用于形成光伏电池的方法和根据该方法形成的光伏电池与流程

本发明涉及用于形成光伏电池的方法和根据该方法形成的光伏电池。

背景技术：

太阳能电池吸收来自太阳的入射光子的能量以产生电力。吸收的光子提供能量以在太阳能电池中产生电子-空穴对，其由电场朝向相应电触头驱动。前后电触头允许收集电子和空穴，从而从太阳能电池提取电流。

市售的太阳能电池通常具有图案化的前触头。通常，前触头配置为横跨太阳能电池的前表面的多个导电指状物，以及从所述指状物收集载流子并连接到外部电路的外围母线。前触头图案通常设计为仅占据电池的前表面的一个小区域，以使遮蔽损耗最小化。

前触头图案通常使用“丝网印刷步骤”来实现。根据应用，电池后触头也可通过丝网印刷来实现并且也可以是图案化的。

丝网印刷包括迫使金属浆料穿过具有预制图案的丝网印刷掩模的孔。金属浆料通常是银基浆料。该银基浆料提供良好的丝网印刷性能，特别是对于许多商业太阳能电池的前触头来说。然而，硅价格的持续下降和银的高成本已使得丝网印刷步骤成为当前太阳能电池装置的最终成本的主要贡献者。

不太昂贵的材料，例如铜，可用于实现太阳能电池的电触头。然而，铜已被证明不适合于丝网印刷，并且太阳能电池的制造商已经研究了将铜触头应用到其装置的新方法。

实现用于太阳能电池的电触头的替代方法是可用的，并且它们的性能已经在实验室环境中被证明。然而，这些方法通常需要处理步骤，其与在高容量太阳能电池生产环境中典型的低成本和高生产量要求是不相容的。这些方法中的大多数需要对准步骤和掩模步骤以执行光刻并产生开口来形成触头。这些步骤允许在装置的表面上产生精确的高分辨率图案。该图案可在牺牲层中产生，并且图案的开口可用于沉积金属材料，例如铜。根据实现图案所需的分辨率，使用具有不同性质的光致抗蚀剂材料。通常，高分辨率光致抗蚀剂比具有较低分辨率的光致抗蚀剂更昂贵。

传统的光刻不是用于大量制造太阳能电池的可行方法，因为它需要掩模的精确对准和感光材料(光致抗蚀剂)的纺丝。对准步骤可能是复杂和耗时的。期望的是具有一种图案化技术，其提供实现太阳能电池的电触头所需的精度，并且不涉及掩模步骤。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明提供了用于形成光伏器件的触头的方法，所述方法包括以下步骤：

将聚合物层沉积到所述光伏器件的表面上；

将所述聚合物层的一个区域曝光于激光中；

显影所述聚合物层以在所述聚合物层中产生用于进入所述表面的相应部分的至少一个开口；

以这样的方式将导电材料沉积到所述聚合物层的至少一个开口中：使得所述导电材料电接触所述表面的相应部分；以及

从所述表面除去所述剩余的显影聚合物层的至少一部分。

在一个实施方式中，聚合物层在激光的影响下部分地熔化。熔化部分的一些物理性质改变，使得可在显影溶液中去除熔化部分。可替代地，聚合物层最初可溶于显影溶液中，并且该熔化部分可变得耐显影剂。

有利地，聚合物层可包括光致抗蚀剂材料，使得该层可使用商业显影溶液来显影。

在一个实施方式中，沉积聚合物层的步骤包括将可喷涂聚合物材料喷涂到表面上。聚合物材料可以是正性光致抗蚀剂材料，并且表面的至少一部分可位于光致抗蚀剂材料的曝光区域下方。聚合物层可包括KONTACT CHEMIE POSITIV 20光致抗蚀剂或ELECTROLUBE PRP正性光致抗蚀剂。

在一个实施方式中，沉积聚合物层的步骤包括将可纺的聚合物材料纺丝到表面上或将干膜聚合物材料施涂到表面上。该步骤可重复多次。

在一个实施方式中，该方法还包括在沉积聚合物层之后热处理聚合物层的步骤。热处理聚合物层可包括在20℃-100℃的温度下烘烤聚合物层一段时间，例如5分钟-60分钟。

沉积聚合物层可包括沉积多个聚合物层的叠层并对每个沉积的聚合物层进行相应的热处理。

在一个实施方式中，热处理聚合物层包括使用直通炉或热干燥气体来烘烤光致抗蚀剂。在可替代的实施方式中，可使用热板烘烤光致抗蚀剂。

在一个实施方式中，将聚合物层的一个区域曝光于激光中的步骤包括移动激光穿过该区域以逐渐地将该区域曝光于激光中。

可替代地，光伏器件可定位在可移动台例如可移动带上，并且将聚合物层的一个区域曝光于激光中的步骤可包括相对于激光移动该可移动带。

激光可包括多个激光束。多个激光束可由多个激光源产生。使用一个或多个分束器分割一个或多个激光束也可产生多个激光束。

在一个实施方式中，激光通过聚合物层到达表面的一部分，并影响表面的该部分的性质。表面的该部分可在激光的影响下部分地熔化。

在实施方式中，激光具有蓝光波长和/或紫外线波长范围中的波长。激光可具有400nm-410nm的波长。

到达聚合物层的区域的激光的光功率可在0.1mW和1W之间。

在一个实施方式中，显影聚合物层的步骤包括将聚合物层暴露于含0.4％-2.0％的NaOH的化学溶液中。聚合物层可暴露于化学溶液中的时间段为30秒-10分钟。

在一个实施方式中，所述方法还包括将所述表面的一部分暴露于含氢氟酸的化学溶液的步骤。在一个实施方式中，该方法还包括等离子体蚀刻该表面的部分的步骤。

在实施方式中，将第一导电材料沉积到聚合物层的开口中的步骤包括通过电化学电镀或化学镀将第一导电材料沉积到表面的该部分上。第一导电材料可包括铜或镍。

在实施方式中，该方法还包括在沉积第一导电材料之前将导电层沉积到表面的该部分上，以促进第一导电材料粘附到表面的该部分上。

在其它实施方式中，该方法还包括在沉积第一导电材料之前化学处理表面的该部分，以促进第一导电材料粘附到该表面的该部分上。

在一个实施方式中，该方法还包括在从表面去除聚合物层之前或之后将第二导电材料沉积到光伏器件的表面上，以这样的方式使得第二导电材料至少部分地围绕第一导电材料。沉积第二导电材料的步骤可包括锡的电化学电镀或锡的化学镀。

在一个实施方式中，从表面去除聚合物层的步骤包括将聚合物层暴露于含丙酮、1-甲基-2-吡咯烷酮、松脂或NaOH的化学溶液中。

根据第二方面，本发明提供了一种用于形成光伏器件的方法，所述方法包括以下步骤：

提供非本征硅衬底；

在硅衬底的表面上沉积本征硅层；

在本征硅层的至少一部分上沉积非本征硅层；

在所沉积的非本征硅层的至少一部分上沉积透明导电氧化物层；以及

使用根据第一方面的方法在所述透明导电氧化物层上形成图案化金属电触头。

根据第三方面，本发明提供了一种光伏器件，包括：

非本征硅衬底；

本征硅层，其与所述硅衬底表面的至少一部分接触；

非本征硅层，其与本征硅层的至少一部分接触；

透明导电氧化物层，其与所述非本征硅层的至少一部分接触；以及

图案化金属触头，其与根据本发明的第一方面形成的透明导电氧化物层电接触。

根据第四方面，本发明提供了一种光伏器件，包括：

非本征硅衬底；

薄氧化物层，其与所述硅衬底表面的至少一部分接触，由此所述薄氧化物本身是隧道触头；

非本征硅层，其与所述薄氧化物层的至少一部分接触；

透明导电氧化物层，其与所述非本征硅层的至少一部分接触；以及

图案化金属触头，其与根据第一方面形成的透明导电氧化物层电接触。

本发明的有利实施方式提供了一种用于形成光伏器件的触头的方法，其允许在光伏器件的表面产生图案化金属触头，避免了丝网印刷步骤。这些实施方式提供了通常由常规光刻技术提供的一些益处，但不必使用光刻掩模。这些实施方式使用激光来曝光施加到光伏器件的表面上的光致抗蚀剂层。激光与可喷涂光致抗蚀剂结合使用，可喷涂光致抗蚀剂通常比传统上在光刻工艺中使用的传统光致抗蚀剂便宜。这使得这些实施方式的方法更适合于光伏器件的大批量生产。

该方法的实施方式的优点是实现的图案分辨率与在曝光下熔化的光致抗蚀剂材料的一部分的尺寸有关，而与所使用的光致抗蚀剂的常规“分辨率等级”无关。这允许使用更便宜的较低分辨率的光致抗蚀剂获得较高的分辨率。例如，使用具有200μm分辨率的光致抗蚀剂可获得40μm-50μm的分辨率。

附图说明

参考附图，仅通过示例，本发明的特征和优点将由于以下对其实施方式的描述中而变得显而易见，其中：

图1-7是根据本发明的实施方式在触头形成工艺的不同阶段的光伏器件的示意图；

图8是概述根据本发明的实施方式用于在光伏器件上形成触头的处理步骤的流程图；以及

图9是用于实施图8的一些步骤的装置的示意图。

具体实施方式

现在参考图1，示出了光伏器件100的处理步骤。图1的光伏器件100在这个阶段既没有前触头也没有后触头。

器件100包括n型掺杂硅衬底102、设置在硅衬底102的表面上的本征硅层104和设置在本征硅层104的一部分上的p型硅层106。此外，器件100具有设置在p型硅层106的一部分上的透明导电氧化物108层。

器件100可能是双面光伏器件，并且器件100的顶侧结构在器件100的底侧重复。在底侧，器件具有本征硅层110、n型硅层112和透明导电氧化物114层。

用于形成本文所述的光伏器件的触头的方法可用于例如在前透明导电氧化物108或后透明导电氧化物114的表面部分形成器件100的触头。

根据实施方式，例如，将聚合物层沉积到透明导电氧化物108的表面部分上可在前透明导电氧化物层108的表面部分形成触头。然后将聚合物层的一个区域曝光于激光中。通过选择曝光区域，可根据图案形成触头。例如，触头可形成为包括多个指状物的图案，多个指状物设计为优化从器件100提取电荷载流子，同时使前表面处的遮蔽损失最小化。取决于是否使用正性或负性光致抗蚀剂，可将要形成触头的区域曝光，或者可替代地可将邻近区域曝光。

激光熔化聚合物层的一部分，并改变在这些部分的层的一些物理性质。例如，熔化部分可变得可溶于显影溶液中，或耐显影溶液。通过显影聚合物层，可对应于所述层的曝光部分或对应于曝光部分的反面在所述层中产生开口的图案。

在本文所述的实施方式中，聚合物层包括正性光致抗蚀剂层，因此可使用商业显影溶液和技术来显影所述层的曝光部分。开口在金属指状物将定位的位置处形成。

然后将形成触头的导电材料沉积到光致抗蚀剂层的开口中，使得导电材料与表面的该部分电接触。然后从表面去除光致抗蚀剂层的剩余部分，仅留下图案化的触头。

在图1中示出了设置在前透明导电氧化物层108的表面部分的可喷涂光致抗蚀剂层116。在所示的实施方式中，使用喷涂沉积技术来沉积光致抗蚀剂层116。与常规的光致抗蚀剂沉积方法相反，该喷涂沉积能够快速地沉积均匀的光致抗蚀剂层，均匀性程度满足太阳能电池应用。此外，该喷涂沉积提高了使用光致抗蚀剂的效率，因为它使得光致抗蚀剂的浪费最小化。在本实施例中，可喷涂光致抗蚀剂层116是ELECTROLUBE PRP，其是正性光致抗蚀剂材料。这是市售的光致抗蚀剂材料。光致抗蚀剂的成本是使得传统光刻技术不利于应用在光伏器件的大规模生产中的因素之一。传统的光刻法从未在大批量生产线中采用。然而，发明人已经发现，使用喷涂材料，例如ELECTROLUBE PRP正性光致抗蚀剂材料减轻了在光伏工业中通常与使用光致抗蚀剂相关的一些缺点。

取决于透明导电氧化物108的表面的形态，可能需要ELECTROLUBE PRP正性光致抗蚀剂材料的一个或多个喷涂步骤。对于较平的表面通常需要较少数量的步骤。纹理表面通常需要更多的喷涂步骤。

在喷涂沉积之后，对光致抗蚀剂层进行热处理以使溶剂蒸发。在所述实施方式中，器件100在约50℃在烘箱中烘烤约20分钟。烘烤过程的温度和持续时间可以变化。例如，在生产环境中，器件100可设置在直通炉的带上，并在较低温度下加热较长时间段或使用热干燥气体加热。

在烘烤光致抗蚀剂层116之后，将光致抗蚀剂层116的一个区域曝光于激光中，以局部改变光致抗蚀剂材料的化学性质。

参考图2，示出了用于曝光光致抗蚀剂层116的一个区域的三个单独的激光源202。可替代地，可使用单个且更强大的激光源，并且可使用合适的分束器来分离所产生的激光束。使用合适的光学部件将激光聚焦到光致抗蚀剂层116上。

激光源202可相对于器件100移动以将该区域曝光于激光中。附加地或可替代地，器件100可安装到可移动台上，例如可移动带，并且可相对于激光移动。

在生产环境中，多个器件将可能在带上缓慢移动，并且多个激光源将定位在器件附近，并且可能相对于器件移动，以将光致抗蚀剂的区域曝光于激光中。

在一些情况下，激光可通过光致抗蚀剂层到达透明导电氧化物108的表面的一部分，并影响其物理性质，例如其导电性。

在曝光过程期间，光致抗蚀剂层116在激光的影响下部分地熔化。在所述的实施方式中，图案分辨率与光致抗蚀剂层的熔化部分的尺寸有关。这允许使用更便宜的较低分辨率的光致抗蚀剂来获得更高的分辨率，从而提供成本优势。例如，使用具有200μm分辨率的光致抗蚀剂可获得40μm-50μm的分辨率。

在所述实施方式中，用于曝光ELECTROLUBE PRP正性光致抗蚀剂材料的激光源202的激光具有405nm的波长和1mW的光功率。在替代的实施方式中可使用不同的波长和光功率，这取决于曝光时间和其它处理参数。

使用激光来曝光正性光致抗蚀剂是无掩模工艺，这与需要昂贵的光掩模和掩模对准器的传统光刻方法相反。通过简单地穿过光致抗蚀剂扫描激光而直接曝光该光致抗蚀剂的能力可导致适于大规模生产光伏器件的高生产量。

当激光聚焦到几微米到几十微米量级的光点尺寸时，入射到光致抗蚀剂上的激光强度足够高，使得曝光周期可以很短。因此，可使用适于制造的快速激光速度。此外，当激光聚焦时，激光器的光学输出可在0.1mW到几百mW的范围内，从而无需使用具有复杂冷却系统的大型昂贵激光器。因此，执行激光曝光工艺的制造工具可相对便宜和简单，这是大批量商业生产所需要的。相比之下，用于制造激光掺杂选择性发射极光伏结构的商业激光工具具有数十瓦量级的光功率输出，并且需要复杂的冷却系统，这使得它们相对昂贵。

光致抗蚀剂材料在制造过程中是可消耗材料。因此，为了使涉及光致抗蚀剂材料的光伏工艺商业化，必须包含光致抗蚀剂材料的成本，光致抗蚀剂必须适于快速和容易地施加和去除，几乎没有材料浪费并且有良好的产率。Electrolube PRP和Kontakt Chemie Positiv 20喷涂正性光致抗蚀剂符合这些标准。相比之下，传统的光致抗蚀剂进行纺丝，由于许多光致抗蚀剂从表面剥离而导致高浪费。传统的光致抗蚀剂也更昂贵，需要大量来完全覆盖大的表面，并且由于大量的晶片破损而可能导致低产率。

将低成本喷涂正性光致抗蚀剂与使用低功率快速移动激光的直接曝光组合为传统光伏光刻技术提供了可替代的商业解决方案。

图3示出了已经曝光于激光束202的光致抗蚀剂层116的区域302。区域302处的光致抗蚀剂层116的化学成分已经被激光改变，并且在区域302处曝光的ELECTROLUBE PRP正性光致抗蚀剂材料可使用包含0.7wt％NaOH的化学溶液来显影。将光致抗蚀剂层116暴露于显影溶液中约5分钟。

显影工艺的结果显示在图4中，其示出了光致抗蚀剂层116中的开口402。为了产生电接触，可将导电材料沉积到开口402中。

现在参考图5，示出了在光致抗蚀剂层116的开口402中的第一导电材料。第一导电材料以铜指状物502的形式提供。该铜指状物502通过电化学电镀方法沉积。这可例如通过正向偏置太阳能电池来实现。通过正向偏置光伏器件，电子将通过该器件被驱动到p型侧108上的透明导电氧化物，并且因此能够与电镀溶液中的金属离子反应以形成电镀金属触头。

图1-7示出了用于在光伏器件的p型侧上形成图案化金属触头的方法；然而，该方法也可应用于光伏器件的n型侧。在将该方法应用于光伏器件的n型侧的情况下，也可通过电化学电镀通过光致抗蚀剂开口来执行铜指状物的沉积。这可例如通过光诱导电镀或偏压辅助光诱导电镀来实现。

可替代地，化学镀可沉积铜指状物502。也可使用电镀方法将其它材料(例如镍、锡或银)沉积到开口402中。

在所描述的实施方式中，在电镀铜指状物502之前执行在透明导电氧化物108的部分上沉积层的另一步骤，以促进铜与透明导电氧化物108的粘附。此外，可执行透明导电氧化物108的部分的化学处理以促进粘附。在一些情况下，该化学处理和附加层可一起使用，最终目的是改善铜的粘附。

现在参考图6，示出了在去除光致抗蚀剂层116之后的器件100。通过将光致抗蚀剂层116暴露于包含丙酮、1-甲基-2-吡咯烷酮、松脂或NaOH的化学溶液中来去除光致抗蚀剂层116。可替代地，光致抗蚀剂层116的整个剩余部分可曝光于激光或另一光源中，并以类似于显影步骤的方式去除。

在所述的实施方式中，执行另一步骤以沉积第二导电材料。第二导电材料至少部分地围绕铜指状物502。该步骤可在去除光致抗蚀剂层116之前或之后执行。

现在参考图7，示出了器件100，其中在去除光致抗蚀剂层116之后已经沉积了第二导电材料。在图7中，第二导电材料是通过将器件100的一部分暴露于化学镀锡溶液中而沉积的锡层702。可替代地，锡层702可通过电化学电镀来沉积。

图1-7示出了根据本发明的实施方式的器件100在处理步骤期间在前结光伏器件的p型侧形成前触头。器件100配置为异质结本征薄层(HIT)电池，其可能是双面光伏器件。可使用类似的方法步骤，例如在器件100的底表面形成触头，或者在金属氧化物半导体(MOS)或金属绝缘半导体(MIS)太阳能电池的正面和/或背面形成触头。还能够制造这样的光伏器件，其中根据本发明实施方式形成的触头形成在光伏器件的p型或n型侧上，另一侧具有通过传统方式例如丝网印刷、溅射或蒸发形成的触头。

图8是根据实施方式用于形成触头结构的处理步骤的流程图800。在步骤805，光致抗蚀剂层沉积到光伏器件的表面上。在步骤810，将光致抗蚀剂层的一个区域曝光于激光，以及在步骤815，显影光致抗蚀剂层以产生用于进入表面的一部分的开口。在步骤820，导电材料以这样的方式沉积到光致抗蚀剂层的开口中，使得导电材料与表面的该部分电接触。在步骤825，从该表面去除光致抗蚀剂层。

现在参考图9，示出了用于实施方法800的一些步骤的装置900的示意图。太阳能电池902通过装置900的多个台在带904上传送。装置900可表示较大的太阳能电池生产线的一部分。在区域906中，使用喷涂组件908将ELECTROLUBE PRP正性光致抗蚀剂沉积在太阳能电池902上。然后将太阳能电池902传送到区域910，在那里其暴露于激光。在这种形式的装置中，固定激光器912的阵列位于太阳能电池902的上方。当太阳能电池902在激光器下在一个方向上移动时，直线的光致抗蚀剂暴露于激光，以产生指状图案。然后将太阳能电池902移动到显影区域914，其中使用显影剂槽916进行显影。在显影之后，太阳能电池902移动到沉积台上(图9中未示出)以沉积形成指状物的金属材料，并移动到其它台上以完成制造工艺。

本发明的实施方式还可用于形成用于不同类型的太阳能电池的触头。取决于太阳能电池，可能需要方法步骤的一些变化。这些变化不偏离本发明的主要精神，其使得能够使用激光和聚合物层来掩蔽器件的表面。

在一些可替代的实施方式中，可使用干膜技术将聚合物层施施加到表面上和/或可使用热板进行烘烤。此外，可执行附加步骤以进入光伏器件的前导电表面或后导电表面。例如，一旦已经形成聚合物层中的开口，器件的表面可暴露于含有氢氟酸的化学溶液中以去除介电部分。可替代地，可使用等离子体蚀刻步骤去除这些部分。

如本文所使用的术语“包括”(及其语法变体)以“具有”或“包括”的包容意义使用，而不是“仅由...组成”的意思。

本领域技术人员将理解，在不脱离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可对具体实施方式中所示的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本实施方式在所有方面都认为是说明性的而不是限制性的。