CN104584240A - 制造硅光伏电池的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造晶体硅光伏电池的方法，所述方法包括：在硅基板的正表面上提供介电层；在要形成用于各光伏电池的正面触点的预定位置形成穿过介电层的开孔；其后；在基板的正面上提供第一金属层；在硅基板的背面上提供第二金属层；其后，在峰值退火温度下退火，第一金属层的选择应能够在峰值退火温度下形成硅化物；以此在电池背面形成背面触点和背表面电场区域，从而同时在正面第一金属层与硅基板直接接触的位置形成硅化物。
Description
技术领域
本发明涉及制造硅光伏电池的方法，更具体涉及硅光伏电池的正面和背面的金属化的方法和由该方法得到的硅光伏电池。
背景技术
几种用于例如钝化发射区背表面电池(PERC，passivated emitter and rearcells)型光伏电池的正面金属化和背面金属化的方法是已知的。
在一个典型的工艺流程中，在电池背面提供了钝化层，并且在电池的正面提供减反射涂层后，在背面的钝化层中将要与下方的硅接触的地方开孔。然后在背面之上沉积铝层(例如通过丝网印刷，蒸发和溅射)，图案化的银糊料被丝网印刷在减反射涂层顶上。然后电池通常在峰值温度至少为835℃的较高温度下(例如，在约835℃到950℃之间的范围内或者大约835℃到950℃之间)进行烧制或者退火，由此使图案化的银糊料穿过减反射涂层渗透到底下的硅上，形成正面金属触点。在同一个烧制过程中，在背面形成良好的铝触点和背面电场(BSF)区域。这个过程称为共烧过程。
其他工艺流程是已知的，其中正面触点是基于铜的。例如，镍/铜叠层可以用于正面触点。在这样的工艺流程中，只有背面触点需要被烧制。该操作通常在700℃到900℃范围内的峰值温度下进行。之后通过单独的退火步骤在正面形成良好的触点，比如在大约400℃的温度下进行该单独的退火步骤，形成硅化镍。在这种过程中，背面触点被烧制(退火)了两次。这样可能会提高金属穿透背面介电层的风险。
在铜下方使用硅化镍作为接触材料更够提供降低串联电阻和接触电阻，还有形成阻拦铜扩散到硅的屏障的优点。在制造光伏电池的过程中，硅化物可被限定在减反射涂层中用例如激光烧蚀的方法形成的窄小的开孔中。这样可以使得形成的正面触点图案的指状元件明显比通过丝网印刷方法得到的更窄。
一个典型的金属化过程，该过程具有铜基正面触点，由部分加工的光伏电池开始，该电池在正面具有SiNx减反射涂层，在背面具有介电堆叠体(钝化)，该过程包含如下步骤：背面介电堆叠体的局部激光烧蚀；然后在背面沉积铝；接下来对铝背面触点进行烧制；正面减反射涂层的局部激光烧蚀；然后在正面溅射或者电镀镍；接下来退火形成硅化镍(硅化)；然后进行镀覆，例如镀覆阻挡层，铜镀层和银镀层。
发明内容
一些本发明方面涉及制造硅光伏电池的方法，该硅光伏电池具有镀覆的正面触点，其中与现有技术方法相比，本发明方法步骤的数量减少。一些本发明方面涉及硅光伏电池的制造方法，该方法包括正面触点和背面触点的共烧，其中相比现有技术方法，本发明的共烧温度降低。一个本发明方面涉及制造晶体硅光伏电池的方法，所述方法包括：在硅基板正表面上提供介电层，比如减反射涂层；在将形成用于各光伏电池的正面触点的预定位置形成穿过介电层(例如减反射涂层)的开孔；然后在基板正面上提供第一金属层；在硅基板背面上提供第二金属层；然后，以峰值退火温度退火，第一金属层的选择应能够在所述峰值退火温度下发生良好的硅化或硅化物的形成，以此在电池背面形成背面触点和背表面电场区域，从而同时在第一金属层与硅基板直接接触的位置，在正面形成硅化物。
峰值退火温度优选的范围在570℃到830℃之间或者约570℃到830℃之间，例如660℃到800℃之间或者约660℃到800℃之间。峰值退火温度优选低于800℃。
介电层可以为单介电层，比如SiNx层，SiOx层或者AlOx层，或者介电层可以是介电层叠层，比如包含AlOx和/或SiNx和/或SiOx的叠层。介电层可以含氢而且可以提供良好的正表面钝化。介电层的厚度可以进行选择，以使其用作减反射涂层。硅基板的正表面可以织构化。
形成穿过介电层的开孔的操作可以由激光烧蚀或者本领域技术人员熟悉的其他合适的方法进行，例如用光刻技术然后采用干刻蚀或湿刻蚀，聚合物掩模的丝网印刷然后采用干刻蚀或湿刻蚀，或者采用本领域技术人员熟悉的其他合适的方法进行。
第一金属层的选择应能够在峰值退火温度下形成金属硅化物。第一金属层可以例如为过渡金属层，比如钴层或者钛层，或者可包含金属混合物(例如TiW,TiN或者TaN)。可以用例如PVD，CVD，电镀或者无电镀法提供。
第二金属层可以例如为铝层，例如由物理气相沉积法(PVD)，丝网印刷或者蒸发等方法得到，或者第二金属层可以是包含铝的层，例如AlSi层。但是，本发明不限于此，可以使用其它金属形成第二金属层。
依据某些实施方式，该方法还包括在硅基板的背面提供第二金属层之前，在光伏电池的背面提供第二介电层，并在背面的第二介电层上局部开孔，比如使用激光处理方法进行局部开孔。
在退火(或者共烧)过程中，在电池的背面形成良好的背面触点和BSF区域，与此同时，在正面第一金属层与硅基板直接接触的位置(例如在穿过介电层的开孔的位置)发生硅化反应。
退火后，第一金属层上未反应的残余物可以被移除，剩下的金属硅化物层可以在随后的镀覆步骤中用作晶种层，所述随后的镀覆步骤比如是镀铜或镀镍步骤。
与在正面使用镍硅化物作为晶种层的现有技术方法相比，使用其他金属比如钛是有利的，这是因为这些金属形成更加稳定的硅化物而且向硅的扩散速率更低。这样可以降低结穿透(junction spiking)的风险，可以使用浅发射极区域。
与在正面使用硅化镍的方法相比，本方法的一个优点在于在电池正面形成硅化物和在电池背面形成良好的背面触点和BSF电场区域可以在同一个退火步骤或者共烧步骤中进行。因此可以避免两个单独的退火步骤的需求，与现有技术方法相比减少了过程的步骤数。该退火步骤或共烧步骤可在适中的温度下进行，比如低于800℃或低于约800℃。
与使用共烧以及丝网印刷正面触点的方法相比，本方法的优点在于，共烧温度可以从银丝网印刷正面触点情况中的至少约835℃降低到660℃或约660℃(当在背面上使用例如Al层作为第二金属层时)，或者甚至降低到570℃或约570℃(当使用例如AlSi层作为第二金属层时)。
本方法的优点在于共烧步骤在正面激光烧蚀后进行。因此，在共烧或退火步骤中从介电层(比如SiNx:H减反射涂层)释放的氢气不仅可以使Si-SiNx界面被氢气钝化，而且钝化了可能被激光烧蚀破坏的区域。众所周知在低温(比如300℃到400℃之间，或者大约300℃到400℃间)沉积的PECVD SiNX会结合大量的氢(最多达30-40％或者最多达约30-40％)。在退火或者共烧过程中，氢气从SiNx层释放，可以提高表面钝化。退火或共烧还可至少部分地消除激光烧蚀造成的损害。
在退火或共烧过程中，SiNx层致密化。本发明的优点在于减反射涂层的激光烧蚀步骤在触点烧制之前进行，比如在SiNx层致密化之前进行。因此，与经烧制后的层的密度相比，减反射涂层的烧蚀由所沉积的较低密度的层促进。这样使烧蚀更均一、更完全，可以实现更好的金属覆盖，由此得到更低的接触电阻和更高的填充因子。
本发明的优点在于可在正面激光烧蚀后进行基板的良好清洁，因为这种清洁可在任何金属层出现前进行。因此，可以使用的清洁方法和清洁剂的限制减少，且也不用提供保护层。
上文已经描述了各种发明性方面的某些目的和优点。当然，应理解本发明的任意具体实施方式不必然能实现所有的这些目的或优点。因此，例如本领域普通技术人员将理解可以下述方式实施或进行本发明：取得或优化本文所教导的一种或更多种优点，而不必然取得本文所可能教导或暗示的其它目的或优点。此外，应理解发明内容只是示例，无意于限制本发明的范围。本发明，对于其构建和方法的操作，还有其特征和优点等，可以结合以下详细的说明中和附图一起，得到更好的理解。
附图简要说明
图1示意性地示出了根据一个实施方式中PERC型硅光伏电池的制造方法的例子。
图2表示了由一个实施方式制造的PERC电池测量的pFF值随着峰值退火温度的变化关系。实心的方块代表了硅化物形成后和镀覆前测量的值；空心方块代表后续镀覆后测量的值。
图3表示了一个实施方式制造的PERC电池测量的Suns Voc值随着峰值退火温度的变化关系。实心的方块代表了硅化物形成后和镀覆前测量的值；空心方块代表后续镀覆后测量的值。
图4(a)到(f)进一步示出了图1所示的制造方法的工艺流程。
优选实施方式的详述
在下文的详细描述中，列出了多种具体的细节来全面理解本发明，和怎样在具体实施方式中实施本发明。然而应理解，本发明的实施可不具有这些具体细节。在其它情况中，为了不混淆本发明，没有详细描述众所周知的方法、过程和技术。将就具体实施方式并参照某些附图对本发明进行描述，但本发明并不受此限制。其中包含和描述的附图是示意性的且不限制本发明的范围。还需注意的是为了显示的目的，附图中一些元素的大小可能有夸大，而不是按比例绘制的。
此外，在说明书中的术语第一、第二和第三等用来区别类似的元件，而不一定是用来描述时间、空间、等级顺序或任何其它方式的顺序。应理解，在合适的情况下，如此使用的术语可互换使用，本发明所述的实施方式能够按照除本文所述或说明的顺序以外的其它顺序进行操作。
此外，在说明书中，术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，在合适的情况下，如此使用的术语可互换使用，本发明所述的实施方式能够按照本文所述或说明的取向以外的其它方向进行操作。
应注意，术语“包含”不应解释为被限制为其后列出的部件，其不排除其它元件或步骤。因此应将其解释为详细说明存在所提到的所述特征、整数、步骤或组分，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤或组分或其组合。因此，包括部件A和B的装置的表述的范围不应限于仅由部件A和B组成的装置。
在本发明的上下文中，光伏电池的前表面或者正面是适于朝向光源且由此接受照明的表面或一侧。在双面光伏电池的情况中，两个表面都适用于接受入射光。在这种情况下，前表面或者正面是适于接受最大部分的光或者照明的表面或一侧。光伏电池的背表面，背面，后表面或者后面是和前表面相反的表面或一侧。基板的前侧是与光伏电池的前侧相对应的基板的一侧，而基底的后侧或背面与光伏电池的背面相对应。
一种本发明方面的制造晶体硅光伏电池的方法包括：在硅基板的正表面上提供介电层，例如减反射涂层；在要形成正面触点的预定位置形成穿过介电层如减反射涂层的开孔；然后在硅基板的正面上提供第一金属层，比如过渡金属层；在硅基板的背面上提供第二金属层，比如铝金属层；然后，以峰值退火温度退火，温度在570℃到830℃之间或者大约570℃到830℃之间，比如在660℃到800℃之间或者大约在660℃到800℃之间，第一金属层的选择应能够在所述峰值退火温度下实现良好的硅化。在退火或共烧过程中，在电池的背面形成良好的背面触点和BSF区域，与此同时，在第一金属层与硅基板直接接触的位置，在正面上发生硅化反应。在硅化反应过程中形成的硅化物可用作至少一个其它金属层镀覆的晶种层。
在根据一个本发明方面的方法中，硅化物是基于除镍以外的金属形成，其中所述金属根据它们的硅化温度来选择。通过选择硅化温度在大约570℃到830℃，比如大约660℃到800℃的金属，可以进行正面触点和背面触点的共烧，由此与现有技术方法相比，减少工艺步骤的数目。
在根据一个实施方式的方法中，可以使用第4-10族(IUPAC标准)中的各种过渡金属。可以使用混合金属溶液，其中可以用低温添加剂比如Pt,Ni来调节高温金属和配混物(钛，钴，TiW)，以使硅化温度在预先定好的共烧温度范围内，从而得到稳定的硅化物。
在根据一个实施方式的方法中，使用的过渡金属能够按照适用于形成背面触点的工艺范围类似的工艺范围(温度，时间，烧制温度分布图，包含斜升，稳定，峰值温度和斜降)形成稳定的硅化物层。
根据一个实施方式的方法可用于制造具有全铝背面触点的电池和制造具有局部铝(和BSF)背面触点的电池(比如PERC型电池)。
图1概略地显示了根据一个本发明方面的PERC型硅光伏电池的制造方法的例子。图4(a)到图4(f)通过展示制造光伏电池时其经历的不同阶段进一步显示了制造方法。图1所示的制造方法包括：基板10(例如晶体硅晶片或者基板)正面的纹理化和背面抛光；进行清洁步骤；在大约800℃到950℃之间的温度下在POCl3扩散炉中进行发射体扩散，在基板正面(区域12，发射体)和背面(区域11，后发射体)得到掺杂的区域(图4(a))；移除背面的掺杂(发射体)的区域(图4(b))；移除在发射体扩散过程中在正面形成的磷硅酸盐玻璃(PSG)；进行清洁步骤。接下来在电池背面提供钝化堆叠体13，在正面沉积减反射涂层14(ARC)，比如SiNx:H层(图4(c))。然后用比如激光烧蚀的方法在背面的要形成背面触点的位置15对钝化堆叠体进行局部开孔，以及例如用激光烧蚀在要形成正面触点的位置16对减反射涂层进行局部开孔(图4(d))。激光烧蚀步骤后，清洁晶片。接下来在背面提供第二金属层18，比如铝层，在正面提供第一金属层19，比如钛层或钴层(图4(e))。然后进行退火步骤或者共烧步骤，任选地，随后除去未反应的金属残余物。由此形成BSF区域17。最后进行正面镀覆铜的步骤(图4(f))，以形成触点20。
依据图1的工艺流程，在160微米厚的Cz硅基板上制造光伏电池(5cmx5cm)。在基板正面织构化以后，形成了薄层电阻为约60到80欧姆/平方的发射体。在正面沉积氮化硅钝化层，氮化硅层也有减反射涂层的功能。在背面沉积包含PECVD SiOx层和PECVD SiNx层的堆叠体。在正面和背面的激光烧蚀之后，进行清洁步骤(2分钟，2％HF)然后，在背面沉积2微米厚的PVD铝层。在正面提供40nm厚的钛层作为第一金属层。共烧步骤或退火步骤在氮气气氛下，在以下不同的峰值温度下，通过快速热退火进行：600℃,615℃,620℃,625℃和630℃。以此在正面在钛层与硅基板直接接触的位置形成了TiSix层。使用稀释的APM(H2O2/H2O/NH4OH)溶液移除未反应的钛。然后，使用TiSx层作为晶种层进行光诱导的镀镍步骤，从而形成1微米厚的镍层，之后再电镀铜，形成9微米厚的铜层。
图2显示了在镀覆步骤前(实心方块)和镀覆后(空心方块)测量的pFF的值与峰值退火温度的变化关系。图3显示了在镀覆步骤前(实心方块)和镀覆后(空心方块)测量的SunsVoc值与退火温度的变化关系。由这些测量结果可以得到结论，使用依据一个实施方式的方法可以制造有良好的pFF(所示例子中显示大约在80％)的光伏电池。相对低的开路电压可能与背面较差的背表面电场效应相关，这是由于这些实验中使用了相对低的烧制温度(导致约200nm深的浅BSF区域)。可以通过将峰值退火温度提升至比实验中采用的温度高的温度(比如高于630℃或者高于大约630℃)以及调节温度爬升曲线来改善BSF效应(由此改善开路电压)。
上文详细描述了本发明的某些实施方式。但是应理解，不管上文看起来有多详细，都可以很多种方式实施本发明。应注意，当描述本发明某些特征或方面时使用特定术语不应理解为表示该术语在此被重新限定为局限于包括与该术语相关的本发明特点或方面的任何特定特征。
虽然上文的详细描述参照各种实施方式显示、描述和指出了本发明的新颖的特征，但本领域技术人员应理解，可在不背离本发明精神和范围的情况下对所示装置或方法的形式和细节作出各种省略、替代和改变。
Claims (16)
1.一种制造晶体硅光伏电池的方法，所述方法包括：
-在硅基板的正表面上提供介电层；
-在将要形成用于各光伏电池的正面触点的预定位置形成穿过介电层的开孔；
-其后；
○在基板的正面上提供第一金属层；
○在硅基板的背面上提供第二金属层；
-其后，在峰值退火温度下退火，第一金属层的选择应能够在所述峰值退火温度形成硅化物；
以此在电池背面形成背面触点和背表面电场区域，从而同时在正面第一
金属层与硅基板直接接触的位置形成硅化物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述峰值退火温度在570℃和830℃之间。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述峰值退火温度低于800℃。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述介电层是减反射涂层或包含减反射涂层。
5.如上述任何权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述介电层是单介电层，包括SiNx层，SiOx层或者AlOx层。
6.如上述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述介电层是包含AlOx和/或SiNx和/或SiOx的介电层的堆叠体。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述介电层包含氢且提供正表面钝化。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用激光烧蚀方法形成穿过介电层的开孔。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一金属层是过渡金属层。
10.如上述权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一金属层包含TiW,TiN或TaN。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二金属层包含铝。
12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：除去第一金属层上未反应的残余物，使用余下的金属硅化物层作为晶种层用于之后的镀覆步骤。
13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一金属层包含银，所述第二金属层是铝层，所述峰值退火温度大约为660℃。
14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一金属层包含银，所述第二金属层是AlSi层，所述峰值退火温度大约为570℃。
15.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在形成穿过介电层的开孔之后且在所述基板上提供金属层之前，对基板进行清洁。
16.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在硅基板的背面上提供第二介电层，在提供第二金属层之前在第二介电层上局部开孔。
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