TWI643351B - 太陽能電池金屬化及互連方法 - Google Patents

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Abstract

太陽能電池以及在太陽能電池上形成接觸結構的方法，太陽能電池具有p-n接面，其形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反。該方法包含：形成複數接點於太陽能電池表面，藉此使接點提供到第一半導體區的電連接，以及設置複數導線於太陽能電池上方，以形成到接點的電連接。接點裸露於矽表面或金屬墊形成於其上的矽表面。金屬墊可包含低熔化溫度金屬的電鍍層及/或可具有小於5微米的的厚度。

Description

太陽能電池金屬化及互連方法
本發明係關於光伏裝置的製造，本發明尤其是提供在此種裝置上形成接觸的改良方法。
降低矽太陽能電池的擁有成本的主要條件之一在於以低成本製造高效電池特性。標準工業太陽能電池製造傳統上利用均勻重摻雜頂表面射極層以分隔太陽能電池內的電荷載子、側向傳輸載子到前電池金屬接觸以及提供與這些金屬接觸的低阻抗歐姆接觸。相對地，具有選擇性射極的太陽能電池利用在金屬接觸下方的選擇性重摻雜區，而周圍頂表面相對地進行輕摻雜。如此使輕摻雜表面區具有低復合性，增加電池對短波長光的響應，進而改善電池的短路電流及開路電壓。同時，在電池接觸下方的重摻雜區降低金屬-矽界面的復合性，進一步增加開路電壓，同時提供矽及金屬之間的低阻抗歐姆接觸。
再者，太陽能電池的成本極受金屬化製程選擇的影響。傳統網版印刷的太陽能電池在工業製造上佔有重要地位，然而卻需要大量的厚膜銀膏來形成前接觸，獨此一項就達到將矽晶圓轉化為太陽能電池的成本的三分之一。傳統網版印刷電池具有均勻射極及大金屬接觸區，造成金屬-矽界面的高復合性、低短波長響應、高接觸阻抗以及高遮蔽損失。當使用 完全金屬化的後表面時，這些電池因此受限在約640mV的電壓及約18%的效率。再者，網版印刷係施壓於太陽能電池，需要較厚的矽基板，因而成本較高。
利用選擇性射極的最新網版印刷電池，藉由在網版印刷接觸下導入重摻雜及其他地方為輕摻雜來克服這些問題。然而，這些電池仍然受限於設計的折衷，限制了對效能及/或製造成本的改善。
網版印刷太陽能電池使用含鉛銲料的標準互連結構也有問題，因為電荷載子在連接到模組中的下一個電池的中央母線被收集前需要沿著導電金屬指部流過很長的距離。如此造成大的金屬覆蓋面積，導致遮蔽損失及成本的增加，而母線本身也遮蔽約2%的電池表面。為了克服這個問題，已提出利用多條均勻間隔的薄母線的互連方案。這些多條薄母線直接連接到太陽能電池上的指部且在電池上無需任何母線金屬化，並縮短電流流動距離。如此即使太陽能電池接觸指部比之前相隔略遠仍可達到較低的阻抗損失，且亦可得到較低的遮蔽損失。然而，使用這些互連方案的模組概念仍僅專注在網版印刷太陽能電池的使用。網版印刷金屬化在降低金屬的使用或相關的成本上的範圍有限，無法充分利用多條母線互連方案所提供的益處。此乃因為利用網版印刷很難在不造成金屬線斷裂的情形下印刷比10微米還要更薄的金屬層。在例如噴墨印刷金屬墨的其他金屬化方案中也有同樣狀況，並且在某些藉由形成較窄或較薄金屬線而試圖節省成本的電鍍技術會導致許多斷裂部分的產生。金屬化的斷裂通常導致電池功率輸出的降低。
根據第一方面，提供一種太陽能電池上形成接觸結構的方法，太陽能電池具有p-n接面形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反，該方法包含：電鍍複數金屬墊於太陽能電池之裸露半導體表面的複數點上，以形成複數第一接點，複數金屬墊包含具有熔化溫度低於150℃之低熔化溫度金屬；藉此複數第一接點提供到第一半導體區的電連接。
於電鍍複數金屬墊之後，藉由例如異丙醇及ADIPIC酸的混合物之助熔劑，移除金屬中的原生氧化物。接著可在比熔化溫度還高的溫度(較佳高20℃至50℃)使金屬墊回流。
根據第二方面，提供一種在太陽能電池上形成接觸結構的方法，該太陽能電池具有p-n接面形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反，該方法包含：形成複數第一接點於太陽能電池之表面上，該些接點提供到第一半導體區的電連接且裸露於矽表面或具有金屬墊形成於其上的矽表面；以及設置複數第一導線於太陽能電池上，各第一導線形成到至少其中之一(且較佳為複數)第一接點的電連接。
根據第三方面，一種太陽能電池組件包含太陽能電池，其具有p-n接面形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反、複數第一接點，提供到第一半導體區之電連接，該些第一接點裸露於矽表面或其上有金屬墊形成的 矽表面、以及複數第一導線，設置橫越太陽能電池，其中各第一導線形成到至少其中之一(且較佳為複數)第一接點的電連接。
根據第四方面，提供一種在太陽能電池上形成接觸結構的方法，該太陽能電池具有p-n接面形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反，該方法包含：電鍍複數金屬墊於太陽能電池的複數點上以形成複數第一接點，藉此複數第一接點提供到第一半導體區的電連接，複數金屬墊包含具有熔化溫度低於150℃之低熔化溫度金屬；以及設置複數第一導線於太陽能電池上，以經由至少其中之一(且較佳為複數)第一接點形成到第一半導體區的電連接。
在電鍍複數金屬墊後，可藉由例如異丙醇及ADIPIC酸的混合物之助熔劑，移除金屬中的原生氧化物。接著可在比熔化溫度還高的溫度(較佳高20℃至50℃)使金屬墊回流。可使用回流步驟將金屬墊接合到接觸金屬墊的第一導線。
根據第五方面，一種太陽能電池組件包含太陽能電池，其具有p-n接面形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反、複數第一接點，提供到第一半導體區之電連接，其中第一接點包含金屬墊位於太陽能電池的複數點上以提供到第一半導體區的電連接，其中金屬墊包含具有熔化溫度低於150℃之低熔化溫度金屬、以及複數第一導線，設置橫越太陽能電池以形成到至少其中之一(且較佳為複數)第一接點的電連接。
複數第二接點亦可形成於太陽能電池上與第一接點相同的表面，藉此該些第二接點提供到第二半導體區的電連接，且裸露於矽表面或厚度小於5微米之金屬墊形成於其上的矽表面。
該些第一接點可形成為一或多個平行間隔線性陣列，該些第二接點可形成為平行於該些第一接點之間隔線性陣列之一或多個間隔線性陣列，其中該些第二接點之間隔線性陣列與該些第一接點之間隔線性陣列交替。
複數第二導線可位於太陽能電池上，其中該些第二導線各經過該些第二接點之其中之一間隔行性陣列之第二接點，以形成與該些第二接點之個別間隔線性陣列之一或多個第二接點的電連接。
複數第一導線可位於平行於複數第二導線的位置，藉此該些第一導線各經過該些第一接點之其中之一間隔行性陣列之第一接點，以形成與該些第一接點之個別間隔線性陣列之一或多個第一接點的電連接。
太陽能電池可設置為類似太陽能電池之線性陣列中的一個太陽能電池，該個太陽能電池之第一接點之間隔線性陣列各與鄰近該個太陽能電池之太陽能電池之第二接點之個別線性陣列對準，且該個太陽能電池之第一導線及/或第二導線延伸橫越太陽能電池陣列，藉此該個太陽能電池的第一導線包含相鄰太陽能電池之第二導線，且該個太陽能電池的第二導線包含相鄰太陽能電池的第一導線。
根據第六方面，提供一種互連複數太陽能電池之陣列的方法，包含： 形成接觸結構於陣列之各太陽能電池上，各太陽能電池具有p-n接面形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反，包含：i)形成複數第一接點於各太陽能電池之表面上之一或多個平行間隔線性陣列中，藉此該些接點提供到第一半導體區之電連接，且裸露於矽表面或具有厚度小於5微米的金屬墊形成於其上的矽表面；ii)形成複數第二接點在平行於該些第一接點之間隔線性陣列之一或多個間隔線性陣列中且在各太陽能電池與該些第一接點相同的表面，藉此該些第二接點提供到第二半導體區之電連接且裸露於矽表面或具有厚度小於5微米的金屬墊形成於其上的矽表面；將該些太陽能電池設置為太陽能電池的線性陣列，該陣列之一個太陽能電池之第一接點的間隔線性陣列各與和該個太陽能電池相鄰的太陽能電池之第二接點的個別間隔線性陣列對準；設置複數第一導線以延伸過該些太陽能電池之陣列，藉此該些第一導線各經過該個太陽能電池之第一接點之其中之一間隔線性陣列的第一接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池之每個交替太陽能電池及該個太陽能電池之至少一第一接點的電連接；設置複數第二導線以延伸過該些太陽能電池之陣列，藉此該些第二導線各經過該個太陽能電池之第二接點之其中之一間隔線性陣列的第二接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池之每個交替太陽能電池及該個太陽能電池之第二接點之個別線性陣列之一或多個第二接點的電連接；以及 該個太陽能電池之第一導線包含陣列中相對於相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池及相鄰該個太陽能電池之太陽能電池之第二導線，且該個太陽能電池之第二導線包含該陣列中相對於相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池及相鄰太陽能電池之第一導線。
根據第七方面，一種複數太陽能電池之互連線性陣列，包含：一接觸結構，位於陣列之各太陽能電池上，各太陽能電池具有p-n接面形成在第一摻雜極性之第一半導體區及第二摻雜極性之第二半導體區之間，第二摻雜極性與第一摻雜極性相反，包含：i)複數第一接點，位於各太陽能電池之表面上之一或多個平行間隔線性陣列中，其中該些第一接點形成到第一半導體區之電連接，且裸露於矽表面或具有厚度小於5微米的金屬墊所在的矽表面；ii)複數第二接點，在平行於該些第一接點之間隔線性陣列之一或多個間隔線性陣列中且在各太陽能電池與該些第一接點相同的表面，其中該些第二接點形成到第二半導體區之電連接且裸露於矽表面或具有厚度小於5微米的金屬墊所在的矽表面；該些太陽能電池之線性陣列配置成陣列之一個太陽能電池之第一接點的間隔線性陣列各與和該個太陽能電池相鄰的太陽能電池之第二接點的個別間隔線性陣列對準；複數第一導線，位於該些太陽能電池之陣列上，其中該些第一導線各經過該個太陽能電池之第一接點之其中之一間隔線性陣列的第一接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池之每個交替太陽能電池及該個太陽能電池之至少一第一接點的電連接； 複數第二導線，位於該些太陽能電池之陣列上，其中該些第二導線各經過該個太陽能電池之第二接點之其中之一間隔線性陣列的第二接點，以形成到陣列中相對於該個太陽能電池之每個交替太陽能電池及該個太陽能電池之第二接點之個別線性陣列之一或多個第二接點的電連接；以及該個太陽能電池之第一導線包含陣列中相對於相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池及相鄰該個太陽能電池之太陽能電池之第二導線，且該個太陽能電池之第二導線包含陣列中相對於相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池及相鄰太陽能電池之第一導線。
當第一接點及/或第二接點包含金屬墊時，金屬墊可具有小於5微米的厚度。選替地，金屬墊可具有小於2、1或0.5微米的厚度。若金屬墊存在時，金屬墊的厚度較佳大於0.1微米。
形成複數第一接點及/或第二接點可藉由形成複數重摻雜區，其係自太陽能電池表面延伸入第一半導體區，重摻雜區摻雜有比第一半導體區還要更重摻雜的第一摻雜極性之第一摻雜質。重摻雜區可形成具有1至50歐姆/平方(ohms/square)的片電阻，且較佳為20ohms/square。
第一接點及/或第二接點亦可包含直接形成在第一半導體區之裸露表面的金屬墊，金屬墊係位在要形成導線及第一半導體區之間之連接點位置。
第一接點及/或第二接點可包含圓形、卵形、方形、矩形或多邊形的區域，且在太陽能電池表面的平面可具有範圍為8-12微米的尺寸。第一接點及/或第二接點亦可包含細長平行區域，其具有範圍為8-12(假設為10)微米的寬度。第一導線及/或第二導線較佳設置為使得導線經過各第一接 點及/或第二接點。
使用重摻雜區時，重摻雜區可包含細長平行通道，且細長平行通道在太陽能電池表面的平面具有8-12(假設為10)微米的寬度。第一導線及/或第二導線較佳設置為橫越細長平行通道，且較佳設置為實質垂直橫越細長平行通道。介電層可形成於第一半導體區上方，開口形成於介電層中以裸露要形成重摻雜區的區域，且第一導線及/或第二導線可設置於介電層上方，以透過介電層中的開口形成到重摻雜區的連接。金屬墊可形成於重摻雜區上方，以電連接重摻雜區，但藉由介電層與其餘的第一半導體區隔離，且導線可定位於太陽能電池表面上方，以經由金屬墊與重摻雜區形成接觸。金屬可藉由電鍍方式施用於重摻雜區上。
重摻雜區的形成可藉由提供摻雜質源於太陽能電池表面上或附近，以及以對應重摻雜區位置的圖案雷射加熱摻雜質源及第一半導體區，使摻雜質自摻雜質源摻雜重摻雜區到所需濃度，同時破開介電層於介電層中形成開口以裸露所形成的重摻雜區。介電層可形成於第一半導體區上方，以及形成開口於介電層以裸露第一半導體區的表面，以及第一導線及/或第二導線可設置於介電層上方以透過介電層中的開口連接第一半導體區。金屬墊可形成於第一半導體區的表面並電連接第一半導體區的表面，使其藉由介電層與其餘的第一半導體區隔離，以及設置於太陽能電池表面上方的導線可經由金屬墊電接觸第一半導體區的表面。金屬可藉由電鍍施用於第一半導體區的表面。金屬墊的形成可藉由電鍍一層或多層的鎳、銀、錫及/或熔點低於150℃的金屬。選替地，金屬墊可為一層或多層電鍍的鎳、銀及/或錫，其上電鍍熔點低於150℃之金屬作為最終層。熔點低於150℃之 金屬可選擇為錫與銦及/或鉍之合金且可為錫與銦及/或鉍之共晶組成物。
第一半導體區較佳形成具有80至200歐姆/平方的片電阻。
本方法可更包含連結太陽能電池表面上的囊封層與導線。
較佳地，第一接點及/或第二接點各藉由第一導線及/或第二導線其中之一連接。在囊封太陽能電池前可設置導線於太陽能電池表面，或者導線可連接到片狀囊封劑以及將囊封劑與導線一起施用到太陽能電池表面。當導線連接到囊封劑時，導線可製造在片狀囊封劑上，例如藉由印刷金屬種子層於片狀囊封劑並電鍍金屬於金屬種子層上，以產生具有所需截面區域的導線。金屬種子層可為鎳、銀或聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(4-苯乙烯磺酸酯)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)：poly(4-styrenesulfonate))，且電鍍的金屬可為銅或銀。
第一導線及/或第二導線亦可塗覆有低熔化溫度金屬，例如錫與銦及/或鉍之合金。
本發明之較佳實施例提供一種創新的光伏電池架構，其中在囊封前沒有母線一體地形成於太陽能電池表面。在太陽能電池表面上之第一接點及/第二接點的互連係利用垂直多條母線位於電池上方，並於囊封程序期間接合到太陽能電池表面的個別第一接點及/第二接點。沿電池表面到金屬導線的電流傳輸可經由重摻雜、窄(約10微米)導電通道，其係藉由選擇性摻雜通道中的矽達到比太陽能電池其餘表面區域還高的摻雜質濃度所形成。重摻雜通道亦可具有薄金屬包覆層以利於連接。選替地，可省略重摻雜通道，而金屬堆疊可直接設置於第一半導體區上。形成電接觸導電通道之第一導電金屬母線及/或第二導電金屬母線的垂直陣列達成一個電池到下 個電池的互連及電流收集。若有需要，第一垂直金屬導線及/或第二垂直金屬導線與太陽能電池導電半導體通道之間的接觸阻抗，可藉由電鍍薄層(小於2微米)的鎳、銀或錫於半導體通道來降低。選替地，太陽能電池上的導電通道的形成，可藉由雷射或其他方法在介電層形成開口，接著電鍍薄層(小於2微米)的鎳、銀或錫於開口區域。不需要其他金屬化層。
半導體指部或通道技術先前需要網版印刷金屬化。然而，藉由重摻雜矽而在電池表面形成的導電通道，配合於半導體通道上之第一導電金屬線及或第二導電金屬線的垂直陣列收集來自導電通道的電流，提供選擇性射極，其確保第一金屬接點及/或第二金屬接點僅形成於重摻雜區，因為金屬接觸僅形成於重摻雜區而降低接觸阻抗，且藉由去除對網版印刷金屬化的需求進而去除所有高溫/高壓處理步驟。電鍍薄層的金屬或金屬合金到半導體通道的能力可降低接觸阻抗並改善金屬導線與半導體通道的黏著性。
使用此接觸方法的各種形式潛在具有以下優於傳統太陽能電池的優點：
1.可免除與前表面印刷金屬化相關的處理步驟及成本。
2.可免除昂貴的高溫處理步驟。
3.可去除或大大降低昂貴金屬(例如銀及銅)的成本。
4.可免除與高效選擇性射極互連技術相關的製程複雜性。
5.可免除毒性鉛基焊料以及焊料式互連所需的高溫與相關的良率損失。
6.可免除毒性鉛基電池金屬化。
7.經由較高的裝置電流及較高的填充因子及較高的電壓，可達到高效率。使用因為沒有電池母線及窄通道寬度而具有良好的短波長響應及低遮蔽損失的選擇性射極能得到高電流。經由輕摻雜射極區緊鄰光接收表面及重摻雜區在任何矽/金屬界面達到高電壓，同時透過縮短太陽能電池導體長度及窄導體可得到細微的間距而達到高填充因子。
8.由於非常薄(小於2微米)的金屬層可得到絕佳的電鍍通道黏著性(若使用電鍍)。
9.、若使用電鍍，則不需要鎳燒結、形成矽化物阻障層或保護包覆層，因為沒有使用會擴散進入太陽能電池而造成缺陷或進入模組材料而造成劣化的銅。
10.任何電池金屬化及互連係為自行對準的。
合適的互連技術的一個實例涉及施用電絕緣光學透明膜於太陽能電池表面上，此膜具有施用於其表面的黏著劑以使其接合至太陽能電池以及嵌入於黏著劑的複數平行第一導線及/或第二導線以接觸太陽能電池，並作為母線。電絕緣光學透明膜應具有高透光率、高電絕緣性、高熱導係數、對於暴露於紫外光具有高穩定性及良好的折射率匹配。
選替地，金屬母線導線可形成於例如EVA的聚合物片，其可根據所需的金屬導線圖案先印刷種子層，然後利用導電金屬(例如銅)電鍍種子層，之後藉由電鍍低熔化溫度合金表面層來塗覆導線。低熔化溫度合金較佳可在比熔化溫度高的溫度(較佳高20℃至50℃)進行回流，以對太陽能電池表面上之電鍍半導體通道提供機械黏著性並改善電連接。選替地，垂直第一導電金屬線及/或第二導電金屬線的陣列可進行錫電鍍，而太陽能電 池導電通道進行低熔化溫度合金電鍍，或太陽能電池導電通道及垂直第一導電金屬線及/或第二導電金屬線的陣列兩者皆可進行低熔化溫度合金電鍍。形成在低熔化溫度合金上的原生氧化物可藉由助熔劑移除，以改善濕潤性並促進回流程序。助溶劑可為異丙醇及ADIPIC酸的混合物。
若電鍍步驟沉積的金屬不均勻，低熔化溫度合金的回流也用於使合金金屬混合。如此也會使金屬依序沉積且接著混合。
熔化溫度夠低的金屬合金的實例包含錫與例如銦或鉍元素之合金。合金的熔化溫度可藉由選擇對應於共晶組合物之金屬組成比例最小化(即：合金會具有最低熔化溫度)。
11‧‧‧通道
12‧‧‧母線導線
13‧‧‧射極
14‧‧‧介電層
15‧‧‧金屬層
16‧‧‧基板
18‧‧‧雷射
20‧‧‧聚合物片
22‧‧‧底層
23‧‧‧中間層
24‧‧‧塗層
25‧‧‧金屬層
26‧‧‧背表面場層
27‧‧‧鈍化層
28‧‧‧重摻雜半導體區
29‧‧‧母線導線
30‧‧‧金屬墊
31‧‧‧電鍍裝置
32‧‧‧浴槽室
33‧‧‧陽極室
34‧‧‧電鍍溶液
35‧‧‧陽極
36‧‧‧電路
37‧‧‧後鋁電
38‧‧‧太陽能電池
39‧‧‧電源供應器
41‧‧‧光源
100‧‧‧金屬層
105‧‧‧p型射極
110‧‧‧太陽能電池
115‧‧‧後鋁電極
120‧‧‧後表面介電層
125‧‧‧p型雷射摻雜區
130‧‧‧前表面介電層
135‧‧‧N型雷射摻雜接觸區
205、210、215、220、225、230、235、240‧‧‧步驟
305‧‧‧電極
325‧‧‧電解液
330‧‧‧電極
345‧‧‧不透水材料
350‧‧‧晶圓支托器
355‧‧‧導電界面材料
360‧‧‧電源供應器
現在參考伴隨圖式說明本發明實施例，其中：圖1係根據本發明之實施例示意地繪示具有射極接觸的太陽能電池結構；圖2係示意地繪示形成圖1之結構之一步驟；圖3係示意地繪示形成圖1之結構之另一步驟；圖4係示意地繪示形成圖1之結構之又另一步驟；圖5係示意地繪示在透明片上製造導線的方法；圖6係示意地繪示在透明片上製造的複數平行導線；圖7係示意地繪示圖1之配置之射極接觸的選替實施例；圖8係示意地繪示具有p型晶圓及前n型射極之太陽能電池裝置之射極接觸之光引致電鍍(LIP)的電鍍配置；圖9係示意地繪示具有n型晶圓及前p型射極之太陽能電池裝置之射極接觸之場致電鍍(FIP)之電鍍配置； 圖10係製造圖9所示之裝置的流程圖；圖11係場引致電鍍(FIP)裝置之示意圖；圖12係示意地繪示圖1及圖7之配置之射極接觸的另一選替實施例；圖13係示意地繪示應用於後表面接觸之接觸結構實施例；圖14係示意地繪示後表面接觸之選替實施例；圖15係示意地繪示圖14之配置之後表面接觸之另一選替實施例；圖16係示意地繪示圖14或圖15之配置之後表面接觸的另一選替實施例；圖17係示意地繪示p型及n型接觸皆置於電池後表面的另一選替實施例；以及圖18係示意地繪示串聯連接的複數電池，其中各電池的n型及p型接觸以類似於圖17所示的組態皆位於相同表面且複數電池藉由直導線互連。
參考圖1至圖4，係繪示新穎的太陽能電池頂表面設計，相較於習知可得的市售太陽能電池，其去除對均勻重擴散射極的依賴，藉此改善響應短波長光的效能。
所提出的結構係繪示於圖1，其顯示太陽能電池包含p型矽基板16，其中輕摻雜n型射極較佳藉由熱擴散形成在紋理化的前表面。射極係摻雜到具有80至200歐姆/平方之間的片電阻。本發明亦可應用於形成在n型基板並具有p型射極的電池，於此狀況下在以下說明中的所有極性係為相反的。
矽表面係藉由氮化矽層或類似的介電層14進行良好的鈍化保護，氮化矽層或類似的介電層14亦可作為抗反射塗層。
平行雷射摻雜導電通道11形成於前表面中延伸過射極13及介電層14且間隔0.5至5mm範圍的距離，但標稱1mm。多條母線導線12在通道11上方且垂直通道11延伸以與通道11互連並提供到太陽能電池前端(即射極13)的電連接點。用於雷射摻雜的摻雜質源可為施用於電池表面的含磷溶液、於光射極擴散其間形成的磷矽酸鹽玻璃(PSG)固態層或輕摻雜射極層13本身。於後者案例中，藉由熔化射極層13來形成導電通道，其中將通道形成為在熔融區域中重新分佈磷原子。
使用垂直母線導線12提供金屬線斷裂的容限及免疫，避免慣常功率損失並有助於較不必考慮金屬線斷裂問題而可使用遠較薄的金屬層(或幾乎不需要金屬)。
可藉由施用金屬層15於p型基板16的後側來形成後連接，以形成基板的電連接。此可藉由網版印刷金屬膏於後表面上以及燒結金屬膏來達成。
圖2係繪示製造所提出之射極13之第一階段的截面示意圖。輕摻雜磷射極層13係藉由將磷熱擴散進入p型結晶矽晶圓16的頂表面來形成。此射極區可形成為具有80歐姆/平方或更大的片電阻，且較佳係具有約200歐姆/平方的片電阻。然後使用氮化矽沉積14或其他商用鈍化保護技術來鈍化保護晶圓。含磷摻雜質源噴塗或旋塗於晶圓表面，或者選替地，射極層本身可用作為摻雜質源，或者於射極形成時所形成的PSG可保留並用作為摻雜質源。一種優勢的結構係使用重摻雜n型矽11的線，在矽內形成導體(參見圖4之截面圖)並延伸過表面射極區13。這些重摻雜導體提供從輕摻雜射極層13到與太陽能電池連接之金屬母線導線12的高導電路徑。
一種形成重摻雜導體11之可行摻雜技術係使用雷射18(如圖3所示)，其中矽線(及上方鈍化層)熔化並再結晶以產生重摻雜n型導體11(參見圖4之截面圖)。
然而，亦可使用其他熱擴散方法，例如：1)遮罩表面以及僅在遮罩開口處施用摻雜質源(或者使用在非開口區域阻擋擴散的遮罩)，接著在烤箱中或加熱器下進行熱處理；2)使用表面介電層作為遮罩，以及使用噴墨沉積的蝕刻劑蝕刻介電層中重摻雜通道11的圖案並如上述1)之方式進行摻雜；3)如上述1)或2)進行遮罩並使用非雷射局部加熱源進行熱處理。
圖4之電池結構說明網版印刷金屬接觸的基本限制，其無法形成細線以及形成到輕摻雜射極的歐姆接觸。亦提出傳統電鍍太陽能電池的選替結構，其難以形成互連且可能需要使用到即使在低溫仍具有高擴散性的銅，且其若不藉由阻障層或包覆層包圍住會不利於電池及模組效能。
於一個設計中，導電金屬線12的多條母線垂直重摻雜通道11延伸。各導電金屬線12可為獨立的傳統引線，或者如圖5所示係支撐於或形成於聚合物片20上。導電金屬線12可由單層金屬或多層所構成，例如圖5所示的三層22、23、24。於圖5的實例中，導線係電鍍於片材上，其首先形成接觸聚合物片20的底層22，其可作為導電金屬種子層，並提供黏著到聚合物片20的可靠黏著性。以電鍍而言，底層22必須為導電性，使得中間層23可藉由各種電鍍程序中的一種成長於其上。中間層23塗覆由低熔化溫度金屬合金構成之薄塗層24。
圖6顯示在聚合物片20上之導電金屬線12的陣列。聚合物片 20可為囊封劑的額外片材，於此狀況下，必須具有高的光透射率且較佳還具有高電絕緣性、高熱導係數、對於暴露於紫外光有高穩定性以及良好的折射率匹配。若使用額外片材，類似傳統囊封劑的材料為合宜的。舉例而言，乙烯乙酸乙烯酯(EVA)為較佳材料，其在光伏產業中已普遍用作為囊封劑。其他合宜的材料為聚乙烯縮丁醛(PVB)及熱可塑性聚氨酯。然而，較佳使用囊封劑層來支撐導電金屬線，就不需要使用中介的聚合物片。
導線12的陣列圖案決定於導電金屬種子層22的形成期間。廣泛的材料可用作為導電金屬種子層22：銀奈米粒子、鎳奈米粒子以及導電聚合物，例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(4-苯乙烯磺酸酯)。可行的施用方法包含噴墨印刷及氣溶膠噴塗印刷，兩者皆為可靠又高產出技術。圖案化導電金屬種子層22後，可能需要進行燒結以達到足夠的導電率。中間層23提供從一個太陽能電池轉移電子到模組中下個太陽能電池所需的傳導性。相鄰導電金屬線12間的距離及中間層23的厚度較佳應設計為以所欲的低阻抗損失來傳導電流。電鍍為形成中間層23之較佳程序中的一種，其藉由電鍍電流及電鍍時間來控制厚度。中間層23的合宜材料實例為銅、鎳、錫、銀、金等。
塗層24應具有低熔化溫度。較佳地，塗層24在低於200℃的溫度且更佳在低於150℃的溫度熔化。具有夠低熔化溫度的金屬或金屬合金的實例包含錫與例如銦或鉍元素之合金。合金的熔化溫度可藉由選擇對應於共晶組合物之金屬組成比例最小化，使得合金具有最低熔化溫度。圖5及圖6顯示塗層24為僅在中間層23的一個表面的塗層，然而應了解塗層可塗覆在導線12的所有裸露表面。
可藉由電鍍達到將塗層24沉積在中間層23上。以錫鉍合金而言，電鍍電解液的組成需要經過設計，因為兩種金屬開始沉積的電位是不同的。為了同時電鍍錫和鉍，需要添加複合劑到電解液，以使穩定複合物形成在金屬及複合劑之間，降低兩種開始沉積電位之間的差異。表1顯示電解液組成的實例。藉由鹽酸及氫氧化銨調整電解液的pH值，以使電解液維持澄清無沉澱。金屬組成比例隨著電鍍的電流密度變化。藉由控制電流密度，可沉積共晶組成物。較佳的電鍍係執行於25℃且電流密度為20mA/cm2，或者執行於其他電鍍溫度及合宜的電流密度。塗層24的厚度必須夠厚，以降低接觸阻抗並在導電金屬線12及導電半導體通道11之間提供足夠的黏著力。
在光伏模組層疊的典型製程期間，施加壓力且溫度升高至150℃。由於導線12或半導體通道11(參見以下圖7的說明)或兩者皆塗覆有熔化溫度較佳低於150℃的低熔化溫度合金，所以金屬合金熔化，因而使導電金屬線母線導線12及太陽能電池表面的半導體通道11之間在兩者的各個互連形成電接觸。
為了在導電金屬導線母線12及太陽能電池表面的半導體通 道11之間形成可靠的電接觸及黏著性，可能期望將金屬25的中間層電鍍到半導體通道11上，如圖7所示。由於半導體通道11的形成造成直接在半導體通道上方的介電鈍化層14中形成開口，所以電鍍重摻雜n型通道會是種自行對準的製程。中間層25可包含例如鎳、銀、錫或低熔化溫度合金、或上述金屬的層疊組合，較佳係具有最終層為低熔化溫度合金。具有夠低熔化溫度的金屬或金屬合金的實例包含錫與例如銦或鉍元素的合金。合金的熔化溫度可藉由選擇對應於共晶組合物之金屬組成比例最小化，使得合金具有最低熔化溫度。
於圖7具有n型射極之太陽能電池的實例中，可執行例如光引致電鍍(LIP)之電鍍方法來電鍍中間層25。為了得到錫鉍合金的共晶組合物，電鍍較佳進行於25℃且電流密度為20mA/cm2，或較佳光引致電鍍進行於對應太陽能電池操作溫度的電流密度，其係取決於照射強度。在p型射極(例如圖9的105)的案例中，可使用場引致電鍍(FIP)，於後詳述。
圖8示意地繪示適合用於圖7之n型射極之金屬化層25之光引致電鍍的電鍍裝置31，其包含浴槽室32，其中浴槽室32連接陽極室33且共同含有電鍍溶液34，陽極35位於電鍍溶液34中。電路36經由電源供應器39連接陽極至雷射摻雜選擇性射極(LDSE)太陽能電池38的後鋁電極37。電鍍溶液34如表1所示，且電鍍液為極酸性，若電池完全浸入電鍍溶液中，電鍍液中的HCl會腐蝕LDSE太陽能電池38的後鋁電極37。因此，在電鍍前接觸金屬25(參見圖7)時，使電池的後鋁電極37保持乾燥。Sn-Bi電鍍溶液34裝在透明容器中，以使光源41自浴槽底部照射LDSE電池38的前表面。電源供應器39操作於固定電流模式，以控制偏壓電流，進而得到共晶Sn-Bi組成物。
圖9顯示具有p型射極105的太陽能電池，其具有重摻雜p型接觸區125及p型接觸金屬化層100。如上所述，可使用場引致電鍍(FIP)將金屬(例如圖9的金屬層100)電鍍到太陽能電池之p型射極之接觸區125上，例如形成於n型基板之LDSE電池。選替地，此方法可用於直接電鍍到上方介電層130開口之輕摻雜射極，而無須形成重摻雜區125。於上述實例中，複數導線140接觸金屬化層100。圖10繪示製造圖9之太陽能電池所需的製程步驟。此結構需要使用n型矽晶圓110。製程始於步驟205之清潔矽基板。藉此移除晶圓表面上任何導線切割損壞，並自表面移除任何金屬雜質。此步驟較佳亦包含紋理化表面，以降低自被照射表面所反射的光量。
單晶晶圓典型使用鹼性紋理化製程紋理化，其使用氫氧化鉀或氫氧化鈉(3-5%(w/v))及異丙醇(3-5%(v/v))水溶液，於表面產生位置隨機的小錐形體。更典型是使用酸性蝕刻溶液來紋理化多晶晶圓。酸性紋理化是在含有氫氟酸及硝酸的溶液中進行，其中硝酸負責氧化矽表面，而氫氟酸則溶解形成的氧化物。典型的酸性紋理化溶液包含~45%(w/v)的硝酸及~15%(w/v)的氫氟酸，且紋理化的進行無須預先進行切割損害蝕刻製程，因為紋理化製程需要有切割損害缺陷存在來達到紋理化效果。
於下個步驟210中，藉由硼爐管擴散形成p型射極105於前表面上，以形成太陽能電池的p-n接面。於熱擴散期間，硼矽酸鹽玻璃(氧化物)形成於晶圓表面。然後藉由第二清潔步驟215移除此氧化物。此較佳在氫氟酸溶液中進行。此清潔步驟亦將電池的前表面及後表面準備好用於鈍性介電層的沉積。較佳地，於步驟220中，使用PECVD沉積約75nm厚的氮化矽層於前晶圓表面及後晶圓表面，以形成前表面介電層130及後表面介電層 120。前氮化矽層130作為抗反射塗層(ARC)並有助於鈍化太陽能電池前表面及降低表面的總反射。再者，於之後所述FIP步驟中形成金屬接觸的期間，亦形成絕緣阻障層。亦可使用氧化鋁層或氧化鋁及氮化矽的某些組合來鈍化p型表面。
形成於後表面120上的氮化矽層提供鈍化層。藉由PECVD沉積的氮化矽層具有的優勢性質在於含有正電荷，其將n型矽中的電子吸引到矽與氮化矽的界面。此造成累積層的形成，其中累積層降低界面的表面復合速度。形成的累積層可視為作用如同弱背面場(BSF)，其用於自後表面斥拒少數載子電洞。選替的製程順序可藉由擴散n型層於整個後表面上來直接形成BSF。
於步驟225中，較佳於旋塗一層硼摻雜源(藉由例如Filmtronics等公司所提供的)後，形成p型雷射摻雜區125於p型射極105的表面上。選替地，若已使用氧化鋁作為前鈍化介電層，其可提供用於p+雷射摻雜的鋁原子源。較佳地，在p型雷射摻雜區底部的片電阻最多為50Ohm/sq。選替地，可省略雷射摻雜區125，且可透過氮化矽層130中形成的開口(藉由雷射或化學蝕刻)直接在輕摻雜p型射極105進行下述的電鍍步驟。
然後於步驟230中，將N型雷射摻雜接觸區135形成於電池的後表面，其實質使用上述LDSE電池之p型射極接觸的製程。點接觸的優勢在於降低金屬矽面積，進而降低飽和電流密度並增加最終裝置的隱含開路電壓，然而，形成點狀雷射摻雜區通常需要使用Q切換雷射或與連續波雷射一道使用的遮罩，但其在遮罩及太陽能電池的對準方面卻有些問題。n型雷射摻雜區底部的片電阻較佳最多為20Ohm/square，更佳為10Ohm/sq。後 指部或點接觸的間距係使得不超過10%的表面區域為重摻雜，較佳為1%左右。再者，期望有較深的雷射摻雜區，以達到更有效的局部BSF，以自高表面復合速度金屬-矽界面斥拒少數載子。雖然雷射摻雜為形成電池之重摻雜區的較佳方法，但是亦可使用其他形成開口的方法(例如圖案化蝕刻)。
然後於步驟235中，藉由濺鍍鋁到整個後表面而形成連接到n型(後表面)雷射摻雜區的金屬接觸。鋁層115較佳至少2um厚。選替地，可藉由熱或電子束蒸鍍鋁或網版印刷鋁膏來形成後電極。在使用網版印刷膏的變化例中，需要短熱固化程序以驅除膏中所用的溶劑。於此案例中，若晶圓加熱超過577℃(鋁及矽的共晶溫度)，n型矽必須有足夠的重摻雜以使鋁的燒結不會導致鋁下方形成局部化p+區域，而與n型矽形成整流接面。後鋁層接觸雷射摻雜開口中的矽，以形成局部接觸。使全部表面披覆鋁提供電池的後反射器，當晶圓變得越薄時尤其重要，且較多比例的較長波長光可通過電池不被吸收。可添加小量的矽(例如<1%)到用於形成後金屬層的鋁中，以降低因為矽擴散到鋁而造成裝置劣化的風險。選替地，可應用沉積金屬的堆疊於後金屬電極，其中使用包含例如鎳、鈦或鎢等金屬的阻障層來限制矽及鋁的交互擴散。
於上述透過後氮化矽層120形成後接觸之方法變化例中，在電鍍程序之前，可透過氮化矽層120網版印刷銀膏指部，然後進行燒結，實質如先前技術用於網版印刷矽太陽能電池所述。燒結溫度較佳維持在低於700℃，以免破壞氮化矽層提供的氫鈍化。然後網版印刷的金屬網格可作為後金屬電極(即等效於圖9的115)。於此變化例中，電池後表面較佳以反射背片囊封，以最大化電池中的光捕獲。選替地，其可整合至可自兩個表面捕 獲光的雙面模組。
晶圓現在準備用於FIP製程，其係執行於步驟240。將晶圓放置於用於執行FIP的裝置，如圖11所示。FIP製程造成在p型射極105中之p+雷射摻雜區125上形成電鍍的金屬接觸100。裝置使得圖9所示之太陽能電池的前表面p型射極105及後鋁電極115為電隔離。此可利用例如發泡丁腈等不透水材料345達成，其僅容許前表面浸入電鍍溶液325，而後表面115維持乾燥。此外，不透水材料345必須避免對晶圓造成不均勻壓力以免破裂。不透水材料345較佳接觸晶圓支托器350，其可將晶圓移動過電鍍槽，且晶圓支托器350的速度決定有效電鍍時間。
太陽能電池115的後金屬接觸放置成與導電電極305實體接觸。導電界面材料355放置於電池115的後電極及導電電極305之間。界面材料355較佳為膨脹石墨材料，以提供所需的導電率而不會破壞晶圓表面。導電界面材料355及電極305較佳封在晶圓支托器350內。再者，界面材料355可由其他發泡材料堆疊所構成，以控制直接施加到晶圓表面的壓力量。
導電界面材料355的厚度較佳在1及20mm之間，且更佳在1及10mm之間，並具有40%及80%之間的壓縮性。例示性材料包含膨脹石墨波紋帶(例如Yichang Xincheng Graphite公司所提供的)、彈性石墨箔及層疊片(例如SGL集團以產品名稱Sigraflex販售)、導電聚合物塑料，例如導電尼龍(conductive nylon)、聚酯氨酯(polyester urethane)、聚醚氨酯(polyether urethane)(例如3M所提供者)或導電黏性電解液流體、墨汁或膏(如Dow Chemicals所提供者)。
在石墨相關材料的案例中，界面材料355在垂直於壓縮軸的 平面較佳具有300至1400S/cm的導電率，更佳為800至1200S/cm。亦可使用具有等向傳導性質的材料，前提是其具有足夠的壓縮性以與形成在介電層中的溝槽底部裸露的矽形成電接觸。
電極305連接到可以電流控制模式或電壓控制模式操作之電源供應器360的負端子。然後電源供應器的正端子連接到電極330(陽極)，其係浸入電鍍電解液中325。一旦施加電壓到兩個電極305及330，電極之間的電場引起太陽能電池110之二極體中的順向偏壓。此順向偏壓降低二極體的內建電位且使電流自由流過半導體裝置的接面。電子被吸引到透過射極105之雷射摻雜區125裸露於電解液325的p型區。在裸露的p型矽區表面的負電荷濃度將正電荷金屬離子(例如銅、鎳、銀、錫或低熔化溫度合金(例如錫與例如銦或鉍元素之合金)、或這些金屬及或合金的層疊組合)吸引到表面，而還原形成(電鍍的)金屬沉積物100。金屬不會電鍍到覆蓋p型射極105的氮化矽表面130上，因為氮化矽提供絕緣阻障。為了得到例如錫-鉍合金的共晶組成物，電鍍較佳執行於25℃且電流密度為20mA/cm2。
在n型表面，後鋁電極115經由導電界面材料355及電極305與電源供應器360的負端子電接觸。電子經由此連接流入電池而完成電化學電路。因為二極體藉由電源之電極間的電場順向偏壓，一旦超過p-n接面的電位阻障，電流可自由流過裝置，且有效電鍍電流取決於施加的電位、矽晶圓的塊體電阻率、電鍍電解液的歐姆電阻、與電極305及電池115之鋁後表面間之界面相關的電阻以及太陽能電池陰極表面的過電位。
電鍍的低熔化溫度合金25或100(於圖7或圖9中)會在表面形成原生金屬氧化物。原生氧化物可不利地影響半導體通道11或125及導電母 線導線12之間的接觸，因為其增加接觸阻抗並降低黏著力。可施用助熔劑(例如”免清洗助熔劑”或異丙醇及ADIPIC酸的混合物到低熔化溫度合金25或100的表面，以移除原生金屬氧化物。助熔劑中的活化劑可含有腐蝕酸，例如氯化鋅、鹽酸及磷酸或羧酸，例如戊二酸、癸二酸及己二酸。活化劑溶解金屬氧化物，以改善潤濕性並促進回流程序。助熔後，低熔化溫度合金較佳可在比低熔化溫度合金之熔化溫度高20℃至50℃的溫度範圍進行回流。若電鍍步驟並未均勻地沉積金屬，低熔化溫度合金的回流也會混合合金金屬。如此亦會使金屬依序沉積並接著混合。
回流程序可在熱板上或在環境空氣、氮氣或惰性氣體之烤箱中、帶式爐或快速熱回火系統中進行。可最小化電鍍、助熔及回流程序間的時間延遲，以限制原生氧化物的過度生長或再生。
由於從太陽能電池射極13到多導電母線的傳導性是由半導體通道11提供，所以中間金屬層25的作用僅為提供從導電母線12到半導體通道11的低阻抗歐姆接觸，因此可為非常薄。希望的厚度為約1-3微米，可達到短電鍍時間並使半導體通道11與中間層25之間以及中間層25與導電母線導線12之間有良好的黏著性。
選替地，太陽能電池上的導電通道11的形成可藉由簡單地用雷射在介電層14中形成開口，噴墨印刷蝕刻劑或其他手段，以及電鍍一層金屬25於開口區域，如圖12所示。此金屬層25也可由例如鎳、銀、錫或低熔化溫度合金、或這些金屬的層疊組合所構成，且也為自行對準的。於此案例中，雖然從太陽能電池射極到多導電母線12的傳導性是由這些電鍍的金屬區25所提供，但是導電母線12間的距離保持的夠短，而使得在金屬層 25中僅需要小量的電鍍金屬。再次希望厚度約1-3微米，以達到短電鍍時間並使矽16與中間層25之間以及中間層25與導電母線導線12之間有良好的黏著性，且助熔低熔化溫度合金以移除原生氧化物，然後較佳在比低熔化溫度合金之熔化溫度高20℃至50℃的溫度範圍進行回流。
在希望電鍍薄(~1-3微米)金屬層25於太陽能電池射極13之表面的案例中，此可為低熔化溫度合金層。此可取代多導電母線導線12上的低熔化溫度合金塗層24，或選替地，低熔化溫度合金可電鍍於太陽能電池射極13表面及多導電母線導線12兩者上。
選替地，在射極13或重摻雜通道13或導線12上可能沒有低熔化溫度金屬，於此狀況導線可簡單地接觸半導體表面以形成電接觸。
上述的各種結構代表形成太陽能電池的新方法，其藉由以下方法改善裝置效能：
1.藉由降低光接收面的摻雜質濃度顯著改善對短波長光的響應，確保表面緊鄰附近的所有載子能貢獻到裝置的光產生電流。如此對短路電流有顯著的改善，相較於傳統網版印刷電池通常約改善5-10%。
2.藉由降低矽與接觸矽之任何金屬之間的界面區域並確保矽在這些區域為非常重摻雜，以降低裝置暗飽和電流，而增加開路電壓。此當基板厚度持續降低而裝置電壓越來越受表面復合限制時會變得更加重要。
3.藉由移除電池表面的母線導線金屬化及完全消除表面上的電池金屬化或是非常窄的電鍍金屬區及低金屬覆蓋比例，來降低金屬遮蔽損失。如此等同裝置有較高的短路電流。
4.針對某些在傳統網版印刷太陽能電池有關在高溫下會劣化的基板材 料，改善後處理少數載子的壽命。對此類裝置而言，因較低處理溫度而改善的後處理材料品質會導致電流及電壓的改善。
5.改善邊緣接面隔離，造成前金屬接觸及後金屬接觸間不想要的傳導路徑的不利擴散會較少進入裝置的邊緣。
6.藉由去除焊接的互連程序來降低矽基板上的熱應力。
上述結構藉由以下方法降低裝置成本：
1.免除與前表面網版印刷金屬化有關的處理步驟及成本，並去除昂貴的銀厚膜膏的成本。
2.免除或大大降低貴金屬的使用，例如銀及銅。
3.在需要電池表面之電鍍金屬化的案例中，去除對鎳燒結、形成矽化物阻障層或保護包覆層的需求，因為並未使用會擴散到太陽能電池造成缺陷或擴散到模組材料造成劣化的銅。
藉由簡化選擇性射極太陽能電池的互連製程保有了高良率，確保垂直互連母線導線12與任何電鍍的電池金屬化層25為自行對準，並藉由限制任何電鍍的電池金屬化層厚度為~1-3微米，以確保矽表面與金屬化層之間有良好的黏著性。再者，藉由去除鉛基焊料及大大降低使用或去除含鉛厚膜網版印刷膏有利於保護環境。
實施提出的結構之方法
雖然許多已知的熱擴散製程可以使用，但在較佳製造順序中，可藉由塗佈含磷化合物於晶圓表面，然後使用雷射加熱要形成導電通道的區域，來形成重摻雜導體通道11。將雷射功率選擇為用於熔化而非顯著消蝕下方的矽，因而讓大量的磷原子釋放進入熔化的矽中，其接著再結 晶為重摻雜n++矽。雷射亦可用其他局部加熱裝置取代。含磷化合物可選自於：i)一堆市售旋塗或噴塗擴散源其中之一；ii)市售固體源，其於升溫狀態將P2O5轉移到晶圓表面；iii)用傳統技術施用POCl3液體擴散源；iv)將磷併入的方式沉積的介電層，例如藉由PECVD等沉積的氮化矽層；或v)適當的含磷化合物，例如磷酸。
使用相同的含磷化合物先輕擴散到晶圓頂表面達約200ohm/square，然後接著如所述的使用雷射加熱局部區域而產生重摻雜半導體通道是非常有利的。此類通道依據雷射光學及所用的雷射類型通常約5-30微米寬。先進行頂表面擴散的益處在於對某些含磷化合物而言，熱處理作用為調潤此層以便後續當雷射熔化矽時會更有效地釋出磷。缺乏此類調潤/乾燥，在釋出足夠的磷到矽之前會消蝕一些含磷化合物。
選替地，磷摻雜質源本身可為輕擴散射極，藉此利用局部雷射熔化使磷摻雜質原子重新分布，而產生高導電通道。
於此步驟中，雷射處理的其他重要觀點在於可被破壞表面鈍化層以及含磷化合物層以裸露出矽表面的區域，或至少降低某些區域中的含磷化合物及表面鈍化層的厚度。如此促進半導體通道11及垂直母線導線12之間的接觸，也讓非常薄(~1-3微米)的金屬層25自行對準電鍍到矽表面，半導體通道11及垂直母線導線12之間可有界面金屬層。
使用本發明製造程序的實例
1)藉由蝕刻晶圓16的表面去除切割損壞(標準商業程序)
2)紋理化晶圓16的表面(標準商業程序)
3)清潔晶圓16的表面(標準商業程序)
4)使用入口帶式爐程序或石英管爐，將射極13擴散至晶圓16的頂表面(即前表面)達約200ohms/square(標準商業程序)
5)移除含磷矽酸鹽玻璃及邊緣接面隔離(標準商業程序)
6)沉積氮化矽鈍化層及抗反射層14(標準商業程序)
7)網版印刷後鋁金屬接觸15並乾燥(標準商業程序)
8)燒結後接觸15(標準商業程序)
9)施用含磷化合物於前表面用作為選擇性摻雜源(未顯示)
10)以雷射18熔化局部矽區域，以雷射摻雜重摻雜半導體通道11，其於晶圓16的前表面間隔約1mm。
11)將母線導線互連導線12以垂直於通道11的方位連接，以將通道互連到下個通道，並提供電池與相鄰電池互連的連接點。
如上所述，11個處理步驟中的8個步驟非常類似製造傳統網版印刷太陽能電池的製造商會用的標準商業程序。然而，可使用許多變化方式來達到提出的結構。為降低成本常用的變化方式為去除步驟9的摻雜質源或以抗反射塗層取代，例如沉積有含磷的氮化矽以使其作為擴散源或者沉積於薄含磷化合物/層，例如P2O5。於任一狀況中，接著如所述的使用上述步驟10以形成半導體通道。不論摻雜質源，步驟10中藉由雷射或其他熱源加熱矽到高於約1400℃的矽熔化溫度是非常重要的。如此不僅促進更多磷摻雜質穿透深入矽，也破壞上方介電層，藉此促進母線導線12與矽內之 半導體通道11之間的較佳後續電接觸。
圖l顯示紋理化矽晶圓16之表面的細節，其已輕摻雜擴散達200ohms/square以形成射極13，然後塗覆介電鈍化/抗反射層14。然後使用雷射或其他局部加熱方法，形成彼此平行且間隔約1mm的半導體通道11。垂直母線導線12於相交半導體通道11的位置與矽形成接觸，但與表面介電層14完好的所有其他表面區域仍維持相當的隔離。
參考圖7，若垂直母線導線12與矽內的半導體通道11之間應該需要非常薄的電鍍金屬界面層25，針對可靠度或降低接觸阻抗的原因，則施用金屬層25的步驟可安插在上述例示製造程序之步驟10及步驟11之間。此中間層可由例如鎳、銀、錫或低熔化溫度合金、或這些金屬的層疊組合所構成。若中間金屬層25由低熔化溫度金屬所構成，可進行助熔以移除原生氧化物，然後較佳可在比低熔化溫度合金之熔化溫度高20℃至50℃的溫度範圍進行回流。中間金屬層25的作用僅在於提供從導電母線導線12到半導體通道11的低阻抗歐姆接觸，因此可以是非常薄。希望的厚度為約1-3微米，可達到短電鍍時間並使半導體通道11與中間層25之間以及中間層25與導電母線導線12之間有良好的黏著性。選替地，中間金屬25可形成導電通道於矽晶圓表面上而非重摻雜半導體通道11上，如圖12所示。如此可去除上述製程順序中的步驟9。雖然中間層25現在必須也作為電荷傳輸層，電鍍層仍可以是非常薄，因為到最接近的垂直母線導線的距離非常短(幾毫米)。在電鍍任何中間金屬層25中，避免使用銅會免除形成阻障層或燒結矽化物的需要。
參考圖13，相對於傳統網版印刷電池的其他可行變化為也施 用相同的接觸技術到晶圓的後表面，以改善有效後表面鈍化，同時使得能接收進入後表面的光的雙面電池的製造成為可行的。於施用提出的接觸結構到晶圓後表面中，用於雷射摻雜後接觸重摻雜半導體區28的摻雜質極性係與用於雷射摻雜前重摻雜半導體區11的極性相反。可選擇性使用擴散的背表面場層26。於圖13中，可知藉由施用p型摻雜質源層，可藉由類似上述前表面案例所述的方法熔化下方矽層，而形成導電通道、導電點、導電線段或導電中空圈28。如此避免使得整個背表面被重摻雜，同時提供到後垂直母線導線29的高傳導路徑並經由正確選擇鈍化層27而有良好的鈍化，其中鈍化層27亦可作為摻雜質源。若重摻雜半導體區28形狀為長形通道(即：與圖7所示之前表面接觸類似的結構)或間歇短通道(或參見圖15的”線段”)，母線導線29通常會位於實質垂直於通道28。因此，後表面不完全被金屬覆蓋，而可能達到電池的背後照射。
參考圖14，後接觸的重摻雜半導體區28可為所示的點接觸形狀(方形墊)。重摻雜半導體區28亦可以類似圖7所述之前表面實施例的方式電鍍有金屬墊30。金屬墊30可包含例如鎳、銀、錫或低熔化溫度合金，或這些金屬的層疊組合，其中較佳最終層為低熔化溫度合金。選替地，可省略重摻雜半導體區28，而金屬墊可直接形成於基板16的半導體材料上(未繪示)，如同前表面接觸25直接沉積於射極13上的狀況(參見圖12)。類似地，亦可使用類似於圖1之前接觸結構的後接觸結構，其中省略金屬層30，而導線29直接接觸重摻雜區28。以射極接觸實例而言，基板16可藉由在介電層27中蝕刻開口圖案而裸露，透過開口圖案摻雜基板16以形成重摻雜區28及/或電鍍基板16或重摻雜區28。熔化溫度夠低的金屬或金屬合金包含錫與例 如銦或鉍元素之合金。合金的熔化溫度可藉由選擇對應於共晶組合物之金屬組成比例最小化，使得合金具有最低熔化溫度。若使用低熔化溫度合金，則可進行助熔程序以移除其原生氧化物，然後較佳在比低熔化溫度合金之熔化溫度高20℃至50℃的溫度範圍進行回流，以得到良好的電接觸及黏著性。
圖15及圖16顯示具有不同形狀之接觸結構的後接觸實施例。圖15顯示除了接觸區形狀為間歇短通道外，其餘類似於圖14所示的結構。圖13顯示除了接觸區為中空圈形狀外，其餘類似於圖14所示的結構。
除了所示者之外，類似圖14、15及16之後接觸形狀及結構可有其他的接觸結構組合(即：存在或不存在表面金屬化層以及存在或不存在重摻雜通道)。
前接觸形狀及結構可有其他變化，例如類似圖1、7及12的結構結合例如圖14、15及16所示之後接觸形狀的接觸形狀。
上述新穎的電池設計已針對n型射極及p型基板進行說明。接觸結構可以相反的極性使用n型基板以類似方式實施，其中n型基板具有硼摻雜p型射極13、p型前表面重摻雜通道11及n型後表面半導體通道28。
參考圖17，相對於傳統網版印刷電池的另一種可行變化例為也施用類似接觸技術於晶圓後表面的負接觸及正接觸，以改善有效後表面鈍化並消除前表面的遮蔽損失。在應用提出的接觸結構到晶圓後表面中，雷射摻雜後p型接觸重摻雜半導體區28所用的摻雜質極性與後n型接觸重摻雜半導體區11所用的極性相反。擴散的後表面射極層13的使用為選擇性的。可知藉由施用n型摻雜質源層，以類似於前表面案例所述的方式熔化下 方矽，可形成導電通道、點、線段或中空圈11。如此避免使整個背表面被重摻雜，同時提供從射極13到後垂直母線導線12的高傳導性路徑，並經由正確選擇鈍化層27而提供良好的鈍化。類似地，藉由施用p型摻雜質源層，以類似於前表面案例所述的方式熔化下方矽，可形成導電通道、點、線段或中空圈28，藉此所致的p型摻雜區穿透射極層13並提供從底部基板16到後垂直母線導線29之高傳導性路徑。以類似上述實施例所述的方式，重摻雜n型半導體區11亦可電鍍有金屬墊25，而重摻雜p型半導體區28亦可電鍍有金屬墊30。前表面塗覆有介電鈍化/抗反射層14。前懸浮接面層31的使用為選擇性的。
圖18顯示複數電池串聯連接，其中各電池的接觸全在後表面(圖18之圖面)，其組態類似於圖17所示。藉由交替設置n型接觸及p型接觸並各具有相等數目的行及列，可旋轉每兩個的第二個電池，使得一個電池40的n型接觸25對準相鄰電池41的p型接觸，使得一系列直導線42分別作為互連導線12及29(如圖17所示)，以提供各電池內接觸的互連，並藉由將一個電池40的n型接觸連接到相鄰電池41的p型接觸而提供電池之間的串聯連接。
熟此技藝者應了解，在不悖離本發明一般廣義範圍下，上述實施例可有許多的變化及/或調整。因此，實施例載客方面應視為例示性而非限制性。

Claims (23)

  1. 一種在一太陽能電池上形成一接觸結構的方法，該太陽能電池具有一p-n接面形成在一第一摻雜極性之一第一半導體區及一第二摻雜極性之一第二半導體區之間，該第二摻雜極性與該第一摻雜極性相反，該第一半導體區具有一紋理化表面，該方法包含：藉由塗佈一介電層於該紋理化表面，而形成具有複數峰部之一紋理化介電表面；形成複數開口於該介電層中，以裸露該第一半導體區的複數區域；形成具有該第一摻雜極性之複數分離的重摻雜區於該些開口，且自該太陽能電池之該表面延伸進入該第一半導體區；形成複數分離的第一接點於該太陽能電池之一表面上，該些接點包含厚度小於5微米的複數第一金屬墊於該些分離的重摻雜區上，以提供到該第一半導體區的電連接；以及設置複數第一導線於該太陽能電池上，該些第一導線各接觸且電連接該些第一接點至少其中之一者。
  2. 如請求項1所述之方法，其中形成該些分離的重摻雜區包含形成具有片電阻為1至50歐姆/平方的區域。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中該些第一接點為圓形、卵形、方形、矩形或多邊形。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該些第一接點在該太陽能電池之該表面的平面具有範圍為8-12微米的尺寸。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該些第一接點包含細長平行側區域。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該些細長平行側區域具有範圍為8-12微米的寬度。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該些第一金屬墊藉由該介電層與其餘的該第一半導體區隔離。
  8. 如請求項7所述之方法，其中藉由電鍍於該些重摻雜區形成該些第一金屬墊。
  9. 如請求項1所述之方法，包含該些分離的重摻雜區的形成係藉由提供一摻雜質源於該太陽能電池之該表面上或附近以及以對應該些分離的重摻雜區位置的圖案雷射加熱該摻雜質源及該第一半導體區，以使來自該摻雜質源的摻雜質摻雜該些分離的重摻雜區到所需濃度，同時破開該介電層於該介電層中形成開口以裸露所形成的重摻雜區。
  10. 如請求項1所述之方法，包含藉由電鍍一層或多層的鎳、銀及/或錫於該第一半導體區的裸露區域來形成該些第一金屬墊的每一個。
  11. 如請求項1所述之方法，包含形成具有片電阻為80至200歐姆/平方的該第一半導體區。
  12. 如請求項1所述之方法，包含連接該些第一導線到一片狀囊封劑以及將該囊封劑與該些第一導線一起施用到該太陽能電池之該表面。
  13. 如請求項1所述之方法，更包含連結該太陽能電池之一表面上的一囊封層與該複數第一導線。
  14. 如請求項1所述之方法，其中以一低熔化溫度金屬塗佈該複數第一導線。
  15. 如請求14所述之方法，包含加熱塗佈的金屬導線至比該低熔點金屬的熔化溫度還高20℃至50℃的溫度以使該低熔化溫度金屬層回流，而連結金屬塗佈的該些第一導線與該些第一金屬墊。
  16. 如請求項1所述之方法，更包含：形成複數第二接點，該些第二接點提供到該第二半導體區的電連接，且該些第二接點為厚度小於5微米之複數第二金屬墊形成於其上的矽表面。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該複數第二接點位在該太陽能電池與該些第一接點相同的表面。
  18. 如請求項16所述之方法，更包含：設置該太陽能電池於同樣太陽能電池的一線性陣列，該陣列之一個太陽能電池的該些第一接點各與該個太陽能電池相鄰的太陽能電池的個別第二接點對準；設置複數第一導線以延伸過該些太陽能電池的該陣列，該些第一導線各設置成經過該個太陽能電池的該些第一接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池的每個交替太陽能電池及該個太陽能電池的該些第一接點的至少其中之一者的電連接；設置複數第二導線以延伸過該些太陽能電池的該陣列，該些第二導線各設置成經過該個太陽能電池的該些第二接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池的每個交替太陽能電池及該個太陽能電池的該些第二接點的一個或多個的電連接；其中該個太陽能電池的該些第一導線包含相鄰該個太陽能電池之太陽能電池及該陣列中相對於該相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池之該些 第二導線，且該個太陽能電池之該些第二導線包含該相鄰太陽能電池及該陣列中相對於該相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池之該些第一導線。
  19. 如請求項18所述之方法，該複數第二接點位在該太陽能電池與該些第一接點相同的表面。
  20. 如請求項16所述之方法，其中該複數第二接點位在該太陽能電池與該些第一接點相同的表面，該方法更包含：設置該太陽能電池於同樣太陽能電池的一線性陣列，該陣列之一個太陽能電池的該些第一接點各與該個太陽能電池相鄰的太陽能電池的個別第二接點對準；平行連接該些第一導線到一片狀囊封劑；連接複數第二導線到該片狀囊封劑，與該些第一導線交替且平行；將該囊封劑與該些第一導線及該些第二導線一起施用到該太陽能電池之該表面；藉此該複數第一導線延伸過該些太陽能電池的該陣列，該些第一導線各設置成經過該個太陽能電池的該些第一接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池的每個交替太陽能電池及該個太陽能電池的該些第一接點的至少其中之一者的電連接；該複數第二導線延伸過該些太陽能電池的該陣列，該些第二導線各設置成經過該個太陽能電池的該些第二接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池的每個交替太陽能電池及該個太陽能電池的該些第二接點的一個或多個的電連接；以及該個太陽能電池的該些第一導線包含相鄰該個太陽能電池之太陽能電 池及該陣列中相對於該相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池之該些第二導線，且該個太陽能電池之該些第二導線包含該相鄰太陽能電池及該陣列中相對於該相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池之該些第一導線。
  21. 如請求項16所述之方法，更包含：設置該太陽能電池於同樣太陽能電池的一線性陣列，該陣列之一個太陽能電池的該些第一接點各與該個太陽能電池相鄰的太陽能電池的個別第二接點對準；平行連接該些第一導線到一片狀囊封劑；將該囊封劑與該些第一導線一起施用到該太陽能電池形成有該些第一接點的該表面；藉此該複數第一導線延伸過該些太陽能電池的該陣列，該些第一導線各設置成經過該個太陽能電池的該些第一接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池的每個交替太陽能電池及該個太陽能電池的該些第一接點的至少其中之一者的電連接；連接複數第二導線到另一片狀囊封劑；將該囊封劑與該些第二導線一起施用到該太陽能電池形成有該些第一接點的該表面；該複數第二導線延伸過該些太陽能電池的該陣列，該些第二導線各設置成經過該個太陽能電池的該些第二接點，以形成到該陣列中相對於該個太陽能電池的每個交替太陽能電池及該個太陽能電池的該些第二接點的一個或多個的電連接；以及該個太陽能電池的該些第一導線包含相鄰該個太陽能電池之太陽能電 池及該陣列中相對於該相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池之該些第二導線，且該個太陽能電池之該些第二導線包含該相鄰太陽能電池及該陣列中相對於該相鄰太陽能電池之每個交替太陽能電池之該些第一導線。
  22. 如請求項21所述之方法，包含在囊封該太陽能電池前設置該些第一導線於該太陽能電池的該表面。
  23. 如請求項12所述之方法，包含藉由印刷一金屬種子層於該片狀囊封劑並電鍍金屬於該金屬種子層上，以產生具有所需截面區域的導線，來形成該些第一導線。
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