CN101465391B - 金属化接触结构和形成硅太阳能电池多层电极结构的方法 - Google Patents

Abstract

金属化接触结构和形成硅太阳能电池多层电极结构的方法，包括在半导体衬底上沉积导电接触层和在导电接触层的一部分上沉积含金属墨水，其中导电接触层的暴露部分与含金属墨水相邻。通过从半导体衬底上除去导电接触层的暴露部分，对导电接触层进行图案化。含金属墨水与半导体衬底的介电层中的一个或多个开口对齐并且与导电接触层的未暴露部分对齐。导电接触层的未暴露部分夹在含金属墨水和半导体衬底的介电层之间，导电接触层图案与含金属墨水对齐。通过烧结含金属墨水，对半导体衬底进行热处理形成载流金属网格线。

Description

金属化接触结构和形成硅太阳能电池多层电极结构的方法

背景技术

这里描述的是金属化接触结构和形成用于硅光电电池(此后称为“硅太阳能电池”)的多层电极结构的方法。该金属化接触结构和用于形成多层电极结构的方法提供以小接触面积而具有低接触电阻并且降低了表面重组的硅太阳能电池。通过该金属化接触结构和方法提供的硅太阳能电池保持高导电性、可焊性和通过银网格线(gridline)电极的电流稳定性。

太阳能电池是将太阳光直接转换成电的典型光电器件。太阳能电池典型地包括硅半导体，硅半导体吸收光照例如太阳光，产生自由电子，存在内建电场时使这些自由电子流动产生直流(此后称“DC”)电。若干PV电池产生的DC功率可以收集到放置在电池上的网格(grid)上。然后通过串联和并联组合将来自多个PV电池的电流组合成更大的电流和电压。然后将由此收集的DC功率在电线上传送，通常是许多打或者甚至是几百根电线。

对用于金属化陆地配置的硅太阳能电池的当前技术是丝网印刷(screen printing)。丝网印刷已经使用了几十年了，是可靠的、简单的、快速的以及有成本效益的金属化方法，并且容易通过自动化操作用于大规模太阳能电池制造。在用于金属化太阳能电池的常规丝网印刷方法中，橡胶滚轴(squeegee)挤压浆料通过保持在晶片上面的具有感光乳剂图案的网。用于太阳能电池金属化的典型浆料由银颗粒和玻璃粉在有机介质中的混合物构成。当晶片被烧制时，有机介质分解并且玻璃粉变柔软，然后使表面钝化层溶解，并且通过在浆料形成的银图案下面形成多个无规则的点，为银形成了到达硅的通道。也可以起到抗反射涂层作用的表面钝化层是介电层，例如氮化硅层，并且是电池的基本部分，遮盖除电接触区域之外的电池部分。浆料的上部分硬化成一个或多个从电池中传输电流的金属厚膜。这些膜形成晶片前侧上的网格线和晶片后侧上的基底接触。银浆料还是可焊接连接邻近电池的连接片(tab)的表面。

虽然玻璃粉方法与开口接触丝网印刷相结合有好处，从而不需要分开的处理步骤对钝化层形成开口，但是玻璃粉方法有很大的缺点，就是限制了电池效率的进一步提高。首先，接触电阻非常大，例如，半导体发射层(暴露于太阳的表面)和银网格线之间的接触电阻率(specific contact resistance)在大约10^-3Ω·cm²左右。半导体发射层和银网格线之间的这个接触电阻率比在半导体集成电路器件中达到的接触电阻率大约10^-7Ω·cm²左右高出几个次幂的数量级。因为这个较大的接触电阻率，所以太阳能电池中的发射层必须被重掺杂并且在发射层和银网格线之间必须使用较大的接触面积，否则浆料中的银不能与硅进行良好的电接触。重掺杂终止了电池顶部中的少量载流子的寿命并且限制了电池的蓝光响应，较大的接触面积产生了更大的表面复合率。结果，降低了太阳能电池的整体效率。玻璃粉方法的另一个问题就是狭窄的处理窗口。该狭窄的处理窗口会是个问题，因为烧制网格线的热循环必须燃烧整个氮化硅从而在硅和银之间提供电接触，而不允许银分路，反之损害结。该狭窄处理窗口严格地限制处理时间在大约30秒左右以及温度带在峰值烧制温度周围大约10℃。

发明内容

金属化接触和多层电极结构可以具有包括介电层和介电层中形成的接触开口的半导体衬底。接触开口可以形成底层网格线，用于对齐和形成载流烧结金属网格线以制造硅太阳能电池。导电接触层可以沉积到半导体衬底的介电层中的接触开口中。含金属墨水可以沉积在部分导电接触层上和/或可以与半导体衬底的介电层中形成的接触开口对齐。半导体衬底的热处理可以由含金属墨水形成载流烧结金属网格线。

可以通过从半导体衬底上除去导电接触层的暴露部分，对导电接触层图案化。沉积的含金属墨水可以在导电接触层的未暴露部分上形成保护性掩模，防止未暴露部分随着导电接触层的暴露部分的除去而被除去。半导体衬底的热处理可以形成多层电极结构和/或由导电接触层的未暴露部分、含金属墨水和半导体衬底形成的任选的金属硅化物层。

在实施方案中，公开了一种用于在太阳能电池上形成多层电极结构的方法，包括在半导体衬底上沉积导电接触层。该方法包括在部分导电接触层上沉积含金属墨水，其中导电接触层的暴露部分与含金属墨水相邻接，以及通过从半导体衬底上除去导电层的暴露部分，对导电接触层图案化。

优选的是，半导体衬底包括介电层。

优选的是，半导体衬底由硅构成且介电层由氮化物构成。

优选的是，介电层由氧化物构成。

优选的是，在介电层中形成多个开口，以及其中导电接触层沉积到多个开口中。

优选的是，通过激光消融、掩模或化学蚀刻在介电层中形成多个开口。

优选的是，多个开口的形式选自孔、窄线及其组合构成的组。

优选的是，图案化包括对半导体衬底施加化学蚀刻剂，其中化学蚀刻剂将导电接触层的暴露部分从半导体衬底上除去。

优选的是，本发明的方法还包括：

在除去导电接触层的暴露部分之后对电极结构进行热处理。

优选的是，在大约200℃到大约1000℃的温度下进行热处理。

优选的是，在热处理之后，通过从半导体衬底上除去导电接触层的暴露部分对导电接触层进行图案化。

优选的是，沉积含金属墨水包括在导电接触层上丝网印刷、挤压移印、喷射印刷或分配含金属墨水。

优选的是，在半导体衬底上沉积导电接触层包括溅射、化学汽相沉积、蒸发、喷涂、旋涂或喷射印刷。

优选的是，导电接触层由金属构成。

优选的是，金属选自Ni、Co、Ti、Mo、Ta和W构成的组。

优选的是，本发明的方法还包括：

在导电接触层和半导体衬底之间的界面形成金属硅化物层，其中在半导体衬底的热处理过程中或之后形成金属硅化物层。

优选的是，含金属墨水包括聚合物粘合剂(polymer binder)。

优选的是，聚合物粘结剂选自纤维素、丙烯酸脂及其混合物。

优选的是，半导体衬底、载流烧结金属网格线和图案化的导电层形成具有低接触电池的太阳能电池。

优选的是，图案化后的导电层的厚度为大约5nm到大约1000nm。

优选的是，金属化接触结构和半导体衬底之间的接触电阻率为大约10^-8ohm·cm²到大约10^-2ohm·cm²。

优选的是，图案化的导电层由金属构成，其中金属选自由Ni、Co、Ti、Mo、Ta和W构成的组。

优选的是，要被图案化的层是由金属构成的导电层。

优选的是，通过除去层的暴露部分对层进行图案化还包括对衬底施加化学蚀刻剂，其中化学蚀刻剂从衬底上除去层的暴露部分。

优选的是，第一层功能性材料是由金属构成的导电层。

优选的是，第二功能性材料是含金属墨水。

优选的是，沉积含金属墨水还包括在该要被图案化的层上丝网印刷、挤压、移印(pad printing)喷射印刷或分配含金属墨水。

优选的是，本发明的方法还包括：

在除去第一层功能性材料的暴露部分之后对第一层功能性材料和第二层功能性材料进行热处理。

附图说明

图1示出了用于形成多层电极结构的方法。

图2示出了用于形成多层电极结构的处理系统。

图3示出了描述用于在半导体衬底中形成接触开口的基于激光的图案化装置的俯视图。

图4示出了Ni导电层原位沉积在硅上时以及在500℃空气中烧制Ag/Ni之后的I-V曲线图。

图5示出了其中形成有孔的介电层的顶面的俯视图。

图6示出了其中形成有窄线的介电层的顶面的俯视图。

图7示出了其中形成有孔和窄线的组合的介电层的顶面的俯视图。

具体实施方式

本公开内容基本上涉及金属化接触结构和形成用于硅光电电池(silicon photovoltaic cell)(硅太阳能电池)的多层电极结构的方法。金属化接触结构和用于形成多层电极结构的方法可以具有沉积在半导体衬底上的图案化的导电接触层。接触开口可以通过非接触图案化装置形成在半导体衬底中并且可以填充有沉积的导电接触层。含金属墨水可以沉积在导电接触层上并且与半导体衬底中形成的接触开口对齐。导电接触层的未暴露部分可以被沉积在其上的含金属墨水保护性地掩盖。可以通过从半导体衬底上除去导电接触层的暴露部分对导电接触层进行图案化。可以对导电接触层的未暴露部分和含金属墨水进行热处理形成发射层、可选的金属硅化物层和低接触电阻金属层。而且，含金属墨水的热处理可以在半导体衬底上形成载流烧结金属网格线。

现在参考作为这里的实施例结构和方法的示意性说明的附图，其中相同的附图标记表示相同的部分，本公开内容涉及形成用于硅太阳能电池的多层电极结构12的方法10，如图1所示。在图2中给出了处理该方法10的每个步骤的处理系统200(此后称为“系统200”)。应当理解图2中的处理系统200是用于实现方法10的示例性实施例，并不是将该方法10限制到系统200的具体实施方案中。

可以如图1和图2中的步骤100所示提供半导体衬底14。半导体衬底14可以具有沉积在半导体衬底14的顶侧15上的介电层16。介电层16可以部分地或者基本上覆盖半导体衬底14的顶侧15。介电层的厚度可以在大约5nm到大约500nm的范围，或者大约20nm到200nm的范围，或者大约50nm到150nm的范围。半导体衬底14可以包括位于介电层16下面的至少一个n⁺发射层或区域(图中未示出)。

半导体衬底14可以通过衬底装载机构204装载到系统200的传送机构202上，形成如图2所示的硅太阳能电池。系统200可以包括任选的传送机构202(此后称为“传送机构202”)、衬底装载机构204、非接触图案化装置208、导电接触层沉积装置210、含金属墨水沉积装置212、导电接触层除去装置214、和/或任选的衬底卸载机构216(此后称为“衬底卸载机构216”)。衬底装载机构204和衬底卸载机构216可以以本领域技术人员公知的方式工作，因此这里不进行额外的详细描述。

通过衬底装载机构204将半导体衬底14传送给传送机构202之前，可以在半导体的顶侧15上预先形成介电层16。另外，半导体衬底14可以已经进行了处理，包括一个或多个掺杂扩散区域，例如n⁺发射层或区域。传送机构202可以具有如图2中所示的传送机206。传送机构202的传送机206可以具有面朝上的传送带部分，可以接收半导体衬底14并且可以将半导体衬底14传送给非接触图案化装置208、导电层沉积装置210、含金属墨水沉积装置212、导电层除去装置214和/或衬底卸载机构216。该非接触图案化装置208、导电层沉积装置210、含金属墨水沉积装置212、导电层除去装置214和衬底卸载机构216可以沿着传送机206的传送方向顺序地设置，例如从图2的左边到图2的右边。

实施方案中，半导体衬底14可以由半导体材料，例如硅等形成。在实施方案中，半导体衬底14的介电层16的合适的介电材料可以包括氧化物如SiO₂或TiO₂、或者氮化物如氮化硅、或者氮氧化硅。

传送机构202的传送机206可以将半导体衬底14从衬底装载机构204传送给非接触图案化装置208。可以在半导体衬底14上和/或半导体衬底14的介电层16中形成一个或多个接触开口18(此后称为“一个或多个开口18”)，如图1中步骤110中所示。

在实施方案中，形成在介电层16上的一个或多个接触开口18可以是如图5中所示的至少一个或多个孔500、如图6所示的至少一个或多个线502、如图7所示的至少一个或多个孔500和至少一个或多个线502的组合或其他形状(图中未示出)。在实施方案中，至少一个或多个孔500中的每一个均具有相类似的形状、宽度和/或直径。至少一个或多个孔500中的每个孔的直径可以在大约1μm到大约200μm的范围、大约5μm到大约100μm的范围或者大约10μm到大约50μm的范围。至少一个或多个孔500中的每个孔的间距(pitch)为大约0.01mm到大约2mm、大约0.1mm到大约1mm或者大约0.2mm到大约0.5mm。

在实施方案中，至少一个或多个线502可以是介电层16中的凹槽(groove)或者沟槽(trench)。多个线502中的每个线的宽度可以在大约1μm到大约200μm的范围、大约5μm到大约100μm的范围或者大约10μm到大约50μm的范围。在实施方案中，一个或多个接触开口18中的每一个可以包括具有除了孔和/或窄线之外其他几何形状的周边。

一个或多个开口18可以是用于在半导体衬底14上面沉积的载流烧结金属网格线的打底(underlying)网格线。可以通过非接触图案化装置208穿过介电层16形成一个或多个开口18，以暴露出半导体衬底14的掺杂部分并且使半导体衬底14的顶侧15开口，如图1和图2的步骤110所示。

在实施方案中，非接触图案化装置208可以是基于激光的消融(ablation)装置，能够产生足够能量的激光脉冲LP以消融(除去)部分介电层16形成暴露半导体衬底14的顶侧15的一个或多个开口18，而在金属化之前不需要进行清洗或者其他处理。使用激光消融的一个好处就是在进行消融之后不需要对半导体衬底14冲洗和干燥。冲洗和干燥步骤的避免能够快速且连续处理一个或多个开口18，接着金属化。可替换地，非接触图案化装置208可以是在介电层16中形成一个或多个开口18的粒束产生装置，例如离子铣削(ion milling)装置。

在实施方案中，非接触图案化装置208可以包括如图3中所示的扫描型激光装置300(激光装置300)，其中激光器310产生的激光脉冲LP可以经由光束调节光学装置引导到旋转镜330上，然后通过适当的扫描透镜340，使得激光脉冲LP形成介电层16上的预定扫描图案。激光装置300可以与用于在静电印刷机的感光器上写入静电图像的那些装置相类似。这种激光处理工具的处理能力可以是大约每秒一个衬底，其印刷速度与低中等范围的激光印刷机相当。一个或多个开口18的光点直径(spot size)或平均直径确定了每个消融的接触开口317的大小。该大小典型地在直径为大约5微米到大约50微米的范围。

在实施方案中，激光器310是在近似大约100KHz的脉冲重复速率下工作的Coherent Inc.model AVIA 266-300 Q-switched Nd-YAG。消融介电层的表面需要的能流(fluence)在近似大约1焦耳/cm²。该激光器310的脉冲长度为近似几十纳秒。波长可以为近似大约266nm。这种激光器的短脉冲和波长确保能量沉积在该表面附近并且半导体衬底14中的任何融化都是短暂的。这将使半导体衬底14的扩散区域的掺杂轮廓的任何变化最小化。266nm光子的能量是大约4.66电子伏特。虽然介电层16的带隙在很宽的范围内变化，但是这个光子能量可以与最透明形式的氮化硅的带隙相当。这些高能量光子被吸收在表面钝化层中和/或下面的半导体衬底的最上面纳米范围处。轻掺杂的发射极将具有大约200nm的磷扩散深度，近似大约100欧姆的表面电阻(sheetresistance)和物理表面掺杂剂的非简并能级。半导体衬底14的材料可以是使在介电层16的钝化表面的下面熔融形成的半导体衬底14快速淬火(quench)的良好热导体。实施方案中，工艺条件的适当控制可以除去氮化硅钝化层，而不会显著改变下面硅层的厚度或掺杂轮廓。

在实施方案中，激光装置300包括飞秒激光器。使用飞秒激光器的一个好处就是能够在比该材料达到热平衡所需要的时间快的期限(timeframe)内堆积(deposit)激光能量。因此能够消融钝化材料，而只有较少的碎片。

在实施方案中，还可以使用其他接触或非接触图案化装置或方法形成一个或多个开口18，并且如之前所述，可以不使用处理系统200或者不在传送机206上进行这些图案化工艺。例如，可以使用喷墨印刷、丝网印刷、压印或其他印刷方法，通过在半导体衬底14的介电层16上直接印刷蚀刻剂材料由化学蚀刻来形成一个或多个开口18。可替换地，还可以通过在半导体衬底14的介电层16上直接印刷蚀刻保护掩模，然后将衬底放到蚀刻液中进行化学蚀刻。还可以通过旋涂、喷涂或蒸发保护层形成蚀刻保护掩模，接着对该保护层进行图案化。

如图2中所示，传送机构202的传送机206可以将具有一个或多个开口18的半导体衬底14从非接触图案化装置208传送到导电接触层沉积装置210。如图1中步骤120中所示，通过导电接触层沉积装置210可以在半导体衬底14上和半导体衬底14顶面15上的介电层16上沉积导电接触层20。导电接触层120的厚度可以在大约1nm到大约2,000nm的范围、大约5nm到1000nm的范围或者大约20nm到大约200nm的范围。

导电接触层沉积装置210可以在介电层16上和半导体衬底14上沉积导电接触层20。如图1中所示，导电接触层20可以沉积和/或可以填充在介电层16中的一个或多开口18中。导电接触层20可以穿过一个或多个开口18覆盖或者基本上覆盖半导体衬底14的顶面15。在实施方案中，导电接触层20可以基本均匀地和/或一致地沉积在半导体衬底14和介电层16的顶面15上。

导电接触层20可以是例如具有低接触电阻且/或牢固地粘附在半导体衬底14上和/或半导体衬底14中的n⁺发射层上的薄金属层。在实施方案中，导电层20可以由导电金属材料例如镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)等形成。导电接触层沉积装置210可以通过沉积方法如溅射、蒸发、化学汽相沉积、喷涂、旋涂、和/或喷墨印刷在半导体衬底14上沉积导电接触层20。通过导电接触层沉积装置210喷涂、旋涂和喷墨，适于导电接触层20的材料可以包括金属有机墨水或纳米颗粒墨水。也可以不使用如图2中所示的系统200或传送机206进行导电接触层20的沉积。

术语“纳米颗粒”指例如平均颗粒大小为大约1nm到大约500nm。例如，纳米颗粒墨水的颗粒可以具有大约1nm到大约250nm、大约5nm到大约150nm或者大约10nm到大约100nm的平均颗粒大小。

如图2中所示，传送机构202的传送机206可以将具有导电接触层20的半导体衬底14从导电接触层沉积装置210传送到含金属墨水沉积装置212。如图1中步骤130所示，通过含金属墨水沉积装置212可以将含金属墨水22沉积到导电接触层20上。含金属墨水沉积装置212可以将含金属墨水22沉积到位于介电层16中的一个或多个开口18上方的导电接触层20上，使得含金属墨水22可以与介电层16中形成的一个或多个开口18对齐和/或对准。结果，含金属墨水22可以沉积到导电接触层20上并且可以在导电接触层20上和介电层16中的一个或多个开口18上形成含金属墨水网格线。而且，可以对半导体衬底14上的含金属墨水22进行热处理以形成与介电层16中的一个或多个开口18对齐或对准的烧结金属网格线。

如图1中步骤130所示，含金属墨水22可以沉积到导电接触层20中位于介电层16中的一个或多个开口18上方的未暴露部分上。结果，导电接触层20的未暴露部分可以被含金属墨水22遮掩或者保护。导电接触层20中的未暴露部分可以位于含金属墨水22和半导体衬底14之间。含金属墨水22没有沉积到导电接触层20的暴露部分上。结果，导电接触层20的暴露部分没有被含金属墨水22覆盖或者遮掩。

导电接触层20的暴露部分可以与一个或多个未暴露部分和/或含金属墨水22相邻。而且，导电接触层20的暴露部分可以位于导电接触层20中多于一个的未暴露部分之间。而且，导电接触层20中未暴露的部分和含金属墨水22可以形成网格线用于硅太阳能电池的多层电极结构12。

因此含金属墨水22在导电接触层20的未暴露部分上的沉积可以形成高导电载流金属线，该高导电载流金属线通过由介电层16中的一个或多个开口18和导电接触层20的未暴露部分形成的低电阻接触部分与底层的半导体衬底14耦合。位于含金属墨水22下面的导电接触层20的未暴露部分可以形成防止含金属墨水22扩散到半导体衬底14中的阻挡层。

含金属墨水沉积装置212可以包括丝网印刷型装置、挤压型分配装置、压印装置、喷墨印刷装置等，用于在导电接触层20上沉积含金属墨水22。通过含金属墨水沉积装置212沉积含金属墨水22可以在导电接触层20上和介电层16中的一个或多个开口18上方精确地布置金属化22。沉积后的含金属墨水22的厚度可以在大约0.1μm到大约1000μm的范围、大约5μm到大约500μm的范围或大约10μm到大约100μm的范围。

可以使用丝网印刷型装置在导电接触层20的未暴露部分上沉积含金属墨水22。丝网印刷型装置可以提供高度准确且有效的机构用于在半导体衬底14上沉积含金属墨水22。通过可以在导电接触层20上准确地沉积含金属墨水22，丝网印刷型装置还可以相对于传统方法提供一个好处，使得含金属墨水22与介电层20中的一个或多个开口18对齐或对准。

在实施方案中，含金属墨水沉积装置212可以包括挤压型分配装置，以在导电接触层20上沉积含金属墨水22。结果，含金属墨水22可以形成前表面接触电池型器件的网格线，其包括由共同挤压的透明材料支撑在每侧上的高形态(aspect)挤压金属线。

含金属墨水22可以包括溶剂中的聚合物粘结剂(binder)树脂或有机介质、金属颗粒(或粉末)或薄片(flake)和任选的玻璃粉。用于金属颗粒或薄片的材料可以是例如银、锡、镍、铜或其他金属材料。在实施方案中，含金属墨水被干燥并且聚合物粘结剂树脂可以使干燥的含金属墨水化学地抵抗(resistant)用于从半导体衬底14上除去导电接触层20的暴露部分的化学蚀刻剂。适合于该功能性材料的聚合物材料包括纤维素聚合物，例如乙基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯(此后称为“PMMA”)、木松香、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸酯等。含金属墨水22可以具有重量百分比为大约5％到大约98％、大约20％到大约90％或大约50％到大约80％的金属颗粒或薄片。

含金属墨水沉积装置212可以包括喷墨型分配装置以将含金属墨水22直接印刷到导电接触层20上。当通过喷墨型分配装置直接印刷在导电接触层20上时，含金属墨水22可以是墨水中悬浮有金属纳米颗粒的纳米相金属墨水。可替换地，含金属墨水22可以是具有一种或多种有机金属化合物溶液的金属有机墨水。

含金属墨水22可以在导电接触层20上沉积成图案。经过图案化的含金属墨水22可以用作电镀其他金属颗粒以为硅太阳能电池形成大量金属网格线的种籽。例如，可以将具有一种或多种有机金属化合物的薄层含金属墨水22喷墨印刷到导电层20上并且需要在薄层含金属墨水22上累积其他金属颗粒以形成载流金属网格线。这样，沉积的含金属墨水可以薄至大约1nm。

传送机构202的传送机206可以将具有导电接触层20和含金属墨水22的半导体衬底14从含金属墨水沉积装置212传送到导电接触层除去装置214，如图2中所示。导电接触层除去装置214可以对夹在半导体衬底14和含金属墨水22之间的导电接触层20图案化。可以通过从半导体衬底14上除去导电接触层20的暴露部分，对导电接触层进行图案化，如图1中步骤140所示。

作为一种图案化的方法，通过导电接触层除去装置214可以使半导体衬底14暴露于化学蚀刻剂。半导体衬底14可以暴露于化学蚀刻剂，从而除去导电接触层20中的暴露部分对导电接触层20图案化。化学蚀刻剂可以与导电接触层20的暴露部分化学地反应和/或溶解导电接触层20的暴露部分，并且从半导体衬底14上除去导电接触层20的暴露部分以对导电接触层20图案化。

可以持续使半导体衬底14暴露于化学蚀刻剂一段时间，例如大约0.5秒到大约30分钟。理想地化学蚀刻剂没有损伤含金属墨水22和/或被含金属墨水22掩盖或保护的导电接触层20的未暴露部分。

在实施方案中，适合于除去导电接触层20的暴露部分的化学蚀刻剂可以包括氯化铁蚀刻溶液、氢氟酸、硝酸、磷酸等。而且，不必使用系统200或传送机206对半导体衬底14上的导电接触层20图案化。

传送结构202的传送机206可以将具有导电接触层20的未暴露部分和含金属墨水22的半导体衬底14从导电层除去装置216传送到衬底卸载机构216。根据下面的描述，在含金属墨水沉积装置212和导电层除去装置214的处理完成之后，衬底卸载机构216可以将半导体衬底14从传送机206移走。

为了半导体衬底14接下来的热处理，可以将半导体衬底14从衬底卸载机构216运送到热处理系统218。可以通过在大约200℃到大约1,000℃、大约400℃到大约900℃或者大约500℃到大约850℃的温度下烧制(fire)来对半导体衬底14进行热处理，由此由含金属墨水得到金属颗粒的烧结体结构。在热处理过程中含金属墨水22中的溶剂会蒸发掉或分解。

此处金属颗粒的烧结体结构不同于电镀得到的结构。在电镀中，金属从分子水平(molecular lever)累积。然而，在烧结体结构中，含金属墨水22中的金属颗粒在半导体衬底14的热处理过程中不会熔融并形成液体。在热处理过程中含金属墨水22中的金属颗粒之间发生固态相互作用。含金属墨水22中的金属颗粒烧结并且彼此结合形成密实的金属结构，例如载流金属结构。结果，在热处理系统218中半导体衬底14的热处理之后，含金属墨水22可以在导电接触层20上形成载流烧结金属网格线。

热处理系统218可以对半导体衬底14进行热处理，形成具有载流烧结金属网格线、导电接触层20和半导体衬底14的多层电极结构12。结果，可以形成薄导体/半导体层和/或发射层。当使用金属如镍、钴、钛、钽、钨或钼作为导电接触层20时，在热处理过程中或者之后，可以在导电接触层20和半导体衬底14之间的界面处形成任选的金属硅化物层，例如硅化镍层。

通过半导体衬底14的热处理形成的包括载流烧结金属网格线的多层电极结构12可以降低半导体衬底14和载流烧结金属网格线之间的接触电阻和接触面积。结果，半导体衬底14的含金属墨水/导电层多层电极结构12可以使包括多层电极结构12的硅太阳能电池的绝对效率增加大约0.5％到大约3％，这导致对硅太阳能电池来说相对改善大约4％到大约20％。

与传统硅太阳能电池的接触面积相比，多层电极结构12和半导体衬底14的接触面积可以减少到大约50到大约400分之一。减少了的接触面积可以降低半导体衬底14和导电接触层20和/或含金属墨水22之间的复合(recombination)。多层电极结构12可以包括轻掺杂发射层的使用，并且结果能够改善蓝色响应和光吸收。所有这些改善导致增加的效率。而且，多层电极结构12和半导体衬底14之间的接触电阻率可以形成为小于大约10^-1ohm·cm²到大约10^-8ohm·cm²、小于大约10^-2ohm·cm²到大约10^-8ohm·cm²或小于大约10^-4ohm·cm²到大约10^-8ohm·cm²。

在实施方案中，也可以使用方法10制作多层电极结构用于背面接触太阳能电池。即，如果在半导体衬底14的背面上制造一个或多个p区域和/或一个或多个n区域，则方法10可以应用于半导体衬底14的背面以为半导体衬底14制造背面电极。另外，在蚀刻后可以使用溶液例如丙酮除去沉积的含金属墨水22。结果，沉积的含金属墨水22通常被看做是导电接触层20的未暴露部分的保护掩模，或者在通过导电层除去装置214除去导电接触层20的暴露部分的过程中甚至是非导电的。

正如上面所描述的，可以在热处理之前对导电接触层图案化。可替换地，也可以在热处理之后进行导电接触层的图案化。

这里公开的多层电极结构和形成多层电极结构的方法可以用于形成除了太阳能电池之外的其他多层电极结构。它们也可以用于需要低接触电阻和高载流电极的任何电气或电子装置。

这里公开的方法还可以用于形成包括如下结构的任何功能性结构或器件：包括沉积在下面第一功能层材料的一部分上的第二层功能材料和/或可以用作保护掩模图案化第一功能材料并且变成最终功能结构的一部分的第二层功能材料。

提出下面的实例对本发明公开的实施方案进行说明。

实例1

硅半导体衬底具有其上形成有氮化物介电层的顶面。在氮化物介电层中形成多个孔。多个孔中的每一个孔具有大约20μm的直径和大约0.25mm的间距(pitch)。在氮化物介电层上沉积Ni导电接触层并且进入到氮化物介电层中形成的多个孔中。Ni导电接触层具有大约100nm的厚度。

通过丝网印刷在Ni导电接触层上沉积含Ag金属墨水并且使含Ag金属墨水与氮化物介电层中形成的多个孔对齐或对准。Ni导电接触层的未暴露部分夹在硅半导体衬底和含Ag金属墨水之间。Ni导电接触层的暴露部分位于多个孔和/或含Ag金属墨水之间。通过从硅半导体衬底上除去Ni导电接触层的暴露部分，对Ni导电接触层图案化。

将硅半导体衬底浸渍在FeCl₃溶液中并且将Ni导电接触层的暴露部分从硅半导体衬底上蚀刻掉。Ni导电接触层的未暴露部分和硅衬底上的含Ag金属墨水形成硅衬底上的Ag网格线。通过在大约500℃的温度下烧制对硅衬底进行热处理，形成具有载流烧结体Ag网格线的Ag/Ni多层电极结构。

Ag/Ni多层电极对于长度为大约25.4mm的线段(line)来说具有大约小于0.03欧姆的接触电阻。而且，Ag/Ni多层电极对于长度为大约121mm的标准线段(line)来说具有大约小于0.0063欧姆的接触电阻。这可与标准丝网印刷Ag网格线的接触电阻大约0.0055ohm相媲美，但是实例1的Ag/Ni多层电极结构的接触面积是标准丝网印刷Ag网格线的百分之一还小。

实例2

根据实施例1的Ag/Ni多层电极的制备方法来制备实例2的Ag/Ni多层电极，只是在氮化物介电层中没有孔或开口。实例2的Ag/Ni多层电极在Ag/Ni多层电极和硅半导体衬底之间没有显示出欧姆接触，对于长度大约为25.4mm的线段来说接触电阻约大于15Ω。相比较，实例1和2之间的结果显示出Ni导电接触层形成了有效阻挡层，用于防止含Ag金属墨水扩散到硅半导体衬底和/或氮化物介电层中。

实例3

通过溅射在硅半导体衬底上沉积Ni导电接触层，该半导体衬底为常规的电阻率为大约0.5Ω·cm的轻掺杂的硅晶片。在Ni导电接触层的未暴露部分上沉积含Ag金属墨水并且与硅半导体衬底的介电层中形成的孔对齐。通过用FeCl₃溶液将Ni导电接触层的暴露部分从硅半导体衬底上蚀刻掉来除去Ni导电接触层的暴露部分，对Ni导电接触层进行图案化。通过在空气中大约500℃的温度下烧制对具有Ni导电接触层和含Ag金属墨水的硅半导体衬底进行热处理，形成Ag/Ni多层电极和载流烧结Ag网格线。

Ag/Ni多层电极形成肖特基势垒并且没有形成欧姆接触。通过形成肖特基势垒，可以由Ag/Ni多层电极的I-V曲线计算肖特基势垒高度，从而确定硅半导体衬底和Ag/Ni多层电极的界面特性。图4示出了与硅半导体衬底上的Ni导电接触层相关的I-V曲线，该硅半导体衬底由(通过溅射)原位沉积(as deposited)并且在大约500℃下烧结的含Ag金属墨水覆盖。

如图4所示，I-V曲线没有显示出原位沉积Ni的条件(施加含Ag金属墨水之前)和通过在大约500℃下烧制(接着形成载流烧结金属网格线)对Ag/Ni多层电极进行热处理之后之间的实质性区别。而且，原位沉积的Ni导电接触层和在烧制Ag/Ni多层电极并形成载流烧结金属网格线之后的实例势垒高度为分别大约0.58eV和大约0.60eV。Ni导电接触层和硅半导体衬底的常规势垒高度为大约0.61eV并且在镍硅化物层和硅之间为大约0.67eV。

例子中的势垒高度和传统势垒高度的对比证实了在空气中烧制Ag/Ni多层电极没有因为降解(degradation)(例如在退火Ni导电层时发生的氧化Ni导电层)而破坏Ni或Ni硅化物和硅之间的界面。而且，在空气中烧制Ag/Ni多层电极之后，例子中的势垒高度会略微增加并且显示Ag/Ni多层电极和硅半导体衬底之间硅化镍的形成。而且，含Ag金属墨水可以为Ni导电层提供保护，因为含Ag金属墨水可以保护底层的Ni导电接触层并且含Ag金属墨水中的有机物分解会产生局部还原或惰性氛围。因此，可以在空气中烧制Ni导电接触层和含Ag金属墨水，而不改变Ni导电接触层或硅化镍/硅界面。结果，Ni导电接触层可以用作硅太阳能电池的接触材料，同时为Ag/Ni多层电极保持降低的接触电阻。

Claims (5)

1.一种在太阳能电池上形成多层电极结构的方法，该方法包括：

在半导体衬底上沉积导电接触层；

在导电接触层的一部分上沉积含金属墨水，其中导电接触层的暴露部分与含金属墨水相邻；以及

通过从半导体衬底上除去导电接触层的暴露部分，对导电接触层进行图案化。

2.一种用于在太阳能电池上形成多层电极结构的方法，该方法包括：

提供具有介电层的半导体衬底，其中在半导体衬底的介电层中形成多个开口；

在半导体衬底上沉积导电接触层，其中导电接触层沉积在多个开口中；

在导电接触层的一部分上沉积含金属墨水，其中含金属墨水与多个开口对齐；

对半导体衬底施加化学蚀刻剂以除去导电接触层的暴露部分并且对导电接触层图案化；以及

在除去导电接触层的暴露部分之后对电极结构进行热处理。

3.一种半导体衬底上的金属化接触结构，包括：

经过图案化的介电层，包括到半导体衬底的一个或多个开口；

通过含金属墨水的热处理形成的载流烧结金属网格线，其中载流烧结金属网格线与一个或多个开口对齐；以及

夹在载流烧结金属网格线和经过图案化的介电层之间的经过图案化的导电接触层，使得导电接触层图案与载流烧结金属网格线对齐。

4.一种对层进行图案化的方法，包括：

在衬底上沉积层；

在该层的一部分上沉积含金属墨水，其中该层的暴露部分与含金属墨水相邻；

通过使用沉积的含金属墨水作为保护掩模从衬底上除去该层的暴露部分，对该层进行图案化；以及

除去含金属墨水。

5.一种形成功能性结构的方法，包括：

在衬底上沉积第一层功能性材料；

在第一层功能性材料的一部分上沉积第二层功能性材料，其中第一层功能性材料的暴露部分与第二层功能性材料相邻；

通过使用沉积的第二层功能性材料作为保护掩模，从衬底上除去第一层功能性材料的暴露部分，来对第一层功能性材料进行图案化；以及

使第二层功能性材料保留在衬底上并且变成功能性结构的部分。

Images