CN102792455A - 背接触异质结光伏电池 - Google Patents

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M.拉布龙
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Abstract

本发明涉及半导体器件，该半导体器件包括：晶体半导体基板（1），具有前表面（1a）和背表面（1b）；前钝化层（3），设置在基板（1）的前表面（1a）上；后钝化层（2），设置在基板（1）的背表面（1b）上；第一金属化区域（10），设置在后钝化层（2）上且设计为收集电子；第二金属化区域，设计为收集空穴且包括：表面部分（11），设置在后钝化层（2）上；以及内部部分（12），通过后钝化层（2）且在基板（1）中形成一区域，在该区域中电子受主的浓度比基板（1）的其它区域大。本发明还涉及采用该器件的光伏电池模块及制造该器件的工艺。

Description

背接触异质结光伏电池
技术领域
本发明涉及背接触异质结光伏电池，并且还涉及背接触异质结光伏电池的制造工艺。
背景技术
如目前所知道的，光伏模块包括串联和/或并联连接的多个光伏电池（或太阳能电池）。光伏电池为半导体二极管，设计为吸收光能且将光能转换成电能。该半导体二极管包括在两个层之间的p-n结，该两个层分别为p型掺杂的硅和n型掺杂的硅。在该结的形成期间，由于n层中自由电子过量且由于p层中自由电子缺乏，所以出现了电势差（且由此出现了局部电场）。
当光子被半导体吸收时，它们释放它们的能量以产生自由电子和空穴。考虑到结处存在的电势差，自由电子倾向于累积在n型区域中而空穴倾向于累积在p型区域中。分别与n型区域和p型区域接触的收集电极使得可以回收由光伏电池发出的电流。
传统地，基于单晶或多晶硅的太阳能电池被开发为将正接触和负接触设置在电池的每个面上。背表面由于仅考虑导电性（没有光通过该背表面）而通常被金属完全覆盖，而前表面（也就是被照射的面）被允许大部分入射光通过的金属网接触。
近来，已经提出了仅在背表面设置电接触（背接触电池）。这意味着在单个面上制作选择的接触。该技术的优点是在前表面没有任何遮挡，且使得由于金属接触而能够减小欧姆损耗，因为金属接触覆盖了电池的更多的表面。还存在这样的事实，不必在前表面（不导电是必须的）上采用透明导电氧化物而是采用非晶硅和/或电介质，非晶硅和/或电介质具有不如透明导电氧化物（通常由昂贵的和/或稀缺的产品组成）那样多地吸收光的特性。因此，理论上可制造出具有较高短路电流且因此具有较高效率的电池。
为了在单个面上制作选择的接触，存在两种可能类型的结：同质结接触（晶体/晶体接触），例如可在高温的作用下（炉子）通过掺杂剂的扩散而获得；以及异质结接触（晶体/非晶体接触），例如可通过沉积掺杂的氢化非晶硅（a-Si：H）而获得。
文件US 2008/0035198提供了同质结型背接触光伏电池的示例。文件US2007/0137692提供了其另一示例，其中两个叠置的金属层提供为收集各自的电荷载流子，它们彼此隔开并且通过绝缘体与基板隔开，每个金属层与基板的接触通过在指定的位置处对金属层进行激光退火来提供。
与同质结型的接触相比较，异质结型的接触的优点是所提供的开路电压高（且在高温下效率损耗低）。而且，异质结型的接触使得可以实现钝化和接触二者。
然而，异质结型的背接触光伏电池本身的制造仍较难实施，因为至今所提出的工艺均基于大量的步骤例如大量的光刻步骤且基于因精度而为人所知但却难于工业化的技术。类似地，用于生产异质结型的背表面上的两个接触的其它方法（掩模，剥离）也要求大量的步骤，并且可能非常不实用。
例如，文件WO03/083955、WO2006/077343、WO2007/085072、US2007/0256728和EP1873 840都描述了包括晶体硅基板的异质结半导体器件，该晶体硅基板在一个且相同的背表面上被各n型掺杂非晶硅区域和p型掺杂非晶硅区域覆盖，n型掺杂非晶硅区域和p型掺杂非晶硅区域通过绝缘部分隔开，并且被各自的用于收集电荷载流子的金属化区域覆盖。
所有这些器件的一个缺点是它们的制造需要两个分开的沉积非晶硅的步骤，例如在每个步骤中采用掩膜，或者首先沉积一个非晶硅然后在沉积另一个非晶硅之前蚀刻已沉积的非晶硅。
因此，确实需要开发一种半导体器件，其适合于用作光伏电池，能通过步骤数减少且工业化规模实施的较简单的工艺来制造。
发明内容
本发明首先涉及半导体器件，该半导体器件包括：
-晶体半导体基板，具有前表面和背表面；
-前钝化层，设置在基板的前表面上；
-后钝化层，设置在基板的背表面上；
-第一金属化区域，设置在后钝化层上且适合于收集电子；
-第二金属化区域，适合于收集空穴且包括：
■表面部分，设置在后钝化层上；以及
■内部部分，通过后钝化层且在基板中形成一区域，在该区域中电子受主的浓度比基板的其它区域大。
根据一个实施例，晶体半导体基板是n型或p型掺杂的晶体硅基板。
根据一个实施例，第二金属化区域包括铝，并且优选第一金属化区域也包括铝。
根据一个实施例，前钝化层包括：
-本征氢化非晶硅层，与基板接触；以及
-掺杂氢化非晶硅层，设置在本征氢化非晶硅层上，如果基板为p型则该掺杂氢化非晶硅层具有p型掺杂，或者如果基板为n型则该掺杂氢化非晶硅层具有n型掺杂；并且/或者
后钝化层包括：
-本征氢化非晶硅层，与基板接触；以及
-掺杂氢化非晶硅层，设置在本征氢化非晶硅层上且具有n型掺杂。
根据一个实施例，第一金属化区域和第二金属化区域形成交叉梳状结构。
根据一个实施例，半导体器件包括设置在前钝化层上的抗反射层，该抗反射层优选包括氢化非晶氮化硅。
根据一个实施例，该半导体器件为光伏电池。
本发明的另一个方面是光伏电池的模块，包括几个串联或并联连接的上述光伏电池。
本发明的另一个方面是制造半导体器件的工艺，包括：
-提供具有前表面和背表面的晶体半导体基板；
-在基板的前表面上形成前钝化层；
-在基板的背表面上形成后钝化层；
-在后钝化层上形成第一金属化区域，该第一金属化区域适合于收集电子；
-形成第二金属化区域，包括：
■在后钝化层上形成第二金属化区域的表面部分，该表面部分适合于收集空穴；
■通过对第二金属化区域的表面部分进行激光退火，形成第二金属化区域的内部部分，该内部部分通过后钝化层并且在基板中形成一个区域，在该区域中电子受主的浓度比基板的其它区域大。
根据一个实施例，晶体半导体基板为n型或p型掺杂的晶体硅基板。
根据一个实施例：
-在基板的前表面上形成前钝化层包括：形成与基板接触的本征氢化非晶硅层；以及在本征氢化非晶硅层上形成掺杂氢化非晶硅层，如果基板为p型则掺杂氢化非晶硅层具有p型掺杂，或者如果基板为n型则掺杂氢化非晶硅层具有n型掺杂；并且/或者
-在基板的背表面上形成后钝化层包括：形成与基板接触的本征氢化非晶硅层；以及在本征氢化非晶硅层上形成具有n型掺杂的掺杂氢化非晶硅层。
根据一个实施例，第二金属化区域包括铝，并且优选第一金属化区域也包括铝。
根据一个实施例，形成第一金属化区域和形成第二金属化区域的表面部分通过光刻或者采用掩模的蒸发或者采用掩模的喷涂或者丝网印刷来实现并且优选同时进行；并且其中第一金属化区域和第二金属化区域优选形成交叉梳状结构。
根据一个实施例，该工艺包括在前钝化层上形成抗反射层，该抗反射层优选包括氢化非晶氮化硅。
根据一个实施例，半导体器件为光伏电池。
本发明的另一个方面是制造光伏电池的模块的工艺，包括将几个如上所述的电池串联或并联连接。
本发明能够克服现有技术的缺点。特别是，它提供了适合于操作为光伏电池的半导体器件，该半导体器件能通过步骤数减少且工业化规模实施的较简单的工艺来制造。
如上所述，这由于背接触半导体器件的开发而得以实现。
该半导体器件实际上可以通过在背表面上沉积掺杂非晶硅的步骤和在背表面上沉积用于收集电荷载流子的金属材料的步骤来获得。
根据一些特定实施例，本发明还具有下面列出的一个或优选几个有利特征。
-本发明提供背接触光伏电池，也就是说电池在前表面没有遮挡，并且由于金属接触而具有最小的欧姆损耗；而且，本发明使得能够在前表面省掉任何的透明导电氧化物，这使得能够获得较高的短路电流并因此获得较高的效率。
-本发明的半导体器件具有异质结型的n接触（就是说具有与非晶硅区域的接触），这保证了非常好的钝化；并且本发明的半导体器件具有异质结型的p接触，其与前者结合使得能够采取大大简化的制造工艺而不过分地劣化整体钝化。
-采用激光退火技术制作p型接触使得能够仅在背表面以非常有限的方式损坏钝化层（也就是在p型接触自身上），因为激光加热在表面上是非常局域化的。在n型接触处以及在n型接触和p型接触之间钝化层保持得完整无缺。
附图说明
图1以截面图（且为局部视图）示意性地示出了根据本发明的在制造过程中的半导体器件（尤其是光伏电池）的一个实施例。附图中各材料层未按比例绘制。
图2也以截面图且仍然为局部视图示出了在其制造结束时的该半导体器件。
图3示出了该半导体器件在其制造结束时的背表面的示意图。
图4示出了该器件的局部示意图，为对应于图3中的A-A线的纵向截面。
具体实施方式
在下面的描述中，参考本发明的光伏应用，将更加详细而非限定地描述本发明。
参见图1，根据本发明的半导体器件可制造如下。
首先，提供具有前表面1a和背表面1b的晶体半导体基板1。优选地，晶体半导体基板1为晶体，尤其是晶片形式的单晶或多晶（优选单晶）硅基板（或晶片）。
该基板可被n型或p型掺杂。因为n型掺杂基板的寿命较长，所以采用该基板特别有利。下面，采用n型掺杂基板作为示例。有利地，基板1不具有任何氧化物材料。
优选地，基板1具有足够的掺杂以具有在约0.1和1Ω.cm之间的电阻率。
在基板1的两侧上，也就是在其前表面1a和在其背表面1b上，分别施加前钝化层3和后钝化层2。
前钝化层3有利地包括与基板1接触的非晶本征氢化硅层6和在非晶本征氢化硅层6上设置的掺杂氢化非晶硅层7。当基板1为n型时，掺杂氢化非晶硅层7为n型掺杂；或者当基板1为p型时，它为p型掺杂。
对称地，后钝化层2有利地包括与基板1接触的非晶本征氢化硅层4和在非晶本征氢化硅层4上设置的掺杂氢化非晶硅层5。优选地，掺杂氢化非晶硅层5为n型掺杂，而不论基板1的掺杂类型。
前钝化层3和后钝化层2以两个互补的方式实现钝化的任务：一方面，晶体基板的每个面1a、1b上的非晶硅的存在使得可以通过防止结合物（pendant）接合到表面上而使基板的表面缺陷不具有活性，这防止了电荷载流子在它们被收集前复合；另一方面，掺杂氢化非晶硅层5、7的存在使得可以分别产生前表面场和后表面场，以改善电荷载流子的收集。
沉积两个本征氢化非晶硅层4、6和两个掺杂氢化非晶硅层5、7例如可通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术或通过低压化学气相沉积（LPCVD）技术来进行。上述层的每一个可覆盖基板1的整个表面。
抗反射层8有利地设置在前钝化层3上。该抗反射层包括电介质材料，优选为氢化非晶氮化硅。优选地，它延伸在前钝化层3的整个表面上。例如，它可通过PECVD或LPCVD技术沉积。抗反射层的主要作用是尽可能多地消除通过前侧到达器件的光的反射。抗反射层的折射系数例如可在2附近。可以采用纹理化的硅来改善光收集。
在后钝化层2上，沉积金属层9。例如这可通过蒸发、喷涂或通过电化学沉积来实现。金属层9优选为铝基材料。根据图1所示的实施例，金属层9最初覆盖后钝化层2的整个表面；然后，一部分金属层9（通过蚀刻或另外的技术）被选择性去除，以获得第一金属化区域10以及与第一金属化区域10隔开的第二金属化区域11。
优选地，第一金属化区域10和第二金属化区域11形成如图3所示的交叉梳状结构（interdigitated structure），也就是两个金属化区域10、11形成反向且互锁的梳状的结构。金属化区域10、11要收集各自的电荷载流子。交叉梳状结构能使器件实现特别简单的电连接。
作为选择，也可在后钝化层2的表面直接选择性地施加金属化区域10、11，从而直接获得所希望的（例如交叉梳状的）图案。为此，可以采用通过适当形状的掩模丝网印刷金属膏，或者采用通过掩模的蒸发或喷涂。
根据上述的主要实施例，金属化区域10、11由一种且相同的材料（优选为铝基材料）制作：该实施例实际上是最简单的实施方式。然而，可以制备组成彼此不同的金属化区域10、11。在此情况下，至少第二金属化区域11优选为铝基材料。
接下来，进行第二金属化区域11的激光退火（或激光烘烤）步骤。激光退火在于给第二金属化区域11施加激光脉冲，从而在非常短的时间使第二金属化区域11以及一定厚度的下层硅进行熔化/凝固循环。在熔化相期间，金属（尤其是铝）快速扩散进入液态硅中。在凝固工艺期间，硅再一次从下层固体硅外延；然后在熔化周期期间已经扩散的金属（尤其是铝）的原子（掺杂剂）在重构的晶体中位于取代位置。
因此，并且参见图2，在激光退火结束时，第二金属化区域一方面包括表面部分11且另一方面包括内部部分12，表面部分11位于后钝化层3上且基本上对应于激光退火前的第二金属化区域，内部部分12通过后钝化层2且进入到基板1中，该内部部分12通过激光退火期间的原子（尤其是铝）扩散而获得。
因此，第二金属化区域的内部部分12包括基板1的一个区域，该区域位于第二金属化区域的表面部分11之下且被p+掺杂（也就是，该区域具有高浓度的p型掺杂剂，尤其是铝原子）。换言之，第二金属化区域的内部部分12因此在基板1中形成了一个区域，在该区域中电子受主的浓度比基板1的其它区域大，不论基板1是n型或p型。当基板1为n型时，p-n型结由此形成在基板1的由激光退火改性的区域和基板1的其它区域之间；当基板1为p型时，由此形成p-p+型结。
激光退火期间凝固前沿的极高速度有利于方形分布的形成，并且使得可以实现比传统技术获得的激活率大的激活率。根据该技术，激光能量决定了基板1的如此掺杂的区域的厚度。在激光处理后，掺杂剂被电激活，掺杂分布几乎为方形并具有非常陡峭的侧部。
下面的文件提供了实施激光退火技术的示例：
-Laser fired back contact for silicon cells,Tucci et al.,Thin solid films516：6767-6770（2008）；
-Laser fired contacts on amorphous silicon deposited by hot-wire CVDon crystalline silicon,Blanquéet al.,23rd European photovoltaic solar energyconference,1-5 September 2008,Valence（Espagne）,p.1393-1396；
-Bragg reflector and laser fired back contact in a-Si：H/c-Siheterostructure,Tucci et al.,Materials Science and Engineering B 159-160：48-52（2009）.
典型地，可采用脉冲Nd-YAG激光器或者脉冲UV准分子激光器。通过示例的方式，可采用TEM00模式的1064nm的Nd-YAG调Q激光器（Q-switched laser），功率为300至900mW，脉冲持续时间为100ms，重复频率为1kHz。
通常，激光器的功率和脉冲持续时间调整为所希望的退火深度及诱导掺杂的函数。激光的运动速度和频率被调整，以调整激光冲击之间的距离。
当第二金属化区域的表面部分11具有条状图案时，如交叉梳状结构时的情况，沿着条状图案的激光冲击之间的距离（见图4）必须足够小，以便限制欧姆损耗且优化电荷收集。
在激光退火结束时：
-第一金属化区域10仍然仅位于后钝化层2的顶部，并且更确切地说仅位于n型掺杂氢化非晶硅层5的顶部。因此，该第一金属化区域10保证了n型接触，也就是说适合于收集电子。
-第二金属化区域已经转变成了p型接触，也就是说它适合于收集空穴。
通过示例的方式，如此获得的半导体器件的结构可为如下：
-基板1：厚度在150和300μm之间。
-本征氢化非晶硅层4、6：厚度在1和10nm之间，尤其是在3和5nm之间。
-掺杂氢化非晶硅层5、7：厚度在5和30nm之间，尤其是在5和15nm之间。
-抗反射层8：厚度在50和100nm之间。
-第一金属化区域10和第二金属化区域的表面部分11：厚度在2和30μm之间，尤其是在2和10μm之间。
如果两个金属区域具有交叉梳状的形式，如这里所示的，则这些金属区域包括交替设置的平行条状图案。每个条可具有50至400μm的典型宽度，且尤其是50至200μm（例如约100μm）的典型宽度，并且两个条可隔开50至200μm（例如约100μm）的典型距离。
由于掺杂非晶硅的存在，电荷载流子进入后钝化层2的扩散长度典型地为约20nm。因此，取决于后钝化层2的厚度电荷载流子可通过后钝化层2，但是在平行于基板1的背表面1a的方向上电荷载流子基本上不能通过后钝化层2。因此，实际上在两个各自的金属化区域之间没有短路的可能性。
上面的描述涉及通常用作光伏电池的半导体器件。这些器件的一个或多个可以以光伏电池模块的方式结合。例如，一定数量的光伏电池可串联和/或并联电连接，以便形成模块。
模块可以以各种方法制造。例如，光伏电池可设置在玻璃片之间，或设置在玻璃片和透明树脂片之间，透明树脂片例如由乙烯/乙酸乙烯酯制成。如果所有的光伏电池的前表面沿相同的方向取向，则也可在后侧采用不透明的片（金属或陶瓷等）。也可将模块制作成在两个相对的面上接收光（对此例如参见文件US 6,667,435）。可提供密封树脂以密封模块的侧部，并且保护模块免受大气湿气的影响。也可提供各种树脂层以防止来自玻璃片的钠的不希望的扩散。
此外，模块通常包括各光伏电池端子处的静态转换装置。根据应用，这些装置可为直流-交流（DC/AC）转换装置和/或直流-直流（DC/DC）转换装置。静态转换装置适合于将光伏电池提供的电力传输为使外部应用（电池或电网等）充电。这些静态转换装置适合于降低传输电流以且提高传输电压。静态转换装置可与电子控制器结合。
太阳能模块的制造细节（支撑元件、框架、电连接、封装等）已被本领域技术人员所熟知。

Claims (16)

1.一种半导体器件，包括：
-晶体半导体基板（1），具有前表面（1a）和背表面（1b）；
-前钝化层（3），设置在该基板（1）的该前表面（1a）上；
-后钝化层（2），设置在该基板（1）的该背表面（1b）上；
-第一金属化区域（10），设置在该后钝化层（2）上且适合于收集电子；
-第二金属化区域，适合于收集空穴且包括：
■表面部分（11），设置在该后钝化层（2）上；以及
■内部部分（12），通过该后钝化层（2）且在该基板（1）中形成一区域，在该区域中电子受主的浓度比该基板（1）的其它区域大。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中该晶体半导体基板（1）为n型或p型掺杂的晶体硅基板。
3.如权利要求1或2所述的半导体器件，其中该第二金属化区域（11,12）包括铝，并且优选该第一金属化区域（10）也包括铝。
4.如权利要求1至3任何一项所述的半导体器件，其中
该前钝化层（3）包括：
-本征氢化非晶硅层（6），与该基板（1）接触；以及
-掺杂氢化非晶硅层（7），设置在该本征氢化非晶硅层（6）上，如果该基板（1）为p型则该掺杂氢化非晶硅层（7）具有p型掺杂，或者如果该基板（1）为n型则该掺杂氢化非晶硅层（7）具有n型掺杂；并且/或者
该后钝化层（2）包括：
-本征氢化非晶硅层（4），与该基板（1）接触；以及
-掺杂氢化非晶硅层（5），设置在该本征氢化非晶硅层（4）上，具有n型掺杂。
5.如权利要求1至4任何一项所述的半导体器件，其中该第一金属化区域（10）和该第二金属化区域（11,12）形成交叉梳状结构。
6.如权利要求1至5任何一项所述的半导体器件，包括设置在该前钝化层（3）上的抗反射层（8），该抗反射层（8）优选包括氢化非晶氮化硅。
7.如权利要求1至6任何一项所述的半导体器件，该半导体器件为光伏电池。
8.一种光伏电池的模块，包括几个串联或并联连接的如权利要求7所述的光伏电池。
9.一种制造半导体器件的工艺，包括：
-提供具有前表面（1a）和背表面（1b）的晶体半导体基板（1）；
-在该基板（1）的该前表面（1a）上形成前钝化层（3）；
-在该基板（1）的该背表面（1b）上形成后钝化层（2）；
-在该后钝化层（2）上形成第一金属化区域（10），该第一金属化区域（10）适合于收集电子；
-形成第二金属化区域，包括：
■在该后钝化层（2）上形成该第二金属化区域（10）的表面部分（11），该表面部分（11）适合于收集空穴；
■通过对该第二金属化区域的该表面部分（11）进行激光退火，形成该第二金属化区域的内部部分（12），该内部部分（12）通过该后钝化层（2）并且在该基板（1）中形成一区域，在该区域中电子受主的浓度比该基板（1）的其它区域大。
10.如权利要求9所述的工艺，其中该晶体半导体基板（1）为n型或p型掺杂的晶体硅基板。
11.如权利要求9或10所述的工艺，其中：
-在该基板（1）的该前表面（1a）上形成该前钝化层（3）包括：形成与该基板（1）接触的本征氢化非晶硅层（6）；以及在该本征氢化非晶硅层（6）上形成掺杂氢化非晶硅层（7），如果该基板（1）为p型则该掺杂氢化非晶硅层（7）具有p型掺杂，或者如果该基板（1）为n型则该掺杂氢化非晶硅层（7）具有n型掺杂；并且/或者
-在该基板（1）的该背表面（1b）上形成该后钝化层（2）包括：形成与该基板（1）接触的本征氢化非晶硅层（4）；以及在该本征氢化非晶硅层（4）上形成具有n型掺杂的掺杂氢化非晶硅层（5）。
12.如权利要求9至11任何一项所述的工艺，其中该第二金属化区域（11,12）包括铝，并且优选该第一金属化区域（10）也包括铝。
13.如权利要求9至12任何一项所述的工艺，其中形成该第一金属化区域（10）以及形成该第二金属化区域的该表面部分（11）通过光刻或采用掩模的蒸发或采用掩模的喷涂或丝网印刷来实现并且优选同时进行；并且其中该第一金属化区域（10）和该第二金属化区域（11,12）优选形成交叉梳状结构。
14.如权利要求9至13任何一项所述的工艺，包括在该前钝化层（3）上形成抗反射层（8），该抗反射层（8）优选包括氢化非晶氮化硅。
15.如权利要求9至14任何一项所述的工艺，其中该半导体器件为光伏电池。
16.一种制造光伏电池的模块的工艺，包括将几个如权利要求7所述的光伏电池串联或并联连接。
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