專利名稱：光伏電池及制造該光伏電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏器件，具體地涉及包括諸如單晶硅或多晶硅薄層 的半導體材料薄層的光伏器件。更具體地，本發(fā)明涉及包含單晶硅或 多晶硅半導體材料的光伏器件。
背景技術(shù)：
光伏器件，也稱為光伏電池，用于將光能轉(zhuǎn)換成電能。光伏電池 可以用于產(chǎn)生能量(太陽能電池)或者它們可用作其它器件中的光探 測器元件。光伏電池是可再生能源。然而，它們的使用被它們的電輸 出限制。
一般地，許多光伏電池被布置在一個或多個面板或模塊中， 以便產(chǎn)生對于所期望的商業(yè)應(yīng)用或消費應(yīng)用所需的充足功率。
具有較高的效率的光伏電池導致帶有較大的電功率輸出的模塊。 因此，需要能夠制造大量高效率的光伏電池。將非常期望能夠降低這 樣的光伏器件的生產(chǎn)成本、提高它的光轉(zhuǎn)換效率或者這兩者。與常規(guī) 制造的電池相比，本發(fā)明的光伏電池是高度有效率的。
大多數(shù)光伏器件都是由單晶硅或多晶硅來制造的。因為由于硅在 微電子產(chǎn)業(yè)中的使用而使得它可以合理的價錢容易地獲得，并且因為 它適當?shù)仄胶饬擞糜谥圃旃夥姵氐碾娞匦?、物理特性和化學特性， 所以通常使用硅。在光伏器件的生產(chǎn)過程中，通過本領(lǐng)域所公知的各 種方法，用正導電類型或負導電類型的摻雜劑來摻雜硅，并且硅常以
晶片或帶狀物(ribbon)的形式一般被切割成薄襯底。貫穿本申請，諸 如晶片的襯底的意圖面對入射光的表面，被規(guī)定為前表面，并且與前 表面相對的表面被稱為后表面。按照常規(guī)，正導電類型一般規(guī)定為"p"， 而負導電類型被規(guī)定為"n"。在本申請中，"p"和"n"僅用于表示
5相反的導電類型。在本申請中，"p"和"n"分別表示正的和負的但 也可分別表示負的和正的。
光伏器件的工作的關(guān)鍵是p-n結(jié)的生成，其通常通過進一步對硅 襯底的前表面進行摻雜以形成導電類型與摻雜的硅襯底相反的層來形 成。這樣的層通常被稱為發(fā)射體層。在p型摻雜的襯底的情況下，發(fā) 射體層通過用n型摻雜劑摻雜前表面來形成。p-n結(jié)是在p型摻雜區(qū)與 n型掾雜區(qū)之間的界面。
進入這些太陽能電池的光被吸收，從而產(chǎn)生電子-空穴對，所述電 子-空穴對如果具有足夠的擴散長度，則通過由太陽能電池結(jié)所產(chǎn)生的 電場而被空間分離，并且分別聚集在太陽能電池的頂表面和底表面處。 例如，在n-p型太陽能電池中，電子將遷移到頂表面，在這里，然它們 之后將被位于其上的金屬柵收集。該金屬柵一般可包括許多金屬指狀 物，所述金屬指狀物沿著頂表面被分開較大距離，并且通過公共匯流 條(bus bar)而彼此連接。電子將直接遷移到金屬指狀物或接近指狀 物之間的頂表面，并且然后沿著太陽能電池的表面遷移，直至它們能 被這些指狀物中的一個收集為止。另一方面，空穴將遷移到太陽能電 池的底表面，在這里，它們可以被覆蓋整個底表面的金屬片收集。
U.S.專利3811954描述了一種在短波長中具有改進的效率因而輸 出功率急劇增大的太陽能電池，所述短波長是指光譜中對應(yīng)于0.3-0.5 微米的藍-紫部分。通過減小結(jié)深、在太陽能電池的光入射表面上提供 非常精細的幾何圖案金屬電極，實現(xiàn)所聲稱的改進。結(jié)深一般在500A 與2000A之間，并且精細幾何電極的金屬指狀物一般被間隔開僅一厘 米的百分之幾的量級。所得到的精細幾何圖案電極通常覆蓋太陽能電 池的表面區(qū)域的5%至10%且與之處于歐姆接觸，并且防止所覆蓋的區(qū) 域?qū)⑷肷涞墓庾愚D(zhuǎn)換成電能。電池未與電極接觸的表面區(qū)域被金屬氧 化物抗反射涂層所覆蓋。硅太陽能電池中的反向電流包括流到結(jié)的電子和空穴流，在所述 結(jié)處，它們復合。該電流通過抵消流過二極管的主電流的一部分而使 電池的性能，即I-V特性劣化。 一般在太陽能電池模型中考慮的反向電 流由半導體的體電荷區(qū)域和空間電荷區(qū)域產(chǎn)生。反向電流的另一個來 源是頂表面層，其中雜質(zhì)是熱生電子-空穴對的復合中心以及來源。然 而，因為存在高濃度雜質(zhì)，所以該電流通常在標準太陽能電池中被忽 略，所述雜質(zhì)用以產(chǎn)生最少量的在結(jié)處復合的電子-空穴對。此外，厚
"死層(dead layer)"隔離了太陽能電池的頂層中的表面產(chǎn)生中心以 及與金屬電極的歐姆接觸的任何影響。
在根據(jù)U.S. 3811954的太陽能電池中，淺結(jié)導致死層的最小化， 其存在于標準硅電池的光入射表面處。此外，擴散到電池的頂層中的 雜質(zhì)密度減小并且對于主要的反向電流提供了來源。形成在硅太陽能 電池的金屬電極和頂層之間的歐姆接觸致使電流的熱產(chǎn)生發(fā)生在太陽 能電池的表面附近。金屬觸點充當用于復合的大的匯點(sink)并且也 充當用于電子-空穴對的產(chǎn)生的大的來源。
這樣的電池的前面觸點一般被沉積作為開口柵圖案以允許光被暴 露的硅襯底吸收。在對上面的U.S. 3811954中所公開的設(shè)計的改進中， 已經(jīng)提出了將前面的柵沉積在被埋入的凹槽中以減小柵遮蔽損耗 (grid-shading 1oss)。該類型的太陽能電池通常稱為掩埋接觸式(Buried Contact)太陽能電池(也被稱為激光開槽掩埋柵-LGBG太陽能電池)。 在EP 156366中公開了基本的電池，并且用于制造這樣的電池的方法一 般包括下列步驟
1) 在帶有[100]晶向的單晶硅晶片的情況下，在苛性堿溶液中蝕刻 硅表面以形成隨機的錐體；
2) 用第V族元素， 一般為磷摻雜p型硅晶片的頂表面，以生成
n+層；
3) 添加氮化硅頂表面涂層，以充當抗反射層，以及還充當介電(非 導電)層以便防止金屬鍍在頂表面的不需要的區(qū)域上；4) 在晶片的表面中切出凹槽，金屬將被鍍在所述凹槽中，凹槽一 般可以使用激光來切割，但是可以被化學蝕刻、等離子體蝕刻或使用 金剛石鋸來機械形成；
5) 用n型第V族元素， 一般為磷對凹槽中的暴露的p型硅表面進 行摻雜；
6) 通過用諸如鋁或硼的電子"受體"摻雜后表面，對電池進行處 理，以提供背表面場(BSF);
7) 將金屬觸點鍍到凹槽中以提供導電的前面觸點，并且還同時鍍 到后表面中以便提供導電的后面觸點。
遵循上述步驟，通常需要電隔離晶片的邊緣。
然而，這樣的方法存在許多缺陷。所述方法需要一層化學鍍鎳 (electroless nickel)被沉積在晶片的后表面和凹槽中，緊接著進行燒 結(jié)，并且可能需要金屬(例如，鎳、銅和/或銀)的進一步沉積步驟。 提供所需的生產(chǎn)成品率的當前的制造技術(shù)，對于用于制備太陽能電池 的方法，增加了原材料消耗方面的額外成本，并且延長了周期。
另外，與化學鍍方法相關(guān)聯(lián)的問題在于，它防止了均勻的由阱限 定的后表面場的形成，以及與之相關(guān)聯(lián)的益處。反之，獲得均勻的由 阱限定的后表面場，諸如在后面使用厚鋁膜，會導致差的金屬化成品 率，這又反過來有害地影響太陽能電池的性能。
本發(fā)明的發(fā)明人已意外地發(fā)現(xiàn)，可以將使用深凹槽柵的益處能夠 與減少表面金屬觸點的益處相結(jié)合，以制造具有良好的效率以及對光 譜中的藍-紫部分和紅-紅外部分的良好的吸收的可選光伏電池。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于制造光伏器件的方法，該光伏器件 具有包含摻雜有第一摻雜劑的硅的襯底，所述方法包括下列步驟(a) 在襯底的前表面上形成第一層，所述第一層包含導電類型與 第一摻雜劑相反的第二摻雜劑；
(b) 在第一層上形成第二表面涂層；
(C)在器件的前表面中形成多條狹長凹槽，使得這些凹槽到達或 者進入硅襯底；
(d) 在凹槽內(nèi)形成第三層，該層包含導電類型與第一摻雜劑相反 的第三慘雜劑；
(e) 形成接觸指系統(tǒng)，所述接觸指系統(tǒng)與所述凹槽交叉，以提供 導電的前面觸點；以及
(f) 形成第二導電的觸點。
硅襯底一般通過對硅錠切片、氣相沉積、液相外延或其它公知的 方法而得到?？山?jīng)由內(nèi)徑刀片、連續(xù)的金屬絲或其它公知的鋸切方法 來進行切片。雖然襯底能被切割成任何通常平坦的形狀，但是對于單 晶晶片的情形，它們的形狀一般為圓形或偽方形。"偽方形"表示主要為 方形形狀，常具有圓角。本發(fā)明的襯底， 一般為晶片的形式， 一般小 于約300pm厚。本發(fā)明的襯底可小于約200pm厚，優(yōu)選小于150pm厚， 更優(yōu)選小于lOO)im厚，并且最優(yōu)選小于50pm厚。 一般地，它們在大 約150pm與250pm之間厚。圓形和偽方形襯底一般從圓柱狀硅塊切割， 該圓柱狀硅塊的直徑在100mm至200mm范圍內(nèi)但不限于該范圍。
襯底優(yōu)選為p型硅，其已使用p型摻雜劑摻雜。這樣的摻雜劑的 實例包括硼、鎵和銦，并且更優(yōu)選為硼。 一層或多層附加材料，例如 鍺，同樣可被設(shè)置在襯底表面上。
優(yōu)選地，襯底在步驟(a)之前被織構(gòu)和/或清洗。襯底常被清洗 以除去任何表面碎屑和切割損傷。 一般地，這包括將襯底放置在濕化 學浴中；例如，包含堿和過氧化物混合物、酸和過氧化物混合物中的 任何一種的溶液，NaOH溶液，或者若干其它本領(lǐng)域所公知及使用的溶 液。在一個優(yōu)選實施方案中，溶液包含HF/HC1。所需的溫度和時間取決于所使用的特定溶液，例如，在大約75至95"C范圍內(nèi)的溫度下可使 用25wt。/。至35wt%NaOH水溶液，持續(xù)大約20至大約70秒。
任選地(特別對于單晶襯底)，襯底還可通過例如晶體平面的各 向異性蝕刻而被織構(gòu)。織構(gòu)通常為從襯底表面凹陷或凸起的錐狀的形 式。這些錐狀的高度或深度一般為大約4至大約7pm。對于一般<100> 方向的襯底，高溫下的低濃度NaOH水溶液可用來各向異性地蝕刻 <100〉面，該<100>面顯露出錐狀凸起中的<111>面。如該應(yīng)用所使用的 那樣，"低濃度"溶液優(yōu)選表示低于大約7wty。的溶質(zhì)濃度。此處所使用 的"高溫"優(yōu)選表示高于大約8(TC的溫度。在這樣的條件下，例如，襯 底將被放置在溶液中持續(xù)大約10至30分鐘。在優(yōu)選實施方案中，使 用NaOH/IPA (2%/2%)堿性溶液。
第一層優(yōu)選通過用n型摻雜劑摻雜襯底來形成。N型摻雜可通過 沉積n型摻雜劑到襯底上然后加熱該襯底以"驅(qū)使"n型摻雜劑進入到 襯底中然后加熱該襯底以"驅(qū)使"n型摻雜劑進入到襯底中來實現(xiàn)。氣 體擴散(例如，POCl3水平管擴散，包括從700至1000°C、優(yōu)選800 至90(TC的溫度)可用于沉積n型摻雜劑到襯底表面上。然而，也可使 用其它方法，諸如離子注入、固態(tài)擴散、旋涂摻雜劑源或其它本領(lǐng)域 所使用的方法，以生成n型摻雜層和最接近襯底表面的淺p-n結(jié)。
適合的n型摻雜劑包括第V族元素，優(yōu)選磷，但是任何適合的n 型摻雜劑都可單獨使用或組合使用，諸如砷、銻或鋰。 一般地，多個 襯底被放置在托盤中使得襯底的前(有時候為后)表面和邊緣暴露于n 型摻雜劑。使用該方法，沿襯底的所有表面形成在n摻雜過程中所生 成的發(fā)射體層和p-n結(jié)。
前表面處的n型摻雜層的深度一般大于大約O.lpm，優(yōu)選大于大 約0.2pm且一般小于大約0.5pm，優(yōu)選小于0.3pm。前表面處的發(fā)射體 層的表面摻雜劑濃度優(yōu)選高于大約10S原子/cm3，更優(yōu)選高于大約109
10原子/cm3。前表面處的發(fā)射體層的表面摻雜劑濃度可以高至飽和，但是 一般低于10"原子/cm3，更優(yōu)選低于大約10"原子/cm3，最優(yōu)選發(fā)射體 層的表面摻雜劑濃度為大約1(^原子/cm3。 n型慘雜過程一般在晶片的 表面上生成氧化硅層。該氧化硅可用作抗反射涂層以及可用作表面鈍 化劑。然而，可以除去氧化硅層，有利于第二表面涂層，例如氮化硅。 氧化硅可通過例如在室溫下的濕化學浴， 一般低濃度HF溶液中的化學 蝕刻持續(xù)大約10至大約40秒來除去。
第二表面涂層在發(fā)射體層生成之后被施加且被設(shè)置在前表面處的 第一層上，并且優(yōu)選在邊緣表面上，且更優(yōu)選在后表面的外周和邊緣 表面上。該表面涂層掩蔽前表面，優(yōu)選邊緣，且更優(yōu)選后表面的外周 和邊緣，并且優(yōu)選起下列功能中的一種或多種介電層、抗反射涂層、 表面鈍化、體鈍化、擴散掩模和金屬化擴散阻擋層。氮化硅優(yōu)選為表
面涂層，因為它能用作有效擴散掩模、有效金屬化擴散阻擋層、抗 反射涂層；提供表面鈍化以及提供體鈍化。優(yōu)選地，氫被陷入在這樣 的氮化硅表面涂層中。然而，該表面涂層可以是任何涂層、膜或者涂 層和/或膜的組合，其能用作掩模并且起到上述功能中的一種或多種。 其它可用作表面涂層的可能的物質(zhì)包括氧化鉭、二氧化硅和氧化鈦。 任何這樣的涂層、膜和電介質(zhì)的組合也可用作為表面涂層。
第二表面涂層一般使用等離子體增強或低壓化學氣相沉積(分別
為PECVD和LPCVD)或其它本領(lǐng)域所公知的技術(shù)，諸如常壓化學氣 相沉積(APCVD)，熱氧化，糊、油墨或溶膠凝膠的絲網(wǎng)印刷等。LPCVD 是特別優(yōu)選的(具體地，其中氮化硅用于形成第二表面涂層)。這樣 施加該涂層，使得優(yōu)選通過將襯底的后表面靠在板上而將涂層設(shè)置在 襯底的前表面上，優(yōu)選在襯底的邊緣上。這可以通過將多個襯底水平 地放置在托盤或板上來實現(xiàn)。襯底也可被垂直地或成某一角度地放置， 使得后表面靠在平坦表面上；例如，石墨板。襯底的后表面保持沒有 第二涂層或基本沒有表面涂層。"基本沒有表面涂層"表示設(shè)置在后 表面上的表面涂層限于后表面的外周，例如從襯底的邊緣起小于大約
115mm。如上所述，設(shè)置在襯底的前表面上的第二表面涂層優(yōu)選為氮化
硅，并且可以通過使用二氯硅烷和氨氣的低壓化學氣相沉積(優(yōu)選在
800至90(TC溫度下)來施加。該沉積技術(shù)導致帶有所需的膜特性的第 二涂層，需要所述膜特性來實現(xiàn)本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施方案，該實 施方案利用了本發(fā)明更多的潛力。
通常，第二表面層優(yōu)選大于大約65nm，更優(yōu)選大于大約70nm， 最優(yōu)選大于大約72nm,且優(yōu)選小于大約120nm，更優(yōu)選小于100nm， 最優(yōu)選小于大約77nm厚。
優(yōu)選地，在步驟(b)之后，除去邊緣和后表面上的任何第二表面 涂層。優(yōu)選地，多余的材料借助于干法等離子體蝕刻或可選技術(shù)被除 去。所述方法通常需要前表面的足夠的物理掩蔽而同時將電池的全部 后面暴露于干的等離子體環(huán)境中。在該方法的實施方案中，電池被面 對面放置到惰性載具的槽中，使得等離子體化學試劑能有效地與電池 的后面起反應(yīng)，由此從可能到達電池的后面的第二涂層除去多余的材 料。該方法優(yōu)選經(jīng)由使用氟利昂(Freon) 14 (CF4)和氧氣(02)以 及或者氮氣(N2)以下述比例的混合物的RF (13.6MHz)等離子體的 產(chǎn)生來執(zhí)行，所述比例取決于腔和負載的幾何形狀。然而，能夠除去 多余的材料的任何蝕刻技術(shù)都可以使用，只要不發(fā)生表面涂層的顯著 劣化即可。"沒有顯著劣化"表示表面涂層保持設(shè)置在前面上。
步驟(c)中所形成的凹槽優(yōu)選為平行的，且優(yōu)選借助于激光劃至 硅襯底。凹槽一般為10至40pm寬，優(yōu)選為15至35iim且最優(yōu)選為20 至30pm。凹槽一般為20至60pm深，優(yōu)選為25至45pm且最優(yōu)選為 30至40pm。另外，凹槽一般分開0.5至4.0|im，優(yōu)選分開0.75至3.0pm 且最優(yōu)選分開1.0至2.0pm。
凹槽優(yōu)選利用激光來形成，但是也可通過諸如劃刻(scratching) 的機械手段和化學蝕刻來形成。例如，借助于使用8W 1064nmNd:釩酸鹽激光(Vanadate laser)，可制備激光開槽的樣品，該激光能夠聚 焦成大小近似10|im的光斑并且用130ns左右的脈沖持續(xù)時間以近似 150kHz切換。硅襯底優(yōu)選被保持在x-y臺上，其能夠沿著它們的長度 實現(xiàn)良好限定且均勻的凹槽。作為選擇，凹槽也可經(jīng)由使用相同的激 光源的掃描鏡光學系統(tǒng)來形成。機械刻劃、經(jīng)由蝕刻劑分配的絲網(wǎng)印 刷構(gòu)圖或可選技術(shù)也可用于在第二涂層中提供足夠的開口，其將適合 用于制造根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池。為了實現(xiàn)最佳性能，所得到的凹 槽優(yōu)選沿著它們的長度具有均勻的尺寸。如果仍然能夠完成良好的凹 槽金屬化觸點，則凹槽可以是連續(xù)的或離散的。
因為形成凹槽的動作通常導致硅顆粒和不期望的晶體缺陷的形 成，所以優(yōu)選在步驟(c)之后可清洗凹槽。清洗通常通過將襯底放置 在化學浴(包含例如NaOH或HF)中來實現(xiàn)。使用的化學試劑的類型、 浴的溫度以及襯底被保持在浴中的時間取決于襯底所使用的材料。例 如，對于單晶硅或多晶硅，可使用在從大約8(TC至大約92"C的范圍內(nèi) 的溫度下的30wt%NaOH水浴。單晶硅襯底會暴露于該浴例如持續(xù)大約 80秒至大約IOO秒。多晶硅襯底通常會暴露于該浴持續(xù)更長的時間段， 例如，至少大約3分鐘并且例如達到大約10分鐘。優(yōu)選使用NaOH溶 液并且更優(yōu)選使用12。/。NaOH溶液來清洗凹槽。
優(yōu)選地，在上述初始清洗步驟之后，可通過隨后浸入氫氟酸和鹽 酸中以及緊接著干燥來進一步清洗器件，兩次浸入的中間和最后進行 在去離子水中的漂洗。
上面詳述的清洗步驟，也可用于拋光器件的后表面。后表面蝕刻 導致未織構(gòu)的或基本光滑的后表面。此處使用的"基本光滑的"后表 面優(yōu)選表示后表面未織構(gòu)。此處使用的"未織構(gòu)的"優(yōu)選表示襯底表 面不存在峰或谷；例如，不存在各向異性蝕刻形貌(topography)或如
(又例如)具有與各向同性蝕刻一致的表面形貌。如果可適用，則后表面蝕刻也導致沒有或基本沒有n型摻雜劑并
且沒有或基本沒有p-n結(jié)的后表面。此處使用的"基本沒有n型摻雜劑" 優(yōu)選表示除了后表面的上面設(shè)置有表面涂層的部分處會仍然存在n 型摻雜劑以外，n型摻雜劑已經(jīng)從后表面被蝕刻掉了。在蝕刻之后，一 些n型摻雜劑可以顯著降低的表面濃度存在于后表面的任何未掩蔽的 區(qū)域中；顯著降低的表面濃度為例如低于大約10"原子/cm3、優(yōu)選低于 大約1(^原子/cm3、更優(yōu)選低于大約10"原子/ci^的表面濃度。此處 使用的"基本沒有最接近后表面的p-n結(jié)"表示最接近后表面的上面未 設(shè)置有表面涂層的部分的p-n結(jié)被除去了或由于n型摻雜劑的降低的濃 度而使之無效，所述n型摻雜劑的降低的濃度為例如低于大約1015原 子/cm3、優(yōu)選低于大約1013原子/cm3、更優(yōu)選低于大約1011原子/cm3 的n型摻雜劑的后表面濃度，其中"原子"是摻雜劑的原子。
如上面的步驟(a) —樣執(zhí)行形成第三層材料的步驟(d)，并且 除了在凹槽內(nèi)形成一層之外，還可在襯底的邊緣和后表面周圍形成。 在凹槽內(nèi)的第三層的形成，根據(jù)工藝條件而形成稱為重摻雜層(有時 指定為n++)，所述工藝條件如果相對于上面的步驟(a)而改變，則 導致重摻雜層。這樣的工藝條件包括摻雜元素的在高溫(大約950 至IOO(TC)下的驅(qū)使，使得摻雜劑元素的表面濃度以及它進入到襯底 材料中的程度都高于步驟(a)中。擴展到材料中超過5pm的超過 1019cm—3的表面濃度是典型的。
該工藝步驟的重要結(jié)果是這種重摻雜劑擴散對光生載流子的擴散 長度的影響。這樣的擴散公知產(chǎn)生雜質(zhì)吸除效應(yīng)(gettering effect)， 其中襯底材料本體中的雜質(zhì)通過在擴散工藝期間注入晶體缺陷而被電 中和。這些缺陷在材料中產(chǎn)生應(yīng)力場，對于襯底本體中的不需要的雜 質(zhì)，它們是有效的中和中心。依據(jù)在第三層的形成期間的吸除效應(yīng)可 以獲得超過250pm的少數(shù)載流子擴散長度。用于將該工藝結(jié)合到電池 制造順序中的優(yōu)選條件，通過在工藝步驟期間將襯底單個放置在惰性 載具的槽中來獲得。
14優(yōu)選地，在步驟(d)之后，除去在第三層材料的沉積期間所生成 的(即在步驟(d)之后所存在的)過量的副產(chǎn)物膜?？梢允褂门c用于 從步驟(b)除去多余的材料的上述工藝相似的工藝。優(yōu)選地，使用1% 至4。/oHF的溶液，并且之后使用去離子水漂洗器件。
一般地，觸點為位于前表面與后表面上或者位于前表面與后表面 中的導電性金屬的形式。通過激光開槽以及化學鍍法、絲網(wǎng)印刷或其 它提供與前表面和后表面的良好的歐姆接觸的任何方法，使用光刻法 能創(chuàng)建這些觸點，使得能將電流從光伏電池中引出。 一般地，這些觸 點存在于設(shè)計或圖案例如柵、指狀物、線路等中。這些觸點優(yōu)選使用 導電性金屬糊例如銀糊絲網(wǎng)印刷到襯底上。這些觸點一般絲網(wǎng)印刷到
表面上并且使其干燥。在施加這些觸點后， 一般在從大約80(TC至大約 95(TC的溫度下可燒制襯底，以對這些到襯底的觸點進行退火。用于將 觸點添加到用于光伏電池的晶片襯底上的方法是本領(lǐng)域公知的。本發(fā) 明的成功的重要因素是避免了在絲網(wǎng)印刷的前面金屬化的不期望區(qū)域 下歐姆接觸形成，這防止了過剩載流子在金屬化下復合。這最優(yōu)選經(jīng) 由絲網(wǎng)印刷的前面金屬化圖案的燒制條件以及LPCVD沉積的第二表 面的最優(yōu)化來實現(xiàn)。
優(yōu)選地，接觸指以從45。至90° 、優(yōu)選從60°至卯° 、更優(yōu)選 從80°至90°并且最優(yōu)選90。(即彼此垂直)的角度交叉。
優(yōu)選地，本發(fā)明的方法[且更具體地，步驟(f)]包括改善的后表 面場的形成以提高光伏電池的紅外或遠紅外效率。后表面場優(yōu)選與后 面觸點的形成同時形成。然而，它可以在形成后面觸點之前或者之后 形成。后表面場可以通過在襯底的后表面的至少一部上形成p+層來生 成。p+層是重摻雜有p型物質(zhì)的層。"重摻雜"，我們優(yōu)選表示所述 摻雜是比襯底的p型摻雜實質(zhì)上更大的慘雜。該層的深度一般等于或 小于發(fā)射體層的深度，并且優(yōu)選小于大約0.5微米，且更優(yōu)選小于大約0.3微米；并且深度優(yōu)選大于大約0.1微米，更優(yōu)選大于大約0.2微米。
有利地，p+層的峰值摻雜濃度高于大約10"原子/cm3,優(yōu)選高于大約 10"原子/cm3。 P+摻雜濃度可以與飽和點一樣大；然而，它優(yōu)選低于大 約10"原子/cm3，更優(yōu)選低于大約1()W原子/cm3，其中"原子"是摻雜 劑的原子。
有利地，p+層通過將物質(zhì)合金化到襯底的后表面中來形成。 一般 使用鋁，但是可以使用能夠與襯底合金化并且導致p+層的任何物質(zhì)。 鋁或諸如例如硼、鎵或銦的另一合金物質(zhì)被沉積到襯底的后表面上。 鋁或其它合金物質(zhì)優(yōu)選使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)來施加。用于絲網(wǎng)印刷諸如 糊的材料的方法，如上所述，在本領(lǐng)域是公知的。然后，在足以使鋁 或如上所述用以將p+層形成到硅晶片襯底的其它物質(zhì)合金化的溫度 下，優(yōu)選在大約800至大約95(TC的溫度下，燒制襯底，從而生成后表 面場。在本發(fā)明的一個實施方案中，后面觸點被絲網(wǎng)印刷到襯底上， 緊接著將鋁絲網(wǎng)印刷到襯底的后表面上，隨后干燥以及共同燒制。優(yōu) 選地，鋁限于后表面未被后面觸點所覆蓋的部分。
通常，在形成襯底之后，使晶片的邊緣電子隔離。
在本發(fā)明的又一實施方案中，步驟(a)可以從所定義的方法中排 除。在這樣的實施方案中，"第一層"可以與步驟(d)中的第三層在 同一時間形成。更具體地，在步驟(d)期間，"第一層"可以借助于 穿過第二表面涂層的摻雜劑擴散來形成。
本發(fā)明的方法避免了對于如在許多現(xiàn)有技術(shù)方法中所發(fā)現(xiàn)的襯底 頂表面的氧化(緊接在摻雜劑的擴散之后)的需要。因為使用本發(fā)明 的方法能節(jié)約時間(且因而節(jié)約金錢)而不降低所制造的太陽能電池 的效率，所以這是尤其有利的。要理解的是，當使用這樣的氧化步驟
時，在稍后的工藝步驟中也需要除去已經(jīng)生成的擴散氧化物，因而在 太陽能電池形成中還需要另一步驟。
16本發(fā)明還涉及根據(jù)本發(fā)明的方法制造的光伏器件。
本發(fā)明的又一改進的實施方案確保了電池的后表面沒有或基本沒 有任何n型摻雜劑。利用后表面場的現(xiàn)有技術(shù)的電池使化合物合金化
穿過后表面上的n型摻雜層且進入到硅襯底中，所述化合物一般為鋁。 n型摻雜劑化合物未被除去，因此，與利用相同的合金化方法但其后表 面沒有或基本沒有n型摻雜劑的電池相比，所得到的后表面場區(qū)的功 效減小。后面n型摻雜層的除去提高了后表面場的效能，并且提高了 所得到的光伏電池的效率。
本發(fā)明的光伏電池的又一優(yōu)點在于，后表面優(yōu)選是基本光滑的， 這與織構(gòu)相反。通過前表面織構(gòu)而提高了光伏電池的效率。然而，織 構(gòu)一般在襯底的前表面和后表面上都發(fā)生。眾所周知，基本光滑、未 織構(gòu)的后表面導致較好的后表面鈍化。本發(fā)明的方法除去了后表面上 的紋理(texturing)，并且提供了有利的基本光滑或未織構(gòu)的后表面品 質(zhì)。
更進一步，本發(fā)明包含一種光伏器件，其包括
(a) 形成在襯底的前表面上的第一層，所述第一層包含導電類型 與第一摻雜劑相反的第二摻雜劑；
(b) 形成在所述第一層上的第二表面涂層；
(c) 形成在所述器件的前表面中的多條狹長凹槽，使得所述凹槽 到達或者進入硅襯底；
(d) 形成在所述凹槽內(nèi)的第三層，該層包含導電類型與第一摻雜 劑相反的第三摻雜劑；
(e) 接觸指系統(tǒng)，所述接觸指系統(tǒng)與所述凹槽交叉，以提供導電 的前面觸點；和
(f) 第二觸點。


現(xiàn)在，將通過實施例并參照附圖來討論本發(fā)明，在附圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的襯底的示意圖； 圖2是圖1的襯底的俯視圖3是圖1的襯底在其上形成了第一層和第二表面涂層之后的示
意圖4是圖3的襯底的俯視圖5是圖3的襯底在被清洗并且去除了多余的第二表面涂層之后 的示意圖6是圖5的襯底的俯視圖7是圖5的襯底在其中形成了凹槽之后的示意圖； 圖8是圖7的襯底的俯視圖9是圖7的襯底在凹槽形成和隨后的清洗之后的示意圖； 圖10是圖9的襯底的俯視圖11是在凹槽內(nèi)形成第三層之后的襯底的示意圖； 圖12是圖11的襯底的俯視圖13是圖11的襯底在其中形成了與凹槽交叉的觸點之后的示意
圖14是圖13的襯底的俯視圖15是圖13的襯底在形成后面觸點之后的示意圖； 圖16是圖15的襯底的俯視圖17是圖18的襯底在邊緣結(jié)隔離之后的示意圖； 圖18是圖17的襯底的俯視圖。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的電池10的截面。光伏電池 IO包括織構(gòu)的襯底，例如用硼p型摻雜的襯底12。該紋理(texture) 被象征性地描繪為14。
圖3中，在襯底12的前表面16上存在例如通過磷擴散而形成的織構(gòu)的n型摻雜第一層18，從而在硼摻雜的襯底12與n型摻雜層18 交匯處生成p-n結(jié)。第二表面涂層20設(shè)置在邊緣22、前表面16上的 電池的第一層18以及后表面26的外周24上。
在形成第一層18和第二表面涂層20之后，清洗并蝕刻器件IO(參 見圖5)，以便除去涂層20中的不需要的部分。
如圖7所示，穿過層18和表面涂層20，在襯底12中形成凹槽28。 在形成凹槽28之后，執(zhí)行清洗方法，以便除去不需要的碎屑。這種清 洗拋光器件10的后表面26，并且導致未織構(gòu)或基本光滑的后表面30， 如圖9所示。
然后，對凹槽28 (和襯底12的后面26，在本實施方案中)摻雜 以制造第三n型摻雜劑層32 (參見圖11)。任何過量的材料都可以被洗掉。
在施加了第三層32之后，如圖13所示，多個接觸指34被印刷到 器件10的頂表面上，使得接觸指截斷凹槽，優(yōu)選以90。的角度截斷凹 槽。
在形成接觸指34之后，在后表面26上形成后表面場36，該后表 面場另外包括電觸點38。
最后，參照圖18，使器件10的前表面和后表面電子隔離。
光伏電池及其制造的實施例 原材料
使用常規(guī)CZ硅晶片，該晶片用硼p型摻雜至1.2歐姆/cm的電阻 率，并且利用平行于晶片表面的[100]晶面生長。晶片尺寸為127mm見 方，并且具有直徑150mm的圓角。晶片厚度為30(Him。這種晶片在商業(yè)上例如可從MSetek、 PV Silicon GmbH、 Advansil或Pillar獲得。
晶片表面制備
在85。C的溫度下，在氫氧化鈉(2%)和丙醇(2%)的溶液中， 晶片被各向異性地"紋理"蝕刻，并且通過隨后被浸入到氫氟酸和鹽酸中 以及緊接著干燥來清洗，兩次浸入的中間和最后進行在去離子水中的 漂洗。
磷摻雜和氮化硅沉積
晶片被成對地放置(輕觸)在石英晶片載具中的狹槽中，并且在 80(TC溫度下在POCl3蒸氣和氧氣氣氛中被處理，以在外部表面上沉積 10nm厚的磷玻璃膜。然后，晶片(在它們的石英載具中)在40Pa壓 力和在780"C與86(TC之間的溫度下在二氯硅垸和氨氣氣氛中被處理， 以在外部的硅上沉積110nm厚且電阻率約為100歐姆/平方的氮化硅 膜。
等離子體蝕刻
這不是方法的必要部分，但卻是良好的電池成果所需要的。作為 先前工藝的結(jié)果， 一些不需要的氮化硅通常被沉積在晶片后面的周界 周圍(達到10-20mm距離)。該膜通過在用氟利昂(Freon) 14以及 氧氣和氮氣混合物形成的氣態(tài)等離子體中進行蝕刻除去。這通過將晶 片放置成使它們的前表面彼此輕觸并且使其后表面暴露于氣態(tài)等離子 體來實現(xiàn)。
凹槽限定
在前表面(帶有氮化硅膜的表面)中通過激光燒蝕而切割出許多 凹槽，所述凹槽將隨后形成導電性柵，電流由該導電性柵輸運。每一 個凹槽一般都具有20pm寬和35pm深的尺寸，并且通過使用8W 1064nmNd:釩酸鹽激光對表面材料進行激光燒蝕來形成，該激光能夠 聚焦成大小近似10pm的光斑以近似600mm/s的速率在晶片表面上來回移動并且用大約130ns的脈沖持續(xù)時間以近似150kHz切換。凹槽圖 案包括分布在整個電池表面上的間距為1.0mm的第一組平行線。
凹槽清洗
經(jīng)由激光開槽的凹槽限定動作通常導致包含不期望的晶體缺陷的 晶片表面和凹槽側(cè)壁上的硅碎屑。因此，在5(TC下在氫氧化鈉溶液中 蝕刻晶片持續(xù)約IO分鐘，以溶解這些碎屑并蝕刻凹槽壁至幾微米深度。 然后，通過隨后浸入到4%氫氟酸和4%鹽酸中以及緊接著干燥來清洗 晶片，兩次浸入的中間和最后進行在去離子水中的漂洗。
凹槽摻雜
硅晶片被放置在石英晶片載具上，并且被插入到石英管中，在石 英管中，在960-100(TC的溫度下在POCl3蒸氣和氧氣氣氛中對它們進 行處理持續(xù)20分鐘。磷摻雜暴露的硅表面至6-8歐姆每平方的表面電 阻率。
凹槽摻雜清洗
使用1%至4%的HF溶液來清洗被摻雜的凹槽，以便除去在先前 摻雜步驟期間所沉積的副產(chǎn)物薄膜。
絲網(wǎng)印刷指觸點
為了將前面電觸點建立到被摻雜的激光限定的凹槽上，銀(Ag) 前面金屬化柵被絲網(wǎng)印刷成51個導電指，這些導電指被相對于被摻雜 的凹槽成90°地印刷成120pm寬、20pm厚。前觸點圖案的導電指的數(shù) 目可以在20與70之間，但對于125mmxl25mm器件優(yōu)選為51。這些 指狀物的寬度可以在20^m與150pm之間，優(yōu)選為80pm，同時保持導 電指的截面與所試驗的結(jié)構(gòu)相同。
這些指狀物自身之間通過2條1.8mm寬、20|im厚的導電匯流條 連接。這些匯流條的寬度通常小于2mm且大于0.5mm，優(yōu)選為1.5mm，
21同時維持相同的導電截面。這些匯流條自身之間被分離開62.5mm并且 被構(gòu)圖成與Ag指垂直。
在該方法的本實施方案中，絲網(wǎng)印刷的前面觸點需要在最高溫度 35(TC下干燥持續(xù)近似2分鐘。該前面金屬化工藝的其它形式能避免這 樣的干燥步驟。
后面觸點和后表面場
經(jīng)由絲網(wǎng)印刷實現(xiàn)了在電池的后面處的歐姆接觸和后表面場形 成。2個Ag接觸焊盤結(jié)構(gòu)被絲網(wǎng)印刷在后面上，5mm寬、105mm長 的接觸焊盤以62.5mm的間距分離開。它們的長度平行于前面匯流條 Ag圖案。隨后，Al絲網(wǎng)圖案被印刷成與Ag接觸焊盤結(jié)構(gòu)交疊lmm， 同時在電池的邊緣附近維持2mm邊緣禁區(qū)(exclusion zone)，所述 Al絲網(wǎng)印刷圖案相對于后面Ag接觸焊盤結(jié)構(gòu)是相反的。隨后的后面 金屬化干燥以及前面和后面金屬化共同燒制，導致形成歐姆接觸(前 面和后面)以及A1后表面場。90(TC數(shù)量級的最高燒制溫度是典型的。
邊緣隔離
通過解理和丟棄邊緣處的1mm硅，除去邊緣上的不期望的導電性 沉積物，然后除去邊緣材料。
現(xiàn)在，電池已完成并且準備好用于試驗。
結(jié)果
電池類型面積 (cm2)發(fā)射體 (Q/口)Jsc (mAcm-2)Voc (mV)FF (%)Eff (%)
現(xiàn)有技術(shù)激光開槽電池154>訓356127916.8
根據(jù)本發(fā)明所述的電池154>1003863576(1)18.3
根據(jù)US2005/0074917所述電池---61578.717.8
Suntech標準絲網(wǎng)印刷電池1505035.161476.316.5 [VU1]
22(1)進一步優(yōu)化以提高正在進行的FF; 備注-JSC:短路電流密度
-Voc-開路電壓 -FF二占空因數(shù)(Fill factor) -￡(~電池效率
權(quán)利要求
1. 一種用于制造光伏器件的方法，所述光伏器件具有襯底，該襯底包含摻雜有第一摻雜劑的硅，所述方法包括下列步驟a. 在所述襯底的前表面上形成第一層，所述第一層包含導電類型與第一摻雜劑相反的第二摻雜劑；g. 在所述第一層上形成第二表面涂層；h. 形成到達或者進入所述硅襯底的狹長凹槽；i. 在所述凹槽內(nèi)形成第三層，該層包含導電類型與第一摻雜劑相反的第三摻雜劑；j. 形成接觸指系統(tǒng)，所述接觸指系統(tǒng)與所述凹槽交叉，以提供導電的前觸點；以及k. 形成第二觸點。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底在步驟(a)之前 被織構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第二表面 涂層充當介電層、抗反射涂層、表面鈍化劑、體鈍化劑、擴散掩模和/ 或金屬化擴散阻擋層中的一個或多個。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述第二表面層 通過低壓化學氣相沉積而施加。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述第二表面層 是氮化硅。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在步驟(b)之 后，從所述后表面除去任何第二表面涂層。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述凹槽沿著它 們的長度具有均勻的尺寸。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在步驟(C)之 后，清洗所述凹槽。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在步驟(C)之 后，另外對所述后表面進行拋光。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在步驟(d)之 后，除去過量的所述第三層材料。
11. 根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述接觸指與所 述凹槽垂直。
12. 根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述接觸指是銀。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中步驟(f)包括形成背表面場。
14. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中在所述器件的后表面上沉 積鋁層并將其固化。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述鋁層包括接觸焊盤。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述接觸焊盤是銀。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中在形成所述襯 底之后，所述晶片的邊緣被電子隔離。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的工藝而制造的光伏器件。
19. 一種光伏器件，所述光伏器件包括a. 形成在襯底的前表面上的第一層，所述第一層包含導電類型與 第一摻雜劑相反的第二摻雜劑；b. 形成在所述第一層上的第二表面涂層；C.形成在所述器件的前表面中的多個狹長凹槽，使得所述凹槽到 達或者進入所述硅襯底；d. 形成在所述凹槽內(nèi)的第三層，該層包含導電類型與第一摻雜劑 相反的第三摻雜劑；e. 接觸指系統(tǒng)，所述接觸指系統(tǒng)與所述凹槽交叉，以提供導電的 前觸點；和f. 第二觸點。
全文摘要
一種用于制造光伏器件的方法，該光伏器件具有包含摻雜有第一摻雜劑的硅的襯底，所述方法包括下列步驟a.在襯底的前表面上形成第一層，該第一層包含導電類型與第一摻雜劑相反的第二摻雜劑；b.在第一層上形成第二表面涂層；c.形成到達或者進入硅襯底的狹長凹槽；d.在凹槽內(nèi)形成第三層，該層包含導電類型與第一摻雜劑相反的第三摻雜劑；e.形成接觸指系統(tǒng)，所述接觸指系統(tǒng)與凹槽交叉，以提供導電的前觸點；以及f.形成第二觸點。
文檔編號H01L31/068GK101523615SQ200780031175
公開日2009年9月2日 申請日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者卡曼·莫利拉, 君·曼扭爾·費爾南德茲, 因納斯·玟庫拉, 拉菲爾·布諾 申請人:Bp太陽能旗艦股份有限公司