CN107430981A - 激光加工的背触异质结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种叉指型太阳能电池可以提供异质结或隧道结发射极和基极触点，所述触点包括激光加工区域，所述激光加工区域将所述基极触点电耦合至衬底。用于制造这种太阳能电池以提供叉指型背触点的方法可以利用激光加工来形成与所述发射极隔离的激光加工区域。激光加工可以包括激光掺杂、激光烧结、激光转印、激光转印掺杂、激光接触和/或气体浸没激光掺杂。

Description

激光加工的背触异质结太阳能电池
相关申请
本申请要求于2015年3月13日提交的美国临时专利申请号62/132,881的权益，所述美国临时专利申请通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及叉指型背触(IBC)式太阳能电池。更具体地，涉及用于制造具有异质结或隧道结发射极的IBC太阳能电池的系统和方法。
背景技术
所期望的被称为叉指型背触(IBC)电池的太阳能电池几何结构包括半导体晶圆以及与具有p型和n型掺杂的区域重合的交替线(叉指型条)。这种电池几何结构具有通过将这两个触点都放在未被照亮的晶圆的后侧上来完全消除遮光损失的优点。进一步地，触点更易于与后表面上的两个触点互连。
另一种期望的太阳能电池架构涉及使用硅异质结或隧道结触点。这种架构的众所周知的示例为HIT(带有本征薄层的异质结)电池结构。在具有这种结构的常规前发射极形式中，硅晶圆通过薄本征氢化非晶硅(a-Si:H)层在两侧上接触，所述薄本征氢化非晶硅层充当表面钝化层和电荷载流子传输层。在电池的前部，应用了被掺杂为与基极衬底相反掺杂极性的半导体层，从而形成异质结发射极。在电池的后部，应用了被掺杂为与基极衬底相同掺杂极性的半导体层，从而形成基极触点。然后，可以使这些层与透明或金属导电层接触以便从太阳能电池中提取电流。在隧道结电池中，使用薄的高带隙材料来替代本征a-Si:H层。在异质结电池的情况下，经由本征a-Si:H层中的带传导机构发生电荷载流子运输，而在隧道结电池的情况下，经由量子力学隧穿发生电荷载流子运输。尽管有这种差异，但是这些电池借助类似的机构运行，并且重要的是，因为其不需要掺杂剂扩散而可以以低温工艺制造。
因为常规异质结或隧道结太阳能电池仍需要前侧触点，所以其无法实现出色的效率。首先，在前侧存在触点由于提取所生成电流的必要金属栅格对入射光的阻挡或遮蔽而降低了效率。此外，前电触点的存在要求应当针对电气性质、光吸收性质和钝化性质而同时优化电池的前部，这经常产生影响电池性能的折衷。
目前，具有最高效率的硅太阳能电池是基于将叉指型全背触结构与硅异质结触点相结合的太阳能电池。松下(Panasonic)最近报告了利用这种设备结构获得了创纪录的25.6％的转换效率(Masuko等人，40th IEEE Photovoltaic Specialists Conference(第40届IEEE光伏专家会议)，2014年6月8日至13日，科罗拉多州丹佛市)。在同一会议上，夏普(Sharp)报告了利用相似的设备结构获得了25.1％的效率(Nakamura等人，40th IEEEPhotovoltaic Specialists Conference(第40届IEEE光伏专家会议)，2014年6月8日至13日，科罗拉多州丹佛市)，并且日能(SunPower)利用使用常规扩散工艺制作的叉指型背触(IBC)硅太阳能电池获得了25.0％的效率(Smith等人，40th IEEE PhotovoltaicSpecialists Conference(第40届IEEE光伏专家会议)，2014年6月8日至13日，科罗拉多州丹佛市)。虽然未详细讨论对这些高效率IBC太阳能电池的加工，但是制造成本有可能相对较高，因为在每种情况下可以应用的已知加工技术看起来都有点复杂，需要各种掩模和真空加工步骤。
虽然清楚的是，背触异质结发射极太阳能电池可以产生最高的效率，但是需要用于采用消除与多个工艺和对准步骤相关联的成本的方式来生产这些电池的改进方法。此外，需要生产具有低接触电阻的异质结或隧道结发射极背触电池。
发明内容
在一个实施例中，形成了一种异质结发射极背触太阳能电池，所述太阳能电池具有包括异质结的发射极以及包括激光加工触点的基极触点。在一些实施例中，激光加工触点可以是激光烧结的或激光掺杂的。在一些实施例中，可以利用激光转印掺杂来形成激光加工触点。在一些实施例中，可以利用气体浸没激光掺杂(GILD)来形成激光加工触点。
在又另一个实施例中，用于接触发射极的金属沉积步骤与用于激光加工触点的金属沉积步骤相结合。在另一个实施例中，通过激光工艺(如采用期望图案对金属进行激光转印或激光烧蚀以移除金属的不期望区域)来对用于接触发射极和激光加工触点区域的金属进行图案化。在另一个实施例中，发射极占据电池的后表面区域的60％或更多。
在另一个实施例中，形成了一种背触太阳能电池，所述背触太阳能电池具有包括异质结或隧道结的发射极，并且通过激光转印工艺形成了叉指型金属指状物。随后，通过激光烧结或掺杂穿过基极叉指形成了基极触点。
在另一个实施例中，形成了一种背触太阳能电池，所述背触太阳能电池具有包括异质结或隧道结的发射极，并且使用破坏在激光加工基极触点附近的异质结或隧道结的激光烧结或掺杂条件来形成基极触点。
在另一个实施例中，通过对触点同时进行激光烧结或激光掺杂的激光转印掺杂工艺来形成激光加工触点。
在一些实施例中，可以利用或窄线形激光束或小高斯激光束(其中的任何一者都可被时间整形)来或者烧蚀、转印掺杂剂、金属或其他材料；或者激光掺杂或激光烧结局部p+或n+触点。所述激光束还可以用于对导电层进行沉积或图案化。
在又另一个实施例中，具有叉指型背触点的太阳能电池可以配备有基极触点和发射极。太阳能电池的后表面可以提供通过隔离间隙与基极触点分离的异质结发射极或隧道结发射极。基极触点可以提供激光加工区域，其中，掺杂剂或金属材料提供与衬底的电耦合。激光加工导致激光加工区域通过所产生的烧蚀或隔离间隙而与异质结发射极或隧道结层隔离。在一些实施例中，隔离间隙可以可选地延伸穿过掺杂半导体层、异质结层和/或隧道结层的一部分或全部。进一步地，隔离间隙可以可选地延伸到衬底的一部分中。在一些实施例中，钝化或绝缘层可以存在于基极触点区域与发射极区域之间。在一些实施例中，介电层可沉积在基极触点区域上。可以将一个或多个金属层施加到基极触点区域和发射极区域上。
上文非常概略地给出了本公开的各个特征，以便可以更好地理解随后的详细描述。下文将描述本公开的附加特征和优点。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参照结合描述本公开的具体实施例的附图进行的以下描述，其中：
图1是针对太阳能电池的说明性工艺流程；
图2是具有金属触点隔离的电池结构的说明性侧视图；
图3是具有金属触点隔离和附加图案化金属触点的电池结构的说明性侧视图；
图4是具有激光烧结穿过介电层的基极触点的电池结构的说明性侧视图；
图5是具有金属触点和掺杂半导体层隔离的电池结构的说明性侧视图；
图6是具有对沉积层的完全隔离的电池结构的说明性侧视图；
图7是移除了激光烧结触点区域中的半导体掺杂层的电池结构的说明性侧视图；
图8是电池结构的说明性底视图；
图9a至图9d是激光烧结图案的说明性底视图；并且
图10示出了激光转印系统的实施例。
具体实施方式
现在参考附图，其中，所描绘的元件不一定是按比例示出的，并且其中，贯穿许多视图，相同或相似的元件由相同的参考号来表示。
总体上参考附图，将理解的是，图示是出于描述本公开的具体实施方式的目的，并且并不旨在限制于此。虽然在此使用的大多数术语将是本领域普通技术人员可识别的，但应当理解的是，当未被明确限定时，术语应当被解释为采用本领域普通技术人员目前可接受的意义。
应当理解的是，前述概括描述和以下详细描述都仅是示例性和解释性的，并且不限制所要求保护的本发明。在这种应用中，除非另外特别声明，否则使用单数包括复数，单词“一个(a)”或“一个(an)”意指“至少一个”，并且使用“或”意指“和/或”。而且，使用术语“包括(including)”以及其他形式(诸如“包括(includes)”和“包括(included)”)是非限制性的。同样，除非另外特别声明，否则术语如“元件”或“部件”涵盖包括一个单元的元件或部件以及包括多于一个单元的元件或部件两者。
图1是用于制造激光接触异质结或隧道结太阳能电池的流程图的说明性实施例。选择合适的衬底(步骤100)并且将其引入工艺中。所述合适的衬底可以是任何适宜大小或形状的半导体晶圆。合适的半导体的非限制性示例包括IV族半导体(如硅或锗)；III-V族半导体(如砷化镓或磷化铟)；以及II-VI族半导体(如碲化镉)。在一些实施例中，衬底厚度优选地等于或小于约1mm。可以对半导体晶圆的表面进行抛光。在太阳能电池应用的一些实施例中，可能优选的是，起始晶圆具有被纹理化(可选步骤110)以促进光吸收的表面。可以通过机械手段、激光工艺、化学蚀刻工艺等来应用表面纹理。在硅晶圆的一些实施例中，优选的表面纹理可以包含如通过使用含有KOH或NaOH的碱性溶液结合表面活性剂(如醇类)进行的处理而获得的对主要<111>和<110>刻面的暴露。在一些实施例中，可以通过使用各种蚀刻剂进行的处理来使表面化学平滑。可以使用含氢氧化物的蚀刻剂(如NaOH、KOH、TMAH(氢氧化四甲基铵)、其组合等)来对具有由晶圆切割工艺产生的粗糙纹理的起始晶圆进行化学平滑。这些蚀刻剂的浓度可以大于10％，并且可以在等于或大于50℃的温度下进行蚀刻。所得到的表面相对于起始粗糙表面基本上是平滑的，但是可能仍含有凹坑、凹陷或表面起伏。
作为非限制性示例，晶圆的表面可以被纹理化成具有非常精细的特征(也被称为纳米级纹理或黑硅)以产生梯度折射率。在一些实施例中，抗反射蚀刻工艺可以是包括催化金属或蚀刻化学过程的单阶段工艺。在一些实施例中，抗反射蚀刻工艺可以是多阶段工艺，包括：用于在衬底上沉积金属的催化金属沉积阶段以及对衬底的(多个)表面进行纹理化以减小反射率的蚀刻阶段。在一些实施例中，可以利用包括与如此处进一步所讨论的蚀刻阶段相似的步骤的薄层流体工艺来发生催化金属沉积阶段。在一些实施例中，催化金属可以作为在衬底表面上还原或电镀的前体而存在于沉积流体中。作为非限制性示例，优选的催化金属溶液包含催化金属和含氟化合物(如氢氟酸)，所述含氟化合物被分配和/或分散到衬底上的薄流体层中以便在衬底上沉积催化金属。在一些实施例中，沉积流体分散或扩散到具有5mm或更小的厚度的薄层中。在其他实施例中，沉积流体分散或扩散到具有1.5mm或更小的厚度的薄层中。通过控制衬底的第一表面与分散机构的和第一表面相反的相对表面之间的分隔距离来控制沉积流体薄层的厚度。在催化金属沉积阶段，沉积流体可以保持与衬底接触约5秒到5分钟。在催化金属沉积阶段之后，已经在衬底的部分上沉积了金属催化剂，并且抗反射蚀刻工艺可以继续到蚀刻阶段，以便对衬底的表面进行纹理化，在所述表面处，在衬底上沉积金属催化剂。
衬底可以在前和后表面上具有不同表面纹理。前表面可以被纹理化以便促进光吸收，而后表面可以被纹理化或平滑化以便促进与接触和激光烧结工艺的相容性。前表面可以具有如上所讨论的纹理，而后表面可以是通过机械抛光、化学机械抛光(CMP)或化学蚀刻获得的名义上平滑的表面。可以通过任何常规手段实现前面和背面上的不同纹理。可以通过使用保护涂层来保护表面之一同时将衬底浸入处理浴或在腔室中进行加工来使不同表面经受不同处理。可以通过保持衬底部分浸入流体中来使衬底经受单面工艺，其中，一个面被浸没而另一个面不被浸没。可替代地，可以在腔室中对衬底进行加工，其中，仅处理衬底的一侧。
起始衬底可以是高度纯净的并且因此掺杂特性几乎是本征的，或者可以具有导致其为n型或p型的特定体掺杂。掺杂的存在修改了衬底的体电阻率。在一些实施例中，衬底具有等于约0.1ohm-cm到50ohm-cm或其之间的体电阻率。在一些实施例中，衬底具有等于约1ohm-cm到25ohm-cm或其之间的体电阻率。衬底可以是通过丘克拉斯基(Czochralski)法生长的n型掺杂硅。仅出于说明性目的提供了以上和此处讨论的示例，并且将意识到的是，合适的衬底决不局限于所讨论的具体示例。
可以通过任何常规手段施加前钝化层(步骤120)。作为非限制性示例，前钝化可以包括如原子层沉积(ALD)等工艺。通过ALD沉积的材料可以包括氧化铝(Al2O3)或二氧化硅(SiO2)。优选的钝化是将的三甲基铝(TMA)用作前体来进行的对氧化铝的ALD沉积。在对ALD沉积层的沉积之后，可以对衬底进行退火以便提高或改变钝化质量。还可以通过将衬底暴露在高温氧气中以产生热氧化物来应用前钝化。
在一些实施例中，前钝化可以是半导体层。优选的半导体钝化层是氢化非晶硅(a-Si:H)。可以通过任何常规手段(包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或热丝化学气相沉积(HWCVD))来沉积a-Si:H。优选地，在范围从等于约150℃到450℃或其之间的温度下发生沉积，更优选地，在范围从等于约200℃到400℃或其之间的温度下发生沉积。a-Si:H钝化可以是未掺杂的，从而表明不包括有意的掺杂化合物。可替代地，可以通过掺杂化合物来对a-Si:H钝化层进行轻掺杂。在一些实施例中，a-Si:H层相对薄(等于约2nm到20nm或在其之间)以使前表面处的光吸收最小化。前钝化可以包括许多具有各种掺杂等级的由a-Si:H或其他半导体材料组成的层。在一些实施例中，结构包含与硅衬底接触的第一本征a-Si:H层和第二掺杂半导体(如掺杂a-Si:H)层。这些和其他结构产生前表面场以便在前表面处阻止电荷载流子复合。
可以通过任何常规手段在衬底的后表面上施加或形成后异质结层或隧道结层(步骤130)。异质结是由不同晶体半导体组成的两个层或区域之间的界面。与具有相等带隙的材料的同质结相反，这些半导体材料具有不相等的带隙。在步骤130中施加或形成的异质结层可以包括具有适当带结构、机械性质和/或粘合性质的任何合适的半导体。在一些实施例中，异质结材料为a-Si:H。a-Si:H层可以具有任何合适的厚度以便在保持完整性的同时促进良好电荷载流子运输。厚度可以处于等于约2nm到20nm或其之间的范围内，优选地，处于约4nm到10nm或其之间的范围内。
隧道结是两个导电材料之间的势垒(如薄绝缘层或大带隙层)。电子(或准粒子)通过量子隧穿工艺穿过势垒。在其他实施例中，在步骤130中施加或形成隧道结层。隧道结层可以包括具有适当带结构、机械性质和/或粘合性质的任何合适的绝缘体或大带隙材料。隧道结材料的非限制性示例为SiO2、SiNx或Al2O3。可以通过ALD、PECVD、热氧化(当适用时)或化学氧化(当适用时)来施加隧道结。在一些实施例中，可以通过对衬底的热处理或化学反应来形成隧道结层。作为非限制性示例，硅衬底可以经受热或化学氧化以便形成SiO2层或隧道结层。
可以通过任何常规手段在衬底的处于异质结层或隧道结层下方的后表面上施加掺杂半导体层(步骤140)。后掺杂半导体层可以包括具有适当带结构、机械性质和/或粘合性质的任何合适的半导体。掺杂半导体层的优选非限制性示例为掺杂硅。根据生长条件，硅可以是非晶的、微晶的或多晶的。可以通过任何常规手段(包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或热丝化学气相沉积(HWCVD))来沉积硅层。优选地，在范围等于约150℃到450℃或其之间的温度下发生沉积，并且更优选地，在范围等于约200℃到400℃或其之间的温度下发生沉积。通过将化学掺杂剂包括在沉积进料流中来完成掺杂。掺杂剂化学物质的非限制性示例包括硼烷、乙硼烷、磷化氢和砷化氢。相对于硅前体，掺杂剂可以以在摩尔的基础上等于约0.5％到20％或其之间的浓度存在于进料流中。优选浓度为从等于约2％到10％或其之间。在一些实施例中，施加掺杂半导体层的步骤140可以包括图案化以便提供发射极区域与基极区域之间的间隙或从基极区域移除掺杂半导体层。在一些实施例中，以上讨论的图案化以便提供间隙还可以移除异质结层或隧道结层的一部分。图案化可以涉及掩模、蚀刻等以便形成掺杂半导体层的期望图案。
在提供异质结的实施例中，因为异质结层和后掺杂半导体一起起作用以便在其附近产生合适的能带特性，所以所述层可以被统称为异质结结构。本领域的技术人员应当理解的是，此处所讨论的任何异质结结构指的是用于提供异质结的任何单个层或层组合，所述异质结提供期望的能带特性。在提供隧道结的实施例中，因为隧道层和后掺杂半导体一起起作用以便在其附近产生合适的能带特性，所以所述层可以被统称为隧道结结构。本领域的技术人员应当理解的是，此处所讨论的任何隧道结结构指的是用于提供隧道结的任何单个层或层组合，所述隧道结提供期望的能带特性。
在一些实施例中，可以在掺杂半导体层上施加介电层和/或将其图案化(步骤145)。介电层可以被定位掺杂半导体层上在基极触点区域中。介电层可以是不连续的并且可以提供发射极区域中的开口或间隙。在一些实施例中，介电层可以大于基极触点区域，从而使得介电层的一部分延伸到基极触点区域与发射极区域的一部分之间的区域中和/或延伸到发射极区域的一部分中。介电层可以提供(多个)功能(如对下面的区域的钝化或保护)。
对基极触点的激光加工(步骤150)可以通过一个或多个工艺来执行，所述一个或多个工艺包括激光烧结、激光掺杂、激光转印、激光转印掺杂、激光接触、对材料的激光烧蚀和/或气体浸没激光掺杂(GILD)。激光加工通常指的是用于产生基极触点的任何(多个)激光加工步骤，并且应当理解的是，激光加工可以包括如以上列出的步骤等步骤中的之一或其组合。激光烧结或激光掺杂在本文中可以用于指激光束局部地破坏或移除材料(如掺杂半导体层、异质结/隧道结层和衬底的一部分)，并且同时将期望材料(如掺杂剂或金属掺杂剂)驱动到衬底中的任何激光加工。激光转印在本文中可以用于指激光束将(多种)材料从施体衬底转印到期望衬底上的激光加工。在一些实施例中，可以在激光加工步骤150之外使用激光转印来沉积期望材料(如金属触点层)。激光转印掺杂可以指结合激光烧结或激光掺杂利用以上讨论的激光转印。应当指出的是，激光掺杂或激光烧结可以与激光转印同时发生，或可替代地，可以作为不同步骤执行。在一些实施例中，激光烧蚀可以是激光加工的副产物。例如，可以对激光器的设置进行调整，从而使得激光如通过在激光加工区域与附近层(例如，掺杂半导体层)之间创建小间隙来使其隔离。激光接触在本文中可以用于指激光用于至少部分地产生衬底的触点的任何工艺。所述工艺可以包括单个上述功能(如激光转印或激光掺杂)。可替代地，所述工艺可以包括同时地、连续地或通过来自一个或多个激光系统的许多激光处理发生的多个功能。这种多功能激光接触可以包括激光脉冲对材料进行转印并且对衬底进行掺杂从而在衬底上产生有用触点的激光转印掺杂工艺。
对基极触点区域执行激光加工步骤150以便形成延伸穿过存在于衬底的后表面上的任何层(例如，掺杂半导体层、本征层或绝缘/大带隙层和/或介电层)到达衬底的激光加工区域。这允许基极触点区域中的随后沉积金属层电耦合至衬底。进一步地，激光加工步骤150还可以导致对存在的任何(多个)层的局部烧蚀以便最小化或消除与激光加工区域的电接触，这改善了基极触点与发射极的隔离。
在激光加工步骤的一些实施例中，在激光脉冲期间，掺杂剂源可以可选地施加到硅衬底上并且驱动到硅中，这在本文中可以被称为激光烧结或激光掺杂。在一些实施例中，激光加工步骤150包括激光烧结或激光掺杂，其中，激光束引起衬底上的材料的局部破坏，并且在激光脉冲期间，来自施加到衬底上的(多种)掺杂剂材料的掺杂剂或金属掺杂剂驱动到衬底中。因此，使用提供与衬底的电接触的掺杂剂或金属掺杂剂来形成激光加工区域，并且从激光加工区域移除或隔离任何掺杂半导体层、异质结层、隧道结层和/或其他层。在一些实施例中，可以通过物理气相沉积技术(包括蒸发和溅射)来施加掺杂剂层。在一些实施例中，可以通过化学气相沉积技术来施加掺杂剂层。在一些实施例中，还可以通过液相沉积技术(包括丝网印刷、旋涂、珠涂或喷墨印刷)来施加掺杂剂层。可以在溶液或分散液体或浆液处供应液体掺杂剂。
在激光加工步骤的一些实施例中，可以从施体衬底供应掺杂剂，这在本文中可以被称为激光转印。图10示出了激光转印系统的非限制性实施例。衬底(200)、抗反射层(210)、异质结/隧道结层(220)和掺杂半导体层(230)可以与以下进一步讨论的其他实施例中所讨论的层相对应。涂层(400)存在于施体衬底(410)的表面上。施体衬底与衬底(200)保持一定距离或间隙(420)，所述施体衬底是将接纳待激光转印的(多种)材料的衬底。施体衬底(410)与衬底(200)的最近层(例如，掺杂导体230)之间的距离或间隙(420)范围可以从彼此直接接触到0.5mm。朝着主衬底(200)引导穿过施体衬底(410)的激光束(430)具有这样的效果：使区域(440)中暴露于激光束的涂层(400)蒸发并且运输期望材料以便涂覆主衬底。在一些实施例中，来自激光脉冲(430)或附加脉冲的功率可以用于将期望材料或其衍生物结合到主衬底(200)中。涂层(400)可以是掺杂剂材料或其衍生物，从而使得以上激光转印工艺导致基极区域(252)中与发射极(255)分离的掺杂区域(250)。在一些实施例中，涂层(400)可以是半导体、导体或其前体。在这种情况下，激光转印工艺可以在衬底(200)上产生区域或期望性质(如具有高导电性的区域)。相比掺杂剂或金属掺杂剂材料存在于衬底上的激光烧结，激光转印使来自施体衬底(410)的(多种)期望材料迁移到受体或主衬底(200)上。甚至可以进一步采取激光转印以便同样引起对主衬底的掺杂，这在本文中可以被称为如掺杂剂驱动到受体衬底的某个深度中的激光转印掺杂。在一些实施例中，可能同时发生对材料的激光转印和掺杂。虽然与激光转印工艺相关联的这种‘掺杂’类似于以上讨论的激光掺杂或激光烧结(除从施体衬底供应掺杂剂之外)，但是为了清楚起见，其在讨论激光转印的本节中被称为‘掺杂’。在其他实施例中，激光转印和掺杂可以是分开的单独加工步骤。激光转印方式利用激光与沉积在透明板或施体衬底(例如，玻璃或石英)上的非透明源薄膜之间的快速交互，所述透明板或施体衬底被放置成很接近(例如，约几微米)接收衬底。可以通过任何合适方法或上述方式中的任何方式将供应掺杂剂或金属掺杂剂的源材料施加到施体衬底上。施体衬底还可以包括薄柔性玻璃和/或聚合物膜以及对激光辐射透明的其他材料。
激光加工系统的施体或转印衬底可以根据应用而涂覆有多个层。作为非限制性示例，激光转印衬底可以首先涂覆有薄的易于蒸发的材料(例如，a-Si:H)以便充当在a-Si:H上沉积的耐火材料(例如，Mo)或透明材料(例如，SiO2)的释放层。另一示例涉及首先在激光转印衬底上沉积Ni层，随后是Sb层，从而使得激光将转印用于n+掺杂的Sb以及用于低电阻硅化镍触点的Ni。
除时间整形脉冲之外，激光加工系统可利用多个脉冲。在一些实施例中，可以在第一时间段内将激光束时间整形成具有初始能量密度，以将掺杂剂材料从施体板高效地转印至衬底。进一步地，还可以对激光束进行调整以破坏异质结或隧道结结构从而引起层离。在进一步实施例中，可以在在第二时间段内将激光束转换成低于起始能量密度的第二能量密度，以便局部熔化异质结层或隧道结层并且允许掺杂剂扩散到衬底中。在进一步实施例中，可以在第三时间段内将激光束转换成低于第二能量密度的第三能量密度，以便对局部激光加工区域进行退火。作为非限制性示例，第一脉冲可以包括在预定时间段(例如，10ns)内具有相对高的能量密度(例如，约1j/cm2)的第一分段、以及然后在预定时间段(例如，400ns)内缓慢减小的分段(在所述分段中，能量密度如从等于约0.7J/cm2减小至0.1J/cm2或其之间)。然后，可以在约设定时间段(例如，10μs)之后向相同位置施加第二脉冲(100kHz的重复速率)，其中，能量密度在固定时间段(例如，10ns)内斜升(例如约0.3J/cm2)。然后，第二脉冲可以在预定时间段(例如，500ns)内缓慢减小(例如，0.05J/cm2)以便进一步对处理区域进行退火。针对大多数应用，激光束的波长可以处于IR(例如，1064nm)中，但是在绿色(532nm)中运行的激光束也可被使用并且将更有效地仅加热曝光的Si表面的前几μm。IR光束将初始地加热Si晶圆至几百μm的深度，但是随着激光快速地对Si进行局部加热，IR中的吸收系数快速地增大并且加热在靠近表面区域处变得局部化。
在一些实施例中，在激光加工步骤150中可以利用GILD或气体浸没激光掺杂工艺，其中，掺杂剂以蒸汽形式供应给衬底上方的腔室，从而使得掺杂剂蒸汽与衬底气体连通。气态掺杂剂或副产品在激光脉冲期间结合到衬底中。(多个)气态源可以是包含具有足够挥发性的掺杂剂原子的任何材料，包括但不限于POCl3、PCl3、PH3、BH3、B2H6、砷化氢以及三甲基铝。
以上讨论的各种激光工艺可以利用空间和/或时间整形的激光束。在一些实施例中，在此讨论的系统或方法可以具有以下元素：(1)通过激光工艺来供应掺杂剂；(2)通过激光工艺供应掺杂剂用于避免对晶圆的加热执行掺杂剂扩散；和/或(3)叉指型背触(IBC)电池。使用线光束是制作IBC电池的一种特别有吸引力的方式(因为IBC的电极是细线)，并且因此，可利用单个或减小数量的激光脉冲曝光来将其图案化。在一些实施例中，以上(1)到(3)的组合可以与线和/或时间整形一起使用。在一些实施例中，激光束可被空间整形为窄线形激光束或小直径高斯激光束(例如，≤20μm或≤10μm)阵列。宽度≤10μm的线形激光束展现出很少的激光诱发损害，而常规的圆形高斯激光束(例如，直径为约30μm到130μm)展现出微裂纹和位错。小直径(≤20μm或≤10μm)高斯激光束还不太可能展现由于仅对非常小的Si区域进行融化和再结晶的事实而造成的延伸缺陷(如微裂纹和位错)。在一些实施例中，可以利用高斯光束中的之一或高斯光束阵列，其中，高斯光束可以是圆形的和/或高斯光束中的每个高斯光束具有30微米或更小的直径。在一些实施例中，可以利用窄且线形的激光束。进一步地，激光束的宽度可以为20微米或更小。
出于对材料进行激光转印、对电介质钝化层进行激光烧蚀和破坏、对Si晶圆的所选局部区域进行激光熔化、对具有适当掺杂剂原子的融化Si区域进行激光掺杂、使接触金属激光烧结穿过电介质钝化层和/或对Si晶圆上的局部处理区域进行激光退火的目的，可选择时间脉冲形状。通常，对材料的激光转印需要相对短的脉冲(例如，几ns到几十ns)，而激光退火需要相对长的脉冲(例如，0.1μs到许多μs)。激光掺杂的脉冲时长将取决于所期望的掺杂剂深度并且可从几十ns到几百ns发生变化。在一些实施例中，掺杂剂穿透深度为从0.02μm到1μm，优选地，从0.1μm到0.5μm。作为非限制性示例，组合了对局部区域中的Si的激光转印、电介质钝化破坏、融化、掺杂和退火的激光工艺可以采用具有以下时间整形的线形光束(例如，8μm宽且1cm长)：脉冲在许多ns内以初始能量密度(例如，约1J/cm2)开始以便将掺杂剂材料(例如，Al)转印至衬底(例如，Si表面)并且破坏电介质钝化(如果存在的话)(例如，在后表面上，5nm的ALD A12O3/90nm的PECVD SiOx)；然后，能量密度在设定时间段(例如，约50ns)内下降(例如，约0.5J/cm2)以便局部融化衬底表面并且在掺杂剂中扩散。然后，脉冲能量密度在随着时间(例如，约400ns)减小(例如，从0.5J/cm2到0.1J/cm2)以便对衬底表面的局部区域进行退火。
作为非限制性示例，掺杂剂材料可以是任何合适的n型或p型材料、Al、Sb、III族或V族元素等。在激光转印工艺中，在包含或涂覆有包括施体原子的掺杂剂材料的施体衬底上引入掺杂剂原子。在激光烧结工艺中，掺杂剂分别作为金属或掺杂剂材料包括在待烧结的衬底上。在GLID工艺中，以蒸汽形式提供掺杂剂。掺杂剂材料可以是纯净形式的掺杂剂，诸如但不限于III族或V族原子的涂层。可替代地，掺杂剂材料可以是包含掺杂剂的化合物，诸如但不限于施体的氧化物、氮化物或硫族化物。掺杂剂材料还可以包括包含掺杂剂的主体材料(如重掺杂有掺杂剂的氢化非晶硅)。主体材料中的掺杂剂的浓度可以大于0.5％，优选地大于2％。可以使激光转印线触点IBC电池中的叉指的间隔相对较小(例如，100至300微米)，从而使得设备中的横向电阻(电遮光)较小。
在一些实施例中，激光加工步骤150可以用于通过引起激光烧蚀或由于局部加热导致的层离而移除材料，从而创建隔离间隙或移除基极触点区域中不期望的层部分。在一些实施例中，可以对激光掺杂系统在激光加工步骤150期间的加工条件进行调整以为此移除材料。在一些实施例中，可以对激光掺杂系统进行调整以便移除基极触点与发射极之间的区域中的掺杂半导体层、本征层或绝缘体/高带隙层和/或衬底的一部分或全部从而创建隔离间隙。在一些实施例中，可以对激光掺杂系统进行调整，以便移除基极触点区域中的掺杂半导体层。
在一些实施例中，可以可选地在掺杂硅层上施加钝化层和/或将其图案化(步骤155)。钝化层可以被定位在基极触点与发射极区域之间的掺杂硅层上以便提供电隔离。虽然钝化层步骤155被示出为处于在步骤160中施加金属接触层之前，但是在其他实施例中，钝化步骤可以可选地在金属接触层步骤160之后执行。
可以通过任何常规手段施加金属接触层(步骤160)。虽然施加金属接触层(步骤160)被示出为处于对基极触点执行激光加工(步骤150)之后，但是在其他实施例中，可以在激光加工步骤之前执行施加金属接触层(如当期望激光烧结将所施加的金属驱动到衬底中或者与激光加工步骤相结合时)。沉积手段的非限制性示例可以包括物理气相沉积技术(如真空蒸发或溅射)、化学浴技术(如电镀或无电镀)以及液相技术(如丝网印刷、珠涂和喷墨印刷)。金属接触层可以包括具有足够的导电性和接触电导的任何合适以便允许从电池中提取电流的金属。非限制性示例包括铝、银、铜、镍、金或锑。金属可以作为合金或者两种或更多种金属或者作为两种或更多种金属的多层结构而存在。合金或多层结构可以用于促进粘合或用于同时提供掺杂源。多层结构的非限制性示例可以包括铝和银、或锑和银。
可以在沉积之后对金属层执行退火以便促进各种性质，包括增大的导电性或改善的接触电导。可以在范围从等于50℃到500℃或其之间的温度下执行退火，优选地，在范围从等于100℃到400℃或其之间的温度下执行退火。退火环境的非限制性示例可以包括空气、氧气、氮气、惰性气体的混合物和氢气。可以在恒定温度或多种温度下通过温度保持和/或斜坡的过程执行退火。温度处理可以发生在快速热加工环境中(如快速热加工腔室或带式炉)。在一些实施例中，可以使用激光加工来执行金属层和/或退火。激光加工可以应用于衬底的一部分。激光加工可以在特定衬底位置处具有焦点大小、强度和/或停留时间变化，以便产生用于退火的加热和冷却曲线。
如果有必要，可以在步骤160中施加金属接触层之后对金属层进行图案化(步骤170)。
在一些实施例中，可以通过使用线形激光束来形成叉指型图案从而沉积采用期望图案的晶种层，所述晶种层可以电镀有高导电金属。在一些实施例中，然后，可以使晶种层镀有金属(如Ni、Ti等)。进一步地，可选地，在这之后可以是使用更具导电性的金属(如Al、Ag、Cu等)进行电镀，以便形成高导电性叉指型图案。在激光转印工艺之后，可以在适度温度(200℃至450℃)下对太阳能电池进行退火以便通过促进硅化物构成并将来自PECVD SiOx:H的原子氢运动包括在Si中以对任何激光诱发缺陷进行钝化来提高触点的电气性质。
在一些实施例中，可以通过选择性地将金属从所沉积的金属层移除来形成叉指型图案。所沉积的层可以与异质结发射极和激光加工基极触点两者接触。可以通过使用图案化的抗蚀剂来覆盖或保护金属层的部分同时将金属层暴露于侵蚀未被保护的区域的蚀刻环境来执行图案化。抗蚀剂可以是通过暴露于辐射而图案化的光刻胶。抗蚀剂可以是可以通过激光束或其他高强度光源的直接作用而图案化的可激光烧蚀抗蚀剂。可激光烧蚀抗蚀剂包括具有必要分解性质的聚合物。金属层还可以通过使用激光束或其他高强度光源来对金属进行直接烧蚀而被图案化。
在一些实施例中，可以将绝缘层施加到金属接触层中的间隙中和/或将其图案化(步骤175)。绝缘层可以存在于金属接触层中的间隙中和金属接触层的顶部。发射极区域中的金属接触层上的绝缘层的部分可以允许针对基极触点沉积的后续金属延伸越过发射极区域，而不与发射极进行电接触。这允许基极和发射极的任何后续附加金属层(例如，图3的270)在附加金属层的最底部或暴露部分处提供约相同的宽度。
可以施加附加金属层(步骤180)以实现诸如但不限于改善金属触点的电导和保护金属触点免受环境影响等功能。施加附加金属的非限制优选方法包括电镀、无电镀和丝网印刷。
在步骤180之后，电池可以接收附加加工(如退火、封装以及其他保护或钝化措施)。
可选地，可以根据要求或按需要在工艺中在任何点处清洁衬底。可以通过溶液手段进行对衬底的清洁，包括但不限于使用酸、碱以及氧化化学物质进行处理。合适的清洁溶液的非限制性示例包括RCA工艺，其涉及至少暴露于(1)包括HCl和H2O2的溶液；(2)包括NH4OH和H2O2的溶液；以及(3)包括HF的溶液。暴露于清洁溶液可以包括以任何合适的顺序暴露于清洁溶液的任何组合。清洁还可以包括其他溶液暴露，如包括H2SO4和H2O2的食人鱼刻蚀液(Piranha etch)、或溶剂暴露或水中清洁。有用的溶剂包括醇类、酮类、碳氢化合物类或卤化溶剂。清洁还可以涉及干燥工艺。这些干燥工艺包括臭氧暴露、电晕放电处理、等离子体处理等。所述处理可以意在清洁表面；然而，将清洁与蚀刻表面的处理相结合可能是有用的。
应当认识到的是，在其他实施例中，可以在必要时对图1中所示出的步骤的顺序进行修改以实现高性能电池，从而提供在本文中进一步讨论的各个说明性实施例。应当理解的是，以下参考附图讨论的具有IBC的太阳能电池的下列说明性实施例是可以利用参考图1讨论的工艺制造的太阳能电池的非限制性示例。
图2是说明性实施例，示出了通过以上讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的侧视图。衬底(200)在其前表面上具有钝化和抗反射结构(210)。在一些实施例中，背面包含异质结，所述异质结包括衬底的后表面上的本征或异质结层(220)和下方的掺杂半导体层(230)。本征层(220)可以是任何合适的半导体(如a-Si:H)。本征或异质结层(220)和掺杂半导体层(230)被统称为异质结结构。在期望隧道结的其他实施例中，可以取代衬底的后表面上的隧道结层(220)和下方的掺杂半导体层(230)，并且隧道结层可以是由绝缘材料制成的绝缘体层或由具有大带隙的材料制成的大带隙层。合适的隧道结材料的非限制性示例可以包括SiO2、SiNx或Al2O3。在隧道结的情况下，隧道结层(220)和掺杂半导体层(230)可以被统称为隧道结结构。
在形成了异质结(或隧道结)层(220)和掺杂半导体层(230)之后，激光加工区域(250)被制造成穿透异质结层(220)和掺杂半导体层(230)以形成基极触点(252)的一部分。激光加工可以使激光加工区域(250)与异质结/隧道结层(220)和掺杂半导体层(230)电隔离。还可以自然地发生激光加工区域(250)与相邻层的性质的电隔离。作为非限制性示例，掺杂半导体层(230)可以被构造成具有激光加工区域(250)与大部分异质结或隧道结结构有效地隔离的足够低的横向导电性。还可以为了到硅衬底200的最小穿透而调整激光加工区域(250)。此最小穿透可以包括穿透通过掺杂半导体层(230)以及刚好穿透超过本征层(220)。在掺杂半导体层(230)上施加金属层(240)或将其图案化以便提供与基极触点(252)电连通的区域和与异质结/隧道结层(220)和掺杂半导体层(230)接触的形成实际发射极(255)的区域。通过在基极触点结构与发射极触点结构之间提供隔离的隔离间隙或开口(260)将金属层分离在基极触点(252)区域与发射极(255)区域之间。在所示出的实施例中，隔离间隙延伸至但未穿过掺杂半导体(230)区域。如此处所利用的，对基极和发射极的电气‘隔离’(或简单地，隔离)的讨论应理解为指示基极和发射极之间的电流保持在基本上不损害设备性能的值的范围内。在一些实施例中，此电流可以与分路电流相关联。隔离或电隔以离可以指示在电池运行期间，基极和发射极之间的分路电流等于或小于20mA/cm2，或者更优选地，等于或小于10mA/cm2。可替代体，在其他实施例中，隔离或电隔离可以通过基极与发射极之间的电阻来表征。例如，隔离或电隔离可以通过基极与发射极之间的等于或大于20ohm-cm2或更优选地等于或大于100ohm-cm2的电阻来表示。不受理论的束缚，据信，激光加工可能导致对包括异质结(或隧道结)结构的层的有利破坏，从而有助于产生良好的隔离。展示了被定位在金属层(240)上的可选额外金属层(270)，与金属层一样，其在基极触点(252)和发射极(255)之间提供间隙或开口。在一些实施例中，可以在如隔离间隙(260)等区域中对掺杂半导体层进行处理，以便加将其电性质修改为减小导电性或非导电状态。处理可以包括使用激光器或其他高强度光源来进行的局部加热、化学处理或等离子体处理。非限制性示例是使用激光束和/或化学环境来对半导体层的暴露区域(260)的处理，以减小所述暴露区域中的层的导电性。这种方式可以改善基极触点与发射极触点之间的隔离。在一些实施例中，可选钝化或保护层(280)可以存在于掺杂半导体层(230)上在基极触点(252)区域与发射极(255)区域之间。可以在金属沉积之前(如所示出的)或金属沉积之后沉积钝化或保护层。
图3是说明性实施例，示出了通过之前所讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的另一个实施例的侧视图。除如以下进一步讨论的之外，用于提供太阳能电池的部件的结构、安排和工艺可以与以上针对图2讨论的结构、安排和工艺相同或类似。在一些实施例中，可能期望的是，使发射极区域(255)在其最宽处的宽度最大化。为了维持低串联电阻，可以在绝缘掩模层(290)的帮助下对可选额外金属层(270)进行图案化，以便允许额外金属层在基极(252)区域和发射极区域(255)两者上在其对应最宽处的暴露宽度的尺寸相似。可以将绝缘掩模层(290)施加到隔离间隙(260)中并对其进行图案化，并且在金属层(240)的处于基极(252)和发射极区域(255)中的一部分上。在一个实施例中，额外金属层(270)在发射极区域(255)上在其最宽处的宽度处于额外金属层在基极区域(252)上在其最宽处的宽度的+/-40％内。绝缘掩模层(290)提供基极(252)和发射极区域(255)的隔离。绝缘掩模层(290)填充隔离间隙(260)并且覆盖金属层(240)的处于发射极区域(255)中的一部分，从而允许使基极触点的额外金属层(270)位于发射极触点的区域上方，而不与发射极产生电接触。绝缘掩模层(290)还可以覆盖金属层(240)的一部分并且填充未被金属层占用的处于基极触点(252)与发射极区域(255)相对的一侧的空间。绝缘掩模层可以是包括无机绝缘体(如SiO2、SiNx或Al2O3)或有机绝缘体(如聚合物)的任何绝缘材料。可以在沉积额外金属层(270)之前通过打印、材料转印或选择性沉积将绝缘掩模层图案化。可以通过光刻或施加抗蚀剂材料来将绝缘掩模层图案化，并且其本身可以是光刻胶或其他光敏或辐射敏感材料。
图4是说明性实施例，示出了通过之前所讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的另一个实施例的侧视图。除如以下进一步讨论的之外，用于提供太阳能电池的部件的结构、安排和工艺可以与以上讨论的实施例相同或类似。在一些实施例中，基极区域(252)(具体地，在掺杂半导体层(230)上)可以在激光加工之前覆盖有介电层(295)。在一些实施例中，介电层(295)可以覆盖有基极(252)区域的一部分。可替代地，介电层(295)可以在一个或多个方向上延伸经过基极区域并且可以在发射极区域(255)的部分上延伸。在太阳能电池运行期间，金属(240)的与基极激光加工区域(250)接触的部分将相对于掺杂半导体层(230)产生电势。此电势可以允许贯穿基极接触金属(240与250接触)与掺杂半导体层(230)之间的接触区域注入或提取电荷载流子，由此导致电流损失。基本上占用可能接触区域的绝缘体(如介电层(295))将减少或防止这种电流损失。在所示出的实施例中，激光掺杂区域(250)通过在对介电层(295)的沉积之前执行的激光加工步骤形成并且延伸穿过介电层和存在于后表面上的其他层到达衬底(200)的基极(252)区域。在介电层(295)上沉积金属层(240)的形成基极(252)触点的部分(例如，与图9a中的(304)相对应)并且所述金属层连接至激光掺杂区域(250)，同时与掺杂半导体层(230)具有较少接触或不接触。
图5是说明性实施例，示出了通过之前所讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的实施例的侧视图。除如以下进一步讨论的之外，用于提供太阳能电池的部件的结构、安排和工艺可以与以上讨论的实施例相同或类似。所示出的设备与图2的设备类似，除了通过隔离间隙(260)提供的在基极区域(252)与发射极(255)之间的接触隔离延伸穿过掺杂半导体层(230)以提供发射极触点结构与基极触点结构之间的附加电隔离之外。在一些实施例中，用于在使本征层(220)基本上完整的同时基本上蚀刻穿过掺杂半导体层(230)以便形成隔离间隙(260)的工艺可以在对掺杂半导体层的沉积之后执行并且可以包括湿蚀刻工艺或干蚀刻工艺。所述工艺可以包括以高于本征半导体层的蚀刻速率蚀刻掺杂半导体层的选择性蚀刻化学过程。选择作为掺杂半导体层和本征层的材料可以被选择成用于增强对一层上的另一层进行的选择性蚀刻。在其他实施例中，在期望隔离间隙的情况下，可以在激光加工期间通过烧蚀掺杂半导体层(260)形成隔离间隙(260)。
图6是说明性实施例，示出了通过之前所讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的实施例的侧视图。除如以下进一步讨论的之外，用于提供太阳能电池的部件的结构、安排和工艺可以与以上讨论的实施例相同或类似。所示出的设备与图2和图5类似，除了由隔离间隙(260)提供的隔离沟道延伸穿过掺杂半导体层(230)、异质结/隧道结(220)层中的所有层，以及可选地，衬底(200)的基极(265)中的很小深度之外。在其他实施例中，隔离间隙(260)可以仅部分地延伸穿过异质结/隧道结层(220)。应明显的是，图2、图5和图6示出了设想的隔离特征(260)深度的范围。
图7是说明性实施例，示出了通过之前所讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的实施例的侧视图。除如以下进一步讨论的之外，用于提供太阳能电池的部件的结构、安排和工艺可以与以上讨论的实施例相同或类似。可以在对金属的沉积之前将所示出的设备图案化以便基本上移除基极触点(252)区域中的半导体掺杂层(230)，并且还可以移除周围区域中的半导体掺杂层的一部分。应明显的是，由于激光加工区域从与半导体掺杂层相对应的深度延伸，所以在移除半导体层掺杂层(230)的一部分之前对激光加工区域(250)进行激光加工。对半导体层(230)的移除可以包括对所述层的部分移除、对所述层的全部移除、对本征层(220)的部分或全部的移除和/或对基极衬底(200)的部分的移除。在一些实施例中，可以在激光加工期间通过选择使掺杂层和本征层由于局部加热而层离的激光加工条件来实现对半导体掺杂层(230)的移除，以及可选地，对本征层(220)(或异质结层)的处于围绕激光加工基极触点(252)的区域中的一部分的移除。在其他实施例中，可以通过其他合适的手段(如蚀刻)来移除半导体掺杂层(230)和处于围绕激光加工基极触点(252)的区域中的本征层(220)(或异质结层)。在其他实施例中，可以在移除半导体掺杂层(230)之后执行用于激光加工以便形成激光加工区域(250)。
在一些实施例中，提供了经钝化的太阳能电池，其中，后表面的大部分包含隧道氧化物发射极，所述隧道氧化物发射极与指状图案的欧姆基极触点的平行线穿插。可以通过激光烧蚀隧道氧化物层来隔离基极触点和发射极以及使用激光束来对基极触点指状图案进行激光转印而形成期望的安排。在一个实施例中，首先通过原子层沉积在后表面上沉积隧道氧化物层，并且然后沉积具有(多种)金属氧化物的(例如，MoOx和ZnO)的薄层。线形激光束用于对线区域进行烧蚀以便创建提供基极触点与发射极之间的隔离的间隙区域，并且然后，在基极触点的中心区域(例如，Sb)中对线进行激光转印和掺杂以便创建延伸穿过异质结的本征层或隧道结的绝缘体/高带隙层以接触衬底的激光加工掺杂区域。在一些实施例中，可能的是，在局部破坏隧道氧化物层的条件下对Sb进行激光转印，从而使得不需要单独的激光烧蚀步骤；因此，一些实施例可以设想组合的激光烧蚀和掺杂步骤。进一步地，隧道氧化物层和Sb基极触点两者可以电镀有导电材料(例如，Ni/Cu)以便增大触点的导电性。
图8是说明性实施例，示出了通过之前所讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的底视图。对于本领域技术人员应明显的是，以上所讨论的并且使用侧视图(例如图2至图7以及图10)展示的各个实施例中的任何实施例可以具有与图8中所展示的相同或类似的叉指型图案。用于提供太阳能电池的部件的结构、安排和工艺可以与以上讨论的实施例相同或类似。触点金属(240)被划分成基极指状物(304)和发射极指状物(306)，每个指状物在Y方向上具有确定的预定宽度。在一些实施例中，优选的是，基极指状物或基极触点(304)的指状物部分的宽度小于发射极指状物或发射极(306)的指状物部分的宽度。在一些实施例中，优选的是，发射极指状物(306)包括指状物结构中的所有指状物结构的总面积的60％以上。隔离间隙(260)将基极指状物(304)和发射极指状物(306)分离并且隔离。隔离间隙(260)可以具有易于制造的任何合适的大小。在一些实施例中，优选的是，隔离间隙等于或小于200μm宽，优选地，等于或小于100μm宽。基极激光烧结区域(300)展示了延伸穿过异质结的本征层或隧道结的绝缘体/高带隙层以接触衬底的激光加工掺杂区域。基极激光烧结区域(300)应包含在基极指状物内，从而使得基极指状物(304)的触点金属(240)与基极激光烧结区域接触。
图9a到图9d是说明性实施例，示出了通过之前讨论的制造工艺形成的具有IBC的太阳能电池的底视图并且展示了基极触点激光烧结图案的不同实施例。对于本领域的技术人员应明显的是，以上讨论的并且使用侧视图(例如，图2至图7和图10)展示的各个实施例中的任何实施例可以具有与图9a至图9d中所展示的叉指型图案相同或相似的叉指型图案。用于提供太阳能电池的部件的结构、安排和工艺可以与以上讨论的实施例相同或类似。图9a示出了圆形光束点触点结构。图9b示出了线形光束点触点结构。在一些实施例中，激光烧结图案可以不重叠或提供相邻发射点之间的间隔。圆形或线形光束触点结构中的点之间的间隔可以等于或小于2mm，优选地，等于或小于1mm。图9c示出了线形光束线形触点，其中，线形光束特征重叠以形成连续激光烧结线。在一些实施例中，激光烧结图案可以包括X方向上多于一条平行线。图9d示出了在Y和X方向两者上具有离散间隔的线形光束点触点阵列。在一些实施例中，线形光束触点可以被圆形光束点触点结构替代或重叠线形光束特征以形成阵列。阵列优选地被安排成使得触点‘线’中的每个触点彼此平行。阵列触点中的点之间的间隔可以等于或小于2mm，优选地，等于或小于1mm。
虽然以上讨论的实施例中的一些实施例引用激光加工以便穿过异质结的本征层(例如，本征层220)的点触点，但是在一些实施例中，激光加工用于发射p+和n+点触点穿过后异质结或后隧道氧化物结构上的电介质涂层(图4中的介电层295)。进一步地，然后，可以使用另一种激光转印工艺来使用窄激光束在电介质涂层的顶部以及在适当点触点上沉积适当金属的叉指型图案。在一些实施例中，可以选择激光加工条件，从而使得激光加工破坏基极点触点附近而不是发射极点触点附近的异质结或隧道氧化物层。例如，在一些实施例中，高斯激光束可以是小直径光束(如≤20μm或≥10μm的光束)。在另一个实施例中，激光束可以是具有20μm或更小的一个尺寸(例如，光束的宽度)和80μm或更大的另一个尺寸(例如，光束的长度)的线形光束。可以将叉指型晶种层(例如，Ni)激光转印到异质结或隧道氧化物层的顶部以及在n+和p+点触点的顶部。在另一个实施例中，在用于将转印材料置于介电层的顶部的条件下对n+和p+材料(例如，Al和Sb)的指状图案进行激光转印，并且然后将p+和n+点触点激光烧结穿过电介质和后异质结或隧道氧化物层。在又另一个实施例中，可以在晶圆上形成异质结或隧道氧化物结之前对n+和p+点触点进行激光转印，然后将IBC图案(例如，Ni)激光转印到异质结或隧道氧化物层上的介电层的顶部。随后，可以将Ni激光烧结到点触点中。应指出的是，这种方法可能需要准确对准，以便将Ni激光烧结到点触点中。
在又另一个实施例中，提供了一种激光加工系统，其利用或窄线形激光束或小高斯激光束(例如，<20μm或<10μm)阵列，其中的任何一种激光束可以被时间整形以便对掺杂剂、金属或其他材料进行烧蚀、转印；或者对局部p+或n+触点进行激光掺杂或激光烧结。这种系统使用空间整形的激光束以便转印和激光烧结(或激光掺杂)p+和n+掺杂剂两者穿过异质结或隧道氧化物结上的可选介电层，从而在低温下形成低成本高性能叉指型背接触太阳能电池，而无需任何真空加工设备。激光加工系统可以包括具有时间可调脉冲的激光束，所述时间可调脉冲被优化以便产生高质量的局部发射极和基极触点。透明转印衬底(例如，薄玻璃板)与Si晶圆保持固定距离处(例如，5微米至50微米)并且可以在包含各种材料(如Sb、Al)层、掺杂剂材料(如自旋磷或含硼墨水)层或无涂层的区域之间移动，从而使得激光或可以转印金属或烧蚀Si晶圆上的电介质表面。通过设计具有可互换光学器件的系统，人们可以激光转印并掺杂p+和n+点触点并且然后切换至低功率激光转印将位于异质结或隧道氧化物层上的介电层的顶部的叉指型图案。可以在透明转印衬底和硅晶圆上扫描激光束以便在晶圆的表面上形成期望触点图案。
在此讨论了用于生产在低温下以低制造成本使用激光转印工艺来制造的高性能叉指型背触(IBC)太阳能电池的系统和方法。
示例
蚀刻出具有轻磷掺杂(2.8Ω-cm)的n型连续切克劳斯基(Czochralski)硅晶圆以便在12分钟内在80℃下的20wt％KOH中移除切割损坏。在RCA清洁之后，晶圆经受以下PECVD生长：(1)在前表面上生长10nm本征氢化非晶硅层、随后是72nm氮化硅层；(2)在后表面上生长10nm本征氢化非晶硅层、随后是10nm掺硼氢化非晶硅(2％硼烷掺杂剂进料)层、随后是72nm氮化硅终层。
将上述样本在管式炉中在180℃下在空气中退火30分钟。在700μm厚硼硅酸盐玻璃上制备包括镍、随后是锑的锑施体板。通过将锑施体板锑侧面向下置于硅上并且使用1064nm波长的100ns激光脉冲激光烧结穿过锑施体板来对硅样本进行激光烧结。选择激光功率和焦点，从而使得样本上的激光烧结标志约200μm长乘以约10μm宽。发射图案包括在X方向上测量为17mm并且在Y方向上测量为50μm的激光烧结特征(例如，见图7d)。激光烧结特征包含在X方向上间隔500微米并且在Y方向上间隔5微米的单独激光线图案化斑点。这些线都在Y方向上以2mm间隔放置在样本上。
然后，从样本的所述侧完全移除氮化硅，并且通过蒸发沉积包括50nm铝和400nm银的金属层。将罗门哈斯光阻(Microposit)s1813正性光刻胶施加到样本上并且然后将其暴露以创建隔离线(例如，见来自图9d的260)。在光刻胶的显影之后，使用PAN刻蚀液(16:1:1:2H3PO4:HNO3:乙酸:水)对隔离进行蚀刻10分钟，以隔离如图2的结构中限定的基极和发射极触点。在180℃下在空气中对样本进行退火30分钟。
得到的设备具有2.6cm2的有效面积并且针对IV特性对其进行测试。太阳能电池显示0.608V的开路电压、29.3mA/cm2的短路电流以及11.1％的效率。
在此描述的实施例被包括以便展示本公开的具体方面。本领域技术人员应认识到，在此描述的实施例仅表示本公开的示例性实施例。根据本公开，本领域的普通技术人员应认识到，可以对所描述的具体实施例作出许多改变，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下仍然能得到相同或类似的结果。通过前文描述，本领域的普通技术人员可以容易地确定本公开的必要特征，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下可作出各种改变和修改以使本公开适应各种用途和条件。以上所描述的实施例仅旨在是说明性的并且不应当被视为限制本公开的范围。

Claims (26)

1.一种用于形成太阳能电池的叉指型背触点的方法，所述方法包括：
在衬底(200)的后表面上形成异质结结构或隧道结结构(220，230)；
在所述后表面上形成基极触点(252)的激光加工区域(250)，其中，所述基极触点的所述激光加工区域通过激光加工形成；以及
在所述后表面上以叉指型图案沉积金属层(240)，其中，所述叉指型图案提供所述金属层的与发射极区域(255)电连通的第一组指状物以及所述金属层的与所述基极触点电连通的第二组指状物，并且所述基极触点与所述发射极区域隔离。
2.如权利要求1所述的方法，其中，针对所述基极触点的所述激光加工区域的所述激光加工为驱动掺杂剂或金属掺杂剂穿过所述异质结结构或所述隧道结结构进入所述衬底的激光烧结或激光掺杂工艺。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光加工包括将掺杂剂或金属掺杂剂激光转印到所述衬底的基极触点区域上的步骤，并且所述激光加工区域通过以下方式形成：在所述基极触点区域中进行激光掺杂，以便使所述掺杂剂或所述金属掺杂剂驱动进入并且穿过所述异质结结构或所述隧道结结构到达所述衬底。
4.如权利要求1所述的方法，其中，利用驱动所述掺杂剂或所述金属掺杂剂穿过所述异质结结构或所述隧道结结构进入所述衬底的气体浸没激光掺杂工艺来执行所述激光加工，其中，所述掺杂剂或所述金属掺杂剂作为掺杂剂蒸汽或所述掺杂剂蒸汽的副产品被供应。
5.如权利要求1所述的方法，其中，对用于形成所述激光加工区域的所述激光加工的条件进行选择以引起对所述异质结结构或所述隧道结结构的一部分的局部破坏或移除。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在形成所述激光加工区域之前移除所述异质结结构或所述隧道结结构的一部分。
7.如权利要求6所述的方法，其中，通过激光烧蚀、通过由于所述激光加工期间的局部加热而导致的层离或通过掩模和化学蚀刻来移除所述异质结结构或所述隧道结结构的被移除的部分。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述异质结结构或所述隧道结结构的被移除的所述部分来自所述衬底的基极触点区域。
9.如权利要求6所述的方法，其中，所述异质结结构或所述隧道结结构的被移除的所述部分延伸穿过所述异质结结构或所述隧道结结构并且进入所述衬底的一部分。
10.如权利要求6所述的方法，其中，所述异质结结构或所述隧道结结构的被移除的所述部分为所述基极触点与所述发射极区域之间的区域并且在所述基极触点与所述发射极区域之间提供隔离间隙(260)。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：在沉积所述金属之前，在所述异质结结构或所述隧道结结构上施加隔离层或钝化层(280)，其中，所述隔离层存在于基极触点区域与所述发射极区域之间。
12.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：将绝缘层(290)沉积在采用所述叉指型图案的所述金属层的一部分上并且沉积到所述金属层中在基极触点区域与所述发射极区域之间的间隙中；以及
在所述金属层和所述绝缘层上沉积额外金属(270)，其中，所述额外金属被图案化以便提供所述额外金属的基极触点区域和所述额外金属的发射极触点区域，并且所述基极触点区域的基极触点宽度约等于所述发射极触点区域的发射极触点宽度。
13.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：在形成所述基极触点的所述激光加工区域之前，在所述异质结结构或所述隧道结结构上沉积介电层(295)，其中，所述介电层的至少一部分不存在于所述发射极区域中。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述发射极区域占据所述电池的后面区域的60％或更多。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光加工利用空间成型的激光束或时间整形的激光束。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光加工利用高斯光束之一或高斯光束阵列，其中，所述高斯光束为圆形的，并且其中，所述高斯光束中的每个高斯光束具有30微米或更小的直径。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光加工利用窄且线形的激光束，并且所述激光束的宽度为20微米或更小。
18.如权利要求1所述的方法，其中，所述激光加工利用在第一时间段内被时间整形成具有初始能量密度的激光束，以将所述掺杂剂材料从施体板高效地转印至所述衬底，并且所述激光束还破坏所述异质结层或所述隧道结层以引起层离，
所述激光束在第二时间段内被转换成低于所述初始能量密度的第二能量密度，以便局部熔化所述异质结层或所述隧道结层并且允许掺杂剂扩散到所述衬底中，并且
所述激光束在第三时间段内被转换成低于所述第二能量密度的第三能量密度，以便对所述局部激光加工区域进行退火。
19.一种具有叉指型背触点的太阳能电池，所述太阳能电池包括：
衬底(200)；
异质结结构或隧道结结构(220，230)，沉积在所述衬底的后表面上；
基极触点(252)，所述基极触点具有激光加工区域(250)，其中，所述激光加工区域从金属层(240)延伸穿过所述异质结结构或所述隧道结结构到达所述衬底；以及
发射极区域(255)，所述发射极区域与所述基极触点隔离，其中，所述金属层沉积在所述异质结结构或所述隧道结结构上。
20.如权利要求20所述的太阳能电池，其中，隔离层(280)被定位在所述异质结结构或所述隧道结结构上、在所述基极触点与所述发射极区域之间。
21.如权利要求20所述的太阳能电池，其中，隔离间隙(260)至少存在于所述金属层中、在所述基极触点与所述发射极区域之间。
22.如权利要求22所述的太阳能电池，其中，所述隔离间隙存在于所述异质结结构或所述隧道结结构的处于所述基极触点与所述发射极区域之间的一部分中。
23.如权利要求23所述的太阳能电池，其中，所述隔离间隙延伸到所述衬底的处于所述基极触点与所述发射极区域之间的一部分中。
24.如权利要求20所述的太阳能电池，其中，所述异质结结构或所述隧道结结构不存在于所述基极触点的基极触点区域中。
25.如权利要求22所述的太阳能电池，进一步包括：
绝缘层(290)，所述绝缘层存在于所述基极触点与所述发射极区域之间的所述隔离间隙中，其中，所述绝缘层至少覆盖所述金属层在所述发射极区域中的一部分；以及
额外金属层(270)，在所述金属层和所述绝缘层的顶部上，其中，所述额外金属层存在于所述基极触点和所述发射极区域上并且通过开口分离，并且所述额外金属层在所述基极触点上的第一宽度约等于所述额外金属层在所述发射极区域上的第二宽度。
26.如权利要求22所述的太阳能电池，进一步包括：
介电层(295)，所述介电层位于所述异质结结构与所述金属层或所述隧道结结构与所述金属层之间，其中，所述介电层存在于基极触点区域中，并且所述基极触点的所述激光加工区域延伸穿过所述介电层。
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