光伏電池的制造方法
【專利摘要】制造光伏電池的方法，由下述的步驟組成：制造半導(dǎo)體襯底(10)，該半導(dǎo)體襯底(10)包括相對的第一和第二表面(12，16)，在該襯底(10)的第一表面(12)制造第一半導(dǎo)體區(qū)(14)，通過注入第一雜質(zhì)元素到該襯底的整個厚度，并且在第一激活溫度熱激活第一注入雜質(zhì)元素來摻雜該第一半導(dǎo)體區(qū)，在該襯底(10)的第二表面(16)通過注入第二摻雜元素到所述襯底的整個厚度，以及通過在比所述第一激活溫度低的第二激活溫度熱激活第二注入元素來制造第二半導(dǎo)體區(qū)(18)。該襯底的厚度大于50微米，通過激光輻射來至少對該第一摻雜元素進(jìn)行熱激活，選擇輻射參數(shù)，使得在所述襯底的第一微米的深度，輻射被吸收的最多。
【專利說明】光伏電池的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體微組件的制造，所述微組件包括兩個通過注入摻雜劑和熱激活 而摻雜的區(qū)域。本發(fā)明更具體地應(yīng)用于光伏電池。

【背景技術(shù)】
[0002] 示意性的，光伏電池包括半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底的材料通常為摻雜硅，例如，p 型摻雜硅。襯底覆蓋光伏電池的一個表面，為了接收輻射，襯底通常覆蓋前表面。襯底通常 和相反摻雜層，例如，η型摻雜層，形成一個pn結(jié)，該pn結(jié)用于收集電池接受光照所產(chǎn)生的 光載流子。η摻雜層上進(jìn)一步覆蓋增透層，以提供良好的光子吸收性，在η型摻雜層上形成 有電觸點(diǎn)，以收集產(chǎn)生的電流。
[0003] 為了增加電池的效率，在襯底是另一表面形成與襯底相同摻雜類型的重?fù)诫s區(qū)。 例如，該重?fù)诫s區(qū)為由于高濃度的Ρ型摻雜劑而稱之為"Ρ+"層。該重?fù)诫s區(qū)通常被稱為 "BSF"（ "背面場"）區(qū)。
[0004] 例如，通過在850°C?950°C，擴(kuò)散P0C13氣體幾十分鐘，形成η型層，如在 J.C.C. Tsai 等的文檔 "Shallow Phosphorus Diffusion Profiles in Silicon，'，Proc. of the IEEE57 (9)，1969, pp. 1499-1506中描述的那樣，或者通過磷原子的離子注入，隨后熱激 發(fā)注入的原子，形成η型區(qū)，如在D.L. Meier等的文擋"N-type, ion implanted silicon solar cells and modules"，Proc. 37th PVSC, 2011 中描述的那樣。
[0005] 例如，BSF層是通過在襯底的整個后表面上沉積包含鋁的絲網(wǎng)印刷膏來形成。稱 之為"A1-BSF"的這種BSF層隨后通過退火來激活，例如，在溫度為885°C的連續(xù)爐中，以 6500mm/min 的皮帶速度進(jìn)行，如在 B.Sopori 等的文檔 "Fundamental mechanisms in the fire-through contact metallization of Si solar cells:a review"，17th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells&Modules:Materials and Process, Vail, Colorado, US A，August5-82007中描述的那樣。
[0006] 然而，Al-BSF層有兩個問題。第一，在必須的退火以激活A(yù)l-BSF層期間，由 于硅和絲網(wǎng)印刷膏不同的熱膨脹系數(shù)，絲網(wǎng)印刷膏沉積在襯底的整個后表面會引起顯 著的弓（bow)。當(dāng)不同的層之間很薄的時候，這種效果更強(qiáng)，這是非常不利于按這種方 式制造的光伏電池的一個很好的模塊結(jié)構(gòu)（arrangement)，例如，如在F. Huster的文 檔"Aluminum-Back surface field:bow investigation and elimination，'，Proc. 20th EUPVSEC，2005中描述的那樣。隨后，由于鋁在硅中的溶解度低，證明（justifies)形成BSF 層的期望的場效應(yīng)很弱，因此限制了 Al-BSF提供的效率增益。
[0007] 為了解決這些問題，對Al-BSF各種替代進(jìn)行了研究。當(dāng)前使用的方法因此包括使 用硼基BSF層，通常稱之為"B-BSF"，而不是使用Al-BSF層?？梢耘c襯底前表面的η型區(qū) 相似的方式形成B-BSF層，例如，通過BC1 3或者BBr3類型的氣體擴(kuò)散，也可以通過硼原子注 入，隨后進(jìn)行注入原子的熱激發(fā)。
[0008] 因此，可以設(shè)想通過使用磷離子注入形成η型層和通過硼原子注入形成B-BSF層 來形成光伏電池。這樣的電池存在的問題是：對于硼和磷，激發(fā)注入原子的熱退火的溫度是 不同的。因此，對于磷，溫度低于850°C是必須的，而對于硼，則需要1000°C才能被激發(fā)。為 了解決這些問題，進(jìn)行兩次離子注入以及與之對應(yīng)的兩次熱退火。第一，在襯底的后表面注 入硼來獲得BSF層，在此之后，獲得的組件在1000°C退火。隨后，在前表面注入磷，獲得的組 件隨后在850°C退火，硼原子沒有受到該"低溫"步驟的影響或者受到的影響很弱。可以進(jìn) 一步的咨詢上述提到的D. L. Meier的文檔，以獲得進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
[0009] 然而，單獨(dú)注入和熱退火步驟的實(shí)施例有許多缺點(diǎn)。特別的，離子注入的步驟大 致需要在真空的條件下和在潔凈室中進(jìn)行，以限制污染風(fēng)險。由熱活化溫度的不兼容性引 起的單獨(dú)的注入，因此，說明真空的至少一次破壞以及在污染方面，在它們制造的最關(guān)鍵階 段，施加多重光伏電池操作。
[0010] 進(jìn)一步的，將非常高溫度（為了激活硼原子，需要大于1，000°C)的熱退火的實(shí)例 應(yīng)用到整個襯底以及產(chǎn)生襯底的大致的體壽命的減少。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的一個目的是提供一種光伏電池的制造方法，該光伏電池具有通過離子注 入和熱激活來摻雜的兩個表面，該方法使得不同的熱激活溫度引起的制造限制最小化，特 別的，在溫度不兼容的時候，該方法不需要總的單獨(dú)注入和激活。
[0012] 本發(fā)明的另一目的是提供不需要改變襯底壽命的方法。
[0013] 為了實(shí)現(xiàn)這個目的，本發(fā)明在于提出一種光伏電池的制造方法，該方法包括：
[0014] 形成包括相對的第一表面和第二表面的半導(dǎo)體襯底；
[0015] 在襯底的第一表面形成第一半導(dǎo)體區(qū)，通過注入第一注入雜質(zhì)元素到整個襯底的 厚度，以及通過在第一激活溫度熱激活第一注入雜質(zhì)元素來摻雜第一半導(dǎo)體區(qū)；
[0016] 在襯底的第二表面形成第二半導(dǎo)體區(qū)，通過注入第二雜質(zhì)元素到整個襯底厚度， 以及通過在比第一激活溫度低的第二激活溫度來熱激活第二注入雜質(zhì)元素來摻雜第二半 導(dǎo)體區(qū)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明，襯底的厚度大于50微米，至少通過激光輻射來熱激活第一雜質(zhì)元 素，通過選擇輻射的參數(shù)，使得在對應(yīng)于所述襯底的所述第一微米的深度，該輻射被吸收的 最多。
[0018] 換言之，激光輻射允許被輻射表面（在表面之下的深度的級別為襯底吸收輻射的 深度，即，一微米的級別）的局部溫度強(qiáng)烈上升，因此引起在輻射表面的注入的雜質(zhì)元素的 熱激活。進(jìn)一步的，輻射是局部的，襯底消耗熱，因此，與輻射的表面相對的表面沒受到或者 受到很少的加熱。因此，可能注入其它的表面雜質(zhì)元素，而不需要使后者受到顯著的加熱。 因此，可能在襯底的一個表面上注入硼原子，而在該襯底的另一個表面上注入磷原子，使用 激光輻射摻雜有硼原子的表面，而不輻射摻雜有磷原子的表面，從而該表面沒有受到過度 的加熱。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，一旦完成離子注入，就進(jìn)行熱激活。特別的，在相同的 真空外殼中注入離子，因此在進(jìn)行兩步驟之間時，真空沒有被破壞。作為一個變形，在熱激 活之前進(jìn)行離子注入。例如，首先進(jìn)行離子注入，接著進(jìn)行熱激活。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過熱退火來進(jìn)行第二雜質(zhì)元素的熱激活。作為一個變形， 可通過激光輻射來進(jìn)行熱激活，特別的是，通過與激活第一元素的輻射步驟相獨(dú)立的輻射 步驟。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，第一雜質(zhì)元素為硼原子，第二雜質(zhì)元素為磷原子。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，通過使用波長范圍為150nm至160nm的脈沖激光來輻 射第一表面，激光的表面功率密度的范圍為lj/cm 2到7J/cm2,脈沖的持續(xù)時間的范圍為10 納秒到1微秒。通過該輻射，能夠在表面之下小于1微米的深度獲得高溫（溫度的級別為 1，000°C和超過 1，000°C )。
[0023] 特別的，通過使用能量密度等級為3J/cm2和持續(xù)時間等級為150納秒的激光來輻 射包含注入的硼原子的第一表面。該激光輻射特別的能夠得到高于l〇〇〇°C的加熱，用以熱 激活注入在其中一個表面中的硼原子。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，特別的，襯底的材料為硅，襯底的厚度范圍為50微米 至300微米，優(yōu)選的厚度為180微米。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，襯底為p型摻雜半導(dǎo)體襯底，第一半導(dǎo)體區(qū)為η型摻雜 區(qū)，第二半導(dǎo)體區(qū)為Ρ型摻雜區(qū)。
[0026] 作為一個變形，襯底為η型摻雜襯底，第一半導(dǎo)體區(qū)為η型摻雜區(qū)，第二半導(dǎo)體區(qū) 為Ρ型摻雜區(qū)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 通過結(jié)合附圖，閱讀作為示例的實(shí)施例，能夠更好的理解本發(fā)明。其中，相同的附 圖標(biāo)號表示相同或者類似的元件，其中，圖1至6為簡化的剖視圖，其示出了，本發(fā)明制造光 伏電池的方法。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 參考圖1至圖6,本發(fā)明制造光伏電池的方法始于形成ρ型摻雜硅襯底10 (圖1)， 襯底10的厚度大于50微米，特別的，襯底的厚度的范圍為50微米到300微米，例如180微 米，可選的，隨后化學(xué)蝕刻表面12,例如，通過在80°C施加1%的Κ0Η溶液40分鐘。
[0029] 表面12用于接收輻射并將其轉(zhuǎn)化為電流，表面12此后都稱之為前表面。
[0030] 通過在前表面12注入磷原子來繼續(xù)本發(fā)明的方法（圖2)，例如，離子注入為功率 范圍為 5keV 到 50keV，例如 30keV，劑量為 1014at/cm2 到 6. 1015at/cm2,例如，4. 1015at/cm2， 的P0C13 -型注入，或者為等離子體浸沒，這在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，以在前表面12上獲得 磷離子注入?yún)^(qū)14,磷離子注入?yún)^(qū)14的厚度典型的小于100納米。
[0031] 隨后，在與前表面12相對的表面16或者"后"表面（圖3)進(jìn)行硼原子的注入。例 如該離子注入為功率范圍為5keV到30keV，例如10keV，劑量為10 14at/cm2到5. 1015at/cm2， 例如，3. 1015at/cm2,的BC13或者BBr3 -型注入或者為等離子體浸沒，這在現(xiàn)有技術(shù)中是已 知的，以在后表面16上獲得硼注入?yún)^(qū)18,硼注入?yún)^(qū)的厚度典型的小于100納米。
[0032] 優(yōu)選的，在注入設(shè)備的同一真空外殼中進(jìn)行磷和硼離子的注入，從而在兩次注入 之間不破壞真空，以最小化污染風(fēng)險。
[0033] 隨后，在本發(fā)明的方法中，使用激光輻射后表面16的所有部分，以在一定的深度 (典型的，表面以下小于500納米的深度，例如，200納米等級）擴(kuò)散，并熱激發(fā)注入的硼原 子。在不破壞前表面12和位于其中的磷原子的情況下，形成B-BSF層（圖4)。通過激光以 非常短時間的輻射整個后表面16來有利的熱激活第一元素。
[0034] 更具體的，通過激光來進(jìn)行后表面的硼原子的激活，該激光為308-納米脈沖準(zhǔn)分 子激光，脈沖的持續(xù)時間為150納秒，脈沖的頻率為100kHz，能量密度或者能量密度為3J/ cm2,這使得局部的溫度超過1，000°C。本領(lǐng)域的技術(shù)人員有能力根據(jù)可用的激光調(diào)整輻射 參數(shù)，使得輻射在小于1微米的厚度內(nèi)，優(yōu)選的小于500或者300納米的厚度內(nèi)，被吸收，力口 熱被保持在l〇〇〇°C以上（在任何情況下，不破壞材料）。
[0035] 典型的，激光輻射的激光的波長范圍為150納米到600納米，表面功率密度的范圍 為lj/cm 2到7J/cm2,脈沖的持續(xù)時間為10納秒到1微秒，脈沖的頻率為1kHz到1GHz。
[0036] 隨后在前表面12內(nèi)進(jìn)行注入的磷離子的熱激活，優(yōu)選的，在氧化管中，在840°C進(jìn) 行熱退火，或者通過激光輻射，或者通過熱處理（或者RTP退火）來激活。
[0037] 隨后在光伏電池的前表面12沉積具有鈍化功能的增透層20,例如，增透層20為在 45CTC通過 440-kHz 的 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）來沉積的75納米厚的SiNx。
[0038] 鈍化層22也沉積在后表面16上，例如，在450°C通過440-kHz的PECVD沉積15納 米厚的SiN x。
[0039] 最后，在電池的前表面12和后表面16上形成有利的為網(wǎng)格形式的前表面觸點(diǎn)24 和后表面觸點(diǎn)26,隨后觸點(diǎn)24、26被退火（圖6)。
[0040] 例如，通過前表面的絲網(wǎng)印刷，使用沉積在掩膜上的銀漿來進(jìn)行金屬化，掩膜包括 間距為2. 1毫米的70微米的孔網(wǎng)，使用沉積在掩膜上的鋁漿來進(jìn)行后表面的金屬化，掩膜 包括間隔為1毫米的70微米的孔。在此之后，在商先創(chuàng)型紅外爐中對前表面和后表面接觸 點(diǎn)進(jìn)行退火，退火的溫度范圍為850°C到1，050°C，速度為2, 000mm/每分到6, 500mm/每分。
[0041] 上面已經(jīng)描述了本發(fā)明制造具有P型襯底的光伏電池的應(yīng)用。本方法還可應(yīng)用于 具有η型襯底的光伏電池，以用于制造所謂的"反η型"電池。在這種情況中，摻雜的半導(dǎo) 體區(qū)位于后表面上，并且包括硼原子，可以用作發(fā)射極，而摻雜包括磷原子的半導(dǎo)體區(qū)的前 表面是所謂的FSF(Front Surface Field，前表面場）層，對于前表面，其作用與后表面BSF 層相同。
[0042] 本發(fā)明還應(yīng)用于形成標(biāo)準(zhǔn)的η型結(jié)構(gòu)，即包括前表面上的p型發(fā)射極，其是通過注 入硼原子來形成的，隨后通過前述的激光輻射進(jìn)行熱激活，通過傳統(tǒng)注入和熱激活，或者通 過傳統(tǒng)注入和激光輻射激活，形成注入有磷BSF層的后表面。
[〇〇43] 本發(fā)明的方法還應(yīng)用于形成具有ρ型襯底的光伏電池的選擇性的前表面，或者反 η型電池的選擇性的FSF層，和/或光伏電池的后表面的局部BSF層。
【權(quán)利要求】
1. 一種光伏電池的制造方法，包括： 形成包括有相對的第一表面（12)和第二表面（16)的半導(dǎo)體襯底（10); 在所述襯底（10)的所述第一表面（12)上形成第一半導(dǎo)體區(qū)（14)，通過注入第一雜質(zhì) 元素到所述襯底的整個厚度，并且在第一激活溫度熱激活第一注入雜質(zhì)元素來摻雜所述第 一半導(dǎo)體區(qū)（14); 在所述襯底（10)的所述第二表面（16)形成第二半導(dǎo)體區(qū)（18)，通過注入第二摻雜元 素到所述襯底的整個厚度，以及通過在第二激活溫度熱激活第二注入元素來摻雜所述第二 半導(dǎo)體區(qū)（18)，所述第二激活溫度比所述第一激活溫度低； 其特征在于，所述襯底的厚度大于50微米，通過激光輻射來至少對所述第一摻雜元素 進(jìn)行熱激活，輻射參數(shù)被選擇使得在所述襯底的第一微米的深度，輻射被吸收的最多。
2. 如權(quán)利要求1所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，一旦離子注入完成后，進(jìn)行 熱激活。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，通過熱退火或者激光輻 射來熱激活所述第二雜質(zhì)元素。
4. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，所述第一注入元 素為硼原子，所述第二注入元素為磷原子。
5. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，所述第一表面的 激光輻射為波長范圍為150納米到600納米之間的激光輻射。
6. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，包含注入的硼原 子的所述第一表面的所述激光輻射是脈沖激光輻射，所述脈沖激光的能量密度范圍為1J/ cm2到7J/cm2,所述脈沖激光的持續(xù)時間的范圍為10納秒到1微秒。
7. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，所述襯底，特別是 硅材料的襯底，的厚度的范圍為50微米到300微米，優(yōu)選的，厚度為180微米。
8. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，所述襯底為p型 摻雜半導(dǎo)體襯底，所述第一半導(dǎo)體區(qū)為η型摻雜區(qū)，所述第二半導(dǎo)體區(qū)是p型摻雜區(qū)。
9. 如權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的光伏電池的制造方法，其特征在于，所述襯底為 η型摻雜半導(dǎo)體襯底，所述第一半導(dǎo)體區(qū)為η型摻雜區(qū)，所述第二半導(dǎo)體區(qū)為ρ型摻雜區(qū)。
【文檔編號】H01L31/18GK104115287SQ201280065246
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月5日
【發(fā)明者】貝特朗·帕維耶-薩洛蒙, 薩米埃爾·加爾, 阿德琳·朗泰尼, 西爾萬·曼努埃爾 申請人:原子能與可替代能源委員會