專利名稱：背接觸式光伏電池的制作方法
背接觸式光伏電池本申請要求2005年12月16日提交的美國臨時(shí)專利申請 60/751,168的權(quán)利。發(fā)明背景本發(fā)明涉及新的光伏電池。更具體地，本發(fā)明涉及將光能，特別 是太陽能，高效轉(zhuǎn)化為電能的光伏電池，并且此類電池在后表面上具 有電接觸。本發(fā)明還涉及制造此類電池的方法。光伏電池的一個(gè)最重要的特征就是其將來自太陽的光能轉(zhuǎn)化為電 能的效率。另一個(gè)重要的特征是可用大規(guī)模制造的方式制造此類電池 的能力。因此，該領(lǐng)域不僅持續(xù)努力增加光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能 的效率，而且還努力使用安全、環(huán)境友好、大規(guī)模的制造方法來制造 它們。盡管光伏電池可由許多半導(dǎo)體材料制得，但是通常使用的是硅， 因?yàn)槠鋬r(jià)廉易得，也因?yàn)槠渚哂杏糜谥圃旃夥姵氐暮线m的電平衡、 物理和化學(xué)性質(zhì)。在典型制備光伏電池的步驟中，使用硅作為選定的 半導(dǎo)體材料，所述硅摻雜有正或負(fù)導(dǎo)電型摻雜劑，形成在單晶硅錠中， 或澆鑄在塊或本領(lǐng)域指多晶硅的"磚"中，并且這些錠或塊通過本領(lǐng) 域中已知的各種切割或鋸割方法被切割為薄的基材，稱之為晶片。這 些晶片用于制造光伏電池。然而，這些方法并不是唯一得到合適的用 于制造光伏電池的半導(dǎo)體晶片的方法。依照慣例，正導(dǎo)電型(positive conductivity type)通常被命名為"p" 或"p-型"，而負(fù)導(dǎo)電型(negative conductivity type)被命名為"n" 或"n-型"。因此，"p"和"n"為相反的導(dǎo)電型。當(dāng)該晶片被形成在光伏電池中時(shí)，晶片的光入射的面在這里稱作 前面或前表面，與前面相對的表面在這里稱作后面或后表面。在典型和常規(guī)的制造光伏電池的方法中，使用例如p-型硅晶片， 將該晶片暴露于合適的n-摻雜劑中以在晶片的前面或光接收側(cè)形成發(fā) 射層和p-n結(jié)。通常，所述n-型層或發(fā)射層這樣制備首先使用本領(lǐng)域 中常用的技術(shù)，如化學(xué)或物理沉積將n-摻雜劑沉積至p-型晶片的前表 面上，沉積后，將所述n-摻雜劑，例如磷，驅(qū)入所述硅晶片的前表面 中，以使n-摻雜劑于晶片表面中進(jìn)一步擴(kuò)散。該"驅(qū)入(drive-in)" 步驟通常將該晶片暴露于高溫下實(shí)現(xiàn)。因而在n-型層和p-型硅晶片基 質(zhì)間的界面上形成p-n結(jié)。在磷或其它摻雜形成發(fā)射層前，所述晶片表 面可被織構(gòu)化。為了利用將p-n結(jié)暴露至光能中而產(chǎn)生的電位，光伏電池通常在 晶片的前面具有導(dǎo)電的前電接觸(front electrical contact)，以及在晶 片的后面具有導(dǎo)電的后電接觸。這些接觸通常由一種或多種高導(dǎo)電的 金屬制得，因此通常不透明。由于所述前接觸位于光伏電池面向太陽 或其它光能源的一側(cè)上，因此通常期望所述前接觸占有電池的前表面 盡量小的面積，而仍然能捕捉與電池相互作用的入射光所產(chǎn)生的電荷。 盡管使用前接觸以減小該接觸所覆蓋或遮蔽的電池前表面的面積，但 是前接觸仍然降低了本可用來產(chǎn)生電能的光伏電池的表面面積。上述 的方法還使用大量高溫處理步驟以制備光伏電池。使用高溫增加了制 造光伏電池所需的時(shí)間，耗費(fèi)能量，并需要使用昂貴的高溫爐或其它 在高溫下用于制造光伏電池的設(shè)備。因此，本領(lǐng)域需要具有高效率的光伏電池，其可使用大規(guī)模的制 造方法制造，且優(yōu)選通過不利用高溫處理步驟或至少使用最低高溫處 理步驟的方法，并且這里所述電池為了增加效率，在晶片的前側(cè)或表 面沒有電接觸，因此最大化了將光轉(zhuǎn)化為電流電池的前表面的可用區(qū)域。本發(fā)明提供此類光伏電池。通過將該光伏電池暴露于太陽光中， 本發(fā)明的光伏電池可用于高效地產(chǎn)生電能。發(fā)明概述本發(fā)明是一種光伏電池，其包括包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體材料的 晶片，第一光接收表面和與第一表面相對的第二表面；位于所述晶片 第一表面上方的第一鈍化層；包括位于所述晶片第二表面上方的點(diǎn)接 觸的第一電接觸，其具有與所述晶片相反的導(dǎo)電型；包括位于晶片第 二表面上方的點(diǎn)接觸的第二電接觸，其與第一電接觸電分離，并具有 與所述晶片相同的導(dǎo)電型。本發(fā)明還是一種制造此類光伏電池的方法。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光伏電池一部分的三維、部分剖開立 體圖。圖2是圖1的光伏電池一部分的平面圖。圖3是圖1的光伏電池一部分的截面圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法的流程圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光伏電池一部分的截面圖。發(fā)明詳述在本發(fā)明方法中可用于制造光伏電池的半導(dǎo)體晶片優(yōu)選包含硅， 并通常為薄的、扁平的形狀。如果需要，所述硅可包含一種或多種另 外的材料，如一種或多種半導(dǎo)體材料，例如鍺。對于p-型晶片，廣泛 使用硼作為p-型摻雜劑，盡管其它的p-型摻雜劑，例如鋁、鎵或銦也 滿足其需求。硼是優(yōu)選的p-型摻雜劑。這些摻雜劑的組合也是合適的。 因此，p-型晶片的摻雜劑可包括，例如，硼、鋁、鎵或銦的一種或多 種，并優(yōu)選包含硼。如果使用n-型硅晶片，摻雜劑可為，例如，磷、 砷、銻或鉍的一種或多種。合適的晶片通常通過切割或鋸割硅錠獲得，如單晶硅錠，以形成單晶晶片，如所謂的提拉(Czochralski， Cz)硅晶 片。合適的晶片也可通過切割或鋸割澆鑄的多晶硅塊來制備。硅晶片 也可由熔融硅直接拉出，使用如邊緣限定硅膜生長(Edge-defmed Film-fed Growth, EFG)技術(shù)或類似技術(shù)等方法。盡管該晶片可為任意 形狀，但晶片通常為圓形、正方形或準(zhǔn)正方形(pseudo-square)。"準(zhǔn) 正方形"是指基本上為正方形形狀的通常具有圓角的晶片。在本發(fā)明 的光伏電池中使用的晶片為合適的薄。例如，本發(fā)明中使用的晶片可 為約10微米厚度至約300微米厚度。例如，它們可為約10微米直到 約200微米厚。它們可為約10微米直到約30微米厚。如果為圓形， 晶片可具有的直徑為約100至約180毫米，例如102至178毫米。如 果為正方形或準(zhǔn)正方形時(shí)，它們可具有的寬度為約100毫米至約150 毫米，且圓角的直徑為約127至約178毫米。在本發(fā)明方法中使用的， 并隨后可通過本發(fā)明方法制備的光伏電池中使用的晶片，例如，可具 有的表面積為約100至約250平方厘米。所述晶片可用用于本發(fā)明方 法的第一摻雜劑摻雜，且可具有的電阻系數(shù)為約0.1至約20 ohnvcm， 通常為約0.5至約5.0 ohm.cm。在本發(fā)明的光伏電池中的使用的晶片優(yōu)選具有大于該晶片厚度 (t)的擴(kuò)散長度(Lp)。例如，Lp與t的比例為適當(dāng)?shù)卮笥?。例如其 可為大于約l.l，或大于約2。該比例可直到約3或更大。所述擴(kuò)散長 度是少數(shù)載流子(minority carriers)(如p-型材料中的電子)在與多數(shù) 載流子(majority carriers)(如p-型材料中的空穴)復(fù)合之前，可擴(kuò)散 的平均距離。該Lp與少數(shù)載流子壽命7"相關(guān)，并用關(guān)系Lp-(D》^表 示，D是擴(kuò)散常數(shù)。所述擴(kuò)散長度可通過許多技術(shù)來測量，如光感生 電流技術(shù)(Photon-Beam-Induced Current technique)或表面光電壓譜技 術(shù)(Surface Photovoltage technique)。參見例如,"Fundamentals of Solar Cells(太陽能電池基礎(chǔ))"，A. Fahrenbruch和R. Bube， Academic Press, 1983, pp. 90-102，在此將其引入作為參考，用于說明如何測量擴(kuò)散長 度。盡管這里使用的術(shù)語"晶片"包括通過已述方法，特別是通過鋸 割或切割單晶或多晶硅錠或塊獲得，但是也應(yīng)該理解，術(shù)語"晶片" 也可包括任何其它用于通過本發(fā)明方法制備光伏電池的合適的半導(dǎo)體 基材或?qū)?。該晶片的前表面?yōu)選織構(gòu)化的?？棙?gòu)化通常通過增加光吸收而增 加得到的光伏電池的效率。例如，所述晶片可使用化學(xué)蝕刻、等離子 蝕刻、激光或機(jī)械劃刻來合適地織構(gòu)化。如果使用單晶晶片，所述晶片可通過將該晶片在堿如氫氧化鈉的水溶液中，在如約70。C至約90°C 的高溫下處理約10至約120分鐘，被蝕刻以形成各向異性織構(gòu)化的表 面。所述水溶液可含有醇，例如異丙醇。多晶晶片可使用斜切刀片 (beveled dicing blades)或成型纟只構(gòu)《七輪(profiled texturing wheels)， 經(jīng)機(jī)械劃片織構(gòu)化。在優(yōu)選的方法中，使用氫氟酸、硝酸和水的溶液 對多晶晶片織構(gòu)化。所述織構(gòu)化方法描述在Hauser， Melnyk， Fath， Narayanan, Roberts禾卩Bruton的文章"A Simplified Process for Isotropic texturing of MC-Si (用于各相同性織構(gòu)化MC-Si的簡化方法)"，Hauser 等人，會(huì)議"第三屆世界光伏能量轉(zhuǎn)換大會(huì)(3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion) " ， 5月11-18日，大阪，日本，在此 全部引入作為參考。隨后通常清洗所述織構(gòu)化的晶片，例如，通過將 其浸在氫氟酸中，然后在氫氯酸中，最后用去離子水淋洗，接著干燥。 所述晶片的后表面可織構(gòu)化或可不織構(gòu)化，其取決于晶片的厚度和使 用的捕光幾何排列。在織構(gòu)化晶片前，該晶片可經(jīng)磷和鋁吸雜(gettering)。例如，吸 雜可通過形成重n-摻雜層(heavily n-doped layer)來實(shí)現(xiàn)，其通過如在 晶片一面或兩面的磷擴(kuò)散。例如這可通過將該晶片在90(TC至1000°C 下暴露于如POCl3的氣體中30分鐘實(shí)現(xiàn)。這些吸雜會(huì)增加晶片的擴(kuò)散 長度。形成重n-摻雜層后，它們可被除去，例如，使用酸如氫氟酸(HF) 和硝酸(HN03)或其混合物，或強(qiáng)堿如氫氧化鈉(NaOH)蝕刻。本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例會(huì)涉及在晶片的前面形成重n-摻雜層以吸雜雜質(zhì)，并隨后在上述前表面織構(gòu)化的期間移除。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，所述光伏電池在晶片前表面上具有第 一鈍化層，優(yōu)選還起抗反射涂層作用的層。如果該晶片是織構(gòu)化的， 該層優(yōu)選在織構(gòu)化之后加入。此類第一鈍化層可為，例如，絕緣層如 二氧化硅、碳化硅、氧氮化硅或氮化硅，其可通過本領(lǐng)域中已知的方 法形成，例如，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)，熱氧化法，印料(pastes)、油墨或溶膠凝膠的 絲網(wǎng)印刷(screen printing)等等。也可使用兩種或多種此類層的組合 形成第一鈍化層，如氮化硅層和二氧化硅層。當(dāng)使用多于一層時(shí)，至 少一層優(yōu)選鈍化層，其包括如氮化硅。優(yōu)選地，所述鈍化層包括在晶 片表面上直接形成的氮化硅層，通過方法如PECVD使得氮化硅含有 氫?？蛇x擇兩層或多層的組合，從而使得合并層降低350至1100納米 (nm)波長范圍的光在前表面的反射，并且沉積在硅表面上的第一層 作為鈍化層。使用的所有這些層的總厚度可直到約120nm，例如約70 至約100nm厚。氫化的氮化硅可在溫度為20(TC至約450°C，例如約 350'C至約40(TC下，使用PECVD法在硅烷和氨的氣氛中沉積。合適的第一鈍化層也可包括氫化非晶硅(a-Si:H)層，氫化微晶硅 層，或a-Si:H和氫化微晶硅的混合物層，特別是該層是沉積或其它方 式直接在晶片上形成的。除硅外，此類層優(yōu)選包含氮。此類層也可包 含硼，有或沒有氮。在某些情況下，對于此類層優(yōu)選包含其它的摻雜 劑如磷或與其它元素如碳、氮或氧合金化。如果在包含a-Si:H，氫化微 晶硅，或其混合物的第一鈍化層中包括氮，則氮濃度可以是漸變的 (graded)，使得接近晶片的層中氮含量最小，例如不含氮，而離晶片 的界面最遠(yuǎn)的地方達(dá)到所述層變成氮化硅的水平。氨可用作合適的氮 源。如使用硼或磷，硼或磷的濃度可以相同的方式漸變，其中在晶片 附近或最近的地方不含硼或磷，并達(dá)到最大的硼或磷濃度，直到約1 原子％。所述原子％基于總的硅的數(shù)量，以及如果層中存在氮，基于硅 和氮的總量。如果使用包含a-Si:H，氫化微晶硅，或其混合物的層，有或沒有氮，以及有或沒有摻雜劑如硼或磷，其可具有的厚度至多為約40nm。其可為，例如約3至約30nm厚。此類a-Si:H層可以通過任何 合適的方法應(yīng)用，例如在硅烷的氣氛中通過PECVD法應(yīng)用。最合適地， 其在含有約10y。硅垸的氫氣氛中通過PECVD法應(yīng)用，并最合適地其在 低溫，例如約IO(TC至約25(TC下應(yīng)用。不受操作理論的束縛，第一鈍 化層可起到將晶片表面復(fù)合速度降低至< 100 cm/s的作用(低表面復(fù)合 速度〈100cm/s)意味著在表面缺陷態(tài)的低密度。第一鈍化層也可包含 固定電荷，如通常在氮化硅層中發(fā)現(xiàn)的那樣，固定電荷的電場引起晶 片表面附近的半導(dǎo)體晶片區(qū)域中的能帶彎曲(bandbending)。由于氮 化硅中的固定電荷通常為正電荷，該能帶彎曲可起到抵制來自晶片表 面區(qū)域的少數(shù)載流子的作用，并且如果該晶片為n-型，也可因而降低 表面復(fù)合。如果該晶片為p-型，所述正電荷可起到產(chǎn)生積累層的作用， 并且如果表面上缺陷密度很低時(shí)，該表面復(fù)合仍很低。因此，任何可 提供此類功能和可應(yīng)用于所述硅晶片的材料可為合適的第一鈍化層。 此類層，如上所述，可包括多層， 一些或所有的這些層為選自如上述 材料的不同材料。氮化硅層可以作為晶片第一表面上的第一鈍化層和抗反射層，具 有的厚度為直到約120 nm，例如約70至約100 nm厚。氮化硅可通過 PECVD法在硅烷和氨的氣氛中在沉積溫度約35(TC至40(TC下沉積。在另一個(gè)實(shí)施例中，此類氮化硅層的氮含量是漸變的。例如，氮 含量可以從在硅晶片表面附近的氮化硅層部分的O，經(jīng)過至多約10nm 的厚度增至大約為Si3N4的水平，然后在剩下的層厚，例如約另外70 nm 中保持恒定。本發(fā)明的光伏電池在優(yōu)選包含在晶片第二表面上的第二鈍化層， 所述第二表面優(yōu)選包含氮化硅層。盡管包含a-Si:H，或微晶硅，或a-Si:H和微晶硅的混合物的層可位于氮化硅層和晶片的后表面之間，但優(yōu)選 晶片第二表面上的氮化硅層直接與晶片接觸。晶片后表面上的氮化硅層可以形成并具有如上對于晶片前表面上的氮化硅層所述的組分。其 可具有如所描述的晶片第一表面上氮化硅層那樣相同的厚度。此類氮 化硅層可以相同的方法步驟，如在晶片的第一表面上形成第一層氮化 硅的步驟那樣形成。此類氮化硅層可含有摻雜劑，如銻、磷或其組合。 如果存在此類摻雜劑，其可以是氮化硅層的約0.1至約1.0原子％。包含a-Si:H，或微晶硅，或a-Si:H和微晶硅的混合物的層，如果位于氮 化硅層和晶片的后表面間，或如果不使用氮化硅層作為第二鈍化層， 則該層可如上對于該晶片第一表面上的鈍化層所描述的那樣形成并可 具有與其相同的組分。本發(fā)明的光伏電池中的晶片的后面或第二表面包括兩個(gè)電接觸， 優(yōu)選各包括一種或多種金屬。 一個(gè)接觸可包括金屬，或含有另一種金 屬的金屬，其可在硅中起到n-傳導(dǎo)摻雜劑的作用。例如，所述金屬可 為與硅等電子的錫，或錫與磷、砷、銻、鉍或其組合的合金。如果使用錫，例如，其與如銻等元素合金，此類合金元素的量可為約0.1至約 20原子％。此類接觸可通過合適的方法作為層初沉積，例如使用磁控 濺射裝置濺射合適的目標(biāo)。此類電接觸優(yōu)選包括點(diǎn)接觸，并更優(yōu)選通 過激光燒穿法(laser firing process)形成的點(diǎn)接觸。在使用如激光燒穿 法在硅晶片上形成點(diǎn)接觸之前，n-型接觸可首先通過沉積薄的銻層，例 如約10至約200nm厚，然后沉積較厚的錫層形成，例如在如約700nm 的氮化硅的第二鈍化層上有約500至約10,000nm厚。所述錫和銻層可 沉積，例如通過濺射、熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)。另一實(shí)施例為同時(shí)共濺 射或共蒸發(fā)錫或銻于氮化硅第二鈍化層，以便沉積得到總厚約0.5至約 10微米的錫和銻的合金，例如在錫中有約5原子％的銻。其它的接觸 可包括金屬，或含有其它金屬的金屬，可在硅中起到p-傳導(dǎo)摻雜劑的 作用，例如鋁或銦。另一實(shí)施例為使用錫合金，其含有0.1至20原子 。/。的p-型摻雜劑，如硼、鋁、鎵或銦的一種或多種。此類接觸可作為層 通過合適的方法初沉積，如使用磁控濺射裝置濺射合適的目標(biāo)。此類 電接觸優(yōu)選包括點(diǎn)接觸，以及更優(yōu)選通過激光燒穿法形成的點(diǎn)接觸。 此類電接觸和形成其的激光燒穿法將在下面詳細(xì)描述。所述第一接觸和第二接觸彼此之間電分離，例如通過合適的絕緣 材料層，如氮化硅、氧化硅或氮氧化硅的一種或多種。當(dāng)該絕緣層使 用氮化硅時(shí)，其可具有如前所述的其它氮化硅層相同的組分，并用相 同的方法形成。形成的絕緣層應(yīng)當(dāng)沒有或基本沒有小孔，并且應(yīng)當(dāng)足夠厚以使在光伏電池運(yùn)行期間不會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)擊穿(dielectric breakdown)。該層可達(dá)約1微米厚，例如約0.1至約1微米厚。如上 所述，本發(fā)明的光伏電池中的電接觸主要，僅優(yōu)選，在晶片的后表面 上，因此并不遮擋或阻隔晶片的前表面、光接收表面。這導(dǎo)致了光伏 電池更有效率地將光能轉(zhuǎn)化為電能。現(xiàn)在將參考附圖來說明本發(fā)明的某些實(shí)施例。該圖沒有按比例繪 制。例如在圖中顯示的各種金屬、半導(dǎo)體和其它層的厚度彼此之間并 不是按比例繪制的。圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光伏電池1的三維、部分剖開立體圖。 在圖1中電池的后表面面對讀者。光伏電池l具有p-型晶體硅的晶片5。 晶片5的前表面或光接收表面有如織構(gòu)化線10所示的織構(gòu)化。晶片5 在前表面上具有由氮化硅層15制成的第一鈍化層。光伏電池1具有與 晶片5相接觸的氮化硅第二鈍化層25。電池1具有包含層部分33和點(diǎn) 接觸35的第一電接觸30。(為清楚起見，僅顯示一個(gè)點(diǎn)接觸35)。第一 電接觸30包含，例如金屬，如錫或錫與銻、磷、或其組合的合金。電 池1具有絕緣層40，其包含如電分離第二電接觸45與第一電接觸30 的氮化硅。第二電接觸包括層部分48和點(diǎn)接觸50。第二電接觸包含， 例如金屬，如鋁。為清楚起見，僅在圖1中顯示一個(gè)點(diǎn)接觸50。圖1 顯示了絕緣層40如何分離并電絕緣電接觸30與層45，以及在42，顯 示出該絕緣層如何在點(diǎn)接觸50周圍延伸，從而電絕緣點(diǎn)接觸50與第 一接觸30。本發(fā)明的這個(gè)和其它實(shí)施例中的絕緣層42的厚度可至約 100微米，例如約5微米厚直到約IOO微米厚。圖l也顯示了第二接觸 45的凹口 (indentations)或下陷坑(depressions) 60。此類下陷坑通過激光燒穿接觸層48形成，以形成點(diǎn)接觸50。所述形成此類電接觸的激光燒穿法將在下面詳細(xì)描述。圖1還顯示除了沿著電池1邊緣的區(qū)域65，第一電接觸30在此暴露，使得該電接觸得到電連接。此類電連接 可以母線焊接(bus bar soldered)至層30或以其它方式電連接至層30。圖2為從該光伏電池的后表面看到的，與圖1中顯示的相同的光 伏電池一部分的平面圖。顯示在圖2中的部件與顯示在圖1中的編號(hào) 相同。圖2顯示了該點(diǎn)接觸可在光伏電池的背面以一定的排列方式的 形式。圖2顯示了下陷坑60 (為清楚起見，僅有少數(shù)編號(hào))，并也以虛 線顯示從第一電接觸30延伸至晶片的點(diǎn)接觸35。外部點(diǎn)線部分42 (為 清楚起見，僅有少數(shù)編號(hào))顯示點(diǎn)接觸50周圍的絕緣層42的周界。圖3顯示如圖2所示的光伏電池的截面視圖。該截面在圖2中顯 示為3。圖3中電池1的所有的部件，與圖1和2中相同的部件相對應(yīng)， 且編號(hào)相同。圖3也顯示出n+發(fā)射區(qū)65，描述為一系列"n+"，其位于第一電 接觸30的點(diǎn)接觸35，接觸或進(jìn)入晶片5。圖3還顯示出了作為一系列 的p+基或歐姆接觸區(qū)域70，其中第二電接觸45的點(diǎn)接觸50接觸或進(jìn) 入晶片5。所述p+區(qū)域也可作為背表面場(BSF)區(qū)域。這些點(diǎn)接觸區(qū) 域可以如在下面更加詳細(xì)的討論的那樣形成，例如通過激光燒穿法以 形成點(diǎn)接觸。使用符號(hào)"p+"和"n+"用來表示分別在那些區(qū)域的硅中 p-型和n-型摻雜劑的高濃度。不被操作理論所束縛，在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖1至3，晶片為 p-型晶片且第一電接觸和相應(yīng)的點(diǎn)接觸為n-導(dǎo)電型，和該第二電接觸和 相應(yīng)的點(diǎn)接觸為p-導(dǎo)電型，點(diǎn)接觸35為收集光生電子的第一電接觸的 部分且第二電接觸的點(diǎn)接觸50收集光生空穴。當(dāng)光入射至前表面10 上并在晶體硅晶片5中被吸收，產(chǎn)生光生電子和空穴。在n-型點(diǎn)接觸 35和晶片的界面上形成了有助于收集光生電子的具有內(nèi)在電場的p-n結(jié)。點(diǎn)接觸50形成歐姆連接至該p-型晶片5，其充分的收集光生空穴。 在另一個(gè)實(shí)施例中，圖1至3中顯示的第一電接觸具有p-導(dǎo)電型，以 及第二電接觸為n-導(dǎo)電型。類似地，如果該晶片具有n-導(dǎo)電型，則第 一電接觸和相應(yīng)的點(diǎn)接觸可為n-或p-導(dǎo)電型，和該第二電接觸和其相 應(yīng)的點(diǎn)接觸會(huì)具有與第一電接觸相反的導(dǎo)電型。如上所述，本發(fā)明的光伏電池中的電接觸可包括金屬或合金金屬 層，以及包括從金屬層延伸至半導(dǎo)體晶片的點(diǎn)接觸。所述金屬層可具 有約0.5至約10.0微米的厚度，優(yōu)選約1.0至約3.0微米。優(yōu)選地，該 金屬層的厚度選擇消除光伏電池中任何顯著的串聯(lián)電阻的厚度。對于各層的點(diǎn)接觸可以以任何合適的圖案橫跨于電池的后表面， 如以行和列的圖案。然而，優(yōu)選它們?yōu)榈乳g隔的行和列的圖案，如圖2 中顯示的那樣。優(yōu)選地，該具有n+接觸區(qū)域至p-型晶片的發(fā)射點(diǎn)接觸 (或p+接觸區(qū)至n-型晶片)這樣分布，使得該發(fā)射點(diǎn)接觸之間的距離 小于少數(shù)載流子擴(kuò)散長度。因此，對于500微米的少數(shù)載流子擴(kuò)散長 度，發(fā)射點(diǎn)接觸之間的距離分別為約250微米或小于從一個(gè)電接觸的 中心至另一個(gè)的中心的測量的距離。例如，對于各個(gè)電接觸，其點(diǎn)接 觸數(shù)目每平方厘米電池表面可為約102至約104個(gè)。優(yōu)選地，具有歐姆 區(qū)的點(diǎn)接觸至基質(zhì)材料(例如，p+接觸區(qū)至p-型晶片)的尺寸和間距調(diào)節(jié) 至最小的太陽能電池串聯(lián)電阻和最大的電池容量。盡管在圖中顯示的點(diǎn)接觸為具有圓形水平截面的柱形桿狀物或圓 柱狀物，但應(yīng)理解為此類點(diǎn)接觸可為任何合適的形狀。例如，除了具 有圓形水平截面的柱形桿狀物或圓柱狀物外，此類點(diǎn)接觸可為半球形， 或具有橢圓或更長的截面形狀的桿狀物或柱狀物，或其它任何適宜的幾何形狀或圖案。它們可為線形。所述點(diǎn)接觸的寬度，例如柱狀或圓 柱狀點(diǎn)接觸的直徑，或具有橢圓或更長的橫截面形狀的點(diǎn)接觸的寬度， 可至約100微米，例如約5至約100微米。如圖顯示的點(diǎn)接觸具有足 夠的長度以從金屬層延伸至其所連接的晶片表面。它們可從表面延伸至晶片中約1至約IO微米。所述點(diǎn)接觸可通過任何合適用于形成如在此描述的此類點(diǎn)接觸結(jié) 構(gòu)的方法形成。例如，它們可這樣形成，首先在層中形成可通過設(shè)定 直徑的點(diǎn)接觸的開口或孔，接著用用于接觸的材料如金屬填充該孔或 開口。此類孔或開口可具有的直徑或?qū)挾葹榧s5至約100微米，與該 點(diǎn)接觸的直徑或?qū)挾认鄬?yīng)。所述孔或開口可通過任何適宜的方法制 造，如通過機(jī)械鉆孔或使用光刻掩蔽和蝕刻方法(photolithographic masking and etching process)，或用激光消融(ablating)材料的方法， 如具有足夠消融或除去層的激光束強(qiáng)度的準(zhǔn)分子激光或Nd-YAG激光， 所述點(diǎn)接觸穿過該孔。若使用激光來形成孔或開口，晶片的表面如果 暴露于激光并被其損害，可通過如氫等離子體或原子氫處理來除去或 消除激光損害的晶片區(qū)域，并鈍化任何殘留的缺陷。當(dāng)點(diǎn)接觸通過如 下方法形成時(shí)，其中鈍化層(例如氮化硅)中的孔或開口用接觸材料 填充，其傾向于使用快速熱退火方法，從而使得在點(diǎn)接觸接觸該晶片 的附近形成重?fù)诫s區(qū)域或?qū)?。此發(fā)射或歐姆接觸區(qū)域或?qū)邮蔷恍?成點(diǎn)接觸的成分摻雜的區(qū)域或?qū)?。例如，?dāng)點(diǎn)接觸包括鋁時(shí)，該n-型 晶片中的發(fā)射區(qū)會(huì)被鋁摻雜。該p-型摻雜的量和摻雜層或區(qū)域的厚度 主要通過熱處理的時(shí)間和溫度來控制。此類經(jīng)快速熱退火的發(fā)射和基 質(zhì)區(qū)域的形成可通過，例如加熱該接觸層至高溫，并且經(jīng)充足的時(shí)間 以形成所需的接觸區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。例如溫度為約80(TC至約1000°C，持 續(xù)約5秒至約2分鐘。在鋁的情況下，例如，在約90(TC下加熱1分鐘。 另外，用于形成用于本發(fā)明光伏電池的點(diǎn)接觸和相應(yīng)的發(fā)射和歐姆區(qū) 的更優(yōu)選的方法，是使用燒穿方法，例如使用激光。在激光燒穿法中， 用于接觸的材料的表面，如金屬層，被激光束加熱。所述加熱的材料 如金屬熔體穿過下一層并進(jìn)入晶片中。如上所述，熱的金屬或其它材 料與晶片相接觸時(shí)，也形成發(fā)射其或歐姆接觸區(qū)域。該激光燒穿法可 使用具有脈沖持續(xù)時(shí)間為，如約10至100納秒(ns)的Q-switched， Nd-YAG激光。除了使用激光外，形成點(diǎn)接觸的此類燒穿方法可通過使 用如電子或離子束轟擊以加熱接觸材料，從而形成燒穿的接觸來實(shí)現(xiàn)。位于第一和第二接觸之間并電分離該接觸的的絕緣層可具有的厚度為約70至約2000nm。如上所述，該絕緣層可包括氮化硅、氮氧化 硅或二氧化硅的一種或多種。其可包括一些其它合適的介電材料。此 絕緣層應(yīng)該沒有小孔，以使第一和第二接觸層之間沒有明顯的泄漏。用于制造根據(jù)本發(fā)明的并具有圖1至3中顯示的結(jié)構(gòu)的光伏電池 的方法將在下面詳細(xì)描述，其應(yīng)理解為，這并不是制造此類光伏電池 的唯一方法。參考圖4描述該方法。圖4中部件的編號(hào)與圖1-3中的編 號(hào)相同。該方法開始于織構(gòu)化的p-型硅晶片5，所述晶片的表面上具有的 如氮化硅的層15，這將成為光伏電池的光接收側(cè)。如上所述，該層起 到抗反射涂層以及表面鈍化層的作用。該晶片顯示在圖4A中。在如圖 4B中所示的下一步中，第二鈍化層，例如，氮化硅25通過PECVD法 直接在晶片表面上沉積于該晶片的第二側(cè)。在如圖4C所示的下一步中， 包含例如錫與銻合金的第一金屬接觸層30通過磁控濺射加入。在如圖 4D所示的下一步中，通過直接激光束施加在金屬層30的外表面上， 從而在金屬層30中形成多個(gè)激光燒穿的點(diǎn)接觸35，例如用Nd-YAG 激光。激光在金屬層的點(diǎn)上加熱并造成該金屬層在激光作用的金屬層 的區(qū)域熔融。執(zhí)行該方法，從而使得已加熱的金屬熔體通過層25并進(jìn) 入硅晶片中，形成激光燒穿點(diǎn)接觸35。如圖4D中所示，在激光束作 用的金屬層30的表面上形成凹口或凹痕38，從而形成激光燒穿的點(diǎn)接 觸。在如圖4E中所示的下一步中，制造多個(gè)孔或開口 39，其至少通過 金屬層30并優(yōu)選通過鈍化層25，如圖4E所示，所有通道到達(dá)晶片。 在本發(fā)明的制造電池的方法中，此類孔或開口可為任何適宜的形狀。 優(yōu)選地它們?yōu)閳A形，盡管它們可為如橢圓或拉長的如線形的形狀。此 類孔或開口的直徑或?qū)挾瓤蔀榧s5至約100微米。在如圖4F所示的下 一步中，絕緣層40，例如氮化硅，使用PECVD沉積在第一金屬接觸 層30上。此絕緣層填充孔或開口 39。在如圖4G所示的下一步中，第17二金屬接觸層48，例如鋁，通過濺射沉積在絕緣層40上。在如圖4H 所示的下一步中，通過激光束直接作用在金屬層48的外表面上，在金 屬層48形成多個(gè)激光燒穿的點(diǎn)接觸50，如Nd-YAG激光。激光在一點(diǎn) 加熱金屬層并造成該金屬層在激光作用的金屬層的區(qū)域熔融。執(zhí)行該 方法，從而使得已加熱的金屬熔融通過沉積于開口 39的絕緣層40，并 進(jìn)入硅晶片中，從而形成激光燒穿點(diǎn)接觸50。進(jìn)行金屬層48的加熱操 作，從而使得該加熱的金屬熔體通過絕緣層40，絕緣層40區(qū)域42仍 保留在點(diǎn)接觸50周圍，從而電絕緣點(diǎn)接觸50。圖4H顯示出了完整的 電池，其在該晶片的后側(cè)上具有兩個(gè)電接觸，每個(gè)電接觸具有與硅晶 片的點(diǎn)接觸。在另一個(gè)操作步驟，其未表現(xiàn)在圖4中，不是燒穿接觸 穿過第一鈍化層和絕緣層，孔或開口可在第二鈍化層和絕緣層中形成， 并且，當(dāng)該金屬層沉積時(shí)，該金屬會(huì)填充所述孔或開口，從而形成點(diǎn) 接觸。例如，參考圖4F，孔或開口會(huì)在其中層40中填充孔39的絕緣 層40的區(qū)域形成。這顯示在圖41中，形成孔或開口 80，通過絕緣層 40并優(yōu)選直至甚至進(jìn)入晶片5中，如圖4I中所示。然后，當(dāng)金屬層48 沉積時(shí)，該金屬會(huì)填充孔80以形成與晶片5的點(diǎn)接觸50。隨后使用快 速熱退火方法將摻雜劑擴(kuò)散至從金屬層48直至晶片中，從而形成重?fù)?雜發(fā)射或基質(zhì)接觸區(qū)域。圖5顯示本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中光伏電池2具有緩沖層 81，例如，硼摻雜的a-Si:H，沉積在點(diǎn)接觸50周圍，并在硅晶片5和 絕緣層42之間。該緩沖層可具有的厚度為至多約40nm，例如，約3nm 至約40nm。圖5中所有的部件的編號(hào)與圖l至4中相同部件的編號(hào)相 同。圖5顯示緩沖層81，例如，硼摻雜的a-Si:H (或未摻雜a-Si:H的 層和硼摻雜a-Si:H的層)位于點(diǎn)接觸50附近并且在絕緣區(qū)域42和晶 片5之間。其原因下面將詳細(xì)解釋，圖5中所示的光伏電池2具有在 接觸層30的上面的層82。圖5也顯示出了反型層(inversion layer) 85， 其在p-型晶片5中被指定為一系列的"-"。不被任何理論所束縛，可以相信，氮化硅層25中被表示為一系列"+ "的正電荷可形成此類反型層，其會(huì)有助于少數(shù)載流子的收集。如硼摻雜的a-Si:H材料的緩沖 層81起到了防止點(diǎn)接觸50附近形成的反型層的作用。如果此類層81 不存在，少數(shù)載流子會(huì)通過反型層泄漏至點(diǎn)接觸50，從而造成光伏電 池中的分流。具有如圖5所示結(jié)構(gòu)的光伏電池可通過在圖4所示方法中加入額 外的步驟來制造。具體地，在如圖4E中所顯示的步驟之后，沉積層， 如硼摻雜的a-Si:H的層(或未摻雜的a-Si:H層和硼摻雜的a-Si:H層)， 且該層在開口 39中形成層81以及在層30上形成層82。此后，剩下的 方法是相同的。使用此類方法步驟形成的光伏電池會(huì)形成如圖5所示 的結(jié)構(gòu)。硼摻雜的a-Si:H層可通過一種或多種如前所述形成a-Si:H的 方法，并加入如B2H6作為摻雜氣體形成。該硼摻雜層的厚度可為至多 約30nm，例如約5至約30nm，并且該摻雜劑的量合適地選擇使得任 何電流泄漏最小化，所述電流泄露可發(fā)生在反型層和點(diǎn)接觸50之間； 因此該硼摻雜層的厚度和該層中硼的含量優(yōu)選調(diào)節(jié)為可阻止在鄰近層 81的硅層中的發(fā)生側(cè)顯著的頻帶偏移的量。如果使用硼-摻雜層和 a-Si:H層的組合，該a-Si:H可具有的厚度為至高約30nm，例如，約3 至約30nm，并且所述硼摻雜層的厚度和該層中的硼含量要合適地選擇 在使得前述的電流泄漏最小的范圍內(nèi)。除了 a-Si:H夕卜，其它的材料， 如上面提及的微晶硅或氫化非晶硅與碳的合金，或摻雜硼或磷的氫化 非晶硅，及其一種或多種混合物，也可用于緩沖層81，從而來阻止點(diǎn) 接觸50附近反型層的形成。當(dāng)這里提及層位于另一層的表面或晶片的表面上方時(shí)，其并不一 定意味著該層直接在其它層或晶片之上或直接與其接觸。其它材料層 可在這些層之間或這些層與晶片之間存在。除非另有說明，氮化硅優(yōu)選是氫化氮化硅。例如其可具有約5至 約20原子％的氫。該氮化硅可通過PECVD法形成。通過PECVD法形成的氮化硅通常具有近似于SisN4的化學(xué)計(jì)量。用于沉積具有或不具有摻雜劑如磷或硼，或其它元素如氮或碳的a-Si:H層的方法為本領(lǐng)域公 知的方法。然而，使用硅垸的氫氣混合物，通過PECVD沉積此類層的 常規(guī)條件為襯底溫度約IO(TC至約25(TC，且壓力為約0.05至約5Torr。 沉積氮化硅層的方法也是公知的。然而，使用硅烷和氨的混合物，通 過PECVD沉積此類層的常規(guī)條件為襯底溫度約200 。C至約45(TC，且 壓力為約0.05至約2 Torr。本發(fā)明的光伏電池具有將光能轉(zhuǎn)化為電能的高效率。使用單晶硅 晶片制成的本發(fā)明的光伏電池優(yōu)選的面積為約100至約250平方厘米， 可具有至少約20%的效率，以及可具有高達(dá)或至少約23%的效率。此 處所用的，本發(fā)明方法制成的光伏電池的效率使用AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)測試 條件，在25。C下測量，使用1000 W/m2 (1000瓦每平方米)照明，其中 效率是電池輸出的電能比輸入的光能，以百分比表示。本發(fā)明的光伏電池可用來形成模塊(modules)，例如多個(gè)此類的 電池以所需的排列電連接，并固定在合適的支撐基質(zhì)上或之間，如一 連串的玻璃或其它材料。用光伏電池制造模塊的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人 員所公知的。應(yīng)認(rèn)為僅有本發(fā)明的某些實(shí)施例在這里被描述和列舉。其他實(shí)施 例和本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)說明書進(jìn)行的各種改良是顯而易見的。這些 和其它替代被認(rèn)為是等價(jià)的并落入本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。2005年12月16日提交的美國臨時(shí)專利申請60/751,168在此全部 引入作為參考。
權(quán)利要求
1.一種光伏電池，其包括包含第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體材料的晶片，所述晶片包括第一光接收表面和與該第一表面相對的第二表面；位于所述晶片第一表面上方的第一鈍化層；位于所述晶片第二表面上方的第二鈍化層；包含位于所述晶片第二表面上方的點(diǎn)接觸的第一電接觸，其具有與所述晶片導(dǎo)電型相反的導(dǎo)電型；包含位于所述晶片第二表面上方的點(diǎn)接觸的第二電接觸，其與所述第一電接觸電分離。
2. 如權(quán)利要求l所述的光伏電池，其中所述半導(dǎo)體晶片包含摻雜 晶體或多晶硅。
3. 如權(quán)利要求2所述的光伏電池，其中所述第一鈍化層包含氮化 硅、氫化非晶硅、氫化微晶硅或其組合。
4. 如權(quán)利要求3所述的光伏電池，其中所述第一鈍化層包含氮化娃。
5. 如權(quán)利要求l所述的光伏電池，其包括鄰近電接觸的點(diǎn)接觸的 發(fā)射區(qū)，所述點(diǎn)接觸在此處進(jìn)入所述晶片的表面。
6. 如權(quán)利要求l所述的光伏電池，其包括鄰近電接觸的點(diǎn)接觸的 歐姆區(qū)，所述點(diǎn)接觸在此處進(jìn)入所述晶片的表面。
7. 如權(quán)利要求l所述的光伏電池，其包括靠近一個(gè)所述點(diǎn)接觸的 反型層。
8. 如權(quán)利要求l所述的光伏電池，其中所述點(diǎn)接觸通過激光燒穿 形成。
9. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中一個(gè)所述接觸包含錫，其 與銻、磷、或其組合的一種或多種形成合金。
10. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中所述晶片具有擴(kuò)散長度 且所述擴(kuò)散長度與所述晶片厚度的比值大于1.1。
11. 一種從第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體晶片制造光伏電池的方法，所述 光伏電池含有第一光接收表面和與第一表面相對的第二表面，該方法 包括在所述晶片第一表面的上方形成第一鈍化層； 在所述晶片第二表面的上方形成第二鈍化層； 在第二鈍化層的上方形成電接觸材料的第一層；形成從電接觸材料的第一層穿過第二鈍化層并至晶片內(nèi)的多個(gè)點(diǎn) 接觸；在電接觸材料的第一層中形成多個(gè)開口，所述開口穿過所述第二 鈍化層；在電接觸材料的第一層的上方形成絕緣材料層，所述絕緣材料層 進(jìn)入多個(gè)開口中，并形成填充的開口；在絕緣材料層的上方形成電接觸材料的第二層；形成從電接觸材料的第二層穿過填充的開口并至晶片內(nèi)的多個(gè)點(diǎn) 接觸。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述點(diǎn)接觸通過激光燒穿形成。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二鈍化層包含 氮化硅。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中一個(gè)所述電接觸包含錫。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體晶片包含摻雜晶 體硅或多晶硅。
全文摘要
光伏電池，其包括包含第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體材料的晶片，所述晶片包括第一光接收表面和與該第一表面相對的第二表面；位于所述晶片第一表面上方的第一鈍化層；包括位于所述晶片第二表面上方的點(diǎn)接觸的第一電接觸，其具有與所述晶片導(dǎo)電型相反的導(dǎo)電型；以及包括位于所述晶片第二表面上方的點(diǎn)接觸的第二電接觸，其與所述第一電接觸電分離，并具有與所述晶片導(dǎo)電型相同的導(dǎo)電型。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101331614SQ200680047245
公開日2008年12月24日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者大衛(wèi)·E·卡爾森 申請人:Bp北美公司