CN101933156A - 太阳能电池和制造该太阳能电池的方法 - Google Patents

太阳能电池和制造该太阳能电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能电池和制造该太阳能电池的方法。更具体地，本发明提供一种通过去除由用于隔离硅衬底的激光边缘隔离处理所形成的受损层并在其表面上覆盖保护层，能够将缺陷和电子-空穴复合减小到最少的硅太阳能电池和制造该硅太阳能电池的方法。

Description

太阳能电池和制造该太阳能电池的方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池和制造该太阳能电池的方法，更具体地，涉及通过去除由用于隔离硅衬底的激光边缘隔离处理所形成的受损层并在其表面上覆盖保护层，能够将缺陷和电子-空穴复合减小到最少的硅太阳能电池和制造该硅太阳能电池的方法。
背景技术
由于环境污染和资源枯竭等问题，迫切地需要发展无污染的清洁能源。因此，太阳能电池连同核能和风能受到了广泛的关注。基于硅(Si)单晶和多晶衬底的太阳能电池目前已经被研制出并且已经商业化，为了通过减少对原料的使用来制造出更廉价的太阳能电池，已经在积极地进行对非晶硅薄膜太阳能电池和薄膜型化合物半导体太阳能电池的研究。
太阳能电池是利用光电效应将光能转换为电能的器件。根据构成材料将这样的太阳能电池分类为：硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机聚合物太阳能电池等。这种太阳能电池被独立地用作电子钟、收音机、无人灯塔、人造卫星和火箭等的主电源和与商用交流电源连接的辅助电源。最近，由于对替代能源的需求增加，对太阳能电池的关注日益增长。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种硅太阳能电池，该硅太阳能电池通过对经受用于隔离衬底的正面和背面的激光边缘隔离处理的表面进行保护，能够将表面保护部分的电子-空穴复合和缺陷减少到最少。
本发明的另一目的是提供一种制造硅太阳能电池的方法，该方法通过在形成p-n结后进行激光边缘隔离处理并用保护层覆盖经边缘隔离处理的表面，能够将表面保护部分的电子-空穴复合和缺陷减少到最少。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能电池，该太阳能电池包括：第一导电类型的半导体衬底；第二导电类型的半导体层，其形成在所述衬底上并具有与所述第一导电类型相反的导电类型；至少一个凹槽，其穿透所述第二导电类型的半导体层，并达到所述第一导电类型的半导体衬底的预定深度；形成在所述凹槽上的保护层；第一电极，其与所述第二导电类型的半导体层电接触；以及第二电极，其形成在所述第一导电类型的半导体衬底上。
在本发明中，所述凹槽可以形成在所述太阳能电池的边缘。并且，在本发明中，所述凹槽可以为隔离所述第一导电类型的半导体衬底的正面和背面的边缘隔离区。
在本发明中，所述衬底的背面除了设置有所述第二电极还可以设置有背电场层。
在本发明中，所述第一导电类型的半导体衬底的表面可以具有不平坦结构。
在本发明中，所述第二导电类型的半导体层可以形成在所述半导体衬底的正面，并且所述第二电极形成在所述半导体衬底的背面。并且，在本发明中，所述第二导电类型的半导体层和所述第二电极可以形成在所述半导体层的背面。
在本发明中，在所述第二导电类型的半导体层上可以形成有抗反射层。该抗反射层可以由从硅氮化物(SiNx)、二氧化硅(SiO2)和本征非晶硅所构成的组中选择的一种或多种材料制成。抗反射层的厚度可以为10nm至900nm。并且，抗反射层可以由两层或更多层形成。
在本发明中，抗反射层可以由与所述保护层相同的材料制成。并且，抗反射层可以与所述保护层相连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：形成第一导电类型的半导体层；在第一导电类型的半导体衬底上形成第二导电类型的半导体层，所述第二导电类型的半导体层具有与所述第一导电类型相反的导电类型；进行边缘隔离，以隔离所述第一导电类型的半导体衬底的正面和背面；去除通过所述边缘隔离而形成的受损层；掩埋通过去除所述受损层而形成的凹槽，并形成施加在所述第二导电类型的半导体层上的抗反射层；以及形成与所述第二导电类型的半导体层和所述抗反射层的至少一部分接触的第一电极以及与所述衬底的背面的至少一部分接触的第二电极。
优选地，本发明的方法还包括：在形成所述第一和第二电极之前、期间或之后在所述衬底的背面上形成背电场层的步骤。
在本发明中，通过在所述第一导电类型的半导体衬底上掺杂第二导电类型的半导体杂质来执行形成所述第二导电类型的半导体层的步骤，其中所述第二导电类型的半导体杂质具有与所述第一导电类型相反的导电类型。
优选地，本发明的方法还包括：在形成所述第一和第二电极之前将所述第一导电类型的半导体衬底的表面纹理化的步骤。
优选地，本发明的方法还包括：在形成所述抗反射层之前，去除在形成所述第二导电类型的半导体层的过程中生成的绝缘层的步骤。
在本发明中，所述边缘隔离可以包括激光边缘隔离法、等离子体刻蚀法和刻蚀剂刻蚀法中的任意一种。
在本发明中，所述抗反射层可以由从硅氮化物(SiNx)、二氧化硅(SiO2)和本征非晶硅所构成的组中选择的一种或多种材料制成。并且，所述抗反射层的厚度可以为10nm至900nm。此外，所述抗反射层可以由两层或更多层形成。
在本发明中，形成所述第一电极的步骤可以包括如下步骤：在所述抗反射层上形成电极，对其进行热处理，使其接触到所述第二导电类型的半导体层上。
根据本发明，通过对经受了用于隔离衬底的正面和背面的边缘隔离处理的表面进行保护，将表面保护部分的电子-空穴复合和缺陷减少到最少，使得可以提高太阳能电池的效率。
此外，根据本发明，通过与现有技术的硅太阳能电池制造方法稍有差别的工艺来对经受了边缘隔离处理的表面进行保护，使得能够在工艺的复杂度没有明显提高和制造成本没有提高的情况下，提高太阳能电池的效率。
附图说明
通过下面结合附图对优选实施方式进行的描述，可以更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中：
图1为示意性地示出了根据本发明一个实施方式的硅太阳能电池的基本结构的剖视图；以及
图2至图8为用于解释根据本发明一个实施方式的硅太阳能电池制造工艺的过程图。
具体实施方式
下文中，用于本发明的部件的术语并不限于以上提及的术语，本领域技术人员可以容易地使用可替换的术语。
在根据本发明的一个实施方式的太阳能电池中，第一导电类型的半导体衬底并不受特别的限制，但优选地可以为p型硅衬底或n型硅衬底。
此外，第二导电类型的半导体层可以被称为第二导电类型的发射层。同时，由于第二导电类型的半导体层具有与第一导电类型的半导体衬底相反的导电类型，因此在p型硅衬底的情况下，第二导电类型的半导体层为n型半导体层或n型发射层，而在n型硅衬底的情况下，第二导电类型的半导体层为p型半导体层或p型发射层。
凹槽可以由沟限定，并可以表示穿透第二导电类型的半导体层并达到第一导电类型的半导体衬底的上部的预定深度的沟。当从太阳能电池的上方观察时，该凹槽可以形成为挖至预定深度的线。
在本发明中，可以通过用于将第一导电类型的半导体衬底的正面和背面进行隔离的边缘隔离处理来形成凹槽。
边缘隔离处理是本领域所公知的，并不受特别的限制。优选地，边缘隔离处理可以是激光隔离法、等离子体刻蚀法和刻蚀剂刻蚀法中的任意一种。
在本发明中，凹槽可以被形成为线型沟，并可以位于适于将第一导电类型的半导体衬底的正面和背面进行隔离的任何位置。优选地，凹槽可以形成在太阳能电池的边缘。
在本发明中，衬底的背面还可以设置有与第二电极电连接的背电场层。在这种情况下，背电场层层叠在第一导电类型的半导体衬底的背面上，第二电极形成在预定位置并可以被形成为与第一导电类型的半导体衬底的一部分接触。
此外，根据本发明的一个实施方式，第一导电类型的半导体衬底、第二导电类型的半导体层和抗反射层的表面可以为不平坦结构。
可以通过纹理化(texturing)方法来形成第一导电类型的半导体衬底的不平坦表面，并接着在其上层叠薄膜层，从而形成不平坦结构。
在本发明中，抗反射层可以由从硅氮化物(SiNx)、二氧化硅(SiO2)和本征非晶硅所构成的组中选择的一种或多种材料制成，但并不特别地限定于此。此外，抗反射层的厚度可以为几十至几百纳米，优选地，为10nm至900nm。
在本发明中，由于并不特别地限制形成抗反射层、第一电极和第二电极的位置，因此根据本发明的太阳能电池可以应用于IBC型或MWT(金属缠绕，Metal-Wrap-Through)型。
根据本发明的一个实施方式的太阳能电池的制造方法还可以包括在形成第一和第二电极之前、期间或之后在衬底的背面形成背电场层的步骤。
换言之，可以先形成能够形成在第一导电类型的半导体衬底的背面上的背场层，接着形成第一电极和第二电极，也可以在形成这些电极的期间一同形成能够形成在第一导电类型的半导体衬底的背面上的背场层。此外，可以在形成第二电极的位置之外的其余衬底背面上形成背电场层，而不是形成所有电极后接着在上面覆盖第二电极的类型。
在本发明中，形成第二导电类型的半导体层的步骤可以通过在第一导电类型的半导体衬底上掺杂导电类型与第一导电类型相反的第二导电类型半导体杂质来形成。因此，如果第一导电类型的半导体衬底是p型半导体衬底，则杂质是选自由作为n型半导体杂质的V族元素所构成的组的一种或多种材料，而如果衬底是n型半导体衬底，可以将选自由作为p型半导体杂质的III族元素所构成的组的材料作为杂质。
本发明还可包括在形成第二导电类型的半导体层的步骤之前，将第一导电类型的半导体衬底的表面纹理化的步骤。
此外，本发明还可包括去除在形成第二导电类型的半导体层期间生成的绝缘层的步骤。该绝缘层并不限于任何特定的材料。同时，作为在形成第二导电类型的半导体层时生成的副产物，典型地可能形成玻璃副产物层，如磷硅玻璃(PSG)或硼硅玻璃(BSG)。在本发明中，可以在进行边缘隔离之后的任何步骤中进行去除副产物的处理，优选地可以在去除受损层的步骤和形成抗反射层的步骤之间进行去除副产物的处理。
在本发明中，可以利用激光边缘隔离法、等离子体刻蚀法和刻蚀剂刻蚀法中的任意一种来形成边缘隔离执行步骤中的边缘隔离。
在根据本发明的制造方法中，抗反射层可以由从硅氮化物(SiNx)、二氧化硅(SiO2)和本征非晶硅所构成的组中选择的一种或多种材料制成。此外，以凹槽的底面为基准，抗反射层的厚度可以为几十至几百纳米，优选地，为10nm至900nm。
下面，将结合附图描述本发明的优选实施方式。
太阳能电池的结构
图1为示意性地示出了根据本发明一个实施方式的硅太阳能电池的基本结构的剖视图。
如图1所示，本发明的硅太阳能电池300包括：顺序形成的第一导电类型的半导体衬底(具体地，为至少第一导电类型的硅衬底310)、第二导电类型的半导体层或发射层320、抗反射层350，其中抗反射层350根据激光边缘隔离处理所形成的结构从第一导电类型的硅衬底310的边缘穿透第二导电类型的发射层320，并与第一导电类型的硅衬底310接触。
第一导电类型和第二导电类型可以分别为p型和n型，或者第一导电类型和第二导电类型可以分别为n型和p型。此处，为了便于解释，将作为示例来描述第一导电类型和第二导电类型分别为p型和n型的情况。
在制造硅太阳能电池时，在用于形成p-n结的几种方法中，通过在p型硅衬底310上掺杂n型材料而形成n型发射层320的方法被广泛使用。当使用该方法时，在掺杂过程中甚至会在硅衬底310的边缘部分掺入掺杂材料。因此，硅衬底310的正面和背面彼此电接触，这可能造成太阳能电池的效率降低。
因此，应当毫无例外地进行边缘隔离处理，以隔离硅衬底310的正面和背面或者硅衬底310的上表面和下表面。激光边缘隔离处理是这样的边缘隔离处理中的一种。
本发明在形成n型发射层320后进行激光边缘隔离，并在去除由激光生成的受损层330后形成抗反射层350，使得起钝化层作用和双重抗反射层作用的抗反射层350覆盖经过激光边缘隔离处理的表面。
换言之，本发明具有这样的结构：抗反射层350从硅衬底310的边缘部分穿透n型发射层320，并与p型硅衬底310接触。由于从n型发射层320到p型硅衬底310的预定深度形成的凹槽在施加抗反射层350之前就形成在硅衬底310的边缘部分，因此，仅通过施加抗反射层350就可以进行穿透，并且如上所述，其中由激光边缘处理的结果而生成凹槽。
采用利用抗反射层350覆盖经激光边缘隔离后的表面的结构，将该表面附近的缺陷和电子-空缺复合减少到最少，由此可以提高太阳能电池的效率和可靠性。
抗反射层350可以由诸如硅氮化物(SiNx)、二氧化硅(SiO2)和本征非晶硅之类的材料制成。这可以起到将太阳能电池300的反射率最小化的作用并起到钝化层的作用。同时，考虑到用作钝化层和用作双重抗反射层，可以将抗反射层350形成为合适的厚度，优选地，为几十至几百纳米(nm)。考虑到上述功能，抗反射层350可以由两层或更多层形成。
下面将详细描述具有上述结构和可以根据任何原理形成的结构的太阳能电池300的制造过程。
制造太阳能电池的方法
图2至图8为顺序地示出了根据本发明一个实施方式的硅太阳能电池300的制造工艺的图。下面，将参照图2至图8描述硅太阳能电池300的制造工艺。
首先，如图2所示，在p型硅衬底310的上表面或下表面中的至少一个表面上形成纹理化结构。该纹理化结构对入射到太阳能电池300内部的太阳光进行漫反射，使得该纹理化结构起到降低对太阳光的反射率以及收集光的作用。作为形成纹理化结构的方法，可以使用将p型晶体硅衬底310浸入到刻蚀剂中的处理等，并可以将纹理化结构形成为各种形状，如锥形、规则的方蜂窝形、三角蜂窝形。
接着，如图3所示，为了形成p-n结，在p形硅衬底310上形成n型发射层320。该n形发射层320可以通过诸如扩散法、喷涂法或印刷处理法之类的方法来形成，但假设本发明使用扩散法。
作为一个示例，可以通过将n型材料(如五价的磷(P))注入到p型硅衬底310中而形成n型发射层320。
作为扩散n型材料的方法，可以使用热扩散法等。作为一个示例，可以使用将p型硅衬底310放入高温炉中，向炉的内部注入n型材料(例如POCl3)进行掺杂的方法。另一方面，可以通过使用离子注入法直接将n型材料注入p型硅衬底310来形成n型发射层320。此时，当然能够通过相对地增加所注入的n型材料的浓度，而将n型发射层320形成为n+型。
为了形成n型发射层320，由于在掺杂n型材料的过程中会将掺杂材料掺入到硅衬底310的边缘部分，因此，硅衬底310的正面和背面彼此电连接，这可能会导致太阳能电池的效率降低。因此，为了隔离硅衬底310的正面和背面或者硅衬底310的上表面和下表面，应当毫无例外地进行边缘隔离处理。图4示出了在利用作为隔离处理的一种的激光边缘隔离对硅衬底310的正面和背面进行了隔离以后的外观。
当进行激光边缘隔离处理时，一部分被高温激光融化并随后硬化，即，会形成受损层330。由于这可能会造成太阳能的效率降低，因此应该被去除。为此，通过使用碱溶液(如氢氧化钾(KOH)溶液或氢氧化钠(NaOH)溶液)来控制受损层330。图5示出了在使用这些碱溶液去除了受损层330之后的外观。
同时，在为了形成n型发射层320而扩散n型材料的过程中，可能会在硅衬底310的表面形成玻璃的副产物层或绝缘层325，例如磷硅玻璃(PSG)或硼硅玻璃(BSG)。
在执行了激光边缘隔离处理并去除了由该处理而生成的受损层330后，去除PSG或BSG等的绝缘层325。可以利用已有技术(如使用氢氟酸(HF)溶液的湿法刻蚀的方法)来执行该去除。图6示出了去除了绝缘层之后的外观。
在去除绝缘层325后，如图7所示，在n型发射层320上形成抗反射层350。可以使用化学气相沉积的方法沉积抗反射层350，并可以使用诸如硅氮化物(SiNx)、二氧化硅(SiO2)或本征非晶硅之类的材料。该抗反射层350可以起到将太阳能电池300的反射率最小化的作用以及起到钝化层的作用。结果，太阳能电池300的缺陷被减少到最少并减少了电子-空穴对的复合，使得可以提高太阳能电池300的效率。考虑到用作钝化层和用作双重抗反射层，可以将抗反射层350形成在几十至几百纳米的厚度。考虑到上述功能，抗反射层350可以由两层或更多层形成。
在本发明中，由于去除了在激光边缘隔离处理之后生成的受损层330，并随后形成了用作钝化层和双重抗反射层的抗反射层350，抗反射层350被施加在经过了边缘隔离处理的表面上，使得经过了边缘隔离处理的表面可以受到抗反射层350保护。
因此，边缘隔离的表面没有暴露于空气，并且其表面没有形成不必要的氧化物等，因此可以防止电子-空穴复合等，使得可以提高太阳能电池的效率。
随后的处理与现有技术中的制造太阳能电池的方法相同。简单地说，在形成抗反射层350之后，如图8所示，形成第一电极370和第二电极380，并通过执行热处理而形成后场形成层385。
第一电极370可以通过使用诸如银Ag的材料来形成。可以使用丝网印刷法等作为形成方法，并且第一电极370穿透抗反射层350并通过实施随后的热处理过程来与n型发射层320电接触。
另一方面，第二电极380可以通过使用诸如铝(Al)的材料来形成，并也可以使用丝网印刷法等来形成。在印刷了第一电极370和第二电极380之后，如果在高温下对它们进行热处理，则第二电极380作为硅衬底310的下表面的杂质而将硅衬底310的下表面变为p+型或p++型。该p+型层或p++型层作为场形成层385。该场形成层385将使由太阳光而生成的电子的后复合减少到最少，使得可以提高太阳能电池的效率。
虽然作为本发明的一个实施方式描述了扩散硅太阳能电池，但本发明还可以适用于薄膜型和/或混合型(即，这样类型的太阳能电池：通过在半导体衬底上形成非晶硅层而具有p/i/n结的结构)等。
尽管参照当前的优选实施方式描述了本发明，但应当理解，在不偏离如所附的权利要求所阐述的本发明的范围或精神的条件下，可以做出各种修改和等同替换。
因此，本发明意在涵盖落入所附的权利要求及其等同物的范围内的对本发明的修改和变形。

Claims (23)

1.一种太阳能电池，其包括：
第一导电类型的半导体衬底；
第二导电类型的半导体层，其形成在所述衬底上并具有与所述第一导电类型相反的导电类型；
至少一个凹槽，其穿透所述第二导电类型的半导体层，并达到所述第一导电类型的半导体衬底的预定深度；
形成在所述凹槽上的保护层；
第一电极，其与所述第二导电类型的半导体层电接触；以及
第二电极，其形成在所述第一导电类型的半导体衬底上。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述凹槽形成在所述太阳能电池的边缘。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述凹槽为隔离所述第一导电类型的半导体衬底的正面和背面的边缘隔离区。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述衬底的背面除了设置有所述第二电极还设置有背电场层。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一导电类型的半导体衬底的表面具有不平坦结构。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第二导电类型的半导体层形成在所述半导体衬底的正面，并且所述第二电极形成在所述半导体衬底的背面。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第二导电类型的半导体层和所述第二电极形成在所述半导体衬底的背面。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中在所述第二导电类型的半导体层上形成有抗反射层。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述抗反射层由从硅氮化物SiNx、二氧化硅Si02和本征非晶硅构成的组中选择的一种或多种材料制成。
10.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述抗反射层的厚度为10nm至900nm。
11.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述抗反射层由两层或更多层形成。
12.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述抗反射层由与所述保护层相同的材料制成。
13.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述抗反射层与所述保护层相连接。
14.一种制造太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：
形成第一导电类型的半导体层；
在第一导电类型的半导体衬底上形成第二导电类型的半导体层，所述第二导电类型的半导体层具有与所述第一导电类型相反的导电类型；
进行边缘隔离，以隔离所述第一导电类型的半导体衬底的正面和背面；
去除由所述边缘隔离而形成的受损层；
掩埋通过去除所述受损层而形成的凹槽，并形成施加在所述第二导电类型的半导体层上的抗反射层；以及
形成与所述第二导电类型的半导体层和所述抗反射层的至少一部分接触的第一电极以及与所述衬底的背面的至少一部分接触的第二电极。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括：在形成所述第一和第二电极之前、期间或之后，在所述衬底的背面上形成背电场层的步骤。
16.根据权利要求14所述的方法，其中通过在所述第一导电类型的半导体衬底上掺杂第二导电类型的半导体杂质来执行形成所述第二导电类型的半导体层的步骤，其中所述第二导电类型的半导体杂质具有与所述第一导电类型相反的导电类型。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括：在形成所述第一和第二电极之前将所述第一导电类型的半导体衬底的表面纹理化的步骤。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括：在形成所述抗反射层之前，去除在形成所述第二导电类型的半导体层的过程中生成的绝缘层的步骤。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述边缘隔离包括激光边缘隔离法、等离子体刻蚀法和刻蚀剂刻蚀法中的任意一种。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述抗反射层由从硅氮化物SiNx、二氧化硅SiO2和本征非晶硅构成的组中选择的一种或多种材料制成。
21.根据权利要求14所述的方法，其中所述抗反射层的厚度为10nm至900nm。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述抗反射层由两层或更多层形成。
23.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第一电极的步骤包括如下步骤：在所述抗反射层上形成电极，对其进行热处理，使其接触到所述第二导电类型的半导体层上。
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