CN102246324B - 深沟槽背接触光伏太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚光光伏太阳能电池和一种用半导体晶圆制备该电池的方法。所述方法的步骤包括：首先在所述晶圆背面进行掺杂以提供第一掺杂区域。在正面和背面淀积钝化层。穿过钝化层在背面形成深的沟槽，并掺杂所述背面以便在所述深沟槽内提供反向掺杂的第二掺杂区域。然后形成穿过背面钝化层直至第一掺杂区的开口；并在背面形成电连接第一和第二掺杂区的电触点。所述光伏聚光电池包括正面和背面均沉积有钝化层的半导体晶圆；和在背面的第一掺杂区域；其还包括在从背面以连接所述第一掺杂区的开口中形成的p型接触，从背面延伸到晶圆内部的深沟槽中的n型电接触，和在形成所述深沟槽后但在形成n型电接触之前在深沟槽中掺杂的第二掺杂区域。

Description

深沟槽背接触光伏太阳能电池
本发明涉及光伏太阳能电池。特别地，本发明涉及利用深沟槽背接触(DGRC)技术开发的背接触式聚光光伏太阳能电池。
将太阳能转换成有用的形式，例如用于发电或储热，正变得越来越重要，这归因于其他可利用的能源的变化和燃烧化石燃料对环境的影响。尽管人们早就可以将太阳能转化为有用的形式，但转化的效率和高昂的成本限制了利用太阳能的总体效能。
太阳能电池将光直接转化为电。典型的太阳能电池利用掺杂的半导体来产生n型和p型区域。光线的吸收促使电池内的电子迁移到更高的能态。半导体器件的正反两面同时设置了电极，将太阳能电池与外部电路连接起来。高能态电子从太阳能电池向外部电路的迁移使电子在外部电路中消耗了能量后返回到太阳能电池。
半导体最普遍的形式是与基质材料形成P型以及在正面上形成的浅n型层的单晶硅或多晶硅。与光接触的电极一般是网格状，以便允许最多的光线进入到太阳能电池，并且与光接触的电极通常由银组成。背面一般是连续的金属层，通常是铝层。
照在太阳能电池上的光线的密度称为“日射量”，1个日射量相当于1kw/m2的标准照度。工作在大于1个日射量照度下的太阳能电池被称为聚光电池。聚光太阳能电池利用光学元件汇聚或引导太阳光，从而在小小的太阳能电池上提供高密度光束。聚光太阳能电池的优点是具有比1个日射量的太阳能电池更高的效率潜力和成本效益。但是，由于电流密度随着聚光度而增加，串联电阻上的损耗也增大，同时也由于太阳能电池工作温度的增加，从而使聚光的效率优势被减弱。聚光光电池中高的串联电阻会导致功率损失。
有一种被称为激光刻槽埋栅(LGBC)电池的聚光太阳能电池一般包括由激光在表面上刻蚀出的沟槽组成的前网格。在所述沟槽内通过无电镀镍和铜形成电极。在沟槽内形成电极的好处在于，电池可以承受在较高的聚光度下产生的较大的电流密度并维持可接受的遮光损失(shading loss)。背面包括在硅半导体上的连续的铝合金膜。和正面一样，背面的铝膜上也镀上镍层和铜层以形成基底电极。LGBC电池通过激光刻槽和槽扩散形成了本地发射极的特殊构造，显著地低降低了串联电阻。
LGBC电池比大多数普通的太阳能电池具有明显的优势。LGBC太阳能电池结构在标准测试条件下的太阳能电池效率为18％，该条件是在用卓克拉尔斯基法生长的厚220微米的单晶晶片上，采用典型的1.5毫米的沟槽间距测量。如果沟槽间距减少到220-500微米，LGBC电池可使用比普通阳光的密度密高达100倍的汇聚阳光。标准工艺下恰当设计的有效面积为1-4cm2的太阳能电池在100倍聚光下可获得高达19％的效率。由于该太阳能电池的成本基本上与1个日射量的太阳能电池相同，因此节约了大量的成本。然而，在如此高的聚光度下，电池表面呈现的大量沟槽和沟槽的金属化遮挡了电池表面并反射表面的阳光，从而降低了太阳能电池的效率。典型的100倍聚光度太阳能电池被遮挡的有效面积为10％-14％。
如果太阳能电池可以构造为触点在背面而不增加电池的串联电阻，那么就可以在聚光条件下成比例地提高电池的效率。
已有采用丝网印刷或光刻蚀法技术制作了大量的背接触太阳能电池，但这些技术都存在问题。丝网印刷电池由于串联电阻损耗大而不适用于汇聚的光线。光刻蚀技术成本高昂，对于太阳能电池的大批量制备而言成本过高。
本发明的主要目的在于提供一种采用深沟槽背接触(DGRC)技术的光伏太阳能电池，其所有的触点都位于背面，并且不会增加电池的串联电阻，从而成比例提高聚光条件下电池效率。
根据本发明，提供了一种用半导体晶圆制作光伏聚光太阳能电池的方法，所述晶圆包括正面和背面，所述方法包括以下步骤：
(a)掺杂所述晶圆的背面以提供在所述晶圆背面的第一掺杂区域；
(b)在所述背面和所述正面沉积钝化层；
(c)在所述背面形成穿过所述背面钝化层的深沟槽；
(d)掺杂所述背面以提供在所述深沟槽内的第二掺杂区域，所述第二掺杂区域的掺杂与所述第一掺杂区域的掺杂相反；
(e)形成穿过所述背面钝化层并到达所述第一掺杂区域的开口；和
(f)在所述背面形成电触点以提供对所述第一和第二掺杂区域的电连接。
所述第一和第二掺杂区域的电触点需要电绝缘，这可以通过刻划所述背面以隔离相反极性的半导体触点来实现。
所述电触点可以用非电镀的方法在步骤(f)中形成。这是制造太阳能电池所采用的标准方法，其可以包括以下一个或多个有序的步骤：
(i)非电镀镍沉积；和/或；
(ii)非电镀镍固化；和/或；
(iii)非电镀铜沉积，和/或；
(iv)在铜表面进行银钝化。
在步骤(a)中掺杂所述背面之前，可以先清洁所述晶圆，并且刻蚀所述表面以移除所有的晶圆损伤。可以纹理化所述晶圆的正面，以减少表面反射。表面纹理化是业内公知的标准工艺，也是减少反射损失所必需的。优选地，所述表面为非平面，如果光线起初没有被电池吸收，则可以使光线被反射到另一表面。为了使入射光能够多次到达表面，最好将电池构造为在正面上包括“随机金字塔”结构。
在任何一个清洁或纹理化所述晶圆之后，对所述背面进行掺杂以产生第一掺杂区域。步骤(a)中的掺杂可以通过任意一种适当的方法实现，但优选的是将包含掺杂物的混合物旋涂到晶圆的表面上，接着用高温对其加热以使掺杂物原子通过热扩散渗入到背面。上述工艺需要加热所述背面至少到1000℃。加热可以在直通炉或晶体管式炉中进行。最理想的是，加热维持到产生大约100Ω/sq.的电阻所需的时间。
钝化层生长在所述正面和背面上。该层不但是抗反射层，也是掩膜，并且降低复合速度。所述步骤(b)中钝化层的沉积可以采用业内已知的技术实现。所述钝化层优选地构造为使正面和背面的复合速度低于500cm/s。
脉冲的激光可用于刻划用于背接触的深沟槽。步骤(c)中沟槽的形成可以通过标准的激光刻槽技术例如激光刻划的方式实现。所述深沟槽也可以通过其他方式如机械刻划的方式形成，例如用金刚石刀片或划片。所述沟槽还可以采用高压流体射流的方式形成，例如水、或者由水射流中的脉冲激光组合成的激光微射流。
为了使太阳能电池的效率最大化，所述沟槽应深到到达所述晶圆正面的一个扩散长度。理想情况下，步骤(c)中形成了多个沟槽，并且所述沟槽优选地相隔小于两个扩散长度的距离。“扩散长度”是本领域技术人员公知的术语，是指载流子在复合前能够移动的距离。
在步骤(c)中形成沟槽后，最好清洁沟槽以移除所有的晶圆淀积物。这可以用任一种适当的方法如刻蚀来完成。
步骤(d)中的掺杂提供了具有和第一掺杂区域的半导体类型相反的第二掺杂区域。词语“沟槽内的第二掺杂区域”在本文中的意思是指所述掺杂区域是在所述沟槽的表面形成的；同理，步骤(a)中的第一掺杂区域是在晶圆的背面形成的。背面的钝化层相当于一层掩膜，阻止第二掺杂物在其中的扩散并将扩散限制在沟槽区域内。优选地，所述沟槽应扩散到一个结深，以提供小于100Ω/sq.的表面电阻。结深是本领域公知的术语，是指在p-n结中受主浓度等于施主浓度的那个平面的深度(从表面开始测量)。
在步骤(e)中，形成了穿过背面钝化层的开口，以允许与背面上的第一掺杂区域接触。这可以通过任一种适当的方法(或方法的组合)如激光切割、水射流切割、机械刻划来实现，或者通过对钝化层采用丝网印刷刻蚀剂来实现。最理想的是，步骤(e)中形成了多个开口。
第一掺杂区域和第二掺杂区域相比，具有相反的半导体类型。第一掺杂区域的半导体类型可以和晶圆的相反，但最理想的是，晶圆和第一掺杂区域的半导体类型相同。第一掺杂区域可以是n+型掺杂区域，但优选p++型掺杂区域。
理想地，一个晶圆可被用于制造多个太阳能电池，并且每个太阳能电池包括多个沟槽和开口。这样，经过实施步骤(a)到(f)，所述晶圆可以被刻划和切割为生产出独立于所述晶圆的单个电池。
根据本发明的第二个实施方式，提供了一种光伏聚光太阳能电池，包括：
-具有所述正面和所述背面的半导体晶圆；
-沉积在所述正面和背面上的钝化层；
-在所述晶圆背面上的第一掺杂区域；
-在所述背面的开口上形成的p型电触点，所述触点和所述第一掺杂区域接触；
-在从所述背面延伸到所述晶圆内的深沟槽内形成的n型电触点；和
第二掺杂区域，在所述深沟槽形成之后、n型电触点沉积之前从所述沟槽内掺杂，该区域和所述n型电触点电耦合。
所述聚光太阳能电池优选地在背面上具有多个沟槽和开口，所述沟槽和开口内可以形成电触点。
所述钝化层可以包括厚度适当的氧化硅层，例如10nm。其上还可以有另一层适当的物质，如LPCVD(低压化学气相沉积)氮化硅。在这种情况下，所述氮化硅的合适厚度应为80nm左右。还可以采用其他物质的组合，例如由非晶碳化硅和氧化硅组成的交替层。所述适当的钝化层物质可以在低温下在PECVD(等离子体增强的化学气相沉积)反应器中沉积到晶圆上。
太阳能电池的第一掺杂区域可以是负极掺杂，但优选地，第一掺杂区域是p++型掺杂区域。合适的掺杂物可以是硼，当然也可以采用其他适于产生所需扩散的物质。
第二掺杂区域的半导体类型必须和第一种源物质的半导体类型相反，因此第二掺杂区域优选n+型掺杂区域。任何一种合适的n+型掺杂物，例如磷都可以用于产生第二掺杂区域。如果所述沟槽是用包括水射流在内的方式产生的，则所述掺杂物可以通过将其掺到所喷射水里的方式施加到第二掺杂区域。
仅为了举例的目的，现在将详细描述根据本发明的光伏聚光太阳能电池及其制造方法的两个具体实施方式，描述的时候参考以下附图：
图1表示现有技术中的LGBC太阳能电池；
图2A-2F表示根据本发明的方法，制造深沟槽背接触式(DGRC)光伏聚光太阳能电池的工艺流程；
图3表示本发明光伏聚光太阳能电池的第一个实施方式；
图4表示图3所示的光伏聚光太阳能电池的背接触的简化视图；和
图5表示本发明光伏聚光太阳能电池的第二个实施方式。
首先参考图1，图中所示的是一个现有技术中标准的前接触式激光刻槽埋栅太阳能电池的界面，其一般包括具有正面11和背面12的半导体晶圆10。所述晶圆材料包括p型基底和浅n型顶层。首先清洁晶圆，通常是采用化学方法；然后刻蚀移除由于切割半导体材料引起的所有损伤。然后使正面11纹理化，以产生由随机或不规则的金字塔结构组成的阵列13。这种纹理化使得所有起初尚未被吸收到电池的光线被“捕捉”，从而不会被表面11反射掉。在晶圆10内用适当的掺杂物进行扩散掺杂以便在基底上产生p+型掺杂区域18。正面11上设有抗反射敷层14，如氮化硅，以进一步减少反射。沟槽15是由激光穿过抗反射敷层14进入晶圆在正面11上形成的。沟槽15的刻蚀通常是为了清洁多余的碎片。
在所述表面上再进行扩散以形成n+型掺杂区域17。所述扩散被氮化物抗反射敷层14限制在激光切割过的区域内。接着蒸发铝到晶圆的背面12上并固化形成铝层(未示出)。在正面11和背面12上用非电镀的方式形成镍层19，接着沉积铜和银以形成触点。抗反射氮化物敷层14限制正面上的镀膜在沟槽15内。
如图1所示，LGBC电池在这个部分的前触点具有两个沟槽15。为了获得高水平的聚光，电池11表面上需要一定数量的沟槽15。结果，沟槽15内部的金属化遮盖了表面11，由于其使光线从表面11反射掉，从而降低了太阳能电池的效率。
图2A-F是表示根据本发明的方法，为了形成图3所示的DGRC光伏太阳能电池所需的一系列步骤。首先，如图2A所示，清洁半导体晶圆25，然后用标准的方法纹理化以在正面26上形成金字塔结构28。所述晶圆包括正面上的p型层24和浅n型层23。然后用标准的方法在背面27上进行掺杂，产生100Ω/方块的p++型掺杂区域29。这是经过在适当的掺杂物源物质上旋涂并在直通炉或石英管式炉内加热到接近1000℃，直至获得所需的100Ω/方块的扩散实现的。掺杂物原子通过热扩散分散到晶圆25的背面27内。如果沟槽是通过包括喷水的方式形成的，那么掺杂物可以包含在喷射的水里从而施加到第二掺杂区域。这样可以消除或减少加热晶圆的需求，因为切割产生的热量能足以允许水里的掺杂物进入晶圆材料中。
如图2B所示，钝化层30被沉积到正面26和背面27上。这个层作为正面26的抗反射层，防止光线从正面26反射掉。钝化层30还作为背面27的掩膜，以下将会有详细的介绍。此外，钝化层30还用于降低太阳能电池内电子的复合速度并限定为使正面26和背面27的复合速度低于500cm/s。
标准的激光刻槽或激光微射流技术采用的脉冲激光被用于在背面27刻划较深的激光沟槽31(如图2C所示)，用于背面接触。如前所述，所述沟槽也可以用其他方式形成。沟槽15要求在正面26的一个扩散长度之内，并且相邻沟槽的距离最好小于两个扩散长度。例如，一个200微米厚的典型卓克拉尔斯基晶圆上的沟槽的深度应为约150微米，并且相聚约为300微米。这些沟槽31被刻蚀为移除所有多余的晶圆颗粒，然后再一次对背面27进行掺杂以产生n++型第二掺杂区域32。所述掺杂可以是用标准工艺进行的磷掺杂。钝化层30应用在背面27上作为掩膜，这样在第二次掺杂的过程中，对晶圆的渗透仅仅发生在沟槽31内。所述扩散进入沟槽31周围物质的深度应为一个结深，以使表面电阻小于10Ω/方块。
如图2D所示，然后在背面钝化层30上开出过孔(via)33，以允许接触到背面27的p++掺杂区域29。这是通过激光刻划钝化层30完成的。
图2E表示在图1中的标准太阳能电池上使用的标准镀膜34顺序。在背面27上化学沉积镍并固化，接着是铜的化学沉积。然后将银钝化在铜表面。上述工艺将过孔33填满以形成p型触点38，同时填满沟槽31以形成n型触点37。
然后刻划或刻蚀背面27以形成缺口35，将电触点37和p型触点38隔离。所述隔离刻划的步骤采用标准工艺。
通过上述方法形成的本发明的光伏太阳能电池如图3所示。晶圆25包括与背面27相邻的p型层24和位于正面的浅n型层23。正面26被纹理化，以形成减少入射光反射的金字塔型结构28。晶圆25的背面27用硼掺杂以产生第一p+掺杂区域29。硼掺杂物通过热扩散渗透进入电池表面27。正面26和背面27上都有抗反射钝化层30。背面27上形成有穿过钝化层30的沟槽，并且通过在沟槽周围掺杂磷形成n+掺杂区域的方式形成第二掺杂区域32。沟槽31用镍、铜和银填满，以产生n型电触点37。P型电触点38也是通过将镍、铜和银沉积到切割背面的钝化层而形成的浅沟道上而形成的。这些触点37、38通过在沉积金属物质后在背面上刻划出来的缺口而彼此相互隔离。
图4表示图3中太阳能电池的背面27的示意图。如图所示，n型触点37和p型触点38相互隔离。同种类型的触点之间是连通的。
图5表示与上述光伏聚光太阳能电池相似的第二个实施方式，其中相同的部件用相同的编号表示。在本实施方式中，p型触点40比上述的触点要大得多。所形成的过孔不仅通过背面的钝化层30，还深入到(并且可以贯通)第一p++掺杂区域29。实际上，这些过孔更像是第二沟槽，它们就像第一沟槽一样，可以在形成时或形成后进行进一步的掺杂。具有更大面积的p型触点同时减少了接触电阻和串联电阻。

Claims (31)

1.一种用半导体晶圆制作光伏聚光太阳能电池的方法，所述晶圆包括正面和背面，所述方法包括以下步骤：
(a)掺杂所述晶圆的背面以提供在所述晶圆背面的第一掺杂区域；
(b)在所述背面和所述正面沉积钝化层以形成掺杂掩膜；
(c)在所述背面形成穿过所述钝化层的多个深沟槽，其中，多个深沟槽深至所述晶圆的上表面的一个扩散长度内；
(d)掺杂所述背面以提供在所述多个深沟槽内的第二掺杂区域，所述第二掺杂区域的掺杂与所述第一掺杂区域的掺杂相反，所述钝化层充当掩膜的作用以限制扩散仅仅进入所述晶圆的所述多个深沟槽；
(e)形成穿过所述背面钝化层并到达所述第一掺杂区域的开口；和
(f)在所述背面形成电触点以电连接所述第一掺杂区域和第二掺杂区域。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一掺杂区域和第二掺杂区域的电触点之间通过刻划所述背面来实现电绝缘。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电触点在步骤(f)中采用非电镀的方法形成。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述非电镀的方法包括以下一个或多个步骤：
(i)非电镀镍沉积；
(ii)非电镀镍固化；
(iii)非电镀铜沉积，和；
(iv)在铜表面进行银钝化。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(a)中背面的掺杂是通过涂敷掺杂物源物质和加热实现的。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述晶圆被加热到大约1000℃。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述加热是采用直通炉的方式实现的。
8.如权利要求5所述的方法，其中，所述加热是在晶体管式炉中进行的。
9.如权利要求5所述的方法，其中，所述加热维持到产生100Ω/方块的扩散所需的时间。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(b)中沉积的钝化层使所述正面和背面的复合速度低于500cm/s。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(c)中的多个沟槽是采用脉冲激光、水射流、激光微射流或金刚石刻划形成的。
12.如权利要求1所述的方法，其中，多个沟槽在背面上形成，所述沟槽之间的间隔等距，该间隔小于两个扩散深度的距离。
13.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(d)中，所述掺杂物在多个沟槽内的扩散达到一个结深，足以提供小于100Ω/方块的表面电阻。
14.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(e)中，所述开口是通过脉冲激光、水射流、激光微射流或金刚石刻划的方式穿过所述背面钝化层形成的。
15.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(e)中，所述开口是通过对所述钝化层进行丝网印刷刻蚀的方法穿过所述背面形成的。
16.如权利要求1所述的方法，其中，多个沟槽在背面上形成，在所述沟槽之间形成多个穿过所述背面的长开口。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一掺杂区域的类型和所述晶圆的相同。
18.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一掺杂区域为p+型掺杂区域。
19.如权利要求1所述的方法，其中，一个晶圆上形成有多个太阳能电池形。
20.如权利要求19所述的方法，其中，在步骤(f)之后，所述晶圆被刻划和切割成多个独立于所述晶圆的太阳能电池。
21.一种光伏聚光太阳能电池，该光伏聚光太阳能电池包括：
-具有正面和背面的半导体晶圆；
-沉积在所述正面和所述背面上的钝化层，所述钝化层充当掺杂掩膜；
-在所述晶圆背面上的第一掺杂区域；
-在开口中形成的p型电触点，该p型电触点穿过所述背面钝化层并延伸入所述晶圆背面，所述p型电触点和所述第一掺杂区域接触；
-从所述背面穿过所述第一掺杂区域并延伸到所述晶圆内的多个深沟槽内形成的n型电触点，其中，多个深沟槽延伸深至所述晶圆的上表面的一个扩散长度内；和
第二掺杂区域，在所述多个深沟槽形成之后、n型电触点沉积之前从所述多个沟槽内掺杂，该区域和所述n型电触点电耦合。
22.如权利要求21所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述钝化层包括一层氧化硅薄膜。
23.如权利要求22所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述氧化硅钝化层的深度为10nm。
24.如权利要求22所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述钝化层还包括一层LPCVD氮化硅膜。
25.如权利要求24所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述LPCVD氮化硅钝化层的深度为80nm。
26.如权利要求21所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述钝化层包括由非晶碳化硅和氧化硅组成的交替层。
27.如权利要求26所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述钝化层是在低温下在PECVD反应器中沉积的。
28.如权利要求21所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述第一掺杂区域是p+型掺杂区域。
29.如权利要求28所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述掺杂物源物质是硼。
30.如权利要求21所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述第二掺杂区域是n+型掺杂区域。
31.如权利要求30所述的光伏聚光太阳能电池，其中，所述掺杂物源物质是磷。
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