在基片上形成复合纳米颗粒金属的金属化触点的方法

专利名称：在基片上形成复合纳米颗粒金属的金属化触点的方法
技术领域：
本披露涉及半导体薄膜的制造，并且更具体地涉及在一个基片上形成多个复合 纳米颗粒金属区域的方法。背景太阳能(光伏)电池将阳光转换成电力。使用一种取之不尽的能源，太阳能电池 的使用可以替代石油，而石油产生的污染促成了全球变暖。然而，为了在经济上可行， 由太阳能电池所发的电力必须或者通过降低制造成本或者同样通过增加效率而使得成本 实质性地降低。现在参见

图1，在此示出了一个简化的属类光伏电池。在此，一个太阳能电池 被构造为具有集电结的一个吸收器。在一个典型的硅光伏电池中，吸收器103是由一个 发射极104和一个基极区域构成的。典型地，该基极区域被掺杂有一些形成受体位点的 原子(例如，硼)，被称为ρ型硅，而发射极区域被掺杂有产生供体位点的原子(例如， 磷)，被称为η型硅。在这两个区域之间的静电势的差异在它们的界面处形成了集电结。在一个被称为光激发的过程中，所吸收光线的光子产生多个电子空穴对，然后 这些电子空穴对通过一种扩散过程自由移动穿过该吸收器103。如果一个扩散载流子到达 该ρ-η结的边缘，它被收集并且将产生电流。为了从该装置提取这个电流，有必要在发 射极和基极区域上都包括金属触点。当位于正面侧时，这些金属电极必须被形成图案以 允许入射光进入该电池。此外，一个太阳能电池的前表面典型地覆盖有一个介电层。这 个层的作用是既要减少由于在前表面复合而损失的载流子数量又要减少从该器件的前表 面所反射的光的量。因为一个电介质不传导电流，有必要使正面金属电极直接接触该层 之下的硅。
太阳能电池器件的性能至少部分地取决于电极105 (通常定位在该介电层之上) 与发射极层104(通常定位在该介电层之下)之间的电接触件(优选为一种欧姆接触)。 高接触电阻通常导致该太阳能电池高的总串联电阻，这倾向于负面地影响太阳能电池的 填充因数(FF)并因此负面地影响该太阳能电池的总效率。此外，不希望的寄生性损失机 制，如由正面金属与基极之间的直接物理接触所形成的结点分流，将倾向于导致低结点 并联电阻，这也可以降低该器件的效率。为了进一步改进对来自该体积的载流子的收集，还可以增加一个BSF(背表面 场)层106。通过将后表面复合的影响最小化，BFS层106倾向于排斥更靠近背侧而定 位的那些带反电荷的载流子。这就是说，对于流向该后表面的少数载流子，BSF层106 与晶片吸收器103之间的界面倾向于引入一种阻隔，从而导致晶片接收器中更高的少数载流子浓度水平。例如，对于一个P型晶片，可以添加Al (铝)或B (硼)来排斥电子。 相反，对于一个η型晶片，可以添加P(磷)来排斥空穴。通过增强对来自该体积中的载 流子的收集，该器件的效率得到改进。在太阳能电池中应用金属来形成前侧和后侧电极(或金属化)通常是太阳能电池 工艺中确定效率和成本的重要步骤之一。例如，制备前侧金属栅的一个方法是通过例如 由光刻术所制备的预先限定的遮蔽模版来蒸发形成高导电性的金属层。尽管得到了高质 量的触点，但是在要求低成本和高生产量的制造环境中这些方法并不实用。形成前侧金 属栅的一个替代方法包括使用镍和铜电镀槽，被称作隐埋触点。然而，使用这一方法的 问题在于它也是成本密集型的。而对于正面金属栅的第三种广泛使用的方法涉及使用丝网印刷技术。参 见，例如 J.H.Wohlgemuth，S.Narayanan,禾口 R.Brenneman，Proc.21st IEEEPVSC, 221-226(1990) ； J.F.Nijs, J.Sclufcik, J.Poortmans, S.Sivoththaman，禾Π R.P.Mertens, IEEE Trans.on Elect.Dev.46, 1948-1969(1999)。在此，该正面金属栅是由一种银基浆料形
成的，它通过一个胶辊而沉积在基片(或其上的材料层)上，以迫使浆料穿透包括导线网 孔和一种图案化乳剂的丝网。这种银基浆料典型地包括几种主要组分，包括(1)尺寸通 常小于约Iym的Ag颗粒，(2) —种玻璃原料，该玻璃料包含多种金属氧化物，以及(3) 一种有机粘合剂。可替代地，该后电极可以使用一种铝基浆料来形成，这种铝基浆料以一种类似 方式沉积到该器件的前侧上。在两个电极的沉积之后，在大约800°C-900°C的温度下烧 制该浆料。在这个烧制过程中，Ag基浆料中的玻璃原料去除了前表面介电层，从而允许 该金属接触其下的发射极层。在后侧上，在电极形成的同时这个烧制周期致使Al形成一 个BSF层。然而，使用以上说明的丝网印刷工艺存在几个缺点，这些缺点限制了效率并且 增加了制造的复杂性。因此令人希望的是找到改进该工艺的方法。概述本发明在一个实施方案中涉及一种用于对基片形成触点的方法。该方法包括 提供一个基片，该基片被掺杂有一种第一掺杂剂；并且将一种第二掺杂剂扩散进该基片 的至少一个第一侧中以形成一个第二掺杂剂区域，该第一侧进一步包括一个第一侧表面 积。该方法还包括在该基片的第一侧上形成一个介电层。该方法进一步包括在该介电层 上形成一组复合层区域，其中该组复合层区域中的每个复合层区域被构造为进一步包括 一组第IV族半导体纳米颗粒以及一组金属颗粒。该方法还包括将该组复合层区域加热至 一个第一温度，其中该组复合层区域的至少某些复合层区域蚀刻穿透该介电层并且与该 第二掺杂剂区域形成一组触点。附图简要说明从本发明的不同配置的详细说明并且从附图将更好地理解本发明，这些说明和 附图意在进行说明而不是限制本发明。这些附图是示意性的，没有按比例绘制。图1是一个光伏电池的示意性截面侧视图；图2示出 了 一个简图，该简图对于根据本发明的一组硅纳米颗粒将其表面积/体 积与直径进行比较；
图3示出了根据本发明的第IV族纳米颗粒的球形度的一个简图；图4示出了根据本发明的Si纳米颗粒的表面污染、烧结温度和熔化温度与直径 的比较；图5是一个流程图，该流程图描绘了制造根据本发明的第IV族半导体纳米颗粒 金属化触点的工艺步骤；图6 A-B展示了一组简图，这些简图示出了根据本发明用于光伏电池的一个复合 发射极触点的形成；图7A至图7B展示了一组简图，这些简图示出了根据本发明的一个复合发射极 触点的形成；和图8A-B展示了根据本发明一个基片中的掺杂区域的背面触点的形成。图9A-B展示了根据本发明的一个基片中的掺杂区域的背面触点的形成。详细说明现在将参见如附图所示的本发明的几个优选实施方案来详细地说明本发明。在 以下的说明中，许多特定的细节被详尽地解释以便提供对本发明的透彻理解。然而，对 于本领域的普通技术人员将清楚的是没有某些或所有这些特定细节本发明也可以实施。 在其他的例子中，没有详细地说明熟知的工艺步骤和/或结构，以免不必要地使得本发 明含混。如先前所说明的，存在多个与使用可商购的金属浆料相关的熟知的问题，这些 金属浆料用于触点的丝网印刷。一个问题是高接触电阻(或不良的金属导电性)，这通常 导致填充因数降低。另一个问题是由烧结造成的金属毛刺所引起的结漏，这进一步降低了填充因 数。因此，为了实现适当的接触电阻并且避免金属毛刺，通常使用更深的发射极扩散 (产生大约40-500hm/sq的薄层电阻)，这导致在该发射极的顶部形成所谓的“死层 (dead-layer)”。这导致在发射极中更高的复合，从而导致电池不良的蓝光响应。丝网印 刷电池的一种额外的损耗机理是高遮蔽损耗，这是因为相对宽的正面触指件(在大约100 与150 μ m之间)。总体来说，烧制条件以及Ag基浆料(在此也称为“浆剂”)的特性严重影响这 种烧透过程。过度烧制可以产生低电阻率的触点但是可以因为Ag毛刺而使结区分流，而 欠烧制可以产生高电阻率的触点。因此，一种折中方法通常是在实现足够的串联电阻的 同时限制结点分流量，从而产生低于理想值的填充因数。具体地讲，已经示出浆料烧透过程耗尽了掺杂剂原子的发射极区域，从而产生 更高的接触电阻。例如，参见 Sopori et al，Proceedings of 17th Workshop onCrystalline Silicon Solar Cells and Modules, Vail, Colorado, (2007)。通常，当金属与一种半导体接
触时，半导体中更高的掺杂剂浓度产生更低的接触电阻。因此，更高的掺杂剂浓度对更 好的触点形成是有利的。一个选择性发射极结构可以提供超出以上说明的均勻扩散的发射极太阳能电池 的效率增加。例如，参见 M.GREEN，SILICON SOLAR CELLS.ADVANCED PRINCIPLES AND PRACTICE Chap. 10 (Centre for PhotovoltaicDevices and Systems, University of New South Wales, Sydney 1995)。这就是说，增加非常接近金属的局部区域中的掺杂剂浓度并且减小远离金属的区域中的掺杂剂浓度倾向于减少载流子复合并且提供与任何金属接 触点的良好接触(例如，欧姆接触)。除与正面金属化相关的问题之外，还存在与背面触点浆料相关的另外的问题， 具体是Al基浆料，它用于在P型硅太阳能电池中形成一个BSF层。具体地讲，在一个 烧透步骤之后，一个Al BSF过程产生显著的晶片弯曲，这是铝与硅的热膨胀系数之间的 明显失配的结果。此外，当Al-BSF接触点与正面的金属栅共同烧制时，这个过程不是最 优的，优化的过程要求在正面与背面触点的烧制条件之间取一个平衡。尽管存在BSF， 这在该器件的背面产生较高的复合。因此，在本技术领域中对于浆料和方法存在一种需要，用于在光伏(太阳能)电 池上提供金属化，它们产生出具有更好特性的低成本太阳能电池，如具有与隐埋材料层 改进的接触(更低的电阻)的多个金属层以及减小的复合损耗。在此提供的配置的方法和配方(例如，Ag基或Al基浆料)能够形成相对于使用 现有技术的浆料和方法所形成的触点具有改进特性的到材料层(例如，发射极层)上的接 触点。这提供了几个优点，如改进的器件性能和降低的加工成本。第IV族纳米颗粒的特征一般而言，纳米颗粒是至少在一维上小于IOOnm的一种微观颗粒。术语“第IV 族纳米颗粒”通常是指具有在大约Inm至IOOnm之间的平均直径的氢封端的第IV族纳 米颗粒，并且包括硅、锗、碳、或者它们的组合。术语“第IV族纳米颗粒”还包括掺 杂的第IV族纳米颗粒。这些第IV族颗粒可以在一个等离子室中形成，也可以通过其他适当的制造技术 来形成，如，蒸发(S.Ijima，Jap.J Appl, Phys.26, 357(1987))、气相热解(K.A Littau， P. J. Szaiow ski, A.J.Muller, A.R.Kortan, L.E.Brus, JPhys.Chem.97, 1224(1993))、 气相光分解(J.M.Jasinski and F.K.LeGoues, Chem.Mater.3, 989 (1991))、电化学浸蚀 (V.Petrova-Koch et al., Appl.Phys丄ett.61，943(1992))、硅烷和二 甲硅油的等离子体分 解(H.Takagi etal，Appl.Phys.Lett.56, 2379(1990)),高温液相氧化还原反应(J.R.Heath， Science 258，1131 (1992))以及过在氮气下回流zintyl盐、KSi和在乙二醇二甲醚、二 乙二醇二甲醚、或THF的一种溶剂中的过量四氯化硅(R.A.Bley and S.Μ.Kauzlarich，J Am.Chem.Soc.，118，12461(1996))。与一种倾向于具有与尺寸无关的稳定物理特性(例如，熔化温度、沸腾温度、 密度、导电性、等)的体材料(> IOOnm)相比，纳米颗粒可以具有与尺寸有关的物理 性质，并且因此对诸如连结点之类的用途是有用的。例如，当与可替代的方法如丝网遮 蔽法或沉积相比时，半导体纳米颗粒可以更容易地并且便宜地被图案化从而形成半导体结。关于形状，除更多规则形状如球形、六边形、正方形及其混合的之外，第IV族 半导体纳米颗粒的配置还包括拉长的颗粒形状，如纳米线，或不规则的形状。另外，这 些纳米颗粒实际上可以是单晶的、多晶的、或非晶的。这样，可以通过改变第IV族半导 体纳米颗粒的构成、尺寸、形状、以及结晶特性的属性来形成不同类型的第IV族半导体 纳米颗粒材料。实例包括单一的或混合的元素成分构成(包括合金、核/壳结构、掺杂 的纳米颗粒、以及它们的组合)、单独的或混合的形状和尺寸(以及它们的组合)、以及
7单一形式的结晶性(或结晶性的一个范围或混合、以及它们的组合)。一般而言，半导体纳米颗粒典型地必须被形成为既致密又低孔隙率的连接区 域。这样的一种方法是烧结，这是一种用于制成彼此黏附的颗粒、并且在与尺寸有关的 熔化发生之前使纳米晶体相互作用而烧结的方法，例如，参见A.N.Goldstein，The melting of silicon nanocrystals Submicron thin-film structuresderived from nanocrystal precursors, APPLIED PHYSICS A.，1996。在烧结过程中，当材料流进空隙中时颗粒密度增加，从而导致薄膜的总体积的 减小。在烧结过程中发生的原子移动通过重新充填影响总孔隙率的减少，随后材料从薄 膜的体内转移到表面、或从薄膜的表面转移到气相中。其结果是，实质上成球形并且优选地直径在大约4nm与大约IOOnm之间的第 IV族半导体纳米颗粒易于在更低的温度烧结，并且因此有利于形成结点。在又另一种 配置中，第IV族半导体纳米颗粒实质上是球形的并且更优选地直径在大约4.0nm与大约 20.0nm之间。在又另一种配置中，第IV族半导体纳米颗粒实质上是球形的并且最优选 地7.0nm。温度优选地被选定为以便能够充分地烧结第IV族半导体颗粒的层。现在参见图2，其中示出了 一个简图，对于根据优选结构的一组Si纳米颗粒比较 其表面积/体积与的直径的关系。横轴202以纳米为单位示出了 Si纳米颗粒的直径，而 纵轴203以米―1为单位示出了表面积/体积。—般而言，Si原子具有大约O.llSnm的原子半径，并且易于形成具有大约 0.5431nm的晶胞尺寸的金刚石晶体结构。此外，尽管未示出，但是具有大约0.125nm的 原子半径以及大约0.566nm的晶胞尺寸的Ge将具有实质上类似于Si的面积/体积相对于 直径的曲线。在大约4nm以下，在灾难性的污染区域204中，表面积/体积比例极大地增加， 从大约1.5m 1 (在大约4nm处)至大约6.0m 1 (在大约Inm处)。最后，所有Si原子实 际上都是表面或壳原子，并且污染的可能性是极高的。因此，为了减少污染的目的，第 IV族纳米颗粒的直径应总体上大于4nm。现在参见图3，其中示出了一个简图，示出根据优选的配置的的第IV族纳米颗 粒的球形度。总体而言，可以通过使用透射电子显微镜(“TEM” )图像来获得颗粒形 状均勻度或球形度的一个度量。TEM是一种成像技术，其中一个电子束穿透一个样品， 并且使一个图像形成、放大并且定向以显现在一个荧光屏或者胶片的感光层上，或被一 个传感器(如一个CCD照相机)检测。如在图形实例中所示，可以通过标识单独的颗粒并且描绘横穿一个颗粒的最短 和最长尺寸的一条直线来测量颗粒大小。均勻度可以被定义为一个颗粒的最大直径比最 小直径的比值。通过测量定义为最长尺寸Ll与最短尺寸L2的比值的颗粒尺度，可以获 得量值L1/L2来作为球形度的水平。例如，对于一个理想球形颗粒，均勻度是等于大约 1.0。对于一个不规则的颗粒，均勻度通常远大于约1.0。例如，如果一个颗粒是杆或针 形的，该L1/L2比值可以大于5。最佳球形度通常在大约1.0与大约2.0之间。除表面 污染之外，低于2的一个L1/L2比值对于纳米颗粒应用技术是有利的，如喷墨印刷。现在参见图4，根据优选的结构，颗粒表面污染405、烧结温度406和熔化温度 411被示为Si纳米颗粒直径407的函数。横轴407示出了 Si纳米颗粒直径，左侧纵轴408
η = Tn
示出了颗粒表面污染物浓度(原子/cm3)而右侧纵轴409示出了温度(°C )。在一个大约4nm直径处，Si颗粒表面污染是大约1.02xl021原子/cm3，对应于 如先前所示的大约1.5m1的表面积/体积比。当在该Si颗粒表面污染提高到大于灾难性 的污染区域404中的约1.02xl021原子/cm3时，烧结、致密层形成、以及电子空穴复合加 重，如先前所讲述的。相比之下，在大约13nm之下，Si纳米颗粒的烧结温度随对应的直径尺寸的减小 而急剧地减小。在大约13nm之上，据信烧结温度随纳米颗粒直径的增加而增加，最后达 到大约947°C，或Si的熔化温度(大约1414°C )的67%。其关系式为
权利要求
1.一种用于在基片上形成触点的方法，该方法包括提供该基片，该基片被掺杂有一种第一掺杂剂；将一种第二掺杂剂扩散到该基片的至少一个第一侧之中以形成一个第二掺杂剂区 域，该第一侧进一步包括一个第一侧表面区域；在该基片的第一侧上形成一个介电层；在该介电层上形成一组复合层区域，其中该组复合层区域中的每个复合层区域进一 步包括一组第IV族半导体纳米颗粒以及一组金属颗粒；和将该组复合层区域加热至一个第一温度，其中该组复合层区域中的至少某些复合层 区域蚀刻穿透该介电层并且与该第二掺杂剂区域形成一组触点。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该基片的第一侧上形成一组第IV族半导 体纳米颗粒区域的步骤，其中在该基片的第一侧上形成一个介电层的步骤之前，该组第 IV族半导体纳米颗粒区域中的每个第IV族半导体纳米颗粒区域被构造在该组复合层区域 中的一个复合层区域与该基片之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中该第一温度是在大约500°C与大约1200°C之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中该第一温度是在大约700°C与大约900°C之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中该第一温度是在大约700°C与大约850°C之间。
6.如权利要求1所述的方法，其中该组触点中的每个触点具有在约IxlO-5Ohm· cm2 与约5xlO_3Ohm · cm2之间的电阻率。
7.如权利要求1所述的方法，其中该第二掺杂剂区域是一个η型发射极区域，该η型 发射极区域具有约400hm/sq与约1500hm/sq之间的薄层电阻。
8.如权利要求1所述的方法，其中该第二掺杂剂区域是一个η型发射极区域，该η型 发射极区域具有在约800hm/sq与约1200hm/sq之间的薄层电阻。
9.如权利要求1所述的方法，其中该介电层包括SiNx、Si02、以及TiOx中的至少一种。
10.如权利要求1所述的方法，其中一组复合层区域表面区域的总面积是在该第一侧 表面区域的大约与大约50%之间。
11.如权利要求1所述的方法，其中一组复合层区域表面区域的总面积是在该第一侧 表面积的大约2%与大约20%之间。
12.如权利要求1所述的方法，其中一组复合层区域表面区域的总面积是在该第一侧 表面区域的大约5%与大约10%之间。
13.如权利要求1所述的方法，其中该组金属颗粒包括Al与Ag之一。
14.如权利要求1所述的方法，其中该组金属颗粒进一步包括一种玻璃料和一种有机 粘合剂。
15.如权利要求1所述的方法，其中该第一掺杂剂是η型的而该第二掺杂剂是ρ型的。
16.如权利要求1所述的方法，其中该第一掺杂剂是ρ型的而该第二掺杂剂是η型的。
17.如权利要求1所述的方法，其中该组第IV族半导体纳米颗粒包括一种第三掺杂 剂，该第三掺杂剂与该第二掺杂剂是相同的掺杂剂类型。
18.—种用于在基片上形成触点的方法，该方法包括提供该基片，该基片被掺杂有一种第一掺杂剂；在该基片的一个第二侧上形成一个介电层；在该介电层上形成一组复合层区域，其中该组复合层区域包括一组第IV族半导体纳 米颗粒以及一组金属颗粒；和将该组复合层区域加热至一个第一温度，其中该组复合层区域中的至少某些复合层 区域蚀刻穿透该介电层并且对于该基片形成一组触点。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括将一种第二掺杂剂扩散到该基片的至少一 个第一侧中以形成一个第二掺杂剂区域的步骤，该第一侧进一步包括一个第一侧表面区 域。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括在该基片的第二侧上形成一组第IV族半 导体纳米颗粒区域的步骤，其中在该基片的第一侧上形成一个介电层的步骤之前，该组 第IV族半导体纳米颗粒区域的每个第IV族半导体纳米颗粒区域被构造在该组复合层区域 中的一个复合层区域与该基片之间。
21.如权利要求18所述的方法，其中该介电层包括SiNx、SiO2>以及TiOx中的至少 一种。
22.如权利要求18所述的方法，其中该第一温度是在大约500°C与大约1200°C之间。
23.如权利要求18所述的方法，其中该第一温度是在大约700°C与大约900°C之间。
24.如权利要求18所述的方法，其中该第一温度是在大约700°C与大约850°C之间。
25.如权利要求18所述的方法，其中该组触点中的每个触点具有大约 IxlCT5Ohm · cm2与大约5xl(T30hm · cm2之间的电阻率。
26.如权利要求18所述的方法，其中一组复合层区域表面区域的总面积是在该第一侧 表面区域的大约与大约50%之间。
27.如权利要求18所述的方法，其中一组复合层区域表面区域的总面积是在该第一侧 表面区域的大约2%与大约20%之间。
28.如权利要求18所述的方法，其中一组复合层区域表面区域的总面积是在该第一侧 表面区域的大约5%与大约10%之间。
29.如权利要求18所述的方法，其中该组金属颗粒包括Al和Ag中的一种。
30.如权利要求18所述的方法，其中该组金属颗粒进一步包括一种玻璃原料和一种有 机粘合剂。
31.如权利要求19所述的方法，其中该第一掺杂剂是η型的而该第二掺杂剂是ρ型的。
32.如权利要求19所述的方法，其中该第一掺杂剂是ρ型的而该第二掺杂剂是η型的。
33.如权利要求18所述的方法，其中该组第IV族半导体纳米颗粒包括一种第三掺杂 剂，该第三掺杂剂与该第一掺杂剂是相同的掺杂剂类型。
全文摘要
在此披露了一种用于在基片形成触点的方法。该方法包括提供一个基片，该基片被掺杂有一种第一掺杂剂；并且将一种第二掺杂剂扩散到该基片的至少一个第一侧之中以形成一个第二掺杂剂区域，该第一侧进一步包括一个第一侧表面积。该方法还包括在该基体的第一侧上形成一个介电层。该方法进一步包括在该介电层上形成一组复合层区域，其中该组复合层区域中的每个复合层区域进一步包括一组第IV族半导体纳米颗粒以及一组金属颗粒。该方法还包括将该组复合层区域加热至一个第一温度，其中该组复合层区域中的至少某些复合层区域蚀刻穿透该介电层并且与该第二掺杂剂区域形成一组触点。
文档编号H01L31/0224GK102017164SQ200880129079
公开日2011年4月13日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年3月18日
发明者卡雷尔·凡赫斯登, 弗朗切斯科·莱米, 德米特里·波普拉夫斯基, 梅森·特里, 马尔科姆·阿博特 申请人:英诺瓦莱特公司