CN101088159A - 发射器穿绕的背接触太阳能电池的工艺和制造方法 - Google Patents

Abstract

包括后表面结构的背接触太阳能电池及其制造方法。掺杂后表面以形成n⁺发射器，之后用介电层涂敷。在后表面里划线小区域，之后在该区域中形成p型接触。大的导电栅极区域覆盖在介电层上。本发明的方法通过在p型衬底的后表面上，减少p型接触区域以及使n型掺杂区域达到最大用于提高效率。

Description

发射器穿绕的背接触太阳能电池的工艺和制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有下列专利申请案卷的优先权以及利益：在2004年9月7日提交的美国临时专利申请序号60/607,984，名为“发射器穿绕的背接触太阳能电池的改进工艺和制造方法”和在2005年8月11日提交的美国临时专利申请序号60/707,648，名为“发射器穿绕的背接触太阳能电池的进一步改进的工艺和制造方法”。本申请还是下列都在2005年2月3日提交的美国专利申请的部分继续申请：序号11/050,185，名为“背接触太阳能电池和制备方法”，序号11/050,182，名为“具有自掺杂接触的嵌入接触太阳能电池”以及序号11/050,184，名为“发射器穿绕的背接触硅太阳能电池的接触制造”，这些申请要求下列专利申请案卷的利益：在2004年2月5日提交的美国临时专利申请序号60/542,390，名为“背接触硅太阳能电池的制造”和在2004年2月5日提交的美国临时专利申请序号60/542,454，名为“使用自掺杂接触的嵌入接触电池的制备工艺”。所有所述申请的说明书和权利要求书都通过引用而结合在此，如同全文列出一样。

发明背景

发明领域(技术领域)：

本发明涉及制造背接触硅太阳能电池的方法和工艺，以及通过这些方法制得的太阳能电池。

背景技术：

与在前和后表面上都具有接触的传统的硅太阳能电池相比，背接触硅太阳能电池具有几个优势。第一个优势是由于减少的或消逝的接触黑暗(obscuration)损耗(从接触栅极反射的太阳光不能转换成电)，背接触电池具有较高的转换效率。第二个优势是因为两个极性接触都是在相同的表面上，所以背接触电池组装到电路更容易，由此更便宜。作为实例，与目前的光伏特模块组件比较，使用背接触电池，通过在一个步骤中封装光伏特模块和太阳能电池电路可获得显著的成本节约。背接触电池的最后的优势是通过更统一的外观而具有更好的美感。在一些领域美感是重要的，例如建筑集成的光伏特系统和汽车用的光伏特遮阳篷顶。

一般的背接触太阳能电池如图1所示。硅衬底可以是n型或p型。在一些设计中可省略重掺杂发射器(n⁺⁺和p⁺⁺)中的一个。任选地，在其它设计中，重掺杂发射器在后表面上可直接相互接触。后表面钝化有助于减少在后表面的光生载流子的损耗，并有助于降低由于在接触之间未掺杂表面的分路电流而导致的电损耗。附图仅突出了在后表面上的特性。

存在几种制备背接触硅太阳能电池的方法。这些方法包括：金属化回绕(MWA)，金属化穿绕(MWT)，发射器穿绕(EWT)和背结结构。MWA和MWT在前表面上具有电流收集栅极。为了制备背接触电池，这些栅极分别回绕边缘或穿过孔到达后表面。EWT电池从前表面到后表面穿过硅晶片中的掺杂导电沟道缠绕电流收集结(“发射器”)。“发射器”是指在半导体器件中的重掺杂区域。例如通过用激光在硅衬底中钻孔，随后在前和后表面上形成发射器的同时，在孔内形成发射器，来制造这样的导电沟道。背结电池在太阳能电池的后表面上都具有负和正极性收集结。因为大多数的光被吸收-还由此在前表面附近光生大多数的载流子，背结电池需要非常高的材料质量以便载流子具有足够的时间从前面扩散到后表面，其中在后表面上具有收集结。作为比较，EWT电池在前表面上保持电流收集结，其有利于高电流收集效率。在James M.Gee的美国专利号5,468,652，制备背接触太阳能电池的方法中公开了EWT电池，全文结合在此。在许多技术出版物中还讨论了多种其它背接触电池设计。

除了美国专利号5,468,652以外，Gee是共同发明人的两个其它美国专利公开了用背接触太阳能电池的模块组件和层叠的方法：美国专利号5,951,786，使用背接触太阳能电池的层叠的光伏特模块，和美国专利号5,972,732，单片电路模块组件的方法。两个专利都公开了可使用在这里公开的本发明中的方法和特点，且通过引用而结合，如同全文列出一样。美国专利号6,384,316，太阳能电池及其制备工艺，公开了可选择的背接触电池设计，但是使用了MWT，其中孔或通孔分开的相当远，其中在前表面上的金属接触有助于将电流导电到后表面，且其中孔用金属衬里。

Eikelboom等，“在结构化金属箔片上的无汇流条发射器穿绕太阳能电池的互连用的导电粘合剂”，发表在2001年10月22-26日德国慕尼黑的17次欧洲光伏特太阳能会议上，公开了使用共同烧制Ag/Al合金的p型接触制备太阳能电池的工艺，并该工艺在图2-5中示出，如下：

1.蚀刻并清洗p型硅晶片2。

2.在两个表面上POCl₃(n⁺)轻扩散4(100欧姆/平方)。

3.HF蚀刻并清洗。

4.在两个表面上都沉积SiN层6作为扩散势垒。在这一阶段的太阳能电池在图2中画出。

5.激光钻用于n型接触的孔8并划线用于p型接触的沟槽10。

6.激光损坏蚀刻并清洗。在这一阶段的太阳能电池在图3中画出。

7.POCl₃重扩散使磷扩散进入太阳能电池，以形成n⁺⁺扩散12。在这一阶段的太阳能电池在图4中画出。

8.HF蚀刻。

9.印刷用于p型栅极16的Al糊料。

10.印刷用于n型栅极18的金属糊料。

11.共同烧制接触。在p接触沟槽中，p⁺ Al合金结20过掺杂以前的n⁺⁺扩散。在这一阶段的太阳能电池在图5中画出。

获得的电池遭受合金Al栅极的显著差的导电率。

任何背接触硅太阳能电池的关键问题是开发使负和正极性栅极和结电绝缘的低成本工艺步骤。技术问题包括掺杂层的图案化(如果出现的话)，在负和正接触区域之间的表面钝化，以及负和正极性接触的应用。

发明概述

本发明是制备背接触太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：提供包括第一导电类型的半导体衬底，在后表面上提供包括相反导电类型的扩散，在后表面上沉积介电层，形成从衬底前表面延伸到衬底后表面的多个洞，从后表面的一个或多个区域去除扩散和介电层，在所述的一个或多个区域的每个中产生一个或多个包括第一导电类型的接触，在后表面上配置与接触电接触的第一导电栅极，以及在后表面上配置与在孔中的扩散电接触的第二导电栅极。产生步骤优选包括掺杂具有掺杂剂的衬底，所述的掺杂剂优选包括从由硼和铝组成的组中选出的元素。第一导电栅极优选不包括掺杂剂。提供扩散的步骤优选包括将衬底暴露给气体，所述的气体优选包括POCl₃。第一导电栅极优选与第二导电栅极相互交叉配置。

任选地，沉积步骤包括在前表面上沉积介电层，并且产生步骤包括在孔内表面上同时提供包括相反导电类型的第二扩散。该方法任选还包括在前和后表面的一个或两个表面上构建钝化层的步骤，所述的构建步骤优选使用从由氧化表面或在表面上沉积钝化层组成的组中选择的方法。

方法任选还包括如下步骤：用电镀的金属接触层涂敷孔的内表面以及所述的一个或多个区域，所述的电镀的金属接触层优选包括镍，其中涂敷步骤在产生步骤之后且在配置步骤之前进行。优选使用无电镀膜法，电镀接触层。该方法任选还包括在去除步骤后提供第二扩散的步骤，所述的第二扩散包括在孔的内表面和所述的一个或多个区域上的相反导电类型，且其中产生步骤包括过掺杂第二扩散。

本发明还是根据上面所述的方法中的任何一种制备的背接触太阳能电池。本发明还是包括镀层的背接触太阳能电池，所述的镀层包括金属，优选包括镍，该层配置在衬底的一个或多个掺杂区域和一个或多个导电栅极之间，其中导电栅极不包括金属。

本发明还是背接触太阳能电池和背接触太阳能电池的制备方法，该方法包括如下步骤：提供包括第一导电类型的半导体衬底，在后表面上沉积图案化的介电层，在没有被介电层覆盖的后表面的开口部分上提供包括相反导电类型的扩散，在开口部分上和邻近开口部分的介电层上配置金属，烧制该金属。沉积步骤优选包括丝网印刷介电层。提供扩散的步骤优选包括使用从由POCl₃和PH₃组成的组中选出的气体。金属优选包括第一导电类型的掺杂剂。配置步骤优选包括丝网印刷包括金属的糊料。烧制步骤优选包括用金属对开口部分的扩散形成尖峰。

本发明的目的是提供背接触太阳能电池的后表面接触结构，包括与最小的p型接触区域和最大的n型扩散相结合的用于提高传导的宽栅极线，或用于提高效率的n⁺发射器。

本发明的优势在于，它提供产生高效率太阳能电池的具有更少，更经济的工艺步骤的制造工艺。

本发明的其它目的、优势和新特征以及进一步的使用范围将在下面的详细描述中结合附图部分进行阐述，且部分对于本领域技术人员通过检验下文而会变得明显，或可通过本发明的实践而获知。本发明的目的和优势可通过后附权利要求中特殊指出的手段和组合实现并达到。

附图说明

附图，结合入说明书并且形成说明书一部分，举例说明本发明的一个或多个实施方案，并且与说明书一起，用于解释本发明的原理。附图仅是为了举例说明本发明的一个或多个更优选的实施方案，而不是想要限制本发明。附图和它们的部件不是必须成比例的。在附图中：

图1是普通背接触太阳能电池的截面图。

图2到5是描述根据Eikelboom等描述的方法制备的太阳能电池的截面图。

图6到8是描述根据本发明的硼扩散的EWT电池工艺制备的太阳能电池的截面图。

图9到10是描述根据本发明，附加地具有镀镍(Ni)接触的硼扩散EWT电池工艺制备的太阳能电池的截面图。

图11到13是描述本发明包括具有Ni接触的Al合金的p型结的太阳能电池的截面图。

图14到17是描述本发明用双划线方法制备的太阳能电池的截面图。

图18到21是描述根据本发明用备选双划线方法制备的太阳能电池的截面图。

图22是本发明一个实施方案的截面示意图，其中p型金属对n⁺扩散形成尖峰。

图23A是具有相互交叉配置的栅极图案的背接触太阳能电池的平面图。具有不同底纹的栅极相应于负和正导电类型栅极。在电池的边缘上提供焊接垫，用于将太阳能电池互连到电路中。图示不是按比例的，典型地栅极线的密度比示出的高的多。

图23B是图15A的IBC电池中的相互交叉配置的栅极的截面图。

图24是在电池边缘和中心中具有汇流条的背接触太阳能电池IBC栅极图案的平面图。

图25是用于背接触太阳能电池的多水平金属化的截面图。

图26是本发明的背接触太阳能电池IBC栅极图案的平面图。

图27是具有镀金属化的背接触太阳能电池IBC栅极的截面图。

发明详述

这里公开的本发明提供改善的背接触太阳能电池的制备工艺和方法，尤其提供更经济制造的方法和工艺。应该理解虽然公开大量不同离散的方法，但是本领域技术人员能够合并或改变两种或更多种方法，由此提供另一种备选的制备方法。还应该理解，虽然附图和实例工艺步骤描述背接触发射器穿绕电池的制造，但是这些工艺步骤可以用于制造其它背接触太阳能电池结构例如MWT，MWA或背结太阳能电池。

本发明的工艺优选使用激光对p型接触(激光划线)图案化，而不是对以适宜的图案而涂覆的印刷(即丝网印刷)扩散势垒材料图案化。图案化丝网印刷的扩散势垒提供低质量界面，例如与硅晶片具有不良钝化的界面。通过激光划线所述的接触区域，例如蒸发或CVD的沉积工艺可用于沉积扩散势垒，从而允许与硅的界面按需要“调谐”。而且，在标准的丝网印刷工艺中，典型地在进行磷或POCl₃扩散之前印刷扩散势垒。通过在磷扩散后沉积扩散势垒，发射器可一直延伸到p接触沟槽，从而极大地改善了电池的效率。可以任选地使用划线或直接图案化的其它方法，例如划片机，钻石划线或通过丝网或喷墨印刷实施的HF蚀刻剂糊料。

将激光用于图案化p型接触具有几个其它的优势。第一，激光图案化可获得更精细的几何图形和精确度，优选1到100μm，其中最优选的范围为10到100μm，比用丝网印刷可以容易地实现，尤其对硅太阳能电池典型的粗糙表面。这些更精细的几何形状意味着EWT电池的效率可通过最小化p型接触区域而最大化。第二，对印刷步骤来说对准容差放宽了。Ag栅极(优选100到1000μm宽，且通常400μm宽)仅需要覆盖激光钻的孔和激光划线的沟槽(10-100μm，且通常50μm宽)，从而在对准中留下大的错误容差。作为对比，所有的印刷步骤需要Ag栅极对准入150到300μm且正常200μm的扩散势垒开口中。该数字与Ag栅极宽度很接近，且给错误留下相对小的空间。

本文公开了将Al合金或硼扩散用于掺杂p型接触的步骤，然而，可使用其它p型掺杂剂，包括但不局限于Ga和In。相似地，对于磷，可备选地使用任何n型掺杂剂。对于本发明，在n型接触中优选使用一些类型的重p型掺杂，以便p型接触与后表面上的n型扩散电绝缘。主要的工艺问题是n型和p型扩散在它们的结上的分流，这还能受到p型金属化影响。

图6-8示出根据下面硼扩散工艺制备的太阳能电池

1.蚀刻和清洗晶片。

2.在两个表面上轻POCl₃扩散(优选约70到140欧姆/平方)。

3.HF蚀刻和清洗。

4.氧化或沉积钝化层(任选)。对于前表面、后表面、晶片侧面或任何其它组合，该层可能是需要的。

5.在两个表面上沉积SiN作为扩散势垒。

6.为n型接触激光钻孔并为p型接触划线沟槽或凹陷。

7.激光损坏蚀刻并清洗，优选使用NaOH。

8.在p型沟槽或凹陷中或上面印刷，烘干并烧制含硼的糊料24。在这一阶段的太阳能电池示于图6中。

9.为扩散磷进入到太阳能电池中，进行重POCl₃扩散(10到20欧姆/平方)，以便形成n⁺⁺扩散12，或备选地，涂覆含p的糊料到孔中并扩散。硼优选同时扩散到晶片中，产生p⁺⁺层26。在孔中使用POCl₃扩散而不是磷糊料的一个优势在于，POCl₃气体在孔中提供更均匀的扩散。这个阶段的太阳能电池示于图7中。

10.HF蚀刻(在一些情况下，任选的)，以便去除含磷糊料和含p糊料(如果使用)。

11.印刷相互交叉配置的Ag n金属化栅极18和p金属化栅极28，以分别接触n型和p型区域。

12.共同烧制接触。在这个阶段的太阳能电池示于图8中。

注意在该工艺中，两种含Ag的糊料将优选具有足够低的活性以便在SiN层中不形成针孔缺陷，但是仍具有足够的活性以便分别对在孔和沟槽内侧的n⁺⁺和p⁺⁺层形成良好的电接触。SiN层可制备成需要的厚度，以阻止糊料渗透它；该层优选介于约30nm和140nm厚之间，且最优选约80nm厚。

接触层可任选包括通过薄膜沉积工艺沉积的高质量金属化，所述的薄膜沉积工艺包括但不局限于溅射，CVD或蒸发。这些工艺沉积具有用于接触硅的理想特性的非常薄的纯金属层。问题在于，薄膜沉积是相对昂贵的并且需要分开的图案化步骤。Mulligan等描述了将薄膜和电镀的金属化用于背接触硅太阳能电池的工艺(美国专利申请，“太阳能电池的金属接触结构及其制备方法”，US2004/0200520A1，2001年10月14日)。

接触层可任择包括镍镀层。烧结的Ni接触具有比烧制Ag糊料接触更低的接触电阻，且可以通过无电镀Ni膜法容易选择性沉积在暴露的Si表面。在烧结步骤期间，Ni典型地经历固态反应以形成硅化镍，在该情况下，硅化镍是接触层。Ni接触可比烧制的Ag接触具有较少的结分流问题。另外，通过最佳化电镀工艺，在已有的SiN(或其它介电)层上可以防止Ni沉积。在整个使用电镀金属化的一些硅太阳能制备步骤中，使用无电镀膜法的Ni。额外的优点在于，Ni镀层改善了界面，以便可使用Ag，Al或其它糊料以形成具有高集成度的接触。

对全电镀金属化电池技术来说，无电镀膜法的问题之一在于，无电镀膜法非常慢。然而，本发明只需要薄层，对电接触来说，优选约10到1000μm(以及最优选约100μm)厚。然后丝网印刷的Ag栅极优选用于导体。对于该应用，优选使用在低温下烧制的Ag糊料，以使与Ni接触和下面的硅的冶金学相互作用最小化。尽管因为Cu比Ag更容易倾向氧化，但可以备选地使用丝网印刷的Cu栅极，其优选用非氧化金属或氧化抑制剂覆盖。备选地，可印刷基底金属，例如Ni，然后导电率通过镀更导电的金属而增加(无电镀膜或有电电镀)，所述的更导电的金属包括但不局限于Ag或Cu。

当为了制备镀镍接触，将镀镍法结合手上面所述的硼扩散EWT工艺中时，在步骤10中的HF蚀刻后，优选采用下列步骤：

11.镀(优选无电镀膜法)和优选烧结Ni接触层34。在这一阶段的太阳能电池如图9所示。

12.印刷Ag n型栅极18和Ag p型栅极36(优选将低温Ag糊料用于两个极性栅极)以及烧制/烧结接触。在该实施方案中，优选将相同的金属用于n型和p型接触；备选地，可使用不同的材料。在这一阶段的太阳能电池在图10中示出。可印刷银或一种或多种其它金属的厚接触，或备选地，可优选使用无电镀膜法或电镀，用另外的建立起来的金属化印刷薄接触。接下来的金属化不是必须要包括上面印刷的相同的金属或合金。

镀镍的接触还可与Al合金p型结结合使用，如图11-13所示。优选的步骤包括：

1.蚀刻和清洗晶片。

2.在两个表面上都轻POCl₃扩散(优选约70到140欧姆/平方)。

3.HF蚀刻和清洗。

4.在一个或多个表面或侧面(任选)氧化或沉积钝化层。

5.在两个表面上都沉积SiN作为扩散势垒。

6.为n型接触激光钻孔并为p型接触划线沟槽或凹陷。

7.激光损坏蚀刻和清洗，优选使用NaOH。

8.重POCl₃扩散(优选约10到30欧姆/平方)，或给孔涂覆含P的糊料并扩散。

9.印刷用于p型栅极16的Al糊料。

10.合金化Al，以形成结20，其过掺杂在p接触沟槽或凹陷中上面所述的n⁺⁺扩散。在这一阶段的太阳能电池如图11所示。

11.HCl和HF蚀刻，以去除Al金属和表面氧化物。

12.进行(无电镀膜)镀Ni。

13.烧结以形成Ni接触34。在这个阶段的太阳能电池如图12所示。

14.印刷Ag n型栅极18和Ag p型栅极36(优选将低温Ag糊料用于两种极性栅极)并烧制/烧结接触(或备选地，用无电镀或电镀金属化建立的金属化)。这一阶段的太阳能电池如图13所示。

Ni使得与掺杂硅低电阻接触，这允许最小化p型接触面积的和低温Ag。低活性的Ag糊料是适宜的，以便SiN和Ni硅化物层不被渗透。

在本发明的方法中，存在一个潜在的分流，其中重p⁺接触扩散接触后表面n⁺扩散；参见例如图10和13。另外，正极性Ag栅极潜在地与后表面n⁺扩散接触，由此分流太阳能电池。最佳地，没有分流，因为两种材料形成P-N结二极管，并且不存在尖峰形成并且仅有最小的隧道效应。然而，这些问题可以通过包括在后表n⁺扩散和p⁺接触扩散之间设置未掺杂区域的额外步骤而避免，优选使用像丝网印刷地低成本工艺。工艺的一个实例如下：

1.蚀刻和清洗硅晶片；

2.印刷形成电介质材料的糊料；

3.烧制糊料以形成电介质；

4.清洗和蚀刻表面(任选)；

5.在两个表面上都进行轻(例如70到150欧姆/平方)磷扩散；

6.蚀刻氧化物；

7.在两个表面上都沉积氮化硅。可以备选地使用具有大的折射率，具有与硅处理的相容性且与硅有良好界面特性的其它介电材料(包括但不局限于TiO₂或Ta₂O₅)。

8.为n型孔激光钻孔并为p型接触划线凹陷或沟槽；

9.蚀刻和清洗激光消融的特征；

10.印刷硼或其它p型掺杂剂扩散源到p型激光消融的特征中；

11.进行重(例如5到30欧姆/平方，且优选＜20欧姆/平方)磷扩散，以掺杂n型通孔，并驱使硼进入p型接触开口中；

12.蚀刻扩散玻璃(glasses)；且

13.涂覆并退火负和正极性栅极

分开p⁺和n⁺区域以避免分流的另一种方法优选包括如下步骤：

1.在p型硅晶片中钻孔，优选使用激光。

2.蚀刻并清洗晶片。该步骤可包括碱性蚀刻，或任选包括酸性蚀刻，以织构化前表面，以改进吸收。

3.扩散晶片表面以形成n型层104，优选使用POCl₃或另一种n型源，且优选约在45-140欧姆/平方范围之间。

4.蚀刻扩散玻璃。

5.在后表面上用激光，蚀刻糊料，机械方法等，划线用于p接触的开口。优选地，该步骤不将缺陷引入硅中，因为没有机会把它们蚀刻掉。

6.在晶片前和后表面上沉积图案化的介电层106，所述的介电层106优选包括SiN，钛或钽的氧化物等，优选约从40nm到150nm的厚度范围。该层除了在前和后表面上都作为光学涂层外，优选在后表面上作为金属化和扩散势垒。该层优选不沉积在孔上或孔里面。在这一阶段的太阳能电池在图14中示出。

7.进行第二划线，直接对准并以第一划线为中心，但是具有较小的尺寸或宽度。这一阶段的太阳能电池在图15中示出。

8.在划线区域丝网印刷p型掺杂剂糊料124，例如含硼糊料，并通过扩散或合金化在第二划线开口中形成p⁺接触层126。该阶段的太阳能电池在图16中示出。

9.如果必要，蚀刻硼玻璃或其它p型源。

10.用导体糊料或金属镀层金属化p栅极128和n栅极118。该阶段的太阳能电池在图17中示出。

任选地，可使用下面相似的工艺：

1.蚀刻并清洗晶片。该步骤可包括碱性蚀刻，或任选包括酸性蚀刻，以织构化前表面，以改进吸收。

2.轻掺杂晶片表面以形成n型层204，优选使用POCl₃或另一种n型源，且优选在约70-140欧姆/平方的范围中。

3.蚀刻扩散玻璃。

4.用激光、蚀刻糊料、机械方法等，在后表面上划线用于p接触的开口。该步骤优选不将缺陷引入硅中，因为没有机会将它们蚀刻掉。

5.沉积介电层206，介电层206优选包括SiN，优选从约40nm到150nm厚的范围，且优选在两个表面上。该层除了在前和后表面上都作为光学涂层外，优选在后表面上作为金属化和扩散势垒。氮化硅优选通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)沉积为包括硅、氮和氢的无定形合金(有时标明a-SiN_x:H或SiN_x:H)。这些薄膜对于提供表面钝化和体积缺陷是熟知的，由此改善硅太阳能电池的能量转换效率。

6.钻孔，优选使用激光。

7.激光损坏蚀刻并清洗，优选使用NaOH。

8.在孔中重POCl₃扩散212(优选约10到30欧姆/平方)，或备选性地，给孔涂覆含P糊料并扩散。该阶段的太阳能电池在图18中示出。

9.蚀刻扩散玻璃。

10.进行第二划线，直接地对准并以第一划线为中心，但具有较小的直径或宽度。该阶段的太阳能电池在图19中示出。

11.在划线区域中丝网印刷例如含硼糊料的p型掺杂剂糊料224，并通过扩散或合金化在第二划线开口中形成p⁺接触层226。该阶段的太阳能电池在图20中示出。

12.如果必要，蚀刻硼玻璃或其它p型源。

13.用导体糊料或金属镀层金属化p栅极228和n栅极218。该阶段的太阳能电池在图21中示出。

尽管该方法比上面所述相关的方法包括更多的工艺步骤，但是它具有很多优点。第一，选择性的发射器结构(在前表面上的轻扩散，在孔中的重扩散)允许电池的效率最大化。第二，因为氢提供极好的表面钝化，优选使用PECVD沉积SiN_x:H。然而，该材料如果不是不能就是难以图案化，尤其通过丝网印刷。因此在上面所述的方法中的电介质很可能不是SiN，而是具有较差钝化特性的另一种材料。而且，丝网印刷很贵且很难准确图案化。然而，这些方法都导致了p⁺区域，其仅在通过第二划线步骤生成的小部分晶片上近似地形成，从而通过位于第一划线中的介电层的那部分，与在后表面上的n⁺区域分开。

本发明的另一个优选工艺不使用用于p型接触的分开图案化步骤。而是，在进行磷扩散图案化的同时，限定p型接触区域。该工艺优选包括如下步骤：

1.激光钻孔。

2.蚀刻并清洗晶片。该步骤选择地包括碱性蚀刻，或任选包括酸性蚀刻，以织构化前表面，以改进吸收。

3.在后表面上丝网印刷形成扩散势垒图案(不邻近孔)的介电材料。在磷扩散步骤期间，该形成图案化的磷扩散。尤其如果不能容易地蚀刻介电扩散势垒，且p型金属不容易烧制穿过扩散势垒和后表面钝化材料，图案优选包括用于后面的p型金属接触的开口。

4.热退火介电糊料(例如，约500-1000℃，约5到30分钟)。

5.进行磷扩散，优选使用气体源(例如POCl₃，PH₃等)进行。该扩散优选是中间扩散，即，足够轻以在前表面上提供良好的光谱响应，而足够重以提供用于n型接触的足够掺杂。

6.进行蚀刻以去除通过扩散留下的氧化磷玻璃。合适的蚀刻剂在行业上是熟知的，且可以包括水性HF化学蚀刻，HF气体蚀刻或多种等离子蚀刻剂化学。

7.在前表面上沉积氮化硅层或其它高折射率材料(例如TiO₂和Ta₂O₅)以形成抗反射涂层，具有约70到80nm的厚度，该厚度取决于折射率和希望的颜色。氮化硅优选通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)沉积作为包括硅、氮和氢的无定形合金(有时标明a-SiN_x:H或SiN_x:H)。这些薄膜对于提供表面钝化和体积缺陷是熟知的，以及由此改善硅太阳能电池的能量转换效率。

8.在后表面上沉积氮化硅或其它介电层，优选SiN_x:H(任选)。该层钝化后表面并由此改善太阳能电池效率。该步骤可与步骤7同时进行，或在步骤10之后进行。

9.丝网印刷用于p型接触和栅极的金属(“p金属”)，优选使用糊料(优选Ag-Al或任选Ag或Al)；

10.烘干p金属；

11.丝网印刷用于n型接触和栅极的金属(优选Ag)，优选约10到50微米厚；

12.烧制金属；以及

13.测试太阳能电池。

在该方法中，p型金属优选对在介电势垒开口中的磷(n⁺)扩散形成尖峰，以便制备欧姆接触。这样配置的示意图在图22中示出。该工艺相对于以现有技术的优势在于，仅需要一次磷扩散，且在工艺开始时钻孔(其消除了激光损坏蚀刻步骤)，从而降低了工艺成本。

背接触EWT电池还可用与使用自掺杂金属化的嵌入接触电池制备步骤相似的工艺制备。必须注意确保自掺杂金属填充沟槽和孔，使得串联电阻不是问题。这样工艺的一个实例如下：

1.蚀刻和清洗Si晶片；

2.激光划线n型沟槽并在后表面上钻孔；

3.轻(60到120欧姆/平方)磷扩散；

4.HF蚀刻，以从扩散工艺去除磷玻璃；

5.通过例如PECVD或低压化学气相沉积(LPCVD)，沉积氮化硅；

6.在后表面上激光划线p型沟槽或凹陷；

7.用n型和p型自掺杂金属化分别填充n型沟槽/孔和p型沟槽；以及

8.共同烧制金属化。

在任何以上的实施方案中，在后表面上的大面积的SiN或其它电介质能够使优选互相交叉的接触线在实际没有接触硅晶片的情况下尽可能的宽(为了输送更多电流)。它们还能在最小化p型接触区域的同时，最大化n⁺发射器，由此增加载流子收集效率。整个后表面区域的百分比由p型接触占据。

另外，在这里的所有实施方案，可使用大量的方法或变体，包括但不局限于下面这些。尽管可使用备选方法，例如化学或等离子蚀刻，热迁移等，但还可使用激光钻形成透孔。这些方法中的一些描述于：美国专利申请序号10/880,190，名为“在薄硅晶片上的发射器穿绕的背接触太阳能电池”；美国专利申请序号10/606,487，名为“用热迁移产生导电通孔的背接触太阳能电池的制备”，和国际专利申请序号PCT/US04/20370，名为“具有整体导电通孔的背接触太阳能电池和制备方法”，所有这些通过引用而结合在此。可用丝网印刷蚀刻糊料以进行精细的图案化。可使用硼硅酸盐玻璃或另一种p型掺杂源形成p⁺结。划线沟槽的尺寸的选择必须在减少接触面积和最小化再结合速率之间平衡。最后，还可使用选择性的发射器工艺，其中在前表面的扩散轻于在透孔中或在后表面上的扩散。这可以例如通过在前表面上丝网印刷多孔SiO₂层来完成，这在重扩散孔和后表面的同时，抑制在前表面上的磷扩散，以及例如通过HF蚀刻掉。备选地，这可以通过在POCl₃炉中与单个窄槽面对晶片前表面的条件下放置晶片(即双置)来完成，这减少在接触面上的扩散。

除了EWT电池，所有这些步骤还可非常简单地用于制造背结--激光简易划线凹陷或沟槽而不是钻用于n型接触的孔。背结太阳能电池在后表面上具有负和正极性电流收集结。这些电池需要高质量材料，以便在邻近前表面上被吸收的光生载流子能横穿器件的宽度扩散，以在器件后表面上的结处收集。

最小化相互交叉配置的背接触栅极图案中的串联电阻

因为背接触硅太阳能电池后表面上同时具有负极性和正极性接触以及在电流收集栅极，负极性和正极性栅极必须彼此电绝缘。栅极还必须收集电流到焊接垫或汇流条。金属带典型地附加在焊接垫或汇流条上，以便连接太阳能电池到电路中。

在背接触电池中，栅极存在两种几何形状。在“相互交叉的背接触”(IBC)几何形状中，负和正极性导电类型栅极形成相互交叉配置的梳状结构(图23A和23B)。该结构在生产中很容易实现，但是由于具有有限的截面面积而导致的长栅极线而遭受高的串联电阻。栅极线的长度，以及由此的串联电阻可通过包括一个或多个的汇流条而减少(图24)。然而，因为在汇流条上的区域中的光电流收集被减少，所以汇流条降低了有效面积。而且，互连邻近背接触太阳能电池的几何图形对在电池中心具有汇流条而不是在电池边缘具有焊接垫的电池来说变得更复杂。使用像丝网印刷的低成本生产工艺，可很容易制备IBC图案。

在背接触电池中的栅极的第二种几何图形使用多水平金属化(图25)(Richard M.Swanson，“热光伏转换器和用在其中的电池”，美国专利4,234,352，于1980年11月18日授权)。用提供电绝缘的沉积的介电层垂直堆叠金属水平。多水平金属化几何图形能比IBC几何图形取得更低的串联电阻，因为金属覆盖整个后表面。然而，该结构除金属化步骤之外，还需要两个介电沉积(“第一”和“第二”水平)和图案化步骤。另外，为了避免能在介电绝缘层中导致电分流的针孔缺陷，多水平金属化需要非常昂贵的薄膜加工技术。

本发明为减少在背接触硅太阳能电池的相互交叉背接触栅极图案中优选的IBC栅极图案(在电池边缘上具有焊接垫)的串联电阻，提供两种实施方案。

在第一实施方案中，栅极线制成具有锥形宽度，以便宽度沿着电流流动的方向增加，直到到达电池边缘。因为栅极的截面区域以由栅极输送的电流增加的相同比率增加，这在恒定的栅极覆盖部分下降低了串联电阻。在正极性电流收集栅极510和负极性电流收集栅极520两个中的锥形宽度图案的优选的实施方案在图26中示出(未按比例)。图27示出了在具有镀金属化的背表面太阳能电池505上的图26的IBC栅极的截面图，即在接触金属化上方镀的金属530。

总体上，既可通过经验也可通过计算决定锥形度，以决定最佳锥形。另外，金属覆盖部分和在相同极性栅极之间的间隔可相似地变动。在具有典型特性的IBC电池的模拟中，IBC栅极的串联电阻是为125mm×125mm的电池计算的。在相同极性栅极之间的间隔选定为2mm，且金属覆盖部分选定为40％。对恒定宽度IBC几何形状来说，栅极线具有400μm的厚度，然而对锥形几何形状来说，栅极线从200增加到600μm。锥形相对恒定宽度IBC几何图形，该串联电阻低36％。注意如果需要，可使用其它锥形，例如栅极线可从250到550μm宽度逐渐变化。

在第二实施方案中，可通过使栅极线更厚，来降低栅极电阻。丝网印刷Ag糊料栅极的厚度受到糊料和丝网的物理特性限制。允许边缘收集的IBC栅极的优选几何形状(图23A)典型地需要相对厚的栅极线(＞50μm)，以便能在具有可接受电阻损失的大尺寸上传输电流。这比容易丝网印刷的厚度厚。提高印刷Ag IBC栅极的栅极线厚度的两种优选方法是：通过将IBC电池浸入熔融的焊料中(“浸锡”)或通过向栅极线上镀(电镀或无电镀膜)金属。浸锡是熟知的工艺，其被一些硅太阳能电池制造商用于制备常规的硅太阳能电池。熔融焊料的温度取决于焊料组成，但是通常低于250℃。在一个实施方案中，使用Sn:Ag焊料，以便将印刷的Ag栅极线的溶解最小化。

备选地，可通过电镀或无电镀，镀很多种金属。Cu和Ag是特别有利的，因为这两种金属可以容易地焊接，并具有很好的电学导电性。镀栅极线的另一个优点在于，在完成的电池中降低应力。可以优选使用薄的印刷Ag线，因为最后的导电性由接下来的金属建立步骤决定。Ag在高温下烧制(通常高于700℃)，因此保持该层薄度降低了来自高烧制温度的应力。另外，电镀通常在低温(＜100℃)下进行。这样，在更低的温度下可增加栅极厚度，由此导致完成的电池中引入更少的应力。

前述的实例可通过取代本发明用在上述实例中的通常或详细描述的反应物和/或操作条件而重复同样的成功。特别地，本领域技术人员将认识到，可修改工艺步骤中的某此，它们的顺序变化或额外的步骤增加，都没有偏离本发明的范围。

尽管本发明通过具体参考那些优选实施方案进行了详细描述，但是其它的实施方案可获得同样的结果。本发明的变化和修改对本领域技术人员来说是显而易见的，且它意图覆盖所有这样的修改和等同部分。上面引用的所有参考、申请、专利和出版物及相关申请的全部公开内容都通过引用而结合在此。

Claims (24)

1.一种背接触太阳能电池的制备方法，该方法包括如下步骤：

提供包括第一导电类型的半导体衬底；

在后表面上提供包括相反导电类型的扩散；

在后表面上沉积介电层；

形成从衬底前表面延伸到衬底后表面的多个孔；

从后表面的一个或多个区域去除扩散和介电层；

在所述的一个或多个区域的每个中产生一个或多个包括第一导电类型的接触；

在后表面上配置与接触电接触的第一导电栅极；以及

在后表面上配置与在孔中的扩散电接触的第二导电栅极。

2.权利要求1的方法，其中所述的产生步骤包括用掺杂剂掺杂衬底。

3.权利要求2的方法，其中所述的掺杂剂包括从由硼和铝组成的组中选择的元素。

4.权利要求2的方法，其中所述的第一导电栅极不包括掺杂剂。

5.权利要求1的方法，其中所述的提供扩散的步骤包括将衬底暴露给气体。

6.权利要求5的方法，其中所述的气体包括POCl₃。

7.权利要求1的方法，其中第一导电栅极与第二导电栅极相互交叉配置。

8.权利要求1的方法，其中所述的沉积步骤包括在前表面上沉积介电层，且产生步骤包括在孔的内表面上同时提供包括相反导电类型的第二扩散。

9.权利要求1的方法，进一步包括在前表面和后表面的一个或两个表面上构建钝化层的步骤。

10.权利要求9的方法，其中所述的构建步骤包括从由氧化表面或在表面上沉积钝化层组成的组中选择的方法。

11.权利要求1的方法，进一步包括用电镀的金属接触层涂敷孔的内表面和所述的一个或多个区域的步骤，其中涂敷步骤在产生步骤之后且在配置步骤以前进行。

12.权利要求11的方法，其中所述的接触层包括镍。

13.权利要求11的方法，其中使用无电镀膜法，电镀所述的接触层。

14.权利要求11的方法，进一步包括在所述的去除步骤后提供第二扩散的步骤，第二扩散包括在孔的内表面和所述的一个或多个区域上的相反导电类型；其中所述的产生步骤包括过掺杂第二扩散。

15.一种根据权利要求1的方法制备的背接触太阳能电池。

16.一种背接触太阳能电池，其包含含金属的镀层，所述层配置在衬底的一个或多个掺杂区域和一个或多个导电栅极之间，其中所述导电栅极不包括金属。

17.权利要求16的背接触太阳能电池，其中所述金属包括镍。

18.一种背接触太阳能电池的制备方法，该方法包括如下步骤：

提供包括第一导电类型的半导体衬底；

在后表面上沉积图案化的介电层；

在没有被介电层覆盖的后表面的开口部分上提供包括相反导电类型的扩散；

在开口部分上和邻近开口部分的介电层上配置金属；以及

烧制金属。

19.权利要求18的方法，其中所述的沉积步骤包括丝网印刷所述的介电层。

20.权利要求18的方法，其中所述的提供扩散的步骤包括使用从由POCl₃和PH₃构成的组中选出的气体。

21.权利要求18的方法，其中所述的金属包括第一导电类型的掺杂剂。

22.权利要求21的方法，其中所述的配置步骤包括丝网印刷包括所述金属的糊料。

23.权利要求18的方法，其中所述的烧制步骤包括用金属对开口部分中的扩散形成尖峰。

24.一种根据权利要求18的方法制备的背接触太阳能电池。

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