CN102439735A - 通过局部激光辅助转变太阳能电池中的功能膜得到的局部金属接触 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池，其包括利用选择性激光辐射形成的接触金属化。在该太阳能电池中形成上层，所述上层包含可在激光辐射下选择性转变成电接触的材料。将选择性激光辐射施加于该上层的至少一个区域以在该层中形成至少一个电接触。所述上层的剩余区域可以是太阳能电池的功能层，其无需被除去。所述上层可以是，例如透明的导电膜、抗反射膜、和/或钝化。所述电接触可向所述太阳能电池的上层下的至少一个区域提供导电通路。
Description
相关申请信息
本申请要求于2009年4月22日提交的并且指定的申请号为61/171,491的题为“Localized Metal Contacts By Localized Laser Assisted Reduction OfMetal-Ions In Functional Films，And Solar Cell Applications Thereof”的美国临时申请的权利；并且与于2009年4月21日提交的并且指定的申请号为61/171,194的题为“High-Efficiency Solar Cell Structures and Methods ofManufacture”的美国临时申请有关；还与备案号为3304.001AWO并且指定的申请号为PCT/US2010/031869的题为“High-Efficiency Solar CellStructures and Methods of Manufacture”的共同提交的国际专利申请有关。这些申请均全文在此援引加入。本发明的所有方面可与任何上述申请的公开组合使用。
技术领域
本发明涉及太阳能电池。更具体地，本发明涉及改进的太阳能电池金属化接触，以及它们的生产方法。
背景技术
在典型的太阳能电池中，太阳辐射照射太阳能电池的至少一个表面(通常称为正面)。为了实现入射光子向电能的高能量转换效率，在硅片基底内有效吸收光子是很重要的。在一些电池结构(以下进一步描述)中，这是通过在除了硅片本身外的所有层内对光子的低(寄生)光学吸收光子来实现的。为简洁起见，本文中没有特意描述硅片的几何形状(通常在晶片表面上形成表面纹理如角锥形或者对平面施加其它修改)的影响，因为已知所述表面可具有有益于改进太阳能电池效率的任何形状的纹理。
层和它们组成的选择在太阳能电池制造中具有重要作用。典型地，层数和各层相关的加工步骤(预清洁、半导体膜沉积、图形蚀刻、预清洁、金属沉积和金属图形蚀刻等)导致电池复杂性和相应的制造成本。金属化是太阳能电池的一个特别重要的特征，并且制造和配置太阳能电池经济上要求高，这要求严格控制生产成本并且尽可能地优化。
发明内容
本发明提供太阳能电池结构和其制造方法，其提供的益处是降低常由金属电极过度的表面覆盖导致的对太阳能电池的遮蔽，金属栅极的高导电性，以及使在例如电池受照射的正面或电池的任何其它面上的金属接触下的载流子复合最小化。公开的技术能够使用还包括整体电接触在内的多功能层，以及减少材料和所需加工步骤的数量的制备技术，由此降低太阳能电池生产成本。
本发明通过利用激光能量直接撞击在例如一个沉积的介质绝缘膜上选择性地转换该膜的导电状态以在没有多个沉积和图形化步骤的情况下形成太阳能电池电接触和互连，由此满足降低复杂性和相应的生产成本和加工步骤的要求。
就此而言，在一个方面，本发明涉及太阳能电池，其包括为所述太阳能电池提供至少一种功能的上层(例如透明介电膜、抗反射膜、钝化等)；其中所述上层包含可利用选择性激光照射冲击被转化成导电接触的材料。所得的电接触通过介电绝缘体为该太阳能电池的上层之下的至少一个区域提供例如导电通路。其后，可在选择性形成的导电接触之上形成金属镀层。
在一个实施例中，所述材料包含金属氮化物复合材料，并且在例如含有气态氧的氧化性环境中冲击式激光照射选择性地氧化所述氮化物，致使所述材料由介电绝缘体转化成导电接触。
在另一个实施例中，所述材料包含金属碳化物复合材料，并且在例如含有气态氧的氧化性环境中冲击式激光辐射选择性地改变所述金属碳化物复合材料的氧化态，致使所述材料由介电绝缘体转化成导电接触。
在另一个实施例中，所述材料包含金属离子，并且在例如含有气态氢或氢气和氮气的混合物或甲醇或乙醇的还原性环境中激光辐射还原金属，导致形成电接触。
所述上层可在包含掺杂半导体材料的下层掺杂区之上形成，其中所述上层中的掺杂剂是与所述掺杂半导体材料相同的掺杂剂类型。激光辐射使上层掺杂剂扩散到下层掺杂区中，其中薄膜介电层的转变区与下层掺杂区形成电接触。作为实例，铝在扩散到硅基底中时形成P型掺杂剂。
这里公开的结构、方法及通过这些方法制得的产品，以及所有相关的技术构成本发明的组成部分。
此外，通过本发明的技术实现其它特征和优点。本发明的其它实施方案和方面在本文中详述，并且视为要求保护的发明的组成部分。
附图说明
在本申请所附权利要求书中特别指出并明确请求保护本发明的主题。结合附图由以下详述显而易见本发明的上述及其它目的、特征和优点：
图1a描绘了太阳能电池的部分横截面图，根据本发明的一个方面，在其上的例如包含例如含金属的化合物的绝缘介电上层材料上施加选择性激光辐射；
图1b描绘了选定区域中的激光照射区被激光辐射转化，由介电绝缘材料形成导电金属接触，并且其中所述接触直接与下层接触；
图1c描绘了如果含金属的化合物与下层中的那些属于相同类型的掺杂剂，接触可渗透到上层或甚至通过上层渗透到下层；
图1d描绘了产生的接触，其用作加厚镀层步骤的种子层；
图2a描绘了第二类太阳能电池的部分横截面图，根据本发明的一个方面，在其上的包含例如含金属的化合物的上层上施加选择性激光辐射；
图2b描绘了激光照射区，其中产生导电金属接触；
图2c描绘了产生的接触，其用作后续加厚镀层步骤的种子层；
图3a描绘了太阳能电池的部分横截面图，根据本发明的一个方面，在其上的包含例如含金属的化合物的上层上施加选择性激光辐射；
图3b描绘了激光照射区，其中在材料的上表面中产生金属种子层接触，形成隔离的或嵌入的导体；
图3c描绘了产生的接触，其用作后续加厚镀层步骤的种子层；
图4描绘了根据本发明的原理在太阳能电池的向光正面上产生的成品指形物/汇流条正面栅极结构；
图5a-b描绘了根据本发明的一个方面利用不同强度的激光能量辐射产生不同深度的电接触区和/或互连线，其中一些转化的材料完全渗过该材料，与基底形成接触，而一些材料仅在邻近表面被转化，形成与基底隔离的互连，但是可用所述接触电结合至基底；和
图6描绘了太阳能电池的部分横截面图，其包括根据本发明的一个方面形成的嵌入的间隙接触/互连结构。
具体实施方式
本发明涉及通过激光辐射局部改变太阳能电池的层组成，其中与下层的金属接触或在正面上的金属接触穿过或嵌入到例如绝缘介电层中。在一个实施方案中，所述金属接触可互联形成例如指形物和/或汇流条的连续接触栅极。
对膜的化学组成进行局部改变，所述膜包括含有含金属化合物的透明层，所述含金属化合物例如氮化铝、氧化钛、氧化铝、氮化硼、碳化硅或银。这些材料中的一些可以是透明二元系陶瓷。材料另一示例类型包括透明的导电氧化物(TCO)，例如，掺杂铝的氧化锌或掺杂氟的锡氧化物或铟锡氧化物或锌锡氧化物等。
许多这些金属化合物具有对于太阳能电池理想的光学性质，即，对典型应用中的许多类型的太阳能电池，它们具有宽的禁带(6eV)，提供高的光学透明度；和适当的折射率(1.8-2.4)，提供有效的抗反射涂层。
此外，这些含金属化合物膜可提供太阳能电池基底和/或上层的非常有效的表面钝化，由此降低表面界面状态，并且降低表面载流子复合损失。
因此，本发明提供非常有效的结构以及形成太阳能电池中的多功能膜的方法。
在一个实施方案中，局部改变化学膜组成可通过例如热活化氧化金属氮化物化合物或金属碳化物化合物将该膜由绝缘体转变成导体，导致除去或改变所得转化材料中的氮化物、金属或其它氧化物的相对浓度，在此情况中，可能需要氧化性环境例如在空气或纯氧中。或者，改变化学膜组成可包括将含金属化合物还原成金属，在那些情况中可能需要还原性材料，例如气态氢或氢气和氮气的混合物或者液体如乙醇或甲醇。
在本发明的一些实施方案中，在p型半导体层上使用包含用作相邻半导体材料中的p型掺杂剂的金属的膜。对于硅作为所述半导体材料，实例是铝、镓或铟。由此通过激光处理该膜可激发例如铝扩散到下层区域中，并且在该接触下实现局部的p型掺杂。此掺杂降低接触复合。因此，在n型半导体层上使用包含用作相邻半导体材料中的n型掺杂剂的金属的膜。对于硅作为所述半导体材料，一些实例是砷、锑或铋。由此通过激光处理该膜可激发例如铋扩散到相邻区域中，并且在该接触下实现局部的n型掺杂。
更通常而言，所述薄上层可沉积在掺杂半导体材料的薄膜层上，其中所述薄上层中的含金属化合物与所述薄膜掺杂半导体材料是相同的掺杂剂类型。
或者，所述薄上层可沉积在包含重掺杂表面区的半导体基底上，其中所述薄上层中的含金属化合物与所述半导体基底的重掺杂表面区是相同的掺杂剂类型。
在每一种情况下，激光辐射可使金属扩散到基底的下层掺杂区中或者扩散到下层掺杂半导体薄层中。在激光辐射使金属扩散到基底的下层掺杂区中或者扩散到下层掺杂半导体薄膜层中后，可对所述太阳能电池进行热处理。
本发明可应用于许多太阳能电池结构，包括在上面援引加入的专利申请中所列的那些。以下仅是实施例，但是本发明不限于这些实施例。
根据本发明，并且参照图1a-d的方法10的太阳能电池，在预先形成的上层12上的选择性激光辐射L将层12中的含金属化合物例如氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅转变成接触区11。区域13可以是太阳能电池基底(例如硼)中的扩散区，并且晶片14可以是n型或p型。激光辐射在氧化性环境中将所述含金属化合物热转变成导电金属态，并且形成与层13的接触11。根据激光的参数，还可形成铝硅合金，由此在接触区域中产生p型掺杂。
参照图1c，所述接触可渗入上层12或甚至通过上层12渗入下层13中，如果含金属化合物包含与下层中的那些相同类型的掺杂剂(根据上述扩散过程)。
在下一步骤中(图1d)，为了增加金属线的导电性，或者将间隔紧密的离散点互联成线以形成用于形成太阳能电池正面-格栅图形的结构如电极和汇流条(例如图4)，随后可进行镀敷步骤以形成镀敷的导体附加层15。还可现场热处理通过激光辐射形成的金属接触。
本发明可使用Gaussian或高帽形激光轮廓。例如，精确的例如高帽形激光轮廓(例如，已知为可控的高帽形轮廓而不是Gaussian型)的形成可使用极高功率的(＞300W)激光实现，从而能够直接刻写重复特征，其中通过例如掩模、移动台和/或扫描器限定加工的特征。使用的激光源可以是高功率的多模激光源。选择激光源波长、脉冲宽度、重复频率和脉冲能量以最佳地适合加工要求。此类激光源的实例包括二极管泵浦固态Nd:YAG和准分子激光。其它实例包括脉冲(Q-开关)激光或连续波激光。可在一定波长和脉冲宽度下操作所述激光，在所述波长和脉冲宽度下激光能量将所需的材料转变成接触。一起使用激光功率、光束轮廓、波长、脉冲频率这些参数可用来调整激光吸收的所有参数或者与特定的含金属化合物膜的结合，由此调整转变的材料的深度分布以形成全深度的接触或者隔离/嵌入的互连线，或者其它所需结构。
根据本发明的另一方面，并且参照图2a-c的方法20的太阳能电池，在预先沉积的上层22上(例如掺杂铝的透明导电性氧化物)上的选择性激光辐射L将上层22中的含金属化合物例如氧化铝还原成接触区21。区域23可以是在薄热通道氧化物层26上的p型多晶硅层，并且晶片24可以是n型或p型。
在一个实施方案中，激光辐射将所述含金属化合物材料转变成更金属的导电接触材料，并且形成与多硅层23的接触21。(如上所述，在此未示出，所述金属可渗入上层22或甚至通过上层22渗入下层23。)
在下一步骤中(图2c)，为了增加金属线的导电性，或者将间隔紧密的离散点互联成线以形成结构如电极和汇流条(例如图4)，可进行镀敷步骤以形成镀敷的导体附加层25。还可现场热处理通过激光辐射形成的金属接触。
根据本发明的另一方面，并且参照图3a-c的方法30的太阳能电池，通过激光辐射转变成接触的区域可用作金属电极35的种子层，所述金属电极可通过随后的金属镀敷步骤形成(图3c)。在预先沉积的上层32上的选择性激光辐射L将上层32中的含金属化合物例如氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅转变成种子区31。在此图中，转变的区域仅部分地渗入上层32中形成例如介电绝缘体中所含的电隔离的互连线。这有益于形成太阳能电池中的正面栅极图形，并且与下层太阳能电池基底具有足够的电接触水平，同时提供来自太阳能电池的导电通路。区域33可以是在薄热通道氧化物层36上的p型多晶硅层，并且晶片34可以是n型或p型。
因此，在随后的金属镀敷中(即镀层与种子层自对准)，不需要外部对准。因为用于电极的种子结构嵌入在所述膜中，解决电极的力学粘附问题。还可现场热处理通过激光辐射形成的金属接触，以通过使所述金属化合物形成合金或者通过与镀敷的金属形成金属间化合物来降低接触电阻。
本发明的太阳能电池结构和制备方法优于现有技术之处在于，通过激光可产生的局部接触具有远小于标准印刷或沉积方法的特征尺寸。本发明还能够从已是太阳能电池的功能膜例如抗反射涂层、透明膜、表面钝化等的膜(12、22、32)形成金属线，无需在电池上表面沉积其它上层。因此，该膜(12、22、32)的未处理区域不需要被图形化、除去或替代，这节省了成本和生产时间。
图4表示太阳能电池40，其具有汇流条42和指形物44的图形，并且根据本发明的上述任一方面在其表面上形成正面栅极图形。在一个实施例中，本发明能够形成宽度小于约5-20μm的细接触线，或者直径小于约5-20μm的离散接触点。
根据本发明的另一方面，并且参照图5a-b的方法50的太阳能电池，通过激光辐射可形成转变成接触的区域，并且通过改变激光辐射强度的水平还加工较浅的区域。例如，在预先沉积的上层52上的第一种强度的选择性激光辐射L1将上层52中的含金属化合物例如氧化铝转变成接触区51，用于接触下层53和54。另一激光强度水平L2用来将其它区域转变成较浅的层56，从而互连这些接触并且提供来自太阳能电池的电流的导电通路。在一个实施例中，随机分布地形成所述接触点，并且其密度足以后续形成较浅的嵌入互连线以截取或覆盖足够数量的接触点，从而与下层基底形成足够的电接触，而无需对互连线与接触点进行物理对准。最终结构可以是嵌入介电绝缘体中的太阳能电池正面栅极图形，并且与太阳能电池基底彻底接触。
根据本发明的另一方面，并且参照图6，整个接触/栅极结构66可间隙嵌入在多结太阳能电池60的P-N结62、64之间，在相邻结之间形成绝缘的和电串联的互连组合。如方法50中所述，所述接触可部分地嵌入，从而与下层基底接触。相似地，所述接触可部分地嵌入，从而与后续沉积的覆盖层接触。在此实施例中，所述覆盖层可以是在预先制得的单结太阳能电池上制造的下一太阳能电池结的基础，由此按照P-N-P-N串联顺序同时电绝缘和互连这两个结。此外，可沉积两层或多层的所述含金属化合物，从而根据上述方法能够直接激光形成嵌入未转变的介电绝缘材料中的导体多层叠层。最终结构示于图6中，其中示出在多结太阳能电池的两个结之间的嵌入互连层。由于金属化合物膜材料的高禁带，它们具有高透明度，能够将所述材料嵌入在结之间，并且在多结电池的第二和第一结之间没有不可接受的光吸收。
术语“接触”在本文中广义地用来指任何类型的导电结构。
术语“含金属化合物”在本文中广义地用来指，根据本发明的方法可转变成导电接触的材料。
本发明可用于在太阳能电池的任何面(例如正面、背面等)，或者在嵌入多结太阳能电池内的结之间形成接触。
本发明的一个或多个方法控制方面可包括在具有例如计算机可用介质的制品(例如一个或多个计算机程序产品)。该介质在其中已编入例如计算机可读的程序编码用于提供和促进本发明的技术。所述制品可作为计算机系统的一部分，或者独立销售。
此外，可提供至少一个可由机器读取的程序存储装置，该机器包括至少一个可由该机器执行的指令程序以行使本发明。
本文公开的流程图和步骤仅是实施例。在不脱离本发明的精神的情况下，可对这些图或步骤(或操作)进行许多改变。例如，所述步骤可以不同的顺序进行，或者可增加、删除或修改步骤。所有这些改变均视为本发明的组成部分。
虽然本文中已描绘和详述优选的实施方案，对相关领域的技术人员而言，显然在不脱离本发明的精神的情况下可进行各种修改、增加、替代等，因此，这些被视为在所附权利要求书限定的本发明的范围内。
Claims (32)
1.在太阳能电池的层中形成至少一个电接触的方法，其包括：
在所述太阳能电池中形成层，所述层包含可在激光辐射下选择性地转变成电接触的材料；和
在所述层的至少一个区域上施加选择性激光辐射，从而在所述层的所述区域中形成至少一个电接触。
2.权利要求1所述的方法，其中所述层的剩余区域包括所述太阳能电池的功能层，并且无需除去。
3.前述权利要求之一所述的方法，其中所述上层包括透明层。
4.前述权利要求之一所述的方法，其中所述上层包括透明导电膜。
5.前述权利要求之一所述的方法，其中所述上层包括抗反射层。
6.前述权利要求之一所述的方法，其中所述上层包括钝化介电膜层。
7.前述权利要求之一所述的方法，其中所述材料包括透明绝缘二元系陶瓷复合材料或其它金属复合材料。
8.前述权利要求之一所述的方法，其中所述至少一个电接触向所述太阳能电池的上层之下的至少一个区域提供导电通路。
9.前述权利要求之一所述的方法，其中所述材料包括金属氮化物或金属碳化物复合材料，并且所述激光辐射氧化所述氮化物，由此形成所述至少一个电接触。
10.前述权利要求之一所述的方法，其中所述激光辐射在氧化性环境中进行。
11.权利要求10所述的方法，其中所述氧化性环境包含气态氧。
12.前述权利要求之一所述的方法，其中所述激光辐射将金属还原成所述至少一个电接触。
13.权利要求12所述的方法，其中所述激光辐射在还原性环境中进行。
14.权利要求13的方法，其中所述还原性环境包含气态氢或氢气和氮气的混合物或甲醇或乙醇。
15.前述权利要求之一所述的方法，其还包括镀敷所述至少一个电接触。
16.前述权利要求之一所述的方法，其中所述上层形成于包含掺杂半导体材料的下层掺杂区之上。
17.权利要求16的方法，其中所述上层中的金属与所述掺杂半导体材料是相同的掺杂剂类型。
18.权利要求17的方法，其中所述激光辐射使所述金属扩散到下层掺杂区中。
19.权利要求18的方法，其中所述上层的转变区形成与下层掺杂区的电接触。
20.前述权利要求之一所述的方法，其还包括在施加选择性激光辐射使金属离子扩散到下层掺杂区之后对所述太阳能电池进行热处理。
21.在太阳能电池中形成接触金属化的方法，其包括：
沉积包含金属氮化物、金属碳化物或金属氧化物化合物的层；和
在所述层的需要金属化的区域上施加激光辐射，从而将所述层的所述区域中化合物组成的氧化态转变成导电金属接触。
22.根据权利要求1-21之一所述的方法制得的太阳能电池结构。
23.太阳能电池，其包括为所述太阳能电池提供至少一种功能的上层，其中所述上层包含能够利用激光辐射转变成导电接触的材料。
24.权利要求23的太阳能电池，其还包括在所述上层中一体形成的至少一个电接触。
25.权利要求24所述的太阳能电池，其中所述至少一个电接触包括随机分布的多个接触，所述接触能够使正面栅极图形与所述太阳能电池的下层进行无需对准的接触。
26.权利要求24-25之一所述的太阳能电池，其中所述电接触向所述太阳能电池的上层之下的至少一个区域提供导电通路。
27.权利要求24-26之一所述的太阳能电池，其还包括在所述至少一个接触上形成的金属镀层。
28.权利要求23-27之一所述的太阳能电池，其中所述上层是透明的。
29.权利要求23-28之一所述的太阳能电池，其中所述上层材料包括RI为1.8-2.4的抗反射涂料。
30.权利要求23-29之一所述的太阳能电池，其中所述上层包括钝化介电膜。
31.权利要求23-30之一所述的太阳能电池，其中所述上层同时发挥以下多个功能：透明、表面钝化、电接触、电流分配、以及用于镀敷的正面栅极图形的种子层。
32.权利要求23-31之一所述的太阳能电池，其中形成间隙接触和/或互连层，以在多结太阳能电池的两个或多个结之间提供电接触。
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