CN1860618A - 薄硅晶片上的发射体绕通背面接触太阳能电池 - Google Patents

Abstract

一种薄发射体绕通太阳能电池和制造薄发射体绕通太阳能电池的方法。所述电池优选包括厚度小于280微米的硅晶片衬底。电池背面的p－型区域被最小化，从而最大化集极区域并且减小或消除由p－型区域钝化造成的应力，所述p－型区域钝化是传统电池必须的。本发明电池的效率的峰值出现在比传统电池小得多的厚度处。因此，可以在明显损失效率的情况下使用廉价的低质量硅，从而提供超过其它太阳能电池构造的大的成本优势。穿过衬底连接衬底正面和背面上的发射体层的通孔可以由掺杂的孔组成，或者备选地，可以是通过由梯度驱动过程造成的溶剂迁移而形成的实心的掺杂的沟道，所述溶剂优选含有掺杂物。

Description

薄硅晶片上的发射体绕通背面接触太阳能电池

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年6月30日提交的美国临时专利申请No.60/484,122的优先权，该申请标题为“Emitter Wrap-Through Back Contact Solar Cells onThin Silicon Wafers”，其说明书通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及光电太阳能电池，其用于从光直接产生电能，而无论所用的光是自然光还是人造光，更具体而言，涉及采用发射体绕通(Emitterwrap-through)(EWT)方法的薄晶体衬底太阳能电池，其中导电沟道是穿过硅晶片形成的，以通过将发射体绕通薄晶体衬底和正面上的发射体导电接触。

背景技术

现今典型使用的光电太阳能电池基于晶体硅技术或者多种薄膜技术之一，例如无定形硅、铜铟联硒化物或碲化镉。晶体硅相比薄膜有一些优点。晶体硅的主要优点包括能量转化效率更高，以及在户外使用时的耐久性和可靠性。薄膜的缺点在于能量转化效率低，特别是在可商业化生产规模上生产时，并且在持续长时间在户外使用时性能下降。由于这些基本问题，在超过85％的户外应用中使用晶体硅。

光电行业的技术发展现状是，在超过300微米的厚晶体硅晶片上制造太阳能电池。晶片可以是单晶或多晶。现今广泛使用的太阳能电池设计在接近正面(接收光的表面)形成p/n结，随着光能被吸收到电池中，该p/n结产生电流。传统的电池设计在电池正面有一组电接触，在太阳能电池背面有第二组电接触。在典型的光电模件中，将这些单独的太阳能电池相互导电串联以提高电压。典型地，通过将导电带从一个太阳能电池的正面焊接到相邻太阳能电池的背面来实现这种相互连接。

本发明使用不同的电池设计，称作发射体绕通(EWT)太阳能电池。EWT电池是称作背面接触电池的设计系列中的一种方法，所有背面接触电池的两组电接触均在电池背面。这些方法在文献中有广泛记载，不仅包括EWT，还包括金属绕通(Metal Wrap Through)(MWT)、金属环绕(MetalWrap Around)(MWA)和背面结设计。与MWT和MWA电池相比，EWT电池的独特特征在于，在电池正面没有金属覆盖，这意味着对撞击在电池上的光没有任何阻挡。与背面结太阳能电池相比，EWT电池的独特特征在于，EWT电池将电流收集结保留在正面，这对高电流收集效率是有利的。这些优点又提高了电输出。EWT电池公开于James M.Gee的美国专利No.5,468,652，Method Of Making A Back Contacted Solar Cell，该专利以全文形式结合在此。在众多技术出版物中已经讨论了许多背面接触电池设计。但是，所有上述MWT、MWA和EWT背面接触电池设计都采用约300微米以上的标准厚度的硅晶片，同时背面结电池还要求使用昂贵的具有格外长使用寿命的硅材料。

除了美国专利No.6,468,652外，在Gee是共同发明人的另外两个美国专利中还公开了使用背面接触太阳能电池的模件组装和层压的方法，分别为美国专利No.5,951,685，Laminated Photvoltaic Modules UsingBack-Contact Solar Cells，和美国专利No.5,972,732，Method of MonolithicModule Assembly。两个专利都公开了可以为此处公开的发明采用的方法和方面，并且通过引用结合在此，如同全文阐述一样。美国专利No.6,384,316，Solar Cell and Process of Manufacturing the Same，公开了一种备选的背面接触电池设计，但是该设计采用MWT，其中孔或通孔间隔较远，金属接触位于正面上以促进将电流传导到背面，并且其中孔沿着金属排列。

传统的在正面和背面都有接触的晶体硅太阳能电池是有缺点的。需要使用厚的硅晶片以提供制造方法和产生的应力所必需的强度。随着晶片变薄，它们已不能适应由晶片和背面场(BSF)之间热膨胀系数失配造成的应变，所述BSF典型地包含位于晶片背面上的铝合金。BSF的目的是减少标准配置太阳能电池背面处的复合损失(″钝化″)。为了获得所需的电学性能，Al必须厚(典型地超过30μm)并且全面积覆盖。但是，Al的热膨胀系数比Si的热膨胀系数大了超过10X。产生的应力造成电池弯曲，这种作用随着晶片厚度的减小可能呈指数上升，急剧地降低生产产量。使用厚Al层的备选的钝化技术，如减小Al厚度或焙烧温度，使用薄膜蒸发金属化法，使用不同的电介质层(例如，热生长二氧化硅或二氧化硅、氮化硅等的沉积层)，使用半导体异质结(如无定形硅或多晶硅)，或者使用硼掺杂的硅层而不是Al合金BSF，这些技术对Al层的钝化作用来说不能胜任和/或昂贵并且难以执行，因此减损了通过使用薄晶片获得的成本节约。这些缺点公开于，例如A.Schneider等，″Al BSF For Thin Screenprinted Multicrystalline SiSolar Cells″，第17届Eur.PV Solar Energy Conf.论文，Munich，2001年10月；A.Schneider等，″Bow Reducing Factors For Thin Screenprinted Mc-SiSolar Cells With Al BSF″，第29届IEEE Photovoltaic Specialists Conference论文，New Orleans，LA，2003年5月(第336页)，以及F.Duerinckx等，″Improved Screen Printing Process For Very Thin Multicrystalline SiliconSolar Cells″，第19届EPVSEC论文，2004，Paris。

典型地，硅晶片太阳能电池的厚度，无论其是否为背面接触的，超过300微米。所需的硅量占传统太阳能电池成本的相当比例，并且是光电发电更广泛使用所需的显著降低成本的一个障碍。尽管薄膜具有减少所需原料用量的理论优点，因为半导体层的厚度典型地在1-5微米数量级，但是它们还没能克服效率低下、可靠性差和环境退化的问题。美国专利6,143,976，Solar Cell with Reduced Shading and Method of Producing theSame，描述了一种备选的电池结构，其包括“三晶”晶片设计，由于特殊的设计和内部晶体角的取向，可以锯得相当薄。但是，其公开内容仅限于特殊的三晶晶片设计，并且需要专门的蚀刻方法和规程。通过要求特定的结晶取向，必须使用的栅极结构是复杂的，并且要求背面的显著钝化。该专利还公开，背面复合速度＜100cm/s是必需的，而这如果不是不可能实现的，就是非常困难的。

因此，业内需要采用薄晶体晶片的太阳能电池设计，使晶片的厚度小于300微米，并且优选厚度明显小于300微米。

发明内容

本发明克服了现有技术在晶体晶片厚度上的限制，同时还保持了使用硅的全部优点。在一个优选的实施方案中，提供一种光电电池，其中晶体硅晶片的厚度小于约300微米，优选小于约200微米，更优选小于约100微米，最优选小于约60微米。使用此处提供的更薄晶体硅晶片的EWT电池结构，由于没有正面电接触对入射光的遮蔽，能量转化效率更高。光完全畅通无阻地进入太阳能电池。另外，薄晶片上的EWT电池结构由于在背面和正面都有一些电流产生而能量转化效率更高。因而显著减少了每块电池的原料量并且提高能量转化效率。

因此，本发明提供一种光电或太阳能电池，这种电池解决了光电行业现有技术的特殊问题，即厚晶体硅晶片的使用。本发明可以使用非常薄的晶体硅晶片，从而以极大降低的成本获得非常高的性能。而且显著简化将太阳能电池组装成产品包装的步骤。

本发明还提供在薄(如此处所述)晶体晶片上制造EWT电池的方法。制造EWT电池的方法是经过选择和设计的，使光即使在非常薄的厚度处也不通过晶片，而对于铝背层，如在传统太阳能电池中所能发现的，没有任何限制。与传统太阳能电池相比，薄晶片上EWT的应用降低了原料消耗，因此成本下降，而且还提高了性能。这种更高的性能是薄晶片和EWT设计协同组合的直接结果。以这种方式，由于在没有和铝背层有关的应力和断裂问题的情况下采用较薄的晶片厚度，太阳能电池可以具有高性能和低成本。

这种方法的额外好处在于，通过使用薄晶片，还解决了EWT方法的一个缺点。EWT电池在晶片上有许多典型地由激光钻凿的孔(参见图1)，或者具有通过其它方法形成的通路，所述其它方法包括但不限于梯度驱动方法，如热迁移和电迁移方法。完成该工序的时间已经成为标准晶片上的EWT电池的实施障碍。通过使用薄晶片，缩短了加工时间。

本发明是一种发射体绕通(EWT)太阳能电池，其包含厚度小于约280微米的硅晶片衬底，其中所述衬底是多晶，或者如果衬底包含单晶，包括但不限于具有(110)以外的晶体取向。衬底优选包含p-掺杂的硅，并且厚度优选小于约200微米，更优选小于约100微米，还更优选小于约60微米，最优选小于约20微米。优选电池包含至少一个安置在电池背面的基极接触区。优选基极接触区包含小于约50％、更优选小于约40％、还更优选小于约25％、再更优选小于约10％、最优选小于约5％的背面表面积。任选基极接触区是很少或没有钝化的，并且任选具有高于铝的光学反射比，从而优选地增加衬底的光学吸收。优选基极接触区包含银，或者备选地，包含镍。优选基极接触区包含p⁺层，该层通过安置在背面的n⁺发射体区，以和衬底接触。

本发明太阳能电池中使用的衬底任选具有小于约300微米、更优选小于约200微米、最优选小于约108微米的扩散长度。任选用p-型受体，该受体优选包含硼，重掺杂所述衬底。具有这类衬底的电池的效率优选大于约15％，更优选大于约17％。优选衬底具有小于或约等于扩散长度的一半的厚度，并且优选具有有纹理的正面。

本发明的太阳能电池包含将衬底正面连接到衬底背面的通孔，这些通孔优选是用这样的方法形成的，该方法包括选自激光钻孔、干法蚀刻、湿法蚀刻、机械钻孔和喷水加工的操作，随后，优选使掺杂物扩散到孔壁中以形成导电通孔。备选地，通孔具有基本上实心的横截面并且包含掺杂的衬底材料，其形成方法优选为梯度驱动法，优选为热迁移法。通孔的直径任选约大于或等于衬底的厚度。

优选基极接触区是通过p-型受体，优选硼，从扩散阻隔层扩散到衬底中而形成的。扩散阻隔层优选包含以膏剂形式使用的电介质材料，或者备选地，通过化学气相沉积法沉积并且随后形成图案的电介质材料。

备选地，本发明是一种EWT太阳能电池，其包含厚度小于约280微米并且具有背面的硅晶片衬底，其中基极接触区的背面复合速度大于100cm/s。

本发明还是一种太阳能电池，优选一种EWT太阳能电池，其包含厚度小于约280微米的半导体晶片衬底，其中所述衬底的扩散长度小于约300微米，并且其中所述太阳能电池的效率大于约15％，更优选大于约17％。

本发明是一种制造太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：提供厚度小于约280微米的p-掺杂的硅衬底；在大部分衬底的正面和背面上安置n⁺发射体层；将正面的n⁺发射体层连接到背面的n⁺发射体层；并且在部分背面上安置一个或多个基极接触区。衬底的厚度优选小于约200微米，更优选小于约100微米，还更优选小于约60微米，最优选小于约20微米。基极接触区优选包含小于约50％、更优选小于约40％、还更优选小于约25％、再更优选小于约10％、最优选小于约5％的背面表面积。安置一个或多个基极接触区的步骤优选包括增加衬底的光学吸收的步骤。基极接触区优选包含银，或者备选地，镍。安置一个或多个基极接触区的步骤优选包括将基极接触区穿过安置在背面上的n⁺发射体层，穿过方法优选包括选自激光钻孔、蚀刻、铝合金、硼扩散、热迁移、电迁移和/或梯度驱动法的方法。

本发明方法中使用的衬底任选具有小于约300微米、更优选小于约200微米、最优选小于约108微米的扩散长度。衬底任选重掺杂有p-型受体，优选包含硼的p-型受体。具有这类衬底的电池的效率优选大于约15％，更优选大于约17％。优选衬底的厚度小于或近似等于扩散长度的一半。所述方法优选包括纹饰正面的步骤。

连接步骤优选包括将一个或多个通孔延伸穿过衬底，优选包括使用选自激光钻孔、干法蚀刻、湿法蚀刻、机械钻孔和喷水加工的方法。所述通孔优选具有基本上实心的横截面，并且包含衬底材料，其中一个或多个通孔的延伸步骤包括使用梯度驱动法，优选热迁移法。这种方法优选包括以下步骤：在正面安置包含溶剂的材料，并且使溶剂或材料迁移穿过衬底到达背面。每个通孔的特征尺寸，包括但不限于直径、长度、宽度或厚度，任选近似和衬底的厚度相等。

安置一个或多个基极接触区的步骤任选包括以下步骤：在背面的适宜区域上沉积含有p-型受体的扩散阻隔层，优选包含硼；使扩散阻隔层中含有的p-型受体扩散到衬底中。

本发明还是一种按照上述方法制造的太阳能电池。

本发明的一个主要目的是提供一种采用薄晶体硅衬底的EWT电池，所述薄晶体硅衬底的厚度小于约280微米，优选小于约200微米，更优选小于约100微米，最优选小于约60微米。

本发明的另一目的是提供一种通过使用薄晶体硅衬底而提高效率的EWT电池。

本发明的再一目的是提供不会因热应力而弯曲的薄晶片太阳能电池。

本发明的再一目的是提供制造具有薄晶体硅衬底的EWT电池的方法，包括用于形成孔或通孔的改进方法，这样的方法，部分地，由硅衬底的薄度而得以实现。

本发明的主要优点在于减少了硅晶片的使用，因此降低了器件的成本。

本发明的其它目的、优点和新的特征以及更多的应用范围，将部分阐明于下面的结合附图的详细描述中，并且对于本领域技术人员，通过检验下文，本发明将部分变得显而易见，或者可以通过实施本发明而理解。本发明的目的和优点可以通过后附权利要求中特别指出的工具和组合而实现和获得。

附图说明

附图，结合在说明书中并且形成其一部分，举例说明了本发明的一个或多个实施方案，并且和说明书一起，起到解释本发明原理的作用。附图的目的仅是举例说明本发明的一个或多个优选实施方案，而不应理解为对本发明的限制。附图中：

图1是本发明EWT太阳能电池结构的示意性横截面图，描述的是在具有激光钻孔的p-型硅晶片上制造的EWT太阳能电池。

图2a描述的是包含标准质量衬底的EWT和Al-钝化的BSF太阳能电池两者的效率-晶片厚度曲线；和

图2b描述的是包含低质量衬底的EWT和Al-钝化的BSF太阳能电池两者的效率-晶片厚度曲线。

具体实施方式

已经出乎意料和令人惊奇地发现：可以在EWT光电电池中采用非常薄的晶体硅晶片，其厚度小于约280微米，优选小于约200微米，更优选小于约100微米，还更优选小于约60微米，最优选小于约20微米。此前，晶体硅晶片的厚度受到机械约束，主要涉及由所需的金属层例如铝背层造成的翘曲和断裂。厚度还受以下因素限制：随着电池变薄，因增加的背面复合损失(硅中光生电荷载体的损失)而导致效率下降。因此，迄今最小的实际晶片厚度约为280到300微米。通过采用EWT设计，利用其固有优点，本发明人出乎意料地发现：在不出现现有技术遇到的机械和实际问题的情况下，可以实质性地显著减小晶片的厚度。而且还出乎意料和令人惊奇地发现了由使用这种更薄的晶体晶片产生的显著和实质的优点，包括随着厚度降低，对提高的器件电效率没有限制，以及在可用材料和制造过程中的显著优点。

当贯穿说明书和权利要求使用时，发射体绕通或EWT电池是指这样一种太阳能电池，其具有：在正面没有金属的衬底的正面上的掺杂的电流集极层，在部分背面上的掺杂的电流集极层，和延伸穿过衬底连接正面和反面上的电流集极层的导电装置，或通孔。通孔可以包括孔，并且可以通过激光钻孔或蚀刻产生且优选掺杂孔表面。备选地，通孔可以是固体掺杂的沟道，其优选通过梯度驱动法形成，所述方法包括但不限于溶剂热迁移或电迁移穿过衬底。通孔可以任选包含金属，或者至少是部分金属化的。所述衬底优选包含晶体硅晶片，并且可以是具有或不具有优选取向的单晶或多晶。尽管此处使用的EWT电池主要是指p-型衬底表面上的n⁺发射体层，术语EWT电池可以包括任何其它构造，并且不受其限制。

贯穿说明书和权利要求使用的基极接触区是指邻近或任选包含衬底背面的区域，其包含可以和衬底形成电接触的材料。基极接触区可以任选包括局部背面电场，或者BSF，优选包含重掺杂的层。至于非限制性实例，对于p-型衬底，该区域将为p⁺。基极接触区连接到载流的金属栅极或金属指状元件。

EWT电池结构先前已经在例如美国专利No.6,468,652中进行了描述。这种太阳能电池设计在性能和电池互连简易性方面有某些优点，已广为人知。本发明扩展了这些优点，并且将EWT型电池结构应用于薄晶体晶片，从而改进在这些晶片上制造电池的方法。美国专利No.6,468,652公开了EWT电池的几个版本，以及几种制造方法。公开在美国专利No.6,468,652中的每一种工艺步骤及其变化都可以在本发明中采用，其中如此处公开的，代之以薄硅晶片。类似地，公开在美国专利No.6,468,652中的每个EWT电池版本都可以采用本发明的薄硅晶片。应当理解，如此处公开的，通过相应地颠倒电池中不同区域的导电类型，可以用n-型硅衬底代替p-型衬底。

本发明解决了现有技术的几个问题。首先，在标准太阳能电池设计中，硅原料的成本是总成本的显著部分。这是一个大问题，因为光电市场对成本是非常敏感的，而且制造半导体领域采用的高纯度硅也是昂贵的。然而，采用传统的太阳能电池设计，如果晶片厚度降低到约280微米以下，则导致显著的和实质性的性能下降。因为一些光实际上通过晶片而没有被吸收，较少的光能被转化成电能。更重要的是，由于电池变薄，背面成为太阳能电池中复合损失的较大的贡献者。为了防止这种现象，按照常规，将铝层应用在太阳能电池的整个背面，然后合金到硅中，形成Al掺杂的p-型层。这种掺杂的层，称作背面场或BSF，防止了光的损失并且增加太阳能电池的电输出。这种解决方案的问题在于，由于硅和铝在热膨胀系数的差异，铝层也在晶片中产生了机械和热应力。随着晶片厚度的减小，这种诱导的应力造成晶片弯曲和断裂。因此，需要一种引入很少应力并且保持高效率的制造薄晶体硅太阳能电池的实际方法。

可以在p-型或n-型硅晶片上制造图1所示的EWT电池。例如，如果使用p-型硅，则通过例如扩散，在正面、在孔中和在背面的n⁺区，形成重掺杂的n⁺区。剩余背面是p-型。然后在背面的这两个区上形成电接触。采用这种设计，在p-型晶片和n⁺区之间的背面形成的p/n结处有额外的电流收集。因此，EWT电池的能量转化效率典型地远高于具有铝合金背面的传统电池。请注意，尽管图1描述的通孔是通过激光钻孔和掺杂形成的，但也可以按照其它方法，如蚀刻，制造通孔。在EWT电池的一个备选实施方案中，如下面将要更加充分描述的，可以使用梯度驱动法，包括但不限于热迁移和电迁移，制造实心通孔。

EWT电池的背面含有能够进行背面载流子收集的n⁺层。优选地，大部分背面具有n⁺层，以使来自该层的电流收集最大化。因此，EWT电池中只有有限的背面区域包含基极接触区；基极接触区是需要钝化的p-型表面。特别是，不需要诱导产生应力的全面积Al合金层。本发明的一个优点在于，与在现有技术中所应用的相比，极大地减小了基极接触面积。对于组成图案的n+扩散的形成、p-型表面的钝化以及背面上负、正极性接触和电流收集栅极的电绝缘，有许多方法。美国专利No.5,468,652中描述了一些优选的方法。即使使用Al合金来形成基极接触区和/或栅极，也可以极大的减少Al合金面积(不超过约25％，并且优选小于5％)，并且Al合金将被布置在离散图案中，从而在太阳能电池中引入较小的应力。这种面积减少意味着充分减少热应力，因而可以利用廉价材料和方法来制造p-型区，同时即使对于非常薄的晶片也消除了弯曲。另外，许多实施方案的确不要求Al合金结或要求以别的方式向薄硅衬底中引入应力的方法。

除了消除弯曲，减小基极接触区的面积还有其它优点。已知必须对p-型背面进行很好的钝化，以获得最大效率。这意味着p-型表面上的金属接触和钝化层必须是高质量并且相对而言没有缺陷的，达到该目的代价是昂贵的。更为重要的是更大的基极接触区。通过减小该面积，如在EWT电池情况下，减弱了对高质量钝化的需要；通过使该面积最小化，任何钝化的需要从根本上得以极大地减少甚至消除。由于减少了工艺步骤，导致成本节约。备选地，可以根据钝化效率以外的其它性质来选择材料。例如，可以将银或其它材料用于接触，而不用合金铝。银的钝化性质差，并且典型地不被接受用作钝化层。但是，银的反射比显著高于铝，意味着电池中的光吸收是提高的，这对于与厚电池相比具有较小本体载流子产量的薄晶片电池而言是非常重要的。在另一实施例中，在基极接触区中使用镍是有利的，因为可以使用低温处理，并且镍与p⁺和n⁺硅的接触电阻都非常低。因此，通过降低有效钝化的需要，可以使用具有其它所需性质的材料。注意，即使该层是良好钝化的，通过减小其面积并且增加背面上的n⁺区的面积，也依然能够获得高效率，因为这样导致了载流子集极位点的增加。

面积减小量可能与所用沉积方法的特征尺寸的最小化有关。例如，当使用丝网印刷时，对可实现的基极接触区的尺寸减小可能存在实际限制。因此，使用用于形成p-型衬底的穿过n⁺结的局部接触的方法是适宜的。在这种情况下，几乎整个背面都被n⁺结覆盖，导致效率的显著提高。形成图案的方法优选是激光钻孔或者丝网印刷抗蚀剂并蚀刻，并且优选基极接触区以及与周围n⁺层的电绝缘是通过形成p⁺掺杂的结而进行的。p⁺掺杂的结的形成方法优选为铝合金化，通过p-型受体(包括但不限于硼，所述的硼来自气体、印刷或纺上(spun-on)源)的扩散，或者梯度驱动法，如热迁移或电迁移进行。一种这样的方法描述于D.W K.Eikelboom等，″ConductiveAdhesives for Interconnection of Busbarless Emitter Wrap-Through SolarCells on a Structured Metal Foil″，第17届European Photovoltaic Solar EnergyConference论文，Munich，德国，2001年10月22-26日，第1547页，该论文通过引用结合在此。本发明的EWT电池优选包含基极接触区，该基极接触区的面积小于50％、更优选小于40％、还更优选小于25％、再更优选小于10％、最优选小于5％的背面面积。

由于EWT电池在电池的正面和背面上都有n⁺发射体，这些n⁺发射体和晶片主体形成p-n结，使得晶片更薄，从而急剧缩短了光生载流子在任一表面上被收集所必须通过的平均距离。这意味着可以实现短扩散长度的载流子收集。由于少数载流子扩散长度或者复合寿命是电池能量转化效率的一个重要限制因素，这意味着可以使用复合寿命短的廉价低质量晶片。在已有电池中，至于这样的晶片不合适宜地减小了产生的电流，但是在本发明的电池中，电流不受影响，因为可以在发生复合之前收集载流子。类似地，优选使用重掺杂有例如p-型受体的的衬底，所述的p-型受体包括但不限于硼，这样的衬底能够使电池产生比使用典型衬底的电池更高的电压。然而，这种重掺杂显著减小了复合寿命，例如在一个实施方案中，复合寿命为约30微秒到约5微秒。但是，这在本发明的薄晶片电池中是可以接受的，因为这也相应减小了载流子达到集极结的时间。

对于任何包含薄晶片的硅光电电池而言，电池的表面与体积比率增加，直至在某些厚度，表面复合压制了本体复合。对于n⁺结位于正面且p-型接触位于背面的传统硅电池而言，这意味着为了在晶片制得更薄时保持其效率，使用昂贵的良好钝化的p-型接触变得更加重要。另外，晶片越薄，吸收入射光的本体越小，从而降低了电池效率。这两种效应与较薄晶片的较短收集路径相竞争。最终，钝化被边缘化，而表面复合和缺乏本体吸收的情况胜出；因此，在效率-厚度曲线上存在峰值。即，随着厚度减小，效率增加，直至达到最大；然后随着使用的晶片越来越薄，效率下降。对于正面和背面均有电接触的传统太阳能电池而言，该峰值典型地出现在大于300微米的晶片厚度处(参见，例如上面引用的Duerinckx等的论文，以及C.J.J.Tool等，″Effect Of Wafer Thickness On The Performance Of Mc-SiSolar Cells″，第17届European Photovoltaic Solar Energy Conference andExhibition论文，Munich，Germany，2001，第40页)。对于典型的具有平均钝化度的p-型材料，这种图还要更高一些。

对于EWT电池，即使总效率高于标准的太阳能电池，以前认为其最大效率也出现在大约相同的晶片厚度处。但是却出乎意料地发现，不仅总效率高于EWT电池，而且EWT电池的最大效率出现在远远低于普通电池的晶片厚度处。这也通过图2显示的理论计算结果得到证明。图2显示的是EWT电池和BSF电池(即具有铝合金化的钝化层的传统太阳能电池)的效率-厚度曲线。

图2a显示的是具有约1.2Ω*cm电阻率和30μs寿命的散装材料的计算的效率。30μs寿命相当于约288μm的扩散长度。扩散长度是注入的载流子在通过复合而损失之前在硅中移动的距离；因此基本上等于太阳能电池中的收集长度。这些参数对于现今优选的商业多晶硅材料是合适的。使用这种材料，如上面引用的Tool等的文章中所公开的，在已有BSF太阳能电池中，典型的背面复合速度值，其是铝合金层钝化程度的一个度量，为约3500cm/s。使用这些数值，图2a中的计算显示BSF电池的效率在大于350μm的某处就已经出现了峰值，并且随着使用更薄的晶片，效率下降。但是，EWT电池的效率持续升高，直至晶片厚度约115μm，极大地优于BSF电池。

图2b是类似的，但是假设使用具有约0.5Ω*cm电阻率和5μs寿命(相当于扩散长度仅约108μm)的衬底。这些参数对于廉价的太阳能级材料是合适的，这些材料重掺杂有硼，并且被金属杂质污染。(典型地，低质量硅材料通常具有晶体学缺陷和杂质，将其扩散长度限制在小于约300μm，甚至小于约200μm。同样，因为硼是硅中最常见和难以精炼的杂质，其在任何专门为太阳能行业开发的便宜的硅级别中很可能是一个大组分。)Al-合金化的结在使用更加重掺杂的衬底时效率较低，因为结处的掺杂密度的级(step)是降低的。同一Al合金化的结，在1.2Ω*cm硅中的背面复合速度为3500cm/s，而在0.5Ω*cm硅中的背面复合速度为1000cm/s。将后一数值用于图2b的模拟中。注意，当衬底厚度降低到350μm以下时EWT效率急剧升高，其峰值出现在甚至比使用高质量硅时更薄的衬底厚度处(约55μm)。相反，BSF电池在350μm以下效率不再增加。这些意外的结果证实，薄EWT电池是获得高效率的唯一最佳选择，从廉价的差质量或重掺杂的衬底获得的效率超过15％甚至超过17％。

当考虑扩散长度时，由于EWT电池在正面和背面都有n⁺发射体，选择约为晶片扩散长度一半的晶片厚度是适宜的。但是，由于上面详述的各种限制，不能预期使用低质量、低扩散长度的衬底，通过将厚度降低到这样小的数值，还能保持其总效率。不能预期随着晶片厚度下降，甚至限于扩散长度一半时，其效率还将实际提高。因此，EWT电池固有的在两个表面都进行载流子收集的性质，以及优选减小基极接触区面积(并因此减小表面复合和应力)和优选使用银作为接触材料(以提高光学吸收，作为使用更薄衬底时本体吸收较小的补偿)的策略，对于使用薄晶片提供超过竞争电池构造(包括具有用昂贵方法如掺杂或石印形成的基极接触区的EWT电池)的不曾预料到的效率增益。

优选本发明的电池正面是有纹理的，如使用银接触，这减小了光学反射损失，提高了薄电池中的光学吸收。本发明优选的多晶硅晶片的纹饰可以通过本领域已知的任何方式完成，其方法包括但不限于：使用硝酸：HF：乙酸化学品的酸性纹理蚀刻，包括使用Cl₂或SF₆的活性离子蚀刻的干法蚀刻技术，机械纹饰(例如用菱形装饰刀片(dicing blades))，或者XeF₂各向异性蚀刻。如本领域公知的，使用例如KOH或NaOH水溶液，或者用异丙醇，容易地完成具有(100)表面取向的单晶硅的纹饰。

薄晶片上的EWT构造的另一优点是减少了加工时间和成本。EWT电池需要完全穿透晶片以连接正面和背面的众多通孔。在一个实施方案中，在衬底中制造孔，然后在这些孔中形成掺杂区，以提供从正面到背面电接触的导电性。EWT电池的一个缺点是形成这些孔所需的加工时间。这些孔优选用激光形成，这是一个相对较慢的过程。但是，通过将晶片厚度从300微米以上减小到此处公开的厚度，如小于约200微米，形成孔所需的能量也成比例减小。因此减少了加工时间和制造成本。而且还在晶片产生较少的热应力，导致孔本身更高的表面质量。

此前没有在制造光电电池中使用的其它过程也可以用于形成穿过晶片的有孔或无孔的导电通路，这大部分是因为晶片非常薄。因此，更薄的晶片的一个优点在于拓宽了可用于形成通孔的方法的范围。因此，本发明包括这些另外的过程和方法。厚晶片的使用，如现有技术中采用的，限制了制造电池的选择，但是使用薄晶片，这些过程和方法都是可能的。通孔的制造方法例如但不限于机械钻孔和喷水加工。还可以使用化学(湿法或干法)蚀刻。由于快速蚀刻方法典型地是各向同性的，通孔的直径变得几乎和晶片厚度相同。对于标准晶片厚度而言，通孔将太大。但是，对于薄晶片，孔的大小是可接受的。

另一种不需要在衬底中制造孔因而得到更加机械稳定的电池的方法是热迁移。2003年6月26日提交的美国专利申请No.10/606,487，标题为“Fabrication Of Back-Contacted Silicon Solar Cells Using ThermomigrationTo Create Conductive Vias”，本发明的发明人是该专利申请的共同发明人，通过引用结合在此，如同全文阐述。使用热迁移法，合适的金属液体片、线或滴可以在热梯度的影响下移动穿过半导体材料的本体，而在后面留下包含重结晶的固体基质材料的痕迹，所述的重结晶的固体基质材料掺杂有液相通过后留下的掺杂材料的固体溶液。如果液态金属小滴含有(或者就是)和衬底极性相反的掺杂物，热迁移可以形成重掺杂硅的导电沟道(通孔)。当这些区域的大小足够小时，细小滴和平面区域的热迁移(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。

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等的美国专利3,936,319；Warner的美国专利4,190,852和Chaing等的美国专利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。

对于需要穿过晶片的导电通路的EWT电池，热迁移是引入导电通路的有效方法。可以通过以下途径完成热迁移，例如将金属″点″、椭圆、线或其它图案丝网印刷到硅晶片的正面上，然后用如在快速处理其它应用的晶片中使用的高能光辐照该晶片。施加的热量在晶片厚度方向上产生热梯度，该热梯度驱动金属穿过晶片的厚度方向到达背面。如此形成导电通路。术语″热迁移″包括任何形式的梯度驱动的迁移过程，包括传统上称作热迁移和电迁移的过程。由于这些过程可以平行地形成通孔，其通孔形成速度比诸如激光钻孔的其它方法更快。

在梯度驱动运输过程中，如热迁移(或电迁移)中，温度(或电场)梯度决定了溶剂材料的运输/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)。

用于p-型硅的热迁移金属必须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沟道。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，或者可以与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。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。但是，通常，TGZM处理应当在比半导体主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。

本发明优选使用热迁移的已知实施方案，其任选要求溶剂而不是衬底是熔化的。然后液体溶剂(例如滴、小滴、线)在温度梯度(即热梯度)的存在下，扩散穿过固体衬底或基质。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小滴的热界面处的液体中，扩散通过小滴，并且沉积在小滴的冷界面上，液体小滴(典型地，金属)在固体基质内部向着热梯度方向从冷向热迁移。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，半导体衬底的熔融温度必需超过半导体/金属共晶温度。备选地，溶剂和固体基质在低于纯溶剂或基质的熔点的温度下发生相互扩散。这优选形成更低熔点的溶液，并且是熔化的溶液。在这种情况下，温度低于纯材料的熔点，但是一旦适宜量的基质被相互扩散到溶剂中，该温度足以熔化形成的溶液，从而加速反应。

热迁移的稳态速度和热梯度以及平均温度(通过硅在金属溶剂中的扩散率和溶解度)成正比，与晶片厚度没有直接关系。因此，据期热迁移导电通孔的时间至少随着厚度线性下降。但是，当热迁移特征尺寸近似等于或大于器件厚度时，典型的热迁移动力学被打破。例如，公知在一些金属-硅体系中，例如Al-Si中，存在局部不均匀性，该局部的金属-硅反应发生速度快很多(″峰值形成″)。这样一种不均匀反应可能非常快地产生小的热迁移金属和相反表面的接触面积，这可能是由表面中预先存在的晶体缺陷或不均匀性造成的。峰值形成，连同一旦相反表面被润湿时的毛细管作用，可以极大地加速热迁移。由于这种不均匀反应的深度和可用金属的数量成比例，该效果仅在热迁移金属的特征尺寸和晶片厚度处于同一量级时才出现。

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的美国专利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。

优选金属小滴、线或其它结构体完全热迁移通过薄半导体材料并且再次出现在相反面上。可以通过例如机械抛光，将再次出现的小滴或其它结构体除去。备选地，可以将再次出现的小滴或其它结构体留在适当的位置而不除去，在那儿其可以形成背面接触或其一部分。

热迁移的或其它梯度驱动的通孔的另一优点是比包含孔的通孔更低的串联电阻。与EWT电池中的扩散的孔相比，热迁移导电通孔的串联电阻更低，因为热迁移通孔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，如果热迁移通孔是线型图案而不是孔形，则可减少由发射体中电流造成的损失。而且，如果热迁移通孔图案是线图，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。这种效应放大了用任何方法形成的通孔的低串连电阻，当使用更薄的晶片时，这些通孔更短。这意味着在最大功率下的可获得电压得以提高，这是超过具有标准晶片厚度的EWT电池的一个显著优点。

EWT电池技术从被未应用于或者在薄晶体硅晶片上实现。因此，可以理解必须采用精确制造方法来剪裁成薄晶片。对于处理步骤的顺序有几种选择，并且在一些步骤选择精密加工。例如，由于所有金属化都只在电池背面上进行，极大地降低了由制造过程中丝网印刷产生的应力。

在一个优选的实施方案中，在磷扩散步骤之前以任何所需的图案在太阳能电池的背面形成扩散阻隔层，所述扩散阻隔层优选包含含有p-型受体的掺杂的电介质膏剂，p-型受体包括但不限于硼、铝或铟。这种阻隔层被设计用来阻挡磷扩散，可以是纺上的、丝网印刷的或者喷射的。当磷扩散到衬底中产生n⁺掺杂区时，优选电介质中的p-型受体同时扩散到衬底中，产生p-型区，而节省一步加工步骤。这种方法特别适合于薄硅晶片的使用，并且提供制造小基极接触区的廉价方法。备选地，如前面讨论的，可以使小的p⁺接触穿过背面上的n⁺发射体。

为了获得所需的厚度，可以用本领域已知的任何方法将硅晶片切割成合适的厚度，约300微米，优选约200微米，更优选约100微米，还更优选约60微米，最优选约20微米。在一个实施方案中，采用传统的锯法。但是，还可以采用其它方法。

尽管本发明已经具体参照这些优选实施方案进行了详细描述，但是其它实施方案也可以获得相同结果。本发明的变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，其意在覆盖所有这样的修改和等价形式。上面引用的所有参考文献、申请、专利和出版物，以及相应申请的全部公开内容均通过引用结合在此。

Claims (76)

1、一种发射体绕通(EWT)太阳能电池，其包含厚度小于约280微米的硅晶片衬底；

其中所述衬底是多晶或者具有非(110)的晶体取向。

2、权利要求1的太阳能电池，其中所述衬底是多晶。

3、权利要求1的太阳能电池，其中所述衬底包含具有非(110)的晶体取向的单晶。

4、权利要求1的太阳能电池，其中所述衬底包含p-掺杂的硅。

5、权利要求1的太阳能电池，其中所述衬底的厚度小于约200微米。

6、权利要求5的太阳能电池，其中所述衬底的厚度小于约100微米。

7、权利要求6的太阳能电池，其中所述衬底的厚度小于约60微米。

8、权利要求7的太阳能电池，其中所述衬底的厚度小于约20微米。

9、权利要求1的太阳能电池，还包含至少一个安置在所述电池背面的基极接触区。

10、权利要求9的太阳能电池，其中所述基极接触区包括小于约50％的所述背面的表面积。

11、权利要求10的太阳能电池，其中所述基极接触区包括小于约40％的所述表面积。

12、权利要求11的太阳能电池，其中所述基极接触区包括小于约25％的所述表面积。

13、权利要求12的太阳能电池，其中所述基极接触区包括小于约10％的所述表面积。

14、权利要求13的太阳能电池，其中所述基极接触区包括小于约5％的所述表面积。

15、权利要求9的太阳能电池，其中所述基极接触区提供很少的或者没有钝化。

16、权利要求9的太阳能电池，其中所述基极接触区具有比铝更高的光学反射比。

17、权利要求16的太阳能电池，其中所述基极接触区提高了衬底的光学吸收。

18、权利要求17的太阳能电池，其中所述基极接触区包含银。

19、权利要求9的太阳能电池，其中所述基极接触区包含镍。

20、权利要求9的太阳能电池，其中所述基极接触区包含穿过安置在所述背面上的n⁺发射体区的p⁺层，以接触所述衬底。

21、权利要求1的太阳能电池，其中所述衬底具有小于约300微米的扩散长度。

22、权利要求21的太阳能电池，其中所述衬底具有小于约200微米的扩散长度。

23、权利要求22的太阳能电池，其中所述衬底具有小于约108微米的扩散长度。

24、权利要求21的太阳能电池，其中所述衬底重掺杂有p-型受体。

25、权利要求24的太阳能电池，其中所述p-型受体包含硼。

26、权利要求21的太阳能电池，其具有大于约15％的效率。

27、权利要求26的太阳能电池，其具有大于约17％的效率。

28、权利要求21的太阳能电池，其中所述衬底的厚度小于或约等于所述扩散长度的一半。

29、权利要求1的太阳能电池，其中所述衬底具有有纹理的正面。

30、权利要求1的太阳能电池，其包含将所述衬底正面连接到所述衬底背面的通孔。

31、权利要求30的太阳能电池，其中所述通孔是用包括选自激光钻孔、干法蚀刻、湿法蚀刻、机械钻孔和喷水加工的操作的方法形成的。

32、权利要求30的太阳能电池，其中所述通孔具有基本上是实心的横截面并且包含衬底材料。

33、权利要求32的太阳能电池，其中所述通孔是通过梯度驱动方法形成的。

34、权利要求33的太阳能电池，其中所述方法包括热迁移。

35、权利要求34的太阳能电池，其中所述通孔的直径近似大于或等于所述衬底的厚度。

36、权利要求9的太阳能电池，其中所述基极接触区是通过p-型受体从扩散阻隔层扩散到衬底中而形成的。

37、权利要求36的太阳能电池，其中所述p-型受体包含硼。

38、权利要求36的太阳能电池，其中所述扩散阻隔层包含以膏剂形式应用的电介质材料。

39、权利要求36的太阳能电池，其中所述扩散阻隔层包含用化学气相沉积法沉积并且随后形成图案的电介质材料。

40、一种太阳能电池，其包含厚度小于约280微米的半导体晶片衬底；

其中衬底的扩散长度小于约300微米；并且

其中太阳能电池的效率大于约15％。

41、权利要求40的太阳能电池，其中所述电池的效率大于约17％。

42、权利要求40的太阳能电池，其中所述电池包括EWT电池。

43、一种制造太阳能电池的方法，该方法包括以下步骤：

提供厚度小于约280微米的p-掺杂的硅衬底；

在大部分衬底正面和背面上安置n⁺发射体层；

将位于正面的n⁺发射体层连接到位于背面的n⁺发射体层；和

在部分背面上安置一个或多个基极接触区。

44、权利要求43的方法，其中衬底的厚度小于约200微米。

45、权利要求44的方法，其中衬底的厚度小于约100微米。

46、权利要求45的方法，其中衬底的厚度小于约60微米。

47、权利要求46的方法，其中衬底的厚度小于约20微米。

48、权利要求43的方法，其中基极接触区包括小于约50％的背面表面积。

49、权利要求48的方法，其中基极接触区包括小于约40％的表面积。

50、权利要求49的方法，其中基极接触区包括小于约25％的表面积。

51、权利要求50的方法，其中基极接触区包括小于约10％的表面积。

52、权利要求51的方法，其中基极接触区包括小于约5％的表面积。

53、权利要求43的方法，其中安置一个或多个基极接触区的步骤包括提高衬底的光学吸收。

54、权利要求53的方法，其中基极接触区包含银。

55、权利要求43的方法，其中基极接触区包含镍。

56、权利要求43的方法，其中安置一个或多个基极接触区的步骤包括使基极接触区穿过安置在背面上的n⁺发射体层的步骤。

57、权利要求56的方法，其中使基极接触区穿过n⁺发射体层的步骤包括选自激光钻孔、蚀刻、铝合金化、硼扩散、热迁移、电迁移、和/或梯度驱动方法的方法。

58、权利要求43的方法，其中衬底的扩散长度小于约300微米。

59、权利要求58的方法，其中衬底的扩散长度小于约200微米。

60、权利要求59的方法，其中衬底的扩散长度小于约108微米。

61、权利要求58的方法，其中用p-型受体重掺杂衬底。

62、权利要求61的方法，其中p-型受体包括硼。

63、权利要求58的方法，其中太阳能电池的效率大于约15％。

64、权利要求63的方法，其中太阳能电池的效率大于约17％。

65、权利要求58的方法，其中衬底的厚度小于或约等于扩散长度的一半。

66、权利要求43的方法，还包括纹饰正面的步骤。

67、权利要求43的方法，其中连接步骤包括将一个或多个通孔延伸通过衬底的步骤。

68、权利要求67的方法，其中延伸一个或多个通孔的步骤包括使用选自激光钻孔、干法蚀刻、湿法蚀刻、机械钻孔、和喷水加工的方法。

69、权利要求67的方法，其中通孔具有基本上实心的横截面并且包含衬底材料。

70、权利要求69的方法，其中延伸一个或多个通孔的步骤包括使用梯度驱动方法。

71、权利要求70的方法，其中延伸一个或多个通孔的步骤包括使用热迁移。

72、权利要求70的方法，包括以下步骤：

在正面安置包含溶剂的材料；和

将溶剂迁移通过衬底到达背面。

73、权利要求72的方法，其中每个通孔的一个特征尺寸与衬底厚度近似相等。

74、权利要求43的方法，其中安置一个或多个基极接触区的步骤包括以下步骤：

在所需的背面区域上沉积含有p-型受体的扩散阻隔层；

将扩散阻隔层中含有的p-型受体扩散到衬底中。

75、权利要求74的方法，其中p-型受体包括硼。

76、一种根据权利要求43的方法制造的太阳能电池。

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