CN102484146A - 太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有半导体晶片(1)的太阳能电池，该太阳能电池包括一个朝向入射光、具有一个基极(4)的正面(2)以及一个与该正面(2)相对、具有一个发射极(7)的背面(5)，该基极连接到该半导体晶片(1)的一个基底层(3)上，该发射极连接到该半导体晶片(1)的一个发射结构(6)上，其特征在于，该发射结构(6)包括一个安排在该半导体晶片(1)的正面(2)上的正面发射层(61)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有双面接触作用的太阳能电池。
背景技术
在一种由半导体晶片制造的(例如由硅制成的)、基于晶片的太阳能电池中，半导体晶片材料用作吸收物材料，以便吸收照射到一个朝向入射光的正面上的光并且将其转化成电能。当半导体晶片包括多个充分电钝化的表面时，该吸收物材料显著地贡献了太阳能电池中的复合损失并且因此限制了能量转化效率。
目前，基于晶片的硅太阳能电池市场由双面接触的太阳能电池所主导，该电池具有一个p型的基底层和一个n型的发射结构。该P型的基底层典型地是通过对半导体晶片进行硼掺杂而产生的，而其上的n型发射结构常规地是通过掺杂磷的方式形成的。发射结构和连接到其上的发射极被安排在正面，而基极被安排在半导体晶片的、与正面相对的一个背面上。
简单地说，在半导体中，与空穴相比，电子可能更容易被半导体材料中的缺陷所捕获。除其他因素之外，这是同电子与空穴相比而言更高的迁移率相关的。另一方面，一种掺杂的半导体的物理特性主要是由半导体中的少数载流子决定的。因此，与具有相同的杂质水平或复合中心密度的n型半导体相比，以电子为少数载流子的p型半导体总体上展示了更高的复合活性。这种行为在物理上可以由所谓的肖克莱-里德-霍尔(Shockley-Read-Hall)形式来描述并且它在文献中是已知的。此外，由柴氏法(Czochralski process)生产并且后续通过掺杂硼而形成为p型半导体的硅晶片在光暴露下展示了更加负面的效果，其术语被称为硼-氧降解。由于这种随时间开始并发展的降解，半导体中电荷载流子的复合率增加，这样使得由其生产的太阳能电池经历效率上的降低。
被设计为n型的半导体没有这些缺点，并且因此具有显著更高的效率。基于由n型晶片(本体材料)制成的n型基底层的高效率太阳能电池在工业生产中被设计成背面接触式太阳能电池(背结式太阳能电池)或者具有异质触点的太阳能电池。由于它们工艺复杂的设计，因此引入具有n型基底层的太阳能电池的工艺困难是非常大的。
在EP 1732142A1中披露了一种基于晶片的太阳能电池，它具有磷掺杂的基底层。在这种n型半导体晶片的正面上安排有多个基极，它们通过一个基底接触层而连接到基底层上。在半导体晶片的背面上放置有一个发射层以及其上的一个发射极，从而覆盖了整个区域。虽然这种安排在工艺上是比先前说明的这两种太阳能电池设计更简单的，然而它具有电流收集概率非常低的缺点，因为通过半导体晶片正面上的入射光而产生的电荷载流子首先将必须通过相对厚的基底层才能被置于背面上的发射层所收集。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种在工艺上简单地进行制造并同时具有高效率的太阳能电池。
根据本发明，这个目的是通过具有权利要求1所述特征的一种太阳能电池来实现的。本发明的有利实施方案是这些子权利要求的主题。
本发明的基本构思是提供一种双面接触的太阳能电池，其中正面放置有多个基极而背面放置有多个具有发射结构的发射极，该发射结构包括放置在半导体晶片正面上的一个正面发射层。由于正面发射层被放置在正面上，在半导体晶片正面上由入射光产生的这些电荷载流子对是通过在发射结构与基底层之间的一个结而分离、并且作为电流通过基极和发射极而传导出去。之后，在被背面发射层收集之前，这些电荷载流子不需要再穿过基底层。因此，它们在基底层中进行复合的概率降低了，从而导致太阳能电池效率的提升。
正面发射层由此可以在正面上包括一个连续的区段或多个彼此分离的区段。例如这些区段可能由于放置在它们之间的多个基极而分离。为了将发射结构的正面发射层与半导体晶片背面上的发射极连接到一起，可以在半导体晶片中提供多个通孔，这些通孔的壁是被金属化的或者这些通孔被导电材料完全填充。这样一种结构被表述为金属穿孔卷绕(metal wrap through)(MWT)。
发射极和/或基极可以通过施用金属糊剂而产生，具体是将含银的糊剂用于基极，并且将以下加热处理(烧制处理)用于形成半导体电极触点。在此，通过一种单一的加热处理，可以从所施用的金属糊剂来生产发射极以及基极两者。金属糊剂可以通过丝网印刷、通过喷墨印刷、或通过其他适合的工艺而施用。由于这种太阳能电池的双面接触作用，可以将常规的互连技术和装置用于将多个太阳能电池互连为一个太阳能电池模块。具体而言，这些太阳能电池可以通过多个电池连接器而继续被互连成太阳能电池串。
在一个有利的实施方案中，所提供的是，该发射结构包括一个安排在半导体晶片背面上的背面发射层以及一个传输区域，该传输区域在一个晶片边缘区域上延伸和/或沿着在半导体晶片中形成的一个通孔的壁区域延伸到该半导体晶片的正面。该背面发射层、传输区域、以及正面发射层是连接到一起的或汇合到彼此中，并且因此，如果该传输区域沿着这些通孔的壁区域延伸的话它们就形成了一种所谓的发射极穿孔卷绕(emitter-wrap-around)(EWT)结构，或者如果该传输区域在晶片边缘区域上延伸的话就形成了一种发射极周围卷绕(mitter-wrap-around)(EWA)结构。
在一个优选的实施方案中，所提供的是，该发射结构在半导体晶片的正面的至少约92％上、优选在至少约95％上延伸。换言之，正面发射层延伸了半导体晶片正面的至少92％或95％。在此，正面发射层自身可以被一个或多个层、例如一个减反射层所覆盖。
在一个有利的实施方案中，所提供的是，该基极通过一个基底接触结构而连接到基底层上，由此该基底接触结构包括多个间隔开的基底接触区域和/或一个正面基底接触层。这些间隔开的基底接触区域优选是指形的，并且可以在一个基底汇流排之下彼此邻接，或者它们可以通过一个基底汇流排而相互电连接。
当提供了一个正面基底接触层时，可以将半导体晶片正面上的多个基极通过一个公共的正面基底接触层而连接到基底层。这样一种有利地在半导体晶片的基本上整个正面上延伸的正面基底接触层具有以下优点，即它增加了用于从基底层中收集的电荷载流子的、太阳能电池的侧向传导率。这些电荷载流子还可以首先沿最短路径流动通过基底层到达正面基底接触层，并且从这里以更低的电阻到达各单独的基极。
另一方面，彼此间隔开的基底接触区域具有以下优点，即半导体晶片正面通常具有更高的电流收集概率，因为在这些基极之间的表面区域中没有基底接触区域。为了使半导体正面的复合损失最小，可以将正面基底接触层沿半导体晶片正面的一个实质性部分形成为特别薄的，而在这些基极的紧邻附近区域中和/或刚好在基极下方处是较厚的。在此，“较厚”是指以下两个实施方案，一种实施方案中这些对应的区域或层具有物理上更大的竖直范围，而另一种实施方案中增大了在这些对应的区域或层处的掺杂密度。
大体上，刚好在金属基极以下之处的复合损失通过增大掺杂密度、或者通过将此处的基底接触区域或正面基底接触层上增厚而得以最小化。与此相反，在没有金属化作用的表面区域处的复合损失(例如在这些指形基极之间的区域内)是通过使此处的基底接触区域或正面基底接触层更不显著或甚至使之不存在而得以最小化。
这些基底接触区域可以是指形的并且可以包括在多个汇流排之下的多个基底接触区域。替代性地，可以在没有汇流排的情况下形成太阳能电池，这样使得这些指形的基底接触区域在半导体上的正面上的任何位置都不彼此邻接。另一方面，在一个有利的实施方案中，这些基底接触区域可以形成为点状，由此这种基底接触点必须提供用于后续接触的适当的最小表面。这些基底接触点优选安排为一种网格图案。这些点状的基底接触区域是不仅彼此间隔开、而且还是彼此分离的基底接触区域，即它们不通过另外的基底接触区域而彼此电连接、而是仅通过该基底层或另外通过基极或通过用于将太阳能电池互连成模块的互连元件。这也适用于先前描述的、在没有基底汇流排的太阳能电池中的指形基底接触区域。
优选地，所提供的是，正面发射层被安排在基底层与正面基底接触层之间。为此，例如该发射结构可以首先产生在整个半导体晶片上，例如通过热扩散。随后在正面发射层中产生多个发射层开口，通过这些开口，可以进行基底层与基底接触结构之间的接触作用。之后，在半导体晶片的正面上产生正面基底接触层。
在一个有利的实施方案中所提供的是，该正面基底接触层被安排在正面发射层与基底层之间。于是，在此，与先前描述的实施方案相比，该正面基底接触层和正面发射层是以相反的顺序安排在基底层上。其优点为，可以在基底层与这些基极之间形成一种更低电阻的电连接。
在一个优选的实施方案中，所提供的是，基底接触结构包括被安排在背面发射层与基底层之间的一个背面基底接触层。在这种情况下，该背面基底接触层不用于将基底层与这些基极进行电连接。取而代之地，它可以用于影响在基底层与背面发射层之间的过渡区域的物理性质。
类似于正面基底接触层或正面基底接触区域的情况，背面基底接触层的一个实质性优点是，它增加了基底层的侧向传导率。多数载流子(在n+型的背面基底接触层的情况下是电子)可以在背面基底接触层中自然地移动，以便重新发射到直接在正面基底接触区域或基极区域正下方的基底层中。之后，这些多数载流子仅需要穿过相对薄的(例如100-200μm)、高电阻的基底层并且到达正面基底接触区域或基极。因此，背面基底接触层与正面基底接触层一样，形成了一个等电势表面。
在一个有利的实施方案中，所提供的是，基底层、基底接触结构和/或发射结构至少在多个区段中包括一种表面钝化作用。表面钝化作用优选被设计为一种表面钝化层，它可以形成在基底层、正面基底接触层、正面发射层和/或背面发射层上的多个区段中。它可以是一种化学的钝化和/或优选是一种场效应钝化。
在此描述的所有实施方案中，可以提供另外的多个层，以便影响太阳能电池的光学和/或电学特性。其实例包括正面减反射层和背面反射层。此外，该半导体晶片的正面优选设置有纹理化效果，以便捕获更大部分的入射光并因此增加太阳能电池的总效率。
在一个优选的实施方案中，所提供的是，表面钝化层包括氧化铝(Al2O3)。这样一种表面钝化层优选是通过原子层沉积(ALD)来施用。在这种方式中，可以获得非常有效的钝化层，其厚度是可以非常精确地调节的。替代性地，还可以采用其他材料和方法来形成表面钝化层，例如SiNx或者沉积的或热生长的氧化硅。
在一个有利的实施方案中，所提供的是，基底层包括一种n型的半导体，并且发射结构包括一种p型的半导体。在具有基底接触结构的实施方案中，该基底接触结构优选由一种n+型半导体形成。优选地所提供的是，基底接触结构是通过半导体晶片的磷掺杂而制成的，并且发射结构是通过硼掺杂而制成的。
在一个有利的实施方案中，所提供的是，该发射极形成为全区域背面金属化物，它基本上完全覆盖了半导体晶片的背面。可以通过将铝糊剂施加到半导体晶片背面上的整个表面上并且通过后续的加热处理步骤来生产发射极。然而优选的是，它是通过一种沉积工艺、例如通过物理气相沉积(PVD)而生产，其中在此的金属化物优选是用铝形成的。
在一个优选的实施方案中，所提供的是，基底层、发射结构和/或基底接触结构是通过掺杂而形成在半导体晶片中的。在此，这些结构的多个部件、多个单独的结构、或者甚至所有三个结构都可以通过对半导体晶片进行掺杂而产生，而无须采用额外的沉积方法。在形成电极和其他的层时可以采用沉积和/或涂覆方法。
附图说明
在下文中，参考附图来描述本发明的多个示例性实施方案。在此，作为示意性的截面视图：
图1示出了具有一个正面基底接触层和一个正面发射层的一种太阳能电池；
图2示出了根据另一个实施方案具有一个正面基底接触层和一个正面发射层的一种太阳能电池；
图3示出了在半导体晶片的正面上具有多个间隔开的基底接触区域的一种太阳能电池；并且
图4示出了具有一个正面和一个背面基底接触层的一种太阳能电池。
具体实施方式
图1示出了具有一个半导体晶片1的太阳能电池，它包括一个基底层3。有利地，基底层3从半导体晶片1中露出，其方式为通过磷掺杂而使该基底层进入一个n型半导体中。半导体晶片1可以是例如来自一个由柴氏法形成的硅晶片。半导体晶片1的正面2被纹理化，以便增大光捕捉概率并因此增大该太阳能电池的效率。纹理化作用在图1至图4中通过一个有“锯齿形”图案的表面而示意性地展示出。
在半导体晶片1的基底层3上，形成了一个发射结构6，该结构包括一个正面发射层61、一个背面发射层62、以及一个传输区域60。在此描述的、例如具有磷掺杂的n型基底层3的实施方案中，发射结构6形成为p型，优选通过硼掺杂而形成。
传输区域60沿一个通孔8的壁区域延伸，该通孔形成到半导体晶片1之中，例如通过激光辅助的钻削而形成。因此，根据图1的实施方案中的太阳能电池被形成为一种EWT太阳能电池(EWT为发射极穿孔卷绕)。在图2至图4所示的其他实施方案中也是这种情况。然而，在替代的实施方案中，通孔8可以仅是完全地或部分地金属化的，这正是在一种MWT太阳能电池中的情况(MWT为金属穿孔卷绕)。
在半导体晶片1的正面2上，一个正面基底接触层91作为一个基底接触结构9的一部分而形成在正面发射层61的整个表面上、并且通过正面发射层61中的多个发射层开口63而连接到基底层3上。在正面基底接触层91上安排有多个基极4，这些基极通过基底接触结构9而电连接到基底层3上。在此描述的、具有n型基底层3的实施方案中，基底接触结构9是由一种n+型半导体材料形成，例如再次通过磷掺杂形成。
最后，半导体晶片1的正面2被一个表面钝化层10覆盖，其中为了接触的目的而暴露出基极4。取代表面钝化层10或者除此之外，还可以在正面2上提供一个减反射层。表面钝化层10可以例如是由SiNx或氧化铝(Al2O3)制成的。
在半导体晶片1的、与正面2相对的背面5上，包括铝的一个全表面发射极7被置于背面发射层62上。发射极7可以例如通过施用金属糊剂(例如通过丝网印刷而施加铝糊剂)以及后续的热处理来生产。然而，有利的是，发射极7通过物理蒸汽沉积(PVD)而形成，如果需要的话与其他的金属化工艺相结合用于增强由此形成的金属化层和/或用于增加其可焊接性。
在发射极7与背面发射层62之间，将一个介电层11定位在背面5的一个区段上，该介电层具有多个层开口111，通过这些开口产生了发射极7与背面发射层62的接触作用。在此处所示的所有实施方案中，介电层11仅是可选的并且可以例如用于表面钝化。为了这个原因，它优选是由氧化铝制成的并且优选地通过原子层沉积(ALD方法)制成。
图2示出了该太阳能电池的另一个实施方案，它与图1的实施方案的不同之处在于：在半导体晶片1的正面2上，正面发射层61和正面基底接触层91的顺序发生了改变。换言之，正面基底接触层91是定位在基底层3与正面发射层61之间并且通过正面发射层61中的多个发射层开口63而与基极4相接触。因此，半导体晶片1的正面2的光伏活性区域是通过在发射结构6与基底接触结构9之间的一个结而形成的。
太阳能电池的另一个实施方案在图3中示出。相同的参考号用于相同的结构元件，并且为了避免重复，明确地参照先前的说明。与图1和图2中所示的实施方案不同，在此所示的基底接触结构9包括(代替正面基底接触层91)直接位于这些基极4之下的多个基底接触区域90。
最后，太阳能电池的另一个实施方案在图4中示出，其中除正面基底接触层91之外，基底接触结构9(在根据图2的实施方案中是形成在基底层3与正面发射层61之间)包括一个背面基底接触层92。背面基底接触层92在此不是为了将基底层3与基极4相连接而提供的。而是它用于增加该基底层的多数载流子的侧向传导率。此外，它可以用于影响在基底层3与半导体晶片1的背面5上的发射结构6之间的一个结的物理特性。在此处描述的n型基底层3中，背面基底接触层92优选地像正面基底接触层91一样形成为n+型。
参考标号：
1 半导体晶片
2 半导体晶片的正面
3 基底层
4 基极
5 半导体晶片的背面
6 发射结构
60 传输区域
61 正面发射层
62 背面发射层
63 发射层开口
7 发射极
8 通孔
9 基底接触结构
90 基底接触区域
91 正面基底接触层
92 背面基底接触层
10 表面钝化作用，表面钝化层
11 介电层
111 层开口
Claims (13)
1.一种具有半导体晶片(1)的太阳能电池，该太阳能电池包括：一个朝向入射光、具有一个基极(4)的正面(2)，该基极连接在该半导体晶片(1)的一个基底层(3)上；以及一个与该正面(2)相对的背面(5)、该背面(5)具有一个发射极(7)，该发射极连接到该半导体晶片(1)的一个发射结构(6)上，其特征在于，该发射结构(6)包括一个安排在该半导体晶片(1)的正面(2)上的正面发射层(61)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该发射结构(6)包括
一个安排在该半导体晶片(1)的背面(5)上的背面发射层(62)，以及
一个传输区域(60)，该传输区域在一个晶片边缘区域上延伸和/或沿着在该半导体晶片(1)中形成的一个通孔(8)的壁区域延伸到该半导体晶片(1)的正面(2)。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于，该发射结构(6)在该半导体晶片(1)的正面(2)的至少约92％上、优选在至少约95％上延伸。
4.根据以上权利要求之一所述的太阳能电池，其特征在于，该基极(4)是通过一个基底接触结构(9)连接到该基底层(3)上，由此该基底接触结构(9)包括多个间隔开的基底接触区域(90)和/或一个正面基底接触层(91)。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，该正面发射层(61)被安排在该基底层(3)与该正面基底接触层(91)之间。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，该正面基底接触层(91)被安排在该正面发射层(61)与该基底层(3)之间。
7.根据权利要求4至6之一所述的太阳能电池，其特征在于，该基底接触结构(9)包括一个安排在该背面发射层(62)与该基底层(3)之间的背面基底接触层(92)。
8.根据以上权利要求之一所述的太阳能电池，其特征在于，该基底层(3)、该基底接触结构(9)和/或该发射结构(6)至少在多个区段中包括一种表面钝化层(10)。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，该表面钝化层(10)包括氧化铝(Al2O3)。
10.根据以上权利要求之一所述的太阳能电池，其特征在于，该基底层(3)包括一种n型半导体，并且该发射结构(6)包括一种p型半导体。
11.根据权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，该基底接触结构(9)是通过半导体晶片(1)的磷掺杂而制成的，并且该发射结构(6)是通过硼掺杂而制成的。
12.根据以上权利要求之一所述的太阳能电池，其特征在于，该发射极(7)形成为一种全区域背面金属化物，该金属化物基本上完全覆盖了该半导体晶片(1)的背面(5)。
13.根据以上权利要求之一所述的太阳能电池，其特征在于，该基底层(3)、该发射结构(6)和/或该基底接触结构(9)是通过掺杂而形成在该半导体晶片(1)中。
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