CN109983584A - 具有钝化接触的光伏电池 - Google Patents

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Abstract

一种半导体衬底(1)，具有有源区(2)以及面向彼此的第一表面和第二表面。存在第一类型的钝化层(5)，以用于在半导体衬底(1)的第一表面的部分上提供第一导电类型的电接触。半导体衬底(1)的有源区(2)与第一类型的钝化层(5)之间设置有介电层(4)。半导体衬底(1)的有源区(2)的、第一表面附近的层(3)中提供有第一导电类型的掺杂。有源区(2)的、第一表面附近的层(3)中的横向掺杂剂水平基本上一致。

Description

具有钝化接触的光伏电池
技术领域
本发明涉及一种具有有源区以及面向彼此的第一表面和第二表面的半导体衬底。
背景技术
美国专利公开US 9,130,074公开了一种太阳能电池的结构和制造方法，该太阳能电池具有(通用)衬底、导电层、防反射层、钝化层以及电极。太阳能电池的层中的一些是多功能的并且结合钝化、透明和足够的导电性以用于竖直载流子流。在所公开的实施方式中的一个中，在前电极区域的正下方存在电钝化导电膜(例如，n型多晶硅)，在其下方，在衬底材料的顶部上提供电钝化界面层(例如，薄氧化硅层)。在前电极之间的区域中，衬底上存在层的堆栈，包括磷扩散硅层、电钝化层(例如，氧化硅)和防反射层。
美国专利公开US 2014/0166095公开了一种具有混合发射极设计的全背接触太阳能电池。该太阳能电池具有形成在单晶硅衬底的背侧表面上的薄介电层。太阳能电池的一个发射极由形成在图案化薄介电层上的掺杂多晶硅(例如，P极性)制成。太阳能电池的另一发射极形成在单晶硅衬底中并且由掺杂单晶硅(例如，N极性)制成。
美国专利公开US 2010/0000597公开了一种双极太阳能电池，该双极太阳能电池包括由硅衬底形成的背侧结和在太阳能电池的背侧上的第一掺杂类型的第一掺杂层。第二掺杂类型的第二掺杂层从太阳能电池的前侧与衬底进行电连接。第一电极性的第一金属接触件电连接至太阳能电池的背侧上的第一掺杂层，以及第二电极性的第二金属接触件电连接至太阳能电池的前侧上的第二掺杂层。
发明内容
本发明试图提供一种用于在更有效的光伏电池中应用的改进结构。
根据本发明，提供一种如上限定的半导体衬底，其包括第一类型的钝化层，以用于在半导体衬底的第一表面的部分上提供第一导电类型的电接触，其中，半导体衬底的有源区与第一类型的钝化层之间设置有介电层，以及其中，半导体衬底的有源区的层中设置有第一导电类型的掺杂，所述层在第一表面附近，与第一类型的钝化层对准，以及其中，有源区的、第一表面附近的层中的横向掺杂剂水平基本上一致。本发明实施方式允许提供具有改进效率的光伏电池。在电极相关区域下面具有这种掺杂的有源区的层将局部地改进电子/空穴传输的横向导电性、改进串联电阻，从而进一步改进所产生的光伏电池的效率。本文中还包括并描述了适合于双面光伏电池以及交叉背接触(IBC)电池的发明实施方式。
附图说明
下文将参考附图更详细地论述本发明，在附图中：
图1A和图1B示出了光伏电池的剖面图，其中，分别实施了本发明的第一单面实施方式和第二单面实施方式；
图2A和图2B示出了光伏电池的剖面图，其中，分别实施了本发明的第一双面实施方式和第二双面实施方式；以及
图3A至图3D示出了集成式背接触(IBC类型)的光伏电池的剖面图，其中，实施了本发明的不同实施方式。
具体实施方式
已知在至少一侧上具有掺杂多晶硅钝化载流子选择性接触的光伏电池具有改进的性能，归因于如果将多晶硅层与多晶硅和晶片之间的薄介电钝化及透射层组合的话，则掺杂多晶硅层具有优异的表面钝化性质。对于很多应用，优选在后侧上而不在前侧上使用多晶硅，因为在前侧上的多晶硅会导致一些(通常显著的)光损耗。
因此，对于在太阳能电池的前侧上应用多晶硅钝化接触，期望仅在金属化的附近提供多晶硅，更确切地：至少在金属化与衬底(晶片)之间提供多晶硅。这将具有在必要的地方进行局部钝化接触的益处，因此金属下方的钝化优异并且其他地方没有(额外或过度的)光学损耗，这些其他地方将存在具有比多晶硅更受限的光学损耗的典型扩散发射极或前表面场。如果考虑两面太阳能电池的话，则相同的特征可适用于后侧。
根据本发明实施方式，例如，根据图1A所示的实施方式，提供半导体(例如，硅)衬底1以获得有效的光伏电池。半导体衬底1具有有源区2以及面向彼此的第一表面和第二表面，并且包括第一类型的钝化层5(例如，多晶硅区域)，以用于在半导体衬底1的第一表面的部分上提供第一导电类型的电接触(例如，到如图1A的实施方式所示的电极6)。所述部分比较小，以便留下尽可能多的区域用于接收辐射。薄介电层4(例如，氧化硅层)设置(局部地)在半导体衬底1的第一类型的钝化层5与有源区2之间。钝化层5布置成提供第一导电类型的电接触，例如，使用掺杂剂、或者更通常地、合适的带状结构，以获得第一导电类型的电接触。半导体衬底1的有源区2的层3中提供有第一导电类型的掺杂，其中，层3在第一表面附近，与第一类型的钝化层5(竖直地)对准。电极相关区域下面的这种扩散将局部地改进电子/空穴传输的横向导电性，改进串联电阻，从而进一步改进所产生的光伏电池的效率。
应注意，术语钝化层5应理解为广义的，并且确切的实施可取决于所使用的(半导体)衬底1的类型或者最终要获得的所产生的光伏电池的类型。如所提及的，钝化层5可以是多晶硅(多晶硅)区域(在硅衬底的情况下)，但替代性地，可包括具有其他杂质(比如碳)的多晶硅、掺杂的有机半导体或具有合适带状结构的金属氧化物，以提供钝化和选择性载流子提取。钝化层5的材料的透明度不是非常重要，因为它最终被电极6覆盖或至少最终大部分被电极6覆盖。类似地，介电层4可实施为氧化硅层(在硅衬底1的情况下)，但也可实施为氮化硅层或氮氧化物层。
为了获得有效的光伏电池，第一钝化层5包括分布在第一表面上的栅格图案，以允许第一(前)表面电极图案化(例如，呈“多晶硅指堆栈”的形式，本文中也写为“多指堆栈”)，并且阻挡尽可能少的辐射以便允许尽可能多的辐射到达有源层2。
在示例性实施方式中，有源区2的、第一表面附近的层3中的横向掺杂剂水平基本上一致。在所有实施方式中，层3存在于相应的第一钝化层5的下面(即，到处都存在最低水平的掺杂剂)，以便局部地增强横向导电性。
在图1A和图1B中示出了两个实施方式，其中，根据本发明的多指接触件设置在半导体衬底1的有源区2的单侧上。
图1A示出了实施方式，其中，衬底1的有源区2设置有在顶侧上的电极6(第一导电类型)和在底侧上的电极10(第二导电类型)。顶侧上的电极6设置在局部布置的连接结构上，该连接结构包括由薄介电层形成的钝化层或介电层4以及第一类型的(第一导电类型掺杂的)多晶硅层5。在电极6之间，提供用于衬底1的光接收侧的常规涂层7(例如，具有防反射性能)。在该实施方式中，第一类型的钝化层5中以及半导体衬底1的有源区2的、第一表面附近的层3中提供有第一导电类型的掺杂。
应注意，本发明实施方式可视作与光伏电池的电极6相关联的多晶硅指”布置。具有与相关联的钝化层5类似的类型的导电掺杂的层3在多指堆栈4至6的下面横向地延伸并远离所述多指堆栈。在半导体衬底1的一侧上的类似多晶硅指堆栈的情况下，这然后可导致单个均匀层3沿着半导体衬底1的第一侧的整个表面延伸(如图1A的实施方式所示)。然而，存在其他替代方案，如下文进一步说明。
在衬底1的另一侧上，存在第二类型的钝化层9，以用于在半导体衬底1的第二表面上提供第二导电类型(与第一导电类型相反)的电接触。(薄)介电层8设置在第二类型的钝化层9与半导体衬底1的有源区2之间。介电层8和第二类型的多晶硅层9设置为跨越整个有源区2的均匀层，而电接触件10可设置为导电条带或图案。还指出了在衬底1的背侧上的背涂层11。
通常，衬底1的第二侧上的结构可发生变化，并且可以是传统扩散的结构，或者替代性地钝化发射极后部电池(PERC)或其他类型的钝化接触结构。
应注意，第一导电类型的掺杂剂(在第一类型的钝化层5中)为例如n型或p型，以及第二类型的钝化层9然后将是相反的导电类型。
图1B示出了与图1A的实施方式非常相似的实施方式，然而，在该实施方式中，有源区2中的(掺杂)层3的厚度在它的主表面上变化。层3分成与电极6竖直对应(即，对准)的第一区域3-I和与电极6之间的区域竖直对应的第二区域3-II。有源区2在第一表面附近的层3的厚度和/或集成掺杂剂浓度(每单位面积)在与第一类型的钝化层5竖直对应的层的第一区域3-I中比在与第一类型的钝化层(5)之间的区域竖直对应的层的第二区域3-II中小。换言之，层3具有通常均匀的特性(相同类型的掺杂剂)，但是(相邻的)第一区域3-I和第二区域3-II可实施有不同特性，即，厚度和/或(集成)掺杂剂浓度(每单位面积)不同。在该实施方式中，维持了在(非透明)电极6下面直接使用钝化堆栈(介电层4和多晶硅层5)提高效率的优点，类似于图1A的实施方式。
应注意，第一导电类型的掺杂剂还可存在于介电层4中。已发现，这对由本发明实施方式获得的效率没有负面影响。
对于如本文所述的所有实施方式，包括参考附图描述的那些实施方式，可包括一些其他特征。例如，(硅)介电层4可具有在0.1nm与3nm之间的厚度，以便提供适当的隧道功能。第一类型的钝化层5可与诸如Ag的导电材料或透明导电氧化物(TCO)材料的相关联电极6接触。这同样可适用于第二类型的钝化层9及其相关联的电极10。如果使用Ag，则可使用烧穿过程(fire through process)，最初使用具有Ag粒子的浆料，例如，使用丝网印刷或喷墨印刷来获得相关联的电极6、电极10。
在图2A和图2B中示出了两个实施方式，其中，根据本发明的多指接触结构设置在半导体衬底1的有源区2的两侧上。与图1A的单面实施方式相比，图2A的实施方式还包括第二类型的钝化层5’，以用于在半导体衬底1的第二表面的部分上提供电接触，其中，(薄)介电层4’局部地设置在第二类型的钝化层5’与半导体衬底1的有源区2之间。衬底1的两侧上的结构类似地成形，但具有相反的掺杂剂类型，即，提取相反类型的电荷载流子。半导体衬底1的有源区2的层3’中提供有第二导电类型的掺杂，其中，层3’在第二表面附近，与第二类型的钝化层5’(竖直地)对准。第二导电类型的掺杂例如也提供在第二类型的钝化层5’中，或者在其他实施方式中，第二类型的钝化层5’包括第二导电类型的掺杂多晶硅。这例如将允许如上文所述的益处也适用于双面光伏电池。
上文参考图1A和图1B的实施方式论述的类似变型也可应用于图2A和图2B的双面实施方式。例如，第二钝化层5’包括分布在衬底1的第二表面上的栅格图案，以允许背表面电极6’图案。
另外，在其他实施方式中，有源区2的、第二表面附近的层3’中的横向掺杂剂水平可基本上一致。
本发明实施方式的惊人效果在于，结果表明与此类已知的选择性发射极技术相反，扩宽钝化层5不会损害所产生的光伏电池的开路电压Voc。因此，钝化层5可比它所连接到的电极6宽，但不会降低Voc。对于选择性地扩散的图案，已知它们越宽，对Voc引起的损害越明显。因此，在本发明实施方式的情况下，对准公差要求也可以更放松，这对工业应用来说很重要。因此，根据多指件与半导体衬底之间的进一步接触电阻，人们可能想要使用比金属接触电极6宽出一定量的钝化层5，所述量比电极到多指件的简单对准公差所需的更大，例如，宽出达到50％或甚至达到100％。
此外，与一个电极6相关联的钝化层5有可能以较小的厚度横向延伸至相邻电极6，即，钝化层5可在“指”(与电极6接触的钝化层5和介电层4的堆栈)之间的薄层中延伸。
在图2B所示的实施方式中，类似于图1B的实施方式，有源区2中的(掺杂)层3’在其主表面上变化。层3’分成与电极6’竖直对应(即，对准)的第一区域3-I’和与电极6’之间的区域竖直对应的第二区域3-II’。有源区2在第二表面附近的层3’的厚度在与第二类型的钝化层5’竖直对应的层3’的第一区域3-I’中比在与第二类型的钝化层5’之间的区域竖直对应的层的第二区域3-II’中小。
应注意，另外在如图2A和图2B所示的实施方式中，第二导电类型的掺杂剂还可存在于与第二类型的钝化层5’相邻的介电层4’中。
在图3A至图3D中，示出了交叉背接触类型的光伏电池的实施方式，其中，背侧接触件6a、6b中的一者或两者采用根据本发明的多指接触结构的形式，即，类似于上述实施方式。
在光伏电池的交叉背接触(IBC)实施方式中，所有的电接触件都设置在光伏电池1的背侧上。类似于上述实施方式，有源区2是衬底1的部分，以及在顶侧(辐射接收侧)，可提供(埋入或扩散式)发射极层12，该发射极层12覆盖有另一保护或钝化层13(例如，防反射层)。即，扩散式发射极层12设置在在第二表面附近的有源区2中。这允许所有的辐射到达有源层2。在底侧，不同极性的电极6a、电极6b以交替的方式定位，从而形成(交叉的)背侧电极图案。通过在背侧处实施本发明实施方式，光伏电池的IBC类型的其他变型也是可能的，例如，具有前表面场、仅具有前介电钝化层、具有掺杂的多晶前浮置发射极(例如，对于串联应用)等的IBC电池。
在图3A所示的实施方式中，第一导电类型和第二导电类型的掺杂剂分别提供在半导体衬底1的有源区2的、背侧附近的图案化层3a、3b中。层3a和层3b分别具有与层5a、层5b相同的导电类型。在该实施方式中，提供了(薄)介电层4(例如，氧化硅层)，也是跨越衬底1的整个背侧或至少在层5a和层5b与半导体衬底1之间的均匀层。
总体而言，对于根据本发明的IBC实施方式，半导体衬底还包括第二类型的钝化层5b，以用于在半导体衬底1的第一侧上提供第二导电类型(与第一导电类型相反)的电接触，其中，(薄)介电层4也设置在第二类型的钝化层5b与半导体衬底1的有源区2之间，其中，半导体衬底1的有源区2的层3b中提供有第二导电类型的掺杂，其中，层3b在第一表面附近，与第二类型的钝化层(5b)(竖直地)对准。应注意，在这些IBC实施方式中，第一表面是IBC光伏电池的背侧并且半导体衬底1的第二表面是辐射接收侧。
类似于先前描述的实施方式，在IBC实施方式中，层3a、层3b在相关联钝化层5a、钝化层5b下方横向地延伸并远离钝化层5a、钝化层5b，从而具有相应的类似导电类型。存在其他替代实施方式，如下文将进一步说明。
在一个实施方式中，在第二类型的钝化层5b中提供第二导电类型的掺杂剂。例如，第二类型的钝化层5b包括第二导电类型的掺杂多晶硅。
在如图3A的剖面图所示的实施方式中，将半导体衬底1的有源区2的、第一表面附近的层3设置为分别与第一类型的钝化层5a和第二类型的钝化层5b对准的相反极性(即，不同类型的掺杂)的相邻场3a、3b。
特别地，对于IBC类型的光伏电池，其他变型是可能的。在如图3B所示的实施方式中，相反极性的相邻场3a、3b具有不同的宽度。这将例如允许通过仅改变相邻场3a、3b的宽度来微调两种类型的多指堆栈(3a、4a、5a、6a；3b、4b、5b、6b)的特性。
图3C的剖面图中示出了更进一步替代实施方式，其中，相邻场3a、3b相互分开。即，有源区2在相反极性的相邻场3a、3b之间延伸。
此外，根据本发明实施方式的多指堆栈可仅应用于单极性电极。如图3D的实施方式所示，将半导体衬底1的有源区2的、第一表面附近的层3设置为仅与第一类型的钝化层5a对准的场3a。
对于如图3A至图3D所示的IBC实施方式，钝化层5a、钝化层5b可提供为(掺杂)多晶硅图案。保护层7指示为设置在相反极性的电极/多晶硅堆栈5a/6a、5b/6b之间。
如本文所述的实施方式可利用容易得到且此类已知的处理步骤来经济地制造。用于多晶硅沉积的一个低成本过程是LPCVD。LPCVD多晶硅可通常沉积在衬底1的两侧上。多晶硅的图案化可视作直接的，并且可例如与蚀刻背选择性发射极方法(在金属化区域附近施加抗蚀剂，然后是湿化学移除)类似地完成。因此，本发明实施方式可应用于衬底1的两侧。替代性地，本发明实施方式可仅应用于前侧，并且将全区域多晶硅钝化背接触应用于光学损耗不那么重要的后部，或仅应用于背侧(例如，见图3A至图3D的实施方式)。通过以下事实来实现精益过程：图案化多晶硅区域和常规扩散区域可在一个掺杂步骤(扩散或植入)中进行掺杂，从而使本发明具有工业吸引力。此外，可仅在两个掺杂步骤(例如，一个掺杂步骤用于在后部处进行P植入，以及第二步骤用于BBr3扩散或B植入)中在扩散区域附近向两侧提供局部多晶硅。
用于产生如上所述的实施方式中的一个的方法可通过以下方式来获得(除非明确指出，否则不一定按顺序)：
-在第一(前)侧上：提供本征多晶硅层(其可如在选择性发射极方法中那样图案化)，随后暴露于BBr3扩散，从而产生与B扩散型发射极(有源层2中的层3)相邻的p型多晶硅钝化层(第一类型的钝化层5)；
-在第二(后)侧上：在后部上提供BBr3扩散屏障。第二侧(后侧)处的n型钝化层5’(在指件的下方背部地或局部地覆盖或蚀刻)设置有BBr3扩散屏障，BBr3扩散屏障防止B与n型多晶硅中的P驻留从而降低有效移动性并不利地影响Rsheet。
替代性地，BBr3扩散屏障可设置在稍微对基板1的前侧缠绕的后部上，从而实现(钝化)边缘隔离。
进一步实施方式将是利用孔掩模在第二(后)侧上实现掺杂剂的植入，从而在植入期间遮蔽衬底1的边缘。更进一步的实施方式将是执行激活n型多晶硅的BBr3扩散步骤。
在减少处理步骤方面确实有效的更进一步的实施方式中，使用可打印的扩散屏障以及可打印的B掺杂剂源(例如，浆料的形式)。在P扩散步骤期间，也将从B掺杂剂源发生B扩散。
上文已经参考如附图所示的许多示例性实施方式描述了本发明。对一些部分或元件的修改和替代实施是可能的，并且包括在如所附权利要求限定的保护范围内。

Claims (15)

1.一种半导体衬底(1)，具有有源区(2)以及面向彼此的第一表面和第二表面，所述半导体衬底(1)包括第一类型的钝化层(5)，以用于在所述半导体衬底(1)的所述第一表面的部分上提供第一导电类型的电接触，
其中，所述半导体衬底(1)的有源区(2)与所述第一类型的钝化层(5)之间设置有介电层(4)，以及
其中，所述第一导电类型的掺杂设置在所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)的层(3)中，所述层(3)在所述第一表面附近，与所述第一类型的钝化层(5)对准，以及其中，所述有源区(2)的、所述第一表面附近的所述层(3)中的横向掺杂剂水平基本上一致。
2.根据权利要求1所述的半导体衬底，其中，所述第一钝化层(5)包括分布在所述第一表面上的栅格图案。
3.根据权利要求1或2所述的半导体衬底，其中，所述有源区(2)在所述第一表面附近的所述层(3)的厚度和/或每单位面积的集成掺杂剂浓度在与所述第一类型的钝化层(5)竖直对应的所述层的第一区域(3-I)中比在与所述第一类型的钝化层(5)之间的区域竖直对应的所述层的第二区域(3-II)中小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体衬底，其中，所述第一导电类型的掺杂剂还存在于所述介电层(4)中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体衬底，还包括第二类型的钝化层(9)，以用于在所述半导体衬底(1)的所述第二表面上提供第二导电类型的电接触，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，
其中，所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)与所述第二类型的钝化层(9)之间设置有介电层(8)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体衬底，还包括第二类型的钝化层(5’)，以用于在所述半导体衬底(1)的所述第二表面的部分上提供第二导电类型的电接触，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，
其中，所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)与所述第二类型的钝化层(5’)之间设置有介电层(4’)，以及
其中，所述第二导电类型的掺杂设置在所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)的层(3’)中，所述层(3’)在所述第二表面附近，与所述第二类型的钝化层(5’)对准。
7.根据权利要求6所述的半导体衬底，其中，所述第二钝化层(5’)包括分布在所述第二表面上的栅格图案。
8.根据权利要求6或7所述的半导体衬底，其中，所述有源区(2)的、所述第二表面附近的所述层(3’)中的横向掺杂剂水平基本上一致。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的半导体衬底，其中，所述有源区(2)在所述第二表面附近的所述层(3’)的厚度或每单位面积的集成掺杂剂浓度在与所述第二类型的钝化层(5’)竖直对应的所述层(3’)的第一区域(3-I’)中比在与所述第二类型的钝化层(5’)之间的区域竖直对应的所述层的第二区域(3-II’)中小。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的半导体衬底，其中，所述第二导电类型的掺杂剂还存在于与所述第二类型的钝化层(5’)相邻的所述介电层(4’)中。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体衬底，还包括第二类型的钝化层(5b)，以用于在所述半导体衬底(1)的所述第一表面上提供第二导电类型的电接触，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反，
其中，所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)与所述第二类型的钝化层(5b)之间设置有介电层(4)，以及
其中，所述第二导电类型的掺杂设置在所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)的层(3b)中，所述层(3b)在所述第一表面附近，与所述第二类型的钝化层(5b)对准。
12.根据权利要求11所述的半导体衬底，其中，所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)的、所述第一表面附近的所述层(3)设置为相反极性的相邻场(3a、3b)，所述相反极性的相邻场(3a、3b)分别与所述第一类型的钝化层(5a)和所述第二类型的钝化层(5b)对准。
13.根据权利要求12所述的半导体衬底，其中，所述相反极性的相邻场(3a、3b)具有不同的宽度。
14.根据权利要求12或13所述的半导体衬底，其中，所述相邻场(3a、3b)相互分开。
15.根据权利要求11所述的半导体衬底，其中，所述半导体衬底(1)的所述有源区(2)的、所述第一表面附近的所述层(3)设置为场(3a)，所述场(3a)仅与所述第一类型的钝化层(5a)对准。
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