專利名稱：背接觸型太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種節(jié)省成本的制造背接觸型硅太陽能電池的方法和 由該方法制得的電池。
背景技術(shù)：
預(yù)期在接下來的數(shù)十年中世界的石油供應(yīng)逐漸耗盡。這意味著上 世紀(jì)我們的主要能源在幾十年內(nèi)將不得不被替換，以確保目前的能量 消耗和將來全球能量需求的增加。
另外，喚起了許多關(guān)注，即化石能量的使用正在將地球溫室效應(yīng) 增加至可能會變得危險的程度。因而，目前化石燃料的消耗應(yīng)該可優(yōu) 選由可再生的并且可維持我們的氣候和環(huán)境的能源/載體來替換。
一種這樣的能源是太陽光，其以比目前和任何可預(yù)知的人類能量 消耗的增加大得多的能量照射地球。然而，太陽能電池電力直到現(xiàn)在 仍太昂貴而不能與核能、熱能等競爭。如果要使太陽能電池電力的巨 大潛力釋放出來，這就需要改變。
來自太陽能板的電力的成本為太陽能板的能量轉(zhuǎn)化效率和制造成 本的函數(shù)。因而，對于更便宜的太陽能電力的研究應(yīng)該集中在通過節(jié) 省成本的制造方法制得的高效太陽能電池。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的主要目的在于提供一種節(jié)省成本的、高效的背接觸型太 陽能電池的制造方法。本發(fā)明的另外目的在于提供一種具有高能量轉(zhuǎn)化率的背接觸型太 陽能電池。
本發(fā)明的目的可以通過在下面的本發(fā)明的說明和/或所附的專利 權(quán)利要求書中闡明的特征來實現(xiàn)。
本發(fā)明的說明
本發(fā)明涉及鈍化層的選擇以及如何獲得與在鈍化層下方的晶片的 摻雜區(qū)域的電接觸。因而，本發(fā)明可以采用任何被摻雜的硅晶片或薄 膜，使得晶片可以是背接觸的。這包括單晶硅、微晶硅和多晶硅的晶 片或薄膜以及在晶片的背面的任何公知的和想得到的P和N摻雜區(qū)域 構(gòu)造。還可以是在晶片的前面上的可選的P或N摻雜層。
術(shù)語"前面"表示太陽能晶片暴露于陽光的面。術(shù)語"背面"是 晶片前面的相對面，以及術(shù)語"背接觸"表示所有的連接體都布置在 太陽能晶片的背面上。術(shù)語"P摻雜區(qū)域"是指其中導(dǎo)致正電荷載流子 數(shù)目增加的摻雜材料被添加到硅基體，使得在表面下方的特定距離內(nèi) 形成具有P型導(dǎo)電性的、具有表面層的晶片的區(qū)域。術(shù)語"N摻雜的 區(qū)域"是指其中導(dǎo)致負(fù)電荷載流子(遷移電子)數(shù)目增加的摻雜材料
被添加到硅基體，使得在表面下方的特定距離內(nèi)形成具有N型導(dǎo)電性
的、具有表面層的晶片的區(qū)域。
用于背接觸型太陽能電池的晶片應(yīng)該在其背面上具有每個類型導(dǎo)
電性P和N中的至少一個區(qū)域，但是通常有在交叉指型(interdigitated)
圖案中具有交替的導(dǎo)電性的幾個摻雜區(qū)域。晶片還可以在P型或N型
導(dǎo)電性中的一種的前面上具有摻雜層。前面摻雜層是可選的。
本發(fā)明可以應(yīng)用任何公知的方法來摻雜或制造具有一種或另一種 類型導(dǎo)電性的層。在太陽能電池的前表面處，可選的一種或另一種類型導(dǎo)電性的層可以通過由液體、固體或氣體源的向內(nèi)擴(kuò)散來制備。交 替的導(dǎo)電性的層的制造可以借助于利用激光摻雜使摻雜劑的同時或連 續(xù)向內(nèi)擴(kuò)散、借助于不同的摻雜劑源的噴墨和退火或者借助于不同的 摻雜劑源的絲網(wǎng)印刷和退火。獲得交替的層的低成本方法首先在一個 裝配有兩種摻雜劑源的設(shè)備中，通過利用噴墨印刷，在晶片上施加一 種和另一種類型導(dǎo)電性的摻雜劑源，然后同時在提高的溫度下通過向 內(nèi)擴(kuò)散來制備摻雜劑層。
本發(fā)明可以在晶片的前面處采用任何公知的表面鈍化層，并且它 可以采用任何公知的形成鈍化層的方法。然而，本發(fā)明涉及在晶片背 面的第一鈍化層的選擇，以及如何獲得與在第一鈍化層下方的P型和N 型摻雜區(qū)域的電接觸。因而，如果人們在晶片的前面和背面兩者上采
用從本申請人的PCT申請WO2006/110048 Al中得知的雙鈍化層結(jié)構(gòu)， 然后在晶片背面上的外部鈍化層中形成開口，接著在晶片的整個背面 上沉積金屬相，退火如WO2006/110048 Al中描述的鈍化層并且同時獲 得在開口中的金屬相產(chǎn)生與在第一鈍化層下面的P型和N型摻雜區(qū)域 的接觸，以及最后在沉積的金屬層中產(chǎn)生開口/空閑區(qū)域而產(chǎn)生與在晶 片背面的每個摻雜區(qū)域的電絕緣接觸，則獲得特別節(jié)省成本的和高效 的太陽能電池。
在WO2006/110048 Al中公開的優(yōu)選雙鈍化層結(jié)構(gòu)包括厚度范圍 為1-150 nm的第一氫化非晶硅或氫化非晶碳化硅薄膜，該薄膜沉積在 硅晶片的兩面上的摻雜層上，接著在晶片的兩面上的非晶硅或非晶碳 化硅層頂上沉積厚度范圍為10-200 nm的氫化氮化硅薄膜。非晶硅或碳 化硅以及氮化硅膜可以通過等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD) 來沉積。這兩種膜可以在基本上單個或多個沉積過程中沉積。用于一 個或多個鈍化層的沉積的其他方法的示例包括但不限于等離子體增 強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、低溫化學(xué)氣相沉積、低壓化 學(xué)氣相沉積或濺射?？商孢x地，在前表面處，非晶硅層可以由氧化硅的薄層來替換， 該氧化硅的薄層通過熱氧化、濺射或等離子體增強(qiáng)型氣相沉積來制備。
本發(fā)明可以采用任何公知的方法用于在一個或多個鈍化層中產(chǎn)生 開口。這可以包括蝕刻技術(shù)，其中化學(xué)試劑溶解太陽能晶片的至少一 個表面上指定局部區(qū)域處的鈍化層。可以通過噴墨印刷或絲網(wǎng)印刷來 施加蝕刻劑，可替選地，局部化蝕刻可以通過噴墨印刷或絲網(wǎng)印刷化 學(xué)抗蝕劑，接著將太陽能晶片完全或部分浸入蝕刻流體等而獲得?；?學(xué)蝕刻劑可以由下列物質(zhì)組成但不限于此稀的或濃的HF、 KOH、
NaOH或者包含HF、 HN03和CH3COOH的混合物。在鈍化層中獲得 開口的替選方法可以是例如通過曝光于激光束來局部加熱燒掉鈍化 層。
在采用WO2006/110048 Al所述的優(yōu)選的雙鈍化層的情況下，鈍 化層的去除可以僅適用于外部氮化硅層。下方的非晶硅層或非晶碳化 硅層應(yīng)該是完整的。可替選地，可以在所有鈍化層中產(chǎn)生開口，使得 隨后的金屬層的沉積獲得與下面的晶片的摻雜區(qū)域直接接觸。
金屬層的沉積可以通過例如鎳、銀、銅和/或錫或者這些材料的任 何組合的非電鍍或電鍍來獲得。本發(fā)明不限于金屬的這些選擇，它可 以應(yīng)用提供與下面的硅襯底的良好電接觸并且耐受與太陽能板在太陽 能板的預(yù)期壽命期間的正常使用有關(guān)的以及與接觸形成之后的隨后制 造步驟有關(guān)的UV光、高達(dá)約150-25(TC的溫度和任何其他破壞力/物理 條件的任何材料。這可以包括公知的導(dǎo)電的塑料和/或諸如碳聚合物等 的其他聚合物配方。并未給出對用于形成接觸的材料的所需導(dǎo)電性的 任何限制，因為該要求強(qiáng)烈地取決于要被接觸的太陽能電池/板的幾何 形狀和尺寸，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解需要哪種導(dǎo)電性。
在采用WO2006/110048 Al所述的優(yōu)選的雙鈍化層的情況下，非常 適合的金屬層為鋁。鋁層應(yīng)該具有取決于電池尺寸和設(shè)計的大約1-50"m范圍內(nèi)的厚度，并且可以在約室溫至約20(TC的溫度下通過覆蓋全 部第二表面的鋁層的濺射或蒸發(fā)，或者通過覆蓋全部第二表面的鋁基 金屬漿的絲網(wǎng)印刷來沉積。在絲網(wǎng)印刷含鋁的漿的情況下，應(yīng)該理解 含鋁顆粒的商用的厚膜漿的利用，并且該漿可以包含或可以不包含玻 璃顆粒，接著在溫度〈40(TC處烘干任何有機(jī)溶劑。在鋁層的沉積之后， 接觸和鈍化效果的同時優(yōu)化通過下列方式獲得將晶片加熱至 300-60(TC范圍內(nèi)的溫度，優(yōu)選加熱至約50(TC的溫度持續(xù)4分鐘。進(jìn) 一步細(xì)節(jié)請參見WO2006/110048 Al。
在晶片背面上形成與摻雜區(qū)域的電接觸之后，必須將連續(xù)的金屬 層分成用于每個摻雜區(qū)域的電絕緣區(qū)域。這可以通過例如借助于蝕刻 劑的噴墨，或者借助于化學(xué)抗蝕劑的噴墨，接著進(jìn)行單面蝕刻，以特 定圖案去除沉積的金屬層而獲得。選擇用于蝕刻鋁的圖案，使得在蝕 刻后在金屬層上出現(xiàn)兩個不同的接觸區(qū)域， 一個接觸區(qū)域用于P型摻 雜區(qū)域，以及一個用于N型摻雜區(qū)域。
具體實施例方式
本發(fā)明的示例
將通過能量轉(zhuǎn)化效率高的背接觸型太陽能電池的制造方法的優(yōu)選 實施例和由該創(chuàng)造性方法制得的太陽能電池的優(yōu)選實施例的示例，描 述本發(fā)明。
太陽能電池的優(yōu)選實施例示于
圖1中。硅晶片1在前面上由P型 或N型導(dǎo)電性的摻雜層2覆蓋。在背面，硅晶片1由在交叉指型圖案 中具有交替的導(dǎo)電性的層3覆蓋。在層2頂部，沉積非晶硅或氧化硅 的薄層4，以及氮化硅層5沉積在層4的外部。在背面，交替的導(dǎo)電性 的層3由非晶硅或非晶碳化硅的層6覆蓋、然后由氮化硅層7覆蓋， 氮化硅層7具有用于層3中的每個摻雜區(qū)域的至少一個開口 8。在氮化 硅層7上，沉積鋁層9，鋁層9填充了氮化硅層7中的開口 8。在退火 之后，開口 8中的鋁在下面的非晶硅層6中產(chǎn)生了再結(jié)晶區(qū)域10,并且因而產(chǎn)生與下方的層3中的摻雜區(qū)域的電接觸。然后，通過在層9 中產(chǎn)生開口ll，將鋁層9分成電絕緣帶。
制造優(yōu)選實施例的優(yōu)選方法包括
-應(yīng)用硅晶片，該硅晶片在背面上在交叉指型圖案中以交替的P型 和N型導(dǎo)電性來摻雜，并且可選地在晶片前面上摻雜有P型或N型層，
-在摻雜晶片兩面上沉積非晶硅或非晶碳化硅層，接著在晶片兩面 上的非晶硅層上沉積一層氮化硅層，
-在晶片背面上，在氮化硅層中產(chǎn)生開口以暴露下面的非晶氮化硅
層，
-沉積覆蓋晶片整個背面的鋁層，
-將晶片加熱至200至70(TC、可優(yōu)選為300至60(TC范圍內(nèi)的溫 度以獲得在鋁層和下面的硅晶片摻雜區(qū)域之間的電接觸，以及
-在晶片背面上，在鋁層中產(chǎn)生開口以使每個摻雜區(qū)域的接觸隔離。
在這種情況下，表面鈍化通過如下步驟獲得通過浸入H2S04和 H202的混合物、HC1、 11202和H20的混合物或者NH4OH、 11202和H20 的混合物，接著在稀HF中去除氧化物，來清洗晶片(1)。然后，將 晶片放入到等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積腔室(PECVD腔室)中，并 且通過利用SiH4作為單獨的前驅(qū)氣體來沉積厚度為1-150 nm、優(yōu)選為 約10-100 nm的非晶硅膜。非晶硅膜沉積在晶片的兩個表面上并且分別 由晶片前面和背面的附圖標(biāo)記4和6表示?？商孢x地，可以沉積碳化 硅膜。然后，在PECVD腔室中，通過利用SiH4和NH3的混合物作為 前驅(qū)氣體來沉積氮化硅層。氮化硅膜的厚度應(yīng)該為10-200 nm范圍內(nèi)， 優(yōu)選為約70-100 nm范圍內(nèi)。前驅(qū)氣體還可以包含0至50 mol。/。氫氣。 氮化硅膜沉積在晶片的兩面上并且分別由晶片前面和背面的附圖標(biāo)記 5和7表示。兩個膜在PECVD腔室中的沉積溫度為約250°C。
本發(fā)明人所做的研究表明鈍化層的最好方式為在50(TC下退火的10-100 nm非晶硅和70-100 nm氮化硅。80 nm非晶硅和100 nm氮化 硅膜的雙層根據(jù)體材料的復(fù)合時間而給出硅晶片上的有效復(fù)合壽命為 0.0007s，該復(fù)合時間比非晶硅或氮化硅的單膜好約1個數(shù)量級，或者 是比未退火的非晶硅和氮化硅的雙層膜高2-3倍。在不受理論束縛的條 件下，認(rèn)為鈍化效果顯著增加的原因是由于氫原子向晶體硅襯底的邊 界區(qū)域擴(kuò)散，這使晶體硅中的懸空鍵飽和。在約50(TC下的退火溫度之 后，硅晶片的表面層中的氫含量的測量表明硅相包含約10原子。/。H。 在更高和更低的溫度下的退火呈現(xiàn)更少的氫含量。
在晶片背面的鈍化層中的開口通過噴墨印刷化學(xué)蝕刻劑來獲得， 該化學(xué)蝕刻劑包括稀的或濃的HF、 KOH、 NaOH溶液，或者包括HF、 HN03禾B CH3COOH的混合物或者其組合。獲得開口的方法的選擇不重 要。至關(guān)重要的特征是鈍化層7必須被局部去除以暴露下面的非晶硅 層6，或者可替選地，層6、 7必須被局部去除以暴露晶片1的摻雜區(qū) 域3。
鈍化過程通過將晶片加熱至300-600'C范圍內(nèi)、可優(yōu)選約50(TC的 溫度下持續(xù)4分鐘來完成。該退火可以有利地在鋁層9的沉積之后執(zhí) 行。
鋁層應(yīng)該具有大約1_50 )am范圍中的厚度，并且可以通過在約室 溫至約20(TC的溫度下濺射或蒸發(fā)鋁層以覆蓋全部第二表面，或者通過 絲網(wǎng)印刷鋁基金屬漿以覆蓋全部第二表面來沉積。在絲網(wǎng)印刷含鋁的 漿的情況下，應(yīng)該理解的是利用含鋁顆粒的商用的厚膜漿，并且該漿 可以包含或可以不包含玻璃顆粒，接著在溫度〈40(TC處烘干任何有機(jī) 溶劑。
鋁層中的開口可以通過利用噴墨印刷能夠去除金屬層但不能去除 下面的氮化硅層的蝕刻劑而獲得。在鋁層中制作孔的情況下，可以采 用鹽酸作為蝕刻劑?？梢圆捎糜糜谌芙饨饘傧?，但不溶解下面的鈍化層的公知的任何酸或堿作為蝕刻劑。作為可替選方案，可以噴墨印刷 抗蝕劑掩模，接著將晶片浸入蝕刻液中。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)背接觸型太陽能電池的方法，其中所述方法包括應(yīng)用硅襯底、晶片或薄膜，該硅襯底、晶片或薄膜在背面上在交叉指型圖案中以交替的P型和N型導(dǎo)電性進(jìn)行摻雜，并且可選地在所述晶片的前面上摻雜有P型或N型層，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括-在所述襯底的兩面上沉積一個或多個表面鈍化層，-在所述襯底的背面上的表面鈍化層中產(chǎn)生開口，-沉積金屬層，所述金屬層覆蓋整個背面并且填充所述表面鈍化層中的開口，以及-在沉積的金屬層中產(chǎn)生開口，從而獲得與在襯底背面上的摻雜區(qū)域的電絕緣接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，-所述表面鈍化層是雙層，該雙層包括在摻雜的襯底兩面上的內(nèi)部 非晶硅層和隨后在所述襯底兩面的非晶硅層上的氫化氮化硅的外層， -所述表面鈍化層中的開口僅應(yīng)用于所述襯底背面上的氮化硅層， -所述金屬層是覆蓋包括氮化硅層中的開口的襯底的整個背面的 鋁層，以及-將所述襯底加熱至200-700°。范圍中的、優(yōu)選為300-60(TC內(nèi)的溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于，-在所述襯底前面上的內(nèi)部非晶硅層具有1-150 nm范圍中的厚度， -在所述襯底背面上的內(nèi)部非晶硅層具有1-1000 nm范圍中的厚度，-在所述襯底前面上的外部鈍化氫化氮化硅層具有10-200 nm范圍中的厚度，以及-在所述襯底背面上的外部鈍化氫化氮化硅層具有10-1000 nm范 圍中的厚度，以及-其中所述膜通過等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積來沉積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于，-所述鋁層具有l(wèi)-50pm范圍中的厚度，并且通過利用濺射或蒸發(fā) 來沉積，以及-在約500°C的溫度下進(jìn)行后面的熱處理4分鐘。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述表面鈍化層中的開口通過以下步驟獲得 -利用蝕刻劑，所述蝕刻劑被噴墨印刷或絲網(wǎng)印刷到所述襯底背面 的外部表面鈍化層的區(qū)域上，-利用激光以燒蝕所述表面鈍化層，或者-絲網(wǎng)印刷覆蓋要保留在所述襯底背面上的表面鈍化層的區(qū)域的 化學(xué)抗蝕劑，以及絲網(wǎng)印刷覆蓋所述襯底的整個前表面鈍化層的化學(xué) 抗蝕劑，接著將所述襯底浸入蝕刻劑中以去除未保護(hù)的鈍化膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法， 其特征在于，所述化學(xué)蝕刻劑包含下列溶劑中的一種或多種包括稀釋或濃縮 HF或KOH或NaOH的溶液，或者包括HF、 HN03和CH3COOH的混合物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底的前面和背面的表面鈍化層通過以 下步驟獲得-通過浸入到H2S04和&02的混合物，或者HC1、 11202和1"120的混合物，或者NH40H、 H202和H20的混合物，來清洗半導(dǎo)體襯底， -通過浸入到稀釋的HF來去除所述襯底面上的氧化物膜， -將所述襯底放入到等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積腔室(PECVD腔室)中，-在約2501:下，通過利用SiH4作為單獨的前驅(qū)氣體，在所述襯底 的兩面上沉積1-150 nm厚的非晶硅膜，-在約250°(3下，通過利用SiH4和NH3的混合物作為前驅(qū)氣體，在 兩個非晶硅膜上沉積10-200 nm厚的氮化硅膜，以及最后-在約500°C的溫度下對具有沉積的鈍化層的襯底退火4分鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在所述襯底背面上的氮化硅層上沉積金屬層之后執(zhí) 行所述退火。
9. 一種太陽能電池，包括-硅襯底(1)，該硅襯底(1)在背面上的層(3)中在交叉指型 圖案中以交替的P型和N型導(dǎo)電性進(jìn)行摻雜，并且可選地在所述襯底 (1)的前面上摻雜有P型或N型層(2)，-在所述襯底(1)的前面上的一個或多個表面鈍化層(4、 5)， 其特征在于，其還包括-在所述襯底(1)背面上的一個內(nèi)部表面鈍化層(6)和一個外部 表面鈍化層(7)，-用于層(3)的每個摻雜區(qū)域的在表面鈍化層(6、 7)中的至少 一個開口 (8)，以及-金屬接觸(9)，該金屬接觸(9)填充每個開口 (8)，以獲得 與下面的襯底(1)的層(3)中的摻雜區(qū)域的電接觸，并且其中每個 金屬接觸(9)彼此電絕緣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽能電池， 其特征在于，-所述表面鈍化層是雙層，該雙層包括在摻雜的襯底(1)兩面上 的內(nèi)部非晶硅層(4、 6)和隨后在所述襯底(1)兩面上的非晶硅層(分別為4、 6)上的外部氫化氮化硅層(5、 7)，-表面鈍化層(6、 7)中的開口 (8)僅應(yīng)用于所述襯底(1)背面 上的氮化硅層(7)，-所述金屬接觸(9)由鋁制成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的太陽能電池， 其特征在于，-在所述襯底(1)兩面上的內(nèi)部非晶硅層(4、 6)具有1-150 nm范圍內(nèi)的厚度，-在所述襯底(1)兩面上的外部鈍化氫化氮化硅層(5、 7)具有 10-200 nm范圍中的厚度，以及-鋁接觸(9)具有30-50 um范圍中的厚度，所述厚度是垂直于 所述表面鈍化層來測量的。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的太陽能電池， 其特征在于，-所述表面鈍化層中的開口 (8)僅制作在外部氮化硅層(7)中，以及-與在所述非晶硅層(6)下方的摻雜區(qū)域的電接觸通過以下步驟 獲得加熱所述襯底，直到鋁相(8)使位于中間的非晶硅層(6)再 結(jié)晶并形成連接點(10)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9、 10、 11或12中任一項所述的太陽能電池， 其特征在于，所述襯底(1)是單晶、微晶或多晶硅晶片，或者是微晶、多晶或 單晶晶粒性質(zhì)的硅薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種節(jié)省成本的生產(chǎn)背接觸型硅太陽能電池的方法和由該方法制得的電池，其中該方法包括應(yīng)用硅襯底、晶片或薄膜，該硅襯底、晶片或薄膜在背面上在交叉指型圖案中以交替的P型和N型導(dǎo)電性進(jìn)行摻雜，并且可選地在晶片前面摻雜有P型或N型層；在襯底的兩面上沉積一個或多個表面鈍化層；在襯底背面上的表面鈍化層中產(chǎn)生開口；沉積金屬層，該金屬層覆蓋整個背面并且填充表面鈍化層中的開口；以及在沉積的金屬層中產(chǎn)生開口，從而獲得與在襯底背面的摻雜區(qū)域的電絕緣接觸。
文檔編號H01L31/0224GK101622717SQ200780043480
公開日2010年1月6日 申請日期2007年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者埃里克·薩烏爾, 安德烈亞斯·本特森 申請人:可再生能源公司