CN116325181A - 对硅层中的抗蚀刻性进行局部改性的方法，以及该方法在制造钝化触点太阳能电池和由此产生的太阳能电池中的使用 - Google Patents
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Abstract
提供了一种对硅层进行局部结构化的方法，该方法包括对硅层内的抗蚀刻性进行局部改性的步骤和随后通过蚀刻去除硅层的未改性区的步骤，以及该方法在太阳能电池生产中的应用。
Description
硅太阳能电池是众所周知的从太阳光中低成本生产电能的器件。常见的太阳能电池具有N型或P型掺杂区，其各自的金属触点分别位于正面和背面。
“交错背接触”太阳能电池，被称为IBC太阳能电池，其优点是太阳能电池的正面不受金属触点的遮挡。所需的n型和p型掺杂区及其各自的金属触点需要分离并且利用由太阳光照射产生的空穴和电子对，以相互交错的方式放置在太阳能电池的背面，使正面完全没有金属触点。这使得能够实现特别高的光到电的转换率(效率)。
在太阳能电池中产生n型和p型区的一种常见方式是来自气相、液相或固体源进行均匀扩散过程，从而在半导体内部形成高掺杂区。可替代地，事实证明，在上面沉积一层带有掺杂多晶硅层的薄绝缘层，而不是将掺杂物扩散到半导体内，从而获得所谓的“钝化触点”或“载流子选择性钝化触点”是有利的。
根据所谓的TOPCon原理(其中TOPCon被用作术语“隧穿氧化层钝化触点”的缩写)，首先产生一个薄氧化硅层，在其上形成一层高度掺杂的多晶硅，通常在上面有提供非晶钝化层的电介质氢，根据常用方法在其上进行金属化(例如通过丝网印刷)。这极大地减少了金属触点下的电荷载流子重组，并显著提高了太阳能电池的效率。
这些层有两个主要的缺点：这些层显示出对入射光强烈的寄生吸收，这不允许它们用于太阳能电池的整个正面，并且如果利用IBC原理将他们完全转移到太阳能电池的背面，则它们的结构化很繁琐。最常见的是采用光刻或印刷掩模层等工艺进行结构化，这些工艺成本高，不适合大规模的批量生产。
对于正面的应用，基于多晶硅层的钝化触点结构通常被认为是不合适的，因为要么只能应用非常薄的层，需要沉积透明导电氧化物(TCO)以允许足够的横向导电性，并且不允许标准的烧穿金属化，或者这些层需要通过光刻或印刷蚀刻掩模对层进行结构处理。
对于多晶硅层在IBC太阳能电池中的使用，存在三种最常见的方法，总结如下。
1.形成单个的本征多晶硅层，并随后通过选择性地引入掺杂物，例如通过丝网印刷(使用掺杂浆料，如已知的US8802486B2，或蚀刻浆料，如已知的US7468485B1或US7851698B2)、通过激光掺杂(从单层和层叠中，如已知的US8242354B2)或通过离子注入，对掺杂区结构化。在两极之间有或没有中断的“间隙”(如分别在US8242354B2和US8790957B2中所公开的)是可能的。DE102015107842B3公开了一个类似的过程和电池。
2.形成第一掺杂多晶硅层，并随后沉积蚀刻掩模(例如SiO2)，接着(用蚀刻浆料，如US9196758B2或用激光，如US9196758B2、US9837576B2)打开蚀刻掩模，然后对开口的区域纹理化(可能与正面一起)。之后，在背面形成第二掺杂多晶硅层，其覆盖了开口以及剩余的蚀刻掩模。为了防止触点之间发生短路，必须在触点附近对顶层进行激光烧蚀，以避免电池并联。
3.第三种变体是所谓的混合太阳能电池，其中只有两个极性中的一个被多晶硅层覆盖，例如在US9312406B2和DE102008028578A1中描述的。
在这三种方法中，第一种方法提出了在极性之间获得干净分离的问题，在大多数方法中，需要一个额外的间隙引入步骤，并且需要极高的对准精度。后两种方法需要可移除的蚀刻掩模，因为大多数沉积在多晶硅层上的电介质层需要在进一步的高温步骤之前被移除，由于多晶硅和覆盖层的热膨胀系数不同，多晶硅层的钝化能力会受到影响。
可替代地，使用不需要去除蚀刻阻挡层(诸如厚的二氧化硅层)是很难处理的，因为它们容易被蚀刻。因此，需要一种更简单的图案化步骤，其允许无掩模图案化，并有宽松的对准要求。
对于在双面电池正面使用钝化触点层，本发明人不知道不需要透明导电氧化物并允许标准的烧穿金属化的直接工艺顺序。本发明允许在双面TOPCon电池的正面形成选择性的钝化触点层，而不会严重复杂化工艺顺序，特别是与同样采用激光结构化工艺的选择性发射极工艺顺序相比。
本发明通过提供一种更简单的对硅层进行图案化并具有宽松的对准要求的方法来解决这个问题。在一个优选的实施例中，本发明仅使用标准的前端处理设备，特别是，例如，没有丝网印刷，这应该可以在工业中得到非常高的接受度。
根据本发明的第一方面，提供了一种在不使用蚀刻掩模的情况下对硅层进行局部结构化以生成局部结构化多晶硅层的方法，该方法依赖于对所述层的抗蚀刻性进行局部改性。该方法可有利地用于太阳能电池生产过程中对硅层的局部结构化，但不限于此应用，而是通常适用于其他应用，尤其是在半导体技术领域。
优选的是，抗蚀刻性的局部改性是通过诱导改性区域中硅层结晶度的局部增加来实现的，这可以例如通过局部热处理或局部掺杂来实现。
根据本发明这方面的第一个实施例，也可以转移到本文所述的本发明的其他方面，该层的抗蚀刻性的局部改性是通过应用激光，更具体地说，将激光应用于硅表面的蚀刻性增加的区域而实现的。
更具体地，与太阳能电池制造技术中常见的激光结构化不同，根据本发明这方面的实施例，激光不是用来烧蚀材料，破坏层的完整性并导致层不再完整，而是用来局部改变层的材料特性，特别是以这样的方式使激光处理的区域可以作为蚀刻阻挡层，特别地同时保持层的完整性和/或保持其完整性。其后，由此产生的局部结构化的多晶硅层可以被有利地利用，例如作为金属-硅触点的钝化层。
根据本发明这方面的另一个实施例，也可以转移到本发明的其他方面，该层的抗蚀刻性的局部改性是由硼的局部注入来实现的，这可以通过使用阴影掩模来实现。
根据本发明这方面的一个实施例，也可以转移到本发明的其他方面，用硼局部掺杂层获得p++(6e19-4e20 cm-3)掺杂区域使得被激光辐照的区域中的阻挡层的抗蚀刻性增加，这导致了比在相应的非掺杂或较少掺杂区域中实现的蚀刻速率更低的蚀刻率。
根据本发明这方面的一个实施例，也可以转移到本发明的其他方面，局部掺杂和同时结晶是通过激光从掺杂的硅玻璃层完成的，该玻璃层已经原位(与硅层在同一机器中)沉积或在不同的机器中(如通过APCVD、PECVD或在管式炉中)非原位沉积，或从另一个高度掺杂的非晶硅层完成。激光步骤优选用准分子激光器(类似于TFT显示器生产中使用的激光器)或用短脉冲激光器(如绿色纳秒激光器)进行扫描。
根据本发明这方面的一个实施例，也可以转移到本发明的其他方面，随后的碱性蚀刻(例如，例如，优选地使用热的KOH、NaOH、TMAH或各种浓度的类似物，可选择含有蚀刻速率调节添加剂)选择性地去除非活性掺杂(和结晶)的硅层。碱性蚀刻步骤可以是使用常规方法的碱性纹理化步骤(在使用普通纹理添加剂的稀热碱中)。可替代地，可以用常用的方法在热的、更浓的碱性溶液中把表面蚀刻光滑，以形成一个步骤。
根据本发明的第二个方面，提供了一种生产硅太阳能电池的方法，所述方法包括在不使用蚀刻掩模的情况下对硅层进行局部结构化的至少一个步骤，该步骤是基于对所述层的抗蚀刻性的局部改性。
根据本发明这方面的一个优选实施例，使用激光诱导局部改性抗蚀刻性，以改变至少一个层的材料特性，以这种方式激光处理的区域可以作为蚀刻阻挡层。如上所述，激光不是用来烧蚀材料的，破坏层的完整性并导致层不再完整，而是用来局部改变层的材料特性，优选地局部改变层的结晶度或掺杂浓度。因此，激光处理的区域可以作为蚀刻屏阻挡层，特别地同时保持层的完整和/或保持其完整性。
在本发明这方面的一个实施例中，提供了硅片作为起始基材，该硅片的锯痕已用常规方法去除，然后进行了清洗。
在本发明这方面的一个实施例中，首先通过常规方法(例如通过氧化、PECVD、LPCVD、CVD、溅射或上述方法的混合)将一叠层沉积到所述硅片上，该层包含薄的氧化物层、未掺杂的硅层和掺杂层，优选地硼硅酸盐玻璃层(BSG)。
在激光器的帮助下，例如准分子激光器或可见光或紫外短脉冲激光器，其中根据本公开的短脉冲激光器是纳秒、皮秒或飞秒激光器，本征层会在工艺结束时应用p极性金属触点的任何地方产生高掺杂(p++)区域。
在本发明这方面的一些实施例中，太阳能电池是两面接触的太阳能电池，根据本发明第一方面的权利要求1至9之一的方法用于生成局部钝化触点层，以作为太阳能电池正面上的金属触点的钝化层，而没有额外寄生吸收的缺点。
具体来说，在本发明的一些实施例中，优选地，如果已经在所述硅层内的抗蚀刻性的局部改性的位置之间的区域均匀掺杂与钝化层的掺杂类型相同。
在本发明这方面的其他一些实施例中，太阳能电池是IBC太阳能电池，并且根据本发明第一方面的权利要求1至9之一的方法被用于在背面交错结构中生成局部钝化层或所谓的载流子选择性钝化触点。
接下来，在代表本发明具体实施例的图的协助下，对本发明进行更详细的说明。需要注意的是，图中的尺寸都不是按比例绘制的。
附图示出了：
图1：工艺顺序的工艺流程示出了在TOPCon太阳能电池的生产过程中，在正面具有选择性钝化触点结构TOPCon太阳能电池正面的制备的基本步骤。
图2：图1中最后一个加工步骤后得到的激光处理区和金属化指状条的相对宽度的各种备选方案，
图3：显示形成重点是背面加工的钝化接触IBC太阳能电池的基本步骤的工艺顺序，和
图4：在图3的最后一个加工步骤后得到的太阳能电池背面结构的各种备选方案。
在本发明的具体实施例中，提供了许多具体细节，诸如材料、工艺参数、工艺步骤和结构的示例，以提供对本发明的全面理解。然而，太阳能电池制造的技术人员将意识到可以实现本发明的替代方案。在一些情况下，没有示出或详细描述众所周知的细节，以避免掩盖对发明的关注。
本发明利用材料特性和材料特性的变化，可以用众所周知的方法进行表征。本发明涉及一种工艺步骤的组合，这些步骤用于改变材料的特性，从而能够以一种具有成本效益的方式生产高效的太阳能电池。
在本发明的所有实施例中，硅层在没有使用蚀刻掩模的情况下被局部结构化。由此产生的层可以被用来作为金属-硅触点的钝化层。与太阳能电池制造技术中常见的激光结构化不同，激光不是用来烧蚀材料的，而是恰恰相反。在应用激光的地方，各层的材料特性发生了变化，激光处理的区域可以作为蚀刻阻挡层。
详细公开的一种用于获得层的这种抗蚀刻性的方法是用硼局部掺杂该层获得p++(6e19-4e20 cm-3)掺杂区域，其蚀刻速度比无掺杂或低掺杂或n+掺杂区域慢(见图1)。起始基材是硅片，其锯痕用常规方法去除，然后进行清洗。在本发明的一个版本中，首先通过常规方法(例如通过氧化、PECVD、LPCVD、CVD、溅射或上述方法的混合)沉积一叠层，其包含薄的氧化层、本征Si层和掺杂层，优选地硼硅酸盐玻璃层(BSG)。在激光器的帮助下，例如，准分子激光器或绿色或紫外线纳秒、皮秒或飞秒激光器，本征层会在工艺结束时应用p极性金属触点的任何地方产生高掺杂(p++)区域。
使用部分结晶层，诸如LPCVD沉积产生的结晶层，发现p++掺杂层的蚀刻速度比非掺杂区和下面的硅要慢大约100到500倍。这使得硅的碱性纹理化深达几微米，而只有几十纳米的掺杂层被去除。如果使用非晶态层，也可以使用局部n++掺杂。那么不同的蚀刻速率并不是由掺杂物浓度和不同的结晶度造成的，而只是由不同的结晶度造成的。
根据本发明，也可以考虑局部注入硼，例如通过阴影掩模。在这种情况下，不需要掺杂物源层和激光来获得随后可以用作蚀刻阻挡层的掺杂区域。
更优选的是，局部掺杂和同时结晶是通过激光从掺杂硅酸盐玻璃层的源层完成的，该源层在原位(与硅层在同一台机器中)沉积或在不同的机器中非原位(诸如通过APCVD或在管式炉或PECVD)沉积，或从另一个高度掺杂的非晶硅层完成。激光步骤优选用准分子激光器(类似于TFT显示器生产中使用的激光器)或用短脉冲激光器(如绿色纳秒激光器)进行扫描。然而，其他方法也是可以想象的，通过这些方法，该层被局部受热强烈，以至于掺入了掺杂物并增加了其结晶度。
随后的碱性蚀刻(例如，优选地使用热的KOH、NaOH、TMAH或各种浓度的类似物)选择性地去除非活性掺杂的(和结晶的)硅层。
碱性蚀刻步骤可以是使用常规方法的碱性纹理化步骤(在使用普通纹理添加剂的稀热碱中)。可替代地，可以用常用的方法在热的、更浓的碱性溶液中把表面蚀刻光滑，以形成一个步骤。
图1示出了用于生产太阳能电池正面具有选择性钝化触点结构的TOPCon电池的工艺流程。该工艺的不同阶段用括号内的数字标记，这些数字也用于下面的工艺流程描述中。
本工艺顺序仅描述了太阳能电池正面的制备。为了清楚起见，省略了背面的生产过程，但根据本领域技术人员的知识，可以很容易地添加背面的生产过程。同样没有显示的是工艺步骤，诸如单面抛光和在电池背面沉积第二层多层，或在太阳能电池背面用相反的掺杂类型掺杂(和结晶)相同的本征层，这在本发明的一些实施例中可能是有用的。此外，该图没有按比例绘制。层的厚度通常在几十到几百纳米之间，而掺杂区和金属指状条的宽度通常在几微米到大约一百微米之间。
太阳能电池有一个向光的一面(也被称为正面)和一个相对的一面(也被称为背面)。
(1)在已经使用常规蚀刻和清洁技术进行锯损蚀刻和清洁的预处理的n型或p型硅晶片101上，生长或沉积薄的氧化层201(例如通过在含氧气氛中加热或通过浸入含氧化剂溶液)。沉积本征硅层301(代表待局部改性的层)和掺杂源层401。
(2)用激光对301的局部区域进行掺杂和结晶。
(3)通过激光处理，在被激光辐照的区域形成结晶度增加的高掺杂区501。
(4)在合适的蚀刻剂中去除掺杂源层401后，碱性蚀刻步骤(在此情况下是生成随机金字塔的纹理化步骤)形成碱性蚀刻的表面601。
(5)随后使用传统的掺杂工艺，如管式炉扩散法，对该表面进行掺杂，形成与501相同极性但掺杂物浓度较低的掺杂区域701。
(6)通过常规方法如PECVD在501和601上形成抗反射涂层801(例如SiNx)。
(7)最后，使用常规的太阳能电池金属化工艺，诸如金属浆料的丝网印刷或电镀，施加金属化指状条901。
如图2所示，激光处理区域的宽度和/或金属化指状条的宽度可以变化，以达到最小的寄生吸收和与金属化工艺的最佳对准。理想地，这两个宽度完美匹配，如图2的配置(7.1)。然而，为了降低对准的要求，也可以想象到如图2的配置(7.2)中的稍宽的激光处理区域，或如图2的配置(7.3)中更宽的金属化指状条901、902、903。此外，对于部分错位的金属指状条，即金属仅部分位于501层的顶部，也将起作用。
图3示出了本发明的第二个实施例，公开了用于钝化接触IBC太阳能电池的太阳能电池工艺顺序。如在图1的实施例中，为简单起见，没有示出加工功能性太阳能电池所需的所有工艺步骤。太阳能电池生产的技术人员很容易注意到，例如，在对背面的间隙进行碱性纹理化后，也可以以同样的步骤对正面进行纹理化。另外，第二掺杂源层的形成也可用于掺杂太阳能电池的正面。本发明第二实施例的描述重点在于对背面的加工。
(1)在已经使用常规蚀刻和清洁技术进行锯损蚀刻和清洁的预处理的n型或p型硅晶片1101上，生长或沉积薄的氧化层1201(例如通过在含氧气氛中加热或通过浸入含氧化剂溶液)。沉积本征硅层1301(代表待局部改性的层)和掺杂源层1401。
(2)用激光对1301的局部区域进行掺杂和结晶。
(3)通过激光处理，在被激光辐照的区域形成结晶度增加的高掺杂区1501。
(4)在合适的蚀刻剂中去除掺杂源层1401后，碱性蚀刻步骤(在此情况下是生成随机金字塔的纹理化步骤)形成碱性蚀刻的表面1601。
(5)在该晶圆表面上生长或沉积第二薄的氧化层1202(例如，通过在含氧气氛中加热或浸入含氧化剂的溶液中)。沉积第二本征硅层1302和用于相反掺杂物层1402的掺杂源。
(6)与(2)类似，使用激光来产生第二极性的第二高度掺杂层1502。为了最佳的钝化质量，两极之间的非掺杂间隙应该最小化，但又要保持足够大，以获得良好的反向电流行为。
(7)示出了第二个激光步骤后的结构。
(8)接下来去除掺杂物源层。在一个实施例中，也可以按照本发明公开的原则去除本征的、未处理的区域(未示出)。
(9)在顶部沉积一个封盖层1801。
(10)使用常规的太阳能电池金属化工艺，诸如金属浆料的丝网印刷或电镀进行两个极性1911和1912的金属化。
如前所述，也可以使用不含添加剂的碱性蚀刻来代替碱性纹理化，产生平坦的表面，由此产生的工艺顺序，从(1)-(5)仅有细微变化。此外，如上所述，如果对于第二极性采用非晶态层的结晶，第二Si层的未处理区域可以被蚀刻。图4示意性地画出了本发明的几个可能的不同实施例。在所有情况下，正面(在图中朝下)是经纹理化的，扩散的1702和抗反射涂层1802。
附图标记
101、1101晶片
201、1201、1202氧化物层
301、1301、1302硅层
401、1401、1402掺杂源层
501、1501、1502掺杂区(在激光治疗区域)
601、1601碱性蚀刻的表面
701、1701、1702掺杂区(在激光处理过的区域之间)。801、1801、1802抗反射涂层
901、902、903、1911、1912金属化指状条
Claims (17)
1.一种使层局部结构化以生成局部结构化的多晶层(301、1301、1302)的方法，
其特征在于，所述方法包括对在所述硅层(301、1301、1302)内的抗蚀刻性进行局部改性的步骤，以及随后通过蚀刻去除所述硅层(301、1301、1302)的未改性区的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，
其中沉积的所述硅层(301、1301、1302)是非晶的、部分结晶的或完全结晶的。
3.如权利要求1或2所述的方法，
其中所述抗蚀刻性的局部改性至少部分是通过诱导在改性区域中的所述硅层(301、1301、1302)的结晶度的局部增加来实现的，以生成局部结构化的多晶层。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，
其中所述硅层(301、1301、1302)的抗蚀刻性的局部改性至少部分是通过对所述硅层(301、1301、1302)中抗蚀刻性增加的那些区域施加激光而实现的。
5.如权利要求4所述的方法，
其中所使用的激光是短脉冲激光，优选为可见光或紫外光短脉冲激光或紫外准分子激光，其中脉冲能量选择为使得所述多晶硅层(301、1301、1302)的结晶度局部增加，或如果存在掺杂物，则会发生掺杂物的扩散或激活，但下层保持不受影响。
6.如权利要求1至5之一所述的方法，
其中所述硅层(301、1301、1302)的抗蚀刻性的局部改性至少部分是通过局部掺杂，优选地通过注入硼而实现的。
7.如权利要求6所述的方法，
其中，掺杂源是由高掺杂的非晶硅层或含掺杂物的硅酸盐玻璃层，优选为硅酸硼玻璃形成的掺杂源层(401、1401、1402)。
8.如权利要求7所述的方法，
其中，所述硅层(301、1301、1302)和所述掺杂源层(401、1401、1402)是在相同的工艺室中相继形成的。
9.如权利要求6所述的方法，
其中局部掺杂通过使用阴影掩模的离子注入而获得。
10.如权利要求1至9之一所述的方法，
其中通过蚀刻去除所述硅层(301、1301、1302)的未改性区的后续步骤在碱性溶液，优选地在1-40％的浓度范围中进行。
11.一种用于生产硅太阳能电池的方法，所述方法包括如权利要求1至10之一对硅层(301，1301，1302)进行局部结构化的至少一个步骤。
12.如权利要求11所述的方法，
其中，提供硅片(101，1101)作为起始基材，所述硅片的锯损已被去除，并且其后被清洗干净。
13.如权利要求12所述的方法，
其中，首先在所述硅片(101，1101)上沉积一叠层，所述叠层包括氧化层(201、1201、1202)、未掺杂硅层(301、1301、1302)和位于所述未掺杂硅层(301、1301、1302)顶部的掺杂层(401、1401、1402)。
14.如权利要求13所述的方法，
其中施用激光以在所述未掺杂硅层(301、1301、1302)中生成高掺杂(p++)区(501、1501、1502)，并且其中在已经施用所述激光的部分位置处有在后续工艺步骤中形成的用于提取正电荷载流子的金属触点。
15.如权利要求11至14之一所述的方法，
其中所述太阳能电池是双面接触太阳能电池，并且如权利要求1至9之一所述的方法用于制造局部钝化层，用于钝化所述太阳能电池的所述正面的触点。
16.根据权利要求15所述的方法，
其中在已经对所述硅层(301、1301、1302)内的抗蚀刻性进行了局部改性的位置之间的区域，用与所述钝化层相同的掺杂类型进行均匀地掺杂。
17.如权利要求10至13之一所述的方法，
其中所述太阳能电池是IBC太阳能电池，并且其中所述方法使用如权利要求1至9之一所述的方法，在背面上交错结构中生成局部钝化层或所谓的钝化触点。
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