專利名稱：在冶金級Si晶片上通過使用CVD外延Si膜制造的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池。更具體而言，本發(fā)明涉及在冶金級(MG)Si晶片上使用 CVD外延Si膜制造的太陽能電池。
背景技術(shù)：
由使用礦物燃料導(dǎo)致的負(fù)面環(huán)境影響和其上升的成本已導(dǎo)致對更為潔凈、廉價(jià)替代能源的急切需求。在不同形式的替代能源中，太陽能因其潔凈和廣泛可用性而受到欣賞。太陽能電池利用光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)換成電能。有一些基本的太陽能電池結(jié)構(gòu)，包括單p-n結(jié)、p-i-n/n-i-p以及多結(jié)。典型的單p_n結(jié)結(jié)構(gòu)包括由相似材料構(gòu)成的ρ型摻雜層和η型摻雜層。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)包括具有不同帶隙的至少兩層材料。p-i-n/n-i-p結(jié)構(gòu)包括 P型摻雜層、η型摻雜層和夾于ρ層和η層之間的任選的本征(未摻雜)半導(dǎo)體層(i層)。 多結(jié)結(jié)構(gòu)包括具有不同帶隙的多個(gè)半導(dǎo)體層，所述多個(gè)半導(dǎo)體層堆疊于彼此頂部上。在太陽能電池中，光在p-n結(jié)附近被吸收。由此所得的載流子擴(kuò)散進(jìn)入所述p-n 結(jié)并被內(nèi)建電場分開，從而生成穿過所述器件和外部電路系統(tǒng)的電流。確定太陽能電池質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是其能量轉(zhuǎn)換效率，能量轉(zhuǎn)換效率定義為當(dāng)太陽能電池連接至電路時(shí)在轉(zhuǎn)換的功率(從吸收的光轉(zhuǎn)換成電能)和收集的功率之間的比率?？捎糜诮ㄔ焯柲茈姵氐牟牧习o定形硅(a-Si)、多晶硅(poly-Si)、結(jié)晶硅 (結(jié)晶Si)、碲化鎘(CdTe)等。圖1示出了基于結(jié)晶Si晶片的示例性的太陽能電池。太陽能電池100包括結(jié)晶Si襯底102、ρ型摻雜單晶Si層104、η+硅發(fā)射層106、前電極108和 Al背電極110。圖1中的箭頭表示入射太陽光。根據(jù)工業(yè)調(diào)查，基于結(jié)晶Si晶片的太陽能電池主宰了近90%的市場。然而，傳統(tǒng)太陽能級Si的成本大大超過$100/kg，這使得太陽能電池的成本為$3至$4每瓦峰(Wp)。 為了降低成本，已探究各種方法來利用更低廉和更低級的Si用于太陽能電池生產(chǎn)。由于冶金級(MG)Si的低廉價(jià)格，它已被考慮用于制作太陽能電池。MG-Si的純度通常在98%和 99. 99%之間。MG-Si中的雜質(zhì)包括金屬、硼和磷。為了滿足高效率太陽能電池對純度的要求，需要純化MG-Si。第4，193，975號美國專利描述了一種通過將具有Al和硅渣的Si熔化并隨后定向冷卻來純化MG-Si的方法。歐洲專利EP1958923A1，以及美國專利申請2007/0128099A1、 2007/0202029AU2005/0053539A1 和 2008/0178793A1 也描述了用于純化 Si 的冶金方法。 然而，純化后的冶金Si晶片的質(zhì)量仍未達(dá)到太陽能級多晶硅的質(zhì)量，并且制造出的太陽能電池的性能不太穩(wěn)定。在第7，175，706號美國專利中，佳能公司的Mitzutani等人描述了一種在MG多結(jié)晶Si襯底上形成高純度多晶Si薄膜的方法和用于制造太陽能電池的相應(yīng)方法。然而，多結(jié)晶MG-Si襯底傾向于生成多結(jié)晶Si薄膜，導(dǎo)致較低的太陽能電池效率。另一方面，T. H. Wang 等人提出一種利用液相生長方法來在MG-Si襯底上生長高純度硅層的方法(參見“SolarCell Materials and Solar Cells”，第 41-42 卷(1996)，第 19 至 30 頁)。盡管顯示了高性能太陽能電池，但是液相生長的成本過于高昂，因此阻礙了任何可能的商業(yè)應(yīng)用。此外， 在第5，785，769號美國專利中，Ciszek提出使用MG-Si襯底用于沉積結(jié)晶薄膜Si。然而， 在Ciszek MG-Si襯底中的硼濃度過高而難于形成高效太陽能電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種實(shí)施方式提供一種制造太陽能電池的方法。所述方法包括熔化冶金級(MG)Si原料，放低單晶Si籽晶以接觸已熔化的MG-Si的表面，從所述熔化的MG-Si中緩慢地拉出單晶Si錠，將所述Si錠加工成單晶Si晶片以形成用于后續(xù)外延生長的MG-Si 襯底，浙出MG-Si襯底中殘余金屬雜質(zhì)，在所述MG-Si襯底上外延生長摻雜有硼的單晶Si 薄膜層，將磷摻雜入單晶Si薄膜以形成發(fā)射層，在單晶Si薄膜的頂部上沉積抗反射層，以及形成前電接觸和背電接觸。在這種實(shí)施方式的一種變化形式中，外延生長單晶Si薄膜層包括在MG-Si襯底上外延生長重?fù)诫s硼的Si層以形成背面電場(BSF)層以及在所述重?fù)诫s硼的Si層上外延生長輕摻雜硼的Si層。在這種實(shí)施方式的另一種變化形式中，所述重?fù)诫s硼的Si層的硼濃度達(dá)1X102° 原子/cm3，其厚度位于0. 5至5微米之間，而輕摻雜硼的Si層的硼濃度約為4X IO"5原子/ cm3，其厚度位于20至100微米之間。在這種實(shí)施方式的一種變化形式中，浙出所述殘余金屬雜質(zhì)包括將MG-Si襯底暴露于氯化氫氣體中。在這種實(shí)施方式的一種變化形式中，外延生長單晶Si薄膜包括化學(xué)氣相沉積 (CVD)工藝。在這種實(shí)施方式的又一種變化形式中，所述CVD工藝的執(zhí)行溫度位于1100°C和 1250°C之間。在這種實(shí)施方式的一種變化形式中，所述單晶Si薄膜的厚度位于2微米至100微米之間。在這種實(shí)施方式的一種變化形式中，所述方法還包括使用定向凝固來純化MG-Si 原料。在這種實(shí)施方式的一種變化形式中，所述MG-Si原料的純度是99. 9%或更高。


圖1示出了示例性太陽能電池的結(jié)構(gòu)。圖2呈現(xiàn)了示例性流程圖，該流程圖示出了依據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式制備MG-Si 襯底的工藝。圖3呈現(xiàn)了示例性流程圖，該流程圖示出了依據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式制造基于 MG-Si襯底的太陽能電池的工藝。圖4示出了依據(jù)本發(fā)明的基于MG-Si襯底的太陽能電池的結(jié)構(gòu)。圖5示出了依據(jù)本發(fā)明的基于MG-Si襯底的太陽能電池的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式呈現(xiàn)下面的描述以使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并使用本發(fā)明，并且在具體應(yīng)用和其要求的情況下提供下面的描述。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，對公開的實(shí)施方式的各種修改是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易明白的，并且本文中限定的一般原則可應(yīng)用至其他實(shí)施方式和應(yīng)用場合。因此，本發(fā)明不限于示出的實(shí)施方式，而是與權(quán)利要求書的最寬泛的范圍相一致。腿本發(fā)明的實(shí)施方式提供基于在MG-Si襯底上外延生長單晶Si薄膜的太陽能電池。 在一種實(shí)施方式中，MG-Si襯底獲取自使用喬克拉爾斯基法(Czochralski method)生長的錠。MG-Si襯底還浙出金屬雜質(zhì)。使用CVD工藝在MG-Si襯底的頂部上生長單晶Si薄膜。 高純度單晶Si薄膜與較廉價(jià)MG-Si襯底的組合使得以約$1每Wp的低成本生產(chǎn)太陽能模塊成為可能。制備MG-Si襯底為了確保后續(xù)制造太陽能電池的高效率，初始的MG-Si原料理想地具有99. 9%或更高的純度。在初始MG-Si原料中，硼的原子濃度是約5ppm至約500ppm，對應(yīng)于0. 003歐姆-厘米至0. 1歐姆-厘米之間的電阻率。注意，如果初始原料中的硼濃度高于500ppm，由此獲得的MG-Si襯底中的硼原子可擴(kuò)散進(jìn)入后續(xù)生長的單晶Si薄膜中，從而影響單晶Si 薄膜的電阻率。另一方面，如果硼濃度低于5ppm，因?yàn)閷⑿枰~外的純化工藝，那么MG-Si 原料的價(jià)格將急劇增加。圖2示出示例性的流程圖，該流程圖示出了制備MG-Si襯底的工藝。初始MG-Si原料首先熔入石英坩堝，該石英坩堝密封在充滿Ar的生長室內(nèi)(操作200)。在一種實(shí)施方式中，在熔入坩堝以用于單晶生長之前，MG-Si原料經(jīng)歷定向凝固工藝以去除一些雜質(zhì)。所述定向凝固工藝始于在Ar環(huán)境中通過加熱MG-Si來熔化坩堝中的MG-Si。然后熔化的MG-Si 的溫度以下述方式降低熔料的底部首先凝固，并且凝固的方向是從底部向頂部。由于偏析效應(yīng)，金屬雜質(zhì)的濃度在固體中低，而在液體中高。其結(jié)果是，雜質(zhì)傾向于在頂部濃縮。凝固之后，移除頂部，而純化后的MG-Si可被用于后續(xù)的單晶生長。注意，以這種定向凝固工藝形成的Si是多晶的。在生長單晶錠期間，放低安裝于桿上的單晶Si籽晶以接觸熔化的MG-Si的表面 (操作202)。隨后，籽晶的桿被向上拉并同時(shí)旋轉(zhuǎn)，從而從熔化的MG-Si中抽出大的、單晶的、圓柱形錠(步驟204)。所述錠隨后被鋸為晶片以形成MG-Si襯底(步驟206)?？墒褂酶鞣N方法來鋸所述錠以形成襯底晶片。在一種實(shí)施方式中，使用標(biāo)準(zhǔn)線鋸將所述錠鋸成襯底晶片。最終，使用各種技術(shù)拋光MG-Si襯底的表面，所述各種技術(shù)包括但不限于化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、化學(xué)拋光(CP)以及簡單精研(步驟208)。由于偏析效應(yīng)，在錠生長期間，MG-Si原料中的金屬雜質(zhì)傾向于留在熔料中。偏析系數(shù)是固相中雜質(zhì)相比于液相中雜質(zhì)的比率，對于例如鐵之類的破壞性缺陷 (killing-defect)金屬而言，所述偏析系數(shù)可低至8e_6。因此，當(dāng)完成Si錠生長之后，錠尾部和留在坩堝中的Si具有較高的雜質(zhì)濃度，因而將被去除。這種錠生長工藝可從剩余的錠中去除顯著量的金屬雜質(zhì)，該剩余的錠可具有低于lel6/cm3的金屬雜質(zhì)級別。生長單晶Si薄膜
在生長單晶Si薄膜之前，在充有氫氣(H2)的化學(xué)氣相沉積室(CVD)中以1100°C至 1250°C之間的溫度烘烤MG-Si襯底，以去除襯底中的原生氧化硅。在此之后，在相同的溫度下，將氯化氫(HCl)氣體引入所述CVD室中以從所述MG-Si襯底中浙出任何殘余金屬雜質(zhì)， 從而進(jìn)一步阻止雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入后續(xù)生長的單晶Si薄膜中。由于諸如鐵之類的金屬雜質(zhì)具有在這個(gè)溫度下的高擴(kuò)散系數(shù)的事實(shí)，金屬雜質(zhì)傾向于遷移至所述襯底的表面，并且與HCl 氣體反應(yīng)以形成易揮發(fā)的氯化物化合物。使用諸如吐之類的清除氣體可有效地清除所述室中的易揮發(fā)的氯化物化合物。注意，金屬雜質(zhì)浙濾工藝既可在隨后用于生長單晶Si薄膜的CVD室中執(zhí)行，也可在另一獨(dú)立的爐內(nèi)執(zhí)行。所述金屬雜質(zhì)浙濾工藝可耗用1分鐘至120 分鐘。可使用各種方法在MG-Si襯底上外延生長單晶Si薄膜。在一種實(shí)施方式中，使用 CVD工藝生長單晶Si薄膜。各種類型的Si化合物，例如SiH4、SiCl4、SiH2Cl2* SiHCl3，可用于CVD工藝以形成單晶Si薄膜。在一種實(shí)施方式中，因?yàn)镾iHCl3(TCS)的豐度和低成本而使用SiHCl3。在CVD工藝期間，在高溫下使用氫氣將前體TCS氣體還原為Si，導(dǎo)致在MG-Si 襯底上沉積的單晶Si薄膜。在這個(gè)工藝中，也添加硼，使單晶Si薄膜成為ρ型摻雜的。在一種實(shí)施方式中，P型摻雜的單晶Si薄膜的電阻率處于0. 2歐姆-厘米和5歐姆-厘米之間。CVD工藝的溫度可以是1100°C和1250°C之間。CVD單晶Si薄膜的厚度可以是2微米至100微米之間。在一種實(shí)施方式中，CVD單晶Si薄膜的厚度是5微米至50微米之間。注意，對于太陽能電池而言，較低的Si膜厚度減弱了其對光的吸收，從而降低了效率，然而較高的膜厚增加了生產(chǎn)成本。在ρ型摻雜單晶Si薄膜生長之后，繼而實(shí)施傳統(tǒng)的太陽能電池制造工藝。在一種實(shí)施方式中，P型摻雜單晶Si薄膜還在擴(kuò)散爐中摻雜磷以形成η型摻雜發(fā)射層。為了增強(qiáng)光吸收，在一種實(shí)施方式中，使用等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)技術(shù)在所述發(fā)射層的頂部上沉積SiNx抗反射涂層。此外，在所述太陽能電池的前側(cè)和背側(cè)上絲網(wǎng)印刷Al背電極和Ag前柵極以形成前電接觸和背電接觸。在一種實(shí)施方式中，在帶式爐中共燒所述前電極和背電極。圖3示出了示例性流程圖，該流程圖示出了依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式在MG-Si 襯底上制造太陽能電池的工藝。在操作期間，MG-Si襯底置于CVD室中接受H2烘烤(操作 300)。隨后，所述CVD室充有HCl氣體以浙出殘余金屬雜質(zhì)(操作302)。隨后，使用CVD技術(shù)形成P型摻雜單晶Si薄膜(操作304)。之后在ρ型摻雜單晶Si薄膜中摻雜磷以形成η 型摻雜發(fā)射層(操作306)。此后，沉積抗反射涂層(操作308)。最后，形成前電接觸和背電接觸(操作310)。圖4示出了依據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的示例性的太陽能電池結(jié)構(gòu)。圖4從上至下示出了前電極400、抗反射層402、單晶Si薄膜404、MG-Si襯底410和背電極412，單晶Si 薄膜404包括η型摻雜發(fā)射層406和ρ型摻雜層408。為了改善太陽能電池的性能，在一種實(shí)施方式中，在MG-Si襯底上生長了兩層單晶Si薄膜。首先，在MG-Si襯底上外延生長重?fù)诫s硼(摻雜濃度高達(dá)1 X IO20原子/cm3)的單晶Si薄膜以形成背面電場(BSF)層。BSF層減弱背面處的有效的少數(shù)載流子復(fù)合速率， 從而增強(qiáng)太陽能電池性能。隨后，在所述重?fù)诫s層的頂部上生長輕摻雜硼(摻雜濃度約為 4X IO16原子/cm3)的單晶Si薄膜。重?fù)诫s層的厚度可以是0.5微米至5微米，而輕摻雜層的厚度可以是20至100微米。圖5示出了依據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的示例性的太陽能電池結(jié)構(gòu)。圖5從上至下示出了前電極500、抗反射層502、單晶Si薄膜504、MG-Si襯底512和背電極514，單晶Si 薄膜504包括η型摻雜發(fā)射層506、輕摻雜硼的層508和BSF層510。對本發(fā)明的實(shí)施方式的之前內(nèi)容的描述僅用于說明和描述。它們無意于窮盡或?qū)⒈景l(fā)明限制為揭示的形式。因此，對于本領(lǐng)域從業(yè)技術(shù)人員而言，許多修改和變化是顯然的。因此，上面的公開無意于限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種制造太陽能電池的方法，所述方法包括 熔化冶金級(MG) Si原料；放低單晶Si籽晶以接觸熔化的MG-Si的表面；從所述熔化的MG-Si中緩慢拉出單晶Si錠；將Si錠加工成晶片以形成用于后續(xù)外延生長的MG-Si襯底；浙出所述MG-Si襯底中的殘余金屬雜質(zhì)；在所述MG-Si襯底上外延生長摻雜有硼的單晶Si薄膜層；將磷摻雜入所述單晶Si薄膜以形成發(fā)射層；在所述單晶Si薄膜頂部上沉積抗反射層；以及形成前電接觸和背電接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中外延生長單晶Si薄膜層包括在所述MG-Si襯底上外延生長重?fù)诫s硼的Si層以形成背面電場(BSF)層；以及在重?fù)诫s硼的Si層上外延生長輕摻雜硼的Si層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述重?fù)诫s硼的Si層具有高達(dá)1X IO20原子/cm3的硼濃度和具有0. 5微米至5微米之間的厚度，其中所述輕摻雜硼的Si層具有約4X IO"5原子 /cm3的硼濃度和具有20微米至100微米之間的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中浙出所述殘余金屬雜質(zhì)包括將所述MG-Si襯底暴露于氯化氫氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中外延生長所述單晶Si薄膜包括化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中在1100°C至1250°C之間的溫度下執(zhí)行所述CVD工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述單晶Si薄膜具有2微米至100微米之間的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括使用定向凝固來純化所述MG-Si原料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述MG-Si原料具有99.9%或更高的純度。
10.一種使用冶金級(MG)Si晶片作為襯底制造的太陽能電池，所述太陽能電池包括 MG-Si襯底，其中所述MG-Si使用如下方法形成，該方法包括熔化冶金級(MG) Si原料；放低單晶Si籽晶以接觸熔化的MG-Si的表面；從所述熔化的MG-Si中緩慢拉出單晶Si錠；將Si錠加工成晶片以形成用于后續(xù)外延生長的MG-Si襯底；浙出所述MG-Si襯底中的殘余金屬雜質(zhì)；P型摻雜單晶Si薄膜，位于所述MG-Si襯底之上；η型摻雜單晶Si薄膜，位于ρ型摻雜Si薄膜之上；抗反射層，位于η型摻雜單晶Si薄膜之上；背金屬層，位于所述MG-Si襯底之下；以及前電極，位于所述抗反射層之上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的太陽能電池，其中所述ρ型摻雜單晶Si薄膜包括重?fù)诫s硼的 Si層和輕摻雜硼的Si層，所述重?fù)诫s硼的Si層作為BSF層位于所述MG-Si襯底之上，所述輕摻雜硼的Si層位于所述重?fù)诫s硼的Si層之上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的太陽能電池，其中所述重?fù)诫s硼的Si層具有高達(dá)IXlO2tl原子/cm3的硼濃度和具有0. 5微米至5微米之間的厚度，其中所述輕摻雜硼的Si層具有約 4X IO16原子/cm3的硼濃度和具有20微米至100微米之間的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的太陽能電池，其中浙出所述殘余金屬雜質(zhì)包括將所述MG-Si襯底暴露于氯化氫氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的太陽能電池，其中使用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝外延生長所述 P型摻雜單晶Si薄膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的太陽能電池，其中在1100°C至1250°C之間的溫度下執(zhí)行所述 CVD工藝。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的太陽能電池，其中所述ρ型摻雜單晶Si薄膜具有2微米至100 微米之間的厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的太陽能電池，其中形成所述MG-Si襯底的方法還包括使用定向凝固來純化所述MG-Si原料。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的太陽能電池，其中所述MG-Si原料具有99.9%或更高的純度。
全文摘要
本發(fā)明的一種實(shí)施方式提供一種用于制造太陽能電池的方法。所述方法包括熔化冶金級(MG)Si原料，放低單晶Si籽晶以接觸熔化的MG-Si的表面，從所述熔化的MG-Si中緩慢拉出單晶Si錠，將Si錠加工成單晶Si晶片以形成用于后續(xù)外延生長的MG-Si襯底，瀝出所述MG-Si襯底中的殘余金屬雜質(zhì)，在所述MG-Si襯底上外延生長摻雜有硼的單晶Si薄膜層，將磷摻雜入所述單晶Si薄膜以形成發(fā)射層，在所述單晶Si薄膜頂部上沉積抗反射層，以及形成前電接觸和背電接觸。
文檔編號H01L31/068GK102165608SQ200980136221
公開日2011年8月24日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者G·宋, J·梁, 丁培軍, 傅建明, 徐征, 游晨濤 申請人:賽昂電力有限公司