专利名称：太阳能电池和制造太阳能电池的方法
技术领域：
本发明涉及在机械强度上优异的太阳能电池和制造这种太阳能电池的方法。
背景技术：
一种根据OECO(Obliquely Evaporated Contact)工艺制造太阳能电池的方法在Renewable Energy，Vol.14，p.83(1998)中披露。该OECO工艺是由Institut fur Solarrenergioforschung GmbH Hameln/Emmerthal(ISFH)，Germany的R.Hezel等人提出的制造太阳能电池的方法。所描绘的OECO太阳能电池的光接收表面的结构在图2中示意性地显示(在下文中通过OECO工艺制造的太阳能电池可以间或被称为OECO太阳能电池)。OECO太阳能电池被这样构型，在硅单晶衬底的主要表面上形成多条平行沟槽，这些平行沟槽在后面将被用作光接收表面3，以及在从各个沟槽的宽度方向看去的单侧的内侧面形成用于提取输出的电极6。这种结构将太阳能电池的阴影损耗成功地减小到约占全部光接收面积的5％那样小。因为具有由网版印制方法形成的电极的典型的太阳能电池通常要经受约12％那样大的阴影损耗，因此可以理解的是，OECO太阳能电池具有明显减小的阴影损耗，并且能得到相当大的能量转换效率。
近年来，人们非常需要减少制造太阳能电池的成本。更具体地说，太阳能电池的减薄能减少每单位面积用作太阳能电池的硅单晶的数量，并在一定程度上减少成本。但是，需要在主要表面上形成大量沟槽的OECO太阳能电池的减薄会不利地减小机械强度。
除了上面叙述的方面，已知有各种太阳能电池，为了改进转换效率，这些太阳能电池具有形成在电池的光接受表面或背面的电极的各种经修改的形状。太阳能电池的一种众所周知的实例是，电池具有通过在半导体单晶衬底上机械刻制或钻孔制得的用以形成电极接触的沟槽或底置孔，以及具有为构成电极而填充在沟槽或底置孔中的金属。这种类型的电池由2000年在Anchorage举行的第28次IEEEPhotovoltaic Specialists Conference上的两个研究团体提出。
这种为形成太阳能电池的电极接触而机械刻制沟槽部分，以及为形成电极接触机械钻制底置孔的方法分别由Institut fur Solarenergieforschung GmbHHameln/Emmerthal，Germany和Fraunhofer Institute for Solar Energy SystemsISE，Germany独立地提出。为刻制沟槽部分形成电极接触的具体步骤如下。首先，在具有在其上形成的诸如氧化硅薄膜(或氮化硅薄膜)的绝缘薄膜的半导体单晶衬底(例如硅单晶衬底)上为形成电极接触机械刻制众多近似平行的沟槽部分。沟槽部分的深度设定为5到50微米，其宽度设定为几百微米左右。该沟槽部分可以通过用具有几百到几千切割边缘的高速旋转刀片在衬底上一次或几次扫描而刻制得。沟槽部分刻制以后，一种金属被均匀地淀积在主要表面上从而形成电极层。
为了形成电极接触也可能形成以有规律的间隔线性地对齐的底置孔。和形成沟槽部分的情况相似，此处底置孔的深度仍设定为5到50微米，底置孔开口的直径设定为几百微米左右。这种类型的底置孔能通过在预先确定的位置照射KrF准分子激光，Nd:YAG激光或类似激光钻制成。
这样制造的太阳能电池在其表面的非接触区域用绝缘薄膜进行钝化，有利于抑制光生载流子的表面复合，结果提高太阳能电池的转换效率。这种工艺的优越性还在于能以相对简单的方式形成为形成电极接触而制作的沟槽部分和底置孔，因为沟槽部分和底置孔的形成不需要光刻技术。
另一方面，当前关于太阳能电池集中的强烈要求是改进能量转换效率和减少成本。其中，成本的减少能通过减薄太阳能电池从而减少用于电池的硅单晶衬底的数量而实现。但半导体单晶衬底的减薄也不利地降低了产生的太阳能电池的机械强度。本发明者进一步揭示，通过在半导体单晶衬底上刻制或钻制沟槽部分或底置孔而形成电极，将不可避免地引起衬底本身的损伤，这又进一步降低了机械强度。
因此本发明的一个课题是提供一种机械强度优异的太阳能电池以及制造这种太阳能电池的方法。
发明内容
作为一种解决上述课题的方案，根据本发明的第一实施例的太阳能电池被构型成具有众多近似互相平行的形成在具有近似为{100}表面晶向的半导体单晶衬底的第一主要表面上的沟槽，每一条沟槽都有一个用于提取输出的设置在其宽度方向的一侧的内侧面上的电极(下文叫做OECO太阳能电池)，并在第一主要表面上沟槽形成在和<110>方向不一致的方向上。
在制造上述OECO太阳能电池的传统工艺中，不注重于形成在衬底的主要表面上的沟槽的形成方向。但本发明者的调查发现，大量沟槽在具有近似为{100}表面晶向的半导体单晶衬底(下文简单地称为{100}衬底)的主要表面上沿<110>方向形成时，沿衬底的剖面轮廓看，这些沟槽可以有应力趋向集中的部分，并且衬底能容易地沿这些沟槽裂开，并且当在沟槽形成过程中产生的大量损伤保留在衬底中时，甚至在少许外力的作用下都会导致破裂。
因此在本发明的第一实施例中，形成在{100}衬底的第一主要表面上的沟槽的形成方向被设定为和<110>方向不一致。这样就成功地在很大程度上提高了衬底的机械强度，其结果也就提高了太阳能电池的机械强度，并在太阳能电池的成品或半成品的处理中，甚至该衬底有超薄设计的情况下也能有效地防止和抑制诸如破裂等的不一致的发生。
其次，根据本发明的第二实施例的太阳能电池构型成在具有近似{100}的平面晶向的半导体单晶衬底的至少任何一个主要表面侧具有众多填充的电极线，这些电极线有为构成提取输出的电极而填充在内的导电体，为了解决上述课题，填充的电极线形成在主要表面上和<110>方向不一致的方向上。
另外，制造本发明的太阳能电池，这里是指制造根据第二实施例的太阳能电池的方法包括在具有近似{100}的平面晶向的半导体单晶衬底的至少任何一个主要表面侧，在和主要表面上的<110>方向不一致的方向上形成多条填充的电极线的步骤，这些电极线有为了构成提取输出而填充在电极线内的导电体。在本发明中为了构成电极的导电体可以包括一个金属层，透明的导电层或这些层次的堆积。
应该注意到，在本发明的上下文中“填充的电极线”是一个通用的术语，该术语表明，通过在半导体单晶衬底的主要表面上形成凹下的部分以使该主要表面形成凹陷，并通过为构成电极在该凹陷部分中填充导电体，这些凹陷部分形成在半导体单晶衬底的主要表面上以便在线性图形中对齐，填充的电极线就是这样制作成的。例如，填充的电极线可以这样包括众多形成在半导体单晶衬底的主要表面上的沟槽以及为构成电极而填充在沟槽内的电极导体。另一个可能的实例涉及的是，通过在半导体单晶衬底的主要表面上形成以有规律的间隔线性对齐的底置孔，并通过为构成电极在该凹陷部分中填充导电体而制作电极。现在应注意的是，形成填充的电极线的方向被限定为沿该方向凹陷部分在线性图形中形成的线性方向。例如，对于沟槽部分被形成为凹陷部分的情况，形成的方向被限定为沟槽部分的纵向方向，对于底置孔被形成为凹陷部分的情况，形成的方向被限定为连接每一对最靠近的底置孔的连线的方向。
如果上述填充的电极线沿衬底的主要表面上的<110>方向形成在具有{100}表面晶向的半导体单晶衬底(下文可以间或简单地称为{100}衬底)的主要表面上，相似于根据第一实施例的太阳能电池的情况，该衬底可能很容易地沿其形成的方向裂开并导致破裂，但是如果形成在{100}衬底的主要表面上的填充的电极线的形成方向被设定成和<110>方向不一致，相似于根据第一实施例的太阳能电池，衬底以及结果的太阳能电池的机械强度可在很大程度上得到改进。另外，在制造太阳能电池的方法中，如果填充的电极线在其形成的方向被设定成和<110>方向不一致的条件下形成，也可能有效地预防或抑制在太阳能电池的制造过程期间诸如半导体单晶衬底破裂的不一致的情况发生。
附图简述
图1是显示沟槽方向和作为根据本发明的第一实施例的示例太阳能电池的OECO太阳能电池的衬底的晶向之间的关系的示意图；图2是示例说明作为根据本发明的第一实施例的示例太阳能电池的OECO太阳能电池的表面的基本部分的剖面结构的示意图；图3A是显示作为根据本发明的第一实施例的示例太阳能电池的OECO太阳能电池的表面沟槽的剖面结构的第一实例的示意图；图3B是显示上述结构的第二实例的示意图；图3C是显示上述结构的第三实例的示意图；图3D是显示上述结构的第四实例的示意图；图3E是显示上述结构的第五实例的示意图；图4是显示制造作为根据本发明的第一实施例的示例太阳能电池的OECO太阳能电池的工艺步骤的基本过程的示意图；
图5A是示意性地显示用于制造作为根据本发明的第一实施例的示例太阳能电池的OECO太阳能电池的高速旋转刀片的透视图；图5B是配置到图5A显示的高速旋转刀片上的外圆周刀片的边缘剖面的第一实例的示意图；图5C是上述边缘剖面的第二实例的示意图；图5D是上述边缘剖面的第三实例的示意图；图6A是显示沟槽设置和根据本发明的第二实施例的为了电极接触采用沟槽的太阳能电池的实施例的衬底的晶向之间的关系的示意图；图6B是显示底置孔设置和根据本发明的第二实施例的为了电极接触采用底置孔的太阳能电池的实施例的衬底的晶向之间的关系的示意图；图7是示例说明根据本发明的第二实施例的太阳能电池的背表面的基本部分的剖面结构的示意图；图8是显示形成根据本发明的第二实施例的太阳能电池的电极的工艺步骤的基本过程的示意图；图9是显示用作电极接触的孔的设置和根据本发明的第二实施例的太阳能电池的衬底的晶向之间的关系的示意图；图10(a)是显示用于根据本发明的第二实施例的太阳能电池的带形电流收集电极和底置孔之间的位置关系的示意图；图10(b)是示意性地显示图10(a)的剖面结构的视图；图11是双面接收型的OECO太阳能电池的基本部分的透视图；图12是显示在本发明的实例的一个实验中采用的试验带的设置和在挠曲测量试验中的挠曲的定义的示意图；图13是显示实例1中衬底的偏斜的沟槽方向依赖性的曲线图；图14是显示实例1中衬底的挠曲的衬底厚度依赖性的曲线图以及比较实例的结果；图15是显示实例2中衬底的挠曲的衬底厚度依赖性的曲线图以及比较实例的结果；图16是显示实例3中衬底的挠曲的沟槽方向依赖性的曲线图；和图17是显示实例4中衬底的挠曲的α依赖性的曲线图。
具体实施例方式
下文将参考附图叙述实现本发明的最佳模式，应该理解的是本发明并不限制于该最佳模式。
(第一实施例)图1是显示根据本发明的第一实施例的太阳能电池的示意图。图2是显示在太阳能电池1的第一主要表面24a侧的结构的示意性的放大的剖面图。太阳能电池1被构型成在从一个硅单晶锭上切片而成的p型硅单晶衬底的第一主要表面24a上平行地形成大量几百微米宽和约100微米深的沟槽2。这些沟槽2能全部用一组由几百到几千把同轴连接的全体一起转动的旋转刀片刻制成，其中也允许将刻制的操作分成若干数量的过程。
在具有这样形成在其上的沟槽2的衬底的第一主要表面24a上通过热扩散作为n型掺杂的磷形成一个发射层4以便产生一个p-n结部分。在该p-n结上，通常通过热氧化工艺形成一个作为隧道隔离薄膜的薄二氧化硅薄膜5。
在该二氧化硅薄膜5上形成电极6。电极6通过在沟槽的内侧面用真空蒸发设备淀积一层电极材料(例如铝)而形成，其中在淀积过程中，衬底1被设置成相对倾斜一个最小必要的角度或更大一些，以便如下文将叙述的那样使电极材料主要淀积在每一沟槽宽度方向上一侧的内侧面上。这就是名称OECO的来源。虽然在淀积过程中多余的电极材料也淀积在形成在每两个最接近的沟槽2，2之间的凸脊23的顶面，这些多余的部分能用刻蚀溶液诸如盐酸溶液除去。包括电极6的衬底1的第一主要表面24a的全部被覆盖一层氮化硅薄膜7，该氮化硅薄膜被用作保护薄膜和抗反射薄膜。
太阳能电池1的各别的沟槽2形成在和在第一主要表面24a上的<110>方向不一致的方向上。这样成功地提高了太阳能电池1的机械强度。可以理解的是，如果在这里使用的单晶衬底是其晶体主轴有直至6度偏离<100>方向的倾斜角的偏角衬底，在本说明书中任何衬底都被假定为有{100}的表面晶向。
如图1所示，{100}衬底的主要表面有两个互相垂直的<110>方向，沟槽2形成得和任何一个<110>方向都不一致。在这里每一条沟槽的形成方向最好都和最接近该形成方向的<110>方向在锐角一侧相交4度到45度的角度。小于4度的角度能导致和沟槽方向和<110>方向相一致的情况相比对太阳能电池的机械强度的改进只产生很有限的效果。另一方面，该角度和两个<110>方向都偏离超过45度在几何上也不可能。沟槽形成的方向离最容易破裂的<110>方向达到最远，此时为平行于第一主要表面24a上的<100>方向(即上述等于45度的角度)，在这个角度上能得到提高太阳能电池的机械强度的最大效果。
每一个沟槽2最好有任何一种如图3A显示的矩形外形，如图3B显示的半圆外形和如图3C显示的V形的和其纵向垂直的剖面，因为这些形态最容易通过用外圆周刀片的切割获取。在为了减小太阳能电池的串联电阻的目的的特定情况下，最好采用有如图3A的矩形剖面的沟槽。
对于沟槽2有如图3A显示的矩形外形或如图3C显示V形外形的和其纵向垂直的剖面的情况，该外形有如图3D或图3E显示的互相紧靠的两个边缘部分2a，2b。在一个矩形的沟槽中，边缘部分2a和2b如图3D所示分别相应于沟槽的侧壁和底部，显示了两个90度左右的邻接角。另一方面，V形沟槽有在沟槽的底部成锐角邻接的边缘部分2a，2b。两种情况都会导致应力集中，如果邻接形成锐角则会导致太阳能电池的强度降低。现在如在剖面图上看到的那样在边缘部分2a，2b的邻接位置采取圆角R1和R2的措施，在进一步提高太阳能电池的机械强度方面是成功的。
圆角R1和R2的程度最好设定在这样的范围，该范围能保证防止应力集中的充分效果，并且不破坏诸如减小因沟槽形态引起的串联电阻的效果，这里最好的范围通常在2到20微米左右之间。这样的圆角在沟槽用外圆周刀片切割等方法刻制以后用化学刻蚀的方法能很容易地产生。这样的化学刻蚀可以和为去除在沟槽刻制过程中产生的损伤而进行的刻蚀共同实现。刻蚀的数量最好在5到20微米左右的范围内，以便使圆角落在上述最好的范围内。氢氧化钾水溶液通常被用作化学刻蚀溶液。
下面的段落将叙述一个制造太阳能电池1的示例方法。
首先通过将一种诸如镓的III族元素加入高纯净的硅中而制得p型硅单晶锭，具有{100}表面晶向的p型硅单晶衬底从该硅单晶锭中切片而制得。P型硅单晶衬底通常有0.5到5Ω.cm的电阻率。然后如图4的过程(a)所示，20到100微米深的众多平行沟槽用高速旋转刀片在p型{100}衬底的第一主要表面24a上形成在和<110>方向不一致的方向，通常是<100>方向上。虽然硅单晶锭可以用CZ(Czochralski)法和FZ(floating zone melting)法的任何一种方法制备，但由于结果衬底的机械强度的原因最好用CZ法制备。虽然小到40微米的衬底厚度能保证足够的机械强度，厚度最好是150微米或更大，为了切割操作的方便，厚度达到200微米或以上更好。当采用230微米或更薄的衬底时，通过采用本发明特有的沟槽形态提高机械强度的效果将变得更显著。
图5A显示一个高速旋转刀片107的示意图。高速旋转刀片107包括一个圆柱部分(例如103mm直径，165mm长)和附接在其上的用于沟槽刻制的众多(例如100到200)外圆周切割边缘108。切割边缘的剖面可以根据所需要的沟槽形态(见图3A到3C)从有图5B显示的矩形剖面的边缘，有图5C显示的半圆形剖面的边缘和有图5D显示的角度剖面的边缘中适当选取。边缘的高度10，10’，10”落在例如50到100微米的范围内，边缘的宽度11，11’，11”和边缘的距离12，12’，12”分别通常为例如几百微米左右。已知的刀片包括金刚石刀片(诸如具有其均匀地黏附有5微米到10微米尺寸的金刚石研磨砂的表面)。沟槽2可以通过用上述高速旋转刀片以约每秒1到4厘米的切割速度切割衬底1的主要表面同时喷注切割液刻制。也允许用切刀或线锯代替高速旋转刀片。
然后沟槽形成以后在衬底中产生的损伤通过上述化学刻蚀消除。当沟槽具有如图3A或3C显示的矩形或V形时，消除损伤的刻蚀条件最好调节到能适当地使沟槽成为圆角，如图3D或3E所示。在为消除损伤的刻蚀完成以后，然后用任何公知的方法诸如各向异性刻蚀在衬底的主要表面上形成一种纹理结构，实现该结构作为一种表面粗糙化，为的是减少反射损耗。纹理形成以后，衬底在酸的水溶液里清洗，这些酸包括诸如盐酸，硫酸，硝酸，氢氟酸或它们的混合溶液，其中从经济和生产效率的观点看在盐酸中的清洗最好。
然后，如图4的过程(b)所示，清洗以后在衬底的外表面部分形成一个发射层4。形成该发射层的方法可以是用五氧化二磷的涂覆扩散方法，直接注入磷离子的离子注入方法等，但从经济的观点看最好的方法是用磷酰基氯化物的气相扩散方法。在一个示例的过程中，n型的发射层4可以通过将衬底在磷酰基氯化物的气氛中在摄氏850度左右下退火而形成。发射层4的厚度通常为0.5微米左右，其薄层电阻在40到100Ω/□左右的范围内。在工艺过程期间形成在衬底的外表面部分的磷玻璃在氢氟酸溶液中除去。
然后，在第二主要表面24b侧形成电极。首先，如图4的过程(c)所示，在第二主要表面24b上形成一个作为钝化薄膜的氮化硅层8。该氮化硅层8可以用CVD(化学气相淀积)工艺形成。这里可以用常压热CVD工艺，减压热CVD工艺和光CVD工艺等中的任何一种工艺，其中遥控等离子CVD对于本发明尤其好，因为该工艺能在摄氏350到400度左右的较低温度下进行，并且能减小将要得到的氮化硅层8的表面复合速度。应该注意的是，直接热氮化的方法不好，因为该工艺不能得到结果层的足够厚度。
然后，如图4的过程(d)所示，用类似于图5A显示的高速旋转刀片在这样形成的氮化硅层8上形成用于电极连接的沟槽8a，以便到达在下面的p型硅单晶衬底24。切割边缘的剖面可以根据所需要的沟槽剖面形状从如图5B显示的矩形，如图5C显示的半圆形和如图5D显示的角度形中选取。这样形成沟槽8a以后，然后形成电极9以便覆盖沟槽8a以及外周的氮化硅层8，如图4的过程(e)所示。虽然这里可以用银或铜作为电极材料，但从经济以及可加工性的观点看铝(包括铝合金)是最好的材料。铝可以用溅射和真空蒸发的任何一种方法淀积。在第二主要表面24b侧上形成电极的全部过程就这样完成了。
然后如图4的过程(f)所示，通过热氧化方法在第一主要表面24a上形成二氧化硅薄膜5。该二氧化硅薄膜5用作第一主要表面24a上的电极6和衬底24之间的隧道隔离薄膜，并且为了优化隧道效果同时防止短路发生最好具有5到30埃的厚度。二氧化硅薄膜5可以通过任何已知的方法形成，这些方法包括干氧化，湿氧化，水气氧化，热致氧化，盐酸氧化等，其中采用干氧化最好，因为这种方法能保证薄膜的优质以及容易控制厚度。
在已经在其上形成二氧化硅薄膜5的衬底24上，电极6形成在沟槽2从其宽度方向看去的一侧的内侧面(电极形成区域)上，通过斜角真空蒸发工艺其厚度达到约5微米。虽然在这里用作电极材料铝(包括铝合金)为最好，但该材料并不限于铝，也能用诸如银，铜等其他金属。更具体地说，将衬底24置于真空蒸发设备中，以便使其主轴偏离参考位置倾斜70到85度，这里参考位置被定义为这样的位置，即第一主要表面24a朝向蒸发源，这样沟槽2的延伸方向和蒸发源垂直相交。这样的放置成功地使电极材料主要淀积在沟槽2从其宽度方向看去的一侧的内侧面上。淀积最好在设备的真空度达到2乘10的负5次方Pa或更低的水平以后进行，淀积的速度调节为每秒10到15埃(但也不限于此)。然后如图4的过程(g)所示，带有淀积在其上的电极6的衬底24被浸入酸的水溶液，这些酸包括盐酸，硫酸，硝酸，氢氟酸或它们的混合溶液，从而去除淀积在相邻的沟槽2，2之间生成的凸脊23的顶表面上的电极材料的不必要部分。这样的去除通常最好在盐酸溶液中进行，因为能得到适当的刻蚀速率，并且少有可能发生因为和下面层次的反应而形成不必要的化合物。
完成上述过程以后，在衬底24上通过公知的方法形成总线电极(未显示)，通常通过遥控等离子CVD工艺(图4中的过程(h))在第一主要表面24a上均匀地形成用作钝化薄膜和抗反射薄膜的氮化硅薄膜7，薄膜的厚度为600到700埃，从而完成了最后的太阳能电池1。
在本发明的太阳能电池中，也允许在衬底24的第二主要表面24b侧，相似于在第一主要表面侧24a，形成一个OECO太阳能电池的光接收元件结构，如图11所示。在这种情况下，最好采用这样的结构，该结构中，在硅单晶衬底(半导体单晶衬底)24的第二主要表面24b上以和第一主要表面24a上的<110>方向不一致的方向形成众多互相近似平行的和第一主要表面24a上沟槽2的形成方向交叉的沟槽2，该结构中，用于提取输出的电极设置在第二主要表面24b上每条沟槽2宽度方向一侧的内侧面上。在第二主要表面24b侧的沟槽2和在第一主要表面24a侧的沟槽2的形成方向的不同成功地导致具有形成在其两个主要表面上的沟槽的太阳能电池的机械强度的改进。由于要达到最好的机械强度，最可取的是这样形成沟槽，使沟槽在第二主要表面24b上的形成方向和在第一主要表面24a上的形成方向交叉并近似垂直。
(第二实施例)图6A是显示根据本发明的第二实施例的太阳能电池201的实施例的示意图。
图7是显示太阳能电池201的第一主要表面203a侧的结构的放大的示意性剖面图。在太阳能电池201中，约几百微米宽和约100微米深的大量近似平行的沟槽部分202形成在p型硅单晶衬底203(简单地称之为衬底203)的第一主要表面203a(在本实施例中该表面被定义为背面)上，以及这些沟槽部分被填充以一种导电体205从而形成填充的电极线240(图6A)。这些沟槽部分202可以全部用一组几百到几千把同轴连接一起旋转的旋转刀片刻制，其中也允许将刻制的操作分成若干数量的过程。虽然本实施例的叙述将在切割自硅单晶锭的p型硅单晶衬底203上进行，但应该理解的是，本发明并没有限制于此。
在本实施例中，在p型硅单晶衬底(半导体单晶衬底)203的第一主要表面203a上形成一个隔离薄膜204，填充的电极线240这样形成，使填充在其中的导电体205以这样的形式和p型硅单晶衬底203接触，即构成填充的电极线240的沟槽部分202穿透薄膜204。
在本实施例的太阳能电池201中，和填充的电极线240联通的电流收集电极形成在第一主要表面203a上，并且最好形成为覆盖整个第一主要表面203a的一个覆盖电极层210。形成在p型硅单晶衬底203上的隔离薄膜204最好可以包括二氧化硅薄膜，氮化硅薄膜等。
在上述本实施例的太阳能电池201中，p型硅单晶衬底203的第一主要表面203a有{100}的表面晶向，包括填充的电极线的各别的沟槽部分202形成在和第一主要表面203a上的<110>方向不一致的方向上。这样成功地提高了太阳能电池201的机械强度。应该理解的是，如果在这里使用的单晶衬底是其晶体主轴有直至6度偏离<100>方向的倾斜角的偏角衬底，在本说明书中任何衬底都被假定为有{100}的表面晶向。
如图6A所示，{100}衬底的第一主要表面203a有两个互相垂直的<110>方向，并且沟槽部分202的形成方向被设定成和两个<110>方向都不一致。沟槽部分202的形成方向和最接近其的方向最好在锐角侧交叉成4到45度角。小于4度的角度能导致和沟槽方向和<110>方向相一致的情况相比对太阳能电池的机械强度的改进只产生很有限效果。另一方面，该角度和两个<110>方向偏离超过45度在几何上也不可能。沟槽形成的方向离最容易破裂的<110>方向达到最远，此时为平行于第一主要表面203a上的<100>方向(即上述等于45度的角度)，在这个角度上能得到提高太阳能电池201的机械强度的最大效果。
下面，图6B，图10(a)和图10(b)显示了根据本发明的另一个实施例的太阳能电池201’。在太阳能电池201’中，大量通常具有几百微米直径和5到50微米左右深的底置孔214以每个最靠近的底置孔214都以有规律的间隔线性对齐的形式形成在p型硅单晶衬底203’的主要表面203a’上。这些底置孔214被填充以电极导电体205’(见图7)，并且作为结果，在其中每个最靠近的底置孔214以有规律的间隔线性对齐的阵列构型成填充的电极线240。’填充的电极线240’在形成时穿透隔离薄膜204’，如图7所示。现在假设连接每个最靠近的底置孔214的直线的方向为填充的电极线204’的形成方向，填充的电极线240’的这样的形成方向和第一主要表面203’的<110>方向不一致。相似于填充的电极线240由上述沟槽部分202(见图10(a))形成的情况，每一个填充的电极线240的形成方向最好和最靠近其的<110>方向在锐角一侧交叉成4度到45度的角度，如图6B所示，并且更好的是该方向处于和第一主要表面203a’上的<100>方向平行(和<110>方向相交45度)。
下面的段落将参考图8叙述制作太阳能电池201(图6A)和201’(图6B)。应该理解的是，本发明并不限于用该方法制作的太阳能电池。因为太阳能电池201和201’的制作方法在很大程度上相似，任何公共部分的叙述都将用太阳能电池201的方法来代表，太阳能电池201’的相应部分将在括弧中给出以避免冗长的叙述。
首先通过将诸如硼或镓的III族元素掺杂到高纯度硅中的制备而获取一个硅单晶锭，具有{100}表面晶向的p型硅单晶衬底203(203’)从该硅单晶锭切割成片。通常p型硅单晶衬底203(203’)有0.5到5Ω.cm的电阻率。虽然硅单晶锭可以用CZ(Czochralski)法和FZ(floating zone melting)法的任何一种方法制备，但由于结果衬底的机械强度的原因最好用CZ法制备。当采用230微米或更薄的衬底时，通过采用本发明特有的沟槽形态提高机械强度的效果将变得更显著。
然后在这样切割的p型硅单晶衬底203(203’)的第一主要表面(有{100}的表面晶向)上通过任何公知的方法形成一种纹理结构。纹理结构形成以后，衬底被放在诸如盐酸，硫酸，硝酸，氢氟酸或它们的混合溶液中清洗，其中从经济和生产效率的观点看在盐酸中的清洗最好。形成纹理的目的在于表面粗糙化以减少反射损耗。完成上述过程后的p型硅单晶衬底203(203’)由图8的过程(a)表示。
在p型硅单晶衬底203(203’)的第一主要表面(背表面)203a(203a’)上，通过任何公知的方法，其中典型的是CVD(化学气相淀积)，形成诸如二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜的隔离薄膜204(204’)，其厚度为50到500nm(图8的过程(b))。这里可以用常压热CVD工艺，减压热CVD工艺和光CVD工艺等中的任何一种工艺，其中遥控等离子CVD对于本发明尤其好，因为该工艺能在摄氏350到400度左右的较低温度下进行，并且能减小包括二氧化硅或氮化硅的结果的隔离薄膜204(204’)的表面复合速度。
对于第二主要表面(虽然未显示，在本实施例中被定义为顶表面)被用作光接收表面的情况，在本阶段也允许在光接收表面上通过气相扩散工艺用磷酰基氯化物形成发射层(未显示)，因为隔离薄膜作为阻挡磷扩散的掩模也是有效的。也就是，进入第一主要表面203a(203a’)的磷扩散由形成在第一主要表面203a(203a’)上的隔离薄膜204(204’)阻挡。形成发射层的其他可能的方法包括用五氧化二磷的涂覆扩散，直接注入磷离子的离子注入方法等，其中从经济的观点看最好的方法是上述气相扩散工艺。在一个示例的过程中，n型的发射层可以通过将衬底在磷酰基氯化物的气氛中在摄氏850度左右下退火而形成。结果的发射层的厚度通常为0.5微米左右，其薄层电阻在40到100Ω/□左右的范围内。在工艺过程期间形成在衬底的外表面部分的磷玻璃在氢氟酸溶液中除去。
这样n型的发射层形成在被用作光接收表面的第二主要表面(顶表面)的外表面部分，并且在衬底中形成一个p-n结部分。
下面的段落将叙述在p型硅单晶衬底203(203’)的第一主要表面203a(203a’)上形成填充的电极线240(240’)的方法。对于填充的电极线240由首先形成沟槽202而形成的情况，多条近似平行的沟槽部分用高速旋转刀片形成在p型硅单晶衬底203的主要表面203a，再向沟槽部分202填充导电体205(图8的过程(c)和(d))。更具体地说，用于电极接触的沟槽部分202形成在隔离层204中。沟槽部分202通常以衬底203的第一主要表面203a上的<100>方向用高速旋转刀片刻制，如图5A所示。高速旋转刀片107的圆周切割边缘108的高度和剖面可以根据将要形成在p型硅单晶衬底203的第一主要表面203a上的沟槽部分202所需要的形态适当地选取。切割边缘的高度通常为50到100微米，宽度(相应于将要形成的沟槽部分202的宽度)和节距(相应于将要形成的沟槽部分202的节距)分别为几百微米左右。用这样的高速旋转刀片107，在约每秒1到4厘米的切割速度刻制衬底，同时喷注切割液，从而形成沟槽部分202。圆周切割边缘108的高度等经过细致调整以便将沟槽部分的深度调整到约5到50微米。因为形成在衬底203的第一主要表面203a上的隔离薄膜204的厚度约为50到500nm，以上述范围中的厚度形成的沟槽部分202能够穿透隔离薄膜204。这样就成功地完成了填充的电极线，在电极线中填充在沟槽202中的导电体205和p型硅单晶衬底203接触。
在另一方面，如图10A和10B所示，对于太阳能电池201’具有由在p型硅单晶衬底203’中钻制的底置孔214构成的填充的电极线240’的情况，首先在p型硅单晶衬底203’的主要表面203a’侧上通过在其上照射激光而以有规律的间隔线性形成底置孔214，使连接每个最接近的底置孔214的直线和<110>方向不一致。然后为构成电极底置孔214被填充以导电体205’从而完成填充的电极线240’。用于形成底置孔214的激光包括二氧化碳气体激光，氩激光，YAG激光，红宝石激光和准分子激光。其中，最好能应用诸如KrF激光和Nd:YAG激光的准分子激光，因为这些激光能象这些激光束的波长一样精细地保证精细的工艺控制，而且工艺过程可以在空气中进行。底置孔214可以允许圆形和矩形的任何形态。底置孔214线性地对齐，同时在每个最接近的底置孔214之间保持有规律的间隔。现在假设一组这样线性对齐的底置孔214构成一个填充的电极线240’，众多填充的电极线240’周期性地设置在第一主要表面203a’上，同时在其间保持有规律的间隔。图9是显示底置孔214的设置和衬底的方向性之间的关系的示意图。连接每个最接近的通过激光照射形成的底置孔214的直线的方向212(填充的电极线240’的形成方向)被设定成和衬底203’的主要表面上的<110>方向不一致的方向。最好的是，不同于方向212的连接每个第二接近的底置孔214的直线的方向213也和<110>方向不一致。
可以根据激光的种类，隔离薄膜204’的厚度，底置孔214的直径等适当确定为形成底置孔214而进行的激光照射的条件。对于采用脉冲振荡的情况，频率最好处在1Hz到100kHz的范围之内，激光最好有10mW到1kW的平均输出功率。因为在这里形成的隔离薄膜204’有50到500nm的厚度，因此有必要照射其输出能量大到足以去除有至少上述厚度的隔离薄膜204’的激光。
这样，填充的电极线240(240’)通过向沟槽部分202或底置孔214填充导电体205(205’)而形成，并且覆盖电极层210以0.5到2微米的厚度形成在第一主要表面203a(203a’)上(图8的过程(d))。在这个工艺中，在从由图8的过程(c)表明的状态开始时，在同一个工艺步骤中相继形成导电体205(205’)和覆盖电极层210。
虽然导电体205(205’)和覆盖电极层210能用诸如银和铜等金属，或导电的氧化铟和氧化锡等构成，但从经济和加工性能的观点看，最好的材料是铝。导电体205(205’)和覆盖电极层210能通过任何已知的溅射，真空蒸发，网版印制等方法淀积。另外，覆盖电极层210当然能如上所述地均匀地在第一主要表面203(203’)的所有部分上淀积，也允许在通过如图10A和10B所示通常用形成电极的掩模向沟槽(未显示)或底置孔14填充导电体5’而形成的填充的电极线240’上形成线性的或带形的电流收集电极217(下文中也被称为带电极217)。也允许在偏离填充的电极线240’的形成方向4度到90度的方向形成具有线性形式或带形式的电流收集电极217。这在进一步提高半导体单晶衬底(p型硅单晶衬底)以及结果的太阳能电池的机械强度方面是成功的。虽然图10(a)和10(b)显示了填充的电极线240’是由底置孔214构成，如上所述的相似的电流收集电极217也能为填充的电极线240是由沟槽202构成的情况而形成。
当为了构成电极，覆盖电极层210和带形电极217而如上所述在第一主要表面203a上形成导电体205以后，根据公知的方法在第二主要表面上形成抗反射薄膜和电极。构成抗反射薄膜的材料包括二氧化硅，氮化硅，氧化铈，氧化铝，二氧化锡，二氧化钛，氟化镁，氧化钽，以及由任何两种这些材料构成的双层薄膜，其中所有的材料都没有任何问题地可以得到。抗反射薄膜可以用PVD工艺和CVD工艺等形成，其中任何工艺都是成功的。为了获得高转换效率的太阳能电池，最好用通过遥控等离子CVD工艺形成的氮化硅薄膜构成抗反射薄膜，因为这样形成的薄膜有小的表面复合速度。在第二主要表面(顶表面)上的电极通过真空蒸发，电镀和印制等方法形成。虽然这些方法中的任何一种都可用，但用在低成本和高产出的业务中印制的方法最好。通常的网版印制用一种由银粉，玻璃料和有机粘合剂互相混合构成的银浆，电极可以通过烧制印制的银浆而形成。
应该为顶表面(第二主要表面)和背表面(第一主要表面)进行哪一种工艺是没有任何问题的。虽然上述实施例叙述了填充的电极线240(240’)形成在p型硅单晶衬底203(203’)的第一主要表面203(203’)上，以及第二主要表面被用作光接收表面的情况，但本发明并不限于此，相似的效果可以通过电极由填充的电极线构成的太阳能电池显示出来，该填充的电极线通过在被用作光接收表面的第二主要表面上形成沟槽或底置孔而获得。
为了确认根据本发明的第一实施例的太阳能电池的操作和效果进行了下面的实验。
(实例1)在分别有250，200和150微米厚度的掺硼{100}p型硅单晶衬底(电阻率＝1Ω.cm)的第一主要表面上用图5A显示的高速旋转刀片分别形成和<110>方向成0，30，45，60和90度夹角的任一方向上的有矩形剖面的平行沟槽。沟槽的宽度，深度和节距分别确定为450，50和600微米。根据前述参考图4的工艺步骤制造太阳能电池。在标准条件下测量的太阳能电池的能量转换效率被发现在18％到20％的范围之内。用切割刀将每个太阳能电池切割成18mm宽100mm长的试验带。然后如图12所示将试验带放置在三点弯曲试验台上，这样试验带13’由两个圆杆支撑元件14，14’(支撑部分的外径为28mm，支撑部分的跨度为80mm)支撑在试验台的两端，同时形成沟槽的表面(第一主要表面)面朝下，并将沟槽方向对齐圆杆支撑元件14，14’的轴向。然后进行三点弯曲试验，将另一个同样尺寸的圆杆支撑元件15’接触落在圆杆支撑元件14，14’之间的试验带13’的一部分的纵向中心并通过圆杆支撑元件15’施加一个向下的使其弯曲的负载。试验带13’在即将断裂之前的最大位移16从圆杆支撑元件15’的位移-负载曲线中确定，该位移被定义为“挠曲”。用相似的方式测量每个样品。
为了对比，用有各种厚度的硅单晶衬底制作太阳能电池，不形成沟槽，但相似地进行消除损伤的刻蚀，形成纹理，磷扩散，用铝在第二主要表面上形成电极和在第一主要表面上淀积氮化硅薄膜。然后这些太阳能电池相似地经受挠曲测量。这里试验片从衬底切割而成，因此其纵向和衬底的<100>方向一致。所以这里圆杆支撑元件14，14’的轴向平行于和试验片的纵向平行的<100>方向垂直的另一个<100>方向。
图13显示了150微米厚的衬底挠曲的沟槽方向依赖性。该曲线指出，当沟槽方向偏离<110>方向45度，也就是沟槽以<100>方向形成时挠曲达到最大，显示优异的机械强度。图14显示和对比实例(无沟槽)对比下的挠曲的衬底厚度依赖性。其结果指出，当衬底厚度减少时挠曲增加，并且当OECO太阳能电池减薄时通过调节沟槽方向改进机械强度的效果变得更为显著。同时也发现，沟槽的形成导致更大的挠曲，刻有沟槽的衬底有更优异的机械强度。
(实例2)在分别有250，200和150微米厚度的{100}p型硅单晶衬底的第一主要表面上用和实例1的叙述相似的方法分别形成和<110>方向成0度和45度夹角的任一方向的有矩形剖面的平行沟槽，并且在其第二主要表面上形成众多垂直于在第一主要表面上的沟槽形成方向的有矩形剖面的沟槽。沟槽的宽度，深度和节距分别被确定为450，50和600微米。根据参考图4解释的方法在两个主要表面上形成光接收元件结构，从而制作双面接收型OECO太阳能电池。
图11显示了这样制作的太阳能电池的示意图。相似于实例1，试验片从这些太阳能电池中切割出并经受挠曲测量。每个试验片都这样制备，使其纵向和在第一主要表面侧的沟槽方向一致，在测量中试验片这样设置，使第一主要表面侧的沟槽方向平行于圆杆支撑元件14，14’。图15显示了和对比实例对比下的挠曲的衬底厚度依赖性。图中发现，当沟槽以<100>方向形成时挠曲达到最大，并且当衬底的厚度减少时挠曲增大，当OECO太阳能电池被减薄时机械强度改进的效果变得更显著。
从上述实验结果可明显看到，在制造OECO太阳能电池中，沟槽方向从<110>方向的改变成功地提高了抗破碎能力并增强了太阳能电池的机械强度(图13)。具体地说，沟槽方向和<100>方向对齐使机械强度达到最大值。当衬底的厚度减小时这个效果变得更显著(图14)，这也证明了在减少太阳能电池成本方面的优点。下面一点也变得很明显，在第二主要表面上也有沟槽，且该沟槽垂直于第一主要表面上的沟槽的太阳能电池(图11)在使机械强度保持得和没有沟槽的太阳能电池(图15)显示的机械强度几乎相等方面也是成功的，并且这也证明，本发明也有利于制造双面接收型OECO太阳能电池。
为了确认根据本发明的第二实施例的太阳能电池的操作和效果进行了下面的实验。
(实例3)在有150微米厚度的掺硼{100}p型硅单晶衬底(电阻率＝1Ω.cm)的第一主要表面(背表面)上形成一层厚100nm的氮化硅薄膜，并且用切割刀(DAD-2H/6H型，Disco Corporation的产品)分别以和<110>方向成0，30，45，60和90度的夹角的任一方向形成平行的沟槽。沟槽的宽度，深度和节距分别确定为450，50和600微米。然后铝被淀积在第一主要表面的全部表面上从而形成背电极。在第二主要表面(顶表面，或光接收表面)上，通过公知的方法相继形成发射层，抗反射薄膜，手指电极和总线电极从而完成单面接收型太阳能电池。这样的太阳能电池的转换效率被发现为15％到17％。
这样的太阳能电池用切割刀切割形成18×100平方毫米的试验带，该试验带经受三点弯曲试验以便根据图12说明的系统测量挠曲。
图16显示挠曲的沟槽方向依赖性。结果指出，当沟槽方向偏离<110>方向45度时，也就是沟槽在<100>方向形成时挠曲达到最大，显示了优异的机械强度。
(实例4)在相似于实例3所使用的有150微米厚度的掺硼{100}p型硅单晶衬底(电阻率＝1Ω.cm)的背表面上形成一层100nm厚的氮化硅薄膜，并用KrF准分子激光形成众多底置孔，每个最接近的底置孔以有规律的间隔线性对齐。相邻的底置孔之间的距离以及开口部分的直径分别设定为600和450微米，通过调节激光输出(例如激光的能量密度＝23.6J/平方厘米，振荡频率＝100Hz，连续照射时间约为2.3秒)底置孔的深度设定为约50微米。现在假设连接每个最接近的底置孔的直线的方向和<110>方向之间的角度为α度，平行的沟槽分别以角度α度为0，30，45，60和90度的任一方向形成。然后铝被淀积在第一主要表面的全部表面上从而形成背电极。在第二主要表面(顶表面，或光接收表面)上通过公知的方法相继形成发射层，抗反射薄膜，手指电极和总线电极从而完成单面接收型太阳能电池。这样的太阳能电池的转换效率被发现为14％到17％。
这样的太阳能电池用切割刀切割形成18×100平方毫米的试验带，该试验带经受和实例3叙述的相似的三点弯曲试验。
图17显示挠曲的α依赖性。结果指出，当沟槽方向偏离<110>方向约30和60度时，也就是每个最接近的底置孔的连接直线和<110>方向不一致时挠曲达到最大，显示了优异的机械强度。
权利要求
1.一种太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池被构型成具有形成在有近似{100}的表面晶向的半导体单晶衬底的第一主要表面上的互相近似平行的众多沟槽，每个沟槽都有一个用于提取输出的设置在其宽度方向的一侧的内侧面上的电极，并在第一主要表面上沟槽形成在和<110>方向不一致的方向上。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中每个沟槽的形成方向和最靠近该形成方向的<110>方向在锐角一侧交叉成4度到45度的角度。
3.如权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，其中每个沟槽形成在和第一主要表面上的<100>方向平行的方向上。
4.如权利要求1到3的任何一项权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，其中每个沟槽在垂直于其纵向的一个剖面图中的外形都有矩形，V形和半圆形中的任何一种形状。
5.如权利要求1到4的任何一项权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，其中每个沟槽在垂直于其纵向的一个剖面图中的外形都有两个互相邻接的边缘部分，并且该边缘部分的邻接部分被做成圆角。
6.如权利要求1到5的任何一项权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池被构型成众多近似互相平行的沟槽也形成在该半导体单晶衬底的第二主要表面上和在第一主要表面上的<110>方向不一致的和第一主要表面上的沟槽的形成方向交叉的方向上，这样用于提取输出的电极被设置在第二主要表面上的每个沟槽宽度方向的一侧的内侧面上。
7.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，其中在第二主要表面上的沟槽的形成方向近似垂直地和在第一主要表面上的沟槽的形成方向交叉。
8.一种太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池在具有近似{100}的表面晶向的半导体单晶衬底的至少任何一个主要表面侧具有众多填充的电极线，该电极线有填充在其内的用于构成提取输出的电极的导电体，该填充的电极线形成在和主要表面上的<110>方向不一致的方向上。
9.如权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，其中每个填充的电极线的形成方向和最靠近该形成方向的<110>方向在锐角一侧交叉成4度到45度的角度。
10.如权利要求8或9所述的太阳能电池，其特征在于，其中每个沟槽形成在和主要表面上的<100>方向平行的方向上。
11.如权利要求8到10中的任何一项权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，其中填充的电极线形成在半导体单晶衬底的第一主要表面上，第二主要表面用作光接收表面。
12.如权利要求11所述的太阳能电池，其特征在于，其中一个隔离薄膜形成在半导体单晶衬底的第一主要表面上，填充的电极线这样形成，使填充在其内的导电体以填充的电极线穿透该隔离薄膜的形式和半导体单晶衬底接触。
13.如权利要求12所述的太阳能电池，其特征在于，其中一个和形成在第一主要表面上的填充的电极线联通的电流收集电极也形成在第一主要表面上。
14.如权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，其中电流收集电极是一种覆盖第一主要表面的全体部分的覆盖电极。
15.如权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，其中电流收集电极这样形成，使其在填充的电极线上有一个弯曲的图形或直线的图形。
16.如权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，其中电流收集电极这样形成，使其在填充的电极线上有一个弯曲的图形或直线的图形，并形成在偏离填充的电极线的形成方向成倾斜4度到90度的方向上。
17.一种制造太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括一个在有近似{100}的表面晶向的半导体单晶衬底的至少任何一个主要表面侧上的和该主要表面上的<110>方向不一致的方向上形成众多填充的电极线的步骤，该填充的电极线有为了构成用于提取输出的电极而填充在其内的导电体。
18.如权利要求17所述的制造太阳能电池的方法，其特征在于，其中填充的电极线通过首先在半导体单晶衬底的主要表面上形成互相近似平行的众多沟槽部分，然后向该沟槽部分填充用于构成电极的导电体而形成。
19.如权利要求17所述的制造太阳能电池的方法，其特征在于，其中填充的电极线通过首先在半导体单晶衬底的主要表面上由激光照射形成众多底置孔，该底置孔以有规律的间隔线性对齐，连接每个最接近的底置孔的直线的方向和<110>方向不一致，然后向该底置孔填充用于构成电极的导电体而形成。
全文摘要
一种太阳能电池1具有许多互相平行地形成在硅单晶衬底的第一主要表面24a上的沟槽2。电极6形成在每个沟槽的一侧的内侧面上。每个沟槽形成在和第一主要表面24a上的<110>方向不一致的方向上。这样提高了太阳能电池1的机械强度。沟槽2的形成方向最好和最靠近该形成方向的<110>方向在锐角一侧交叉成4度到45度的角度。
文档编号H01L31/0224GK1489793SQ02804373
公开日2004年4月14日 申请日期2002年1月30日 优先权日2001年1月31日
发明者渡部武纪, 大塚宽之, 高桥正俊, 生岛聪之, 阿部孝夫, 之, 俊, 夫 申请人:信越半导体株式会社, 信越化学工业株式会社