混合型发射极全背接触式太阳能电池的制作方法

本申请是基于申请日为2013年12月17日、申请号为201380067323.6(国际申请号为pct/us2013/075808)、发明创造名称为“混合型发射极全背接触式太阳能电池”的中国专利申请的分案申请。

与联邦政府资助的研究或开发有关的声明

本文描述的发明得到美国政府支持，在美国能源部授予的编号de-fc36-07go17043的合同下完成。美国政府可拥有本发明的某些权利。

本文中所述主题的实施例整体涉及太阳能电池。更具体地讲，所述主题的实施例涉及太阳能电池制造方法和结构。

背景技术：

太阳能电池是为人们所熟知的用于将太阳辐射转换成电能的装置。太阳能电池具有在正常工作期间面向太阳以收集太阳辐射的正面，以及与正面相对的背面。在全背接触式太阳能电池中，所有金属触点和相应的发射极均形成在太阳能电池的背面上。外部电路(如，负载)可连接到将由太阳能电池供电的金属触点。

为了节省有商业价值的可再生能源，需要以低成本制造太阳能电池。本发明的实施例涉及混合型发射极设计，该设计在保持效率的同时简化太阳能电池的制造。

技术实现要素：

在一个实施例中，全背接触式太阳能电池具有混合型发射极设计。太阳能电池可具有形成在单晶硅基板的背侧表面上的薄介质层。该薄介质层可包含直接形成于单晶硅基板的背侧表面上的二氧化硅。太阳能电池的一个发射极可包含形成在薄介质层上的掺杂多晶硅。太阳能电池的另一个发射极可形成在单晶硅基板中并包含掺杂单晶硅。太阳能电池包括接触孔，其允许金属触点连接到相应的发射极。

所属领域的技术人员在阅读本公开内容的全文时将易于明了本发明的这些特征和其他特征，本公开内容包括附图和权利要求书。

附图说明

结合以下附图考虑时，可通过参考具体实施方式和权利要求得到对主题的更完整理解，其中在所有这些附图中，相似标号指代类似元件。附图未按比例绘制。

图1-图12为示意性地说明根据本发明实施例的制造太阳能电池的方法的截面图。

图13示出了根据本发明实施例的制造太阳能电池的方法流程图。

具体实施方式

在本发明中，提供了许多具体的细节，例如设备、工艺步骤和结构的例子，以提供对本发明实施例的全面理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可在不具有这些具体细节中的一个或多个具体细节的情况下实践本发明。在其他示例中，不显示或描述众所周知的细节以避免混淆本发明的方面。

图1-图12为示意性地说明根据本发明实施例的制造太阳能电池的方法的截面图。图1-图12未按比例绘制。

图1中，在单晶硅基板101上形成薄介质层102。基板101可包括长寿命n型单晶硅晶片。在一个实施例中，薄介质层102包含直接形成在单晶硅基板101的背侧表面131上的二氧化硅。背侧表面131与单晶硅基板101的正侧表面132相对。正侧表面132在太阳能电池的正面上，其也称为“向阳面”，因为它在正常工作期间面向太阳。背侧表面131在太阳能电池的背面上。因为发射极和相应的金属触点片全部在太阳能电池的背面上形成，故制造中的太阳能电池为全背接触式太阳能电池。

薄介质层102可提供隧穿功能，例如作为隧道氧化物。在一个实施例中，薄介质层102包含直接热生长在背侧表面131上以至小于或等于40埃的厚度(例如，介于5至40埃之间，优选地为20埃的厚度)的二氧化硅。

图2中，在薄介质层102上形成多个掺杂多晶硅发射极103。为了清楚地举例说明，仅在图中示出一个多晶硅发射极103。多晶硅发射极103可在沉积期间掺杂或在沉积之后掺杂。在图2的例子中，多晶硅发射极103掺杂有p型掺杂物，诸如硼。可以理解，多晶硅发射极103还可掺杂有n型掺杂物，这适当地改变了对其他发射极和/或单晶硅基板101的掺杂。在图2的例子中，可例如采用湿法刻蚀或干法刻蚀将薄介质层102中不在多晶硅发射极103下方的部分移除。

从下文将更明显地看出，制造中的太阳能电池仅具有一种极性(在该例子中为p型)的多晶硅发射极；极性相反的发射极为单晶硅发射极。这有利地允许多晶硅发射极103在原位掺杂。

可通过如图9所示在薄介质层102上形成一层多晶硅层201而形成多晶硅发射极103。该多晶硅层201可通过沉积工艺(例如，通过低压化学气相沉积法(lpcvd))形成，其厚度例如为约1000埃至5000埃。随后是如图10所示的图案化步骤，诸如掩模和蚀刻，用于将多晶硅层201图案化。在图10的例子中，在将薄介质层102图案化期间，薄介质层102呈现出图案。图案化的多晶硅层201充当多晶硅发射极103。该多晶硅层201可在图案化步骤之前或之后掺杂。

也可采用其他处理步骤形成多晶硅发射极103，包括通过图11所示的印刷。在图11的例子中，使用喷墨打印机的印刷头205选择性地印刷出发射极203。发射极203可包含喷墨印刷在薄介质层102上的硅纳米粒子。发射极203可在印刷步骤之前或之后掺杂。热处理步骤使硅纳米粒子聚结形成多晶硅，其充当多晶硅发射极103。因为用于在单晶硅101中形成单晶硅发射极的掺杂物可扩散穿过薄介质层102，故不必额外对该薄介质层102进行蚀刻，由此有利地省去了图案化步骤。

继续参见图3，形成多晶硅发射极103后，在多晶硅发射极103和单晶硅基板101上形成掺杂物源层104。在图3的例子中，掺杂物源层104包含n型掺杂物(诸如磷)，以便随后在单晶硅基板101中形成n型发射极。为了适应不同的掺杂物极性要求，可以改变掺杂物源层104中的掺杂物(例如，改变为p型)。在一个实施例中，掺杂物源层104包括通过例如大气压化学气相沉积法(apcvd)形成的厚约1000埃的磷硅酸盐玻璃(psg)毯覆式层。

图4中，执行扩散步骤以使掺杂物从掺杂物源层104扩散到单晶硅基板101，从而形成单晶硅发射极108。在图4的例子中，由于掺杂物源层104包含n型掺杂物，故所得的发射极108包含n型掺杂单晶硅。该扩散步骤可通过例如在扩散炉中的热处理过程来执行。在该扩散步骤期间，来自多晶硅发射极103的一定量掺杂物可扩散穿过薄介质层102，以在单晶硅基板101内形成掺杂区109。在图4的例子中，因为多晶硅发射极103掺杂有p型掺杂物，所以掺杂区109为p型掺杂区。

要利用多晶硅发射极103下方的低电荷载流子复合，与单晶硅发射极108相比，多晶硅发射极103可覆盖单晶硅基板101背表面131的更多面积。例如，多晶硅发射极103可具有覆盖背表面131总面积的至少80％的总面积。

图5中，在掺杂物源层104上形成材料叠堆105。材料叠堆105可包括一层或多层材料，诸如防潮层、抗反射涂层，以及取决于制造过程特殊要求的其他材料层。材料叠堆105可在扩散步骤之前或之后形成。

图6中，形成了接触孔106，以使单晶硅发射极108和多晶硅发射极103暴露。一般来讲，太阳能电池中有多个发射极108和103，每个发射极通过相应的接触孔106连接到相应的金属触点。在图6的例子中，为了暴露下面的发射极103，穿过材料叠堆105和掺杂物源层104但不穿过薄介质层102形成了接触孔106。同样在图6的例子中，为了暴露下面的发射极108，穿过材料叠堆105和掺杂物源层104形成了接触孔106。当薄介质层102的一部分留在发射极108上时(例如，像在图12的例子中那样)，还穿过薄介质层102形成了相应的孔106，以使下面的发射极108暴露。接触孔106可通过激光烧蚀、掩模和蚀刻、或其他处理步骤形成。

图7中，在接触孔106内形成金属触点107，以连接到相应的发射极。金属触点107可包括单层金属触点或多层金属触点。比如，金属触点107可包括发射极(如发射极103或108)上形成的铝、铝上形成的包含钛钨的扩散阻挡层，以及扩散阻挡层上形成的包含铜的晶种层。

在图7的例子中，连接到单晶硅发射极108的金属触点107为n极性金属触点，因为其连接到n型掺杂发射体108。相似地，连接到多晶硅发射极103的金属触点107为p极性金属触点，因为其连接到p型掺杂发射极103。n极性金属触点连接在一起并与p极性金属触点电绝缘，其中p极性金属触点也连接在一起。n极性金属触点可与p极性金属触点相互交叉。

太阳能电池的制造还可以包括另外的处理步骤。如图8所示，可将单晶硅基板101的正侧表面132纹理化。在一个实施例中，采用包含氢氧化钾和异丙醇的湿蚀刻工艺，使正侧表面132具备无规棱锥纹理。该纹理化表面有助于提高太阳辐射收集效率。正侧表面132还可包括材料叠堆133，该材料叠堆133可包括一层或多层材料，诸如抗反射涂层、钝化层等。在不减损本发明优点的前提下，对正侧表面132执行或在正侧表面132下方执行的纹理化处理和其他处理可以在制造过程的任意合适步骤处执行。

由于一种极性的发射极包含掺杂多晶硅，而另一种极性(即相反极性)的发射极包含形成在单晶硅基板中的掺杂单晶硅，故所得的太阳能电池(在一个实施例中为全背接触式太阳能电池)具有混合型发射极设计。更具体地讲，在图8的例子中，发射极103包含p型掺杂多晶硅，而发射极108包含n型掺杂单晶硅并形成在n型掺杂单晶硅基板中。应当理解，发射极103、发射极108和基板101的掺杂的极性可随掺杂其他特征所作出的适当改变而变化。例如，在其他实施例中，单晶硅基板101可为p型掺杂的，单晶硅发射极108可为p型掺杂的，而多晶硅发射极103可为n型掺杂的。

一般来讲，在单晶硅基板中有p型掺杂发射极和n型掺杂发射极两者的发射极设计中，发射极内的掺杂物浓度必须在获得低接触电阻所需的高掺杂物浓度与高少数载流子寿命所需的低掺杂物浓度间实现平衡。低接触电阻与高少数载流子寿命这两种相互冲突的需求导致未达最优的太阳能电池结构。

其中p型掺杂发射极和n型掺杂发射极均形成在多晶硅中的太阳能电池消除了低接触电阻与高少数载流子寿命之间的折衷。具体地讲，将多晶硅发射极从单晶硅基板分离的介质层筛选出少数载流子，从而实现较高的掺杂物浓度，同时维持相对高的少数载流子寿命。主要缺点是需要在多晶硅中的p型掺杂发射极与n型掺杂发射极间形成沟槽。要形成这种沟槽，需要在太阳能电池的背侧表面上执行另外的图案化步骤和特定钝化，这会增加太阳能电池的制造成本。

本发明的混合型发射极设计提供了迄今尚未实现的许多有益效果，包括多晶硅发射极103的较高掺杂物浓度，以及较低接触电阻。这无需通过在单晶硅基板101中提供单晶硅发射极108来形成沟槽就能实现。发射极间没有沟槽便省去了图案化步骤和相关的工艺步骤。另外，由于仅涉及一种极性的多晶硅发射极，故多晶硅发射极可在原位掺杂。因此，本发明的太阳能电池以较低的制造成本实现了所有多晶硅发射极的绝大多数优点。

现在参见图13，其示出了根据本发明实施例的制造太阳能电池的方法300的流程图。在图13的例子中，在单晶硅基板的背侧表面上形成薄介质层(步骤301)。在一个实施例中，硅基板包括掺杂有n型掺杂物的高寿命单晶硅晶片。该薄介质层可包含直接热生长于单晶硅基板的背侧表面上的二氧化硅。在薄介质层上形成包含掺杂多晶硅的第一发射极(步骤302)。第一发射极可以是掺杂多晶硅以具有第一极性。例如，该多晶硅可掺杂有p型掺杂物。

可根据方法400形成包含多晶硅的第一发射极，方式为：在薄介质层上形成掺杂多晶硅层(步骤401)，并且随后将掺杂多晶硅层图案化以形成第一发射极(步骤402)。还可根据方法500形成包含多晶硅的第一发射极，方式为：在薄介质层上印刷掺杂硅纳米粒子(步骤501)，并且随后进行热处理以使硅纳米粒子聚结形成多晶硅(步骤502)。第一发射极可在形成在薄介质层上之前或之后掺杂。

在单晶硅基板中形成第二发射极(步骤303)。在一个实施例中，形成第二发射极的方式为：在单晶硅基板上形成掺杂物源层，并且随后使掺杂物从掺杂物源层扩散到单晶硅基板中以形成包含单晶硅的第二发射极。第二发射极可被掺杂为具有与多晶硅发射极的第一极性相反的第二极性。在多晶硅发射极为p型掺杂的例子中，单晶硅发射极可掺杂有n型掺杂物，而单晶硅基板可掺杂有n型掺杂物。在多晶硅发射极为n型掺杂的其他例子中，单晶硅发射极可掺杂有p型掺杂物，而单晶硅基板可掺杂有p型掺杂物。

随后将相互交叉的金属触点连接到第一发射极和第二发射极(步骤304)。

本发明已公开了混合型发射极全背接触式太阳能电池及其制造方法。虽然已提供了本发明的具体实施例，但是应当理解，这些实施例是用于举例说明的目的，而不用于限制。通过阅读本发明，许多另外的实施例对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。