导电膏组合物及由其制成的半导体器件的制作方法
【专利说明】导电實组合物及由其制成的半导体器件
[0001] 相关申请的香叉引用
[0002] 本申请要求2012年9月6日提交的名称为"ConductivePasteCompositionand SemiconductorDevicesMadeTherewith"的美国临时专利申请序列号 61/697, 463 的权 益，该临时专利申请的内容W全文引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本发明设及一种可用于构造多种电器件和电子器件的导电膏组合物，并且更具体 地，本发明设及一种可用于生成包括用于光伏器件的前侧面电极的导电结构的糊料组合 物。
【背景技术】
[0004] 常规光伏电池装配了具有结诸如p-n结的半导体结构，所述p-n结被成形为具有 n型半导体和P型半导体。更具体地，Si太阳能电池通常是通过对纯化的Si添加受控的杂 质（称为渗杂物）制成的。不同的渗杂物产生P型或n型材料，其中分别有正的或负的多 数电荷载体。电池结构包括P型与n型Si之间的边界或结。当由适当波长的福射（诸如 日光）照射电池时，跨越结的电势（电压）差产生自由的电荷载体。该些电子-空穴对电 荷载体在由P-n结产生的电场中迁移，并且被半导体的相应表面上的电极收集起来。该电 池因此适于向连接到该些电极的电力负荷提供电流，从而提供从入射太阳能转换的电能， 所述电能能够做有用功。对于典型的P基构型，负极通常位于电池的旨在暴露于光源的侧 面（"前"侧面，其在太阳能电池的情形中为暴露于日光的侧面）上，并且正极位于电池的 另一个侧面（"背"侧面）上。太阳能光伏系统被认为是对环境有益的，因为它们减少了对 用于常规发电站的化石燃料的需求。
[0005] 工业光伏电池通常是W结构诸如基于渗杂质的结晶娃晶片的结构的形式提供，所 述晶片已被金属化，即具有导电金属触点形式的电极，所生成的电流可通过所述电极流至 外部电路负荷。最常见的情况是，该些电极设置在大致为平面的电池结构的相对两侧上。常 规地，它们通过如下方式来产生；将合适的导电金属糊料施涂到半导体主体的相应的表面 上并且然后赔烧糊料。
[0006] 光伏电池通常被制造成在它们的前侧面上具有绝缘层W提供减反射特性，所述特 性最大化对入射光的利用率。然而，在该构型中，通常必须除去绝缘层W允许铺叠的前侧面 电极与下面的半导体表面接触。前侧面导电金属糊料通常包含用作印刷用载体的有机介质 中携带的玻璃料和导电物质（例如，银粒子）。可通过W下方式形成电极，即化合适的模式 (例如，通过丝网印刷）沉积糊料组合物并然后赔烧糊料组合物和基板，W溶解或W其它方 式穿透绝缘减反射层并烧结金属粉末，使得形成与半导体结构的电连接。
[0007] 糊料组合物在赔烧时穿透或蚀穿减反射层并与基板形成强粘结的能力高度取决 于导电膏的成分及赔烧条件。光伏电池电性能的关键量度诸如效率也受到在赔烧的导电膏 与基板之间制成的电触点的品质的影响。
[0008] 虽然可用于形成器件诸如光伏电池的各种方法和组合物是已知的，但仍然需要允 许制造出图案化导电结构的组合物，所述导电结构提供改善的总体器件电性能并有利于高 效地制造此类器件。
[0009] -种常见类别的Si太阳能电池设计使用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层。P型晶片提供基板，并且n型层是发射极。在各种实施方 式中，n型层是通过将磯（巧渗杂物扩散或离子注入到Si晶片当中制成的。
[0010] 必须控制渗杂物浓度W获得最佳的电池性能。发射极中的高渗杂物浓度赋予低电 发射极薄层电阻率，并使得能够在Si表面处制成低电阻率金属触点，从而减少电阻损耗。 然而，高渗杂物浓度也在Si晶格中引入了晶体缺陷或电扰动，其增加了复合损耗，该会减 少电池的电流和电压两者。
[0011] 本领域技术人员已知的是（参见例如S.W.Jones,"DiffusioninSilicon, " 1C KnowledgeUX(2008)，pp. 56-62)，通常使用SIMS(二次离子质谱）深度剖析方法测量总渗 杂物浓度，并且使用SRP(扩展电阻探测）或ECV(电化学电容电压）方法测量活性渗杂物 浓度。
[0012] 在制备有发射极的常规光伏电池中最常用的晶片在表面处具有的P渗杂物的总 浓度[P表面]范围是从9至ISXIQW原子/cm3。活性[P表面]范围通常是从3至4Xl〇w原 子/cm3。此类发射极被称为高度或重度渗杂的发射极（皿巧，并且组装了该些发射极的晶 片常被简称为"皿E晶片"。
[001引在Si中前表面（[P?胃])高于~IXl〇w原子/cm3的P渗杂物浓度导致各种类型 的复合。复合的电荷载体结合到Si晶格，并且无法作为电能被收集。太阳能电池能量损耗 是由于Voc(开路电压）和Isc(短路电流）两者的减小导致的。超过活性浓度的P渗杂物 (非活性巧导致肖克莱-里德-霍尔（SRH)复合能量损耗。高于~lXl〇w原子/cm3的活 性P渗杂物导致俄歇复合能量损耗（Augerrecombinationenergyloss)。
[0014] 在晶片表面处W低渗杂物浓度制成的发射极被称为轻渗杂发射极或低渗杂发射 极（LD巧。[P?胃]<lXl〇w原子/cm3的晶片通常被称作LDE晶片。采用轻渗杂发射极的太 阳能电池实施例在一些情况下通过减少由于在前表面的电子-空穴复合造成的损耗而实 现改善的太阳能电池性能。然而，基于LDE的电池的电池性能提高的内在潜力在实践中经 常因为较难形成从操作电池中有效地提取电流所需的高质量金属触点而降低。
[0015] 因此，用于商业化太阳能电池的晶片通常采用如上文所讨论的高[P*B]发射极， 其降低短波长响应（短波长在娃中具有非常高的吸收系数并且非常接近表面被吸收）并导 致较低的开路电压（Voc)和短路电流密度（Jsc)。高[P?胃]发射极使得能够形成低接触电 阻率金属化触点，没有它则接触不良且电池性能下降。
[0016] 然而，用基于LDE的电池是有可能实现电池性能提高的。此类电池将需要厚膜金 属化糊料，所述糊料能可靠地接触轻渗杂低[P^OT]发射极而不损坏发射极层表面，同时仍 提供低接触电阻。理想的是，此类糊料将使得丝网印刷的晶娃太阳能电池能够在前表面处 具有减小的饱和电流密度（JOe)及伴随的增加的Voc和Jsc，并因此改善太阳能电池性能。 糊料的其它期望的特性将包括高体积电导率、在金属化图案中形成窄的高纵横比接触线W 进一步减小串联电阻和最小化电极对入射光遮蔽的能力、W及对基板良好的附着性。
【发明内容】
[0017] 本发明的实施例设及糊料组合物，该糊料组合物包含：
[001引 （a)导电金属源；
[0019] 化）碱±金属棚蹄氧化物；和
[0020] (C)有机载体，所述导电金属源和所述碱±金属棚蹄氧化物分散在所述有机载体 中。
[0021] 在某些实施例中，糊料组合物还包含0. 01-5重量％、或0. 05至2. 5重量％、或0. 1 至1重量％的离散的氧化物添加剂或者在赔烧时产生氧化物的金属或化合物。
[0022] 另一方面提供了一种用于在基板上形成导电结构的方法，该方法包括：
[0023] (a)提供具有第一主表面的基板；
[0024] 化）将糊料组合物施涂在所述第一主表面的预先选定的部分上，其中 [00巧]所述糊料组合物包含：
[0026] ：0导电金属源；
[0027] ii)碱±金属棚蹄氧化物，和
[0028] iii)有机载体，所述导电金属源和所述碱±金属棚蹄氧化物分散在所述有机载体 中；化及
[0029] (C)赔烧所述基板和在所述基板上的糊料组合物，由此在所述基板上形成导电结 构。
[0030] 在进一步的实施方式中，基板包括在其表面上的减反射层，并且赔烧导致糊料至 少部分地蚀穿减反射层，使得在导电结构与基板之间建立起电接触。
[0031] 另外，还提供了一种包括基板和在基板上的导电结构的制品，该制品是通过前述 方法形成。该类型的代表性制品包括半导体器件和光伏电池。在一个实施例中，基板包括 娃晶片。
【附图说明】
[0032] 当参考本发明的【具体实施方式】及附图时，将更充分地理解本发明并且其它优点将 变得显而易见，其中类似的附图标号指示所有若干视图的相似元件，并且其中：
[003引图1A-1F示出可用来制造半导体器件的方法的连续步骤。该器件继而可并入到光 伏电池中。图1A-1F中所用的附图标号包括下列：
[0034] 10 ;p型基板
[00对 12 ;基板10的第一主表面（前侧面）
[003引 14 ;基板10的第二主表面（背侧面）
[0037] 20 ;n型扩散层
[0038] 30 ;绝缘层
[0039] 40 ;p+ 层
[0040] 60 ;在背侧面上形成的侣浆
[0041] 61 ;侣背面电极（通过赔烧背侧面侣浆获得）
[0042] 70 ;在背侧面上形成的银浆或银/侣浆
[0043] 71 ;银或银/侣背面电极（通过赔烧背侧面糊料获得）
[0044] 500;根据本发明在前侧面上形成的导电膏
[004引 501;根据本发明的导电前面电极（通过赔烧前侧面导电膏形成）
【具体实施方式】
[0046] 本发明解决了对用W制造具有高机械强度的高导电性电极的高性能半导体器件 的方法的需求。本文提供的导电膏组合物有利地用于制造光伏器件的前侧面电极。理想的 是，糊料组合物促进前侧面金属化的形成，所述前侧面金属化；(a)牢固地附着于下面的半 导体基板；并且化）提供与基板的相对低电阻的接触。合适的糊料组合物据信有助于蚀刻 常用于半导体结构诸如光伏电池中的表面绝缘层W允许在导电电极与下面的半导体之间 发生接触。
[0047] 在一个方面，本发明提供了一种糊料组合物，其包含：功能性导电组分，诸如导电 金属源；碱±金属棚蹄氧化物；任选的离散的无机添加剂；和有机载体。某些实施例设及包 括用本发明的糊料组合物制成的导电结构的光伏电池。此类电池可提供高光伏转换效率、 高填充因数和低串联电阻中的一种或多种的任意组合。
[0048] 在各种实施例中，本发明的糊料组合物可包含W下成分的渗加物：无机固体部分， 该部分包含；（a)约85重量％至约99重量％、或约90重量％至约99重量％、或约95重 量％至约99重量％的导电金属源；化）约1重量％至约15重量％、或约1重量％至约8重 量％、或约2重量％至约8重量％、或约1重量％至约5重量％、或约1重量％至约3重量％ 的碱±金属棚蹄氧化物材料，其中成分（a)和化）的上述含量是基于除了有机介质外组合 物的无机固体部分的所有组分的总重量计的。
[0049]如下文进一步所详述，糊料组合物还包含有机载体，其用作分散在有机载体中的 无机组分的载体。糊料组合物还可包含其它附加组分诸如表面活性剂、增稠剂、触变胶、和 粘合剂。
[0050] 通常，电极和其它导电迹线是通过将糊料组合物丝网印刷到基板上来提供的，虽 然也可使用其它印刷形式，诸如电锻、挤出、喷墨、成型印刷或多版印刷、或带式印刷。沉积 后，在升高的温度下赔烧通常在有机载体中包含导电金属粉末（例如Ag)、玻璃料和任选的 无机添加剂的组合物。
[0051] 该组合物也可用来形成导电迹线，诸如用于要并入到电器件或电子器件中的半导 体模块中的那些。如技术人员将会认识到的那样，本文所述的糊料组合物可被称为"导电 的"，该是指该组合物可被成形为某种结构，并且然后被加工成表现出足W用于在器件或与 其连接的电路之间传导电流的导电性。
[0052] I.无化紀分
[0053] 本发明的一个实施例设及一种糊料组合物，其可包含；包含提供导电性的功能性 材料的无机固体部分、碱±金属棚蹄氧化物易烙材料；和无机固体分散在其中的有机载体。 糊料组合物还可包含附加组分，诸如表面活性剂、增稠剂、触变胶、和粘合剂。
[0054]