CN111133589B - 掺杂剂增强的太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及掺杂剂增强的基于硅的太阳能电池及其制造方法。所述太阳能电池包括硅衬底的表面上的层堆叠体(1)，所述层堆叠体(1)包括薄氧化物层(20)和多晶硅层(30)，所述薄氧化物层布置成在所述衬底的所述表面与所述多晶硅层之间的隧道氧化物层。所述太阳能电池具有布置在所述层堆叠体上的局部渗透进入所述多晶硅层的烧穿金属接触部(50)。所述硅衬底在所述表面的侧面具有掺杂剂物质，所述掺杂剂物质在所述硅衬底中产生第一导电类型的掺杂剂分布。所述硅衬底中的掺杂剂分布具有约1×10⁺¹⁸个原子/cm³至约3×10⁺¹⁹个原子/cm³的最大掺杂剂水平以及所述衬底内掺杂剂原子水平为1×10⁺¹⁷个原子/cm³的至少200nm的深度。

Description

掺杂剂增强的太阳能电池及其制造方法

发明领域

本发明涉及掺杂剂增强的基于硅衬底的太阳能电池及其制造方法。

背景技术

掺杂的多晶硅/薄氧化物层堆叠体(下文中称为掺杂的polySi/氧化物堆叠)可以用于形成用于晶体硅电池的非常高质量的载流子选择性结，产生潜在地非常高的电池效率。对于掺杂的多晶硅(polySi)层的接触，存在各种选择，例如烧穿(FT)糊料、非烧穿(NFT)糊料、蒸发(PVD)金属、电镀接触部和透明导电氧化物(TCO)。

对电池效率的限制影响是复合损耗，其可以在整个堆叠体的不同位置处发生，由此在太阳能收集表面与接触部之间损耗电流。

最优选且因此主要使用的接触部是FT接触部，即基于FT糊料的接触部，这是由于它们的低成本和已建立的技术。然而，FT接触部的缺点是它们在掺杂的polySi/氧化物堆叠体上的应用经常导致在晶片与隧道氧化物层之间的界面位置处增加的复合，降低了电池效率。因此，非常希望建立如何在掺杂的polySi/氧化物堆叠体上可以应用FT接触部，并且在界面的位置处产生非常有限的复合。

一种已知的解决方案已经由Ciftpinar等人在Energy Procedia中发表的第7届晶体硅光伏器件国际会议的论文集(Proceedings of the 7th International Conferenceon Crystalline Silicon Photovoltaics,SiPV2017，2017年4月，弗莱堡，德国)中公开，其使用相对厚的polySi。然而，从光学自由载流子吸收损耗的观点而言，相对厚的polySi的使用对于工艺成本和电池效率是不利的。

本发明的目的是提供与现有技术相比具有FT金属接触部的有限复合的基于硅衬底的有效的太阳能电池结构及其制造方法。

发明概述

根据本发明，提供了如以上限定的太阳能电池，其中基于硅衬底的太阳能电池包括在硅衬底的表面上的层堆叠体，所述层堆叠体包括薄氧化物层和多晶硅层，二氧化硅层布置成在硅衬底的所述表面与多晶硅层之间的隧道氧化物层；太阳能电池具有布置在层堆叠体上的局部地渗透进入多晶硅层的金属接触部；其中硅衬底在所述表面的侧面具有掺杂剂物质，所述掺杂剂物质在硅衬底中产生第一导电类型的第一掺杂剂物质的掺杂剂分布，并且在硅衬底中的第一掺杂剂物质的掺杂剂分布具有约1×10⁺¹⁸个原子/cm³至约3×10⁺¹⁹个原子/cm³的最大掺杂剂水平以及在硅衬底内至少200nm的深度处具有1×10⁺¹⁷个原子/cm³的掺杂剂原子水平。

这种掺杂分布在硅衬底中的的存在限制了金属接触部的位置处的复合，而不需要高的polySi层厚度并且因此积极地影响了太阳能电池的效率。

在其它实施方案中，多晶硅层具有第一导电类型的第二掺杂剂物质，所述第二掺杂剂物质在多晶硅层中的掺杂剂水平高于在硅衬底中的最大掺杂剂水平。因此，存在跨薄氧化物(隧道氧化物)层的正差分，从而产生了“拉(pull)”，这确保了第一导电类型的电荷载流子跨隧道氧化物层从硅衬底朝向多晶硅层的良好传输。因此，增加了太阳能电池的效率。

在此，在薄氧化物层和衬底的界面以下约15nm处测量到如以上所述的在硅衬底中的最大掺杂剂水平。通过本领域已知的分析方法和仪器测定掺杂剂水平。

根据其它实施方案，掺杂剂分布的至10⁺¹⁷个原子/cm⁺³的掺杂剂水平的深度为约200nm至约1μm。多晶硅层越薄，需要越多的掺杂剂分布尾部以获得其中复合被充分限制的太阳能电池。然而，一旦尾部变得太长或过高掺杂，则失去了限制复合的积极效果。

在实施方案中，金属接触部基于烧穿金属糊料。普遍接受地，FT接触技术是明确建立且低成本的技术，因此在本发明中使用此类接触部提供了与当前工业制造更好的兼容性以及更低的成本。FT接触技术的其它优点在于其包括应用可以选自PECVD SiN_x:H和AL₂O₃的富氢介电涂层以及所谓的“烧制”，这导致polySi/氧化物堆叠体的氢化，从而有利地增加了层堆叠体的钝化性能。由于层堆叠体的具体掺杂分布包括掺杂剂分布尾部，因此在这些掺杂的polySi/氧化物堆叠体上应用FT接触部在界面位置处仅具有非常有限的复合，而且在某些点处金属与硅晶片直接接触时(即，甚至在金属与晶片之间没有界面氧化物或多晶硅的分离层)也是如此。因此，整个堆叠体的掺杂分布和FT接触部的使用的组合产生了具有低制造成本的理想有效的太阳能电池。

此外，在实施方案中，作为硅衬底中的深度的函数的在硅衬底中的掺杂剂分布可以不受任何具体理论限制而通过高斯分布描述为良好近似，其中位于硅衬底中的最大掺杂剂水平在距硅衬底和薄氧化物层的界面第一距离处，并且硅衬底中的掺杂剂物质的最大掺杂剂水平比多晶硅层中的掺杂剂物质的平均掺杂剂水平低三倍或更多倍。平均掺杂剂水平确定为多晶硅层的厚度的平均值。

在一些实施方案中，多晶硅层中的掺杂剂物质可以与硅衬底中的掺杂剂物质相同。或者，多晶硅层中的掺杂剂物质和硅衬底中的掺杂剂物质可以彼此不同。还要求保护了用于制造如以上所述的基于硅衬底的太阳能电池的方法。

附图简述

以下将参考附图更详细地讨论本发明，其中：

图1描绘了具有金属接触部的多晶硅钝化的太阳能电池的横截面。

图2示出了根据实施方案的太阳能电池的掺杂分布。

图3A、图3B和图3C示出了用于制造根据实施方案的具有多晶硅钝化的接触堆叠体和金属接触部的基于硅衬底的太阳能电池的相应的流程图。

具体实施方式

图1描绘了具有金属接触部的多晶硅钝化的太阳能电池的横截面。太阳能电池层堆叠体1包括硅衬底10、隧道氧化物层20、多晶硅层30、介电涂层40和金属接触50。

硅衬底10具有用于在使用时面向太阳的前表面2，以及其上已经产生隧道氧化物层20的后表面。薄氧化物通常用作隧道氧化物材料。该层具有约1nm的最小厚度(3个原子层)并且最大约5nm。硅衬底是掺杂的硅晶片，其已经在预扩散步骤中和/或在polySi的掺杂期间被掺杂，产生要求保护的掺杂剂分布(dopant profile)，这将参考图2和图3进行讨论。薄氧化物层可以是氧化硅或金属氧化物，并且可以含有其它额外的元素，例如氮。薄氧化物层实际效果上可以不是完美的隧道势垒，因为它可以例如含有诸如针孔的缺陷，这可以导致其它电荷载流子传输机制(例如漂移、扩散)相对于隧道效应占主导。

在薄氧化物层20的顶部，已经沉积多晶硅层30，使得薄氧化物层和硅衬底的表面界面15包括薄氧化物层的前表面，并且隧道氧化物层和多晶硅层的表面界面25包括薄氧化物层的后表面。多晶硅层是由磷掺杂剂形成的优选为n型的掺杂层。然而，也可以使用诸如硼掺杂剂的p型掺杂剂物质，产生p型掺杂层。此外，多晶硅层可以含有其它额外的元素，例如碳或氧原子。

通常是抗反射涂层的抗反射层40覆盖多晶硅层的自由表面。将金属接触部50应用于太阳能电池层堆叠体1上，使得其突出抗反射层40、和多晶硅层30的一部分。金属接触部优选地是烧穿糊料接触部，因为它是可以使用明确建立的制造技术来应用的低成本的接触部，从而有助于具有效的太阳能电池的能力。FT金属接触部可以局部地完全穿透polySi或polySi以及薄氧化物，产生金属与Si衬底之间的局部接触。这可以增强FT接触部与用于电荷载流子收集的衬底之间的紧密电接触，改善电池的串联电阻。

图2示出了根据实施方案的太阳能电池的掺杂分布。掺杂分布定义为从多晶硅-抗反射层界面至前表面2的太阳能电池层堆叠体的深度上的以原子/cm⁺³计的掺杂剂水平。分布可以分成三个表征部分，其对应于图1中所示的太阳能电池堆叠体的层。

第一部分表示多晶硅层31中的掺杂剂分布，其由二氧化硅层和多晶硅层的界面25界定。多晶硅层的掺杂剂水平为约1×10⁺²⁰个原子/cm³至约3×10⁺²⁰个原子/cm⁺³之间，并且可以是p型或n型，这取决于硅衬底的基础导电类型。

第二部分表示隧道氧化物层21周围和隧道氧化物层21内的掺杂剂分布，其在第一侧上由薄氧化物层和多晶硅层的界面25界定，而在第二侧上由薄氧化物层和硅衬底的界面15界定。在该第二部分中，分布包括基本上跨薄氧化物层(在掺杂的多晶硅中的分布与硅衬底中的分布之间)的具有拐点的下降。

应注意，薄氧化物层周围和薄氧化物层内的掺杂剂分布通常是横向平均的量，因为已知例如薄氧化物中的针孔可以导致掺杂剂浓度的微观的局部横向变化。诸如电化学分析(ECV)或二次离子质谱法(SIMS)的测量方法将显示这种横向平均的量。

第三部分表示硅衬底11内的掺杂剂分布，也称为尾部。分布的尾部包括如从多晶硅界面直到其中掺杂剂水平为1×10⁺¹⁷个原子/cm³的深度位置所测量的至少200nm、可选地高达约1000nm的尾部深度D，以及在硅衬底中1×10⁺¹⁸个原子/cm³至3×10⁺¹⁹个原子/cm³的峰值掺杂剂水平。因此，最大值(即，峰值掺杂剂水平12)比多晶硅层中的平均掺杂剂水平至少低三倍。应该足够远离界面15(例如15nm)来测定峰值掺杂剂水平12，以避免来自测量伪影的拖尾效应。对于较薄的多晶硅层，尾部深度D优选大于200nm，以在界面15处达到有限复合的期望效果。

如前所述，尽管n型可能是优选的，但使用的掺杂剂是p型或n型。在n型多晶硅中，获得期望和所需的掺杂剂分布尾部可以是更容易控制的工艺。

图3A、图3B和图3C示出了根据本发明实施方案的用于制造具有金属接触部的多晶硅钝化的接触堆叠体的相应的流程图300、301和302。

在图3A中，制造300从提供硅衬底10(也称为晶片)开始。然后，进行第一掺杂步骤，这是通过将掺杂剂物质预扩散进入硅衬底的第一表面52(例如通过高温固体源扩散)，由此应用掺杂剂玻璃层，然后退火并随后去除玻璃层。通过在预定温度下退火预定量的时间，第一掺杂剂物质扩散进入衬底，使得第一掺杂剂物质分布满足图2中所示的第三部分11阐述的要求。因此，在使得掺杂剂分布具有约1×10⁺¹⁸个原子/cm³至约3×10⁺¹⁹个原子/cm³的最大掺杂剂水平以及直至1×10⁺¹⁷个原子/cm³的掺杂剂原子水平的至少200nm的深度的条件下，产生了在硅衬底中的掺杂剂分布。可以用于产生在硅衬底中的掺杂剂分布的替代工艺是：掺杂剂的高温气体源扩散或掺杂剂的离子注入。

此外，这种步骤可以包括在随后提供层堆叠体之前掺杂之后硅衬底的部分回蚀刻，以确保掺杂剂分布确实具有1×10⁺¹⁸个原子/cm³至约3×10⁺¹⁹个原子/cm³的最大浓度以及直至1×10⁺¹⁷个原子/cm³的掺杂剂原子水平的至少200nm的深度。

在下一步骤53中，在先前进行预扩散步骤的相同表面上产生薄氧化物层。通过选自原子层沉积、高温氧化或湿化学氧化、臭氧氧化、等离子体氧化的工艺产生薄氧化物层，并且薄氧化物层由至少氧化硅构成。

下一步骤54包括使用化学或物理气相沉积工艺来沉积多晶硅(polySi)。然后在第二掺杂步骤中，使用与用于掺杂硅衬底的第一掺杂剂物质相同的掺杂剂来掺杂这种多晶硅层58，由此通过选自共沉积、离子注入、气体源扩散或固体源扩散的工艺产生如图2的第一部分31所述的掺杂剂分布。所述工艺可以包括退火(例如，注入活化退火)。

然后，在背向硅衬底的多晶硅层的表面上产生优选富氢的介电涂层55。

在这一步骤之后，在介电涂层上产生金属接触图案56，所述金属接触图案局部渗透进入多晶硅层。通过烧穿退火步骤57由层堆叠体上烧穿金属糊料的图案产生金属接触部。在金属接触部不会渗透进入二氧化硅层或硅衬底的条件下进行烧穿退火步骤。或者，烧穿退火步骤产生局部地渗透polySi或薄氧化物并且接触硅衬底的金属接触部，导致金属与硅衬底之间的局部直接接触。此外，进行烧穿退火步骤57，使得硅衬底中的掺杂剂分布不受明显影响，这意味着掺杂剂物质在硅衬底中的进一步扩散是可忽略的。

或者，制造方法301可以遵循图3B中所示的步骤。在种工艺中，第一掺杂剂物质预扩散进入硅衬底的第一表面52仅产生衬底内的初始掺杂分布。改变第二掺杂步骤59，使得使用与用于掺杂硅衬底相同的掺杂剂物质来掺杂多晶硅层，由此掺杂剂也渗透进入硅衬底的第一表面。

在图3C中所示的另一种替代的制造工艺302中，不使用第一掺杂步骤。相反，在单个步骤59中产生了满足图2所讨论的要求的掺杂分布，由此多晶硅层的掺杂还包括掺杂进入硅衬底的第一表面。

在制造工艺300、301、302中的每一种中，将硅衬底中的掺杂剂物质分布调整为在金属化之前的阶段(例如，在随后掺杂和退火polySi层的工艺步骤之后)满足如以上阐述的要求。

已经参考优选的实施方案描述了本发明。尽管将掺杂剂增强的太阳能电池描述为具有FT接触部，但本发明不限于此。本发明的掺杂剂分布很可能为具有用除FT、烧穿以外的技术应用的接触部的太阳能电池提供显著的优点或改善。

此外，尽管本发明已经针对太阳能电池的背侧接触部进行了描述，但本发明也可以有益地应用于太阳能电池前侧上的接触部。

在阅读和理解先前的具体实施方式后，其他人将会想到其它明显的修改和改变。本发明旨在解释为包括所有此类修改和改变，只要它们落入所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.基于硅衬底的太阳能电池，所述太阳能电池包括在所述硅衬底的表面上的层堆叠体，所述层堆叠体包括薄氧化物层和多晶硅层，所述氧化物层被布置成在所述硅衬底的所述表面与所述多晶硅层之间的隧道氧化物层；所述太阳能电池具有布置在所述层堆叠体上的局部渗透进入所述多晶硅层的金属接触部；

其中所述硅衬底在所述表面的侧面具有掺杂剂物质，所述掺杂剂物质在所述硅衬底中产生第一导电类型的第一掺杂剂物质的掺杂剂分布，并且在所述硅衬底中的所述第一掺杂剂物质的所述掺杂剂分布具有1×10⁺¹⁸个原子/cm³至3×10⁺¹⁹个原子/cm³的最大掺杂剂水平并且在所述硅衬底内至少200nm的深度处具有1×10⁺¹⁷个原子/cm³的掺杂剂原子水平，

其中所述金属接触部是烧穿金属接触部，所述烧穿金属接触部局部地完全渗透所述多晶硅以及所述薄氧化物，产生所述金属与所述硅衬底之间的局部接触，使得所述金属接触部与所述硅衬底局部地直接接触。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述多晶硅层具有所述第一导电类型的第二掺杂剂物质，所述第二掺杂剂物质在所述多晶硅层中的掺杂剂水平高于在所述硅衬底中的所述最大掺杂剂水平。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中在所述多晶硅层中的所述掺杂剂水平为1×10⁺²⁰个原子/cm³至3×10⁺²⁰个原子/cm³。

4.根据权利要求2或3所述的太阳能电池，其中所述掺杂剂水平具有跨所述氧化物层的在所述多晶硅层与所述硅衬底之间的下降梯度。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中在所述氧化物层和所述衬底的界面以下50nm处测量到所述硅衬底中的所述最大掺杂剂水平。

6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述掺杂剂分布的至10⁺¹⁷个原子/cm³的所述掺杂剂水平的深度为200nm至1μm。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述层堆叠体还包括在背向所述硅衬底的所述多晶硅层的所述表面上的介电涂层。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述介电涂层是富氢介电涂层。

9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述富氢介电涂层选自SiN_x:H层和Al₂O₃层。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的太阳能电池，其中所述金属接触部是烧穿接触部，所述烧穿接触部在烧制步骤期间渗透穿过所述介电涂层并且进入所述多晶硅层，并且所述烧穿接触部基于烧穿金属糊料。

11.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中通过高斯分布描述作为所述硅衬底中的深度的函数的所述硅衬底中的所述掺杂剂分布，其中位于所述硅衬底中的最大掺杂剂水平在距所述硅衬底和所述薄氧化物层的界面第一距离处，并且所述硅衬底中的所述第一掺杂剂物质的所述最大掺杂剂水平比所述多晶硅层中的所述第二掺杂剂物质的平均掺杂剂水平低三倍或更多倍。

12.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中所述多晶硅层中的所述第二掺杂剂物质与所述硅衬底中的所述第一掺杂剂物质相同。

13.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中所述第一导电类型为n型，并且所述第一掺杂剂物质和所述第二掺杂剂物质各自选自P、As和Sb。

14.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述多晶硅层具有20nm至300nm的厚度。

15.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述薄氧化物层具有5nm或更小的厚度，但具有至少三个原子层。

16.用于制造基于硅衬底的太阳能电池的方法，包括：

提供所述硅衬底；

在表面上产生层堆叠体，包括：

在所述硅衬底的表面上产生薄氧化物层，

并且在所述薄氧化物层上产生掺杂的多晶硅层，所述掺杂的多晶硅层含有第一导电类型的掺杂剂物质，使得所述层堆叠体包括布置成在所述硅衬底的所述表面与所述掺杂的多晶硅层之间的隧道氧化物层的所述薄氧化物层；

所述方法还包括：

在所述硅衬底的表面中产生所述第一导电类型的掺杂剂物质的掺杂剂分布，

其中在所述硅衬底中产生所述掺杂剂分布在产生所述掺杂的多晶硅层之前在第一工艺中完成或者在产生所述掺杂的多晶硅层期间同时在第二工艺中进行，并且其中在使得在所述硅衬底中的所述第一导电类型的所述掺杂剂物质的所述掺杂剂分布具有1×10⁺¹⁸个原子/cm³至3×10⁺¹⁹个原子/cm³的最大掺杂剂水平以及在所述硅衬底内至少200nm的深度处具有1×10⁺¹⁷个原子/cm³的掺杂剂原子水平的条件下，产生在所述硅衬底中的所述掺杂剂分布，

其中所述方法包括：

在所述层堆叠体上产生金属接触部，所述金属接触部局部地渗透进入至少所述多晶硅层，其中通过烧穿退火步骤由所述层堆叠体上的烧穿金属糊料的图案产生所述金属接触部，使得所述金属接触部是烧穿金属接触部，所述烧穿金属接触部局部地完全渗透所述多晶硅以及所述薄氧化物，产生所述金属与所述硅衬底之间的局部接触，并且所述金属接触部与所述硅衬底局部地直接接触。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：产生在所述硅衬底中的所述掺杂剂分布之前，在所述层堆叠体中产生背向所述硅衬底的所述多晶硅层的表面上的抗反射层。

18.根据权利要求16或17所述的方法，还包括：

在使得所述多晶硅层中的掺杂剂水平高于所述硅衬底中的所述最大掺杂剂水平的条件下，提供所述多晶硅层中的所述第一导电类型的所述掺杂剂物质的掺杂剂水平。

19.根据权利要求16所述的方法，其中在完成所述掺杂的多晶硅层的掺杂和活化之后，获得在至少200nm的深度处的所述最大掺杂剂水平和所述掺杂剂原子水平。

20.根据权利要求16所述的方法，其中通过选自原子层沉积、高温氧化、湿化学氧化、等离子体氧化或与臭氧反应的工艺产生所述薄氧化物层。

21.根据权利要求16所述的方法，其中用于在所述硅衬底中产生所述掺杂剂分布的所述第一工艺是选自以下的工艺：

所述掺杂剂物质的高温固体源扩散、所述掺杂剂物质的高温气体源扩散、所述掺杂剂物质的离子注入。

22.根据权利要求16所述的方法，其中通过化学或物理气相沉积工艺产生所述多晶硅层，以及

通过选自以下的工艺在所述多晶硅层中产生第二掺杂剂物质的掺杂剂分布：

所述掺杂剂物质与所述多晶硅的共沉积、所述多晶硅的原位掺杂、所述掺杂剂物质的离子注入、所述掺杂剂物质的气体源扩散。

23.根据权利要求19所述的方法，还包括：在产生所述层堆叠体之前所述硅衬底的部分回蚀刻。