CN110100317A - 高效背面接触型太阳能电池单元、太阳能电池组件和光伏发电系统 - Google Patents

高效背面接触型太阳能电池单元、太阳能电池组件和光伏发电系统 Download PDF

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Abstract

提供一种背面接触型太阳能电池单元，其在第一导电型的半导体基板的作为非受光面的背面上形成有扩散第二导电型的杂质的杂质扩散层，所述背面接触型太阳能电池单元设置有与所述杂质扩散层连接的电极，其中杂质扩散层中杂质的表面浓度为5×1017原子/cm3以上且5×1019原子/cm3以下，杂质扩散层中杂质的扩散深度为从所述基板背面的表面起1μm以上且2.9μm以下。由于该构造，可以提供能够以低成本且利用简便的方法制造的高效背面接触型太阳能电池单元。

Description

高效背面接触型太阳能电池单元、太阳能电池组件和光伏发 电系统
技术领域
本发明涉及具有有利的转换效率的高效背面接触型太阳能电池单元、太阳能电池组件和光伏发电系统。
背景技术
太阳能电池单元典型地由尺寸为100～150mm2、厚度为0.1～0.3mm的板状的多晶硅或单晶硅等制成，太阳能电池单元的主要材料为掺杂有硼等p型杂质的p型半导体基板。在这种太阳能电池单元中，n型扩散层(发射极层)和防反射膜形成于接受太阳光的受光面上，并形成贯通防反射膜以与发射极层接触的电极。
在太阳能电池单元中，电极对于取出光伏转换而得的电流是必不可少的。然而，由于电极的遮蔽，太阳光不能射入受光面上的电极区域下方的部位，电极的面积越大，转换效率下降得越多，电流越小。由受光面上形成的电极所造成的这样的电流损失称为阴影损失(shadow loss)。
相对的，背面接触型太阳能电池单元不具有阴影损失，没有形成于受光面上的电极，因而除了防反射膜无法防止反射的少量反射光以外能够吸收其中几乎100％的入射太阳光。因此原则上可以实现高转换效率。
典型地，背面接触型太阳能电池单元100具有如图1所示的截面结构。背面接触型太阳能电池单元100包括半导体基板101、发射极层104、BSF(Back Surface Field，背面场)层106、防反射膜兼钝化膜107及108、和电极109及110。
半导体基板101为背面接触型太阳能电池单元100的主要材料，且由单晶硅或多晶硅等制成。虽然可使用p型基板或n型基板，但经常使用掺杂有磷等n型杂质的n型硅基板。下文中，将以使用n型硅基板的情况为例进行说明。对于半导体基板101，优选尺寸为100～150mm2且厚度为0.1～0.3mm的板状的基板，一个主表面用作受光面，另一主表面用作非受光面(背面)。
用于光学限制的凹凸结构形成于受光面上。通过将半导体基板101浸渍于酸性或碱性溶液一定时间来获得凹凸结构。典型地，该凹凸结构称为纹理(texture)。
背面以发射极层104为掺杂有硼等p型杂质的p型扩散层、BSF层106为掺杂有磷等n型杂质的n型扩散层来形成。发射极层104或BSF层106可首先形成。当发射极层104首先形成时，例如，按以下方式形成。
首先，保护膜102如氧化硅膜形成于半导体基板101的整个表面上。具体而言，厚度约30～300nm的氧化硅膜通过例如热氧化法形成，其中半导体基板101置于800～1100℃的高温下的氧气气氛中。随后，通过丝网印刷，将抗蚀糊剂涂布至覆盖除了在半导体基板101的背面上形成发射极层104的区域以外的区域的保护膜102部分，接着将抗蚀糊剂固化。然后将半导体基板101浸渍于氢氟酸水溶液中，从而除去覆盖用于形成发射极层104的区域的保护膜102，并进一步浸渍于丙酮等来除去抗蚀糊剂103。然后，在已除去保护膜102的区域通过例如热扩散法扩散p型杂质，从而形成作为p型扩散层的发射极层104和玻璃层105。具体地，例如通过将该半导体基板101置于含有BBr3的800～1100℃的高温气体中，硼在未形成有保护膜102的区域扩散，从而形成玻璃层105和薄层电阻为约20～300Ω/□的发射极层104。接着将半导体基板101浸渍于稀释的氢氟酸溶液等化学品中以除去残留的保护膜102和玻璃层105，并通过去离子水清洁。这导致p型杂质在其中扩散的发射极层104在半导体基板101的背面的期望的区域中形成。
接着，BSF层106以与发射极层104几乎相似的过程在半导体基板101的背面上未形成有发射极层104的部分中形成。
由SiN(氮化硅)等制成的防反射膜兼钝化膜107、108进一步分别在形成有纹理的受光面以及形成有发射极层104和BSF层106的背面上形成。
形成电极109以与发射极层104接触，形成电极110以与BSF层106接触。这些电极可在通过使用蚀刻糊剂等打开触点(contacts)之后通过溅射等来形成，或者可通过使用丝网印刷法来形成。在使用丝网印刷法的情况中，将含有玻璃料等的导电性银糊剂印刷在防反射膜兼钝化膜108上并干燥，从而在烧结后与发射极层104和BSF层106接触。通过烧结导电性银糊剂，分别形成与发射极层104接触的电极109和与BSF层106接触的电极110，贯通防反射膜兼钝化膜107、108。电极109、110各自由用于外部取出在背面接触型太阳能电池单元100中产生的光生电流的母线(bus bar)电极、和与母线电极接触的集电用栅线电极(finger electrode)构成(图示省略)。
在具有图1所示结构的典型的背面接触型太阳能电池单元中，尤其是发射极层的杂质扩散分布(impurity diffusion profile)对太阳能电池单元的转换效率有很大影响。例如，减少杂质向发射极层的扩散量来降低反向饱和电流密度使得可以增加太阳能电池单元的开路电压并提高其转换效率。然而，当杂质的表面浓度由于杂质向发射极层的扩散量减少而降低时，典型地与发射极层接触的电极的接触电阻增大，从而引起转换效率的劣化。为此，已考虑优先使用如下方法来改进转换效率：设定其中杂质的表面浓度高且扩散深度浅的扩散分布，同时保持杂质向发射极层的扩散量小，从而使接触电阻尽可能地小并在可能的范围内还防止反向饱和电流密度增加。在使用上述用于制造发射极层的示例方法的情况下，发射极层通常形成有杂质的表面浓度高且其扩散深度浅的扩散分布。
发射极层和电极之间的接触电阻还受到发射极层和电极之间的接触面积的大小的很大影响。在受光面上具有电极的常规太阳能电池单元的情况下，与发射极层接触的栅线电极需要变薄来使电极面积最小化，从而使得由电极引起的阴影损失尽可能地小。这使得难以充分降低接触电阻并使得电极形成的成本高。相反，在背面接触型太阳能电池单元中，电极形成在非受光面上，从而消除了考虑由电极引起的阴影损失的需求。因此在背面接触型太阳能电池单元的情况下，已考虑优先使栅线电极的宽度大到一定程度从而使发射极层和电极之间的接触面积宽且接触电阻低，并优先形成薄电极从而使截面面积(与接触面正交的面的面积)小到横流阻力不会变得过大的程度，以便将电极形成的成本保持在低水平。在前述示出的通过丝网印刷制造电极的方法的情况下，经常形成宽度大和厚度薄的电极。
然而，为了以杂质的表面浓度高且其扩散深度浅的扩散分布来扩散杂质，通常必须在高温下进行短时间的扩散热处理。在此情况下，尤其是在大量生产时，杂质扩散的非均一性容易发生，因而难以以预定的扩散分布来扩散杂质。另外，宽度大且厚度薄的电极会偶然增大与发射极层的接触电阻值，这已经常引起产量降低。
作为解决这一问题的对策，例如，专利文献1公开了太阳能电池单元的制造方法，其中含有扩散源的膜在形成于半导体基板中的扩散层的电极形成的部分中形成，并进行蒸气气氛下的热处理，从而只在电极正下方的位置形成高浓度扩散层。然而，该方法的问题在于，由于热处理需要进行多次来形成扩散层，成本变高，另外，如重金属等损寿物(lifetimekiller)在半导体基板中扩散，容易引起产量的降低。
专利文献2公开了一种太阳能电池单元的制造方法，其中掺杂剂溶液通过喷墨印刷涂布至基板表面来进行均匀扩散。然而，在该方法的情况下，已存在的问题是在喷墨印刷时难以控制喷嘴和掺杂剂溶液，另外，扩散源形成和热处理以不同步骤进行，引起成本的增加。
专利文献3公开了一种太阳能电池单元的制造方法，其中导电性糊剂在替换掩模的同时进行多次丝网印刷，从而减少电极的电阻。然而，该方法的问题在于，由于电极的位移，产量容易降低，且由于导电性糊剂的使用量增加，成本容易增加。
专利文献4公开了一种太阳能电池单元的制造方法，其中电极通过所谓的轮转凹版印刷形成，从而精确地形成电极。然而，该方法的问题在于难以控制辊和糊剂，且由于干燥容易发生辊的堵塞和产量的降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO 2015/151288
专利文献2：JP 2003-168807 A
专利文献3：WO 2011/111192
专利文献4：JP 2011-049514 A
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的为提供具有有利的转换效率的高效背面接触型太阳能电池单元、太阳能电池组件、和光伏发电系统，所述电池单元的反向饱和电流密度小且发射极层和电极之间的接触电阻低，且通过简便方法以良好产量、低成本地制造。
用于解决问题的方案
(1)本发明的高效背面接触型太阳能电池单元为如下的高效背面接触型太阳能电池单元：在第一导电型的半导体基板的作为非受光面的背面上形成有扩散第二导电型的杂质的杂质扩散层，并设置有与所述杂质扩散层接触的电极。在该太阳能电池单元中，杂质扩散层中杂质的表面浓度为5×1017原子/cm3以上且5×1019原子/cm3以下，和杂质扩散层中杂质的扩散深度为从所述背面的表面起1μm以上且2.9μm以下。
如上所述，通过形成与常规相比具有低表面浓度和深扩散深度的发射极层，可以降低反向饱和电流密度和接触电阻二者，从而通过简便方法以低成本实现高效背面接触型太阳能电池单元。
(2)杂质扩散层的薄层电阻(sheet resistance)可以为60Ω/□以上且150Ω/□以下。
(3)杂质扩散层中杂质的浓度的最大值可以为7×1017原子/cm3以上且7×1019原子/cm3以下。杂质扩散层中杂质的浓度可成为所述最大值的位置为从所述背面的表面起0.1μm以上且1μm以下的深度。电极可为至少含有玻璃料、银和铝的烧结体。电极的截面面积可为350μm2以上且1000μm2以下。电极可部分地贯入杂质扩散层，贯入的深度可为从所述背面的表面起0.1μm以上且1.9μm以下。
因此可以抑制接触电阻降低以提高转换效率，而且还抑制制造成本降低。
(4)例如，第一导电型为n型，第二导电型为p型。
(5)太阳能电池组件可通过电连接多个高效背面接触型太阳能电池单元来构成。
(6)光伏发电系统可通过电连接多个太阳能电池组件来构成。
附图说明
图1为说明高效背面接触型太阳能电池单元的构成的一个实例的图。
图2为说明高效背面接触型太阳能电池单元的制造方法的流程图。
图3为说明从基板表面起的深度和在该深度处的杂质浓度之间的关系的一个实例的图。
图4为绘制各样品的反向饱和电流密度分别相对于表面浓度和薄层电阻的图。
图5为绘制各样品的接触电阻分别相对于表面浓度和薄层电阻的图。
图6为说明各样品的电极的截面面积与接触电阻之间的关系的图。
图7为说明使用本发明的高效背面接触型太阳能电池单元构造的太阳能电池组件的构造例的示意图。
图8为说明图7中所示的太阳能电池组件的背面的构造例的示意图。
图9为说明图7中所示的太阳能电池组件的截面的构造例的示意图。
图10为说明使用图7中所示的太阳能电池组件构造的光伏发电系统的构造例的示意图。
具体实施方式
下文中，将描述本发明的实施方案。包括用于描述现有技术的图在内的各图中共同的构成要素以相同的附图标记提供。
本发明中的高效背面接触型太阳能电池单元200具有与图1所示的常规背面接触型太阳能电池单元100相似的结构，并包括半导体基板101，发射极层104，BSF层106，防反射膜兼钝化膜107、108，和电极109、110。半导体基板101为高效背面接触型太阳能电池单元200的主要材料，且由单晶硅或多晶硅等制成。虽然可以使用p型或n型，但在本文中，将以含有磷等杂质且电阻率为0.1～4.0Ω·cm的n型硅基板的情况为例进行描述。对于半导体基板101，优选尺寸为100～150mm2且厚度为0.05～0.30mm的板状的基板，一个主表面用作受光面，另一主表面用作非受光面(背面)。
<制造程序>
图2示出本发明的高效背面接触型太阳能电池单元200的制造方法。在制造之前，将半导体基板101浸渍于酸性溶液等中用于损伤蚀刻，从而除去由切片(slicing)等引起的表面的损伤，然后清洁并干燥半导体基板101。
首先，在损伤蚀刻后的半导体基板101的背面上形成发射极层104(S1)。如氧化硅膜等保护膜102首先形成于半导体基板101的整个表面上(S1-1)。膜厚度约30～300nm的氧化硅膜通过例如热氧化法形成，其中半导体基板101短时间置于800～1100℃的高温下的氧气气氛中。随后，通过丝网印刷，将抗蚀糊剂涂布至覆盖除了在半导体基板101的背面上形成发射极层104的区域以外的区域的保护膜102部分，接着将抗蚀糊剂固化(S1-2)。然后将半导体基板101浸渍于氢氟酸水溶液中，从而除去覆盖用于形成发射极层104的区域的保护膜102(S1-3)，并进一步浸渍于丙酮等来除去抗蚀糊剂103(S1-4)。然后，在已除去保护膜102的区域通过例如热扩散法扩散p型杂质，从而形成作为p型扩散层的发射极层104和玻璃层105(S1-5)。具体地，例如通过将该半导体基板101置于含有BBr3的800～1100℃的高温气体中，硼在未形成有保护膜102的区域扩散，从而形成玻璃层105和薄层电阻为约20～300Ω/□的发射极层104。接着将半导体基板101浸渍于稀释的氢氟酸溶液等化学品中以除去残留的保护膜102和玻璃层105，并通过去离子水清洁(S1-6)。这导致p型杂质在其中扩散的发射极层104在半导体基板101的背面的期望的区域中形成。
随后，在半导体基板101的背面上未形成有发射极层104的部分中形成BSF层106(S2)。首先，如氧化硅膜等保护膜102形成于半导体基板101的整个表面上(S2-1)。氧化硅膜通过例如热氧化法形成，其中半导体基板101置于800～1100℃的高温下的氧气气氛中。此时，将高温下的放置时间延长，从而形成氧化硅膜，同时使在形成发射极层104时在半导体基板101的表面附近扩散的硼在半导体基板101中扩散得更深，而且还在所形成的氧化硅膜中扩散。结果，形成发射极层104的硼的表面浓度降低，薄层电阻相应地变化。扩散深度、表面浓度和薄层电阻可通过改变热氧化条件来适当地调整。
随后，通过丝网印刷，将抗蚀糊剂涂布至覆盖半导体基板101的背面上形成有发射极层104的区域的保护膜102部分，接着将抗蚀糊剂固化(S2-2)。然后将半导体基板101浸渍于氢氟酸水溶液中，从而除去覆盖未形成有发射极层104的区域的保护膜102(S2-3)，并进一步浸渍于丙酮等来除去抗蚀糊剂103(S2-4)。然后，在已除去保护膜102的区域通过例如热扩散法扩散n型杂质元素，从而形成作为n型扩散层的BSF层106和玻璃层105(S2-5)。具体地，例如通过将该半导体基板101置于含有POCl3的850～1100℃的高温气体中，磷在未形成有保护膜102的区域扩散，从而形成玻璃层105和薄层电阻为约30～300Ω/□的BSF层106。接着将半导体基板101浸渍于稀释的氢氟酸溶液等化学品中以除去残留的保护膜102和玻璃层105，并通过去离子水清洁(S2-6)。这导致BSF层106的形成，其中n型杂质在半导体基板101的背面上的未形成有发射极层104的区域中扩散。
接下来，称为纹理的凹凸结构形成于半导体基板101的受光面上(S3)。纹理可通过将半导体基板101浸渍于酸性或碱性溶液一定时间来形成。例如，纹理可通过借助于丝网印刷将抗蚀糊剂涂布至半导体基板101的整个背面、固化抗蚀糊剂、然后通过使用氢氧化钾水溶液等将背面化学蚀刻、接着清洁干燥来形成。通过形成纹理，经受光面入射的光多重反射以将其限制在半导体基板101中，从而使得能够有效地减少反射率并改进转换效率。之后，将半导体基板101浸渍于丙酮等来除去涂布至半导体基板101的整个背面的抗蚀糊剂。注意，纹理可以在发射极层104和BSF层106形成之前形成。纹理也可以形成于半导体基板101的背面上。另外，FSF(Front Surface Field，正面场)层可进一步形成于半导体基板101的受光面上。
随后，由SiN(氮化硅)等制成的防反射膜兼钝化膜107、108分别形成于半导体基板101的两面(S4)。在氮化硅膜的情况下，其通过例如SiH4和NH3的混合气体被N2稀释、并借由辉光放电分解来等离子体气化的等离子体CVD法或通过一些其他方法来形成。考虑到与半导体基板101的折射率之差，防反射膜兼钝化膜107、108各自形成为折射率为约1.8～2.3和厚度为约50～100nm。该膜起到防止半导体基板101的正面上的光反射并将光有效地吸收在半导体基板101中的功能，并且还起到对n型扩散层具有钝化作用的钝化膜的功能，从而发挥改进太阳能电池单元的电气特性的效果。注意，防反射膜兼钝化膜107、108可以为氧化硅、碳化硅、非晶硅、氧化铝、或氧化钛等的单层膜，或者通过将这些组合而形成的层叠膜。半导体基板101的受光面和背面中可使用不同的膜。
随后，形成电极109、110(S5)。电极可通过例如借助于蚀刻糊剂等在防反射膜兼钝化膜108中设置开口部并进行溅射来形成，或者可通过丝网印刷法来形成。在使用丝网印刷法的情况下，首先，将含有例如银粉、玻璃料、铝粉或清漆的导电性糊剂丝网印刷在防反射膜兼钝化膜108的、待形成与发射极层104接触的电极109的部分以及其待形成与BSF层106接触的电极110的部分上，然后干燥导电性糊剂。此时，改变用于丝网印刷的丝网掩模的筛网粗度(mesh roughness)、乳剂厚度和开孔尺寸等，从而允许适当地调整电极的宽度和截面面积。
如上所述印刷的导电性糊剂在约500℃～950℃下烧结约1～60秒，从而贯通防反射膜兼钝化膜108(烧结贯通(firing through))。从而，将含有银、玻璃料和铝的烧结体与发射极层104或BSF层106电连接，从而形成电极109、110。注意，形成电极时的烧结可以一次进行，或者可以多次单独进行。另外，待涂布至发射极层104上的导电性糊剂和待涂布至BSF层106上的导电性糊剂可以不同。
<课题解决手段的考虑>
通过上述制造方法，生产用于测定发射极层的反向饱和电流密度的多个样品，同时改变热氧化条件。注意，由于电极在测定反向饱和电流密度时不是必需的，因而不形成电极。用于生产的n型半导体基板的电阻率为1Ω·cm，磷的掺杂浓度为约5×1015原子/cm3，防反射膜兼钝化膜为厚度100nm且通过使用SiH4、NH3及N2的等离子体CVD法形成的氮化硅膜。
在各样品中，硼向发射极层中的扩散分布通过SIMS测定(所用设备为CAMECA SAS.制造的“ims-4f”，一次离子为O2 +，一次离子能为10.5keV，扫描区域为200×200μm，检测区域为二次离子极性为正)。图3为说明作为特定样品的测定结果而得的、从基板表面起的深度与在该深度处的杂质硼的浓度之间的关系的图。如图3所示，在最外表面附近的深度0～0.02μm的周围识别到突然极端的浓度波动。该浓度波动被认为是受基板表面上的异物或基板表面的凹凸等影响的测定值的变化，并包括许多误差。因此，以下，将表面浓度定义为0.03μm附近的浓度。如果做出这样的定义，则制得的各样品的表面浓度为1×1017～1×1020原子/cm3。另外，扩散深度在下文中定义为通过SIMS测定而得的扩散硼浓度成为等于掺入n型半导体基板的磷的浓度时的深度。如果做出这样的定义，则制得的各样品的扩散深度为0.7～3.5μm。
在测定扩散分布之后，反向饱和电流密度测定用的各样品的反向饱和电流密度通过QSSPC法(所用设备为WCT-100，由Sinton Consulting Inc.制造)测定。图4(a)和4(b)为绘制通过QSSPC而得的各样品的反向饱和电流密度分别相对于表面浓度和薄层电阻的图。图4(a)为绘制电流密度相对于表面浓度的图，图4(b)为绘制电流密度相对于薄层电阻的图。从图4(a)和4(b)来看，确认反向饱和电流密度随着表面浓度的降低而趋于降低，而发现其与薄层电阻不相关。即，可以说降低表面浓度使开路电压增加，从而使转换效率提高。
接下来，导电性糊剂基于TLM法以图案的形式涂布至反向饱和电流密度测定用的各样品，并在800℃下烧结10秒，从而生产多个接触电阻测定用样品。TLM法广泛已知为以垂直进入接触表面上的电流在器件表面上转向(turn)并水平流动的模式精确测定各触点的接触电阻的方法。图5(a)和5(b)为绘制通过TLM法测定的各样品的接触电阻分别相对于薄层电阻和表面浓度的图。从图5(a)和5(b)来看，确认接触电阻与薄层电阻正相关，而发现其与表面浓度不相关。
从上文来看，为了实现反向饱和电流密度和接触电阻均低的发射极层，只需形成低表面浓度和低薄层电阻的发射极层即可。该条件可通过形成具有低表面浓度和深扩散深度的发射极层而容易地满足。这是因为，尽管薄层电阻典型地在表面浓度降低时增大，该增大也可通过加深扩散深度来降低。
接下来，在接触电阻测定用样品中，薄层电阻为70Ω/□的样品通过将与发射极层连接的栅线电极的宽度设定为固定值(60μm)并改变栅线电极的截面面积来形成，并测定接触电阻。在此情况下，电极的截面面积使用KEYENCE CORPORATION制的激光显微镜VK-8500测定，接触电阻使用TLM法测定。截面面积通过改变丝网印版的纱网厚度和乳剂厚度来改变。如此测定的电极的接触电阻相对于截面面积进行绘制(图6)。从图6发现，即使电极的接触面积固定，当截面面积减小时，接触电阻也增大，转换效率劣化。因此可以说电极的截面面积优选在成本允许的范围内增大。
作为电极的截面面积变大时接触电阻变小的原因之一，可以引用以下情况。
当烧结导电性糊剂而形成电极时，确认电极贯入基板的地方，最大深度约2μm。在此情况下，贯入深度通过以下来测定：将电极浸渍于氢氟酸和硝酸来从基板除去电极，并通过SEM观察基板上留下的除去痕迹。在确认关于多个样品的电极的贯入深度和接触电阻之间的关系时，发现在与发射极层的接触电阻大的电极中，几乎没有贯入和连接的地方，或者即使在极少数情况下有这样的地方，贯入也浅，但在与发射极层的接触电阻低的电极中，存在深贯入和连接大的地方，且贯入深。即，认为电极贯入地越深，接触电阻越低，还由此认为接触电阻不仅依赖于表面的掺杂剂浓度，而且还依赖于掺杂剂浓度的深度上的变化。具体而言，认为可通过电极贯入的深度为大致覆盖杂质以高浓度扩散的范围而更进一步降低接触电阻。
然而，此时当电极的截面面积小时，构成电极并辅助与发射极层的电连接的如玻璃料和铝等材料的绝对量变得不足，导致接触电阻的增大。因此可以说为了避免接触电阻的增大并得到稳定的产量，电极的截面面积优选在成本允许的范围内增大，同时使电极一定程度地贯入发射极层。
实施例
通过上述考虑指明的问题解决手段的正确性使用通过使杂质扩散分布和电极形状不同而制造的多种制品来验证。各样品的制造方法和验证结果示于下文。
<第一共同步骤>
准备掺杂有磷并通过切割成具有0.2mm厚度而生产、且由电阻率为约1Ω·cm和掺杂浓度为约5×1015原子/cm3的n型单晶硅制成的n型硅基板，并对其进行外径加工，从而形成边长为15cm的正方形的板状。将该基板浸渍于硝氟酸溶液15秒，从而进行损伤蚀刻，其后用去离子水清洁并干燥。
损伤蚀刻后的n型硅基板置于氧气气氛中并在1000℃的温度下热氧化45分钟，从而在基板的两面上形成厚度50nm的氧化硅膜。然后，将抗蚀糊剂丝网印刷在形成于基板背面的待由氧化硅膜形成BSF层的区域上，并在100℃的温度下加热干燥。在该情况下，在发射极层具有800μm宽度和BSF层具有200μm宽度下，丝网印版形成为具有指叉型背接触电池(interdigitated back contact cell)的结构的图案，其中发射极层和BSF层交替形成。作为抗蚀糊剂，使用Lektrachem Ltd.制造的糊剂185。将基板浸渍于2％氢氟酸水溶液来部分除去氧化硅膜，同时使该膜留在BSF层的待形成区域上，然后浸渍于丙酮以除去抗蚀糊剂，之后，将基板用去离子水清洁并干燥。接下来，在900℃的温度下在BBr3气体气氛中对基板的背面进行热扩散处理20分钟，从而在基板的背面上形成作为发射极层的p型扩散层及玻璃层。所形成的p型扩散层具有约70Ω/□的薄层电阻和0.5μm的扩散深度。其后，将该基板浸渍于25％氢氟酸水溶液，然后用去离子水清洁并干燥以除去氧化硅膜和玻璃层。
<比较例1>
比较例1为采用常规制品的制造方法的情况，其中在发射极层形成后进行的保护膜(氧化硅膜)的形成步骤中采用短时间(45分钟)来进行热氧化。具体而言，在进行以下步骤后，进行后述的第二和第三共同步骤来制造背面接触型太阳能电池单元。
将如上所述的形成有发射极层的基板置于氧气气氛中并在1000℃的温度下热氧化45分钟，从而在基板的两面上形成厚度50nm的氧化硅膜。通过此时的热处理，在发射极层中扩散的硼再扩散。再扩散后发射极层中硼的扩散分布通过SIMS测定(所用设备为CAMECASAS.制造的“ims-4f”，一次离子为O2 +，一次离子能为10.5keV，扫描区域为200×200μm，检测区域为二次离子极性为正)。结果，表面浓度为1.0×1020原子/cm3，最大浓度为1.4×1020原子/cm3，得到最大浓度时的深度为0.07μm，扩散深度为0.5μm。发射极层的薄层电阻为约50Ω/□。
<实施例1>
实施例1为将比较例1中的热氧化时间延长至90分钟的情况。
将如上所述的形成有发射极层的基板置于氧气气氛中并在1000℃的温度下热氧化90分钟，从而在基板的两面上形成厚度80nm的氧化硅膜。通过此时的热处理，在发射极层中扩散的硼再扩散。再扩散后发射极层中硼的扩散分布通过SIMS测定，结果表面浓度为5.0×1019原子/cm3，最大浓度为7×1019原子/cm3，得到最大浓度时的深度为0.1μm，扩散深度为1.0μm。发射极层的薄层电阻为约60Ω/□。
<实施例2>
实施例2为将比较例1中的热氧化时间延长至120分钟的情况。
将如上所述的形成有发射极层的基板置于氧气气氛中并在1000℃的温度下热氧化120分钟，从而在基板的两面上形成厚度100nm的氧化硅膜。通过此时的热处理，在发射极层中扩散的硼再扩散。再扩散后发射极层中硼的扩散分布通过SIMS测定，结果表面浓度为1.0×1019原子/cm3，最大浓度为1.2×1019原子/cm3，得到最大浓度时的深度为0.4μm，扩散深度为2.0μm。发射极层的薄层电阻为约70Ω/□。
<实施例3>
实施例3为将比较例1中的热氧化时间延长至180分钟的情况。
将如上所述的形成有发射极层的基板置于氧气气氛中并在1000℃的温度下热氧化180分钟，从而在基板的两面上形成厚度130nm的氧化硅膜。通过此时的热处理，在发射极层中扩散的硼再扩散。再扩散后发射极层中硼的扩散分布通过SIMS测定，结果表面浓度为5.0×1018原子/cm3，最大浓度为8.0×1018原子/cm3，得到最大浓度时的深度为0.7μm，扩散深度为2.3μm。发射极层的薄层电阻为约90Ω/□。
<实施例4>
实施例4为将比较例1中的热氧化时间延长至240分钟的情况。
将如上所述的形成有发射极层的基板置于氧气气氛中并在1000℃的温度下热氧化240分钟，从而在基板的两面上形成厚度150nm的氧化硅膜。通过此时的热处理，在发射极层中扩散的硼再扩散。再扩散后发射极层中硼的扩散分布通过SIMS测定，结果表面浓度为5.0×1017原子/cm3，最大浓度为7.0×1017原子/cm3，得到最大浓度时的深度为1.0μm，扩散深度为2.9μm。发射极层的薄层电阻为约280Ω/□。
<比较例2>
比较例2为将比较例1中的热氧化时间延长至300分钟的情况。
将如上所述的形成有发射极层的基板置于氧气气氛中并在1000℃的温度下热氧化300分钟，从而在基板的两面上形成厚度160nm的氧化硅膜。通过此时的热处理，在发射极层中扩散的硼再扩散。再扩散后发射极层中硼的扩散分布通过SIMS测定，结果表面浓度为3.0×1017原子/cm3，最大浓度为5.0×1017原子/cm3，得到最大浓度时的深度为1.1μm，扩散深度为3.3μm。发射极层的薄层电阻为约320Ω/□。
<第二共同步骤>
将抗蚀糊剂丝网印刷在比较例1或2、或实施例1、2、3或4的步骤中形成的氧化硅膜的、发射极层形成的地方上，并在100℃的温度下加热干燥。在此情况下，作为抗蚀糊剂，使用Lektrachem Ltd.制造的糊剂185。将用抗蚀糊剂印刷的基板浸渍于2％氢氟酸水溶液来除去除发射极层形成的地方以外的部分(形成BSF层的地方)的氧化硅膜，其后浸渍于丙酮以除去抗蚀糊剂。
随后，对于氧化硅膜已部分除去的各基板的背面，在POCl3气体气氛中，在930℃的温度下进行热扩散处理20分钟，从而使磷在已除去氧化硅膜的地方扩散并形成玻璃层和作为BSF层的n型扩散层。所形成的n型扩散层具有约30Ω/□的薄层电阻和0.5μm的扩散深度。之后，将这些基板浸渍于25％氢氟酸水溶液，然后用去离子水清洁并干燥以除去氧化硅膜和玻璃层。
然后，将抗蚀糊剂丝网印刷在基板的整个背面上，在100℃的温度下加热干燥。在此情况下，作为抗蚀糊剂，使用Lektrachem Ltd.制造的糊剂185。基板通过使用含有2％的氢氧化钾和2％的IPA的70℃的溶液化学蚀刻5分钟，然后用去离子水清洁并干燥，从而在基板的受光面上形成纹理结构。其后，将基板浸渍于丙酮以除去抗蚀糊剂。
随后，通过使用SiH4、NH3和N2的等离子体CVD法，在基板的两面形成厚度100nm的作为防反射膜兼钝化膜的氮化硅膜。
<第三共同步骤>
通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在目前为止已进行了上述处理的基板的发射极层上然后在150℃下干燥。作为导电性银糊剂，使用Heraeus Holding制造的SOL9383M。另外，使用具有目数325、乳剂厚度20μm、宽度50μm的直线状的开口部的板通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在基板的BSF层上，然后将糊剂在150℃下干燥。将印刷的导电性银糊剂在800℃的最高温度下烧结5秒从而形成电极，并制作根据各比较例和实施例的背面接触型太阳能电池单元。
<实施结果1>
表1示出通过比较例1或2、或实施例1、2、3或4的步骤制作的100个背面接触型太阳能电池单元各自的平均转换效率、平均短路电流密度、平均开路电压和平均曲线因子(average fill factor)。
[表1]
与具有高表面浓度的常规制品的情况(比较例1)相比，将发射极层中的杂质的表面浓度设定为5×1019原子/cm3以下(实施例1至4)使得能够提高转换效率。这被认为是因为由于杂质的表面浓度降低而造成反向饱和电流密度降低且开路电压增加。此时短路电流也增加，这被认为是随着由于氧化时间的延长使金属杂质被吸收至扩散层的进行而受到基板寿命增加的影响。然而，当使表面浓度如比较例2中一样过低时，发射极层的横向流动阻力(lateral flow resistance)变大，不能使转换效率充分提高。为此，表面浓度的上限优选设定为5×1019原子/cm3，其低于比较例1中示出的常规制品的表面浓度，其下限优选设定为5×1017原子/cm3。另外，从实施例1至4的结果来看，扩散深度的下限优选设定为1μm以上，其大于比较例1中示出的常规制品的扩散深度，其上限优选设定为2.9μm以下。此外，从实施例1至4的结果来看，薄层电阻的下限优选设定为60Ω/□，其上限优选设定为280Ω/□。然而，当上限设定为大于150Ω/□时，在批量生产时薄层电阻的变化变得非常大，从而使得控制困难，因此上限更优选设定为150Ω/□。
接下来，验证改变电极形状用以使接触电阻小而对转换效率施加的影响。
<比较例3>
将导电性银糊剂通过丝网印刷法印刷在经过实施例2和第二共同步骤中的处理的基板的BSF层上，然后将糊剂在150℃下干燥。作为导电性银糊剂，使用Heraeus Holding制造的SOL9412。SOL9412的主要固成分为银和玻璃料，不向其中添加铝粉。
另外，使用具有目数360、乳剂厚度10μm、宽度60μm的直线状的开口部的板通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在基板的发射极层上，然后将糊剂在150℃下干燥。其后，将印刷有导电性银糊剂的基板在800℃的最高温度下烧结5秒从而形成电极。形成后的电极具有约70μm的宽度、约8μm的厚度和约250μm2的截面面积。如此形成的半导体基板上的电极通过氢氟酸和硝酸除去，并通过SEM测定向扩散层的贯入深度，确认没有贯入的地方。
<比较例4>
比较例4为应用在比较例3中添加铝粉作为导电性银糊剂的情况。
将导电性银糊剂通过丝网印刷法印刷在经过实施例2和第二共同步骤中的处理的基板的BSF层上，然后将糊剂在150℃下干燥。作为导电性银糊剂，使用Heraeus Holding制造的SOL9383M。SOL9383M的主要固成分为银、玻璃料和铝粉。
另外，使用具有目数360、乳剂厚度10μm、宽度60μm的直线状的开口部的板通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在基板的发射极层上，然后将糊剂在150℃下干燥。其后，将印刷有导电性银糊剂的基板在800℃的最高温度下烧结5秒从而形成电极。形成后的电极具有约70μm的宽度、约8μm的厚度和约250μm2的截面面积。如此形成的半导体基板上的电极通过氢氟酸和硝酸除去，并通过SEM测定向发射极层的贯入深度，发现贯入深度的最大值为0.05μm。
<实施例5>
实施例5为将应用于比较例4中的丝网印刷的目数和乳剂厚度分别设定为目数325和20μm的情况。
将导电性银糊剂通过丝网印刷法印刷在经过实施例2和第二共同步骤中的处理的基板的BSF层上，然后将糊剂在150℃下干燥。作为导电性银糊剂，使用Heraeus Holding制造的SOL9383M。
另外，使用具有目数325、乳剂厚度20μm、宽度60μm的直线状的开口部的板通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在基板的发射极层上，然后将糊剂在150℃下干燥。其后，将印刷有导电性银糊剂的基板在800℃的最高温度下烧结5秒从而形成电极。形成后的电极具有约70μm的宽度、约12μm的厚度和约350μm2的截面面积。如此形成的半导体基板上的电极通过氢氟酸和硝酸除去，并通过SEM测定向扩散层的贯入深度，发现贯入深度的最大值为0.1μm。
<实施例6>
实施例6为将应用于比较例4中的丝网印刷的目数和乳剂厚度分别设定为目数290和30μm的情况。
将导电性银糊剂通过丝网印刷法印刷在经过实施例2和第二共同步骤中的处理的基板的BSF层上，然后将糊剂在150℃下干燥。作为导电性银糊剂，使用Heraeus Holding制造的SOL9383M。
另外，使用具有目数290、乳剂厚度30μm、宽度60μm的直线状的开口部的板通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在基板的发射极层上，然后将糊剂在150℃下干燥。其后，将印刷有导电性银糊剂的基板在800℃的最高温度下烧结5秒从而形成电极。形成后的电极具有约70μm的宽度、约15μm的厚度和约600μm2的截面面积。如此形成的半导体基板上的电极通过氢氟酸和硝酸除去，并通过SEM测定向扩散层的贯入深度，发现贯入深度的最大值为0.9μm。
<实施例7>
实施例7为将应用于比较例4中的丝网印刷的目数和乳剂厚度分别设定为目数250和30μm的情况。
将导电性银糊剂通过丝网印刷法印刷在经过实施例2和第二共同步骤中的处理的基板的BSF层上，然后将糊剂在150℃下干燥。作为导电性银糊剂，使用Heraeus Holding制造的SOL9383M。
另外，使用具有目数250、乳剂厚度30μm、宽度60μm的直线状的开口部的板通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在基板的发射极层上，然后将糊剂在150℃下干燥。其后，将印刷有导电性银糊剂的基板在800℃的最高温度下烧结5秒从而形成电极。形成后的电极具有约70μm的宽度、约15μm的厚度和约950μm2的截面面积。如此形成的半导体基板上的电极通过氢氟酸和硝酸除去，并通过SEM测定向扩散层的贯入深度，发现贯入深度的最大值为1.5μm。
<实施例8>
实施例8为将应用于比较例4中的丝网印刷的目数和乳剂厚度分别设定为目数250和40μm的情况。
将导电性银糊剂通过丝网印刷法印刷在经过实施例2和第二共同步骤中的处理的基板的BSF层上，然后将糊剂在150℃下干燥。作为导电性银糊剂，使用Heraeus Holding制造的SOL9383M。
另外，使用具有目数250、乳剂厚度40μm、宽度60μm的直线状的开口部的板通过丝网印刷法将导电性银糊剂印刷在基板的发射极层上，然后将糊剂在150℃下干燥。其后，将印刷有导电性银糊剂的基板在800℃的最高温度下烧结5秒从而形成电极。形成后的电极具有约70μm的宽度、约15μm的厚度和约1050μm2的截面面积。如此形成的半导体基板上的电极通过氢氟酸和硝酸除去，并通过SEM测定向扩散层的贯入深度，发现贯入深度的最大值为1.9μm。
<实施结果2>
使用进行比较例3或4、或实施例5、6、7或8中示出的处理的基板，制作100个根据各比较例和实施例的各背面接触型太阳能电池单元，测定平均转换效率、平均短路电流密度、平均开路电压和平均曲线因子。表2示出测定结果。
[表2]
从比较例3和比较例4之间的比较发现，为了将电极贯入发射极层，除了银和玻璃料以外，优选将铝粉添加至导电性糊剂，从而形成它们的烧结体。另外，发现电极向发射极层的甚至很少的贯入也使转换效率大幅改进。
从比较例4和实施例5～8之间的比较发现，实施例中的转换效率更好。特别是，实施例6～8中的转换效率优异。这是因为具有宽截面面积的电极贯入得深，超过杂质的最大浓度深度，从而使接触电阻稳定地低且几乎不发生曲线因子的显著劣化。
如在实施例8中的，即使当电极的截面面积设定为1000μm2以上时，其与电极的截面面积为1000μm2以下的情况相比也不导致转换效率的显著增加。相反，考虑由于电极用量增加导致的成本增加，由于过深的贯入深度造成电极贯通发射极层引起并联电阻降低的风险，并进一步考虑由于电极的截面面积增加引起的银粉烧结过度进行而造成所形成的银电极从基板剥离的趋势，可以说电极的截面面积的上限优选设定为约1000μm2。
为此，从实施例5～8的结果来看，优选将贯入深度设定为0.1μm以上且1.9μm以下，并将截面面积设定为350μm2以上且1000μm2以下。电极的截面面积和贯入深度可通过改变筛网粗度和乳剂厚度来适当地调节。
比较例3或4、或实施例5、6、7或8的上述实施结果为关于如下情况的结果：通过实施例2的方法在形成有发射极层的基板上形成电极，但优选的贯入深度和优选的截面面积即使在通过实施例1、3或4的方法在形成有发射极层的基板上形成电极的情况下也是类似的。为此，根据实施例1～4的结果，发射极层中杂质的浓度的最大值优选为7×1017原子/cm3以上且7×1019原子/cm3以下，深度的最大值优选设定为从基板背面的表面起0.1μm以上且1μm以下。
利用上述这样的构造，可以提供具有有利的转换效率并通过简便方法以良好产量、低成本地制造的高效背面接触型太阳能电池单元。
根据上述实施方案制作的高效背面接触型太阳能电池单元200可用于太阳能电池组件。图7为说明太阳能电池组件300的构造例的示意图。太阳能电池组件300具有多个高效背面接触型太阳能电池单元200以砖片(tile)的形式平铺的结构。对于多个高效背面接触型太阳能电池单元200，几个至几十个彼此相邻的电池单元串联电连接，从而构成称为串(string)的串联电路。图8说明串的概述。图8对应于通常不可见的太阳能电池组件300的内部背面侧的示意图。在图8中，为了清楚描述起见而省略栅线和母线。为了构成串联电路，彼此相邻的高效背面接触型太阳能电池单元200的P母线和N母线通过引线320连接。图9说明太阳能电池组件300的截面示意图。如上所述，串通过将多个高效背面接触型太阳能电池单元200借助于引线320与母线310的连接而成。串典型地由透光性填充剂330如EVA(乙烯-乙酸乙烯酯)密封，非受光面(背面)侧由耐候性树脂膜340如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)覆盖，受光面由具有透光性和高机械强度的受光面保护材料350如钠钙玻璃覆盖。作为填充剂330，除了EVA以外，还可使用聚烯烃或硅酮等。
多个太阳能电池组件可连接构成光伏发电系统。图10为说明通过将多个由本发明的多个高效背面接触型太阳能电池单元200构成的太阳能电池组件300耦合所形成的光伏发电系统400的构造例的示意图。光伏发电系统400通过布线410串联耦合多个太阳能电池组件300来形成并通过逆变器420向外部负载电路430供给所产生的电力。尽管图10中未示出，但光伏发电系统400可进一步包括用于储存所产生的电力的二次电池。
注意，本发明不限于上述实施方案和实施例，且具有与权利要求中所述的技术思想实质上相同的构成并发挥与之类似的功能效果的发明，即使已做出了任何改变也包括在本发明的技术范围内。
附图标记说明
100 背面接触型太阳能电池单元
101 半导体基板
102 保护膜
103 抗蚀糊剂
104 发射极层
105 玻璃层
106 BSF层
107,108 防反射膜兼钝化膜
109,110 电极
200 高效背面接触型太阳能电池单元
300 太阳能电池组件
310 母线
320 引线
330 填充剂
340 耐候性树脂膜
350 受光面保护材料
400 光伏发电系统
410 布线
420 逆变器
430 外部负载电路

Claims (6)

1.一种高效背面接触型太阳能电池单元，其中在第一导电型的半导体基板的作为非受光面的背面上形成有扩散第二导电型的杂质的杂质扩散层，并设置有与所述杂质扩散层接触的电极，其中，
所述杂质扩散层中杂质的表面浓度为5×1017原子/cm3以上且5×1019原子/cm3以下，和
所述杂质扩散层中杂质的扩散深度为从所述背面的表面起1μm以上且2.9m以下。
2.根据权利要求1所述的高效背面接触型太阳能电池单元，其中所述杂质扩散层的薄层电阻为60Ω/□以上且150Ω/□以下。
3.根据权利要求1或2所述的高效背面接触型太阳能电池单元，其中，
所述杂质扩散层中杂质的浓度的最大值为7×1017原子/cm3以上且7×1019原子/cm3以下，
所述杂质扩散层中杂质的浓度成为所述最大值的位置为从所述背面的表面起0.1μm以上且1μm以下的深度，
所述电极为至少含有玻璃料、银和铝的烧结体，
所述电极的截面面积为350μm2以上且1000μm2以下，和
所述电极部分地贯入所述杂质扩散层，贯入的深度为从所述背面的表面起0.1μm以上且1.9μm以下。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高效背面接触型太阳能电池单元，其中所述第一导电型为n型，所述第二导电型为p型。
5.一种太阳能电池组件，其通过电连接多个根据权利要求1至4任一项所述的高效背面接触型太阳能电池单元来形成。
6.一种光伏发电系统，其通过电连接多个根据权利要求5所述的太阳能电池组件来形成。
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