導(dǎo)電膏組合物及由其制成的半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利說明】導(dǎo)電實組合物及由其制成的半導(dǎo)體器件
[0001] 相關(guān)申請的香叉引用
[0002] 本申請要求2012年9月6日提交的名稱為"ConductivePasteCompositionand SemiconductorDevicesMadeTherewith"的美國臨時專利申請序列號 61/697, 463 的權(quán) 益，該臨時專利申請的內(nèi)容W全文引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及一種可用于構(gòu)造多種電器件和電子器件的導(dǎo)電膏組合物，并且更具體 地，本發(fā)明設(shè)及一種可用于生成包括用于光伏器件的前側(cè)面電極的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的糊料組合 物。
【背景技術(shù)】
[0004] 常規(guī)光伏電池裝配了具有結(jié)諸如p-n結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述p-n結(jié)被成形為具有 n型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。更具體地，Si太陽能電池通常是通過對純化的Si添加受控的雜 質(zhì)（稱為滲雜物）制成的。不同的滲雜物產(chǎn)生P型或n型材料，其中分別有正的或負(fù)的多 數(shù)電荷載體。電池結(jié)構(gòu)包括P型與n型Si之間的邊界或結(jié)。當(dāng)由適當(dāng)波長的福射（諸如 日光）照射電池時，跨越結(jié)的電勢（電壓）差產(chǎn)生自由的電荷載體。該些電子-空穴對電 荷載體在由P-n結(jié)產(chǎn)生的電場中遷移，并且被半導(dǎo)體的相應(yīng)表面上的電極收集起來。該電 池因此適于向連接到該些電極的電力負(fù)荷提供電流，從而提供從入射太陽能轉(zhuǎn)換的電能， 所述電能能夠做有用功。對于典型的P基構(gòu)型，負(fù)極通常位于電池的旨在暴露于光源的側(cè) 面（"前"側(cè)面，其在太陽能電池的情形中為暴露于日光的側(cè)面）上，并且正極位于電池的 另一個側(cè)面（"背"側(cè)面）上。太陽能光伏系統(tǒng)被認(rèn)為是對環(huán)境有益的，因為它們減少了對 用于常規(guī)發(fā)電站的化石燃料的需求。
[0005] 工業(yè)光伏電池通常是W結(jié)構(gòu)諸如基于滲雜質(zhì)的結(jié)晶娃晶片的結(jié)構(gòu)的形式提供，所 述晶片已被金屬化，即具有導(dǎo)電金屬觸點形式的電極，所生成的電流可通過所述電極流至 外部電路負(fù)荷。最常見的情況是，該些電極設(shè)置在大致為平面的電池結(jié)構(gòu)的相對兩側(cè)上。常 規(guī)地，它們通過如下方式來產(chǎn)生；將合適的導(dǎo)電金屬糊料施涂到半導(dǎo)體主體的相應(yīng)的表面 上并且然后賠燒糊料。
[0006] 光伏電池通常被制造成在它們的前側(cè)面上具有絕緣層W提供減反射特性，所述特 性最大化對入射光的利用率。然而，在該構(gòu)型中，通常必須除去絕緣層W允許鋪疊的前側(cè)面 電極與下面的半導(dǎo)體表面接觸。前側(cè)面導(dǎo)電金屬糊料通常包含用作印刷用載體的有機介質(zhì) 中攜帶的玻璃料和導(dǎo)電物質(zhì)（例如，銀粒子）?？赏ㄟ^W下方式形成電極，即化合適的模式 (例如，通過絲網(wǎng)印刷）沉積糊料組合物并然后賠燒糊料組合物和基板，W溶解或W其它方 式穿透絕緣減反射層并燒結(jié)金屬粉末，使得形成與半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電連接。
[0007] 糊料組合物在賠燒時穿透或蝕穿減反射層并與基板形成強粘結(jié)的能力高度取決 于導(dǎo)電膏的成分及賠燒條件。光伏電池電性能的關(guān)鍵量度諸如效率也受到在賠燒的導(dǎo)電膏 與基板之間制成的電觸點的品質(zhì)的影響。
[0008] 雖然可用于形成器件諸如光伏電池的各種方法和組合物是已知的，但仍然需要允 許制造出圖案化導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的組合物，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu)提供改善的總體器件電性能并有利于高 效地制造此類器件。
[0009] -種常見類別的Si太陽能電池設(shè)計使用200ym厚的P型Si晶片，其在晶片的前 表面上具有〇.4ym的n型Si層。P型晶片提供基板，并且n型層是發(fā)射極。在各種實施方 式中，n型層是通過將磯（巧滲雜物擴散或離子注入到Si晶片當(dāng)中制成的。
[0010] 必須控制滲雜物濃度W獲得最佳的電池性能。發(fā)射極中的高滲雜物濃度賦予低電 發(fā)射極薄層電阻率，并使得能夠在Si表面處制成低電阻率金屬觸點，從而減少電阻損耗。 然而，高滲雜物濃度也在Si晶格中引入了晶體缺陷或電擾動，其增加了復(fù)合損耗，該會減 少電池的電流和電壓兩者。
[0011] 本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的是（參見例如S.W.Jones,"DiffusioninSilicon, " 1C KnowledgeUX(2008)，pp. 56-62)，通常使用SIMS(二次離子質(zhì)譜）深度剖析方法測量總滲 雜物濃度，并且使用SRP(擴展電阻探測）或ECV(電化學(xué)電容電壓）方法測量活性滲雜物 濃度。
[0012] 在制備有發(fā)射極的常規(guī)光伏電池中最常用的晶片在表面處具有的P滲雜物的總 濃度[P表面]范圍是從9至ISXIQW原子/cm3?；钚訹P表面]范圍通常是從3至4Xl〇w原 子/cm3。此類發(fā)射極被稱為高度或重度滲雜的發(fā)射極（皿巧，并且組裝了該些發(fā)射極的晶 片常被簡稱為"皿E晶片"。
[001引在Si中前表面（[P?胃])高于~IXl〇w原子/cm3的P滲雜物濃度導(dǎo)致各種類型 的復(fù)合。復(fù)合的電荷載體結(jié)合到Si晶格，并且無法作為電能被收集。太陽能電池能量損耗 是由于Voc(開路電壓）和Isc(短路電流）兩者的減小導(dǎo)致的。超過活性濃度的P滲雜物 (非活性巧導(dǎo)致肖克萊-里德-霍爾（SRH)復(fù)合能量損耗。高于~lXl〇w原子/cm3的活 性P滲雜物導(dǎo)致俄歇復(fù)合能量損耗（Augerrecombinationenergyloss)。
[0014] 在晶片表面處W低滲雜物濃度制成的發(fā)射極被稱為輕滲雜發(fā)射極或低滲雜發(fā)射 極（LD巧。[P?胃]<lXl〇w原子/cm3的晶片通常被稱作LDE晶片。采用輕滲雜發(fā)射極的太 陽能電池實施例在一些情況下通過減少由于在前表面的電子-空穴復(fù)合造成的損耗而實 現(xiàn)改善的太陽能電池性能。然而，基于LDE的電池的電池性能提高的內(nèi)在潛力在實踐中經(jīng) 常因為較難形成從操作電池中有效地提取電流所需的高質(zhì)量金屬觸點而降低。
[0015] 因此，用于商業(yè)化太陽能電池的晶片通常采用如上文所討論的高[P*B]發(fā)射極， 其降低短波長響應(yīng)（短波長在娃中具有非常高的吸收系數(shù)并且非常接近表面被吸收）并導(dǎo) 致較低的開路電壓（Voc)和短路電流密度（Jsc)。高[P?胃]發(fā)射極使得能夠形成低接觸電 阻率金屬化觸點，沒有它則接觸不良且電池性能下降。
[0016] 然而，用基于LDE的電池是有可能實現(xiàn)電池性能提高的。此類電池將需要厚膜金 屬化糊料，所述糊料能可靠地接觸輕滲雜低[P^OT]發(fā)射極而不損壞發(fā)射極層表面，同時仍 提供低接觸電阻。理想的是，此類糊料將使得絲網(wǎng)印刷的晶娃太陽能電池能夠在前表面處 具有減小的飽和電流密度（JOe)及伴隨的增加的Voc和Jsc，并因此改善太陽能電池性能。 糊料的其它期望的特性將包括高體積電導(dǎo)率、在金屬化圖案中形成窄的高縱橫比接觸線W 進(jìn)一步減小串聯(lián)電阻和最小化電極對入射光遮蔽的能力、W及對基板良好的附著性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的實施例設(shè)及糊料組合物，該糊料組合物包含：
[001引 （a)導(dǎo)電金屬源；
[0019] 化）堿±金屬棚蹄氧化物；和
[0020] (C)有機載體，所述導(dǎo)電金屬源和所述堿±金屬棚蹄氧化物分散在所述有機載體 中。
[0021] 在某些實施例中，糊料組合物還包含0. 01-5重量％、或0. 05至2. 5重量％、或0. 1 至1重量％的離散的氧化物添加劑或者在賠燒時產(chǎn)生氧化物的金屬或化合物。
[0022] 另一方面提供了一種用于在基板上形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括：
[0023] (a)提供具有第一主表面的基板；
[0024] 化）將糊料組合物施涂在所述第一主表面的預(yù)先選定的部分上，其中 [00巧]所述糊料組合物包含：
[0026] ：0導(dǎo)電金屬源；
[0027] ii)堿±金屬棚蹄氧化物，和
[0028] iii)有機載體，所述導(dǎo)電金屬源和所述堿±金屬棚蹄氧化物分散在所述有機載體 中；化及
[0029] (C)賠燒所述基板和在所述基板上的糊料組合物，由此在所述基板上形成導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)。
[0030] 在進(jìn)一步的實施方式中，基板包括在其表面上的減反射層，并且賠燒導(dǎo)致糊料至 少部分地蝕穿減反射層，使得在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與基板之間建立起電接觸。
[0031] 另外，還提供了一種包括基板和在基板上的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的制品，該制品是通過前述 方法形成。該類型的代表性制品包括半導(dǎo)體器件和光伏電池。在一個實施例中，基板包括 娃晶片。
【附圖說明】
[0032] 當(dāng)參考本發(fā)明的【具體實施方式】及附圖時，將更充分地理解本發(fā)明并且其它優(yōu)點將 變得顯而易見，其中類似的附圖標(biāo)號指示所有若干視圖的相似元件，并且其中：
[003引圖1A-1F示出可用來制造半導(dǎo)體器件的方法的連續(xù)步驟。該器件繼而可并入到光 伏電池中。圖1A-1F中所用的附圖標(biāo)號包括下列：
[0034] 10 ;p型基板
[00對 12 ;基板10的第一主表面（前側(cè)面）
[003引 14 ;基板10的第二主表面（背側(cè)面）
[0037] 20 ;n型擴散層
[0038] 30 ;絕緣層
[0039] 40 ;p+ 層
[0040] 60 ;在背側(cè)面上形成的侶漿
[0041] 61 ;侶背面電極（通過賠燒背側(cè)面?zhèn)H漿獲得）
[0042] 70 ;在背側(cè)面上形成的銀漿或銀/侶漿
[0043] 71 ;銀或銀/侶背面電極（通過賠燒背側(cè)面糊料獲得）
[0044] 500;根據(jù)本發(fā)明在前側(cè)面上形成的導(dǎo)電膏
[004引 501;根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電前面電極（通過賠燒前側(cè)面導(dǎo)電膏形成）
【具體實施方式】
[0046] 本發(fā)明解決了對用W制造具有高機械強度的高導(dǎo)電性電極的高性能半導(dǎo)體器件 的方法的需求。本文提供的導(dǎo)電膏組合物有利地用于制造光伏器件的前側(cè)面電極。理想的 是，糊料組合物促進(jìn)前側(cè)面金屬化的形成，所述前側(cè)面金屬化；(a)牢固地附著于下面的半 導(dǎo)體基板；并且化）提供與基板的相對低電阻的接觸。合適的糊料組合物據(jù)信有助于蝕刻 常用于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)諸如光伏電池中的表面絕緣層W允許在導(dǎo)電電極與下面的半導(dǎo)體之間 發(fā)生接觸。
[0047] 在一個方面，本發(fā)明提供了一種糊料組合物，其包含：功能性導(dǎo)電組分，諸如導(dǎo)電 金屬源；堿±金屬棚蹄氧化物；任選的離散的無機添加劑；和有機載體。某些實施例設(shè)及包 括用本發(fā)明的糊料組合物制成的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的光伏電池。此類電池可提供高光伏轉(zhuǎn)換效率、 高填充因數(shù)和低串聯(lián)電阻中的一種或多種的任意組合。
[0048] 在各種實施例中，本發(fā)明的糊料組合物可包含W下成分的滲加物：無機固體部分， 該部分包含；（a)約85重量％至約99重量％、或約90重量％至約99重量％、或約95重 量％至約99重量％的導(dǎo)電金屬源；化）約1重量％至約15重量％、或約1重量％至約8重 量％、或約2重量％至約8重量％、或約1重量％至約5重量％、或約1重量％至約3重量％ 的堿±金屬棚蹄氧化物材料，其中成分（a)和化）的上述含量是基于除了有機介質(zhì)外組合 物的無機固體部分的所有組分的總重量計的。
[0049]如下文進(jìn)一步所詳述，糊料組合物還包含有機載體，其用作分散在有機載體中的 無機組分的載體。糊料組合物還可包含其它附加組分諸如表面活性劑、增稠劑、觸變膠、和 粘合劑。
[0050] 通常，電極和其它導(dǎo)電跡線是通過將糊料組合物絲網(wǎng)印刷到基板上來提供的，雖 然也可使用其它印刷形式，諸如電鍛、擠出、噴墨、成型印刷或多版印刷、或帶式印刷。沉積 后，在升高的溫度下賠燒通常在有機載體中包含導(dǎo)電金屬粉末（例如Ag)、玻璃料和任選的 無機添加劑的組合物。
[0051] 該組合物也可用來形成導(dǎo)電跡線，諸如用于要并入到電器件或電子器件中的半導(dǎo) 體模塊中的那些。如技術(shù)人員將會認(rèn)識到的那樣，本文所述的糊料組合物可被稱為"導(dǎo)電 的"，該是指該組合物可被成形為某種結(jié)構(gòu)，并且然后被加工成表現(xiàn)出足W用于在器件或與 其連接的電路之間傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電性。
[0052] I.無化紀(jì)分
[0053] 本發(fā)明的一個實施例設(shè)及一種糊料組合物，其可包含；包含提供導(dǎo)電性的功能性 材料的無機固體部分、堿±金屬棚蹄氧化物易烙材料；和無機固體分散在其中的有機載體。 糊料組合物還可包含附加組分，諸如表面活性劑、增稠劑、觸變膠、和粘合劑。
[0054]