CN1813356A - 具有集成导电通孔的背面接触太阳能电池以及制造方法 - Google Patents

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Abstract

制造背面接触的p－型半导体衬底太阳能电池(10)的方法，所述太阳能电池(10)是用梯度驱动的溶质运输方法制作的，如热迁移或电迁移，以产生连接正面n－型发射体层(14)和位于背面的n－型欧姆接触(20)的n－型导电通孔(18)，以及例如通过梯度驱动的溶质运输方法制作的具有集成的n－型导电通孔的背面接触太阳能电池。

Description

具有集成导电通孔的背面接触太阳能电池以及制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2003年6月26日提交的Gee等人的美国专利申请No.10/606,487的优先权，该申请标题为“Fabrication of Back-Contacted SiliconSolar Cells Using Thermomigration to Create Conductive Vias”，其说明书通过引用结合在此。
联邦政府发起的研究
依照能源部和Sandia公司的合同DE-AC04-94AL85000，美国政府拥有本发明的权利。
技术领域
总的来说，本发明涉及光电太阳能电池和制造光电太阳能电池的方法，更具体而言，涉及具有集成到p型半导体衬底上的n++导电通路或通道阵列的背面接触的太阳能电池，该太阳能电池优选使用梯度驱动迁移方法制造，如热迁移或电迁移，以制作将电池正面上的n+发射体表面导电连接到位于电池背面的欧姆接触的栅极上的n++导电通孔阵列。
背景技术
背面接触硅太阳能电池(光电电池)与传统的在前背面上都有欧姆接触的硅太阳能电池相比由几个优点。一个优点是背面接触的电池由于减小(或消除)了接触-遮蔽损失(例如从正面接触栅极反射的阳光不可用于转化成电)，从而具有更高的转化效率。另一优点是将背面接触电池组装成电路更容易且更便宜，因为两种极性接触都在同一面上(即背面)。举例而言，与目前的光电模件组装相比，使用背面接触电池，通过一个步骤将光电模件密封并将太阳能电池组装成电路，从而显著节约了成本。背面接触电池的另一优点是提供更加均匀的外观(例如全黑背面)而具有更好的美感。对于某些应用而言，美感是很重要的，如集成到建筑物上的光电系统(例如太阳能瓦)以及用于汽车的光电活动顶篷。
背面接触硅太阳能电池的一个重要问题是确认电池设计和制造方法是制作便宜的，并且可以使用便宜的较低品质的硅衬底。使用廉价硅衬底的太阳能电池含有更大量的杂质和结晶缺陷，从而限制了光产生的载流子的内收集深度。因此，使用廉价衬底的硅太阳能电池通常在正面(大多数光在此处被吸收)具有载流子-收集结(即“发射体层”)，以获得高的光生载流子收集效率。对于硅太阳能电池，整体Si衬底通常是p-型掺杂的，而发射体层通常是薄的重掺杂的n+层，该层是在“发射体扩散”步骤中通过高温下磷的固态扩散而形成的。
目前的背面接触太阳能电池使用激光钻凿的孔的阵列以有效地将发射体层从正面“绕”回到背面(因此，称作“发射体绕过(Emitter WrapThrough)”或EWT)。这些激光钻凿的孔仅隔开约1-2mm，并且典型地具有约50-150微米的直径(化学蚀刻后)。发射体扩散步骤(即用磷掺杂)将暴露在外的前后硅表面都n-型掺杂(任何掩盖区域除外)，并且将位于中空的激光钻孔内部的暴露的内部硅表面也n-型掺杂(即n-掺杂的)。孔的内部n-掺杂的表面形成将n-掺杂的发射正面和n-掺杂的背面导电连接的导电通孔或路径(即“通道”)，从而可以在背面上形成负欧姆接触(即电流收集栅极(current-collection grids))。激光钻孔的n-掺杂还提供导电通孔与p-型散块半导体(bulk半导体)的电绝缘。如在Gee的US专利5,468,652中公开的，该专利通过引用结合在此，使用扩散有磷的激光钻孔，即具有EWT构造，已经显示了使用光刻法限定的和丝网印刷的金属喷镀的有效的背面接触太阳能电池。背面接触正和负网格线是互相交叉的，并且被最优化，以将电阻和载流子复合最小化。
使用激光钻孔来制造导电通孔的EWT设计的缺点包括需要钻大量的孔(例如100孔/cm2)，由大量的孔导致的结构完整性的丧失，以及进行激光钻孔步骤的成本增加和制造费时。另外，激光钻孔通道的传导率受到可获得的n-型掺杂物浓度的限制，并且受到在激光钻孔内表面上获得的发射体扩散层的深度限制。换言之，激光钻孔的/扩散的EWT电池的性能受到需要进行单个重扩散以在激光钻孔通道中获得足够高的传导率的限制。
热迁移(即索雷效应)是梯度驱动的迁移过程，是指液体溶质(例如滴、小滴、线)在温度梯度(即热梯度)的存在下，穿过固体基质的移动。该过程的物理现象包括固体基质在液滴的前(热)表面处更快的溶解，这造成液滴后(冷)表面处的溶质的过饱和，在此溶质沉积。换言之，由于固体基质的原子溶解到液滴的热界面处的液体中，液滴(典型地，金属)在固体基质内部向着热梯度方向迁移(从冷向热迁移)，扩散通过小滴，并且沉积在小滴的冷界面上。所产生的溶解的固体基质原子从液体小滴热侧向冷侧的流动使小滴向相反方向迁移，即，向基质的热端迁移。对于金属小滴，为了进行热迁移，半导体衬底的最低温度必需超过半导体/金属共晶温度。
通过热迁移过程，合适的金属液体的片、线或滴在热梯度的影响下，可以移动通过半导体材料的主体，留下包含重结晶固体基质材料的痕迹，所述重结晶固体基质材料掺杂有液相通过后留下的掺杂物材料的固体溶液。如果液态金属滴含有(或者本身就是)具有和衬底相反极性的掺杂物，热迁移可以形成重掺杂硅的导电沟道(通道)。当小滴和平面区域的大小足够小时，它们的热迁移(也称作温度梯度或热梯度区域熔化(TGZM))已经被证明是稳定的方法。TGZM法是由Pfann于1957年首次申请专利的。还可参见H.E.Cline和T.R.Anthony，Journal of Applied Physics，Vol.47，No.6，June 1976。Cline和Anthony测量了在施加了约50℃/cm的热梯度下，以约1mm/小时的速度迁移通过1200℃的n-型硅的富含铝的液线和液点/液滴。在该实验中，沉积在迁移的富含铝的小滴后的重结晶硅被残留的铝固体溶液(p-掺杂物)充分掺杂，而将最初的n-型硅基体/基质转化成所留下的重结晶的柱状/圆柱状小滴痕迹内部的p-型硅。已知铝、金和镓可以热迁移通过硅、锗或者砷化镓。
热迁移已经被用于制造太阳能电池中的p-n结。例如，参见Anthony等的US专利3,936,319；Warner的US专利4,190,852和Chaing等的US专利4,173,496。但是，该技术还没有被用于制造完全背面接触的太阳能电池，或者用于制造背面接触太阳能电池中的n-掺杂的导电通孔。
在梯度驱动运输过程中，如热迁移(或电迁移)中，温度(或电场)梯度决定了溶质材料的运输/迁移方向。在硅太阳能电池制造中，热梯度的方向是典型地横跨硅衬底/晶片的厚度定向的(即在垂直于硅衬底平面的方向上)。这样的热梯度可以通过加热衬底的一侧而产生，而不是加热两侧(这会产生均匀的温度)。
在典型的半导体生产线中，有时需要均匀地快速升高硅晶片的温度，然后短时间保持，例如60秒，用于退火或扩散处理。这经常是用快速热处理(Rapid Thermal Processing，简称RTP)设备完成的，该设备典型地由一排双边的钨卤素石英加热灯组成，这些灯均匀地加热晶片两侧，从而晶片上或其厚度方向上基本上没有温度变化。不能接受的大的温度变化将产生不均匀的退火速度、扩散速度等，并且导致可靠性差、产量下降等。因此，RTP设备是经过仔细涉及的，以尽可能均匀地加热硅晶片，并且使晶片厚度方向上的任何温度梯度最小化。
电迁移是类似于热迁移的另一类梯度驱动迁移方法，可以用于移动金属小滴通过半导体材料。至于更多细节，参见Anthony的US专利4,377,423，该专利通过引用结合在此。在这种方法中，电场梯度(电势)提供使液体金属小滴移动通过半导体材料厚度方向，如液态铝滴通过硅的驱动力。
因此，需要一种经济并且可靠的方法，该方法使用热迁移(或一些其它类型的梯度驱动溶质运输技术，如电迁移)产生密集的n++导电通孔阵列，所述n++导电通孔在不需要穿过太阳能电池衬底的物理孔的情况下，将太阳能电池正面上的n+发射体层导电连接到位于电池背面的欧姆接触上。基于此背景，进行了本发明。
发明内容
总的来说，本发明涉及制造光电太阳能电池的方法，更具体而言，涉及用梯度驱动溶质运输方法制造的背面接触硅太阳能电池，所述方法如热迁移或电迁移，以制作将太阳能电池正面上的n+发射体层导电连接到位于电池背面的欧姆接触上的密集的n++导电通孔阵列。
本发明还涉及光电硅太阳能电池，更具体地，涉及背面接触硅太阳能电池，其中包括在硅结构体中形成的n++掺杂痕迹的密集的n++导电通孔阵列将太阳能电池正面上的n+发射体层导电连接到位于电池背面的欧姆接触上。
本发明的某些实施方案使用梯度驱动迁移法(例如热迁移或电迁移)，在一个步骤中制作导电沟道(即通道)，而不是先激光钻孔形成孔阵列，接着掺杂磷以提供导电通路的两步方法。使用梯度驱动迁移法同时制造密集的导电通孔阵列(如本发明)，减少了制造背面接触太阳能电池所需的成本和时间，因为可以同时制造多个通道(而不是等待每次一个地通过单独的激光钻孔形成每个孔)。进行热迁移的设备比用于激光钻孔的设备便宜。而且，使用热迁移制造的通道与激光钻孔相比，具有更高的传导率。
此外，热迁移背面接触电池可以具有更加优化掺杂的正面，用于获得更高的转化效率。在标准前接触的电池中，前发射体必须充分重掺杂以获得低电阻。由于发射体中复合损失增加，在重掺杂发射体中有一些光电流损失。使用EWT几何结构和激光钻孔的背面接触电池的最简单加工顺序使用重反射体扩散，将孔内部的串联电阻和与栅极的接触电阻最小化。在使用热迁移通道的背面接触电池中，可以在分开的步骤中进行正面n+扩散和导电通孔掺杂——因而可以将每个步骤单独优化。因此，可以将包含更低掺杂浓度的更加优化掺杂的正面用于热迁移电池，从而导致光电流收集提高。
热迁移的通道的另一优点是更低的串联电阻。与EWT电池中的扩散孔相比，热迁移导电通孔的串联电阻更低，因为热迁移通道是掺杂的实心圆柱体或者其它实心结构，而EWT电池仅在激光钻孔的壁上有薄的表面n+扩散。如果热迁移后的地方留下热迁移金属，则还得到低得多的接触电阻。此外，如果热迁移通道是线型图案而不是孔形，则由反射体中电流造成的损失可减少。而且，如果热迁移通道图案是线图，背面上的热迁移金属就可能会留在表面上并被用作n-型栅极。
本发明的再一优点是，在不需要任何孔或者其它对半导体衬底大的物理改变的情况下，在诸如硅结构体的p-型半导体衬底中形成包括n++掺杂痕迹的n++导电通孔。如此，在半导体衬底的结构内部形成n++掺杂的痕迹。
附图说明
结合到说明书中并形成其一部分的附图举例说明了本发明的不同实施例，并且和详细描述一起，用于解释本发明的原理。
图1A所示的是根据本发明的背面接触硅太阳能电池的第一实施例的示意性横截面侧视图。
图1B所示的是根据本发明的背面接触硅太阳能电池的第一实施例的示意性等距视图(isometric view)。
图1C显示的是根据本发明的背面接触硅太阳能电池的第二实施例的示意性横截面侧视图。
图1D显示的是根据本发明的背面接触硅太阳能电池的第三实施例的示意性横截面侧视图。
图2A-2I所示的是根据本发明使用梯度驱动迁移法制造背面接触硅太阳能电池的加工步骤顺序的第一实施例的示意性横截面侧视图。
图3A-3E所示的是根据本发明使用梯度驱动迁移法制造背面接触硅太阳能电池的加工步骤顺序的第二实施例的示意性横截面侧视图。
具体实施方式
请注意，在附图中，不同绝缘、半导体和金属材料层的厚度，以及其它尺寸，如接触垫的宽度，不是按比例画的，而是为了举例说明和便于识别而示意性地显示的。
在说明书和权利要求中，称作“热迁移”的方法包括任何梯度驱动的迁移方法，包括热迁移和电迁移。
图1A显示的是根据本发明的背面接触硅太阳能电池的第一实施例的示意性横截面侧视图。背面接触太阳能电池10包含p-型整体硅衬底12；位于衬底12正面11上的正面n+扩散发射体层14；位于衬底12背面13上的背面n+扩散发射体层15；位于衬底12背面13上并和背面发射体层15接触的n-网格线负欧姆接触20；穿过衬底12厚度安置的n++导电通孔18，通道18将正面发射体层14导电连接到位于背面13上的负欧姆接触20和位于背面13上的p-网格线正欧姆接触20上，所述p-网格线正欧姆接触20和p-型硅衬底12导电连接。导电通孔18还接触背面发射体层15。正面n+扩散发射体层14可以包含磷n+扩散层。在一个实施方案中，正面发射体层14可以是轻掺杂的，而背面n+发射体15可以是重掺杂的。备选地，在另一实施方案中，发射体层14和15都被n-掺杂近似相等的量。导电通孔18可以包含重结晶的n++掺杂痕迹，该痕迹是在梯度驱动迁移完全通过溶质材料衬底12后形成的，所述溶质材料是或者含有n++掺杂物材料。本说明书中，“重结晶”是指诸如硅的衬底至少部分溶解和结晶结构的至少部分再生长的过程，所述结晶结构如由熔融溶质材料通过衬底的热迁移形成的结晶结构。梯度驱动的迁移过程可以包括热迁移(例如TGZM)、电迁移或者两者的组合。梯度驱动迁移的方向可以是从正面11向背面13，或者备选地，可以从背面13指向正面11。n-型和p-型欧姆接触20和22都位于衬底12的背面13上。导电通孔18是实心构件(例如圆柱体、杆、平面)，并且不是空心的激光钻孔。可以在背面13上加上电介质层(未显示)以将n-栅极20与p-型衬底12并且与p-栅极22电学隔离。
图1B所示的是根据本发明的背面接触硅太阳能电池的第一实施例的示意性等距视图。参考数字和图1A相同。背面接触太阳能电池10包括密集的用梯度驱动迁移方法制造的导电通孔18、18′等的阵列。相邻导电通孔18、18′等的间隔可以为1-2mm，导电通孔18、18′等的直径可以为25-150微米。n-网格线20、20′等以及p-网格线22、22′等在背面13上相互交叉，并且进行优化以使电阻和载流子复合最小化。P-汇流条24连接单独的p-网格线22、22′等。n-型汇流条在该图中没有显示。
图1C显示的是根据本发明的背面接触硅太阳能电池的第二实施例的示意性横截面侧视图。参考数字和图1A和1B相同。但是，在该实施方案中，没有背面n+扩散发射体层。而且，导电通孔18比n-栅极接触20宽很多，以防止n-栅极接触20和p-型衬底12之间短路。在该实施方案中，导电通孔18可以包含宽的金属线或条纹(例如＞100微米)，而不是小滴。
有几种制造这些背面接触电池的方法，此处讨论的这些实施例的改变都是可能的。
图2A-2I所示的是根据本发明，使用梯度驱动迁移法制造背面接触硅太阳能电池24的加工步骤顺序的第一实施例的示意性横截面侧视图。图2A中，提供薄的p-型整体硅衬底26。然后，将晶片清洁并蚀刻。接着，在图2B中，制作形成图案的扩散阻隔层32，以遮蔽衬底26背面30的一部分。扩散阻隔层32可以包含丝网印刷的氧化物层(例如SiO2)，或者可以包含沉积层，如Si3N4，或者通过PECVD、APCVD或其它方式沉积的其它合适材料，随后通过丝网印刷抗蚀剂形成图案并进行蚀刻。接着，在图2C中，进行磷扩散步骤(例如POCl3)，该步产生正面n+发射体层34和背面n+发射体层36。扩散阻隔层32的存在防止了底下的衬底26的区域掺杂磷。接着，在图2D中，例如通过进行氢氟酸蚀刻除去扩散阻隔层32。该步暴露出p-型硅衬底26的未掺杂区域38，该区域随后将被欧姆接触网格线覆盖。
接着，在图2E中，将金属载流子小滴40，该小滴含有(或者本身就是)n-型掺杂物材料，沉积在正面n+发射体层34上。载流子小滴40可以用多种沉积方法沉积，包括但不限于：丝网印刷，喷墨印刷，蒸发，溅射，CVD，PECVD，冷喷射沉积(金属粉的动力学沉积)，等离子体-电弧喷射沉积，LIGA，电镀，非电解镀层，以及这些方法的组合。密集的小滴的阵列(参见，例如，图1B)可以同时沉积。任选地，在沉积小滴40前，可以激光钻孔、化学蚀刻或者以其它方式产生用于保持小滴40的潜“坑”或凹陷(未显示)。然后，可以通过不用丝网的丝网印刷用溶质金属填充浅坑，即，使用涂刷器将负载有金属的膏剂推过背面，使其填充浅坑。浅坑的使用可以通过改善润湿性，并且通过将熔化金属小滴40保持并居中于井型凹陷中，而有助于改善随后的热迁移过程的可靠性。否则，熔化的小滴40可能在润湿和渗透硅衬底26之前环绕该面有一些移动。任选地，可以将薄电介质层(例如PECVD Si3N4)沉积在如此沉积的小滴40上方(即在开始热迁移处理前)，以帮助稳定熔化的小滴；防止小滴蒸发；并且便于熔化的小滴进入硅衬底12(并稍后充当抗反射涂层)。在备选实施方案中，在沉积小滴40前，可以将薄电介质层沉积在背面上和浅坑中，在另一备选实施方案中，可以提供用于保持载流子线或条纹的潜槽或线形凹陷。
接着，在图2F中，将衬底26放在特殊设计的快速热处理器(RTP)41中，在RTP 41中将其加热到高到足以熔化小滴40的温度。RTP 41还在衬底厚度方向上产生温度梯度。热梯度越大且平均温度越高，则热迁移越快。典型的温度梯度可以为约50℃/cm。这可以通过例如用一排钨卤素或等离子体电弧灯50加热背面30，并且使用具有黑化的辐射吸收表面的水或气冷散热片52冷却正面28而实现。根据热迁移方法(或者使用电场梯度的电迁移)，在衬底26厚度方向上产生的温度梯度驱使熔化的小滴40在向着更热面的方向上(例如向着背面30)移动。在小滴40通过后形成的重结晶的圆柱形区域42包含足够高的在小滴痕迹中留下的n++掺杂物残余浓度，以使通道42和n-型发射体层28和30导电连接，同时还与p-型整体硅衬底26电绝缘。快速热处理器41可以使用大功率等离子体电弧灯，如Vancouver BC，Canada的Vortek，Inc.制造的氩电弧灯，该灯产生具有其中UV/可见光占大部分(大百分比)的光谱的强光束，这与主要产生IR光的钨卤素灯相反。由氩等离子体电弧灯产生的大百分比的UV/可见光更加有效地耦合到硅衬底中(并且因而更加快速和有效地加热硅衬底)，因为硅在UV谱而不是IR谱中有高吸收。
用于小滴40的热迁移金属必须n-型(例如n++)掺杂硅，以在正面和背面上的磷扩散层之间形成导电通孔。合适的n-型掺杂金属的实例包括磷、砷和锑，以及它们的组合或合金。这些掺杂金属可以以元素形式使用，或者与可以在相对低的温度下和硅形成共晶相的载体金属组合、形成合金或混和。合适的载体金属实例包括银、铂、镓、镁、铟、铝、锡、铜和金，以及它们的组合或合金(例如银/铝、银/锡)。备选地，可以使用三元合金作为载流子小滴40。例如，可以使用银-金-锑和银-锡-锑对硅进行n-型掺杂。根据TGZM处理温度和小滴组成，可以使用银-铝-锑对硅进行n-型或p-型掺杂。Ag-10原子％ Sb-10原子％ Al在1200℃下n-型掺杂硅。但是，通常，TGZM处理应当在比半导体材料与掺杂材料和/或载流子掺杂材料之间形成金属间化合物的温度高的温度下进行。
对于由锗制成的半导体衬底，合适的n-型掺杂金属实例包括磷、锑和砷。合适的载流子小滴金属的实例包括铝、镓、铅、银、镉、铊、锌、锡、金和铟。有关合适的掺杂金属/载体金属组合的额外信息可以在Anthony的US专利4,184,897中找到，该专利通过引用包含在此。
接着，在图2G中，金属小滴40已经完全迁移通过衬底26并且再次出现在背部表面30上。通过渗透穿过背面发射体层36，从而n++掺杂的导电通孔18将正面发射体层34和背面发射体层36导电连接。
接着，在图2H中，通过例如化学抛光将再次出现的小滴40除去。备选地，可以将再次出现的小滴40留在适当的位置而不除去，在那儿小滴40可以形成背面欧姆接触或其一部分。而且，在图2H中，将氮化硅或其它合适的保护材料的保护涂层44沉积在电池24的正面28上，从而覆盖发射体层34。可以采用例如等离子体-增强的化学气相沉积(PECVD)或其它本领域公知的技术来沉积氮化硅涂层44。涂层44可以包含SiNx抗反射(ARC)涂料。涂层44可以用作抗反射涂层，还可以提供表面钝化和本体缺陷的一些钝化。备选地，层40可以包含通过大气压CVD、喷射热解、丝网印刷或其它技术沉积的TiO2抗反射涂层。与PECVD Si3N4 ARC膜相比，TiO2 ARC膜通常得到较低效率的太阳能电池，因为TiO2膜不提供任何表面缺陷或本体缺陷的钝化。
接着，在图2I中，可以在沉积欧姆接触之前，将任选的电介质钝化层45应用到电池24的背面上，以防止接触间的短路或分流。理想的表面钝化层使表面重组以及表面导电沟道最小化。可以使用具有良好表面钝化性质的不同电介质层(例如沉积的SiNx，沉积的SiO2或热生长的SiO2)作为背面钝化层45。请注意，钝化层45可以形成或不形成图案，这取决于后继的用于制造欧姆接触的方法(如下所述)。
最后，在图2J中，制作n-网格线负欧姆接触46和p-网格线正欧姆接触48。这些接触通常是以相互交叉图案形式安置的，并且可以通过如下方法应用：蒸发；含有银、铝或银-铝化合物的膏剂的丝网印刷；或者其它公知技术，如非电解镀层等。例如，可以使用丝网印刷的铝或银/铝膏剂来形成p-接触48，并且可以使用丝网印刷的银来形成n-接触46。印刷后，可以将接触在带炉(belt furnace)中在约730℃下共烧制，以促进和硅的良好接触。如果在接触印刷前已经形成了钝化层45，并且如果钝化层45还没有形成图案，则必须在需要在下面的导电表面上形成欧姆接触的区域穿透层45。可以用如下方法实现这点，例如，使用包含一些侵蚀性氧化物玻璃料粒子的Ag-膏剂，帮助蚀刻穿透用于层45的任何表面氧化物，并且将Ag-粒子附着在下面的表面上。Ag-膏剂为焙烧Ag-栅极通过70-nm厚的SiNx层提供特定的膏组合物。这样的特定膏组合物的使用可以消除掩饰背面钝化层45或将其形成图案的需要；但是，这种方法趋向于限制层45的厚度。
可以将图2A-2J所示第一实施方案中所述的制作步骤总结如下：
1.提供薄的p-型硅衬底
2.清洁和蚀刻硅
3.丝网印刷用于扩散阻隔层的氧化物
4.磷扩散
5.除去氧化物(例如氢氟酸蚀刻)
7.丝网印刷热迁移金属小滴阵列
8.在特殊设计的快速热处理器中进行热迁移
9.用等离子体-增强的CVD在正面沉积氮化硅形成抗反射涂层
10.丝网印刷用于负极性n-接触的银膏剂
11.丝网印刷用于正极性p-接触的银膏剂
12.焙烧接触，使其与硅良好接触
13.测试太阳能电池。
在图2A-2J所示制作过程的第一实施例中，小滴40的热迁移方向是从正面28到背面20(即从冷到热)。如果不将再次出现的小滴40除去，并且用于形成欧姆接触，这种方向选择是有用的。但是，如果将要除去再次出现的小滴，则可以通过在相反方向上产生热梯度而逆转热迁移方向。在这种情况下，运行快速热处理器使正面28比背面30热。而且，将最初的金属小滴40沉积在背面30上。从而，小滴40在向着更热的正面28的方向上迁移，最终，小滴40再次出现在正面28上，在此可以将小滴40除去。
图3A-3E所示的是根据本发明，使用梯度驱动迁移法制造背面接触硅太阳能电池124的加工步骤顺序的第二实施例的示意性横截面侧视图。在图3A中，提供p-型整体硅衬底126。然后，将该晶片清洁并且蚀刻。接着，在图3B中，进行磷扩散步骤(例如POCl3)，产生正面n+发射体层134和背面n+发射体层136。在第二实施方案中没有使用扩散阻隔层，这与先前在图2A-2J中所示的第一实施例不同。
接着，在图3C中，在衬底126的部分背面130上沉积抗蚀剂层131(例如，通过丝网印刷)，然后干燥。将抗蚀剂层131形成图案，将随后放置p-型欧姆接触的区域暴露出来。
接着，在图3D中，将衬底126的背面蚀刻(即化学蚀刻或等离子体蚀刻)，以从随后放置p-型欧姆接触的区域138上除去该部分背面n+发射体层136。
接着，在图3E中，除去抗蚀剂层131，从而暴露背面n+发射体层136。而且，将金属小滴140沉积在正面n+发射体层134上，该小滴140稍后将热迁移形成导电通孔。在这个阶段，图3E所示的半成品组件和图2E所示的一样。同样地，余下的加工步骤与图2F-2J所示的相同。
可以将图3A-2E所示第二实施例中所述的制作步骤总结如下：
1.提供薄的p-型硅衬底
2.清洁和蚀刻硅
3.随处的磷扩散(没有扩散阻隔层)
4.将抗蚀剂丝网印刷在背面上，但将要制成p-型欧姆接触的区域除外
5.干燥抗蚀剂
6.从p-接触区域除去n+扩散发射体层(化学蚀刻、等离子体蚀刻)
7.除去抗蚀剂层
8.丝网印刷热迁移金属小滴阵列
9.在特殊设计的快速热处理器中进行热迁移
10.用等离子体-增强的CVD在正面沉积氮化硅形成抗反射涂层
11.丝网印刷用于负极性n-接触的银膏剂
12.丝网印刷用于正极性p-接触的银膏剂
13.焙烧接触，使其与硅良好接触
14.测试太阳能电池。
可以用除硅或锗以外的半导体衬底实施本发明，如：磷化镓铟，砷化镓，锑化铟，铜铟镓联硒化物，碲化镉和硫化锌。因此，此处涉及的“硅”半导体衬底包括上述每一种。
还可以将强烈还原表面氧化物的金属加入到热迁移合金中来实施本发明。强烈还原表面氧化物的金属本身起到增强表面润湿作用。可以如此使用的金属包括Al和Mg。
还可以在印刷或其它热迁移金属沉积之前，将非常薄的金属层非电解镀层到暴露的Si表面上，来实施本发明。非电解镀层的金属薄层起到增强润湿的作用。这样的金属可以包括，例如Ni或Pd。在使用该方法的一实施方案中，将暴露的Si表面用成图案的电介质覆盖，其中电介质只存在于用于表面润湿的非电解镀层金属和将要沉积热迁移金属的地方。在使用该方法的另一实施方案中，可以将非电解镀层，包括任选使用形成图案的电介质，容易且迅速地结合到所用方法中，所述方法中采用激光钻孔、化学蚀刻或其它用于在表面上形成坑或其它凹陷的手段。因此，可以用电介质材料，用向其加入的非电解镀层金属薄层，用沉积在非电解镀层金属上的热迁移金属小滴或线，将表面上的浅坑或其它凹陷部分或完全填充。
引用上面讨论的具体实例是用于举例说明本发明具体的实施方案。对于本领域技术人员而言，本发明仪器和方法的其它应用和实施方案将是显而易见的。例如，可以使用金属细线或条纹代替小液滴，使用热迁移(或电迁移)方法来制作掺杂的导电通孔。备选地，可以热迁移(电迁移)线和小滴(即点)的组合。备选地，可以多次重复热迁移过程，每次加入额外的载体金属(例如线或小滴)。备选地，可以将几个密集的线(或小滴)在同一步骤中进行热迁移，因为可以热迁移的单个线的最大实际线宽(或者，小滴的最大直径)是受到表面张力不稳定性效应限制的。
硅太阳能电池制作领域的技术人员将理解，可以在仍然实施本发明的基本特征的同时，对加工步骤进行与上面讨论的实施例和实施方案不同的许多变化。例如，可以在磷扩散步骤之前进行热迁移步骤。
应当理解，本发明的应用不限于说明书中所阐述或者附图中所示的构造、所用材料和组件的安排的细节限制。
本发明的范围由后附权利要求限定。

Claims (68)

1.一种太阳能电池，其包含：
基本上是平面的p-型散块半导体衬底，该衬底具有正面和背面；
沉积在至少部分半导体衬底正面上的正面n+扩散发射体层；
沉积在半导体衬底背面的至少一个负欧姆接触；和
具有基本上是实心的横截面并且包含半导体衬底材料的至少一个n++掺杂的导电通路，其中所述导电通路被安置在半导体衬底内并且穿过半导体衬底，而且将正面n+发射体层导电连接到位于半导体衬底背面的负欧姆接触上。
2.权利要求1的太阳能电池，还包含位于半导体衬底背面的至少一个正欧姆接触。
3.权利要求1或2的太阳能电池，其中所述的至少一个负欧姆接触包括n-网格线负欧姆接触。
4.权利要求2或3的太阳能电池，其中所述的至少一个正欧姆接触包括p-网格线正欧姆接触。
5.权利要求1到4中任何一项的太阳能电池，其中所述的正面n+扩散发射体层包括磷n+扩散层。
6.权利要求1到5中任何一项的太阳能电池，还包括沉积在至少部分半导体衬底背面上的n+扩散发射体层。
7.权利要求6的太阳能电池，其中所述的正面n+扩散发射体层是轻掺杂的，并且背面n+扩散发射体层是重掺杂的。
8.权利要求1到7中任何一项的太阳能电池，还包括沉积在半导体衬底正面上、覆盖正面n+扩散发射体层和导电通孔的抗反射涂层。
9.权利要求1到8中任何一项的太阳能电池，其中所述的n++掺杂的导电通路包含选自磷、砷和锑的一种或多种n-型掺杂材料。
10.权利要求1到8中任何一项的太阳能电池，其中所述的至少一个负欧姆接触包含选自铂、镍、钯、钛、钨、银、铜、铝、锡和金的一种或多种金属。
11.权利要求6的太阳能电池，还包括沉积在半导体衬底背面上，并且沉积在正和负欧姆接触中间的钝化层。
12.权利要求1到11中任何一项的太阳能电池，还包括密集的n++掺杂的导电通路阵列。
13.权利要求12的太阳能电池，其中所述的n++掺杂的导电通路的横截面是近似圆形的。
14.权利要求13的太阳能电池，其中所述的导电通路近似圆形横截面的直径为约25微米到约150微米。
15.权利要求12的太阳能电池，其中所述的n++掺杂的导电通路的横截面是近似矩形的，具有短轴和长轴。
16.权利要求15的太阳能电池，其中所述的近似矩形的导电通路的短轴长度为约25微米到约150微米。
17.权利要求16的太阳能电池，其中所述的近似矩形的导电通路的长轴的长度基本上长于短轴的长度。
18.权利要求16的太阳能电池，其中所述的近似矩形的导电通路的长轴延伸跨过超过基本上平面的p-型散块半导体衬底尺寸的一半。
19.权利要求13或15的太阳能电池，其中所述的相邻导电通孔之间的间隔为约1mm到约2mm。
20.权利要求1到19中任何一项的太阳能电池，其中所述的半导体衬底包含选自硅、锗、磷化镓铟、砷化镓、锑化铟、铜铟镓联硒化物、碲化镉和硫化锌的一种或多种半导体材料。
21.权利要求1到20中任何一项的太阳能电池，其中所述的至少一个n++掺杂导电通路是通过梯度驱动迁移方法制成的。
22.权利要求21的太阳能电池，其中所述的梯度驱动迁移方法包括热迁移方法、电迁移方法或者两者的组合。
23.权利要求1到22中任何一项的太阳能电池，其中所述的基本上平面的p-型散块半导体衬底在正面和背面之间没有连接孔。
24.一种背面接触太阳能电池，其包含：
p-型散块半导体衬底，该衬底具有正面和背面；
位于半导体衬底正面上的正面n+扩散发射体层；
位于半导体衬底背面的负欧姆接触；
被安置穿过半导体衬底厚度的实心n++掺杂的导电通孔，该导电通孔将正面n+发射体层导电连接到位于半导体衬底背面的负欧姆接触上；和
位于半导体衬底背面的正欧姆接触；
其中所述导电通孔包含重结晶的n++掺杂的痕迹，该痕迹是在用梯度驱动迁移方法驱动的表面沉积的n++掺杂溶质材料从一面到另一面迁移通过半导体衬底后形成的。
25.权利要求24的太阳能电池，其中所述梯度驱动迁移方法包括热迁移方法、电迁移方法或者两者的组合。
26.权利要求24的太阳能电池，其中所述的正面n+扩散发射体层包括磷n+扩散层。
27.权利要求24的太阳能电池，还包括位于半导体衬底背面的背面n+扩散发射体层。
28.权利要求27的太阳能电池，其中所述的正面n+扩散发射体层是轻掺杂的，并且背面n+扩散发射体层是重掺杂的。
29.权利要求24的太阳能电池，还包括沉积在半导体衬底正面上、覆盖正面n+扩散发射体层和导电通孔正面的抗反射涂层。
30.权利要求24的太阳能电池，其中所述的溶质材料包含选自磷、砷和锑的一种或多种n-型掺杂材料。
31.权利要求30的太阳能电池，其中所述的溶质材料还包含选自铂、镓、铅、镁、铟、银、铜、铝、锡和金的一种或多种载体金属。
32.权利要求31的太阳能电池，其中所述的溶质材料包含选自银-金-锑、银-锡-锑和银-铝-锑的一种或多种三元合金。
33.权利要求32的太阳能电池，其中所述的溶质材料包含具有约10原子％锑和约10原子％铝的银。
34.权利要求27的太阳能电池，还包括沉积在半导体衬底背面上，和沉积在正和负欧姆接触中间的钝化层。
35.权利要求24的太阳能电池，还包括通过梯度驱动迁移方法制成的密集的实心n++掺杂导电通孔阵列。
36.权利要求35的太阳能电池，其中所述的相邻导电通孔之间的间隔为约1mm到约2mm。
37.权利要求35的太阳能电池，其中所述的导电通孔通常是直径为约25微米到约150微米的圆柱体。
38.权利要求35的太阳能电池，其中所述的导电通孔形成宽度约25微米到约150微米的延长侧。
39.权利要求24的太阳能电池，其中所述的半导体衬底包含选自硅、锗、磷化镓铟、砷化镓、锑化铟、铜铟镓联硒化物、碲化镉和硫化锌的一种或多种半导体材料。
40.一种制作背面接触半导体太阳能电池的方法，其包括如下步骤：
提供具有正面和背面的p-型半导体衬底；
在p-型半导体衬底的至少部分所述正面和背面上形成n+发射体层；
在p-型半导体衬底一个表面的一部分上沉积n-型掺杂溶质材料；
使n-型掺杂溶质材料迁移通过p-型半导体衬底，从而形成将正面n+发射体层导电连接到背面n+发射体层上的一个或多个基本上实心的n++掺杂导电通孔；和
提供一个或多个负接触背面欧姆接触，其中每个负接触背面欧姆接触和至少一个基本上实心的n++掺杂导电通孔是导电连接的。
41.权利要求40的方法，其中所述的半导体衬底包含选自硅、锗、磷化镓铟、砷化镓、锑化铟、铜铟镓联硒化物、碲化镉和硫化锌的一种或多种半导体材料。
42.权利要求40的方法，其中所述的形成n+发射体层的步骤包括扩散磷。
43.权利要求40的方法，其中所述的形成n+发射体层的步骤包括以下步骤：
提供覆盖将要形成p-型欧姆接触的区域的形成图案的扩散阻隔层；
将磷扩散到半导体衬底的正面和背面中，形成正面和背面n+发射体层；和
除去形成图案的扩散阻隔层。
44.权利要求43的方法，其中所述的提供形成图案的扩散阻隔层的步骤包括丝网印刷形成图案的扩散阻隔层。
45.权利要求43的方法，其中所述的提供形成图案的扩散阻隔层的步骤包括热生长的、氮化物沉积的、激光形成图案的或者喷墨打印的扩散阻隔层。
46.权利要求40的方法，其中所述的n-型掺杂溶质材料包括密集的溶质材料小滴的阵列。
47.权利要求40的方法，其中所述的n-型掺杂溶质材料包括密集的溶质材料线的阵列。
48.权利要求40的方法，其中所述的n-型掺杂溶质材料步骤是从p-型半导体衬底的正面迁移到背面。
49.权利要求40的方法，其中所述的n-型掺杂溶质材料步骤是从p-型半导体衬底的背面迁移到正面。
50.权利要求40、48或49的方法，其中所述的迁移n-型掺杂溶质材料的步骤包括在热处理器中热迁移溶质材料。
51.权利要求50的方法，其中所述的热处理器包括一排等离子体电弧灯，以加热半导体衬底的一面。
52.权利要求40、48或49的方法，其中所述的迁移n-型掺杂溶质材料的步骤包括电迁移溶质材料。
53.权利要求40的方法，还包括，在沉积阵列之前，在半导体衬底正面上将要沉积n-型掺杂溶质材料的位置上形成一个或多个浅压痕。
54.权利要求53的方法，其中所述的一个或多个浅压痕包括坑，并且所述的n-型掺杂溶质材料包括溶质材料小滴。
55.权利要求53的方法，其中所述的一个或多个浅压痕包括凹槽，并且所述的n-型掺杂溶质材料包括溶质材料线。
56.权利要求40的方法，其中提供一个或多个负接触背面欧姆接触的步骤包括丝网印刷用于负极性n-型欧姆接触阵列的银膏剂。
57.权利要求40的方法，还包括提供正接触背面欧姆接触阵列。
58.权利要求57的方法，其中提供正接触背面欧姆接触阵列的步骤包括丝网印刷用于正极性p-型欧姆接触的银膏剂。
59.权利要求57的方法，其中提供正接触背面欧姆接触阵列的步骤包括由穿过背面n+发射体层合金化铝形成正接触。
60.权利要求56或58的方法，还包括焙烧衬底。
61.权利要求40的方法，还包括在迁移n-型掺杂溶质材料后，在半导体衬底正面上沉积覆盖正面n+发射体层和导电通孔的抗反射涂层的步骤。
62.权利要求61的方法，其中沉积抗反射涂层的步骤包括使用PECVD沉积氮化硅。
63.权利要求40的方法，还包括，在提供一个或多个负接触背面欧姆接触之前，在半导体衬底背面上沉积电介质钝化层。
64.权利要求63的方法，其中所述的钝化层是形成图案的，以不覆盖将要形成欧姆接触的区域。
65.权利要求40的方法，其中所述的使n-型掺杂溶质材料迁移通过p-型半导体衬底的步骤是在以下步骤之前进行的：在p-型半导体衬底的至少部分所述正面和背面上形成n+发射体层。
66.权利要求40的方法，其中所述的使n-型掺杂溶质材料迁移通过p-型半导体衬底的步骤是在以下步骤之后进行的：在p-型半导体衬底的至少部分所述正面和背面上形成n+发射体层。
67.一种制作背面接触半导体太阳能电池的方法，其包括：
a)提供具有正面和背面的p-型半导体衬底；
b)清洁和蚀刻半导体衬底；
c)丝网印刷覆盖将要形成p-型欧姆接触的区域的形成图案的扩散阻隔层；
d)将磷扩散到半导体衬底的正面和背面中，形成正面和背面n+发射体层；
e)除去形成图案的扩散阻隔层；
f)沉积密集的包含n-型掺杂溶质材料的阵列；
g)在热处理器中热迁移溶质材料，从而形成将正面n+发射体层导电连接到背面n+发射体层的实心n++掺杂的导电通孔；
h)丝网印刷用于负极性n-型欧姆接触的银膏剂；
i)丝网印刷用于正极性p-型欧姆接触的银膏剂；和
j)焙烧衬底。
68.一种制作背面接触硅太阳能电池的方法，其包括：
a)提供具有正面和背面的p-型半导体衬底；
b)清洁和蚀刻半导体衬底；
d)将磷扩散到硅衬底的正面和背面中，形成正面和背面n+发射体层；
e)将抗蚀剂丝网印刷在背面上，但将要制成p-型欧姆接触的区域除外；
f)除去没有被抗蚀剂覆盖的部分背面n+发射体层；
g)除去抗蚀剂层；
h)沉积密集的包含n-型掺杂溶质材料的阵列；
i)在热处理器中热迁移溶质材料，从而形成将正面和背面n+发射体层导电连接的实心n++掺杂的导电通孔；
j)丝网印刷用于负极性n-型欧姆接触的银膏剂；
k)丝网印刷用于正极性p-型欧姆接触的银膏剂；和
l)焙烧衬底。
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