CN102341917B - 改进的金属粘附 - Google Patents
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Abstract
太阳能电池具有形成为电连接形成光伏结点的半导体材料的表面的金属触点。所述太阳能电池包括重掺杂材料的一个或多个表面区域，并且所述触点包括形成在重掺杂区域上以与其接触的触点金属化部。表面键固定特征部位于半导体材料内，所述金属化部延伸到该半导体材料内以辅助金属化部附着到所述半导体材料。
Description
技术领域
本发明总体涉及光伏领域，尤其地，公开了形成触点的改进方法。
背景技术
对光伏设备的镀层金属触点的常见批评是，其对硅材料的粘附性很差。当热循环发生时(由于硅与金属之间的热膨胀失配)以及当使用高性能电池内常见的小的金属/硅接口的区域(面积)时(由于改进的电性能)，这个问题加剧了。因此经常在电性能与耐用度之间进行取舍。激光掺杂太阳能电池面临相同的挑战[S.R.Wenham，M.A.Green“A Self-aligningMethod for Forming a Selective Emitter and Metallization in a Solar Cell”，国际专利号PCT/AU/1999/00522，1999年7月]，当激光掺杂区域平坦且光滑时，实现最好的电性能，这种平坦且光滑也对应于电镀后的最低后续金属/硅接口区域(面积)，并且因此其粘附性最差。
最常用Q开关532nm NdYAG激光来执行激光掺杂工艺。在存在掺杂源时，激光束扫过通常为氮化硅(ARC)涂覆的硅片的表面，使得足够的能量传递给硅，以熔化硅并允许掺杂物扩散到熔化的硅内。该工艺同时破坏或移除氮化硅层，因此暴露再结晶掺杂硅表面，使得可实现后续金属电镀，通常是镍/铜/银或者镍/铜/锡。甚至在使用有织纹的或粗糙的硅表面时，如果激光熔化/掺杂工艺进行了足够的时间以允许适当地扩散/混合掺杂物，那么激光熔化/掺杂工艺导致形成了如图8(b)和9所示的相对平滑的表面。如图10所示，这些表面的后续金属粘附性因此是个挑战。
发明内容
提供了太阳能电池，其具有形成为电接触形成光伏结点的半导体材料的表面的金属触点，所述太阳能电池包括重掺杂材料的一个或多个表面区域，并且所述触点包括：触点金属化部，所述触点金属化部形成在所述重掺杂区域上以与所述重掺杂区域接触；以及表面键固定(keying，键控)特征部，位于所述半导体材料内，所述金属化部延伸到所述半导体材料内以辅助所述金属化部附着至所述半导体材料。
所述触点和表面键固定特征部优选设置在半导体材料的前表面或者光接收表面上。
太阳能电池可以包括至少一个孔，所述孔具有底切区域从而导致了悬垂部，所述金属化部在所述悬垂部下方延伸。所述孔可以基本垂直于所述半导体材料的前表面，而且底切区域形成凸缘，所述凸缘围绕位于所述半导体材料的前表面的所述孔的开口的周边的一部分。所述孔也可以相对于所述半导体材料的表面的垂直线成一角度地延伸，使得所述孔底切所述表面。相邻孔或者交替孔可以沿相对于所述垂直线的不同方向延伸以进一步增强键固定功能。
还提供了一种制造太阳能电池的方法，该太阳能电池具有形成为电接触形成光伏结点的半导体材料的表面的金属触点，所述触点通过下述形成：
a)在所述半导体材料的表面上或者所述表面的临近处提供掺杂源；
b)用激光以第一激光强度加热所述半导体表面区域，以破坏和移除任何表面介电层并将掺杂物从所述掺杂源扩散到被加热区域，以提供重掺杂材料的待形成触点的区域；
c)在待形成触电的区域内，通过激光断续地加热所述半导体材料表面上的点，以破坏和移除任何表面介电层并在被加热点处将表面键固定特征部形成到所述半导体材料的表面内；以及
d)在所述重掺杂区域上镀上触点金属化部，以与所述重掺杂区域接触，所述镀层操作(plating)延伸至断续的表面键固定特征部内，以辅助金属化部附着至所述半导体材料。
在该方法中，所述触点和表面键固定特征部优选设置在所述半导体材料的前表面或者光接收表面上。
在一方法中，通过比用于激光熔化/掺杂的平均激光脉冲更高的能量激光脉冲来形成该键固定特征部，以有意融化一些硅，由此使得硅表面变粗糙。
在另一方法中，连续波激光操作用于激光熔化/掺杂，且周期性Q开关激光脉冲或者脉冲群用于在特定的位置形成孔或者凹槽或者表面粗超，以在这些位置将该金属“钉(pin)”入硅内。
在又一方法中，在激光掺杂的同时，使用较高能量水平在正在掺杂的熔化硅内形成更多的紊流，以在凝固时增加表面粗糙度(但没必要融化硅)。
尤其地，上述键固定方法可用在每根激光掺杂线的端部，每根金属指针在该端部终止，由此增加这些点处的粘附力，在这些点处，金属最容易与激光掺杂硅分离。然而，这些键固定方法优选地在端部之外沿着每根激光掺杂线周期性被使用，以提供具有良好金属粘附力的隔离位置，而不明显增大整个金属/硅接口面积。
在一个有利的方法中，较高能量水平脉冲的重复率和功率被调整，以在孔的周边形成硅的悬垂区域或凸缘，使得这些悬垂下方的后续电镀的金属变成将金属键入或“锁定”到成型(sculpted)硅表面中的倒钩。
在又一改进中，在进行硅激光掺杂的同时形成隔离的孔或凹槽之后，使用较低能量激光加热步骤来熔化硅的周围区域，以产生硅的悬垂区域或凸缘，使得这些悬垂下面的后续电镀的金属变成将金属键入或“锁定”到成型的硅表面中的倒钩。
附图说明
通过参照附图的实例，现在描述本发明的实施例，其中：
图1示出了现有技术的太阳能电池，本发明的金属化键固定方法可应用到该太阳能电池上；
图2示意性示出了沿着显示周期孔的出现的激光掺杂线的长度截取的横截面，根据一个提出的方法形成这些孔以在这些位置固定金属触点；
图3示意性示出了典型结构，在利用金属进行图2中的结构的电镀之后形成该典型结构；
图4示意性示出了悬垂或凸缘，当用于进行激光熔化和掺杂的激光脉冲的频率足够高以在相邻脉冲之间造成大量的重叠时，在每个孔的后缘并且一定程度上在孔的侧部上形成该悬垂或凸缘；
图5示意性示出了高于大约80％的脉冲重叠的结果，在该脉冲重叠中，使得该孔变得可以基本上被完全覆盖；
图6示意性示出了沿着显示短凹槽的出现的激光掺杂线的长度的横截面，该短凹槽由一连续的较高能源脉冲群而形成；
图7示意性示出了硅内的孔，这些孔相对于表面成角度地形成，使得一些或者所有的孔不再垂直于表面；
图8在图8(a)中示出了在金属化之前的触点凹槽的图片，该图片显示了明显增加的表面面积，这是由于所使用的每个脉冲具有额外能量，并且其造成了硅的一些熔化，而在图8b中，另一个触点凹槽的图片显示了在激光掺杂后具有最好电性能的相对平滑的表面，同时不使用额外的能量；
图9显示了触点凹槽的另一图片，该图片类似于图8b中的图片，其中是在激光掺杂后具有最好电性能的相对平滑的表面；
图10显示了金属化之后的触点的图片。
具体实施方式
通过实例，并且参照图1，用于硅太阳能电池形成的适当制造工序如下：
1.p型晶片11的前(或者光接收)表面的各向同性纹理12；
2.n型掺杂物13的前表面扩散；
3.边缘结点隔离/psg移除；
4.通过PECVD在前表面上进行电弧沉积；
a.专门用于表面钝化14的100埃富氢氮化硅；
c.折射率2.0-2.1的600埃氮化硅16；
d.含掺杂物层17；
5.用于后触点18的具有铝的丝印后(非光接收)表面；
6.通过形成铝/硅合金和液相外延，火烧后表面以烧结后触点18并形成背表面场19；
7.对局部区域中的硅进行激光掺杂以形成重掺杂(n+)区域22，用于形成自对准前表面金属触点；
8.在激光掺杂(n+)区域22上镀一层镍23，用于前表面触点；
9.烧结镍23；
10.在镍23上镀几层铜24和锡25(或银)；
上述处理工序产生具有选择性发生器的图1的高性能太阳能电池结构，该发生器在金属触点的下面直接提供硅的重掺杂。
所提出的触点形成方法不同于上述系列之处在于，增加了周期性的较高能量脉冲或系列脉冲，其由激光发出，以有意地在这些特定位置处使一些硅粗糙和/或熔化。当一次使用仅仅一个(或者很小数目的)非常短的(通常小于0.1微秒)高能量脉冲时，得到好的结果，使得在通过高能量脉冲实现的形成过程中，激光束往往仅移动1微米或者更少(通常以10m/s速度前进)。这允许后面的较低能量脉冲增加由高能量脉冲形成的孔的壁的激光掺杂，因此最小化了电性能的任何退化，如果不是这样，则在这种孔的使用过程中可能发生这样的退化。此外，这种孔通常可分开相对于孔径来说的很远的距离(至少三倍并且优先地为至少平均十倍)，从而当与如果不使用高能量脉冲的情况相比，激光掺杂硅的整个表面积总体上增加不超过20％。与不使用表面键固定的情况相比，其阻止了电性能的明显退化。图8(b)和9显示了激光掺杂之后具有最好电性能的相对平滑的表面，同时使用导致一些硅熔化的每脉冲的额外能量，造成了图8(a)中的结构具有明显增大的表面面积。
重要的是，镀层之后，孔提供了锚定点，大大地增加了金属对硅的整体粘附力。尤其是，这种孔有益地用在金属线的端部或者端部附近，这些端部通常是最弱的点，金属开始在这些点剥落。由几个连续的较高能量脉冲形成的较高密度的孔(或甚至更细长的孔)有益地用于这些区域以将金属“钉”在硅上。
通过增加用于这种脉冲的激光功率或者可替换地通过保持激光功率恒定和稍微增加在这种较高能量脉冲形成之前的延时，可生成较高能量脉冲，使得在发起脉冲之前，更多能量存储在激光晶体或激光二极管内。两种方法都造成在后续激光脉冲内具有增加的能量。虽然已经制成孔深高达80微米、深度接近零的好装置，但是这种脉冲的能量优选设置成，形成通常为5-10微米深的孔。
通过使用几个连续的较高能量脉冲，有可能进一步增强金属对硅的粘附强度，以产生例如20-100微米长的短凹槽。用于激光掺杂的较低能量脉冲可用在这种凹槽端部的附近，以通过重新固化的硅提供部分覆盖，从而通过允许后续镀层埋在凹槽一端或两端处的硅的下面而产生“鱼钩”型效应，因此大幅增加金属粘附强度。
传统的Q开关激光器不提供产生受控的较高能量脉冲的能力，该脉冲周期性地散布在更多的用于激光掺杂脉冲的较低能量脉冲之间。然而，用于控制Q开关的专用电子设备可简单地合并到大多数机器上，以提供这种能力。在激光处理/扫描的过程中，通过允许用于Q开关的可编程频率变化，可以即兴的方式改进一些机器，这种激光处理/扫描可粗略地用于控制脉冲的能量并因此可用于实施这种金属化方法的一种形式。
本金属化方法的变型包括，使用独立的激光头或者平衡类型(eventype)激光器来独立地形成孔，这些孔随后被激光穿过，该激光进行用于激光掺杂工艺的硅熔化。另一个变型是把两个激光束重叠，按照激光熔化和硅掺杂的规定，一个激光束具有较高能量脉冲，以低很多的频率操作以产生周期孔，而另一个具有较低能量脉冲，以高得多的频率操作。
另一个变型是在连续波操作上使用激光，而不需要任何Q开关来进行激光熔化和硅掺杂，但是具有交换到Q开关操作的能力以允许生成一个或多个较高能量脉冲，该脉冲熔化一些硅以在预期位置产生一个或多个孔。在这种类型的操作中，激光的光腔内没有被引入“损耗”，使得激光束连续并能够连续地熔化和掺杂该硅。每次当需要硅内的孔时，激光的光腔内就被引入损耗，以阻止受激发射，并因此允许能量在激光晶体或激光二极管内通常储存0.1到100微秒，从而在损耗被消除时，所储存的能量被驱散作为能够熔化硅的高能量激光脉冲。这种操作模式的另一变化在于，激光能量简单地变化，足以在进行掺杂工艺的过程中在预期位置处，在熔化的硅内形成紊流，而没必要熔化任何或者大量的硅。在这种情况下，当熔化的硅凝固在由较高水平的紊流形成的几何体内时，可再次获得较粗糙的表面拓扑。在这种情况下，可控制该激光能量以产生用于硅的表面拓扑，这主要用于提高金属粘附力。
图2显示了沿着激光掺杂线的长度的横截面，该掺杂线显示了周期孔31的出现，周期孔31是根据所提出的一个方法而形成的，以将金属触点锚固在这些位置。图3显示了利用金属33来对图2中的结构镀层之后生成的典型结构。当金属在孔31完全镀层之前关闭时，有时能够得到空隙34，空隙形成在孔31内的镀层金属区域33内。当用于进行激光熔化和掺杂的激光脉冲的频率足够高以造成相邻脉冲之间具有大量重叠时，如图4所示，在每个孔的后缘上以及一定程度上在孔31的侧部上产生悬垂或者凸缘32。一旦重叠量达到大约80％以上，该孔变得可以被一些也在前缘上形成的悬垂几乎完全覆盖(甚至完全覆盖)，如图5所示，但是当发生这种情形时，由于在埋入的孔内很难获得好金属镀层，所以很多有益之处消失了。
图6显示了沿着激光掺杂线的长度的横截面，该掺杂线显示了短凹槽的出现，短凹槽由一连续的较高能量脉冲群所形成，并展示了适度悬垂以更充分地将金属触点锚定在这些位置。
所提出的金属化方法的基本原理是，在特定重要位置(比如在金属线的端部)增加金属/硅接口面积，以通过减少金属开始剥离或脱离硅表面的趋势来增加整个金属粘附强度。在所提出的方法的更有利的形式中，用这种方法构造/处理硅，使得镀层金属(与硅的形状一致)的最终几何形状将硅键入或锁定在硅材料内，比如，通过形成与硅内凹槽的底切部分接合的下倒钩或者凸起。每当硅被成型成使得通过改变金属形状(以能够与硅分离)来使得后续金属镀层触点或者硅必须变形时，认为可以应用该“将金属锁定在硅内”的原理。图2显示了这种实例，其中，硅内的凸缘或者悬垂用于将金属“锁定”在凸缘下面的位置，使得在铜或者硅凸缘不变形和不改变形状时，金属不能与硅分离。另一个实例在于，硅内的孔以相对于顶部表面成一角度地形成，使得一些或者所有的孔不再垂直于如图7所示的顶部表面，图7中，相邻的孔形成为特意地不彼此平行，以将后续镀层金属“锁定”在硅内。
当在以上所示的实例中丝印后触点时，在该实例中形成用于前触点的镀层触点的方法可同样地在重掺杂表面的步骤中使用适当掺杂物用于形成后触点。
本领域的技术人员应理解的是，可用一系列的方法实现硅表面的这种成型。已经给出使用激光熔化硅的实例，但是化学刻蚀、机械磨损、等离子刻蚀或者各种其他技术(比如这些技术的组合)可潜在地用于构造硅表面以产生在特定重要位置将金属锁定在硅内的这些区域。
Claims (17)
1.一种太阳能电池，包括设置有重掺杂半导体材料的局部表面区域的表面、与所述重掺杂半导体材料形成光伏结点的相反掺杂半导体材料的底层区域、以及形成在表面区域上以与所述重掺杂半导体材料的表面电接触的金属触点，
其中，表面键固定特征部位于所述重掺杂半导体材料的所述表面内并且延伸到所述重掺杂半导体材料内，每个所述表面键固定特征部包括形成在所述重掺杂半导体材料的表面内的一个或多个孔或凹槽，并且
其中所述金属触点包括镀覆的触点金属化部，所述镀覆的触点金属化部形成在所述重掺杂半导体材料上以与所述重掺杂半导体材料的所述表面接触，其中所述触点金属化部延伸到多个所述表面键固定特征部内以辅助所述镀覆的触点金属化部附着至所述半导体材料，并且其中所述触点金属化部在所述表面键固定特征部内和在相邻的所述表面键固定特征部之间的位置都电接触所述重掺杂半导体材料的表面。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述表面键固定特征部设置在半导体材料的前表面或者光接收表面上。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，至少一个所述表面键固定特征部包括至少一个孔，所述孔具有底切区域从而导致了悬垂部，所述金属化部在所述悬垂部下方延伸。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中，所述至少一个孔垂直于所述半导体材料的表面，而且底切区域形成凸缘，所述凸缘围绕位于所述半导体材料的表面的所述孔的开口的周边的一部分。
5.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中，所述至少一个孔相对于所述半导体材料的表面的垂直线成一角度地延伸，使得所述孔底切所述表面。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其中，相邻孔或者交替孔沿相对于所述垂直线的不同方向延伸以进一步增强键固定功能。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述表面键固定特征部位于所述重掺杂半导体材料的表面中至少在所述金属触点的端部的下方。
8.一种制造太阳能电池的方法，所述太阳能电池具有形成为电接触形成光伏结点的半导体材料的表面的金属触点，所述触点通过下述步骤形成：
a)在所述半导体材料的将由所述金属触点电接触的表面上或者所述表面的临近处提供掺杂源；
b)用激光以第一激光强度加热半导体表面的区域，以破坏和移除任何表面介电层并将掺杂物从所述掺杂源扩散到被加热区域，以提供重掺杂材料的待形成触点的表面中的局部区域；
c)在待形成触电的区域内，通过激光，利用周期脉冲或所述激光的脉冲群断续地加热所述半导体材料表面上的点，以破坏和移除任何表面介电层并形成在被加热点处延伸入所述半导体材料的重掺杂区域的表面内的表面键固定特征部，每个所述表面键固定特征部包括孔或凹槽；以及
d)在所述半导体材料的所述重掺杂区域上镀覆触点金属化部，以与所述重掺杂区域接触，所述触点金属化部延伸至断续的表面键固定特征部内以将金属键入所述半导体材料，以辅助所述金属化部附着至所述半导体材料，所述触点金属化部在所述表面键固定特征部内和在相邻的所述表面键固定特征部之间的位置都电接触所述重掺杂半导体材料的表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述表面键固定特征部设置在半导体材料的前表面或者光接收表面上。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，通过激光脉冲形成所述表面键固定特征部，所述激光脉冲的能量高于用于激光熔化/掺杂的激光脉冲的平均能量，由此融化了一些半导体材料。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，使用连续波激光操作来执行第一激光强度的激光加热，并且使用周期脉冲或Q开关激光脉冲群进行断续加热，以产生孔或凹槽。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述激光掺杂过程中的激光能量水平足以造成所述半导体材料的融化。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述激光掺杂过程中的激光能量水平不足以造成所述半导体材料的融化。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，用于间断地加热所述半导体材料的前表面上的点的激光的较高能量水平的脉冲的重复率和功率被调整以形成孔，所述孔在所述孔的周边处具有半导体材料的悬垂区域或凸缘，使得在下方形成所述悬垂区域或凸缘的后续镀覆的金属变成将所述金属键入所述半导体材料的表面的倒钩。
15.根据权利要求8所述的方法，其中，在执行所述半导体材料的激光掺杂的同时形成隔离的孔或凹槽，并且随后，使用利用较低能量输出的激光的激光加热步骤来熔化围绕所述孔的半导体材料区域，以产生半导体材料的悬垂区域或凸缘，从而在下方形成悬垂部的后续镀覆的金属变成将所述金属键入所述硅表面的倒钩。
16.根据权利要求8所述的方法，其中，所述重掺杂材料的区域是激光掺杂线并且所述金属触点是金属指针，并且其中在所述激光掺杂线的端点处提供所述表面键特征部，在该位置处其中所述金属指针终止以由此相对于在所述激光掺杂线的非键固定点处所述金属指针和所述激光掺杂线之间的粘附力而增加在所述端点处所述金属指针和所述激光掺杂线之间的粘附力。
17.根据权利要求8所述的方法，其中，所述重掺杂材料的区域是激光掺杂线并且所述金属触点是金属指针，并且其中沿着所述激光掺杂线周期性地提供所述表面键特征部，以提供相对于所述激光掺杂线的非键固定点处的粘附力而改进的金属粘附力的隔离位置。
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