CN102282683A - 太阳能电池和用于由硅基底制造太阳能电池的方法 - Google Patents

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A·沃尔夫
L·戈特罗
S·梅克
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Abstract

本发明涉及一种用于由硅基底(1)、尤其是硅晶片制造具有正面和背面的太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：A.使所述硅基底(1)的一个面具有纹路以改进太阳能电池受到电磁辐射时的吸收性和/或去除所述硅基底(1)的一个面上的锯切损伤，B.通过扩散入一掺杂材料在所述硅基底(1)的一个面上产生一发射极区域(2)，用以形成一pn结，C.去除玻璃层，其中所述玻璃层包含所述掺杂材料，D.施加掩蔽层(3)，其中所述掩蔽层(3)是介电层，E.去除所述硅基底(1)材料的一部分，F.施加金属化结构(5、6)，以用于太阳能电池的电接触。重要的是：在方法步骤E和F之间实施热氧化，以形成氧化层(4)，掩蔽层(3)和氧化层(4)在随后的工艺步骤中保留在硅基底(1)上。

Description

太阳能电池和用于由硅基底制造太阳能电池的方法
技术领域
本发明涉及一种用于由硅基底制造具有正面和背面的太阳能电池的方法，以及根据这种方法制造的太阳能电池。
背景技术
已知多种方法用于由硅基底制造太阳能电池。以均匀地n型或p型掺杂的硅晶片为起点的这种方法典型地包括如下方法步骤：产生一用于改进硅基底的正面上的光学特性的纹路/绒面；在正面上实施扩散以产生发射极并形成pn结；去除在前述扩散中形成的硅酸盐玻璃；施加减反射层以进一步改进硅基底的正面上的光学特性，以及最后在太阳能电池的正面和背面上施加金属化结构，以通过正面金属化结构电接触发射极和通过背面金属化结构电接触其余的基底(基极)。
在利用这种方法工业制造的太阳能电池中，通常整个背面整面地被铝硅混合物覆盖。这样做的缺点在于，由于小的钝化作用、即高的复合率以及进而用于获取电能的载流子对的损失，产生了太阳能电池效率的降低。此外，这种太阳能电池的背面具有小的光学反射效果，因此通过正面进入太阳能电池中的电磁辐射部分地在背面上被吸收，并因此不用于继续产生载流子对。这样导致了太阳能电池效率的进一步降低。
尽管已知部分克服了前述缺点的工序，然而这种工序表现出对本来已知的工序的较大的改变，因此这种工序只有花费很大功夫才能集成在已经存在的工业制造过程中，导致制造成本的显著增加。
为了实现太阳能电池背面的较好的钝化，已知：在发射极扩散入以及在将设计为氮化硅层的减反射层施加在硅基底的正面上之后，在硅基底的背面上进行材料剥蚀，以便剥蚀可能在背面上扩散入的发射极，并接着借助PECVD(等离子体增强化学气相沉积)将用于钝化的层结构施加在背面上。该层结构由第一层SiOXNY:H和层SiNX:H组成。在会议论文Industrial Type Cz Silicon Solar Cells With Screen-Printed Fine Line FrontContacts And Passivated Rear Contacted By Laser Firing(Marc Hofmannel aI.，23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，1-5 September 2008，Valencia，Spain)中描述了这种过程。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提出一种可供选择的工序，其导致了与之前已知的方法相比改善了的——尤其是太阳能电池背面的——钝化和/或利用较简单和较廉价的工艺步骤实现了良好的钝化效果。此外，本发明提供了一种方法，该方法一方面提高了借助这种方法制造的太阳能电池的效率，另一方面实现了以简单的方式把该新方法集成在已知的制造过程中。
通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求17所述的太阳能电池实现该目的。在权利要求2至16中可找到根据本发明的方法的有利的设计方案。
根据本发明的用于由硅基底尤其是硅晶片制造具有正面和背面的太阳能电池的方法包括如下步骤：
在方法步骤A中，使所述硅基底的至少一个面具有纹路/进行制绒(Texturierung)以改进太阳能电池受到电磁辐射时的吸收性和/或去除所述硅基底的至少一个面上的锯切损伤。硅基底表面上的在制造硅基底时由于从一块上锯下而产生的这种污物和晶体结构的凹凸或缺陷被称为“锯切损伤”。优选通过在KOH或NaOH溶液中蚀刻/腐蚀太阳能电池来使单晶硅具有纹路，所述溶液中含有异丙醇或其它有机组成成分。对多晶硅来说，所述蚀刻优选在HNO3和HF的混合物中进行。在本发明的框架中还存在通过其它湿化学方法和/或掩模(例如光刻工艺步骤)产生纹路或借助于等离子体或激光工艺实施纹路的其它方法。
本发明的方法优选在已经均匀掺杂的硅基底上进行，可选地，硅基底的均匀掺杂也可作为前置的方法步骤包括在本发明的框架中。
在步骤B中，通过扩散入至少一种掺杂材料至少在所述硅基底的至少一个面的部分区域上产生一发射极区域。在此，如此选择该掺杂材料，即进行与硅基底的均匀掺杂相反的掺杂。典型地，该方法应用于均匀p型掺杂的硅基底，从而在方法步骤B中相应地形成n型掺杂的发射极。然而，倒过来的情况也包括在本发明的框架中，亦即，使用均匀n型掺杂的硅基底并在方法步骤B中相应地形成p型掺杂的发射极区域，由于该相反的掺杂，在所产生的发射极区域与硅基底(基极)的与之邻接的均匀掺杂区域之间形成了pn结。
与在方法步骤B中产生发射极区域相联系，在硅基底的表面上出现形式为含有掺杂材料的玻璃层的残留物。如果例如发射极区域借助于掺杂材料的扩散产生了硼，那么在所述表面上形成硼硅酸盐玻璃。
因此，在方法步骤C中去除所述硅基底的至少一个面上的玻璃层，其中所述玻璃层包含掺杂材料。优选在硅基底的正面和背面上进行所述去除。例如，玻璃层可在掺杂材料气相扩散时产生，或者可以在步骤B中首先施加包含掺杂材料的玻璃层以扩散入掺杂材料。
在方法步骤D中，至少在所述硅基底的至少一个面的至少一个部分区域上施加掩蔽层，其中所述掩蔽层是介电层。
然后，在方法步骤E中从所述硅基底的至少一个面上剥蚀所述硅基底材料的至少一部分和/或整理所述表面的至少一个面。“整理”是一种表面处理，其导致在后续的钝化步骤中实现经整理的表面的更好的电钝化，所述整理优选包括略微的材料剥蚀。在这种材料剥蚀中，优选在硅基底的不希望有发射极的表面区域上——例如在制造标准太阳能电池结构时在硅基底的背面上——去除发射极。同样包括在本发明框架中的是，附加地在去除发射极之后或替代地，仅至少在硅基底的表面的部分区域上进行表面整理。
在方法步骤F中，在所述硅基底的正面和/或背面上施加金属化结构，以用于太阳能电池的电触点接通，尤其用于硅基底的均匀掺杂的区域和发射极区域的电触点接通。
这里重要的是：在方法步骤E和F之间在方法步骤E2中实施热氧化，以在所述硅基底的正面和/或背面的一不被在步骤D中施加的掩蔽层覆盖的部分区域中形成热氧化层。因此在根据本发明的方法中，通过借助于热氧化形成的氧化层至少局部地覆盖硅基底的至少一个面。此外，重要的是，在后续的工艺步骤中掩蔽层和氧化层都不再从太阳能电池上被去除。与例如在光刻工艺中仅用于结构形成并然后再次被去除的掩蔽层相比，在根据本发明的方法中掩蔽层和氧化层都基本上保留在太阳能电池上，也就是说，尤其是不会发生氧化层和掩蔽层的完全去除。这样做的背景在于，鉴于进入太阳能电池中的电磁辐射，掩蔽层和氧化层用于改进表面钝化和/或光学特性。热氧化优选在管式炉中或连续生产设备中、优选在包含例如形式为O2或O3的氧气或臭氧的氧气源的处理氛围/环境中进行。为了加速氧化，优选在处理氛围中还包含水蒸汽。此外，优选在处理氛围中包含DCE(二氯乙烯)以加速氧化。为了进一步加速氧化，还可以在处理室中在增高的压力下进行所述氧化。
因此，根据本发明的方法与之前已知的方法的区别首先在于，所述两种层保留在太阳能电池上。相对于开头提及的之前已知的、其中在太阳能电池的背面上借助于PECVD施加层结构以改进钝化效果的方法，根据本发明的方法与其的区别尤其在于，借助于热氧化施加热氧化层。
在此，“氧化层”表示一种借助于热氧化产生的层，其典型地来源于硅基底的表面的氧化。基于此，该氧化层可含有硅，且例如形成为SiO2层或以其它化学计量的比例形成为SiOX层。
使用氧化层的优点为，在表面极好地钝化的同时，实现了牢固地装入钝化层中的电荷的小密度。尤其在使用p型基底时，在钝化的层中形成高密度的正电荷会导致，在与该层邻接的边界面上在硅的内部会积累作为镜像电荷的负电荷。已知的是，这些镜像电荷会形成反型层并通过与背面触点的短路导致太阳能电池的电流损失。
使用借助于热氧化产生的氧化层的优点尤其在于，这种氧化层具有与硅基底的表面邻接的可良好地钝化的边界面，这是因为氧化层由于氧化作用略微“长进”基底表面中并因此与通过其它方法淀积的氧化层相比具有更加合适的表面。
在之前已知的方法中，目前为止人们认为，通过热氧化施加氧化层具有多个缺点：
一方面，如果希望太阳能电池封装在模块内，那么氧化层仅有条件地适用于太阳能电池的减反射层。在这种情况下，借助于热氧化制造的氧化层的折射率对于太阳能电池的光学特性是不利的。此外在之前已知的方法中，不能阻止在借助于氧化层使例如太阳能电池的背面钝化时，同样在太阳能电池的正面上形成氧化层，这导致了在光学特性方面的所述缺点。尤其被证明不利的影响为，在热氧化时，氧化层在具有纹路的表面上如典型地在太阳能电池的正面上比在平坦的表面上如典型地在太阳能电池的背面上生长得快。
另一个缺点在于，在其上形成有发射极区域的表面上借助于热氧化形成氧化层导致了发射极区域的局部耗尽，因此损害了太阳能电池的电特性。
因此，掩蔽层有利地具有尤其在热氧化时阻碍在掩蔽层上形成氧化层的特性。申请人的研究表明，尤其在掩蔽层形成为氮化硅层或碳化硅层时存在这种阻碍氧化层形成的效果。
因此，在该有利的实施形式中，第一次能够借助于掩蔽层掩盖硅基底表面的部分区域并然后进行热氧化，由于掩蔽层在形成氧化层方面的阻碍作用，所以该热氧化主要导致在未被掩蔽层覆盖的区域中形成氧化层。所以，由此可以利用氧化层对于根据本发明的方法制造的太阳能电池的钝化作用这一优点，并同时可以避免之前提及的、在尤其是在具有纹路的正面上和/或在其上布置了发射极的表面上形成寄生的氧化层方面的缺点。尤其有利的是，在太阳能电池的受到电磁辐射的面上形成掩蔽层，且该掩蔽层设计为减反射层。在此，掩蔽层优选设计为氮化硅层，这是因为氮化硅层用作减反射层是普遍的，并进而可以援引之前已知的工艺顺序。
在此，在太阳能电池的工艺结束之后对设计为减反射层的掩蔽层的减反射效果进行优化是有利的，尤其有利的是，减反射层的厚度在50nm至150nm的范围内，尤其在60nm至100nm的范围内，优选在65nm至90nm的范围内。
可以通过不同方式施加掩蔽层，优选通过PECVD、喷涂或APCVD来施加。掩蔽层的折射率优选为约2.1。然而也可以合理地使用1.9-2.7、尤其是2.0-2.3的折射率。该层内部的折射率具有不同的值是尤其有利的。
在根据本发明的方法的另一种有利的实施形式中，在方法步骤D中基本上仅在掩蔽层侧(其为硅基底的正面或背面)上施加掩蔽层。当如之前所述，掩蔽层设计为减反射层且例如施加在硅基底的正面上时，这样做例如是值得期望的。
优选如此设计掩蔽层，即通过用于材料剥蚀的特定工艺、尤其通过特定的蚀刻工艺，掩蔽层不会被剥蚀或仅略微被剥蚀。因此，在根据本发明的方法的该优选的实施形式中，掩蔽层不仅用于当在方法步骤E2中产生氧化层时进行掩蔽，而且用于在方法步骤E中如此进行掩蔽，使得在方法步骤E中在硅基底表面的那些被掩蔽层覆盖的区域上不剥蚀或仅略微剥蚀材料。因此，在步骤D中被施加的掩蔽层和步骤E中材料剥蚀的过程如此协调，使得步骤E中的材料剥蚀不剥蚀或仅略微剥蚀掩蔽层。
如果掩蔽层例如设计为氮化硅层，那么该层基本上对由浓缩的碱性介质如KOH、NaOH、NH4OH；酸性介质如浓缩的HCl或HNO3以及在升高的温度下的稀释的HF；和特定的含有过氧化氢的混合物如HCl+H2O2、NH4OH+H2O2造成的蚀刻/腐蚀具有耐抗性。
当合适地选择层时，这种耐抗性足以在其中硅未被该层覆盖的区域中剥蚀硅(以便例如剥蚀被掺杂的或在其它方面有缺陷的区域)，和/或足以使未被覆盖的区域被整理，从而在随后的步骤(例如热氧化)中允许极高质量的电钝化，同时掩蔽物保护应不被加工的区域，此时掩蔽物仅无关紧要地被侵蚀或通过选择合适的结果厚度而无损伤地被侵蚀，且掩蔽物能尤其作为减反射层保留在太阳能电池上。
申请人的研究表明，即使在单侧地施加掩蔽层时，通常还是在硅基底的与掩蔽层侧相对的侧上至少部分地形成掩蔽层。因此在一种有利的实施形式中，在方法步骤E中在硅基底的与掩蔽层侧相对的侧上进行单侧的材料剥蚀，以去除掩蔽层的可能的、不期望的、施加在与掩蔽层侧相对的侧上的部分。因此在该有利的实施形式中，在步骤E中仅仅和/或附加地如此进行单侧的材料剥蚀，使得剥蚀所述侧上的掩蔽层。
如果该掩蔽层例如设计为氮化硅层，那么例如可以利用下面的腐蚀介质腐蚀该层，其中位于该掩蔽层下的硅随后也可被剥蚀(耐抗性取决于层的厚度和组成成分，且随着厚度的增加而增大)：浓缩的HF、由HF和水和HNO3以及热的浓缩磷酸组成的浓缩的混合物。因此，借助于这样的物质可以至少局部地去除该层。
优选借助于滚涂腐蚀性的、优选酸性的物质，尤其借助于滚涂至少由HF和水或至少由HNO3和HF和水组成的混合物来进行这种单侧的材料剥蚀。优选在连续生产设备中进行这种滚涂。可选地，例如也可以使用等离子刻蚀工艺(例如借助于SF6或NF3或CF4，或F2或借助于含氯的等离子体)。不同的方法可以用作激发源：微波频率、高频、低频、射频、DC、扩展的热力等离子激发。当选择合适的工艺设定时，该工艺也适用于在没有明显的硅剥蚀的情况下进行纯粹的整理(见下文)。
尤其有利的是，在方法步骤E中首先进行单侧的材料剥蚀，然后——优选通过蚀刻工艺借助于KOH溶液——进行硅基底的表面整理。同样在本发明框架内的是，仅对未被掩蔽的区域进行表面整理。在材料剥蚀中，通常剥蚀掉厚度为至少1μm的层，在纯表面整理中，通常剥蚀掉厚度小于0.1μm的层，而在一些形式的表面整理中也可不剥蚀材料。优选通过蚀刻工艺、尤其借助于碱性溶液、特别是借助于含有KOH和/或NaOH和/或NH4OH的溶液进行表面整理。
表面整理优选附加地或另选地包括如下步骤：
浸入氢氟酸(可能用水稀释了)中或浸入由氢氧化铵和过氧化氢和水组成的混合物中或浸入由HCl和过氧化氢和水组成的混合物中或浸入由H2SO4和过氧化氢和水组成的混合物中。另外，也可以通过浸入HNO3和水的混合物中来进行清洗。其中这些工艺步骤也可以组合起来。由半导体工艺技术已知了清洗工艺，如RCA、SC1、SC2、过氧硫酸清洗(Piranha)、臭氧清洗、Ohmi清洗(Ohmi Clean)和IMEC清洗，且可以与本发明相联系地使用这些清洗工艺。
尤其有利的是在执行过程中升高混合物的温度。例如在Hankbook ofSilicon Wafer Cleaning Technology(Materials Science and ProcessTechnology)(硅晶片清洗技术手册(材料科学和工艺技术))(出版社：Elsevier；第二版；2007.12.1)中描述了这种和另外的可与根据本发明的方法组合起来的清洗方法。
这样做的原因在于申请人的认知，即之前描述的单侧的材料剥蚀通常导致不可良好钝化的表面质量，从而使借助于热氧化直接施加的氧化层仅导致该表面的不足的电钝化。因此，有利地在材料剥蚀之后首先进行表面整理，然后实施热氧化以施加氧化层。
申请人的研究表明，掩蔽层有利地具有在2.3g/cm3至3.6g/cm3之间、尤其在2.5g/cm3至3.6g/cm3之间、优选在2.6g/cm3至3.6g/cm3之间、最优选在2.65g/cm3至3.6g/cm3之间的密度。具有较高密度的掩蔽层对于后续的工艺步骤尤其是蚀刻步骤具有较大的抵抗力。
为了形成足够的电钝化，有利的是，在方法步骤E2中施加厚度在4nm和200nm之间、尤其在4nm和100nm之间、优选在4nm和30nm之间、最优选在4nm和15nm之间的范围内的氧化层。
申请人的研究还表明，可以这样实现表面的特别高的电钝化，即在方法步骤E2和F之间、在方法步骤E3中在氧化层上施加另一个层，从而存在层系统。优选在方法步骤E3中在氧化层上施加氮化硅层，因为这样导致硅基底的位于其下的表面的特别好的电钝化效果。同样包括在本发明框架中的是，在氧化层上施加另外的层和/或层序列例如其它的氧化层；组成成分为SiOXNY:H、SiNX:H的层；包括非晶硅、碳化硅、氧化铝、二氧化钛、普遍的金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物的层和混合层或多层式的层。
在掩蔽层设计为减反射层时，有利的是，在步骤F中把金属化结构施加在减反射层上，并使得该金属化结构至少局部地穿透过该减反射层，从而该金属化结构与位于减反射层之下的硅基底或这里形成的发射极区域导电地连接。同样包括在本发明框架中的是，在金属化之前如此结构化所述多个覆层，使得金属化结构不必穿透这些层，因为硅已经是可接触的了。
根据本发明的方法适用于制造所谓的标准太阳能电池，亦即在正面上具有发射极和在正面上具有相应的用于电接触发射极的通常为梳状的金属化结构而在背面上具有通常为整面的用于触点接通与所述发射极相反地掺杂的硅基底的金属化结构的太阳能电池。
有利地，所述背面不是整面、均匀地被金属化，而是具有至少一个、优选两个可焊接的金属化的区域，以在模块连接中使太阳能电池与其它太阳能电池——优选借助于焊接触点——连接。
然而，根据本发明的方法同样适合于形成太阳能电池的复杂的结构——例如通过在背面的金属化结构之间仅产生局部的触点。尤其有利的是，背面基本上整面地至少具有所述借助于热氧化施加的氧化层，在该氧化层上涂覆上整面的金属层并局部地形成金属层对氧化层的穿透——例如通过借助于激光的局部的热熔融(所谓的激光烧结触点)。
同样包括在本发明框架中的是，借助于根据本发明的方法制造其它的太阳能电池结构。该方法尤其用于制造所谓的金属穿孔卷绕太阳能电池(MWT太阳能电池)：
在一种优选的实施形式中，在方法步骤A之前在方法步骤A0中在硅基底中形成多个开口，该开口基本上垂直于正面地穿通硅基底。
所述开口制造成优选具有20μm至3mm、尤其30μm至200μm、优选40μm至150μm的平均直径。
优选在方法步骤F中既在硅基底正面又在硅基底背面上施加金属化结构，且附加地，正面的金属化结构借助于开口中的金属化结构穿通至硅基底的背面上。
背面上的金属化结构在此如此设计，使得背面金属化结构和穿过开口的金属化结构不具有电接触。由此制成MWT太阳能电池，其优点在于，通过太阳能电池的背面可电接触到该电触点接通部的负极以及正极。
同样包括在本发明框架中的是，该金属化结构在以后的工艺步骤中穿通过所述开口。
在利用根据本发明的方法制造MWT太阳能电池时，有利地在方法步骤D和E之间插入过程D2，在该过程D2中进行局部的掩蔽，其阻止了在后续的步骤E中使用相应的蚀刻工艺时在步骤E中去除发射极。该掩蔽尤其在开口和在与开口邻接的硅区域中进行。在完成过程E之后，可以去除在D2中施加的掩蔽。
可以通过使会被触点接通的发射极位于孔口中和太阳能电池的背面上来实现太阳能电池的金属化。由此实现了，正面的金属化结构通过孔口与背面的金属化结构相连接，而同时，由pn结分开的所述这些区域不会发生短路，这是因为与背面的其余的金属化结构分开的该金属化结构覆盖发射极区域，并进而不具有与基极的电接触。
关于掩蔽层的形成，优选如此选择该层中的氢含量和/或硅含量，使得给出用于后续工艺步骤的层的耐抗性(其受到氢含量的影响，例如参见Dekkers等人著的Solar Energy Materials and Solar Cells(太阳能材料和太阳能电池)，90(2006)3244-3250)。
在根据本发明的用于制造MWT太阳能电池的方法的另一种优选的实施形式中，在方法步骤E2和F之间在开口中施加电绝缘层。由此阻止了，在金属化结构穿通过开口时，开口中的金属化结构进入基底中并造成复合中心或导致短路。该层例如可以是氧化层和/或掩蔽层，或者可以在开口中通过氧化层进行局部的覆盖和/或在开口中通过掩蔽层进行局部的覆盖。
同样在本发明框架中的是，根据本发明的方法设计用于制造所谓的发射极穿孔卷绕太阳能电池(EWT太阳能电池)。该方法步骤的顺序基本上对应于制造MWT太阳能电池时的顺序。然而，在EWT太阳能电池中，开口中没有足够的金属化结构或没有在从正面至背面的导电能力方面足够的金属化结构。取而代之地，在开口的壁部上，发射极从硅基底的正面通至背面，因此通过这种方式，背面上的发射极可被触点接通，且通过形成在孔壁上的发射极与正面上的发射极导电地连接。相应地在该有利的实施形式中，在方法步骤F中没有金属化结构施加在正面上，而是在背面上施加用于触点接通发射极的金属化结构和用于触点接通基极的金属化结构。
在根据本发明的方法中，掩蔽层在步骤D中作为减反射层有利地施加在硅基底的正面上，相应地，氧化层在方法步骤E2中借助于热氧化施加在硅基底的背面上。尤其有利的是，在步骤E中在硅基底的正面上形成发射极区域。
此外，在根据本发明的方法的该有利的实施形式中有利的是，在方法步骤F中，金属化结构借助于丝网印刷方法施加在正面上。掩蔽层设计为减反射层、尤其设计为氮化硅层的优点在于，掩蔽层针对所有重要的工艺步骤表现为对位于其下的硅基底的表面的保护，而施加在掩蔽层上的含金属的丝网印刷浆料在应用普通的工艺步骤时穿透过掩蔽层、尤其穿透过氮化硅层，并进而产生了该金属化结构与位于掩蔽层之下的发射极之间的电连接。这样的原因在于，在通常应用的温度步骤中，减反射层、尤其是氮化硅层被普遍使用的含烧结料的丝网印刷浆料穿透。尽管进行了热氧化(步骤E2)，但在烧结过程中掩蔽层可以被穿透的特性仍保持不变。
因此，在方法步骤F中首先借助于丝网印刷把金属化浆料印在正面上，也就是说在金属化层上，然后利用含金属的层印刷背面，优选在正面上使用含银的浆料，而在背面上使用含铝的浆料。同样在本发明框架中的是，取代丝网印刷使用其它的印刷方法，例如气溶胶喷射印刷、移印、分配的模板印刷或借助于喷墨工艺的印刷。同样在本发明框架中的是，金属化步骤和烧结工艺的顺序被改变。除了所述的印刷方法外，在本发明的框架中还可以使用其它方法以金属化太阳能电池，例如镍或银或其它金属的电镀淀积、或借助于PVD过程如气相沉积的淀积、或金属例如钛、镍、钨或银的喷涂。也可以使用由不同的金属组成的金属层系统。
然后进行用于制造正面触点的温度步骤，其中当例如在背面覆层中形成有开口时也已经可以触点接通背面，或在用于制造正面触点的温度步骤之前进行了下面要描述的LFC过程。
为了制造背面触点，尤其有利的是，使用本来已知的LFC触点接通(激光烧结触点)方法，其中借助于激光点状地在背面上使被施加的铝层和位于其下的、包括薄的硅基底区域在内的层熔融，从而在被熔融的区域再次凝固之后，产生铝层和硅基底之间的电接触。
此外，在本发明的框架中，在触点形成之后还可通过电镀工艺实现金属化结构的增强。在此，尤其有利的是，通过热氧化过程，由热氧化物掩盖了在步骤D中淀积的掩蔽层的可能的缺陷并进而可以禁止在该电镀过程中的金属的寄生淀积。
最后，在根据本发明的方法中有利地进行退火过程，其中可以改进钝化层和/或触点的质量。这种过程可以在不同的氛围下进行。例如氢和氮的混合物，或者氢和氩的混合物都是可以的。也可以使用净化过的压缩空气或仅使用氮。管式炉或连续生产设备可用作过程设备。
附图说明
从下面描述的实施例和附图说明得出根据本发明的方法的其它特征和有利的实施形式。附图示出：
图1和1a：示意性示出根据本发明的用于制造具有正面触点和背面触点的太阳能电池的方法的一种实施例，
图2、2a和2b：示意性示出根据本发明的用于制造MWT太阳能电池的方法的一种实施例，
图3和3a：示意性示出根据本发明的用于制造MWT太阳能电池的方法的另一种实施例，
图4：示出借助图1、1a示出的方法所制造的太阳能电池的正面，
图5：示出借助图2、2a、2b或图3、3a示出的方法所制造的太阳能电池的正面，以及
图6：示出借助图2、2a、2b或图3、3a示出的方法所制造的太阳能电池的背面。
具体实施方式
在下面描述的三种实施例中，硅基底1分别设计为单晶的硅晶片，其具有大致为方形的、边长约为12.5cm的面。晶片的厚度为约250μm。该晶片被均匀地p型掺杂。
图1至3分别示出硅基底1的比例非真实的示意性截面，其中描绘为正面1a在上而背面1b在下。在此，在图2至3中，截面未示出硅基底的整个宽度，而仅仅是整个宽度的一部分。为了更好地说明，减少了相同元件的数量，例如触点6a的数量。
在图1和1a示出的实施例中，在方法步骤A中在包含KOH的碱性溶液中使正面1a具有纹路/制绒(Texturierung)。在此，晶片被浸入氢氧化钾溶液中。除了氢氧化钾外，溶液中还可包含有机添加物，如异丙醇。溶液的温度在约80℃的范围内。氢氧化钾和异丙醇的浓度约为1-7％。然后，还在HCl(盐酸)(10％，1分钟，室温)和随后的HF(氢氟酸)蚀刻过程中(1％，1分钟，室温)中清洗晶片。
此时同样也去除正面和背面的由于从硅块上锯下硅基底1而导致的可能的锯切损伤。
然后，在步骤B中借助于气相的磷扩散在硅基底1的整个表面上形成发射极2。这通过施加掺杂材料源且在升高的温度下进行。例如三氯氧磷POCl3可用作掺杂材料源。在管式炉设备中使POCl3在晶片上被离析出，且所述扩散在约850℃的温度下进行约50分钟。也可以进行其中仅晶片的部分区域具有扩散的扩散过程，从而仅在硅基底的表面的部分区域上形成发射极。
然后，在步骤C中从硅基底的表面去除在发射极扩散时形成的磷硅酸盐玻璃。为了去除磷硅酸盐玻璃或其它残留的掺杂材料源，例如把晶片浸入氢氟酸(大约在室温下且水中的HF为约5％)中2分钟。
接着，在步骤D中基本上在硅基底1的正面1a上施加一形成为氮化硅层(SiNX)的掩蔽层3，该掩蔽层3具有约2.1的折射率。层3具有约80nm的厚度，其中可以依赖于后续的工艺步骤使该层厚度适应结果厚度，以便在工艺结束之后具有最佳厚度。在晶片的朝向光的一面上进行涂层。
为此，使用了PECVD(等离子体增强化学气相沉积)法或喷涂法。
在步骤E中进行硅基底1的材料的剥蚀，其中如果该剥蚀不是通过在单面上作用的方法(在该方法中还可能使用会侵蚀层3的物质)来进行的，则掩蔽层3会阻止该剥蚀，从而在该方法步骤E结束之后，除了硅基底1的被掩蔽层3覆盖的正面区域外，在方法步骤B中扩散入的发射极都被去除。为此，晶片在背面被单面地涂上液态的HNO3:HF混合物。其去除了背面上可能存在的SiN残余物(HNO3为硝酸)。
然后，晶片被浸入氢氧化钾中(10％的KOH，5分钟，80℃)，以使晶片表面光滑并尽可能去除任何位置处的仍存在的没有被SiN覆盖的发射极。
然后在多个步骤中进行表面的整理，优选使用给出的工艺参数：
1.NH4OH∶H2O2(氢氧化铵∶过氧化氢在水中；NH4O为7.1％重量百分比，H2O2为1％重量百分比，10分钟，65℃)
2.用去离子水冲洗
3.HF浸渍(水中的氢氟酸为1％重量百分比，室温下1分钟)
4.用去离子水冲洗
5.HCl∶H2O2(盐酸∶过氧化氢在水中；HCl为8.5％重量百分比，H2O2为1％重量百分比，10分钟，65℃)
6.用去离子水冲洗
7.HF浸渍(如上)
8.用去离子水冲洗
在方法步骤E2中，借助于热氧化(工艺)施加氧化层4。在此，形成为氮化硅层的掩蔽层3对氧化层的构建起到阻碍作用，因此氧化层4基本上只形成在硅基底1的不被掩蔽层3覆盖的表面上。热氧化(工艺)在含有水蒸汽的氛围/环境(约800℃，20分钟)中进行，产生厚度约为15nm的氧化层。也可以为所述氧化(工艺)选择其它工艺温度(例如在550℃-1050℃的范围内)和时间(例如在10秒-300分钟范围内)，以便产生合适的层。
为了缩短氧化时间，尤其还可以选择700℃-1050℃的氧化温度和在2-180分钟范围内的氧化时间，尤其有利地可选择750℃-1000℃的氧化温度和在3-80分钟范围内的氧化时间。
为了较好地钝化硅基底1的背面，在方法步骤E3中，在氧化层4上施加第二层4a，该第二层4a设计为多层结构，该多层结构具有氧氮化硅和氮化硅的层序列。
在方法步骤F1中，借助于丝网印刷在硅基底1的正面上、即在掩蔽层3上施加梳状的金属化结构5，其中使用含银的丝网印刷浆料以完成正面金属化。可选地，也可使用其它建立与硅的接触的金属浆。
在方法步骤F1中，同样借助于丝网印刷使所述背面整面地具有背面金属化结构6(厚度约为30μm)，其相应地形成在由氧化层4和第二层4a组成的层系统上。最后在步骤F2中进行正面触点5的所谓的“烧透/烧结(Durchfeuern)”，也就是说，执行一导致正面触点5穿透过掩蔽层3的温度步骤(在约850℃时)，从而在正面触点5和发射极区域之间形成电接触。
可选地——优选在执行烧透步骤之后——通过借助PVD施加薄的铝层(约2μm)来进行背面的金属化。
各个局部的区域借助激光被瞬时熔接在背面上，因此在熔融混合物凝固之后，同样发生背面金属化结构6穿透过背面的层系统，并进而形成背面金属化结构6和硅基底1的p型掺杂区域之间的导电连接。例如WO0225742中描述了这种激光烧结触点的产生。
最后使太阳能电池在成型气体氛围(95％/5％的N2/H2混合物)中接受低温处理(约350℃，5分钟)。
也可以例如像在前述提及的公开物Industrial Type Cz Silicon SolarCells With Screen-Printed Fine Line Front Contacts And Passivated RearContacted By Laser Firing(Marc Hofmann el aI.，23rd EuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition，1-5 September 2008，Valencia，Spain)中那样设定各方法步骤的工艺参数。然而，一个显著区别在于，在所述公开物中没有在硅基底的背面上施加热氧化物，而是借助于PECVD产生层系统。
图2、2a和2b示出根据本发明的用于制造MWT太阳能电池的方法的一种实施例。
在此，相同的附图标记表示与在图1和1a描述的制造方法中的相同的元件。同样地，称谓相同的方法步骤优选设计为基本相同。
然而，根据图2、2a和2b的用于制造MWT太阳能电池的方法包含一前置的、未示出的方法步骤A0，其中在硅基底1中形成多个优选为圆柱形孔口的开口。这些开口利用激光在硅晶片中形成。这些孔口具有约60μm的直径。其它孔口几何形状也是可以的。
在图2、2a和2b中，分别居中地在示意性剖视图中示出这些开口中的一个，其中在图2、2a和2b中，圆柱形开口的圆柱轴线为竖直的，也就是说，垂直于硅基底1的正面1a。
在方法步骤B中，发射极也相应地形成在开口11的壁部上。
因此，在一附加的方法步骤D2中，在施加了掩蔽层3之后在开口中形成保护性的孔口填充物12。在此，如此实现该孔口填充物12，即除了覆盖所述开口的壁部之外，该孔口填充物12还在硅基底1的背面上围绕所述开口覆盖背面的一区域。例如形成在有机物质上的、具有相应的抗性的浆料或漆可以用作保护性的孔口填充物。无机化合物在此也是合适的。
可选地，也可以按照方法步骤B或C形成该保护性的孔口填充物。
这导致了，在方法步骤E中发射极不仅留在硅基底1的正面和开口11的孔壁上，而且也留在硅基底1的背面的部分区域上。在方法步骤E中已经示出了这种状态，此前所述保护性的孔口填充物被去除。
在此，例如可以通过将一物质局部印在(该物质的布置也可以通过其它技术进行，如分配、喷墨)晶片的背面上和孔口中(其中必须至少覆盖所述孔壁)来进行保护性的孔口填充物的装入和去除，该物质在后续的、其中未被涂层的区域上的硅被侵蚀的工艺步骤中保护所述背面和孔口。在背面上和孔口中留有未被去除的氧化层4的区域。在氧化前还要去除该物质。
然后，如对图1、1a说明的，在方法步骤E2和E3中在硅基底的背面上形成具有氧化层4和设计为多层系统的第二层4a的层系统。因此，该层系统也部分地在开口11的壁部上延伸。
最后，在步骤F中进行金属化，其中正面触点5在该实施例中设计为穿孔触点，其穿透过所述开口并因此是正面至背面的电接触部，这使得发射极能够从太阳能电池的背面被触点接通。
正面触点5在此如此设计，即：该正面触点一方面穿透过开口，而另一方面在硅基底的背面上最多覆盖一比由发射极在背面上覆盖的区域小的区域。由此避免了当正面触点5与硅基底的p型掺杂区域形成电接触时所出现的短路。所述通孔金属化也可通过使用不同的浆料来实现，其中正面触点5首先不通入开口中且不通至背面上。通过使用另一与正面触点5建立电接触的通孔浆料(Via-Paste)5a来产生所述穿通。
也如已经对图1、1a描述的那样，背面的剩下的区域整面地被金属化结构覆盖，该金属化结构借助于局部的由激光造成的熔融形成与硅基底的p型掺杂区域的导电接触。
为了避免短路，在硅基底的背面上，在正面触点5和背面金属化结构6之间分别空出预定的区域。
正面触点5和背面金属化结构6的形成包括如下方法步骤：
1.印上背面金属化结构6(优选含铝)
2.印上通孔浆料5a(优选含银)，该通孔浆料5a在太阳能电池的背面上形成金属化结构，该金属化结构具有穿过孔口与正面的金属化结构的电接触
3.印上正面触点(优选含银)
4.烧结触点(在约850℃)
5.借助于激光在铝层和硅之间形成局部触点接通，该激光点状地使铝穿过位于铝层和硅之间的层，并进而根据激光烧结触点的方法产生触点6a(例如在WO0225742中描述的)。
可选地，在步骤2中根据步骤4或根据步骤5或根据在下面提到的低温处理过程施加——例如通过印刷——通孔浆料。为此，例如通孔浆料也可以仅设计为导电粘合剂或焊膏，且必须仅具有金属组成部分，以便制造与正面触点5的接触和保证触点的实施。
最后，使太阳能电池在成型气体氛围(95％/5％的N2/H2混合物)中接受低温处理(约350℃，5min)。
图2、2a和2b所示的本发明方法的实施例是一种优选的用于制造MWT太阳能电池的方法，其中通过步骤D2中的保护性的孔口填充物和相应地部分保留在背面上的发射极2得到尤其高的安全性，即不会出现太阳能电池的n型掺杂区域和p型掺杂区域之间或正面触点和背面金属化结构之间的短路，并因此避免了由于短路对太阳能电池的效率的损害。
为了简化该方法，尤其为了更价廉地设计该方法，在图3和3a中示出根据本发明的用于制造MWT太阳能电池的方法的第二实施例。
在该方法中，在方法步骤D和E之间没有制造保护性的孔口填充物。方法步骤A、B、C、D、E、E2和E3以及F相当于对图2、2a和2b描述的方法步骤。
当然，由于不存在保护性的孔口填充物，发射极仅留在硅基底的正面1a上，而不在开口11的(基本上不被层3覆盖的)孔壁上，也不在硅基底1的背面的部分区域上。
相应地，正面金属化结构在穿通过开口11之后位于背面上的层系统上。因为层系统不导电，所以不发生与硅基底的p型掺杂区域的短路。诚然，相对于图2、2a和2b描述的方法，存在较大的、在背面上或者在开口11的孔壁上正面触点5和硅基底的p型掺杂区域之间发生短路的风险。但作为补偿，图3和3a描述的制造方法可简单得多且价廉得多地实现。
在图3和3a示出的实施例中，步骤F中的金属化包括如下方法步骤：
1.印上正面触点5(优选含银)
2.印上背面金属化结构6(优选含铝)
3.烧结触点(在约850℃)
4.借助于激光在铝层和硅之间形成局部接触，该激光点状地使铝穿过位于铝层和硅之间的层，并进而根据激光烧结触点的方法产生触点6a(例如在WO0225742中描述的)。
最后，使太阳能电池在成型气体氛围(95％/5％的N2/H2混合物)中接受低温处理(约350℃，5分钟)。
图4示意性示出借助图1、1a所示方法制造的太阳能电池的正面1a的俯视图。在设计为减反射层的掩蔽层3上形成有梳状金属化结构，该梳状金属化结构形成正面触点5。
图5以俯视图示意性地示出借助图2、2a和2b或图3和3a所示的方法制造的太阳能电池的正面。这里，为了提高太阳能电池正面上的光的射入，没有形成梳状金属化结构。取而代之地，在掩蔽层3上形成有多个并行的、分别越过硅基底中的开口延伸的金属化线8，其中在开口中分别形成有从太阳能电池的正面延伸至背面的穿孔金属化结构。该穿孔金属化结构的位置通过圆圈标出并示例性地以附图标记9表示。
因此，金属化线8是正面触点的一部分，该正面触点在图2、2a和2b或图3和3a的剖视图中以附图标记5表示。
图6以俯视图示出借助图2、2a和2b或图3和3a所示的方法制造的太阳能电池的背面。
该背面具有三个大面积的背面金属化区域13、13’和13”。在这些区域之间形成有线形的金属化区域7和7’，其中在所述金属化区域之间分别存在一间隙，从而各个金属化区域之间彼此电绝缘。
因此，背面金属化区域13、13’和13”相当于图2、2a和2b或图3和3a所示的背面金属化结构6。这些背面金属化区域通过基极导电地彼此连接。
金属化区域7和7’沿着硅基底中的开口延伸并垂直于太阳能电池正面上的金属化线8。这些金属化区域通过发射极导电地彼此连接。
因此，金属化区域7和7’相当于图2、2a和2b或图3和3a所示的正面触点5a。
因此，金属化线7与所有的金属化线8导电地连接。因此，通过这种方式，太阳能电池的基极可通过金属化区域13、13’和13”被触点接通，而太阳能电池的发射极可通过金属化区域7和7’被触点接通。
在所有前述的关于方法步骤的应用中，术语“之后”和“然后”仅与在工艺顺序中相继执行的方法步骤有关，且既包括间接地也包括直接地相继执行的方法步骤。

Claims (17)

1.一种用于由硅基底(1)、尤其是硅晶片制造具有正面和背面的太阳能电池的方法，包括如下方法步骤：
i.使所述硅基底(1)的至少一个面具有纹路以改进所述太阳能电池受到电磁辐射时的吸收性和/或去除所述硅基底(1)的至少一个面上的锯切损伤，
ii.通过扩散入至少一种掺杂材料至少在所述硅基底(1)的至少一个面的部分区域上产生至少一个发射极区域(2)，用以形成至少一个pn结，
iii.去除所述硅基底(1)的至少一个面上的玻璃层，其中所述玻璃层包含掺杂材料，
iv.至少在所述硅基底(1)的至少一个面的部分区域上施加掩蔽层(3)，其中所述掩蔽层(3)是介电层，
v.从所述硅基底(1)的至少一个面上剥蚀所述硅基底(1)的材料的至少一部分和/或对所述硅基底(1)的至少一个面进行整理，
vi.在所述硅基底(1)的正面(1a)和/或背面(1b)上施加金属化结构(5、6)，以用于所述太阳能电池的电接触，
其特征在于，
在所述方法步骤E和F之间在方法步骤E2中实施热氧化，以至少在所述硅基底(1)的所述正面和/或背面的部分区域中形成氧化层(4)，所述氧化层不被在步骤D中施加的所述掩蔽层(3)覆盖；所述掩蔽层(3)和所述氧化层(4)基本上在随后的工艺步骤中保留在所述硅基底(1)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如此选择所述掩蔽层(3)，使得：所述掩蔽层阻碍借助于热氧化产生的氧化层在所述掩蔽层上和/或所述掩蔽层下的形成；尤其是，所述掩蔽层(3)是氮化硅层或碳化硅层。
3.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤D中所述掩蔽层(3)基本上仅施加在一掩蔽层侧上，所述掩蔽层侧是所述硅基底(1)的所述正面或所述背面；在方法步骤E中在所述硅基底的与所述掩蔽层侧相对的侧上进行单侧的材料剥蚀，用以去除掩蔽层(3)的可能的不期望的施加在与所述掩蔽层侧相对的侧上的部分；尤其是，所述单侧的材料剥蚀借助于滚涂腐蚀性的、优选酸性的物质来进行，该物质至少剥蚀所述掩蔽层(3)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在方法步骤E中首先进行所述单侧的材料剥蚀，所述单侧的材料剥蚀至少剥蚀所述掩蔽层(3)的所述不期望的部分区域，然后进行另外的材料剥蚀，所述另外的材料剥蚀不剥蚀或仅微弱地剥蚀所述掩蔽层(3)；尤其是，在所述另外的材料剥蚀之后，附加地进行所述硅基底(1)的表面整理，优选通过蚀刻过程来进行所述硅基底(1)的表面整理。
5.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掩蔽层(3)的密度在2.3g/cm3至3.6g/cm3之间，尤其在2.5g/cm3至3.6g/cm3之间，优选在2.6g/cm3至3.6g/cm3之间，最优选在2.65g/cm3至3.6g/cm3之间。
6.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤E2中施加的所述氧化层(4)的厚度在4nm和250nm之间的范围内，尤其在4nm和150nm之间的范围内，优选在4nm和30nm之间的范围内，最优选在4nm和15nm之间的范围内。
7.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤E2和F之间，在方法步骤E3中在所述氧化层(4)上施加至少一个另外的层，优选至少一个氮化硅层和/或氧氮化硅层。
8.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述掩蔽层(3)是减反射层，用以改进电磁辐射对所述太阳能电池的射入，其中所述减反射层优选为氮化硅层。
9.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在步骤F中在所述掩蔽层(3)上施加一金属化结构(5)，且如此进行所述金属化结构对所述掩蔽层的至少局部的穿透，使得所述金属化结构与位于所述掩蔽层之下的所述硅基底导电地连接。
10.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤A之前在方法步骤A0中在所述硅基底(1)中形成多个开口(11)，所述开口基本上垂直于所述正面(1a)地穿通所述硅基底。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在方法步骤B之后，优选在方法步骤D之后，在所述开口(11)中和邻接的表面区域上施加一层，从而在所述方法步骤E中不发生对在所述层下的所述发射极的剥蚀。
12.根据权利要求10至11中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述开口(11)具有20μm至3mm的、尤其是30μm至200μm的、优选40μm至150μm的平均直径。
13.根据权利要求10至12中的至少一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤F中既在所述硅基底(1)的所述正面上又在所述背面上施加金属化结构(5、6)；附加地，所述正面金属化结构借助于所述开口中的金属化结构穿通至所述硅基底(1)的所述背面上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤E2和F之间，在所述开口(11)中施加电绝缘层(4)。
15.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤E2之后，在所述氧化层(4)中和必要时在产生于方法步骤E3中的所述层中制造开口，以用于触点接通所述硅基底(1)。
16.根据上述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤F中或在所述方法步骤F之后的方法步骤中，通过电镀过程提高——尤其是所述硅基底的所述正面的——所述金属化结构的传导能力。
17.一种按照根据上述权利要求中至少一项所述的方法制成的太阳能电池。
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