CN1447989A - 将金属接点沉积在埋栅太阳能电池上的方法及由该方法获得的太阳能电池 - Google Patents

将金属接点沉积在埋栅太阳能电池上的方法及由该方法获得的太阳能电池 Download PDF

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Abstract

用金属化埋栅太阳能电池的一个或多个金属接点的方法制造的一种埋栅太阳能电池，该埋栅太阳能电池具有掺杂半导体材料本体，其中通过以下步骤通过按一个或多个凹槽的图形配置在半导体材料中的导电材料提供电接点：通过化学镀然后烧结将晶种层应用在凹槽中的外露半导体材料上，通过化学镀将导电基层应用到所述晶种层的顶部以及通过使用另外包括整平添加剂以及抑制添加剂的传统电解槽、使用基本上恒定的电池电压的电解电镀，用导电接点形成材料填充凹槽。

Description

将金属接点沉积在埋栅太阳能电池上的方法 及由该方法获得的太阳能电池
技术领域
本发明涉及用于具有掺杂半导体材料本体的埋栅(buried grid)太阳能电池的一个或多个接点的金属化，即沉积金属的方法，掺杂半导体材料体具有两个主要相对面，其形成均具有一个或多个电接点的光入射面以及背面，以及该掺杂半导体材料本体还在主要相对面间具有一个或多个侧面，其中在光入射面的电接点通过按一个或多个凹槽的图形配置在光入射面的半导体材料中的导电材料来形成。另外，本发明还涉及通过这种方法制造的埋栅太阳能电池。
背景技术
从1980年以来，通过改革制造方法以及改善产品性能，光电(PV)太阳能电池的世界范围应用的成本已经下降了7倍。然而，在我们期望在可再生能源市场中广泛使用PV太阳能电池前有必要进一步降低制造成本。因此，仍然需要通过改进生产工艺进一步节约太阳能电池的制造成本。
所有太阳能电池的一个共同的特征是，需要使金属接点与设备的正和负表面接触以传送光生电流。接点必须低成本、坚固、高导电性而且尤其要制作简单且效率高。镀铜的接点用在制作PV太阳能电池中。铜的高导电性对这种应用来说很理想，但通过化学镀的电流沉积方法有点慢而且效率低。另外，大量化学制品的成本和处理是与化学镀铜有关的日益增加的问题。
PV太阳能电池通常是基于使用掺杂的半导体材料。在一种类型的太阳能电池中，将硅用作半导体。这种类型的太阳能电池通常包括预先制造的P型掺杂硅晶片。为了准备太阳能电池，从光入射面对这种晶片进行掺杂以在该表面上形成n型硅。用这种方法，在n型和p型硅间形成称为p-n节的梯度接口(gradient interface)。p-n节产生使得载流子在一个方向中移动的电场。为能引导电流离开电池，在电池上提供金属接点。这些接点充当电池的正和负接点。然而，通过将金属接点排列在光入射面上，这些接点降低了太阳能电池的光入射面上的有效面积并因此降低电池的效率。因此，减小这些金属接点的掩蔽效应(shading effect)是很重要的。
在1984年以来的US专利No.4726850和No.4748130以及相应的AU专利No.570309(Green以及Wenham)中，公开了一种埋栅太阳能电池，其中在光入射面上的金属接点嵌入到该表面中的凹槽中以降低掩蔽效应以及改善与半导体的电接触。在这些专利的说明书中，列出了用于提供金属接点的许多方法。这些方法包括：将银浆刮到凹槽中、浸焊和电镀。然而，在这些专利说明书中没有举例说明电镀方法。
当在外露表面上形成金属接点时，将用于准备嵌入的接点材料的常规电镀方法用在上述已知的埋栅太阳能电池中所使用的凹槽中将导致在凹槽的内部空间中生成不希望的空穴。这些空穴将降低导电体的效率。另外，接点材料也将形成在与凹槽相邻的区域中的电绝缘透光层上，这遮蔽了到太阳能电池的入射光并降低其效率。因此，尽管在1984年Green和Wenham提到过使用电镀来准备嵌入接点，但在本发明之前，还没有进一步开发该方法。
在电镀产业，在电镀槽中使用特殊的添加剂是惯例。这些就其本身而言用在电解镀铜中为公知的添加剂是整平(levelling)添加剂。该整平添加剂确保在形成电镀层的过程中层叠增长而且对整平正被电镀的基本材料中的小划痕很有效。这些划痕通常在宽为0.1至5μm以及深为0.1至5μm的数量级内。
用在电解镀铜中的另一类公知的添加剂是充当控制扩散的电镀阻化剂的抑制添加剂。这种抑制添加剂(suppressing additive)禁止在具有较高场强的区域，如在最接近阳极的升高区域中形成金属。
在Plating & Surface Finishing(2000年3月，pp81-85，Mikkola等)公开了一种使用光亮剂、整平剂以及抑制剂的镀铜方法，用于在半导体设备的区域中的内连所用的亚微米尺寸槽的无空穴间隔填充。在该文中，强调控制电流强度和添加剂水平对间隔填充机制具有显著的影响。然而，没有给出有关电解槽的具体组成的详细信息，而且也没有给出在较大凹槽如深度约为20-50μm以及宽度为10-30μm的凹槽情况下的信息。
因此，在本发明之前，需要一种用于提供具有良好的导电性以及没有除由埋栅太阳能电池上的凹槽尺寸(宽度)限定的另外的掩蔽的电接点。
现在已经发现，使用简单的电镀技术有可能完全填充该类太阳能电池中的凹槽，其中该凹槽通常深20-50μm以及宽10-30μm，该电镀技术涉及常规的电镀槽以及本身公知的添加剂的特殊组合，以获得没有空穴以及在凹槽外部的光入射面上没有过镀敷(overplating)的有效的嵌入接点。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于金属化埋栅太阳能电池的一个或多个接点的方法，该太阳能电池具有掺杂的半导体材料本体，该本体具有两个主要的相对面，该两个相对面形成均具有一个或多个电接点的光入射面和背面，以及该主体还具有在该主要相对面之间的一个或多个侧面，其中通过按一个或多个凹槽的图形配置在光入射面的半导体材料中的导电材料在光入射面上形成电接点或接点，该方法包括步骤：
a)在半导体本体中提供一个p/n节以及在光入射面以及任意的其他表面上的电绝缘层，该电绝缘层是透光的并且对化学镀不起催化作用，
b)在一个或多个侧面上提供外露表面，
c)提供具有从光入射面经绝缘层并进入半导体本体中的深20-50μm以及在光入射面的水平面上宽10-30μm的一个或多个凹槽，
d)在步骤c)中获得的凹槽中掺入外露材料以重新在凹槽中的表面下部的材料中建立p-n节，
e)通过在化学镀后烧结将晶种层施加到凹槽中的外露半导体材料上，
f)通过化学镀将导电基层施加到在步骤d)中获得的晶种层的顶部，以及
g)通过使用常规电镀槽以及使用实质上恒定的电池电压的电解电镀，利用导电接点形成材料填充凹槽，该常规电解槽还包括平整添加剂以及抑制添加剂。
另外，本发明涉及埋栅太阳能电池，该电池包括掺杂的半导体材料本体，该本体具有两个主要的相对面，该两个相对面形成均具有一个或多个电接点的光入射面以及背面，且该本体在主要相对面之间还具有一个或多个侧面，其中通过按一个或多个凹槽的图形配置在光入射面的半导体材料中的导电材料来形成光入射面上的电接点，该光入射面具有由凹槽阻断的电绝缘透光涂层，该凹槽在光入射面的水平面上深20-50μm以及宽10-30μm，并具有涂在凹槽的表面上的晶种层，在该晶种层顶部，凹槽具有导电基层，在该导电基层顶部，再次在电绝缘透光层上基本上没有空穴和没有过镀敷地利用导电接点形成材料填充凹槽。
根据本发明的方法的一个关键特征是使用结合恒定电池电压的平整添加剂以及抑制添加剂。
根据本发明的优选实施例，另一关键特征是用于获得电解电镀步骤的有效电接点的方法，该方法是通过结合晶种层以及其后的导电基层，通过在凹槽中以及在至少一个侧面部分上的化学镀以形成至所使用的电解电镀装置的夹具的接点来实现的。
因此，在根据本发明的电镀步骤中，沉积接点形成材料，从凹槽底部形成接点形成材料(由整平添加剂以及抑制添加剂导致的)，以及用基本上一层一层沉积这种材料的方法实现接点形成材料的逐步形成。当凹槽填满时基本上停止沉积。
通过上面提到的用于化学镀铜以便将金属接点提供到太阳能电池的光入射面的凹槽中的Green和Wenham的现有技术方法，通过使用化学还原剂将在所使用的铜电镀液中的铜离子还原成游离金属。由于该化合物所带来的健康风险，通常使用甲醛或(当用作水溶液时)甲醛溶液，并且该化合物的使用要求用于安全处理和排除的特殊预防措施。在本发明的方法中，铜离子还原成铜元素是通过外部电源的电子来提供的而且没有引入化学还原剂，因此通过使用本发明的方法不存在这种健康风险。
总之，本发明的方法与现有技术的化学镀技术相比对环境更安全。如一个例子所提到的，在现有技术的方法中，必须废弃溶液中约30％的铜，溶液中仅约70％的铜沉积在晶片上，而在本发明的方法中采用的溶液中几乎100％的铜沉积在晶片上。在现有技术中仅利用70％铜的原因在于铜溶液必须相当频繁地更新。另外，由于很有效地将铜离子保持在溶液中的复杂组分，很难从废弃的溶液除去铜离子。因此，这对现有技术的方法增加了另外的环境问题。
本发明的方法的另一优点在于，与现有技术的化学镀技术相比电镀速率快至30倍。即，能仅在3分钟内实现将足量的铜金属沉积在凹槽中以及晶片上的任何想要的位置。作为该短处理时间的结果以及由于在槽中铜离子的浓度几乎保持不变的事实，本发明的方法的该步骤适用于连续的传送处理，因为沉积的铜量由从铜阳极分解的等量的铜来补偿。
相对于现有技术，本发明的方法的另一优点在于，用于电解铜沉积的化学物质通常比用于化学铜沉积的化学物质便宜得多。
最后，根据现有技术，在化学镀技术之前，如果划痕通过介电层出现在光入射面，在所述化学镀方法中这些划痕将自动地被镀上铜，这导致轻微的掩蔽效应以及不想要的外观。根据本发明，该问题对用电镀方法来电镀的半导体本体不存在，因为电镀方法不象化学镀一样是自动催化方法。因此，电解电镀将仅发生在正与整流器的阴极(负极)电接触的区域上。
粗略估计显示，与现有技术的方法相比，本发明的方法可获得相当的费用节省。通过预期在将来五年中全球广泛增加生产四到五倍的埋栅太阳能电池，上述列出的优点在经济方面以及环境影响方面将的确变得很有益。
本发明的适用性的范围由下述详细说明来体现。然而，应当理解，所包括的结合附图和具体的例子的详细说明只是示例性地描述优选的实施例，在保护范围内的各种改变和修改在详细说明的基础上对现有技术中的技术人员来说是显而易见的。
附图说明
图1a是根据本发明，通过电解镀铜填充的凹槽的SEM图象，
图1b是根据本发明，通过电解镀铜仅填充一半的凹槽的SEM图象，以及
图2是根据现有技术，通过化学镀铜填充的凹槽的SEM图象。
具体实施方式
本发明涉及对光电埋栅太阳能电池的改进，这种电池基于掺杂的半导体材料的本体如晶片，并且在前表面上具有嵌入接点。本发明还涉及对准备这种太阳能电池的方法的改进。
根据优选实施例，太阳能电池是用掺杂的硅用作有源半导体设备制成的。通常是以150×150mm的方形或直径为150mm的圆形，且厚度约为250-400μm的硅晶片的形式。该硅可以是单晶体(称为单晶)或可包含许多小的晶体(指多晶体或复晶)。
通常使用的硅晶片包括p型硅晶片。该晶片的光入射面在800-900℃通过使用磷化合物，如POCl3掺杂以将其制成n型并生成作为太阳能电池的有源组分的基本p/n节。
为使光生成的自由电子能离开太阳能电池，将金属接点应用到光入射前表面(n型表面)以及后表面(p型表面)上。在前表面，接点覆盖该表面的最小区域是很重要的，以便允许光进入硅中。
在所谓的埋栅太阳能电池中通过嵌入在凹槽中的导电材料确保做到这一点，按栅格图案将导电材料切入太阳能电池的前表面，如在美国专利No.4726850和No.4748130中公开的。在凹槽中嵌入的导电材料形成导电栅线元件的图形。
栅线元件应当尽可能窄以便使光入射面部分最小化，该光入射面部分将被栅线元件掩蔽。被掩蔽的光入射面的比率越小，则电池性能越好。电池性能通常根据在标准测试条件下的效率来测量-电能除以总的入射太阳光能。
在凹槽被切入前表面时，该表面具有电绝缘层的顶表面涂层，该电绝缘层是透光的并且对化学镀不起催化作用。该涂层充当抗反射层。结合本发明，电绝缘层的另一重要之处在于，因为这种介电(不导电)层将防止将金属镀在光入射前表面的不需要的区域上。在优选实施例中，电绝缘层是涂在硅表面上的氮化硅。可选的电绝缘层可是二氧化硅。
在本优选实施例中，使用激光将凹槽切入晶片的前表面中。替代地，可使用金刚石锯机械地形成凹槽。其他可选方案包括化学蚀刻的凹槽或等离子体蚀刻的凹槽。
凹槽从光入射面起深20-50μm，因此穿透绝缘氮化硅层并进入半导体本体。在光入射面的水平面上宽为10-30μm。用这种方式，能将p型硅暴露在凹槽中，并且在这种情况下，有必要将凹槽内部的表面掺杂来获得n型硅并因此重建p-n节。
本发明的一个基本特征是建立金属接点，特别是嵌入在前表面上的凹槽中的栅线元件的这种方法，但在另一优选实施例中金属接点也可在背面。电接触金属接点的这种建立也可称为金属化。
在根据上述US专利No.4726850以及4748130制造的商业埋栅太阳能电池中，通过以化学镀镍沉积薄(通常为0.1μm)镍晶种层、通常在400℃于惰性气氛(氮、氩或氮氢混合气体)中将镍层烧结到硅表面上来准备栅线元件，以便以高机械粘接性产生与硅的欧姆接触。在该镍的薄晶种层的顶部，通过化学镀沉积约0.1μm的镍基层。此后，通过以化学镀铜沉积主铜导线(通常5μm)来提供栅线元件的主要导电部分。在图2上示出了根据该商业方法准备的化学镀铜凹槽的SEM图象。从图2可以看出，与凹槽相邻的表面也被过镀敷，由此光入射面的部分被掩蔽。此外，凹槽没有填充形成接点的铜，因为截面的中央部分是空穴(void)。这种空穴部分降低了栅线元件的导电性。
此外，在镀敷过程中形成的空穴可带来很难或不可能在制造步骤后的测试过程中检测出的潜在的问题。腐蚀性的镀液可能被收集或包围在空穴中并且可能很难或不可能通过漂洗去除。这种镀液将来可能漏出并且可能污染甚至通过腐蚀接点、焊接等等破坏太阳能电池。
根据本发明，与商业方法相同，首先施加薄的化学镀镍的晶种层，然后烧结来建立金属化。于是通过化学沉积方法将相对厚的约2μm的镍基层沉积在晶种层的顶面。该基层充当随后镀铜的导体，以及可根据厚度充当阻止铜扩散到硅中的阻挡层。最后，用电解镀铜填充凹槽。正如从图1a所看到的，现在可能填充凹槽而没有空穴以及没有对光入射面的过镀敷。
两个化学镀步骤彼此不同。因此，晶种层的目的是创建至硅的接点以及用于催化后续电镀的晶种。术语“晶种层”不理解成覆盖外露的硅表面的连续层。因此，它通常仅仅是分布在外露的硅表面上的金属“颗粒”群组。每个群将是用于基层的后续化学镀的催化晶种，基层是真正的连续层。用于准备镍晶种层的适当系统是来自EnthoneTM-OMI的AL100镀槽。
基层必须是在后续的电解镀铜步骤中充当阴极以及在最后的太阳能电池中的硅和接点形成材料之间充当接触元件的具有高导电性的层。这是通过使在最后的化学沉积中的低磷含量来保证的。此外，基层应该具有低的内部机械应力。如果基层镀槽稳定且容易处理和操作的话则是所希望的。用于准备镍基层的适当的低磷、低温、高速、化学镀方法是来自EnthoneTM-OMI的EnplateTM Ni 429E镀槽。
薄的化学镀镍的晶种层的第一种应用对已知的商业方法和根据本发明的方法来说是很普通的。该步骤要求对化学镀起催化作用的表面。这种催化表面是凹槽中的外露硅表面，而在光入射面上的氮化硅层不对化学镀起催化作用。为保证与电解镀铜步骤中所用的电解电镀装置的夹紧夹具的良好接触，在应用晶种层前，在与凹槽的至少一端相邻的硅晶片的至少一个侧面上提供外露的硅表面。用这种方法，不仅将晶种层应用到凹槽中的外露表面中，而且也应用在所述侧面上。用这种方法，在晶种层的顶部的基层将是以连通方法覆盖凹槽表面而且侧面两者的导电整合层。
在正常的电池处理顺序中，也沿晶片的侧面涂上氮化硅。如果留在原处，这种电绝缘氮化硅将导致与晶片的不良电接点。因此，为暴露硅表面，例如通过用C2F6-氧等离子体来进行等离子体蚀刻以从晶片的侧面去除氮化硅。该晶片是“硬币状堆叠的”以便仅将晶片的侧面暴露给等离子体。也可考虑用于去除氮化硅的其他技术，包括磨蚀或高速喷水方法。
如上所述，外露的硅侧面首先被镀以晶种层然后镀以较厚的化学镀镍的基层。在后续步骤中，这些晶片的镀镍侧面在电解镀铜过程中与电镀夹具具有良好的电接触。
在化学镀镍后，使用基于硫酸铜(CuSO4.5H2O)以及硫酸(H2SO4)的常规电镀槽并另外包括平整添加剂和抑制添加剂，以及使用基本上恒定的电池电压通过电解镀铜方法来填充凹槽。
已经发现，在本发明的方法中有用的整平添加剂(整平剂)包括含有硫脲族(-C(S)-NH-)或它的相应的异构巯基形式的化合物。这些化合物的例子是硫脲以及它的衍生物，如1-乙基硫脲、1，3-二乙基硫脲、1-苯硫脲等等(如参见美国专利No.3682788)，亚乙基硫脲、四氢噻唑-2-硫酮、2-嘧啶硫醇等等(如，参见美国专利3542655)。
另一种在本发明的方法中用作整平添加剂的化合物是具有相对高的分子量的阳离子，如二甲基苯基吡唑酮鎓染料，例如称为JanusGreen、Janus Black、Neptune Blue等等的化合物。同样，聚合二甲基苯基吡唑酮鎓化合物也表现出具有很有效的均染特性。这些的例子包括聚(6-甲基-7二甲胺基-5-苯基-二甲基苯基吡唑酮鎓硫酸盐)、聚(2-甲基-7二甲胺基-5-苯基-二甲基苯基吡唑酮鎓硫酸盐)、聚(2，5，8-三苯基-7二甲胺基-5-苯基-二甲基苯基吡唑酮鎓硫酸盐)。同样，某些阳离子聚合物，如聚亚烷基亚胺、2-丁吡和/或2-甲基-5-丁吡的聚合物和共聚物均是在本发明的方法中很有用的整平添加剂。
二硫代氨基甲酸的衍生物如N、N-二烷基-二硫代氨基甲酸-n-丙酯-ω-磺酸钠以及N-烷基-二硫代氨基甲酸-n-丙酯-ω-磺酸钠，其中烷基通常包含1-5个碳原子(如，参见美国专利No.3,798,138)，根据本发明的方法均可用作整平添加剂。
在本发明的方法中上述提到的化合物的浓度通常在0.001g/l至0.05g/l的范围内。然而，二硫代氨基甲酸可以相当高的浓度使用。上述化合物的最有效的整平剂是二甲基苯基吡唑酮鎓化合物。
为防止在更接近阳极的区域(如凹槽的顶部侧面)过镀敷，进一步将抑制添加剂包含在用在本发明的方法中的电镀槽中。已经发现R1-S-S-R2类的有机二硫化物作为抑制添加剂很有用，其中R1和R2可以相同或不同且均是烷基硫酸盐族。用在本发明的方法中的抑制添加剂的一个例子是双(丙基磺酸钠)二硫化物(bis(sodiumpropylsulfonicacid)disulfide)。通常抑制添加剂的浓度在10-20mg/l的范围内。
可选地，可将载流子光亮剂(carrier brightener)包括在本发明的方法的电镀槽组成中。载流子光亮剂的特性是通过提供均匀的、小颗粒、光亮的沉积物来提高其他添加剂的性能以及亮度。包含高分子量化合物(分子量为1000至20000)的一族氧已经表现出提供了极好的光亮剂特性。该族包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙二醇、烷基酚聚乙二醇醚(烷基通常是辛基、壬基或十二烷基)、聚乙烯-聚丙二醇嵌段聚合物，以及最终是环氧乙烷和1，2-环氧丙烷的共聚物。当包括这些特殊载流子光亮剂时，其浓度的范围为从0.001至1g/l。
由于与凹槽相邻的表面已经具有氮化硅的电绝缘层的事实，并且使用添加剂，有可能用电解镀铜技术填充凹槽而没有空穴并且没有过镀敷。通常以选择的指定电流强度来执行电解过程。根据本发明，使用恒定的电池电压，如0.5-5V或更高，更适宜是0.8-3V，最好是1-2V，这表示初始电流密度很低并随沉积物增加快速上升。
在优选实施例中，在晶片中提供的凹槽包括(i)第一组凹槽，由在光入射面的主要部分上相互隔开分布的多个基本上平行的凹槽组成；以及(ii)第二组凹槽，和第一组凹槽(i)相交的一群或多群窄间隔的凹槽。在这种情况下，金属化步骤提供相应的第一组嵌入导线以及相应的第二组嵌入导线，第二组导线形成在交点处电连接到第一组嵌入导线的一束或多束母线(bus-bar)。这种嵌入导线的图形或栅线元件对导电，并因此对利用在太阳能电池中生成的电流很有利。
最好，在金属化前，将在一个或多个凹槽中的至少一端的半导体材料的外露表面延伸到至少一个相邻的外露侧面的至少部分。用这种方式，分别在步骤(e)和(f)中提供的晶种层以及导电基层将不仅应用在凹槽中的外露表面而且应用在侧面上的连通外露表面上。该连通外露表面确保了在凹槽中形成的基层和在侧面的所述部分上形成的基层间的电接触，在侧面的所述部分上形成的基层再次确保在电解镀铜步骤(g)中所用的电解电镀装置的夹紧夹具经该侧面上的基层与凹槽中的基层的良好的电接触。
正如上面已经提到过的，太阳能电池在背面也具有接点。在根据Wenham和Green(US4748103和US4726850)准备的上述的商业埋栅太阳能电池中，通过在金属化步骤前在蒸发后烧结在晶片的背面沉积铝来提供该背面接点。用这种方式，化学镀镍和电镀铜也将把铝沉积物覆盖在背面上作为最终的背面接点。如果需要整个金属覆盖，则用于激活涂在背面的烧结铝的刻蚀步骤可任意地在电镀处理前执行。该激活可通过包括用HF和H2SO4的混合物刻蚀烧结的氧化铝的特殊的预处理来执行。
在本发明的优选实施例中，也可将具有创造性的金属化原理应用在背面上。因此，可使用半导体本体来执行该创造性方法，该半导体本体在应用晶种层的步骤e之前的步骤中已经在背面具有铝涂层。在这种情况下，该铝涂层可被任意激活以及步骤(e+f+g)还包括分别在铝涂层上应用的晶种层、基层以及接点材料的沉积物。用这种方式，在凹槽以及侧面以及背面上的导电基层在步骤(f)中形成为整合的导电连通单元，在步骤(g)，接点形成材料沉积为凹槽中、侧面以及背面上的整合导电连通沉积物。在金属化步骤后，必须除去在步骤(e+f+g)中形成的侧面上的导电层，以便消除在半导体的两个主要相对面上的电接点之间通过侧面上的导电层发生的短路。
用于在电镀后从太阳能电池的侧面上除去金属(镍和铜层)以避免电气短路的优选方法是：从晶片的侧面的一小的间距，通常是1mm在前面或背面中用激光刻画出一凹槽并进入到晶片厚度的约1/3。然后通过突然折断(襞开)侧条来去除电池的金属镀层的侧面。也可考虑从侧面去除金属的其他方法，包括机械磨蚀和反应性等离子体蚀刻。
在上述的具有两组凹槽的实施例中，这两组凹槽包括(i)第一组凹槽，由在光入射面的主要部分上相互隔开分布的多个基本上平行的凹槽组成；以及(ii)第二组凹槽，和第一组凹槽(i)相交的一组或多组窄间隔的凹槽，其中相应的第二组导线形成电连接到第一组嵌入导线的一束或多束母线，电解电镀步骤可在以下条件下执行：将夹具夹紧到在与第二组的一个或多凹槽连通的一个侧面上的导电层上，以及用以下方式在电镀步骤(g)中将半导体本体提升或降低到电解槽中，即与离所述侧面较近的第一组凹槽相比，将离在所述侧面上的导电层较远的第一组凹槽浸没在电解槽中更长的时间周期。这确保在凹槽中所需的均匀沉积物因为与夹具长间距的凹槽表面部分将比离夹具较近的其他部分浸没更长的时间周期，所以在侵没时间相同的情况下，沉积物将更高。
半导体材料本体最好是由掺杂硅制成。然而，任何半导体材料可用在本发明的太阳能电池中。其他半导体材料的例子是砷化镓、磷化铟、硒化铜铟以及氧化锌。
晶种层充当用于后续金属化步骤的晶种。优选的晶种层是用镍或其合金制成。其他用作晶种层的可能的金属的例子是Pd、Au、Ag、Co、Sn以及其合金。
通过将铜扩散到半导体材料中，基层可充当迁移的惰性阻挡层，因为这种迁移是太阳能电池的“寿命杀手”。另外，它应当充分导电，应当具有低内部机械应力，并且应当显示出充足的延展性以抵抗热应力。至于晶种层，最好基层是由镍或其合金制成。用于基层的其他可能的金属的例子包括Pd、Au、Ag、Co、Sn以及它们的合金。
用以填充凹槽以作为嵌入导线的接点形成材料应当是具有高导电性的材料。为此，优选材料是铜。
在本说明书中，已经主要参考化学镀镍描述了两个化学镀步骤，上述描述是根据本发明的优选实施例进行的。然而，使用具有良好特性的适当金属分别作为晶种层和导电基层的其他化学金属镀也可考虑。在这种可选金属的情况下，包含镀槽的成分的镀敷条件应当适用于所讨论的金属。这种适合本领域的技术人员是能了解的，并且适当的镀槽系统在市场上可获得。替代的金属的例子包括Pd、Au、Ag、Co、Sn以及包含具有Ni的合金的它们的合金。
用相同的方法，也已经参考电解镀铜描述了电解电镀，所描述的是当前的优选实施例。然而，也可考虑使用具有良好导电特性的金属的其他电解金属电镀。在这些替代的金属的情况下，包括电解槽的成分的电镀条件应当适用于所讨论的金属。这种适合包括选择整平以及抑制添加剂，本领域的技术人员可以了解这种结合，并且可在市场上获得适当的电解槽系统。用于接点形成材料的替代的金属的例子包括Au、Ag、Sn以及Ni。
例子
起始材料
使用具有圆角以及厚度为300μm的p型掺杂的约13×13cm的正方形常规硅晶片。这些晶片是商业上可获得的，如由Bayer SolarGmbH或PV Silicon GmbH制造。
p掺杂以及SiNx沉积物
(通过后续的在底部、水、酸和水中，以90℃的温度浸没晶片)蚀刻、构造以及清洗晶片。然后，前表面，即光入射面，在约800-900℃在管状石英炉中用POCl3来处理，以便以背对背的方式通过堆叠晶片在前表面提供n型掺杂硅层。此后，通过使用二氯甲硅烷+NH3-气体的LPCVD(低压化学汽相淀积)在低压下，在800-900℃下在第二管状石英炉中沉积氮化硅以便在晶片的前表面以及侧面上获得氮化硅(SiNx)层。氮化硅层电绝缘、透光以及对化学镀不起催化作用并充当太阳能电池的抗反射涂层。
因此晶片被以硬币状堆叠以便保护表面以及使侧面暴露给使用C2F6+氧的等离子蚀刻来去除氮化硅层并暴露侧面。
通过等离子体蚀刻来暴露后表面。
激光刻槽
此后，经氮化硅层在前表面中用激光切出多个凹槽以做成凹槽栅格。每个凹槽具有包括具有宽20μm和深约30μm的矩形部分以及底部中的V或U型截面的横剖面，总深度为40μm。该凹槽图形包括在前表面上分布的第一组80个平行凹槽(1.5mm间距)以及垂直于第一组凹槽并在具有彼此间隔6cm的两束凹槽中接合的第二组凹槽。每束包括在1.5至2mm宽度内的14个平行凹槽。
激光切出的凹槽穿过亚微米氮化硅层以及n型硅，这意味着在凹槽中的硅主要是p型硅。
为制造n型硅，首先通过在达到50℃的温度下将晶片浸入底部、水、酸以及水中来蚀刻凹槽。然后在约1000℃下在管状石英炉中用POCl3处理凹槽中的表面来提供凹槽中的n型掺杂硅层。
铝沉积
通过PVD(物理汽相淀积)在晶片的后表面上提供铝沉积以及在约700℃在管状石英炉中烧结沉积物。
晶种层
使用来自EnthoneTM-OMI的AL100型镀槽，在凹槽中的外露表面、侧面以及背面上化学镀镍的晶种层。该系统是Ni2+含量为6g/l以及次磷酸钠含量为20g/l并另外包含复杂的试剂和缓冲剂的基于硫酸镍的溶液。该溶液的PH值被调整到具有氢氧化物溶液的9.7-10以及镀敷过程在50-51℃下在100秒内执行。镀敷的晶种层的厚度约为0.1μm。然后在400℃在氮的惰性气氛中将晶种层烧结到硅表面。
导电基层
使用来自EnthoneTM-OMI的EnplateTM Ni 429 E镀槽将化学镀镍的导电基层镀在晶种层的顶面上。该系统是Ni2+含量为6g/l以及次磷酸钠含量为20g/l并还包含复杂的试剂(20g/l)、稳定剂和缓冲剂的基于硫酸镍的溶液，并在75-78℃、pH值6.0-6.2、12分钟内执行镀敷过程。镀敷的基层厚度约为2μm。
电解镀铜
每个晶片固定在用于夹住在与第二组凹槽，即形成两束凹槽的那些凹槽的一端相邻的一个侧面上提供的镍层的阴极夹具上。在该镍层上，使用来自EnthoneTM-OMI的UBACTM ER电镀槽，在约6分钟内用2.0伏的恒定电池电压进行镀铜。该UBACTM ER电镀槽溶液包含180-240g/l硫酸铜(CuSO4.5H2O)、45-90g/l硫酸(H2SO4)、20-80mg/l的氯离子(Cl-)、1.5-2.5ml/l UBACTM ER M光亮剂以及0.1-0.5ml/lUBACTM ER L光亮剂。该光亮剂系统包括充当抑制添加剂的R1-S-S-R2型(R1和R2为烷基磺酸盐族)的有机硫的化合物、充当整平添加剂的二甲基苯基吡唑酮鎓染料以及分子量约为2000的环氧乙烷与1，2-环氧丙烷的嵌段共聚物的载流子光亮剂。
通过镀敷，如图1a所示，完全用铜填充凹槽并且将铜层沉积在背面以及侧面上。
图1b示出了填充凹槽基本上从所述凹槽的底部开始，图1b是已经本发明的方法填充的凹槽的SEM图象，其中该方法在整个方法进行一半时中止。与此相反，图2表示除了在光入射面表面过镀敷外，还伴随有空穴形成的凹槽填充，图2是通过现有技术的化学镀方法填充的凹槽的SEM图象。
激光侧面隔离
通过激光切割起断裂线作用的凹槽以及后来的折断去除在侧面上不想要的导电镍和铜沉积物。用这种方式，消除了在前表面中的嵌入铜接点以及在背面上的铜接点间的短路。太阳能电池的测试证明效率为16.5％。
所获得的晶片可以并联连接以形成太阳能电池组合板。
本发明的上述说明显示出，用各种方式改变是显而易见的。不将这些改变视为背离本发明的范围，所有这些对本领域的技术人员来说显而易见的改变也均被视为包括在随后的权利要求的范围内。

Claims (17)

1、一种用于金属化具有掺杂的半导体材料本体的埋栅太阳能电池的一个或多个接点的方法，该本体具有两个主要的相对面，该两个主要的相对面形成均具有一个或多个电接点的光入射面以及背面，该本体还在该主要相对面间具有一个或多个侧面，其中在光入射面的电接点是通过按一个或多个凹槽的图形配置在光入射面的半导体材料中的导电材料来形成的，该方法包括步骤：
a)提供具有p/n节以及在光入射面以及任选的其他表面上具有一电绝缘层的半导体本体，该电绝缘层是透光的而且对化学镀不起催化作用；
b)在一个或多个侧面上提供外露的表面；
c)提供从光入射面经绝缘层并进入半导体本体的深度为20-50μm，以及在光入射面的水平面上宽10-30μm的一个或多个凹槽；
d)对在步骤c)中获得的凹槽中的外露材料掺杂以重建在凹槽中的表面下部的材料中的p-n节；
e)通过化学镀然后烧结，将晶种层应用在凹槽中外露的半导体材料上；
f)通过化学镀，将导电基层应用到在步骤d)中获得的晶种层的顶部；以及
g)通过使用另外包括整平添加剂以及抑制添加剂的常规的电解槽，以及使用基本上恒定的电池电压的电解电镀，用导电接点形成材料填充凹槽。
2、如权利要求1所述的方法，其中在步骤d)中提供的凹槽包括：
i)第一组凹槽，其由在光入射面的主要部分上彼此隔开分布的多个基本上平行的凹槽组成，以及
ii)第二组凹槽，其为与第一组凹槽(i)交叉的一束或多束狭窄地隔开的凹槽，
由此，在步骤(e+f+g)中提供的材料形成相应的第一组嵌入导线以及相应的第二组嵌入导线，该第二组导线形成电连接到第一组嵌入导线的一束或多束母线。
3、如权利要求1或2所述的方法，其中将在一个或多个凹槽的至少一端中的半导体材料的外露表面延伸到至少一个相邻的外露侧面的至少一部分，以及将分别在步骤(e)和(f)中提供的晶种层以及导电基层应用到如此连通的外露表面上，该连通的外露表面确保在凹槽中形成的基层与在侧面的所述部分上形成的基层间的电接触，以及确保了从在步骤(g)中使用的电解电镀装置的夹紧夹具经在侧面上的基层到凹槽中的基层的良好电接触。
4、如权利要求3所述的方法，在步骤e)之前的步骤中使用已经在背面上具有铝涂层的半导体本体，其中：
通过蚀刻氧化铝层激活铝涂层；
以及，其中
步骤(e+f+g)进一步包括分别将晶种层、基层以及接点形成材料的沉积物应用到铝涂层上，由此在步骤(f)中在凹槽以及侧面和背面上形成电连通的基层，以及在步骤(g)在凹槽中、侧面上以及背面上形成接点形成材料的电连通沉积物，其中去除在步骤(e+f+g)中在侧面上形成的导电层的一部分以便消除经由侧面上的导电层在半导体的两个主要相对面上的电接点间的短路。
5、如权利要求2所述的方法，其中将夹具夹紧到与第二组的一个或多个凹槽连通的一个侧面上的导电层上，并且按如下方式在步骤(g)中将半导体本体提升或放入到电解槽中，即与较接近所述侧面的第一组凹槽相比，将位于离所述侧面上的导电层较远处的第一组的凹槽在电解槽中浸没更长的时间周期。
6、如前述任何一个权利要求所述的方法，其中在凹槽中的接点形成材料基本上填满凹槽而没有过镀敷电绝缘透光层。
7、如前述任何一个权利要求所述的方法，其中半导体材料本体包括由硅、砷化镓、磷化铟、硒化铜铟以及氧化锌构成的组中的一种。
8、如前述任何一个权利要求所述的方法，其中晶种层和/或基层包括由Pd、Au、Ag、Co、Sn、Ni及它们的合金构成的组中的一种。
9、如前述任何一个权利要求所述的方法，其中接点形成层包括Cu。
10、一种埋栅太阳能电池，包括具有两个主要相对面的掺杂的半导体材料本体，该两个主要相对面形成均具有一个或多个电接点的光入射面以及背面，该本体还在该主要相对面间具有一个或多个侧面，其中在光入射面的电接点是通过按一个或多个凹槽的图形配置在光入射面的半导体材料中的导电材料来形成的，该光入射面具有由凹槽中断的电绝缘透光涂层，该凹槽在光入射面的水平面处深20-50μm以及宽10-30μm，并具有覆盖在凹槽中的表面上的晶种层，在该晶种层的顶部，该凹槽具有导电基层，在该基层的顶部，还以基本上没有空穴以及没有过镀敷电绝缘透光层的方式用导电接点形成材料填充该凹槽。
11、如权利要求10所述的太阳能电池，其中已经通过化学镀提供晶种层以及导电基层，以及使用基本上恒定的电池电压，在另外包括整平添加剂和抑制添加剂的常规电解槽中，通过电解电镀提供导电接点形成材料。
12、如权利要求10或11所述的太阳能电池，其中半导体材料包括由硅、砷化镓、磷化铟、硒化铜铟以及氧化锌构成的组中的一种。
13、如权利要求10-12中任何一个所述的太阳能电池，其中接点形成材料包括Cu。
14、如权利要求10-13中任何一个所述的太阳能电池，其中晶种层包括包括由Pd、Au、Ag、Co、Sn、Ni及它们的合金构成的组中的一种。
15、如权利要求10-14中任何一个所述的太阳能电池，其中导电基层包括由Pd、Au、Ag、Co、Sn、Ni及它们的合金构成的组中的一种。
16、如权利要求10-15中任何一个所述的太阳能电池，其中半导体材料体是掺杂晶片。
17、用在权利要求1-9中任何一个所述的方法获得的太阳能电池。
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