專利名稱:改進的光生伏打電池及其生產(chǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及光生伏打裝置,具體地說,涉及包括諸如單晶或多晶硅薄層之類的半導(dǎo)體材料薄層的光生伏打裝置。更具體地說,本發(fā)明涉及包括單晶或多晶硅半導(dǎo)體材料的光生伏打裝置。包括單晶或多晶硅的摻雜晶片的這些裝置把光能轉(zhuǎn)換成電能。
背景技術(shù):
這些光生伏打裝置,也稱作光生伏打電池,用來把光能轉(zhuǎn)換成電能。光生伏打電池能用來產(chǎn)生能量(太陽電池),或者它們能在其它裝置中用作光電探測器元件。光生伏打電池是一種可更新的能源。然而,它們的使用受到其電力輸出的限制。典型地,多個光生伏打電池排列在一個或多個面板或模塊中,以便產(chǎn)生希望的商業(yè)或消費用途所需要的足夠功率。具有較高效率的光生伏打電池導(dǎo)致具有較大電功率輸出的模塊。因此,必須能夠產(chǎn)生大量高效的光生伏打電池。非常希望的是,能夠降低這樣的光生伏打裝置的制造成本、增大其光轉(zhuǎn)換效率、或?qū)崿F(xiàn)這兩者。本發(fā)明的光生伏打電池與傳統(tǒng)生產(chǎn)的電池相比效率高,并且本發(fā)明的工藝允許比傳統(tǒng)生產(chǎn)的光生伏打電池更容易地生產(chǎn)這些高效電池。
大多數(shù)光生伏打電池由單晶或多晶硅構(gòu)造。一般使用硅,因為由于其在微電子工業(yè)中的使用它容易以合理的成本得到,并且因為它對于構(gòu)造光生伏打電池的用途具有適當(dāng)平衡的電氣、物理及化學(xué)性能。在光生伏打電池的制造期間,硅摻雜有一種正或負(fù)導(dǎo)電型摻雜物,并且通過在現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種方法通常以晶片或晶帶形式被典型地切成薄的基片。貫穿本申請,把諸如晶片之類的基片的、面對入射光的表面叫做前表面,并且把與前表面相反的表面稱作后表面。按照習(xí)慣,正導(dǎo)電型通常叫做“p”,并且負(fù)導(dǎo)電型通常叫做“n”。在本申請中,“p”和“n”僅用來指示相反的導(dǎo)電類型。在本申請中,“p”和“n”分別指正和負(fù),但也能分別指負(fù)和正。對于光生伏打電池工作的關(guān)鍵在于p-n結(jié)的創(chuàng)建,通常通過進一步摻雜硅基片的前表面以由摻雜硅基片形成一個相反導(dǎo)電型的層而形成。這樣一個層通常稱作發(fā)射層。在p摻雜基片的情況下,發(fā)射層通過使前表面摻雜有n型摻雜物而形成。p-n結(jié)是在p摻雜區(qū)域與n摻雜區(qū)域之間的界面。p-n結(jié)使電子-空穴對響應(yīng)入射光子而遷移,這種遷移引起跨過基片晶片的前和后表面的電位差。
光生伏打電池的構(gòu)造一般從p摻雜基片開始。典型地為晶片形式的基片然后暴露于一種n摻雜物,以形成發(fā)射層和p-n結(jié)。典型地,通過使用在現(xiàn)有技術(shù)中通常采用的技術(shù),如噴涂、自旋、化學(xué)氣相淀積、或其它淀積方法,把一種n摻雜物淀積到基片的表面上而形成n摻雜層。在n摻雜物在基片表面上的淀積之后,n摻雜物被驅(qū)入硅基片的表面中,以把n摻雜物進一步擴散到基片表面中。這個“驅(qū)入”步驟通常通過把晶片暴露于熱量,常常與包括氧氣、氮氣、蒸汽、或其組合物相組合,而完成。n摻雜層通常稱作發(fā)射層。
p-n結(jié)形成在n摻雜層與p摻雜硅基片之間的邊界區(qū)域處。要求p-n結(jié)允許電荷載體響應(yīng)入射光而遷移。理想地,發(fā)射層限于設(shè)計成向入射光定向的晶片的表面,該表面稱作前表面,并因此,p-n結(jié)僅接近前表面。然而,在實際中,摻雜也出現(xiàn)在晶片的邊緣和相反表面(后表面)上。這生成一個覆蓋晶片的整個表面的發(fā)射層、和一個靠近晶片的整個表面的p-n結(jié),從該p-n結(jié)不能引出電流。因此必須電氣隔離前和后結(jié)。能掩蔽晶片,從而發(fā)射層僅形成在晶片的選擇表面上。然而,這樣的掩蔽需要另外的時間、材料、及處理,特別是如果在以后必須除去。便利的是,如果這樣一個掩蔽步驟能消除或與另一個工藝步驟相結(jié)合。
授予Micheels等的美國專利No.5,082,791公開了使用準(zhǔn)分子激光器來隔離前p-n結(jié)。Micheels等使用準(zhǔn)分子激光器在基片的后表面上形成一個溝槽。該溝槽比n摻雜層深,并且沿后表面的整個周緣以離開后表面的邊緣的固定距離延伸。
授予Avery等的美國專利No.4,158,591公開了一種通過從基片的邊緣除去p-n結(jié)而不除去前和后p-n結(jié)以電氣隔離前p-n結(jié)的方法,該專利包括在這里以供參考。通過除去邊緣p-n結(jié)的前p-n結(jié)隔離通常稱作“邊緣結(jié)隔離”。由Avery等公開的邊緣結(jié)隔離方法已經(jīng)稱作“硬幣疊置(coin stacking)”。在硬幣疊置工藝中,光生伏打電池被面對面地疊置,并且除去邊緣。通過等離子蝕刻、通過濕式化學(xué)蝕刻、通過物理磨削或其它已知方法能除去邊緣。授予Ruby等的美國專利No.4,158,591描述了一種通常用來構(gòu)造光生伏打電池的工藝,該專利包括在這里以供參考。由Ruby等描述的工藝包括一個由硬幣疊置工藝完成的邊緣結(jié)隔離步驟。
硬幣疊置方法的使用在與用來隔離前p-n結(jié)的以前方法相比時,導(dǎo)致低成本和較高的生產(chǎn)率,但也具有幾個缺點。晶片的實際疊置能使某些晶片被損壞。便利的是,使硅基片的厚度最小,因為硅基片是光生伏打電池的成本和尺寸的主要部分。不幸的是,硬幣疊置方法顯著限制晶片的厚度。當(dāng)晶片厚度減小時,在硬幣疊置期間損壞的晶片比例增大。結(jié)果,硬幣疊置限制了通過較薄晶片的使用可實現(xiàn)的成本節(jié)省。硬幣疊置方法的另一個缺點在于,它減小了光生伏打電池的前表面的面積。理想地,邊緣結(jié)的除去僅導(dǎo)致n摻雜區(qū)域的除去。然而,在實際中,從邊緣也除去某一另外的深度。典型地,前表面的有用表面面積減小約2%,導(dǎo)致光生伏打電池能量輸出的對應(yīng)2%減小。
光生伏打電池的效率由電池把入射光能量轉(zhuǎn)換成電能的能力確定。已經(jīng)開發(fā)了對光生伏打電池的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)的幾種修改,以增大轉(zhuǎn)換效率。包括在這里以供參考的、Martin A.Green,Photovoltaics SpecialResearch Center,University of New South Wales的Crystalline SiliconSolar Cells的第4章討論了增大電池效率的光生伏打電池發(fā)展,包括織構(gòu)的使用、抗反射涂層、表面鈍化、及后表面場。
光生伏打電池的織構(gòu)減小由光生伏打電池表面對入射光的反射。通過減少反射,更多的入射光適于由光生伏打電池轉(zhuǎn)換??棙?gòu)典型地通過化學(xué)蝕刻并且特別是通過硅基片的各向異性蝕刻而完成??狗瓷渫繉舆M一步減小在光生伏打電池表面處入射光的反射??狗瓷渫繉拥湫偷赝ㄟ^在晶片上形成一個氧化物或氮化硅層而涂敷。
表面鈍化通過減小在光生伏打電池表面處的電子活性而增大光生伏打電池的效率。表面鈍化的幾種方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的,包括氧化物或氮化硅涂層的使用。
后表面場增大光生伏打電池的效率。后表面場對于具有薄基片的光生伏打電池是特別希望的。具有薄基片的光生伏打電池具有多種好處,包括材料需求減少、成本低及重量輕,但也呈現(xiàn)出效率的減小,一般歸因于到電池后表面的少數(shù)電荷載體的擴散的增加。后表面場減小少數(shù)載體的這種擴散,并且增大由多數(shù)載體產(chǎn)生的電流。授予Schlosser等的、包括在這里以供參考的美國專利No.5,899,704公開了一種創(chuàng)建一個后表面場的方法。一般地說,通過在后表面處包括一個薄層創(chuàng)建一個后表面場,該薄層大量摻雜有一種與發(fā)射層相反的導(dǎo)電類型的摻雜物。
需要有一種具有高效率的光生伏打電池和優(yōu)選地能以低成本構(gòu)造的光生伏打電池。更具體地說,需要有一種隔離硅或其它半導(dǎo)體基片的前p-n結(jié)而沒有硬幣疊置方法的增加電池?fù)p壞的光生伏打電池制造工藝。也需要有一種允許通過薄晶片使用較少硅的光生伏打電池制造工藝。本發(fā)明的工藝提供這樣一種電池和工藝。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于一種光生伏打裝置或光生伏打電池,包括一個基片,適當(dāng)?shù)靥幱诰男问?,包括摻雜有第一摻雜物的硅,并且具有一個前表面、一個未織構(gòu)的或基本上光滑的后表面、至少一個邊緣表面;一個第一層,在前表面上和在至少一個邊緣表面處包括導(dǎo)電類型與第一摻雜物相反的第二摻雜物;并且具有一個表面涂層,布置在前表面上。優(yōu)選地,表面涂層也布置在至少一個邊緣表面上,并且優(yōu)選地在后表面的周緣上。本發(fā)明也在于一種光生伏打裝置,包括一個基片,適當(dāng)?shù)靥幱诰男问?,包括摻雜的硅,具有一個基本上沒有p-n結(jié)的后表面,并且具有一個靠近一個前表面的p-n結(jié)、和至少一個邊緣表面;并且具有一個表面涂層,布置在前表面上。優(yōu)選地,表面涂層也布置在至少一個邊緣表面上,并且優(yōu)選地在后表面的周緣上。表面涂層優(yōu)選地包括氮化硅。光生伏打裝置的前表面能選擇性地織構(gòu)。優(yōu)選地,后表面沒有或基本上沒有第二摻雜物??蛇x擇地,光生伏打裝置還包括后表面場。本發(fā)明的光生伏打電池可用于把光能例如太陽能轉(zhuǎn)換成電能。本發(fā)明的光生伏打電池也可用作在光敏裝置中的傳感器或探測器元件。本發(fā)明的光生伏打電池高效,并且比其它工業(yè)生產(chǎn)的光生伏打電池更容易生產(chǎn)。
本發(fā)明也在于一種包括本發(fā)明的光生伏打裝置或電池的光生伏打模塊。
本發(fā)明也在于一種使用一個適當(dāng)?shù)靥幱诰问降摹ü璨⑶覔诫s有第一摻雜物的基片來制造光生伏打裝置或光生伏打電池的工藝,該工藝包括步驟在基片上形成第一層,第一層包括導(dǎo)電類型與第一摻雜物相反的第二摻雜物;形成布置在基片上的表面涂層,優(yōu)選地從而基片的后表面沒有或基本上沒有表面涂層;及從后表面除去第二摻雜物,從而后表面沒有或基本上沒有第二摻雜物。優(yōu)選地,表面涂層包括氮化硅。優(yōu)選地,該工藝還包括形成后表面場的步驟。從后表面除去第二摻雜物從而后表面沒有或基本上沒有第一摻雜物的步驟優(yōu)選地包括化學(xué)蝕刻基片??蛇x擇的是,優(yōu)選地通過化學(xué)蝕刻,基片能被織構(gòu)并且能從后表面便利地除去織構(gòu),從而后表面不被織構(gòu)或者基本上是光滑的。
本發(fā)明也在于一種使用一個適當(dāng)?shù)靥幱诰问降摹ü璨⑶覔诫s有第一摻雜物的基片來制造光生伏打裝置的工藝,該工藝包括靠近基片的整個表面形成p-n結(jié);形成一個布置在基片上的表面涂層,從而后表面保持沒有或基本上沒有表面涂層;及從后表面除去p-n結(jié),從而后表面沒有或基本上沒有p-n結(jié)。優(yōu)選地,表面涂層包括氮化硅。優(yōu)選地,該工藝還包括形成后表面場的步驟。從后表面除去p-n結(jié)從而后表面沒有或基本上沒有p-n結(jié)的步驟優(yōu)選地包括化學(xué)蝕刻基片。可選擇的是,優(yōu)選地通過化學(xué)蝕刻,基片能被織構(gòu)并且能從后表面便利地除去織構(gòu),從而后表面不被織構(gòu)或者基本上是光滑的。
本發(fā)明的工藝克服在用來制造光生伏打電池的現(xiàn)有技術(shù)工藝中的限制,并且簡化高效光生伏打電池的生產(chǎn)。
圖1表示按照本發(fā)明的工藝制造的本發(fā)明的一種光生伏打電池的一個實施例示意橫斷面圖。
具體實施例方式
在本發(fā)明的一個實施例中,使用包括硅、典型地處于晶片或晶帶形式的硼摻雜基片構(gòu)造光生伏打電池?;馨▎尉Ч?,并且基片能包括多晶硅。如這里使用的那樣,“硅”包括單晶硅和多晶硅,除非特意標(biāo)注。如果希望,則一層或多層另外的材料例如鍺可以布置在基片表面上,或者包括在基片中。如這里使用的那樣,“布置在…上”不限于一個層直接在它布置在其上的物體或區(qū)域上并且與該物體或區(qū)域相接觸。其它的插入材料或?qū)涌赡艽嬖?。盡管硼廣泛地用作p型摻雜物,但其它p型摻雜物例如鎵或銦也可以。
晶片典型地通過切片硅錠、汽相淀積、液相外延或其它已知方法得到。切片能通過內(nèi)徑刀片、連續(xù)金屬絲或其它已知的鋸片方法。盡管基片能切成任何整體扁平的形狀,但晶片的形狀典型地是圓的或準(zhǔn)正方形的?!皽?zhǔn)正方形”是指通常具有圓角的基本為正方形的形狀。本發(fā)明的典型地處于晶片形式的基片典型地小于約400微米厚。本發(fā)明的基片能小于約200微米厚,優(yōu)選地小于150微米厚,更優(yōu)選地小于100微米厚,及最優(yōu)選地小于50微米厚。典型地,它們至少約10微米,更優(yōu)選地20微米厚。圓形和偽正方形基片典型地由直徑在100mm至200mm范圍內(nèi)的圓柱形硅塊切成。作為比較,在硬幣疊置工藝中使用的基片如果小于約200微米厚則經(jīng)歷顯著的損壞,并且有效地限制成大于200微米厚。
基片典型地被清潔,以除去任何表面碎屑和切削損壞。典型地,這包括把基片放置在一個濕式化學(xué)制品槽中;例如,溶液包括堿和過氧化物混合物、酸和過氧化物混合物、NaOH溶液、或在現(xiàn)有技術(shù)中已知和使用的幾種其它溶液的任何一種。需要的溫度和時間取決于使用的具體溶液,例如,25wt%(重量百分比)至35wt%的含水NaOH溶液能在約75至95℃范圍內(nèi)的溫度下使用約20至約70秒。
可選擇的是(特別是對于單晶基片),通過例如晶面的各向異性蝕刻能織構(gòu)基片。織構(gòu)通常處于從基片表面凹下或凸出的棱錐形狀的形式。棱錐形狀的高度或深度典型地從約4至約7微米。對于典型的<100>定向基片,在升高溫度下的低濃度含水NaOH溶液能用來各向異性地蝕刻<100>平面,在棱錐形狀的突起中露出<111>平面。如在本申請中使用的那樣,“低濃度”溶液優(yōu)選地是指小于7wt%的溶質(zhì)濃度。這里所使用的“升高溫度”優(yōu)選地是指大于約80C的溫度。在這樣的條件下,例如,基片放置在溶液中約10至30分鐘。
典型地通過使基片摻雜有一種n型摻雜物形成一個發(fā)射層。n-摻雜能通過把n摻雜物淀積到基片上并且然后加熱基片以把n摻雜物“驅(qū)”入基片中而完成。氣體擴散能用來把n摻雜物淀積到基片表面上。然而,也能使用其它方法,如離子注入,固態(tài)擴散、或在現(xiàn)有技術(shù)中使用的其它方法,以創(chuàng)建一個n摻雜層和靠近基片表面的一個淺p-n結(jié)。磷是一種優(yōu)選的n摻雜物,但任何適當(dāng)?shù)膎摻雜物能單獨或組合地使用,如砷、銻或鋰。典型地,多個基片能放置在一個托盤中,從而把基片的前和后表面及邊緣暴露于n摻雜物。使用這種方法,沿基片的所有表面形成在n摻雜工藝中創(chuàng)建的發(fā)射層和p-n結(jié)。
在前表面處的n摻雜層的深度典型地大于約0.1微米,優(yōu)選地大于約0.2微米,并且典型地小于約0.5微米,優(yōu)選地小于約0.3微米。在前表面處的發(fā)射層的表面摻雜物濃度優(yōu)選地大于約1018原子/cm3,更優(yōu)選地大于約1019原子/cm3。在前表面處的發(fā)射層的表面摻雜物濃度能高到飽和,但典型地小于約1022原子/cm3,更優(yōu)選地小于約1021原子/cm3,發(fā)射層的表面摻雜物濃度最優(yōu)選地是約1020原子/cm3。n摻雜工藝典型地在晶片的表面上創(chuàng)建一個氧化硅層。氧化硅能起一個抗反射涂層的作用,并且起一種表面鈍化劑的作用;然而,能便利地除去氧化硅層而采用諸如氮化硅涂層和后表面蝕刻。氧化硅能通過例如在濕式化學(xué)制品槽中的化學(xué)蝕刻除去,典型地是在環(huán)境溫度下的低濃度HF溶液約10至約40秒。
一個表面涂層或膜涂敷到基片上。表面涂層在發(fā)射層的創(chuàng)建之后涂敷,并且布置在前表面并且優(yōu)選地為邊緣表面處的發(fā)射層上,并且更優(yōu)選地布置在邊緣表面上和后表面的周緣上。表面涂層在后表面蝕刻期間掩蔽前表面,優(yōu)選地為邊緣,及更優(yōu)選地為后表面的邊緣和周緣,并且優(yōu)選地供給如下功能的一種或多種抗反射涂層、表面鈍化、及體積鈍化。優(yōu)選地,氫被捕獲在這樣一個氮化硅表面涂層中。然而,表面涂層能是能起掩模作用的任何涂層、膜或者諸個涂層或諸個膜的組合,并且優(yōu)選地供給以上功能的一種或多種。能用作表面涂層的其它可能物質(zhì)包括氧化鉭、二氧化硅、及氧化鈦。任何這樣的涂層、膜及電介質(zhì)的組合也能用作一種表面涂層。
表面涂層典型地使用等離子體增強化學(xué)氣相淀積或在現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它技術(shù)涂敷,如大氣化學(xué)氣相淀積(APCVD)、熱氧化、膏、墨水、或溶膠凝膠的絲網(wǎng)印刷等。表面涂層被涂敷,從而使它布置在基片的前表面和優(yōu)選地邊緣上,優(yōu)選地通過貼著一塊板放置基片的后表面。這可以通過把多個基片水平地放置在一個托盤或板上完成?;材茇Q直或傾斜地放置,從而使后表面貼著一個扁平表面;例如,一塊石墨板?;暮蟊砻姹3譀]有或基本上沒有表面涂層?!盎旧蠜]有表面涂層”是指布置在后表面上的表面涂層被限制到后表面的周緣;例如,離基片的邊緣小于約5mm。布置在基片的前表面上的表面涂層優(yōu)選地是氮化硅,并且優(yōu)選地大于約65納米,更優(yōu)選地大于約70納米,最優(yōu)選地大于約72納米;并且優(yōu)選地小于約120納米,更優(yōu)選地小于100納米,最優(yōu)選地小于約77納米厚。
在表面涂層被涂敷之后,基片經(jīng)受后表面蝕刻,以從未涂敷部分后表面除去p-n結(jié)和如果存在的織構(gòu)。表面涂層起用于前表面,優(yōu)選地還有邊緣,更優(yōu)選地邊緣和后表面周緣,的掩模的作用,并因此限制對于基片的未涂敷部分的蝕刻。后表面蝕刻一般通過把基片放置在化學(xué)制品槽中而完成,以從后表面除去n摻雜區(qū)域。使用的化學(xué)制品的類型、槽的溫度及基片保持在槽中的時間取決于用于基片的材料。例如,對于單晶或多晶硅,能使用在從約80℃至約92℃的范圍內(nèi)的溫度下的30wt%含水NaOH槽。單晶硅基片例如暴露于槽約80秒至約100秒。多晶硅基片一般暴露于槽更長的時間段,例如至少約3分鐘和高到例如約6分鐘。在一個溫度下和在一個時間段內(nèi)能使用能夠除去后表面的n摻雜區(qū)域的任何蝕刻,并且優(yōu)選地為化學(xué)蝕刻,這種蝕刻實現(xiàn)后表面的n摻雜區(qū)域的除去,而沒有表面涂層的顯著退化?!皼]有顯著退化”是指表面涂層保持布置在前表面上,優(yōu)選地也在邊緣上,并且優(yōu)選地在基片的后周緣上。
在從后表面除去p-n結(jié)的蝕刻之后,在清洗和干燥晶片之前,基片能用另一種化學(xué)蝕刻清潔,例如HF的4wt%溶液。后表面蝕刻導(dǎo)致未被織構(gòu)或基本光滑的后表面。如這里使用的那樣,“基本光滑”的后表面優(yōu)選地是指,除其上布置一個表面涂層的后表面的部分,如果有的話,之外,后表面未被織構(gòu)。這里所使用的“未被織構(gòu)”優(yōu)選地是指在基片表面上沒有峰或谷;例如,沒有各向異性蝕刻表面外形,或者作為進一步的例子,具有與各向同性蝕刻相一致的表面外形。后表面蝕刻也導(dǎo)致沒有或基本上沒有n摻雜物并且沒有或基本上沒有p-n結(jié)的后表面。如這里使用的那樣,“基本上沒有n摻雜物”優(yōu)選地是指,除n摻雜物可能仍然在其上布置一個表面涂層的后表面的部分處存在之外,已經(jīng)從后表面蝕刻掉n摻雜物。在蝕刻之后,某種n摻雜物能以顯著減小的表面濃度存在于后表面的未掩蔽區(qū)域中;例如,表面濃度小于約1015原子/cm3,優(yōu)選地小于約1013原子/cm3,更優(yōu)選地小于約1011原子/cm3。如這里使用的那樣,“靠近后表面基本沒有p-n結(jié)”是指,靠近其上沒有布置表面涂層的后表面的部分的p-n結(jié)被除去,或者由于n摻雜物的減小濃度使之無效,例如,n摻雜物的后表面濃度小于約1015原子/cm3,優(yōu)選地小于約1013原子/cm3,更優(yōu)選地小于約1011原子/cm3,其中“原子”是摻雜物的原子。
前和后觸點然后被涂敷到基片上。典型地,觸點處于放置在前和后表面上或放置到它們中的導(dǎo)電金屬的形式。使用照相平版印刷法、通過激光開槽和化學(xué)鍍方法、絲網(wǎng)印刷、或提供分別與前和后表面的良好歐姆接觸從而電流能從光生伏打電池引出的任何其它方法,能創(chuàng)建觸點。典型地,觸點以圖樣或圖案存在,例如以柵格、指狀物、線等存在,并且不覆蓋整個前或后表面。觸點使用一種導(dǎo)電金屬膏例如銀膏,優(yōu)選地絲網(wǎng)印刷到基片上。觸點典型地絲網(wǎng)印刷到一個表面上,使之干燥及然后印刷在相反表面上。在涂敷觸點之后,基片被燒制,典型地在從約800至約950℃的溫度下,以把觸點韌化到基片上。用來把觸點添加到用于光生伏打電池的晶片基片上的方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。例如,見美國專利4,726,850和4,748,130,這些專利包括在這里以供參考,并且這些專利公開了用來埋入觸點的方法。
優(yōu)選地,本發(fā)明的工藝包括一個后表面場的形成,以增大光生伏打電池的效率。后表面場優(yōu)選地與后觸點的形成同時形成。然而,它能在形成觸點之前或之后形成。通過在基片的后表面的至少一部分處形成一個p+層,能產(chǎn)生后表面場。p+層是一個大量摻雜有p型物質(zhì)的層。我們用“大量摻雜”優(yōu)選地指,摻雜是比基片的p摻雜顯著大的摻雜。層的深度典型地等于或小于發(fā)射層的深度,并且優(yōu)選地小于約0.5微米,更優(yōu)選地小于約0.3微米;并且深度優(yōu)選地大于約0.1微米,更優(yōu)選地大于約0.2微米。p+層的峰值摻雜濃度便利地大于約1017原子/cm3,優(yōu)選地大于約1018原子/cm3。p+摻雜濃度能大到飽和點;然而,它優(yōu)選地小于約1020原子/cm3,更優(yōu)選地小于約1019原子/cm3,其中“原子”是摻雜物的原子。
p+層便利地通過把一種物質(zhì)熔合到基片的后表面中而形成。典型地使用鋁,但能使用能夠與基片熔合并且生成一個p+層的任何物質(zhì)。鋁、或其它熔合物質(zhì),像例如硼、鉭或鎵,被淀積到基片的后表面上。鋁或其它熔合物質(zhì)優(yōu)選地使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)涂敷。用來絲網(wǎng)印刷諸如膏之類的材料的方法如以后敘述的那樣在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的?;缓笤谧阋园讶缟纤龅摹⒂脕硇纬蓀+層的鋁或其它物質(zhì)熔合到硅晶片基片的溫度下,優(yōu)選地在約800至約950℃的溫度下,被燒制,由此創(chuàng)建一個后表面場。在本發(fā)明的一個實施例中,前和后觸點被絲網(wǎng)印刷到基片上并且干燥,隨后把鋁絲網(wǎng)印刷到基片的后表面上。優(yōu)選地,鋁被限制到未由后觸點覆蓋的后表面的部分。觸點和鋁然后能在一個燒制步驟中燒制。
可選擇的是,在摻雜之后并且在表面涂層的涂敷之前,可以除去在后表面的周緣處的n摻雜層的部分。這樣的除去能通過使用蝕刻劑、激光劃片、機械劃片、或其它已知的除去方法完成。例如,一種可買到的各向同性硅蝕刻劑膏能通過把蝕刻劑涂敷到后表面的周緣上、把基片加熱到升高溫度、及然后用例如去離子水沖洗基片,用來除去在硅基片的后表面的周緣處的n摻雜層。加熱基片的具體溫度和時間段將取決于使用的具體蝕刻劑。如果布置在后表面周緣上的表面涂層的形成是不可預(yù)計、不均勻、或兩者到了這樣一種程度,以致于不可接收數(shù)量的光生伏打電池不能適當(dāng)?shù)仄鹱饔?,則能包括這個可選擇步驟。例如,如果在自動制造過程中,在后表面周緣上布置的表面涂層的變化大于下游設(shè)備的容差,則能添加該可選擇步驟。
這種工藝和生成的光生伏打電池的一個好處起因于消除了邊緣結(jié)隔離步驟。這種工藝導(dǎo)致在邊緣結(jié)隔離步驟中被損壞的電池更少,并且也允許比在采用“硬幣疊置”步驟的工藝中能有效使用的晶片薄的硅晶片的使用。本發(fā)明的方法避免了由邊緣結(jié)隔離步驟造成的前表面的表面面積的減少。因而,本發(fā)明的優(yōu)選光生伏打電池不具有被處理以除去p-n結(jié)的邊緣。本發(fā)明的光生伏打電池能具有比使用相同初始基片尺寸和采用邊緣結(jié)隔離步驟制造的光生伏打電池大至少約2%的前表面面積。因而,本發(fā)明的光生伏打電池能具有一個p-n結(jié)前表面面積,該前表面面積是用來制造電池的基片的前表面的總面積的至少約95%(在前觸點的添加之前),優(yōu)選地是用來制造電池的基片的前表面的總面積的至少約98%,更優(yōu)選地是至少約99%,及最優(yōu)選地是100%。這里所使用的“p-n前表面面積”是指,在添加前觸點之前具有一個鄰近p-n結(jié)的電池的前表面的面積。本發(fā)明的這種工藝也消除了對等離子蝕刻設(shè)備的需要,該設(shè)備典型地用于按照硬幣疊置方法的邊緣結(jié)隔離。
本發(fā)明的方法也避免了在使用激光隔離前p-n結(jié)時涉及的另外處理步驟。而且通過把氮化硅用作既起抗反射層作用又起用于后表面的蝕刻的掩模作用的表面涂層,實現(xiàn)工藝改進。
本發(fā)明的光生伏打電池的另一個好處在于,電池的后表面沒有或基本上沒有任何n摻雜物。利用后表面場的現(xiàn)有技術(shù)的電池把一種典型地為鋁的化合物穿過在后表面上的一個n摻雜層熔合,并且熔合到硅基片中。n摻雜物化合物不被除去,因此與利用相同熔合工藝但具有一個沒有或基本上沒有n摻雜物的后表面的電池相比,生成的后表面場的效力被減小。后n摻雜層的除去增加后表面場的有效性,并且增大生成光生伏打電池的效率。
本發(fā)明的光生伏打電池的又一個好處在于,后表面優(yōu)選地與被織構(gòu)的相反基本上是光滑的。光生伏打電池的效率通過前表面織構(gòu)被改進;然而,織構(gòu)典型地出現(xiàn)在基片的前和后表面上。熟知的是,基本上光滑的、未被織構(gòu)的后表面導(dǎo)致更好的后表面鈍化。本發(fā)明的工藝除去在后表面上的織構(gòu),并且提供便利的基本上光滑的或未被織構(gòu)的后表面質(zhì)量。
圖1表示按照本發(fā)明的一個實施例的電池10的橫斷面。光生伏打電池10包括一種織構(gòu)的、硼摻雜的基片20。織構(gòu)用符號標(biāo)識為26。由磷擴散形成的一個織構(gòu)的、n摻雜層30存在于前表面22,邊緣23、及基本上光滑的后表面24的周緣28上。一個p-n結(jié)32存在于硼摻基片20與n摻雜層30的相交處。一個表面涂層40布置在邊緣23、前表面22、及后表面24的周緣28上的電池的n摻雜層30上。表面涂層40在后表面蝕刻期間掩蔽電池10的邊緣、后表面24的周緣28及前表面22。后表面蝕刻從后表面24除去織構(gòu)和磷。一個p+層34通過把鋁熔合到后表面24上形成在后表面24上。p+層34創(chuàng)建一個后表面場。觸點(未表示)放置在前表面22和后表面24上,以當(dāng)電池暴露于太陽光或其它光源時,從電池引出電流。
不限制本發(fā)明的范圍,通過如下例子表明本發(fā)明的光生伏打電池的一個實施例的便利效率。
例子根據(jù)本發(fā)明的工藝,使用具有150mm的直徑和125mm的直邊寬度的單晶硼摻雜準(zhǔn)正方形硅基片制成光生伏打電池。基片厚度是300微米。在基片的織構(gòu)之后通過磷擴散創(chuàng)建p-n結(jié)。按照本發(fā)明的工藝基片涂有氮化硅,從而在前表面上的氮化硅涂層的厚度是約74至75納米。通過在30wt%含水NaOH槽中在81至91℃的范圍內(nèi)的溫度下把后表面蝕刻約90秒,從基本上所有后表面除去織構(gòu)和磷。通過使用銀膏的絲網(wǎng)印刷方法涂敷前和后觸點。鋁然后被絲網(wǎng)印刷到?jīng)]有銀和沒有氮化硅的后表面的部分上。電池然后在約895℃的溫度下被燒制。這些電池稱作無磷平面后表面場電池(NPPBSF)。生產(chǎn)了128塊NPPBSF電池。
使用具有150mm的直徑和125mm的直邊寬度的單晶硼摻雜準(zhǔn)正方形硅基片也生產(chǎn)比較光生伏打電池(“基準(zhǔn)”電池)?;穸仁?00微米?;鶞?zhǔn)電池以與NPPBSF電池相同的方式和在與其相同的條件下被織構(gòu)和磷摻雜。然后通過使用硬幣疊置方法的等離子蝕刻除去基準(zhǔn)電池的邊緣結(jié)。基準(zhǔn)電池然后涂敷有氮化硅,從而在前表面上的氮化硅涂層的厚度是74至75納米厚。使用與NPPBSF電池相同的圖案通過使用銀膏的絲網(wǎng)印刷涂敷前和后觸點。鋁然后被絲網(wǎng)印刷到?jīng)]有銀和沒有氮化硅的后表面的部分上。電池然后在約895℃的溫度下被燒制。生產(chǎn)了279塊基準(zhǔn)電池。
使用用在25℃下AM1.5頻譜和100mW/cm2測量的標(biāo)準(zhǔn)電池數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的一個100mW/cm2鎢絲光源,測量NPPBSF電池和基準(zhǔn)電池的效率。然后根據(jù)測到的效率分類電池。結(jié)果表示在表1中。
這些結(jié)果表明本發(fā)明的并且按照本發(fā)明的工藝制造的光生伏打電池在把光能轉(zhuǎn)換成電能的效率方面優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.一種光生伏打裝置,包括(a)基片,包括摻雜有第一摻雜物的硅,基片具有一個前表面、一個基本上光滑的后表面、及至少一個邊緣表面;(b)第一層,在前表面處和在至少一個邊緣表面處包括導(dǎo)電類型與第一摻雜物相反的第二摻雜物;及(c)表面涂層,布置在前表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生伏打裝置,其中,表面涂層布置在至少一個邊緣表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光生伏打裝置,其中,表面涂層布置在后表面的周緣上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生伏打裝置,其中,前表面是織構(gòu)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生伏打裝置,其中,后表面沒有或基本上沒有第二摻雜物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光生伏打裝置,還包括后表面場。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光生伏打裝置,其中,后表面場由在后表面至少一部分處的第二層形成,第二層包括與基片相熔合的鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光生伏打裝置,其中,表面涂層包括氮化硅。
9.一種光生伏打模塊,包括權(quán)利要求1的光生伏打裝置。
10.一種光生伏打裝置,包括(a)基片,包括摻雜的硅,基片具有基本上沒有p-n結(jié)的后表面,并且具有一個靠近前表面的p-n結(jié)、和靠近至少一個邊緣表面的p-n結(jié);和(b)表面涂層,布置在前表面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光生伏打裝置,其中,表面涂層布置在至少一個邊緣表面上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光生伏打裝置,其中,表面涂層布置在后表面的周緣上。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光生伏打裝置,其中,前表面是織構(gòu)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光生伏打裝置,其中,后表面基本上是光滑的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光生伏打裝置,還包括后表面場。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光生伏打裝置,其中,表面涂層包括氮化硅。
17.一種使用包括摻雜有第一摻雜物的硅的基片來制造光生伏打裝置的工藝,該工藝包括步驟(a)形成基片的第一層,第一層包括導(dǎo)電類型與第一摻雜物相反的第二摻雜物;(b)形成布置在基片上的表面涂層,從而使基片的后表面沒有或基本上沒有表面涂層;及(c)從后表面除去第二摻雜物,從而使后表面沒有或基本上沒有第二摻雜物。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的工藝,還包括織構(gòu)基片的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的工藝,還包括從后表面除去織構(gòu)從而后表面基本上是光滑的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的工藝,還包括形成后表面場的步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的工藝,其中,表面涂層包括氮化硅。
22.一種使用包括摻雜硅的基片來制造光生伏打裝置的工藝,該工藝包括步驟(a)靠近基片的整個表面形成p-n結(jié);(b)形成布置在基片上的表面涂層,從而后表面保持沒有或基本上沒有表面涂層;及(c)從后表面除去p-n結(jié),從而后表面沒有或基本上沒有p-n結(jié)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝,其中,表面涂層包括氮化硅。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝,還包括織構(gòu)基片的步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的工藝,還包括從后表面除去織構(gòu)從而后表面基本上是光滑的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的工藝,還包括形成后表面場的步驟。
27.一種使用包括摻雜有第一摻雜物的硅的基片來制造光生伏打裝置的工藝,該工藝包括步驟(a)在基片的至少一個前表面上形成第一層,第一層包括導(dǎo)電類型與第一摻雜物相反的第二摻雜物;(b)形成布置在基片上的表面涂層,從而使基片的后表面沒有或基本上沒有表面涂層;及(c)蝕刻基片的后表面。
全文摘要
公開了一種高效光生伏打電池、和其制造工藝,其中從具有一個相反摻雜發(fā)射層的一個摻雜基片除去后表面p-n結(jié)。一個前表面和諸邊緣及可選擇地后表面周緣被掩蔽,并且進行后表面蝕刻。掩模被除去,并且起一個抗反射涂層、一種鈍化劑、或兩者的作用。光生伏打電池保持一個未被織構(gòu)的后表面,不管前面是否被織構(gòu),并且除去后表面上的摻雜物層,以提高電池效率??蛇x擇的是,形成一個后表面場。
文檔編號H01L31/068GK1754265SQ200480002916
公開日2006年3月29日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者斯里尼瓦薩默罕·納拉亞南, 比卡什·庫馬爾 申請人:Bp北美公司, 塔塔Bp太陽印度私人有限公司