CN102282650B - 背面结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种光伏器件，形成有第一掺杂剂型的半导体材料层的钝化的第一受光面。形成有相反掺杂的半导体材料区，以在与半导体材料层的第一受光面相对地设置的第二表面的至少一部分上形成p-n结。第一掺杂剂型的半导体材料层的第一受光面上形成有第一接点，并且半导体材料层的第二表面上的相反掺杂材料上形成有第二接点。

Description

背面结太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造的领域，并且在一个方面中，本发明提供了一种在硅器件中形成p型掺杂层的方法。在另一方面中，本发明提供了一种形成在n型硅上的新的器件结构。
背景技术
在传统的太阳能电池设计中，常常对铝(Al)导体浆进行丝网印刷以及尖峰烧结(spike-fired)，因为这是一种用来产生作为形成在p型晶片上的太阳能电池中的有效背场(back surface field)的掺Al p+层的耐用、快速且低成本的技术。自20世纪70年代后期以来，该工艺在过去的30多年里已得到了发展并用在丝网印刷的太阳能电池的商业制造中。现提议将这种丝网印刷的Al的用途用来在n型晶片(特别地，使用n+np+太阳能电池结构)中形成合金p-n结。据报告，与p型CZ晶片相比，n型直拉单晶(Czochralski)(CZ)晶片具有明显更高的少数载流子寿命，且因此，应能够实现更高的开路电压(Voc’s)。然而，在整个背面都被合金Al覆盖的n型CZ材料上的n+np+器件结构中，已观察到仅小于630mV的Voc’s(A.Ebong、V.Upadhyaya等人的“带有Al背结的高效N型硅太阳能电池的快速热加工(Rapid Thermal Processing of High Efficiency N-type Silicon SolarCells with Al Back Junction)”，光伏能量转换(Photovoltaic EnergyConversion)，2006IEEE第4届国际会议的会议记录)，(Schmiga，C.、H.Nagel等人的“带有丝网印刷的铝合金背面发射极的19％有效的N型CZ硅太阳能电池(19％Efficient N-Type CZ Silicon Solar Cells withScreen-Printed Aluminium-Alloyed Rear Emitter)”，光伏的进展(Progress inPhotovoltaic)，14(6)：533-53)，从而阻止了实现更高效的CZ n型晶片的大多数可能性。这代表了这种简单的电池设计的一个严重缺陷。
通常通过在红外带式炉(infra-red belt furnace)中典型地在少于两分钟内加热至750℃-850℃来对硅晶片的背面上的丝网印刷的铝浆进行尖峰烧结，以产生一合金区，在所述合金区内，经由来自液相的掺铝硅外延生长而形成有重掺杂p型区。然而，这种层中的不均匀性使得难于使用这种方法通过n型晶片来形成p-n结，因为这种不均匀性允许铝绕过掺铝p型区，并通常经由肖特基势垒直接与n型晶片接触。这种肖特基势垒引起结的非线性分流并使器件电压、填充因子及电流劣化。
当制作太阳能电池时，还期望使诸如扩散工艺、热氧化、金属烧结等的热处理期间的加工温度的大小以及工艺持续时间都降到最低限度。这是因为在长期的高温工艺期间通常会出现材料质量的劣化，诸如由于缺陷产生，污染物扩散到器件的出现损坏的区中，材料中的氢的损耗等等。极短时间(仅几秒)内的高温或过久地暴露于相对低的温度(小于500℃)似乎不会造成明显的损坏。所有目前制得的硅晶片基太阳能电池中的大多数都需要长期暴露于高温，诸如由于热扩散，当使用某些衬底时或者当存在有害污染物等时，在这种工艺期间有可能造成明显的损坏。即使通过这种技术能制成高性能的电池，但产量和再现性往往会受损，并且在适当干净的气氛中执行这种工艺的成本较高。在器件制作过程中，这种工艺还往往会耗费更大量的能量。
特别地，多年前已得知选择性发射极有利于更高性能的器件。然而，当执行热扩散工艺以在金属触点下方形成高掺杂区时，大多数这种制作有选择性发射极的器件都需要长期暴露于极高温。
发明内容
本发明提供了一种用于在硅半导体材料的一表面上形成p型区的方法，本方法包括：在硅材料的所述表面上方形成铝层；在高于铝硅低共熔温度的一温度下对铝进行尖峰烧结(spike firing)，以形成铝半导体合金p型区；随后是低于铝硅低共熔温度的一温度下的低温固相外延生长工艺，由此通过固相外延生长使铝区和合金区内的剩余硅在铝/硅界面处形成p型区。
可在红外(IR)带式炉中在650℃-950℃范围内的温度下且优选地在850+/-20℃的温度下执行此尖峰烧结步骤。可使器件在炉中仅保持5秒-100秒的时间，并且实际上，在峰值温度下，典型地仅保持2秒-4秒。
可在200℃-577℃范围内的温度下且优选地在450℃至510℃(理论上是500℃)范围内的温度下执行低温固相外延生长工艺2分钟至30分钟，且典型地在500℃下执行10+/-2分钟。通过将半导体材料移动到红外带式炉中的紧跟在进行尖峰烧结的最热烧结区段(zone)之后的另一加热区段中来执行此低温加热步骤。
可通过在硅材料的待形成有厚度至少为5微米且典型地大于20微米的p+层的表面上进行Al浆的丝网印刷来形成铝层。
优选地，硅材料是n型CZ晶片，并且使p+层形成为在器件的非受光面处提供p-n结的背层(back layer)。可使受光面施加有抗反射涂层，并在待形成前侧敷金属(metallisation)的位置处使用磷掺杂剂源以开放式格栅或图案对受光面进行激光掺杂。
低温固相外延生长工艺将肖特基接点转换成传统的p-n结，外加此工艺，已在n型太阳能电池中观察到的对应开路电压改善了高达70mV。相同的固相外延生长工艺能实施并用于形成p型太阳能电池中的传统丝网印刷的背面接点和背场，以通过避免铝接触局部化区域中的轻掺杂硅晶片而降低有效背面复合速度来提高器件性能。同样，观察到开路电压及电流得到改善，但与应用于n型晶片时相比，量值减小。
在另一方面中，本发明提供了一种形成光伏器件的方法，包括：
使第一掺杂剂型的半导体材料层的第一受光面钝化；
形成相反掺杂的(oppositely doped)半导体材料区，以在与半导体材料层的第一受光面相对地设置的第二表面的至少一部分上形成p-n结；
形成与第一掺杂剂型的半导体材料层的第一受光面的接点；以及
形成与半导体材料层的第二表面上的相反掺杂材料的接点。
在又一方面中，本发明提供了一种包括第一掺杂剂型的半导体本体的光伏器件，具有：
钝化的第一受光面；
相反掺杂的材料区，在与第一受光面相对地设置的第二表面的至少一部分上形成p-n结；
第一敷金属，接触半导体材料层的第一受光面；以及
第二敷金属，接触半导体材料层的第二表面的相反掺杂区。
本方法及所得到的器件优选地采用n型硅晶片作为半导体材料层，但是所提议的布置也能使用p型晶片来达到有利效果。
第一敷金属的形成将典型地涉及通过钝化层或抗反射层的激光掺杂，以增加待与第一敷金属接触的半导体区的掺杂级。可通过在表面上施加固态掺杂剂源或供应液态掺杂剂源及通过表面钝化层或抗反射层的激光掺杂来实现激光掺杂。激光掺杂还可涉及将器件设置在气态掺杂剂源气氛中。在激光掺杂之后，可通过无电镀、电镀或光镀技术来施加自对准金属接点。还可使用其他金属沉积或印刷技术，由此沉积的或印刷的金属线(metal line)与激光掺杂区相交，以有利于这些交叉区域中的电接触。印刷技术的一个实例是使用这样制造的半导体指状物(semiconductorfinger)：在存在掺杂剂源的情况下，使用使硅熔化的激光，以形成激光掺杂区或激光掺杂线，且随后对金属线进行丝网印刷，从而使这些金属线与激光掺杂线相交。本方法较前述半导体指状物技术的实施方式的一个优点在于，如果丝网印刷的金属刺穿任何表面介电涂层或抗反射涂层而刺入到远离已进行激光掺杂的区中的硅中，该丝网印刷的金属将不会对结造成任何损伤。
还可诸如通过热扩散工艺使第一受光面整个轻掺杂有与晶片相同极性类型的额外的掺杂剂，只要由这些额外的掺杂剂产生的表面电阻率不是太低。第一受光面的表面电阻率可在100欧每平方米-5000欧每平方米的范围内，且优选地将在400欧每平方米-1000欧每平方米的范围内，此时额外的掺杂层则比得上(in parallel with)晶片自身的表面电阻率。
还能通过表面钝化层和/或抗反射层的激光掺杂来形成相反掺杂区。激光掺杂还可涉及将器件设置在气态掺杂剂源气氛中。在激光掺杂之后，可通过无电镀、电镀或光镀技术来施加自对准的金属接点。
如果p型区形成在一表面上，则这能通过来自液态硅铝合金的p+材料的外延生长来完成，在这种情况下，剩余的合金能形成p型区的敷金属。可通过固相外延来使这种p+区中的间断与铝敷金属隔开，以至少在n型材料与间断中的铝之间形成另一p+区。如果在半导体本体与铝敷金属之间采用介电层，诸如如果在背面上方仅间歇性地需要背面接点并且这些背面接点穿过介电层而形成，则也可使用固相外延来形成p+区，以隔离由铝通过介电层中的缺陷(诸如气泡)接触硅而引起的穿过介电层的桥(bridge)。可使用固相外延来修复由受光面的激光掺杂或背面的激光掺杂引起的背结损伤。
为了避免或减小来自激光掺杂的热量对外延地形成的背结的损伤，可在一定脉冲能量和脉冲频率下操作激光，这防止结区达到铝/硅的低共熔温度(577℃)，从而防止结附近的反复熔化和再凝固。还能通过固相外延来修复任何可能出现的由受光面的激光掺杂引起的背结损伤。
可在液相外延结形成步骤之前执行受光面的激光掺杂。
能通过表面钝化层或几项表面处理中的一项来实现表面钝化。还可提供抗反射层，在这种情况下，可将该抗反射层施加在表面钝化层或表面钝化处理之上。如果为了非扩散的硅表面(n型或p型)的表面钝化质量而改变第一极薄层同时为了上述硅表面的光学特性而优化第二更厚层，则可使用双层抗反射涂层。这种双层涂层可以在单个沉积工艺(诸如PECVD或溅镀)中沉积，并可包括：折射率在2.0以上的薄富硅氮化硅层，所述富硅氮化硅层的厚度典型地将仅在10埃-200埃的范围内；以及随后的较厚涂层，具有选择成使来自表面的反射降到最低限度的厚度和折射率。尽管通常器件性能没有上述的当额外的掺杂剂的表面电阻率在400欧每平方米至1000欧每平方米或以上时那么好，除非额外的掺杂剂源扩散到钝化的表面中，但也可使用单层来使表面钝化并提供抗反射性。
与受光面的接点可包含诸如镍、铜、锡或银的镀覆金属。这种电池设计的一个特殊好处在于，这些金属中的任一者均能单独使用或与任一其他金属结合使用，这是因为器件结是如此远以致这种金属或这些金属渗透到结区不是所担心的事情，而这正是传统的太阳能电池设计所担心的事情。例如，可使用传统的镀覆敷金属方案(诸如使用接触激光掺杂的硅的10nm-1000nm厚的镍层且接着是1微米至30微米厚的更厚铜覆层)，或者可使用仅涉及使用铜而不使用镍的简化接点。这种金属通常将覆盖有薄锡层或银层，以保护铜表面。如果将激光掺杂半导体区形成为导电指状物，则能通过丝网印刷或其他适当的技术形成金属接点，以与激光掺杂线或激光掺杂区相交。
在无需使用任何要求晶片经受暴露在550℃以上的温度下多于30秒的工艺的情况下，使用所提议的制作工艺和技术以及电池设计/结构实施例可制作实现高性能(19％以上有效)的太阳能电池。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了铝浆层的形成以及尖峰烧结之后的横截面SEM照片，其示出了掺Al p+层中的允许Al直接接触n型晶片的n型硅的间断；
图2示意性地图示了铝浆层的形成之后且尖峰烧结之前的n型晶片；
图3示意性地图示了尖峰烧结期间的当铝和一些表面硅为液态时的图2的n型晶片；
图4示意性地图示了铝浆层的形成以及尖峰烧结之后的n型晶片；
图5示意性地图示了低于初始尖峰烧结的一温度下的进一步热处理之后的图4的n型晶片；
图6示出了这样的PL图像：(a)低温处理之前的PL图像以及(b)低温处理之后的PL图像，其图示了通过在尖峰烧结之后提供低温处理而获得的p+层的均匀性和质量的改善；
图7、图8和图9示意性地示出了使用优选制造顺序来制造光伏电池的各阶段；
图10示意性地图示了背结太阳能电池结构的第一实例，其采用通过铝浆以期望的图案对背面进行丝网印刷然后进行尖峰烧结，从而形成背结和接点；
图11示意性地图示了背结太阳能电池结构的第二实例，其采用将p型掺杂剂激光掺杂到背面中并对接点进行镀覆；
图12、图13和图14示意性地示出了使用优选制造顺序来制造光伏电池的各阶段；
图15示意性地图示了背结太阳能电池结构的第二实例，其图示了使用固相外延来克服由氧化层中的缺陷带来的问题；以及
图16示意性地图示了背结太阳能电池结构的第二实例，其图示了使用静电法的表面钝化。
具体实施方式
尽管已期望整个背面都被合金铝覆盖的n型CZ材料上的n+np+器件结构应导致高的开路电压(Voc)，但当试图形成这种器件时，据报道，仅有低于630mV的开路电压(Voc’s)，从而阻止了实现更高效的CZ n型晶片的大多数可能性。已确定p+型层中的间断是这种不期望的性能劣化的主要原因(A.Ebong、V.Upadhyaya等人的“带有Al背结的高效N型硅太阳能电池的快速热加工(Rapid Thermal Processing of High Efficiency N-type SiliconSolar Cells with Al Back Junction)”，光伏能量转换(Photovoltaic EnergyConversion)，2006IEEE第4届国际会议的会议记录)。已确定，这种层中的不均匀性允许铝绕过掺铝p型区，并通常经由肖特基势垒直接与n型晶片接触。这种肖特基势垒引起结的非线性分流并使器件电压、填充因子及电流劣化。
如在图1和图4中所看到的，这些间断15是显然由炼制合金工艺期间硅被Al的不均匀润湿而造成未能形成结的隔离的点。尽管可通过优化烧结工艺从而允许出现表面的更均匀润湿来使这些间断的存在降到最低限度，但仍不能完全避免这些间断。在这些间断的数量较少的情况下，这种不均匀性对形成在p型晶片上的传统电池中的背场(back surface field)的性能具有几乎可以忽略的影响。然而，这些间断通过允许Al局部地绕开p+区并经由引起结的非线性分流的肖特基势垒直接接触n型料堆(bulk)而能使n型晶片上的电池中的铝合金发射极的质量显著劣化。因此提议使用新的改良的烧结工艺来避免源自这种不均匀性的损坏，其通过将图1和图4的常规结构改良成图5的结构而彻底消除了所有先前存在于Al直接接触n型硅的位置处的分流区。
在所提议的方法中，在Al浆的传统标准尖峰烧结之后，采用低温固相外延生长工艺。参照图2，此工艺首先在n型硅晶片11的背面上进行Al浆12的丝网印刷，并典型地在300℃下进行烘干。在随后的尖峰烧结步骤期间，在冷却和再固化之前得到的液态Al-Si混合物13具有图3所示的形态。通常在红外(IR)带式炉中在650℃-950℃下执行此尖峰烧结步骤，在峰值温度(peak temperature)下，典型地仅执行2秒-4秒的时间。传送带常常以高速运转，以允许Al快速地升温，并在高于577℃的Al-Si低共熔温度时熔化。然后使熔融区13迅速地冷却下来并经由掺Al p+硅的液相外延生长工艺使所述熔融区固化。此外延生长工艺出现在任何硅表面由于其在加热过程中与硅相接触而先前已融化或熔化的暴露的硅表面上。图3所示的Al未能使硅熔化的隔离的表面区14因此也未能接受掺Al硅在冷却过程中的外延生长。因此，图4的结构导致接下来的带有形成在Al未能使硅熔化的位置处的间断15的固化。为使图1和图4所示的结间断15的影响降到最低限度而执行的随后的低温固相外延生长工艺将典型地持续2分钟至30分钟，且优选地持续约10分钟。
在冷却过程中的液相外延生长工艺中，大多数的Al 13仍处于熔融相，直至温度降到约650℃(在此温度下铝固化)以下。然而，通过此阶段，多数来自图2所示的熔融层的硅已经外延地生长在暴露的硅表面上，从而形成p+区17。因此，一旦温度已下降到约577℃的Al-硅低共熔温度以下并且固化工艺已完成，则占主导地位的Al层16中仅剩下少量的剩余硅。然后蓄意将晶片保持在200℃-577℃范围内的一温度下，优选地保持5分钟-20分钟(取决于温度)，在此期间，硅在Al层16内的高迁移率允许其通过扩散而移动至硅表面的暴露区，在这些暴露区处，硅通过固相外延生长而生长在硅表面上，从而形成薄的p+层18。重要的是，在工艺的这部分的5分钟-20分钟期间，高活性的Al有充足的时间能够从先前由于在尖峰烧结工艺期间与Al相接触而未受影响的区19中减少或去除任何界面氧化物或剩余物。因此，通过如图5所示地在Al/硅界面处包含极薄的固相外延p型层18，消除了来自图4的Al直接接触n型硅之处的结分流区15的负面影响。固相外延生长材料18直接接触n型硅11的区中的结的质量没有液相外延生长材料17接触n型硅11的区中的结的质量那么好。但是，与如果Al直接分流至这些区中的n型材料相比，上述固相外延生长材料直接接触n型硅的区中的结的存在极大地改善了电性能，尽管这些区的总面积仍只占总结面积的一小部分这一事实导致与不存在这些区的情况相比性能和器件电压的劣化降到最低限度。
已示出了足够厚的Al浆层(典型地在5微米-40微米厚的范围内且优选地约20微米厚)、尖峰烧结期间的空间上均匀的高烧结温度及短烧结持续时间的结合，以给出烧结期间图3中的均匀且深的熔融区13。然而，在这种烧结方案中，发现仍存在结间断15。总之，由于这种快速冷却工艺的性质，Al层16中不可避免地残留有剩余硅。当经受200℃-577℃范围内的温度时，硅在Al中的高迁移率允许这种剩余硅外延地生长在任何暴露的硅表面上，包括结间断15的区。此固相外延生长材料18为Al掺杂的p型，且因此能在Al直接接触n型硅的这些间断处将任何局部化的肖特基接触转换成高质量的p-n结区19。从而能避免合金结的局部化分流。
基本固相外延法能与包括丝网印刷太阳能电池、刻槽埋栅(土星(Saturnn))太阳能电池、半导体指状物太阳能电池以及激光掺杂太阳能电池的一系列太阳能电池技术结合使用。它能与任何能实行加入随后在577℃以上的温度下与硅形成合金的丝网印刷铝层的太阳能电池技术一起使用。无论是否将铝用作格栅、点、固体或一些其他图案，并且无论是将铝施加在太阳能电池的受光面还是背面上，这均适用。尽管已关于n型晶片上的p+层的形成描述了本方法，但它也可用来改良p型晶片上的p+层的性能。
器件制作的实例
1.参照图7，使用180um厚、工业型5″、2.5欧姆厘米CZ n型晶片111；
2.进行碱性织构(alkaline texturing)，以在受光面上形成直立的任意金字塔112(这些金字塔也可形成在背面上)；
3.在晶片受光面上沉积75nm厚的氮化硅层113；
4.在晶片111的背面上丝网印刷20微米的Al层114，且接着在红外带式炉中通过传统的尖峰烧结工艺形成图8所示的Al-Si合金层115和p+区116。
5.在氮气氛(尽管大气气氛或几乎任何其他气氛也是可接受的)中将晶片至加热500℃并持续10分钟，以形成薄p+层117，所述薄p+层将Al-Si层115与n型衬底在间断119处的料堆分开。
6.将磷源121施加在受光面上，需注意的是，掺杂剂源可为固态、液态或气态，但为了便于绘制，示出为固态沉积。
7.用激光122加热所述源，以在待设置金属线的任何位置产生重掺磷硅123。
8.参照图9，通过在受光面上镀覆镍/铜/银(包括接下来所应用的镍的烧结)来形成电极124。
与如果仅使用Al丝网印刷接点的传统尖峰烧结相比，采用新的低温烧结工艺的所述方法的用途似乎不仅使整个晶片的Voc的变化更小而且将开路电压的绝对值十分明显地改善到至少650mV。图6示出了应用固相外延生长步骤之前及之后的晶片的光致发光图。图6(a)示出了一种仅使用Al丝网印刷接点的传统尖峰烧结工艺的器件，而图6(b)示出了由于本文所述的固相外延生长工艺的应用而导致的改良的响应及均匀性。
本方法的一种变型能通过蓄意改变尖峰烧结条件来实现，以诸如通过快速凝固熔融区而为进行液相外延生长工艺留下足够的时间来保持Al层内的额外的剩余硅。快速凝固的方法之一是当晶片离开熔炉烧结区时，向晶片吹凉空气。这样可以使得额外硅在随后的固相外延生长工艺中可用。这恰好与30年来的工业化生产相反，由于多余的硅会对Al的电导率产生不利影响，同时在Al层和硅晶片时间形成一层较薄的p+层，所以通常工业生产采用尽量减少铝层中剩余硅的数量的尖峰烧结工艺。若认为有利，尖峰烧结后，可以在将晶片加热至大约500℃之前，通过例如溅镀、电子束蒸镀或PECVD等其他方式将硅额外的沉积到背面上。因为加热时，额外硅会快速渗入Al层，所以这也为固相外延生长工艺提供了额外硅。
将说明基于n型晶片的太阳能电池实施例用来说明本发明的其他方面，但将被确认的是，以下所述方法和结构的主要原理也可适用于p型晶片。
大体上，目前作为商品被生产的大部分太阳能电池是以p型材料为基础制造的，并需将磷高温热扩散进材料顶部表面，从而为产生的电荷载子提供充足的横向热导率，使载子移动到最近的金属指状物，并且，也向顶部表面敷金属提供足够的重掺杂浓度，使之与晶体硅能进行良好的欧姆接触。
参照图10，通过选取掺磷晶片，所述方法和结构可解决磷掺杂剂扩散进该类型晶片的需求。n型硅晶片131将选择正确的赋予收集/生成的电子必要的横向电导率的电阻率，使其向位于金属接点133下方的掺杂区132横向移动并无过多电阻损耗。这被相信是不需或极少需要进行表面扩散的目前所披露的布置除了位于敷金属下方之外的独特特征。但结特别深，并位于器件后部附近。因此，进行顶部表面钝化在这种结构中是尤其重要的，从而将表面复合速度降低至足够低的值以便于在背结处收集产生的空穴。在实现顶部表面充分钝化的同时形成抗反射层的各种方法(如通过氮化硅层135的PECVD沉积法)已经在文献中得到论证和报告。
选择性发射极132的具有金属下方重掺杂以及表面任何位置轻掺杂的等同物可以通过硅晶片131局部区激光掺杂磷实现。这避免了晶片需经过30多秒的500℃以上的高温处理。金属接点133随即通过例如无电镀、电镀或光镀等技术与重掺杂区132自对准。
在此器件设计中，可通过形成背p型区的各种方法来形成背结，并且仍避免晶片经受30多秒的约500℃以上的温度。有两种形成背结和接触的优选方法。第一种方法涉及用铝浆以期望的图案对背面进行丝网印刷，然后在典型地750℃-850℃下尖峰烧结约30秒，以大约2xl018atoms/cm3的速度生成掺铝硅的p+区136，并生成剩余铝层137(保留一些溶解硅)，如图10所示。此外，也可采用激光掺杂经由介电层142将p型掺杂剂扩散进背面，从而生成如图11中所示的局部化区的形式(即线形式或其他形式)的p+型掺杂区138。金属接点141随即通过无电镀、电镀或光镀或其他敷金属工艺(如前述适用于受光面的工艺)与重掺杂区138进行自对准。
参照图12、图13和图14，将得到图10的电池设计的可行实施步骤的一个实例如下：
1.参照图12，使用180um厚、工业型5″、2.5欧姆厘米CZ n型晶片161；
2.进行碱性织构，以在受光面上形成直立的任意金字塔162；
3.在晶片受光面上沉积75nm厚的氮化硅层163；
4.在晶片161的背面上丝网印刷大约20微米的Al层164，然后在红外带式炉中通过传统的尖峰烧结工艺形成图13中所示的Al-Si合金层165和p+区166。
5.将磷源171施加到受光面上。需注意的是，掺杂剂源可为固态、液态或气态，但为了便于绘图，示出为固体沉积。
6.用激光172加热掺杂剂源，从而在待设置金属线的任何位置产生重掺磷硅123。
7.参照图14，在受光面通过镀覆铜/银或镍/铜/银(包括接下来所应用的镍的烧结)来形成电极174。
通常在激光掺杂电池中电极敷金属174的优选方案是，首先是薄的镍层，然后是厚许多的铜层，最后是极薄的银层或锡层。旨在将铜作为主要的导电体，但它需要镍作为与硅连接的界面层，当温度约为400℃时，镍会形成作为扩散势垒以防止进入硅中的铜扩散到典型地距表面仅约1微米远的结区中的镍硅化物。该电池设计的一个重要且独特的方面是，在上述步骤7中，不再需要镍作为与硅的界面层，因为正面上的铜与结隔开了近似等于晶片的宽度的较长距离。可替换地，镍仍可包含在内但未经烧结，直到形成完整的敷金属方案结束为止。因为不再担心与当铜已经镀覆到表面上时将晶片加热至400℃相关的这样的电池制造顺序问题，所以这是可以成立的。
在执行图10的背面带铝的电池设计的情况下，若在烧结铝之后进行前表面的激光掺杂，由于铝-硅共熔温度仅为577℃，所以激光掺杂所产生的热量有可能会损伤邻近的背面p+区的质量。这个问题可以用三种方法解决。
第一，如果用于熔融及掺杂硅的激光脉冲保持足够短且脉冲能量低于某一临界水平，则硅能在晶片的前方熔化，而背面仍低于577℃，在铝和硅的低共熔温度下，背面结区开始熔化。如果要发生这种熔化，则在尖峰烧结期间发生的外延生长工艺期间形成的现有高质量p+区将由于激光脉冲之后的快速凝固而受损。如果使用适当的短脉冲来避免这种背面结的熔化，则在每个位置中需要多次激光脉冲，从而在足够长的时间内熔化硅，以允许掺杂剂的充分混合，如由Wenham和Hameiri在临时专利第2009900924号“改良的用于硅的局部化掺杂的激光操作(Improved laseroperation for localized doping of silicon)”中所教导的。如果这些脉冲多于微秒或是相隔很远，则正面处的硅会在脉冲之间凝固，允许背面结区也充分冷却以致这类的多个脉冲将不会对结或p+区造成明显损伤。在Wenham和Hameiri的此同一专利申请中，教导了由于硅与覆盖在其上的抗反射涂层之间的热膨胀系数不匹配所导致的形成在激光掺杂区的邻近区中的缺陷，同一位置的许多脉冲会引起严重的损伤。这种缺陷导致器件性能的劣化，这主要是因为这种缺陷影响了结区或者通过分流而绕过结。在当前描述的结构中，通过将结设置在距激光掺杂区很远的位置从而使这种缺陷不能引起结复合或结分流来避免这些问题。
第二，有关激光损伤背面结/p+区的问题能通过在激光掺杂工艺之后典型地在400℃-500℃的一温度下进行固相外延生长工艺从而修复该损伤来解决。如果正面处的激光脉冲能使背面处的硅/铝/p+区熔化，则每次脉冲结束时的快速凝固防止了高质量外延生长的p+层及对应的高质量结的形成。然而，快速凝固使得在铝层内留下剩余硅。在200℃-577℃范围内的温度下，这种剩余硅将外延地生长在以约2x1018atoms/cm3的掺杂有铝的晶体硅表面上。这能用于使铝与任何暴露的n型区隔开，从而修复诸如由在晶片的前方的激光掺杂工艺期间由来自激光的热量引起的分流所导致的损伤。
第三，有关晶片的前方的激光掺杂工艺对背面结的损伤的所述问题能通过颠倒顺序并在施加丝网印刷的铝接点之前进行激光掺杂工艺来解决。这样，来自激光的热量就不能损伤结。然而，尖峰烧结又为激光掺杂区带来一些混乱，诸如表面的氧化，因此需要稍后进行额外的加工，以为镀覆工艺做准备。
在如图15所示的在背面上使用激光掺杂区的情况下，首先在背面上沉积氮化硅152(或其他表面钝化介电层)，以使n型晶片131的表面钝化。将价3掺杂剂源加入到氮化硅层152中，或者随后将上述掺杂剂源施加到背面上，接着用磷源以类似方式对正面进行激光掺杂。在背面的局部化区域156的激光掺杂之后，在进行固相外延生长工艺之前，能在背面上沉积优选地包含低浓度的硅的铝层157(或者能随后在铝层上沉积硅)。这种固相外延生长工艺对于因氮化硅157与硅晶片131之间的热膨胀系数不匹配而邻近背面上的激光熔融区156形成的损伤和缺陷而言尤为重要。对氮化硅157的任何损伤，诸如开口153(即气孔)，将形成暴露的硅区，这通常导致当沉积铝时结的分流。然而，在这种情况下，硅在铝157内的高迁移率允许硅快速地外延生长在任何可由源自背面上的激光掺杂工艺的这种缺陷或损伤所产生的暴露的硅区上。固相外延生长材料154是掺铝p型，且因此能修复任何损伤或结的分流。相似地，氮化硅152中的允许铝直接接触n型表面因此引起分流的任何气孔也将使这种气孔位置中的p型材料的固相外延生长成核，因此形成将防止分流或不期望的肖特基接点的形成的局部化结。将得到图15的电池设计的可行实施步骤的一个实例如下：
1.织构n型晶片的表面
2.在正面和背面两者上沉积氮化硅
3.将n型掺杂物源施加到正面上
4.将p型掺杂物源施加到背面上
5.对正面和背面两者进行激光掺杂
6.诸如通过溅镀、等离子喷涂、电子束、热蒸镀或丝网印刷在晶片背面上沉积包含少量硅的Al
7.在500℃下进行10分钟热处理，以有利于固相外延生长(以及同时在Si上烧结Al)
8.镀覆前金属接点
在这种所述的图15的电池设计实施方式中，可避免使用铝和后续的固相外延生长工艺，只要能以避免源自缺陷产生或邻近激光熔融区的其他损伤的问题的方式进行背面处的激光掺杂。在这种情况下，例如，镀覆接点141可用于接触p型激光掺杂区，如图11所示的。将得到图11的电池设计的可行实施步骤的一个实例如下：
1.织构n型晶片的表面
2.在正面和背面两者上沉积氮化硅
3.将n型掺杂物源施加到正面上
4.将p型掺杂物源施加到背面上
5.对正面和背面两者进行激光掺杂
6.镀覆前金属接点和后金属接点(包括铜及银或锡的沉积之前的镍的烧结)
这种制作顺序的另一重要方面是以这样的方式的氮化硅层的沉积，即，允许将所述氮化硅层用作诸如通过光镀的金属电极的形成的镀覆膜。扩散表面通常干扰用于氮化硅的PECVD沉积工艺，导致气孔的形成，这些气孔后续干扰镀覆工艺，导致这些气孔附近的不期望的镀覆。在此制作顺序中避免使用扩散表面因此避免了氮化硅层中的气孔的这种问题。
所提议的这种工艺的另一重要方面是可用未扩散的顶部表面达到表面钝化的质量。已用多层抗反射涂层达到最佳结果，由此第一层是极薄的，并专门为了其表面钝化质量进行沉积。一个实例是折射率在2.0以上的富硅氮化硅层，所述富硅氮化硅层的厚度典型地将仅在10埃-200埃的范围内，以避免过度的光吸收。在这种情况下，沉积在第一层上的第二层需要比第一层厚很多，并且其厚度和折射率使来自表面的反射降到最低限度。
上述内容的一种变型是用磷对表面进行轻扩散以降低表面复合，或者蓄意将正电荷143加入到介电层中从而如图16所示的通过静电作用增加半导体的表面处的负电荷144进而也降低表面复合。对于这些目的，表面电阻率为500欧每平方米或以上的表面n型层就是足够的，但仅在如果通过介电层的硅的直接表面钝化不充分时才需要。
尽管已从使用n型晶片的观点提出了本文所描述的实施例，但精确的等效物可实现使用p型晶片。并且，当在激光掺杂之前将相反极性的掺杂物源施加在正面和背面上时，取决于所用的源，可能需要一次完成一种极性，随后在于相反表面上施加相反极性源之前去除该源，以防止两种极性相互干扰。
因此，本领域技术人员应理解的是，只要不背离如概括地描述的本发明的范围的前提下，可对如特定实施例所示的本发明做出各种改变和/或修改。因此，本实施例在所有方面都应被看作是说明性的而非限制性的。

Claims (11)

1.一种形成光伏器件的方法，包括：
a）使n型晶体硅晶片的第一受光面钝化；
b）在与所述半导体材料层的所述第一受光面相对地设置的第二表面上形成通过来自液态硅铝合金的p+材料的外延生长形成的p型半导体材料区，以邻近所述第二表面形成p-n结；
c）在形成所述p型区之后，在低于铝硅低共熔温度的一温度下执行低温固相外延生长工艺，从而通过固相外延生长使所述铝和/或所述硅铝合金内的剩余硅在铝/硅界面处形成p型区；
d）邻近与所述半导体材料相同掺杂剂类型的所述第一受光面施加掺杂剂源；
e）通过所述掺杂剂源对所述半导体材料的所述第一受光面进行激光掺杂，以增大待与所述半导体材料的所述第一受光面的第一金属接点接触的半导体区域的掺杂级，其中，所述激光掺杂步骤引起待与所述第一金属接点接触的半导体区域的表面熔化；
f）形成与所述第一掺杂剂型的半导体材料层的所述第一受光面的激光掺杂区域的所述第一金属接点；以及
g）形成与所述半导体材料层的所述第二表面上的相反掺杂材料的第二接点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，钝化层或表面钝化处理提供所述表面钝化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一受光面上方形成抗反射层，并且还提供所述表面钝化，并且与n型的所述第一受光面的金属接点的形成包括通过所述抗反射层的激光掺杂。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述第一受光面上方形成抗反射层，并且与所述第一掺杂剂型的第一受光面的金属接点的形成包括通过抗反射层的激光掺杂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述激光掺杂包括对所述第一受光面施加固态掺杂剂源或向所述第一受光面供应液态掺杂剂源、或将所述光伏器件的所述第一受光面设置在气态掺杂剂源气氛中、以及通过表面钝化层和/或抗反射层的激光掺杂。
6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，在激光掺杂之后，通过无电镀、电镀或光镀技术中的一种将所述第一金属接点施加为自对准的金属接点。
7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，使邻近所述第一受光面的半导体材料掺杂为实现在100欧每平方米-5000欧每平方米的范围内的表面电阻率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用热扩散工艺来执行所述第一受光面的掺杂。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液态硅铝合金的剩余物形成用于所述p型区的铝敷金属。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在一脉冲能量和脉冲频率下操作激光，这防止所述结区达到铝/硅的低共熔温度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述第一受光面的接点包含选自镍、铜、锡或银中的一种或多种的镀覆金属。
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