CN105051910A - 具有渐变掺杂区域的太阳能电池和制造具有渐变掺杂区域的太阳能电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有诸如渐变发射极的渐变掺杂区域的光伏电池，以及一种制造具有诸如渐变发射极的渐变掺杂区域的光伏电池的方法。在表面上调节掺杂以使阻性(I2R)功率损耗最小化。渐变发射极提供薄层电阻在线之间的整体距离内的逐渐变化。渐变发射极分布可以接近金属线具有较低的薄层电阻，并且在距金属线边缘较远时具有较高的薄层电阻。薄层电阻是渐变的，使得在I2R功率损耗由于电流拥挤而最高之处薄层电阻较小。渐变发射极相对于选择性发射极的一个优势是经提高的效率。渐变发射极相对于选择性发射极的另一个优势是使对低薄层电阻区域的金属化的对准更容易。

Description

具有渐变掺杂区域的太阳能电池和制造具有渐变掺杂区域的太阳能电池的方法
技术领域
本发明涉及用于制造太阳能电池，更具体地是具有渐变掺杂区域的太阳能电池的方法的技术，以及制造具有渐变掺杂区域的太阳能电池的方法。掺杂区域可以包括发射极与表面场。
背景技术
太阳能电池又被称为光伏(PV)电池，其将太阳辐射转换成电能。太阳能电池是使用半导体工艺技术制作的，所述半导体工艺技术典型地包括例如对各种材料和层的沉积、掺杂以及蚀刻。典型地，在半导体晶片或衬底上制造太阳能电池，所述半导体晶片或衬底被进行掺杂以在晶片或衬底中形成p-n结。在衬底的表面处被引导的太阳辐射(即光子)令衬底中的电子-空穴对被破坏，导致电子从n掺杂区域到p掺杂区域的迁移(即产生电流)。这创建了衬底的两个相对表面之间的电压差。被耦合到电路的金属接触部收集衬底中生成的电能。图1图示了示范性太阳能电池。
在太阳能电池内，光生电流流到该金属接触部区域。该金属接触部区域可以是线或点或其它特定形状。典型的前接触太阳能电池中，前指状电极(finger)是线。如图2所示，电流流过发射极到达电流收集线，。在图2中，金属线相隔2mm而中点在1mm处。在工业上，金属线的间距典型地在1mm与3mm之间。
在诸如激光烧结背接触部或PERL电池的先进电池结构中，金属接触为点或点状接触部。在发射极环绕穿通(wrapthrough)或金属环绕穿通中，过孔类似于点状接触部。在太阳能源的太阳能电池设计中，利用紧密间隔的点的行来形成后接触部。可以使用其他独特的形状，例如包括星形和雪花样式。
由于来自电池的区域的电流都聚集在金属接触部区域上，因此可能发生电流拥挤。如图3所示，发射极中的电流在从两指状电极之间的中点接近指状电极时近似线性增大。
阻性功率损耗随着发射极中的电流的平方而增大。图3中示出了针对60Ω/□的发射极中的电流的计算机仿真(PC2D)。图4中示出了相同的发射极的I2R功率损耗。图4中还示出了开路的发射极中的载流子复合损耗。该仿真中，电池效率为17.8％。由于功率损耗为p＝I2R，因此靠近金属接触部的电流的增大使电阻功率损耗随电流的平方而增大。
降低该阻性功率损耗的一种简单方法是降低发射极的薄层电阻。然而，这样做增大了发射极中的复合损耗和光学损耗。因此，对于经提高的电压和电流，期望较高的薄层电阻。典型地使用基于银的膏来形成金属线。这样的金属化要求较低的薄层电阻，以与硅产生良好的电接触。
低薄层电阻 高薄层电阻
阻性I2R损耗 降低 增高
硅到金属的接触电阻 降低 增高
复合损耗Voc 增高 降低
光吸收损耗Jsc 增高 降低
总结起来，低薄层电阻(高掺杂)改进I2R功率损耗，并且形成与金属化的良好接触。遗憾的是，低薄层电阻增大复合损耗，降低Voc，并增大光学损耗，降低Jsc。已经做出了许多工作来优化这些相抵触的约束。一种方法被称为选择性发射极。选择性发射极具有金属指状电极下的较低的薄层电阻，以解决发射极与银膏之间的接触电阻问题。
图5图示了选择性发射极电池中的薄层电阻和功率损耗，其中，金属指状电极下的薄层电阻为60Ω/□，而离开金属指状电极的薄层电阻则是90Ω/□。选择性发射极在金属指状电极之间具有均匀的薄层电阻，并且因此显示出较高的I2R功率损耗，这反向减弱了高薄层电阻区域中的较低的复合损耗的益处。模拟电池效率为18.4％，这是从较早的60Ω/□的发射极的提高。
发明内容
包括了对本发明的以下总结，以便提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。该总结并非对本发明的广泛概览，并且因此并不旨在具体识别本发明的重要的或关键的元件，也不旨在勾画本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为以下呈现的详细的说明的前言。
根据本发明的一方面，提供了一种光伏电池，所述光伏电池包括：衬底，其包括渐变掺杂区域；以及多个金属接触部，其与所述渐变掺杂区域的至少部分接触。
所述衬底可以包括硅。所述光伏电池还可以包括与所述多个金属接触部相接触的多条汇流条。
所述渐变掺杂区域可以包括渐变发射极。所述渐变掺杂区域可以包括所述衬底中的掺杂剂的梯度。所述渐变掺杂区域可以包括薄层电阻在相邻的所述多个金属接触部中的两个之间的距离内的逐渐变化。所述渐变掺杂区域的掺杂剂的量在所述衬底的经历电流拥挤的区域处可以是较高的。所述渐变掺杂区域的掺杂剂的量可以被选择使得从所述多个金属接触部中的一个到所述多个金属接触部中的相邻一个存在薄层电阻的逐渐变化。所述渐变掺杂区域的掺杂剂分布可以被选择使得所述衬底靠近所述多个金属接触部中的每个的薄层电阻低于所述衬底在所述多个金属接触部中的每个之间的中点处的薄层电阻。所述渐变掺杂区域可以包括薄层电阻的梯度和薄层电阻的稳定水平。
根据本发明另一方面，提供了一种制造光伏电池的方法，所述方法包括：在衬底中形成渐变掺杂区域；并且在所述衬底上形成多个金属接触部。
形成所述渐变掺杂区域可以包括对所述衬底进行掺杂。所述掺杂可以包括离子注入。所述掺杂可以包括等离子体浸没掺杂。所述掺杂可以包括等离子体网格注入。
所述掺杂可以包括：以梯度分布在衬底中离子注入掺杂剂；并且激活所述掺杂剂。
所述掺杂剂可以被以梯度分布离子注入在所述金属接触部之间。所述梯度分布可以被配置为靠近金属线提供低薄层电阻并且在所述金属线之间提供高薄层电阻。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造光伏电池的方法，所述方法包括：在衬底中离子注入掺杂剂，以形成多个渐变掺杂区域；在所述衬底上形成多条金属线，其中，所述渐变掺杂区域包括在所述多条金属线中的相邻线之间形成的梯度分布。
所述注入可以包括离子注入。所述注入可以包括等离子体浸没掺杂。所述注入可以包括等离子体网格注入。
附图说明
被并入本说明书并组成本说明书的部分的附图对本发明的实施例进行例证，并且与说明书一起用于解释并说明本发明的原理。附图旨在以图示的方式说明示范性实施例的主要特征。附图并不旨在描绘实际实施例的每个特征，也不旨在描绘所描绘的元件的相对尺寸，并且不是按比例画出的。
图1图示了光伏电池。
图2图示了现有技术光伏电池中的电流流动。
图3是图示了现有技术光伏电池中在金属接触部区域处的电流拥挤的图表。
图4是图示了现有技术光伏电池中阻性功率损耗随发射极中电流的平方增大的图表。
图5是图示了现有技术光伏电池的选择性发射极中的薄层电阻和功率损耗的图表。
图6是图示了根据本发明的一个实施例的渐变发射极的图表。
图7是图示了与现有技术的选择性发射器相比，根据本发明的一个实施例的渐变发射极的图表。
图8是图示了根据本发明的一个实施例的渐变射极的掺杂分布的图表。
图9是示出了根据本发明的一个实施例的制造光伏电池的方法的流程图。
图10图示了根据本发明的一个实施例的、用于形成具有图8中示出的掺杂分布的渐变发射基的示范性掩膜。
图11是示出了根据本发明的一个实施例的制造光伏电池的方法的流程图。
图12是将根据本发明的一个实施例的渐变发射极与选择性发射极进行比较的图。
具体实施方式
本发明的实施例指向光伏电池(太阳能)电池，所述光伏电池具有渐变掺杂区域，例如渐变发射极。由于在渐变掺杂区域上功率损耗不均匀，因此用来降低以上描述的功率损耗的较优化的解决方案是降低具有最高电流的区域中的薄层电阻。
渐变掺杂与I2R损耗成比例地降低具有最高电流的区域中的薄层电阻。渐变掺杂可以被用在收集电流和/或经历电流拥挤的任何区域中。本发明的实施例也指向渐变背表面场或针对基极接触部的渐变掺杂。可以通过使掺杂浓度渐变来形成变发射极或其它渐变掺杂区域。薄层电阻总体上与掺杂浓度成比例。渐变掺杂区域的掺杂剂分布可以被选择使得靠近金属接触部存在较低的薄层电阻，而在离金属接触部更远距离处存在较高的薄层电阻。在一些实施例中，掺杂剂分布造成从一个金属接触部到另一相邻金属接触部的薄层电阻的逐渐变化。在一些实施例中，掺杂剂分布造成在金属接触部处和/或在金属接触部之间的中间距离处的薄层电阻的稳定水平，但具有靠近金属接触部的掺杂分布的逐渐变化。
图6是根据本发明的渐变发射极的范例，所述渐变发射极靠近金属收集器具有较低的薄层电阻以用于减小的I2R损耗，而靠近两个金属接触部之间的中点具有较高的薄层电阻。渐变发射极的预测电池效率是18.5％，比选择性发射极稍微提高。
在图7中针对四个指状电极示出了与图6中的渐变发射极相对应的掺杂模式。图8示出了对选择性发射极的薄层电阻与渐变发射极的薄层电阻的比较的图示。在图8中示出了四个金属指状电极以及在金属指状电极中的每个之间的发射极的薄层电阻。在两种情况下，都降低金属下面的薄层电阻以改进金属的接触电阻。在图8中，金属下面的薄层电阻为60Ω/□。应当理解，可以选择或使用不同的膏来生成较高的薄层电阻。如果选择性发射极的情况下，金属必须与之对齐的60Ω/□的薄层电阻线的宽度小于200微米，所述薄层电阻线是难以对齐的目标。相比之下，由于更平缓的薄层电阻变化，由于较缓和的薄层电阻的变化，本发明的渐变发射极具有500微米或更大的宽度，以使金属线与之对齐。
细的指状电极可以利用烧穿膏而被丝网印制，所述烧穿膏蚀刻穿过顶层电池钝化层以与硅接触。与指状电极垂直的汇流条穿过渐变掺杂的高薄层电阻区域。如果汇流条是利用相同的烧穿膏以相同的丝网印制形成的，则汇流条的金属可以使太阳能电池分流。因此，汇流条可以利用非烧穿膏而被单独地印制，以避免接触高薄层电阻区域中的硅。
参考回到图1，示出了根据本发明的实施例的光伏电池100。光伏电池100包括基极104、多条线108以及汇流条112。应当意识到，光伏电池可包括比图1所示的更少或更多的线108，并且如图1所示光伏电池可以包括多于一条汇流条112。基极104包括衬底116以及在衬底116上形成的钝化层120。在钝化层120中形成线108。汇流条112形成在线108和钝化层120上。接触部124形成在衬底的与线108和汇流条112相对的侧上。
线108为该电池前表面上的线状接触部。线108是金属指状电极，所述金属指状电极典型地大约100μm宽，并在电池的表面上每1.5至2.5mm地被定位。线108收集在线之间的区域中生成的电流。应当意识到，虽然图1与图2中的光伏电池100被描绘有金属线108(即线状接触部)，但如本领域技术人员已知的，其他形状也可以被用于接触部，包括例如点状、小点状、圆圈、星形、雪花等。
渐变掺杂区域128形成在衬底104中。在一个实施例中，渐变掺杂区域128为渐变发射极。渐变掺杂区域128提供薄层电阻在线108之间的整个距离内的逐渐变化。在一些实施例中，渐变掺杂区域的分布靠近金属线具有较低的薄层电阻，而在较远离金属导线边缘(即在线108之间的中点处)具有较高的薄层电阻。
通过对衬底104进行掺杂来形成渐变掺杂区域128。可以使用任何已知的掺杂剂，包括例如硼、磷、砷、锑等。在一个实施例中，这些注入物的浓度小于1E15cm-2。图8图示了本发明的渐变发射极128的示范性掺杂分布。应当意识到，掺杂分布可以与图7所示的不同。
图8中示出了示范性渐变发射极与典型的现有技术的选择性发射极的比较。在该范例中，金属线或指状线从0mm开始每2mm被定位。在具有渐变发射极的电池中，在指状电极之间的距离上存在薄层电阻的逐渐变化。相反，选择性发射极具有在指状电极之间的距离上的薄层电阻的方波。在一些实施例中，渐变发射极可以具有在高薄层电阻处的稳定水平的薄层电阻。该稳定水平能根据方波选择性发射极而被区别开，这是因为靠近金属指状电极的逐渐变化。
图9图示了根据本发明的一些实施例的制造具有渐变发射极的光伏电池的方法。如图9所示，方法600包括：在衬底中形成渐变发射极(渐变掺杂区域)(方框904)，并且在渐变发射极(渐变掺杂区域)的至少部分上形成金属接触部(方框908)。
在一些实施例中，通过离子注入使用渐变掺杂形成渐变掺杂区域。根据本发明的实施例，存在多个可以被使用的离子注入工具。
可以被用来形成渐变发射极的示范性注入器是点射束。点射束可以是直径在几厘米到几分米之间的任何尺寸或尺寸范围。点射束衬底的整个表面上成栅格。典型地对栅格样式进行优化以在注入的块的整个表面上产生均匀的掺杂浓度。然而，栅格样式可以被修改以在衬底上选择性地形成渐变掺杂特征。
另一示范性注入器具有细长矩形射束，其也可以是光栅衬底。如果点足够细，则可以对射束或晶片的扫动速度，或者射束电流(或全部两者)进行调制，以在衬底上选择性地形成渐变掺杂特征。
另一示范性注入器是宽射束注入器。使用宽射束注入器是有利的，这是因为其提供非常高的生产力。等离子体浸没注入是常见的宽射束注入方法。在等离子体浸没注入中，衬底被偏置以将流动的掺杂离子吸引到衬底。这些系统中的注入是非共形的，这是因为这些系统典型地具有非常有限的可用离子光学元件，并且因此不能以离子光学方式操纵。然而，可以使用掩模来实施渐变掺杂，所述掩膜在衬底上提供不同的掺杂区域。在共同转让的美国专利申请No.13/024251(2011年2月9日)中公开了宽射束注入与掩模一起用来提供不同的掺杂区域，在这里通过引用将其整体并入。
在一些实施例中，天线可以被定位在晶片下方以提供对衬底区域的选择性偏置，从而提供对掺杂剂离子的局部吸引。天线可以是许多不同形状的，以实现在衬底上或在衬底主体内的期望的渐变掺杂剂分布。在一些实施例中，每个天线可以具有多个元件，所述多个元件以电压并以时间顺序两者被不同地偏置，以提供变化的离子剂量、能量和种类。一些天线源元件可以被用来阻止离子掺杂特定的区域，并且因此在剂量上和深度上都实现突然被掺杂的区域。面对等离子掺杂剂的前表面上的吸引电位的形状可以被操纵，以提供几乎任何最终的掺杂和其他种类的注入样式。这样的天线可以是任何形状，并且具有如期望的渐变掺杂所要求的其它独特特征。
等离子体网格注入(PGI)技术是另一宽射束注入技术，其通过栅极中的多个开口从等离子中提取多个射束，所述栅极将离子加速到衬底。例如在2010年6月22日提交的题为“IonImplantSystemHavingGridAssembly”的共同转让的美国专利申请No.12/821053中公开了等离子体网格注入技术，在这里通过引用将其整体并入。可以将以上描述的方法中的任何方法或以上方法的组合与等离子体网格注入(PGI)组合，以实现渐变掺杂或注入。
栅极中的开口也可以被用来使被注入到晶片表面中的离子的样式成形。从多个开口的栅极发出的多个小射束的存在可以被以光学的方式操纵成所需的形状。这些可以是线的形状、点的形状或其它独特的形状。可以使用多个元件或栅极来进一步使小射束成形为期望的种类的分布和尺寸。离子光学模拟显示，对于期望的离子化电流，可以利用多个离子光学元件来实现小到几微米或大到几厘米的尺寸。可以如ChildLangmuir定律所描述的由空间电荷来指定每个小射束内的分布，并且每个小射束内的分布取决于所施加的电压和电流，
P ∝ V 3 / 2 I 2
如果晶片经过宽离子射束，则掩模可以被用来创建渐变掺杂和渐变薄层电阻。图10中示出了将得到图7中图示的渐变掺杂的掩模的范例。当晶片在掩模下竖直通过时宽离子射束将覆盖整个掩模。最高的累积剂量将出现在掩模开口的最大部分处，而最小的掺杂将出现在开口的最窄部分处。
通过调节多个栅极开口的形状、尺寸和距离以及衬底定位，可以有利地使用这样的物理现象。在一些实施例中，衬底下的(一个或多个)天线与对离子射束光学器件的栅极操纵的组合可以被用来形成(一个或多个)渐变发射极。在一些实施例中，可以通过改变掩膜距晶片表面的高度使用掩膜来形成(一个或多个)渐变发射极。
在对掺杂剂的注入之后，衬底被退火并且掺杂剂被激活。后续的退火和掺杂剂激活方法也可以被用来进一步地引入对渐变选择性的成形，引入掺杂剂和其它核素。存在可以被用于退火和掺杂剂激活的许多方法，包括例如对退火炉与烤箱中的整个衬底的包裹式均匀加热(blanketuniformheating)。在一些实施例中，也可使用或备选地使用对衬底层的上表面的局部加热。在一些实施例中，可以使用快速热退火。在快速热退火中，使用一堆高强度灯在非常快的时间期间将最上表面加热到极高温度。所述灯可以形成独特的形状，以选择性地加热表面，并且因此在横向以及在衬底的主体中实现渐变掺杂。
图11图示了根据本发明的一些实施例的制造具有渐变掺杂区域(例如渐变发射极)的光伏电池的另一方法。如图11所示，方法1100包括：在衬底中离子注入掺杂剂，以形成多个渐变掺杂区域(渐变发射极)(方框1104)，并且在衬底上形成多条金属线，其中，渐变掺杂区域(渐变发射极)包括在多条金属线中的相邻线之间形成的梯度分布(方框1108)。
将意识到，渐变掺杂区域可以被用来针对给出的阻性功率损耗允许指状电极的更宽的间距，减少掩膜和银膏的消耗。
对于圆点接触部，电流拥挤更加严重。如图12所示，由于电流被迅速地收集，靠近圆金属接触部的电流密度变得非常高，使I2R功率损耗恶化。如图12所示，快速渐变的掺杂为圆点接触部提供改进。如图12中显示，两种发射极都具有相似的总复合损耗，但渐变发射极的I2R功率损耗只是均匀发射极的一半。
应当理解，本文中描述的过程和技术并不固有地涉及任何具体装置，并且可以通过部件的任何适合的组合来实现。此外，可以根据本文中描述的教导来使用各种类型的通用设备。已经关于具体范例描述了本发明，所述具体范例从各个方面来说都旨在是说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员将意识到，许多不同的组合都将适合于实践本发明。
此外，本领域技术人员根据对说明书的理解和对本文中所公开的发明的实践，将意识到本发明的其它实现方式。所描述的实施例的各个方面和/或部件都可以被单独使用，或者也可以任何组合来使用。说明书和范例旨在被认为仅是示范性的，，而本发明真正的范围与精神是由权利要求书来指示的。

Claims (22)

1.一种光伏电池，包括：
衬底，其包括渐变掺杂区域；以及
多个金属接触部，其与所述渐变掺杂区域的至少部分接触。
2.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述衬底包括硅。
3.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述渐变掺杂区域包括渐变发射极。
4.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述渐变掺杂区域包括所述衬底中的掺杂剂的梯度。
5.根据权利要求1所述的光伏电池，还包括多条汇流条，所述多条汇流条与所述多个金属接触部接触。
6.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述渐变掺杂区域包括薄层电阻在相邻的所述多个金属接触部中的两个之间的距离内的逐渐变化。
7.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述渐变掺杂区域的掺杂剂的量在所述衬底的经历电流拥挤的区域处是较高的。
8.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述渐变掺杂区域的掺杂剂的量被选择使得从所述多个金属接触部中的一个到所述多个金属接触部中的相邻一个存在薄层电阻的逐渐变化。
9.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述渐变掺杂区域的掺杂剂分布被选择为使得所述衬底的靠近所述多个金属接触部中的每个的薄层电阻低于所述衬底的在所述多个金属接触部中的每个之间的中点处的薄层电阻。
10.根据权利要求1所述的光伏电池，其中，所述渐变掺杂区域包括薄层电阻的梯度和薄层电阻的稳定水平。
11.一种制造光伏电池的方法，包括：
在衬底中形成渐变掺杂区域；并且
在所述衬底上形成多个金属接触部。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述渐变掺杂区域包括对所述衬底进行掺杂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述掺杂包括离子注入。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述掺杂包括等离子体浸没掺杂。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述掺杂包括等离子体网格注入。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述掺杂包括：
以梯度分布在衬底中离子注入掺杂剂；并且
激活所述掺杂剂。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述掺杂剂被以梯度分布离子注入在所述金属接触部之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述梯度分布被配置为在接近金属线处提供低薄层电阻并且在所述金属线之间提供高薄层电阻。
19.一种制造光伏电池的方法，包括：
在衬底中离子注入掺杂剂，以形成多个渐变掺杂区域；
在所述衬底上形成多条金属线，
其中，所述渐变掺杂区域包括在所述多条金属线中的相邻线之间形成的梯度分布。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述注入包括离子注入。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述注入包括等离子体浸没掺杂。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述注入包括等离子体网格注入。
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