專利名稱：用于降低太陽能電池中表面復合的閾值調(diào)整注入的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及形成太陽能電池器件的方法和工藝以及通過這種方法和工藝制成的太陽能電池器件。特別是，本發(fā)明涉及用于降低太陽能電池器件中復合損失的方法和工藝以及具有降低的復合損失的太陽能電池器件。
背景技術：
通過降低復合損失提高了太陽能電池效率。復合損失涉及半導體中電子和空穴之間的反應。復合可因多種物理復合機制產(chǎn)生，諸如輻射、俄歇(Auger)和深能級(通常公知為Swckley-Read-Hall)復合。太陽能電池的體內(nèi)復合損失與太陽能電池的表面復合損失單獨地發(fā)生。通常，由于提高了材料質(zhì)量和將器件制得更薄，因此太陽能電池的表面復合相對更為重要。對于使用薄基板以降低成本的硅太陽能電池尤其是這樣。
在硅表面上的介電層可用于降低復合損失。由于介電層使與復合有關的缺陷狀態(tài)成為電性無源或者“鈍化”的，因此這種介電層被認為“鈍化”了表面。鈍化層可包括熱生長的SiO2、各種無機化合物的沉積層或者半導體材料的沉積層(例如a-Si :H的各種合金)。
圖1示意性描述了現(xiàn)有技術中公知的硅太陽能電池的截面圖。由結(jié)晶硅基板110 制造硅太陽能電池100?；?10包括基極區(qū)101、發(fā)射極區(qū)102、p-n結(jié)區(qū)103、介電前表面鈍化層104、介電背表面鈍化層115、前電接觸107和背電接觸108。p-n結(jié)區(qū)103被設置在太陽能電池的基極區(qū)101和發(fā)射極區(qū)102之間，并且是當入射光子照射太陽能電池100時產(chǎn)生電子空穴對的區(qū)域。鈍化層104可用作太陽能電池100的抗反射涂層(ARC)以及發(fā)射極區(qū)102表面105的鈍化層。鈍化層115可用作太陽能電池100的反射涂層以及基板110 背表面106的鈍化層。
當光線落到太陽能電池上時，來自入射光子的能量在p-n結(jié)區(qū)103的兩側(cè)上產(chǎn)生電子空穴對。在典型的η型發(fā)射極區(qū)102和ρ型基極區(qū)101中，電子跨過p-n結(jié)擴散到較低能級，而空穴在相反方向上擴散，從而在發(fā)射極上產(chǎn)生負電荷，在基極中產(chǎn)生相應的正電荷積累(build-up)。當在發(fā)射極和基極之間制作電路時，電流將流動且通過太陽能電池100 產(chǎn)生電力。太陽能電池100將入射能量轉(zhuǎn)換成電能的效率受到多種因素影響，所述因素包括太陽能電池100中的電子和空穴的復合率以及被太陽能電池100的背側(cè)層反射并回到基板110的光線的比率。
當太陽能電池100中以相反方向移動的電子和空穴彼此結(jié)合時發(fā)生復合。每當太陽能電池100中的電子空穴對復合，就消除了電荷載流子，從而降低了太陽能電池100的效率。復合會發(fā)生在基板Iio的體硅中或者發(fā)生在基板110的任一表面105、106上。鈍化層 104的一項功能是最小化上面形成了鈍化層104的發(fā)射極區(qū)102或者基極區(qū)101的表面處的載流子復合。太陽能電池表面的全面鈍化通過降低表面復合極大地提高了太陽能電池的效率。
硅中的表面復合已為人所熟知。例如見Prog, h Photovoltaics，vol.8， pp. 473-487 (2000), Armin Aberle 的"Surface passivation of crystalline siliconsolarcells :a review”。存在兩種主要的通常會降低表面復合的物理機制。在第一種機制中，降低與復合有關的狀態(tài)的密度。在第二種機制中，表面處的固定電荷降低一種電荷載流子的密度以降低凈復合率?！肮潭姾伞敝傅氖窃谡２僮鳁l件下被充電的界面附近的電介質(zhì)中的缺陷。所述電荷傾向于具有硅上電介質(zhì)的化學性質(zhì)，且難以大范圍地調(diào)整。熱生長氧化物傾向于具有小的正電荷(< IO11CnT2)。通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)沉積的氮化硅通常具有大的正固定電荷(> IO12CnT2)，而通過原子層沉積來沉積的氧化鋁具有負固定電荷。由于正電荷排斥少數(shù)電荷載流子(帶正電荷的空穴)，因此正固定電荷用于鈍化η型表面。對于具有負固定電荷的電介質(zhì)來講是相反情況；即，由于負電荷排斥電子， 因此這些材料用于鈍化P型表面。
控制固定電荷對于背接觸硅太陽能電池特別重要。背接觸太陽能電池在太陽能電池的背面上具有正和負極性接觸。在也必須被鈍化以降低復合損失的兩個區(qū)域之間必須有良好的電隔離。作為實例，圖2示出了使用發(fā)射極纏繞穿通結(jié)構(EWT)的背接觸電池200 的示意性圖示。在EWT電池200中通過激光鉆孔212自前表面202至背表面203纏繞發(fā)射極 218。
正極性接觸和柵格(“P金屬”)220通過介電擴散阻擋214與背表面上的η+擴散 218分離。介電擴散阻擋214和ρ型硅210之間的界面質(zhì)量影響了 η+擴散218和ρ金屬接觸220之間的電隔離；即，如果在界面處存在足夠的正固定電荷，則所述太陽能電池分流 (shunt)以“反型”表面?！胺葱汀睍诒砻骐姾勺阋砸鹚鼋缑娓淖冸姾蓪щ姌O性時發(fā)生。因此，需要一種降低太陽能電池器件中的復合損失并防止太陽能電池中區(qū)域反型的改進方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明大體提供了形成太陽能電池器件的方法和工藝。在一個實施例中，所述方法包括在形成于基板背表面上的電荷補償區(qū)域中設置一定量的雜質(zhì)，和在至少一部分電荷補償區(qū)域上方形成背表面鈍化層，其中設置在所述電荷補償區(qū)域中的所述雜質(zhì)的量經(jīng)選擇以補償形成在背表面鈍化層中的電荷量。
在另一實施例中，一種形成太陽能電池器件的方法，包括在摻雜有第一摻雜元素的基板中形成通孔陣列，其中所述通孔陣列形成在所述基板的前表面和背表面之間；在一部分背表面上形成電荷補償區(qū)域，其中所述電荷補償區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相同的第三摻雜元素；在所述電荷補償區(qū)域上形成介電鈍化層；在至少一部分前表面上、所述通孔陣列中的通孔的表面上和至少一部分背表面上形成摻雜區(qū)域，其中所述摻雜區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相反的第二摻雜元素；和在背表面上沉積第一柵格線，且所述第一柵格線沿著所述背表面距離所述通孔陣列一定距離，其中所述第一柵格線橫貫所述介電鈍化層，并電連接到摻雜有所述第一摻雜元素的基板。
在另一實施例中，一種太陽能電池器件，包括基板，所述基板包括摻雜有第一摻雜元素的半導體材料，所述基板包括前表面和與所述前表面相對的背表面；摻雜區(qū)域，所述摻雜區(qū)域形成在所述前表面上和所述基板中，其中所述摻雜區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相反的第二摻雜元素；電荷補償區(qū)域，所述電荷補償區(qū)域形成在所述背表面上，其中所述電荷補償區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相同的第三摻雜元素；背表面鈍化層，所述背表面鈍化層形成在所述電荷補償區(qū)域上；背接觸層，所述背接觸層包括形成在所述背表面鈍化層上的導電材料；和背側(cè)接觸，所述背側(cè)接觸橫貫所述背表面鈍化層以電耦合所述背接觸層和所述半導體材料。
在另一實施例中，一種太陽能電池器件，包括基板，所述基板具有形成在基板的前表面和背表面之間的通孔陣列，其中所述基板摻雜有第一摻雜元素；電荷補償區(qū)域，所述電荷補償區(qū)域形成在部分背表面上，其中所述電荷補償區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相同的第三摻雜元素；介電鈍化層，所述介電鈍化層形成在至少一部分電荷補償區(qū)域上；和摻雜區(qū)域，所述摻雜區(qū)域形成在至少一部分前表面、所述通孔陣列中的通孔的表面和與所述電荷補償區(qū)域相鄰的至少一部分背表面上，其中所述摻雜區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相反的第二摻雜元素。


通過參考實施例可獲得簡要說明如上的本發(fā)明的更具體描述，以能更具體理解本發(fā)明上述特征，附圖中示出了部分實施例。但是應注意，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，且由于本發(fā)明允許其他等效實施例，因此不認為附圖限制了本發(fā)明的范圍。
圖1(現(xiàn)有技術)示意性描述了由單晶或者多晶硅基板制造的硅太陽能電池的截面圖。
圖2(現(xiàn)有技術)示意性描述了發(fā)射極纏繞穿通(EWT)背接觸結(jié)晶硅(c-Si)太陽能電池的截面圖。
圖3A-3D描述了與圖4中所示工藝的各步驟對應的一部分基板的截面圖。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明實施例用于形成圖3A-3D中示出的太陽能電池的工藝。
圖5A-5E描述了與圖7中所示工藝的各步驟對應的一部分發(fā)射極纏繞穿通(EWT) c-Si太陽能電池基板的截面圖。
圖6描述了包括設置在通孔結(jié)構上方的柵格線的EWT太陽能電池的背表面。
圖7描述了根據(jù)本發(fā)明實施例用于形成圖5A-5E和圖6中所示的形成太陽能電池的工藝。
為了便于理解，只要可能，使用相同或者相似元件符號表示附圖中共用的相同或相似元件?？深A期，在一個實施例中公開的元件可有益地用在其他實施例上而不需具體詳述。
具體實施方式
本發(fā)明的實施例預計形成具有提高的效率和器件電特性的太陽能電池器件。特別是，本發(fā)明的實施例降低了通常與太陽能電池器件相關的復合損失。在一個實施例中，處理太陽能電池器件以改變通常形成在介電層中的電荷效應，以降低太陽能電池中的復合損失。盡管最常使用硅太陽能電池，但是本發(fā)明可應用于包括任意材料的太陽能電池。
如前文參考圖1-2所述的，在介電擴散阻擋214和ρ型硅210之間的界面質(zhì)量影響η+擴散218和ρ金屬接觸222之間的電隔離，即，如果界面存在充足的正固定電荷，則所述太陽能電池分流以“反型”表面。“反型”在表面電荷足以引起所述界面改變極性、諸如引起P型基板具有高電子濃度的區(qū)域時發(fā)生。在一些情況下，可改變介電鈍化層214的電荷以防止反型。圖1中所示的太陽能電池器件100中的相似界面也易受到反型影響。但是， 根據(jù)所制造的太陽能電池的類型以及所使用的材料，控制介電層電荷通常很困難或者甚至是不可能的。
本發(fā)明的實施例可使用摻雜原子的低能量離子注入來調(diào)整有效表面電荷并降低復合損失。僅需要低劑量使得所述步驟的成本最小化。在表面附近的離子化摻雜劑電性表現(xiàn)(behave)類似于界面處的固定電荷。硅太陽能電池的注入的一項優(yōu)勢在于，常用的低成本介電涂層可通過改變有效固定電荷來用于鈍化η型或者ρ型硅太陽能電池。例如，PECVD a-SiNx:H不能鈍化硅太陽能電池中的ρ型Si阱，因為所述ρ型Si阱具有大的正固定電荷。 (化學符號a-SiNX:H表示所述材料是非晶的，具有可變化學計量并且具有很大的氫含量。 通常將a-SiNx:H簡化為SiNx)。本發(fā)明的實施例大體提供用于形成太陽能電池的方法，所述太陽能電池在介電層附近具有摻雜部分，以防止由于介電材料中的正電荷導致的反型。 本發(fā)明的實施例可包括在太陽能電池器件內(nèi)的介電界面附近形成離子化電荷的淺注入，所述淺注入電荷的電性表現(xiàn)類似于固定電荷以防止反型。
如將在下文中參考附圖示出并描述的，本發(fā)明的實施例包括形成太陽能電池的方法，所述方法包括在形成于基板背表面上的電荷補償區(qū)域中設置一定量雜質(zhì)，和在至少一部分的電荷補償區(qū)域上方形成背表面鈍化層，其中設置在電荷補償區(qū)域中的雜質(zhì)的量經(jīng)選擇以補償形成在背表面鈍化層中的電荷量。所述雜質(zhì)可包括電介質(zhì)中的電荷中心(charge center) 0在一些實施例中，使用離子注入將雜質(zhì)加入到電荷補償區(qū)域中。所述雜質(zhì)可包括硅中的摻雜劑。下文將描述與本發(fā)明實施例有關的進一步細節(jié)。
在一個實施例中，如圖3A-3D和圖4中所示，使用工藝400形成太陽能電池器件， 以便使用介電涂層鈍化具有P型基板的硅太陽能電池的背表面。
在步驟402中，蝕刻基板310的表面，諸如前表面305、背表面306以去除來自晶片制造工藝和激光加工工藝的任何不希望的材料或者結(jié)晶缺陷。在一個實施例中，使用將基板暴露到堿性蝕刻溶液中的批量蝕刻工藝執(zhí)行所述蝕刻工藝?？墒褂脻穹ㄇ逑垂に囄g刻所述基板，在所述濕法清洗工藝中，在蝕刻劑溶液中對基板進行噴射、淹浸或者浸沒。蝕刻劑溶液可以是常規(guī)堿性清洗化學試劑，諸如氫氧化鉀或者其他合適且節(jié)約成本的蝕刻溶液。 所述步驟會同時紋理化所述表面以改善光收集。
接下來，在步驟404中，如圖3A中所示，在包括摻有第一摻雜元素的半導體材料的基板的至少一部分前表面305上形成摻雜區(qū)域或者擴散區(qū)域302。在另一實施例中，用摻雜劑擴散整個基板，而不只擴散前表面305?；暹€具有與前表面305相對的背表面306。用摻雜類型與第一摻雜元素相反的第二摻雜元素摻雜所述摻雜區(qū)302。在一個實施例中，擴散區(qū)域302包括形成在ρ型太陽能基板(例如硼摻雜的硅基板)中的η+擴散區(qū)域(例如磷摻雜)?？赏ㄟ^使用能驅(qū)入一種或多種摻雜劑原子的常規(guī)熔爐摻雜工藝執(zhí)行擴散區(qū)域302的形成工藝。在一個實例中，執(zhí)行POCl3擴散步驟以產(chǎn)生作為η+摻雜區(qū)的擴散區(qū)域302。在 850°C下持續(xù)20-30分鐘完成所述擴散工藝。替換地，也可執(zhí)行直線型(inline)擴散工藝， 在所述直線型擴散工藝中，可將諸如磷源的摻雜劑源施加到基板的兩個表面上。之后使基板通過帶式熔爐以擴散磷。
通常，希望在前表面502中創(chuàng)建的摻雜分布不同于通孔表面511和背表面503中的摻雜分布，從而最大化前表面502收集的光量，并降低在前表面502和形成于背表面503上的柵格線520之間形成的串聯(lián)電阻。在一個實施例中，希望在擴散區(qū)域518形成于前表面502上的部分中創(chuàng)建的摻雜分布具有約60 Ω /sq至約200 Ω /sq的薄膜電阻，和在擴散區(qū)域225形成于通孔表面511和背表面503上的部分中創(chuàng)建的摻雜分布具有約20 Ω/sq至約80Q/Sq、諸如約40Q/Sq的薄膜電阻。在另一實施例中，為了簡化太陽能電池器件的形成工藝，在跨過前表面502、通孔表面511和部分背表面503形成的擴散區(qū)域518中創(chuàng)建單個摻雜劑濃度分布。在所述結(jié)構中，例如，擴散區(qū)域518中的摻雜劑濃度經(jīng)摻雜以實現(xiàn)約 60 Ω/sq至約80 Ω/sq的薄膜電阻。在一個實施例中，由于在太陽能電池前表面上小于約 60 Ω/sq的摻雜等級傾向于抑制光吸收，且由此降低太陽能電池效率，因此擴散區(qū)域518中的摻雜劑濃度經(jīng)摻雜以實現(xiàn)大于約60Q/Sq的薄膜電阻。
在步驟406中，清洗并蝕刻基板以去除形成在表面上的任何玻璃。應當去除已在擴散工藝期間形成的磷玻璃。例如，磷硅酸玻璃(PSG)可形成在硅體層305的頂表面上，之后可使用諸如HF酸的蝕刻劑將所述PSG蝕刻掉?？稍谌址秶?globally)執(zhí)行PSG蝕刻。 在一個實例中，從前表面305和背表面306蝕刻掉磷玻璃。在一個實施例中，所使用的蝕刻化學試劑是用于前表面的HF和用于后表面的HNO3和HF的組合物。也可使用直線型蝕刻浮置工藝(inline etch float process)，在所述工藝中，基板在所需的蝕刻化學試劑中浮在背表面上，以優(yōu)先蝕刻基板背表面。
接下來，在步驟408中，如圖:3B中所示，通過將摻雜劑注入到背表面306上，在至少一部分背表面306上形成電荷補償區(qū)域317。用摻雜類型與第一摻雜元素相同的第三摻雜元素摻雜所述電荷補償區(qū)域317。例如，摻雜劑可以是ρ型摻雜劑，諸如硼。其他可能的 P型摻雜劑包括鋁、銦和鎵。在另一實施例中，諸如當太陽能電池310是η型太陽能電池時， 可用η型摻雜劑注入摻雜區(qū)域317。根據(jù)太陽能電池器件的類型，即，使用哪種類型的摻雜基板制造太陽能電池器件，在與電介質(zhì)交界的界面需要少量的負或者正電荷以降低復合損失。在步驟408的一個實施例中，整個背表面306都摻雜有ρ型摻雜劑，諸如硼。在另一實施例中，用硼摻雜背表面306的選擇性部分。
通過摻雜一部分基板至一定等級來形成電荷補償區(qū)域317，以使所述電荷補償區(qū)域317成為主要位于表面、用以補償介電層電荷的低劑量區(qū)域。以非常低、諸如2-50keV的能量注入等級和以IX IO11CnT2至IX IO13CnT2的劑量執(zhí)行摻雜。摻雜劑的深度可為1. 5微米或更小，諸如1微米。在另一實施例中，摻雜劑深度低于lOOnm。例如，可在20keV下執(zhí)行硼注入至深度64nm。通常，注入應當較淺從而不過多影響溝道導電性。在另一實施例中，電荷補償區(qū)域可包括一部分介電鈍化層，即電荷補償區(qū)域可包括一部分介電鈍化層、介電鈍化層和基板之間的界面以及一部分基板。
應相信，用于形成電荷補償區(qū)域的在界面附近所選雜質(zhì)的注入或者其他摻雜方式非本征地控制介電鈍化表面的表面電勢。“本征”的意思是由于介電硅的化學作用導致的固有表面電荷，所述固有表面電荷對于熱氧化物可以是小量且是正的，等等。由此，可不依賴于硅基板摻雜劑類型和/或者摻雜量地控制表面電勢。
可使用各種摻雜方法摻雜電荷補償區(qū)域317。例如，等離子體離子浸沒注入 (PIII)可用于注入摻雜劑。與使用束線的傳統(tǒng)注入機相比，PIII較便宜且更易于度量 (scale in)所述區(qū)域尺寸。在另一實施例中，可使用熔爐形成電荷補償區(qū)域317。當使用熔爐方法時可摻雜整個基板表面。但是，由于需要非常高的溫度因此均勻性可能較差。此外，如果形成玻璃，諸如硼硅酸玻璃(BSG)，則通常難以蝕刻和去除玻璃以形成電荷補償區(qū)域317。此時選擇性地在800°C至900°C的溫度下活化摻雜劑達5至60分鐘。但是，替換地，可在稍后的步驟、諸如步驟416中活化電荷補償區(qū)域317。
接下來，在步驟410中，在一個實施例中，如圖3C中所示，可在前表面305和/或具有電荷補償區(qū)域317的部分背表面306上方形成薄的鈍化和/或抗反射層。所述薄的鈍化和/或抗反射(ARC)層可為介電層，優(yōu)選包括氮化物(例如氮化硅)，優(yōu)選設置在前電池表面305上以鈍化所述表面并提供抗反射涂層。在一個實施例中，在前表面305上形成鈍化和ARC層，之后在背表面306上形成鈍化和ARC層。在一個實施例中，使用常規(guī)PECVD、熱 CVD或者其他類似形成工藝形成薄的鈍化和/或抗反射層。盡管在一些實施例中背表面可薄至30nm，但是在前表面和背表面兩者上，鈍化層厚度可在約75-85nm之間。
接下來，在一些實施例中，盡管所述步驟是選擇性的，但可使用激光或者蝕刻凝膠圖案化鈍化層以形成用于P型接觸的柵格線。在其他實施例中，形成P型接觸的后續(xù)步驟自身就能夠在形成P型接觸期間圖案化鈍化層。
在框412中，如圖3D中所示，使用諸如絲網(wǎng)印刷工藝的常規(guī)沉積工藝，在前表面 305的區(qū)域上方沉積負導電類型柵格線，前側(cè)接觸307可作為所述負導電類型柵格線的一部分。在一個實施例中，在形成于基板310(例如ρ型硅基板)上/內(nèi)的η+區(qū)域302上方設置前側(cè)接觸307，且所述前側(cè)接觸307包括含銀材料。大部分通過絲網(wǎng)印刷工藝沉積的銀 (Ag)膠含有諸如氧化物熔塊(frit)的材料，所述材料利于通過任意表面氧化物或者通過抗反射涂層的合金化。但是，在一些實施例中，前側(cè)接觸307可含有諸如鋁(Al)、銅(Cu)、 銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋅(Si)、鉛(Pb)、銷(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、釩 (V)、鎢(W)或者鉻(Cr)的金屬。在一些實施例中，銀膠可包括玻璃熔塊以溶解鈍化層且允許銀僅與硅接觸。
在框414中，如圖3中所示，在包括背表面鈍化層317的背表面306上沉積正導電型柵格線，如背接觸層320。形成背側(cè)接觸321作為部分的背接觸層320，且所述背側(cè)接觸 321橫貫(traverse)背表面鈍化層315以將背接觸層320與基板310電耦合。如圖3D中所示，電連接可直接連接至基板310，或者通過接觸電荷補償區(qū)域317間接連接至基板310。 在一個實施例中，背接觸層320的材料包括能形成ρ型接觸的鋁材料。但是，在一些實施例中，第一柵格線522可含有諸如鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鈷(Co)、鎳 (Ni)、鋅(Si)、鉛(Pb)、銷(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、釩(V)、鎢(W)或者鉻(Cr)的金屬。在其他實施例中，如果圖案化鈍化層，則將鋁接觸層放置到開口中。在另一實施例中，選擇性地將Ag:Al焊墊印刷在背接觸層上，以提高可焊性并且在需要時能夠使背側(cè)上的太陽能電池互連。
在框416中，執(zhí)行常規(guī)接觸燒制工藝，以確保前和背面電接觸和柵格線307、320、 321與基板310所需區(qū)域的良好電接觸。在這一步驟中，加熱基板至所需溫度，以在前接觸 307和基板302之間以及背接觸層320、背側(cè)接觸321和基板310之間形成良好電接觸。例如，燒制工藝可分兩個部分執(zhí)行。在500°C下執(zhí)行第一部分達幾分鐘作為有機燒除，之后在 700°C至800°C的溫度下執(zhí)行第二部分達10-30秒。
由此，圖3D示出了包括基板310的太陽能電池器件300，所述基板310包括摻雜了第一摻雜元素的半導體材料，且所述基板310具有前表面305和與前表面相對的背表面306。太陽能電池器件300具有形成在前表面305上和基板310中的摻雜區(qū)域302，其中摻雜區(qū)域302摻雜有摻雜類型與第一摻雜元素相反的第二摻雜元素。在背表面306上形成電荷補償區(qū)域317，其中電荷補償區(qū)域317摻雜有摻雜類型與第一摻雜元素相同的第三摻雜元素。太陽能電池器件300還包括形成在電荷補償區(qū)域317上的背表面鈍化層315。太陽能電池器件還包括具有導電材料的背接觸層320，背接觸層320形成在背表面鈍化層317 上。背側(cè)接觸321橫貫背表面鈍化層315以將背接觸層320與半導體材料電耦合。
在本發(fā)明的另一實施例中，如下文所述，優(yōu)選利用電壓閾值注入來修整背接觸電池中的負和正極性接觸之間的區(qū)域。注入優(yōu)選較淺且提供鈍化層表面電勢的獨立控制。
使用本發(fā)明的實施例可形成背接觸電池器件，諸如EWT太陽能電池器件500。圖 5A-5E描述了與圖7中所示工藝700的各步驟對應的EWT c-Si太陽能電池基板的一部分的截面圖。圖6描述了具有設置在通孔結(jié)構上方的柵格線的EWT太陽能電池的背表面。
在一個實施例中，形成EWT太陽能電池器件500的方法包括在摻雜有第一摻雜元素、諸如P型摻雜劑的基板510中形成通孔512陣列。通孔512陣列形成在基板510的前表面502和背表面503之間。在步驟702中，如圖7中所示，穿過太陽能電池基板510形成多個通孔512或者孔，如圖5A和6中所示。穿過基板510形成的通孔512通過通孔表面511 將前表面502連接至背表面503，且優(yōu)選通過激光鉆孔工藝形成通孔512。通孔512也可通過其他工藝形成，諸如干法蝕刻、濕法蝕刻、機械鉆孔或者噴水加工。激光鉆孔優(yōu)選使用一種激光，所述激光能夠在工作波長下傳送足夠的功率和/或電磁輻射強度，以在最短時間內(nèi)形成通孔512，諸如每秒約1，000至20，000個孔。縮短通孔形成時間通常會提高基板處理產(chǎn)量，并減少在通孔形成工藝期間引入到基板中的熱量和應力?？刹捎玫囊环N激光是Q 開關Nd:YAG激光。在日益變薄的基板中形成通孔512所需的時間通常相應地降低。所形成的通孔512的直徑可以是約25至125 μ m,優(yōu)選約30至80 μ m。
在一個實施例中，當采用薄的太陽能電池基板、諸如厚度為約100 μ m或更薄的基板時，通孔直徑近似大于或者等于基板厚度。前表面502或者背表面503的每單位表面積的通孔512密度取決于可接受的總串聯(lián)電阻損耗，所述串聯(lián)電阻損耗是由于形成于前表面 502上的發(fā)射極區(qū)中的電流通過通孔512傳輸至背表面203和第二柵格線520引起的。通常，若發(fā)射極區(qū)的薄膜電阻(如通過歐姆每平方(Ω/sq)確定的薄膜電阻)降低，則可降低通孔512的密度。本領域技術人員將意識到，由于通孔512直徑增大了產(chǎn)生的電流能夠通過的截面積，由此降低了電阻。但是，增加通孔512的尺寸和/或密度會影響形成每個通孔所需的能量數(shù)量、通孔形成工藝的產(chǎn)量以及太陽能電池器件前側(cè)的可用表面積。
接下來，在步驟704中，蝕刻基板510的表面，諸如前表面502、背表面503和通孔表面511，以去除來自晶片制造工藝和激光加工工藝的任何不希望的材料或者結(jié)晶缺陷。在一個實施例中，可使用將基板暴露到堿性蝕刻溶液中的批量蝕刻工藝執(zhí)行所述蝕刻工藝。 可使用濕法清洗工藝蝕刻基板，在所述濕法清洗工藝中，在蝕刻劑溶液中對基板進行噴射、 淹浸或者浸沒。蝕刻劑溶液可以是常規(guī)的堿性清洗化學試劑，諸如氫氧化鉀或者其他合適且節(jié)省成本的蝕刻溶液。所述步驟會同時紋理化所述表面以改善光收集。
接下來，在步驟706中，如圖5B中所示，通過將摻雜劑注入到背表面503上，在一部分背表面503上形成電荷補償區(qū)域514。電荷補償區(qū)域514摻雜有摻雜類型與第一摻雜元素相同的第三摻雜元素。例如，所述摻雜劑可以是P型摻雜劑，諸如硼。其他可能的P型摻雜劑包括鋁、銦和鎵。在另一實施例中，諸如當太陽能電池510是η型太陽能電池時，可用η型摻雜劑注入摻雜區(qū)域514。根據(jù)太陽能電池器件的類型，即用何種類型的摻雜基板制造太陽能電池器件，在與電介質(zhì)交界的界面處需要少量的負電荷或者少量的正電荷以降低復合損失。
在一個實施例中，整個背表面503都摻雜有諸如硼的ρ型摻雜劑。在另一實施例中，背表面503的選擇性部分摻雜有諸如硼的ρ型摻雜劑。以非常低、諸如2-50keV的能量注入等級和以IXlO11cnT2至IXlO13cnT2的劑量執(zhí)行摻雜。摻雜劑的深度可為1.5微米或更小，諸如1微米。在另一實施例中，摻雜劑的深度低于lOOnm。例如，可在20keV下執(zhí)行硼注入至深度64nm。通常，注入應當較淺從而不過多干擾溝道導電性?？墒褂酶鞣N摻雜方法來摻雜電荷補償區(qū)域514。例如，可使用等離子體離子浸沒注入(PIII)來注入摻雜劑。與使用束線的傳統(tǒng)注入機相比，PIII較便宜且更易于度量所述區(qū)域尺寸。在另一實施例中， 可使用熔爐形成電荷補償區(qū)域514。當使用熔爐方法時可摻雜整個基板表面。但是，由于需要非常高的溫度因此均勻性可能較差。此外，如果形成玻璃，諸如硼硅酸玻璃(BSG)，則通常難以蝕刻和去除玻璃以形成電荷補償區(qū)域514。
接下來，在步驟708中，如圖5C中所示，在電荷補償區(qū)域514上形成介電鈍化層 516。介電鈍化層516被設置在基板510背表面503上方。在一個實施例中，介電鈍化層 516包括氧化物和/或氮化物材料。在一個實例中，介電鈍化層516包括設置在ρ型硅基板510和電荷補償區(qū)域514上方的氧化硅、氮化硅或者金屬氧化物材料。在一個實施例中， 介電鈍化層516可形成在背表面503上，使基板510的隔離區(qū)域517是暴露的。在一種結(jié)構中，所沉積的介電鈍化層516按一定圖案沉積以形成隔離區(qū)域517，所述隔離區(qū)域517具有暴露的基板表面的一系列孔或者長溝道狀區(qū)域，所述隔離區(qū)域517被包圍且由此與背表面503的其他區(qū)域隔離開?？赏ㄟ^使用絲網(wǎng)印刷、模印、噴墨印刷、橡膠壓印或者其他有用的涂覆(application)方法形成圖案化的介電鈍化層516，所述涂覆方法用于在基板的這些所需位置上精確定位介電鈍化層516。在一些實施例中，通過CVD沉積在背表面503和/ 或電荷補償區(qū)域214上方形成介電鈍化層516，之后用圖案化工藝，諸如絲網(wǎng)印刷抗蝕劑和之后的化學蝕刻將介電鈍化層516圖案化。之后對介電阻擋層516進行約500°C下的燒制工藝達103分鐘以燒除有機物。
接下來，在已經(jīng)執(zhí)行了步驟308之后，可清洗基板201以去除在基板表面上發(fā)現(xiàn)的任何不希望形成的氧化物材料和/或表面污染物。在一個實施例中，使用將基板暴露到含氫氟酸(HF)的清洗溶液的批量清洗工藝來執(zhí)行所述清洗工藝。可使用在清洗溶液中對基板進行噴射、淹浸或者浸沒的濕法清洗工藝來清洗基板。例如，蝕刻/清洗化學試劑可以是 HF溶液，所述HF溶液中添加有少量的氧化劑。在另一實施例中，步驟310可包括用諸如過氧化物的氧化劑進行的HCl清洗，之后是HF浸泡。
接下來，在步驟710中，如圖5D中所示，在至少一部分前表面502上、在通孔512陣列中的通孔表面511上和至少一部分背表面503上形成擴散或者摻雜區(qū)域518。摻雜區(qū)域 518摻雜有摻雜類型與第一摻雜元素相反的第二摻雜元素。在一個實施例中，摻雜區(qū)域518 包括形成在P型太陽能基板(例如硼摻雜的硅基板)中的η+擴散區(qū)域(例如磷摻雜)。通過使用能夠驅(qū)入一或多種摻雜劑原子的常規(guī)熔爐摻雜工藝執(zhí)行擴散區(qū)域518形成工藝。在一個實例中，執(zhí)行POCl3擴散步驟以制造作為η+摻雜區(qū)域的擴散區(qū)域518。可在850°C持續(xù)20-30分鐘完成所述擴散工藝。替換地，也可執(zhí)行直線型擴散工藝，在所述直線型擴散工藝中，將諸如磷源的摻雜劑源施加到基板兩個表面上。之后，基板可通過帶式熔爐以擴散磷。 此外，步驟710可活化電荷補償區(qū)域514中的摻雜劑。之后可能需要去除已在燒制工藝期間形成的一些磷玻璃。
通常，希望在前表面502中創(chuàng)建的摻雜分布不同于通孔表面511和背表面503中的摻雜分布，從而最大化前表面502收集的光量，且降低在前表面502和形成于背表面503 上的柵格線520之間形成的串聯(lián)電阻。在一個實施例中，希望在擴散區(qū)域518形成于前表面502上的部分中創(chuàng)建的摻雜分布具有約60 Ω /sq至約200 Ω /sq的薄膜電阻，和在擴散區(qū)域225形成于通孔表面511和背表面503上的部分中創(chuàng)建的摻雜分布具有約20 Ω /sq至約 80 Ω /sq、諸如約40 Ω /sq的薄膜電阻。在另一實施例中，為了簡化太陽能電池器件形成工藝，在跨過前表面502、通孔表面511和部分背表面503形成的擴散區(qū)域518中創(chuàng)建單個摻雜劑濃度分布。在所述結(jié)構中，例如，擴散區(qū)域518中的摻雜劑濃度經(jīng)摻雜以實現(xiàn)約60Ω/ sq至約80 Ω/sq的薄膜電阻。在一個實施例中，由于在太陽能電池前表面上的小于約60 Ω / sq的摻雜等級傾向于抑制光吸收，且由此降低太陽能電池效率，因此擴散區(qū)域518中的摻雜劑濃度經(jīng)摻雜以實現(xiàn)大于約60Q/Sq的薄膜電阻。
接下來，在步驟712中，在已經(jīng)執(zhí)行了步驟710之后，可清洗基板510以去除在基板表面上發(fā)現(xiàn)的任何不希望形成的氧化物材料和/或表面污染物。在一個實施例中，可使用將基板暴露到含氫氟酸(HF)的清洗溶液中的批量清洗工藝來執(zhí)行所述清洗工藝?？墒褂脻穹ㄇ逑垂に嚽逑椿?，在所述濕法清洗工藝中，在清洗溶液中對基板進行噴射、淹浸或者浸沒。例如，蝕刻/清洗化學試劑可以是HF溶液，所述HF溶液添加有少量的氧化劑。在另一實施例中，步驟310可包括用諸如過氧化物的氧化劑進行的HCl清洗，之后是HF浸泡。 選擇性地，可使用10-20份水加1份HF的HF溶液蝕刻介電鈍化層516，其中HF是49 %的 HF/水溶液。
接下來，在步驟714中，在一個實施例中，可在前表面502、通孔表面511和/或部分背表面503上方形成薄的鈍化和/或抗反射層(未示出)。薄的鈍化和/或抗反射(ARC) 層可以是介電層，優(yōu)選包括氮化物(例如氮化硅)，優(yōu)選設置在前電池表面502上以鈍化所述表面并提供抗反射涂層。在一個實施例中，在步驟714中，在前表面502和部分通孔512 上形成鈍化和ARC層，之后在背表面503和部分通孔512上形成鈍化和ARC層。在一個實施例中，使用常規(guī)PECVD、熱CVD或者其他類似形成工藝形成薄的鈍化和/或抗反射層。盡管在一些實施例中，背表面可薄至30nm，但是在前表面和背表面兩者上，鈍化層厚度可在約 75-85nm 之間。
接下來，在一些實施例中，盡管所述步驟是選擇性的，但可使用激光或者蝕刻凝膠圖案化鈍化層以形成用于P型接觸的柵格線。在其他實施例中，形成P型接觸的后續(xù)步驟自身就能夠在形成P型接觸期間圖案化鈍化層。
在框716中，如圖5E中所示，在背表面503上沉積第一柵格線522，且所述第一柵格線522沿著背表面503距離通孔512陣列一定距離。第一柵格線522橫貫介電鈍化層 516并電連接到摻雜有第一摻雜元素的基板510。如圖5E中所示，電連接可直接連接到基板 510，或者可通過接觸電荷補償區(qū)域514而間接連接到基板510。使用諸如絲網(wǎng)印刷工藝的常規(guī)沉積工藝，在形成于部分擴散阻擋材料516之間的隔離區(qū)域上方沉積第一柵格線522。在一個實施例中，第一柵格線522材料包括能夠形成ρ型接觸的鋁材料。但是，在一些實施例中，第一柵格線522可含有諸如鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鈷(Co)、鎳 (Ni)、鋅(Si)、鉛(Pb)、銷(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、釩(V)、鎢(W)或者鉻(Cr)的金屬。在其他實施例中，如果圖案化鈍化層，則將鋁接觸層放置在開口中。
在框718中，如圖5E中所示，使用諸如絲網(wǎng)印刷工藝的常規(guī)沉積工藝，在背表面 503的區(qū)域上方沉積第二柵格線520。在一個實施例中，第二柵格線520位于形成在基板 510(例如ρ型硅基板)上的η+區(qū)域上方，且包括含銀材料。通過絲網(wǎng)印刷工藝沉積的大部分銀(Ag)膠含有諸如氧化物熔塊的材料，所述材料利于通過任何表面氧化物或者通過抗反射涂層的合金化。但是，在一些實施例中，第二柵格線250可含有諸如鋁(Al)、銅(Cu)、 銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋅(Si)、鉛(Pb)、銷(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、釩 (V)、鎢(W)或者鉻(Cr)的金屬。在一些實施例中，銀膠可包括玻璃熔塊以溶解鈍化層并允許銀僅與硅接觸。
在一些實施例中，通常選擇鋁膠和背面PECVD SiNx,以使鋁不會燒制穿過SiNx 膜。在背表面上沉積電介質(zhì)之后，可替換地執(zhí)行硼注入。在一些實施例中，有利的是通過電介質(zhì)注入以獲得淺注入。可替換地，可使用其他P型摻雜劑(例如In、Al)來取代硼，可替換地，可使用其他介電涂層來取代SiNx0
在框720中，執(zhí)行常規(guī)接觸燒制工藝以確保第一和第二柵格線520、522與基板510 所需區(qū)域的良好電接觸。在所述步驟中，加熱基板至所需溫度以在第一柵格線520和基板 510之間和第二柵格線522和基板510之間形成良好電接觸。例如，可按兩部分執(zhí)行燒制工藝。在500°C下執(zhí)行第一部分達幾分鐘作為有機燒除，之后在700°C至800°C的溫度下執(zhí)行第二部分達10-30秒。
由此，圖5E示出了包括基板510的太陽能電池器件，所述基板510具有形成在基板512前表面502和背表面503之間的通孔512陣列，其中基板摻雜有第一摻雜元素。電荷補償區(qū)域514形成在部分背表面503上，其中電荷補償區(qū)域514摻雜有摻雜類型與第一摻雜元素相同的第三摻雜元素。太陽能電池器件500還包括介電鈍化層516和摻雜區(qū)域518， 介電鈍化層516形成在至少一部分電荷補償區(qū)域514上，摻雜區(qū)域518形成在至少一部分前表面502、通孔503陣列中的通孔表面511以及與電荷補償區(qū)域514相鄰的至少一部分背表面503上。如上文所述，摻雜區(qū)域摻雜有摻雜類型與第一摻雜元素相反的第二摻雜元素。
雖然前述內(nèi)容涉及本發(fā)明的實施例，但是在不脫離本發(fā)明的基本范圍的情況下， 可設計出本發(fā)明的其他和進一步的實施例。本發(fā)明的變形和修改對于本領域技術人員是顯而易見的，且本發(fā)明意在覆蓋全部這種修改以及等價物。
權利要求
1.一種形成太陽能電池的方法，包括在形成于基板背表面上的電荷補償區(qū)域中設置一定量的雜質(zhì)；和在至少一部分所述電荷補償區(qū)域上方形成背表面鈍化層，其中設置在所述電荷補償區(qū)域中的所述雜質(zhì)的量經(jīng)選擇以補償形成在所述背表面鈍化層中的電荷量。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述雜質(zhì)包括在電介質(zhì)中的電荷中心。
3.如權利要求1所述的方法，還包括使用離子注入將所述雜質(zhì)加入到所述電荷補償區(qū)域中。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述雜質(zhì)包括在硅中的摻雜劑。
5.如權利要求3所述的方法，其中用于摻雜劑注入的所述離子注入?yún)?shù)包括以IXlO11 至IX IO13CnT2的劑量和以2至50keV的注入能量注入所述雜質(zhì)中的至少之一者。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述第一和第三摻雜元素是P型摻雜劑，所述第二摻雜元素是η型摻雜劑。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述電荷補償區(qū)域具有1.5微米或更小的深度。
8.一種形成太陽能電池器件的方法，包括在摻雜有第一摻雜元素的基板中形成通孔陣列，其中所述通孔陣列形成在所述基板的前表面和背表面之間；在一部分所述背表面上形成電荷補償區(qū)域，其中所述電荷補償區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相同的第三摻雜元素；在所述電荷補償區(qū)域上形成介電鈍化層；在至少一部分所述前表面上、所述通孔陣列中的通孔的表面上和至少一部分所述背表面上形成摻雜區(qū)域，其中所述摻雜區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相反的第二摻雜元素；和在所述背表面上沉積第一柵格線，且所述第一柵格線沿著所述背表面距離所述通孔陣列一定距離，其中所述第一柵格線橫貫所述介電鈍化層，并電連接到摻雜有所述第一摻雜元素的所述基板。
9.如權利要求8所述的方法，還包括在形成在所述背表面上的所述摻雜區(qū)域上，將第二柵格線沉積在所述背表面上。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述第一和第三摻雜元素是ρ型摻雜劑，所述第二摻雜元素是η型摻雜劑。
11.如權利要求8所述的方法，其中形成所述電荷補償區(qū)域包括以IXIO11至 IXlO13Cm-2的劑量注入所述第三摻雜元素。
12.—種太陽能電池器件，包括基板，所述基板包括摻雜有第一摻雜元素的半導體材料，所述基板包括前表面和與所述前表面相對的背表面；摻雜區(qū)域，所述摻雜區(qū)域形成在所述前表面上和所述基板中，其中所述摻雜區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相反的第二摻雜元素；電荷補償區(qū)域，所述電荷補償區(qū)域形成在所述背表面上，其中所述電荷補償區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相同的第三摻雜元素；背表面鈍化層，所述背表面鈍化層形成在所述電荷補償區(qū)域上；背接觸層，所述背接觸層包括形成在所述背表面鈍化層上的導電材料；和背側(cè)接觸，所述背側(cè)接觸橫貫所述背表面鈍化層以電耦合所述背接觸層和所述半導體材料。
13.如權利要求12所述的太陽能電池器件，其中所述第一和第三摻雜元素是ρ型摻雜劑，所述第二摻雜元素是η型摻雜劑。
14.如權利要求12所述的太陽能電池器件，其中所述電荷補償區(qū)域具有1微米或更小的深度。
15.一種太陽能電池器件，包括基板，所述基板具有形成在所述基板的前表面和背表面之間的通孔陣列，其中所述基板摻雜有第一摻雜元素；電荷補償區(qū)域，所述電荷補償區(qū)域形成在部分所述背表面上，其中所述電荷補償區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相同的第三摻雜元素；介電鈍化層，所述介電鈍化層形成在至少一部分所述電荷補償區(qū)域上；和摻雜區(qū)域，所述摻雜區(qū)域形成在至少一部分所述前表面、所述通孔陣列中的所述通孔的表面和與所述電荷補償區(qū)域相鄰的至少一部分所述背表面上，其中所述摻雜區(qū)域摻雜有摻雜類型與所述第一摻雜元素相反的第二摻雜元素。
16.如權利要求15所述的太陽能電池器件，還包括第一柵格線，所述第一柵格線設置在所述背表面上且沿著所述背表面距離所述通孔陣列一定距離，并橫貫所述介電鈍化層以電連接到摻雜有所述第一摻雜元素的所述基板；和第二柵格線，所述第二柵格線設置在形成于所述背表面上的所述摻雜區(qū)域上并與所述通孔陣列相鄰。
17.如權利要求15所述的太陽能電池器件，其中所述電荷補償區(qū)域具有1微米或更小的深度。
全文摘要
本發(fā)明的實施例涉及形成太陽能電池器件以降低復合損失的方法和通過所述方法制得的太陽能電池器件，例如背接觸太陽能電池，諸如發(fā)射極纏繞穿通(EWT)太陽能電池。所述方法包括在形成于基板背表面上的電荷補償區(qū)域中設置一定量的雜質(zhì)，和在至少一部分電荷補償區(qū)域上方形成背表面鈍化層，其中設置在所述電荷補償區(qū)域中的所述雜質(zhì)的量經(jīng)選擇以補償形成在背表面鈍化層中的電荷量。
文檔編號H01L31/042GK102498577SQ201080040810
公開日2012年6月13日 申請日期2010年9月20日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者普拉巴特·庫馬爾, 詹姆斯·M·吉 申請人:應用材料公司