CN102396068A - 高级高效晶体太阳能电池制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制备太阳能电池的方法包括：提供半导体晶片，所述半导体晶片具有前表面、背表面以及本底掺杂区域；执行将掺杂剂注入到所述半导体晶片中的一组离子注入，以形成背交错掺杂区域，所述背交错掺杂区域从所述半导体晶片的所述背表面延伸到所述背表面与所述前表面之间的位置，其中，背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，并且其中，所述第一背掺杂区域与所述第二背掺杂区域和所述本底掺杂区域包括不同的电荷类型；并且将背金属接触层布置在所述半导体晶片的所述背表面上，其中，所述背金属接触层在所述第一背掺杂区域和第二背掺杂区域上对齐，并且所述背金属接触层被配置为从所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域传导电荷。

Description

高级高效晶体太阳能电池制备方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年3月20日递交的、标题为“ADVANCEDHIGH EFFICIENCY CRYSTALLINE SOLAR CELL FABRICATIONMETHOD”的共同待决的美国临时申请号61/210,545的优先权，以引用的方式将该申请如同在这里陈述那样并入。
技术领域
本发明一般性地涉及太阳能电池的领域。更具体而言，本发明涉及太阳能电池设备和形成太阳能电池设备的方法。
背景技术
本发明提出了用于高效晶体太阳能电池的制备的高级方法，与扩散掺杂和通过丝网印刷的金属化的旧方法不同，该方法是通过使用独特的注入和退火方法来实现的。
掺杂剂从表面到衬底的扩散的使用受到各种问题的困扰。其中一个主要的问题是随着掺杂剂被驱动进材料的块体内表面附近的掺杂剂的雪犁效应(snow plowing)，这可以改变衬底的不同区域中的电阻率，并且因此导致变化的光吸收和电子空穴形成性能，而变化的光吸收和电子空穴形成性能可能导致过度的表面复合(即“死层”)。具体而言，面临的一个问题是由于该“死层”的形成而导致的对蓝光的利用的缺乏。
另外，由于线宽度和晶片厚度变得越来越小，整个衬底上的掺杂剂的横向布局变得越来越困难。期望太阳能电池产业需要掺杂剂横向布置，以便例如将选择性发射极和交叉指型(interdigitated)背接触应用从200微米降低到小于50微米，这对当前的扩散和丝网印刷方法而言是极其困难的。此外，随着晶片从如今的150-200微米变薄到50微米或50微米以下，垂直和成批扩散和接触丝网印刷变得极其困难甚至不可能。
发明内容
本发明提供了可替代的制备方法，该方法可以部分或者整体提供更高效的太阳能电池。其利用定向注入技术而在交叉指型背表面接触(IBC)电池中形成各种发射极区域和掺杂背表面场(BSF)(均质和选择性发射极区域两者)，并且形成内延层(籽晶注入)。BSF可以包括用于可替代的掺杂区域的交叉指型形成的均质或选择性发射极区域，以便消除前表面阴影。本发明还提出了通过选择性金属化(无论是通过注入、激光、镀敷还是墨水喷印)来形成到发射极和BSF区域的接触。第一个发现的本质在于：使用在成本方面非常高效的、自对齐的选择性注入方法，该方法简化了电池处理。
该方法的一些优点在于：将接触、母线、指的电阻、金属硅界面的接触电阻、背面金属化的电阻最小化，并且实现在栅格接触之下以及在指之间的期望的电阻率。此外，通过本发明，使得选择性发射极和BSF的有利地形成以及其提高性能的能力成为可能。可以将其应用于原生(as-grown)单晶硅、多晶硅以及甚薄膜沉积硅或者用于太阳能电池形成和其他应用的其他材料。还可以将其扩展到对于结或接触的制备中所使用的任意其他材料的原子核素(specie)布置。
采用专用的离子注入和退火系统和方法，来提供在材料的块体之中的以及在整个衬底上横向布局的掺杂剂的合适的布置。因此，本发明可以使用2009年6月11日递交的、标题为“FORMATION OFSOLAR CELL-SELECTIVE EMITTER USING IMPLANT ANDANNEAL METHOD”的美国专利申请号12/483,017以及2008年6月11日递交的、标题为“FORMATION OF SOLARCELL-SELECTIVE EMITTER USING IMPLANT AND ANNEALMETHOD”的美国临时申请号61/131,698中所讨论的制备方法和系统，以引用的方式将这两个申请如同在这里陈述那样并入。这些专利申请公开了独立控制任意核素和掺杂剂布局并且提供必要的表面浓度、结深度和掺杂剂分布形状的能力。在这些专利申请中，描述了专用注入机，该专用注入机可以选择性地或者以其他方式提供多个掺杂剂。本发明还可以包括2009年6月11日递交的、标题为“APPLICATION SPECIFIC IMPLANT SYSTEM AND METHODFOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS”的美国专利申请号12/482,947以及2008年6月11日递交的、标题为“APPLICATIONSSPECIFIC IMPLANT SYSTEM AND METHOD FOR USE IN SOLARCELL FABRICATIONS”的美国临时申请号61/131,688中所讨论的表面修整(surface conditioning)和纹理变异性(variability oftexturing)的影响，以引用的方式将这两个申请如同在这里陈述那样并入。
在本发明中，使用精确并且高度布置的掺杂剂以及定制掺杂剂原子分布方法，以便提供布置在栅格线之下的重度掺杂的选择性发射极区域(例如10到40欧姆/平方)，以及在栅格指之间实现轻度掺杂的均质发射极区域(例如80到160欧姆/平方)的方法。另外，通过使用定制的参数，对原子掺杂剂分布同时进行匹配，以在对照衬底掺杂等级的合适的深度提供电结，并且提供在表面上形成接触所需要的电阻率。在一些实施方式中，还使用逆行掺杂和平坦原子分布(盒式结)。此外，这样的能力将允许表面(如发射极和BSF)的独立掺杂。并且，选择性掺杂剂能力可以允许背表面上的交叉指型掺杂分布，这消除了前表面阴影。提出了该能力自身可以提供超过1到2个绝对百分点的效率增益。
此外，由于通过离子注入进行的掺杂剂布置的布局是高度受控的，所以侧面和背面掺杂可以受到控制或被最小化，以避免后续去除这样的掺杂剂。目前，使用蚀刻或激光磨边(laser edging)来去除全部环绕掺杂剂扩散方法(该方法可能同时掺杂全部侧面)的有害影响。关于2009年6月11日递交的、标题为“SOLAR CELLFABRICATION USING IMPLANTATION”的美国专利申请号12/482,980以及2008年6月11日递交的、标题为“SOLAR CELLFABRICATION USING IMPLANTATION”的美国临时申请号61/131,687中的该主题来讨论注入开始和结束的仔细管理以及掺杂剂布置，以引用的方式将这两个申请如同在这里陈述那样并入。
在上文引用的专利申请中讨论了注入的掺杂剂的使用以及其激活，其中，通过对退火时间和温度的受控的使用，在衬底中提供对原子分布的进一步的增强。
另外，太阳能电池所需要的纹理表面可能需要专门的注入技术。这样的注入技术是2009年6月11日递交的、标题为“SOLAR CELLFABRICATION WITH FACETING AND ION IMPLANTATION”的美国专利申请号12/482,685以及2008年6月24日递交的、标题为“SOLAR CELL FABRICATION WITH FACETING AND IONIMPLANTATION”的美国临时申请号61/133,028中的主题，以引用的方式将这两个申请如同在这里陈述那样并入。本发明可以使用这样的技术，从而可以最好地使用定向注入的掺杂剂来增强小面(facetted)表面。
本发明可以使用离子注入，来将来自元素周期表的几乎任意核素注入半导体晶片。可以对籽晶注入使用该能力(这是上文所引用的专利申请的主题)，从而可以将合适的元素(金属或者不同核素的组合)注入到半导体晶片的表面上或者表面附近，或者注入到覆盖该表面的任何薄膜中，以便提供用于相同元素(金属或其他)或其他元素的后续生长或沉积的初始点，以形成太阳能电池的必要组件(接触、硅化等等的形成)。可以使用该方法来影响金属半导体界面的功函数，或者定制带隙以增强太阳能电池的性能，例如通过改善接触。为此目的，可以使用中等级到低等级的金属注入，以对后续工艺进行布种和准备。该注入将最小化对今日使用的高温烧成(firing)方法的使用需求，导致温度低得多的时间段，并且从而避免在高热预算的对多晶电池的有害影响。
如上文引用的申请中所述的，可以用许多不同的方式解决掺杂的选择性，其中，如2010年2月9日递交的、标题为“ANADJUSTABLE SHADOW MASK ASSEMBLY FOR USE IN SOLARCELL FABRICATIONS”的美国临时申请号61/302,861中所讨论的，采用阴影掩模来提供所需的选择性，以引用的方式将该申请如同在这里陈述那样并入。另一个简单并且在成本方面高效的方法是在其他产业中盛行使用的接触式掩模曝光和抗蚀剂图样形成。该方法提供了为了掺杂接触栅格线之下的区域所需要的精确的选择性。金属栅格线的后续对齐问题是一个至关重要的问题，并且需要以低于数十微米的精确度来解决该问题。此外，其提供了采用廉价并且在成本方面高效的电或非电镀敷技术的手段(下文讨论)。另外，这里还展示了新型技术(如选择性印刷方法)的使用。期望这样的制备方法将提供附加的效率增益。
在本发明的一方面中，一种太阳能电池包括半导体晶片，该半导体晶片具有前表面、背表面以及在该前表面与该背表面之间的本底掺杂区域。前交错掺杂区域从该半导体晶片的该前表面延伸到该前表面与该背表面之间的位置。前掺杂区域包括横向交错的第一前掺杂区域和第二前掺杂区域。该第二前掺杂区域比该第一前掺杂区域具有更低的薄膜电阻。在该第一前掺杂区域与该本底掺杂区域之间形成p-n结。多个前金属接触在该第二前掺杂区域之上对齐。该前金属接触被配置为从该第二前掺杂区域传导电荷。背交错掺杂区域从该半导体晶片的该背表面延伸到该背表面与该前表面之间的位置。背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域。该第二背掺杂区域比该第一背掺杂区域具有更低的薄膜电阻。背金属接触层布置在该半导体晶片的该背表面上。该背金属接触层覆盖该第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，并且该背金属接触层被配置为从该第二背掺杂区域传导电荷。
在一些实施方式中，该半导体晶片是硅衬底。在一些实施方式中，该第一前掺杂区域和该第一背掺杂区域具有介于大约80欧姆/平方与大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻。在一些实施方式中，该第二前掺杂区域和该第二背掺杂区域具有介于大约10欧姆/平方与大约40欧姆/平方之间的薄膜电阻。在一些实施方式中，该本底掺杂区域具有介于大约0.5欧姆/平方与大约1.5欧姆/平方之间的薄膜电阻。
在一些实施方式中，该太阳能电池还包括布置在该半导体晶片的该前表面上的该第一前掺杂区域之上的抗反射涂层。
在一些实施方式中，该太阳能电池还包括布置在该第二前掺杂区域之上和该前金属接触之下的金属籽晶层。在一些实施方式中，该金属籽晶层包括内延注入。在一些实施方式中，该金属籽晶层包括硅化物。
在一些实施方式中，该第二前掺杂区域以大约1mm到大约3mm范围内的距离彼此横向隔开
在一些实施方式中，该本底掺杂区域是p型掺杂的；并且该第一前掺杂区域和该第二前掺杂区域是n型掺杂的。在一些实施方式中，用与该本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对该第二背掺杂区域进行掺杂。在一些实施方式中，用与该第二背掺杂区域和该本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对该第一背掺杂区域进行掺杂。在一些实施方式中，该第二背掺杂区域和该本底掺杂区域是p型掺杂的。在一些实施方式中，用硼对该第二背掺杂区域进行掺杂。
在本发明的另一方面中，一种用于制备太阳能电池的方法包括：提供半导体晶片，该半导体晶片具有前表面、背表面以及在该前表面与该背表面之间的本底掺杂区域。执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的第一组离子注入，以形成前交错掺杂区域，该前交错掺杂区域从该半导体晶片的该前表面延伸到该前表面与该背表面之间的位置。前掺杂区域包括横向交错的第一前掺杂区域和第二前掺杂区域。该第二前掺杂区域比该第一前掺杂区域具有更低的薄膜电阻。在该第一前掺杂区域与该本底掺杂区域之间形成p-n结。在该半导体晶片上布置多个前金属接触。该前金属接触在该第二前掺杂区域之上对齐并且该前金属接触被配置为从该第二前掺杂区域传导电荷。执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的第二组离子注入，以形成背交错掺杂区域，该背交错掺杂区域从该半导体晶片的该背表面延伸到该背表面与该前表面之间的位置。背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域。该第二背掺杂区域比该第一背掺杂区域具有更低的薄膜电阻。在该半导体晶片的该背表面上布置背金属接触层。该背金属接触层覆盖该第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，并且该背金属接触层被配置为从该第二背掺杂区域传导电荷。
在一些实施方式中，执行该第一组离子注入包括：使用抗蚀剂层来注入该第二前掺杂区域，其中，该抗蚀剂层包括与该半导体晶片上要注入该第二前掺杂区域的位置对齐的抗蚀剂开口。在一些实施方式中，使用被放置为与该抗蚀剂层接触的接触掩模来形成该抗蚀剂开口，该接触掩模包括与该抗蚀剂层中要形成抗蚀剂开口的位置对齐的掩模开口。
在一些实施方式中，执行该第二组离子注入包括：使用阴影掩模来注入该第二背掺杂区域，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口，并且在该第二组离子注入的一部分期间，该阴影掩模被布置为与该半导体晶片的该背表面相距预定距离。
在一些实施方式中，该半导体晶片是硅衬底。在一些实施方式中，该第一前掺杂区域和该第一背掺杂区域具有介于大约80欧姆/平方与大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻。在一些实施方式中，该第二前掺杂区域和该第二背掺杂区域具有介于大约10欧姆/平方与大约40欧姆/平方之间的薄膜电阻。在一些实施方式中，该本底掺杂区域具有介于大约0.5欧姆/平方与大约1.5欧姆/平方之间的薄膜电阻。
在一些实施方式中，该方法还包括将抗反射涂层布置在该半导体晶片的该前表面上的该第一前掺杂区域之上的步骤。
在一些实施方式中，该方法还包括将金属籽晶层布置在该第二前掺杂区域之上的步骤，其中该前金属接触被布置在金属籽晶层之上。在一些实施方式中，该金属籽晶层包括内延注入。在一些实施方式中，该金属籽晶层包括硅化物。
在一些实施方式中，该第二前掺杂区域以大约1mm到大约3mm范围内的距离彼此横向隔开
在一些实施方式中，该本底掺杂区域是p型掺杂的；并且该第一前掺杂区域和该第二前掺杂区域是n型掺杂的。在一些实施方式中，用与该本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对该第二背掺杂区域进行掺杂。在一些实施方式中，用与该第二背掺杂区域和该本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对该第一背掺杂区域进行掺杂。在一些实施方式中，该第二背掺杂区域和该本底掺杂区域是p型掺杂的。在一些实施方式中，用硼对该第二背掺杂区域进行掺杂。
在本发明的另一方面中，一种太阳能电池包括半导体晶片，该半导体晶片具有前表面、背表面以及在该前表面与该背表面之间的本底掺杂区域。背交错掺杂区域从该半导体晶片的该背表面延伸到该背表面与该前表面之间的位置。背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域。该第一背掺杂区域与该第二背掺杂区域和该本底掺杂区域包括不同的电荷类型。背金属接触层布置在该半导体晶片的该背表面上。该背金属接触层在该第一背掺杂区域和第二背掺杂区域之上对齐，并且该背金属接触层被配置为从该第一背掺杂区域和该第二背掺杂区域传导电荷。
在一些实施方式中，该半导体晶片的该前表面的特征在于：没有任何金属接触，从而消除了由金属接触造成的前表面阴影。
在一些实施方式中，该本底掺杂区域是n型掺杂的；该第一背掺杂区域是p型掺杂的；并且该第二背掺杂区域是n型掺杂的。在一些实施方式中，使用从包括硼、铝和镓的组中选择的掺杂剂来掺杂该第一背掺杂区域。在一些实施方式中，使用从包括磷、砷和锑的组中选择的掺杂剂来掺杂该第二背掺杂区域。在一些实施方式中，该半导体晶片是硅衬底。
在一些实施方式中，太阳能电池还包括前掺杂区域，该前掺杂区域从该半导体晶片的该前表面延伸到该前表面与该背表面之间的位置，其中，该前掺杂区域不延伸到或者超过该背交错掺杂区域的位置。在一些实施方式中，该前掺杂区域是p型掺杂的。
在一些实施方式中，该背金属接触层包括在该第一背掺杂区域和该第二背掺杂区域之上对齐的金属接触栅格线。在一些实施方式中，太阳能电池还包括布置在该半导体晶片的该背表面上并且在该金属接触栅格线之间的抗反射涂层。在一些实施方式中，该抗反射涂层包括氮化硅。在一些实施方式中，太阳能电池还包括布置在该半导体晶片的该前表面上的抗反射涂层。在一些实施方式中，该抗反射涂层包括氮化硅。
在本发明的另一方面中，一种用于制备太阳能电池的方法包括提供半导体晶片，该半导体晶片具有前表面、背表面以及在该前表面与该背表面之间的本底掺杂区域。执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的一组离子注入，以形成背交错掺杂区域，该背交错掺杂区域从该半导体晶片的该背表面延伸到该背表面与该前表面之间的位置。背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域。该第一背掺杂区域与该第二背掺杂区域和该本底掺杂区域包括不同的电荷类型。将背金属接触层布置在该半导体晶片的该背表面上。该背金属接触层在该第一背掺杂区域和第二背掺杂区域之上对齐，并且该背金属接触层被配置为从该第一背掺杂区域和该第二背掺杂区域传导电荷。
在一些实施方式中，执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的一组离子注入以形成背交错掺杂区域的步骤包括：执行将第一掺杂剂注入到该半导体晶片中的面层(blanket)离子注入，其中，遍及该半导体晶片的整个背表面注入该第一掺杂剂；以及使用被布置在与该半导体晶片的该背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第二掺杂剂注入到该半导体晶片中的掩模离子注入，其中，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口。
在一些实施方式中，执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的一组离子注入以形成背交错掺杂区域的步骤包括：使用被布置在与该半导体晶片的该背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第一掺杂剂注入到该半导体晶片中的第一掩模离子注入，其中，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第一背掺杂区域的位置对齐的掩模开口；以及使用被布置在与该半导体晶片的该背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第二掺杂剂注入到该半导体晶片中的第二掩模离子注入，其中，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口
在一些实施方式中，该本底掺杂区域是n型掺杂的；该第一背掺杂区域是p型掺杂的；并且该第二背掺杂区域是n型掺杂的。在一些实施方式中，使用从包括硼、铝和镓的组中选择的掺杂剂来掺杂该第一背掺杂区域。在一些实施方式中，使用从包括磷、砷和锑的组中选择的掺杂剂来掺杂该第二背掺杂区域。在一些实施方式中，该半导体晶片是硅衬底。
在一些实施方式中，该方法还包括：执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的离子注入以形成前掺杂区域的步骤，该前掺杂区域从该半导体晶片的该前表面延伸到该前表面与该背表面之间的位置，其中，该前掺杂区域不延伸到或者超过该背交错掺杂区域的位置。在一些实施方式中，该前掺杂区域是p型掺杂的。
在一些实施方式中，该方法还包括在该半导体晶片的该前表面和该背表面上布置抗反射涂层的步骤。在一些实施方式中，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来沉积该抗反射涂层。在一些实施方式中。该抗反射涂层包括氮化硅。在一些实施方式中，在该半导体晶片的该背表面上布置该背金属接触层的步骤包括：烧蚀该抗反射涂层以在该第一背掺杂区域和该第二背掺杂区域之上的该抗反射涂层中形成隔开的开口；并且在该隔开的开口之中沉积金属接触。在一些实施方式中，在该半导体晶片的该背表面上布置该背金属接触的步骤还包括：在将该金属接触沉积到该隔开的开口之中之后，执行电镀工艺。
附图说明
图1-图14B示出了根据本发明的原理的用于制备太阳能电池的方法的一个实施方式。
图15示出了根据本发明的原理的交叉指型背掺杂太阳能电池的一个实施方式的横截面图。
图16示出了根据本发明的原理的用于制备太阳能电池的方法的一个实施方式的工艺流程图。
图17-图23示出了根据本发明的原理的用于制备交叉指型背接触太阳能电池的方法的一个实施方式。
图24示出了根据本发明的原理的用于制备交叉指型背接触太阳能电池的方法的一个实施方式的工艺流程图。
具体实施方式
给出了下文的描述，以使得本领域的普通技术人员能够做出并且使用本发明，并且以专利申请及其要求的语境来给出下文的描述。对于本领域技术人员而言，将容易地想到对所述实施方式的各种修改，并且本文的通用原理可以适用于其他实施方式。因此，本发明并非意图被限于所示的实施方式而是与本文所述的原理和特征在最广的范围一致。
图1-图24示出了太阳能电池设备及其特性和形成的实施方式，其中用相同的标号来标记相同的元素。可以通过流程图的使用来描述本文公开的各种方面。通常，可以显示本文公开的一方面的单个实例。然而，如本领域的普通技术人员将理解的，可以连续地重复或者根据需要频繁地重复本文所述的协议、工艺和过程，以满足本文所述的需要。另外，能够想到可以按照与附图中所示的顺序不同的顺序执行方法步骤，除非明确地或者隐含地公开了不能如此。
下文是采用了许多不同的方式的太阳能电池制备方法的描述。这些方法被认为是在成本方面高效的，其提供实质的效率增益。
图1-图14B示出了根据本发明的原理的用于制备太阳能电池的一个实施方式的不同阶段。在一些实施方式中，如图1中所示的，本发明的电池制备方法在初始切割损伤(saw damage)和纹理蚀刻之后开始。在该阶段中，可以对半导体衬底10进行掺杂。在一些实施方式中，用p型掺杂剂(例如硼)来掺杂衬底10，以达到大约0.5欧姆/平方到1.5欧姆/平方的低电阻率，其转换为遍布衬底10的小于1E16cm-3的均匀的掺杂。
如图2中所见的，然后使用离子注入技术对衬底10进行反掺杂，以形成p-n结。如图3中所见的，该离子注入形成了均质发射极区域25。用于均质发射极区域25的掺杂的等级必须足够低，以便不阻碍光的转化和少数载流子的复合。因此，在一些实施方式中，掺杂的等级是这样的，该掺杂等级导致均质发射极区域25具有大约100欧姆/平方或者更大的薄膜电阻，在该阶段具有大约1E19cm-3的表面掺杂剂原子浓度，并且分布滚降(roll off)到结。在一些实施方式中，掺杂的等级是这样的，该掺杂等级导致均质发射极区域25具有在大约80欧姆/平方到大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻。优选地，均质发射极区域25中的载流子扩散长度类似于结深度，以便致使该区域作为透明发射极。将表面浓度控制到小于1E19cm-3确保在近表面区域不存在过度掺杂的堆积，并且因此消除“死层”效应，该“死层”效应阻止了高能的蓝光用于转化。在优选的实施方式中，p-n结深度至少是0.3到0.4微米，因此，发射极区域之外的金属分流(shunting)的概率最小化。典型的抗反射涂层(ARC)大约0.07微米。因此，金属分流的总深度优选地是超过0.37到0.47微米，这对于当前的烧成热预算来说是足够的。
还可以使用该技术，来通过对材料的近似均匀的掺杂改善起始材料的预掺杂，这对于具有轴向和横向预掺杂非均匀性两者的低质量的材料特别重要。典型的晶锭在被拉伸时将具有从该晶锭的顶端到底端的轴向的以及横向的掺杂剂分配的变化。因此，一旦晶锭被切割成晶片，从该晶片的一侧到另一侧可能存在掺杂剂变化。由于本发明使用了离子注入(其中能够实现并且良好地控制高等级的掺杂剂均匀性)，导致轻剂量可以提供更加均匀的本底掺杂。此外，随着近来保存尽可能多的拉伸的硅的驱使，由于电阻率显著恶化，有时丢弃晶锭的外端或者将其放回熔炉。在切片之后，可以重获这些部分并且对这些部分进行注入，以将电阻率与来自该晶锭的中间部分的其余晶片匹配。其结果是开始入线的晶片将具有高得多的一致性，并且因此将提供更可重复的性能，从而导致最终产品装仓(binning)紧密得多并且因此导致更高的收益。
如图3中所见的，该晶片接下来经历抗反射涂层(ARC)薄膜30的沉积，其中ARC薄膜30作为表面的钝化和作为增强通过衬底的光路径的抗反射薄膜两者。另外或可替代地，由于ARC薄膜的质量不受轻度掺杂等级的影响，所以可以在前面的均质发射极注入之前沉积ARC薄膜。
如图4中所见的，可以使用简单的轧辊系统来将抗蚀剂层40施加于晶片，从而在表面上层压双层有机薄膜(如Dupont MM500和Shell SU8以及其他可替代物)。在该阶段，该薄膜的粘附和连续性是至关重要的。优选地，以大约50-100摄氏度的低温并且通过速度为1到2毫米/分钟的预热物理轧辊来操作该层压工艺。以该速率和温度，衬底将不会经历高于50摄氏度的温度。
如图5中所见的，然后在抗蚀剂薄膜40上放置负像接触式掩模55。掩模55可以模拟典型的太阳能电池的栅格线图样。其还可以并入母线。目前，对这些栅格线的要求是100到150微米宽，间隔为2到2.5毫米。能够想到这些要求在不久的将来可以降低到大约50微米宽、间隔小于1毫米，以便将阴影最小化。另外，在810摄氏度的金属栅格烧成要求导致如印刷的线被加宽了20到30微米，进一步加重了阴影。
将接触式掩模55放在晶片表面附近，并且进行与晶片的边缘的基本和粗略的对齐。一旦到位，晶片和掩模55暴露在一组灯的光50之下，该光50补足350到380nm的峰值抗蚀剂响应。为了实现50微米的栅格线开口，使用大约28-60mJ/cm2的10到18高抗蚀剂台阶。
如图6中所见的，在抗蚀剂层40中形成开口，从而创建曝光后的抗蚀剂层45。可以在典型的碳酸钠(Na2CO3，小于1.0wt％)或碳酸钾(K2CO3，小于1.0wt％)中冲洗曝光后的抗蚀剂层45。优选地，本文未使用缓冲化学剂，因为他们影响到侧壁的质量和抗蚀剂的溶解。溶液可以被保持在低于35摄氏度，驻留时间为50到70秒。然后可以用直接扇形喷嘴浇灌并且清洗晶片并且用热空气吹干晶片。
在该阶段中，晶片为图7中所示的选择性注入步骤做好了准备。在本文中，抗蚀剂45的图样允许在整个晶片上选择性地布局掺杂剂70。在上文引用的专利申请中，以及在2009年6月23日递交的、标题为“PLASMA GRID IMPLANT SYSTEM FOR USE IN SOLARCELL FABRICATIONS”的美国临时申请号61/219,379以及在2009年6月10日递交的、标题为“APPLICATION SPECIFIC IMPLANTSYSTEM FOR USE IN SOLAR CELL FABRICATIONS”的美国临时申请号61/185,596中，描述了通过使用宽波束或波束成形来最大化波束利用的一系列专用的注入，其中以引用的方式将这些申请如同在这里陈述那样并入。这种能力与抗蚀剂45的栅格线图样结合允许良好定义的线。
如图8中所见的，该选择性的注入导致形成选择性发射极区域80，在选择性发射极区域80下面将最终放置金属接触栅格线。在一些实施方式中，选择性发射极区域80具有大约10到30欧姆/平方的低电阻率(即高电导率)、大约1E20cm-3的表面浓度以及0.45微米或者更大的结深度。在一些实施方式中，选择性发射极区域80具有大约10欧姆/平方到大约40欧姆/平方范围内的薄膜电阻。需要高的表面浓度，以允许更好的接触形成。然而，表面浓度受到硅衬底10的固溶性的限制，对于硼或磷掺杂而言该固溶性是大约4E20cm-3。为了避免接触烧成之后的金属分流，结深度的独立形成、在特定深度一种类型的掺杂与相反的本底类型(典型地IE16cm-3或更少)交叉是至关重要的。
在该阶段中，可以将晶片转移至常规的丝网印刷方法，从而去除抗蚀剂45并且以传统的方式对栅格线进行丝网印刷。然而，选择性发射极注入与金属丝网印刷的栅格线的对齐变得至关重要。存在多种用于确保这样对齐发生的方法。一种粗略的方法将是：诸如通过使用晶片的虚拟中心进行对齐，在选择性发射极注入和丝网印刷两者期间与晶片的边缘对齐。该对齐可能受到晶片切割的不一致性的影响，并且其可能是粗糙的对齐方法。在初始选择性发射极注入期间引入基准标记将减轻该问题，并且既可以通过激光标记也可以依赖于注入的表面变色(discoloration)的影响来实现该基准标记。在相对高剂量的情况下这样的标记可能是可见的，并且该剂量与选择性发射极注入剂量相当。这是非常具有区分性的标记并且如果在丝网印刷处设置了影像系统来摄取选择性发射极注入栅格线的图样，那么将简化与丝网印刷的对齐。
可替代地，如图9中可见的，抗蚀剂45可以保留在晶片上并且选择性发射极注入之后可以紧接着“籽晶”或内延注入90以用于接触的形成。可以使用与以上所引用的专利申请中所述的选择性发射极注入系统类似的系统来执行该籽晶注入。内延是在基质晶体的非常近的表面之下的晶性匹配相的生长。在该工艺中，以该能量和剂量将离子注入材料中，以创建第二相的非常接近表面的层，并且控制温度以使得目标的晶体结构不被破坏。可以将该层的晶体方向设计为与目标的方向匹配，但精确的晶体结构和栅格常数可以是非常不同的。例如，在将镍离子注入硅晶片之后，可以形成镍硅化物层，在该镍硅化物层中硅化物的晶体方向与硅的晶体方向匹配。该生长方法与外延生长方法不同，在外延生长方法中，晶体在表面上生长。这样的硅化物形成将允许两种不相似材料的过渡(如金属到半导体)的带隙设计。目前，通过高温烧成来实现这样过渡，在该高温烧成中将沉积在表面上的金属扩散到衬底中以改善接触。然而，由于选择性发射极区域80和金属硅化物的存在，这可以是非必要的。能够想到在内延注入之后，对可能由高剂量重离子(金属等)产生的表面粗糙化可以为后续的金属接触提供更好的粘附特性。带隙设计和粘附的这样的改善可以改善金属/半导体界面电阻率并且因此导致太阳能电池性能增强。
如图10中所见的，内延注入可以被运送通过二氧化硅掩模层或者抗反射涂层(ARC)30以形成区域100，区域100从金属接触最终将被放置在ARC 30的表面上的位置通过ARC 30伸展到半导体(例如到选择性发射极区域80)。在本文中，注入分布定制将有助于改善金属半导体界面。以上引用的专利申请中讨论了这样的定制。然而，这样的注入将总是影响ARC层30的抗反射特性。但是，由于这是非常小的区域并且其大部分在金属栅格线之下，所以其将不影响太阳能电池的性能。非常薄的导电层的形成允许许多不同的金属沉积方法，如在成本方面高效的镀敷。
可替代的方法将是利用富含金属的墨水喷印来在ARC层30的顶部上形成非常薄的层。在烧成步骤之后，将从表面到半导体形成金属过渡层。使用自对齐的掩模将确保所沉积的层具有好的对齐以及垂直的侧壁。如果抗蚀剂45被选择为耐受后续的所要求的烧成温度，那么接触层将不存在有害的扩大和加宽，从而将阴影最小化并且改善太阳能电池的功率转化效率。
在该阶段，如图11中所见的，在栅格线抗蚀剂图样的栅格线开口中形成非常薄的导电金属接触层110。在一些实施方式中，该栅格线抗蚀剂图样被用于电激活沉积，比如电镀或真正的无电镀敷。对于太阳能电池制备，电镀可以非常迅速地并且在成本方面非常高效地提供大部分金属的非常厚的层。在其他产业中已在成本方面非常高效地利用这样的镀敷。然而，在太阳能电池制备领域，需要多个昂贵的步骤来使得能够利用这样的技术。本发明对自对齐的掩模和内延注入或喷印的使用将首次使得能够使用这样的廉价的金属镀敷技术。
如图12中所见的，在金属接触层的沉积之后，可以将抗蚀剂层45灰化或者化学剥离。在一些实施方式中，可以使用NaOH溶液(小于3wt％)或KOH溶液(3wt％)，用压强为2.4巴的喷雾，以几秒的保持时间，在55摄氏度。在该步骤之后，太阳能电池将具有栅格线之间的高效的光转化效率，在金属栅格线110下面具有高度导电的发射极区域80，并且因此将提供量级为1到2个绝对百分点的效率增益。
目前，太阳能电池的背表面是一系列面层(blanket)金属沉积，该面层金属沉积具有很多与之相关联的问题。第一步是在衬底上沉积铝，该铝作为后续高导电性银接触之间的缓冲、并且还将提供部分掺杂以改善金属-硅界面电阻率。铝不是有效的掺杂，但是能达成目的。对于接触线的后续焊接而言，铝也不是好的金属，并且因此需要更厚的印刷银层。然而，铝与硅的热膨胀失配造成了电池的屈曲和变形的问题。通过在银沉积之前引入掺杂硼的BSF层，可以减轻该问题。在本发明中，可以使用上文引用的专利申请中所述的专用均质注入机来形成这样的BSF层。
更至关重要的是，将金属接触栅格线以及由此产生的阴影最小化是另一种改善电池功率转化效率的方式。为此目的，可以使用几种方法。一个方法是将栅格线的宽度最小化并且因此将阴影最小化。然而，用当前的丝网印刷方法进行该最小化是困难的，因为它们在100微米或更少达到它们的印刷宽度极限。后续和必要的烧成进一步将这些栅格线加宽了+/-10到15微米。因此加重了该问题。上述自对齐方法的使用以及其提供具有50微米或更小的开口的图样的能力有效地解决了这样的问题。在内延注入或墨水喷印籽晶层之后紧接着镀敷将消除对铝沉积的要求并且同时改善电池制备成本。
在一些实施方式中，本发明利用离子注入的选择性能力，来在晶片的背表面上提供低电阻率BSF的区域。可以将这样的注入形成为线、大的岛或者甚至圆环形。对于与衬底相同类型的掺杂可以容易地修改选择性注入机(如以上引用的专利申请中所讨论的那一种)并且该选择性注入机可以提供成形的岛区域。
此外，有许多新技术将通过将全部接触移到太阳能电池的背面并且因此允许前表面无阻碍的暴露来完全消除阴影。本发明的对注入(均质的和选择性能力两者)与以上讨论的自对齐图样的组合的使用将允许在太阳能电池的背面上形成交叉指型交错掺杂区域，同时避免了与光刻、复杂蚀刻和扩散方法相关联的问题。
在图13中，可以采用诸如对于前表面发射极区域所述的技术来形成BSF或交叉指型交错掺杂剂背掺杂电池(IBC)。130A显示了本发明使用均质注入机来形成掺杂硼的BSF的能力，该掺杂硼的BSF可以替代现有的有问题的掺杂铝的背表面。在优选的实施方式中，该注入提供了IE19cm-3或者更低的表面浓度，具有0.5微米或更大的独立结形成能力，并且导致大约50欧姆/平方的薄膜电阻。在本文中，由于硼核素比磷更轻，可以对这些结的形成采用相同的能量范围。预备工作已显示出上文所引用的专用注入机系统可以非常容易地用于利用任何p型掺杂所进行的掺杂。在图14A中显示了其典型结果，其中在晶片的背面上形成了均质BSF 140，并且均质BSF140之后紧接着传统的背金属接触沉积145。通过离子注入所实现的该组合将产生量级为1或更大的绝对百分点的转化效率增益。
130B显示了本发明使用与以上所述并且引用的选择性发射极系统类似的系统，该系统可以提供具有变化的掺杂等级的注入岛。这些注入可以具有栅格线或者点的形状。此外，可以使用典型的离子束的特性，来在可能的接触周围形成中空型的注入。图14B显示了均质BSF(HBSF)140A与选择性BSF(SBSF)140B的结合。这样的制备将使得新型的PERL电池(Martin Green等人)变得非常容易。期望这样的岛的尺寸足够大，从而将对紧密波束成形或者自对齐图样方法和后续的准确对齐的需求最小化。虽然尺寸更小的注入已经可行，类似于上文所讨论的选择性发射极要求。
图14B中所示的太阳能电池将具有前表面选择性发射极导电性更高以及均质注入机发射极的全部优点，而没有死层效应。另外，其将受益于硼BSF和高度掺杂的岛BSF。期望该电池比今日盛行的传统电池提供很大的功率效率增益。在上文所引用的专利申请中，描述了这些方法的成本效率，其中显示出通过替换一些当前的制备设备并且因此消除它们的高成本的操作，可以在成本方面高效地并且大量地制备这样的电池以满足太阳能电池产业的需求。
在图15中，显示了新型的交叉指型交错掺杂剂背掺杂电池(IBC)，其中通过前文所讨论的选择性能力，使用专用注入机与本发明的自对齐方法组合，导致消除前表面阴影。通过将全部接触转移到半导体晶片10的背表面来实现该前表面阴影消除。在一些实施方式中，类似于前文所述的方法而形成该发射极，其中形成抗蚀剂图样，以便接受所需的任何形式的一列掺杂剂150A。然后，形成第二抗蚀剂图样，以允许形成下一个并且不相似的掺杂区域150B。在电池后侧面的这样的交错掺杂不仅将最小化前表面阴影而且对更加劣质的材料也能有效工作，其中，由于发射极区域之间的距离比晶片自身的尺度小得多所以少数载流子的寿命可能受到限制。
在一些实施方式中，通过仔细地选择掩模层(如牺牲氧化物)和/或抗蚀剂材料和/或厚度，并且通过利用各种核素的深度穿透以及他们的加速度能量，可以用一次自对齐和图样形成方法来制备IBC。并且，本发明通过使用离子注入使其能够实现，其中，离子注入能够提供现有的时间和温度驱动的扩散方法所没有的深度渗透能力。这样的一次性方法通过仔细地选择掩模层厚度和其他特性以及所注入的掺杂剂或混合核素的质量、能量和角度，来允许一个面层注入提供选择性的和均质的掺杂。在该方法中，具有图样的抗蚀剂可以是阻止不想要的核素的阻挡体。类似地，可以利用牺牲掩模(如SiO2或甚至SiNx(ARC典型地是Si3N4))并且用抗蚀剂形成该牺牲掩模的图样以作为防止不想要的核素穿透的阻挡体。这样的牺牲掩模可以在该工艺之后去除，并且还将具有阻止任意其他不想要的污染物影响半导体表面的副效益。
在图15中，内延注入可以形成背金属接触层155所需要的籽晶层。类似于前文所讨论的硅化物的形成，该内延注入将有助于两个不相似材料(金属和半导体)之间的带隙设计，并且还可以增强它们的粘附。注意到，用于薄得多的晶片的表面钝化层将不会对该背表面造成问题。另外，如果对电池的背面没有使用纹理，那么该方法实际得以改善，因为不需要处理纹理提供的更大的表面。
图16示出了根据本发明的原理的用于制备太阳能电池的方法200的一个实施方式。在步骤210，提供半导体晶片，该半导体晶片具有前表面、背表面以及在该前表面与该背表面之间的本底掺杂区域。在一些实施方式中，该半导体晶片是硅衬底。然而，能够想到对于该晶片可以使用其他半导体材料。
在步骤220，执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的第一组离子注入，以形成前交错掺杂区域，该前交错掺杂区域从该半导体晶片的该前表面延伸到该前表面与该背表面之间的位置。前掺杂区域包括横向交错的第一前掺杂区域和第二前掺杂区域。该第二前掺杂区域(例如选择性发射极区域)比该第一前掺杂区域(例如均质发射极区域)具有更低的薄膜电阻。在该第一前掺杂区域与该本底掺杂区域之间形成p-n结。
在一些实施方式中，执行该第一组离子注入包括：使用抗蚀剂层来注入该第二前掺杂区域，其中，该抗蚀剂层包括与该半导体晶片上要注入该第二前掺杂区域的位置对齐的抗蚀剂开口。在一些实施方式中，使用被放置为与该抗蚀剂层接触的接触掩模来形成该抗蚀剂开口。该接触掩模包括与该抗蚀剂层中要形成抗蚀剂开口的位置对齐的掩模开口。
在步骤230，在该半导体晶片上布置多个前金属接触。该前金属接触在该第二前掺杂区域之上对齐并且该前金属接触被配置为从该第二前掺杂区域传导电荷。
在步骤240，执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的第二组离子注入，以形成背交错掺杂区域，该背交错掺杂区域从该半导体晶片的该背表面延伸到该背表面与该前表面之间的位置。背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域。该第二背掺杂区域比该第一背掺杂区域具有更低的薄膜电阻。
在一些实施方式中，执行该第二组离子注入包括：使用阴影掩模来注入该第二背掺杂区域，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口。在该第二组离子注入的一部分期间，该阴影掩模被布置为与该半导体晶片的该背表面相距预定距离。
在一些实施方式中，该第一前掺杂区域和该第一背掺杂区域具有介于大约80欧姆/平方与大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻。在一些实施方式中，该第二前掺杂区域和该第二背掺杂区域具有介于大约10欧姆/平方与大约40欧姆/平方之间的薄膜电阻。在一些实施方式中，该本底掺杂区域具有介于大约0.5欧姆/平方与大约1.5欧姆/平方之间的薄膜电阻。
在步骤250，在该半导体晶片的该背表面上布置背金属接触层。该背金属接触层覆盖该第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，并且该背金属接触层被配置为从该第二背掺杂区域传导电荷。
能够想到方法200还可以包括其他步骤。例如，在步骤225a，在该半导体晶片的该前表面上的该第一前掺杂区域之上布置抗反射涂层。在一些实施方式中，在第一组离子注入的离子注入之间(例如均质发射极区域的注入与选择性发射极区域的注入之间)执行该涂层步骤。作为另一个实例，在步骤225b，在该第二前掺杂区域之上布置金属籽晶层。然后在金属籽晶层之上布置步骤230中的该前金属接触。在一些实施方式中，该金属籽晶层包括内延注入。在一些实施方式中，该金属籽晶层包括硅化物。
图17-图23示出了根据本发明的原理的用于制备交叉指型背接触太阳能电池的一个实施方式的不同的阶段。在一些实施方式中，对该半导体晶片进行蚀刻并且形成纹理。对于IBC电池，通常使用n型晶片。然而，能够想到还可以使用p型晶片。
在图17中，使用离子注入320，对半导体晶片310的前面进行轻度掺杂，以形成轻度掺杂剂注入325。该轻度掺杂剂注入325有助于前侧面钝化和串联电阻降低。在一些实施方式中，轻度掺杂剂注入325的电荷类型与半导体晶片310的电荷类型相反。例如，在一些实施方式中，如果半导体晶片310是n型晶片，那么轻度掺杂剂注入325是p型注入。
接下来，使用发射极掺杂，在晶片的后侧面上进行注入。在一些实施方式中，对于n型晶片，该发射极将是p型注入，如硼、铝或镓。该注入可以是面层注入或者通过待形成图样的阴影掩模进行的注入。图18A示出了晶片310的后侧面用以形成发射极区域335A的面层离子注入330。图18B示出了晶片310的后侧面用以形成发射极区域335B的通过阴影掩模337进行的离子注入330。
在图19中使用发射极区域335来表示发射极区域335A和发射极区域335B中的任意一个。然后通过阴影掩模337，在晶片310的后侧面上执行基础掺杂340，以形成发射极区域345。如果以前使用了图18A的面层掺杂，那么该基础掺杂340的剂量必须足够高，以对发射极掺杂335A进行反掺杂。在一些实施方式中，发射极区域345的电荷类型与晶片310的电荷类型相同。例如，如果使用了n型晶片，那么基础掺杂340使用n型掺杂剂，如磷、砷或锑。
在图20中，将晶片暴露至快速热退火或短时炉氧化中的任一个。使用该高温步骤来激活掺杂剂、将注入损伤退火并且创建高度钝化的薄氧化层。
在图21中，将氮化硅薄膜360或一些其他抗反射和钝化薄膜沉积在太阳能电池的前面和后面上。在一些实施方式中，经由等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来沉积该薄膜。
在图22中，使用激光来烧蚀抗反射涂层360，以在横向交错的掺杂区域335和345之上的抗反射涂层中360’中形成小的隔开的开口。在一些实施方式中，使用廉价的光纤激光和波束控制机制来执行该烧蚀。
在图23中，在掺杂区域335和345之上形成交叉指型背接触的金属接触指380，该金属接触指380仅通过该隔开的开口与晶片接触。能够想到可以使用不同的方法来形成这样的指380。一种用于形成指的方法涉及通过阴影掩模来溅射籽晶金属(如铝)，然后使用电镀工艺来对其进行加厚。
图24示出了根据本发明的原理的用于制备交叉指型背接触太阳能电池的方法400的一个实施方式。在步骤410，提供半导体晶片，该半导体晶片具有前表面、背表面以及在该前表面与该背表面之间的本底掺杂区域。在一些实施方式中，该半导体晶片是硅衬底。然而，能够想到对于该晶片可以使用其他半导体材料。
在步骤420，执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的一组离子注入，以形成背交错掺杂区域，该背交错掺杂区域从该半导体晶片的该背表面延伸到该背表面与该前表面之间的位置。背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域。该第一背掺杂区域与该第二背掺杂区域和该本底掺杂区域包括不同的电荷类型。
在一些实施方式中，执行该一组离子注入的步骤包括：执行将第一掺杂剂注入到该半导体晶片中的面层离子注入，其中，遍及该半导体晶片的整个背表面注入该第一掺杂剂；并且使用被布置在与该半导体晶片的该背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第二掺杂剂注入到该半导体晶片中的掩模离子注入，其中，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口。
在一些实施方式中，执行该一组离子注入的步骤包括：使用被布置在与该半导体晶片的该背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第一掺杂剂注入到该半导体晶片中的第一掩模离子注入，其中，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第一背掺杂区域的位置对齐的掩模开口；并且使用被布置在与该半导体晶片的该背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第二掺杂剂注入到该半导体晶片中的第二掩模离子注入，其中，该阴影掩模包括与该半导体晶片上要注入该第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口
在一些实施方式中，该本底掺杂区域是n型掺杂的；该第一背掺杂区域是p型掺杂的；并且该第二背掺杂区域是n型掺杂的。在一些实施方式中，使用从包括硼、铝和镓的组中选择的掺杂剂来掺杂该第一背掺杂区域。在一些实施方式中，使用从包括磷、砷和锑的组中选择的掺杂剂来掺杂该第二背掺杂区域。
在步骤430，将背金属接触层布置在该半导体晶片的该背表面上。该背金属接触层在该第一背掺杂区域和第二背掺杂区域上对齐，并且该背金属接触层被配置为从该第一背掺杂区域和该第二背掺杂区域传导电荷。
在一些实施方式中，该方法400还包括步骤415，其执行将掺杂剂注入到该半导体晶片中的离子注入，以形成轻度掺杂的前区域，该轻度掺杂的前区域从该半导体晶片的该前表面延伸到该前表面与该背表面之间的位置。在一些实施方式中，该轻度掺杂的前区域不延伸到或者超过该背交错掺杂区域的位置。在一些实施方式中，该前掺杂区域是p型掺杂的。
在一些实施方式中，该方法400包括步骤422，在步骤422中，在该晶片上使用高温工艺来激活掺杂剂、将注入损伤退火并且创建高度钝化的薄氧化层，然后将该晶片暴露至快速热退火或短时炉氧化中的任一个。在一些实施方式中，该高温工艺涉及将该晶片暴露至快速热退火或短时炉氧化中的任一个。
在一些实施方式中，该方法400还包括步骤424，在步骤424中在该半导体晶片的该前表面和该背表面上沉积抗反射涂层。在一些实施方式中，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来沉积该抗反射涂层。在一些实施方式中。该抗反射涂层包括氮化硅。
在一些实施方式中，该方法包括步骤426，在步骤426中烧蚀该抗反射涂层以在该抗反射涂层中的该第一背掺杂区域和该第二背掺杂区域之上形成隔开的开口。最终在这些隔开的开口之中沉积金属接触。在一些实施方式中，该方法包括步骤435，在步骤435中在把该金属接触沉积到该隔开的开口中之后，执行电镀工艺。
使用本发明的注入，可以廉价地制备交叉指型背接触电池，使用本发明的注入可以极大地降低当前用于制造背接触电池的成本和工艺步骤，同时保持高的太阳能电池效率。目前，背接触太阳能电池的唯一商用卖方是Sunpower，Sunpower用昂贵并且步骤繁多的工艺来制备太阳能电池。当前用于加工背接触太阳能电池的商用工艺涉及至少20个步骤并且成本大约为$0.80/Wp。本发明的工艺需要更少的步骤并且将成本显著地降低到大约为$0.25/Wp。
以并入细节的具体实施方式来描述了本发明，以助于对本发明的构造和操作的原理的理解。本申请对具体实施方式和其细节的这样的参考不是意图限制所附权利要求的范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离权利要求所定义的本发明的精神和范围的前提下，显然可以在为了例示的目的而选择的实施方式中进行其他多种修改。

Claims (62)

1.一种太阳能电池，包括：
半导体晶片，所述半导体晶片具有前表面、背表面以及在所述前表面与所述背表面之间的本底掺杂区域；
前交错掺杂区域，所述前交错掺杂区域从所述半导体晶片的所述前表面延伸到所述前表面与所述背表面之间的位置，其中，前掺杂区域包括横向交错的第一前掺杂区域和第二前掺杂区域，所述第二前掺杂区域比所述第一前掺杂区域具有更低的薄膜电阻，并且其中，在所述第一前掺杂区域与所述本底掺杂区域之间形成p-n结；
在所述第二前掺杂区域上对齐的多个前金属接触，其中，所述前金属接触被配置为从所述第二前掺杂区域传导电荷；
背交错掺杂区域，该背交错掺杂区域从所述半导体晶片的所述背表面延伸到所述背表面与所述前表面之间的位置，其中，背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，所述第二背掺杂区域比所述第一背掺杂区域具有更低的薄膜电阻；以及
布置在所述半导体晶片的所述背表面上的背金属接触层，其中，所述背金属接触层覆盖所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域，并且所述背金属接触层被配置为从所述第二背掺杂区域传导电荷。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述半导体晶片是硅衬底。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述第一前掺杂区域和所述第一背掺杂区域具有介于大约80欧姆/平方与大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述第二前掺杂区域和所述第二背掺杂区域具有介于大约10欧姆/平方与大约40欧姆/平方之间的薄膜电阻。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其中：
所述第一前掺杂区域和所述第一背掺杂区域具有介于大约80欧姆/平方与大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻；并且
所述第二前掺杂区域和所述第二背掺杂区域具有介于大约10欧姆/平方与大约40欧姆/平方之间的薄膜电阻。
6.如权利要求5所述的太阳能电池，其中，所述本底掺杂区域具有介于大约0.5欧姆/平方与大约1.5欧姆/平方之间的薄膜电阻。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，还包括布置在所述半导体晶片的所述前表面上的所述第一前掺杂区域之上的抗反射涂层。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，还包括布置在所述第二前掺杂区域之上和所述前金属接触之下的金属籽晶层。
9.如权利要求8所述的太阳能电池，其中，所述金属籽晶层包括内延注入。
10.如权利要求8所述的太阳能电池，其中，所述金属籽晶层包括硅化物。
11.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述第二前掺杂区域以大约1mm到大约3mm范围内的距离彼此横向隔开
12.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，
所述本底掺杂区域是p型掺杂的；并且
所述第一前掺杂区域和所述第二前掺杂区域是n型掺杂的。
13.如权利要求12所述的太阳能电池，其中，用与所述本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对所述第二背掺杂区域进行掺杂。
14.如权利要求13所述的太阳能电池，其中，用与所述第二背掺杂区域和所述本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对所述第一背掺杂区域进行掺杂。
15.如权利要求13所述的太阳能电池，其中，所述第二背掺杂区域和所述本底掺杂区域是p型掺杂的。
16.如权利要求15所述的太阳能电池，其中，用硼对所述第二背掺杂区域进行掺杂。
17.一种用于制备太阳能电池的方法，所述方法包括：
提供半导体晶片，所述半导体晶片具有前表面、背表面以及在所述前表面与所述背表面之间的本底掺杂区域；
执行将掺杂剂注入到所述半导体晶片中的第一组离子注入，以形成前交错掺杂区域，所述前交错掺杂区域从所述半导体晶片的所述前表面延伸到所述前表面与所述背表面之间的位置，其中，前掺杂区域包括横向交错的第一前掺杂区域和第二前掺杂区域，所述第二前掺杂区域比所述第一前掺杂区域具有更低的薄膜电阻，并且其中，在所述第一前掺杂区域与所述本底掺杂区域之间形成p-n结；
在所述半导体晶片上布置多个前金属接触，其中，所述前金属接触在所述第二前掺杂区域之上对齐并且所述前金属接触被配置为从所述第二前掺杂区域传导电荷；
执行将掺杂剂注入到所述半导体晶片中的第二组离子注入，以形成背交错掺杂区域，该背交错掺杂区域从所述半导体晶片的所述背表面延伸到所述背表面与所述前表面之间的位置，其中，背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，所述第二背掺杂区域比所述第一背掺杂区域具有更低的薄膜电阻；以及
在所述半导体晶片的所述背表面上布置背金属接触层，其中，所述背金属接触层覆盖所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域，并且所述背金属接触层被配置为从所述第二背掺杂区域传导电荷。
18.如权利要求17所述的方法，其中，执行所述第一组离子注入包括：使用抗蚀剂层来注入所述第二前掺杂区域，其中，所述抗蚀剂层包括与所述半导体晶片上要注入所述第二前掺杂区域的位置对齐的抗蚀剂开口。
19.如权利要求18所述的方法，其中，使用被放置为与所述抗蚀剂层接触的接触掩模来形成所述抗蚀剂开口，所述接触掩模包括与所述抗蚀剂层中要形成抗蚀剂开口的位置对齐的掩模开口。
20.如权利要求17所述的方法，其中，执行所述第二组离子注入包括：使用阴影掩模来注入所述第二背掺杂区域，所述阴影掩模包括与所述半导体晶片上要注入所述第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口，并且在所述第二组离子注入的一部分期间，所述阴影掩模被布置为与所述半导体晶片的所述背表面相距预定距离。
21.如权利要求17所述的方法，其中，所述半导体晶片是硅衬底。
22.如权利要求17所述的方法，其中，所述第一前掺杂区域和所述第一背掺杂区域具有介于大约80欧姆/平方与大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻。
23.如权利要求17所述的方法，其中，所述第二前掺杂区域和所述第二背掺杂区域具有介于大约10欧姆/平方与大约40欧姆/平方之间的薄膜电阻。
24.如权利要求17所述的方法，其中：
所述第一前掺杂区域和所述第一背掺杂区域具有介于大约80欧姆/平方与大约160欧姆/平方之间的薄膜电阻；并且
所述第二前掺杂区域和所述第二背掺杂区域具有介于大约10欧姆/平方与大约40欧姆/平方之间的薄膜电阻。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述本底掺杂区域具有介于大约0.5欧姆/平方与大约1.5欧姆/平方之间的薄膜电阻。
26.如权利要求17所述的方法，还包括将抗反射涂层布置在所述半导体晶片的所述前表面上的在所述第一前掺杂区域之上的步骤。
27.如权利要求17所述的方法，还包括将金属籽晶层布置在所述第二前掺杂区域之上的步骤，其中所述前金属接触被布置在所述金属籽晶层之上。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述金属籽晶层包括内延注入。
29.如权利要求27所述的方法，其中，所述金属籽晶层包括硅化物。
30.如权利要求17所述的方法，其中，所述第二前掺杂区域以大约1mm到大约3mm范围内的距离彼此横向隔开
31.如权利要求17所述的方法，其中，
所述本底掺杂区域是p型掺杂的；并且
所述第一前掺杂区域和所述第二前掺杂区域是n型掺杂的。
32.如权利要求17所述的方法，其中，用与所述本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对所述第二背掺杂区域进行掺杂。
33.如权利要求32所述的方法，其中，用与所述第二背掺杂区域和所述本底掺杂区域电荷类型相同的掺杂剂对所述第一背掺杂区域进行掺杂。
34.如权利要求32所述的方法，其中，所述第二背掺杂区域和所述本底掺杂区域是p型掺杂的。
35.如权利要求34所述的方法，其中，用硼对所述第二背掺杂区域进行掺杂。
36.一种太阳能电池，包括：
半导体晶片，所述半导体晶片具有前表面、背表面以及在所述前表面与所述背表面之间的本底掺杂区域；
背交错掺杂区域，所述背交错掺杂区域从所述半导体晶片的所述背表面延伸到所述背表面与所述前表面之间的位置，其中，背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，并且其中，所述第一背掺杂区域与所述第二背掺杂区域和所述本底掺杂区域包括不同的电荷类型；以及
布置在所述半导体晶片的所述背表面上的背金属接触层，其中，所述背金属接触层在所述第一背掺杂区域和第二背掺杂区域之上对齐，并且所述背金属接触层被配置为从所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域传导电荷。
37.如权利要求36所述的太阳能电池，其中，所述半导体晶片的所述前表面的特征在于：没有任何金属接触，从而消除了由金属接触造成的任何前表面阴影。
38.如权利要求36所述的太阳能电池，其中：
所述本底掺杂区域是n型掺杂的；
所述第一背掺杂区域是p型掺杂的；并且
所述第二背掺杂区域是n型掺杂的。
39.如权利要求38所述的太阳能电池，其中，
使用从包括硼、铝和镓的组中选择的掺杂剂来掺杂所述第一背掺杂区域。
40.如权利要求38所述的太阳能电池，其中，
使用从包括磷、砷和锑的组中选择的掺杂剂来掺杂所述第二背掺杂区域。
41.如权利要求36所述的太阳能电池，其中，所述半导体晶片是硅衬底。
42.如权利要求36所述的太阳能电池，还包括前掺杂区域，所述前掺杂区域从所述半导体晶片的所述前表面延伸到所述前表面与所述背表面之间的位置，其中，所述前掺杂区域不延伸到或者超过所述背交错掺杂区域的位置。
43.如权利要求42所述的太阳能电池，其中，所述前掺杂区域是p型掺杂的。
44.如权利要求36所述的太阳能电池，其中，所述背金属接触层包括在所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域之上对齐的金属接触栅格线。
45.如权利要求44所述的太阳能电池，还包括布置在所述半导体晶片的所述背表面之上并且在所述金属接触栅格线之间的抗反射涂层。
46.如权利要求45所述的太阳能电池，其中，所述抗反射涂层包括氮化硅。
47.如权利要求36所述的太阳能电池，还包括布置在所述半导体晶片的所述前表面之上的抗反射涂层。
48.如权利要求47所述的太阳能电池，其中，所述抗反射涂层包括氮化硅。
49.一种用于制备太阳能电池的方法，所述方法包括：
提供半导体晶片，所述半导体晶片具有前表面、背表面以及在所述前表面与所述背表面之间的本底掺杂区域；
执行将掺杂剂注入到所述半导体晶片中的一组离子注入，以形成背交错掺杂区域，所述背交错掺杂区域从所述半导体晶片的所述背表面延伸到所述背表面与所述前表面之间的位置，其中，背掺杂区域包括横向交错的第一背掺杂区域和第二背掺杂区域，并且其中，所述第一背掺杂区域与所述第二背掺杂区域和所述本底掺杂区域包括不同的电荷类型；以及
将背金属接触层布置在所述半导体晶片的所述背表面上，其中，所述背金属接触层在所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域之上对齐，并且所述背金属接触层被配置为从所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域传导电荷。
50.如权利要求49所述的方法，其中，执行将掺杂剂注入到所述半导体晶片中的一组离子注入以形成背交错掺杂区域的步骤包括：
执行将第一掺杂剂注入到所述半导体晶片中的面层离子注入，其中，遍及所述半导体晶片的整个背表面注入所述第一掺杂剂；以及
使用被布置在与所述半导体晶片的所述背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第二掺杂剂注入到所述半导体晶片中的掩模离子注入，其中，所述阴影掩模包括与所述半导体晶片上要注入所述第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口。
51.如权利要求49所述的方法，其中，执行将掺杂剂注入到所述半导体晶片中的一组离子注入以形成背交错掺杂区域的步骤包括：
使用被布置在与所述半导体晶片的所述背表面相距预定距离的阴影掩模，来执行将第一掺杂剂注入到所述半导体晶片中的第一掩模离子注入，其中，所述阴影掩模包括与所述半导体晶片上要注入所述第一背掺杂区域的位置对齐的掩模开口；以及
使用被布置在与所述半导体晶片的所述背表面相距预定距离的阴影掩模，执行将第二掺杂剂注入到所述半导体晶片中的第二掩模离子注入，其中，所述阴影掩模包括与所述半导体晶片上要注入所述第二背掺杂区域的位置对齐的掩模开口
52.如权利要求49所述的方法，其中：
所述本底掺杂区域是n型掺杂的；
所述第一背掺杂区域是p型掺杂的；并且
所述第二背掺杂区域是n型掺杂的。
53.如权利要求52所述的方法，其中，
使用从包括硼、铝和镓的组中选择的掺杂剂来掺杂所述第一背掺杂区域。
54.如权利要求52所述的方法，其中，
使用从包括磷、砷和锑的组中选择的掺杂剂来掺杂所述第二背掺杂区域。
55.如权利要求49所述的方法，其中，所述半导体晶片是硅衬底。
56.如权利要求49所述的方法，还包括：执行将掺杂剂注入到所述半导体晶片中的离子注入，以形成前掺杂区域的步骤，所述前掺杂区域从所述半导体晶片的所述前表面延伸到所述前表面与所述背表面之间的位置，其中，所述前掺杂区域不延伸到或者超过所述背交错掺杂区域的位置。
57.如权利要求56所述的方法，其中，所述前掺杂区域是p型掺杂的。
58.如权利要求49所述的方法，还包括在所述半导体晶片的所述前表面和所述背表面之上沉积抗反射涂层的步骤。
59.如权利要求58所述的方法，其中，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来沉积所述抗反射涂层
60.如权利要求58所述的方法，其中，所述抗反射涂层包括氮化硅。
61.如权利要求58所述的方法，其中，在所述半导体晶片的所述背表面上布置所述背金属接触层的步骤包括：
烧蚀所述抗反射涂层以在所述抗反射涂层中的所述第一背掺杂区域和所述第二背掺杂区域之上形成隔开的开口；并且
在所述隔开的开口之中沉积金属接触。
62.如权利要求61所述的方法，其中，在所述半导体晶片的所述背表面上布置所述背金属接触的步骤还包括：
在将所述金属接触沉积到所述隔开的开口之中之后，执行电镀工艺。
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