CN103460354A - 薄型硅太阳能电池和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制造太阳能电池的方法。所述方法包括如下步骤：在硅基底(100)上形成牺牲层(112)、在牺牲基底的顶上形成掺杂硅层(120)、在掺杂硅层(120)的顶上形成硅膜(130)、在硅膜(130)上形成多个叉指触点(144、146)、使多个叉指触点(144、146)中的每一个与金属触点(150)接触，以及去除牺牲层(112)。

Description

薄型硅太阳能电池和制造方法
技术领域
本文所述主题的实施例一般地涉及太阳能电池制造。具体而言，所述主题的实施例涉及薄型硅太阳能电池和制造技术。
背景技术
太阳能电池是熟知的用于将太阳辐射转换成电能的装置。它们可以在半导体晶圆上利用半导体加工技术制成。太阳能电池包括P型和N型扩散区。冲击在太阳能电池上的太阳辐射产生迁移至扩散区的电子和空穴，从而在扩散区之间形成电压差。在背接背结(BCBJ)太阳能电池中，P型和N型扩散区以及连接到它们上的金属触点位于太阳能电池的背面。金属触点允许将外部电路连接到太阳能电池上并由太阳能电池提供电力。
为了与市场上提供的其他能量源进行竞争，太阳能电池不仅须高效，而且须以相对较低成本和较高产量制造。虽然太阳能电池可使用硅处理步骤制得，但在晶圆产生后还必然会发生在硅晶圆上进行的处理操作。产生太阳能电池用的硅晶圆的过程通常可包括（例如）形成硅材料、将硅材料成形为锭以及将锭切片成硅晶圆。本发明的实施例涉及可降低太阳能电池制造成本的新型太阳能电池制造方法和结构。
发明内容
本发明公开了一种制造太阳能电池的方法。所述方法包括如下步骤：在硅基底上形成牺牲层、在牺牲基底的顶上形成掺杂硅层、在所述掺杂硅层的顶上形成硅膜、在所述硅膜上形成多个叉指触点、使所述多个叉指触点中的每一个与金属触点接触，以及去除所述牺牲层。
本发明公开了另一种制造太阳能电池的方法。所述方法包括如下步骤：在硅基底的顶面上形成牺牲层、处理所述牺牲层的外露表面以形成纹理化表面、在牺牲基底的纹理化表面的顶上形成重掺杂硅层、在所述重掺杂硅层的顶上形成较少掺杂的硅层、在所述较少掺杂的硅层的顶上外延生长硅膜、在所述硅膜的顶上形成叉指触点结构、将所述硅膜结合至载体、通过去除所述牺牲层而从所述硅基底上分离所述重掺杂硅层、从所述载体上剥离所述硅膜，以及在所述重掺杂硅层上形成抗反射涂层。
本发明公开了又一种制造太阳能电池的方法。所述方法包括在硅基底上形成牺牲层、在牺牲基底的顶上形成掺杂硅层、在所述掺杂硅层的顶上形成硅膜、在所述硅膜上形成多个叉指触点，以及从所述硅基底上分离所述掺杂硅层。
提供本发明内容的目的是以简要形式介绍一系列概念，这些概念将在以下具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非意图辨识要求保护的主题的关键特征或本质特征，也非意图在确定要求保护的主题的范围中用作帮助。
附图说明
当结合以下附图考虑时，通过参见具体实施方式和权利要求书可以更完全地理解所述主题，其中在所有附图中，类似的附图标记是指类似的元件。
图1为根据本发明的一实施例的薄型硅太阳能电池的剖视图；
图2-图11为根据本发明的一实施例制造太阳能电池的剖面示图；
图12-图13为根据本发明的另一实施例的制造步骤的剖面示图。
具体实施方式
以下具体实施方式本质上只是例证性的，并非意图限制所述主题的实施例或此类实施例的应用和用途。如本文所用，词语“示例性的”是指“作为例子、实例或例证”。本文示例性描述的任何实施方式不一定被理解为比其他实施方式更优选或有利。此外，并不意图受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明示或暗示的理论的约束。
用于降低制造太阳能电池的成本的一种技术可以用来省略产生在常规的光伏太阳能电池制造工艺中被加工的硅晶圆所必需的工艺的那些步骤。为了省略晶圆产生步骤，形成太阳能电池本体的硅基底可连同在材料的牺牲层上的光伏太阳能电池的其他组成部分一起外延生长。然后可去除所述牺牲层，从而从成型平台上分离完整的生长成的太阳能电池。
与图2-13所示的制造技术相关进行的各种作业可包括任何数量的附加的或可替代的作业，图2-13所示的制造无需以所示的顺序进行，并且可将制造工艺引入具有未在本文详细描述的另外的功能的更复杂的工序或工艺中。
图1示出形成的具有薄硅基底10的太阳能电池1。太阳能电池1包括薄硅基底10、轻掺杂区20、重掺杂区30和抗反射涂层(ARC)40，以及接触结构50。所述太阳能电池具有在正常操作过程中面向太阳的第一向阳侧4和背向太阳的第二后侧6。应理解，薄硅基底10、轻掺杂和重掺杂区20、30以及ARC40的面向向阳侧的表面具有随机纹理化表面，所述随机纹理化表面改进了太阳能电池1捕集在向阳侧4上接收的光的性能。这些纹理化表面可具有真正随机的形状（如通过湿蚀刻具有表面缺陷的材料而导致的那些形状）或重复的几何形状（如三棱锥或四棱锥形）。
接触结构50可包括在薄氧化层52的顶上形成的交替的N掺杂和P掺杂区域54、56。所述N掺杂和P掺杂区域54、56可由绝缘层58（如氧化物或聚酰亚胺，或其他绝缘材料）覆盖。触点60可被形成为通过绝缘层58中的孔，以与掺杂区域54、56中的每一个形成电接触。如实施例所需并在下文进一步详细解释，触点60可为单一金属（如铜或铝）或不同金属（包括钨）的叠堆。如图1示出的实施例中所示，太阳能电池1可作为“背接触背结”(BCBJ)太阳能电池形成。如实施例所需，太阳能电池1可包括数种不同接触结构50中的任何一种，包括掺杂区域54、56和钝化氧化物的不同设置。薄硅基底10的形成可通过如下步骤实现：从基底顶上的牺牲层向上，朝向太阳能电池1的向阳侧4生长所述层。在某些实施例中，在制造过程中ARC层40可省略，并在之后涂覆该层。
图2-图11示出处于用外延生长技术制造薄型硅太阳能电池的顺序步骤中的太阳能电池，如图1的实施例的太阳能电池。
图2示出硅基底100。硅基底100可由纯硅构成，或者可为掺杂硅或复合硅。硅基底100具有上表面102。硅基底100可为该制造工艺的可重复使用件。如相对于图12和13在下文更详细地描述，在某些实施例中，硅基底100可包括多个薄层。
如图3所示，牺牲层110可在硅基底100的上表面102上形成。牺牲层110可由多孔硅构成，如在具有偏置的氢氟酸浴中形成。或者，牺牲层110可为具有例如锗掺杂和/或碳掺杂的硅，所述锗掺杂和/或碳掺杂的硅中的任一者可通过外延沉积或化学气相沉积(CVD)工艺形成。如全文所用，CVD工艺指CVD的任何变化形式，如常压CVD(APCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、低压CVD(LPCVD)等。本领域普通技术人员可选择和使用适于任何特定制造步骤的所需CVD工艺。也可使用除了锗和碳之外的其他掺杂剂。牺牲层110可为薄的，大约700微米的量级，然而其可略微地或显著地更大或更小，根据实现本文描述的功能的特定实施例所需而定。例如，在某些实施例中，牺牲层可为10微米那样薄。也可使用更小的厚度。
图4示出在随机纹理化步骤（如使用湿蚀刻或干蚀刻工艺，包括缓冲氧化物蚀刻(BOE)以产生纹理化上表面114）之后的牺牲层110。一种可用的蚀刻剂为氢氧化钾（KOH），虽然也可在不同的实施例中使用其他蚀刻剂。牺牲层110的纹理化表面114因此不具有平坦形状。在某些实施例中，纹理化不包括暴露下方的硅基底100，虽然在一些实施例中，硅基底100可以根据需要通过牺牲层110而暴露。牺牲层110的纹理化表面114可具有规则的重复图案（如三棱锥或四棱锥），或者可具有随机确定的图案。在任一情况中，在随后的处理过程中，牺牲层110可保持纹理化表面114的形状。
如图5所示，掺杂硅层120可在纹理化表面114的顶上形成。可使用任何所需的CVD工艺沉积掺杂硅层120。所述掺杂硅层可为N+掺杂的，并具有0.01至5微米之间的厚度。在某些实施例中，掺杂硅层120可用锗掺杂。在一些实施例中，掺杂剂浓度可为大约1×1017原子/立方厘米，但也可使用更小或更大的浓度，可以使用高达1×1020原子/立方厘米或更大。
在某些实施例中，可在掺杂硅层120上形成另一掺杂硅层N+层124。图6示出N+层124的形成。并非所有的实施例将包括N+层124，但其在全文均被图示说明。N+层124可例如通过CVD技术沉积或使用外延生长技术生长。N+层124可由硅-锗组合物或硅-碳材料构成。
相对于较厚的N+层124，掺杂硅层120可为重掺杂的，常常称为N++掺杂层。在一些实施例中，N+层120可称为轻掺杂的层（相对于较高掺杂的掺杂硅层120而言）。在某些实施例中，N+层124可以较为多孔。在一些实施例中，可在掺杂硅层120的顶上沉积无掺杂的硅。可使用随后的热步骤来驱使掺杂剂从掺杂硅层120进入N+层124，从而产生N+层124的较轻掺杂。当N+层124存在时，其可为0.05至1微米厚。
图7示出硅膜130在N+层124的顶上或（当省略N+层时）在掺杂硅层120的顶上的生长。相比于最终太阳能电池的总体结构中的伴随层，硅膜130可以比较厚。相比于基底100或常规太阳能电池晶圆，硅膜130也可以比较薄。通过外延沉积工艺生长的硅膜也可称为薄硅膜、薄硅基底、外延生长的基底，或更一般地称为生长硅层。硅膜130可通过外延生长工艺，在N+层124的外露表面上接种并蔓延多晶硅晶体结构而形成。硅膜130可为轻N+掺杂的，例如硅-锗基底或硅-碳基底。在一些实施例中，硅膜130可为纯硅基底。在某些实施例中，硅膜130可为多孔硅。通常，硅膜130的确切组成可以是硅或稍有掺杂的硅材料或硅的化合物，其足以用作与其余的所制成太阳能电池元件协同工作的光伏太阳能电池基底。
在一些实施例中，加热步骤可在本文所述的任何层或基底的外延生长（包括硅膜130的生长）之后，以将其烧结。硅膜130可用CVD工艺形成。硅膜130可为20至150微米厚，在一些实施例中可为50微米厚。在一些实施例中，硅膜130通过减少其后侧上的表面纹理的工艺形成。因此，虽然掺杂硅层120和N+层124可能是比较适形的，但硅膜130的厚度可导致平面化而产生较为平坦的后表面即外露表面。
图8示出接触结构140在硅膜130的所述外露表面上的形成。精确的接触结构140可以在实施例之间不同。例如，在某些实施例中，接触结构可包括叉指掺杂的多晶硅区域。示出的实施例分别显示了交替的N掺杂和P掺杂的多晶硅区域144和146。另外，薄氧化层142可存在于硅膜130与经掺杂的多晶硅区域144、146之间，如Swanson的美国专利No.7,468,485和No.7,633,006中所述，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。薄氧化层142可充当隧道氧化层（tunnel oxide），从而在载体传输至经掺杂的多晶硅区域144、146的过程中抑制重组。经掺杂的多晶硅区域144、146可使用印刷、掩模和蚀刻技术（例如但不限于描述于Smith等人的美国专利No.6,998,288和No.7,135,350和De Ceuster等人的美国专利No.7,820,475中的那些，所述专利的全部内容以引用方式并入本文）形成。
在一些实施例中，经掺杂的多晶硅区域144、146可使用喷墨印刷工艺形成。在这种工艺中，可在薄氧化层142的顶上形成无掺杂的多晶硅层。可使用喷墨掺杂剂沉积工艺以将适当的N掺杂剂源和P掺杂剂源精确设置于它们各自的多晶硅区域顶上。热驱动步骤可在掺杂N和P多晶硅区域144、146之后。然后可使用掩模和蚀刻步骤来去除掺杂剂源，并在多晶硅区域144、146之间形成沟槽。形成接触结构140的这种工艺的详细解释可见于Smith的美国专利No.7,812,250，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。
绝缘层148可在经掺杂的多晶硅区域144上形成，并包括在这些区域之间的沟槽中。除了单个示出的绝缘层148之外，其他绝缘层也可在不同的实施例中形成。例如，在某些实施例中，作为形成接触结构140的工艺的一部分，可形成氮化硅即另一背侧ARC。其他钝化层或绝缘层也可在形成接触结构140的过程中形成。可在绝缘层148中开出一个或多个接触孔或通路，以允许形成接触塞150，所述接触塞150电接触经掺杂的多晶硅区域144、146。在某些实施例中，接触孔或通路可使用掩模和蚀刻工艺打开，而在其他实施例中可使用激光工艺，如本领域所公知。类似地，虽然被称为接触塞150，但接触塞150可指数种堆叠材料，如描述于Mulligan等人的美国专利No.7,388,147中的那些，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，接触结构140可具有完全不同的类型，如作为美国专利公布No.2008/0017243公布的De Ceuster等人的系列号为11/492,282的美国专利申请中描述的类型，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。无论接触结构140的具体组件、元件或特征如何，均可使用“背接触背结”构造，其中硅膜130充当用于任意参考文献中描述的任意结构的硅基底。在实施此类技术的过程中，将观察到已形成的前结构，其随机纹理化的表面和N+掺杂区域在太阳能电池的前侧即向阳侧，其边界为目前与牺牲层112结合的掺杂硅层120。
在某些实施例中，产生接触结构140所需的热步骤可用来完成驱使掺杂剂从掺杂硅层120进入N+层124或硅膜130的过程。在一些实施例中，来自掺杂硅层120的掺杂剂被驱使通过N+层124进入硅膜130中，或者在其他实施例中，由于省略了N+层124，因此所述掺杂剂可被驱使直接进入硅膜130中。因此，本领域技术人员应理解，如果在接触结构140的形成过程中发生充分的热过程，则无需在掺杂硅层120、N+层124或硅膜130各自的形成步骤过程中完全驱动和活化这些膜层中的掺杂剂。
因此，图8示出了完全形成的接触结构140。虽然示出了这种结构的一个实施例，但在不偏离本文描述的本发明的技术的情况下可使用其他实施例。图9示出可结合至硅膜130的后侧的外露表面的载体元件160。例如，载体元件160可被结合至绝缘层148或接触塞150上或这二者上。载体元件160可为具有充分刚性的并且（在一些实施例中）具有平整性以在随后的分离步骤过程中支撑太阳能电池的任何装置或结构。因此，在一些实施例中，载体元件160可为塑料表面或金属表面等。在一些实施例中，载体元件160可被结合至多个电池以将它们全部分离。载体元件160可使用任何可溶性的或可逆粘合剂或粘结剂加以结合。在某些实施例中，可形成永久性的结合，包括不是永久性的但不具有对应的剥离剂的那些结合。
图10示出分离步骤，其中牺牲层112被部分或完全破坏，从而从硅基底100上脱离薄型硅太阳能电池190。这种分离可使用例如选择性蚀刻工艺（包括湿蚀刻工艺）完成。在某些实施例中，牺牲层112被硅基底100保留以再次使用。在此类实施例中，在再次使用之前，可清洗或清洁含有牺牲层112的表面。在其他实施例中，将牺牲层112完全溶解，因此如果将要再次使用硅基底，则需要形成新的牺牲层112。在某些实施例中，在分离工艺中牺牲层112的一些部分可能不被去除，所述部分可被随后破坏。因此，牺牲层112不在将来的制造步骤中再次使用，但在分离工艺中无需完全去除牺牲层112。在一些实施例中，选择性蚀刻剂的使用不腐蚀薄型硅太阳能电池190的组件。
掺杂硅层120的表面因此被暴露。从牺牲层112分离后该表面可被清洗和清洁。掺杂硅层120现在形成薄型硅太阳能电池190的向阳侧上的最上层。图11示出ARC层170可在掺杂硅层120上形成，从而提高薄型硅太阳能电池190的性能。在某些实施例中，可作为接触结构140形成工艺的一部分形成背侧ARC即BARC。
在某些实施例中，可省略一个或多个制造步骤。例如，当掺杂硅层120和N+层124均省略时，直接在牺牲层112上形成硅膜130的前表面。在这种实施例中，薄型硅太阳能电池190的前侧钝化可在ARC步骤之前或与ARC步骤一起进行。在某些实施例中，可在将硅膜130从牺牲层112上分离之后进行硅膜130的前侧或暴露侧的掺杂。
如图11所示，载体元件160可通过任何所需的脱粘工艺从薄型硅太阳能电池190脱离。这种脱粘工艺可包括溶剂或蚀刻剂，所述溶剂或蚀刻剂腐蚀将薄型硅太阳能电池190连接至载体元件160的粘合剂或结合剂。在某些实施例中，可清洁薄型硅太阳能电池190的后侧以去除结合工艺的残余物。薄型硅太阳能电池190现在准备进行进一步处理，如串接、互连、并入太阳能电池模组等。在一些实施例中，在制造工艺中的此刻可同时进行前ARC和BARC步骤。ARC或BARC材料可包括使用远程等离子体沉积技术沉积的氮化物，如氮化硅。
可以看出，薄型硅太阳能电池190已被制成而不依赖于以传统方式产生的太阳能晶圆，从而消除了锭产生和切片的可能昂贵的另外一些步骤。
可理解的本发明的制造技术的另一有利特征是形成硅膜130的纹理化前表面，特别是纹理化的掺杂硅层120和/或N+层124。在一些太阳能电池制造过程中，使电池的前表面纹理化包括前表面和后表面的蚀刻步骤。在一些实施例中，接触结构形成步骤必须考虑到对后接触表面的破坏性蚀刻。因此，一些技术形成保护结构，以在纹理化蚀刻过程中在后表面的敏感特征上使用。在已将前表面（现在暴露的掺杂硅层120）预纹理化的情况下，可产生接触结构140而无需顾及破坏性纹理化蚀刻步骤。排除这种考虑可降低形成接触结构140的成本。在需要破坏性纹理化步骤以用于后侧触点形成的那些实施例中，可以形成平坦的牺牲层、掺杂硅层120、N+层124和硅膜130。仅在从牺牲层分离之后，掺杂硅层120才可被纹理化（包括后侧的纹理化）以准备BARC处理。
图12和图13示出用于薄型硅太阳能电池的初始制造步骤的可供选择的方法实施例中的步骤。如图12所示，硅基底200本身可具有纹理化表面。在一些实施例中，该纹理化表面可被掺杂以有助于其用作牺牲层。然后，掺杂硅层212可在硅基底200的顶上适形地形成，从而将纹理化形状赋予掺杂硅层212。以此方式，硅基底200的上表面可充当牺牲层。在等同于图9和10所示的分离步骤过程中，硅基底200的上表面可被腐蚀，从而分离出薄型硅太阳能电池。硅基底200可保留其纹理化形状，从而允许在清洁之后通过在其上形成新的掺杂硅层212而被再次使用。
如前所述，制造工艺的步骤可以按所描述和说明的顺序或以其他排序进行。例如，在一个关于制造步骤的实施例中，可在接触结构完全形成之前通过部分或完全破坏牺牲层而从硅基底上分离太阳能电池。
虽然前面的详细描述已展示至少一个示例性实施例，但应当理解，还存在大量的变型形式。还应当理解，本文所述的一个或多个示例性实施例并不旨在以任何方式限制要求保护的主题的范围、适用性或构型。相反，上述详细说明将为本领域的技术人员提供实施所述一个或多个实施例的便利的路线图。应当理解，可在不脱离权利要求书所限定的范围（其包括提交本专利申请时已知的等同物和可预知的等同物）的情况下对元件的功能和布置方式进行多种改变。

Claims (20)

1.一种制造太阳能电池的方法，包括如下步骤：
在硅基底上形成牺牲层；
在牺牲基底的顶上形成掺杂硅层；
在所述掺杂硅层的顶上形成硅膜；
在所述硅膜上形成多个叉指触点；
使所述多个叉指触点中的每一个与金属触点接触；以及
去除所述牺牲层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述牺牲层包括形成由硅和锗构成的牺牲层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述硅膜包括外延生长所述硅膜。
4.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述多个叉指触点包括用喷墨打印机沉积多个掺杂剂源。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在形成所述掺杂硅层之前将所述牺牲层的表面纹理化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中形成所述掺杂硅层包括形成适形于所述牺牲层的纹理化表面的掺杂硅层。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在去除所述牺牲层之前将所述硅膜结合至载体。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在去除所述牺牲层之后从所述载体上剥离所述硅膜的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述掺杂硅层与所述硅膜之间形成轻掺杂硅层的步骤。
10.一种制造太阳能电池的方法，包括如下步骤：
在硅基底的顶面上形成牺牲层；
处理所述牺牲层的外露表面以形成纹理化表面；
在牺牲基底的纹理化表面的顶上形成重掺杂硅层；
在所述重掺杂硅层的顶上形成较少掺杂的硅层；
在所述较少掺杂的硅层的顶上外延生长硅膜；
在所述硅膜的顶上形成叉指触点结构；
将所述硅膜结合至载体；
通过去除所述牺牲层而从所述硅基底上分离所述重掺杂硅层；
从所述载体上剥离所述硅膜；以及
在所述重掺杂硅层上形成抗反射涂层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中外延生长所述硅膜包括外延生长小于100微米厚的硅晶圆。
12.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述重掺杂硅层包括形成小于2微米厚的硅层。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述硅基底包括多个牺牲层，且形成所述牺牲层包括掺杂所述硅基底的顶面以形成经掺杂的牺牲层。
14.根据权利要求10所述的方法，其中在硅基底的顶面上形成牺牲层包括使用CVD工艺沉积所述牺牲层。
15.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述较少掺杂的硅层包括驱使掺杂剂从所述重掺杂硅层进入所述较少掺杂的硅层中。
16.一种通过权利要求10所述的方法制得的太阳能电池。
17.一种制造太阳能电池的方法，包括如下步骤：
在硅基底上形成牺牲层；
在牺牲基底的顶上形成掺杂硅层；
在所述掺杂硅层的顶上形成硅膜；
在所述硅膜上形成多个叉指触点；以及
从所述硅基底上分离所述掺杂硅层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中形成所述牺牲层包括形成至少部分地由硅构成的牺牲层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中从所述硅基底上分离所述掺杂硅层包括将所述牺牲层暴露于选择性蚀刻剂。
20.根据权利要求17所述的方法，其中形成所述多个叉指触点包括：
在所述硅膜上形成氧化物层；以及
在所述氧化物层上形成多个经掺杂的多晶硅沉积物。
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