CN101878519B - 形成硅太阳能电池的背面点接触结构的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了处理例如硅太阳能电池的衬底的方法。在一实施例中，提供了用于形成到硅太阳能电池的背面的点接触的方法，该方法包括：用掩模层和激光吸收层涂覆该表面，将激光辐射射向该表面以在该表面中形成开口，随后通过这些开口施加掺杂物质以及施加接触。所述掺杂优选由等离子体浸没离子注入来进行。

Description

形成硅太阳能电池的背面点接触结构的方法
技术领域
本发明的实施例大体上涉及一种衬底处理，具体而言，涉及一种在硅太阳能电池上形成点接触的方法。
背景技术
已利用诸如丝网印刷的现有技术在太阳能电池背面上形成接触。在丝网印刷技术中，通过丝网将铝膏等印刷到硅衬底的整个背面，随后在例如700℃至800℃的高温步骤中形成电接触。
众所周知，由单晶硅或微晶硅形成的效率最高的硅太阳能电池被形成为具有在电池的背面的点接触结构，而不是在整个表面上的覆盖式接触。形成点接触的现有技术利用了光刻。涂覆诸如二氧化硅的钝化电介质层到衬底表面，接着利用光刻图案化该电介质层，以在该电介质层中提供开口。除去用于光刻处理的材料后，例如通过汽相沉积所需的金属来获得背面接触。这种光刻技术是比较昂贵的技术，并且被认为对于太阳能电池的大规模生产不够理想。
利用光刻的另一种具体体现是，通过各种已知工艺在接触之中的局部高掺杂水平的应用。在掺杂之后，掺杂物质扩散，形成所需的高掺杂区。接着可例如通过汽相沉积所需的金属来形成金属接触。
在现有技术中采用的再一工艺是，在硅晶片或衬底的整个背面涂覆诸如二氧化硅的钝化电介质涂覆层。随后，在整个表面涂覆铝层，发射激光以使铝穿过电介质熔合到半导体中。随后加热衬底至400℃或更高，以扩散铝并提供与激光损伤分离的电接触区。
现有技术中采用的又一工艺是，在硅衬底的整个背面提供诸如二氧化硅的钝化电介质掩模层。随后利用激光束在二氧化硅掩模层中烧蚀开口，以图案化二氧化硅掩模层。在掩模或钝化层的图案化之后，通过掩模层中的开口扩散接触。大多数的电介质掩模层在可见光范围内是透明的，这迫使利用UV激光进行烧蚀，以在掩模层中获得足够的吸收。然而，UV激光的使用是不理想的，这是因为UV激光具有相对低的功率，而强的UV光导致光学性能的退化，还可能对下层的硅衬底造成损害。
图1示出了说明现有技术中形成到硅太阳能电池的后面或背面的点接触所采用的步骤的流程图。如本领域众所周知的，正面和背面都应涂覆有钝化层，以提供高性能的太阳能电池。然而，还必须形成点接触掺杂层。因此，如步骤10所示，现有技术工艺中的第一步骤应为：在太阳能电池的背面沉积钝化层。为了形成到太阳能电池衬底的背面的点接触而进行的如步骤10所示的步骤是公知的。
众所周知，为了形成到太阳能电池的背面的点接触，必须如步骤12所示图案化掩模层。该图案化提供了穿过掩模层的开口。因此，举例来说，诸如二氧化硅的层应当是阻止诸如硼的掺杂原子扩散至P型硅衬底的掩模，通过由图案化形成的开口的掺杂原子的扩散除外，该图案化可以通过任何现有技术中公知的技术来完成，例如使用光刻胶、激光烧蚀等等。随后，如步骤14所示，通过层中形成的图案化的开口扩散硼掺杂原子。硼原子的扩散在P型硅衬底中由图案化提供了开口的区域提供掺杂的P型区。随后，如步骤16所示，从硅晶片或衬底的背面剥离掩模层。在剥离掩模之后，如步骤18所示，沉积钝化层。在如步骤18所示沉积钝化层之后，进行对齐的图案化步骤，以在再沉积的钝化层中再次提供开口，再次提供的开口与如步骤14所示的硼扩散时形成的掺杂区对齐。在如步骤20所示进行对齐的图案化之后，如步骤22所示，给掺杂的P型区施加金属接触。如对于本领域普通技术人员而言是显而易见的，根据典型的现有技术工艺，为了提供背面的点接触，需要多个步骤。
因此，希望能够提供一种工艺，该工艺可以省去使用丝网印刷或光刻的花费，并且能够利用对下层的硅不造成损害的激光烧蚀。
发明内容
一种形成到硅太阳能电池的背面的点接触的方法，包括：用掩模层和激光吸收层涂覆背面，将激光辐射射向该表面以在该表面中形成开口，随后通过这些开口施加适当的掺杂物质。
在一实施例中，提供了一种处理衬底的方法，包括：在衬底的表面上提供钝化层；在钝化层上提供吸收层；将激光能量射向吸收层的选定区域，以在吸收层和钝化层中形成开口；通过这些开口施加掺杂原子，以在硅衬底中提供掺杂区；以及形成到掺杂区的电接触。
在另一实施例中，提供了一种处理衬底的方法，包括：通过等离子体沉积工艺在衬底的表面上沉积电介质层；提供具有预定波长的激光能量源；在电介质层上沉积材料层，该材料层对该预定波长是不透明的；会聚激光能量到材料层的选定区域上，以在材料层和电介质层中形成开口；使衬底的表面经受包含掺杂离子的等离子体，以在硅衬底的表面中注入离子；将衬底退火以激活掺杂原子并在衬底中形成掺杂区；以及形成到这些掺杂区的电接触。
在另一实施例中，提供了一种处理衬底的方法，包括：在硅衬底的表面上提供钝化层；在钝化层的预先选定的区域中形成开口；通过这些开口同时施加p型和n型掺杂原子，以在硅衬底中提供掺杂区；以及形成到这些掺杂区的电接触。
附图说明
为了能够具体地理解本发明的上述特征的方式，将参看其中的一些在附图中示出的实施例对上文所简要概括的本发明进行更具体的描述。然而应当注意到，附图仅示出了本发明的典型实施例，由于本发明还允许其它等同效果的实施例，因此附图并不被认为是对发明范围的限制。
图1是表示在现有技术中通常采用来形成到硅太阳能电池的背面的点接触的步骤的流程图。
图2是用于说明本发明形成点接触的方法的流程图。
图3表示涂覆有钝化掩模层和吸收层的半导体衬底。
图4表示由激光烧蚀图案化的图3的衬底。
图5表示通过图案化的掩模进行扩散之后的图4的结构。
图6是图5结构的替代结构，示出了用于形成接触的重掺杂区的形成以及用于形成背面场的较轻掺杂区的形成。
图7表示类似于图3结构的结构。
图8表示用激光能量熔化结构来形成接触区之后的图7的结构。
图9表示掺杂区被施加有适当的金属接触的图8的结构。
具体实施方式
本发明提供一种对涂覆有至少一层电介质层或钝化层的表面进行电接触的改进的方法。该方法以克服了现有技术中出现的缺点的方式提供接触给太阳能电池的基层。在满足实现高效率的需求，同时利用当前可获得的设备与工艺流程的生产原则下，本发明的方法能够制造高效率的太阳能电池。
图2是用于说明本发明形成点接触的方法的流程图。如步骤30所示，在硅半导体衬底或晶片上沉积钝化掩模层。随后，如步骤32所示，图案化钝化掩模层以在层中提供开口，通过这些开口给硅半导体晶片或衬底施加掺杂原子，以形成用于实现背面点接触的掺杂区。
在完成了如步骤32所示的图案化之后，将掺杂原子注入到由步骤32的图案化所形成的开口中。尽管下面的讨论描述用硼作为掺杂原子，但是本发明设想了包括P型和N型掺杂原子的其它掺杂原子。适合的掺杂原子包括硼、砷、磷或其组合。例如，可以用硼或同时施加的砷与硼进行掺杂。
如步骤34所示利用等离子体浸没注入来完成掺杂。为了实现等离子体离子注入(P3i)，将上面有图案化的钝化掩模层的硅衬底放置在化学汽相沉积室中，最好放置在等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)室中。将含硼的气流、例如包含在氢载气中的乙硼烷提供到室中，给气体施加适当电能的电场以产生该气体的等离子体。偏压半导体衬底，以吸引等离子体中产生的离子撞击半导体衬底的表面。硼离子撞击到硅衬底的表面时，钝化层起到掩模的作用，而硼离子通过掩模中的开口沉积。持续等离子体直至供应了适当剂量的硼离子时为止，接着结束等离子体。随后，如步骤36所示，将上面包含有p3i硼离子的半导体衬底退火，以激活离子并将离子/原子扩散至半导体衬底，从而形成用于给硅太阳能电池的背面提供低阻点接触的掺杂的P型区。或者，可通过开口同时施加p型和n型的掺杂原子，以在硅衬底中形成掺杂区。
根据工艺的一个实施例，将涂覆到硅衬底背面的掩模层激光烧蚀，以形成所需的图案。若用例如1064nm Nd:YVO4激光的三次谐波的UV激光来烧蚀掩模层，则下层的硅可能出现损伤并且还可能出现光学性能的退化。而克服了这些问题的例如532nm(Nd:YVO4的二次谐波)的传统激光波长是不理想的，因为例如二氧化硅和氮化硅的传统掩模层是透明的，不吸收532nm激光。
在掩模层上方涂覆吸收层。吸收层可以包含非晶硅材料，可在沉积诸如二氧化硅层的掩模层之后，通过调整沉积气体、例如通过关闭来自二氧化硅沉积的氧气简单地形成这种非晶硅材料。或者，吸收层可以包括无定形碳材料。无定形碳可以均匀地且不依赖于图案地吸收激光。可以通过停止形成二氧化硅层的气流而用甲烷替代该气体来简单地形成无定形碳层。
图3表示涂覆有钝化掩模层和吸收层的半导体衬底。硅半导体衬底40包括诸如二氧化硅的钝化或掩模层42和沉积在钝化或掩模层42上的吸收层44。由于吸收层44的使用，可用大于360nm的可见光或红外线波长的传统激光来形成电介质掩模层42中的接触开口。可以利用PECVD室在氧气环境中用硅烷(SH4)的等离子体分解来沉积二氧化硅层。用其它前驱物可以有类似的工艺，但原理是相同的。若停止氧气的气流，则将在整个二氧化硅层上沉积非晶硅。因此，利用气流的简单变化，可以顺序地沉积两层。非晶硅对大于约0.68微米的波长是高吸收的。因此，非晶硅层在532nm波长处将具有高吸收力。如以上所指出的，直接通过关闭氧气和硅烷而用甲烷(CH4)替代，将获得碳的等离子体沉积。碳在可见光与IR波长的宽波段范围内具有高吸收力，再一次使具有532nm或1064nm波长的激光的利用成为可能。
图4表示由激光烧蚀而被图案化的图3的衬底。由46简要示出的激光束聚焦在吸收层44上。由于吸收层44的缘故，激光能量烧蚀了吸收层和钝化层42，从而在两层中产生开口，如48、50和52所示。
随后使具有例如开口48、50、52和正由激光束46形成的开口的开口的层经受掺杂原子源，以在P型衬底40中形成掺杂的P型区54、56、58和60，如图5所示。如上所述，可以通过扩散或利用P3i工艺来形成掺杂区54、56、58和60。如上文所指出的，如果利用P3i工艺通过开口48至52将硼原子离子注入到衬底40的表面，则必须将半导体衬底退火，以将原子扩散到衬底并使它们具有电活性。随后，施加电接触以在半导体衬底40的背面形成点接触。然而，若用扩散来掺杂衬底，则会在接触开口中形成薄膜，必须首先刻蚀该薄膜，以阻止沉积炉中掺杂气体和残留氧气之间的反应。用等离子体注入与退火则不会形成该薄膜。
根据本发明方法的一替代实施例，如参看图6所示出的，背面场可以与掺杂区同时形成。
如图6所示，通过如上文所述的激光烧蚀，在由P型硅形成的半导体衬底62中将形成开口64、66和68。通过使用P3i工艺，可利用氢载气中的乙硼烷(5％)和砷化氢(5％)将硼原子和砷原子两者离子注入到该半导体衬底。在注入与退火之后，将由砷原子形成如70所示的掺杂区，同时将由硼原子的扩散形成如72所示的背面场。
由于硼原子的原子质量(11)比砷原子(75)的小，而两者都以同样的能量水平被离子注入，于是硼原子运动通过掩模层并进入半导体衬底中，而砷原子被除开口之外的掩模层阻挡，所以可以产生硼的扩散。这两种不同的原子掺杂处理需要适当地选择钝化氧化物的厚度。例如，
Figure GPA00001142277500061
的氧化物将阻挡3kV的砷原子，而不能阻挡同样能量的硼原子。例如SRIMTM程序的建模程序可以作为提供此种计算的免费软件而获得。
在一替代实施例中，可以在具有第二掺杂类型的背面形成额外的接触。在此工艺中，沉积并以第一图案图案化第一组掩模和吸收层，以及如此处所述的那样用第一掺杂类型将暴露的衬底掺杂。随后除去第一组掩模和吸收层，接着沉积并以第二图案图案化第二组掩模和吸收层，以及如此处所述的那样用第二掺杂类型将暴露的衬底掺杂。例如，第一掺杂类型可以是硼，第二掺杂类型可以是砷。或者，第一掺杂类型可以是p型掺杂，第二掺杂类型可以是n型掺杂。第一和第二图案可以是相同的图案、重叠的图案或非重叠的图案。
在一替代实施例中，使掩模氧化物足够厚以阻挡硼和砷两种原子。然而，由于在二氧化硅中砷比硼扩散得慢，在活性退火之后，硼将在半导体中形成结，而砷将留在氧化物中，砷将处于电非活性。
图7、8和9表示形成掺杂区以提供到半导体衬底的背面的点接触的替代实施例。如图所示，衬底80包括如上文所述设置在上面的钝化层82，钝化层82上面是吸收层84。假设半导体衬底80是P型的，则如在本文中所描述的可以由等离子体形成钝化层82，同时钝化层82可以包括诸如砷或硼的掺杂元素。若暴露给这样的等离子体，则二氧化硅钝化层82将被掺杂至下层硅衬底80的固溶度之上。根据本发明的该实施例，提高如图8中86所示的激光功率，以熔化钝化层82和衬底80表面附近的硅，如88、90、92和94所示。随后在熔化区中混合掺杂物质，以形成较低掺杂的结，并使结的边缘离开熔化区的边缘处的损伤。这样就形成了理想的高/低结——接触为高掺杂而结为低掺杂。
如图9所示，随后给掺杂区施加金属接触96、98、100和102，以提供到半导体衬底80背面的低阻点接触。金属接触可以包括导电材料，例如镍等。
于是公开了形成到硅半导体太阳能电池的背面的低阻点接触的方法。
尽管前文所述涉及了本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以设计出本发明的其它或进一步的实施例，而本发明的范围由所附的权利要求来确定。

Claims (15)

1.一种处理衬底的方法，包括：
在衬底的表面上形成钝化层；
在所述钝化层上形成吸收层；
会聚激光能量到所述吸收层的选定区域上，以在所述吸收层和钝化层中形成开口；
通过所述开口施加掺杂原子，以在衬底中提供掺杂区；以及
形成到所述掺杂区的电接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸收层对所述激光能量的波长是不透明的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述激光能量的波长大于360nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述钝化层包括二氧化硅，所述衬底包括硅，所述吸收层包括非晶硅。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述钝化层包括二氧化硅，所述吸收层包括碳。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸收层是通过改变用于形成所述钝化层的组成成分而作为沉积顺序的一部分来形成的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述掺杂原子是硼、砷、磷或其组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述掺杂原子是同时施加的砷和硼。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述掺杂原子是利用等离子体浸没离子注入来施加的。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述激光能量的强度足以熔化所述钝化层、下层硅衬底的表面、或所述钝化层与所述下层硅衬底的表面两者。
11.一种处理衬底的方法，包括：
通过等离子体沉积工艺在衬底的表面上形成钝化层；
在所述钝化层上形成吸收层，其中所述吸收层对预定能量波长是不透明的；
将来自具有预定能量波长的激光能量源的激光能量会聚到所述吸收层的选定区域上，以在所述吸收层和所述钝化层中形成开口；
产生包含掺杂原子的等离子体，并在衬底的表面中注入所述掺杂原子；
将所述衬底退火以激活所述掺杂原子，并在所述衬底中形成掺杂区；以及
形成到所述掺杂区的电接触。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述钝化层是二氧化硅，所述衬底是硅，所述吸收层是非晶硅或碳。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述掺杂原子是硼、砷、磷或其组合。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述掺杂原子是同时施加的硼和砷。
15.一种处理衬底的方法，包括：
在衬底的表面上形成钝化层；
在所述钝化层上形成吸收层；
在所述钝化层和吸收层中在选定的区域处通过会聚激光能量到所述选定的区域上来形成开口；
通过所述开口同时施加p型和n型掺杂原子，以在所述衬底中形成掺杂区；以及
形成到所述掺杂区的电接触。
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