CN102130219A - 一种太阳能电池结构及其制作方法 - Google Patents

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陈宗保
邱铭晖
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Abstract

本发明提供一种太阳能电池结构及其制作方法，包含：一基片，具有相对的一前表面和一背表面；一发射极层，设置于前表面上；一第一抗反射涂层，覆盖于发射极层上；多个前触点，暴露于第一抗反射涂层外且延伸至发射极层的上表面，其中前触点向基片内扩散并形成金属硅化物；一背表面场层，设置于背表面上；一第二抗反射涂层，覆盖于背表面场层；以及多个背触点，暴露于第二抗反射涂层外且延伸至背表面场层的下表面。形成这一结构的关键在于将铝浆料扩散至基片内并且在前触点所在区域下方形成金属硅化物。使用本发明的优点在于无需增加复杂和高成本的制程就可极大提高太阳能电池的性能。

Description

一种太阳能电池结构及其制作方法
技术领域
本发明是有关于一种电池结构及其制作方法，且特别是有关于一种太阳能电池结构及其制作方法。
背景技术
太阳电池的发展方向是低成本、高效率，目前常用的两种太阳能电池结构是选择性发射极和埋栅电极。
选择性发射极结构有两个特征：1)在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区；2)在其他区域形成低掺杂浅扩散区。结合其特征，实现选择性发射极结构的关键便是如何形成上面所说的两个区域。其制作方法有很多，但总的来说，可以分为双步扩散法和单步扩散法。双步扩散法是进行两次热扩散而形成该结构。而单步扩散法是在一次热扩散中形成该结构。这两种扩散法都有很多种操作形式。但由于双步扩散法存在不足，单步扩散法已逐渐成为制作选择性发射极的主要方法，其具体操作一般都是首先在硅片表面的不同区域得到不同量的扩散杂质源，由于扩散杂质源的不同将会得到不同的扩散结果，进行热扩散后就形成高低浓度的掺杂，得到选择性发射极结构。
然而，为了形成高掺杂区域，在制程中增加的步骤会使得生产过程更为复杂。具体来说，选择性发射极的形成包括光成型、激光制图或回蚀技术，这些制程成本高昂、制程控制难度大且具有成型缺陷。
埋栅电极太阳能电池高效的关键特征在于，金属被埋在硅太阳能电池内的激光成型的刻槽中。这样就允许金属的高宽和长宽比较大。较大的金属触点的长宽比允许在栅指电极处使用大量金属，而无需在顶表面剥离大量金属。因此，较高的金属长宽比使较大数量的密集栅指电极成为可能，同时还能保持高透明度。举例来说，在一个大面积装置上，一个印刷了太阳能电池的丝网可能最高会有10％-15％的遮蔽损耗，然而在埋栅结构中，遮蔽损耗将会只有2％-3％。这些减少的遮蔽损耗实现了较低的反射以及更高的短路电流。
然而，在n型太阳能电池中，选择性发射极和埋栅电极技术并不普遍，其原因在于n型太阳能电池的发展才刚起步，并且世界上还没有大规模生产的先例。除了HI T结构和背触点太阳能电池，n型太阳能电池结构几乎等同于b型太阳能电池。由硼源引起的发射极扩散在发射极前端形成，背表面场由磷源形成。但是，在n型太阳能电池中，并没有合适的用于前端硼发射极和形成前触点的标准制程的电极浆料。用于p型太阳能电池的前触点的Ag浆料也能用于n型太阳能电池的背触点。但是，用于p型太阳能电池的背触点的Al浆料不能用于形成n型前端硼发射极的前触点。这是由于工业化生产的Al浆料无法穿过前端的抗反射涂层(Antireflective coating，ARC)。
因此，如何在不增加复杂或成本高昂的制程的前提下对现有太阳能电池结构及其制作方法进行改进以提高其性能成为业界亟待解决的问题。
发明内容
因此，本发明提供一种太阳能电池结构的制作方法，包含：
提供一基片，并对其表面进行织构化(Texturization)处理；
在基片前表面扩散(diffusion)出一发射极(emitter)层；
在基片后表面扩散出一背表面场(back surface field，BSF)层；
在发射极层上形成一第一抗反射涂层(anti-reflection coating，ARC)，在所述背表面场层上形成一第二抗反射涂层；
在第一抗反射涂层上形成多个浆料(paste)开口(opening)；
在浆料开口中丝网印刷(screen-pringting)铝浆料，在第二抗反射涂层上丝网印刷银浆料；
使铝浆料扩散至基片内形成金属硅化物(metal silicide)。
依据一实施例，发射极层以硼源(boron source)扩散而成。
其中，背表面场层由磷源(phosphorous source)扩散而成。
其中，抗反射涂层为SiNx。
依据一实施例，金属硅化物为共晶硅铝(Al-Si eutectic)。
本发明还提供一种太阳能电池结构，包含：
一基片，具有相对的一前表面和一背表面；
一发射极层，设置于前表面上；
一第一抗反射涂层，覆盖于发射极层上；
多个前触点(contact)，暴露于第一抗反射涂层外且延伸至发射极层的上表面，其中前触点向基片内扩散并形成金属硅化物；
一背表面场层，设置于背表面上；
一第二抗反射涂层，覆盖于背表面场层；以及
多个背触点，暴露于第二抗反射涂层外且延伸至背表面场层的下表面。
依据一实施例，发射极层以硼源扩散而成。
其中，背表面场层由磷源扩散而成。
其中，抗反射涂层为SiNx。
依据一实施例，金属硅化物为共晶硅铝。
应用本发明的优点在于，该结构结合了埋栅电极和选择性发射极太阳能电池的特点，在无需增加复杂和高成本的制程的前提下，增加触点区域的面积，从而增加F.F填充因子，降低串联电阻，当生成电子空穴对时减少复合率，还提高了开路电压和短路电流，极大地提高太阳能电池的性能。
附图说明
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下：
图1绘示现有的选择性发射极太阳能电池的结构示意图；
图2绘示现有的埋栅电极太阳能电池的结构示意图；
图3a绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的步骤示意图；
图3b绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的步骤示意图；
图3c绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的步骤示意图；
图3d绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的步骤示意图；
图3e绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的步骤示意图；
图3f绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的步骤示意图；
图3g绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的步骤示意图；
图4绘示依据本发明一实施例的太阳能电池的机构示意图。
具体实施方式
本发明可使用任何硅基片或硅薄膜。包括单晶硅、微晶硅、纳米晶硅、多晶硅的晶圆或薄膜以及任何习知的和可想到的在背表面有p型掺杂和n型掺杂区域的配置。
在下文中所述的“前表面”指的是太阳能电池暴露于阳光的那侧。“背表面”是与前表面相对的那侧。“金属硅化物”指的是一种化合物，具有硅和正电元素。这些元素通常是，举例来说镍、钯、钛、银、金、铝、铜、钨、钒、铬。“太阳能电池”指的是被适当掺杂的具有一种导电性类型的硅基材，其具有至少一个其他类型导电性的掺杂区域，无论其是否提供了接触或内连接。附图中的图式是以前表面朝向页面底部，背表面朝向页面顶部的方式绘制的。附图为示意图，并未按照比例绘制。
请参照图1，其绘示现有的选择性发射极太阳能电池的结构示意图。在硅基片100前表面通过硼源扩散形成发射极层102，在发射基层102上覆盖有第一抗反射涂层104。材料为铝或银的前触点106暴露于第一抗反射涂层104外且延伸至发射极层102的上表面。在背表面的结构中，通过磷源扩散在硅基片100的背表面形成背表面场层108，在背表面场层108上覆盖有第二抗反射涂层110。材料为银的背触点112暴露于第二抗反射涂层110外且延伸至背表面场层108的下表面。
选择性发射极太阳能电池在前触点106下的表面区域被重掺杂，以改善欧姆接触，同时保持发射极层102表面区域被轻掺杂，以降低复合率以及改善蓝色光谱响应。然而，为了形成重掺杂区域，在制程中增加的步骤使得生产更为复杂。具体来说，形成选择性发射极的制程通常包括光刻成型(Photo-lithography)、激光成图(laser-patterning)或回蚀(etch-back)技术，这些制程成本高昂，制程控制困难且具有成型缺陷。此外，在n型太阳能电池中，并没有合适的用于前表面硼发射极层102和形成前触点106的标准制程的电极浆料。用于p型太阳能电池的前触点106的银浆料也能用于n型太阳能电池的背触点112。但是，用于p型太阳能电池的背触点112的铝浆料不能用于形成n型前表面硼发射极层102的前触点106。这是由于工业化生产的铝浆料无法穿过前表面的第一抗反射涂层104。由于重掺杂区域相对较窄，前触点106对位不准将会严重影响电池的性能。所以选择性发射极制程需要很多复杂的制程来对位重掺杂区域和通过光刻形成前触点106。因而，选择性发射极太阳能电池无法大规模生产。
请参照图2，其绘示现有的埋栅电极太阳能电池的结构示意图。埋栅电极太阳能电池高效的关键特征在于，金属200被埋在硅太阳能电池内的激光成型的刻槽中。这样就允许金属200的高宽和长宽比较大。较大的金属触点的长宽比允许在栅指电极处使用大量金属，而无需在顶表面剥离大量金属。因此，较高的金属长宽比允许较大数量的密集栅指电极，同时还能保持高透明度。然而，激光刻槽和电镀都是成本高昂，制程控制困难且具有成型缺陷的制程，因此埋栅电极太阳能电池也不易于实现大规模生产。
此时请参照图3a-图3g，其绘示依照本发明一实施例的太阳能电池的制作方法的各步骤示意图。图3a中，提供一硅基片100，其可以是单晶硅、微晶硅、纳米晶硅、多晶硅的晶圆或薄膜，并对其表面进行织构化处理。图3b中，在基片100的前表面通过硼源，例如三溴化硼BBr3扩散出一发射极层102。图3c中，在基片100的背表面通过磷源，例如三氯氧磷POCl3扩散出一背表面场层108。图3d中，在发射极层102上形成一第一抗反射涂层104，在背表面场层108上形成一第二抗反射涂层110，第一与第二抗反射涂层的材料为SiNx。图3e中，在前表面的第一抗反射涂层104上形成多个浆料开口300。接着，在图3f中，在浆料开口300中通过丝网印刷的方式印刷作为前触点106的铝浆料，在第二抗反射涂层110上通过丝网印刷的方式印刷作为背触点112的银浆料。最后，在途3g中，使铝浆料扩散至基片100内形成金属硅化物302，例如共晶硅铝。
如图3a-图3g所示的制作方法最终形成的太阳能电池结构如图4所示。硅基片100前表面具有发射极层102，在发射基层102上覆盖有第一抗反射涂层104。材料为铝的前触点106暴露于第一抗反射涂层104外且延伸至发射极层102的上表面，并且前触点106向基片100内扩散形成金属硅化物302。在背表面的结构中，通过磷源扩散在硅基片100的背表面形成背表面场层108，在背表面场层108上覆盖有第二抗反射涂层110。材料为银的背触点112暴露于第二抗反射涂层110外且延伸至背表面场层108的下表面。
前表面的结构包含通过在第一抗反射涂层104下方的硼从触点区域扩散出来形成的浅结(轻掺杂)。硅铝共晶302通过在前触点106下方的铝扩散而形成埋栅电极和选择性发射极从而成为深结。这两种发射极发射极使用不同的材料源形成发射极。发射极的目的是带出选择性发射极。重掺杂与硼扩散区域相比是深结区域。前触点106和发射极硅铝共晶302会形成导电电极以收集载流子。铝浆料需要在高温(600-1200℃，依材料所定)下处理。制程机可以使用RTA(Rapid Thermal Annealing)快速退火，退火或隧道炉(tunnel furnace)来控制温度分布。温度分布会影响金属的穿透深度和发射极的掺杂深度。
背表面结构的银浆料背触点112也需要需要在高温(600-1200℃，依材料所定)下处理。银浆料需要穿过熔炉来形成银和n+掺杂区域的硅之间的欧姆接触。制程机可以使用RTA(Rapid Thermal Annealing)快速退火，退火或隧道炉来控制温度分布。温度分布会影响金属的穿透深度和背反射场的掺杂深度。
由以上的实施例可知，本发明的优点在于，该结构结合了埋栅电极和选择性发射极太阳能电池的特点，在无需增加复杂和高成本的制程的前提下，增加触点区域的面积，从而增加F.F填充因子，降低串联电阻，当生成电子空穴对时减少复合率，还提高了开路电压和短路电流，极大地提高太阳能电池的性能。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述方法包含：
提供一基片，并对其表面进行织构化处理；
在所述基片前表面扩散出一发射极层；
在所述基片后表面扩散出一背表面场层；
在所述发射极层上形成一第一抗反射涂层，在所述背表面场层上形成一第二抗反射涂层；
在所述第一抗反射涂层上形成多个浆料开口；
在所述浆料开口中丝网印刷铝浆料，在所述第二抗反射涂层上丝网印刷银浆料；以及
使铝浆料扩散至所述基片内形成金属硅化物。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述发射极层以硼源扩散而成。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述背表面场层由磷源扩散而成。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述抗反射涂层为SiNx。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述金属硅化物为共晶硅铝。
6.一种太阳能电池结构，其特征在于，所述太阳能电池结构包含：
一基片，具有相对的一前表面和一背表面；
一发射极层，设置于所述前表面上；
一第一抗反射涂层，覆盖于所述发射极层上；
多个前触点，暴露于所述第一抗反射涂层外且延伸至所述发射极层的上表面，其中所述前触点向所述基片内扩散并形成金属硅化物；
一背表面场层，设置于所述背表面上；
一第二抗反射涂层，覆盖于所述背表面场层；以及
多个背触点，暴露于所述第二抗反射涂层外且延伸至所述背表面场层的下表面。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述发射极层以硼源扩散而成。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述背表面场层由磷源扩散而成。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述抗反射涂层为SiNx。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池结构的制作方法，其特征在于，所述金属硅化物为共晶硅铝。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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