用于背面钝化的图案化的铝背触点的制作方法
【专利摘要】本发明的实施方式一般涉及具有减少的载子复合的太阳能电池，以及用于形成所述太阳能电池的方法。所述太阳能电池具有共晶局部触点和钝化层，所述共晶局部触点和钝化层通过促进背面电场(back?surface?field；BSF)的形成来减少复合。在所述钝化层上设置图案化的铝背触点，以用于去除来自所述太阳能电池的电流。所述图案化的背触点通过使用比完整表面的背触点更少的材料来减少所述太阳能电池的每瓦特成本。所述形成所述太阳能电池的方法包括：在太阳能电池的背面上沉积包括氧化铝和氮化硅的钝化层，以及随后形成穿过所述钝化层的开口。图案化的铝背触点设置在所述钝化层上所述空穴的上方，并且经热处理以在所述开口内形成硅铝共晶体。
【专利说明】用于背面钝化的图案化的铝背触点
[0001] 发明背景 发明领域
[0002] 本发明的实施方式一般涉及具有减少的载子复合和因此较高效率的太阳能电池， 以及用于形成所述太阳能电池的方法。
[0003] 相关技术描述
[0004] 太阳能电池经由光电效应产生功率，通过将太阳能电池暴露于诸如阳光之类的辐 射能够进行该光电效应。辐射对太阳能电池的照射产生电流，因为被激发的电子和空穴沿 不同的方向移动穿过被辐射的电池。所述电流可以被从所述太阳能电池提取并用作能量。
[0005] 然而，如果在电流提取之前所述电子和所述空穴复合，那么能量以热量形式从所 述太阳能电池散失。所述电子和所述空穴的复合减少了由所述太阳能电池产生的有用功率 的量，并且由此太阳能电池的效率同样也被降低。
[0006] 因此，存在对具有减少的载子复合和增加的效率的太阳能电池的需要。 发明概要
[0007] 本发明的实施方式一般涉及具有减少的载子复合的太阳能电池，以及用于形成所 述太阳能电池的方法。所述太阳能电池具有共晶局部触点和钝化层，所述共晶局部触点和 钝化层通过促进背面电场（back surface field ;BSF)的形成来减少复合。在所述钝化层上 设置图案化的铝背触点，以用于去除来自所述太阳能电池的电流。所述图案化的背触点通 过使用比完整表面的背触点更少的材料来减少所述太阳能电池的每瓦特成本。所述形成所 述太阳能电池的方法包括：在太阳能电池的背面上沉积包括氧化铝和氮化硅的钝化层，以 及随后形成穿过所述钝化层的开口。图案化的铝背触点设置在所述钝化层上所述空穴的上 方，并且经热处理以在所述开口内形成硅铝共晶体。
[0008] 在一个实施方式中，公开了一种太阳能电池。所述太阳能电池包括基板和设置在 所述基板的光接收表面上的前触点。在非光接收表面上设置钝化层。所述非光接收表面上 的所述钝化层具有多个穿过所述钝化层的开口，并且包括第一氧化铝子层和第二氮化硅子 层。在所述非光接收表面上的钝化层上设置含铝并且具有网格状形状的背触点。所述太阳 能还包括形成在所述基板和设置在所述开口内的所述背触点的界面处的多个局部触点。所 述多个局部触点包括硅-铝共晶合金。
[0009] 在另一实施方式中，公开了一种形成太阳能电池的方法。所述方法包括：在基板的 非光接收表面上设置钝化层。所述钝化层包括第一氧化铝子层，和设置在所述第一氧化铝 子层上的第二氮化硅子层。随后形成穿过所述钝化层的多个开口，以及在所述钝化层上以 包括所述开口的网格状图案的形式设置铝涂料。随后将所述基板和设置在所述基板上的所 述铝涂料加热到高于硅-铝共晶点的温度。
[0010] 在另一实施方式中，公开了一种形成太阳能电池的方法。所述方法包括：在基板的 非光接收表面上设置钝化层。所述钝化层包括第一氧化铝子层，所述第一氧化铝子层具有 约20纳米或更大的厚度；以及第二氮化硅子层，所述第二氮化硅子层具有在约20纳米到约 150纳米范围内的厚度。随后使用激光形成穿过所述钝化层的多个开口，以及在所述钝化层 上以网格状图案设置铝涂料。所述铝涂料设置在所述开口上和所述开口内。随后所述基板 经热处理，热处理包括将所述基板和所述基板上的所述铝涂料加热到高于硅-铝共晶点的 温度，以及使基板冷却。
[0011] 附图简沭
[0012] 因此，可详细理解本发明的上述特征结构的方式，即上文简要概述的本发明的更 具体描述可参照实施方式进行，一些实施方式图示于附图中。然而，应注意，附图仅图示本 发明的典型实施方式，且因此不应被视为本发明范围的限制，因为本发明可允许其他等效 的实施方式。
[0013] 图1是根据本发明的一个实施方式的太阳能电池的示意性剖面图。
[0014] 图2是根据本发明的一个实施方式的太阳能电池的背面的示意性平面图。
[0015] 图3是图示一种形成根据本发明的一个实施方式的太阳能电池的方法的流程图。
[0016] 为了促进理解，在可能的情况下已使用相同元件符号以指定为诸图所共有的相同 元件。预期一个实施方式之元件及特征可有利地并入其他实施方式中而无需进一步叙述。
[0017] 详细描沭
[0018] 本发明的实施方式一般涉及具有减少的载子复合的太阳能电池，以及用于形成所 述太阳能电池的方法。所述太阳能电池具有共晶局部触点和钝化层，所述共晶局部触点和 钝化层通过促进背面电场（back surface field ;BSF)的形成来减少复合。在所述钝化层上 设置图案化的铝背触点，以用于去除来自所述太阳能电池的电流。所述图案化的背触点通 过使用比完整表面的背触点更少的材料来减少所述太阳能电池的每瓦特成本。所述形成所 述太阳能电池的方法包括：在太阳能电池的背面上沉积包括氧化铝和氮化硅的钝化层，以 及随后形成穿过所述钝化层的开口。图案化的铝背触点设置在所述钝化层上所述空穴的上 方，并且经热处理以在所述开口内形成硅铝共晶体。
[0019] 图1是根据本发明的一个实施方式的太阳能电池100的示意性剖面图。所述太阳 能电池100包括半导体基板102,诸如硅基板（例如，单晶硅或多晶硅）。在一个实例中，所 述半导体基板102可以是p型结晶硅基板。所述太阳能电池100包括设置在所述太阳能电 池100的光接收表面上的前表面触点104和设置在所述太阳能电池100的非光接收表面上 的背面触点106。所述前触点104和所述背触点106以网格状图案设置，所述网格状图案 包括一或多个母线，以及与所述母线耦接并且设置为垂直于所述母线的多个指状物（如图 2所示）。所述前触点104包括银和铝，以及所述背触点106包括铝。
[0020] 所述太阳能电池100还包括靠近所述前触点104的η型区域108,以及在所述背触 点106和所述基板102之间的钝化层110。所述钝化层110与局部触点114 (所述局部触点 114是由背触点材料形成的）一起联合促进在所述局部触点114周围的区域内形成背面电 场，所述背面电场排斥少数载流子。所述少数载流子被排斥是由于在所形成的局部触点114 内存在高浓度的Ρ型掺杂剂，诸如铝。排斥少数载流子减少了所述太阳能电池100的所述 非光接收表面附近的载子复合。在一种配置中，所述钝化层110包括两个子层，即氧化铝层 ll〇a和氮化硅层110b。所述氧化铝层110a钝化所述太阳能电池100的背表面并且促进局 部触点114的形成，同时所述氮化硅层110b充当所述氧化铝层上的防护涂层。所述氮化硅 层110b保护所述氧化铝层110a在热处理步骤（例如，焙烧步骤）期间不接触用于形成所 述背触点106的材料。一些用于形成所述背触点106的材料可能会不利地影响所述氧化铝 层110a，例如通过溶解所述氧化铝层110a，从而降低所述氧化铝层110a的钝化性能。所述 氧化铝层ll〇a -般具有约20纳米或更大的厚度，例如约50纳米。所述氮化硅层110b - 般具有在约20纳米到约100纳米范围内的厚度，诸如约50纳米到约80纳米。在一个实例 中，所述钝化层110的总厚度约为100纳米。
[0021] 所述钝化层110包括形成在所述钝化层110中的多个开口 112,以允许在所述基板 102和所述背触点106之间的电气通信。所述开口具有在约20微米到约200微米范围内 的直径，以及约100微米到约1000微米的节距。所述背触点106延伸到所述开口 112中并 且经热处理以形成局部触点114。所形成的局部触点114是从所述基板102和所述背触点 106形成的共晶合金材料。在一个实例中，所述共晶材料是铝/硅共晶合金。在这样的实例 中，所述局部触点可在所述基板102附近包含硅中约百分之12(% )的铝，以及可在所述背 触点106附近包含铝中约1%的硅。所述局部触点114可延伸超出所述钝化层110达距离 116,所述距离116在约5微米到约60微米的范围内。所述距离116 -般取决于所述开口 112的直径，以及取决于所述加热工艺的持续时间和温度，所述加热工艺用于在所述局部触 点114内形成共晶合金材料。
[0022] 图1描述太阳能电池100的一个实施方式；然而也可考虑其他实施方式。例如， 可考虑将其他金属用于形成所述前触点104或者所述背触点106,所述金属包括金、银、铝、 钼，或其组合。在另一实施方式中，可考虑除去所述氮化硅层ll〇b。在这样的实施方式中， 所述氧化铝层ll〇a可具有约100纳米的厚度。在另一实施方式中，可考虑改变所述开口 112的直径和节距，以通过增加所述基板102和所述背触点106之间的接触面积来提供所需 水平的电连接。另外，可以通过增加所述基板102和所述背触点106之间的接触面积（例 如，所述局部触点114的直径）来减少所述距离116。
[0023] 图2是根据本发明的一个实施方式的太阳能电池100的背面（例如，非光接收表 面）的示意性平面图。所述太阳能电池100包括背触点106,所述背触点106包括多个母线 218和与所述母线218电气通信的多个指状物220。设置穿过所述钝化层110并且在所述 背触点106下方的多个开口 112 (以虚线图示），以促进太阳能电池100的所述背触点106 和所述基板102之间的电连接。可考虑改变所述开口 112的大小和节距，以及改变所述母 线218和所述指状物220的数量和间距，以提供所需的电流流动。所述背触点106 -般具 有在约15微米到约35微米的范围内的厚度。在一个实例中，为了减少所述太阳能电池的 制造成本，所述背触点106配置成覆盖所述太阳能电池100的非光接收侧面的表面积的约 50%或更少。所述背触点106-般具有在约8毫欧/平方到约18毫欧/平方的范围内的 薄层电阻，以及在约1. 2毫欧·平方厘米到约3. 5毫欧?平方厘米（πιΩ-cm2)的范围内的 接触电阻率。
[0024] 图3是图示一种形成根据本发明的一个实施方式的太阳能电池的方法的流程图 350。所述流程图350开始于操作351，在操作351中在基板（诸如，单晶硅基板）的非光 接收侧面上设置钝化层。所述钝化层包括两个子层：第一氧化铝子层和设置在所述第一子 层上的第二氮化硅子层。在一个实例中，所述两个子层各自通过等离子体增强化学气相沉 积（plasma-enhanced chemical vapor deposition ;PECVD)沉积，并且可以在相同或者单 独的处理腔室中沉积。在另一实例中，使用物理气相沉积（physical vapor deposition; PVD)或者原子层沉积（atomic layer deposition ;ALD)工艺来沉积所述两个子层中的一 或多个。所述氧化铝层一般具有约20纳米或更大的厚度，例如约50纳米。可以通过使含 铝前驱物（诸如，乙酰丙酮铝或者三甲基铝（TMA))与含氧前驱物（诸如，双原子氧（0 2)或 者臭氧（〇3))反应来形成所述氧化铝子层。所述氮化硅层一般具有在约50纳米到约150纳 米范围内的厚度，诸如约50纳米到约100纳米，或者约50纳米到约80纳米。可以通过使 含硅前驱物（诸如硅烷（SiH 4))与含氮前驱物（诸如，氨（NH3))反应来形成所述氮化硅子 层。
[0025] 所述氧化铝层通过钝化所述太阳能电池的背表面以及通过促进所述背表面上局 部触点的形成来增加电池效率。然而，所述氧化铝层容易由于随后沉积的涂料（例如，关于 操作353描述的涂料）而剥蚀。因此，所述钝化层通常还包括设置在所述氧化铝层上的氮 化硅层，以防止或者减少随后沉积的涂料与所述氧化铝层的接触。
[0026] 在操作351之后，形成穿过所述钝化层的多个开口。所述多个开口经划片穿过所 述钝化层以使能所述基板和随后沉积的背触点之间的电连接，所述背触点用于电流提取。 使用激光（诸如，Nd:YAG激光）形成所述开口。在一个实例中，200 kHz的调Q频率激光器 (Q-switch frequency laser)可以传递四个波长为355纳米和能量为2. 7瓦特的激光脉 冲，以使所述开口形成所需深度。所述开口 一般具有在约20微米到约200微米范围内的直 径，以及约100微米到约1000微米的节距（例如，各开口的中心之间的距离）。在一个实例 中，所述开口可以覆盖所述基板的所述非光接收表面的约2%到约5%。
[0027] 在操作353中，在所述钝化层上和在所述开口内以图案形式（所述图案包含所述 开口）设置涂料，诸如铝涂料。一般通过丝网印刷来沉积所述涂料，可以使用可购自意大利 应用材料私人有限公司（Applied Materials Italia S.r. 1.)(所述公司是加利福尼亚州， 圣克拉拉市的应用材料公司的分公司）的Softline工具来执行丝网印刷。合适的涂料包 括可购自DuPont公司的PV381或PV361，可购自Monocrystal公司的PASE-1203,以及可购 自Ferro公司的AL5120。需要将选中的涂料适当地粘附到下伏的钝化层。所述图案一般是 网格图案，包括母线以及与母线垂直的指状物；然而也可以考虑其他图案。所述背触点的网 格图案减少了形成所述背触点所需的铝的量，特别是与回墨-印刷的背触点相比较时，所 述回墨-印刷的背触点覆盖所述太阳能电池的整个背面。铝的减少，例如50%到约70%的 减少量，降低了所生成的每瓦特成本，这是因为制造所述太阳能电池的成本降低。在一个实 例中，使用回墨-印刷背触点的太阳能电池的每瓦特成本是约两美分，而使用网格状背触 点的太阳能电池的每瓦特成本是约一又四分之一美分。
[0028] 然后，在操作354中，在所述太阳能电池的光接收表面上设置银涂料，以形成前触 点网格。所述前触点网格可以具有类似于所述背触点网格的形状或图案，并且同样也通过 丝网印刷工艺沉积。
[0029] 在操作355中，热处理基板，所述基板上设置有涂料。所述基板的热处理包括：将 所述基板快速地加热到高于所述基板和所述背触点的材料（例如，硅和铝）的共晶温度的 温度，以及随后冷却所述基板。在热处理期间达到的最高温度，以及热处理所述基板的时间 长度影响在所述局部背触点中的铝和硅浓度，以及影响所述局部触点附近的所述背面电场 的深度。在一个实例中，当处理硅基板（该硅基板上具有含铝涂料）时，可以在约90秒时 间内将所述基板加热到约800摄氏度的温度。在所述加热工艺期间，所述铝涂料中的铝变 成流体并且穿过所述开口而朝向所述基板扩散。同时，来自所述基板的硅穿过所形成的开 口向外朝向所述背触点扩散。在所述工艺的结尾，所扩散的铝和硅在所述开口的区域中固 化成硅-铝共晶合金，从而形成局部背触点。在所述开口中形成所述共晶合金材料减少了 所述开口区域中的载子复合，这是由于铝扩散到所述基板中。在一个实施方式中，所述基板 的加热和冷却可以持续约两分钟到四分钟。在另一实施方式中，所述基板的加热和冷却可 以持续约40秒到约50秒。
[0030] 图案化的（例如，网格状的）背触点的使用促进了具有所需组成的共晶合金的形 成，从而最大化所述背面电场的减少载子复合的能力，以及减少所述背触点的接触电阻。据 信，在各图案化的背触点中共晶合金形成的一致性的增加至少部分是由于在所述背触点中 存在的铝减少。与回墨-印刷背触点相比，图案化的背触点利用不到约50%的材料。在热 处理期间，硅成为共晶合金形成过程期间的限制试剂，这是因为由于所述开口的大小，硅受 限地暴露于铝。据信，在传统的回墨印刷背触点工艺中，在基板的背表面上设置传统的铝涂 料材料，在焙烧步骤期间形成的共晶合金材料无法达到所需的铝/硅共晶组成，这是因为 在界面处存在过多的铝。然而，因为当使用图案化的背触点时存在不到约50%的铝，铝比硅 的比率降低，从而促进具有所需组成的铝/硅共晶材料的形成。具有所需组成的局部触点 促进了所需背面电场的形成，所述背面电场减少载流子复合。由此，形成具有所需的共晶合 金组成的每一局部触点。应当注意的是，可通过形成穿过所述钝化层的较大开口，由此穿过 所述钝化层暴露更多的硅基板表面来增加形成所述共晶组成可用的硅的量，这进一步减少 铝比硅的比率。另外，通过使所述印刷涂料含硅、增加所述基板的热处理时间以便为硅提供 较长的扩散时间，也可增加可用的硅的量。当添加硅到用于所述背触点的涂料中时，硅可以 在约0. 5%到约5%的范围内，以及可包括形成于硅-铝共晶合金中的硅。
[0031] 除促进具有所需组成的局部触点的形成以外，所述图案化的背触点还促进每一局 部触点相对于彼此的一致组成。当利用回墨-印刷背触点时，在所述太阳能电池上印刷的 铝涂料内的铝倾向于在热处理期间在所述背触点上扩散以及在所述背触点的中心附近集 中。因此，所述太阳能电池中心附近的铝浓度与所述太阳能电池的边缘附近的涂料中的铝 浓度相比不同。当冷却所述太阳能电池以及形成共晶合金材料时，所述太阳能电池中心附 近的局部触点具有与所述太阳能电池边缘附近的局部触点不同的铝浓度。所述太阳能电池 上的各局部触点组成的差异不利地影响背面电场的形成和电流提取。在回墨-印刷触点中 的不同铝浓度导致在所述太阳能电池中心附近处更深的铝偏移。因此，与所述太阳能电池 边缘附近的局部触点相比，所述太阳能电池中心附近的局部触点向所述基板中延伸更大的 距离，从而形成不均匀的背面电场。然而图案化的背触点的使用通过减少铝穿过所述背触 点的迁移率而克服了回墨-印刷背触点的上述不足。与回墨-印刷背触点相比，通过使用 沉积在所述钝化层中所形成的开口上的图案化的背触点可减少铝的迁移率，所述开口具有 所需的剖面开口大小。由于印刷背触点的使用以及由此得到的益处，已发现与回墨-印刷 (flood-printed)背触点的约18. 2%的太阳能电池效率相比，太阳能电池效率可以增加到 约 19%。
[0032] 流程图350描述了本发明的一个实施方式；然而还可以考虑附加的实施方式。在 另一实施方式中，可以考虑除去钝化层中的氮化硅层。在这样的实施方式中，可以形成具有 约100纳米或更大厚度的氧化铝层，以允许所述氧化铝层剥蚀的同时仍然可提供足够的钝 化性能。在其它实施方式中，可以考虑协同图案化的背触点使用附加的措施，以实现所需的 局部触点组成。例如，可以考虑使印刷在所述基板的非光接收表面上以形成背触点的涂料 可除铝外还包括硅或硅/铝共晶粒子，所述共晶粒子具有小于一微米的直径。在又一实施 方式中，可以考虑使用含银涂料而非含铝涂料来形成所述背触点。
[0033] 本发明的益处包括太阳能电池具有增加的效率和降低的成本。所述增加的效率和 减少的成本是通过图案化的背触点而促进的，所述图案化的背触点减少了制造太阳能电池 所需的铝涂料量并且增加了共晶组成的一致性。由于受背面电场的帮助，太阳能电池背面 的复合减少，所以效率进一步增加。载子复合的减少是通过钝化层和一致组成的局部触点 的存在而促进的。另外，由于受具有所需组成的局部触点的帮助，接触电阻减少，所以效率 进一步增加。
[〇〇34] 尽管上述内容是针对本发明的实施方式，但可在不脱离本发明的基本范围的情况 下设计本发明的其他和进一步实施方式，且本发明的范围是由以下权利要求书来确定。
【权利要求】
1. 一种太阳能电池，包含： 基板； 前触点，所述前触点设置在所述基板的光接收表面上； 钝化层，所述钝化层设置在非光接收表面上，所述钝化层具有穿过所述钝化层的多个 开口，以及所述钝化层包括： 第一氧化铝子层；和 第二氮化硅子层，所述第二氮化硅子层设置在所述第一氧化铝子层上； 背触点，所述背触点设置在所述钝化层上和所述开口内，所述背触点包括铝并且具有 网格状形状；和 多个局部触点，所述局部触点形成在所述基板和设置在所述开口内的所述背触点的界 面处，所述多个局部触点包括硅-铝共晶合金。
2. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于： 所述基板包括娃； 所述开口具有在约100微米到约1000微米的范围内的节距；和 所述开口具有在约20微米到约200微米的范围内的直径。
3. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述背触点覆盖所述非光接收表面的 约50 %或更少。
4. 如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述第一氧化铝子层具有约20纳米 或更大的厚度，以及其中所述第二氮化硅子层具有在约20纳米到约100纳米的范围内的厚 度。
5. -种形成太阳能电池的方法，包括： 在基板的非光接收表面上设置钝化层，所述钝化层包括： 第一氧化铝子层；和 第二氮化硅子层，所述第二氮化硅子层设置在所述第一氧化铝子层上； 形成穿过所述钝化层的多个开口； 在所述钝化层上以包含所述开口的网格状图案的形式设置铝涂料；和 将所述基板和设置在所述基板上的所述铝涂料加热到高于硅-铝共晶点的温度。
6. 如权利要求5所述的方法，进一步包括在加热所述基板之后使所述基板冷却，以及 其中加热和冷却所述基板以在所述钝化层的所述开口内形成铝硅合金共晶成分。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述铝涂料进一步包括硅。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述铝涂料进一步包括铝硅合金共晶材料。
9. 如权利要求5所述的方法，其特征在于加热所述基板和所述铝涂料以形成图案化的 背触点，以及其中所述图案化的背触点覆盖所述太阳能电池的所述非光接收表面的小于约 50 %的表面积。
10. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述第一子层和所述第二子层各自通过等 离子体增强化学气相沉积形成。
11. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述第一氧化铝子层具有约20纳米或更大 的厚度。
12. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述开口具有在约20微米到约200微米的 范围内的直径，以及约100微米到约1000微米的节距。
13. -种形成太阳能电池的方法，包括： 在基板的非光接收表面上设置钝化层，所述钝化层包括： 第一氧化铝子层，所述第一氧化铝子层具有约20纳米或更大的厚度；和 第二氮化硅子层，所述第二氮化硅子层具有在约20纳米到约150纳米的范围内的厚 度； 使用激光形成穿过所述钝化层的多个开口； 在所述钝化层上以网格状图案设置铝涂料，所述铝涂料设置在所述开口上和所述开口 内；和 热处理所述基板，所述热处理包括： 将所述基板和在所述基板上的所述铝涂料加热到高于硅-铝共晶点的温度，以及使所 述基板冷却。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于所述铝涂料包括硅。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于所述铝涂料包括硅-铝共晶合金材料。
【文档编号】H01L31/0216GK104115286SQ201380009756
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年3月6日
【发明者】D·坦纳, P·库马尔 申请人:应用材料公司