CN1543681A - 制造太阳能电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种把背面场施加到硅太阳能电池中的方法，该方法包括如下步骤：a)在电池的背面沉积铝层；b)在700～1000℃的温度下使铝层烧结；c)使电池暴露于V族元素化合物的气氛中，并在950～1000℃的温度下进行扩散，以使裸露的p型硅表面中掺入V族元素，优选掺入磷。

Description

制造太阳能电池的方法
本发明涉及p-n结太阳能电池，更具体地说涉及制造p-n结太阳能电池的方法。
陆地上应用的用硅片制造的光电池通常包括p型硅片。硅片的一个表面被掺杂(通常在900～1000℃的温度下用磷掺杂)，以使其变成n型，并产生基本的p-n结，即太阳能电池的活性元件(activecomponent)。然后将金属接点引入前后表面(n和p表面)，使光产生的电流从电池中传导出。对于前接点，金属通常布置为自由栅图案(opengrid pattern)，使光被裸露的硅表面吸收。前栅可布置在嵌入的槽中，从而减少栅格遮蔽光的损耗。这种类型的太阳能电池通常被称为埋藏接点太阳能电池(也称作激光刻槽埋栅(Laser Grooved Buried Grid)-LGBG太阳能电池)。这种基本电池在EP 156366A中披露了。
制造这种电池的方法通常包括下面起始步骤：
1)对于晶体取向[100]的单晶硅片，用苛性碱溶液蚀刻硅表面，形成不规则的锥体；
2)把V族元素，通常是磷掺入p-型硅片的上表面，形成n+层；
3)施加氮化硅上表面涂层，其充当抗反射层，也作为介电(不导电)层，以防止金属镀在上表面不需要的区域；
4)在硅片表面将要镀金属的地方刻槽。除可化学蚀刻、等离子蚀刻或用金刚石锯机械刻槽外，通常采用激光刻槽。
5)使槽中裸露的p-型硅表面掺杂含有V族元素的n-型，通常是掺杂含有磷的n-型；
6)通过把电子“接受体”，例如铝或硼掺入背面，来对电池进行处理，得到背面场(BSF)；
7)将金属接点置入槽中，得到导电前接点，同时将金属接点置入背面，得到导电背接点。
按照上述步骤，必需使硅片边缘绝缘。本发明不涉及这一步骤。
晶体硅太阳能电池上的背面场(步骤6)用来提高电池的效率：背面场将光产生的少数电荷载流子(p-型硅中的电子)驱离背面，否则的话，在使它们在外电路做有用功之前，它们在背面将与大多数的载流子(p-型硅中的空穴)重新结合。高效实验室电池，经常采用如下方法形成的BSF，即通过物理蒸汽沉积来沉积铝膜，并将铝膜加热至高于1050℃(通常超过1100℃)的温度。然而，这些电池通常是因为应用特殊环境，所以才形成BSF，而这种特殊环境不适于低成本商品电池制造：
·所用的铝厚度通常等于或大于2μm，已报道这是形成有效的BSF所必需的最小厚度。
·所用的硅片采用悬浮区域(FZ)熔炼法制造，含低浓度的氧。这些硅片可加热至高温，持续长时间，而不破坏它们的电子性能。然而，因为经济的缘故，所以商品电池必须由含溶解氧杂质的Czochralski(CZ)硅片制造，当Czochralski(CZ)硅片加热至1000℃以上并持续长时间，其性能下降。
在商品太阳能电池中，BSF通常采用下面方法形成，即在硅片背面印刷一层铝厚膜(～20μm)，或旋涂一层含硼化合物膜，然后使铝膜加热至800～900℃的温度(使硼膜加热至1000～1100℃的温度)，以便加入约100ppm浓度的金属。因此这些电池使用了相当大量的铝。在包括BSF的电池中，所述的BSF采用(～2μm)铝层薄膜，硅片的背面通常施加氧化硅或氮化硅薄介电层。除了使背面钝化外，所述介电层起作防止磷原子掺入背面(在电池前连接形成或槽掺杂期间)和防止磷原子阻碍形成良好BSF的阻挡层。铝原子穿过介电层的掺杂通过高温扩散(在氧化硅阻挡层的情况下)完成，或者通过在介电层中形成孔隙来产生定位化的BSF而完成。但是这样增加了电池制作的额外费用和复杂性。
因此，需要一种把BSF施加到硅太阳能电池中的方法，该方法比商品电池采用的方法更有效，也可提高电池的效率。
本发明提供一种把背面场(back surface field)施加到硅太阳能电池中的方法，该方法包括如下步骤：
a)在电池的背面沉积铝层；
b)在700～1000℃的温度下使铝层烧结；
c)使电池暴露于V族元素化合物的气氛中，并在950～1000℃的温度下进行扩散，以使裸露的p型硅表面中掺入V族元素。
在铝层沉积之后使电池进行V族元素掺杂，可取得许多显著的优点。在铝层沉积之前不进行V族元素掺杂，这意味着在背面掺杂V族元素补偿不了铝掺杂。另外，不要求背面上的氧化硅或氮化硅涂层去阻止上述掺杂，从而使工艺更经济。任选，烧结步骤和后续掺杂步骤(上述步骤(b)和(c))可结合，从而使工艺更经济。还有，该方法考虑了要使用低成本的CZ硅片，而原先这种CZ硅片用于另一种使用了高于1000℃的烧结温度的方法时，其性能则下降。
铝沉积通过蒸发沉积或喷镀(sputtering)来完成。任选，在铝沉积之后而在烧结之前，可洗涤硅片的前表面，通常采用去离子水进行洗涤，从而除去前表面不需要的所有铝灰。沉积铝的烧结温度优选850～1000℃，特别优选900～960℃。烧结时间一般不多于30分钟，优选不多于10分钟。
V族元素优选磷或砷；更优选磷。通常采用的化合物是POCl3，POCl3在硅片表面上氧化为P2O5。掺杂优选在960～1000℃的温度下进行。通常裸露的p-型硅表面位于嵌入电池表面的槽中。
硅电池可以是单晶的或多晶的。
现在，参照附图描述本发明具体的实施方案，附图示意性说明了典型的埋藏接点太阳能电池(Buried Contact solar cell)的结构。
图1说明了硅片1。
如上所述，制造方法的第一阶段是：用磷掺杂硅片的上表面2，形成n型层(在图中示为n+)。操作如下：在石英管式炉中，在约800～900℃的温度下，仅使上表面暴露于POCl3和O2中，在硅表面上得到薄P2O5层，在以后更高温度的步骤中，薄P2O5层的磷掺杂硅中。
然后将氮化硅涂层3施加到上表面上，得到抗反射层；这层也起作介电(不导电)层，以防止后来的金属镀在上表面上，以及在槽掺杂步骤中用作磷进一步掺杂表面的阻挡层。在石英管式炉中，在800～900℃的温度下，采用低压化学蒸汽沉积法，通常使用二氯甲硅烷和氨气，来沉积氮化硅。
然后，用激光在硅的上表面刻出平行槽4。这些槽通常宽20μm，深约40μm，间距约1.5mm。然后将硅片浸入苛性腐蚀剂中，以溶解激光刻槽的硅碎片，以及蚀刻槽壁。
因为这些槽切穿经过n型掺杂的硅表面层到下面的p-型硅，因此必需使槽中裸露的p型表面再次掺杂磷。但是根据本发明，在进行这一步骤之前，在硅片的背面沉积铝层。
在铝沉积之前，可清洁硅片的背面，以及采用等离子蚀刻和/或将硅片浸没在酸或碱浴中，来蚀刻硅片的背面。然后通过蒸发沉积，沉积一层0.2～2.0μm厚的铝层5，接着在水中漂洗硅片，除去上表面的所有铝灰。而后在石英管式炉中，在950℃的温度对硅片进行烧结。
在铝层烧结之后，将硅片浸没在稀(0.5～4.0％)氢氟酸溶液中，以除去在槽中生成的所有的氧化硅。然后在去离子水中漂洗硅片，再干燥。
除去槽中的氧化物之后，在石英管式炉中，在980℃的温度下，用POCl3和O2处理硅片。这样在槽表面得到新n型层6(在图中示为n++)。
在另一种实施方案中，由于掺杂步骤中的高温也用来烧结铝，所以铝烧结和在槽中沉积新n型层6两步合在一起。
然后将非电解镍(electroless nickel)基极层淀积在槽中和硅片的背面。在烧结之后，在槽中和硅片背面进一步淀积镍、铜和银，得到槽中导电铜接点7和背面导电层8。然后，采用本领域技术人员熟知的方法进行边缘绝缘(激光划切边缘)，完成电池制作。
试验表明，本发明方法得到比现有技术电池的效率高出约6％的太阳能电池，因此电池的总效率从约16％上升至约17％。
实施例1-3
采用下面一般方法，在不同条件下，制造面积为147cm2的太阳能电池。
原材料
采用常规CZ硅片，该硅片掺杂了含硼的p-型，使电阻率为1.2欧姆.厘米，长有平行于硅片表面的[100]晶面。硅片尺寸为127mm正方形，带有直径为150mm的圆角。硅片厚300μm。这种硅片可从市场上购到，例如从Bayer Solar GmbH、PV Silicon GmbH和Pillar购买到。
硅片表面处理
在氢氧化钠和丙醇的溶液中，在90℃的温度下，对硅片进行各向异性织构化蚀刻，然后将硅片浸没在氢氟酸和盐酸中进行清洁，其间及最后用去离子水漂洗，再进行干燥。
磷掺杂和氮化硅沉积
将硅片成对地(互相接触)放置在石英片承载器的槽沟中，在800℃的温度下，在POCl3蒸气和O2的气氛中进行处理，从而在硅片的外表面沉积10nm厚的磷玻璃(phosphorus glass)膜。接着，(放置于石英承载器中的)硅片在氮化硅和氨气的气氛中，在40Pa的压力和780～860℃的温度下进行处理，以在外面的硅上沉积110nm厚的氮化硅。
等离子蚀刻
这一步不是本发明方法的必要部分，但为获得良好的电池效果则是必需的。由于上述步骤，环绕硅片背面的周边(到10～20mm的距离)通常沉积一些不需要的氮化硅。采用由氟利昂和氧气形成的气体等离子体进行蚀刻来除去这些膜。通过将硅片前表面互相接触放置，并使其背面暴露于气体等离子体中，而完成这一步骤。
激光刻槽
在前表面(有氮化硅膜的表面)刻入许多槽，这些槽以后将形成导电栅，通过导电栅来传输电流。每个槽的大小通常为宽20μm，深40μm，采用Nd:YAG激光Q，以50kHz的频率转换，以500mm/s的速度穿过硅片表面，激光烧蚀表面材料，形成槽。槽的图案包括分布于整个表面的间距1.5mm第一组平行线和与第一组垂直的第二组槽，槽图案组成彼此间相距约6cm的两束。每束包括在1.5mm宽度内的平行槽。
槽清洁
激光刻槽的操作通常在硅片表面产生硅碎片，以及包含不希望有的晶体不完整性的槽侧壁。因此，使硅片在氢氧化钠的溶液中，在50℃的温度下进行蚀刻，以溶解硅碎片，并使槽壁蚀刻至几微米的深度。然后将硅片浸没在氢氟酸和盐酸中进行清洁，其间及最后用去离子水漂洗，再进行干燥。
铝沉积
采用热蒸发(也可使用喷镀)在硅片背面沉积500nm厚的铝膜。然后用去离子水漂洗硅片，除去所有的铝灰，再进行干燥。
铝烧结
将硅片放置于插入石英管中的石英片承载器中，在氧气气氛中加热至所需要的温度(参见下面表1中的温度)，持续15分钟。在烧结步骤之后，将硅片浸没在氢氟酸和盐酸中进行清洁，其间及最后用去离子水漂洗，再进行干燥。
槽掺杂
将硅片成对(不接触)、铝表面彼此面对面地放置在石英片承载器中。然后将承载器插入石英管中，在960～1000℃的温度下，在POCl3蒸气和O2的气氛中处理20分钟，以使磷掺入裸露的硅表面，至薄片电阻率为8欧姆/方(ohm/square)。
镀镍
将硅片浸入4％的氢氟酸溶液中90秒，再用去离子水进行漂洗。然后将硅片浸入碱性非电解镍电镀液(Enplate Al-100)中100s，沉积0.1μm Ni膜，接着用去离子水漂洗，然后干燥。
镍烧结
在氮气气氛中，将镀镍的硅片加热至400℃并持续6分钟，使镍烧结到硅表面上。
镀铜
采用下面步骤对硅片进行处理，从而在槽中和硅片背面镀上5微米厚的铜膜。将硅片浸没在30％的硝酸中2分钟，接着在水中漂洗10分钟，再将硅片浸没在1％的氢氟酸中30秒，在水中漂洗10分钟，然后在90℃的温度下将硅片浸入酸性非电解镀镍溶液(Enplate Ni-416)中60秒，在水中漂洗30秒，再在50℃的温度下将硅片浸入非电解镀铜溶液(Enplate Cu-703)中120分钟，在水中漂洗10分钟，在室温下再将硅片浸入氰化银钾溶液中6分钟，在水中漂洗10分钟，而后进行干燥。
边缘绝缘
通过在硅片背面并与硅片边缘相距1mm的周边的硅表面上切出深100～150μm的槽沟，来除去边缘上不需要的镍和铜的导电沉积物。切开并弃去边缘处1mm硅，除去边缘材料。现在电池制作完成，并可准备测试。
下面表1说明本发明有关步骤中采用的不同条件和进行的次序，以及说明所得到电池的效果的测量。
实施例1根据现有技术的方法进行，在该方法中，上述“槽掺杂”步骤在“铝沉积”和“铝烧结”步骤之前进行。在实施例2和3中，根据本发明，磷掺杂在铝层沉积和烧结之后进行。可以看出950℃的烧结温度得到的结果好于995℃的烧结温度得到的结果。
表1
  实施例     工艺条件 Isc/A   Voc/V   效率
1(比较)   在960～1000℃下进行POCl3掺杂+0.5μm蒸发的铝+在700℃下烧结 5.29 603 16.8％
2   0.5μm蒸发的铝+在950℃下，在O2中烧结10分钟+在960～1000℃下进行POCl3掺杂 5.48 611 17.9％
3   0.5μm蒸发的铝+在995℃下，在O2中烧结30分钟+在960～1000℃下进行POCl3掺杂 5.37 610 17.5％
Isc＝采用AM1.5G光谱，在1000W/m2照度下，电池的短路电流；
Voc＝采用AM1.5G光谱，在1000W/m2照度下，电池的开路电压；
效率＝电能输出量与光能输入量之比
实施例4～11
采用各种烧结温度和时间，重复实施例2和3的方法。为了比较用，根据如上述实施例1的现有技术方法使用BSF的电池，也进行试验。结果示于表2。可看出，通常较低的烧结温度和较短的烧结时间取得更高的效率。
表2
  实施例  Al烧结温度和时间 电池数目  Isc/A  Voc/V  FF(％)   效率(％)
    4  现有技术方法     26     5.18     604     77.1     16.4
    5  995℃下持续30min     9     5.26     609     78.1     17.0
    6  950℃下持续50min     9     5.22     607     78.5     16.9
    7  950℃下持续25min     10     5.37     613     78.6     17.6
    8  950℃下持续10min     10     5.42     615     78.7     17.8
    9  900℃下持续50min     10     5.40     615     78.5     17.7
    10  900℃下持续25min     10     5.41     616     78.4     17.7
    11  900℃下持续10min     11     5.41     616     78.6     17.8
FF＝填充因子(Fill Factor)，功率输出/(Isc*Voc)(power out/(Isc*Voc))的量度。
电池数目是用于实验以得到表中给出的平均值的电池数。

Claims (9)

1.把背面场施加到硅太阳能电池中的方法，该方法包括如下步骤：
a)在电池的背面沉积铝层；
b)在700～1000℃的温度下使铝层烧结；
c)使电池暴露于V族元素化合物的气氛中，并在950～1000℃的温度下进行扩散，以使裸露的p型硅表面中掺入V族元素。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(b)中的烧结温度为850～1000℃，优选900～960℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述步骤(b)中的烧结时间不超过30分钟，优选不超过10分钟。
4.根据上述任意项权利要求所述的方法，其中所述步骤(b)和(c)合并。
5.根据上述任意项权利要求所述的方法，其中所述V族元素是磷或砷。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述V族元素的化合物是POCl3。
7.根据上述任意项权利要求所述的方法，其中所述步骤(c)的掺杂在960～1000℃的温度下进行。
8.根据上述任意项权利要求所述的方法，其中所述的裸露的p-型硅表面位于嵌入电池表面的槽中。
9.根据上述任意项权利要求所述的方法，其中所述的硅是单晶硅。
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