專利名稱：一種鋁合金結(jié)自對準背接觸硅太陽電池的結(jié)構(gòu)和制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及背接觸太陽電池的改進的設(shè)計和制造方法。
除了新設(shè)計，新材料和新制造工藝外，光伏電池的發(fā)展過程還和種種因素有關(guān)。歷史上為提高太陽能轉(zhuǎn)換效率做了大量努力，所取得的進步是驚人的。在1914年，對于大氣質(zhì)量為1(太陽光通過一個地球大氣層厚度)的光照，硒太陽電池的效率為1％，1954年，單晶硅電池的效率達到6％，而到了80年代中期，太陽電池的效率報告為22-25％。對于使用透鏡或反射鏡未增加太陽光強度的聚光器電池，據(jù)報道效率達到27.5％，這幾乎可與典型的化石燃料發(fā)電廠38-40％的效率及輕水核反應(yīng)堆發(fā)電廠32-34％的效率相媲美。
然而，為了使例如為住宅供電這樣的大型應(yīng)用的太陽電池經(jīng)濟合算，除了高效以外還有其它因素要考慮。一個因素是電池的制造成本。大多數(shù)獨立住宅都有足夠的屋頂面積用于安裝傳統(tǒng)設(shè)計的太陽電池，每年提供8500千瓦-小時的電能，這對一般家庭足夠用了。然而商業(yè)上的難題不是效率而是單位面積太陽電池成本的降低。解決這個難題最有希望的辦法是使用硅太陽電池，特別是有效使用高質(zhì)量硅的薄(約100μm)硅襯底制造的電池。目前的挑戰(zhàn)是降低這種太陽電池的單位造價，以使它們能在目前的能量價格上和傳統(tǒng)的化石燃料供電競爭。通過改進制造工藝是做到這一點的一條途徑。
除了制造工藝外，和其它設(shè)計相比，某些設(shè)計結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越。其中之一看來就是背接觸太陽電池，尤其是采用薄硅襯底的背接觸太陽電池。
同質(zhì)結(jié)太陽電池具有p-n結(jié)，將光生電子和光生空穴分開。正常工作的太陽電池中，電子必須驅(qū)向n型材料的接觸電極，空穴必須驅(qū)向P型材料的接觸電極。在半導(dǎo)體中，光密度隨著深度的加深單調(diào)遞減，因此p-n結(jié)最好靠近被照表面，以使電子和空穴被p-n結(jié)分開前減少復(fù)合。在薄硅太陽電池中，雖然電池的厚度小于傳統(tǒng)硅太陽電池的厚度(約300μm)，以及光子轉(zhuǎn)變成電子-空穴或電荷-載流子對的可能性較小，但光生電子-空穴對的平均壽命使它們能被掃到它們各自的接觸電極。也就是說，和電池的厚度相比，薄硅太陽電池少數(shù)載流子的擴散長度相當長，因此并沒降低電池的性能。本發(fā)明中，少數(shù)載流子擴散長度等于或大于電池厚度。
而且，傳統(tǒng)(正接觸)硅太陽電池的結(jié)構(gòu)中，在電池的被照表面上，大p-n結(jié)做在整個基片上。這種傳統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點是簡單，由于發(fā)射極(一般為p-n結(jié)電池中的P型層)覆蓋了整個正表面，因此不需為發(fā)射極制作圖型。然而，對這種結(jié)構(gòu)中的正表面和發(fā)射層有同時并互相矛盾的要求。一方面，為了減少較高摻雜濃度下發(fā)生的復(fù)合，發(fā)射區(qū)擴散應(yīng)該淺，且濃度低(小于1×1019cm-3)。另一方面，這種輕摻雜、淺發(fā)射區(qū)的薄層電阻(電流橫向流過傳統(tǒng)電池的頂層并流入任一接觸柵線(gridcontact line)之間，薄層電阻和摻雜層厚度成反比)高，一般大于100Ω/□，因此要求接觸柵線緊密排列，以避免過多的歐姆功耗。
傳統(tǒng)的正接觸電池中，密排接觸線意味著電池能量的降低，這是由于接觸材料在其下方硅上的遮蔽造成的。此外，由于摻雜濃度低，接觸-摻雜層界面會有整流作用(類似肖特基二極管)，而不是歐姆接觸，造成由于二極管導(dǎo)通電壓引起的相應(yīng)的能量損失。但是，摻雜濃度越高，發(fā)射層中有害的電子和空穴的復(fù)合越大，在光線射入的表面附近，復(fù)合最大。最后，為了增加光線的俘獲，正表面所具有的結(jié)構(gòu)(texturing)意味著接觸柵線必須鋪排過粗糙的表面而又不失連續(xù)性，這點很難辦到。此外，一些結(jié)構(gòu)化方法，如多孔硅方法將更加難以生成具有可以接受的均勻性的發(fā)射擴散層。
由于種種原因，對于傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)，必須在要求重摻雜表面以促進歐姆接觸的形成及減弱屏蔽與要求輕摻雜表面以減少載流子復(fù)合及有效鈍化表面二者間尋求平衡。結(jié)構(gòu)化和屏蔽造成的約束也是難題。一個替代方法是把p-n結(jié)放在電池的背面(非照明面)。在這種背接觸太陽電池中，對正表面結(jié)構(gòu)化和鈍化的要求與形成p-n結(jié)及形成發(fā)射區(qū)，基區(qū)接觸電極的要求無關(guān)。這意味著p-n結(jié)可以較深，發(fā)射區(qū)可以重摻雜而不會帶來重大的后果。由于在正表面沒有接觸電極，被照表面上的屏蔽不再是個問題，金屬接觸柵線的間距也不再是個問題。由于這種類型的電池一般采用又指型接觸電極，因此背表面的幾乎一半面積覆蓋著正接觸金屬，另一半覆蓋著負接觸金屬。然而，由于p-n結(jié)在電池的背面，因此為了得到令人滿意的能量轉(zhuǎn)換效率，初始材料(基區(qū))中的少數(shù)載流子擴散長度必須超過電池厚度。這種方法的最好結(jié)果來自于斯坦福大學(xué)小組，根據(jù)他們的報告，180μm厚，35cm2面積的區(qū)熔法背接觸硅電池在太陽幅照度為1(100mw/cm2)時的效率為21.3％；溫度24℃，大氣質(zhì)量1，太陽幅照度為1時的效率為22％(R.A.Sinton et al.，“Large-Area 21％Efficient Si Solar Cells，”Conf.Record 23rd IEEEPhotovoltaic Specialists Conference，P.157(1993)；R.A.Sinton et al.，IEEE Electron Device Lett.，EDL-7，no.7，p.567(1986)兩篇都是本發(fā)明的參考資料)。
Sinton等人設(shè)計的背接觸硅太陽電池的制造相當復(fù)雜，造價昂貴，通常和集成電路的制造有關(guān)。制造工藝包括單獨的p-型和n-型擴散(每一種擴散都需要掩蔽)，用光刻將負接觸金屬電極與正接觸金屬相對準，通過蒸發(fā)和濺射淀積多層接觸金屬系統(tǒng)，這需要真空系統(tǒng)。因此，雖然和傳統(tǒng)的正接觸結(jié)構(gòu)相比，背接觸結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)點，但這種結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)代價昂貴。
本發(fā)明僅用一種材料-最好是鋁(Al)-作為p-型摻雜材料及n-型硅(Si)本體層的歐姆接觸材料來制作背接觸硅太陽電池，因此減少了硅太陽電池的制造成本，但仍保持了相當高的太陽能轉(zhuǎn)換效率。此外，在一種優(yōu)選實施方式中，用一種新穎的相當廉價的絲網(wǎng)印刷，自對準接觸系統(tǒng)方法制造背接觸柵線。這種接觸系統(tǒng)的顯著特點是自對準，把陽極氧化方法應(yīng)用于一組接觸電極使其與另一組接觸電極隔離，因此不需用一套掩模版依次準確對中來制造出柵線圖形。
在一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明的背接觸硅太陽電池的設(shè)計還具有其它幾個優(yōu)點，包括以下但不僅限于此表面結(jié)構(gòu)化(在晶體生長過程中形成及用化學(xué)方法形成)，正表面及背表面少數(shù)載流子鏡，使用氧化硅層的表面鈍化，抗反射涂層的使用，用歐姆接觸電極作背面光反射器，負偏置條件下相鄰重摻雜n+區(qū)和p+區(qū)損傷的內(nèi)防護，改進的負、正接觸主柵線(contact bus bar)，它允許將電池串接時使用“表面安裝技術(shù)”。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施方式的枝狀帶硅坯料的剖面圖。
圖2是在淀積鋁來形成正接觸電極階段帶硅的剖面圖。
圖3是在熱處理階段帶硅的剖面圖。
圖4A是形成氧化鋁來隔離第一層金屬階段帶硅的剖面圖。
圖4B是圖4A的帶硅背表面的局部放大圖。
圖5A是從背表面除掉氧化硅的帶硅的剖面圖。
圖5B是圖5A的帶硅背表面的局部放大圖。
圖6A是在淀積金屬來形成負接觸電極時帶硅的剖面圖。
圖6B是圖6A的帶硅背表面的局部放大圖。
圖7是成品電池的底部背視圖。
圖8是一個具有8個電池的基片的背表面的平面圖。
圖9是圖8所示基片上的一個電池的背表面放大圖。
圖10是圖9中沿著10-10線的截面圖。
圖11是用來表明一對正電極和其間區(qū)域的局部放大詳圖。
圖12是圖9所示電池的頂部角落處的放大詳圖。
現(xiàn)將注意力轉(zhuǎn)向附圖，這里說明了本發(fā)明的一個優(yōu)選的制造工藝和技術(shù)。
雖然圖1-圖7表示的是枝狀帶硅，但應(yīng)該予以理解的是只要電池在工作條件下的少數(shù)載流子擴散長度超過電池厚度，本發(fā)明可以應(yīng)用于任何形式的硅，包括區(qū)熔(float zone)硅，切克拉斯基硅，磁性切克拉斯基硅，熔融(cast)硅和薄層硅。
本發(fā)明的背接觸硅太陽電池的初始材料是任何n型初始硅材料，示于層10。通常用于硅的n型摻雜劑是元素周期表中V族元素的原子，包括鋰，銻，磷和砷等元素。然而，也應(yīng)該予以理解的是，本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)也適用于初始硅材料是P型的，或甚至是未摻雜的，因為層10的作用主要是作為光吸收層。
在圖中所示的優(yōu)選實施方式中，初始材料(圖1中的本體層10)是用銻(Sb)進行n型摻雜的枝狀帶硅。枝狀帶硅是用類似于制造切克拉斯基硅的工藝生成的。然而，除了枝狀帶硅外，也可使用其它方法生長出的硅，例如區(qū)熔硅，切克拉斯基硅，熔融硅及薄層硅。生長的枝狀帶硅的典型厚度是100微米，然而也可采用其它厚度。厚度為100微米時，少數(shù)載流子的擴散長度一般大于電池厚度，經(jīng)常是電池厚度的2或3倍。在銻摻雜硅帶的頂面和底面有n+薄層20，它們是當帶硅仍在生長爐中時擴散進兩個表面生成的。如果在帶硅生長過程中沒有形成n+表面層20，也可在開始加工時用任何可行的工藝方法形成，包括通過快速熱處理工藝用液態(tài)摻雜源同時對正面和背面擴散。n+層產(chǎn)生“表面場”，使得空穴離開表面，減少了那里的表面復(fù)合，并把在表面層產(chǎn)生的空穴加速到達p-n結(jié)，表面場還有利于短路電流和開路電壓增加，由此加大了太陽能轉(zhuǎn)換效率。再有，背面的n+層有利于負接觸金屬的歐姆接觸，這在下面還要講述。
此外，頂面和底面都結(jié)構(gòu)化，目的是捕獲更多的入射光。如圖中以鋸齒圖形30表示的這種結(jié)構(gòu)可以生長出來，可以通過陽極刻蝕生成多孔硅層引入(如Y.S.Tsuo等人描述的方法，“Potential Applications ofPorous Silicon in Photovoltaics”，Conf.Record 23rd IEEE PhotovoltaicSpecialists Conf.(Louisville，KY)(1993)，作為本發(fā)明的參考資料)，或通過機械方法鋸或光學(xué)方法如激光刻蝕引入。雖然在優(yōu)選實施方式中，結(jié)構(gòu)和摻雜表面被表示出來，但通常情況下，它們的應(yīng)用是可選的。此外，為清楚起見，電池底面的結(jié)構(gòu)化在圖2-圖6中沒表示出來。
圖1-圖6說明了太陽電池制造過程中的重要步驟，包括用鋁既作為摻雜劑又作為歐姆接觸材料，以及鋁的掩蔽用的是自對準陽極氧化工藝。這里的鋁或鋁材料指純鋁或硅濃度小于低共熔組分(重量比為88.7％鋁和11.3％硅)的鋁-硅合金。在整個背表面的近一半面積上以條狀淀積鋁，每個鋁條條寬100μm，鋁條邊緣間的距離約100μm，如圖2中間距40所示。為了有效收集載流子，鋁條50之間的距離40應(yīng)小于少數(shù)載流子(空穴)的擴散長度。條寬和距離也可減小到100μm以下，以獲得某些好處。有用的條寬上限值約為2000μm，而有用的鋁條邊緣間距40范圍約為50μm至300μm。這樣，并聯(lián)鋁條中每一條都形成作為p-n結(jié)太陽電池的獨立的摻雜源材料區(qū)，這里可進一步解釋為這些獨立區(qū)域的基區(qū)連接在一起，形成作為正接觸主柵線的主柵線區(qū)。
在優(yōu)選鋁淀積方法中，用技術(shù)上本身已知的絲網(wǎng)印刷工藝以鋁漿狀態(tài)淀積鋁。鋁條示于圖2，此處鋁被淀積成進入紙面的鋁條50的形式。然而，除了絲網(wǎng)印刷以外的其它淀積方法也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)，如電子束蒸發(fā)及濺射，雖然這些方法由于光刻而需要更高成本，因此不大被采用。
總而言之，與n型本體層相比，p型材料的鋁層相當薄，本體層厚約100μm時鋁層厚2至20μm。
注意在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，選擇鋁至少同時用于三個目的用作p型摻雜源，用作正接觸金屬，以及用作它覆蓋著的背表面區(qū)域的部分背表面光反射層，它覆蓋著背表面大約50％的面積。
現(xiàn)在注意看說明熱處理的圖3，它表示出淀積的鋁層在約850℃富氧環(huán)境下熱處理后的結(jié)果。在這步工序，通過絲網(wǎng)印刷上的鋁同硅合金形成p-n結(jié)。在850℃下進一步維持額外的一段時間，例如30分鐘或更長，會有利于形成令人滿意的合金。溫度范圍可以從鋁-硅低共熔溫度577℃至硅的熔點1420℃?？梢杂每焖贌崽幚碓O(shè)備，帶式爐，管式爐或其它設(shè)備加熱。周圍環(huán)境也可用惰性氣體，例如氬氣或氮氣，或用化學(xué)反應(yīng)氣體，如氧氣或氫氣。也可用環(huán)境氣體的混合物。升溫時間可以從30秒至幾小時。在優(yōu)選實施方式中，希望在這個溫度下采用富氧環(huán)境，這會使在任何裸露的硅上生長氧化層(SiO2)，使得表面鈍化及減少有害的復(fù)合作用。
然后使硅-鋁合金溫度降低，利用液相處延再生硅，直到溫度降至低共熔溫度(577℃)。結(jié)果再生硅現(xiàn)在用鋁(約1018cm-3)摻雜成為p型，如圖3中p+層60。當鋁濃度超過初始硅的施主濃度時，形成所要求的p-n結(jié)，低共熔合金(重量比為約88.7％鋁，11.3％硅)仍存在于表面，作為與P型硅的接觸電極。應(yīng)指出的是，由于p-n結(jié)在吸收光很少的電池背面，和傳統(tǒng)的正接觸太陽電池相比，結(jié)深是次要的，因此p-n結(jié)可以做得相當深(從表面向下1至20μm)。在絲網(wǎng)印刷時，可以不用純鋁，而用鋁-硅混合物做淀積材料來控制合金結(jié)結(jié)深。原因是隨著低共熔成分中硅濃度的增加，印刷上的金屬能溶解的硅量減少，因此結(jié)深變淺。如果需要，通過增加淀積上的鋁的厚度及根據(jù)鋁-硅相圖提高合金溫度就可以使結(jié)深加深。
另外，由于枝狀帶硅(本發(fā)明的優(yōu)選硅種類)的特性，在近850℃溫度下，會使任何淬火固定下來的缺陷，例如硅空位及自填隙缺陷通過退火除掉，硅本體少數(shù)載流子壽命可能會增加。和快速降溫相比，以每分鐘10℃的可控速率降溫也會使淬火固定下來的Si缺陷經(jīng)退火除掉，減少了有害的復(fù)合點。
上述熱處理工藝可以用帶式爐實現(xiàn)，在帶式爐中，樣品放在傳送帶上，傳送帶慢慢被拖過爐中的恒溫區(qū)。作為替代，在這樣的爐子中將硅/鋁混合物在850℃下加熱約30分鐘。也可用各種各樣其它技術(shù)來形成硅/鋁共熔體，例如用快速熱處理設(shè)備，它利用例如石英燈將硅加熱到1000℃，并維持這個溫度30秒，這會增加商業(yè)背景下的生產(chǎn)能力，又例如用傳統(tǒng)的石英管式爐。
這種p+區(qū)(圖3中的區(qū)域60)直接和n+區(qū)在背表面層(圖1中的背表面層20)相鄰還有未曾預(yù)料的優(yōu)點當太陽電池反向偏置時，例如在組件中被遮蔽時防止過熱。一個“組件”是用玻璃或其它覆蓋材料保護的一組互連電池，受到光照時，它會產(chǎn)生大量電能，典型值為10至100瓦特。這種p+n+設(shè)計具有內(nèi)建的對反向偏置的防御、使得沒必要制作用來防止反向偏置通常所稱的“旁路二極管”。該p+n+結(jié)的作用類似于齊納二極管，它僅需很小的電壓在適當?shù)姆聪蚱珘合聯(lián)舸?，僅消耗電池很少的功耗，因此保護了電池。
現(xiàn)在注意看圖4A和圖4B，它說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中的另一工序。這一工序具有獨特的“自對準”特性，用于將負接觸電極(對n型區(qū))相對于正接觸電極(對p型區(qū))對中。為了將p型層接觸電極(正接觸電極)與n型層接觸電極(負接觸電極)隔離開，本發(fā)明不采用過去一直使用的復(fù)雜的掩模技術(shù)，而是通過形成氧化層來覆蓋第一組(正)鋁接觸電極，并把這組同第二組(負)接觸電極電隔離開。在存在氧氣的環(huán)境下，通過在裸露的硅，硅-鋁及鋁材料上以Al2O3，SiO2，或某個變種形式自然形成的氧化層80(絕緣體)將鋁-硅p+層成分和暴露在帶硅坯料10外面的鋁條70隔離開做到以上這一點，如圖4A和圖4B所示。覆蓋鋁條70的氧化層應(yīng)該長到約0.1μm至1μm厚。如圖4A和圖4B所示，在這步工序，氧化層80也覆蓋了鋁條70之間的n層表面區(qū)域90。為了能使歐姆接觸區(qū)能和太陽電池二極管的陰極(n型硅)形成歐姆接觸，表面區(qū)域90上的氧化層接著要被除去(見下面圖5B所示工序)，這在下面還會詳細描述。
在圖4A和圖4B中形成氧化層的優(yōu)選方法是陽極氧化，用這種方法時，被加工的電池的表面層被浸入弱電解液中(如硼酸鹽，磷酸鹽或碳酸鹽)并施加電壓。由于施加了電壓，在不起化學(xué)作用的電極和接觸金屬(鋁-硅低共熔體)間有電流流過。如果驅(qū)動陽極氧化電流的電壓達至700V(14埃/V或1.4nm/V)，則陽極氧化層的厚度可達1μm。這種氧化層致密且沒有針孔。由于在光電池完工時必須給接觸主柵線(圖7中的區(qū)域110所示)制作歐姆接觸電極，從而給裸露的鋁條70制作接觸電極，所以在主柵線區(qū)必須禁止生成陽極氧化層(該主柵線區(qū)在陽極氧化工序中必須被屏蔽起來)。這樣做的一種方法是用一種壓縮的，然而是導(dǎo)電的介質(zhì)與主柵線所占的面積接觸，例如用浸碳的閉孔海綿。由于閉孔海綿不吸收電解液，因此最好用它。
除了陽極氧化外，本發(fā)明可以采用任何用來隔離鋁或鋁-硅低共熔層的其它方法，例如在含氧等離子體中氧化鋁。
在通過陽極氧化或其它適當?shù)姆椒ㄉ裳趸瘜?0后，為了使負接觸金屬層鋁能在其上淀積，覆蓋著氧化層的在鋁條間隙的表面區(qū)90的n型硅表面必須暴露出來。這樣，參看圖5A和圖5B，它們說明了如何將氧化層從背表面的硅層上除去，而不除掉覆蓋在鋁條70上的氧化層。做到這一點的優(yōu)選方法是用氫氟酸選擇性地刻蝕并除掉間隙中的SiO2(二氧化硅)20，因為氫氟酸不和Al2O3(氧化鋁)起作用，因而Al2O3不會除去。結(jié)果，間隙中的SiO2被除掉，而覆蓋在鋁條接觸電極70上的Al2O3絕緣層仍然保留，參見圖5B。也可用其它有類似作用的化學(xué)藥品，或用其它去氧化層的技術(shù)，例如用二氧化硅層的弱砂磨(lightsandblasting)法，這種方法還具有使暴露出的硅片表面弱損傷的好處，這有益于和n型基區(qū)的歐姆接觸。使用了弱砂磨方法就不必在電池的背面形成n+擴散層3，用n+擴散層主要也是益于歐姆接觸，也可用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)除掉SiO2而保留Al2O3。也可用類似于砂磨的離子銑削弱損傷表面以利于歐姆接觸。
圖6A和圖6B說明了本發(fā)明的太陽電池制造工藝中的下一步工序，即用第二層金屬層形成自對準負歐姆接觸金屬(對于n型硅層的接觸)。這第二層金屬可以是任何適宜的接觸金屬，包括鋁和銀。絲網(wǎng)印刷也是淀積這第二層金屬的優(yōu)選方法，也可采用例如電子束蒸發(fā)或濺射等其它方法。表示為金屬層100的這第二層金屬層幾乎覆蓋了電池的整個背面。由陽極氧化層80將這第二層金屬和第一層金屬接觸條70隔離，而這第二層金屬和由第一層淀積鋁層形成的金屬條70間的n+區(qū)90形成歐姆接觸。第二層金屬層也有助于形成背表面光反射層，將在第一次通過硅材料時未被吸收的光線反射回硅材料內(nèi)。
圖7表示從背面看的完工的太陽電池，電池上覆蓋著第二層金屬(鋁或其它歐姆金屬)或鋁-硅低共熔體。本發(fā)明的這種太陽電池有一個沒有任何遮擋的正表面，和傳統(tǒng)的太陽電池相比，這是一個重大的優(yōu)點。在背面，二個金屬接觸層(歐姆金屬接觸層70和100)除了作為歐姆接觸層外，也起局部光反射器的作用。此外，由于本設(shè)計不需制作不便的外部正-反內(nèi)部單元接觸(external front-to-back inter-cell contacts)，而使用更多不需這種接觸的“表面安裝”工藝設(shè)計，因此本發(fā)明的太陽電池的主柵線設(shè)計使電池簡單地互連為串接的形式。
參見圖7，其中表示出了主柵線區(qū)110，其為未氧化區(qū)，如前面所述，主柵線接觸從這兒通向第一層正接觸金屬條70a。主柵線區(qū)110看起來可能比被負接觸金屬層100覆蓋的面積小，但正金屬接觸區(qū)和負金屬接觸區(qū)二者都有益于組件式的表面安裝設(shè)計。鋁-硅低共熔體叉指70從圖7的主柵線110垂直向上伸展出去，但是由于被第二層金屬100覆蓋著，因此在圖中看不見。
如果需要，也可以淀積除了鋁或銀以外的其它歐姆接觸金屬來形成這里所講的正和負歐姆接觸區(qū)，例如用鈦/鈀/銅三層結(jié)構(gòu)或絲網(wǎng)印刷銀作為接觸層。
關(guān)于使用減反射膜(AR)，通常在被照的正表面的最外面有一層或幾層減反射膜，但為了清楚起見，圖1-圖7中未表示出來。對于本設(shè)計，AR膜可能是可選的，如上所述，由于結(jié)構(gòu)化或結(jié)構(gòu)化與鈍化氧化層的結(jié)合足以起到減反射的作用，因此不需要減反射膜。然而，可以使用由等離子體增強化學(xué)汽相淀積(PECVD)生成的氮化硅減反射膜或常壓化學(xué)汽相淀積(APCVD)生成的二氧化鈦減反射膜。如果表面沒有氧化層存在或氧化層非常薄，在淀積AR膜前也可以進行氫離子注入(用來改進少數(shù)載流子擴散長度)。
圖8表示的是用切克拉斯基硅片作為初始基片制成的鋁合金結(jié)叉指狀背接觸(IBC)太陽電池120。這些電池用來說明背接觸結(jié)構(gòu)中鋁合金結(jié)的使用。鋁是由電子束蒸發(fā)而不是由絲網(wǎng)印刷淀積上的。負電極不是用陽極氧化或其它工藝自對準的，而是用制造集成電路用的接觸對中設(shè)備將負電極相對于鋁-硅低共熔體正電極人工對中。
硅襯底片是單面拋光的，直徑3英寸，13-17密耳厚，磷摻雜到3-20Ω-cm，使用(111)面。在兩個片子(用CZ-7和CZ-8表示)的拋光面上加工測試結(jié)構(gòu)和太陽電池。圖8表示的是其中一個片子的背面。正表面(圖8中看不到)有磷擴散層和減反射膜(AR)95(見圖10和圖12)。不算用作負電極的寬2mm寬的主柵線112，八個太陽電池的每一個都是1平方厘米大。這八個電池在下面的表2和表3中用形成負接觸電極的n+叉指條數(shù)(4，8，16和25)及電池的位置(內(nèi)部(I)或外圍(P))來表示。四個位于內(nèi)部的電池只有低共熔合金與p+區(qū)接觸，而四個位于外部的電池的低共熔合金上淀積有第二層金屬。CZ-8片得到的結(jié)果較好，所以只敘述這個片子的工藝及測試結(jié)果。
用于制造IBC電池的CZ-8片的工藝總結(jié)如下表。這個工藝的一個值得注意的特點是背面的鋁合金結(jié)和在整個正表面及在鋁電極間裸露的背表面形成的磷摻雜n+層是共用一個高溫工序完成的。用光刻刻出蒸發(fā)上的鋁的圖形及給作為負電極的第二層金屬定位。圖9是這種鋁合金結(jié)IBC太陽電池的背面圖，而圖10-圖12是其截面圖。
表1CZ-片的制造工藝工序內(nèi)容材料 厚度 工藝1淀積鋁(在拋光面)Al 3μm 蒸發(fā)2制作圖形(掩模1) AZ1350J 1.5μm 噴涂，帶式爐烘烤3去鋁Al 3μm 刻鋁4在正面及背面(鋁上) P-5070.3μm 印刷液態(tài)摻雜源涂敷液態(tài)磷摻雜源5在背面生成p+區(qū) Al 3μm 快速熱處理(合金)及在正面和背0.3μm (1000℃，30秒)面生成n+區(qū) P-5076制作圖形(掩模3) AZ1350J 1.5μm 旋轉(zhuǎn)，加熱板烘烤7淀積金屬(在拋光面) Ti/Al500埃/0.5μm 蒸發(fā)8制作接觸電極 n/a n/a 剝除9保護正面擴散層 蠟 任意 用加熱板熔化10刻蝕電極之間的硅 n+Si1.5μm 50∶1 HNO3∶HF，2分鐘11涂敷減反射膜 TiO2750埃旋轉(zhuǎn)(2500rpm，30秒)12烘烤減反射膜 TiO2750埃450℃，空氣有關(guān)CZ- 8工藝的一些說明合金/n+擴散工藝包括在快速熱處理工藝(RTP)設(shè)備中的逐步降溫過程(約50℃/分，從1000℃降至825℃)；在用1000℃的快速熱處理工藝同時形成p+和n+區(qū)之前在鋁上印刷液態(tài)磷摻雜源沒有明顯的害處；對于1000℃，30秒的快速熱處理工藝，用掃描電鏡測量剖面得出的p+區(qū)深度為5μm；1000℃，30秒快速熱處理后測出的n+正表面的薄層電阻為25Ω/□；未用掩模2，因為只是某些測試圖形需要用它，IBC電池不用；剝除工藝限制n+表面接觸的鈦/鋁厚為0.55μm；在正電極(低共熔體)和負電極(鈦/鋁)間若沒有刻蝕n+硅，p-n結(jié)會被嚴重地旁路。
表2涂敷減反射膜前光照(AM1.5，100mW/cm2，正面光照)下I-V數(shù)據(jù)片號 電池編號 Jsc Voc填充因子 效率(mA/cm2) (V) ％CZ-84I 22.40.5160.6117.07CZ-88I 19.90.5220.6216.45CZ-816I 19.60.5180.5815.90CZ-825I 20.60.5100.5806.08表3涂敷減反射膜后光照(AM1.5，100mW/cm2，正面光照)下I-V數(shù)據(jù)片號 電池編號 Jsc Voc填充因子 效率(mA/cm2) (V) ％CZ-84I 27.60.5150.6359.01CZ-88I 24.20.5150.6918.61CZ-816I 23.60.5100.6958.35CZ-825I 23.50.5050.7168.50注意背接觸太陽電池取得的效能，因而展示了所描述的結(jié)構(gòu)的壽命。測量得到的光-電能量轉(zhuǎn)換效率高達9％。期望進一步改進基體材料和加工工藝，以使效率提高到如目前所證明的效率的一倍。
盡管以上全面、完整地介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，然而還可以采用各種改進，替代結(jié)構(gòu)和等效方案。例如，盡管描述了優(yōu)選實施方式一直用鋁來形成P型擴散和歐姆接觸電極，然而其它III族金屬，例如鎵和銦都可用于此目的。合適的III族元素會溶解硅，并且當硅凝固時在其中保存少量而成為摻雜劑。此外，雖然描述優(yōu)選實施方式時一直用n型體硅層10，然而也可用p型體硅制造背接觸太陽電池。用p型體硅層時，在頂面形成一個p+薄層20，但是在體層10的底面形成n+層。在p型實施方式中，少數(shù)載流子是電子，熟悉本技術(shù)的人很看重這一點。因此本發(fā)明的范圍不僅限于以上的描述和說明，附加的權(quán)利說明書中將限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.背接觸太陽電池，包括有正表面和背表面的第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體本體層；在所述的本體層中靠近所述的背表面形成的多個間隔開的相反導(dǎo)電類的摻雜半導(dǎo)體區(qū)以及由此形成的多個半導(dǎo)體結(jié)；第一組間隔開的歐姆接觸電極，它們沿著所述背表面排列并和所述的多個間隔開的摻雜半導(dǎo)體區(qū)相連接；第二組歐姆接觸電極，它們在所述的第一組歐姆接觸電極之間的間隙中，和所述的本體層的所述的背表面相連接；及用來將所述的第一組間隔的歐姆接觸電極與所述的第二組歐姆接觸電極電隔離開的絕緣設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的第一組歐姆接觸電極以基本相互平行的導(dǎo)電條形式存在。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的太陽電池，其中，所述的導(dǎo)電條在一端連接在一起形成主柵線接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的半導(dǎo)體本體層的厚度不超過所述的第一種導(dǎo)電類型的少數(shù)載流子的擴散長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的本體層是n型硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的太陽電池，其中，所述的n型硅是枝狀帶硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的第一組間隔開的歐姆接觸電極由所述的本體層半導(dǎo)體材料和III族金屬形成的合金構(gòu)成，該III族金屬包括用于所述的多個間隔開的摻雜半導(dǎo)體區(qū)域的受主摻雜劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的太陽電池，其中，所述的III族金屬選自于由鋁，鎵，銦構(gòu)成的組中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的絕緣設(shè)備包括覆蓋著第一組歐姆接觸電極的絕緣層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，還包括在所述正表面上的減反射膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的本體層由n型材料構(gòu)成，所述的正表面和背面最初是n+摻雜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的第二組歐姆接觸電極由選自銀，鋁，銅，鈦和鈀構(gòu)成的組中的歐姆金屬構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽電池，其中，所述的正表面或背表面中至少一個表面被結(jié)構(gòu)化以增加所述本體層對光線的捕獲。
14.具有自對準歐姆接觸電極的制造背接觸太陽電池的方法，包括以下步驟(a)提供第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體本體層，所述的本體層有正表面和背表面；(b)在所述背表面的所述的本體層中形成多個相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體擴散區(qū)；(c)用歐姆接觸金屬材料在所述的背表面為所述的擴散區(qū)形成第一組間隔開的歐姆接觸電極；(d)將所述的第一組歐姆接觸電極在它們之間的間隙處電絕緣；及(e)用歐姆接觸金屬材料在所述的背表面上所述的間隙里形成第二組歐姆接觸電極，所述的第二組歐姆接觸電極與所述的第一組歐姆接觸電極是電絕緣的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的步驟(a)中提供的是n型硅。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中所述的步驟(a)中提供的是在正表面上具有n+表面擴散層的n型硅。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中所述的步驟(a)中提供的是在正表面和背表面上都具有n+表面擴散層的n型硅。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中所述的步驟(b)和步驟(c)是同時進行的。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的步驟(b)和(c)是同時進行的在所述的本體層的背表面上的III族金屬層上制作出圖形，加熱背表面及與所述的本體層相鄰的內(nèi)部區(qū)域，至少使在所述內(nèi)部區(qū)域中的本體材料和所述的制作出圖形的III族金屬層形成合金，再讓合金冷卻，以使所述的由III族金屬形成的擴散區(qū)成為受主摻雜，并使保留在背表面的冷卻后的合金形成第一組接觸電極。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的制作出圖形的那層由III族金屬和本體層材料的混合物構(gòu)成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的混合物由鋁和硅構(gòu)成。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的制作出圖形的那層由多個單獨的條構(gòu)成。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的條基本上是相互平行的。
24.根據(jù)權(quán)利要求19的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的制作出圖形的那層是用絲網(wǎng)印刷做的。
25.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的電隔離步驟(d)是這樣進行的在所述的第一組歐姆接觸電極上及它們之間的間隙中形成絕緣層，再選擇性地從所述的本體層的所述背表面上除去所述的間隔中的那部分所述的絕緣層，以使所述的絕緣層基本上只覆蓋著所述的第一組歐姆接觸電極，而其間隙是裸露的。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的選擇性除去的步驟包括刻蝕所述的間隙上所述的那部分絕緣層的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的刻蝕步驟是用化學(xué)方法刻蝕。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的刻蝕步驟是反應(yīng)離子刻蝕。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的選擇性除去的步驟包括對那部分所述間隙上的所述的絕緣層進行砂磨的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求25的背接觸太陽電池的制造方法，其中，所述的選擇性除去的步驟包括離子銑削所述那部分間隙上的所述的絕緣層的步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中，還包括在所述的本體層上所述的正表面和背表面中至少一面結(jié)構(gòu)化的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求14的背接觸太陽電池的制造方法，其中，還包括在所述正表面涂敷減反射膜的步驟。
全文摘要
太陽電池設(shè)計和制造方法，主要使用n型摻雜硅和鋁來形成p-n結(jié)背接觸太陽電池。鋁合金結(jié)位于電池的背面，因此把鋁的長處和背接觸電池的優(yōu)點結(jié)合起來了。該方法包括如下特點表面結(jié)構(gòu)化，正背表面場少數(shù)載流子鏡，表面鈍化，使用鋁接觸電極作為光反射器，因相鄰的n
文檔編號H01L31/068GK1158011SQ9611448
公開日1997年8月27日 申請日期1996年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月22日
發(fā)明者丹尼爾·L·邁耶 申請人:埃伯樂太陽能公司