CN111430501A - 双面太阳能电池的平滑后侧掺杂层 - Google Patents
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Abstract
提供了一种在晶体硅双面太阳能电池的后侧(112)处产生掺杂层的方法,所述方法包括:至少使太阳能电池的硅基材(110)的后侧(114)纹理化以产生棱锥图案(120),从而产生后侧的棱锥形拓扑结构;通过使用外延生长在棱锥上生长至少一个掺杂的硅外延层(130),从而在后侧形成(S102‑1)掺杂层,并且在形成掺杂层的同时,通过使用刻面演变,通过至少一个外延层的生长使后侧的棱锥形拓扑结构变平滑,并且其中,外延生长持续直至大部分棱锥的上部上在所述至少一个外延层的表面(134)与基材之间的角度(132)为5°至35°为止。还提供晶体硅双面太阳能电池。
Description
技术领域
本公开涉及生产单晶硅太阳能电池的领域。具体来说,本公开涉及在该太阳能电池的棱锥形纹理化后侧上形成掺杂层。
背景技术
硅太阳能电池前侧的棱锥形纹理化可以改进太阳能电池的光捕获能力,并且导致光致电流密度增加。在双面太阳能电池中,同样后侧也这样纹理化可以有助于降低太阳能电池后部照明导致的反射损失。此外,同样后侧也这样纹理化可以有助于进一步改进双面电池的光捕获能力。然而,与其平面对应物相比,该纹理化的表面可能难以钝化,特别是由于通常尖锐的棱锥峰、表面积增加和/或界面态密度较高。
为了克服上述使纹理化后侧钝化的困难,已经尝试使用化学抛光来使锥体变平滑。半纹理化表面(即,平面和完全锥体形纹理之间的表面形态)已被证明可以提高太阳能电池后侧的钝化质量。已经显示出半纹理化后表面导致双面太阳能电池的光捕获效应改进。然而,该工艺依赖于湿化学处理,并且可能需要一个或多个额外的加工步骤。
可能还需要在完成平滑部之后,在纹理化侧上形成一个或多个接合部。使用传统的扩散或离子注入技术,得到的接合部可能很浅并且需要较高的掺杂水平,以确保良好的传导性。该较高的掺杂可以继而导致太阳能电池运行期间俄歇复合损耗(Augerrecombination loss)较高。
鉴于以上所述,因此需要一种用于在双面太阳能电池后侧上进行纹理化、钝化并在其上提供接合部的改进方法。
发明内容
为了至少部分满足上述需求,本公开试图提供如独立权利要求中所限定的产生太阳能电池掺杂层的改进方法以及由此得到的太阳能电池。所述方法和太阳能电池的其它实施方式在从属权利要求中限定。
根据本公开的第一方面,提供了一种在晶体硅双面太阳能电池的后侧处产生掺杂层的方法。该方法可以包括:至少使太阳能电池的硅基材的后侧纹理化以产生棱锥图案,从而产生后侧的棱锥形拓扑。取决于用于形成其的确切技术,锥形图案可以是随机或非平面的,或者,锥形图案可以是有规律的。该方法还可以包括:通过使用外延生长在棱锥上生长至少一个掺杂的硅外延层,从而在后侧形成掺杂层。在该方法中,在形成掺杂层的同时,通过使用刻面演变,由生长至少一个外延层使后侧的棱锥形拓扑变平滑。可以持续外延生长,直至大部分金字塔的上部上在所述至少一个外延层的表面与基材之间的角度为5°至35°为止。
通过直接在基材的棱锥形纹理表面上形成掺杂的外延层,在使棱锥变平滑的同时可以形成具有所需厚度的接合部(或掺杂层),以获得合适的钝化。无需使用湿化学品,可以在单一步骤中在太阳能电池的后侧上形成接合部(掺杂层)。该接合部或掺杂层可以具有足够低的掺杂以降低俄歇复合损耗,并且具有足够厚的厚度以确保足够的电导率。此外,由于棱锥的倒圆/变平滑,还可以降低发射极和表面复合率,并且可以改进双面太阳能电池的光捕获。此外,采用深接合部(例如,发射极)可以例如减少由于金属尖峰引起的分路损耗。
通过将外延层表面和基材之间的角度降低至5°至35°,可以实现充分平滑,以提供最佳光捕获效应,因此在太阳能电池运行期间提供了最佳(例如,高的)光致电流密度。
在一些实施方式中,可以持续外延生长,直至(大部分金字塔的上部上、在外延层表面和基材之间的)角度为10°至25°。在一些实施方式中,该角度可以优选为20°或25°。该角度的减小可以提供更优(例如,更高)的光致电流密度。例如,20°的角度可以对应于理论最佳值,而25°的角度可以对应于在例如硅中可以获得的光学角度。在本公开中,设想了如果替代硅或除了硅之外使用其它材料构成,还可以获得对应于更接近20°理论最佳值的其它角度。
在一些实施方式中,可以持续外延生长,直至至少一个外延层的厚度为1μm至2μm。在一些实施方式中,可以持续外延生长,直至厚度优选为1.3μm。
在一些实施方式中,可以使用5纳米/分钟至4000纳米/分钟的生长速率来进行外延生长。
在一些实施方式中,可以使用700℃至1150℃的温度来进行外延生长。
在一些实施方式中,可以使用SiH2Cl2作为硅前体源,在5纳米/分钟至500纳米/分钟的生长速率和700℃至1000℃的温度下进行外延生长。
在一些实施方式中,可以使用SiHCl3作为硅前体源,以200纳米/分钟至4000纳米/分钟的生长速率在900℃至1150℃的温度下进行外延生长。
在一些实施方式中,可以使用SiH4作为硅前体源,以200纳米/分钟至4000纳米/分钟的生长速率在900℃至1150℃的温度下进行外延生长。
如上所述,例如,使用如SiH2Cl2、SiHCl3或SiH4可以允许在双面太阳能电池的一侧(例如,后侧)上“选择性”沉积并且使该侧“选择性”变平滑。
在一些实施方式中,可以使用B2H6、BCl3、或PH3或AsH3作为掺杂剂源来进行外延生长。例如,使用如B2H6或BCl3可以允许产生p型掺杂层。例如,使用如PH3或AsH3可以允许产生n型掺杂层。
在一些实施方式中,掺杂剂源与SiH2Cl2的气流量比率可以为10-5至10-2。气流量比率可以通过气流控制器进行测量。
在一些实施方式中,在纹理化后,锥体的棱锥角度可以为至少40°。如本文所用,“棱锥角度”可以等于基材的延伸平面(例如,硅的(100)面)和棱锥的斜坡/侧面(例如,(111)面)之间的角度。本文中,面可以使用密勒指数进行限定。
根据本公开的第二方面,提供了晶体硅双面太阳能电池。该太阳能电池可以包括:硅基材。硅基材可以具有前侧和后侧。至少后侧可以用棱锥进行图案化。棱锥的棱锥角度可以为至少40°。在棱锥的上部上,至少一个平滑层的表面与基材之间的角度为5°至35°。棱锥可以使其棱锥角度保持至少40°,例如,54.7°,这是由于其使用例如本文所述的各向异性蚀刻所形成。替代地,可以由至少一个平滑层来提供平滑部,该至少一个平滑层可以包括多个刻面以使得当从一个刻面移动到相邻刻面时刻面表面和基材之间的角度突然(即,不连续地)改变。这不同于常规装置,在常规装置中,已使用例如湿化学蚀刻使初始棱锥变平滑,其中不存在这样的刻面,并且棱锥的表面是连续的,而表面和基材之间的角度没有突然跃变。
在一些实施方式中,至少一个平滑层的表面与基材之间的角度可以为10°至25°。在一些实施方式中,该角度可以优选为20°或25°。如前文所述,从光捕获和/或钝化来看,20°可以对应于理论最优角度,而25°可以对应于例如在硅中可获得的最优角度。
在一些实施方式中,至少一个平滑层的厚度可以是1μm至2μm。在一些实施方式中,该厚度可以优选为1.3μm。
本公开涉及本文提及的特征的所有可能组合,包括上面列出的特征以及将在下面参考不同实施方式描述的其它特征。本文描述的任意实施方式可以与本文同样描述的其它实施方式组合,并且本公开还涉及所有这样的组合。例如,本文参照第一方面方法限定的所有限制也可以适用于(和/或与之结合)第二方面太阳能电池,反之亦然。下面将通过示例性实施方式来描述本公开的各种实施方式的其它目的和优点。
附图说明
将参照附图描述示例性实施方式,其中:
图1a示意性显示了根据本公开方法的一个实施方式中的步骤;并且
图1b至1e示意性显示了根据本公开方法的一些实施方式的替代性其它步骤。
在附图中,除非另外说明,相同的编号用于相同的元件。除非明确地指出相反,否则附图仅显示了解释实施方式所必需的元件,而且为了清楚起见,可以省略或仅仅暗示其它元件。如图所示,元件和区域的尺寸为了说明的目的而被放大,并且因此提供用于说明实施方式的大致结构。
发明详述
现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开的方法和太阳能电池的示例性实施方式。附图显示了现有的优选实施方式,然而但是,本发明可以许多不同的形式实施,并且不应受限于本文所述的实施方式;相反,提供这些实施方式是为了彻底和完整,并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。
参见图1a-1e,现在对在晶体硅双面太阳能电池的后侧处产生掺杂层的方法的多个实施方式进行更详细描述。
图1a示意性显示了该方法实施方式中的第一步S101,其中,硅基材110设置有棱锥120图案。如果使用各向异性蚀刻,则该图案可以是随机的。还设想,可以使用其他形成方法,例如,使用光刻法或纳米铭刻的纳米图案化,并且随后图案可以是有规律的。基材110具有前侧112和后侧114,并且棱锥120的图案一起形成了基材110的后侧114的棱锥形拓扑结构。基材110后侧114的纹理化可以例如通过基材110的各向异性蚀刻获得(例如,设想基材110最初比图1所示厚,并且通过基材110的各向异性蚀刻形成了棱锥120)。该各向异性蚀刻可以例如通过将基材110浸没在化学溶液中来获得,例如,KOH基溶液,NaOH基溶液或TMAH基溶液。或者,例如,棱锥120可以通过使用如光刻法、干法蚀刻和/或纳米铭刻来纳米图案化,以进行纹理化。
虽然图1a所示实施方式中显示为平整的,但在其他实施方式中,前侧112可以使用例如用于在后侧114上形成棱锥120的图案的相同技术,使其纹理化/非平面化。
如图1a所示,棱锥角度122限定为基材110的延伸平面和棱锥120的侧面斜坡之间。优选地,该棱锥角度为至少40°。可以设想基材110是单晶硅基材,并且基材进行取向以使得其水平表面(如图1a所示)为(100)硅表面/面。例如,使用各向异性蚀刻以使得基材100纹理化,那么棱锥120的侧面/棱锥可以是硅的(111)平面/面,并且棱锥角度可以为约54.07°。
虽然图1a所示的所有棱锥120在高度上是相等的,但是还设想棱锥120可以不具有相等的高度。例如,高度分布(以及基材110上个体棱锥的位置)可以是随机的。然而,对于至少大部分棱锥120或在一些实施方式中所有棱锥120,设想棱锥角度122可以保持近似相同。
当使基材110后侧114纹理化时,还设想基材110的前侧112可以类似地进行加工,从而用棱锥图案使前侧112纹理化(未显示于图1a中)。在表面的前侧112上也具有棱锥可以例如增强基材110内的光捕获,并使太阳能电池的效率提高,基材110形成了太阳能电池的一部分。
基材110的硅可以具有某掺杂类型(即,n型掺杂或p型掺杂)。
图1b示意性显示了该方法一个实施方式的下一步骤S102-1,其中通过使用外延生长以在棱锥120上生长至少一层硅外延层130,从而在后侧114处形成掺杂层。在本公开中,硅外延层(例如,(至少一层)层130)可以例如具有与基材110相同的掺杂类型,但是掺杂浓度不同,并且由此与基材110(例如,用于产生后侧场(back side field)、BSF、结构)一起形成例如p+/p或n+/n接合部。在其它实施方式中,硅外延层130可以例如具有不同于基材110的掺杂类型,并且由此与基材110(例如,用于产生发射极结构)一起形成例如p/n或n/p接合部。
当使至少一层外延硅层130生长时,可以存在刻面演变,以使得至少一层外延层130最终具有多个角度不同的刻面。例如,层130的一部分140可以对应于硅基材110和棱锥120的(100)面,层130的另一部分142可以对应于基材110和棱锥120的(111)面,而层130的第三部分1454可以对应于基材110和棱锥120的(311)面。在形成掺杂层130的同时,即,当在棱锥120的顶部上生长至少一层的层130时,后侧114的棱锥拓扑结构可以因此变平滑。换言之,后表面114的棱锥拓扑结构变平滑可以通过减小至少棱锥顶部的棱锥斜率来实现。可以持续外延生长,直至表示为角度132的在层130的表面134和基材110之间的角度显著减小。这可以适用于所有棱锥120中的至少大多数。如本文中所使用的,角度132定义为相应棱锥上部中的层130的表面和基材110的延伸平面之间的角度。在图1a中,这可以对应于在棱锥120/硅基材110的(311)面144上生长/形成刻面的层130的表面之间的角度。
在外延层130的生长期间,后侧114的棱锥拓扑结构的刻面可以变化。新(311)刻面可以从棱锥120顶部开始生长,并且在棱锥120的现有(111)刻面顶部上形成封盖状结构。通过在该阶段终止外延生长,在至少一个层130的(复合)厚度达到约1.3μm后,角度132可以是约25°。换言之,可以改变外延条件,以使得硅在(311)面上的生长速率低于(111)面上的生长速率。相对于(100)面,(311)面(或平面)可以具有25°(或更确切地说25.2°)倾斜角,而相对于(100)面,(111)面可以具有54.7的角度。具有最低生长的面可主导棱锥顶端的表面形态,并产生平滑的棱锥拓扑结构,其中,角度132约为25°。如本公开任意处所用,X°角度应解释为表示约X°,包括例如在区间X°+/-1°或X°+/-0.5°中的角度例如,在硅的(311)面和(111)面之间的角度25.2°被认为包括“25°”的含义。
例如,可以构造/调节用于产生如图1所示平滑部的外延生长过程,以使得不同面的生长速率对应于第一组生长速率。第一组生长速率可以包括在相对于(100)面的生长速率归一化时,分别为约0.6和0.27的(111)面和(311)面的生长速率。如果一旦外延层130的(完整)厚度为1.3μm就终止生长,则这些比率可产生图1b所示的结构在本公开中,当涉及多个(归一化)生长速率时,设想所提出的数值在例如+/-10-15%的区间内是精确的。
图1c示意性显示了在该方法另一实施方式中不同于图1b所示和所述实施方式的替代性步骤S102-2。在步骤S102-2中,替代性地,可以构造/调节外延生长过程以使得不同面的生长速率对应于第二组生长速率。第二组生长速率可以包括在相对于(100)面的生长速率归一化时,分别为约0.48和0.18的(111)面和(311)面的生长速率。在图1c中,外延层130的完整厚度仍然为1.3μm,但是可以看到,在第二组中(111)面和(311)面较低的归一化生长速率导致在例如棱锥120之间仍然保留外延层130的(100)面。然而,在棱锥120的顶部处外延层130的表面134与基材(即(100)面)之间的角度132和棱锥角度122保持与图1b描述的那些相同。
图1d示意性显示了在该方法替代性实施方式中另一不同的替代性步骤S102-3。此处,外延生长过程与图1c所述的外延生长过程相同(即,使用第二组生长速率),但是持续外延生长,直至外延层130的(完整)厚度为约3μm。角度122和132保持相同,但是可以看到,在延伸层130的表面134上不再存在任何(111)面。
图1e示意性显示了在该方法替代性实施方式中另一不同的替代性步骤S102-4。此处,外延生长过程与图1b所述的外延生长过程相同(即,使用第一组生长速率),但是持续外延生长,直至外延层130的(完整)厚度为约3μm。角度122和132保持相同,但是可以看到,还形成了具有约9°(或8.93°)的额外面(146),例如,(911)面,作为层130的额外面。该911面的归一化的生长速率可以使用第一组产生,例如,0.27。
通常,至少一个外延层可以具有多个刻面,其中,刻面相对于基材的斜坡角度在从一个刻面移动到相邻刻面时突然改变。例如,这显示于图1a-1e所提供的实施方式的实例中。虽然实例提供了特定面的实例,例如,相对于(100)面的(111)、(311)和(911),但是当然还设想其它面(例如,(1211,12-1-1)面)可以另外或者作为替代存在,只要棱锥顶部处的角度属于如本文关于例如最佳光捕获所指定的所需区间即可。例如,(1211)可以对应于约7°(或6.72°)的角度。
在一些实施方式中,外延生长速率可以包括例如700℃-1000℃的温度、10-1000托尔(Torr)的压力、5-500纳米/分钟的生长速率、作为硅源的SiH2Cl2、和作为掺杂剂源的B2H6。掺杂剂源与硅源的气流量比率(例如通过气流量控制器进行测量)可以为10-5至10-2,而载气与硅源的气流量比率可以为200至500。此处可以设想:当讨论气流量比率时,假设前体的浓度归一化为100%。
还设想在其它实施方式中,硅源可以是SiHCl3或SiH4,温度范围为900-1150℃,并且生长速率范围为200-4000纳米/分钟。
例如,掺杂剂源可以包括可以产生p型外延层的B2H6和BCl3。例如,设想的其它掺杂剂源可以包括可以产生n型外延层的PH3和AsH3。
在例如950℃的温度下,生长速率比率可以对应于第一组生长速率中的比率。在850℃的较低温度下,生长速率比率可以对应于第二组生长速率中的比率,如上文所述。
(至少一层)外延层的外延生长可以仅在基材的后侧处进行,而不在前侧进行。然后,例如,为了光捕获目的,前侧可以保持其初始棱锥拓扑结构。该“选择性”外延沉积(相对于基材的前侧/后侧)可以使用选择避免前侧上寄生沉积的加工条件来实现,例如,通过避免使用SiH4作为硅前体。相反,使用例如SiH2Cl2或SiHCl3作为硅前体(如本文之前所述)可以允许该选择性外延生长/沉积。
除了外延层的所需厚度之外,本公开还建议按太阳能电池需要,根据薄层电阻值来设计掺杂层的掺杂类型。由本公开方法提供的光学增益对于各种装置结构可以是有效的,所述装置结构包括:例如,nPERT(n型钝化发射极,后全扩散)p+后发射极结构、pPERT(p型钝化发射极,后全扩散)p+后背表面场(BSF)结构和nPERT n+BSF结构。例如,在nPERT p+后发射极结构中,外延层的厚度可以是1-3μm,薄层电阻可以等于50-250Ω/平方,并且(硼)掺杂水平范围可以等于2·1017–2·1019cm-3。对于pPERT p+BSF结构或(nPERT n+BSF结构),外延层的厚度可以是1-3μm,薄层电阻可以等于50-350Ω/平方,并且(硼)掺杂水平范围可以等于2·1017–2·1019cm-3。
如本文之前所述,本公开还提供了晶体硅双面太阳能电池。太阳能电池可以对应于如1b-1c所示和所述结构之一。例如,太阳能电池可以包括具有前侧112和后侧114的硅基材110。后侧114可以用棱锥120进行图案化,并且可以将外延生长硅的至少一个平滑层130设置在棱锥120上。棱锥120的棱锥角度122可以是至少40°(例如54.7°)。在大多数棱锥120的上部上,至少一个平滑层130的表面134与基材110之间的角度可以为5°至35。°在一些实施方式中,该角度132可以为10°至25°,优选20°。本公开的太阳能电池可以通过外延平滑层的不同刻面之间存在急剧转变来识别,即,不同角度的急剧转变。不同的是,常规太阳能电池(其中,使棱锥拓扑结构变平滑可以通过湿化学工艺来实现)可以通过不同角度之间的平滑转变和没有清晰刻面来识别。虽然形成完整太阳能电池需要的其它元件并未显示于附图中,但是必然设想该其它元件也包括在本公开的太阳能电池中。
总之,本公开提供了一种改进方法,其在例如相同的加工步骤中同时进行a)在晶体硅双面太阳能电池的后侧上形成掺杂层(例如,接合部),以及b)使用所形成的掺杂层以使后侧的棱锥形纹理化表面变光滑,从而获得足够的表面钝化。可以定制延伸掺杂层的厚度(以及在棱锥顶部处外延层的对应角度)以获得最优光致电流密度和允许掺杂层(接合部)掺杂水平足够低以限制俄歇复合损耗的层深度。
尽管上文以特定组合描述了特征和元件,但是每个特征或元件可以单独使用而无需其它特征和元件,或者在具有或不具有其它特征和元件的各种组合中使用。这同样适用于方法和单独的方法步骤,如果没有另外明确指出,它们可以单独使用或以其他顺序组合使用。
此外,通过研究附图、公开内容和所附权利要求书,本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施方式的变体。即使已经参考有限数量的示例/实施方式主要描述本公开的发明构思,但是本领域技术人员容易理解,除了上文公开的示例之外的其他示例同样可以在所附权利要求限定的本发明构思的范围内。
在权利要求中,词语“包含(包括)”不排除其它元素,并且不定冠词“一个”或“一种”并不排除复数形式。在相互不同的从属权利要求中列举某些特征并不表示这些特征的组合不能被用于获得优势。
Claims (14)
1.一种在晶体硅双面太阳能电池的后侧处产生掺杂层的方法,所述方法包括:
至少使太阳能电池的硅基材的后侧纹理化以产生棱锥图案,从而产生后侧的棱锥形拓扑结构;和
通过使用外延生长在棱锥上生长至少一个掺杂的硅外延层,从而在后侧形成掺杂层,
其中,在形成掺杂层的同时,通过使用刻面演变,通过至少一个外延层的生长使后侧的棱锥形拓扑结构变平滑,并且其中,外延生长持续直至大部分棱锥的上部上在所述至少一个外延层的表面与基材之间的角度为5°至35°为止。
2.如权利要求1所述的方法,其中,持续外延生长,直至角度为10°至25°,优选20°或25°。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中,持续外延生长,直至至少一个外延层的厚度为1μm至2μm,优选1.3μm。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法,其中,所述外延生长使用5纳米/分钟至4000纳米/分钟的生长速率进行。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述外延生长使用700℃至1150℃的温度进行。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述外延生长使用SiH2Cl2作为硅前体源、以5纳米/分钟至500纳米/分钟的生长速率在700℃至1000℃的温度下进行。
7.如权利要求1-5中任一项所述的方法,其中,所述外延生长使用SiHCl3作为硅前体源、以200纳米/分钟至4000纳米/分钟的生长速率在900℃至1150℃的温度下进行。
8.如权利要求1-5中任一项所述的方法,其中,所述外延生长使用SiH4作为硅前体源、以200纳米/分钟至4000纳米/分钟的生长速率在900℃至1150℃的温度下进行。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述外延生长使用B2H6、BCl3、AsH3或PH3作为掺杂剂源进行。
10.如权利要求9所述的方法,当从属于权利要求6时,通过气流量控制器测量的掺杂剂源与SiH2Cl2的气流量比率为10-5至10-2。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法,其中,在所述纹理化之后,所述棱锥的棱锥角度为至少40°。
12.一种晶体硅双面太阳能电池,其包括:
具有前侧和后侧的硅基材,其中,至少后侧用棱锥图案化;以及
至少一个设置在棱锥上的外延生长的掺杂硅的平滑层,
其中,棱锥的棱锥角度为至少40°,并且其中在大部分棱锥的上部上至少一个平滑层的表面与基材之间的角度为5°至35。°
13.如权利要求12所述的太阳能电池,其中,所述至少一个平滑层的表面与基材之间的角度为10°至25°,优选20°或25°。
14.如权利要求12或13所述的太阳能电池,其中,所述至少一个平滑层的厚度为1μm至2μm,优选1.3μm。
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