专利名称：自对准局域深扩散发射极太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将太阳能转换为电能的太阳能电池领域。本发明尤其涉及具有前后电极的太阳能电池。
本申请要求基于1995年10月5日申请的序列号为60/004833的临时申请的优先权，名称为自对准局域深扩散发射极太阳能电池。
由使用将太阳能转变为电能的光电效应的半导体器件构成的太阳能电池长期已被熟知。典型的太阳能电池包括在衬底的一个或更多表面上提供有金属电极的半导体衬底和在表面与衬底电连接的电极。绝大多数太阳能电池设计为在半导体衬底内为响应太阳光的入射而将半导体衬底体内产生的电子和空穴分离的pn结。金属电极的特性或作为用于收集空穴的p型电极或作为用于收集电子的n型电极。在单面太阳能电池中，两种类型的电极都位于衬底的单个主表面上。在双面太阳能电池中一种类型的电极位于衬底的一个主表面上同时另一种类型的电极位于衬底的另一个主表面上。公共双面电池结构在电池的背面上提供单个的公共电极，在电池的正面上提供多个电极。该多个电极由基本上通过汇流条欧姆互连的多个金属条制成。形成金属条的已知工艺包括使用图形化掩模将铝蒸至电池表面上，将液态铝施加于电池表面并将铝和玻璃料的混合物以条形丝网印刷到电池表面。该最后一步工艺(丝网印刷)尽管方便，但有在电极内引入高电阻的缺陷，因为玻璃料是优良的电绝缘体。当玻璃料在衬底材料(一般为硅)和铝合金接触电极之间的界面处积累时该问题尤为严重。形成电极后玻璃料的实际定位依赖于所使用的工艺，该工艺一般需要满足温度一时间之间的关系以获得有效的合金而不会过度将玻璃料聚集于界面处。这种需要增加了电极形成工艺的复杂性，是不期望的。通常使用某种类型的热氧化物，例如硅氧化物中的一种，将电池上金属条之间的非接触表面钝化。
电子和空穴可以在半导体衬底的照射表面或在材料体内部复合。任何这种电子和空穴的复合都会导致太阳能电池转换效率的降低，因此是极不期望的。半导体衬底照射表面的复合既可以在金属-电极接触区中发生，也可以在不被金属电极所覆盖的区域中发生。
对减少照射半导体表面处电子空穴复合的发生已经进行了仔细的研究。对于金属接触区域，金属电极下p-n结的发射极应被重掺杂(例如，浓度约为1×1020cm-3)或中度掺杂(约为1×1019m-3)并且结在衬底内部较深(例如≥2μm)。相反，对于钝化表面下的金属电极间的非接触区域，p-n结的发射极部分应被轻掺杂(例如约为5×1018m-3)并且结在衬底内部应当相对较浅(例如约为0.2微米)。不幸的是，这两种技术在太阳能电池的照射表面附近区对掺杂的要求相互抵触。虽然可以实现这两种相反的要求，但所需的工艺昂贵并且复杂，将会导致每一个所制造的太阳能电池相当高的成本和可接受的太阳能电池有效工作时较低的成品率。例如，对高效太阳能电池，为解决这两种复合技术的抵触要求，提出了在电极接触区域之下提供第二掺杂区。虽然这种方法是有效的，但它需要两步光刻工艺，用于发射极区的两个分离的扩散条件，以及为了将电极栅格图形和深扩散结自对准而增加的额外的光刻步骤，以上这些都增加了制造工艺中的实际成本。因此，这一解决方法对许多应用来说不符合制造硅太阳能电池的低成本要求。
除了电子空穴复合现象所带来的这些问题以外，另一个影响掺杂工艺的问题包括硅表面钝化，特别是，由于所观察表面的复合速度随着表面掺杂浓度的增加而增加，因此有效的硅表面钝化需要轻掺杂p-n结。为提供有效减少了电子空穴复合的低成本太阳能电池，迄今为止所作出的努力没有获得成功。
本发明包括减少了电子空穴复合现象的太阳能电池，具有相对较高的效率，包括较低的电极电阻，可以用简化的制造工艺以低成本来制作，因而具有相当高的成品率。
以装置的观点，本发明包括一种太阳能电池，该太阳能电池包括具有第一和第二表面的半导体衬底，在第一和第二表面之一中以相对浅的深度形成的具有相对低的掺杂剂浓度的多个第一发射极区，在所述第一和第二表面之一当中形成的基本上比第一多个区域更深具有比第一多个区域更高的掺杂剂浓度的多个第二发射极区，多个第一和第二区相互交替，在所述第一和第二表面的另一个中形成用于提供表面场的掺杂剂区，形成于掺杂剂区域之上的欧姆接触，以及包含在多个第2发射极区上形成的铝的第一图形化欧姆电极层。半导体衬底最好由n型掺杂硅构成，多个第一发射极区最好用p+型掺杂剂材料形成，例如硼。多个第二发射极区最好由p+型掺杂剂材料形成，这种材料既包括纯铝又包括铝和硅的合金。掺杂剂区域最好用n+型掺杂剂材料形成，例如磷。
浅发射极区深度最好不要超过约0.2微米，掺杂剂浓度最好不要超过约5×1018cm-3。多个第二深发射极区的最小深度约为2微米，掺杂剂浓度最好不要小于约1×1019cm-3。
电池最好提供有在第一图形化欧姆电极层上有可焊接欧姆材料例如银构成的第2图形化层。钝化层最好在第一图形化欧姆接触层之间区域的第一和第二表面之一上形成。抗反射层最好在钝化层上形成。
从工艺的观点来看，本发明包括制造一种太阳能电池的方法，该太阳能电池具有自对准局域深扩散发射极，该方法包括以下步骤提供具有第1和第2表面的半导体衬底，在第一和第二表面之一中形成第一导电类型的相对浅的发射极区，在第一和第二表面的另一个中形成第2导电类型的相对浅的场区，在第一和第二表面之一上提供含铝图形化层，加热衬底在图形化层之下的衬底区中形成第一导电类型的多个相对深的发射极区，以及提供与第1和第2表面的另一个的欧姆接触。
相对浅的发射极区最好用p+型掺杂剂材料形成，而相对浅的场区最好用n+型掺杂剂材料形成。
形成相对浅的发射极区的步骤最好执行为所提供的发射极区的深度不超过约0.2微米并且掺杂剂浓度不大于约5×1018cm-3。加热衬底的步骤最好执行为所提供的发射极区的最小深度约为2微米并且掺杂剂浓度不低于约1×1019cm-3。
提供含铝图形化层的步骤可或者以纯铝或者以铝和硅的混合物来进行以控制深扩散发射极区的深度。该方法可以选择性地执行为在含铝图形化层上提供由可焊接材料例如银构成的欧姆图形化层；在第一和第二表面之一的未被图形化层所覆盖的区域上形成钝化层，以及在钝化层上形成抗反射层。
本发明提供了现有太阳能电池所不具备大量优点。在电极下所提供的深的、至少中度掺杂的发射极区以及在暴露的非接触区下提供的浅的、轻掺杂发射区可起到使太阳能电池工作时空穴和电子的复合达到最小的作用。使用未熔化的铝可形成相对较深的发射极区域，提供正接触欧姆电极材料以及提供可除去杂质和增强体寿命的吸气剂，所有这些都可在一个单一的工艺步骤中完成。与深扩散发射极区的欧姆金属接触在热处理工艺步骤中是自对准的，这样可以消除已知器件中以前所需要的任何附加的光刻步骤。未熔化的铝可消除使用铝和玻璃料的混合物的现有技术器件中所遇到的较高电阻的问题。接触电极上的可焊接材料的应用便于将多个电池互连到一起。本发明还提供了可容忍非均匀发射极的太阳能电池，因为铝电极将下面的硅掺杂成为p-型。
为了更完整地理解本发明的性质和优点，下面参照附图对本发明进行详细描述。
图1是本发明优选实施例的透视图；图2是图1实施例的底平面图；图3是示出了结的图1实施例的放大截面图；以及图4A-4F的截面图示出了制造图1实施例的步骤。
现在来看附图，图1是本发明单个太阳能电池10的透视图。从图中可以看出，该太阳能电池包括由合适的半导体材料例如掺Sb的n型硅构成的衬底12。在衬底12的顶面即前照射表面上配置的电极结构包括通过汇流条15沿一端欧姆互连的多个独立的条或指14。条14和汇流条15最好由外敷可焊接欧姆材料例如银制造。沿衬底12的底面即背面配置的是单个的背电极17(图2中详细示出)，最好由银构成。通过汇流条15和背电极17与电池10进行电连接。由合适的氧化物材料，例如二氧化硅构成的钝化层18在沿着衬底12顶表面的条14之间区域中形成。钝化层也延伸到衬底12顶表面和底表面之间区域中的周边区。
位于钝化层18顶部的是由合适的抗反射材料，例如钛氧化物构成的涂层19。银层20为了与外部电路提供更好的欧姆接触位于金属条14和汇流条15的顶部。
参考图3，太阳能电池的发射极结构包括金属电极条14下面的相对深的发射极区21和衬底12表面不被电极条14所覆盖的区域之下以及钝化层18之下相对浅的发射极区22。在优选实施例当中，发射区21、22为形成在n型衬底12中的p+区，因而沿着发射极区21，22和衬底12之间的边界形成p-n结。相对深的区21最好为用铝作为掺杂剂材料的中度掺杂(约为1018cm-3)的p型，最好从顶表面延伸的深度约为2至10微米。相对浅的发射极区22相对轻掺杂(约为5×1018cm-3)并且从衬底12的顶表面延伸的深度不超过约0.2微米。
图4A至4F示出了制造图1至3中所说的太阳能电池的工艺。参照图4A，首先提供n型硅衬底12，最好是用锑掺杂为n型的枝网(dendritic web)硅。接着如图4B所示，p+和n+层分别扩散至衬底12的顶部和底部表面。p+和n+扩散层用任一已知工艺来形成，例如使用快速热处理从液体掺杂源同时进行前后扩散。p+掺杂剂最好为硼，而n+型掺杂剂最好为磷。p+层制成电池的发射极，n+层制成后表面场将欧姆接触中的空穴排斥到基底。后n+层也促进了与负接触金属电极17的欧姆接触。
接着，在图1图形的表面区上丝网印刷非熔融的铝，形成条14和汇流条15，条14一般宽100微米，间距约为1000微米。非熔融的铝可以包括纯铝，也可以包括铝/硅合金，其中的硅浓度低于形成共熔化合物所需的浓度。图4C示出了该丝网印刷步骤的结果。
接着在约750度到1000度的温度范围内对该电池进行热处理。在该关键的热处理步骤中，铝和硅(液相)合金到某一深度，该深度根据已知的铝/硅相图由通常所淀积的铝的厚度来确定。然后降低温度，用液相外延再生长硅直到达到共熔温度(577度)。用浓度约为1018m-3的铝将再生长的硅掺杂为p型。随着铝浓度超过初始硅当中的施主浓度形成了所需要的p-n结，并且共熔合金(重量比为88.7％的铝和11.3％的硅)保留在表面上作为与p型硅的接触。如果在氧气氛中进行热处理，在衬底12的前面生长厚度约100埃的二氧化硅薄层18以钝化表面，从而减少表面复合。在不存在氧气的气氛中，可独立提供钝化层。图4D示出了热处理工艺的结果。这一工艺步骤在栅格下制造了深发射极，与深扩散发射极的接触，以及暴露的发射极表面和电池侧面的氧化物钝化，知道这一点是重要的。
下面，使用例如大气压化学汽相淀积的工艺在所开发的电池的前面上施加如钛氧化物的合适的抗反射(AR)涂层19。图4E中示出了该工艺步骤的结果。
然后，丝网印刷欧姆导电金属层17并烧制到整个背面以形成底电极并且丝网印刷用如银等的可焊接材料构成的覆盖层20并烧制到前面的铝电极图形14、15的顶上。图4F示出了最终完成的电池的截面。
根据本发明的指教制造的太阳能电池提供了大量的优点。首先，电极下面的深的中度掺杂的发射极区和暴露的非接触区下面的浅的轻掺杂的发射极区结合在一起起到了在太阳能电池的使用过程中空穴和电子的复合减小到最小的作用。而且，使用非熔融的铝可形成相对深的发射极区，提供了正接触欧姆电极材料并且提供了用以除去杂质和增强体寿命的吸气剂，而所有这些优点都可以在单一的工艺步骤中完成。重要的是，与深扩散发射极区的欧姆金属接触在热处理工艺步骤中是自对准的，从而消除了现有工艺中电极对准所需要的任何附加的光刻步骤。而且，通过使用未熔化的铝，完全消除了使用铝和玻璃料的混合物的现有技术工艺中所遇到的低电阻的问题，从而简化了热处理工艺步骤。另外，铝合金接触电极14，15上的可焊接金属(例如，银层20)的应用便于将多个电池互连到一起，以获得较高的发电能力。最后，因为铝电极将下面的硅掺杂为p-型，故本发明可容忍非均匀发射极。甚至发射极可以在p型区中具有n型岛，而不会带来有害的效应。
虽然深发射极区域21边界处的p-n结可以相当深(即约2至10微米)，但由于该结只在电极14之下，可以将太阳能电池基底和接触金属分离开，因而是有益的。
当使用丝网印刷材料代替纯铝时，可以用铝/硅合金来控制合金结的深度。通常，随着这种合金中硅的浓度朝着共熔组合物增加，所印刷的铝当中可溶解的硅的数量降低。结果最终降低了结的深度。
此外，随着晶体生长过程中抑制的点缺陷在该工艺的热处理步骤中被退火，网硅中少数载流子寿命将增加。因为与铝-硅合金工艺有关的杂质吸气现象的存在，在不是枝网硅的其他形式的硅当中少数载流子寿命也将增加。在紧临相对浅的p+区22附近具有相对深的p+区21的结构提供了在栅格下具有深的中度掺杂的发射极和在钝化层18下浅的轻掺杂的发射极的优点。
以下是根据本发明的指教制造太阳能电池的一个特定的实例。在快速热处理系统中使用掺杂剂(在网条的相对侧为磷和硼)以后同时扩散10厘米长、2.5厘米宽、100微米厚的枝网硅条。将不含玻璃料的铝膏印制到网条的发射极上15微米厚并在空气气氛中在带状炉里以800℃烧制60秒。铝膏下p+扩散层的SEM相片示出的结深为2.4至5微米。所制造的太阳能电池具有单个钛氧化物抗反射涂层。测量最好的电池(面积为25cm2)的参数显示出短路电流为27.46mA/cm2，开路电压为0.586V，填充系数为.756，以及能量转换效率为12.17％。虽然该工艺没有优化到获得高效率，但对丝网印刷太阳能电池来说，0.756的填充系数相当好。
尽管上面完整地公开了本发明的优选实施例，但可以按照需要作出各种改进，替换结构及等效变换。例如，尽管本发明描述了矩形结构，也可按要求使用例如圆形的其他形状。此外，尽管指出了特定的氧化物和抗反射涂层，但也可以使用其他的抗反射物质和其他的氧化物。因此，上述描述和解释并不构成对本发明范围的限制，本发明的范围应由所附的权利要求书来限定。
权利要求
1.太阳能电池，包括具有第一和第二表面的半导体衬底；以相对较低的掺杂浓度、相对浅的深度形成于所述第一和第二表面之一中的多个第一发射极区；在所述第一和第二表面之一当中形成的基本上比第一多个区域更深具有比第一多个区域更高的掺杂剂浓度的多个第二发射极区，所述多个第一和第二区交替形成；在所述第一和第二表面的另一个中形成用于提供表面场的掺杂剂区；形成于所述掺杂剂区域之上的欧姆接触；以及包含在多个第2发射极区上形成的铝的第一图形化欧姆电极层。
2.权利要求1的发明，其特征在于所述半导体衬底包括n型掺杂硅。
3.权利要求1的发明，其特征在于所述多个第一发射极区用p+型掺杂剂材料形成。
4.权利要求3的发明，其特征在于所述掺杂剂材料为硼。
5.权利要求1的发明，其特征在于所述多个第二发射极区用p+型掺杂剂材料形成。
6.权利要求5的发明，其特征在于所述掺杂剂材料为铝。
7.权利要求5的发明，其特征在于所述掺杂剂材料为铝和硅的合金。
8.权利要求1的发明，其特征在于所述掺杂剂区用n+型掺杂剂材料形成。
9.权利要求8的发明，其特征在于所述掺杂剂材料为磷。
10.权利要求1的发明，其特征在于所述多个第一发射极区的深度不大于约0.2微米。
11.权利要求1的发明，其特征在于所述多个第一发射极区的浓度不大于约5×1018cm-3。
12.权利要求1的发明，其特征在于所述多个第二发射极区的最小深度约为2微米。
13.权利要求1的发明，其特征在于所述多个第二发射极区的浓度不低于约1×1019cm-3。
14.权利要求1的发明，其特征在于所述欧姆接触用银形成。
15.权利要求1的发明，其特征在于还包括在所述第一图形化欧姆电极层上由可焊接欧姆材料形成的第二图形化层。
16.权利要求15的发明，其特征在于所述可焊接的材料为银。
17.权利要求1的发明，其特征在于还包括在所述第一图形化欧姆接触层之间区域的所述第一和第二表面之一上形成的钝化层。
18.权利要求17的发明，其特征在于还包括在所述钝化层上形成的抗反射层。
19.制造具有自对准局部深扩散发射极的太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤(a)提供具有第1和第2表面的半导体衬底；(b)在第一和第二表面之一中形成第一导电类型的相对浅的发射极区；(c)在第一和第二表面的另一个中形成第2导电类型的相对浅的场区；(d)在第一和第二表面之一上提供含铝图形化层；(e)加热衬底在图形化层之下的衬底区中形成第一导电类型的多个相对深的发射极区；以及(f)提供与第1和第2表面的另一个的欧姆接触。
20.权利要求19的方法，其特征在于所述相对浅的发射极区用p+型掺杂剂材料形成。
21.权利要求19的方法，其特征在于所述相对浅的场区用n+型掺杂剂材料形成。
22.权利要求19的方法，其特征在于还包括在所述的含铝图形化层上施加欧姆图形化层的步骤。
23.权利要求19的方法，其特征在于还包括在不被所述图形化层所覆盖的所述第一和第二表面之一区域上形成钝化层的步骤。
24.权利要求19的方法，其特征在于还包括在所述钝化层上形成抗反射材料层的步骤。
25.权利要求19的方法，其特征在于所述(b)的形成步骤执行为所提供的发射极区的深度不超过约0.2微米。
26.权利要求19的方法，其特征在于所述(b)的形成步骤执行为所提供的发射极区的掺杂剂浓度不大于约5×1018cm-3。
27.权利要求19的方法，其特征在于所述(e)的加热步骤执行为所提供的发射极区的最小深度约为2微米。
28.权利要求19的方法，其特征在于所述(e)的加热步骤执行为所提供的相对深的发射极区的掺杂剂浓度不低于约1×1019cm-3。
29.权利要求19的方法，其特征在于用纯铝执行所述(d)的提供步骤。
30.权利要求19的方法，其特征在于用铝和硅的混合物执行所述(d)的提供步骤。
全文摘要
太阳能电池(10),具有自对准金属电极(14)和下面的相对深的发射极区(21)以及在不被电极覆盖的表面下的相对浅的发射极区(22),该太阳能电池在半导体衬底(12)中以下述方法形成:分别在硅半导体衬底(12)的前后表面上形成相对浅的p+和n+扩散区,以所希望的电极图形将铝丝网印刷到衬底的正面,热处理所制造的太阳能电池以形成在电极图形下的相对深的p+型发射极区(21),同时在衬底表面未覆盖区上生长氧化物钝化层(18),对未被电极所覆盖区域的正面施加抗反射涂层(19),以及在太阳能电池的前后表面的电极上丝网印刷银(20)。
文档编号H01L31/068GK1198841SQ96197446
公开日1998年11月11日 申请日期1996年10月1日 优先权日1995年10月5日
发明者贾拉尔·萨拉米, 艾基奥·希巴塔, 丹尼尔·L·迈耶, 埃德加·L·科奇卡 申请人:埃伯乐太阳能公司