光伏电池及制造该光伏电池的方法

专利名称：光伏电池及制造该光伏电池的方法
技术领域：
本发明涉及光伏器件，具体地涉及包括诸如单晶硅或多晶硅薄层 的半导体材料薄层的光伏器件。更具体地，本发明涉及包含单晶硅或 多晶硅半导体材料的光伏器件。
背景技术：
光伏器件，也称为光伏电池，用于将光能转换成电能。光伏电池 可以用于产生能量(太阳能电池)或者它们可用作其它器件中的光探 测器元件。光伏电池是可再生能源。然而，它们的使用被它们的电输 出限制。
一般地，许多光伏电池被布置在一个或多个面板或模块中， 以便产生对于所期望的商业应用或消费应用所需的充足功率。
具有较高的效率的光伏电池导致带有较大的电功率输出的模块。 因此，需要能够制造大量高效率的光伏电池。将非常期望能够降低这 样的光伏器件的生产成本、提高它的光转换效率或者这两者。与常规 制造的电池相比，本发明的光伏电池是高度有效率的。
大多数光伏器件都是由单晶硅或多晶硅来制造的。因为由于硅在 微电子产业中的使用而使得它可以合理的价钱容易地获得，并且因为 它适当地平衡了用于制造光伏电池的电特性、物理特性和化学特性， 所以通常使用硅。在光伏器件的生产过程中，通过本领域所公知的各 种方法，用正导电类型或负导电类型的掺杂剂来掺杂硅，并且硅常以
晶片或带状物(ribbon)的形式一般被切割成薄衬底。贯穿本申请，诸 如晶片的衬底的意图面对入射光的表面，被规定为前表面，并且与前 表面相对的表面被称为后表面。按照常规，正导电类型一般规定为"p"， 而负导电类型被规定为"n"。在本申请中，"p"和"n"仅用于表示
5相反的导电类型。在本申请中，"p"和"n"分别表示正的和负的但 也可分别表示负的和正的。
光伏器件的工作的关键是p-n结的生成，其通常通过进一步对硅 衬底的前表面进行掺杂以形成导电类型与掺杂的硅衬底相反的层来形 成。这样的层通常被称为发射体层。在p型掺杂的衬底的情况下，发 射体层通过用n型掺杂剂掺杂前表面来形成。p-n结是在p型掺杂区与 n型掾杂区之间的界面。
进入这些太阳能电池的光被吸收，从而产生电子-空穴对，所述电 子-空穴对如果具有足够的扩散长度，则通过由太阳能电池结所产生的 电场而被空间分离，并且分别聚集在太阳能电池的顶表面和底表面处。 例如，在n-p型太阳能电池中，电子将迁移到顶表面，在这里，然它们 之后将被位于其上的金属栅收集。该金属栅一般可包括许多金属指状 物，所述金属指状物沿着顶表面被分开较大距离，并且通过公共汇流 条(bus bar)而彼此连接。电子将直接迁移到金属指状物或接近指状 物之间的顶表面，并且然后沿着太阳能电池的表面迁移，直至它们能 被这些指状物中的一个收集为止。另一方面，空穴将迁移到太阳能电 池的底表面，在这里，它们可以被覆盖整个底表面的金属片收集。
U.S.专利3811954描述了一种在短波长中具有改进的效率因而输 出功率急剧增大的太阳能电池，所述短波长是指光谱中对应于0.3-0.5 微米的蓝-紫部分。通过减小结深、在太阳能电池的光入射表面上提供 非常精细的几何图案金属电极，实现所声称的改进。结深一般在500A 与2000A之间，并且精细几何电极的金属指状物一般被间隔开仅一厘 米的百分之几的量级。所得到的精细几何图案电极通常覆盖太阳能电 池的表面区域的5%至10%且与之处于欧姆接触，并且防止所覆盖的区 域将入射的光子转换成电能。电池未与电极接触的表面区域被金属氧 化物抗反射涂层所覆盖。硅太阳能电池中的反向电流包括流到结的电子和空穴流，在所述 结处，它们复合。该电流通过抵消流过二极管的主电流的一部分而使 电池的性能，即I-V特性劣化。 一般在太阳能电池模型中考虑的反向电 流由半导体的体电荷区域和空间电荷区域产生。反向电流的另一个来 源是顶表面层，其中杂质是热生电子-空穴对的复合中心以及来源。然 而，因为存在高浓度杂质，所以该电流通常在标准太阳能电池中被忽 略，所述杂质用以产生最少量的在结处复合的电子-空穴对。此外，厚
"死层(dead layer)"隔离了太阳能电池的顶层中的表面产生中心以 及与金属电极的欧姆接触的任何影响。
在根据U.S. 3811954的太阳能电池中，浅结导致死层的最小化， 其存在于标准硅电池的光入射表面处。此外，扩散到电池的顶层中的 杂质密度减小并且对于主要的反向电流提供了来源。形成在硅太阳能 电池的金属电极和顶层之间的欧姆接触致使电流的热产生发生在太阳 能电池的表面附近。金属触点充当用于复合的大的汇点(sink)并且也 充当用于电子-空穴对的产生的大的来源。
这样的电池的前面触点一般被沉积作为开口栅图案以允许光被暴 露的硅衬底吸收。在对上面的U.S. 3811954中所公开的设计的改进中， 已经提出了将前面的栅沉积在被埋入的凹槽中以减小栅遮蔽损耗 (grid-shading 1oss)。该类型的太阳能电池通常称为掩埋接触式(Buried Contact)太阳能电池(也被称为激光开槽掩埋栅-LGBG太阳能电池)。 在EP 156366中公开了基本的电池，并且用于制造这样的电池的方法一 般包括下列步骤
1) 在带有[100]晶向的单晶硅晶片的情况下，在苛性碱溶液中蚀刻 硅表面以形成随机的锥体；
2) 用第V族元素， 一般为磷掺杂p型硅晶片的顶表面，以生成
n+层；
3) 添加氮化硅顶表面涂层，以充当抗反射层，以及还充当介电(非 导电)层以便防止金属镀在顶表面的不需要的区域上；4) 在晶片的表面中切出凹槽，金属将被镀在所述凹槽中，凹槽一 般可以使用激光来切割，但是可以被化学蚀刻、等离子体蚀刻或使用 金刚石锯来机械形成；
5) 用n型第V族元素， 一般为磷对凹槽中的暴露的p型硅表面进 行掺杂；
6) 通过用诸如铝或硼的电子"受体"掺杂后表面，对电池进行处 理，以提供背表面场(BSF);
7) 将金属触点镀到凹槽中以提供导电的前面触点，并且还同时镀 到后表面中以便提供导电的后面触点。
遵循上述步骤，通常需要电隔离晶片的边缘。
然而，这样的方法存在许多缺陷。所述方法需要一层化学镀镍 (electroless nickel)被沉积在晶片的后表面和凹槽中，紧接着进行烧 结，并且可能需要金属(例如，镍、铜和/或银)的进一步沉积步骤。 提供所需的生产成品率的当前的制造技术，对于用于制备太阳能电池 的方法，增加了原材料消耗方面的额外成本，并且延长了周期。
另外，与化学镀方法相关联的问题在于，它防止了均匀的由阱限 定的后表面场的形成，以及与之相关联的益处。反之，获得均匀的由 阱限定的后表面场，诸如在后面使用厚铝膜，会导致差的金属化成品 率，这又反过来有害地影响太阳能电池的性能。
本发明的发明人已意外地发现，可以将使用深凹槽栅的益处能够 与减少表面金属触点的益处相结合，以制造具有良好的效率以及对光 谱中的蓝-紫部分和红-红外部分的良好的吸收的可选光伏电池。

发明内容
根据本发明，提供了一种用于制造光伏器件的方法，该光伏器件 具有包含掺杂有第一掺杂剂的硅的衬底，所述方法包括下列步骤(a) 在衬底的前表面上形成第一层，所述第一层包含导电类型与 第一摻杂剂相反的第二掺杂剂；
(b) 在第一层上形成第二表面涂层；
(C)在器件的前表面中形成多条狭长凹槽，使得这些凹槽到达或 者进入硅衬底；
(d) 在凹槽内形成第三层，该层包含导电类型与第一掺杂剂相反 的第三惨杂剂；
(e) 形成接触指系统，所述接触指系统与所述凹槽交叉，以提供 导电的前面触点；以及
(f) 形成第二导电的触点。
硅衬底一般通过对硅锭切片、气相沉积、液相外延或其它公知的 方法而得到。可经由内径刀片、连续的金属丝或其它公知的锯切方法 来进行切片。虽然衬底能被切割成任何通常平坦的形状，但是对于单 晶晶片的情形，它们的形状一般为圆形或伪方形。"伪方形"表示主要为 方形形状，常具有圆角。本发明的衬底， 一般为晶片的形式， 一般小 于约300pm厚。本发明的衬底可小于约200pm厚，优选小于150pm厚， 更优选小于lOO)im厚，并且最优选小于50pm厚。 一般地，它们在大 约150pm与250pm之间厚。圆形和伪方形衬底一般从圆柱状硅块切割， 该圆柱状硅块的直径在100mm至200mm范围内但不限于该范围。
衬底优选为p型硅，其已使用p型掺杂剂掺杂。这样的掺杂剂的 实例包括硼、镓和铟，并且更优选为硼。 一层或多层附加材料，例如 锗，同样可被设置在衬底表面上。
优选地，衬底在步骤(a)之前被织构和/或清洗。衬底常被清洗 以除去任何表面碎屑和切割损伤。 一般地，这包括将衬底放置在湿化 学浴中；例如，包含碱和过氧化物混合物、酸和过氧化物混合物中的 任何一种的溶液，NaOH溶液，或者若干其它本领域所公知及使用的溶 液。在一个优选实施方案中，溶液包含HF/HC1。所需的温度和时间取决于所使用的特定溶液，例如，在大约75至95"C范围内的温度下可使 用25wt。/。至35wt%NaOH水溶液，持续大约20至大约70秒。
任选地(特别对于单晶衬底)，衬底还可通过例如晶体平面的各 向异性蚀刻而被织构。织构通常为从衬底表面凹陷或凸起的锥状的形 式。这些锥状的高度或深度一般为大约4至大约7pm。对于一般<100> 方向的衬底，高温下的低浓度NaOH水溶液可用来各向异性地蚀刻 <100〉面，该<100>面显露出锥状凸起中的<111>面。如该应用所使用的 那样，"低浓度"溶液优选表示低于大约7wty。的溶质浓度。此处所使用 的"高温"优选表示高于大约8(TC的温度。在这样的条件下，例如，衬 底将被放置在溶液中持续大约10至30分钟。在优选实施方案中，使 用NaOH/IPA (2%/2%)碱性溶液。
第一层优选通过用n型掺杂剂掺杂衬底来形成。N型掺杂可通过 沉积n型掺杂剂到衬底上然后加热该衬底以"驱使"n型掺杂剂进入到 衬底中然后加热该衬底以"驱使"n型掺杂剂进入到衬底中来实现。气 体扩散(例如，POCl3水平管扩散，包括从700至1000°C、优选800 至90(TC的温度)可用于沉积n型掺杂剂到衬底表面上。然而，也可使 用其它方法，诸如离子注入、固态扩散、旋涂掺杂剂源或其它本领域 所使用的方法，以生成n型掺杂层和最接近衬底表面的浅p-n结。
适合的n型掺杂剂包括第V族元素，优选磷，但是任何适合的n 型掺杂剂都可单独使用或组合使用，诸如砷、锑或锂。 一般地，多个 衬底被放置在托盘中使得衬底的前(有时候为后)表面和边缘暴露于n 型掺杂剂。使用该方法，沿衬底的所有表面形成在n掺杂过程中所生 成的发射体层和p-n结。
前表面处的n型掺杂层的深度一般大于大约O.lpm，优选大于大 约0.2pm且一般小于大约0.5pm，优选小于0.3pm。前表面处的发射体 层的表面掺杂剂浓度优选高于大约10S原子/cm3，更优选高于大约109
10原子/cm3。前表面处的发射体层的表面掺杂剂浓度可以高至饱和，但是 一般低于10"原子/cm3，更优选低于大约10"原子/cm3，最优选发射体 层的表面掺杂剂浓度为大约1(^原子/cm3。 n型惨杂过程一般在晶片的 表面上生成氧化硅层。该氧化硅可用作抗反射涂层以及可用作表面钝 化剂。然而，可以除去氧化硅层，有利于第二表面涂层，例如氮化硅。 氧化硅可通过例如在室温下的湿化学浴， 一般低浓度HF溶液中的化学 蚀刻持续大约10至大约40秒来除去。
第二表面涂层在发射体层生成之后被施加且被设置在前表面处的 第一层上，并且优选在边缘表面上，且更优选在后表面的外周和边缘 表面上。该表面涂层掩蔽前表面，优选边缘，且更优选后表面的外周 和边缘，并且优选起下列功能中的一种或多种介电层、抗反射涂层、 表面钝化、体钝化、扩散掩模和金属化扩散阻挡层。氮化硅优选为表
面涂层，因为它能用作有效扩散掩模、有效金属化扩散阻挡层、抗 反射涂层；提供表面钝化以及提供体钝化。优选地，氢被陷入在这样 的氮化硅表面涂层中。然而，该表面涂层可以是任何涂层、膜或者涂 层和/或膜的组合，其能用作掩模并且起到上述功能中的一种或多种。 其它可用作表面涂层的可能的物质包括氧化钽、二氧化硅和氧化钛。 任何这样的涂层、膜和电介质的组合也可用作为表面涂层。
第二表面涂层一般使用等离子体增强或低压化学气相沉积(分别
为PECVD和LPCVD)或其它本领域所公知的技术，诸如常压化学气 相沉积(APCVD)，热氧化，糊、油墨或溶胶凝胶的丝网印刷等。LPCVD 是特别优选的(具体地，其中氮化硅用于形成第二表面涂层)。这样 施加该涂层，使得优选通过将衬底的后表面靠在板上而将涂层设置在 衬底的前表面上，优选在衬底的边缘上。这可以通过将多个衬底水平 地放置在托盘或板上来实现。衬底也可被垂直地或成某一角度地放置， 使得后表面靠在平坦表面上；例如，石墨板。衬底的后表面保持没有 第二涂层或基本没有表面涂层。"基本没有表面涂层"表示设置在后 表面上的表面涂层限于后表面的外周，例如从衬底的边缘起小于大约
115mm。如上所述，设置在衬底的前表面上的第二表面涂层优选为氮化
硅，并且可以通过使用二氯硅烷和氨气的低压化学气相沉积(优选在
800至90(TC温度下)来施加。该沉积技术导致带有所需的膜特性的第 二涂层，需要所述膜特性来实现本发明的特别优选的实施方案，该实 施方案利用了本发明更多的潜力。
通常，第二表面层优选大于大约65nm，更优选大于大约70nm， 最优选大于大约72nm,且优选小于大约120nm，更优选小于100nm， 最优选小于大约77nm厚。
优选地，在步骤(b)之后，除去边缘和后表面上的任何第二表面 涂层。优选地，多余的材料借助于干法等离子体蚀刻或可选技术被除 去。所述方法通常需要前表面的足够的物理掩蔽而同时将电池的全部 后面暴露于干的等离子体环境中。在该方法的实施方案中，电池被面 对面放置到惰性载具的槽中，使得等离子体化学试剂能有效地与电池 的后面起反应，由此从可能到达电池的后面的第二涂层除去多余的材 料。该方法优选经由使用氟利昂(Freon) 14 (CF4)和氧气(02)以 及或者氮气(N2)以下述比例的混合物的RF (13.6MHz)等离子体的 产生来执行，所述比例取决于腔和负载的几何形状。然而，能够除去 多余的材料的任何蚀刻技术都可以使用，只要不发生表面涂层的显著 劣化即可。"没有显著劣化"表示表面涂层保持设置在前面上。
步骤(c)中所形成的凹槽优选为平行的，且优选借助于激光划至 硅衬底。凹槽一般为10至40pm宽，优选为15至35iim且最优选为20 至30pm。凹槽一般为20至60pm深，优选为25至45pm且最优选为 30至40pm。另外，凹槽一般分开0.5至4.0|im，优选分开0.75至3.0pm 且最优选分开1.0至2.0pm。
凹槽优选利用激光来形成，但是也可通过诸如划刻(scratching) 的机械手段和化学蚀刻来形成。例如，借助于使用8W 1064nmNd:钒酸盐激光(Vanadate laser)，可制备激光开槽的样品，该激光能够聚 焦成大小近似10|im的光斑并且用130ns左右的脉冲持续时间以近似 150kHz切换。硅衬底优选被保持在x-y台上，其能够沿着它们的长度 实现良好限定且均匀的凹槽。作为选择，凹槽也可经由使用相同的激 光源的扫描镜光学系统来形成。机械刻划、经由蚀刻剂分配的丝网印 刷构图或可选技术也可用于在第二涂层中提供足够的开口，其将适合 用于制造根据本发明的太阳能电池。为了实现最佳性能，所得到的凹 槽优选沿着它们的长度具有均匀的尺寸。如果仍然能够完成良好的凹 槽金属化触点，则凹槽可以是连续的或离散的。
因为形成凹槽的动作通常导致硅颗粒和不期望的晶体缺陷的形 成，所以优选在步骤(c)之后可清洗凹槽。清洗通常通过将衬底放置 在化学浴(包含例如NaOH或HF)中来实现。使用的化学试剂的类型、 浴的温度以及衬底被保持在浴中的时间取决于衬底所使用的材料。例 如，对于单晶硅或多晶硅，可使用在从大约8(TC至大约92"C的范围内 的温度下的30wt%NaOH水浴。单晶硅衬底会暴露于该浴例如持续大约 80秒至大约IOO秒。多晶硅衬底通常会暴露于该浴持续更长的时间段， 例如，至少大约3分钟并且例如达到大约10分钟。优选使用NaOH溶 液并且更优选使用12。/。NaOH溶液来清洗凹槽。
优选地，在上述初始清洗步骤之后，可通过随后浸入氢氟酸和盐 酸中以及紧接着干燥来进一步清洗器件，两次浸入的中间和最后进行 在去离子水中的漂洗。
上面详述的清洗步骤，也可用于抛光器件的后表面。后表面蚀刻 导致未织构的或基本光滑的后表面。此处使用的"基本光滑的"后表 面优选表示后表面未织构。此处使用的"未织构的"优选表示衬底表 面不存在峰或谷；例如，不存在各向异性蚀刻形貌(topography)或如
(又例如)具有与各向同性蚀刻一致的表面形貌。如果可适用，则后表面蚀刻也导致没有或基本没有n型掺杂剂并
且没有或基本没有p-n结的后表面。此处使用的"基本没有n型掺杂剂" 优选表示除了后表面的上面设置有表面涂层的部分处会仍然存在n 型掺杂剂以外，n型掺杂剂已经从后表面被蚀刻掉了。在蚀刻之后，一 些n型掺杂剂可以显著降低的表面浓度存在于后表面的任何未掩蔽的 区域中；显著降低的表面浓度为例如低于大约10"原子/cm3、优选低于 大约1(^原子/cm3、更优选低于大约10"原子/ci^的表面浓度。此处 使用的"基本没有最接近后表面的p-n结"表示最接近后表面的上面未 设置有表面涂层的部分的p-n结被除去了或由于n型掺杂剂的降低的浓 度而使之无效，所述n型掺杂剂的降低的浓度为例如低于大约1015原 子/cm3、优选低于大约1013原子/cm3、更优选低于大约1011原子/cm3 的n型掺杂剂的后表面浓度，其中"原子"是掺杂剂的原子。
如上面的步骤(a) —样执行形成第三层材料的步骤(d)，并且 除了在凹槽内形成一层之外，还可在衬底的边缘和后表面周围形成。 在凹槽内的第三层的形成，根据工艺条件而形成称为重掺杂层(有时 指定为n++)，所述工艺条件如果相对于上面的步骤(a)而改变，则 导致重掺杂层。这样的工艺条件包括掺杂元素的在高温(大约950 至IOO(TC)下的驱使，使得掺杂剂元素的表面浓度以及它进入到衬底 材料中的程度都高于步骤(a)中。扩展到材料中超过5pm的超过 1019cm—3的表面浓度是典型的。
该工艺步骤的重要结果是这种重掺杂剂扩散对光生载流子的扩散 长度的影响。这样的扩散公知产生杂质吸除效应(gettering effect)， 其中衬底材料本体中的杂质通过在扩散工艺期间注入晶体缺陷而被电 中和。这些缺陷在材料中产生应力场，对于衬底本体中的不需要的杂 质，它们是有效的中和中心。依据在第三层的形成期间的吸除效应可 以获得超过250pm的少数载流子扩散长度。用于将该工艺结合到电池 制造顺序中的优选条件，通过在工艺步骤期间将衬底单个放置在惰性 载具的槽中来获得。
14优选地，在步骤(d)之后，除去在第三层材料的沉积期间所生成 的(即在步骤(d)之后所存在的)过量的副产物膜。可以使用与用于 从步骤(b)除去多余的材料的上述工艺相似的工艺。优选地，使用1% 至4。/oHF的溶液，并且之后使用去离子水漂洗器件。
一般地，触点为位于前表面与后表面上或者位于前表面与后表面 中的导电性金属的形式。通过激光开槽以及化学镀法、丝网印刷或其 它提供与前表面和后表面的良好的欧姆接触的任何方法，使用光刻法 能创建这些触点，使得能将电流从光伏电池中引出。 一般地，这些触 点存在于设计或图案例如栅、指状物、线路等中。这些触点优选使用 导电性金属糊例如银糊丝网印刷到衬底上。这些触点一般丝网印刷到
表面上并且使其干燥。在施加这些触点后， 一般在从大约80(TC至大约 95(TC的温度下可烧制衬底，以对这些到衬底的触点进行退火。用于将 触点添加到用于光伏电池的晶片衬底上的方法是本领域公知的。本发 明的成功的重要因素是避免了在丝网印刷的前面金属化的不期望区域 下欧姆接触形成，这防止了过剩载流子在金属化下复合。这最优选经 由丝网印刷的前面金属化图案的烧制条件以及LPCVD沉积的第二表 面的最优化来实现。
优选地，接触指以从45。至90° 、优选从60°至卯° 、更优选 从80°至90°并且最优选90。(即彼此垂直)的角度交叉。
优选地，本发明的方法[且更具体地，步骤(f)]包括改善的后表 面场的形成以提高光伏电池的红外或远红外效率。后表面场优选与后 面触点的形成同时形成。然而，它可以在形成后面触点之前或者之后 形成。后表面场可以通过在衬底的后表面的至少一部上形成p+层来生 成。p+层是重掺杂有p型物质的层。"重掺杂"，我们优选表示所述 掺杂是比衬底的p型掺杂实质上更大的惨杂。该层的深度一般等于或 小于发射体层的深度，并且优选小于大约0.5微米，且更优选小于大约0.3微米；并且深度优选大于大约0.1微米，更优选大于大约0.2微米。
有利地，p+层的峰值掺杂浓度高于大约10"原子/cm3,优选高于大约 10"原子/cm3。 P+掺杂浓度可以与饱和点一样大；然而，它优选低于大 约10"原子/cm3，更优选低于大约1()W原子/cm3，其中"原子"是掺杂 剂的原子。
有利地，p+层通过将物质合金化到衬底的后表面中来形成。 一般 使用铝，但是可以使用能够与衬底合金化并且导致p+层的任何物质。 铝或诸如例如硼、镓或铟的另一合金物质被沉积到衬底的后表面上。 铝或其它合金物质优选使用丝网印刷技术来施加。用于丝网印刷诸如 糊的材料的方法，如上所述，在本领域是公知的。然后，在足以使铝 或如上所述用以将p+层形成到硅晶片衬底的其它物质合金化的温度 下，优选在大约800至大约95(TC的温度下，烧制衬底，从而生成后表 面场。在本发明的一个实施方案中，后面触点被丝网印刷到衬底上， 紧接着将铝丝网印刷到衬底的后表面上，随后干燥以及共同烧制。优 选地，铝限于后表面未被后面触点所覆盖的部分。
通常，在形成衬底之后，使晶片的边缘电子隔离。
在本发明的又一实施方案中，步骤(a)可以从所定义的方法中排 除。在这样的实施方案中，"第一层"可以与步骤(d)中的第三层在 同一时间形成。更具体地，在步骤(d)期间，"第一层"可以借助于 穿过第二表面涂层的掺杂剂扩散来形成。
本发明的方法避免了对于如在许多现有技术方法中所发现的衬底 顶表面的氧化(紧接在掺杂剂的扩散之后)的需要。因为使用本发明 的方法能节约时间(且因而节约金钱)而不降低所制造的太阳能电池 的效率，所以这是尤其有利的。要理解的是，当使用这样的氧化步骤
时，在稍后的工艺步骤中也需要除去已经生成的扩散氧化物，因而在 太阳能电池形成中还需要另一步骤。
16本发明还涉及根据本发明的方法制造的光伏器件。
本发明的又一改进的实施方案确保了电池的后表面没有或基本没 有任何n型掺杂剂。利用后表面场的现有技术的电池使化合物合金化
穿过后表面上的n型掺杂层且进入到硅衬底中，所述化合物一般为铝。 n型掺杂剂化合物未被除去，因此，与利用相同的合金化方法但其后表 面没有或基本没有n型掺杂剂的电池相比，所得到的后表面场区的功 效减小。后面n型掺杂层的除去提高了后表面场的效能，并且提高了 所得到的光伏电池的效率。
本发明的光伏电池的又一优点在于，后表面优选是基本光滑的， 这与织构相反。通过前表面织构而提高了光伏电池的效率。然而，织 构一般在衬底的前表面和后表面上都发生。众所周知，基本光滑、未 织构的后表面导致较好的后表面钝化。本发明的方法除去了后表面上 的纹理(texturing)，并且提供了有利的基本光滑或未织构的后表面品 质。
更进一步，本发明包含一种光伏器件，其包括
(a) 形成在衬底的前表面上的第一层，所述第一层包含导电类型 与第一掺杂剂相反的第二掺杂剂；
(b) 形成在所述第一层上的第二表面涂层；
(c) 形成在所述器件的前表面中的多条狭长凹槽，使得所述凹槽 到达或者进入硅衬底；
(d) 形成在所述凹槽内的第三层，该层包含导电类型与第一掺杂 剂相反的第三掺杂剂；
(e) 接触指系统，所述接触指系统与所述凹槽交叉，以提供导电 的前面触点；和
(f) 第二触点。


现在，将通过实施例并参照附图来讨论本发明，在附图中 图1是根据本发明的衬底的示意图； 图2是图1的衬底的俯视图3是图1的衬底在其上形成了第一层和第二表面涂层之后的示
意图4是图3的衬底的俯视图5是图3的衬底在被清洗并且去除了多余的第二表面涂层之后 的示意图6是图5的衬底的俯视图7是图5的衬底在其中形成了凹槽之后的示意图； 图8是图7的衬底的俯视图9是图7的衬底在凹槽形成和随后的清洗之后的示意图； 图10是图9的衬底的俯视图11是在凹槽内形成第三层之后的衬底的示意图； 图12是图11的衬底的俯视图13是图11的衬底在其中形成了与凹槽交叉的触点之后的示意
图14是图13的衬底的俯视图15是图13的衬底在形成后面触点之后的示意图； 图16是图15的衬底的俯视图17是图18的衬底在边缘结隔离之后的示意图； 图18是图17的衬底的俯视图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的实施方案的电池10的截面。光伏电池 IO包括织构的衬底，例如用硼p型掺杂的衬底12。该纹理(texture) 被象征性地描绘为14。
图3中，在衬底12的前表面16上存在例如通过磷扩散而形成的织构的n型掺杂第一层18，从而在硼掺杂的衬底12与n型掺杂层18 交汇处生成p-n结。第二表面涂层20设置在边缘22、前表面16上的 电池的第一层18以及后表面26的外周24上。
在形成第一层18和第二表面涂层20之后，清洗并蚀刻器件IO(参 见图5)，以便除去涂层20中的不需要的部分。
如图7所示，穿过层18和表面涂层20，在衬底12中形成凹槽28。 在形成凹槽28之后，执行清洗方法，以便除去不需要的碎屑。这种清 洗抛光器件10的后表面26，并且导致未织构或基本光滑的后表面30， 如图9所示。
然后，对凹槽28 (和衬底12的后面26，在本实施方案中)掺杂 以制造第三n型掺杂剂层32 (参见图11)。任何过量的材料都可以被洗掉。
在施加了第三层32之后，如图13所示，多个接触指34被印刷到 器件10的顶表面上，使得接触指截断凹槽，优选以90。的角度截断凹 槽。
在形成接触指34之后，在后表面26上形成后表面场36，该后表 面场另外包括电触点38。
最后，参照图18，使器件10的前表面和后表面电子隔离。
光伏电池及其制造的实施例 原材料
使用常规CZ硅晶片，该晶片用硼p型掺杂至1.2欧姆/cm的电阻 率，并且利用平行于晶片表面的[100]晶面生长。晶片尺寸为127mm见 方，并且具有直径150mm的圆角。晶片厚度为30(Him。这种晶片在商业上例如可从MSetek、 PV Silicon GmbH、 Advansil或Pillar获得。
晶片表面制备
在85。C的温度下，在氢氧化钠(2%)和丙醇(2%)的溶液中， 晶片被各向异性地"纹理"蚀刻，并且通过随后被浸入到氢氟酸和盐酸中 以及紧接着干燥来清洗，两次浸入的中间和最后进行在去离子水中的 漂洗。
磷掺杂和氮化硅沉积
晶片被成对地放置(轻触)在石英晶片载具中的狭槽中，并且在 80(TC温度下在POCl3蒸气和氧气气氛中被处理，以在外部表面上沉积 10nm厚的磷玻璃膜。然后，晶片(在它们的石英载具中)在40Pa压 力和在780"C与86(TC之间的温度下在二氯硅垸和氨气气氛中被处理， 以在外部的硅上沉积110nm厚且电阻率约为100欧姆/平方的氮化硅 膜。
等离子体蚀刻
这不是方法的必要部分，但却是良好的电池成果所需要的。作为 先前工艺的结果， 一些不需要的氮化硅通常被沉积在晶片后面的周界 周围(达到10-20mm距离)。该膜通过在用氟利昂(Freon) 14以及 氧气和氮气混合物形成的气态等离子体中进行蚀刻除去。这通过将晶 片放置成使它们的前表面彼此轻触并且使其后表面暴露于气态等离子 体来实现。
凹槽限定
在前表面(带有氮化硅膜的表面)中通过激光烧蚀而切割出许多 凹槽，所述凹槽将随后形成导电性栅，电流由该导电性栅输运。每一 个凹槽一般都具有20pm宽和35pm深的尺寸，并且通过使用8W 1064nmNd:钒酸盐激光对表面材料进行激光烧蚀来形成，该激光能够 聚焦成大小近似10pm的光斑以近似600mm/s的速率在晶片表面上来回移动并且用大约130ns的脉冲持续时间以近似150kHz切换。凹槽图 案包括分布在整个电池表面上的间距为1.0mm的第一组平行线。
凹槽清洗
经由激光开槽的凹槽限定动作通常导致包含不期望的晶体缺陷的 晶片表面和凹槽侧壁上的硅碎屑。因此，在5(TC下在氢氧化钠溶液中 蚀刻晶片持续约IO分钟，以溶解这些碎屑并蚀刻凹槽壁至几微米深度。 然后，通过随后浸入到4%氢氟酸和4%盐酸中以及紧接着干燥来清洗 晶片，两次浸入的中间和最后进行在去离子水中的漂洗。
凹槽掺杂
硅晶片被放置在石英晶片载具上，并且被插入到石英管中，在石 英管中，在960-100(TC的温度下在POCl3蒸气和氧气气氛中对它们进 行处理持续20分钟。磷掺杂暴露的硅表面至6-8欧姆每平方的表面电 阻率。
凹槽掺杂清洗
使用1%至4%的HF溶液来清洗被掺杂的凹槽，以便除去在先前 掺杂步骤期间所沉积的副产物薄膜。
丝网印刷指触点
为了将前面电触点建立到被掺杂的激光限定的凹槽上，银(Ag) 前面金属化栅被丝网印刷成51个导电指，这些导电指被相对于被掺杂 的凹槽成90°地印刷成120pm宽、20pm厚。前触点图案的导电指的数 目可以在20与70之间，但对于125mmxl25mm器件优选为51。这些 指状物的宽度可以在20^m与150pm之间，优选为80pm，同时保持导 电指的截面与所试验的结构相同。
这些指状物自身之间通过2条1.8mm宽、20|im厚的导电汇流条 连接。这些汇流条的宽度通常小于2mm且大于0.5mm，优选为1.5mm，
21同时维持相同的导电截面。这些汇流条自身之间被分离开62.5mm并且 被构图成与Ag指垂直。
在该方法的本实施方案中，丝网印刷的前面触点需要在最高温度 35(TC下干燥持续近似2分钟。该前面金属化工艺的其它形式能避免这 样的干燥步骤。
后面触点和后表面场
经由丝网印刷实现了在电池的后面处的欧姆接触和后表面场形 成。2个Ag接触焊盘结构被丝网印刷在后面上，5mm宽、105mm长 的接触焊盘以62.5mm的间距分离开。它们的长度平行于前面汇流条 Ag图案。随后，Al丝网图案被印刷成与Ag接触焊盘结构交叠lmm， 同时在电池的边缘附近维持2mm边缘禁区(exclusion zone)，所述 Al丝网印刷图案相对于后面Ag接触焊盘结构是相反的。随后的后面 金属化干燥以及前面和后面金属化共同烧制，导致形成欧姆接触(前 面和后面)以及A1后表面场。90(TC数量级的最高烧制温度是典型的。
边缘隔离
通过解理和丢弃边缘处的1mm硅，除去边缘上的不期望的导电性 沉积物，然后除去边缘材料。
现在，电池已完成并且准备好用于试验。
结果
电池类型面积 (cm2)发射体 (Q/口)Jsc (mAcm-2)Voc (mV)FF (%)Eff (%)
现有技术激光开槽电池154>訓356127916.8
根据本发明所述的电池154>1003863576(1)18.3
根据US2005/0074917所述电池---61578.717.8
Suntech标准丝网印刷电池1505035.161476.316.5 [VU1]
22(1)进一步优化以提高正在进行的FF; 备注-JSC:短路电流密度
-Voc-开路电压 -FF二占空因数(Fill factor) -￡(~电池效率
权利要求
1. 一种用于制造光伏器件的方法，所述光伏器件具有衬底，该衬底包含掺杂有第一掺杂剂的硅，所述方法包括下列步骤a. 在所述衬底的前表面上形成第一层，所述第一层包含导电类型与第一掺杂剂相反的第二掺杂剂；g. 在所述第一层上形成第二表面涂层；h. 形成到达或者进入所述硅衬底的狭长凹槽；i. 在所述凹槽内形成第三层，该层包含导电类型与第一掺杂剂相反的第三掺杂剂；j. 形成接触指系统，所述接触指系统与所述凹槽交叉，以提供导电的前触点；以及k. 形成第二触点。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底在步骤(a)之前 被织构。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第二表面 涂层充当介电层、抗反射涂层、表面钝化剂、体钝化剂、扩散掩模和/ 或金属化扩散阻挡层中的一个或多个。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二表面层 通过低压化学气相沉积而施加。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二表面层 是氮化硅。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(b)之 后，从所述后表面除去任何第二表面涂层。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述凹槽沿着它 们的长度具有均匀的尺寸。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(C)之 后，清洗所述凹槽。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(C)之 后，另外对所述后表面进行抛光。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(d)之 后，除去过量的所述第三层材料。
11. 根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述接触指与所 述凹槽垂直。
12. 根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述接触指是银。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(f)包括形成背表面场。
14. 根据权利要求IO所述的方法，其中在所述器件的后表面上沉 积铝层并将其固化。
15. 根据权利要求11所述的方法，其中所述铝层包括接触焊盘。
16. 根据权利要求12所述的方法，其中所述接触焊盘是银。
17. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在形成所述衬 底之后，所述晶片的边缘被电子隔离。
18.根据前述权利要求中任一项所述的工艺而制造的光伏器件。
19. 一种光伏器件，所述光伏器件包括a. 形成在衬底的前表面上的第一层，所述第一层包含导电类型与 第一掺杂剂相反的第二掺杂剂；b. 形成在所述第一层上的第二表面涂层；C.形成在所述器件的前表面中的多个狭长凹槽，使得所述凹槽到 达或者进入所述硅衬底；d. 形成在所述凹槽内的第三层，该层包含导电类型与第一掺杂剂 相反的第三掺杂剂；e. 接触指系统，所述接触指系统与所述凹槽交叉，以提供导电的 前触点；和f. 第二触点。
全文摘要
一种用于制造光伏器件的方法，该光伏器件具有包含掺杂有第一掺杂剂的硅的衬底，所述方法包括下列步骤a.在衬底的前表面上形成第一层，该第一层包含导电类型与第一掺杂剂相反的第二掺杂剂；b.在第一层上形成第二表面涂层；c.形成到达或者进入硅衬底的狭长凹槽；d.在凹槽内形成第三层，该层包含导电类型与第一掺杂剂相反的第三掺杂剂；e.形成接触指系统，所述接触指系统与凹槽交叉，以提供导电的前触点；以及f.形成第二触点。
文档编号H01L31/068GK101523615SQ200780031175
公开日2009年9月2日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年8月22日
发明者卡曼·莫利拉, 君·曼扭尔·费尔南德兹, 因纳斯·玟库拉, 拉菲尔·布诺 申请人:Bp太阳能旗舰股份有限公司