CN103718311A - 用于制造太阳能电池的方法以及太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造太阳能电池的方法和一种这样的太阳能电池。该太阳能电池包括硅基板，硅基板带有面向辐射的正面和背面、沿着背面伸展的第一介电层、沿着第一介电层的背离基板的侧面伸展的第二介电层，第二介电层由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅的组中的一种材料制成，以及沿着第二介电层的背离基板的侧面延伸的金属层。为了能够能够重现地以少的过程步骤来制造带有特别高的效率的太阳能电池，提出了，基板的背面具有在60°入射角的情况下的在80GU以下的光泽度并且第一介电层含有位置固定的负电荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，其包括硅基板，该硅基板带有经过纹理工艺处理的并且具有n型掺杂区域的面向辐射的正面、带有具有p型掺杂区域的背面、带有沿着背面伸展的第一介电层、带有沿着第一介电层的背离基板的侧面伸展的第二介电层，第二介电层由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅的组中的一种材料制成或者包括该组中的一种材料，以及沿着所述第二介电层的背离基板的侧面延伸的金属层。
背景技术
为了可以改进太阳能电池，尤其是硅基的太阳能电池的效率，近年来，开发了一系列的实验以及多种方法。
由WO2009/071561A公知了一种金属电极环绕穿通型-钝化发射极背面电池MWT（Metal Wrap Through)-PERC(Passivated EmitterRear Cell)，在其中，在背面上涂上由氧化物，如氧化铝制成的第一层并且涂上SiNx:H层作为第二层。
为了能够制造出带有稳定的钝化性的太阳能电池，DE102010017155A在太阳能电池的基板的背面上设置了至少一个介电层，介电层由氧化铝、氮化铝或氮氧化铝和其它的成份组成。
由EP1489667A2和EP1763086A1得到关于如下可能性的知识，即，时间一直持续到自由载流子复合为止，进而能够提高复合率，并且进而又提高效率，在其中，在背离光的侧面上施加了在硅基板和金属化之间的介电层。
EP1763086A1描述了由SiO2组成的介电层系统的并且在其上沉积SiN层的用途，用于太阳能电池背面的电钝化。
在EP1489667A2中公开的原理的实施方式使用了一种用于太阳能电池的介电钝化的、包括Al2O3和SiO2的化合物。
DE3815512A1公开了一种由包含n+p-结掺杂的半导体本体构成的太阳能电池，该半导体本体在背面上整面地以接触层覆盖。在半导体本体的背面上额外的整面地施加氧化层。
基于晶体硅的高效能太阳能电池结构的文献具有表面的介电钝化作为达到高效能的主要的特征，其中，只在限定的位置上建立了在金属接触部和硅之间的结合（参见：M.A.Green,Silicon Solar Cells,1995）。
在正面上必须总是结构化地形成金属化，而在工业用的太阳能电池中，通常在为了降低复合通过形成背面场（back surface field，BSF）制造出带有整面的硅和金属的结合的背面。
在通过电池背面的介电钝化来进行提高效率的过程工业转化的情况下，主要的阻碍是为此而必要的附加的制造步骤的高成本，以及难于在工业上的过程中取得所生成的层和接触部的足够的电子佳度。
通过两种机制来实现在由硅制成的太阳能电池中的表面复合的抑制。通过硅的电化合的化学饱和的方式使这个表面钝化，也即，它不会造成电子复合，为此，具有电子带隙的层，也就是半导体或电介质，适于此处。
此外，通过施加带电层的方式可以由于它们的场作用使在表面上的载流子类型的集中度强烈地减少。这同样也抑制了复合（场效应钝化）。像从文献已知的那样，在带有硅的接触部内的不同的电介质，尤其是氧化硅（弱p型(schwach positiv)）、氮化硅（p型(positiv)）和铝（n型(negativ)）形成表面电荷。依赖于所选择的沉积方法，这种电荷只在回火步骤（Temperschritt）后可能会形成。
为了可以钝化表面，首要的是，能够从制造过程中排除源于晶片的表面损伤。对此，可以将晶片表面在酸性的或碱性的溶液中蚀刻。
在此，蚀刻液可以根据方法分别作抛光调整或做粗化调整。蚀刻得特别光滑表面有复合较低的优点，与此相反的，粗糙的表面证明对于太阳能电池正面来说是有利的，因为减少了反射。
对于单晶硅来说提供了，可以以如此方式碱性地蚀刻出<100>取向的晶片的表面，即，形成<111>取向的棱面。这导致了呈金字塔状的表面的结构。
对于多晶硅来说，这也是可能的，但是，晶粒由于它的不同的晶体取向性而不均匀地经过纹理工艺处理。因此，通常，使用酸性的、导致更均匀的粗化的、所谓的异纹理化（Isotextur）。
在与背面的光滑蚀刻组合的正面的纹理化表现出了关于太阳能电池效率的最优点。但是，这种组合要求两个过程中的至少一个在一侧运用。这表现出了很高的在设备技术上的成本。在通常，仅两个过程中的一个在一侧运用；这也会因此而发生，即，只在一侧消除通过表面损伤引起的应力导致了晶片强烈的弯曲。
为了制造背面钝化的太阳能电池，必要的是，发射极只在两个侧面的一个上形成，通常是在正面上形成。但是，在施加气相的掺杂物质的情况下，这首先发生在两个侧面。如果使用固态的或液态的掺杂物质源，则这在一侧实现，但是在这里，也应该考虑到在晶片背面上的一定的掺杂包围（Umgriff）。
为了避免这一情况，在掺杂之前晶片背面可以设置保护层。但是，在工业上的过程中在掺杂后经常要从晶片背面去除该层，该层的厚度略大于掺杂剂的渗入深度，即，典型地在0.5到几个μm之间。
为了太阳能电池背面的电钝化需要找到这样的层，其提供了在场效应钝化和化合饱和之间合适的组合。像由文献中已知的那样，用氧化硅可以建立很好的钝化，这种氧化硅可以通过硅的热氧化方式来生成或者经化学气相沉积法（CVD Verfahren）来沉积。
但是，相对背面的金属层的完整烧结，SiOx在用于形成接触部的必要的回火步骤中只提供低的电阻性能。氮化硅在与金属结合下是基本上稳定的，但是，由于它的高的正电荷密度生成了感应的n型导电的所谓转化层（Inversionsschicht）。在这个层中，收集了基底的少数载流子并且传导向金属接触部，在那里，少数载流子通过复合消失（参考文献.:Dauwe）。因为它含有负电荷，所以AlOx是一个好的备选，但是，它不经济地以保障足够回火稳定性的层厚度来沉积。由于上述的难度，由这些材料制成的组合是非常有利的，其中，通常将SiOx、AlOx作为第一层使用或者SiN作为第二层使用。
WO2006/097303A1描述了，表面钝化的足够的质量只在使用很厚的层的情况下来取得；此外描述了，通过从孔到层内的局部的渗入方式并且将导电的材料施加在背面表面上的方式来使接触部成形。只在晶片的正面进行纹理工艺处理。
DE10046170A描述了在施加金属层并且必要时在金属膏中烧结后，一种用于在背面的金属层和硅之间形成接触部的方法。其中，指定的接触区域局部地，例如通过激光射线来加热，从而使金属渗透过介电层并且与硅结合。
在工业上的实践中通常在Si和背面的金属层之间形成偶然的“寄生”接触部，该接触部提高了在电池背面上的载流子损失，因而降低了效率。这主要是通过如下的机制来发生：
1.通过在涂覆期间的附着的或放置的粒子在沉积的层中的孔（“针孔”），
2.通过表面的不平的结构在层厚度直入到孔为止中的波动自身与所选择的沉积方法的结合，尤其是在定向的沉积的情况下在带有很小厚度的位置处，
3.在沉积期间或者在随后的钝化中，尤其是在如接触烧结（“起泡”）的热过程中的层的点或面的脱落。
在相应的位置上形成在涂在钝化层上的金属层烧结在电池背面的情况下的寄生接触部。按照传统的原理通过下面的措施来避免这种损失机制：
-晶片背面的抛光或光滑蚀刻，具体方式为，在纹理化步骤后晶
片经受单面蚀刻，或者通过在双面的光滑蚀刻后掩盖住背面并且
只对正面进行纹理工艺处理，
-施加很厚的、超过例如100nm的层或者堆积多个层。
用于形成局部的接触部的层的开口可以通过如下的技术来实现：
-以激光烧蚀，
-掩盖表面并局部地蚀刻，
-局部的施加蚀刻介质并且随后进行热活化。
从现有技术中已知的方法具有许多必要的过程步骤。从中，得到了所制造的太阳能电池的高的过程成本和效率的波动宽度（误差传播Fehlerfortpflanzung）。
发明内容
在此基础上，本发明的任务在于，可以以如下方式扩展出一种用于制造太阳能电池的方法以及一种太阳能电池，使得能够重现地、以少的过程步骤来制造带有特别高的效率的太阳能电池。
为了解决该任务，主要地，但是非限制性地提出了，在60°入射角的情况下，基板的背面具有小于80GU（光泽度），尤其是在2GU和80GU之间，优选在20GH和80GU之间的范围内的光泽度并且第一介电层局部地含有位置固定的负电荷。
根据本发明，设置了两面的（基本上）对称的纹理（特点：在背面保留粗糙度）的组合，以如下的层序列沉积：{热(therm.)SiO2（可选）}、Al2O3、SiNx或SiOx。
例如：
A.不足的蚀刻的情况下在SiO/SiN层组合下的损失，
B.AlO未避免寄生的接触（未开口的电池），
C.以更粗糙的表面，与SiOx相比AlO改善了效率，
AlOx如此形成，即，在与下面的过程组合下没有出现“起泡”。
该过程实施如此地实现，即，尽管增加了表面，但基本上不出现复合提高。不管是在单侧或双侧进行扩散，整个背面表面的避免粗糙度的蚀刻只在扩散后实现。因此，去除量像所需要的那样高，以便可以去除被扩散进入的层，即，典型地大于0.5μm，但是要小于例如5μm。由于所含有的负电荷，通过寄生的接触部使损失最小化。此外，层结构有助于，在粗糙的表面上也尽可能不形成寄生的接触部。
优选的方法顺序是如下所述的，其中，必要时，方法步骤可以省略、更换或者改变顺序。
方法I：
A.准备带有p型掺杂的硅晶片，为多晶硅或单晶硅。
B.为去除锯形损伤对两个表面进行蚀刻，和/或不对背面进行分别地蚀刻地进行纹理化处理，也即，取消光滑蚀刻。
C.使n型掺杂材料至少扩散进入正面。
D.优选在步骤E前或后分离磷质玻璃。
E.在晶片背面上去除扩散层，此外，去除量优选在0.5μm和5μm之间。此外，蚀刻以如下方式实现，即，在60°入射角的情况下，光泽度位于20%和80%之间范围内。光泽度是在直接的和弥散性的扩散之间的比率。
F.含有负电荷的介电层以优选在5nm和100nm之间的层厚度沉积在背面上。
G.介电层，优选是氮化硅在步骤F后以优选40至400nm的层厚度沉积在介电层上。
H.对根据步骤F.和G.的层进行局部开口。
I.通过气相沉积法或丝网印刷法将铝层施加在背面上。
J.通过在优选高于550℃的温度的情况下的回火方式来制造金属-半导体-接触部。
方法II：
根据方法I的方法进行步骤A.-F.：
G.以优选40至400nm的层厚度沉积氮化硅或氧化硅。
H.通过气相沉积法或者丝网印刷法将铝层施加在背面上。
I.通过借助激光射线局部加热背面金属的方法以如下方式制造局部的金属-半导体-接触部，即，金属渗透过介电层并且与硅结合。
在本发明的扩展方案中规定了，第一介电层由氧化铝、掺杂的氧化硅的组中的一种材料组成或者包含一种这样的所述材料。
优选的，本发明规定了，第一介电层具有5nm≤D1≤100nm的层厚度D1。
进而优选地，第二介电层具有40nm≤D2≤400nm的层厚度D2。
在扩展方案中，本发明提出了，带有优选1nm≤D3≤10nm的层厚度D3的由氧化硅组成的或者包含氧化硅的层在第一介电层与基板之间延伸。
本发明特别地特征在于用于制造太阳能电池的方法，该方法包括如下的方法步骤：
·蚀刻所述基板的两个表面
·n型掺杂的材料至少扩散到硅基板的面向辐射的正面中
·在避免光泽蚀刻的条件下蚀刻基板的背面
·由一种材料在基板背面地沉积第一介电层，第一介电层中的该材料在沉积后含有位置固定的负电荷
·沿着第一介电层沉积出由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅的组中的一种材料制成的或者包含该组中的一种材料的第二介电层
·沿着第二介电层沉积出金属层。
在此，尤其规定了，金属层举例的与基板接触。
有利的实施方式：
-带负电荷的层是AlOx
-以原子激光沉积ALD（Atomic Laser Deposition）或者等离子
增强化学气相沉积PECVD（Plasma Enhanced Chemical VapourDeposition）沉积出AlOx
-在沉积这些层前，也即，在方法I或II的步骤E.和F.之间，对晶片表面进行热氧化
-接触部实施为直线
-在沉积SiN情况下基板的温度优选为>320℃
-在层沉积（步骤G.）之前对接触区域进行硼掺杂
-以选择性的发射极实施
尤其规定了，基板的背面经过纹理工艺处理。
在实施方式中，带有优选1nm≤D3≤10nm的层厚度D3的、由氧化硅组成的或者包含氧化硅的层在第一介电层与基板之间延伸。在该层厚度范围内，不会在第一介电层内妨碍负电荷形成。具有厚度D3的层可以例如通过热氧化的方式来生成。
本发明的另外的细节、优点和特性不仅从可自身和/或组合地看出特性的权利要求中得出，而且从下面的优选的实施例的描述中得出。
具体实施方式
从唯一的附图可以看出太阳能电池的实施方式，其背面RS借助至少双层的介电层23、24的帮助以如下方式来钝化，即，通过寄生的接触方式基本上避免了损失。这通过双面的（基本上）对称的纹理化T的组合来得到，其中，在背面RS上仍然获得粗糙度并且从背面RS观察地以如下的层序列沉积：{热SiO2（可选）}、Al2O3、SiNx或SiOx。
换句话说，在必要时的沉积出优选在1nm和10nm之间的厚度的氧化硅层之后首先在背面RS上施加第一介电层23，在沉积后，该第一介电层含有位置固定的负电荷。
在这个优选由氧化铝组成的第一层23或者另一个在涂上之后含有位置固定的负电荷的层，如例如，以氟掺杂的氧化硅层上施加第二介电层24，该第二介电层可以由氮化硅、氧化硅或氮氧化硅组成。然后，在第二介电层24上涂覆在背面上的金属层25，尤其是铝层，并且以在期望的位置上穿透第一和第二介电层23、24的方式与硅基板21发生接触。
以惯有的方式将正面接触部27施加在正面OS上。
此外，从原理图看到，背面RS蚀刻得并不光滑，但可以称为经过纹理工艺处理，因为在蚀刻面向进入的射线的前面或者正面OS的情况下同时蚀刻背面RS。
换句话说，不进行根据现有技术来实现的光泽蚀刻。因此，与已知的太阳能电池相比得到了增大了的背面表面。
AlOx层23这样形成，即，在与下面的过程组合下不出现“起泡”。
如此地实施过程引导，即，尽管增加了背面RS的表面，但基本上不出现复合提高。整个背面表面的、避免粗糙度的蚀刻只在掺杂物扩散，以在硅基板21内构成pn-结的之后才实现，更确切地说，无论是否在单侧或双侧进行扩散。此外，去除量像需要的那样高，以便可以去除通过掺杂物向内扩散方式所生成的层，即，通常大于0.5μm，但是要小于例如5μm。由于在第一介电层23内含有的负电荷，通过寄生的接触部使损失最小化。此外，层结构有助于，在粗糙的表面上也尽可能不形成寄生的接触部。
下面详细地描述太阳能电池的制造：
唯一的附图示出了按照在表示为方法II之前的方法制造的太阳能电池，该太阳能电池具有未经光泽蚀刻的背面RS。该太阳能电池具有带有p型掺杂的硅晶片21，在其中，可以存在多晶硅或单晶硅的构造。首先，蚀刻表面，即，正面OS和背面RS，以便可以去除锯形损伤或者可以构成纹理T。此外，取消根据现有技术进行的正面OS的分开的光泽蚀刻，然后，至少在正面18的表面内渗入n型掺杂的材料，如磷（层22）。
然后，去除所产生的硅酸磷玻璃（PSG）。最后，蚀刻背面（RS），以便可以去除扩散的掺杂物。去除量量优选定在0.5μm（微米）和5μm（微米）之间。然后，根据实施例，在背面RS上沉积出层厚度优选在5nm和100nm之间的第一介电层23，该第一介电层在沉积后含有负电荷。必要时，在此之前将氧化硅层直接施加在背面RS上，其中，厚度优选在1nm和10nm之间。然后，在第一介电层23上沉积由一种材料（如氮化硅、氧化硅或者氮氧化硅）制成的第二介电层24，其中，厚度优选位于40nm和400nm之间。第二介电层24也可以表示为覆盖层（Capping Layer）。最后，在第二介电层24的暴露的外侧上施加金属层，尤其是铝层25。这可以借助气相沉积法或者丝网印刷法来实现。然后，优选在金属层25和基板21之间实现点式接触。
为此，借助激光射线通过局部加热背面金属以如下方式制造局部的金属-半导体-接触部，即，金属渗透过介电层23、24并且与硅结合。
正面OS以惯有的方法具有正面接触部27。
根据本发明的方法允许以尽可能少的制造步骤，尤其是对于标准步骤附加的（1扩散步骤，丝网印刷接触）步骤来制造改进的太阳能电池。
在此，已知的技术，如改变了的发射极轮廓来根据本发明组合选择性的发射极以及钝化的背面。在背面上的表面的粗糙度导致寄生的接触，并且与传统的涂覆技术和接触法组合导致了电损耗。根据本发明避免了这种损耗，而无需尤其对背面进行光滑蚀刻。
Claims (12)
1.一种太阳能电池（10），所述太阳能电池包括硅基板（21），所述硅基板带有：
经过纹理工艺处理的并且具有n型掺杂区域（22）的、面向辐射的正面（OS）、带有具有p型掺杂区域的背面（RS）、
带有沿着所述背面（RS）伸展的第一介电层（23）、
带有沿着所述第一介电层的背离基板侧伸展的第二介电层（24），所述第二介电层是由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅的组中的一种材料制成的或者包含该组中的一种材料以及
沿着所述第二介电层的背离基板侧延伸的金属层（25），其特征在于，
所述基板（21）的背面（RS）具有在60°入射角的情况下的在80GU以下的光泽度并且所述第一介电层（23）含有位置固定的负电荷。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，
其特征在于，
在60°入射角的情况下，光泽度位于在2GU与80GU之间，尤其是20GU与80GU之间。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，
其特征在于，
所述第一介电层（23）由氧化铝、掺杂的氧化硅的组中的一种材料构成或者包含一种这样的所述材料。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的太阳能电池，
其特征在于，
所述第一介电层（23）具有5nm≤D1≤100nm的层厚度D1。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，
其特征在于，
所述第二介电层（24）具有40nm≤D2≤400nm的层厚度D2。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的太阳能电池，
其特征在于，
所述基板（21）的背面（RS）是经过纹理工艺处理的。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的太阳能电池，
其特征在于，
带有优选1nm≤D3≤10nm的层厚度D3的由氧化硅组成的或者包含氧化硅的层在所述第一介电层（23）与所述基板（21）之间延伸。
8.一种用于制造尤其是根据权利要求1的太阳能电池（10）的方法，所述方法包含如下方法步骤：
·蚀刻所述基板（21）的两个表面
·n型掺杂的材料至少扩散到所述硅基板的面向辐射的正面（OS）中
·在避免光泽蚀刻的情况下蚀刻所述基板的背面（RS）
·由一种材料在基板背面地沉积出第一介电层（23），第一介电层中的所述材料在沉积后含有位置固定的负电荷
·沿着所述第一介电层沉积出由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅的组中的一种材料制成的或者包含该组中的一种材料的第二介电层（24）
·沿着所述第二介电层沉积出金属层（25）。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
所述基板（21）与所述第一介电层（23）之间沉积出氧化硅层或包含氧化硅的层。
10.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
为了得到位置固定的负电荷，用氟和/或磷来掺杂所述第一介电层，如氧化硅层。
11.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
所述金属层（25）局部地，如点状地与所述基板接触。
12.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
所述基板（21）的正面（OS）以及背面（RS）都在第一蚀刻步骤中经过纹理工艺处理。
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