专利名称：低成本太阳能电池和制造低成本太阳能电池用基板的方法
技术领域：
本发明涉及太阳能光伏电池，更具体地涉及用于供这样的电池使用的低成本基体材料的制造方法以及用于制造低成本电池的方法以及所获得的电池器件结构体。
背景技术：
常规的由化石燃料产生能源扮演着自上次冰川期以来对地球安宁的最大威胁。在所有的替代能源中，除节能之外，与其它途径如乙醇、水电和风能相比，可以论证太阳能光伏电池是最干净的、普遍存在的并且可能是最可靠的选择。原理是将光转换为小的直流电压的简单固态p-n结。可以将电池层叠以对车用电池充电或通过DC/AC转换输入电网。在可用于该目的各种半导体材料中，硅占据光伏太阳能电池产量的99%。与其它基于化合物半导体的太阳能电池相比，尽管其具有较高的转换效率，特别是在小面积电池中，但硅在地壳中丰富得多，并在全世界各种气候下在经风吹雨打的屋顶上提供高达30年的得到证明的可靠性。此外，利用硅的大规模商业制造技术已经使用了数十年并且发展良好和便于理解。因此，硅很可能仍然是占优势的用于太阳能电池的基体材料。然而，尽管经三十年的发展，硅基太阳能电池还没有发挥出其用于大规模发电的潜能。对其认可的主要障碍是与制造太阳能电池有关的成本，尤其是用于制造太阳能电池的原料、基体材料(基板)的成本。与半导体微芯片的情况下仅约10%相比，材料占太阳能电池制造总成本的超过一半。讽刺地是，因为巨大的需求和高生产成本，用于太阳能电池的硅材料的价格实际上和油价同步增加。例如，在过去几年中，用于生产太阳能硅晶片的多晶硅材料每kg的成本显著增加，对于薄膜太阳电池，用于沉积该膜的硅烷气体的成本以及在沉积后清洗反应器的NF3气体的成本同样地增加。相反，半导体芯片价格(即，每单元存储或逻辑功能)在过去的三十年按照摩尔定律指数地降低。学习曲线的这种不同可能涉及技术上以及材料相对于成本的比重(相比于日益提高的每单位面积器件密度的工艺和设计) 的主要差别。根据本领域的目前状态，基于多晶硅的太阳能电池生产按三个主要阶段进行。第一，为较适中的25MW容量工厂生产用于基板的大量硅晶片——典型地每月百万个晶片。第二，通过形成P-n结并金属化将这些晶片加工成太阳能电池。第三，然后将这些晶片“封装” 成供用户设施中的安装使用的模块。通过热分解含Si-H-Cl如二氯硅烷和三氯硅烷的危险气体生产超高纯的多晶硅， 通常指九个九，即99. 9999999%纯度，制造用于太阳能电池的基本硅晶片。这些气体是极易燃且有毒的。然而，由于在硅的气化中危害环境和健康，世界上仅有很少的工厂在运转，从而导致半导体和太阳能电池行业的瓶颈。新计划的硅气化工厂面临来自当地社区基于环境和安全关切的阻力。这些工厂还需要大量的资本投入和较长的建设周期。因此，在裸硅晶片的需求与供给之间始终存在不平衡。通常按适合半导体和太阳能电池应用的颗粒状来提供纯硅(称为多晶硅，在硅烷基化合物的气化和分解之后)。然后使颗粒熔融并利用晶种提拉单晶棒或多晶带。或者，将多晶硅铸成柱状。将提拉的柱体锯切、成型并抛光成5 6英寸的圆形晶片，其后可以将其切割成正方形晶片。然后在碱性化学品例如KOH中进行湿化学蚀刻以织构。利用POCl3 熔炉扩散形成p-n结。然后利用PECVD SiON进行抗反射膜钝化。将丝网印刷的银糊涂覆到η-型面以及将铝糊涂覆到ρ-型面。然后烧结该糊以形成电接触。最后，测试电池并根据它们的特性如它们的I-V曲线来分类。
上述工艺在本行业中是众所周知的并且已经实施多年。然而，虽然在半导体中大部分成本(即，价值)在于将抛光的硅晶片转换为功能性集成电路的过程，但在太阳能电池制造中，将抛光后的晶片转变为功能性太阳能电池的过程比生产抛光晶片自身的过程成本低。也就是说，在商业意义上，将硅晶片转变成太阳能电池的过程在整个太阳电池板制造链中不是高附加价值的步骤。因此，与电池制造技术相反-在制造初始晶片的成本方面的任何改进或降低将能够使最终的太阳电池板的价格大幅度降低。为了克服用于太阳能电池的硅原料的问题，已经沿着两个主要的途径积极地致力于降低太阳能电池每瓦消耗的硅量。这些是1.将晶片厚度从标准的500 μ m降低到 200 μ m以下。该途径受到晶片强度的限制，在高速通过加工设备期间晶片趋向破裂。2.采用各种太阳能电池材料例如硅、CdTe, CuInGaSe的薄膜，典型地在玻璃上以及在其它较便宜的基板上。为了使光照射在太阳能电池上，电极之一由导电的透明氧化物 (CTO)例如InSnOx或者ZnO2构成。在各种薄膜太阳电池材料中，硅同样是最经济合算的材料。在该太阳能结构体中， 将晶片厚度从300 500 μ m降低至约1 10 μ m。在该1 10 μ m中，大部分沉积的膜的厚度典型地由未掺杂的Si-H聚合物本征非晶层组成，缩写成ia-Si:H层。夹在掺杂的η-型 a-Si:H和ρ-型a-Si:H膜之间的该i aSi :H层提供吸收入射阳光所需的容积，从而在其中产生电子空穴对。然后这些载流子扩散到太阳能电池的η-和ρ-电极来产生用于发电的光伏电压和电流。然而，因为太阳光谱的红外线波长具有通过硅的长透射深度，所以损失大量太阳辐射，从而降低了光伏转换的效率。也就是说，损失了转换的量子效率，特别对于在红外线范围内的较长波长。薄膜结构的另一个固有局限性在于少数载流子的扩散长度被膜的厚度限制到远小于ΙΟμπι。这是预测成品的太阳能电池效率的品质因素。对于纯的晶体硅基太阳能电池，扩散长度典型地为约80 μ m。薄膜太阳电池结构存在其它根本性的局限性，与基于硅晶片的太阳能电池超过总的太阳电池板市场的80%相比，迄今这些局限性将薄膜太阳电池产量限制在约5%。这些局限性中部分如下1.由于与多晶硅的价格相同的原因，即用于沉积a_Si:H膜的硅烷气体的产量不足，该极易燃的气体的成本快速上升。除硅烷之外，用于生产太阳能薄膜的等离子增强CVD 反应器需要大量专门的NF3气体来执行PECVD反应器的原位等离子净化以确保生产设备的正常运转时间长。2.薄膜硅太阳能电池的光伏转换效率低，有时小于基于硅晶片的太阳能电池的一半。3.建立薄膜太阳电池工厂所需的固定设备是用于能量输出相当的基于硅晶片的太阳能电池工厂的将近10倍。基本费用主要由用于沉积a-Si:H和SiN钝化膜的基于真空的等离子CVD反应器以及用于沉积CTO膜的基于真空的PVD反应器所推动。如同能够由上述所理解的那样，太阳能电池行业已经被分为两个阵营设法利用高纯硅晶片来获得高电池效率的基于硅晶片的太阳能电池阵营，以及为了降低成本避开使用硅晶片的薄膜阵营。因此，基于硅晶片的阵营受到纯硅晶片可获得性的限制，而薄膜阵营受到主要由于玻璃基板中光的吸收不足所导致的转换效率的限制，以及受到生产较 厚的本征氢化硅吸收层所需的SiH4气体的成本的限制。
发明内容
为了提供本发明的一些方面的基本理解及特征，包括如下发明概述。该概述不是本发明的广泛综述，因而不是意图特别区分本发明的关键或重要的要素或者描绘本发明的范围。其唯一的目的是以简化的形式给出本发明的一些原理，作为下面给出的更详细描述的前奏。本发明的各种实施方式提供无需进行硅的气化来制造硅基板的方法。因此，避免了在制造九个九等级的硅中涉及的成本和健康以及环境危害。该基板可以用于制造效率与薄膜太阳电池相当甚至超过的太阳能电池。本发明的特征解决了太阳能电池行业面临的一个以上如下重要问题a)用于晶片和薄膜的“具有太阳能能力的(solar capable) ”硅材料的可获得性和成本b)用于太阳能电池工厂的投资费用c)未来太阳能电池的每瓦所需的成本。d)用于大体积的生产工艺的规模性e)环境适应性和25年的可靠性本发明的特征使得能够获得对上述问题的有生产价值的解决方案，尤其通过制造投资在体硅晶片的转换效率和薄膜电池结构的益处的太阳能电池结构。根据本发明的方面，通过利用由成本极低的冶金级硅制成的硅晶片作为基板并在该基板上制造薄膜太阳电池，制造太阳能电池。根据本发明的特征，通过沉积比常规的薄膜太阳电池薄得多的(例如，10%)薄膜来制造电池。除降低基板和膜材料的成本外，建议的结构允许超过常规薄膜太阳电池的提高的转换效率。也就是说，通过利用冶金级硅晶片，基板的制造变得危害较少并且更环保，同时还降低基板的成本。此外，利用冶金级硅晶片作为基板，与在玻璃上形成的薄膜结构相比提高了转换效率，因为所述硅晶片形成了光吸收介质，而不是常规薄膜电池的薄i-Si层。本发明公开了一种利用冶金级硅制备基板的方法，该方法包括使冶金级硅在熔炉中熔融；使熔融后的冶金级硅凝固为铸锭；将铸锭切片以获得多个晶片；蚀刻每个晶片的两个表面；在每个晶片的背面上沉积铝层；在每个晶片的正面上沉积氢化的氮化硅层； 在高温下对所述晶片进行退火；去除氢化的氮化硅而没有干扰所述铝层；以及在晶片的正面上沉积薄膜结构。在氢化的氮化硅层的沉积过程中，当氢进入基板中时，背面铝层形成了密封。在退火过程中，铝层形成了与所述晶片背面的良好的欧姆接触，由此，一旦在该晶片的正面形成器件，铝层就可以作为背面接触层。—种利用冶金级硅制备基板的方法，包括获得由金属级硅构成的晶片；在所述晶片上进行预蚀刻(conditioning etch)；在所述晶片的正面上沉积牺牲层；在所述晶片的背面上沉积金属化层；在高温下对所述晶片进行退火；以及去除牺牲层而没有干扰所述
金属化层。一种利用冶金级硅制备太阳能电池用基板的方法，包括获得由金属级硅构成的晶片；在所述晶片上进行切割损伤去除蚀刻(saw damage removal etch)；在所述晶片上进行清洗蚀刻；在所述晶片的正面上沉积氢化的牺牲层；在第一高温下在所述晶片的背面上沉积金属化层；在高于第一高温的第二高温下对所述晶片进行退火；以及去除氢化的牺牲层而没有干扰所述金属化层。根据本发明的进一步的方面，提供一种利用冶金级硅制备太阳能电池的方法，该方法包括形成冶金级硅的多晶粒晶片；使每个晶片的正面上的晶界钝化，并从所述晶片的背面收集杂质(getter impurity)；以及在每个晶片的正面上形成太阳能电池结构。抑制晶界和收集杂质可以包括蚀刻所述晶片的表面；在所述晶片的背面上溅射铝层；在所述晶片的正面上沉积Si3N4 ；使所述晶片退火；以及剥离已沉积的Si3N4层而没有干扰该铝层。 在溅射铝层之前，可以在背面沉积P-型层。此外，在沉积Si3N4层之前，还可以在正面上沉积非晶的η-型层。形成太阳能电池可以进一步包括在所述晶片的正面上沉积本征非晶硅层和在该本征非晶硅层上沉积η-掺杂层。所述本征非晶硅层和η-掺杂层可以是氢化的。根据本发明的进一步的方面，提供一种太阳能电池，包括具有背面和织构化正面的冶金级硅基板；形成于背面层的接触层；形成于正面上的本征非晶硅层；形成于本征非晶层上的η-型硅层；和形成于η型层上的ITO ；以及形成于ITO上的前接触层。
根据参照下列附图的详细描述，本发明的其它方面和特征将会变得清楚。应当理解的是，详细描述和附图提供由所附权利要求限定的本发明的各种实施方式的各种非限制性的实施例。结合到该说明书中并构成其一部分的附图举例说明了本发明的实施方式，并和描述一起起到解释和说明本发明的原则的作用。附图意图以图示的方式说明示例性的实施方式的特征。附图不是意图描绘实际实施方式的每个特征或所描绘的元件的相对尺寸，并且未按比例描绘。图1是说明根据本发明一个实施方式的工艺的流程图。图2说明根据本发明一个实施方式的工艺。图3说明根据本发明另一个实施方式的工艺。图4说明根据本发明一个实施方式的工艺。图5Α说明本发明的另一个实施方式，而图5Β表示本实施方式的变形。图6Α说明本发明的另一个实施方式，而图6Β表示本实施方式的变形。图7说明本发明的另一个实施方式。图8说明本发明的另一个实施方式，其类似于图7的实施方式，除了将掺杂剂颠倒。图9Α说明用于制造通常本文中称为SmartSi 的准备好的太阳能电池用基板(a solar-cell ready substrate)的工艺的实施例。
图9B说明可用于将SmartSi晶片转换为SmartSi PV太阳能电池的工艺的实施例图10说明根据本发明的实施方式制造的完整的太阳能电池。图IlA和IlB说明多结SmartSi太阳能电池的实施方式。图12A和12B说明具有扩散结的多结SmartSi太阳能电池的实施方式。图13A和13B说明两面夹在i_Si/掺杂的Si :H薄膜之间的冶金硅基板的对称配置的实施方式。图14A和14B说明根据本发明实施方式的替代的冶金硅晶片制备方法。图15说明根据本发明实施方式利用冶金硅晶片制造太阳能电池的替代方法。图16A 16F说明根据本发明实施方式对基板表面进行织构化和预处理的方法。图17A 17E说明根据本发明的实施方式对基板表面进行织构化和预处理的替代方法。
具体实施例方式本发明的实施方式提供用于低成本制造太阳能电池的方法，同时减少常规的太阳能电池制造中所涉及的健康和环境危害。如在美国能源部的太阳能网站上指出的那样“要用作太阳能电池中的半导体材料，硅必须被提纯到99. 9999%的纯度”(可在http://WWWl. eere. energy, gov/solar/silicon. html上获得)。这通常被称为6N或者太阳能级硅、SoG Si。与传统智慧相反，本发明提供利用纯度3N 5N的冶金级硅MG Si生产基板和太阳能电池的方法。各种实施方式公开了结合硅基太阳能电池和薄膜基太阳能电池的益处以提供转换效率约14%以上的电池。图1是说明根据本发明一个实施方式的工艺的流程图。在图1中，该工艺开始于步骤100，通过用石墨还原石英来生产冶金硅颗粒原料。所得的纯度水平可以是99. 9%或 99. 999%的纯度，即约三个九到约五个九的纯度。值得注意的是，石英容易低成本地获得。 此外，该工艺省略了气化步骤，从而避免了气化和硅烷生产的危险过程。在下一步200中，将颗粒熔融到大的正方形或圆形的模具中，例如1米乘1米，并使液体缓慢凝固成具有大硅晶粒的圆柱体。任选地，将凝固的圆柱体重熔，然后分部分凝固，以便将杂质移到圆柱体的一侧。在该过程中沿水平方向控制冷却速率和温度梯度，以便使杂质移动到圆柱体的表面并沿垂直方向(例如，缓慢地将模具降低至低于熔炉)使杂质集中在得到的固体的顶部。在步骤200中，任选地用少量硼掺杂该熔融硅以生产含1E17 IElScnT3硼的p-Si。在步骤300中，切割凝固圆柱体的外周以去除具有大量杂质的层，并产生方柱体。在步骤400中，将该方柱体切割成铸锭，例如16个方柱体铸锭。在步骤500中， 用例如金刚石或线状锯将每个铸锭切片为约20密耳，即0. 020英寸厚的Si晶片。可以收集废料在熔融中重新使用。图2说明根据本发明一个实施方式的工艺。该工艺开始于由“脏的”硅，即例如通过图1的实施方式的工艺获得的3 5个九的冶金硅制成的晶片DSi 200。利用例如PECVD， 在晶片210的顶面上沉积浓度为1. 0E16原子/cm3的n_层。然后用等离子室在该n_型层 210上提供SiN层220。然后利用在高于900°C的温度下的POCl3处理将杂质从DSi层200 提取到熔融玻璃层230中。这提高了 ρ-型层200的纯度，尤其是此前形成的结的周围。然而采用例如化学机械抛光(CMP)后的蚀刻处理剥离层230。这去除了含有提取自层200的杂质的层230。最后在η-掺杂层220上设置银接触240，并在层200上提供铝电极250。然后在700°C左右使整个结构体退火，使银电极对η-型层210以及使铝电极250对ρ-型层 200完成低电阻的欧姆接触。图3说明根据本发明另一个实施方式的工艺。该工艺开始于步骤100，从含冶金硅的坩埚中升华2 μ m厚的非晶硅层。这将在约10E-6托的Ar背景真空度下在低于硅熔点的 1000 1200°C下进行。该步骤确定较纯的有源结层，因为在1200°c下任何碳和金属杂质不升华。此外，在氩气背景环境中少量的残余氧通过在坩埚表面上形成少量一氧化硅帮助促进升华。在步骤200，在O2加N2或Ar的环境下将晶片暴露于含P气体如POCl3或PBiv 该步骤通过掺杂η-型面并使B得以从“脏的”基板向外扩散到干净的升华后的硅层中来而形成ρ-η结。
然而在步骤300中该晶片的背面进行蚀刻或CMP(化学机械抛光)以去除任何掺杂磷的玻璃。其次，在步骤400中，等离子用于在该晶片的正面(η-型)沉积SiN抗反射膜。在步骤500中形成接触，例如，可用激光来为接触钻孔。在步骤600，制造导电电极，例如，可以采用丝网或其它方法在正面和背面沉积金属糊以限定电极。然后在600°C 700°C 下烧结晶片以形成接触。在通过丝网将银沉积在SiN抗反射膜上而没有穿过该层的任何激光钻孔的接触孔的情况下，利用较高的温度来使银得以穿过整个SiN层。图4说明根据本发明一个实施方式的工艺。该工艺从脏的P-型硅晶片400开始。 然后利用蒸发过程在晶片400上产生蒸发的SiOx层410。在SiOx层410上提供η-型层 420 (这可以通过沉积掺杂磷的Si层或通过其它可接受的方法部分扩散到该层410中来进行)。然后用层430密封层410，利用吸杂(gettering)将杂质向晶片400的底部440牵引以提供纯度提高的层400。然后可以在沉积导线之前去除该底部440。根据又一个实施方式，首先蚀刻脏的硅晶片以在其顶面上提供织构。然后在POCl3 炉中处理该晶片以形成该晶片的ρ-η结。用等离子沉积的SiN层覆盖该晶片的顶面。然后将该晶片再次暴露于POCl3以将全部金属杂质收到(getter)背面，并使该结硬化避免漏出。然后通过例如背面蚀刻去除晶片背面上的玻璃。然后利用例如激光打孔或接触蚀刻形成接触孔。然后利用常规的技术形成金属接触。不然的话，直接在等离子沉积的氮化物层上形成丝网的银糊，然后在 700°C下退火，使银扩散到靠近晶片顶部的掺杂磷的层，而不使用任何接触孔。值得注意的是，一旦形成冶金Si ρ-η结，由于在结界面中的金属杂质，极易漏出。 POCl3的一个效果是形成η-层，将杂质牵引到形成结的表面附近。因此，为了从正面的结中将金属杂质移到晶片的背面，在该实施方式中执行第二 POCl3步骤，同时用SiN保护有源的正面。可以使金属集中在晶片背面上的低温熔融的玻璃中，然后通过化学蚀刻或CMP去除。代替硅基板，人们可以使用由涂覆有升华Si的不锈钢或玻璃制成的基板，并通过从离心浇铸的Β、Ρ玻璃中扩散在该基板中形成ρ-η结。这不同于用于薄膜晶体管平板应用而沉积的非晶PECVD硅，因为升华的膜不具有任何被捕获的氢。因此，在随后的高温扩散步骤时，它们不分解。PECVD膜随时间失效，可能因为与H解吸有关的组成变化。图5Α说明本发明的另一个实施方式。用于图5Α的实施方式的原料是通过浇铸， 随后缓慢冷却制造的纯度为约三个9到五个9即99. 9%到99. 999%的低成本多晶冶金硅晶片。冶金硅简便地由石英(SiO2)与石墨(C)基于熔炉的化学反应来制造，二者存在于世界各地的矿山中。这两种材料基本上是砂和煤的较纯形式。石墨能够用其它包含纯C的石油副产物或有机植物物质来代替。使冶金硅粉熔融，根据需要向熔体中添加测试量的P和/ 或B以产生约5E17原子*cm_3的P-型掺杂剂浓度。使熔体缓慢冷却以生产含硅的多晶晶粒的圆柱形铸锭，含约IOppm的杂质例如Cr、Fe、Ni、Mn和C。调节冷却过程以便使杂质分布在所谓沉淀物的原子簇中。它们趋向电活性小于均勻分布原子，后者典型地占据硅晶体晶格上取代的电活性位点。取代的杂质起到用于电子空穴复合的陷阱或中心的作用，该复合被认为通过降低光吸收层中载流子的扩散长度而降低了太阳能电池的光伏转换效率。通过众所周知的测试与光的 波长成函数关系的光转换为电荷载流子的量子效率的物理法能够估算扩散长度。将铸造的材料，即铸锭加工成较小的圆柱体、锯成晶片、蚀刻以去除表面损伤，然后根据标准的行业操作在一面或两面上抛光。这将会得到的冶金级晶片用作生产太阳能电池的基板。不象常规的多晶硅太阳能电池所用的硅基板，该实施方式不需要使用通常由气相SiHxCly化合物还原制造的七个9或更高纯度的多晶硅。基板500经过预沉积清洗，典型地涉及用100 IHF去除任何天然的氧化物，用 ΝΗ40Η/Η202去除有机污染物，然后用HCl去除任何金属杂质。该步骤还可以包括本文任何位置所述的切割损伤去除蚀刻。然后在没有掺杂气体存在的情况下利用在SiH4和H2中产生的等离子在标准的PECVD设备中涂覆极薄(10 1000A )，典型地低于IOOA的本征未掺杂的非晶Si :H层505。接下来，通过沉积η-掺杂的a-Si :Η层510形成结的有源部件，这可以方便地在相同装置中进行，但利用含SiH4和H2以及PH3的等离子。这随后是透明的导电氧化物520例如Ζη02、ΙΤ0或InSnO以及如果需要由SiOxNy构成的抗反射膜515的连续层。 这些形成顶电极，通过该电极能够将日光传输到硅吸收层本体。为了额外的电荷收集效率， 可以在该透明的导电氧化物层520上形成典型地由银糊构成的一系列电极。对于电池结构背面的低电阻接触，通过PVD工艺沉积或丝网印刷含Al的糊在晶片的底面涂覆Al层525， 然后烧结以形成低电阻接触。于是得到的太阳能电池包含至少下列新特征。通过在由成本比利用太阳能或半导体级多晶硅制造的常规硅晶片少约十倍的P-型多晶冶金级硅晶片制成的光吸收晶片上沉积非晶Si :Η薄膜的η-层来形成ρ-η结。由铸造含B掺杂剂的冶金硅粉制造的250 500 μ m厚的冶金ρ-型多晶硅光吸收层代替采用贵得多的太阳能级多晶硅。在ρ-型冶金基板和n-Si :H膜之间插入任选的本征(无掺杂的)Si :H膜中间层以使由于多晶性质和材料中的杂质典型地具有断裂(悬挂)键的冶金硅的表面钝化，从而改进光伏转换效率。为了节约成本可以省略ARC层515，代之以通过在KOH中蚀刻冶金级硅的表面使其粗糙以在大体上(100)取向的晶粒中暴露(111)面。该粗糙化使光反射最小化，以致ARC层可以是不必要的。另一方面，图5B说明了透明的导电层还作为抗反射(ARC)层的实施例。除了去掉了形成ARC层的步骤，以与图5A相似的方式制造图5B的太阳能电池。取而代之的是，将 TCO层制成使其还可以作为ARC层的厚度。例如，在一个实施方式中，将ITO溅射为850人的厚度，以使得ITO形成透明的导电层和抗反射涂层。可以调节ITO的厚度以防止在想要的频带反射。图5B还显示的是非晶ρ型的背面层，其在铝层之前利用PECVD进行沉积。图6A说明本发明的另一个实施方式。图6A的实施方式类似于图5，除了将掺杂颠倒。也就是说，将吸收层600制造为η-型冶金硅。沉积的非晶层610具有反极性，即用于结的P-型。图6B模拟了图5B的结构，除了利用η-型晶片将掺杂颠倒。
图7说明本发明的另一个实施方式。图7的实施方式类似于图5。然而，在图7的实施方式中，在制造背面接触的铝层725之前制造任选的由a-i Si:H膜730随后a-n Si:H 膜735构成的结构，以便利用异质结提高高于吸收基板的转换效率，该异质结具有含沉积的极薄本征Si-H层的本征钝化层结构，继之以反极性的电学上有源的Si-H薄层。在这方面，对于图5 8所述的实施方式，用带括号的字母表示对于各说明的层建议的制造顺序。 图8说明本发明的另一个实施方式，其类似于图7的实施方式，除了将掺杂剂颠倒。也就是说，基板被指定为η-型冶金级硅，结层810是ρ-型，以及层835是η_型。如同能够被理解的那样，图5 8的实施方式通过在冶金级硅基板上构建薄膜结来提供太阳能电池。由于冶金硅的性能，与具有极薄吸收层的常规薄膜电池相比，这具有光吸收较好的优点。因此，提高了转换效率。另一方面，使用冶金硅片提供低于常规的太阳能或半导体级硅晶片的成本。此外，如本文所述通过使用冶金级硅晶片，降低了健康和环境危害。涉及图5 8的实施方式的意图是区分与PV工艺联系的三个功能，该工艺首先在硅中吸收光以产生电子空穴对，然后通过利用ρ-η结的带隙产生少数载流子(电子)流，把光转换为电流。通常，在具有扩散的Ρ-η结结构的多晶或单晶硅中，两个过程同时发生。当从常规的多晶硅到Czochralsky单晶硅到区域熔融的单晶硅时，少数载流子扩散长度可以从50μπι到ΙΟΟμ 到300μπι变化。相应的PV转换效率为约18 %、22 %和25 %。在另一端，沉积非晶单结的薄膜太阳电池依靠典型地约Iym厚的中间aSi:H层为吸收层。扩散长度被薄膜层的厚度限制到约1 μ m。相应的PV转换效率降低到约6 10%。在本发明的该实施方式中，少数载流子扩散长度不受薄膜的限制，而是由冶金硅基板的特性来决定。实施例1通过在约1. 5mX 1. 5m的石墨坩埚中感应熔融两个九的硅颗粒，然后经24小时缓慢冷却成圆柱形来生产三个九的冶金级硅。去除富碳的表面壳层，并将圆柱体粉碎为晶粒或颗粒。得到的材料含B和P，但通常是具有在0. 1 Iohm · cm范围内的电阻率的ρ-型。 然后将得到的材料铸成约0. 5mX ImX Im的冶金级硅原块(bole)，伴随着控制冷却和掺杂剂调节。将所述原块切割成16个正方形截面的铸锭，一侧稍微大于5”。平整圆柱体表面，然后从铸锭上锯切500 μ m厚的晶片。机械抛光一个面，轻微蚀刻两个面以露出在晶片背面上的多边形大晶粒结构。这产生四个九和五个九纯度的约500片冶金级硅晶片。利用4点探针测量将晶片分为两组，主要的组具有0. 3 0. 5ohm -cm的电阻率，其余的在 Iohm ·αιι。 4Ν和5Ν材料的SIMS组成分布类似，具有ΙΕ14原子cm_3的过渡金属杂质浓度。金属杂质典型地是与冶金硅有关的那些，即Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Cu。另外，存在IE15原子cm_3的碳浓度。用晶片的样品制造太阳能电池。在含适当的掺杂气PH3和B2H6的SiH4、H2中利用 rf等离子，用PECVD (等离子增强化学气相沉积)设备沉积i型a-Si :H薄膜、ρ型a_Si :Η 和η型a-Si:H膜。采用PVD(等离子气相沉积)溅射设备沉积约IOOOA的InxSnyOz，用作用于顶电极和底电极的透明导电氧化物。采用蚀刻设备蚀刻约10 μ m深的硅台地(silicon mesas)以产生与晶片其余部分隔离的二极管。利用该工艺，从0. 1 Ω -cm ρ-型(100)冶金级硅晶片开始，产生具有含扩散的P+背接触的本征钝化层结构的单异质结，并测量该结的二极管I-V和穿过该光谱范围的量子效率。利用1/QE对照λ波长的曲线，斜率按μπι提供扩散长度L。长度L和Illsat是众所周知的PV转换效率的预测因子。该结构提供400mA的 Illsat和80 μ m的长度L，对应于约20%的PV转换效率。在0. 4 Ω · cmp-型冶金级硅晶片上形成的结构也工作得很好，具有7 μ m的少数载流子(电子)扩散长度Le，对应于12 13% 的PV转换效率，假定结构具有良好控制的串联电阻。在1.0Ω - cm ρ-型冶金级硅晶片上形成的结构也工作得很好，具有8 μ m的少数载流子(电子)扩散长度Le，对应于14%的PV 转换效率，假定结构具有良好控制的串联电阻。实施例2
通过在正面即“器件”侧沉积纳米级Si :H膜堆栈并在背面“接触”侧沉积相反掺杂的a_Si:H膜，在低成本的冶金级基板上形成含本征钝化层器件结构的单异质结。冶金级基板不必如对结晶Si基板所做的那样将基板特别地从500 μ m变薄到250 μ m,免除了损耗。 较厚的晶片在自动生产线中提供更稳固的操作。该材料还避免了基于多晶硅的气化、凝固、 熔融和提拉工艺的成本、周期和复杂性，因为通过恰好在被纳米级本征a_Si:H膜钝化的冶金级基板面之外的薄Si :H膜来产生该有源器件。冶金级基板可以按标准的尺寸例如6英寸、8英寸、12英寸来形成，可以在标准的半导体PECVD加工设备中进行加工。相反，在大面积(通常，4X6ft或6X7ft)的玻璃上产生常规的基于薄膜的太阳能电池，这需要专门的内部容积大的腔室，导致难以抽到低压并导致用于形成薄膜层的活性气体浪费。因此，这些PECVD反应器购买昂贵并且由于消耗品(即，废弃的活性气体)成本高运转昂贵。这些专门的腔室的高内部容积还造成折旧困难及成本。反之，在标准尺寸的晶片上形成薄膜能够在内部容积小的标准反应器中进行，以致运转和折旧的问题最小。由于在冶金硅基板中较长的少数载流子扩散长度的数量级，在冶金硅基板上得到的薄膜器件结构具有大于常规的薄膜太阳电池约两倍的PV效率。实施例3图9A说明通常本文中称为SmartSi 的用于制造准备好的太阳能电池用基板的工艺的一个实施例。在步骤900中，在含石墨电极的电解槽中将冶金级石英熔融并还原，然后让其冷却并凝固以提供约两个九的冶金硅铸锭。将铸锭破碎成颗粒，在化学品中处理以浸出表面杂质，然后铸成铸锭。然后剥离铸锭的外壳并破碎成三个到五个九的冶金硅块。得到的块按照它们的电阻率分类。在步骤915中对分类的MG硅块进行铸造。使熔体凝固成原块，在步骤920中加工，切成铸锭，并切片成例如350微米厚的晶片。此外，还对每个晶片进行蚀刻以去除切割损伤并清洗和制备用于进一步加工的晶片的表面。此外，在该步骤中还可以进行织构化蚀刻(texture etch)以使每个晶片的正面织构化。在步骤925中，用PECVD室来形成本征非晶硅薄层i-a-Si:H以钝化MG-Si基板的正面。在步骤930中，用PECVD室在钝化层上形成 η-型层n-a-Si :Η。此时，已经产生了“SmartSi ”或"SmartSilicon ”晶片935，使得能够在世界上无论何处用很少的投资、较少量的简单机械和极少的技术知识实际上形成PV太阳能电池工业。也就是说，如同能够被理解的那样，为了将SmartSi晶片转换为太阳能电池所需要的一切是制造正面和背面的接触。这采用现有的丝网印刷或印刷技术能够容易地进行。此外，如标注所示，可以执行PECVD的另一个步骤930'以在基板的背面形成ρ-型层 935'，以便改进对随后的导电层的接触。
图9B说明可用于将SmartSi晶片转换为SmartSi PV太阳能电池的工艺的一个实施例。如上所述，所需要的是在SmartSi基板的背面和正面中形成接触。至于正面，一种方法是形成导电的金属网格。通常的方法是设计具有散布到电池表面每个部分的许多薄的导电触头的网格。网格的触头必须足够宽以良好导电(具有低电阻)，但要足够窄以免阻断大量入射光。这种网格保持低的电阻损耗，同时仅遮蔽电池表面的约3%到5%。顶面网格可以由例如铝、银或钼金属构成，通过在电池上经掩模沉积金属蒸气、通过网印刷法在电池上涂抹它们，或者用提供最高的性能但成本最高的光刻法。可替代金属网格接触的是透明的导电氧化物(TCO)层，例如氧化锡(SnO2)或通常被称为ITO的氧化铟锡。TCO的优点在于它们对入射光几乎是不可见的，并且它们形成从半导体材料到外部电路的良好桥接。图9B中所示的实施方式利用TCO作为对电池正面的接触。在步骤940中，利用PVD工艺形成TCO层。在步骤945中采用丝网、印刷等在正面上利用例如微量描绘的金属糊将正面接触金属化。在步骤950中，采用丝网、印刷等利用在背面上描绘的例如金属糊(例如，银糊)或者通过在基板的背面上溅射铝或其它金属使背面接触金属化以形成集电极。当用糊将正面接触金属化时，如步骤955所示，为了形成良好的欧姆接触烧结该晶片是合乎需要的。然后根据转换效率将晶片分类，以便产生SmartSi PV电池 960。在上述所有实施方式中，在形成任何层之前，可以通过例如在碱性溶液如氢氧化钾溶液使MG Si基板蚀刻而使得其一个或两个面被织构化。然后可以冲洗该基板，并通过例如加热该基板使其干燥。此外，可以用氢气的等离子体放电来减少基板表面上的碳量。可以在PECVD室中采用与氢气(H2)混合的硅烷气(SiH4)来形成本征非晶硅薄膜层。可以在 PECVD室中采用硅烷、氢气和磷化氢气体(PH3)来形成η-型非晶硅薄层。可以在PECVD室中采用硅烷、氢气和硼乙烷气体(B2H6)来形成ρ-型非晶硅薄层。图10说明根据本发明的实施方式制造的完整的太阳能电池。在冶金级硅基板 1000上形成太阳能电池，该基板在本实施例中是掺杂的P-型。然后在顶面形成本征非晶硅层1005，随后形成η-型非晶硅层1010。在η-型层上形成TCO层1020，并且在TCO上形成接触例如银接触1025以形成良好的欧姆接触。可以用例如铝形成背接触。此时电池完成并可供使用；然而，为了使它免受元素影响，进行下列进一步的加工。正面受到任选的树脂膜层1015的保护，例如乙烯-乙酸乙烯共聚物，随后是玻璃1045。背面也可以用树脂膜 1035、随后玻璃或其它保护层1040来保护。如图9Α和9Β所示，可以用上面讨论的实施方式来制造SmartSi晶片，可以将晶片进一步加工以制造SmartSi太阳能电池。根据本发明的另一个方面，为了提高光伏转换效率，可以进一步加工SmartSi太阳能电池来制造具有多个带隙的多结SmartSi太阳能电池。在图IlA中说明多结SmartSi太阳能电池的一个实施方式。在图IlA中，冶金级硅基板1100是掺杂的ρ-型。该ρ-型基板的顶面被本征非晶硅薄层1105钝化，该非晶硅具有分散其中并占据硅悬挂键的氢原子。这有时被称为氢化硅。如上述SmartSi太阳能电池实施方式中所示，在本征层1105上形成η-型非晶氢化硅的薄层1110，从而形成第一 p-i-n结。 本征和η-型层1105和1110比典型的常规薄膜太阳电池的薄膜层相对薄得多，在本实施方式中，第一薄膜结构不必起光吸收体的作用，而是在冶金硅基板中吸收光。为了提高SmartSi太阳能电池的转换效率，现在在SmartSi太阳能电池的上面形成常规的薄膜太阳电池p-i-n结构。首先，在SmartSi太阳能电池上形成薄膜ρ-型非晶氢化硅层1120。然后在ρ-型层1120上形成薄膜本征非晶氢化硅层1125，并在该本征层1125 上形成薄膜η-型非晶氢化硅层1130。本征层1125起另一光吸收体的作用并产生电子空穴对，从而将光转换为电能。为了收集电能，在η-型层1130上形成顶透明电极ITO 1135，然后在ITO 1135上形成金属接触1140。这里金属接触1140由银制成，例如采用银糊，然后烧结该结构以形成良好的欧姆接触。另外，在基板1100的底部形成金属电极1145。这里接触 1145用铝制成。图IlB说明类似的多结结构，除了将层的极性颠倒。图12 Α和12Β说明具有扩散结的多结SmartSi太阳能电池的实施方式。图12Α和 12Β的实施方式基本上相同，除了将层的极性颠倒。因此，仅对它们中的一种即图12Α的实施方式进行描述。在图12Α中，根据如上所述的实施方式制造冶金硅基板1200，并且其是掺杂的η-型。然后，使基板的顶层扩散以形成P-型扩散层1260。这在冶金硅基板中形成 ρ-η结并提供太阳能电池的转换区域，类似于标准的硅基太阳能电池。然后在扩散的P-型层上形成本征非晶氢化硅的薄钝化层1205。在该本征层1205上形成η-型非晶氢化硅层 1215，以致层1215、1205和1260形成具有不同于基板1200内p-η结的带隙的p-i-n结，因此以不同的频率吸收光。然后通过形成P-型非晶氢化硅层1220、本征非晶氢化硅层1225 和η-型非晶氢化硅层1230在层1215上形成常规的薄膜p-i_n结。在该结构中，当本征层 1225起光吸收体的作用时，它具有远高于本征层1205的厚度。此外，该薄膜p-i-n结构具有与其下的结构不同的带隙，因此以不同的频率吸收光。因此，通过仔细地选择层的厚度， 人们能够“调整”该结构以在宽的频率范围吸收光。图13A和13B说明两面夹在本征Si/掺杂的Si :H薄膜之间的冶金硅基板的对称配置的实施方式。图13A和13B是彼此的对映体，除了将层的极性颠倒。因此仅解释图13A。 在图13A中，ρ-型冶金硅基板700具有作为钝化层而不是吸收体的上本征层705和下本征层730。然后在本征层705上形成η-型非晶氢化硅的薄层710，并在本征层730上形成另一个η-型层735。然后如相对于其它实施方式所描述的，形成接触720和725。图14Α说明根据本发明的实施方式替代的冶金硅晶片的制备。在步骤1400Α，将冶金硅颗粒或粉末在模具中熔融，并使之凝固成原块。所述原块可以是正方形的片，测定为例如一平方米，厚度为约25厘米。在该工艺中，可以在水平方向上控制冷却速度和温度梯度， 以使得杂质移动到原块的外周表面。此外，还可以在加热器内将模具沿垂直方向降低，以使得杂质集中在原块的顶面。任选地，将凝固的原块重熔，然后分沿截面凝固，以便将杂质移到圆柱体的一侧。在步骤1405Α，将凝固的原块锯切成数个具有所希望的圆柱体形状(正方形或准正方形截面)的铸锭(例如16个铸锭)。在步骤1410Α，将每个铸锭锯切成晶片。 在步骤1415Α，根据需要将每个晶片进行抛光和清洗。在步骤1420Α，利用例如PVD工艺，将铝层沉积在每个晶片的背面。可以在高温，例如200°C 400°C，将铝溅射到晶片上。在步骤1425A，利用例如PECVD工艺，将H: SiN层沉积在每个晶片的正面。该步骤可以在高温例如200°C 400°C下完成。在步骤1430A，在例如400°C 700°C对晶片进行退火。在该步骤中，将大量的氢进入晶片中，并且铝层确保将氢捕获在晶片中。在步骤1435A，利用例如湿蚀刻去除H:SiN层，并且在步骤1440，也利用例如湿蚀刻去除Al层。图14B说明根据本发明的实施方式的替代的冶金硅晶片的制备。在步骤1400B，将冶金硅颗粒或粉末在模具中熔融，并使之凝固成原块。所述原块可以是正方形的片，测定为例如一平方米，厚度为约25厘米。在该工艺中，可以在水平方向上控制冷却速度和温度梯度，以使得杂质移动到原块的外周表面。此外，还可以在加热器内将模具沿垂直方向降低， 以使得熔体由底部向上凝固，并由此使杂质集中在原块的顶面。即，杂质优先集中在熔体而不是固体。所以，当将模具降低并且底部开始凝固时，杂质倾向于留在液体中，由此使得原块的底部具有较少的杂质。此外，硼与原块的凝固快于磷，这使得原块的底部趋于P型，而其上部为η型。任选地，将凝固的原块重熔，然后分部分凝固，以便将杂质移到圆柱体的一侧。在步骤1405Β，将凝固的原块锯切成数个具有希望的圆柱体形状(正方形或准正方形截面)的铸锭(例如16个铸锭)。在步骤1410Β中，将每个铸锭锯切成晶片。 在步骤1415Β中，在每个晶片上进行切割损伤去除蚀刻。可以利用例如Κ0Η、ΗΝΑ等进行切割损伤去除蚀刻。例如，根据一种方法，利用HNA或KOH从晶片的每一侧去除15 30 微米。对于HNA切割损伤去除工艺，可以采用重量比为1.5 14.4 1. 9的HF HNO3 乙酸混合物。对于KOH切割损伤去除，可以采用约60°C 90°C的30 %的KOH混合物。还可以采用半导体工业的清洗步骤，例如RC-I、SPM、Piranha、稀HF及其各种组合，清洗晶片以从表面去除金属和有机材料。在任何层沉积在晶片之前，进行采用Marangoni的DI冲洗或其他干法工艺。根据一个特定的实施例，每个晶片首先通过SPM清洗去除有机材料，SPM 由硫酸和过氧化物的在约80°C 100°C的混合物构成。然后，采用约60°C 90°C的30% 的KOH混合物进行切割损伤去除。然后，在HF和HCl中去除氧化物和金属。在稀HF混合物(其中，稀HF混合物指约1 4%的HF溶液)中进行最后的疏水蚀刻。该步骤之后是 Marangoni干法步骤。根据另一个实施例，晶片首先通过SPM清洗去除有机材料，SPM由硫酸和过氧化物的在约80°C 100 V的混合物构成。然后，采用约60 V 90 V的30 %的KOH混合物进行切割损伤去除。然后，进行约10分钟的标准RCA-I (ΝΗ4Η/Η202/Η20)。之后，是在稀HF中以及随后的在RCA-2(HC1/H202/H20)中约10分钟的氧化物蚀刻。然后，在HF和HCl中去除氧化物和金属。在稀HF混合物中进行最后的疏水蚀刻。该步骤之后是Marangoni干法步骤。在步骤1420B，利用例如蒸发或PVD工艺将铝层沉积在每个晶片的背面。在一个实施例中，钛薄层是PVD，其在PVD溅射到铝层之前溅射到晶片的背面。钛层有助于铝粘附到晶片的背面。根据另一个实施方式，在溅射钛或铝之前，利用例如PECVD将与所述晶片相同型(例如，如果晶片是P型，则是P-型非晶层)的非晶层沉积到背面。可以在低于约350°C 例如200°C 350°C的温度下，沉积ρ-型非晶硅。在一个实施例中，对于ρ-型晶片，所得到的背面结构是背面上的P-型非晶层、P-型层上的钛层和钛层上的铝层。在步骤1425B，在晶片的正面形成牺牲层。根据一个实施例，牺牲层包括利用 PECVD工艺沉积的H:SiN层。根据另一个实施例，通过在晶片正面沉积约200~500入的非晶η+层和沉积在正面η+层上的约2000 3000Α的H: SiN层，形成牺牲层。根据一个实施例，沉积牺牲层的同时将晶片加热到约200°C 400°C。请注意，步骤1420B和1425B的顺序可以颠倒。在步骤1430B，在例如400°C 800°C将晶片退火约15分钟至1小时。在该步骤中，大量的氢进入晶片，铝层确保了将氢捕获在晶片中。此外，假定一些杂质由晶片背面转移到铝层，由此部分收到晶片中。在步骤1435B，利用例如等离子蚀刻去除牺牲层例如η+层和H:SiN层而没有干扰背面层。虽然原位等离子和远距等离子均可以采用，但在一个实施方式中，采用远距等离子以提供具有很少或没有例子轰击的“软”蚀刻。在步骤1443B，在晶片的正面上形成太阳能器件(即结)。使用该方法，在退火/氢化工艺中，背面的金属化层用于罩住晶片。在退火过程中，它还用于部分收起晶片。此外，由于退火在相对高的温度下完成，改善了与背面的得到的金属化接触，即得到了较低的串联电阻。所以，在该实施例中， 铝没有被去除，而是作为太阳能电池的最后的背面接触保留在晶片上。图15说明利用本发明的实施方式的冶金硅晶片替代地制造太阳能电池。在步骤 1500，采用湿式设备工艺清洗冶金硅晶片，例如采用图14所示的方法得到的晶片。在任选的步骤1505，对晶片的顶面进行织构化。可以采用导致在晶界或特定的晶体取向(例如原子密度较低的方向，例如(100)面的蚀刻比(111)或(211)快)的择优侵蚀的工艺，通过湿式或 干式蚀刻完成织构化。相应地，会有小面晶粒，其表面主要是(111)和凹陷晶界。该结果是较低的表面反射率，导致更多的入射光被吸收而在冶金硅内产生电子-空穴对。这可以通过正面反复的氧化然后是每个氧化步骤之后的天然氧化物的反复蚀刻来完成。该工艺会在晶界导致择优侵蚀，使得表面织构化。表面的织构化有助于内部光反射以增强太阳能电池的光吸收率。为了改善下一个沉积层的覆盖范围并避免刺穿下一层，任选的织构化步骤之后可以是软蚀刻，以去除由织构化导致的尖锐边缘。在步骤1515，利用例如PECVD工艺在正面沉积本征硅层。如果需要，在步骤1510可以进行预处理过程，以在沉积i_层之前去除任何天然氧化物。在步骤1520，采用例如PECVD工艺将η-层沉积在i_层上。在步骤 1525，采用例如PVD工艺将TCO层例如ΙΤ0)沉积在η-层上。在步骤1530，采用例如PVD工艺沉积后接触层。在步骤1535，采用例如印刷工艺在TCO层上形成前接触层。图16Α 16F说明根据本发明的实施方式对基板表面进行织构化和预处理的方法。图16Α 16Ε是基板的放大部分的截面，其表示在基板顶面的晶粒，而图16F是完成织构化和预处理之后的顶面的俯视图。图16Α说明织构化步骤之前基板顶面的截面。这可以是在例如图14的步骤1440之后。然后，采用例如湿蚀刻步骤使基板织构化。下面的工艺可以作为采用湿蚀刻进行织构化的例子将基板浸入HF+(硝酸)HNO3溶液；冲洗基板；将基板浸入KOH或NaOH溶液；冲洗基板；将基板浸入HF+HC1溶液；冲洗基板；干燥基板。经过该湿法工艺，顶面变得更加粗糙，其具有较尖锐的峰和较深的谷，这部分是由于晶界的择优侵蚀。该状态在图16Β的截面进行说明。然后，基板可以经过光蚀刻处理，例如干蚀刻，以去除表面的尖峰。结果示于图16C。然后，在表面上沉积SiO2或Si的薄层。如图16D所示， 深谷自然会被优先沉积，这使得深谷被SiO2K覆盖。然后，基板经过另一个蚀刻过程，以去除沉积的SiO2或Si。但是如图16Ε所示，沉积的SiO2或Si保留在晶粒界面。图16F的俯视图显示了这种状态。SG基板的大多数晶粒具有211取向。所以，采用上述工艺基本上消除了晶界，得到了实质上的2-维“不连续”晶体，所述晶体由具有实质上相同取向的晶粒构成，并且晶界的缺陷被经过蚀刻处理后残留的SiO2层所“掩盖”或抑制。图17Α 17Ε说明根据本发明的实施方式对基板表面进行织构化和预处理的替代的方法。该方法有助于抵消多晶粒基板的晶粒界面的缺陷的影响。当使用冶金级硅作为器件(例如太阳能电池或LED)用基板时，该工艺特别有效。图17A 17D是基板的放大部分的截面，其表示在基板顶面的晶粒，而图17E是完成织构化和预处理之后的顶面的俯视图。图17A说明织构化步骤之前基板顶面的截面。这可以是在例如图14的步骤1440之后。然后，采用例如湿蚀刻步骤使基板织构化。下面的工艺可以作为采用湿蚀刻进行织构化的例子将基板浸入HF+(硝酸)HNO3溶液；冲洗基板； 将基板浸入KOH或NaOH溶液；冲洗基板；将基板浸入HF+HC1溶液；冲洗基板；干燥基板。经过该湿法工艺，顶面变得更加粗糙，其具有较尖锐的峰和较深的谷，这部分是由于晶界的择优侵蚀。该状态在图17B的截面进行说明。然后，在表面上沉积SiO2或Si的薄层。如图 17C所示，深谷自然会被优先沉积，这使得深谷被SiO2或Si所覆盖。然后，基板经过蚀刻过程，以去除沉积的SiO2或Si。该蚀刻处理，例如干蚀刻，去除了大多数表面的沉积层，并且去除了表面晶粒的一些尖峰。但是如图17D所示，沉积的5102或51保留在晶粒界面的深谷中。图17E的俯视图显示了这种状态。SG基板的大多数晶粒具有(211)取向。所以，采用上述工艺基本上消除了晶界，得到了实质上的2-维“不连续”晶体，所述晶体由具有实质上相同取向的晶粒构成，并且晶界的缺陷被经过蚀刻处理后残留的SiO2层所“掩盖”或抑制。 应理解本文所述的工艺和技术不是固有地与任何装置相关，并且可以通过任何适合的组件的组合来实施。此外，根据本文所述的教导可以采用各种类型的通用设备。还可以证明构建执行本文所述的方法步骤的专用装置是有利的。已经相对于具体的实施例描述了本发明，从所有的方面意图是说明性的而非限制性的。本领域技术人员将理解硬件、软件和固件的许多不同组合将适于实施本发明。已经相对于特别的实施例描述了本发明，从所有的方面意图是说明性的而非限制性的。本领域技术人员将理解硬件、软件和固件的许多不同组合将适于实施本发明。此外， 对于本领域技术人员，考虑了本文公开的本发明的说明和实施，本发明的其它实施将是显而易见的。意图将说明书和实施例仅当作是示例性的，通过下列权利要求表明本发明的真实范围和实质。
权利要求
1.一种利用冶金级硅制备基板的方法，包括 获得由冶金级硅构成的晶片；在所述晶片上进行预蚀刻； 在所述晶片的正面上沉积牺牲层； 在所述晶片的背面上沉积金属化层； 在高温下所述对晶片进行退火；以及去除牺牲层而没有干扰所述金属化层。
2.根据权利要求1的方法，其中，进行预蚀刻包括从晶片的每侧去除15 30微米。
3.根据权利要求2的方法，其中，进行预蚀刻包括在HNA或KOH溶液中蚀刻所述晶片。
4.根据权利要求3的方法，其中，进行预蚀刻进一步包括进行去除有机材料蚀刻和去除金属蚀刻。
5.根据权利要求3的方法，其中，进行预蚀刻进一步包括在硫酸和过氧化物的溶液中进行蚀刻、在HF和HCl的溶液中进行蚀刻以及在稀HF溶液中进行蚀刻。
6.根据权利要求1的方法，其中，沉积牺牲层包括在晶片的正面上沉积氮化硅的氢化层。
7.根据权利要求6的方法，其中，沉积牺牲层进一步包括在沉积氮化硅层之前将 η-型非晶硅层直接沉积在所述晶片的正面上，以及将所述氮化硅层直接沉积在所述η-型非晶娃层上。
8.根据权利要求5的方法，其中，沉积牺牲层进一步包括在沉积氮化硅层之前将 η-型非晶硅层直接沉积在所述晶片的正面上，以及将氮化硅层直接沉积在所述η-型非晶硅层上。
9.根据权利要求7的方法，其中，将晶片掺杂为ρ-型，并且在背面沉积金属化层包括 将P-型非晶硅层直接沉积在所述晶片的背面上、将钛层沉积在所述P-型非晶硅上以及将铝层沉积在所述钛层上。
10.根据权利要求8的方法，其中，去除牺牲层包括等离子干蚀刻所述正面以完全去除所述牺牲层。
11.根据权利要求10的方法，其中，等离子干蚀刻包括利用远距等离子源进行所述蚀刻。
12.根据权利要求11的方法，其中，将所述晶片掺杂为P-型，并且进一步包括将η-型非晶硅层沉积在所述晶片的正面上。
13.根据权利要求12的方法，进一步包括在沉积η-型非晶硅层之前将本征非晶硅层直接沉积在所述晶片的正面上，以及将η-型非晶硅层直接沉积在所述本征非晶硅层上。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括在η-型非晶硅层上直接沉积ΙΤ0。
15.根据权利要求14的方法，进一步包括在ITO上直接形成接触栅。
16.一种利用冶金级硅制备太阳能电池用基板的方法，其包括 获得由冶金级硅构成的晶片；在所述晶片上进行去除切割损伤蚀刻； 在所述晶片上进行清洗蚀刻； 在所述晶片的正面上沉积氢化的牺牲层；在第一高温下在所述晶片的背面上沉积金属化层； 在高于第一高温的第二高温下对所述晶片进行退火；以及去除所述氢化的牺牲层而没有干扰所述金属化层。
17.根据权利要求16的方法，其中，所述第一高温选自于200°C 400°C，并且第二高温选自于400°C 700°C。
18.根据权利要求17的方法，其中，沉积氢化的牺牲层包括在选自于200°C 400°C的温度下沉积氢化的氮化硅层。
19.根据权利要求16的方法，其中，将晶片掺杂为ρ-型，并且在背面上沉积金属化层包括将P-型非晶硅层直接沉积在所述晶片的背面上、将钛层沉积在所述P-型非晶硅上以及在第一高温下将铝层沉积在所述钛层上。
20.根据权利要求19的方法，其中，在低于约350°C的温度下沉积P-型非晶硅。
全文摘要
本发明公开了一种低成本太阳能电池和制造低成本太阳能电池用基板的方法。所述太阳能电池基本通过如下步骤来制备蚀刻多个冶金级晶片；在每个晶片的背面上沉积铝层；在每个晶片的正面上沉积氢化的氮化硅层；在高温下对所述晶片进行退火；去除氢化的氮化硅层而没有干扰所述铝层。然后在所述晶片的正面上制造太阳能电池，同时所述铝仍作为电池的背接触。
文档编号H01L31/20GK102386285SQ20111025342
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者阿肖克·辛哈, 马雯 申请人:森普雷姆有限公司