CN103210506A - 扩散和离子注入混合工艺形成的选择发射极太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池及其制造方法。本发明太阳能电池的制造方法包括：提供一个硅基底，以及通过离子注入将掺杂剂引入基底的前面的一个或多个选择区。基底可以进行一次高温退火循环，在一次退火循环中，引入额外掺杂剂原子扩散进入基底的前面。基底的前面可以形成选择发射极，使得选择发射层的一个或多个选择区的掺杂度高于选择层其余部分的掺杂度。此外，本发明还公开了一种太阳能电池。

Description

扩散和离子注入混合工艺形成的选择发射极太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种通过扩散和离子注入混合工艺形成的选择发射极太阳能电池及其制造方法，扩散和离子注入混合工艺仅需一次高温退火以形成选择发射极太阳能电池。
背景技术
在基本设计中，太阳能电池由半导体基底制成，半导体基底吸收光子的能量并通过光电效应产生电流。当光子进入基底时，能量被吸收，原来处于束缚状态的电子被释放，被释放的电子和原来被占据的空穴称为电荷载体。
基底通常用p-型和n-型杂质掺杂，以在太阳能电池内形成电场，称为p-n结。为了利用自由电荷载体产生电流，在p-n结处被电场分离之前，电子和空穴不能结合，未结合的电荷载体可用来为负荷提供电能。
常见的太阳能电池的制造方法包括：提供一个基底，基底经掺杂具有p-型电导率。n-型掺杂剂被引入基底的前面，在p-型基极层的顶部形成n-型发射层。随后，在发射层的前面和基极层的后面形成触点，以便形成电连接。自由电子被前面触点收集，空穴被后面触点收集。
因为前面触点阻挡了一部分入射光，所以最好不要用触点材料覆盖过多的发射层的前面。相反地，现有技术包括形成点触点、线触点和栅格触点。一些形成触点的廉价方法，如丝网印刷，可能要求重度掺杂发射层，以减小前面触点与下层发射层之间的接触电阻。但是，重度掺杂会导致电荷载体在发射层和发射层表面结合增加，使得太阳能电池整体效率降低。
为了克服此缺陷，使用了各种技术来形成前面触点下层重度掺杂，前面触点之间的裸露区轻度掺杂的发射层，称为选择发射极。但是，现有技术存在一个或多个缺点：如制造过程中需要额外步骤，使用寿命下降和稳定性变差，以及与高价制造过程不兼容。
因此，确有必要提供一种选择发射极太阳能电池及其制造方法，以克服现有技术中的上述缺陷和不足。
发明内容
本发明提供了一种通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极太阳能电池及其制造方法，本发明的实施方式克服了现有技术中的一个或多个缺陷。本发明的实施方式具有若干优点，如减少太阳能电池的制造时间和成本。
根据本发明的一个实施方式，太阳能电池包括具有p-型基极层的硅基底。太阳能电池包括形成于p-型基极层上的n-型选择发射层，选择发射层具有一个或多个含有已注入掺杂剂的第一掺杂区和一个或多个含有已扩散掺杂剂的第二掺杂区，一个或多个第一掺杂区的掺杂度高于一个或多个第二掺杂区的掺杂度。太阳能电池还包括位于p-型基极层与选择发射层界面的p-n结，p-n结和选择发射层在一次退火循环中形成。
根据本发明的另一个实施方式，太阳能电池包括一个具有硼掺杂p-型基极层的单晶硅基底。太阳能电池包括通过扩散和离子注入混合工艺形成的位于p-型基极层的前面上的磷掺杂选择发射层，选择发射层包括通过离子注入形成的一个或多个第一掺杂区和通过三氯氧化磷(POCl3)扩散形成的一个或多个第二掺杂区。由于离子注入步骤中的额外掺杂剂，一个或多个第一掺杂区的掺杂度高于一个或多个第二掺杂区的掺杂度。太阳能电池还包括位于p-型基极层的前面与选择发射层的后面的界面上的p-n结，p-n结在硅基底进行一次退火循环中形成。选择发射层的前面上形成有减反射层，如氮化硅、氧化铝、氧化钛、氟化镁、硫化锌或其组合。减反射层的前面丝网印刷一个或多个银前面触点，p-型基极层的后面丝网印刷一个或多个铝后面触点。通过液相外延再生，在p-型基极层的后面与一个或多个后面触点的界面上形成铝掺杂p+硅后面场层。一个或多个前面与选择发射层的一个或多个重度掺杂的第一掺杂区对齐，以减小接触电阻。一个或多个前面触点通过减反射层与选择发射层的第一掺杂区电连接，一个或多个后面触点与铝掺杂p+硅后面场层电连接。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种具有通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池的制造方法。太阳能电池的制造方法包括：提供一个包括硼掺杂基极层的基底；通过离子注入将磷掺杂剂引入硼掺杂基极层的前面的一个或多个选择区；基底随后在炉中进行一次高温退火循环，在一次退火循环过程中，将额外的POCl3液态掺杂剂引入炉中并扩散进入基极层的前面。引入的用于扩散的POCl3能消除铁污染导致的选择发射极太阳能电池的寿命下降和不稳定。基极层的前面形成选择发射层，使得位于基极层的前面的一个或多个选择区上的一个或多个选择发射层的选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。退火循环可以修复注入损伤、激活磷掺杂剂，以及驱使磷掺杂剂进入理想的结深。
本发明太阳能电池的制造方法还包括，在选择发射层的前面上沉积非晶氮化硅层，形成减反射层。非晶氮化硅减反射层的前面丝网印刷一个或多个银前面触点，一个或多个银前面触点与选择发射层重度掺杂的一个或多个选择区对齐。非晶氮化硅层上也丝网印刷有一个或多个银前面连接，如可焊接垫片或母线。基极层的后面上丝网印刷有一个或多个银-铝连接(如可焊接垫片或母线)和一个或多个铝后面触点。前面和后面触点、前面和后面连接在带式炉中共烧，通过烧透减反射层形成前面和后面触点、前面和后面连接。一个或多个前面触点通过非晶氮化硅减反射层与选择发射层的一个或多个选择区电连接。在前面触点和后面触点共烧期间，通过液相外延再生在基极层的后面与一个或多个后面触点的界面上形成铝掺杂p+硅后面场层，一个或多个后面触点与后面场层电连接。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种具有通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池的制造方法。太阳能电池的制造方法包括：提供一个包括p-型硅的硅基底；对基底进行退火处理，退火处理包括：在炉中将基底加热至一个较高温度以使n-型掺杂剂扩散进入基底的前面，形成中间均匀发射层，以及在中间均匀发射层的前面形成玻璃层。在扩散退火过程中，炉中引入n-型掺杂剂。基底随后从炉中移走，玻璃层从中间均匀发射层的前面移除。通过离子注入，将额外n-型掺杂剂引入中间均匀发射层的前面的一个或多个选择区。基底进行退火处理，退火处理包括：将炉中的基底加入至一个较低的温度以修复注入损伤，激活已注入的额外n-型掺杂剂，驱使已注入的额外n-型掺杂剂至理想的结深，以及使中间均匀发射层转变成选择发射层。中间均匀发射层的一个或多个选择区定义了选择发射层的一个或多个选择区，选择发射层的一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种具有通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池的制造方法。太阳能电池的制造方法包括：提供一个包括基极层的基底；通过离子注入，将掺杂剂引入基极层的前面的一个或多个选择区；对基底进行退火处理，退火处理包括；将炉中的基底加热至一个温度，使额外的掺杂剂扩散进入基极层的前面，在基极层的前面上形成选择发射层。在退火处理期间，将额外掺杂剂引入炉中。基极层的前面的一个或多个选择区定义了选择发射层的一个或多个选择区，选择发射层的一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种根据上述方法制得的具有通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池。
以上的概要仅仅是为了总结本发明的一些示例性实施方式，以提供本发明的一些基本理解。因此，可以理解的是，以上描述的示例性实施方式不能理解为以任何方式限制本发明的保护范围和精神，本发明的保护范围由说明书和权利要求定义。可以理解的是，除了以上总结的实施方式，本发明的保护范围还包括许多其他实施方式，以下将详细描述其中部分实施方式。
附图说明
已经概述了本发明的实施方式，以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式，附图并非严格按比例绘制，其中：
图1所示为本发明太阳能电池的一个实施方式的剖视示意图。
图2a、2b和2c所示为本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图，详细描述本发明的实施方式，其中，附图仅仅显示了本发明的部分实施方式，并非所有实施方式。本领域的技术人员可以理解的是，本发明也可以体现为其他的不同实施方式，并不局限于本说明书中给出的实施方式。本说明书中给出的实施方式仅仅是为了使得揭示满足法定要求，其中，相同的附图标记始终表示相同的元件。
选择发射极结构可以弥合实验室里制造的高效但昂贵的太阳能电池和工业上制造的廉价但低效的太阳能电池之间的差距。大多数工业硅太阳能电池使用廉价、丝网印刷金属触点，要求重度掺杂发射层，以将接触电阻降低至可接受的水平，如小于5mΩ-cm2。但是，对于具有重度掺杂的均匀发射极的硅太阳能电池，在发射极和发射极表面电荷载体结合会增加，导致太阳能电池效率损失。通过使用选择发射极可以减小电荷载体的结合，体现为触点下的重度掺杂和接触点之间的轻度掺杂。将前面的表面结合速度(FRSV)从500,000cm/s减小至100,000cm/s，或10,000cm/s或更低，可以获得更高的太阳能效率，场区的表面电阻增加至100Ω/sq。现有的形成选择发射极的方法都有各种缺陷，本发明提供了一种仅在一个高温步骤中即可形成选择发射极的简化方法，以克服现有技术中存在的不足。
形成选择发射极的一个方法包括两个独立的扩散步骤，如通过三氯氧化磷(POCl3)扩散。但是，此方法在制造过程中需要额外步骤，如两个独立的扩散需要两个独立的高温处理步骤。此外，此方法在保护性氮化硅层沉积扩散和用绝缘蚀刻浆料、激光移除蚀刻和/或昂贵的光刻工艺形成图案之间需要额外步骤，额外步骤增加了制造太阳能电池的时间和成本。
形成选择发射极的另一种方法是离子注入，离子注入无需通过POCl3扩散形成选择发射极所需的磷硅酸玻璃移除和边际分离步骤。但是，离子注入存在一个潜在的缺陷，在退火工艺中，因电荷载体结合增加，铁污染可能会导致性能不稳定和功率损耗。污染性的铁可以存在于基底中，或者从处理环境进入基底。在光照射下，铁-硼对会分离成间隙铁，相对于铁-硼的浅陷阱能级(~0.25eV)，间隙铁具有带间陷阱能级(~0.4eV)。铁-硼对的解体导致具有离子注入发射极的太阳能电池存在光引发不稳定性。
本申请的发明人发现，通过扩散形成的选择发射极未出现铁污染，因为POCl3扩散可充当铁的吸附剂。POCl3扩散在发射极形成错配位错，可为铁吸附剂提供凹槽。此外，POCl3扩散导致间隙硅的注入，可将铁从取代位置驱出至间隙位置，在间隙位置处可以快速扩散至发射极的吸附槽。在具有离子注入发射极的太阳能电池中，不会形成磷硅酸玻璃且错配位错较少，因为离子注入后的退火处理是在氧和氮的环境下进行的，而不是在POCl3环境下进行的。因此，铁留在基底本体中，降低本体的寿命，导致太阳能电池效率降低。
本申请的发明人发现了一种形成选择发射极的新方法，可克服现有方法中的缺陷。本发明提供了一种使用离子注入和扩散混合工艺来形成选择发射极，基底的基极层的前面的选择区通过离子注入进行掺杂。随后，在一次高温退火循环中，通过扩散将额外掺杂剂引入基极层的表面，以补充选择区的已注入掺杂剂，轻度掺杂选择区之间的场区。生成的太阳能电池铁污染减少，扩散导致的铁引发不稳定降低。
此外，本发明太阳能电池的制造方法仅需一次高温退火循环，如800至1000摄氏度退火循环，退火不仅激活并驱使已注入的离子进入基底，而且在同一加热循环中使得额外掺杂剂发生扩散。因此，仅仅使用流线型和工业水平的工艺，即可在一次高温退火循环中生产高容量、模块化的具有选择发射极的太阳能电池，选择区表面具有足够高的掺杂剂浓度，选择区下层具有足够的结深，填充因子等于或大于0.800，太阳能电池的效率约为19%，即使采用廉价优质的丝网印刷触点也可以获得这些值。
图1所示为本发明太阳能电池5的一个实施方式的示意图，太阳能电池5由半导体基底形成。基底可以由硅(Si)、锗(Ge)、硅-锗(SiGe)、其他半导体材料，或其组合构成。采用单晶基底时，半导体基底可以由熔体通过浮动区法(FZ)或柴氏法(Cz)长成。形成的单晶晶锭切割成晶片，晶片抛光后形成基底。对于由硅、锗或硅-锗形成的基底，晶面的晶向可以是(100)或(110)。或者，基底可以是多晶，多晶基底比单晶基底便宜。但是，多晶基底的晶粒边界会出现电荷载体结合，需要钝化处理以避免效率损失。
在各项异性蚀刻过程中，通过氯化钾(KOH)和异丙酮(IPA)溶液处理，可以在基底的前面和后面形成椎体结构。椎体结构的存在可以减少因前面的反射导致的光减少，增加进入太阳能电池5中的光。在形成后面触点的过程中，后面上的椎体结构会被破坏。
根据图1所示的实施方式，基底用第一导电型杂质掺杂，如p-型杂质，以形成p-型基极层10。如果基底是由硅(Si)、锗(Ge)或硅-锗(Si-Ge)形成，p-型基极层10可以用硼(B)、镓(Ga)、铟(In)、铝(Al)或者其他III族元素掺杂，以形成p-型电导率。或者，基底可以用磷(P)、锑(Sb)、砷(As)或其他V族元素掺杂，以形成n-型电导率并形成n-型基极层。P-型基极层10的前面可以通过扩散和离子注入混合工艺形成选择发射层，选择发射层包括重度掺杂区15和轻度掺杂区20。重度掺杂选择区15和轻度掺杂场区20可以用第二导电型杂质掺杂，第二导电型与第一导电型相反，如n-型杂质。P-型基极层10和掺杂区15，20的界面形成p-n结25。由于电导率相反，p-型基极层10和掺杂区15,20形成贯穿p-n结25的电场，电场可以分离吸收可见光子形成的自由电子和空穴，并使得自由电子和空穴朝着相反的方向分别向前面和后面触点30,35运动。
选择发射层的掺杂区15,20的前面可以形成减反射层40，以减小入射光反射和太阳能损失。减反射层40的折射率小于下层基底的折射率，使得入射太阳能电池5的入射光折射进入减反射层40并进入基底，在基底中转变成自由电荷载体。例如，采用波长为632.8nm的入射激光测量时，减反射层40的折射率为1.9至2.4。减反射层40可以由氮化硅(SiNx)、氧化铝(A12O3)、氧化钛(TiO2)、氟化镁(Mg2F)、氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS2)或其组合形成。在本发明的一些实施方式中，减反射层40包括非晶氮化物，如非晶氮化硅(a-SiNx)，减反射层40的厚度为10至100纳米。
前面和后面触点30,35、前面和后面连接可以由导电材料，如银(Ag)、铝(Al)或银-铝组合形成。通常，对于硅基底和其他基底，银可用于接触n-型掺杂基底的表面，如选择发射层的掺杂区15,20的表面。铝、银或含有铝添加剂的银可用于接触p-型掺杂基底的表面，如p-型基极层的表面。金属和半导体的直接接触会导致电子和空穴结合率增加，显著降低太阳能电池的效率。为了减小上述影响并限制覆盖在基底表面上的金属，前面和后面触点30，35、前面和后面连接可以设置成点触点或线触点(称为“局部触点”)。点触点或线触点的间距和设置可以参照2009年1月29日公布的美国专利公布US2009/0025786，其全部内容被引入本说明书中作为参考。
前面和后面触点30，35、前面和后面连接可以通过在减反射层40的前面丝网印刷银、在p-型基极层10的后面丝网印刷铝、银或含有铝添加剂的银形成。前面和后面连接可以包括可焊接垫片或母线，以便于与太阳能电池5的前面和后面电连接。根据本发明的一些实施方式，前面连接的图案与后面连接的图案对齐。
此外，前面触点30和前面连接可以选择银，因为银有良好的导电性，可限制遮蔽效应导致的太阳能电池效率的降低。为此，可选择各种商业化的银浆料，如Heraeus SOL953。但是，银不透明，因此最好将前面触点30和前面连接的尺寸限制为有限区域的点触点或线触点。为了减小前面触点30和下层选择发射层之间的接触电阻，前面触点30与选择发射层的重度掺杂区域15对齐。在本发明的一些实施方式中，前面触点30的宽度小于重度掺杂区15的宽度，以保证前面触点30完全位于重度掺杂区15内。选择区的重度掺杂也可以增加下层p-n结25的结深，防止用于形成前面触点30的金属浆料的成分烧透p-n结25。根据本发明的一些实施方式，减反射层40可以在形成前面触点30和前面连接55之前，设置于选择发射层的掺杂区15，20的前面。此时，前面触点30和前面连接55可以穿透减反射层40，以与下层的选择发射层的区域接触。除了金属，前面触点30和前面连接55还可以含有玻璃粉，以便于烧透减反射层40并与选择发射层接触。
后面触点35和后面连接可以通过在p-型基极层10的后面丝网印刷浆料形成，用于形成后面触点35的浆料包括铝浆料，如Monocrystal Analog 12D。此外，用于形成后面连接的浆料可以包括铝-银浆料，如Monocrystal PPAS-7-1。根据本发明的一些实施方式，在施加后面触点35之前，在p-型基极层10的后面上施加后面连接。印刷的后面触点35与后面连接的边缘重叠，并留下一部分后面连接裸露。在本发明的一些实施方式中，后面触点35和后面连接几乎覆盖p-型基极层10的整个后面。或者，后面触点35和后面连接仅仅覆盖p-型基极层10的一部分后面。
因为后面触点35的烘烤，通过液相外延再生，可以在p-型基极层10的后面与后面触点35的界面形成铝掺杂p+硅后面场层45。此时，后面触点35可以与铝掺杂p+硅后面场层45的后面电连接。后面触点35可以由铝-硅的共晶成分形成，后面触点35可以充当太阳能电池5的反射后面层。反射后面层可以提供反射面，使得到达后面的入射光返回基底并形成自由的电荷载体。后面触点35的厚度为10至40微米，且具有足够的反射率。
图2a、2b和2c所示为，根据本发明的一个实施方式，具有通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池的制造方法的流程图，图2a、2b和2c揭示了本发明太阳能电池的制造方法。
请参照图2a、2b和2c，在操作200，提供了一个基底，基底可以为结合图1描述的基底。通常，基底可以从供应商订购，具有具体的p-型或n-型电导率。根据本发明的一些实施方式，基底可以用p-型掺杂剂掺杂以形成p-型基极层10，掺杂剂的浓度为1015至1017原子每立方厘米(原子/cm3)。基底的厚度为50至500μm，尽管通过使用厚度为50至200μm的基底相对于目前的标准基底可以节约半导体材料。基底的电阻率为1至100Ohm-cm，最好是1至3Ohm-cm，可以使用单晶基底或多晶基底、带状基底、薄膜基底或其他类型的基底。
在操作200，可以清洁基底以便于处理，如可以通过将基底沉浸在浓度为1-10%的氢氧化钾(KOH)中蚀刻掉基底表面的切割损伤来实现清洁。根据本发明的一些实施方式，蚀刻可以在约60至90摄氏度下进行。
在操作205，基底可以进行纹理处理，如可以通过将基底沉浸在氢氧化钾-异丙酮(KOH-IPA)中异向蚀刻来进行纹理处理。根据本发明的一些实施方式，氢氧化钾的浓度约为1-10％，异丙酮的浓度约为2-20%，氢氧化钾-异丙酮的温度约为65至90摄氏度。氢氧化钾-异丙酮蚀刻基底的表面，形成具有定向晶面的椎体结构。形成的椎体结构有助于减小前面的反射率，并将光约束在基底中被吸收以转变成电能。
在操作210，掺杂剂，如掺杂剂原子或离子，被引入选择区15中的基极层10的前面。根据本发明的一些实施方式，可以通过离子注入引入掺杂剂。掺杂剂的导电型可以与基极层10的导电型相反，因此，如果基极层10具有p-型电导率，则操作210中引入的掺杂剂具有n-型电导率。相反，如果基极层10具有n-型电导率，则掺杂剂具有p-型电导率。在本发明的一些实施方式中，n-型掺杂剂可以是磷离子，如P31+。选择区15的图案可以通过在离子注入时使用遮罩实现，如石墨遮罩。石墨遮罩设有开口，开口的宽度为50至500微米，长度等于或大于基底的宽度，如156毫米。在操作210的离子注入中，基底的一边，称为参考边，通过重力与遮罩的边缘对齐。此外，可以在参考边上设置基准，如通过激光工具设置基准，基准可以在涉及到对齐的下游工艺步骤中被参考。根据本发明的一些实施方式，离子注入的掺杂剂离子的剂量约为0.7x1015cm-2至1.0x1016cm-2，束加速约为5至30千电子伏特(keV)。
在操作215，已离子注入的基底进行加热步骤，以形成p-n结25和选择发射极。根据本发明的一些实施方式，基底可引入炉中退火，如引入自动管状石英炉中退火。石英管的内径约为290毫米，以收容156毫米的伪正方形基底。退火操作215可实现以下几个目的：第一，退火操作215可以激活已注入的掺杂剂离子，即退火操作的热能在硅晶格中形成供掺杂剂离子填充的空穴；第二，退火操作215可驱使掺杂剂离子深入基底，如至理想的结深，以形成p-n结25；第三，退火操作215可以修复因离子注入在基底的晶格上造成的损伤；第四，退火操作215可用于轻度掺杂选择区15之间的场区20。
根据本发明的一些实施方式，退火操作215包括，将1至400个基底加入温度为700至900摄氏度的炉中。在本发明的一些实施方式中，大量的基底可以同时加入炉中，如在一次炉循环中加入400个基底。基底加入炉中后，在10至30分钟内使温度升至800至900摄氏度，保持温度30至100分钟。随后，在3至30分钟内使温度降至700至900摄氏度，基底随后从炉中移走。
保持温度的部分时间内，额外的掺杂剂原子被引入炉中，扩散至p-型基极层10的前面。额外掺杂剂可以包括与离子注入步骤中注入的原子同类型的原子，或具有相同电导率的其他类型掺杂剂原子。在本发明的一些实施方式中，如果p-型基极层10的后面裸露，额外掺杂剂原子也扩散进入p-型基极层10的后面。例如，氮载气经过含有液态掺杂剂的扩散器，液态掺杂剂可包括三氯氧化磷(POCl3)。此时，氮载气收集将被载入炉中的POCl3分子。在炉中，来自POCl3的磷掺杂剂原子扩散进入p-型基极层10的前面和后面。根据本发明的一些实施方式，掺杂剂原子可扩散进入p-型基极层10的后面，以及p-型基极层10的前面的场区20和选择区15。扩散会轻度掺杂选择区15之间的场区20，至表面电阻为70至100欧姆每平方。此外，扩散可以补充选择区15，使得选择区15的掺杂度高于选择区15之间的场区20的掺杂度，在p-型基极层10的前面形成选择发射层。或者，扩散仅仅发生在场区20，如使用过饱和遮罩或遮罩层覆盖选择区15时。此时，如果操作210中的选择区15的离子注入步骤在高剂量下进行，选择区15的掺杂度仍然高于场区20的掺杂度。因此，在一次高温退火步骤中，可以通过扩散和离子注入混合工艺形成选择发射层。
根据本发明的一些实施方式，选择发射层的选择区15的表面电阻为30至50欧姆每平方。此外，选择发射层的场区20的表面电阻为80至120欧姆每平方，最好是100欧姆每平方。发射场区20的高表面电阻，对于在一次炉循环中引入大量的基底能获得高度均匀性是个挑战。通过扩散时间、载气流速、运行时间(即在最高温度下没有载气流入炉中的时间)和处理温度，可以控制场区20甚至是选择区15的表面电阻和掺杂工艺。可以调整这些工艺参数，以提高表面电阻的均匀性，提高或降低各个区的表面电阻。
在本发明的一些实施方式中，由于扩散处理，选择发射层的掺杂区15,20的前面也可以形成玻璃层，如磷硅酸玻璃层。根据本发明的一些实施方式，在操作220中形成减反射层40之前需要移除玻璃层。移除玻璃层的一个示例性方法包括，将基底沉浸在浓度约为1-20%的稀氢氟酸中。
在操作220，可以在选择发射层的掺杂区15,20的前面形成减反射层40，减反射层40的折射率大于下层基底的折射率，使得更多的光经过减反射层40进入基底内，以减小太阳能电池5前面的反射。减反射层40可以由氮化硅(SiNx)、氧化铝(A12O3)、氧化钛(TiO2)、氟化镁(Mg2F)、硫化锌(ZnS2)或其组合形成。在本发明的一些实施方式中，减反射层40可以含有非晶氮化物，如非晶氮化硅(a-SiNx)。减反射层40可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法形成，或通过低压化学气相沉积(LPCVD)法形成、或通过溅射法形成。PECVD法包括将基底加热至300至500摄氏度，PECVD法还包括使用硅烷和氨反应气体。减反射层40的厚度为70至90纳米，折射率约为2.00，减反射层40的厚度和折射率取决于沉积时间、等离子功率、反应气体的流速和沉积张力等因素。
在操作225，太阳能电池5的前面触点30和前面连接的材料可以施加在减反射层40的前面。根据本发明的一些实施方式，使用具有光学校准的半自动丝网印刷机丝网印刷前面触点30和前面连接。可以使用银浆料，如HeraeusSOL953，形成前面触点30和前面连接。在本发明的一些实施方式中，银浆料可以是烧结银浆料，以便于在烘烤触点时渗透减反射层40。银浆料最好用于在具有低磷掺杂的发射极形成触点。前面触点30和前面连接的结构和间距由印刷屏的触点图案决定。在本发明的一些实施方式中，前面触点30的宽度为50至150微米，间距为1.5至2.5毫米。前面触点30和前面连接的浆料随后用带式炉烘干，或者，前面触点30和前面连接可以与后面触点35和后面连接同时烘干，如下面的操作230中所描述。
在本发明的一些实施方式中，印刷屏的图案，如网格状线、线条图案等，可以特意为上述方法形成的选择发射层设计。例如，可以设计前面触点30的图案，使其对齐并印刷在选择发射层的选择区15内。在本发明的一些实施方式中，前面触点30的宽度小于选择区15的宽度，以确保前面触点30完全位于选择区15内。选择区15的重度掺杂还可以增加下层p-n结25的结深，防止用于形成前面触点30的金属浆料的成分烧透p-n结25。根据本发明的一些实施方式，前面触点30与选择发射层的选择区15的对齐可以通过本领域技术人员已知的各种技术完成，包括：使用操作210中描述的参考边或其他设置于太阳能电池5上以显示相对于需要对齐位置的基准标记的光学对齐、紧靠两个立柱的对接边对齐，以及通过照相机与基底中央或边缘对齐。
在操作230，在p-型基极层10的后面施加后面触点35和后面连接的材料。在本发明的一些实施方式中，后面触点35和后面连接丝网印刷在p-型基极层10的后面上。可以采用铝浆料形成后面触点35，如Monocrystal Analog12D。此外，也可以采用铝-银浆料形成后面连接，如Monocrystal PPAS-7-1。根据本发明的一些实施方式，后面连接，如可焊接垫片和母线，可以在形成后面触点35之前施加在p-型基极层10的后面上。印刷的后面触点35可与后面连接的边缘重叠，并留有一部分后面连接裸露。在本发明的一些实施方式中，后面触点35和后面连接可以丝网印刷在p-型基极层10的几乎整个后面上。此时，后面触点35的铝浆料不能印刷在靠近晶片边缘约1mm宽的狭窄边界。或者，后面触点35和后面连接仅仅印刷在p-型基极层10的一部分后面上。太阳能电池5可以在150至350摄氏度、空气环境的带式炉中放置30至300秒，以烘干印刷的浆料。
在操作235，带有触点30,35和连接的基底在带式炉，如在线带式炉，中加热或共烧。在共烧过程中，前面触点30和前面连接可以烧透减反射层40，以与选择发射层的掺杂区15,20形成物理连接。在本发明的一些实施方式中，前面触点30可以仅仅与选择发射层的选择区15物理连接。为了便于烧透减反射层40，前面触点30和前面连接可以含有玻璃料，如玻璃粉。用于形成前面触点30和前面连接的浆料中的玻璃粉，在接近500摄氏度的温度下熔化，使下层减反射层40溶解。可以选择烘烤温度，使得前面触点浆料中的金属颗粒，如银，无需迁移至发射极下即可与选择发射层形成欧姆接触。
在操作235的共烧中，后面触点35和后面连接的材料可以与p-型基极层10的后面形成物理接触。在本发明的一些实施方式中，后面触点35和后面连接的烘烤可以在铝-硅的共晶温度(577摄氏度)以上进行。当基底在共烧后冷却时，通过液相外延再生，在p-型基极层10的后面可以形成铝掺杂p+硅后面场层45。此时，后面触点35可以与后面场层45电连接。温度曲线中的加热速率高，在20至150摄氏度每秒，可促进在p-型基极层10纹理化的后面与后面场层45之间形成均匀的p-p+界面。此外，在冷却过程中，也可以在后面场层45的后面上形成铝后面触点35。
前面和后面连接也可以分别与前面和后面触点30,35烧结或连接，以形成一体连接并分别与太阳能电池5的前面和后面形成理想的电连接。前面和后面连接可以通过焊线与太阳能电池模块中的相邻太阳能电池连接，最终连接至负荷，并在将太阳能电池曝露于太阳光下时为负荷提供电能。
在操作240，进行结分离步骤。根据本发明的一些实施方式，可以采用激光进行边际分离，激光可以是1064纳米红外激光。在本发明的一些实施方式中，结分离步骤可以形成约100μm宽、30μm深的凹槽50。凹槽50距太阳能电池5的侧边约100至200μm。
图3所示为本发明具有通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池的制造方法的另一个实施方式的流程示意图。
操作300和305与以上结合附图2a、2b和2c描述的操作200和205相同。在操作310，基底引入炉中，如自动管状石英炉，使得掺杂剂扩散进入基极层10的前面。例如，氮载气经过含有液态掺杂剂的扩散器，液态掺杂剂可以包括三氯氧化磷(POCl3)。此时，氮载气收集将被载入炉中的POCl3分子。在炉中，来自POCl3的磷掺杂剂原子可以扩散进入p-型基极层10的前面。根据本发明的一些实施方式，掺杂剂原子扩散进入整个前面(即场区20和选择区15)。或者，如果使用过饱和遮罩或遮罩层覆盖选择区15，扩散仅仅发生在场区20。引入的掺杂剂的量足以掺杂场区20，获得70至120欧姆每平方的表面电阻。掺杂剂层的电导率与基极层10的电导率相反，因此，如果基极层10具有p-型电导率，操作210中引入的掺杂剂层具有n-型电导率。相反，如果基极层10具有n-型电导率，则掺杂剂原子具有p-型电导率。在本发明的一些实施方式中，n-型掺杂剂可以是磷离子，如P31+。
在操作310，基底进行加热步骤，以形成p-n结25和中间均匀发射层。根据本发明的一些实施方式，加热步骤包括，将基底加入温度为700至900摄氏度的炉中。在本发明的一些实施方式中，在一次炉循环中，可以将大量基底(如400个基底)同时加入炉中。基底加入炉中后，温度在10至30分钟内升至800至900摄氏度，保持温度30至100分钟。随后，温度在3至30分钟内下降至700至900摄氏度，基底随后从炉中移走。因此，可以在一次高温退火步骤中，通过扩散和离子注入混合工艺形成选择发射层。
操作315包括，从基底移除新形成的玻璃。在操作310的扩散步骤中，中间均匀发射层的整个前面和p-型基极层10的后面会形成玻璃，如磷硅酸玻璃。因此，在进行随后的步骤之前，需要移除玻璃层。移除玻璃层的一个示例性方法包括，将基底沉浸在浓度约为1-20%的稀氢氟酸中。
在操作325，将额外掺杂剂原子引入选择区15中的中间均匀发射层的前面。根据本发明的一些实施方式，可以通过离子注入引入掺杂剂原子。通过使用遮罩，如石墨遮罩，进行离子注入可以获得选择区15的图案。石墨遮罩设有开口，开口的宽度为300至500微米，长度等于或大于基底的宽度，如156毫米或更大。在操作325的离子注入中，基底的一边可以通过重力与遮罩的边缘对齐。可以使用金刚石笔标记参考边，在后面形成前面触点的步骤中可以参照参考边来实现对齐。根据本发明的一些实施方式，掺杂剂离子的注入剂量为1.0x1015cm-2至1.0x1016cm-2。束加速为10至30千电子伏特。通过在扩散工艺后进行离子注入，可以使已注入的掺杂剂的剂量维持在表面附近，因为已注入的离子无需进行高温退火。
在操作325，基底可以进行短暂的低温退火。根据本发明的一些实施方式，低温退火的时间可以为1至20分钟，最好是5分钟。在此期间，温度为400至600摄氏度。因为选择区15的掺杂度高于场区20的掺杂度，低温退火可使中间均匀发射层转变成选择发射层。
剩下的操作330至350与以上结合图2a、2b和2c描述的操作220至240相同。
根据本发明的一些实施方式，如上所描述，可以制造具有通过离子注入和扩散混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池。如说明书中所描述，通过形成选择发射层具有许多优点。例如，根据本发明的一些实施方式，选择发射层可以在一次高温退火步骤中形成。此外，根据本发明的一些实施方式，通过离子注入和扩散混合工艺，可以解决铁污染导致的离子注入选择发射极寿命降低和不稳定的问题。根据本发明的一些实施方式，可以制造具有选择发射层的太阳能电池，选择发射层的发射区的表面具有足够高的掺杂剂浓度，下层具有足够的结深，填充因子等于或大于0.800，电池效率约为19%，即使采用廉价优质的丝网印刷触点。此外，这些改进显著减少了制造太阳能电池所需的时间、设备和成本，显著增加了制造方法的生产量。
本发明的一个方面涉及一种采用扩散和离子注入混合工艺制造选择发射极太阳能电池的方法，其包括：提供一个包括基极层的基底；通过离子注入将掺杂剂引入基极层的前面的一个或多个选择区；以及对基底进行退火处理，其中，退火处理包括：将炉中的基底加热至一个温度，以使额外掺杂剂扩散进入基极层的前面，其中，额外掺杂剂在退火处理期间引入炉中；在基极层的前面形成选择发生层，其中，基极层的前面的一个或多个选择区定义选择发射层的一个或多个选择区，一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，基底为单晶、柴氏硅基底。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，基极层使用p-型掺杂剂掺杂，选择发射层使用n-型掺杂剂掺杂，使得在基极层和选择发射层的界面形成p-n结。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，离子注入的掺杂剂包括磷，其中，用于扩散的额外掺杂剂以三氯氧化磷(POCl3)的形式引入。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：在选择发射层的前面上沉积一层非晶氮化硅层，形成减反射层。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：在非晶氮化硅层上丝网印刷一个或多个银前面触点，一个或多个银前面触点与选择发射层的一个或多个选择区对齐。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：在基底的后面丝网印刷一个或多个铝后面触点。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：共烧前面和后面触点，使得一个或多个前面触点通过非晶氮化硅层与选择发射层的一个或多个选择区电连接。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：在前面和后面触点共烧期间，通过液相外延再生，在基极层的后面和一个或多个后面触点的界面形成铝掺杂p+硅后面场层，其中，一个或多个后面触点与铝掺杂p+硅后面场层电连接。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，使额外掺杂剂扩散进入基极层的前面进一步包括：在选择发射层形成错配位错，以提供铁吸附剂的凹槽；以及将间隙硅注入基底，以驱使铁从取代位置进入间隙位置，使得铁快速扩散至吸附凹槽。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：在退火处理期间将氧引入炉中，以在选择发射层的表面形成氧化层，消耗选择发射层的一部分表面。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：通过将基底沉浸在稀氢氟酸中，移除氧化层和选择发射层的被消耗部分。
根据本发明太阳能电池的制造方法的一个实施方式，进一步包括：在沉积非晶氮化硅层之前，从选择发射层的前面移除在退火过程中因掺杂剂扩散形成的玻璃层。
本发明的一个方面涉及一种太阳能电池，其包括：包括p-型基极层的硅基底；形成在p-型基极层上的n-型选择发射层，n-型选择发射层包括一个或多个包括已注入掺杂剂的第一掺杂区和一个或多个包括已扩散掺杂剂的第二掺杂区，其中，一个或多个第一掺杂区的掺杂度高于一个或多个第二掺杂区的掺杂度；位于基极层和选择发射层界面上的p-n结，其中，p-n结和选择发射层在一次退火循环中形成。
根据本发明太阳能电池的一个实施方式，太阳能电池进一步包括，在选择发射层的前面上形成的非晶氮化硅减反射层。
根据本发明太阳能电池的一个实施方式，太阳能电池进一步包括，形成在减反射层的前面上的一个或多个丝网印刷前面触点，其通过减反射层与选择发射层电连接；以及形成在基极层的后面上的一个或多个丝网印刷后面触点，其中，一个或多个前面触点通过丝网印刷银浆料形成，一个或多个后面触点通过丝网印刷铝浆料形成。
根据本发明太阳能电池的一个实施方式，太阳能电池进一步包括，通过液相外延再生，在基极层和一个或多个后面触点的界面上形成的铝掺杂p+硅后面场层，其中，一个或多个后面触点与铝掺杂p+硅后面场层电连接。
根据本发明太阳能电池的一个实施方式，一个或多个前面触点与选择发射层重度掺杂的一个或多个第一掺杂区对齐，以减小接触电阻，其中，一个或多个前面触点与选择发射层的一个或多个第一掺杂区电连接。
本发明的一个方面涉及一种通过扩散和离子注入混合工艺形成选择发射极太阳能电池的方法，其包括：提供一个包括p-型硅的基底；对基底进行退火处理，其中，退火处理包括：在炉中将基底加热至一个较高温度，以使n-型掺杂剂扩散进入基底的前面，其中，n-型掺杂剂在退火处理期间引入炉中；形成中间均匀发射层；在中间均匀发射层的前面形成玻璃层；从炉中移走基底；从中间均匀发射层的前面移除玻璃层；通过离子注入，将额外n-型掺杂剂引入中间均匀发射层的前面的一个或多个选择区；对基底进行退火处理，其中，退火处理包括：在炉中将基底加热至一个较低温度，以修复注入损伤；激活注入的额外n-型掺杂剂；驱使注入的额外n-型掺杂剂至理想的结深；以及使中间均匀发射层转变成选择发射层，其中，中间均匀发射层的一个或多个选择区定义选择发射层的一个或多个选择区，选择发射层的一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
本发明的一个方面涉及一种具有通过扩散和离子注入混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池，其通过以下步骤制造：提供一个包括基极层的基底；通过离子注入将掺杂剂引入基极层的前面的一个或多个选择区；对基底进行退火处理，其中，退火处理包括：在炉中将基底加热至一个温度，以使额外掺杂剂扩散进入基极层的前面，其中，额外掺杂剂在退火处理期间引入炉中；以及在基极层的前面形成选择发射层，其中，基极层的前面的一个或多个选择区定义选择发射层的一个或多个选择区，选择发射层的一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
根据本说明书的描述和附图的教导，本领域的技术人员还可以想到对本说明书中给出的实施方式进行修改和变更。因此，可以理解的是，本发明的实施方式并不局限于本说明书中描述的具体实施方式，本说明书中给出的实施方式的变更和其他实施方式也应当落入本申请的权利要求的保护范围。此外，虽然以上的描述和附图结合元件和/或功能组合示例性地描述了本发明的一些实施方式，但是，可以理解的是，只要不偏离权利要求的保护范围，本发明的替代实施方式也可以提供其他元件和/或功能的不同组合。此时，不同的步骤、元件和/或材料的组合，也可以作为权利要求的补充实施方式。因此，说明书和附图仅仅是示例性的，并非限制性的。尽管说明书中使用了具体的术语，但是，这些术语仅仅是为了一般性的描述，并不对本发明构成任何限制。

Claims (20)

1.一种通过扩散和离子注入混合工艺制造选择发射极太阳能电池的方法，其包括：
提供一个包括基极层的基底；
通过离子注入将掺杂剂引入基极层的前面的一个或多个选择区；以及
对基底进行退火处理，其中，退火处理包括将炉中的基底加热至一个温度：
使额外掺杂剂扩散进入基极层的前面，其中，额外掺杂剂在退火处理期间引入炉中；以及
在基极层的前面形成选择发射层，其中，基极层的前面的一个或多个选择区定义选择发射层的一个或多个选择区，一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基底为单晶、柴氏硅基底。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：基极层使用p-型掺杂剂掺杂，选择发射层使用n-型掺杂剂掺杂，以在基极层和选择发射层的界面形成p-n结。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：离子注入的掺杂剂包括磷，用于扩散的额外掺杂剂以三氯氧化磷形式引入。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，进一步包括：在选择发射层的前面沉积一层非晶氮化硅层，以形成减反射层。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：在非晶氮化硅层上丝网印刷一个或多个银前面触点，一个或多个银前面触点与选择发射层的一个或多个选择区对齐。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括：在基底的后面上丝网印刷一个或多个铝后面触点。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：共烧前面触点和后面触点，使得一个或多个前面触点通过非晶氮化硅层与选择发射层的一个或多个选择区电连接。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：在前面触点和后面触点共烧过程中，通过液相外延再生，在基极层的后面和一个或多个后面触点的界面形成铝掺杂p+硅后面场层，其中，一个或多个后面触点与铝掺杂p+硅后面场层电连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于：使额外掺杂剂扩散进入基极层的前面进一步包括：
在选择发射层形成错配位错，以为铁吸附剂提供吸附槽；以及
将间隙硅注入基底，驱使铁离开取代位置进入间隙位置，使得铁快速扩散至吸附槽。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，进一步包括：在退火处理期间将氧引入炉中，以在选择发射层的表面形成氧化层，消耗选择发射层的一部分表面。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：通过将基底沉浸在稀氢氟酸中移除氧化层和选择发射层的被消耗部分。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的方法，进一步包括：在沉积非晶氮化硅层之前，从选择发射层的前面移除在退火处理中因掺杂剂扩散形成的玻璃层。
14.一种太阳能电池，包括：
包括p-型基极层的硅基底；
形成在p-型基极层上的n-型选择发射层，n-型选择发射层包括：
一个或多个包括注入掺杂剂的第一掺杂区；以及
一个或多个包括扩散掺杂剂的第二掺杂区，其中，一个或多个第一掺杂区的掺杂度高于一个或多个第二掺杂区的掺杂度；
位于基极层和选择发射层界面上的p-n结，其中，p-n结和选择发射层在一次退火循环中形成。
15.根据权利要求14所述的太阳能电池，进一步包括：形成在选择发射层的前面上的非晶氮化硅减反射层。
16.根据权利要求15所述的太阳能电池，进一步包括：
丝网印刷在减发射层的前面上、并通过减发射层与选择发射层电连接的一个或多个前面触点；以及
丝网印刷在基极层的后面上的一个或多个后面触点，其中，一个或多个前面触点通过丝网印刷银浆料形成，一个或多个后面触点通过丝网印刷铝浆料形成。
17.根据权利要求16所述的太阳能电池，进一步包括：通过液相外延再生，在基极层和一个或多个后面触点的界面形成的铝掺杂p+硅后面场层，其中，一个或多个后面触点与铝掺杂p+硅后面场层电连接。
18.根据权利要求16或17所述的太阳能电池，其特征在于：一个或多个前面触点与选择发射层重度掺杂的一个或多个第一掺杂区对齐，以减小接触电阻，一个或多个前面触点与选择发射层的一个或多个第一掺杂区电连接。
19.一种通过扩散和离子注入混合工艺形成选择发射极太阳能电池的方法，包括：
提供一个包括p-型硅的基底；
对基底进行退火处理，其中，退火处理包括将基底在炉中加入至一个高温，以
使n-型掺杂剂扩散进入基底的前面，其中，n-型掺杂剂在退火处理期间
引入炉中；
形成中间均匀发射层；
在中间均匀发射层的前面形成玻璃层；
从炉中移走基底；
从中间均匀发射层的前面移除玻璃层；
通过离子注入将额外n-型掺杂剂引入中间均匀发射层的前面的一个或多个选择区；以及
对基底进行退火处理，其中，退火处理包括，在炉中将基底加热至一个低温，以：
修复注入损伤；
激活注入的额外n-型掺杂剂；
驱使注入的额外n-型掺杂剂至理想的结深；以及
使中间均匀发射层转变成选择发射层，其中，中间均匀发射层的一个或多个选择区定义选择发射层的一个或多个选择区，选择发射层的一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
20.一种具有通过扩散和离子注入混合工艺形成的选择发射极的太阳能电池，其通过以下步骤制造：
提供一个包括基极层的基底；
通过离子注入将掺杂剂引入基极层的前面的一个或多个选择区；以及
对基底进行退火处理，其中，退火处理包括，在炉中将基底加热至一个温度，以：
使额外掺杂剂扩散进入基极层的前面，其中，额外掺杂剂在退火处理期间引入炉中；以及
在基极层的前面形成选择发射层，其中，基极层的前面的一个或多个选择区定义选择发射层的一个或多个选择区，选择发射层的一个或多个选择区的掺杂度高于选择发射层其余部分的掺杂度。
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