CN103460397B - 制造太阳能电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制造太阳能电池的方法，其中太阳能电池通过组合损伤去除蚀刻工艺、结构化工艺以及边缘隔离工艺而被制造。本方法的优点在于进行RIE和DRE，然后同时进行DRE/PSG和/或边缘隔离去除工艺，以使得衬底（即，晶圆）的移动最小化，从而减小衬底的损伤率。
Description
技术领域
本发明涉及制造太阳能电池的方法，更具体地，涉及制造太阳能电池的方法，其中太阳能电池通过组合损伤去除蚀刻工艺、结构化（texturing）工艺和边缘隔离工艺而制造。
背景技术
近来，随着现有能源如石油、煤炭等开始枯竭，可替代其的能源已引起了重视。在这些可替代能源中，太阳能电池由于其资源丰富并且不会引起环境问题而受到了特别的关注。
太阳能电池包括利用太阳热产生使涡轮机旋转所必需的蒸汽的太阳能热电池和使用半导体性能将太阳能转化成电能的太阳能光电池。太阳能电池一般被称为太阳能光电池（下文中，称作“太阳能电池”）。
根据原材料，太阳能电池主要分类成硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和叠层太阳能电池。在这三种太阳能电池中，硅太阳能电池一般用在太阳能电池市场中。
当太阳光进入这种太阳能电池时，通过光伏效应，从掺杂有杂质的硅半导体中生成电子和空穴。
这种电子和空穴分别被引向N型半导体和P型半导体以移动到与衬底的下部连接的电极和与发射极掺杂层的上部连接的电极。当这些电极通过电线彼此连接时，电流流动。
在这种情况下，通过下述工艺制造常规的太阳能电池：①结构化；②掺杂（形成PN结）；③去除氧化膜（PSG：磷硅酸盐玻璃）；④形成减反射膜（ARC：减反射涂层）；⑤金属化；和⑥测量边缘隔离。
常规太阳能电池（例如，多晶硅太阳能电池）的结构化大多使用酸溶液（HNO3/HF组合物）来进行。另外，常规太阳能电池的结构化通过如下步骤来进行：通过执行湿SDR（锯切损伤去除）工艺，然后使用RIE（反应离子蚀刻）结构化减小反射性，从而提高Isc（短路电流：当在其中电路是短路的状态，即其中外部电阻不存在的状态下施加光时，出现的反向（负的）电流密度。
在RIE结构化的情况下，由于表面等离子体损伤，尽管反射性低，但是难以了解由FF（填充因子）和Voc（开路电压）的减小引起的效率增加的程度。为了去除这种等离子体损伤，实施DRE（损伤去除蚀刻）工艺。也就是说，常规的RIE结构化包括：①湿SDR工艺；②RIE工艺；③DRE工艺；④掺杂工艺；⑤PSG去除工艺；和⑥其他常规的太阳能电池工艺。
为了使用多晶衬底（即，晶圆）实现约15%的转换效率，表面结构化不是最重要的因素。然而，为了制造具有16%或以上转换效率的多晶太阳能电池，可以讨论能够捕获光的结构化工艺。
这种常规的结构化工艺包括湿蚀刻工艺。提供湿蚀刻装置来进行这种湿蚀刻工艺。同时，通过干蚀刻进行RIE工艺，而通过干蚀刻实施DRE工艺。因此，除了RIE设备以外，需要额外的湿蚀刻装置。
因此，由于上述的湿蚀刻工艺和湿蚀刻装置，所以存在着其中衬底（即，晶圆）的损伤率增大的问题。
此外，因为需要额外的湿蚀刻装置来执行上述湿蚀刻工艺，存在着其安装和维护成本增加的问题。
发明内容
技术问题
本发明被设计来解决上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种制造太阳能电池的方法，该方法能减小工艺期间发生的衬底损伤率。
本发明的另一目的是提供一种制造太阳能电池的方法，其中因为不需要用于执行湿蚀刻工艺的额外湿蚀刻装置，所以能降低安装和维护成本。
解决方案
为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种制造太阳能电池的方法，其包括：锯切衬底，然后使用SDR（锯切损伤去除）工艺从衬底表面去除损伤；使用RIE（反应离子蚀刻）工艺对衬底的表面进行结构化；对衬底的表面掺杂不同于构成衬底的材料的掺杂材料；从衬底的表面同时去除损伤和氧化膜（磷硅酸盐玻璃（PSG））；在衬底的表面上形成减反射涂层；使用激光蚀刻用激光照射衬底的边缘以使边缘隔离于减反射膜；和对衬底进行金属化以在衬底的前侧和后侧形成前电极和后电极。
此处，去除损伤和氧化膜可以包括：使用含有KOH或NH4OH/H2O/H2O2的低浓度溶液从衬底的表面去除损伤；以及使用含有HCL/HF的溶液清洁衬底的表面。
此外，可以通过一个湿蚀刻装置进行损伤和氧化膜的去除。
本发明的另一方面提供了一种制造太阳能电池的方法，该方法包括：锯切衬底，然后使用SDR（锯切损伤去除）工艺从衬底的表面去除损伤；使用RIE（反应离子蚀刻）工艺对衬底的表面进行结构化；用不同于构成衬底的材料的掺杂材料掺杂衬底的表面；首先从衬底的表面去除损伤和氧化膜（磷硅酸盐玻璃（PSG））；其次从衬底的表面去除残留的损伤和氧化膜（PSG），并且湿蚀刻衬底的边缘以使边缘隔离于减反射膜；在衬底表面上形成减反射涂层；和对衬底进行金属化以在衬底的前侧和后侧形成前电极和后电极。
此处，边缘隔离可包括：使用含HNO3/H2SO2/H2O2的溶液蚀刻衬底的背面以使边缘隔离于减反射膜；使用含有KOH或NH4OH/H2O/H2O2的低浓度溶液从衬底的表面去除损伤；和使用含HCL/HF的溶液清洁衬底的表面。
此外，可以通过酸性结构化或碱性锯切损伤去除来进行损伤的去除，并且在酸性结构化中，可以同时进行衬底的锯切损伤去除和衬底表面的结构化。
此外，衬底可用选自第III族元素和第V族元素的杂质掺杂。
有益效果
根据本发明，进行RIE和DRE，然后同时进行DRE/PSG和/或边缘隔离去除工艺，以使得衬底（即，晶圆）的移动最小化，从而减小衬底的损伤率。
此外，根据本发明，DRE/PSG和/或边缘隔离去除工艺是在一个湿蚀刻装置中同时进行的，以使得能够减少湿蚀刻装置的数目，从而降低其安装和维护成本。
附图说明
从结合附图给出的下述优选实施方案的描述，本发明的上述以及其它的目的、特征和优点将变得明显，在附图中：
图1是示出了根据一般太阳能电池表面的不均匀结构的光的反射通路的视图；
图2是示出了短路电流（Isc）根据图1的不均匀结构而变化的曲线图；
图3是示出了通过碱性蚀刻而结构化的单晶衬底的表面的放大图；
图4是示出了通过酸性蚀刻而结构化的多晶衬底的表面的放大图；
图5是示出了根据本发明第一实施方案使用RIE（反应离子蚀刻）制造太阳能电池的工艺的流程图，其中通过激光蚀刻执行边缘隔离；
图6是示出了根据本发明第二实施方案使用RIE（反应离子蚀刻）制造太阳能电池的工艺的流程图，其中通过湿蚀刻执行边缘隔离；和
图7是示出了根据本发明的通过边缘隔离而完成的太阳能电池的截面图。
[附图标记]
α：结构的角度
β：反射角和/或入射角
a：第一光通路
b：第二光通路
c1，c2：反射点
30：衬底
32：发射极层
34：减反射涂层
36：后电极
38：前电极
39：后电场层
40：边缘
具体实施方式
本发明可以进行各种变化并且可以具有各种实施方案。下文中，将参照附图详细描述本发明优选的实施方案。然而，本发明并不限于这些实施方案，并且可以包括在本发明的范围内的任何以及所有修改、变形、等同方案、替换等。此外，在整个附图中使用相同的附图标记来指定相同或相似的元件。
术语“第一”、“第二”等可以用于说明各种其他元件，但是这些元件并不限于这些术语。这些术语仅用来将某元件与其他元件进行区分。例如，第一元件可以被称为第二元件，而第二元件也可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。术语“和/或”意思是相关元件的组合或相关元件中的任意一个。
当提到某元件连接到另一元件时，应理解为某元件直接连接到另一元件，或者又一元件可位于某元件和另一元件之间。相反，当提到某元件被直接连接到另一元件时，应理解为没有又一元件位于某元件和另一元件之间。
用于本说明书中的术语被阐明来说明本发明的实施方案，而本发明的范围不限于此。单数包括复数，只要单数和复数在含义上彼此没有明显的不同即可。在本发明说明书中，应当理解术语“具有”、“包括”、“包含”等被用来指定特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合，并且不排除其它。
用于本说明书和权利要求中的术语和词语不应被解释为局限于通常的含义或字典定义，而应该基于发明者能根据其适当定义术语的概念以便描述他或她所知的用于实施本发明的最佳方法的规则，解释为具有与本发明技术范围相关的含义和概念。
下文中，将参照附图详细描述本发明优选的实施方案。
图1是示出了根据一般太阳能电池的表面不均匀结构的光的反射通路的视图。一般而言，硅太阳能电池包括由p型硅半导体制成的衬底和发射极掺杂层，其中类似于二极管，在衬底和发射极掺杂层之间的界面处形成p-n结。
当太阳光进入具有这种结构的太阳能电池时，通过光伏效应，从掺杂有杂质的硅半导体中生成电子和空穴。
作为参考，从由n型硅半导体制成的发射极掺杂层生成电子作为载流子，并且从由p型硅半导体制成的衬底生成空穴作为载流子。
通过光伏效应生成的电子和空穴分别被引向n型半导体和p型半导体以移动到与衬底的下部连接的电极和与发射极掺杂层的上部连接的电极。当这些电极通过电线彼此连接时，电流流动。
因此，为了增加光吸收，对太阳能电池的表面进行结构化。对太阳能电池的表面进行结构化的目的是增大通过光从前面到内部的多次反射而吸收的光量并且增大光通路的长度。
因此，可以提高太阳能电池的短路电流（Isc）。硬面（hard-faced）硅表面的反射性约为30%，并且通过结构化减小了约10%。在这种情况下，当额外地形成减反射涂层时，硅表面的反射性减小到3%。
当单晶硅晶圆被结构化时，形成棱锥结构。在这种情况下，棱锥结构的角度对光传输的方向起着重要的作用。图1示出了这种棱锥结构。也就是说，图1是示出了棱锥结构（不均匀结构）的角度以及根据该棱锥结构的角度的光的反射通路的视图。
i）如果棱锥结构的角度是α=30°，光仅在该棱锥结构的V形槽的下端被反射两次。
ii）如果棱锥结构的角度是α=45°，入射光被反射两次。
iii）如果棱锥结构的角度是α=60°，入射光被反射三次。
因此，随着棱锥结构的角度的增大，入射光被反射的次数增多，并且因此作为光电流的短路电流（Isc）增大。
图2示出了这种现象。也就是说，图2是示出了短路电流（Isc）根据图1的棱锥结构（不均匀结构）而变化的曲线图。参照图2，可以看到当棱锥结构的角度是53.7°或更大时，短路电流（Isc）快速地增加。
通过下述公式1表示结构化的效果：
[公式1]
无规则结构<<正面/后面正棱锥结构<<正面棱锥结构
此处，当对棱锥结构的正侧和后侧进行结构化，由于棱锥结构的后面与正面的复合，棱锥结构的效率下降，以使得正面/后面正棱锥结构的效率变得低于正面棱锥结构的效率。
图3示出了这种棱锥结构的表面。也就是说，图3是示出了单晶衬底经结构化的表面的放大图。图3示出了通过含有NaOH或KOH的碱性溶液而结构化的单晶衬底（即，晶圆）的表面。
在单晶衬底（即，晶圆）的情况下，可使用含有NaOH或KOH的碱性溶液对单晶衬底的硅表面进行结构化。在金刚石晶格结构中，与聚集在100平面中的原子相比，原子更密集地聚集在111平面中，所以，相较于100平面的蚀刻速率，111平面的蚀刻速率低。因此，在硅表面形成的气泡减小了蚀刻速率，从而使得硅表面能够被结构化。
相反，图4是示出了多晶衬底经结构化表面的放大图。在多晶衬底的情况下，因为晶体取向不是恒定的，所以使用酸性溶液的各向同性蚀刻是有利的。酸性溶液基本上包括HF、HNO3和DI。此处，HNO3使硅表面（即，衬底的表面）氧化，而HF去除经氧化的硅表面。
可以通过激光法、金刚石刀片法等以及上述化学法对多晶衬底进行结构化。在金刚石刀片法中，衬底表面经受机械工艺，然后使用化学溶液进行化学处理以从衬底的表面上去除缺陷，以提供具有在其表面上的约35°倾角的正棱锥结构。
即使当使用干蚀刻以及湿蚀刻进行结构化时，也不需要使用影印工艺或掩模。此处，在干蚀刻的情况下，得到约2%的极低反射性。此外，在这种情况下，在等离子体蚀刻期间产生的离子会损伤衬底的表面，因此需要从衬底的表面去除缺陷。
相较于等离子体蚀刻，在RIE（反应离子蚀刻）中高能量的离子被施加到衬底上。这样做的原因是因为与在接地电极处相比，在电极处形成高负电位。在RIE（反应离子蚀刻）中，Cl2/SF6/O2通常被用作蚀刻气体，并且，如果需要，可以使用CF4/CHF3。在不使用O2的干蚀刻的情况下，非常难以调整被蚀刻衬底的形状。
为了调整被蚀刻的衬底的形状，形成膜以使得衬底的侧面不被蚀刻或者使用侧壁钝化层使衬底的蚀刻速率显著下降。
也就是说，当将O2添加到蚀刻气体中时，衬底的侧面形成有膜，离子未被施加到衬底的侧面，而衬底的下面未形成有膜，离子被施加到衬底的下面，因此只有衬底的下侧被蚀刻，从而调整了被蚀刻的衬底的形状。
当使用这样的原理时，可获得极低的反射性（在400nm至1000nm的波长带中的加权平均值为2%或更少）。然而，由于RIE结构化引起的震动导致了表面损伤，因此发生表面复合，结果是可达到的电流减小。此外，表面损伤导致了低Voc和低FF。因此，需要损伤去除蚀刻（DRE）工艺以解决低反射性和电气表面损伤二者。
如上所述，在RIE结构化中，必须去除由等离子体造成的表面损伤。当未去除表面损伤时，表面复合率增大，使得电流值减小，结果是难以期望电池转换效率增大。也就是说，尽管通过RIE使得被吸收的光量增加，但是电子空穴对快速地消失，从而不能获得光吸收效应。
然而，当在DRE工艺中执行过蚀刻时，通过RIE形成的表面图案消失，因此不能获得反射性减小的效应，所以不能增强光的吸收。因此，为了成功地进行RIE工艺，必须满足最佳的DRE条件，在该条件下，通过维持RIE图案能够确保低反射性并且能有效去除表面损伤。
因此，在本发明第一实施方案中，DRE（损伤去除蚀刻）工艺和PSG（磷硅酸盐玻璃）去除工艺是同步进行的。图5示出了用于进行这种工艺的流程图。也就是说，图5是示出了根据本发明的第一实施方案使用RIE（反应离子蚀刻）制造太阳能电池的工艺的流程图，其中通过激光蚀刻执行边缘隔离。
参照图5，进行首先将用于太阳能电池的硅衬底锯切到预定尺寸然后去除表面损伤的SDE（锯切损伤蚀刻）工艺（S500）。
具体地，需要SDR（锯切损伤去除）工艺以便去除由对衬底进行锯切而造成的损伤。在这种情况下，通过SDE（锯切损伤蚀刻）工艺去除由对衬底锯切而造成的损伤。这个SDE工艺是使用化学品来蚀刻衬底的表面或者去除形成在衬底的表面上的氧化膜（磷硅酸盐玻璃层）的工艺。
随后，进行对衬底进行结构化的RIE（反应离子蚀刻）工艺（S510），RIE工艺是磨损衬底的工艺。
此后，为了给衬底的表面赋予导电性，进行使不同类型的杂质（例如，第V族元素或第III族元素）扩散以形成发射极的掺杂工艺（S520）。
随后，为了去除在掺杂工艺期间形成在衬底的表面上的损伤，进行DRE（损伤去除蚀刻）工艺，并且同时去除氧化膜（PSG）（S530）。当DRE工艺和氧化膜（PSG）去除工艺同时进行时，通过使用含有KOH的低浓度溶液或含有NH4OH/H2O/H2O2的低浓度溶液去除形成在衬底的表面上的损伤来进行DRE工艺，以及通过使用含有HCl/HF的溶液清洁衬底来进行氧化膜（PSG）去除工艺。
此后，为了通过防止太阳光的反射来提高太阳能电池的效率，进行用于形成减反射涂层（ARC）的工艺（S540）。
随后，进行边缘隔离工艺（S550）。具体地，因为衬底的边缘也掺杂有掺杂材料，衬底的前电极和后电极彼此电气连接，所以导致了太阳能电池的效率降低。因此，进行边缘隔离工艺以隔离前电极和后电极。
这种边缘隔离工艺可以在掺杂工艺（S520）之后进行。
在边缘隔离工艺（S550）之后，进行形成前电极和后电极的金属化工艺（S560）。
如图5中所示，当根据本发明的第一实施方案同时进行DRE（损伤去除蚀刻）工艺和PSG（磷硅酸盐玻璃）去除工艺时，将其转换效率与常规技术的转换效率相比较，在下面的表1中给出其结果。
[表1]
| Isc（A） | Voc（mA） | FF（%） | Eff（%） | |
| 传统技术 | 7.982 | 619 | 78.44 | 15.94 |
| 第一实施方案 | 7.976 | 619 | 78.61 | 15.96 |
此处，Isc是短路电流，Voc是开路电压，FF是填充因子，Eff是光转换效率。
根据本发明的第二实施方案，边缘隔离工艺、DRE工艺和PSG去除工艺同时进行。图6示出了进行这些工艺的流程图。也就是说，图6是示出了根据本发明的第二实施方案使用RIE（反应离子蚀刻）制造太阳能电池的工艺的流程图，其中通过湿蚀刻执行边缘隔离。
参照图6，以如图5中相同的方式进行SDR工艺、RIE工艺、掺杂工艺以及DRE&PSG去除工艺（S600至S630）。
此处，DRE&PSG去除工艺（S630）是第一DRE&PSG去除工艺，并且第一DRE&PSG去除工艺不同于与边缘隔离工艺共同进行的第二DRE&PSG去除工艺。通常，在湿蚀刻的情况下，在一个湿蚀刻装置中进行DRE&PSG去除工艺。然而，在图6中，进行第一DRE&PSG去除工艺，然后同时进行边缘隔离工艺和第二DRE&PSG去除工艺（S640）。
此处，通过使用含HNO3/H2SO2/H2O2的溶液蚀刻衬底的背面以进行边缘隔离工艺，通过使用含有KOH的低浓度溶液或含有NH4OH/H2O/H2O2的低浓度溶液去除形成在衬底的表面上的损伤来进行DRE工艺，以及通过使用含HF的溶液清洁衬底来进行PSG去除工艺。
在这种情况下，调整每种溶液的浓度以使得由RIE结构化引起的衬底的反射性为15%或更小，并且衬底的表面电阻的变化为10%或更小。
在边缘隔离工艺（S640）之后，为了通过防止太阳光的反射来提高太阳能电池的效率，进行用于形成减反射涂层（ARC）的工艺（S650）。
随后，进行形成前电极和后电极的金属化工艺（S660）。
图7是示出了根据本发明的通过边缘隔离完成的太阳能电池的截面图。如图7中所示，太阳能电池被配置成使得衬底被设置有发射极层32、减反射涂层34、前电极38、后电极36和后电场层39，并且发射极层32和减反射层34的边缘40被去除。因此，可以防止后电极和前电极38被分路。
此处，图7中所示的太阳能电池的结构可以变化，因为该结构的提出是为了理解本发明，并且本领域技术人员应该理解该太阳能电池的结构的变化。
虽然为了说明的目的而公开了本发明优选的实施方案，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离如在随附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的前提下，可以进行各种修改、添加和替换。
Claims (11)
1.一种制造太阳能电池的方法，包括：
锯切衬底，然后使用锯切损伤去除工艺从所述衬底的表面去除损伤；
使用RIE(反应离子蚀刻)工艺对所述衬底的所述表面进行结构化；
用不同于构成所述衬底的材料的掺杂材料掺杂所述衬底的所述表面；
从所述衬底的所述表面同时去除损伤和氧化膜；
在所述衬底的所述表面上形成减反射涂层；
使用激光蚀刻利用激光照射所述衬底的边缘以使得所述边缘隔离于所述减反射涂层；和
金属化所述衬底以在所述衬底的前侧和后侧形成前电极和后电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述去除损伤和氧化膜包括：
使用含有KOH或NH4OH/H2O/H2O2的低浓度溶液从所述衬底的所述表面去除所述损伤；和
使用含有HCL/HF的溶液清洁所述衬底的所述表面。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述去除损伤和氧化膜是通过一个湿蚀刻装置进行的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述去除损伤通过酸性结构化或碱性锯切损伤去除来进行，在所述酸性结构化中，同时进行所述衬底的所述锯切损伤去除以及所述衬底的所述表面的所述结构化。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述衬底掺杂有选自第III族元素和第V族元素的杂质。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述氧化膜为磷硅酸盐玻璃(PSG)。
7.一种制造太阳能电池的方法，包括：
锯切衬底，然后使用锯切损伤去除工艺从所述衬底的表面去除损伤；
使用RIE(反应离子蚀刻)工艺对所述衬底的所述表面进行结构化；
用不同于构成所述衬底的材料的掺杂材料掺杂所述衬底的所述表面；
从所述衬底的所述表面初次去除损伤和氧化膜；
从所述衬底的所述表面二次去除残留的损伤和氧化膜并且湿蚀刻所述衬底的边缘以使得所述边缘隔离于减反射涂层；
在所述衬底的所述表面上形成减反射涂层；以及
金属化所述衬底以在所述衬底的前侧和后侧形成前电极和后电极。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述边缘隔离包括：
使用含有HNO3/H2SO2/H2O2的溶液蚀刻所述衬底的背面以使得所述边缘隔离于所述减反射涂层；
使用含有KOH或NH4OH/H2O/H2O2的低浓度溶液从所述衬底的所述表面去除所述损伤；以及
使用含有HCL/HF的溶液清洁所述衬底的所述表面。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中去除所述损伤通过酸性结构化或碱性锯切损伤去除来进行，在所述酸性结构化中，同时进行所述衬底的所述锯切损伤去除和所述衬底的所述表面的所述结构化。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述衬底掺杂有选自第III族元素和第V族元素的杂质。
11.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述氧化膜为磷硅酸盐玻璃(PSG)。
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