CN104769725A - 使用氧离子注入法形成太阳能电池中的间隔物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池(200)。所述太阳能电池(200)具有在正常工作期间面向太阳的正面(202)，和背向太阳的背面(204)。所述太阳能电池包括硅基板(210)、位于所述基板(210)的背面上的具有掺杂多晶硅区(227)的第一多晶硅层。所述太阳能电池还包括位于所述硅基板(210)的所述背面上的具有第二掺杂多晶硅区(229)的第二多晶硅层。所述第二多晶硅层至少部分覆盖所述掺杂多晶硅区。所述太阳能电池(200)还包括设置在所述第一多晶硅层中的电阻区(224)。所述电阻区(224)从所述第二掺杂多晶硅区(229)的边缘延伸。所述电阻区(224)可通过将氧离子注入到所述第一多晶硅层中来形成。

Description

使用氧离子注入法形成太阳能电池中的间隔物
技术领域
本文所述的主题的实施例总体上涉及太阳能电池，并且更具体地但不仅限于涉及太阳能电池结构。
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片上利用半导体加工技术制成。一般来讲，可通过在硅基板中形成n型扩散区和p型扩散区来制造太阳能电池。撞击在太阳能电池上的太阳辐射产生迁移至扩散区的电子空穴对，从而在扩散区之间形成电压差。在背接触式太阳能电池中，扩散区和与其耦接的金属格栅均位于太阳能电池的背面上。金属格栅允许将外部电路耦接到太阳能电池上并由太阳能电池供电。
效率是太阳能电池的重要特性，因为其直接关系到太阳能电池的发电能力。因此，用于提高太阳能电池效率的技术通常是所需的。本发明的实施例将被本领域的技术人员认为是与常规太阳能电池相比在效率和制造成本两个方面实现优势的改进型背接触式电池结构。
在一个实施例中，太阳能电池具有形成在背面上的基极扩散区和发射极扩散区。发射极扩散区被配置为在太阳能电池中收集少数载流子，而基极扩散区被配置为收集多数载流子。基极扩散区可为分隔发射极扩散区的连续区。发射极扩散区中的每个可进一步由从发射极扩散区的边缘延伸的间隔区来与连续基极扩散区分隔。此间隔区可为高电阻区，其减少在基极扩散区与发射极扩散区的接点处的空间电荷复合损失，从而增大太阳能电池效率。
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至图9示出根据本发明第一实施例的用于形成背接触式太阳能电池的工艺，所述太阳能电池具有硅晶片，所述硅晶片具有注氧区；
图10的流程图示出用于形成背接触式太阳能电池的工艺，所述太阳能电池具有硅晶片，所述硅晶片具有注氧区；
图11至图20示出根据本发明另一个实施例的用于形成背接触式太阳能电池的另一种工艺，所述太阳能电池具有硅基板，所述硅基板具有离子注入电阻区；
图21的流程图示出用于形成背接触式太阳能电池的工艺，所述太阳能电池具有硅基板，所述硅基板具有离子注入电阻区；
图22至图27示出在多晶硅层中具有电阻间隔区的太阳能电池的另一个实施例；
图28的流程图示出根据图22至27的实施例的用于形成具有电阻间隔区的太阳能电池的工艺；
图29至图33示出具有电阻间隔区的太阳能电池的另一个实施例；以及
图34的流程图示出根据图29至33的实施例的用于形成具有电阻间隔区的太阳能电池的工艺。
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。提供了许多具体细节，诸如结构和制造步骤的例子，以提供对本发明实施例的全面理解。然而，本领域的技术人员将会认识到，本发明可在没有所述具体细节中的一者或多者的情况下实施。在其他情况下，未示出或描述为人们所熟知的细节，以避免使本发明的方面模糊不清。所述论述将参考附图中所示的部件，这些部件未按比例绘制。某些部件将被夸大以示出较广泛的概念，而并不代表相对于其他部件的比例。
“耦接”-在以下描述中是指“耦接”在一起的元件或部件。如本文所用，除非另外明确指明，否则“耦接”是指一个元件/节点/结构直接或间接连接至另一个元件/节点/结构(或直接或间接与其连通)，并且不一定是机械连接。电连接或电传导是本文所述的元件或部件之间的一类耦接。因此，尽管附图所示的示意图描绘了示例性的元件布置方式，但所述主题的实施例中可以存在另外的居间元件、装置、部件或组件。
“调整”-一些元件、组件和/或部件被描述为是可调整的或调整过的。如本文所用，除非另外明确指明，否则“调整”是指定位、修改、更改或安置元件或组件或它们的一部分以适于境况和实施例。在某些情况下，如果对某些情况下的实施例而言是合适的或所期望的，那么作为调整的结果，元件或组件或它们的一部分可以保持于未改变的位置、状态和/或状况。在一些情况下，如果合适或需要，那么作为调整的结果，元件或组件可以被更改、改变或修改为新的位置、状态和/或状况。
“抑制”-如本文所用，抑制用于描述减小影响或使影响降至最低。当部件或结构被描述为可抑制一种行为、运动或条件时，它可以完全防止某种结果或后果或未来的状态。另外，“抑制”还可以指减少或减小可能会以其他方式发生的某种后果、表现和/或效应。因此，当部件、元件或结构被称为抑制一种结果或状态时，它不一定完全防止或消除某种结果或状态。
本发明公开了一种太阳能电池。该太阳能电池具有在正常工作期间面向太阳的正面，和背向太阳的背面。该太阳能电池包括硅基板、位于基板的背面上的具有掺杂多晶硅区的第一多晶硅层。该太阳能电池还包括位于硅基板的背面上的具有第二掺杂多晶硅区的第二多晶硅层。第二多晶硅层至少部分覆盖掺杂多晶硅区。该太阳能电池还包括设置在第一多晶硅层中的电阻区。该电阻区从第二掺杂多晶硅区的边缘延伸。该电阻区可通过将氧离子注入到第一多晶硅层中来形成。
本发明公开了太阳能电池的另一个实施例。该太阳能电池可具有在正常工作期间面向太阳的正面，和背向太阳的背面。该太阳能电池可包括：具有正面和背面的硅基板；形成在硅基板的背面上的第一掺杂多晶硅区；形成在硅基板的背面上的第二掺杂多晶硅区，其中第一掺杂多晶硅区和第二掺杂多晶硅区具有相反极性；第一电介质层，所述第一电介质层形成在硅基板的背面上并且位于第一掺杂多晶硅区和第二掺杂多晶硅区中的每一者之下；位于第一掺杂多晶硅区与第二掺杂多晶硅区之间的电阻区，该电阻区包括规定量的氧浓度；第一金属格栅，其设置在第二掺杂多晶硅区上方，该第一金属格栅电连接到至少第二掺杂多晶硅区；位于第一金属格栅与第二掺杂多晶硅区之间的第二电介质层，第一金属格栅通过穿过第二电介质层的至少一个接触孔电连接到第二掺杂多晶硅区；以及电连接到第一掺杂多晶硅区的第二金属格栅，其中第一金属格栅和第二金属格栅形成在太阳能电池的背面上。
本发明公开了太阳能电池的另一个实施例。该太阳能电池具有在正常工作期间面向太阳的正面，和背向太阳的背面。该太阳能电池包括：具有正面和背面的硅基板；形成在硅基板的背面上的第一掺杂多晶硅区；形成在硅基板的背面上的第二掺杂多晶硅区，其中第一掺杂多晶硅区和第二掺杂多晶硅区具有相反极性；以及电阻区，其至少部分在第一掺杂多晶硅区与第二掺杂多晶硅区之间延伸，该电阻区包括至少规定量的氧浓度。
图1示出背接触式太阳能电池100的横截面。贯穿本文件所示出的结构仅用于描述目的而未按比例绘制。太阳能电池100在硅基板110上形成，其具有纹理化正表面114、由电阻间隔区124分隔的p型扩散区120和n型扩散区122，以及电连接到p型扩散区120和n型扩散区122的金属格栅190,192。太阳能电池100被设计为在正常工作期间以正面102面向太阳。背面104背向太阳。太阳能电池100在p型扩散区120与n型扩散区122之间产生电势差，从而致使电流在所连接的金属格栅190,192中流动。电阻间隔区124防止在硅基板110中的p型扩散区120与n型扩散区122之间发生电荷复合。
在太阳能电池100的正面102上，抗反射涂层(ARC)118设置在保护性氧化物层116上方。ARC 118可由诸如氮化硅等电介质材料构成。正面扩散区112可形成在硅基板110的纹理化表面114之下。正面扩散区112改进正面102的钝化质量，并且可改进太阳能电池100的转换效率。
硅基板110可包括n型硅基板或p型硅基板。单晶n型硅基板用于描述目的，但硅基板110可根据需要为通过包括外延生长在内的任意种工艺形成的p型单晶、非晶硅、多晶硅、导电聚合物、薄膜硅，或任何其他基板，并且贯穿本描述使用单晶n型硅基板。当使用p型基板时，可改变掺杂剂和扩散区120,122的极性。硅基板110可为任何所需厚度，从25微米到200微米或更多。
如图2所示，硅基板110是用于所示的形成太阳能电池100的工艺的起始材料。硅基板110可由n型单晶硅铸锭形成为切割晶片。可在形成太阳能电池100之前对硅基板110执行损伤蚀刻工序。损伤蚀刻工序可改进完工装置的体复合速率。体复合速率(BRR)是指硅基板110内的电子空穴对的瓦解，从而降低在太阳能电池100的p型扩散区120和n型扩散区122处形成的电势差。损伤蚀刻工序可为从硅基板110的表面去除污染物的湿式蚀刻工艺。
在图2所示的工艺中，在硅基板110的背面上形成硼硅酸盐玻璃(BSG)层130。因为所示太阳能电池100是背接触式太阳能电池的实施例，所以所述工序在硅基板110的背面104上发生。BSG层130可通过沉积诸如化学气相沉积(CVD)来形成。当贯穿本描述并且不仅针对图1至9所示的实施例而且针对本文所述的任何实施例参考CVD工艺时，应当理解，任何所需CVD技术可用于沉积，包括常压CVD(APCVD)、等离子体增强型CVD(PECVD)、超低真空CVD(ULVCVD)、激光增强型CVD(LECVD)或任何其他CVD变型。在CVD的一些实施例中，BSG层130可由作为气相反应物乙硼烷、硅烷和氧气的产物的掺杂氧化物形成。除了CVD技术之外，与工业印刷相关的其他形成方法诸如旋涂、丝网印刷、喷墨印刷、溅射或气溶胶喷射沉积也可用于形成BSG层或下文描述的任何其他所形成的层。
在图示实施例中，BSG层130为p型掺杂氧化物。可随后在BSG层130顶上形成作为气相反应物硅烷和氧气的产物的无掺杂氧化物层。在后续热步骤期间，无掺杂氧化物层或封盖层抑制掺杂剂从BSG层130向外扩散到周围结构和硅基板110的暴露区。BSG层130和上覆无掺杂氧化物层可在同一处理工具中依序形成。另外，可贯穿本文所述的工艺在其他所形成的掺杂剂源区上方形成类似的封盖层。为清楚描绘起见，省略了所有此类封盖层。
BSG层130可由大约40nm的基本均匀厚度形成，但在各个实施例中此厚度在从薄至处理工具能够形成的程度到厚至所需的程度之间可以是变化的。贯穿本描述，硼被用作掺杂剂来用于形成p型扩散区。在一些实施例中，诸如在通过直接写入或纳米粒子工艺形成p型掺杂硅区的那些实施例中，可使用其他p型掺杂剂，或可使用非BSG硼。相似地，虽然PSG被描述为用于形成n型掺杂硅，但除磷之外还可使用其他掺杂剂。
图3示出了制造太阳能电池100的后续步骤，其中在BSG层130上方形成图案化掩模层140。掩模层140可包含碱性抗蚀材料，诸如聚合物和电介质以及其任何组合，但还可使用任何其他所需材料。掩模层140可通过丝网印刷、喷墨印刷或任何工业印刷技术来形成。丝网印刷的掩模层(诸如掩模层140)可被图案化为具有开口以用于将来在BSG层130上进行沉积。掩模层140的图案在各个实施例中可以是变化的。在一个实施例中，掩模层140可具有点孔图案以允许将来在由BSG层130中的掺杂剂形成的发射极场中产生点基极扩散区，并且可包括(例如)共同转让的美国专利No.8,008,575中所描述的技术，该美国专利全文以引用方式并入本文中。
相对于图4，已经将基板蚀刻为由掩模层140图案化以移除BSG层130的若干部分。蚀刻剂可被选择为不蚀刻硅基板110的剩余部分。能够使用的一种蚀刻剂是与异丙醇(IPA)混合的氢氧化钾，但可根据需要使用其他湿式或干式蚀刻剂。在一些实施例中，BSG层130可按由图4的蚀刻所产生的图案来形成，从而不需要掩模和蚀刻步骤。例如，图案化BSG层130可通过丝网印刷或喷墨印刷来形成。在其他实施例中，图2的整个BSG层130可不通过蚀刻而被图案化，诸如通过激光烧蚀来图案化。
参见图5，因为当在n型扩散区与p型扩散区之间形成电势差时，太阳能电池100工作，所以提高扩散区之间的电势差是有利的。一种用于提高电势差的技术是增大扩散区之间的硅基板110中的电阻。另一种技术是改变扩散区之间的硅基板的微观结构。例如，可通过诸如离子注入或激光退火等处理技术破坏硅晶格的若干个区。图5所示的又一种技术是改变扩散区之间的硅基板的组成。例如，在硅基板中进行氧物质的离子注入可用于在硅基板110中的扩散区之间形成包含二氧化硅的电阻间隔区124。在一些实施例中，电阻间隔区124可具有至少1.0×10-4Ωcm的电阻率。
电阻间隔区124可相对于图案化BSG区130对齐。在间隔区124与图案化BSG区130之间的对齐技术可根据需要包括对公差的目测或自动化测量技术。可通过掩蔽技术以特定图案沉积电阻间隔区124以在硅基板的选择区中实现离子注入。在一个实施例中，电阻间隔区被沉积为从每个所图案化的圆形BSG区向外延伸的环。掩蔽技术可包括在硅基板上形成材料层，并且可由硅、聚合物材料(诸如光致抗蚀剂)、电介质材料(诸如二氧化硅、氮化硅、碳化硅)、金属和金属硅化物材料(诸如硅化钛或硅化钨)或其组合制成。一般来讲，由较致密材料制成的掩模对于防止在不需要的区中发生离子注入更加有效。可选择掩模材料和掩模厚度来形成所需的离子注入分布。荫罩是用于在硅基板的选择区中实现离子注入的另一种技术。在一个实施例中，荫罩利用设置在硅基板上方的掩模，该掩模形成有小孔以根据需要允许离子在选择区中进入基板中。在另一个实施例中，使用50至500keV的能量、1×1016至9×1017cm-2的剂量、1μa至1mA/cm2的射束电流密度，以及300至900℃的处理温度在硅基板的选择区中注入氧离子。
在图6所示的工序中，在太阳能电池100的背面104上方形成磷硅酸盐玻璃(PSG)层150。PSG层150可通过化学气相沉积或上文关于形成BSG层130所论述的任何技术来形成。在图示实施例中，PSG层150是n型掺杂氧化物。可随后在PSG层150顶上形成无掺杂氧化物封盖层，但出于清楚显示起见，省略了此封盖层。PSG层150可由大约40nm的基本均匀厚度形成，但在各个实施例中此厚度在从薄至处理工具能够形成的程度到厚至所需的程度之间可以是变化的。在图示实施例中，PSG层150被形成为覆盖图案化BSG区130和硅基板110的背面104的暴露区的基本上适形层。
太阳能电池100可经受随机纹理化蚀刻工艺以在硅基板110的正表面114上形成光散射结构和光捕获结构，如图6所示。在图示实施例中，所得的正表面114可被图案化有锥形结构特征。锥形结构可通过增加正表面114的入射光的折射和反射来提高太阳能电池100的转换效率。随机纹理化蚀刻工艺中所使用的蚀刻剂可根据需要包括氢氧化钾、异丙醇、其混合物或者其他湿式或干式蚀刻剂。蚀刻工艺可在硅基板110的暴露到蚀刻剂的任何区上发生。在一些实施例中，可沉积包含碱性抗蚀材料的图案化掩模层以保护背面104的选择区或全部。此类碱性抗蚀材料可包括聚合物材料(诸如光致抗蚀剂)或电介质材料(诸如二氧化硅)。在图6所示的实施例中，抗蚀剂被选择为使得PSG层150保护太阳能电池100的背面104免于经受随机纹理化蚀刻工艺。
参见图7，对太阳能电池100执行加热过程以形成由电阻间隔区124分隔的p型扩散区120和n型扩散区122。加热过程允许掺杂剂物质从n型掺杂剂源区和p型掺杂剂源区(具体地讲，BSG层130和PSGE层150)扩散到硅基板110中。在较高温度下，诸如在1000℃或附近，扩散区变得有电活性。可基于正被处理的太阳能电池的实施例来改变热过程的温度。例如，其持续时间可更长或更短，或者温度可更低或更高，只要在完成时在p型扩散区120和n型扩散区122中存在足够的掺杂剂浓度即可。因此，与BSG或PSG不同的掺杂剂源可导致热处理步骤的改变。无论如何，热过程的参数可在基板中产生电活性掺杂区，从而实现起作用的太阳能电池。
加热过程可在加热炉中以单温度操作、多温度设定点，或具有用于多温度设定点和处理气体引入的选项的可编程操作来进行。太阳能电池的加热可根据需要在惰性环境(诸如真空或氮气)或反应物环境(诸如氧气或磷酰氯气体)或其任何混合物中进行。在一些实施例中，在太阳能电池中形成扩散区之前，加热步骤还可利用多温度设定点来对硅基板进行退火，从而改变电阻率。
除了参见图7所述的加热步骤及其功能之外，可在太阳能电池100的处理中包括额外加热过程或步骤。例如，在一些实施例中，离子注入电阻间隔区124的退火可在注入或形成步骤之后立即发生。退火加热步骤还可在电池制造工艺中的其他时间点发生，诸如在一些实施例中，在形成单个掺杂剂源之后并且在存在相反极性的掺杂剂源之前发生。加热步骤的确切数目、参数和处理次序在各个实施例中可以是变化的，并且这亦适用于本文所述的任何加热步骤。
在其他实施例中，加热步骤可结合氧气使用可编程温度操作以在太阳能电池上方形成保护性氧化物层。在一些实施例中，热过程可与一个或多个额外工序(诸如掺杂剂层的扩散)组合。例如，如果正面纹理化工序被省略或保留到热步骤之后，则PSG层150的形成可与掺杂剂扩散步骤组合，从而导致在从BSG层130和PSG层150扩散的同时形成PSG层150。在图示实施例中，太阳能电池100经受包括多温度设定点和多种处理气体(包括氧气和磷酰氯)的加热过程，以实现包含二氧化硅的离子注入电阻间隔区124的退火、硅基板110中的p型扩散区120和n型扩散区122、正面扩散区112和保护性氧化物层116的形成。
继续参见图7，在太阳能电池100的背面104上形成包含电介质材料的背面抗反射涂层(bARC)层160。bARC层160在PSG层150上方形成。在图示实施例中，bARC层160由通过PECVD沉积的厚度为约40nm的氮化硅构成。bARC层160可具有相对较大的固定正电荷密度以提供良好表面钝化，并且可作为PECVD工艺的一部分形成。除了氮化硅之外的其他电介质材料也可用于形成bARC层160。另外，当氮化硅或另一种材料用于形成bARC层160时，厚度可在少至1nm到实施例所需要那样厚的程度之间变动。
可在太阳能电池100的纹理化正面102上形成类似的抗反射涂层(ARC)层118，如图8所示。ARC层118可由通过PECVD沉积的厚度为约50nm的氮化硅构成。如同bARC层160一样，ARC层118的厚度和材料在各个实施例中可以是变化的。
图9描绘了太阳能电池100的背面104的顶视图。如图所示，可形成p型扩散区120和n型扩散区122，其中n型扩散区122是在较大的p型扩散区120内部、由较大的p型扩散区120分隔以及由较大的p型扩散区120包围的离散区。
在一些实施例(包括图示实施例)中，在BSG层130、PSG层150和bARC层160上方的覆盖太阳能电池100的n型扩散区122的线性行中形成电介质层162。在图9中，电介质层162的行被示为在n型金属格栅192之下。电介质层162可包含聚合物绝缘材料，诸如聚酰亚胺，并且可通过工业印刷方法(诸如丝网印刷和喷墨印刷)或任何其他形成技术来沉积。电介质层162可在p型扩散区120的若干部分上方延伸。电介质层162可由被选择来提供即将形成的n型金属格栅192与p型扩散区120之间的电绝缘的材料形成。
继续参见图9并且再次参见图1，可穿过太阳能电池100的背面104上的层形成接触孔以暴露硅基板110中的下部p型扩散区120和n型扩散区122的若干部分。接触孔是BSG层130、PSG层150和bARC层160中的开口，接触插塞170,172位于这些开口中。穿过这些层的接触孔可通过各种技术形成，诸如上文描述的掩模和蚀刻工艺或激光烧蚀技术，包括例如在共同转让的美国专利No.8,211,731和8,263,899中描述的技术，这些美国专利全文以引用方式并入本文中。
在已经打开通往硅基板100中的p型扩散区120和n型扩散区122的接触孔之后，可执行金属化工艺以形成接触插塞170,172，其分别提供与p型扩散区120和n型扩散区122的电连接。在一个实施例中，接触插塞170,172可包括铝硅合金、钛钨合金和铜的种子层180,182，其依序用具有约30nm的基本上均匀厚度的每种材料溅射，但此厚度在各个实施例中可以是变化的，并且还可使用其他材料，诸如银、金、镍或其他电导体。种子层180,182的铝硅合金层与相应的p型扩散区120和n型扩散区122接触，并且铜层在最上方，钛钨层位于两者之间。
沉积工艺可包括溅射或其他物理气相沉积技术。因此，用于形成接触插塞170,172的一些或全部材料可分布在太阳能电池100的背面104的其余部分上方。一些分布式铝层可形成在bARC层160的正上方，这可增大太阳能电池100的转换效率。铝层通过将已经穿过硅基板110的光重新引导回到其中来提高太阳能电池100背面104上的光的内反射，如在例如共同转让的美国专利No.7,388,147和7,339,110中所述，这些美国专利全文以引用方式并入本文中。
诸如丝网印刷、喷墨印刷或气溶胶印刷等工业印刷技术也可用于沉积金属种子层的组分以降低制造成本。然后电镀金属种子层180,182以分别形成p型交叉梳状金属指190和n型交叉梳状金属指192。形成p型交叉梳状金属指190和n型交叉梳状金属指192的电镀材料可为铜、银、金、铝或任何其他所需的电导体。根据需要，电镀工艺可为电解的或化学的。
在某些实施例中，完全省略了种子层180,182，并且直接与p型扩散区120和n型扩散区122形成接触。在其他实施例中，种子层180,182可由印刷金属浆形成，其中在金属指形成之前形成有额外接触层(如果在具体实施例中使用的话)。
参见图10，根据图1至9中呈现的实施例示出了制造太阳能电池的方法194的流程图。在方法194中，掺杂区在晶体硅基板的背表面内形成。可在硅基板上方沉积并图案化第一掺杂剂源区194a，随后形成从第一掺杂剂源区的侧面延伸的电阻间隔区194b。然后可在基板上方沉积并图案化第二掺杂剂源区194c。然后太阳能电池可经历蚀刻剂工艺以对正表面进行纹理化，从而增强太阳辐射收集效果194d。然后扩散步骤可将第一掺杂剂物质和第二掺杂剂物质驱动到硅基板中，从而形成n型扩散区和p型扩散区并且在正面上形成轻度掺杂区194e。可在正面上的轻度掺杂区上方形成保护性氧化硅层194e。还可在太阳能电池的正面和背面两者上形成呈氮化硅形式的电介质层194f。可形成穿过电介质层通往硅基板中的n型扩散区和p型扩散区的交叉梳状金属接触指以建立电连接194g。
图11至20示出了示出太阳能电池200的另一个实施例的制造的截面图。在该实施例中，太阳能电池200被制造为在硅基板的背面上具有多晶硅p型掺杂区和n型掺杂区。如全文使用，术语“多晶硅”是指呈任何非单晶体形式的多晶体硅。凹槽或沟槽将p型掺杂区与n型掺杂区分隔。可在多晶硅层中形成至少一个电阻间隔区。电阻间隔区可在p型掺杂区与n型掺杂区之间的沟槽之下或旁边形成。除了其他优点，所得的结构通过改进相邻掺杂区之间的电阻来提高效率。改进的电阻可抑制多晶硅层中的空间电荷区中的复合。
参见图11，背接触式太阳能电池200可形成有n型硅基板210。可在硅基板210的背面204上形成厚度为0.5nm至8nm的电介质层222。在一个实施例中，电介质层222包含在基板210的表面上热生长至约2nm厚度的二氧化硅。可在电介质层222上方形成厚度为100nm至400nm的多晶硅层220。在一个实施例中，使多晶硅层220热生长至约220nm的厚度。除了别的以外，多晶硅层220还可通过其他技术来形成，包括印刷(喷墨印刷或丝网印刷)和纳米粒子聚结等。可以使用的其他技术在共同转让的美国专利No.7,468,485中有所描述，该美国专利全文以引用方式并入本文中。
参见图12，可在多晶硅层220上方形成BSG层230。BSG层230可通过任何沉积技术来形成，包括上文所述的CVD技术。BSG层130可由大约40nm的基本均匀厚度形成，但在各个实施例中此厚度在从薄至处理工具能够形成的程度到厚至所需的程度之间可以是变化的。
参见图13，可使用与上文参见图1至9所示实施例描述的类似的掩模和蚀刻技术来对BSG层230进行图案化以形成离散且分离的BSG掺杂剂源区232。在一些实施例中，所得的BSG掺杂剂源区232沿着多晶硅层220的表面以线性形状延伸。
参见图14，可在多晶硅层220中形成电阻间隔区224。在一些实施例中，电阻间隔区224可在多晶硅层220中从BSG掺杂剂源区232的边缘向外延伸。在一些实施例中，电阻间隔区224可朝向硅基板210更深地延伸，至少部分延伸穿过电介质层222。电阻间隔区224可通过如上所述使用离子注入技术将氧离子注入到太阳能电池200中来形成。电阻间隔区224的形成和特性特征可类似于上文相对于图1至9描述的那些，或可与之不同。一些变型包括处理技术、时间、注入电流或所得注入深度、片材电阻性质或多晶硅层220中的氧浓度。
现在参见图15，可通过CVD工艺在太阳能电池200的背面204上方形成厚度基本上均匀的PSG层240。PSG层240可为适形的并且沿循BSG掺杂剂源区232的表面，如图所示。在一些实施例中，PSG层240可通过印刷技术来形成，从而得到不覆盖太阳能电池200的整个背面204而是以所需图案形成的PSG层240。
参见图16，可在BSG掺杂剂源区232与PSG掺杂剂源区242之间形成纹理化沟槽结构226。沟槽226可形成在电阻间隔区224上方。沟槽226可通过激光烧蚀或常规的掩模和蚀刻技术来形成，并且可向硅基板210中延伸1至10微米。在一个实施例中，形成沟槽226的工艺可包括掩蔽并蚀刻PSG层240以形成所示PSG掺杂剂源区242。因此，可在PSG层240上方形成图案化掩模，其具有开口以准许在形成沟槽226区的位置中蚀刻PSG层240，并且在同一蚀刻中，对PSG层240进行图案化以形成PSG掺杂剂源区242。每个沟槽226可在BSG掺杂剂源区232与PSG掺杂剂源区242之间延伸。在一些实施例中，每个沟槽226仅部分延伸穿过多晶硅层220中的每个电阻间隔区224。在一些实施例中，PSG层240的若干部分可按本文所述的方式图案化以保留在BSG掺杂剂源区232顶上而不抑制进一步处理。在一些实施例中，激光烧蚀可用于将PSG层240图案化成PSG掺杂剂源区242，同时在BSG掺杂剂源区232与PSG掺杂剂源区242之间形成每个沟槽226。其他实施例可包括例如共同转让的美国专利No.7,812,250和7,851,698中描述的技术，这些美国专利全文以引用方式并入本文中。
在一个实施例中，沟槽226可被形成为向多晶硅层220和电阻间隔区224中延伸到1微米的深度。在一个实施例中，沟槽226为100微米宽。在其他实施例中，其可窄至5微米或宽至1,000微米。
沟槽226可使用这样的工艺来形成，该工艺不仅形成分隔BSG掺杂剂源区232与PSG掺杂剂源区242的沟槽226而且在太阳能电池200的背面204上的沟槽226表面上形成随机纹理化表面。在一些但并非所有实施例中，纹理化工艺还可在太阳能电池200的正表面214上提供随机纹理化表面。如上所述，随机纹理化表面214提高了太阳能电池200的转换效率。
参见图17，可执行加热步骤以在多晶硅层220中形成p型扩散区227和n型扩散区229。p型扩散区227和n型扩散区229可在多晶硅层220中由沟槽226分隔并且还由电阻间隔区224分隔。可执行加热过程以准许掺杂剂物质从BSG掺杂剂源区232和PSG掺杂剂源区242扩散到多晶硅层220中。在接近1000℃的温度下，p型扩散区227和n型扩散区229变得有电活性。如上文参见图1至9所述，可使用许多不同热过程来完成加热步骤。在一个实施例中，太阳能电池200可经受包括多温度设定点和多种处理气体的加热过程。一些处理气体包括氧气和磷酰氯。氧气和磷酰氯，以及其他气体可准许离子注入电阻间隔区224的退火，同时同一热过程可准许或致使形成p型扩散区227和n型扩散区229、正面扩散区212和保护性氧化物层216。
参见图18，可在太阳能电池200的背面上形成包含电介质材料的bARC层260。在一些实施例中，bARC层260由通过CVD技术沉积的厚度为约40nm的氮化硅构成。bARC层260可类似于上文相对于图1至9所述的bARC层。在图示实施例中，还在纹理化沟槽区226上方形成bARC层260，但在其他实施例中，可在形成期间将bARC层260图案化以避开沟槽260。
还可在太阳能电池200的纹理化正面202上形成ARC层218。ARC层218可由氮化硅组成，并且ARC层218可具有约50nm的厚度，其通过CVD工艺来沉积。在一些实施例中，厚度可改变为薄至10nm或厚至几微米。在其他实施例中，ARC层218可由除氮化硅之外的材料形成，诸如钛或铝的氧化物、其他电介质材料、聚合物材料或其任何组合。
如图19所示，可在背面204上形成接触孔，从而展现bARC层260的若干个区、PSG掺杂剂源区242，并且在太阳能电池200的一些部分中，还展现BSG掺杂剂源区232。在一些实施例中，接触孔可通过掩模和蚀刻技术来形成，而在其他实施例中，可使用激光烧蚀技术或其他技术。在已经打开接触孔以暴露多晶硅层220中的p型扩散区227和n型扩散区229之后，可执行金属化工艺以提供与扩散区的电接触。如上所述，在一些实施例中，可在接触孔中形成金属种子叠堆以形成电接触插塞270,280，这些电接触插塞分别电耦接到p型扩散区227和n型扩散区229。在一些实施例中，金属接触插塞270,280可包括具有铝硅合金部分、钛钨合金部分和铜部分的种子层。在图19中，可随后向种子层电镀导电材料以分别形成p型交叉梳状金属指290和n型交叉梳状金属指292。可使用任何接触技术或金属化工艺或结构，包括上文参见图1至9所述的那些。
参见图21，根据图11至20所呈现的实施例示出了制造太阳能电池的方法294的流程图。在方法294中，在硅基板的背面上形成多晶硅层294a。可在多晶硅层上方沉积并图案化第一掺杂剂源区294b，随后形成从第一掺杂剂源区的侧面延伸的电阻间隔区294c。然后可在基板上方沉积并图案化第二掺杂剂源区294d。可在第一掺杂剂源区与第二掺杂剂源区之间形成沟槽结构294e。然后可用蚀刻剂处理太阳能电池以对正表面进行图案化，从而增强太阳辐射收集效果294f。相似地，还在太阳能电池的背面上对沟槽结构进行纹理化294f，但可根据需要在不同工序中对正表面和背表面进行图案化。
然后可使用扩散步骤将第一掺杂剂物质和第二掺杂剂物质驱动到多晶硅层中，从而形成n型扩散区和p型扩散区并且在正面上形成轻度掺杂区294g。可在同一工序或分立的较早或较晚工序中在正面上的轻度掺杂区上方形成保护性氧化硅层294g。可在太阳能电池的正面和背面两者上形成呈氮化硅形式的电介质层294h。可形成穿过背表面电介质层通往硅基板中的n型扩散区和p型扩散区的交叉梳状金属接触指以建立电连接294i。
图22至26示出的截面图示出了太阳能电池300的另一个实施例的制造。太阳能电池300可被制造为在硅基板的背面上具有多晶硅p型掺杂区和n型掺杂区。在一些实施例中，p型掺杂剂源和n型掺杂剂源中的一者或两者可通过工业印刷技术来沉积，包括丝网印刷和喷墨印刷。在一些实施例中，掺杂氧化物层(诸如BSG和PSG)可通过常规掩模和蚀刻技术来图案化。在某些实施例中，p型掺杂剂源和n型掺杂剂源可包括纳米粒子和/或掺杂剂墨水。可在p型掺杂区与n型掺杂区之间的沟槽结构中或之下形成电阻间隔区。
如图22所示，具有正面302和背面304的硅基板310可用作太阳能电池300的原料。另外参见图23，硅基板310可经受蚀刻剂工艺以在硅基板310的正表面320和背表面330上形成随机纹理化表面。
在形成纹理化正表面320和背表面330之后，可在纹理化硅基板310的背面304上形成厚度为0.5nm至4nm的电介质层342。在一个实施例中，电介质层342可包含在基板310的表面上热生长至约2nm厚度的二氧化硅。可在电介质层342上方形成多晶硅层340。多晶硅层340可具有介于50nm与800nm之间的厚度。在一个实施例中，使多晶硅层340热生长至约220nm的厚度。在其他实施例中，多晶硅层340可通过其他技术或工艺来形成。
参见图24，电阻间隔区344可使用多种技术来在多晶硅层340中形成并且形成为实施例所需的参数，如上所述。可在多晶硅层340上形成掺杂剂源区，具体地讲，形成p型掺杂剂源区350和n型掺杂剂源区360。掺杂剂源区350,360可使用各种直接写入工艺中的任一种来形成。例如，在一些实施例中，这些掺杂剂源区中的一者或两者可被喷墨印刷，并且当两者均被喷墨印刷时，可同时或依序进行印刷。
在一些实施例中，直接写入工艺可为依序的，诸如当第一喷墨工艺形成一个掺杂剂源区时，后续喷墨工艺形成第二类型的掺杂剂源区。或者，丝网印刷工艺可形成第一掺杂剂源区并且后续喷墨工艺可形成第二掺杂剂源区。在此类工艺组合中，可在暴露的多晶硅层240的离散区域中形成第二掺杂剂源区，诸如在使用图案化印刷掩模时。另外，在一些实施例中，喷墨印刷的第一掺杂剂源区可形成在多晶硅层240之下，并且第二掺杂剂源区可通过丝网印刷形成为覆盖第一掺杂剂源区和多晶硅层340的暴露区两者的均匀层。
不管用于形成p型掺杂剂源区350和n型掺杂剂源区360的具体技术或工艺次序如何，这些掺杂剂源区可形成为使得极性交替的掺杂剂由电阻间隔区344分隔，如图24所示。
参见图25，然后可执行加热步骤以将掺杂剂从p型掺杂剂源区350和n型掺杂剂源区360驱动到多晶硅层340中。掺杂剂驱动步骤在多晶硅层340中形成p型扩散区345和n型扩散区346。p型扩散区345和n型扩散区346至少部分地由电阻间隔区344分隔。
参见图26，可如上所述形成ARC层324和bARC层370。可穿过bARC层370形成接触孔，从而暴露多晶硅层340中的p型扩散区345和n型扩散区346。另外参见图27，交叉梳状金属格栅397,398可分别形成有与p型扩散区345和n型扩散区346的电连接。如同上述其他实施例一样，还可在形成交叉梳状金属格栅397,398之前形成种子层。
图28是根据相对于图22至26所述实施例的用于制造太阳能电池的工艺的流程图399。可首先将硅基板暴露于蚀刻剂中以形成纹理化正表面和背表面399a。然后可在硅基板的背面上形成多晶硅层399b。多晶硅层和硅基板可具有形成在它们之间的薄电介质层，诸如二氧化硅层。然后可在多晶硅层中形成电阻间隔区399c。可形成极性相反的掺杂剂源区，使得这些掺杂剂源定位在电阻间隔区之间399d。掺杂剂区的极性可交替，使得电阻间隔区定位在多晶硅层上相邻的相反极性掺杂剂源之间。
然后可执行加热步骤以将掺杂剂驱动到多晶硅层中399e。在一些实施例中，此加热步骤还可使离子注入电阻间隔区退火，而在其他实施例中，较早的加热步骤可能已经使这些区退火。在一些实施例中，离子注入电阻间隔层可由激光退火，从而不需要热步骤。然后可在太阳能电池上形成ARC层和bARC层399f。然后可对太阳能电池进行金属化以形成与多晶硅层中的扩散区的电连接399g。可通过使用激光烧蚀、掩模和蚀刻技术或任何其他所需方法打开接触孔来完成金属化，其中金属触点由退火浆料、具有电镀触点的种子层等形成。
图29至33示出了用于制造太阳能电池400的另一种工艺。根据图29，可在正面402和背面404两者上对硅基板410进行纹理化。可通过氧物质注入在硅基板410中形成电阻间隔区432，如上所述。
根据图30，可使用直接写入工艺来在硅基板410的背表面430上形成p型掺杂剂源区441和n型掺杂剂源区442。p型掺杂剂源区441和n型掺杂剂源区442可形成在电阻间隔区432之间并且由这些电阻间隔区包围。p型掺杂剂源区441和n型掺杂剂源区442可由通过喷墨或其他处理技术沉积的纳米粒子掺杂硅构成。
根据图31，可执行一个或多个加热步骤以使电阻间隔区432退火，在太阳能电池400的正面402上形成前扩散区412，并且使掺杂剂源区441,442聚结。在一些实施例中，可加热纳米粒子掺杂剂源区441,442以形成掺杂多晶硅区。在一些实施例中，可首先通过加热步骤来使纳米粒子掺杂剂源区441,442聚结以去除粘合剂或溶剂，并且稍后使其退火以形成电活性硅结构。在一些实施例中，可将这些热步骤组合成具有针对温度、持续时间和冷却(包括循环处理)的多个设定点的单个加热步骤。在一些实施例中，可在聚结或退火之前在纳米粒子区上方形成封盖层，诸如非晶硅层。
作为处理纳米粒子掺杂剂源区441,442的结果，在太阳能电池410的背表面430顶上存在掺杂多晶硅的电活性区，如图31所示。p型掺杂区450和n型掺杂区451由硅基板410中的电阻间隔区432分隔。
如图32和33所示，可形成ARC层434和bARC层460，并且穿过其打开接触孔。金属格栅489,490可分别通过接触孔接触电活性p型掺杂区450和n型掺杂区451。在一些实施例中，可在ARC层434下方形成氧化物层433，如上所述。
如同所有实施例一样，用于形成触点的工艺和材料可有所不同，诸如从种子层到印刷金属化技术，或从电解电镀到种子层的铜格栅到电镀到镍中间层的铜。通往p型掺杂区450和n型掺杂区451的接触孔开口可使用掩模和蚀刻技术、激光烧蚀或任何其他所需工艺来形成。
图34是根据相对于图28至33所述实施例的用于制造太阳能电池的工艺的流程图499。可处理硅基板(诸如n型单晶基板)来形成纹理化正表面和背表面499a。然后可在硅基板的背表面中形成电阻间隔区499b。然后可在背表面上的电阻间隔区之间沉积掺杂纳米粒子硅499c。可在具有或没有封盖层的情况下使掺杂纳米粒子硅固化、聚结和退火，以在太阳能电池的背表面上形成掺杂多晶硅区499d。在一些实施例中，可在掺杂多晶硅区与基板表面之间形成薄电介质层，包括在沉积纳米粒子之前。
在硅基板的背表面上形成掺杂多晶硅的电活性区之后，可分别在正表面和背表面上形成ARC层和bARC层499e。然后可穿过bARC层形成接触开口并且形成交叉梳状金属格栅以电连接至掺杂多晶硅区499f。可使用任何所需技术或工艺组合来执行金属化。
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方便的操作路径图。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)

1.一种太阳能电池，具有在正常工作期间面向太阳的正面和背向太阳的背面，所述太阳能电池包括：
具有正面和背面的硅基板；
第一多晶硅层，所述第一多晶硅层设置在所述硅基板的所述背面上，所述第一多晶硅层具有第一掺杂多晶硅区；
设置在所述硅基板的所述背面上的第二多晶硅层，所述第二多晶硅层包括第二掺杂多晶硅区，所述第二区被设置为至少部分覆盖所述第一掺杂多晶硅区，所述第二区包括与所述第一区相反的极性；
设置在所述第一多晶硅层中的电阻区，所述电阻区从所述第二掺杂多晶硅区的边缘延伸，所述电阻区包括至少[1x1016cm-2]的氧浓度；
设置在所述第二多晶硅层上方的第一金属格栅，所述第一金属格栅电连接到至少所述第二掺杂多晶硅区；
位于所述第一金属格栅与所述第二多晶硅层之间的第一电介质层，所述第一金属格栅通过穿过所述第一电介质层的至少一个接触孔电连接到所述第二掺杂多晶硅区；和
电连接到所述第一掺杂多晶硅区的第二金属格栅，其中所述第一金属格栅和所述第二金属格栅形成在所述太阳能电池的所述背面上。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述硅基板包括N型硅基板，所述第一掺杂多晶硅区包含N型多晶硅，并且所述第二掺杂多晶硅区包含P型多晶硅。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中所述第一掺杂多晶硅区包含磷掺杂剂，并且所述第二掺杂多晶硅区包含硼掺杂剂。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述硅基板包括P型硅基板，所述第一掺杂多晶硅区包含P型多晶硅，并且所述第二掺杂多晶硅区包含N型多晶硅。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中所述第一掺杂多晶硅区包含硼掺杂剂，并且所述第二掺杂多晶硅区包含磷掺杂剂。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述第一电介质层定位在所述第一金属格栅与所述第二金属格栅之间。
7.一种太阳能电池，具有在正常工作期间面向太阳的正面和背向太阳的背面，所述太阳能电池包括：
具有正面和背面的硅基板；
形成在所述硅基板的所述背面上的第一掺杂多晶硅区；
形成在所述硅基板的所述背面上的第二掺杂多晶硅区，其中所述第一掺杂多晶硅区和所述第二掺杂多晶硅区具有相反极性；
第一电介质层，所述第一电介质层形成在所述硅基板的所述背面上并且位于所述第一掺杂多晶硅区和所述第二掺杂多晶硅区中的每一者之下；
位于所述第一掺杂多晶硅区与所述第二掺杂多晶硅区之间的电阻区，所述电阻区包括至少[1×1016cm-2]的氧浓度；
设置在所述第二掺杂多晶硅区上方的第一金属格栅，所述第一金属格栅电连接到至少所述第二掺杂多晶硅区；
位于所述第一金属格栅与所述第二掺杂多晶硅区之间的第二电介质层，所述第一金属格栅通过穿过所述第二电介质层的至少一个接触孔电连接到所述第二掺杂多晶硅区；和
电连接到所述第一掺杂多晶硅区的第二金属格栅，其中所述第一金属格栅和所述第二金属格栅形成在所述太阳能电池的所述背面上。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述第一电介质层包含二氧化硅，并且具有小于50埃的厚度。
9.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述电阻区至少部分延伸到所述硅基板中。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中所述电阻区至少部分延伸到所述第一电介质层中。
11.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述第一电介质层在所述硅基板的所述背面上的所述第一掺杂多晶硅区与所述第二掺杂多晶硅区之间延伸。
12.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述第一电介质层具有在所述第一掺杂多晶硅区与所述第二掺杂多晶硅区之间的开口，从而暴露所述电阻区。
13.根据权利要求12所述的太阳能电池，其中所述电阻区的所述暴露部分具有随机纹理化表面。
14.根据权利要求13所述的太阳能电池，其中所述第二电介质层设置在所述电阻区的所述暴露部分上方。
15.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述第二电介质层定位在所述第一金属格栅与所述第二金属格栅之间。
16.一种太阳能电池，具有在正常工作期间面向太阳的正面和背向太阳的背面，所述太阳能电池包括：
具有正面和背面的硅基板；
形成在所述硅基板的所述背面上的第一掺杂多晶硅区；
形成在所述硅基板的所述背面上的第二掺杂多晶硅区，其中所述第一掺杂多晶硅区和所述第二掺杂多晶硅区具有相反极性；和
至少部分在所述第一掺杂多晶硅区与所述第二掺杂多晶硅区之间延伸的电阻区，所述电阻区包括至少[1×1016cm-2]的氧浓度。
17.根据权利要求16所述的太阳能电池，其中所述第一掺杂多晶硅区形成在所述硅基板的所述背面的表面上方。
18.根据权利要求17所述的太阳能电池，还包括位于所述硅基板与所述第一掺杂多晶硅区之间的第一中间层。
19.根据权利要求16所述的太阳能电池，其中所述第一掺杂多晶硅区和所述第二掺杂多晶硅区形成在所述硅基板中。
20.根据权利要求16所述的太阳能电池，其中所述硅基板的所述背面具有随机纹理化表面。
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