fā)射體繞通(Emitterwrap-through)(EWT)方法的薄晶體襯底太陽能電池，其中導(dǎo)電溝道是穿過硅晶片形成的，以通過將發(fā)射體繞通薄晶體襯底和正面上的發(fā)射體導(dǎo)電接觸。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今典型使用的光電太陽能電池基于晶體硅技術(shù)或者多種薄膜技術(shù)之一，例如無定形硅、銅銦聯(lián)硒化物或碲化鎘。晶體硅相比薄膜有一些優(yōu)點(diǎn)。晶體硅的主要優(yōu)點(diǎn)包括能量轉(zhuǎn)化效率更高，以及在戶外使用時(shí)的耐久性和可靠性。薄膜的缺點(diǎn)在于能量轉(zhuǎn)化效率低，特別是在可商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模上生產(chǎn)時(shí)，并且在持續(xù)長時(shí)間在戶外使用時(shí)性能下降。由于這些基本問題，在超過85％的戶外應(yīng)用中使用晶體硅。
光電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀是，在超過300微米的厚晶體硅晶片上制造太陽能電池。晶片可以是單晶或多晶?，F(xiàn)今廣泛使用的太陽能電池設(shè)計(jì)在接近正面(接收光的表面)形成p/n結(jié)，隨著光能被吸收到電池中，該p/n結(jié)產(chǎn)生電流。傳統(tǒng)的電池設(shè)計(jì)在電池正面有一組電接觸，在太陽能電池背面有第二組電接觸。在典型的光電模件中，將這些單獨(dú)的太陽能電池相互導(dǎo)電串聯(lián)以提高電壓。典型地，通過將導(dǎo)電帶從一個太陽能電池的正面焊接到相鄰太陽能電池的背面來實(shí)現(xiàn)這種相互連接。
本發(fā)明使用不同的電池設(shè)計(jì)，稱作發(fā)射體繞通(EWT)太陽能電池。EWT電池是稱作背面接觸電池的設(shè)計(jì)系列中的一種方法，所有背面接觸電池的兩組電接觸均在電池背面。這些方法在文獻(xiàn)中有廣泛記載，不僅包括EWT，還包括金屬繞通(Metal Wrap Through)(MWT)、金屬環(huán)繞(MetalWrap Around)(MWA)和背面結(jié)設(shè)計(jì)。與MWT和MWA電池相比，EWT電池的獨(dú)特特征在于，在電池正面沒有金屬覆蓋，這意味著對撞擊在電池上的光沒有任何阻擋。與背面結(jié)太陽能電池相比，EWT電池的獨(dú)特特征在于，EWT電池將電流收集結(jié)保留在正面，這對高電流收集效率是有利的。這些優(yōu)點(diǎn)又提高了電輸出。EWT電池公開于James M.Gee的美國專利No.5,468,652，Method Of Making A Back Contacted Solar Cell，該專利以全文形式結(jié)合在此。在眾多技術(shù)出版物中已經(jīng)討論了許多背面接觸電池設(shè)計(jì)。但是，所有上述MWT、MWA和EWT背面接觸電池設(shè)計(jì)都采用約300微米以上的標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅晶片，同時(shí)背面結(jié)電池還要求使用昂貴的具有格外長使用壽命的硅材料。
除了美國專利No.6,468,652外，在Gee是共同發(fā)明人的另外兩個美國專利中還公開了使用背面接觸太陽能電池的模件組裝和層壓的方法，分別為美國專利No.5,951,685，Laminated Photvoltaic Modules UsingBack-Contact Solar Cells，和美國專利No.5,972,732，Method of MonolithicModule Assembly。兩個專利都公開了可以為此處公開的發(fā)明采用的方法和方面，并且通過引用結(jié)合在此，如同全文闡述一樣。美國專利No.6,384,316，Solar Cell and Process of Manufacturing the Same，公開了一種備選的背面接觸電池設(shè)計(jì)，但是該設(shè)計(jì)采用MWT，其中孔或通孔間隔較遠(yuǎn)，金屬接觸位于正面上以促進(jìn)將電流傳導(dǎo)到背面，并且其中孔沿著金屬排列。
傳統(tǒng)的在正面和背面都有接觸的晶體硅太陽能電池是有缺點(diǎn)的。需要使用厚的硅晶片以提供制造方法和產(chǎn)生的應(yīng)力所必需的強(qiáng)度。隨著晶片變薄，它們已不能適應(yīng)由晶片和背面場(BSF)之間熱膨脹系數(shù)失配造成的應(yīng)變，所述BSF典型地包含位于晶片背面上的鋁合金。BSF的目的是減少標(biāo)準(zhǔn)配置太陽能電池背面處的復(fù)合損失(″鈍化″)。為了獲得所需的電學(xué)性能，Al必須厚(典型地超過30μm)并且全面積覆蓋。但是，Al的熱膨脹系數(shù)比Si的熱膨脹系數(shù)大了超過10X。產(chǎn)生的應(yīng)力造成電池彎曲，這種作用隨著晶片厚度的減小可能呈指數(shù)上升，急劇地降低生產(chǎn)產(chǎn)量。使用厚Al層的備選的鈍化技術(shù)，如減小Al厚度或焙燒溫度，使用薄膜蒸發(fā)金屬化法，使用不同的電介質(zhì)層(例如，熱生長二氧化硅或二氧化硅、氮化硅等的沉積層)，使用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(如無定形硅或多晶硅)，或者使用硼摻雜的硅層而不是Al合金B(yǎng)SF，這些技術(shù)對Al層的鈍化作用來說不能勝任和/或昂貴并且難以執(zhí)行，因此減損了通過使用薄晶片獲得的成本節(jié)約。這些缺點(diǎn)公開于，例如A.Schneider等，″Al BSF For Thin Screenprinted Multicrystalline SiSolar Cells″，第17屆Eur.PV Solar Energy Conf.論文，Munich，2001年10月；A.Schneider等，″Bow Reducing Factors For Thin Screenprinted Mc-SiSolar Cells With Al BSF″，第29屆IEEE Photovoltaic Specialists Conference論文，New Orleans，LA，2003年5月(第336頁)，以及F.Duerinckx等，″Improved Screen Printing Process For Very Thin Multicrystalline SiliconSolar Cells″，第19屆EPVSEC論文，2004，Paris。
典型地，硅晶片太陽能電池的厚度，無論其是否為背面接觸的，超過300微米。所需的硅量占傳統(tǒng)太陽能電池成本的相當(dāng)比例，并且是光電發(fā)電更廣泛使用所需的顯著降低成本的一個障礙。盡管薄膜具有減少所需原料用量的理論優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榘雽?dǎo)體層的厚度典型地在1-5微米數(shù)量級，但是它們還沒能克服效率低下、可靠性差和環(huán)境退化的問題。美國專利6,143,976，Solar Cell with Reduced Shading and Method of Producing theSame，描述了一種備選的電池結(jié)構(gòu)，其包括“三晶”晶片設(shè)計(jì)，由于特殊的設(shè)計(jì)和內(nèi)部晶體角的取向，可以鋸得相當(dāng)薄。但是，其公開內(nèi)容僅限于特殊的三晶晶片設(shè)計(jì)，并且需要專門的蝕刻方法和規(guī)程。通過要求特定的結(jié)晶取向，必須使用的柵極結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，并且要求背面的顯著鈍化。該專利還公開，背面復(fù)合速度＜100cm/s是必需的，而這如果不是不可能實(shí)現(xiàn)的，就是非常困難的。
因此，業(yè)內(nèi)需要采用薄晶體晶片的太陽能電池設(shè)計(jì)，使晶片的厚度小于300微米，并且優(yōu)選厚度明顯小于300微米。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)在晶體晶片厚度上的限制，同時(shí)還保持了使用硅的全部優(yōu)點(diǎn)。在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，提供一種光電電池，其中晶體硅晶片的厚度小于約300微米，優(yōu)選小于約200微米，更優(yōu)選小于約100微米，最優(yōu)選小于約60微米。使用此處提供的更薄晶體硅晶片的EWT電池結(jié)構(gòu)，由于沒有正面電接觸對入射光的遮蔽，能量轉(zhuǎn)化效率更高。光完全暢通無阻地進(jìn)入太陽能電池。另外，薄晶片上的EWT電池結(jié)構(gòu)由于在背面和正面都有一些電流產(chǎn)生而能量轉(zhuǎn)化效率更高。因而顯著減少了每塊電池的原料量并且提高能量轉(zhuǎn)化效率。
因此，本發(fā)明提供一種光電或太陽能電池，這種電池解決了光電行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)的特殊問題，即厚晶體硅晶片的使用。本發(fā)明可以使用非常薄的晶體硅晶片，從而以極大降低的成本獲得非常高的性能。而且顯著簡化將太陽能電池組裝成產(chǎn)品包裝的步驟。
本發(fā)明還提供在薄(如此處所述)晶體晶片上制造EWT電池的方法。制造EWT電池的方法是經(jīng)過選擇和設(shè)計(jì)的，使光即使在非常薄的厚度處也不通過晶片，而對于鋁背層，如在傳統(tǒng)太陽能電池中所能發(fā)現(xiàn)的，沒有任何限制。與傳統(tǒng)太陽能電池相比，薄晶片上EWT的應(yīng)用降低了原料消耗，因此成本下降，而且還提高了性能。這種更高的性能是薄晶片和EWT設(shè)計(jì)協(xié)同組合的直接結(jié)果。以這種方式，由于在沒有和鋁背層有關(guān)的應(yīng)力和斷裂問題的情況下采用較薄的晶片厚度，太陽能電池可以具有高性能和低成本。
這種方法的額外好處在于，通過使用薄晶片，還解決了EWT方法的一個缺點(diǎn)。EWT電池在晶片上有許多典型地由激光鉆鑿的孔(參見圖1)，或者具有通過其它方法形成的通路，所述其它方法包括但不限于梯度驅(qū)動方法，如熱遷移和電遷移方法。完成該工序的時(shí)間已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)晶片上的EWT電池的實(shí)施障礙。通過使用薄晶片，縮短了加工時(shí)間。
本發(fā)明是一種發(fā)射體繞通(EWT)太陽能電池，其包含厚度小于約280微米的硅晶片襯底，其中所述襯底是多晶，或者如果襯底包含單晶，包括但不限于具有(110)以外的晶體取向。襯底優(yōu)選包含p-摻雜的硅，并且厚度優(yōu)選小于約200微米，更優(yōu)選小于約100微米，還更優(yōu)選小于約60微米，最優(yōu)選小于約20微米。優(yōu)選電池包含至少一個安置在電池背面的基極接觸區(qū)。優(yōu)選基極接觸區(qū)包含小于約50％、更優(yōu)選小于約40％、還更優(yōu)選小于約25％、再更優(yōu)選小于約10％、最優(yōu)選小于約5％的背面表面積。任選基極接觸區(qū)是很少或沒有鈍化的，并且任選具有高于鋁的光學(xué)反射比，從而優(yōu)選地增加襯底的光學(xué)吸收。優(yōu)選基極接觸區(qū)包含銀，或者備選地，包含鎳。優(yōu)選基極接觸區(qū)包含p+層，該層通過安置在背面的n+發(fā)射體區(qū)，以和襯底接觸。
本發(fā)明太陽能電池中使用的襯底任選具有小于約300微米、更優(yōu)選小于約200微米、最優(yōu)選小于約108微米的擴(kuò)散長度。任選用p-型受體，該受體優(yōu)選包含硼，重?fù)诫s所述襯底。具有這類襯底的電池的效率優(yōu)選大于約15％，更優(yōu)選大于約17％。優(yōu)選襯底具有小于或約等于擴(kuò)散長度的一半的厚度，并且優(yōu)選具有有紋理的正面。
本發(fā)明的太陽能電池包含將襯底正面連接到襯底背面的通孔，這些通孔優(yōu)選是用這樣的方法形成的，該方法包括選自激光鉆孔、干法蝕刻、濕法蝕刻、機(jī)械鉆孔和噴水加工的操作，隨后，優(yōu)選使摻雜物擴(kuò)散到孔壁中以形成導(dǎo)電通孔。備選地，通孔具有基本上實(shí)心的橫截面并且包含摻雜的襯底材料，其形成方法優(yōu)選為梯度驅(qū)動法，優(yōu)選為熱遷移法。通孔的直徑任選約大于或等于襯底的厚度。
優(yōu)選基極接觸區(qū)是通過p-型受體，優(yōu)選硼，從擴(kuò)散阻隔層擴(kuò)散到襯底中而形成的。擴(kuò)散阻隔層優(yōu)選包含以膏劑形式使用的電介質(zhì)材料，或者備選地，通過化學(xué)氣相沉積法沉積并且隨后形成圖案的電介質(zhì)材料。
備選地，本發(fā)明是一種EWT太陽能電池，其包含厚度小于約280微米并且具有背面的硅晶片襯底，其中基極接觸區(qū)的背面復(fù)合速度大于100cm/s。
本發(fā)明還是一種太陽能電池，優(yōu)選一種EWT太陽能電池，其包含厚度小于約280微米的半導(dǎo)體晶片襯底，其中所述襯底的擴(kuò)散長度小于約300微米，并且其中所述太陽能電池的效率大于約15％，更優(yōu)選大于約17％。
本發(fā)明是一種制造太陽能電池的方法，該方法包括以下步驟提供厚度小于約280微米的p-摻雜的硅襯底；在大部分襯底的正面和背面上安置n+發(fā)射體層；將正面的n+發(fā)射體層連接到背面的n+發(fā)射體層；并且在部分背面上安置一個或多個基極接觸區(qū)。襯底的厚度優(yōu)選小于約200微米，更優(yōu)選小于約100微米，還更優(yōu)選小于約60微米，最優(yōu)選小于約20微米?；鶚O接觸區(qū)優(yōu)選包含小于約50％、更優(yōu)選小于約40％、還更優(yōu)選小于約25％、再更優(yōu)選小于約10％、最優(yōu)選小于約5％的背面表面積。安置一個或多個基極接觸區(qū)的步驟優(yōu)選包括增加襯底的光學(xué)吸收的步驟?；鶚O接觸區(qū)優(yōu)選包含銀，或者備選地，鎳。安置一個或多個基極接觸區(qū)的步驟優(yōu)選包括將基極接觸區(qū)穿過安置在背面上的n+發(fā)射體層，穿過方法優(yōu)選包括選自激光鉆孔、蝕刻、鋁合金、硼擴(kuò)散、熱遷移、電遷移和/或梯度驅(qū)動法的方法。
本發(fā)明方法中使用的襯底任選具有小于約300微米、更優(yōu)選小于約200微米、最優(yōu)選小于約108微米的擴(kuò)散長度。襯底任選重?fù)诫s有p-型受體，優(yōu)選包含硼的p-型受體。具有這類襯底的電池的效率優(yōu)選大于約15％，更優(yōu)選大于約17％。優(yōu)選襯底的厚度小于或近似等于擴(kuò)散長度的一半。所述方法優(yōu)選包括紋飾正面的步驟。
連接步驟優(yōu)選包括將一個或多個通孔延伸穿過襯底，優(yōu)選包括使用選自激光鉆孔、干法蝕刻、濕法蝕刻、機(jī)械鉆孔和噴水加工的方法。所述通孔優(yōu)選具有基本上實(shí)心的橫截面，并且包含襯底材料，其中一個或多個通孔的延伸步驟包括使用梯度驅(qū)動法，優(yōu)選熱遷移法。這種方法優(yōu)選包括以下步驟在正面安置包含溶劑的材料，并且使溶劑或材料遷移穿過襯底到達(dá)背面。每個通孔的特征尺寸，包括但不限于直徑、長度、寬度或厚度，任選近似和襯底的厚度相等。
安置一個或多個基極接觸區(qū)的步驟任選包括以下步驟在背面的適宜區(qū)域上沉積含有p-型受體的擴(kuò)散阻隔層，優(yōu)選包含硼；使擴(kuò)散阻隔層中含有的p-型受體擴(kuò)散到襯底中。
本發(fā)明還是一種按照上述方法制造的太陽能電池。
本發(fā)明的一個主要目的是提供一種采用薄晶體硅襯底的EWT電池，所述薄晶體硅襯底的厚度小于約280微米，優(yōu)選小于約200微米，更優(yōu)選小于約100微米，最優(yōu)選小于約60微米。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通過使用薄晶體硅襯底而提高效率的EWT電池。
本發(fā)明的再一目的是提供不會因熱應(yīng)力而彎曲的薄晶片太陽能電池。
本發(fā)明的再一目的是提供制造具有薄晶體硅襯底的EWT電池的方法，包括用于形成孔或通孔的改進(jìn)方法，這樣的方法，部分地，由硅襯底的薄度而得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于減少了硅晶片的使用，因此降低了器件的成本。
本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新的特征以及更多的應(yīng)用范圍，將部分闡明于下面的結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，通過檢驗(yàn)下文，本發(fā)明將部分變得顯而易見，或者可以通過實(shí)施本發(fā)明而理解。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)可以通過后附權(quán)利要求中特別指出的工具和組合而實(shí)現(xiàn)和獲得。


附圖，結(jié)合在說明書中并且形成其一部分，舉例說明了本發(fā)明的一個或多個實(shí)施方案，并且和說明書一起，起到解釋本發(fā)明原理的作用。附圖的目的僅是舉例說明本發(fā)明的一個或多個優(yōu)選實(shí)施方案，而不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。附圖中圖1是本發(fā)明EWT太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖，描述的是在具有激光鉆孔的p-型硅晶片上制造的EWT太陽能電池。
圖2a描述的是包含標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量襯底的EWT和Al-鈍化的BSF太陽能電池兩者的效率-晶片厚度曲線；和圖2b描述的是包含低質(zhì)量襯底的EWT和Al-鈍化的BSF太陽能電池兩者的效率-晶片厚度曲線。
具體實(shí)施例方式
已經(jīng)出乎意料和令人驚奇地發(fā)現(xiàn)可以在EWT光電電池中采用非常薄的晶體硅晶片，其厚度小于約280微米，優(yōu)選小于約200微米，更優(yōu)選小于約100微米，還更優(yōu)選小于約60微米，最優(yōu)選小于約20微米。此前，晶體硅晶片的厚度受到機(jī)械約束，主要涉及由所需的金屬層例如鋁背層造成的翹曲和斷裂。厚度還受以下因素限制隨著電池變薄，因增加的背面復(fù)合損失(硅中光生電荷載體的損失)而導(dǎo)致效率下降。因此，迄今最小的實(shí)際晶片厚度約為280到300微米。通過采用EWT設(shè)計(jì)，利用其固有優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)在不出現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)遇到的機(jī)械和實(shí)際問題的情況下，可以實(shí)質(zhì)性地顯著減小晶片的厚度。而且還出乎意料和令人驚奇地發(fā)現(xiàn)了由使用這種更薄的晶體晶片產(chǎn)生的顯著和實(shí)質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，包括隨著厚度降低，對提高的器件電效率沒有限制，以及在可用材料和制造過程中的顯著優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)貫穿說明書和權(quán)利要求使用時(shí)，發(fā)射體繞通或EWT電池是指這樣一種太陽能電池，其具有在正面沒有金屬的襯底的正面上的摻雜的電流集極層，在部分背面上的摻雜的電流集極層，和延伸穿過襯底連接正面和反面上的電流集極層的導(dǎo)電裝置，或通孔。通孔可以包括孔，并且可以通過激光鉆孔或蝕刻產(chǎn)生且優(yōu)選摻雜孔表面。備選地，通孔可以是固體摻雜的溝道，其優(yōu)選通過梯度驅(qū)動法形成，所述方法包括但不限于溶劑熱遷移或電遷移穿過襯底。通孔可以任選包含金屬，或者至少是部分金屬化的。所述襯底優(yōu)選包含晶體硅晶片，并且可以是具有或不具有優(yōu)選取向的單晶或多晶。盡管此處使用的EWT電池主要是指p-型襯底表面上的n+發(fā)射體層，術(shù)語EWT電池可以包括任何其它構(gòu)造，并且不受其限制。
貫穿說明書和權(quán)利要求使用的基極接觸區(qū)是指鄰近或任選包含襯底背面的區(qū)域，其包含可以和襯底形成電接觸的材料。基極接觸區(qū)可以任選包括局部背面電場，或者BSF，優(yōu)選包含重?fù)诫s的層。至于非限制性實(shí)例，對于p-型襯底，該區(qū)域?qū)閜+?；鶚O接觸區(qū)連接到載流的金屬柵極或金屬指狀元件。
EWT電池結(jié)構(gòu)先前已經(jīng)在例如美國專利No.6,468,652中進(jìn)行了描述。這種太陽能電池設(shè)計(jì)在性能和電池互連簡易性方面有某些優(yōu)點(diǎn)，已廣為人知。本發(fā)明擴(kuò)展了這些優(yōu)點(diǎn)，并且將EWT型電池結(jié)構(gòu)應(yīng)用于薄晶體晶片，從而改進(jìn)在這些晶片上制造電池的方法。美國專利No.6,468,652公開了EWT電池的幾個版本，以及幾種制造方法。公開在美國專利No.6,468,652中的每一種工藝步驟及其變化都可以在本發(fā)明中采用，其中如此處公開的，代之以薄硅晶片。類似地，公開在美國專利No.6,468,652中的每個EWT電池版本都可以采用本發(fā)明的薄硅晶片。應(yīng)當(dāng)理解，如此處公開的，通過相應(yīng)地顛倒電池中不同區(qū)域的導(dǎo)電類型，可以用n-型硅襯底代替p-型襯底。
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的幾個問題。首先，在標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池設(shè)計(jì)中，硅原料的成本是總成本的顯著部分。這是一個大問題，因?yàn)楣怆娛袌鰧Τ杀臼欠浅Ｃ舾械?，而且制造半?dǎo)體領(lǐng)域采用的高純度硅也是昂貴的。然而，采用傳統(tǒng)的太陽能電池設(shè)計(jì)，如果晶片厚度降低到約280微米以下，則導(dǎo)致顯著的和實(shí)質(zhì)性的性能下降。因?yàn)橐恍┕鈱?shí)際上通過晶片而沒有被吸收，較少的光能被轉(zhuǎn)化成電能。更重要的是，由于電池變薄，背面成為太陽能電池中復(fù)合損失的較大的貢獻(xiàn)者。為了防止這種現(xiàn)象，按照常規(guī)，將鋁層應(yīng)用在太陽能電池的整個背面，然后合金到硅中，形成Al摻雜的p-型層。這種摻雜的層，稱作背面場或BSF，防止了光的損失并且增加太陽能電池的電輸出。這種解決方案的問題在于，由于硅和鋁在熱膨脹系數(shù)的差異，鋁層也在晶片中產(chǎn)生了機(jī)械和熱應(yīng)力。隨著晶片厚度的減小，這種誘導(dǎo)的應(yīng)力造成晶片彎曲和斷裂。因此，需要一種引入很少應(yīng)力并且保持高效率的制造薄晶體硅太陽能電池的實(shí)際方法。
可以在p-型或n-型硅晶片上制造圖1所示的EWT電池。例如，如果使用p-型硅，則通過例如擴(kuò)散，在正面、在孔中和在背面的n+區(qū)，形成重?fù)诫s的n+區(qū)。剩余背面是p-型。然后在背面的這兩個區(qū)上形成電接觸。采用這種設(shè)計(jì)，在p-型晶片和n+區(qū)之間的背面形成的p/n結(jié)處有額外的電流收集。因此，EWT電池的能量轉(zhuǎn)化效率典型地遠(yuǎn)高于具有鋁合金背面的傳統(tǒng)電池。請注意，盡管圖1描述的通孔是通過激光鉆孔和摻雜形成的，但也可以按照其它方法，如蝕刻，制造通孔。在EWT電池的一個備選實(shí)施方案中，如下面將要更加充分描述的，可以使用梯度驅(qū)動法，包括但不限于熱遷移和電遷移，制造實(shí)心通孔。
EWT電池的背面含有能夠進(jìn)行背面載流子收集的n+層。優(yōu)選地，大部分背面具有n+層，以使來自該層的電流收集最大化。因此，EWT電池中只有有限的背面區(qū)域包含基極接觸區(qū)；基極接觸區(qū)是需要鈍化的p-型表面。特別是，不需要誘導(dǎo)產(chǎn)生應(yīng)力的全面積Al合金層。本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)在于，與在現(xiàn)有技術(shù)中所應(yīng)用的相比，極大地減小了基極接觸面積。對于組成圖案的n+擴(kuò)散的形成、p-型表面的鈍化以及背面上負(fù)、正極性接觸和電流收集柵極的電絕緣，有許多方法。美國專利No.5,468,652中描述了一些優(yōu)選的方法。即使使用Al合金來形成基極接觸區(qū)和/或柵極，也可以極大的減少Al合金面積(不超過約25％，并且優(yōu)選小于5％)，并且Al合金將被布置在離散圖案中，從而在太陽能電池中引入較小的應(yīng)力。這種面積減少意味著充分減少熱應(yīng)力，因而可以利用廉價(jià)材料和方法來制造p-型區(qū)，同時(shí)即使對于非常薄的晶片也消除了彎曲。另外，許多實(shí)施方案的確不要求Al合金結(jié)或要求以別的方式向薄硅襯底中引入應(yīng)力的方法。
除了消除彎曲，減小基極接觸區(qū)的面積還有其它優(yōu)點(diǎn)。已知必須對p-型背面進(jìn)行很好的鈍化，以獲得最大效率。這意味著p-型表面上的金屬接觸和鈍化層必須是高質(zhì)量并且相對而言沒有缺陷的，達(dá)到該目的代價(jià)是昂貴的。更為重要的是更大的基極接觸區(qū)。通過減小該面積，如在EWT電池情況下，減弱了對高質(zhì)量鈍化的需要；通過使該面積最小化，任何鈍化的需要從根本上得以極大地減少甚至消除。由于減少了工藝步驟，導(dǎo)致成本節(jié)約。備選地，可以根據(jù)鈍化效率以外的其它性質(zhì)來選擇材料。例如，可以將銀或其它材料用于接觸，而不用合金鋁。銀的鈍化性質(zhì)差，并且典型地不被接受用作鈍化層。但是，銀的反射比顯著高于鋁，意味著電池中的光吸收是提高的，這對于與厚電池相比具有較小本體載流子產(chǎn)量的薄晶片電池而言是非常重要的。在另一實(shí)施例中，在基極接觸區(qū)中使用鎳是有利的，因?yàn)榭梢允褂玫蜏靥幚恚⑶益嚺cp+和n+硅的接觸電阻都非常低。因此，通過降低有效鈍化的需要，可以使用具有其它所需性質(zhì)的材料。注意，即使該層是良好鈍化的，通過減小其面積并且增加背面上的n+區(qū)的面積，也依然能夠獲得高效率，因?yàn)檫@樣導(dǎo)致了載流子集極位點(diǎn)的增加。
面積減小量可能與所用沉積方法的特征尺寸的最小化有關(guān)。例如，當(dāng)使用絲網(wǎng)印刷時(shí)，對可實(shí)現(xiàn)的基極接觸區(qū)的尺寸減小可能存在實(shí)際限制。因此，使用用于形成p-型襯底的穿過n+結(jié)的局部接觸的方法是適宜的。在這種情況下，幾乎整個背面都被n+結(jié)覆蓋，導(dǎo)致效率的顯著提高。形成圖案的方法優(yōu)選是激光鉆孔或者絲網(wǎng)印刷抗蝕劑并蝕刻，并且優(yōu)選基極接觸區(qū)以及與周圍n+層的電絕緣是通過形成p+摻雜的結(jié)而進(jìn)行的。p+摻雜的結(jié)的形成方法優(yōu)選為鋁合金化，通過p-型受體(包括但不限于硼，所述的硼來自氣體、印刷或紡上(spun-on)源)的擴(kuò)散，或者梯度驅(qū)動法，如熱遷移或電遷移進(jìn)行。一種這樣的方法描述于D.W K.Eikelboom等，″ConductiveAdhesives for Interconnection of Busbarless Emitter Wrap-Through SolarCells on a Structured Metal Foil″，第17屆European Photovoltaic Solar EnergyConference論文，Munich，德國，2001年10月22-26日，第1547頁，該論文通過引用結(jié)合在此。本發(fā)明的EWT電池優(yōu)選包含基極接觸區(qū)，該基極接觸區(qū)的面積小于50％、更優(yōu)選小于40％、還更優(yōu)選小于25％、再更優(yōu)選小于10％、最優(yōu)選小于5％的背面面積。
由于EWT電池在電池的正面和背面上都有n+發(fā)射體，這些n+發(fā)射體和晶片主體形成p-n結(jié)，使得晶片更薄，從而急劇縮短了光生載流子在任一表面上被收集所必須通過的平均距離。這意味著可以實(shí)現(xiàn)短擴(kuò)散長度的載流子收集。由于少數(shù)載流子擴(kuò)散長度或者復(fù)合壽命是電池能量轉(zhuǎn)化效率的一個重要限制因素，這意味著可以使用復(fù)合壽命短的廉價(jià)低質(zhì)量晶片。在已有電池中，至于這樣的晶片不合適宜地減小了產(chǎn)生的電流，但是在本發(fā)明的電池中，電流不受影響，因?yàn)榭梢栽诎l(fā)生復(fù)合之前收集載流子。類似地，優(yōu)選使用重?fù)诫s有例如p-型受體的的襯底，所述的p-型受體包括但不限于硼，這樣的襯底能夠使電池產(chǎn)生比使用典型襯底的電池更高的電壓。然而，這種重?fù)诫s顯著減小了復(fù)合壽命，例如在一個實(shí)施方案中，復(fù)合壽命為約30微秒到約5微秒。但是，這在本發(fā)明的薄晶片電池中是可以接受的，因?yàn)檫@也相應(yīng)減小了載流子達(dá)到集極結(jié)的時(shí)間。
對于任何包含薄晶片的硅光電電池而言，電池的表面與體積比率增加，直至在某些厚度，表面復(fù)合壓制了本體復(fù)合。對于n+結(jié)位于正面且p-型接觸位于背面的傳統(tǒng)硅電池而言，這意味著為了在晶片制得更薄時(shí)保持其效率，使用昂貴的良好鈍化的p-型接觸變得更加重要。另外，晶片越薄，吸收入射光的本體越小，從而降低了電池效率。這兩種效應(yīng)與較薄晶片的較短收集路徑相競爭。最終，鈍化被邊緣化，而表面復(fù)合和缺乏本體吸收的情況勝出；因此，在效率-厚度曲線上存在峰值。即，隨著厚度減小，效率增加，直至達(dá)到最大；然后隨著使用的晶片越來越薄，效率下降。對于正面和背面均有電接觸的傳統(tǒng)太陽能電池而言，該峰值典型地出現(xiàn)在大于300微米的晶片厚度處(參見，例如上面引用的Duerinckx等的論文，以及C.J.J.Tool等，″Effect Of Wafer Thickness On The Performance Of Mc-SiSolar Cells″，第17屆European Photovoltaic Solar Energy Conference andExhibition論文，Munich，Germany，2001，第40頁)。對于典型的具有平均鈍化度的p-型材料，這種圖還要更高一些。
對于EWT電池，即使總效率高于標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池，以前認(rèn)為其最大效率也出現(xiàn)在大約相同的晶片厚度處。但是卻出乎意料地發(fā)現(xiàn)，不僅總效率高于EWT電池，而且EWT電池的最大效率出現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通電池的晶片厚度處。這也通過圖2顯示的理論計(jì)算結(jié)果得到證明。圖2顯示的是EWT電池和BSF電池(即具有鋁合金化的鈍化層的傳統(tǒng)太陽能電池)的效率-厚度曲線。
圖2a顯示的是具有約1.2Ω*cm電阻率和30μs壽命的散裝材料的計(jì)算的效率。30μs壽命相當(dāng)于約288μm的擴(kuò)散長度。擴(kuò)散長度是注入的載流子在通過復(fù)合而損失之前在硅中移動的距離；因此基本上等于太陽能電池中的收集長度。這些參數(shù)對于現(xiàn)今優(yōu)選的商業(yè)多晶硅材料是合適的。使用這種材料，如上面引用的Tool等的文章中所公開的，在已有BSF太陽能電池中，典型的背面復(fù)合速度值，其是鋁合金層鈍化程度的一個度量，為約3500cm/s。使用這些數(shù)值，圖2a中的計(jì)算顯示BSF電池的效率在大于350μm的某處就已經(jīng)出現(xiàn)了峰值，并且隨著使用更薄的晶片，效率下降。但是，EWT電池的效率持續(xù)升高，直至晶片厚度約115μm，極大地優(yōu)于BSF電池。
圖2b是類似的，但是假設(shè)使用具有約0.5Ω*cm電阻率和5μs壽命(相當(dāng)于擴(kuò)散長度僅約108μm)的襯底。這些參數(shù)對于廉價(jià)的太陽能級材料是合適的，這些材料重?fù)诫s有硼，并且被金屬雜質(zhì)污染。(典型地，低質(zhì)量硅材料通常具有晶體學(xué)缺陷和雜質(zhì)，將其擴(kuò)散長度限制在小于約300μm，甚至小于約200μm。同樣，因?yàn)榕鹗枪柚凶畛Ｒ姾碗y以精煉的雜質(zhì)，其在任何專門為太陽能行業(yè)開發(fā)的便宜的硅級別中很可能是一個大組分。)Al-合金化的結(jié)在使用更加重?fù)诫s的襯底時(shí)效率較低，因?yàn)榻Y(jié)處的摻雜密度的級(step)是降低的。同一Al合金化的結(jié)，在1.2Ω*cm硅中的背面復(fù)合速度為3500cm/s，而在0.5Ω*cm硅中的背面復(fù)合速度為1000cm/s。將后一數(shù)值用于圖2b的模擬中。注意，當(dāng)襯底厚度降低到350μm以下時(shí)EWT效率急劇升高，其峰值出現(xiàn)在甚至比使用高質(zhì)量硅時(shí)更薄的襯底厚度處(約55μm)。相反，BSF電池在350μm以下效率不再增加。這些意外的結(jié)果證實(shí)，薄EWT電池是獲得高效率的唯一最佳選擇，從廉價(jià)的差質(zhì)量或重?fù)诫s的襯底獲得的效率超過15％甚至超過17％。
當(dāng)考慮擴(kuò)散長度時(shí)，由于EWT電池在正面和背面都有n+發(fā)射體，選擇約為晶片擴(kuò)散長度一半的晶片厚度是適宜的。但是，由于上面詳述的各種限制，不能預(yù)期使用低質(zhì)量、低擴(kuò)散長度的襯底，通過將厚度降低到這樣小的數(shù)值，還能保持其總效率。不能預(yù)期隨著晶片厚度下降，甚至限于擴(kuò)散長度一半時(shí)，其效率還將實(shí)際提高。因此，EWT電池固有的在兩個表面都進(jìn)行載流子收集的性質(zhì)，以及優(yōu)選減小基極接觸區(qū)面積(并因此減小表面復(fù)合和應(yīng)力)和優(yōu)選使用銀作為接觸材料(以提高光學(xué)吸收，作為使用更薄襯底時(shí)本體吸收較小的補(bǔ)償)的策略，對于使用薄晶片提供超過競爭電池構(gòu)造(包括具有用昂貴方法如摻雜或石印形成的基極接觸區(qū)的EWT電池)的不曾預(yù)料到的效率增益。
優(yōu)選本發(fā)明的電池正面是有紋理的，如使用銀接觸，這減小了光學(xué)反射損失，提高了薄電池中的光學(xué)吸收。本發(fā)明優(yōu)選的多晶硅晶片的紋飾可以通過本領(lǐng)域已知的任何方式完成，其方法包括但不限于使用硝酸HF乙酸化學(xué)品的酸性紋理蝕刻，包括使用Cl2或SF6的活性離子蝕刻的干法蝕刻技術(shù)，機(jī)械紋飾(例如用菱形裝飾刀片(dicing blades))，或者XeF2各向異性蝕刻。如本領(lǐng)域公知的，使用例如KOH或NaOH水溶液，或者用異丙醇，容易地完成具有(100)表面取向的單晶硅的紋飾。
薄晶片上的EWT構(gòu)造的另一優(yōu)點(diǎn)是減少了加工時(shí)間和成本。EWT電池需要完全穿透晶片以連接正面和背面的眾多通孔。在一個實(shí)施方案中，在襯底中制造孔，然后在這些孔中形成摻雜區(qū)，以提供從正面到背面電接觸的導(dǎo)電性。EWT電池的一個缺點(diǎn)是形成這些孔所需的加工時(shí)間。這些孔優(yōu)選用激光形成，這是一個相對較慢的過程。但是，通過將晶片厚度從300微米以上減小到此處公開的厚度，如小于約200微米，形成孔所需的能量也成比例減小。因此減少了加工時(shí)間和制造成本。而且還在晶片產(chǎn)生較少的熱應(yīng)力，導(dǎo)致孔本身更高的表面質(zhì)量。
此前沒有在制造光電電池中使用的其它過程也可以用于形成穿過晶片的有孔或無孔的導(dǎo)電通路，這大部分是因?yàn)榫浅１?。因此，更薄的晶片的一個優(yōu)點(diǎn)在于拓寬了可用于形成通孔的方法的范圍。因此，本發(fā)明包括這些另外的過程和方法。厚晶片的使用，如現(xiàn)有技術(shù)中采用的，限制了制造電池的選擇，但是使用薄晶片，這些過程和方法都是可能的。通孔的制造方法例如但不限于機(jī)械鉆孔和噴水加工。還可以使用化學(xué)(濕法或干法)蝕刻。由于快速蝕刻方法典型地是各向同性的，通孔的直徑變得幾乎和晶片厚度相同。對于標(biāo)準(zhǔn)晶片厚度而言，通孔將太大。但是，對于薄晶片，孔的大小是可接受的。
另一種不需要在襯底中制造孔因而得到更加機(jī)械穩(wěn)定的電池的方法是熱遷移。2003年6月26日提交的美國專利申請No.10/606,487，標(biāo)題為“Fabrication Of Back-Contacted Silicon Solar Cells Using ThermomigrationTo Create Conductive Vias”，本發(fā)明的發(fā)明人是該專利申請的共同發(fā)明人，通過引用結(jié)合在此，如同全文闡述。使用熱遷移法，合適的金屬液體片、線或滴可以在熱梯度的影響下移動穿過半導(dǎo)體材料的本體，而在后面留下包含重結(jié)晶的固體基質(zhì)材料的痕跡，所述的重結(jié)晶的固體基質(zhì)材料摻雜有液相通過后留下的摻雜材料的固體溶液。如果液態(tài)金屬小滴含有(或者就是)和襯底極性相反的摻雜物，熱遷移可以形成重?fù)诫s硅的導(dǎo)電溝道(通孔)。當(dāng)這些區(qū)域的大小足夠小時(shí)，細(xì)小滴和平面區(qū)域的熱遷移(也稱作溫度梯度或熱梯度區(qū)域熔化(TGZM))已經(jīng)被證明是穩(wěn)定的方法。
TGZM法是由Pfann于1957年首次申請專利的。還可參見H.E.Cline和T.R.Anthony，Journal of Applied Physics，Vol.47，No.6，June 1976。Cline和Anthony測量了在施加了約50℃/cm的熱梯度下，以約1mm/小時(shí)的速度遷移通過1200℃的n-型硅的富含鋁的液線和液點(diǎn)/液滴。在該實(shí)驗(yàn)中，沉積在遷移的富含鋁的小滴后的重結(jié)晶硅被殘留的鋁固體溶液(p-摻雜物)充分摻雜，而將最初的n-型硅基體/基質(zhì)轉(zhuǎn)化成所留下的重結(jié)晶的柱狀/圓柱狀小滴痕跡內(nèi)部的p-型硅。
熱遷移已經(jīng)被用于制造太陽能電池中的p-n結(jié)。例如，參見Anthony等的美國專利3,936,319；Warner的美國專利4,190,852和Chaing等的美國專利4,173,496。但是，該技術(shù)還沒有被用于制造完全背面接觸的太陽能電池，或者用于制造背面接觸太陽能電池中的n-摻雜的導(dǎo)電通孔。
對于需要穿過晶片的導(dǎo)電通路的EWT電池，熱遷移是引入導(dǎo)電通路的有效方法?？梢酝ㄟ^以下途徑完成熱遷移，例如將金屬″點(diǎn)″、橢圓、線或其它圖案絲網(wǎng)印刷到硅晶片的正面上，然后用如在快速處理其它應(yīng)用的晶片中使用的高能光輻照該晶片。施加的熱量在晶片厚度方向上產(chǎn)生熱梯度，該熱梯度驅(qū)動金屬穿過晶片的厚度方向到達(dá)背面。如此形成導(dǎo)電通路。術(shù)語″熱遷移″包括任何形式的梯度驅(qū)動的遷移過程，包括傳統(tǒng)上稱作熱遷移和電遷移的過程。由于這些過程可以平行地形成通孔，其通孔形成速度比諸如激光鉆孔的其它方法更快。
在梯度驅(qū)動運(yùn)輸過程中，如熱遷移(或電遷移)中，溫度(或電場)梯度決定了溶劑材料的運(yùn)輸/遷移方向。在硅太陽能電池制造中，熱梯度的方向是典型地橫跨硅襯底/晶片的厚度定向的(即在垂直于硅襯底平面的方向上)。這樣的熱梯度可以通過加熱襯底的一側(cè)而產(chǎn)生，而不是加熱兩側(cè)(這會產(chǎn)生均勻的溫度)。
用于p-型硅的熱遷移金屬必須n-型(例如n++)摻雜硅，以在正面和背面上的磷擴(kuò)散層之間形成導(dǎo)電溝道。合適的n-型摻雜金屬的實(shí)例包括磷、砷和銻，以及它們的組合或合金。這些摻雜金屬可以以元素形式使用，或者可以與在相對低的溫度下和硅形成共晶相的載體金屬組合、形成合金或混和。合適的載體金屬實(shí)例包括銀、鉑、鎵、鎂、銦、鋁、錫、銅和金，以及它們的組合或合金(例如銀/鋁、銀/錫)。備選地，可以使用三元合金。例如，可以使用銀-金-銻和銀-錫-銻對硅進(jìn)行n-型摻雜。根據(jù)TGZM處理溫度和小滴組成，可以使用銀-鋁-銻對硅進(jìn)行n-型或p-型摻雜。但是，通常，TGZM處理應(yīng)當(dāng)在比半導(dǎo)體主體材料與摻雜材料和/或載流子摻雜材料之間形成金屬間化合物的溫度高的溫度下進(jìn)行。
本發(fā)明優(yōu)選使用熱遷移的已知實(shí)施方案，其任選要求溶劑而不是襯底是熔化的。然后液體溶劑(例如滴、小滴、線)在溫度梯度(即熱梯度)的存在下，擴(kuò)散穿過固體襯底或基質(zhì)。該過程的物理現(xiàn)象包括固體基質(zhì)在液滴的前(熱)表面處更快的溶解，這造成液滴后(冷)表面處的溶質(zhì)的過飽和，在此溶質(zhì)沉積。換言之，由于固體基質(zhì)的原子溶解到小滴的熱界面處的液體中，擴(kuò)散通過小滴，并且沉積在小滴的冷界面上，液體小滴(典型地，金屬)在固體基質(zhì)內(nèi)部向著熱梯度方向從冷向熱遷移。所產(chǎn)生的溶解的固體基質(zhì)原子從液體小滴熱側(cè)向冷側(cè)的流動使小滴向相反方向遷移，即，向基質(zhì)的熱端遷移。對于金屬小滴，為了進(jìn)行熱遷移，半導(dǎo)體襯底的熔融溫度必需超過半導(dǎo)體/金屬共晶溫度。備選地，溶劑和固體基質(zhì)在低于純?nèi)軇┗蚧|(zhì)的熔點(diǎn)的溫度下發(fā)生相互擴(kuò)散。這優(yōu)選形成更低熔點(diǎn)的溶液，并且是熔化的溶液。在這種情況下，溫度低于純材料的熔點(diǎn)，但是一旦適宜量的基質(zhì)被相互擴(kuò)散到溶劑中，該溫度足以熔化形成的溶液，從而加速反應(yīng)。
熱遷移的穩(wěn)態(tài)速度和熱梯度以及平均溫度(通過硅在金屬溶劑中的擴(kuò)散率和溶解度)成正比，與晶片厚度沒有直接關(guān)系。因此，據(jù)期熱遷移導(dǎo)電通孔的時(shí)間至少隨著厚度線性下降。但是，當(dāng)熱遷移特征尺寸近似等于或大于器件厚度時(shí)，典型的熱遷移動力學(xué)被打破。例如，公知在一些金屬-硅體系中，例如Al-Si中，存在局部不均勻性，該局部的金屬-硅反應(yīng)發(fā)生速度快很多(″峰值形成″)。這樣一種不均勻反應(yīng)可能非?？斓禺a(chǎn)生小的熱遷移金屬和相反表面的接觸面積，這可能是由表面中預(yù)先存在的晶體缺陷或不均勻性造成的。峰值形成，連同一旦相反表面被潤濕時(shí)的毛細(xì)管作用，可以極大地加速熱遷移。由于這種不均勻反應(yīng)的深度和可用金屬的數(shù)量成比例，該效果僅在熱遷移金屬的特征尺寸和晶片厚度處于同一量級時(shí)才出現(xiàn)。
電遷移是類似于熱遷移的另一類梯度驅(qū)動遷移方法，可以用于移動金屬小滴通過半導(dǎo)體材料。至于更多細(xì)節(jié)，參見Anthony的美國專利4,377,423，該專利通過引用結(jié)合在此。在這種方法中，電場梯度(電勢)提供使液體金屬小滴移動通過半導(dǎo)體材料厚度方向，如液態(tài)鋁滴通過硅的驅(qū)動力。
優(yōu)選金屬小滴、線或其它結(jié)構(gòu)體完全熱遷移通過薄半導(dǎo)體材料并且再次出現(xiàn)在相反面上?？梢酝ㄟ^例如機(jī)械拋光，將再次出現(xiàn)的小滴或其它結(jié)構(gòu)體除去。備選地，可以將再次出現(xiàn)的小滴或其它結(jié)構(gòu)體留在適當(dāng)?shù)奈恢枚怀?，在那兒其可以形成背面接觸或其一部分。
熱遷移的或其它梯度驅(qū)動的通孔的另一優(yōu)點(diǎn)是比包含孔的通孔更低的串聯(lián)電阻。與EWT電池中的擴(kuò)散的孔相比，熱遷移導(dǎo)電通孔的串聯(lián)電阻更低，因?yàn)闊徇w移通孔是摻雜的實(shí)心圓柱體或者其它實(shí)心結(jié)構(gòu)，而EWT電池僅在激光鉆孔的壁上有薄的表面n+擴(kuò)散。如果熱遷移后的地方留下熱遷移金屬，則還得到低得多的接觸電阻。此外，如果熱遷移通孔是線型圖案而不是孔形，則可減少由發(fā)射體中電流造成的損失。而且，如果熱遷移通孔圖案是線圖，背面上的熱遷移金屬就可能會留在表面上并被用作n-型柵極。這種效應(yīng)放大了用任何方法形成的通孔的低串連電阻，當(dāng)使用更薄的晶片時(shí)，這些通孔更短。這意味著在最大功率下的可獲得電壓得以提高，這是超過具有標(biāo)準(zhǔn)晶片厚度的EWT電池的一個顯著優(yōu)點(diǎn)。
EWT電池技術(shù)從被未應(yīng)用于或者在薄晶體硅晶片上實(shí)現(xiàn)。因此，可以理解必須采用精確制造方法來剪裁成薄晶片。對于處理步驟的順序有幾種選擇，并且在一些步驟選擇精密加工。例如，由于所有金屬化都只在電池背面上進(jìn)行，極大地降低了由制造過程中絲網(wǎng)印刷產(chǎn)生的應(yīng)力。
在一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，在磷擴(kuò)散步驟之前以任何所需的圖案在太陽能電池的背面形成擴(kuò)散阻隔層，所述擴(kuò)散阻隔層優(yōu)選包含含有p-型受體的摻雜的電介質(zhì)膏劑，p-型受體包括但不限于硼、鋁或銦。這種阻隔層被設(shè)計(jì)用來阻擋磷擴(kuò)散，可以是紡上的、絲網(wǎng)印刷的或者噴射的。當(dāng)磷擴(kuò)散到襯底中產(chǎn)生n+摻雜區(qū)時(shí)，優(yōu)選電介質(zhì)中的p-型受體同時(shí)擴(kuò)散到襯底中，產(chǎn)生p-型區(qū)，而節(jié)省一步加工步驟。這種方法特別適合于薄硅晶片的使用，并且提供制造小基極接觸區(qū)的廉價(jià)方法。備選地，如前面討論的，可以使小的p+接觸穿過背面上的n+發(fā)射體。
為了獲得所需的厚度，可以用本領(lǐng)域已知的任何方法將硅晶片切割成合適的厚度，約300微米，優(yōu)選約200微米，更優(yōu)選約100微米，還更優(yōu)選約60微米，最優(yōu)選約20微米。在一個實(shí)施方案中，采用傳統(tǒng)的鋸法。但是，還可以采用其它方法。
盡管本發(fā)明已經(jīng)具體參照這些優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是其它實(shí)施方案也可以獲得相同結(jié)果。本發(fā)明的變化和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，其意在覆蓋所有這樣的修改和等價(jià)形式。上面引用的所有參考文獻(xiàn)、申請、專利和出版物，以及相應(yīng)申請的全部公開內(nèi)容均通過引用結(jié)合在此。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射體繞通(EWT)太陽能電池，其包含厚度小于約280微米的硅晶片襯底；其中所述襯底是多晶或者具有非(110)的晶體取向。
2.權(quán)利要求1的太陽能電池，其中所述襯底是多晶。
3.權(quán)利要求1的太陽能電池，其中所述襯底包含具有非(110)的晶體取向的單晶。
4.權(quán)利要求1的太陽能電池，其中所述襯底包含p-摻雜的硅。
5.權(quán)利要求1的太陽能電池，其中所述襯底的厚度小于約200微米。
6.權(quán)利要求5的太陽能電池，其中所述襯底的厚度小于約100微米。
7.權(quán)利要求6的太陽能電池，其中所述襯底的厚度小于約60微米。
8.權(quán)利要求7的太陽能電池，其中所述襯底的厚度小于約20微米。
9.權(quán)利要求1的太陽能電池，還包含至少一個安置在所述電池背面的基極接觸區(qū)。
10.權(quán)利要求9的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包括小于約50％的所述背面的表面積。
11.權(quán)利要求10的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包括小于約40％的所述表面積。
12.權(quán)利要求11的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包括小于約25％的所述表面積。
13.權(quán)利要求12的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包括小于約10％的所述表面積。
14.權(quán)利要求13的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包括小于約5％的所述表面積。
15.權(quán)利要求9的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)提供很少的或者沒有鈍化。
16.權(quán)利要求9的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)具有比鋁更高的光學(xué)反射比。
17.權(quán)利要求16的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)提高了襯底的光學(xué)吸收。
18.權(quán)利要求17的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包含銀。
19.權(quán)利要求9的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包含鎳。
20.權(quán)利要求9的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)包含穿過安置在所述背面上的n+發(fā)射體區(qū)的p+層，以接觸所述襯底。
21.權(quán)利要求1的太陽能電池，其中所述襯底具有小于約300微米的擴(kuò)散長度。
22.權(quán)利要求21的太陽能電池，其中所述襯底具有小于約200微米的擴(kuò)散長度。
23.權(quán)利要求22的太陽能電池，其中所述襯底具有小于約108微米的擴(kuò)散長度。
24.權(quán)利要求21的太陽能電池，其中所述襯底重?fù)诫s有p-型受體。
25.權(quán)利要求24的太陽能電池，其中所述p-型受體包含硼。
26.權(quán)利要求21的太陽能電池，其具有大于約15％的效率。
27.權(quán)利要求26的太陽能電池，其具有大于約17％的效率。
28.權(quán)利要求21的太陽能電池，其中所述襯底的厚度小于或約等于所述擴(kuò)散長度的一半。
29.權(quán)利要求1的太陽能電池，其中所述襯底具有有紋理的正面。
30.權(quán)利要求1的太陽能電池，其包含將所述襯底正面連接到所述襯底背面的通孔。
31.權(quán)利要求30的太陽能電池，其中所述通孔是用包括選自激光鉆孔、干法蝕刻、濕法蝕刻、機(jī)械鉆孔和噴水加工的操作的方法形成的。
32.權(quán)利要求30的太陽能電池，其中所述通孔具有基本上是實(shí)心的橫截面并且包含襯底材料。
33.權(quán)利要求32的太陽能電池，其中所述通孔是通過梯度驅(qū)動方法形成的。
34.權(quán)利要求33的太陽能電池，其中所述方法包括熱遷移。
35.權(quán)利要求34的太陽能電池，其中所述通孔的直徑近似大于或等于所述襯底的厚度。
36.權(quán)利要求9的太陽能電池，其中所述基極接觸區(qū)是通過p-型受體從擴(kuò)散阻隔層擴(kuò)散到襯底中而形成的。
37.權(quán)利要求36的太陽能電池，其中所述p-型受體包含硼。
38.權(quán)利要求36的太陽能電池，其中所述擴(kuò)散阻隔層包含以膏劑形式應(yīng)用的電介質(zhì)材料。
39.權(quán)利要求36的太陽能電池，其中所述擴(kuò)散阻隔層包含用化學(xué)氣相沉積法沉積并且隨后形成圖案的電介質(zhì)材料。
40.一種太陽能電池，其包含厚度小于約280微米的半導(dǎo)體晶片襯底；其中襯底的擴(kuò)散長度小于約300微米；并且其中太陽能電池的效率大于約15％。
41.權(quán)利要求40的太陽能電池，其中所述電池的效率大于約17％。
42.權(quán)利要求40的太陽能電池，其中所述電池包括EWT電池。
43.一種制造太陽能電池的方法，該方法包括以下步驟提供厚度小于約280微米的p-摻雜的硅襯底；在大部分襯底正面和背面上安置n+發(fā)射體層；將位于正面的n+發(fā)射體層連接到位于背面的n+發(fā)射體層；和在部分背面上安置一個或多個基極接觸區(qū)。
44.權(quán)利要求43的方法，其中襯底的厚度小于約200微米。
45.權(quán)利要求44的方法，其中襯底的厚度小于約100微米。
46.權(quán)利要求45的方法，其中襯底的厚度小于約60微米。
47.權(quán)利要求46的方法，其中襯底的厚度小于約20微米。
48.權(quán)利要求43的方法，其中基極接觸區(qū)包括小于約50％的背面表面積。
49.權(quán)利要求48的方法，其中基極接觸區(qū)包括小于約40％的表面積。
50.權(quán)利要求49的方法，其中基極接觸區(qū)包括小于約25％的表面積。
51.權(quán)利要求50的方法，其中基極接觸區(qū)包括小于約10％的表面積。
52.權(quán)利要求51的方法，其中基極接觸區(qū)包括小于約5％的表面積。
53.權(quán)利要求43的方法，其中安置一個或多個基極接觸區(qū)的步驟包括提高襯底的光學(xué)吸收。
54.權(quán)利要求53的方法，其中基極接觸區(qū)包含銀。
55.權(quán)利要求43的方法，其中基極接觸區(qū)包含鎳。
56.權(quán)利要求43的方法，其中安置一個或多個基極接觸區(qū)的步驟包括使基極接觸區(qū)穿過安置在背面上的n+發(fā)射體層的步驟。
57.權(quán)利要求56的方法，其中使基極接觸區(qū)穿過n+發(fā)射體層的步驟包括選自激光鉆孔、蝕刻、鋁合金化、硼擴(kuò)散、熱遷移、電遷移、和/或梯度驅(qū)動方法的方法。
58.權(quán)利要求43的方法，其中襯底的擴(kuò)散長度小于約300微米。
59.權(quán)利要求58的方法，其中襯底的擴(kuò)散長度小于約200微米。
60.權(quán)利要求59的方法，其中襯底的擴(kuò)散長度小于約108微米。
61.權(quán)利要求58的方法，其中用p-型受體重?fù)诫s襯底。
62.權(quán)利要求61的方法，其中p-型受體包括硼。
63.權(quán)利要求58的方法，其中太陽能電池的效率大于約15％。
64.權(quán)利要求63的方法，其中太陽能電池的效率大于約17％。
65.權(quán)利要求58的方法，其中襯底的厚度小于或約等于擴(kuò)散長度的一半。
66.權(quán)利要求43的方法，還包括紋飾正面的步驟。
67.權(quán)利要求43的方法，其中連接步驟包括將一個或多個通孔延伸通過襯底的步驟。
68.權(quán)利要求67的方法，其中延伸一個或多個通孔的步驟包括使用選自激光鉆孔、干法蝕刻、濕法蝕刻、機(jī)械鉆孔、和噴水加工的方法。
69.權(quán)利要求67的方法，其中通孔具有基本上實(shí)心的橫截面并且包含襯底材料。
70.權(quán)利要求69的方法，其中延伸一個或多個通孔的步驟包括使用梯度驅(qū)動方法。
71.權(quán)利要求70的方法，其中延伸一個或多個通孔的步驟包括使用熱遷移。
72.權(quán)利要求70的方法，包括以下步驟在正面安置包含溶劑的材料；和將溶劑遷移通過襯底到達(dá)背面。
73.權(quán)利要求72的方法，其中每個通孔的一個特征尺寸與襯底厚度近似相等。
74.權(quán)利要求43的方法，其中安置一個或多個基極接觸區(qū)的步驟包括以下步驟在所需的背面區(qū)域上沉積含有p-型受體的擴(kuò)散阻隔層；將擴(kuò)散阻隔層中含有的p-型受體擴(kuò)散到襯底中。
75.權(quán)利要求74的方法，其中p-型受體包括硼。
76.一種根據(jù)權(quán)利要求43的方法制造的太陽能電池。
全文摘要
一種薄發(fā)射體繞通太陽能電池和制造薄發(fā)射體繞通太陽能電池的方法。所述電池優(yōu)選包括厚度小于280微米的硅晶片襯底。電池背面的p－型區(qū)域被最小化，從而最大化集極區(qū)域并且減小或消除由p－型區(qū)域鈍化造成的應(yīng)力，所述p－型區(qū)域鈍化是傳統(tǒng)電池必須的。本發(fā)明電池的效率的峰值出現(xiàn)在比傳統(tǒng)電池小得多的厚度處。因此，可以在明顯損失效率的情況下使用廉價(jià)的低質(zhì)量硅，從而提供超過其它太陽能電池構(gòu)造的大的成本優(yōu)勢。穿過襯底連接襯底正面和背面上的發(fā)射體層的通孔可以由摻雜的孔組成，或者備選地，可以是通過由梯度驅(qū)動過程造成的溶劑遷移而形成的實(shí)心的摻雜的溝道，所述溶劑優(yōu)選含有摻雜物。
文檔編號H01L31/18GK1860618SQ200480018805
公開日2006年11月8日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者呂塞爾·施米特, 詹姆斯·M·吉 申請人:日出能源公司