CN113875025A - 太阳能电池和太阳能电池的制造方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种太阳能电池。在实施例中，太阳能电池(100)包括具有用来接收入射光的正面(104)和背面(106)的硅晶片(102)，以及形成在硅晶片(102)正面(104)或背面(106)上的第一掺杂半导体层(110)。太阳能电池(100)还包括(i)沉积在与形成第一掺杂半导体层(110)相对的硅晶片(102)另一面上的隧道电介质层(112)，(ii)沉积在硅晶片(102)正面(104)上的正面第二掺杂半导体层(116)；(iii)沉积在硅晶片(102)背面(106)上的背面第二掺杂半导体层(118)，正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)具有与第一掺杂半导体层(110)相反的极性。第一掺杂半导体层(110)与正面第二掺杂半导体层(116)或背面第二掺杂半导体层(118)形成隧道结。隧道电介质层(112)与背面第二掺杂半导体层(118)或正面第二掺杂半导体层(116)形成钝化接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池以及一种制造太阳能电池的方法，特别是具有隧道结的钝化接触太阳能电池。
背景技术
光伏市场目前由基于晶片的晶体硅(Si)太阳能电池主导。在考虑到俄歇复合效应的前提下，为了硅太阳能电池达到超高效率(已接近理论极限)29％，那么钝化接触就是一个很具有吸引力的选择。具体而言，钝化接触减少了太阳能电池接触处的复合损耗，因为太阳能电池接触处的复合构成了主要损耗机制，从而提高太阳能电池的开路电压及效率。
目前，为了形成钝化接触(例如，用于电子提取的SiOx/n+poly-Si或用于空穴提取SiOx/p+poly-Si)，通常采用双面沉积方法，尤其是管式沉积工艺。例如，采用低压化学气相沉积法(LPCVD)制备隧穿SiOx层，然后沉积本征多晶硅(poly-Si)薄膜。随后采用扩散掺杂工艺对本征多晶硅薄膜进行掺杂。由于是在管道中进行操作，于是制备SiOx/poly-Si钝化接触所需的所有层和扩散过程通常就会硅晶片的两面形成，而硅晶片的每一面都需要每种类型的钝化接触(用于电子提取的SiOx/n+poly-Si或用于空穴提取的SiOx/p+poly-Si)。如果制造双面钝化接触的太阳能电池，过程中还包括制备掩膜和随后去除掩膜的步骤。那么就会需要大量工艺步骤来实现。因此希望有一种太阳能电池的制造方法能够解决上述问题或能为公众提供一个可行的替代方案。
此外，从随后的详细说明和所附权利要求中，结合所附示图和披露的背景，将明显看出其他需要的特征和特点。
发明内容
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，尤其是一种具有隧道结的钝化接触太阳能电池。
根据第一方面，提供了一种太阳能电池，其包括具有接收入射光的正面及背面的硅晶片，以及形成在所述硅晶片的正面或背面上的第一掺杂半导体层。
所述太阳能电池包括：隧道电介质层，其沉积在与形成所述第一掺杂半导体层相对的硅晶片另一面上；
正面第二掺杂半导体层沉积在所述硅晶片的正面上；
背面第二掺杂半导体层沉积在所述硅晶片的背面上，所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层各自具有与所述第一掺杂半导体层相反的极性，
其中，所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层中的任一层结合形成隧道结，且所述隧道电介质层与所述背面第二掺杂半导体层或所述正面第二掺杂半导体层结合以形成钝化接触。
通过将所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层结合，可以在所述硅晶片的正面或背面上相应地形成隧道结。所述隧道结形成在硅晶片正面上的实施例中，为了将顶部电池电压与底部电池电压分开实现太阳能电池串联集成，需要将正面隧道结集成在所述太阳能电池中。这有利于最大限度地减少制造串联太阳能电池的工艺步骤数量。另一方面，如果在硅晶片的背面形成隧道结，则在太阳能电池的背面形成背面发射极区。这在单晶硅高效太阳能电池的实施例中尤其有利，在硅晶片正面没有形成用于接收入射光高掺杂层(例如高扩散掺杂的半导体层)的情况下，硅晶片的背面具有隧道结(或背面发射极区)可以减少寄生吸收。
此外，在上述任何一种情况下，通过所述隧道电介质层和所述背面第二掺杂半导体层或所述正面第二掺杂半导体层形成钝化接触。钝化接触有利于降低复合损耗，从而提高太阳能电池的开路电压和效率。与硅晶片直接(局部)形成金属触点不同，所述钝化接触包括所述隧道电介质层(例如湿法制备或臭氧辅助或热生长的超薄SiOx)和所述第二掺杂半导体层(例如通过LPCVD或PECVD制备高掺杂的n型掺杂多晶硅层或p型掺杂多晶硅层)，所述钝化接触与所述太阳能电池的硅晶片接触。钝化接触不仅为硅晶片提供了出色的表面钝化(例如复合电流密度j0高达10fs cm-2)，而且提供了适当的低接触电阻率(最高可达几个100mΩcm2)，同时能够实现高载流子提取选择性(在载流子选择性大于10的接触点上只提取电子或空穴的能力)。
此外，所述太阳能电池可以通过直接利用传统的双面沉积工艺来制造(例如LPCVD)，并以最少的加工步骤形成钝化接触，以便在硅晶片的每一面形成不同载流子选择性的触点(即电子提取或空穴提取)。例如，可以采用双面沉积工艺沉积所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层，所述第二掺杂半导体层中的一面在硅晶片的一面形成所述钝化接触，所述第二掺杂半导体层中的另一面与所述第一掺杂半导体层(与所述第二掺杂半导体层具有相反极性)形成隧道结。这样，可以避免掩膜的沉积和去除掩膜的工艺步骤。此外，在使用传统扩散提取一种多余的载流子类型(电子或空穴)的情况下，只需要沉积一种载流子选择接触(提取空穴，即SiOx/p+poly-Si或提取电子，即SiOx/n+poly-Si)。在图11A中将进一步讨论。
因此，所述太阳能电池的实施例可以有利地部署为(i)包括用于太阳能电池串联集成所需的隧道结的底部电池(参见下面的示例图1)，或(ii)具有背面发射极区的钝化接触单晶太阳能电池(参见下面的示例图3)。
可以使用低压化学气相沉积法(LPCVD)在一次沉积过程中沉积所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层。通过使用LPCVD，可以在单个工艺步骤中沉积所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层，从而有利地减少了制造太阳能电池所需的工艺步骤数量。
所述太阳能电池可包括沉积在所述第一掺杂半导体层上的隧道电介质层，所述隧道电介质层夹在所述第一掺杂半导体层和所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层之间形成隧道结。
所述太阳能电池可包括沉积在所述硅晶片表面上的表面隧道电介质层，所述表面隧道电介质层夹在所述硅晶片表面和所述第一掺杂半导体层之间，其中，所述表面隧道电介质层和所述第一掺杂半导体层形成另一钝化接触。在这种情况下形成的第二钝化接触与所述钝化接触具有相同的优点。
所述第一掺杂半导体层可包括p型掺杂多晶硅层，所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层均可包括n型掺杂多晶硅层。
所述太阳能电池可包括接触形成层，其沉积在所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层中的至少一个上。
所述太阳能电池可包括形成于所述硅晶片背面的背面金属触点，所述背面金属触点与所述背面第二掺杂半导体层电接触。
所述背面金属触点电极可以通过丝网印刷、在线镀敷或蒸发形成。
所述太阳能电池可包括形成在所述硅晶片正面的正面金属触点，所述正面金属触点与所述正面的第二掺杂半导体层电接触。
所述正面金属触点可以使用丝网印刷、在线镀敷或蒸发形成。
根据第二方面，提供了一种制造太阳能电池的方法，该太阳能电池包括具有接收入射光的正面和背面的硅晶片，以及形成在硅晶片正面或背面的第一掺杂半导体层。该方法包括：(i)在所述硅晶片形成第一掺杂半导体层的另一面上沉积隧道电介质层；和(ii)在所述硅晶片的正面沉积正面第二掺杂半导体层，在所述硅晶片的背面沉积背面第二掺杂半导体层，所述正面二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层具有与所述第一掺杂半导体层相反的极性。所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层形成隧道结。所述隧道电介质层与所述背面第二掺杂半导体层或所述前面第二掺杂半导体层形成钝化接触。
沉积所述正面第二掺杂半导体层和背面第二掺杂半导体层可包括使用低压化学气相沉积法(LPCVD)在单一沉积过程中沉积所述正面第二掺杂半导体层和背面第二掺杂半导体层。
所述方法可包括在所述第一掺杂半导体层上沉积隧道电介质层。
层间隧道电介质层和隧道电介质层可以在单个沉积工艺中使用LPCVD沉积。换言之，一方面，第一掺杂半导体层连同层间隧道电介质层与正面第二掺杂半导体层或背面第二掺杂半导体层形成隧道结，另一方面，隧道电介质层与背面第二掺杂半导体层或前面第二掺杂半导体层(即不参与形成隧道结的第二掺杂半导体层)形成钝化接触。在通过LPCVD沉积层间隧道电介质层、隧道电介质层、正面第二掺杂半导体层和背面第二次掺杂半导体层的实施例中，如下面描述所示，这些层可以通过一个工艺步骤有利地进行沉积。
所述第一掺杂半导体层可以使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或低压化学气相沉积法(LPCVD)形成。
所述方法可包括在所述第一掺杂半导体层形成之前在所述硅晶片的表面上沉积所述表面隧道电介质层，所述表面隧道电介质层夹在所述硅晶片的表面和所述第一掺杂半导体层之间，其中，所述表面隧道电介质层和所述第一掺杂半导体层形成另一钝化接触。
所述第一掺杂半导体层可包括p型掺杂多晶硅层，所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层可包括在硅晶片的正面和背面沉积的n型掺杂多硅晶层。
所述第一掺杂半导体层可以通过在硅晶片扩散或注入离子形成。
所述方法可包括在所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层中的至少一个上沉积以形成接触层。
所述方法可包括在所述硅晶片的背面形成背面金属触点，所述背面金属触点与所述背面第二掺杂半导体层电接触。
所述背面金属触点可以通过丝网印刷、在线镀敷或蒸发形成。
所述方法可包括在所述硅晶片的正面形成正面金属触点，所述正面金属触点与所述正面第二掺杂半导体层电接触。
所述正面金属触点可以通过丝网印刷、在线镀敷或蒸发形成。
所述硅晶片的正面可以被纹理化。
所述硅晶片的背面可以被纹理化。
根据第三方面，提供一种串联式太阳能电池，包括：顶部太阳能电池；和底部太阳能电池，所述底部太阳能电池包括具有用来接收入射光的正面和背面的硅晶片以及形成在所述硅晶片的正面或背面的第一掺杂半导体层，
所述底部太阳能电池包括：隧道电介质层，其沉积在与形成所述第一掺杂半导体层相对的硅晶片另一面上。
正面第二掺杂半导体层，其沉积在所述硅晶片的正面上；和背面第二掺杂半导体层，其沉积在所述硅晶片的背面，所述正面第二掺杂半导体和所述背面第二掺杂半导体层具有与所述第一掺杂半导体层相反的极性。其中，所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层形成隧道结，所述隧道电介质层与所述背面第二掺杂半导体层或所述正面第二掺杂半导体层形成钝化接触。
所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池可以集成形成串联式太阳能电池结构。
应当理解，与一个方面有关的特征可以适用于其他方面。因此，实施例提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括硅晶片一面上的隧道结和硅晶片另一面上的钝化接触。通过将第一掺杂半导体层与正面第二掺杂半导体层或背面第二掺杂半导体层结合，可在硅晶片的正面或背形成相应的隧道结。因此，所述太阳能电池可以作为串联型薄膜硅太阳能电池配置内的底部电池(参见下面的示例图1)，或者作为具有背面发射极区的钝化接触单晶硅太阳能电池(参见下面的示例图3)。在任何一种情况下，使用钝化接触，均可以有效降低复合损耗，从而提高太阳能电池的开路电压和效率。此外，所述太阳能电池可直接利用传统的双面沉积方法来制造钝化接触(例如LPCVD)，并以最少的加工步骤在硅晶片的每一面上形成不同载流子选择性(即提取电子或提取空穴)的接触。减少了对掩膜的进一步需求，也减少了去除掩膜所需的额外步骤。因此，与传统的太阳能电池制造工艺相比，它提高了制造上述太阳能电池的效率，从而有效地减少了时间、成本和资源的消耗。
附图说明
现在仅以示例的方式描述实施例，参考以下示例图，其中：
图1是根据第一实施例绘制串联式集成太阳能电池的结构示意性图。
图2A和图2B是制造图1中太阳能电池的流程图，其中图2A是根据实施例使用PECVD制造太阳能电池的步骤流程图，图2B是根据实施例使用LPCVD制造太阳能电池的步骤流程图；
图3是根据第二实施例的单晶硅太阳能电池结构示意图。
图4A和4B是制造图3中太阳能电池方法的流程图，其中图4A是根据实施例使用PECVD制造太阳能电池方法的步骤流程图，图4B是根据实施例使用LPCVD制造太阳能电池方法的步骤流程图。
图5A、5B和5C为三种不同测试样品的结构示意图，并对其进行了相应的隧道电阻测量；
图6A、6B和6C分别是测量图5A、5B和5C中结构的暗态电流-电压(I-V)曲线，用于测量其相应的隧道电阻；
图7A、7B和7C是用于研究SiOx/p+-poly-Si/SiOx/n+-poly-Si隧道结少数载流子寿命的结构示意图，
其中图7A是包括扩散优化的SiOx/p+-poly-Si钝化接触和沉积在n型掺杂硅晶片两面的SiNx钝化层结构，图7B是包括沉积在p型掺杂硅晶片两面的SiOx/p+poly-Si钝化接触结构，图7C是包含SiOx/p+-poly-Si/SiOx/n+-poly-Si隧道结增强沉积在p型掺杂硅晶片背面钝化接触结构，用于暗态I-V隧道电阻测量；
图8A和8B展示了图7A、7B和7C结构的少数载流子寿命的实验结果，其中图8A展示了图7A结构的实验结果，图8B展示了图7B和图7C结构的实验结果；
图9A至9F是用于研究在平滑面或有纹理面硅晶片表面上加工厚和超薄SiOx/poly-Si钝化接触质量的结构示意图；
图10A和图10B展示了感应耦合等离子体增强化学气相沉积法(IC-PECVD)和LPCVD加工多晶硅的折射率k，其中图10A对比了IC-PECVD加工n型掺杂多晶硅层与LPCVD加工n型掺杂多晶硅层的折射率k，图10B展示了用IC-PECVD加工的n型掺杂多晶硅层和p型掺杂多晶硅层的折射率k；
图11A至11C展示了根据进一步实施例用于串联式集成太阳能电池的结构示意图，其中图11A展示了一个包含p型掺杂扩散后发射极区的太阳能电池，图11B展示了一种包括正面p型掺杂扩散区域的太阳能电池，图11C展示了一种包括正面n型掺杂扩散区域的太阳能电池；
图12A至12F展示了根据进一步实施例的单晶硅太阳能电池结构示意图，其中图12A展示了一个包括p型掺杂的扩散后发射极区的太阳能电池，图12B展示一种了包含纹理背面的p型掺杂扩散后发射极区的太阳能电池，图12C展示了一种包含与图3中太阳能电池不同的背面金属触点方案的太阳能电池，与图3所示的太阳能电池相比，图12D展示了一种包含用于形成背面金属触点的完整背面金属层太阳能电池，图12E展示了一种包含正面和背面各有一透明导电氧化物(TCO)层的太阳能电池，图12F展示了一种包含正面具有一个TCO层的太阳能电池；
图13展示了一种包含顶部薄膜太阳能电池和基于硅晶片的底部太阳能电池的串联式太阳能电池示意图。其中，底部太阳能电池具有与图1中太阳能电池相似的结构。
具体实施方式
一个实施例涉及一种用于制造太阳能电池的方法，尤其是具有隧道结的钝化接触太阳能电池。
图1是根据实施例绘制的太阳能电池(100)的结构示意图。太阳能电池(100)可以配置成高效硅底电池，用于串联型薄膜硅器件集成，如下文关于图13所述。不同类型的太阳能电池(100)配置为高效硅底电池，图11A到11C进一步讨论了串联型薄膜硅器件集成。
太阳能电池(100)包括具有正面(104)和背面(106)的n型直拉(Cz)生长单晶硅晶片(102)。如图1所示，硅晶片(102)的正面(104)具有平滑面，而硅晶片(102)的背面(106)具有纹理化表面。表面隧道电介质层(108)沉积在硅晶片(102)的正面(104)上。表面隧道电介质层(108)可包括氧化硅(SiOx)、氧化铝(AlOx)、氧化钛(TiOx)或氮化硅(SiNx)。在表面隧道电介质层(108)的顶部是第一掺杂半导体层(110)。在本实施例中，第一掺杂半导体层(110)包括p型掺杂(例如硼掺杂)多晶硅层(poly-Si)。如图1所示，表面隧道电介质层(108)被夹在硅晶片(102)的正面和第一掺杂半导体层(110)之间。第一掺杂半导体层(110)的沉积可以使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或低压化学气相沉积法(LPCVD)。太阳能电池(100)还包括沉积在硅晶片(102)背面上的隧道电介质层(112)和沉积在硅晶片(102)正面(104)上的第一掺杂半导体层(110)上的层间隧道电介质层(114)。在本实施例中，隧道电介质层(112)和层间隧道电介质层(114)包括SiOx。太阳能电池(100)还包括沉积在硅晶片(102)正面(104)上的正面第二掺杂半导体层(116)和沉积在硅晶片(102)的背面(106)上的背面第二掺杂半导体层(118)。正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)与第一掺杂半导体层(110)均具有相反的极性。在本实施例中，第二掺杂半导体层(116)、(118)包括n型掺杂(例如磷掺杂)多晶硅层(poly-Si)。在本实施例中，隧道电介质层(112)、层间隧道电介质层(114)、正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)可以使用如LPCVD的双面沉积方法沉积。在这种情况下，隧道电介质层(112)和层间隧道电介质层(114)可以使用LPCVD同时沉积在硅晶片(102)的各面上，正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)随后也可使用LPCVD同时沉积在硅晶片(102)的各面上。换而言之，在本实施例中，使用单个LPCVD将SiOx/n+poly-Si隧道层的钝化接触沉积在硅晶片(102)的正面(104)和背面(106)上。在其他实施例中，隧道电介质层(112)、层间隧道电介质层(114)、正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)可以使用如PECVD的单面沉积方法沉积。下面是分别根据图2A和图2B描述使用PECVD或LPCVD制造太阳能电池(100)的方法。太阳能电池(100)包括可选择性地沉积在背面第二掺杂半导体层(118)上的接触形成层(120)。太阳能电池(100)还包括沉积在接触形成层(120)上的背面金属触点(122)。背面金属触点(122)可使用常规高温透火丝网印刷浆料沉积，使背面金属触点(122)与背面第二掺杂半导体层(118)形成电接触。
如图1所示，太阳能电池(100)由极性相反的钝化接触(124)、(126)组成(即一个是电子提取，另一个是空穴提取)，分别形成在硅晶片(102)的正面(104)和背面(106)上。在硅晶片(102)正面(104)形成包括表面隧道电介质层(108)和第一掺杂半导体层(110)的空穴钝化接触(124)；在硅晶片(102)的背面(106)形成包括隧道电介质层(112)和背面第二掺杂半导体层(128)的电子钝化接触(126)。此外，在硅晶片的正面(104)上形成隧道结(128)，包括第一掺杂半导体层(110)、层间隧道电介质层(114)和正面半导体层(116)。在本实施例中，在硅晶片(102)的正面(104)上形成的隧道结(128)集成在串联太阳能电池结构中时，起分离顶部电池电压和底部电池电压的作用。本实施例中的太阳能电池(100)具有在硅晶片(102)的正面(104)上整体形成的隧道结(128)，因此，当将其布置为串联太阳能电池结构的底部电池时，可减少工艺步骤的数量。
特别的是，在本实施例中，形成的隧道结(128)包括p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si叠层。因此，SiOx/n+poly-Si钝化接触可以使用常规的双面沉积技术(如LPCVD)沉积在太阳能电池(100)的正面(104)和背面(106)上，如前所述，SiOx/n+poly-Si钝化接触形成太阳能电池(100)正面隧道结(128)的一部分，并且它在太阳能电池(100)的背面形成SiOx/n+poly-Si电子提取钝化接触。通过使用常规双面沉积工艺(例如LPCVD)的方式形成隧道氧化物和多晶硅覆盖层使进一步形成掩膜和随后去除掩膜的步骤最小化，因此大大减少了所需的工艺步骤的数量。这些得以实现是因为沉积的钝化接触(即SiOx/n+poly-Si)同时会形成：(i)通过与太阳能电池(100)正面的第一掺杂半导体层(110)结合而形成隧道结，以及(ii)太阳能电池(100)背面的电子提取钝化接触。
此外，太阳能电池(100)包括由p型掺杂多晶硅层形成的空穴提取钝化接触(124)形成的正面发射极区。与晶片内通常在几个100nm厚度范围内的常规高掺杂扩散区域相比，p掺杂多晶硅层可被加工得更薄(例如在3-15nm范围内)，从而显著降低近红外(NIR)吸收。鉴于此，有利于将太阳能电池(100)配置为串联太阳能电池集成的底部太阳能电池。
此外，太阳能电池(100)包括平滑正面和纹理背面。当配置为串联太阳能电池结构的底部电池时，太阳能电池(100)的正面实现了传统的正面钙钛矿顶部电池集成，而太阳能电池(100)的纹理化背面改善了红外光子的光捕获。使用完全处理且没有背面金属触点的太阳能电池(100)作为硅底电池的前驱体，使用常规旋涂或浸涂(需要一个平整表面)对钙钛矿顶部电池进行沉积。在这种情况下，作为顶部薄膜电池集成后串联太阳能电池制造的最后一个工艺步骤，可以实行低温全面积金属化(例如，使用背面热蒸镀、电子束蒸镀或喷镀)。
因此，太阳能电池(100)能够优于常规异质结太阳能电池(在太阳能电池效率和成本方面)，它是目前用于集成化串联太阳能电池最先进的硅底电池。
图2A和2B是展示用于制造图1的太阳能电池(100)的方法200、220的流程图。图2A是展示使用PECVD法制造太阳能电池的方法步骤的流程图，而图2B是展示使用LPCVD法制造太阳能电池的方法步骤的流程图。
在方法200、220中，使用n型直拉生长的单晶硅(Si)作为制造太阳能电池(100)的起始衬底。正如这个领域的技术人员所理解的那样，在每个制造步骤之前，准备步骤(例如清洗硅晶片表面)可能是必要的，但是为了目前的方法200、220的清晰和简洁，这些准备步骤已经被省略了。
参考图2A的方法200，在步骤202中，对太阳能电池(100)的硅晶片(102)的背面(106)进行纹理化。硅晶片(102)的背面(106)的纹理化可能包括对硅晶片(102)背面(106)的蚀刻，例如使用湿法蚀刻。请注意，所描述的步骤102不一定是第一个流程步骤，它可以在后面的步骤中进行。例如，在图2B的方法220中会体现这一点。
在步骤204中，在硅晶片(102)的正面(104)沉积表面隧道电介质层(108)。表面隧道电介质层(108)可以包括通过原子层(ALD)沉积的氧化铝(AlOx)、氮化硅(SiNx)或氧化钛(TiOx)或者通过化学气相法(PECVD或LPCVD)沉积的氧化硅(SiOx)。在本实施例中，通过PECVD法沉积表面隧道电介质层(108)。
在步骤206中，在表面隧道电介质层(108)上形成第一掺杂半导体层(110)。第一掺杂半导体层(110)包括p型掺杂多晶硅层，其目的是形成可选择性提取空穴的接触。第一掺杂半导体层(110)与表面隧道电介质层(108)一起形成能提取空穴的钝化接触(例如SiOx/p+poly-Si)。通过PECVD法沉积第一掺杂半导体层(110)。在本实施例中，表面隧道电介质层(108)和第一掺杂半导体层(110)均通过PECVD法沉积，因为这两层可以使用相同的CVD机器沉积(例如，通过引入工艺气体，依次沉积表面隧道电介质层(108)和第一掺杂半导体层(110))，步骤204和206可以有效地结合到一个工艺步骤中。
在沉积表面隧道电介质层(108)和第一掺杂半导体层(110)之后，在如下所述的步骤208、210和212中，在硅晶片(102)的正面(104)和背面(106)上形成SiOx/n+poly-Si。在本实施例中，SiOx/n+poly-Si层在硅晶片(102)的背面(106)(即在第一掺杂半导体层的另一面)上形成能提取电子的钝化接触和在硅晶片(102)的正面(104)上形成能提取空穴的隧道结增强钝化接触(即SiOx/p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si层)。
在步骤208中，隧道电介质层(112)沉积在硅晶片(102)纹理化的背面(106)上。隧道电介质层(112)可以以全面积沉积的方式沉积在硅晶片(102)的背面上。隧道电介质层(112)包括如通过PECVD或LPCVD沉积的SiOx。
在步骤210中，第一掺杂半导体层(110)上沉积了层间隧道电介质层(114)。层间隧道电介质层(114)的沉积包括在硅晶片(102)的正面(104)上的全面积沉积。与隧道电介质层(112)类似，在本实施例中，层间隧道电介质层(114)包括通过PECVD沉积的SiOx。在一个实施例中，如果使用如LPCVD的双面沉积技术，则可以在相同的沉积步骤中沉积隧道电介质层(112)和层间隧道电介质层(114)。
分别在步骤208和步骤210中沉积隧道电介质层(112)和层间隧道电介质层(114)之后，在步骤212中，正面第二掺杂半导体层(116)沉积在硅晶片(102)正面(104)处的层间隧道电介质层(114)上，背面第二掺杂半导体层(118)沉积在硅晶片(102)背面(106)处的隧道电介质层(112)上。在本实施例中，正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)通过如PECVD的单面沉积技术沉积。在这种情况下，正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)可以使用单独的单面沉积技术来沉积。或者，如下文所述，可以使用LPCVD沉积正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)。隧道电介质层(112)与背面第二掺杂半导体层(118)一起形成能提取电子的钝化接触。在本实施例中，背面第二掺杂半导体层(118)包括n型掺杂多晶硅层，用于形成能够选择性地提取电子的接触。
在步骤214中，将接触形成层(120)沉积在背面第二掺杂半导体层(118)上。所述接触形成层(120)的沉积包括在硅晶片(102)的背面(106)上的全面积沉积。在本实施例中，所述接触形成层(120)包括用作绝缘透明钝化层的SiNx层。在这种情况下，为了使太阳能电池(100)形成电接触，可以用高温丝网印刷过程中使用的透火丝网印刷浆料或局部激光烧蚀SiNx层来形成接触。在另一实施例中，所述接触形成层(120)包括透明导电氧化物(TCO)层。该TCO形成导电透明的接触形成层。
在步骤216中，在接触形成层(120)上沉积背面金属触点(122)，使背面钝化接触(126)形成电接触。可使用传统的丝网印刷技术在接触形成层(120)的顶部丝网印刷形成背面金属触点(122)。在本实施例中，所述接触形成层(120)包括SiNx层，使用常规高温透火丝网印刷浆料形成背面金属触点层(122)。或者，在常规丝网印刷工艺之前，使用局部激光烧蚀在SiNx接触形成层(120)上形成接触开口，然后使用非透火丝网印刷浆料形成背面金属触点(122)。在本实施例中，所述接触形成层(120)包括TCO层，后续的低温丝网印刷可用于形成背面金属触点层(122)。
下面描述图2B中的方法220。方法220展示了根据实施例使用LPCVD制造太阳能电池的步骤。方法220与方法200相似，除了使用LPCVD(而不是PECVD)在表面形成隧道电介质层(108)、第一掺杂半导体层(110)、隧道电介质层(112)、层间隧道电介质层(114)、正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)。不同点体现在方法220的前五个工序222、224、226、202和228。其余步骤208、210、212、214、216与方法200类似，但有以下区别:在本实例中，隧道电介质层(112)、层间隧道电介质层(114)、正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)均采用LPCVD沉积，因为(112)、(114)、(116)和(118)这些层可以使用相同的CVD机器通过上述双面沉积工艺逐个地引入工艺气体的方式进行沉积(例如，双面沉积首先在硅晶片(102)的背面(106)上形成隧道电介质层(112)和在硅晶片(102)的正面(104)上形成层间隧道电介质层(114)，然后进行双面沉积以形成正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118))，可以将步骤208、210和212有效地组合成一个工艺步骤。
参照图2B的方法220，代替对太阳能电池(100)的硅晶片(102)的背面(106)进行纹理化的第一步骤，首先执行步骤222，在硅晶片(102)的正面(104)和背面(106)上沉积表面隧道电介质层(108)。在本实施例中，表面隧道电介质层(108)包括通过化学气相沉积法(例如LPCVD)沉积的氧化硅(SiOx)。
在步骤224中，在沉积在硅晶片(102)的正面(104)和背面(106)上的表面隧道电介质层(108)上形成第一掺杂半导体层(110)。在本实施例中，第一掺杂半导体层(110)包括p型掺杂多晶硅层，其目的是形成可以选择性地提取空穴的接触。在这种情况下，第一掺杂半导体层(110)与表面隧道电介质层(108)一起形成能提取空穴的钝化接触(例如SiOx/p+poly-Si叠层)。通过LPCVD沉积第一掺杂半导体层(110)。在本实施例中，表面隧道电介质层(108)和第一掺杂半导体层(110)均由LPCVD沉积，因为这两层可以使用相同的CVD机器沉积(例如，通过引入工艺气体，依次沉积表面隧道电介质层(108)和第一掺杂半导体层(110))，可以将步骤222和224有效地组合成一个工艺步骤。
在步骤222和224之后，在步骤226中硅晶片(102)的正面(104)上形成一层掩膜。掩膜的作用是在随后的蚀刻过程中保护在硅晶片(102)正面(104)上形成的SiOx/p+poly-Si叠层。掩膜可以由合适的材料形成来实现这一功能，例如PECVD沉积的SiNx。
在步骤226中硅晶片(102)的正面(104)上形成掩膜后，就实行步骤202，对硅晶片(102)的背面(106)进行纹理处理。硅晶片(102)的背面(106)上的纹理处理可能涉及湿式化学蚀刻。在这种情况下，整个硅晶片(102)在蚀刻过程中可能暴露在化学蚀刻剂中，因此，掩膜用于保护前面的步骤222、224中在硅晶片(102)的正面(104)上形成的SiOx/p+poly-Si叠层。在对硅晶片(102)的背面(106)进行纹理处理的步骤102中，在对硅晶片(102)的背面(106)纹理处理的同时，也会蚀刻掉硅晶片(102)的背面(106)上形成的SiOx/p+poly-Si叠层。
在步骤228中，将沉积在硅晶片(102)正面(104)上的掩膜去除。可以用物理蚀刻或选择性化学蚀刻的方法去除掩膜。
在步骤228中去除掩膜后，在如前所述的步骤208、210和212中硅晶片(102)的正面(104)和背面(106)上分别形成SiOx/p+poly-Si叠层。但是，在本实施例中，使用LPCVD实行步骤208、210和212。
在步骤208中，隧道电介质层(112)沉积在硅晶片(102)的纹理化背面(106)上。隧道电介质层(112)可以在硅晶片(102)的背面以全面积沉积的方式沉积。在步骤210中，层间隧道电介质层(114)沉积在第一掺杂半导体层(110)上。层间隧道电介质层(114)的沉积包括在硅晶片(102)的正面(104)上的全面积沉积。在本实施例中，可以使用LPCVD在同一沉积步骤中沉积隧道电介质层(112)和层间隧道电介质层(114)。
与方法200类似，在步骤208和步骤210中分别沉积隧道电介质层(112)和层间隧道电介质层(114)后，在步骤212中，正面第二掺杂半导体层(116)沉积在硅晶片(102)正面(104)处的层间隧道电介质层(114)上，背面第二掺杂半导体层(118)沉积在硅晶片(102)背面(106)处的隧道电介质层(112)上。在本实施例中，正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)的沉积包括使用LPCVD的双面全面积沉积。换而言之，可以在单个沉积步骤中沉积正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)。隧道电介质层(112)与背面第二掺杂半导体层(118)一起形成能提取电子的钝化接触。背面第二掺杂半导体层(118)可包括n型掺杂多晶硅层，以形成可选择性提取电子的接触。另一方面，在本实施例中，在硅晶片(102)的正面(104)上形成能提取空穴的隧道结增强钝化接触(即SiOx/p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si层)。
在本实施例中，隧道电介质层(112)、层间隧道电介质层(114)、正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118)均通过LPCVD沉积，因为(112)、(114)、(116)和(118)这些层可以使用相同的CVD机器通过逐个为上述双面沉积工艺引入工艺气体的方式来沉积(例如，双面沉积可首先在硅片(102)的背面(106)上形成隧道电介质层(112)，在正面(104)形成层间隧道电介质层(114)，然后双面沉积，形成正面第二掺杂半导体层(116)和背面第二掺杂半导体层(118))，将步骤208、210和212有效地结合到一个工艺步骤中。
在步骤214中，将接触形成层(120)沉积在背面第二掺杂半导体层(118)上。接触形成层(120)的沉积包括在硅晶片(102)的背面(106)上的全面积沉积。接触形成层(120)包括如上所述的SiNx或TCO。
在步骤216中，在接触形成层(120)上沉积背面金属触点(122)来使背面钝化接触(126)形成电接触。背面金属触点(122)可使用前文所述的透火丝网印刷浆料或非透火丝网印刷浆料通过丝网印刷实现。
对于如上所述的实施例，所形成的隧道结(128)的质量对于有效地将少数空穴电流转换成多数电子电流是至关重要的。这就要求第一掺杂半导体层(110)(例如p型掺杂多晶硅层)和第二掺杂半导体层(116)(例如n型掺杂多晶硅层)的有效掺杂量足够高，以形成欧姆隧道结(与整流p/n结相反)。如下面关于图6A、6B和6C所讨论的，已经成功证明，可以通过使用两个高相反掺杂的多晶硅覆盖层或使用高掺杂的硅晶片扩散表面和高相反掺杂的多晶硅覆盖层来形成高质量的隧道结。结果表明，这些隧道结保持了较高的钝化质量，例如，如图8A和8B所示，较高的少数载流子寿命和相应的较高的隐开路电压证明了这一点。
图3是根据第二实例得到的太阳能电池(300)的结构示意图。这种太阳能电池(300)可以配置为一个单结，是高效率的太阳能电池。以单结太阳能电池配置的太阳能电池(300)的变化结合图12A到12F进行了讨论。
该太阳能电池(300)包括具有正面(304)和背面(306)的n型直拉(Cz)生长的单晶硅晶片(302)。与太阳能电池(100)不同，太阳能电池(300)包括由形成在硅晶片(302)的背面(306)上的隧道结提供的背面发射极区。在这种情况下，表面隧道电介质层(308)沉积在硅晶片(302)的背面(306)上。在本实施例中，表面隧道电介质层(308)包括SiOx。表面隧道电介质层(308)可包括AlOx、TiOx或SiNx。太阳能电池(300)还包括形成在硅晶片(302)背面(306)上的表面隧道电介质层(308)上的第一掺杂半导体层(310)。与太阳能电池(100)类似，第一掺杂半导体层(310)包括p型掺杂(例如，硼掺杂)多晶硅(poly-Si)层。因此，如图3所示，表面隧道电介质层(308)夹在硅晶片(302)的背面和第一掺杂半导体层(310)之间。第一掺杂半导体层(310)可通过PECVD或LPCVD沉积。太阳能电池(300)还包括沉积在硅晶片(302)的正面(304)正面上的隧道电介质层(312)和沉积在硅晶片(302)的背面(306)上的第一掺杂半导体层(310)上的层间隧道电介质层(314)。在本实施例中，隧道电介质层(312)和层间隧道电介质层(314)包括SiOx。太阳能电池(300)还包括沉积在硅晶片(302)的正面(304)上的隧道电介质层(312)上的正面第二掺杂半导体层(316)和沉积在硅晶片(302)背面(306)上的层间隧道电介质层(314)上的背面第二掺杂半导体层(318)。正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)的极性均与第一掺杂半导体层(310)相反。在本实施例中，第二掺杂半导体层(316)、(318)可包括n型掺杂(例如，磷掺杂)多晶硅(poly-Si)层。隧道电介质层(312)、层间隧道电介质层(314)、第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(316)可以使用如LPCVD的双面沉积方法来沉积。在这种情况下，隧道电介质层(312)和层间隧道电介质层(314)可以同时使用LPCVD沉积在硅晶片(302)的各面上，并且，正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)随后可以同时使用LPCVD沉积在硅晶片(302)的各面上。换而言之，在本实例中，SiOx/n+poly-Si隧道层钝化接触沉积在硅晶片(302)的正面(304)上，隧道结增强的SiOx/p+poly-Si钝化接触单独使用LPCVD工艺沉积在硅晶片(302)的背面(306)上。除了沉积在硅晶片(302)的背面(306)上的接触形成层(320)(对于太阳能电池(100)而言)，太阳能电池(300)还包括沉积在硅晶片(302)的正面(304)处的正面第二掺杂半导体层(316)上的接触形成层(322)。在本实施例中，接触形成层(320)、(322)包括SiNx层。在其他实施例中，如关于图12E和图12F所讨论的以及前文所述的内容，接触形成层(320)、(322)包括TCO层。太阳能电池(300)还包括沉积在背面接触形成层(320)上的背面金属触点(324)和正面接触形成层(322)上的正面金属触点(326)。在本实施例中，背面金属触点(324)和正面金属触点(326)使用常规的高温透火丝网印刷浆料沉积，使得背面金属触点(324)和正面金属触点(326)分别沉积在背面第二掺杂半导体层(318)和正面第二掺杂半导体层(318)上形成电接触。在TCO用于接触形成层(320)、(322)的其他实施例中，可使用低温非透火丝网印刷。
与太阳能电池(100)类似，在如图3所示的本实施例中，在硅晶片(302)的正面(304)和背面(306)上形成极性相反(即一个是电子的提取，另一个是空穴的提取)的钝化接触(328)、(330)。在太阳能电池(300)中，在硅晶片(302)的背面(306)上形成包括表面隧道电介质层(308)和第一掺杂半导体层(310)的空穴提取钝化接触(330)，而在硅晶片(302)的正面(304)上形成包括隧道电介质层(312)和正面第二掺杂半导体层(316)的电子提取钝化接触(328)。此外，在硅晶片(302)的背面(306)上形成包括第一掺杂半导体层(310)、层间隧道电介质层(314)和背面半导体层(318)的隧道结(332)。
在该实例中，第一掺杂半导体层(310)(即p型掺杂多晶硅层)在太阳能电池(300)的背面(306)上形成发射极区。将隧道结(332)放置在背面，以减少在高掺杂半导体层中发生的寄生吸收。这最大限度地减少了正面寄生紫外可见光的吸收，这对于单结硅电池特别重要，因为与串联应用通常仅接收近红外波长光子的硅底电池相比，单结太阳能电池可以接收所有高能光子(包括紫外/蓝光波长的光子)。因此，本实施例的太阳能电池(300)包括由超薄SiOx/p+poly-Si空穴提取钝化接触(330)形成的背面发射极区。在另一个实施例中，如下面关于图12A所讨论的，背面发射极区由硅晶片内的常规p扩散层或离子注入层形成。与太阳能电池(100)相比，太阳能电池(300)包括双面局部金属触点，其包括形成在太阳能电池(300)两面的背面金属触点(324)和正面金属触点(326)(例如金属网格)。因为在超薄(≤10nm)多晶硅钝化接触层顶部使用常规丝网印刷可能会损坏这些层，正面金属触点(326)可以通过在线镀敷形成。在TCO层用于接触形成层(320)、(322)的其他实施例中，低温非透火丝网印刷可用于形成背面金属触点(324)或正面金属触点(326)。
图4A和图4B是展示用于制造图3中太阳能电池(300)的方法400、420的流程图。图4A是展示使用PECVD制造太阳能电池的方法400的步骤流程图，图4B是展示使用LPCVD制造太阳能电池的方法420的步骤流程图。
在这些制造单结硅太阳能电池(300)的实施例中，基础的制造过程是相似的。例如，(i)硅晶片表面的纹理化，(ii)与表面隧道电介质层，隧道电介质层，层间隧道电介质层和接触形成层有关的沉积过程，(iii)第一掺杂半导体层和第二掺杂半导体层的形成，(iv)金属触点与图2A和2B的方法200和220所描述的相对应接触的形成相似。其中，图4A中方法400的加工步骤与图2A中方法200的加工步骤相似，图4B中方法420的加工步骤与图2B中方法220的加工步骤相似。因此，这些处理步骤的每个细节将不会在这里全部重复。为了完整起见，下面提供了方法400和方法420的简要描述。
参照图4A，类似于方法200，将n型直拉生长的单晶硅(Si)晶片用于方法400中的太阳能电池(300)的起始衬底。在步骤402中，对太阳能电池(300)的硅晶片(302)的正面(304)进行纹理处理(与对太阳能电池(100)的硅晶片(102)的背面(106)进行纹理处理相比较)。与步骤202类似，硅晶片(302)的正面(304)的纹理化可能包括对硅晶片(302)的正面(304)的蚀刻，例如使用湿法蚀刻。同样，这个纹理化步骤402可以在后面的步骤中执行。如图4B中的方法420所示。
在步骤404中，表面隧道电介质层(308)沉积在硅晶片(302)的平滑背面(306)上。在本实施例中，表面隧道电介质层(308)包括通过PECVD沉积的SiOx。在其他实施例中，表面隧道电介质层(308)可以包括通过ALD沉积的AlOx、SiNx或TiOx或通过LPCVD沉积的SiOx(如下面关于图4B所示)。
在步骤406中，在表面隧道电介质层(308)上形成第一掺杂半导体层(310)。与太阳能电池(100)类似，太阳能电池(300)的第一掺杂半导体层(310)包括p型掺杂的多晶硅层，用于形成可以选择性地提取空穴的接触。第一掺杂半导体层(310)与表面隧道电介质层(308)一起形成能提取空穴的钝化接触(330)。在本实施例中，通过PECVD沉积第一掺杂半导体层(310)。在如图4B方法所示的另一实施例中，通过LPCVD沉积第一掺杂半导体层(310)。与方法200类似，在表面隧道电介质层(308)和第一掺杂半导体层(310)均通过PECVD沉积的实施例中，因为这两层可以使用相同的CVD机器沉积，可以将步骤204和206有效地组合成一个工艺步骤。
在沉积表面隧道电介质层(308)和第一掺杂半导体层(310)之后，在硅晶片(302)的正面(304)和背面(306)上形成SiOx/n+poly-Si叠层。在本实施例中，如下文所述，SiOx/n+poly-Si层在硅片(302)的正面(304)上形成能提取电子的钝化接触，并在硅片(302)的背面(306)上形成能提取空穴的隧道结增强钝化接触(即SiOx/p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si)。
在步骤408中，隧道电介质层(312)沉积在硅晶片(302)的纹理化正面(304)上。隧道电介质层(312)可以通过全面积沉积的方式沉积在硅晶片(302)的正面(304)上。在本实施例中，隧道电介质层(312)包括通过PECVD沉积的SiOx。在另一个实施例中，如图4B所示的方法420，隧道电介质层(312)包括通过LPCVD沉积的SiOx。
在步骤410中，层间隧道电介质层(314)沉积在第一掺杂半导体层(310)上。层间隧道电介质层(314)的沉积包括在硅晶片(302)的正面(304)上的全面积沉积。与隧道电介质层(312)类似，在本实施例中，层间隧道电介质层(314)包括通过PECVD沉积的SiOx。在另一个实施例中，如图4B所示的方法420，层间隧道电介质层(314)包括通过LPCVD沉积的SiOx。在一个实施例中，例如图4B所示，如果使用双面沉积技术(例如LPCVD)，则可以在相同的沉积步骤中沉积隧道电介质层(312)和层间隧道电介质层(314)。
分别在步骤408和步骤410中沉积隧道电介质层(312)和层间隧道电介质层(314)之后，在硅晶片(302)的正面(304)处的隧道电介质层(312)上沉积正面第二掺杂半导体层(316)，并且，在步骤412中，在硅晶片(302)的背面(306)处的层间隧道电介质层(314)上沉积背面第二掺杂半导体层(318)。在本实施例中，通过PECVD沉积正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)。在这种情况下，正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)可以使用单独的单面沉积工艺来沉积。隧道电介质层(312)与正面第二掺杂半导体层(316)一起形成能提取电子的钝化接触。背面第二掺杂半导体层(318)包括n型掺杂多晶硅层，用于与第一掺杂半导体层(310)形成隧道结，从而形成可选择性地提取空穴的隧道结增强钝化接触(332)。在另一实施例中，如下文所述，通过LPCVD沉积正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)。
在步骤414中，正面接触形成层(322)沉积在正面第二掺杂半导体层(316)上，背面接触形成层(320)沉积在背面第二掺杂半导体层(318)上。正面接触形成层(322)和背面接触形成层(320)的沉积可分别包括在硅晶片(302)的正面(304)和背面(306)上的全面积沉积。与步骤214类似，在本实施例中，接触形成层(320)、(322)包括用作绝缘钝化层的SiNx层。或者，它们可以包括用作导电接触层的TCO。SiNx层可以使用PECVD沉积，而TCO可以通过喷镀沉积。
在步骤416中，在背面接触形成层(320)上沉积背面金属触点(324)以形成背面电接触。在本实施例中，使用传统的高温透火丝网印刷浆料在背面接触形成层(320)的顶部通过丝网印刷形成背面金属触点(324)。或者，在通过在线镀敷形成背面金属触点(324)之前，可以通过局部激光烧蚀在背面接触形成层(320)中形成接触开口。在背面接触形成层(320)包括TCO的实施例中，可以使用常规低温非透火丝网印刷浆料进行丝网印刷以形成背面金属触点(324)。
在步骤418中，正面金属触点(326)沉积在正面接触形成层(322)上，以形成正面钝化接触的正面电接触，该正面钝化接触包括隧道电介质层(312)和正面第二掺杂半导体层(316)。在接触形成层(322)包括SiNx层的实施例中，因为超薄(≤10nm)多晶硅接触钝化层顶部的常规高温丝网印刷可能会损坏这些层，正面金属触点(326)通过在线镀敷形成。在接触形成层(322)包括SiNx层的实施例中，为了通过在线镀敷形成正面金属触点(326)，在形成正面金属触点(326)之前，首先在SiNx层中形成接触开口。在正面接触形成层(322)包括TCO层的另一个实施例中，可配置低温非透火丝网印刷以形成正面金属触点(326)。
参照图4B的方法420，代替对太阳能电池(300)的硅晶片(302)的正面(304)进行纹理处理的第一步骤，首先实行步骤422，在硅晶片(302)的正面(304)和背面(306)上沉积表面隧道电介质层(308)。在本实施例中，表面隧道电介质层(308)包括通过化学气相沉积法(例如LPCVD)沉积的氧化硅(SiOx)。
在步骤424中，在沉积在硅晶片(302)的正面(304)和背面(306)上表面隧道电介质层(308)上形成第一掺杂半导体层(310)。在本实施例中，第一掺杂半导体层(310)包括p型掺杂的多晶硅层，以形成可以选择性地提取空穴的接触。在这种情况下，第一掺杂半导体层310与表面隧道电介质层(308)一起形成能提取空穴的钝化接触(例如SiOx/p+poly-Si叠层)。在本实施例中，通过LPCVD沉积第一掺杂半导体层(310)。在通过LPCVD沉积表面隧道电介质层(308)和第一掺杂半导体层(310)的实施例中，因为这两层可以使用相同的CVD机器沉积(例如，通过依次引入用于沉积表面隧道电介质层(308)和第一掺杂半导体层(310)的工艺气体)，可以将步骤422和424有效地组合成一个步骤。
在步骤422和424之后，在步骤426中，在硅晶片(302)的背面(306)形成掩膜。掩膜用于在后续蚀刻过程中保护硅晶片(302)背面(306)上的SiOx/p+poly-Si叠层。掩膜可由能实现该功能的合适材料形成，例如PECVD沉积的SiNx。
在步骤426中在硅晶片(302)的背面(306)上形成掩膜后，实行步骤402，对硅晶片(302)的正面304进行纹理处理。对硅晶片(302)的正面(304)进行纹理处理时可能涉及湿法蚀刻。在这种情况下，整个硅晶片(302)可能在蚀刻期间暴露在化学蚀刻剂中，因此掩膜可以保护在先前步骤422、424中在硅晶片(302)的背面(306)上形成的SiOx/p+poly-Si叠层。在对硅晶片(302)的正面(304)进行纹理处理的步骤402中，在对硅晶片(302)的正面(304)进行纹理处理的同时，也会蚀刻掉在硅晶片(302)的正面(304)上形成的SiOx/p+poly-Si叠层。
在步骤428中，去除沉积在硅晶片(302)背面(306)上的掩膜。可以通过物理蚀刻或选择性化学蚀刻的方法去除掩膜。
在步骤428中去除掩膜后，如前所述，在步骤408、410和412中，在硅晶片(302)的正面(304)和背面(306)上形成SiOx/n+poly-Si层。但是，在本实施例中，使用LPCVD执行步骤408、410和412。
在步骤428之后，在步骤408中将隧道电介质层(312)沉积在硅晶片(302)的纹理化正面(304)上。在本实施例中，隧道电介质层(312)以全面积沉积的方式沉积在硅晶片(302)的正面(304)上。隧道电介质层312包括在此情况下通过LPCVD沉积的SiOx。
在步骤410中，层间隧道电介质层(314)沉积在硅晶片(302)背面(306)上的第一掺杂半导体层(310)上。层间隧道电介质层(314)的沉积包括在硅晶片(302)的正面(304)上的全面积沉积。与隧道电介质层(312)类似，层间隧道电介质层(314)包括通过LPCVD沉积的SiOx。在本实施例中，通过使用具备双面沉积技术的LPCVD，在相同的沉积步骤中沉积隧道电介质层(312)和层间隧道电介质层(314)。这有利于减少需要沉积的步骤数量。
在沉积隧道电介质层(312)和层间隧道电介质层(314)之后，将正面第二掺杂半导体层(316)沉积在硅晶片(302)的正面(304)处的隧道电介质层(312)上，并且在步骤412中，背面第二掺杂半导体层(318)沉积在硅晶片(302)背面(306)处的层间隧道电介质层(314)上。在本实施例中，正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)的沉积包括使用LPCVD的双面全面积沉积。在这种情况下，可以在单个沉积步骤中沉积正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)。隧道电介质层(312)与正面第二掺杂半导体层(316)一起在正面(304)上形成能提取电子的SiOx/n+poly-Si钝化接触。正面第二掺杂半导体层(316)包括n掺杂多晶硅，用于形成可选择性提取电子的接触。背面第二掺杂半导体层(318)包括n型掺杂多晶硅，用于与第一掺杂半导体层(310)形成隧道结，从而形成可选择性地提取空穴的隧道结增强钝化接触(332)(即SiOx/p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si层)。
在本实施例中，隧道电介质层(312)、层间隧道电介质层(314)、正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)均通过LPCVD沉积，因为(312)，(314)、(316)和(318)这些层可以使用相同的CVD机器通过逐个地为上述双面沉积工艺中的每一个引入工艺气体来沉积，可以将步骤408、410和412有效地组合成一个步骤。例如，可以使用双面沉积在硅晶片(302)的正面(304)上形成隧道电介质层(312)和在背面(306)上形成层间隧道电介质层(314)，然后再用双面沉积形成正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)。
在步骤412中沉积正面第二掺杂半导体层(316)和背面第二掺杂半导体层(318)之后，在步骤414中形成接触形成层(320)、(322)，之后分别在步骤416和418中形成背面金属触点(324)和正面金属触点(326)。这些步骤414、416和418与上述方法400的步骤类似，因此为了简洁起见，这里不再重复它们的描述。
图5A-5C、图6A-6C、图7A-7C、图8A-8B、图9A-9F和图10A-10B提供关于在太阳能电池100、300的实例中形成的隧道结的实验结果。
图5A、图5B和图5C展示了三个不同试样500、510、520的结构示意图，这些试样经过处理以测量由隧道电介质层(108)、(308)(例如SiOx)/第一掺杂半导体层(110)、(310)(例如p型掺杂多晶硅层)/层间隧道电介质层(114)、(314)(例如SiOx)/第二掺杂半导体层(116)、(318)(即n型掺杂多晶硅层)叠层形成的隧道结增强钝化接触的对应隧道电阻(如图5B所示)，和用以测量由硅晶片的高掺杂扩散表面和高反向掺杂多晶硅覆盖层形成的隧道结的对应隧道电阻(如图5C所示)。如果可以在掺杂多晶硅覆盖层和反向掺杂多晶硅覆盖层之间形成隧道结，或者可以在掺杂多晶硅覆盖层和反向扩散硅晶片表面之间形成隧道结，为了进行测试，如图5A、5B和5C所述的各种测试样品已经进行了处理。这些实验证实，在一些扩散优化之后，确实可以在两个反向掺杂的多晶硅覆盖层之间以及多晶硅覆盖层和反向掺杂的扩散硅晶片表面之间形成隧道结。
形成的隧道结的质量对于太阳能电池(100)、(300)的性能非常重要。为了测试形成的隧道结的质量，制作了如图5A、5B和5C所示的试样(500)、(510)、(520)。
图5A展示了对称测试结构(500)，用于测试能提取常规空穴的SiOx/p+poly-Si钝化接触的有效接触电阻。该测试结构(500)包括p型硅晶片(502)，沉积在p型硅晶片(502)两面的SiOx层(504)，沉积在每个SiOx层(504)上的p型掺杂多晶硅层(506)和沉积在p型掺杂多晶硅层(506)上的银金属层(508)。如图5A所示，这个多叠层(即SiOx/p+poly-Si/Ag)对称地沉积在p型硅晶片(502)的两面。
图5B展示了测试结构(510)，在p型硅晶片(502)的正面沉积能提取常规空穴的SiOx/p+poly-Si钝化接触，包括SiOx层(504)和p型掺杂多晶硅层(506)，和在p型硅晶片(502)的背面沉积能提取空穴的隧道结增强SiOx/p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si钝化接触，包括SiOx层(504)，p型掺杂多晶硅层(506)，SiOx层间隧道电介质层(512)和n型掺杂多晶硅层(514)。通过测量该结构(510)的总串联电阻，减去硅晶片(502)的串联电阻以及测试结构(500)被测量出的能提取常规空穴的SiOx/p+poly-Si钝化接触的有效接触电阻，可以测定p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si隧道结的隧穿电阻。
图5C展示了一种测试结构(520)，该测试结构包括一个具有正面n扩散区域(524)和背面n扩散区域(526)的n型硅晶片(522)，其中一个p型掺杂多晶硅层(506)沉积在正面n扩散区域(524)上，银金属层(508)沉积在硅晶片(522)的两面。一个银金属层(508)沉积在n型硅晶片(522)正面的p型掺杂多晶硅层(506)上，而另一个银金属层(508)沉积在n型硅晶片(522)背面n扩散区域(526)上。
图6A至6C分别展示了图6A、6B和6C中结构(500)、(510)、(520)测量的暗态电流-电压(I-V)曲线。如图6A和6B所示的I-V曲线600、601用于测量p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si隧道结的相应隧道电阻(即从结构(500)、(510)的总串联电阻中提取出的)。
图6A和6B展示了与两个相反掺杂的多晶硅覆盖层之间形成的隧道结质量相关的结果。如图6A和6B所示，每个测量的暗态I-V曲线600、601包括每个结构(500)和(510)的直线。这表明结构(500)、(510)在0V附近具有欧姆特性。测量的暗态I-V曲线600、601还可以计算结构(500)和(510)的总串联电阻，从而获得结构(510)中隧道结的相应隧道电阻。获得的相应隧道电阻约在0.5Ωcm2的范围内。该范围已经非常适合全区域设备集成，但可能还可以进一步优化。此外，由于沉积在p掺杂硅晶片(502)顶部的SiOx/p+poly-Si层确实形成欧姆接触，当在结构(510)中添加沉积在p型硅晶片(502)的背面上的SiOx层(512)和n型掺杂多晶硅层(514)时，仅当形成的p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si结构确实是隧道结时，才观察到欧姆行为。
鉴于测量的暗态I-V曲线600、601在图6A和6B中均显示直线，所以实验证明形成了隧道结p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si。此外，如图6B所示，即使在p型掺杂多晶硅层和n型掺杂多晶硅层之间夹有额外的超薄SiOx隧道层，隧道结p+poly-Si/SiOx/n+poly-Si的隧道特性保持不变(虽然隧道电阻R增加)。因此，不必使用没有界面SiOx夹层的p+poly-Si/n+poly-Si隧道结来形成太阳能电池(100)的正面隧道结(128)。由于可以使用双面沉积工艺，这显著减少了形成钝化接触所需的工艺步骤。但是，这是以夹在中间的SiOx隧道层而略微增加隧道电阻为代价的。
图6C显示了多晶硅覆盖层和相反掺杂的扩散硅晶片表面之间形成的隧道结的质量的结果。参考结构(520)，注意到在银金属层(508)和p型掺杂多晶硅层(506)之间总是形成欧姆接触。此外，还注意到，在银金属层(508)和背面n扩散区域(526)之间始终形成欧姆接触。因此，测量到的该结构(520)的暗态I-V曲线的欧姆特性将提供有关在p型掺杂多晶硅层(506)和正面n扩散区域(524)之间形成的隧道结的质量信息。在本实施例中，选择了磷扩散平面(在硅晶片内区域附近提供高度n掺杂的表面)。选择磷扩散是因为与硼扩散相比，磷扩散会造成更高的表面掺杂剂浓度，这有助于形成隧道结。曲线602展示了初始实验，其中高掺杂n扩散区域的扩散分布尚未优化。在这种情况下，未观察到直线，因此未形成隧道结。曲线604展示了扩散面被优化后的结果。曲线604包括一条直线，从而证明在p型掺杂多晶硅层(506)和正面n扩散区域(524)之间形成的隧道结的欧姆特性。尽管图6C中未展示，但也证明可以形成具有欧姆特性的n+扩散/SiOx/p+-poly-Si隧道结。然而，目前沉积一个p扩散硅表面仍然是一个挑战。为了得到较高的表面p型掺杂剂浓度，形成如p+扩散/SiOx/n+-poly-Si隧道结，可能需要进一步的扩散优化或采取离子注入取代扩散的方法。
综上所述，图6A、图6B和图6C的结果展示了结构(500)、(510)和(520)在0V附近的暗态I-V曲线中的欧姆特性，从而证明了在结构(500)、(510)和(520)中确实成功地形成了隧道结。由此产生的隧道电阻在0.04-2Ωcm2的范围内进行优化。尽管如此，目前的隧道电阻范围已经非常适合于全区域设备集成。
图7A、图7B和图7C是用于研究结构700、710、720中SiOx/p+-poly-Si/SiOx/n+-poly-Si隧道结的少数载流子寿命的示意图。其中，图7A所示的结构700，包括沉积在n型掺杂硅片两面的SiOx/p+-poly-Si钝化接触结构和SiNx钝化层，图7B所示的结构710，包括沉积在p型掺杂硅片两面的SiOx/p+-poly-Si钝化接触，图7C所示的结构720，包括沉积在p型掺杂硅片背面的SiOx/p+-poly-Si/SiOx/n+-poly-Si隧道结增强钝化接触721(即与隧道结相连的钝化接触)，适用于暗态电流-电压(I-V)隧道电阻测量。
图7A所示的结构700，包括n型硅片702，沉积在该硅片上的SiOx层704，沉积在SiOx层704上的p型掺杂多晶硅层706和沉积在p型掺杂多晶硅层706上的SiNx钝化层708。如图7A所示，这样的堆叠多层结构对称地沉积在n型硅片702的两面。结构700使用了扩散优化的p型掺杂多晶硅层706，用于形成如图5C的结构520所示朝向n+扩散区域526的隧道结。图7B所示的结构710与结构700相似，不同之处在于它不包括SiNx层708，并且SiOx和p型掺杂多晶硅层(即SiOx/p+-poly-Si钝化接触711)形成在p型硅片712上。图7C所示的结构720与结构710类似，不同之处在于它还包括沉积在p型掺杂多晶硅层706上的第二SiOx层722，沉积在p型硅片712背面的第二SiOx层722上的n型掺杂多晶硅层724。如图7C所示，SiOx层704，p型掺杂多晶硅层706，第二SiOx层722和n型掺杂多晶硅层724在p型硅片的背面上一起形成了SiOx/p+-poly-Si/SiOx/n+-poly-Si隧道结增强钝化接触721。
图8A和8B证明了与图7A、7B和7C中结构700、710和720的强度相关的少数载流子寿命(作为样品中过量少数载流子密度的函数)的实验结果。其中，图8A展示了图7A中结构700的实验结果，图8B展示了图7B和7C中结构710、720的实验结果。
如图8A和8B的结果所示，通过采用SiOx/poly-Si钝化接触结构，可以获得高的少数载流子寿命。例如，对于沉积在n型或p型硅片上的SiOx/poly-Si钝化接触，可以获得的开路电压超过700mV(iV℃≥700mV)。如图8B所示，在有p+-poly-Si/SiOx/n+-poly-Si隧道结的情况下，这种高的少数载流子寿命持续存在(甚至提高！)(参见结构720)。注意，用于测量隧道电阻的结构720是图5B所示结构510的前驱体(在金属触点前)。
图7A、图7B和图7C中不同结构700、710、720的少数载流子寿命总结如下表1所示。
表1：图10A、图10B所示结构的少数载流子寿命测试结果。
图9A到图9F是用于研究在硅片的平滑面或纹理面上制得的厚和超薄SiOx/poly-Si钝化接触结构钝化质量的结构示意图。
图9A为测试结构900，该结构由n型硅片902，沉积在硅片正面的SiOx层904和250nm厚的n型掺杂多晶硅层908，以及沉积在硅片背面的SiOx层906和250nm厚的n型掺杂多晶硅层910组成。SiOx/n+-poly-Si叠层909、911在硅片902的两面的沉积采用的是双面沉积工艺(如LPCVD)。(这里发现一个问题，原文中)
图9B为测试结构912，该结构除了在n型硅片902的正面和背面分别沉积了现厚度为10nm的n型掺杂多晶硅层914和916外，其他与上述测试结构900相同，测试结构912中超薄的(厚度为10nm)n型掺杂多晶硅层914、916是采用特制的磷扩散法和LPCVD沉积制得。
图9C为测试结构918，该结构中包括具有正面和背面都纹理化的n型硅片920。还包括沉积在n型硅片918纹理化正面上的SiOx层922和250nm厚的n型掺杂多晶硅层926，以及沉积在n型硅晶片920纹理化背面的SiOx层924和250nm厚的n型掺杂多晶硅层928。与测试结构900类似,SiOx/n+-poly-Si叠层使用双面沉积工艺(如LPCVD)沉积在n型硅片902的正面和背面。试验结构918与900的区别在于，试验结构918的正面和背面是纹理化的，而试验结构900的正面和背面则是平滑面。
图9D为测试结构930，与上述测试结构918相似，除了在n型硅片920纹理化的正面和背面分别沉积现厚度为10nm的n型掺杂多晶硅层932和934。该结构中超薄的(厚度为10nm)n型掺杂多晶硅层932和934是利用特制的磷扩散法和LPCVD沉积制得。
图9E为测试结构940，与上述的测试结构900相似，除了在n型硅片902平滑正面和背面分别沉积了p型掺杂多晶硅层942和944代替了n型掺杂多晶硅层908和910。采用双面沉积工艺(如LPCVD)将SiOx/p+-poly-Si叠层沉积在n型硅片902的正面和背面。
图9F为测试结构946，与上述的测试结构940相似，除了在n型硅片902的正面和背面分别沉积了现在各为4nm厚的p型掺杂多晶硅层948和950。该结构中超薄的(厚度为4nm)p型掺杂多晶硅层948和950是采用背面蚀刻技术，降低了LPCVD法沉积的p型掺杂多晶硅层厚度标准(例如250nm厚)而形成的。
表2：图9A到9F所示的结构的少数载流子寿命测试结果，用以衡量在平滑的或纹理化表面处理得到的厚的和超薄的SiOx/poly-Si隧道结钝化接触结构的钝化质量
表2是对图9A到图9F中900、912、918、930、940和946结构的少数载流子寿命测量的总结。另外，表2中还有其他类似结构的测试结果，这些结构在硅片的每一面都沉积了额外的SiNx钝化层。例如，“结构900+SiNx”表示在结构900的每一面都沉积了额外的SiNx钝化层组成的结构。
从表2的结果可以看出，具有超薄的(厚度小于10nm)SiOx/poly-Si钝化接触结构的少数载流子寿命测量值与那些250nm厚的掺杂多晶硅层相似。这证明了这些超薄的SiOx/poly-Si钝化接触结构可保持与标准的250nm厚掺杂的多晶硅相同的优良钝化质量。与标准的250nm厚掺杂层相比，这些钝化接触结构布置在太阳能电池的正面是有利的，可以显著减少正面寄生吸收，同时保持相同的钝化质量。
表2还证明了在硅片纹理化表面上制备用于电子提取的高效超薄的(厚度约10nm)SiOx/n+-poly-Si钝化接触结构是可能的，测试结构918和930相关的结果可证明这一点，这意味着该钝化接触结构可应用于硅片纹理化表面。与标准的250nm厚的掺杂多晶硅相比，这些超薄的n型掺杂多晶硅层可以应用在太阳能电池的正面，因其大幅减少了厚度，将有利于减少正面寄生吸收。但是，目前在纹理化表面上应用空穴提取SiOx/p+-poly-Si钝化接触结构仍是一个挑战。空穴提取的SiOx/p+-poly-Si钝化接触结构的质量在纹理化表面上相对较低，即它们在平滑表面上能更好地工作。
如表2所示，测试结构940的少数载流子寿命与测试结构946的相似，这表明可以在硅片平滑面上制备高效超薄的(约4nm厚)空穴提取SiOx/p+-poly-Si钝化接触，同时保持标准250nm厚的p型掺杂多晶硅层的钝化质量。该超薄的p型掺杂多晶硅层由背面蚀刻技术制得。然而，目前的背面蚀刻技术不适合形成超薄的n型掺杂多晶硅层，因为当n型掺杂多晶硅层的蚀刻背面厚度小于75nm时其钝化质量将下降。因此，与标准250nm厚的掺杂层相比，超薄的p型掺杂多晶硅层部署在太阳能电池中硅晶片的平滑正面上，可显著降低正面寄生吸收，同时保持相同的钝化质量。这特别适用于为串联电池器件集成而设计的硅底电池。
除了如图9A到9F所示的LPCVD沉积的结构，和表2中对其少数载流子寿命测量之外，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)也被用于形成钝化接触结构。与LPCVD双面沉积相比，PECVD是单面沉积方法。因为不需要掩膜/蚀刻/去除掩膜的过程，使用PECVD可简化制备和器件集成过程。此外，可以使用PECVD处理超薄的(厚度小于10nm)poly-Si/SiOx钝化接触结构，该层可保持“中等厚度”(50nm)标准层优异的钝化质量。这就不需使用在LPCVD沉积情况下所需的背面蚀刻技术，或者重新优化扩散配方。总的来说，若将钝化接触设置在太阳能电池正面上，钝化接触层越薄，其寄生吸收越小，因此，太阳能电池的短路电流密度也就越高。
表3：采用PECVD或者LPCVD在平滑面或者纹理面沉积超薄钝化叠层(SiOx/n+-poly-Si和SiOx/p+-poly-Si)的少数载流子寿命测试结果
表3提供了采用IC-PECVD或LPCVD在晶片的平滑面或纹理面沉积超薄钝化叠层(SiOx/n+-poly-Si和SiOx/p+-poly-Si)的少数载流子寿命测量的总结。表中厚度的一列展示了相应的“n”(即SiOx/n+-poly-Si)或“p”(即SiOx/p+-poly-Si)钝化叠层的测量厚度。由表3可知，利用IC-PECVD(电感耦合PECVD)可以在硅片的平滑面和纹理化面上形成高效超薄的，用于电子抽取的n+-poly-Si/SiOx钝化接触，还可以在硅片平滑面形成超薄高效的p+-poly-Si/SiOx钝化接触层。采用IC-PECVD技术，先沉积超薄的掺杂非晶硅层，然后将其烧结成掺杂多晶硅，可以得到超薄掺杂多晶硅层。用IC-PECVD制备的SiOx/poly-Si钝化接触的钝化性能(根据有效寿命Teff、复合电流密度Jo、隐开路电压iVOC计算)与类似的使用LPCVD通过扩散再优化形成的钝化接触具有可比性(甚至更好)。
图10A和10B展示了分别用IC-PECVD和LPCVD得到的多晶硅层的折射率k，其中图10A展示了用IC-PECVD与用LPCVD得到的n型掺杂多晶硅层的折射率k。图10B为IC-PECVD处理的n型掺杂和p型掺杂多晶硅层的折射率k。这里所有数据都是用椭圆偏光法测得。
值得注意的是，曲线1002与IC-PECVD n型掺杂多晶硅层的k值有关，曲线1004与LPCVD n型掺杂多晶硅层的k值有关。
如图10A所示，采用PECVD n型掺杂多晶硅层相比采用LPCVD得到的具有更低的k值(导致更少的寄生吸收)，特别是在350至600纳米的波长范围内。换句话说，与采用LPCVD得到的多晶硅层相比，在太阳能电池正面放置相同厚度的采用PECVD沉积的多晶硅层将具有较小的寄生吸收。因此，与正面放置采用LPCVD沉积的SiOx/poly-Si隧道钝化接触层的太阳能电池相比，正面放置PECVD SiOx/poly-Si隧道钝化接触层的太阳能电池的短路电流密度(Jsc)预计会更高。如图10B所示，一般来说，采用类似或者相同的沉积技术，观察到n型掺杂层(如曲线1010)的k值会低于p型掺杂层(如曲线1012)的k值。因此，当采用相同的沉积技术，与正面-发射电池(若使用n型硅片则为正面p型掺杂层)相比，背面-发射电池(若使用n型晶片则为正面n型掺杂)将具有更少的寄生吸收。采用PECVD沉积的超薄多晶硅层形成p+/n+或n+/p+隧道结预期是可形成的，但尚未通过实验实现。从k值来看，我们认为，当放置在太阳能电池的正面时，PECVD沉积的超薄SiOx/p-poly-Si/n-poly-Si或SiOx/n-poly-Si/p-poly-Si隧道结增强钝化接触结构，将表现出比LPCVD沉积制得的隧道结更少的寄生吸收。尽管如此，LPCVD用于沉积上述太阳能电池100的多晶硅层，将其超薄的隧道结128放置在太阳能电池100正面，对于将顶部太阳能电池集成到串联太阳能电池结构中仍然是有价值的。
图11A至11C和图12A至12F分别展示了太阳能电池100和300的不同实施例。如上所述，通常有两种实施例。第一种实施例为太阳能电池100，用作薄膜在硅片上串联集成的硅底电池，通常采用具有平滑正面和纹理背面的n型掺杂硅片。第二种实施例为太阳能电池300，用作高效、单结以及双面钝化接触的硅基太阳能电池，通常采用具有纹理正面和平滑背面的n型掺杂硅片。在上述两种实施例中，载流子选择性钝化接触(SiOx/n+-poly-Si或者SiOx/p+-poly-Si)通常沉积在太阳能电池100、300的两面(比如采用LPCVD等双面沉积方法)与硅片的某一面形成上述的钝化接触，与硅片另一面通过将载流子选择性钝化接触与扩散的、高掺杂的p+/n+或n+/p+隧道结相结合形成隧道结增强钝化接触结构。从表2的实验数据可以看出，当使用p型掺杂多晶硅层形成太阳电池的发射极时，它应该沉积在硅片平滑的表面上。例如，在太阳能电池100中，将第一层掺杂半导体层(即p型掺杂多晶硅层)布置在太阳能电池的平滑的正面。
图11A至11C展示了集成化串联太阳能电池实施例的结构示意图，其中图11A展示了由背面p型掺杂扩散发射极区的太阳能电池1100，图11B展示了由正面p型掺杂扩散发射极区组成的太阳能电池1110；图11C展示了由正面n型掺杂扩散区域组成的太阳能电池1120。
如图11A所示，太阳能电池1100由背面p型掺杂扩散发射极区组成。与图1所示的太阳能电池100相比，太阳能电池1100有第一掺杂半导体层，该半导体层由位于硅片102背面的p型掺杂扩散区1102形成。若在硅晶片102中形成了p型掺杂扩散区1102，则在p型掺杂扩散区与硅晶片102背面之间不会形成表面隧道电介质层108。每个钝化接触1104、1106都包含SiOx/n+-poly-Si叠层，沉积在硅片102的两面。如图11A所示，正面钝化接触1104包括沉积在硅晶片102正面的表面隧道电介质层112(例如SiOx)和正面第二掺杂半导体层116(例如n型掺杂多晶硅层)，而背面钝化接触1106则包括沉积在p型掺杂扩散区1102和背面第二掺杂半导体层118(例如n型掺杂多晶硅层)上的层间隧道电介质层114(例如SiOx)。
与太阳能电池100类似，太阳能电池1100包括沉积在其背面的第二掺杂半导体层118上接触形成层120。还包括沉积在接触形成层120上的背面金属触点122。在一个接触形成层120包括SiNx层的实施例中，背面金属触点122的形成，是先利用局部激光烧蚀在接触形成层120中形成接触开口，然后通过常规的非透火丝网印刷、溅射或蒸发在背面金属触点106上沉积一个全覆盖的背面金属触点122。在这个实施例中，类似于太阳能电池100，沉积在背面的SiOx/n+-poly-Si不会选择性地提取多余的载流子(即电子，就像在正面)，而是形成隧道结，从而有效地提取在背面收集的空穴，将空穴电流转化为电子流。采用常规扩散法提取一种类型的过量载流子(电子或空穴)，只能沉积一种选择性接触(要么提取空穴，如SiOx/p+-poly-Si，要么提取电子，如SiOx/n+-poly-Si)。这大大减少了制造太阳能电池的制作步骤。
图11B展示了包含一个正面p型掺杂扩散区域1112的太阳能电池1110。它类似于前面所述的太阳能电池1100，除了有在硅片102的正面的p型掺杂扩散区1112形成的第一掺杂半导体层。由于p型扩散区域1112在硅片112的正面，隧道结由p型扩散区域1112构成，层间隧道电介质层1116年和正面第二掺杂半导体层116(如n型掺杂多晶硅层)在硅片112的正面形成,而包含隧道电介质层1114和背面第二掺杂半导体层118的钝化接触则在硅片112的背面形成。在本实施例中，薄膜太阳能电池可以直接沉积在n型掺杂多晶硅层116正面的顶部，因为需要两端串联的隧道结已经集成在太阳能电池1110中，该太阳能电池可以形成串联器件的底部电池。正面p型掺杂扩散区可以在硅片内部形成一个中等深度(约150nm)的p型掺杂表面层。
图11C所示为正面包含n型掺杂扩散区1122的太阳能电池1120。它与图11B中的太阳能电池1110相似，只是(i)扩散层(即第一掺杂半导体层)的极性为n型而不是p型，(ii)正面的第二掺杂半导体层1124和背面第二掺杂半导体层1126是由p型掺杂多晶硅层而不是由n型掺杂多晶硅层组成，并且(3)采用的是经背面单侧原子层沉积(ALD)沉积的AlOx 1114而不是用双面沉积形成的SiOx用于布置隧道电介质层。因此，在本实施例中，不存在夹在n型掺杂扩散区1122与正面的第二掺杂半导体层1124之间的隧道电介质层。在本实施例中，在太阳能电池1120的正面形成的隧道结包括第一掺杂半导体层1122(即n型掺杂扩散区)和第二掺杂半导体层1124，但不包括层间隧道电介质层。在实施例(未展示)中，n型掺杂扩散区在太阳能电池的背面形成。在这种情况下，由背面n型掺杂扩散区和背面第二掺杂半导体(如p型掺杂多晶硅层)组成的隧道结会在太阳能电池的背面形成，而AlOx/p+-poly-Si钝化接触结构则在太阳能电池的正面形成。
图12A到12F用更多的实施例展示了太阳能电池1200、1210、1220、1230、1240、1250的结构示意图，其中图12A展示了由背面p型掺杂扩散发射极区组成的太阳能电池1200，图12B展示了由在纹理化背面上的p型掺杂扩散发射极区组成的太阳能电池1210。图12C展示了太阳能电池1220，与图3中的太阳能电池300相比，它具有不同的背面金属触点方案。图12D展示了太阳能电池1230，与图3中的太阳能电池300相比，它包含一个完整的背面金属层以形成背面金属触点。图12E展示了太阳能电池1240，它在正面和背面上都有透明导电氧化物(TCO)。图12F展示了在正面有TCO的太阳能电池1250。
如图12A所示，太阳能电池1200包含了背面p型掺杂扩散发射极区域1202。与图3中的太阳能电池300相比，太阳能电池1200包括在硅片302背面的p型掺杂区域1202，而不是像在太阳能电池300的p型掺杂多晶硅层310。由于在太阳能电池1200中，在硅片302的背面形成了p型掺杂扩散区1202，因此该扩散区与硅片302的背面之间没有形成表面隧道电介质层。在某些实施例中(未展示)，如上述方法400、420所述，在太阳能电池1200中，接触形成层320、322包含TCO层。在这种情况下，金属触点324、326可以通过低温非透火丝网印刷形成。
如图12B所示，太阳能电池1210包含了在纹理化背面的p型掺杂扩散发射极区域1202。与图12A中的太阳能电池1200相比，太阳能电池1210包括n型硅片302，其背面为纹理面而不是平滑面。在某些实施例中(未展示)，类似于太阳能电池1200，太阳能电池1210的接触形成层320、322由TCO层组成。在这种情况下，如前所述，金属触点324、326可以通过低温非透火丝网印刷形成。
如图12C所示，太阳能电池1220中包含了形成背面金属触点1222的替代方案。如图12C所示，太阳能电池1220与太阳能电池300的不同之处在于，其背面的金属触点方案发生了改变。在本实施例中，所述背面金属触点1222包括通过接触形成层320与背面第二掺杂半导体层318接触的金属指1224，以及沉积在硅片302背面的全面积金属。在本实施例中，接触形成层320包括SiNx层，在沉积背面金属触点层1222之前，可以使用局部激光烧蚀来形成接触开口(即形成金属指1224的区域)。背面的全区域金属触点1222可以通过热蒸发、溅射或丝网印刷沉积。在某些实施例中(未展示)，所述太阳能电池1220的正面接触形成层322由TCO层组成。在这种情况下，如前所述，金属触点326可以通过低温非透火丝网印刷形成。
如图12D所示，太阳能电池1230中包含了形成背面金属触点1232的替代方案。如图12D所示，太阳能电池1230与太阳能电池300和1220的不同之处在于其背面的金属触点方案发生了改变。在本实施例中，背面金属触点1232由沉积在背面第二掺杂半导体层318上的全面积金属层形成。在本实施例中，在背面第二掺杂半导体层318上不再沉积背面接触形成层320，从而使整个背面金属触点1232与背面第二掺杂半导体层318完全接触。背面金属触点1232可以通过传统的非透火丝网印刷或溅射或蒸发沉积。在某些实施例中(未展示)，太阳能电池1230的正面接触形成层322由TCO层组成。在这种情况下，如前所述，金属触点326可以通过低温非透火丝网印刷形成。
如图12E所示，太阳能电池1240中包含了接触形成层1242、1244和金属触点层1246、1248的替代方案。太阳能电池1240与太阳能电池300的不同之处在于，接触形成层1242、1244和金属触点层1246、1248已经改变。在本实施例中，正面接触形成层1242和背面接触形成层1244均包括TCO层。在这种情况下，每一个正面金属触点1246和背面金属触点1248都是通过低温非透火丝网印刷成型。
如图12F所示，太阳能电池1250中包含了一种用于替代接触形成层和金属触点的方案。太阳能电池1250与太阳能电池1240相似，除了背面接触形成层1252和背面金属触点层1254发生了改变。太阳能电池1250提出了一种混合接触方案，其中背面接触形成层1252包括SiNx层，背面金属触点层1254是通过使用穿透式浆料的高温丝网印刷形成的，正面接触形成层1242包括TCO层，背面金属触点层1246通过低温非透火丝网印刷形成。在另一个实施例中(未展示)，太阳能电池1250的正面和背面的接触方案可以交换。这种情况下，背面的接触形成层1252由TCO层组成，背面的金属触点1254通过低温非透火丝网印刷形成，而正面接触形成层1242包括SiNx层，正面金属触点层1246通过使用透火浆料或在线镀敷高温丝网印刷形成。
如上所述，本实施例的太阳能电池100可作为用于双端集成化串联型太阳能电池的底部电池。
图13展示了串联太阳能电池1300的示意图，它包含了顶部薄膜太阳能电池1302和基于硅片太阳能底部电池1304，该底部太阳能电池具有与图1的太阳能电池100类似的结构。因为采用了与太阳能电池100相似的结构，对于底部的太阳能电池1304，类似太阳能电池100组件的描述不在此重复。在本实施例中，n型硅片102平滑的正面通过在底部太阳能电池1304中提供隧道结，有效地简化了顶部太阳能电池1302(例如，顶部薄膜太阳能电池1306)的形成。串联太阳能电池的例子是钙钛矿-硅串联电池或砷化镓-硅串联电池。
为了形成串联太阳能电池1300，当制好硅底太阳能电池1304后，多个耦合层1308会在其正面沉积。值得注意的是，与传统的串联式太阳能电池结构相比，目前可能只需沉积较少的耦合层1308，因为硅底太阳能电池1304已经形成了隧道结。用于集成器件的顶部薄膜太阳能电池1306(例如，薄膜钙钛矿太阳能电池，由空穴传输层，钙钛矿吸收层和电子传输层)随后沉积在耦合层1308的顶部，该过程不会破坏底层耦合层1308和硅底太阳能电池1304。顶部透明电极1310(例如透明导电氧化物(TCO))随后沉积在顶部太阳能电池1306的薄膜上。顶部透明电极1310具有低薄片电阻和高透明度。金属网格线1312随后沉积在顶部透明电极1310上，以减少通过顶部透明电极1310的串联电阻。此外，虽然SiOx具有中等正电荷密度，在前述的实施例中用作隧道层，但在本实施例中发生了改变。表面隧道电介质层108，隧道电介质层112和/或层间隧道电介质层114可以由原子层沉积的AlOx或TiOx(表现出高的负界面电荷，即适合于选择性空穴提取)或PECVD或原子层沉积的SiNx(表现出高的正界面电荷，即适合于选择性电子萃取)形成。
本发明的其他实施例包括：(1)使用双面平滑晶片，(2)使用额外的多层正面增透层和背面内部反射层，以增强硅片平滑面内的陷光，(3)使用双面纹理化晶片，如图12B所示。(4)采用不同的背面金属触点方案，如图12C和图12D所示；(5)对掺杂层使用相反的极性，如图11C所示；(6)使用单面原子层沉积的ALD-AlOX隧道层(代替SiOx隧道层用于空穴提取)，例如图11C所示；(7)使用正面而不是背面的扩散和离子注入发射极,例如图11B所示；(8)使用p型掺杂的硅片代替n型掺杂的硅片；(9)使用多晶硅片代替单晶硅晶片。
如方法200、220、400和420所示，采用单面沉积PECVD层以形成钝化接触(即SiOx/n+-poly-Si和SiOx/p+-poly-Si)是可行的。隧道结增强钝化接触(即隧道结/钝化接触叠层)的形成可以进一步优化以降低其隧道电阻。例如，在接触钝化层内可以通过优化层内的掺杂剖面或者去除夹在两个掺杂半导体层之间的SiOx隧道电介质层达到目的。此外，还可以在两个多晶硅层之间沉积超薄透明导电层(TCO)，以进一步改善隧道结的性能。
虽然本发明的某些实施例已被详细描述，但根据所附的权利要求，本发明还具有很多可变换的实施例。例如，可以将所述的与实施例有关的特征合并到一个或多个其他实施例中，反之亦然。例如，采用PECVD或LPCVD来形成不同的层(如表面隧道电介质层108、第一掺杂半导体层110、隧道电介质层112、层间隧道电介质层114、正面第二掺杂半导体层116和背面第二掺杂半导体层118)可进行混合匹配。
Claims (32)
1.一种太阳能电池，其包括具有被布置成接收入射光的正面和背面的硅晶片以及形成在所述硅晶片的正面或背面上的第一掺杂半导体层，所述太阳能电池包括：
电介质隧道层，其沉积在所述硅晶片的与所述形成有所述第一掺杂半导体层的面相对的一面上；
正面第二掺杂半导体层，其沉积在所述硅晶片的正面上；和
背面第二掺杂半导体层，其沉积在所述硅晶片的背面上，所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层各自具有与所述第一掺杂半导体层相反极性的掺杂，
其中所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层配合以形成隧道结，并且所述电介质隧道层与所述背面第二掺杂半导体层或所述正面第二掺杂半导体层配合以形成钝化接触。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层是在单个沉积工序中使用低压化学气相沉积法(LPCVD)而沉积的。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其还包括沉积在所述第一掺杂半导体层上的层间电介质隧道层，其中所述层间电介质隧道层夹在所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层之间以形成所述隧道结。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中所述层间电介质隧道层和所述电介质隧道层是在单个沉积工序中使用LPCVD而沉积的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池，其中所述第一掺杂半导体层是使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或低压化学气相沉积法(LPCVD)而沉积的。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其还包括沉积在所述硅晶片的表面上的表面电介质隧道层，所述表面电介质隧道层夹在所述硅晶片的表面与所述第一掺杂半导体层之间，其中所述表面电介质隧道层和所述第一掺杂半导体层形成另一钝化接触。
7.根据权利要求5或6所述的太阳能电池，其中所述第一掺杂半导体层包括p型掺杂多晶硅层，并且所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层各自包括n型掺杂多晶硅层。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能电池，其中所述第一掺杂半导体层是通过在所述硅晶片中扩散或注入离子而形成的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能电池，其还包括沉积在所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层中的至少一个上的接触形成层。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的太阳能电池，其还包括形成在所述硅晶片的背面上的背面金属触点，所述背面金属触点与所述背面第二掺杂半导体层电接触。
11.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中所述背面金属触点是使用丝网印刷或在线镀敷或蒸发而形成的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的太阳能电池，其还包括形成在所述硅晶片的正面上的正面金属触点，所述正面金属触点与所述正面第二掺杂半导体层电接触。
13.根据权利要求12所述的太阳能电池，其中所述正面金属触点是使用丝网印刷或在线镀敷或蒸发而形成的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的太阳能电池，其中所述硅晶片的正面被纹理化。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的太阳能电池，其中所述硅晶片的背面被纹理化。
16.一种太阳能电池的制造方法，所述太阳能电池包括具有被布置成接收入射光的正面和背面的硅晶片以及形成在所述硅晶片的正面或背面上的第一掺杂半导体层，所述方法包括：
(i)在所述硅晶片的与所述形成有所述第一掺杂半导体层的面相对的一面上沉积电介质隧道层；和
(ii)在所述硅晶片的正面上沉积正面第二掺杂半导体层并且在所述硅晶片的背面上沉积背面第二掺杂半导体层，所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层各自具有与所述第一掺杂半导体层相反极性的掺杂，
其中所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层配合以形成隧道结，并且所述电介质隧道层与所述背面第二掺杂半导体层或所述正面第二掺杂半导体层配合以形成钝化接触。
17.根据权利要求16所述的方法，其中沉积所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层包括在单个沉积工序中使用低压化学气相沉积法(LPCVD)沉积所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其还包括在所述第一掺杂半导体层上沉积层间电介质隧道层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在单个沉积工序中使用LPCVD来沉积所述层间电介质隧道层和所述电介质隧道层。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或低压化学气相沉积法(LPCVD)形成所述第一掺杂半导体层。
21.根据权利要求20所述的方法，其还包括在形成所述第一掺杂半导体层之前在所述硅晶片的表面上沉积表面电介质隧道层，所述表面电介质隧道层夹在所述硅晶片的表面与所述第一掺杂半导体层之间，其中所述表面电介质隧道层和所述第一掺杂半导体层形成另一钝化接触。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述第一掺杂半导体层包括p型掺杂多晶硅层并且(ii)沉积所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层包括在所述硅晶片的正面和背面中的每一个上沉积n型掺杂多晶硅层。
23.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中通过在所述硅晶片中扩散或注入离子来形成所述第一掺杂半导体层。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，其还包括在所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层中的至少一个上沉积接触形成层。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的方法，其还包括在所述硅晶片的背面上形成背面金属触点，所述背面金属触点与所述背面第二掺杂半导体层电接触。
26.根据权利要求25所述的方法，其中形成所述背面金属触点包括使用丝网印刷或在线镀敷或蒸发形成所述背面金属触点。
27.根据权利要求16至26中任一项所述的方法，其还包括在所述硅晶片的正面上形成正面金属触点，所述正面金属触点与所述正面第二掺杂半导体层电接触。
28.根据权利要求27所述的方法，其中形成所述正面金属触点包括使用丝网印刷或在线镀敷或蒸发形成所述正面金属触点。
29.根据权利要求16至28中任一项所述的方法，其中将所述硅晶片的正面纹理化。
30.根据权利要求16至29中任一项所述的方法，其中将所述硅晶片的背面纹理化。
31.一种串联太阳能电池，其包括：
顶部太阳能电池；和
底部太阳能电池，其中所述底部太阳能电池包括具有被布置成接收入射光的正面和背面的硅晶片以及形成在所述硅晶片的正面或背面上的第一掺杂半导体层，所述底部太阳能电池包括：
电介质隧道层，其沉积在所述硅晶片的与所述形成有所述第一掺杂半导体层的面相对的一面上；
正面第二掺杂半导体层，其沉积在所述硅晶片的正面上；和
背面第二掺杂半导体层，其沉积在所述硅晶片的背面上，所述正面第二掺杂半导体层和所述背面第二掺杂半导体层各自具有与所述第一掺杂半导体层相反极性的掺杂，
其中所述第一掺杂半导体层与所述正面第二掺杂半导体层或所述背面第二掺杂半导体层配合以形成隧道结，并且所述电介质隧道层与所述背面第二掺杂半导体层或所述正面第二掺杂半导体层配合以形成钝化接触。
32.根据权利要求31所述的串联太阳能电池，其中所述顶部太阳能电池和所述底部太阳能电池被集成以形成串联太阳能电池结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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