CN105144409A - 背接触式太阳能电池及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于太阳能电池的背表面接触的方法，所述太阳能电池的衬底基本上由硅组成，其中铝层(2)至少在一些区域中被施加于衬底的背表面上的铝层，由此形成掺杂硅和具有硅和铝的共晶体的铝层(2a)以及作为背表面场(BSF)的掺杂铝的硅层(2b)。随着太阳能电池到电导体(5)的接合连接(6)，铝层的孔隙率同时减小。本发明还涉及一种借助于所述方法生产的背接触式太阳能电池。
Description
本发明涉及一种用于半导体元件的背表面接触的方法，所述半导体元件具有基本上由硅组成的衬底、至少部分地被施加于衬底背表面上的铝层，并且形成具有硅和铝的共晶体的掺杂硅的铝层和作为背表面场(BSF)的掺杂铝的硅层。因此随着半导体元件接合连接到电导体，同时实现铝层孔隙率的减小。根据本发明，也提供了背表面接触式半导体元件，该元件可以利用上述方法来生产。
在半导体生产、特别是太阳能电池生产中，出于生产成本的原因，烧结金属接触件被用在电池的前表面和/或背表面上。
通常，在太阳能电池的生产期间经受通过热处理的烧结工艺的大面积铝层位于硅太阳能电池的背表面上，由于该烧结工艺，同时产生了由所谓背表面场(BSF)引起的太阳能电池背表面钝化。
在烧结期间，与硅衬底直接接触的铝层在铝层和硅衬底之间的界面处融化并且与相邻硅衬底形成合金。在冷却期间，高度掺杂Al的硅层在晶片(即衬底)的背表面上外延地固化。与此同时，富硅Al层在Al层上固化并且在冷却过程的最后，Al-Si共晶体在高度掺杂Al的层和富硅层之间固化。高度掺杂铝的硅层导致太阳能电池背表面的钝化。由于高度掺杂Al，在该层的半导体材料中形成过量的带负电的静止Al受体，由所述Al受体产生驱赶少数载流子的电场(所谓的BSF)。
如果铝层在太阳能电池的或衬底的整个背表面上延伸，则由于直接在铝背表面上焊接例如涂锡或非涂锡的金属连接件、特别是铜连接件不太容易是可能的，因此存在技术性的焊接问题。尽管如此，为了实施所需的电接触，通常通过丝网印刷、移印(tamponprinting)或者其他适合的印刷工艺将银接触带导体或焊盘(选择性银接触件)直接施加于衬底表面上，并且使用焊料(通常是锡合金)覆盖物将涂锡铜带焊接到衬底表面上。因此，在焊接接触件的区域中形成了铝层凹陷，其结果是在该区域中不能形成BSF，使得太阳能电池背表面不能完全地被电钝化并且因此产生局部的小光电流。通过整个表面的铝金属化，开路电压(Uoc)和标称电压(Umpp)增大，因此能够预期更高的功率。
由于几个原因，将接触带直接焊接在铝层上不是非常容易的。一个原因在于Al颗粒的氧化表面。另一个原因是由于烧结工艺而没有以足够连贯的程度形成铝表面。因此，在烧结工艺期间，在掺杂Si的合金层上产生了Al颗粒形式的Al层(烧结层)，这些Al颗粒由独立的球形颗粒烧结在一起，在该烧结层中，没有由铝制成的完整合成物而是较疏松的烧结合成物，其根据铝浆的成分或烧结期间的工艺参数而或多或少是多孔的。
尽管如此，如果能够焊接到该烧结的铝层上，但是由于多孔性则将仅提供非常差的保持力并且由此会产生层的不稳定性。该较差的保持力表现为大约0.2到0.8N的低剥离力，烧结层被撕开使得在撕开点的两侧，颗粒的球形结构变得明显。如果铝层上的焊接连接受到在工作条件下作用在模块中的剪切力的话会发生相同的情况。结果能够是导致焊点的较差持久性的微裂隙并且还能够导致较高过渡电阻，或者连接会整体脱落，机械接触和电接触完全被破坏。
从US2011/0065231A1、US2011/272453A1、US2011/204126、US2011/132451A1和US2008/308892A1中已知基于使用锡基焊接在太阳能电池的铝层上的超声波辅助焊接的方法。由此获得的焊点的机械强度在此是有问题的。在许多情况下，结果是即使在低压力下铝层也会破裂。
由此，本发明的目标在于在半导体元件和电导体之间的连接的机械强度的方面改进从现有技术已知的用于电接触的方法。
通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求10的特征的半导体元件实现该目标。另外的从属权利要求展示了有利的发展。
根据本发明，提供了一种用于半导体元件的背表面接触的方法，所述半导体元件具有基本上由硅组成的衬底和至少在一些区域中被施加于衬底的背表面的铝层，并且形成具有带有硅和铝的共晶体的掺杂硅的铝层(第一中间层)和作为背表面场(BSF)的掺杂铝的硅层(第二中间层)，所述方法具有以下步骤：
·减小在为电接触设置的区域中的铝层的孔隙率以提高这些区域中的粘附力，
·借助于焊接工艺至少在一些区域中将至少一个电导体接合连接到为电接触设置的半导体元件的区域，以在电导体和第一中间层和/或第二中间层之间产生电接触，
因此同时实现孔隙率的减小与接合连接。
根据本发明的方法的一个主要优点基于以下事实：相对于从现有技术中已知的方法能够消除一个操作步骤，这导致了半导体元件生产成本的降低。另一个优点基于以下事实：产生了在软焊区域中在铝上焊接的可能性，而且通过铝的压缩或压紧而显著地增大焊点粘附力。
通过使为电接触设置的区域经受超声波来优选地提供孔隙率的减小。此外能够通过施加压强来协助该超声波的冲击。
应该理解的是，通过施加压强，使得能够在焊点处压缩铝并且由此在该区域压紧(compact)铝层的任何方法都在本发明的范围内。例如作为优选变型，本文中包括通过使用超声波探头在半导体元件上在焊点区域中施加力来施加压强。由此能够使用圆形或矩形超声波焊极(相对于探头的接触表面)。
为了施加压强，能够使用压强区域，所述压强区域允许焊点处铝的压缩和因此在该区域中铝层的压紧。该压强(单位半导体元件表面面积上的力)优选地从0.001巴(N/mm2)到20巴，优选地从0.01巴到2巴并且特别优选地从0.05巴到1巴。
用于施加压强的力由此优选在最大达到30N、优选地最大达到15N并且特别优选地最大达到10N。非常特别优选从0.1N到6N。通过在施加压强期间调节力，由此能够调节焊接材料进入半导体元件中的深度。例如，使用大约0.1N到2N的力，焊料仅能够贯穿铝层，使用大约2N到4N的力，除此之外第一、第二中间层能够被焊料贯穿，而使用4N到6N的力，能够使焊料进入直到背表面场(BSF)。
另外，优选的是，由于超声波的影响，铝层表面固有的氧化层至少在一些区域中被机械地打碎。
根据本发明的方法的一个优选实施例提供了通过使焊料进入铝层中并且使焊料在为电接触设置的区域中贯穿铝层直到中间层来实现孔隙率的减小。
优选地，同时实现机械打碎氧化层和焊料贯穿铝层。
焊接工艺优选地选自：可能具有压强变化的超声波焊接和超声波辅助焊接、以及导电胶合。焊料的材料优选地选自：锡、锌、铋、铅、银或它们的合金。
能够根据从现有技术中已知的方法来实施将铝层施加于半导体元件上。因此，所述施加也能够由铝浆例如通过丝网印刷、LFC丝网印刷(激光烧制接触，LFC)、借助于物理气相沉积(PVD)、借助于LFC-PVD或借助于箔应用来实现。
根据本发明，提供了一种背表面接触半导体元件，其具有硅衬底、背表面铝层和布置在它们之间的具有硅和铝的共晶体的掺杂硅的铝层(第一中间层)和被设置为背表面场(BSF)的掺杂铝的硅层(第二中间层)，铝层通过电导体至少在一些区域中与焊料接触，并且与在没有接触的区域中的相比，在接触区域中的铝层具有更低的孔隙率。
在接触区域中，铝层优选地至少在一些区域中被焊料贯穿，使得借助于焊料，第一中间层和/或第二中间层和电导体存在电连接。
铝层和焊料之间的粘附力优选为至少1N/mm。该粘附力因此根据DINEN50461来测量。
优选地，焊料的材料选自：锡、锌、铋、铅、银或它们的合金。
背表面接触式半导体元件优选地可以根据前述方法来生产。
在不希望将根据本发明的主题限制于此处示出的特定实施例的情况下，参照附图会更详细阐述根据本发明的主题。
图1以截面图示出了根据本发明的半导体元件的第一变型。
图2以截面图示出了根据本发明的半导体元件的另一变型。
图3以截面图示出了根据本发明的半导体元件的另一变型。
图4示出了根据本发明的半导体元件的另一变型的截面图。
在图1中图示了根据本发明的半导体元件的第一实施例。在半导体元件、例如硅基太阳能电池1的生产期间，对晶片背表面上除了焊接接触点/焊盘3之外的整个区域上施加了专用的多孔铝浆2。除了去除所产生的多数载流子之外，作为第二功能，铝层还实现了作为第二中间层的所谓的背表面场(BSF)2b的形成。同时，铝和硅的共晶体2a被形成为第一中间层。其位于多孔铝浆2和BSF2b之间。一共在三个步骤中将各种浆料施加到晶片上，在这些步骤中的每个之后，印刷膏被加热到250℃以使所含溶剂能够蒸发。在晶片加工的最后，这仍然不能起作用，而是必须在最后一个步骤中经过“快烧工艺”，晶片被短时加热到大约800℃。该步骤用于产生半导体接触。在晶片被加工成成品太阳能电池期间，所施加的铝层保持在多孔状态。
在图2中图示了根据本发明的半导体元件的另一变型，其中与图1相比，该变型没有焊接接触点并且在此实现了扁平线5在铝层上的直接接触，铝在接触点处被压紧。
在图3中图示了根据本发明的半导体元件的一个实施例，其中使用焊接接触件6实施了铝层预焊。通过该加工步骤以浆料状态存在的铝被压紧，压紧的程度直到铝和硅共晶。铝的压紧由此在这些点处增大了所施加的焊点的粘附力。同样地，由于在共晶体中存在最大的传导率，因此增大了电耦合。
在图4中图示了根据本发明的半导体元件的另一实施例，与图3类似，该部件提供了铝层预焊。但是在图4中，所述焊接接触件6远至BSF2b。铝在这些点处的压紧产生了比图3中描述的所施加的焊点的粘附力更大提高的粘附力，并且由于接触件贯穿(2、2a、2b)因此也与所有层接触而产生了共晶体中的电耦合的优点。
Claims (14)
1.一种用于半导体元件的背表面接触的方法，所述半导体元件具有基本上由硅组成的衬底(1)和至少在一些区域中被施加在所述衬底的背表面上的铝层(2)，并且形成有具有硅和铝的共晶体的掺杂硅的铝层(第一中间层2a)和作为背表面场(BSF)的掺杂铝的硅层(第二中间层2b)，所述方法具有以下步骤：
●减小为电接触设置的区域中的所述铝层(2)的孔隙率，以提高这些区域中的粘附力，
●借助于焊接工艺至少在一些区域中将至少一个电导体(5)接合连接到所述半导体元件的为电接触设置的区域，以在所述电导体(5)和所述第一中间层(2a)和/或所述第二中间层(2b)之间产生电接触，
所述孔隙率的减小与所述接合连接同时实现。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，通过使所述为电接触设置的区域经受可能具有压强变化的超声波来实现孔隙率的减小。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，由于所述超声波的影响，所述铝层(2)表面固有的氧化层至少在一些区域中被机械地打碎。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，通过使焊料进入所述铝层(2)中并且使所述焊料在所述为电接触设置的区域中贯穿所述铝层(2)直至所述第一中间层(2a)和/或所述第二中间层(2b)来实现孔隙率的减小。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，同时实现所述氧化层的机械打碎和所述焊料贯穿所述铝层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，焊接工艺选自：可能具有压强变化的超声波焊接和超声波辅助焊接，以及导电胶合。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，所述焊料的材料选自：锡、锌、铋、铅、银或它们的合金。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，借助于丝网印刷、借助于LFC丝网印刷、借助于物理气相沉积(PVD)、借助于LFC-PVD或借助于箔应用以浆料的形式将所述铝层(2)施加在所述半导体元件上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，所述半导体元件是太阳能电池。
10.一种背表面接触式半导体元件，其具有硅衬底、背表面铝层(2)和布置在它们之间的具有硅和铝的共晶体的掺杂硅的铝层(第一中间层2a)和作为背表面场(BSF)的掺杂铝的硅层(第二中间层2b)，所述铝层(2)通过电导体至少在一些区域中与焊料接触，并且与在没有接触的区域中的相比，在所述接触区域中的铝层(2)具有更低的孔隙率。
11.根据权利要求10所述的半导体元件，
其特征在于，在所述接触区域中，所述铝层(2)至少在一些区域中被所述焊料贯穿，并且借助于所述焊料，所述第一中间层(2a)和/或所述第二中间层(2b)与所述点导体(5)存在电连接。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的半导体元件，
其特征在于，根据DINEN50461测量的所述铝层(2)和焊料之间的粘附力为至少1N/mm。
13.根据权利要求10到12中任一项所述的半导体元件，
其特征在于，所述焊料的材料选自：锡、锌、铋、铅、银或它们的合金。
14.根据权利要求10到13中任一项所述的半导体元件，其能够根据权利要求1到9中任一项来生产。
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