TW201440235A - 具有加強射極層之背接面太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示具有經改良射極層覆蓋之背接面太陽能電池及用於該背接面太陽能電池之製造之方法。在一項實施例中，一背接面太陽能電池包含具有一射極層之一n型基底層，該射極層由一第一p型經摻雜區域(例如，藉由液相磊晶再生長形成)及延伸超出該第一區域之一第二p型經摻雜區域(例如，藉由離子植入形成)形成。在各種實施例中，此組態准許該第一p型經摻雜區域在其與晶圓之邊緣之間形成有一邊界(例如，用以防止該電池之無意分流)，而該第二p型經摻雜區域使該射極層延伸以改良射極層覆蓋。在特定實施例中，該第二經摻雜p型區域可延伸至該晶圓之n型基底層之該等邊緣。
Description
本發明之各種實施例一般而言係關於太陽能電池。特定而言，本發明之各種實施例係關於一種具有一全區覆蓋後射極之背接面太陽能電池及用於該背接面太陽能電池之製造之方法。
在基本設計中，一太陽能電池由自光子吸收能量以透過光伏打效應產生電之一材料(諸如一半導體基板)構成。在光之光子穿透至基板中時，吸收能量且使先前處於一束縛狀態中之一電子自由。所釋放電子及先前佔用之電洞稱為電荷載子。
基板通常摻雜有p型及n型雜質以在太陽能電池內側在一p-n接面處形成一電場。為使用自由電荷載子產生電，電子及電洞在其被p-n接面處之電場分離之前必須不復合。然後，電子將由n型射極層上之電觸點收集且電洞將由p型基板上之電觸點收集。不復合之電荷載子可用於給一負載供電。
用於產生太陽能電池之一常用方法以經摻雜具有p型導電性之一基板開始。將一n型摻雜劑引入至基板之前表面以在一p型基底層之頂部上形成一n型射極層。通常，基板適度地摻雜有p型導電性之摻雜劑，而射極層重度摻雜有n型導電性之摻雜劑。作為形成射極層之一結果，一p-n接面在基板之經照射表面(亦即，在太陽能電池在使用中
時曝露於光源之基板之前側)附近形成。此類型之太陽能電池通常稱作「前接面」電池。
然而，習用前接面電池已知遭受包含電池之基底中之低少數載子擴散長度及由於在觸點形成期間穿透p-n接面所致之p-n接面之分流之各種缺點。為克服此等缺點，已建議用於形成一「背接面」太陽能電池之特定技術，在該等特定技術中，在電池之背表面而非前面附近形成電池之p-n接面。舉例而言，美國專利第6,262,359號闡述具有一n型基板之一太陽能電池，其中用於形成一前表面場之一較重度摻雜n層處於電池之前側上，且用作一p+射極之一經摻雜p+層使用鋁形成於電池之背側上。通常期望此等鋁合金背接面電池用以提供低串聯電阻及高填充因子之其能力。
然而，典型鋁合金背接面電池具有起源於其後射極層之有限覆蓋之一效能缺點。在形成後射極層中，一鋁膏通常絲網印刷於一n型矽晶圓之背表面上以形成一鋁背觸點。在(例如，在一帶式爐中)加熱或燒製背觸點時，藉由液相磊晶再生長在n型基底層上接近其與該背觸點之界面處形成摻雜鋁之p+矽射極層。由於絲網印刷技術及鋁膏施加之其他方法中所固有之缺陷，因此鋁背觸點通常施加使得晶圓之外邊緣與鋁背觸點之邊緣之間存在一邊界(例如，1mm)。此邊界通常提供為確保鋁沈積不超出晶圓之邊緣之一安全容限，超出晶圓之邊緣可導致鋁包繞晶圓之邊緣，藉此縮短太陽能電池且使其不可操作。另外，邊界幫助確保鋁不會沈積於絲網印刷設備之不期望區中。
摻雜鋁之射極層之剖面面積通常對應於經加熱鋁背觸點之剖面面積(如本文中所使用，術語「剖面面積」應係指平行於太陽能電池之基底之一水平剖面之面積)。出於此原因，上文所闡述技術將通常導致射極層不延伸至晶圓之邊緣(例如，以使得在射極層之邊緣與晶圓之邊緣之間存在一邊界)。作為一結果，射極層跨越晶圓之背側之
覆蓋通常限制為晶圓之剖面面積之大約97%。
為增加習用鋁合金後接面電池之射極層覆蓋，已建議用於移除未由電池之鋁背觸點覆蓋之晶圓之邊緣之特定技術。舉例而言，由Christian Schmiga等人在2010年9月6日至10日在西班牙巴倫西亞在第25屆歐巡光伏太陽能展覽會上呈現之標題為「Aluminum-Doped p+ Silicon for Rear Emitters and Back Surface Fields：Results and Potentials of Industrial n- and p-Type Solar Cells」之文章建議切掉在將鋁膏絲網印刷於一鋁合金後接面電池之後表面上期間保持不被覆蓋之1mm晶圓邊緣以將電池效率自18.6%改良至19.3%。藉由切掉此等晶圓邊緣，電池之鋁射極覆蓋自97%增加至100%。然而，此方法所需要之切割步驟可係昂貴的、耗時的且對電池潛在地有破壞性。另外，貴重矽浪費在切割條中。
因此，在此項技術中存在對具有增加之射極層覆蓋之一經改良背接面太陽能電池及用於製造克服上文所闡述缺點及先前技術之缺陷之此一電池之一方法之一需要。
本發明之各種實施例係關於一種背接面類型之太陽能電池，該太陽能電池具有與該太陽能電池之一經照射表面相對之一射極層。根據各種實施例，該太陽能電池包括：一矽基板，其界定一n型基底層及下伏於該n型基底層下之一p型射極層，以便在該p型射極層與該n型基底層之界面處界定一p-n接面；及一鋁背觸點層，其下伏於該p型射極層下。在各種實施例中，該p型射極層包括：至少一個第一區域，其包括鋁摻雜劑，其中在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第一區域之面積與該鋁背觸點層之面積至少部分重疊；及至少一個第二區域，其包括一p型摻雜劑，在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第二區域之面積之至少一部分延伸超出該至少一個第一區域之該面
積。另外，根據各種實施例，該p型射極層可覆蓋該n型基底層之整個背表面。此外，在特定實施例中，該背觸點層可在該背觸點層之外邊緣與該n型基底層之外邊緣之間界定一邊界區，以使得該至少一個第一區域界定於該n型基底層之該等邊緣內；且該至少一個第二區域可環繞該第一區域且延伸至該n型基底層之每一外邊緣。在特定實施例中，在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第一區域之剖面面積與該背觸點層之剖面面積實質上對準。
另外，本發明之各種實施例係關於一種背接面類型之太陽能電池，該太陽能電池具有與該太陽能電池之一經照射表面相對之一射極層，該太陽能電池包括：一n型基底層；一p型射極層，其下伏於該n型基底層下；及一背觸點層，其下伏於該p型射極層下。在各種實施例中，該p型射極層包括：至少一個第一區域，其摻雜有一第一p型摻雜劑，其中在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第一區域之面積與該背觸點層之面積至少部分重疊；及至少一個第二區域，其摻雜有一第二p型摻雜劑，在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第二區域之面積之至少一部分延伸超出該至少一個第一區域之該面積至該n型基底層之一或多個外邊緣。
另外，本發明之各種實施例係關於一種用於形成背接面類型之一太陽能電池之方法。根據各種實施例，該方法包括以下步驟：提供一n型經摻雜基板以用作一n型基底層；及製作下伏於該n型基底層下之一p型射極層。在各種實施例中，製作該p型射極層之步驟包括：用一p型摻雜劑來摻雜該基板之一背表面之至少一個第一區域，該至少一個第一區域之面積延伸至該n型基底層之一或多個外邊緣；將一鋁背觸點層施加至該基板之該背表面；及將該鋁背觸點層與該基板之該背表面之至少一個第二區域合金化，該至少一個第二區域實質上界定於該至少一個第一區域之周邊內。在特定實施例中，施加該觸點層以
使得一邊界界定於該觸點層之外邊緣與該n型基底層之外邊緣之間，且該至少一個第二區域界定於該n型基底層之該等邊緣內。另外，在特定實施例中，該至少一個第一區域環繞該至少一個第二區域且延伸至該n型基底層之該等外邊緣中之每一者。
提供上文總結僅係出於總結本發明之某些實例性實施例之目的，以便提供對本發明之某些態樣之一基本理解。因此，應瞭解，上文所闡述實例性實施例不應視為以比由說明書及隨附申請專利範圍所界定更具限制性之任何方式縮小本發明之範疇或精神。應瞭解，本發明之範疇涵蓋諸多潛在實施例，除此處總結之實施例以外，將在下文中進一步闡述該等實施例中之某些實施例。
5‧‧‧太陽能電池/背接面太陽能電池
10‧‧‧n型基底層/基底層/基板
20‧‧‧前表面場層
25‧‧‧p-n接面/n型基底層
30‧‧‧前觸點
35‧‧‧背觸點/鋁背觸點
40‧‧‧氧化物層/鈍化氧化物層/前鈍化氧化物層/下伏氧化物層
41‧‧‧氧化物層/鈍化氧化物層/背鈍化氧化物層
45‧‧‧抗反射層
50‧‧‧摻雜鋁之p+矽射極區域/p+矽射極區域/p+矽層/p型層/區域/p+矽射極層/射極層
52‧‧‧p+矽射極區域/摻雜硼之p+矽射極區域/區域/摻雜硼之區域/摻雜硼之射極區域/摻雜硼之p+矽射極層/射極層
55‧‧‧邊界區域/邊界/窄邊界區域
在如此概括地闡述本發明之實施例之後，現在將參考未必按比例繪製之隨附圖式，且其中：圖1圖解說明根據本發明之一項實施例之一背接面太陽能電池之一剖面側視圖；圖2a圖解說明根據用於製造本發明之一背接面太陽能電池之一方法之一實例性實施例所實施之初始操作步驟之一流程圖；圖2b圖解說明根據用於製造本發明之一背接面太陽能電池之一方法之一實例性實施例所實施之進一步操作步驟之一流程圖；圖2c圖解說明根據用於製造本發明之一背接面太陽能電池之一方法之一實例性實施例所實施之進一步操作步驟之一流程圖；圖3圖解說明根據本發明之一項實施例之一背接面太陽能電池之一仰視平面圖。
現在下文中將參考其中展示本發明之某些但並非所有實施例之隨附圖式來較完全地闡述本發明之各種實施例。熟習此項技術者應理
解，本發明可以諸多不同形式體現且不應視為限制本文中所陳述之實施例；而是，提供此等實施例以使得本揭示內容滿足適用合法要求。在通篇中，相似元件符號指代相似元件。
如本文中所使用，其中將一第一元件闡述為「上覆於」一第二元件上、在第二元件「上方」或「之上」之實施例通常可視為表示第一元件較接近於主要經照射表面或一次照射源。舉例而言，若據稱一第一元件上覆於一第二元件上，則該第一元件可較接近於太陽。類似地，其中將一第一元件闡述為「下覆於」一第二元件下、在第二元件「下方」或「之下」之實施例通常可視為表示第一元件距主要經照射表面或一次照射源較遠。舉例而言，若據稱一第一元件下伏於一第二元件下，則該第一元件可距太陽較遠。另外，應注意，在各種實施例中，一次照射源可不指諸如在源自一次照射源之光已通過或圍繞裝置之後，自定位於該裝置之後面或遠處之一反射表面返回至該裝置之光的二次照射之其他形式。
本發明之各種實施例一般而言係關於一種具有經改良射極層覆蓋之背接面太陽能電池及用於製造該背接面太陽能電池之方法。根據各種實施例，背接面太陽能電池包含由一起提供增加之射極層覆蓋之一對p+經摻雜區域構成之一後射極層。作為一實例，背接面太陽能電池之特定實施例包含具有輕度摻雜有硼之一個區域及摻雜有鋁之另一區域之一n型基底層。摻雜鋁之p+矽射極區域可經由液相磊晶再生長由一鋁背觸點形成，且出於上文所論述之原因通常提供於n型基底層之背表面上，以使得在該射極區域與矽晶圓之外邊緣之間存在一邊界。然而，在各種實施例中，摻雜硼之p+矽射極區域可提供於n型基底層之整個背表面上(或僅在邊界區域中)，以使得不被摻雜鋁之p+矽射極區域覆蓋之n型基底層之部分由摻雜硼之p+矽射極區域覆蓋。在此等實施例中，此結構使後射極層延伸至晶圓之邊緣且改良射極層覆
蓋。實際上，在某些實施例中，在射極層與晶圓之邊緣之間不存在邊界。
摻雜鋁之p+矽射極區域與摻雜硼之p+矽射極區域之組合提供具有對n型基底層之後表面之經改良覆蓋之一射極層。舉例而言，特定實施例具有一射極層，該射極層具有晶圓之背表面之100%覆蓋。
圖1圖解說明根據本發明之一太陽能電池5之一項實施例。根據各種實施例，太陽能電池5可由一半導體基板形成。基板可由矽(Si)、鍺(Ge)或矽-鍺(SiGe)或者其他半導電材料構成，或其可係此等材料之一組合。在單晶基板之情形中，半導體基板可使用浮區(Float Zone)(FZ)或Czochralski(Cz)技術自一熔體生長。然後，所得單晶晶塊鋸割成一晶圓以形成基板。對於由矽、鍺或矽-鍺構成之一基板，晶圓表面之晶體定向可係(舉例而言)(100)或(110)。另一選擇係，基板可係多晶體，其可比單晶基板廉價。然而，多晶基板遭受電荷載子在晶粒邊界處之復合，且需要鈍化以避免效率損失。
在特定實施例中，基板之前及背表面可界定在一各向異性蝕刻程序期間藉由用氫氧化鉀(KOH)及異丙醇(IPA)之一溶液對其處理所形成之金字塔結構。此等結構之存在藉由減小因反射而自前表面損失之光之量而增加進入太陽能電池5之光之量。背觸點下方之背表面上之金字塔結構在一背觸點之形成期間可遭到破壞。
根據圖1之實施例，基板可摻雜有n型導電性之雜質以形成一n型基底層10。若基板由矽(Si)、鍺(Ge)或矽-鍺(Si-Ge)構成，則n型基底層10可摻雜有磷(P)、銻(Sb)、砷(As)或其他V族元素以誘發n型導電性。一前表面場層20可藉由(舉例而言)離子植入形成於n型基底層10之前表面上。根據各種實施例，前表面場層20可摻雜有與n型基底層10之導電性相同之n型導電性之雜質。在特定實施例中，可使用與n型
基底層相同類型之摻雜劑原子。在圖1之所圖解說明實施例中，前表面場層20係一均勻前表面場層。根據其他實施例，前表面場層20可包括由重度摻雜之選擇性區域及輕度摻雜之場區域構成之一選擇性前表面場層。在此等實施例中，可如美國公開案第2011/0139231號中所闡述來提供選擇性前表面場層，該美國公開案之全部內容以引用方式併入本文中。
前表面場層20之前表面及n型基底層10之背表面表示其晶體結構之一不連續性，且在此等曝露之表面處呈現懸空化學鍵。懸空鍵構成復合中心，此不利地消除電荷載子，因此降低太陽能電池之效率。在所圖解說明實施例中，氧化物層40、41形成於前表面場層20之前表面及一p+矽射極區域52之背表面兩者上以防止電荷載子之消除。如此一來，一鈍化氧化物層可形成於包含界定其厚度之晶圓之薄側上之整個經曝露晶圓表面上。
氧化物層40、41可接觸前表面場層20之前表面及p+矽射極區域52之背表面，以便以化學方式滿足此等界面處之原子鍵，以使得其將不消除電荷載子。氧化物層40、41取決於基板之組成可包括用於一矽基板之一介電材料(諸如二氧化矽(SiO2))或另一半導體類型之一種氧化物。氧化物層40、41可具有在自5奈米至150奈米之一範圍內之厚度。舉例而言，在一項實施例中，可使用20奈米。藉由鈍化基板之表面上之懸空矽鍵，氧化物層40、41可減小表面復合速度且減少逆向飽和電流密度(Joe)之前表面場分量，從而改良太陽能電池5之總體效率。另外，在特定實施例中，舉例而言，在用一氮化矽層封蓋時，形成於p+矽射極區域52之背表面上之氧化物層41可有利地產生一高品質介電鈍化之背表面。
一抗反射層45可形成於前氧化物層40之前表面上以減小入射光之反射及因此太陽能之損失。抗反射層45可具有比氧化物層40之折射
率大之一折射率，此往往導致入射至太陽能電池之光折射進入至抗反射層45中且穿過氧化物層40至基板，在基板中光轉化為自由電荷載子。舉例而言，在藉助具有632.8nm之一波長之一入射雷射量測時，抗反射層45可具有在1.4至2.4之範圍內之一折射率。抗反射層45可由氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氟化鎂(Mg2F)、氧化鋅(ZnO)或硫化鋅(ZnS2)或此等材料之組合構成。在某些實施例中，抗反射層45包括一非晶氮化物，諸如非晶氮化矽(a-SiNX)。抗反射層45可具有自10奈米至100奈米之一厚度。
另外，前觸點30及前連接可由諸如銀(Ag)之導電材料形成。通常，對於矽及其他基板，可使用銀來接觸摻雜為n型之基板之表面(諸如前表面場層20)。金屬與一半導體之直接接觸增加電子與電洞之復合速率，此可顯著地降低太陽能電池效率。為減少此效應並限制覆蓋基板之表面之金屬的比例，前觸點30及前連接可經組態為點或線觸點(有時稱為「局部觸點」)。點或線觸點之間隔及配置可如2009年1月29日公佈之美國公開案第2009/0025786號中所闡述而判定，該美國公開案如同完全陳述一般以參考方式併入本文中。
前觸點30及前連接可藉由將銀絲網印刷於抗反射層45之前表面上形成。前連接可包括可銲墊或匯流條以促進至太陽能電池5之前表面之電連接。根據實例性實施例，前連接之圖案可與下文所闡述之背連接對準。
另外，對於前觸點30及前連接，可選擇銀，此乃因銀之高導電性限制可降低太陽能電池效率之陰影效應。各種商業銀膏可用於此目的。然而，銀不透明，因此出於此額外原因可期望將前觸點30及前連接之尺寸限制至有限面積之點或線觸點。如上文所述，在特定實施例中，前表面場層20可係由重度摻雜之選擇性區域及輕度摻雜之場區域構成之一選擇性前表面場層。另外，根據此等實施例，可如上文所參
考之'231公開案中所闡述定位及組態前觸點30。
根據特定實施例，氧化物層40及抗反射層45可在形成前觸點30及前連接之前安置於前表面場層20之前表面上。在此情形中，前觸點30及前連接可物理穿透氧化物層40及抗反射層45以與前表面場層20之下伏區域接觸。前觸點30及前連接除金屬以外可含有玻璃料以促進其燒製穿過氧化物層40及抗反射層45以與前表面場層20接觸。
如圖1中所展示，太陽能電池5亦包含在n型基底層10之背表面附近形成之一射極層。在所圖解說明實施例中，射極層由一摻雜鋁之p+矽射極區域50及一摻雜硼之p+矽射極區域52構成。摻雜鋁之p+矽射極區域50係幾乎沿著n型基底層10之整個背表面而形成，惟在n型基底層10之外邊緣附近所界定之一邊界區域55除外。舉例而言，在一項實施例中，邊界區域55沿著摻雜鋁之p+矽射極區域50之所有側界定，以使得摻雜鋁之p+矽射極區域50之任何部分皆不延伸至n型基底層10之外邊緣。在一項實施例中，邊界55具有界定於摻雜鋁之p+矽射極區域50之外邊緣與n型基底層10之外邊緣之間的1mm之一寬度。然而，根據各種其他實施例，邊界55可以其他寬度提供，且可經界定以使得其寬度係均勻或不均勻的。
如圖1中所展示，摻雜硼之p+矽射極區域52亦沿著n型基底層10之背表面界定。然而，摻雜硼之p+矽射極區域52延伸跨越邊界區域55至n型基底層10之外邊緣。因此，在圖1之所圖解說明實施例中，摻雜硼之p+矽射極區域52延伸超出摻雜鋁之p+矽射極區域50且完全環繞摻雜鋁之p+矽射極區域50，以使得摻雜鋁之p+矽射極區域50界定於摻雜硼之p+矽射極區域52之外邊緣內，因此，在圖1之所圖解說明實施例中，摻雜鋁之p+矽射極區域50與摻雜硼之p+矽射極區域52一起形成覆蓋n型基底層10之整個背表面之一射極層。
如下文較詳細闡述，在一項實施例中，摻雜硼之p+矽射極區域52
可(例如，藉由沿著整個背表面之均勻離子植入)首先形成於n型基底層10之整個背表面上，且摻雜鋁之p+矽射極區域50可(例如，藉由液相磊晶再生長)此後形成。在此等實施例中，其中摻雜硼之p+矽射極區域52與摻雜鋁之p+矽射極區域50重疊之區域可包括硼p+摻雜劑及鋁p+摻雜劑兩者。在其他實施例中，可僅在n型基底層10之未被n型基底層10之整個背表面佔用之一區域上(例如，僅在邊界區域55內)形成摻雜硼之p+矽射極區域52。另外，根據某些實施例，邊界區域55之寬度或輪廓之變化可導致摻雜鋁之p+矽射極區域50之部分延伸至n型基底層10之一或多個外邊緣，藉此導致摻雜硼之p+矽射極區域52環繞摻雜鋁之p+矽射極區域50之大多數但並非所有區域。
返回參考圖1，一p-n接面25形成於n型基底層10與太陽能電池5之背側附近之p+矽射極區域50、52之間的界面處。n型基底層10及p+矽射極區域50、52由於其相反導電性而形成跨越p-n接面25之一電場，該電場分離由光光子之吸收產生之自由電子與電洞且迫使其沿相反方向移動至各別前及背觸點30、35。另外，如上文所論述，由p+矽射極區域50、52形成之射極層之各種實施例覆蓋n型基底層10之整個背表面。在此等實施例中，p-n接面25將跨越n型基底層10之整個背表面提供，藉此提供100%射極層覆蓋。如上文所述，已展示提供跨越n型基底層10之整個背表面之p-n接面25以增加短路電流密度(Jsc)及電池效率。
太陽能電池5亦包含一背觸點35。根據各種實施例，背觸點35可包括一鋁背觸點35(例如，由具有自10微米至50微米之一厚度之一鋁-矽共晶組合物構成)。在各種實施例中，背觸點35可使用絲網印刷之膏形成於n型基底層10之背表面上。如上文所述，摻雜鋁之p+矽射極區域50可在n型基底層10與一鋁背觸點35之界面處藉由液相磊晶再生長而形成。因此，在自背觸點35下方觀看時，摻雜鋁之p+矽射極區域
50之剖面面積與背觸點35之剖面面積通常對準。舉例而言，在圖1之所圖解說明實施例中，背觸點35幾乎覆蓋n型基底層10之整個背表面，但並非印刷於n型基底層10之外邊緣附近所界定之窄邊界區域55上方。在此一實施例中，背觸點35可包括覆蓋晶圓之後表面面積之大約90%至99%(例如，97%)之一鋁層。另外，背觸點35可連續形成於晶圓之背表面上方(例如，不具有開口或其他不連續性以形成圍繞諸如銀觸點之其他觸點之背觸點35)。
作為一實例，圖3展示如自背觸點35下方所觀看之太陽能電池5。在所圖解說明實施例中，背觸點35連續形成於晶圓之背表面上方。邊界區域55界定於背觸點35之外邊緣與晶圓之外邊緣之間的區中。因此，可自邊界區域55之區中看見鈍化氧化物層41。此外，如將藉由結合圖1觀看圖3所瞭解，摻雜硼之p+矽射極區域52界定於與邊界區域55之區對準之氧化物層41之頂部上。
根據各種實施例，背觸點35可與摻雜鋁之p+矽層50電接觸。在特定實施例中，背觸點35亦可用作太陽能電池5之一反射背層。具有一反射背層提供一反射表面以將到達背面之入射光返回至基板，在基板處，入射光可產生自由電荷載子。另外，如下文關於特定實施例較詳細闡述，一後氧化物層可在形成背觸點35之前安置於n型基底層10之背表面上。在此情形中，背觸點35可物理穿透後氧化物層以與相關聯p型層50接觸。後氧化物層可在背觸點35之形成期間由膏中之玻璃料消耗。
在各種實施例中，背連接一諸如可銲墊或匯流條一可形成於背觸點35上以促進至太陽能電池5之背表面之電連接。舉例而言，背連接可藉由在背觸點35上施加銅箔而形成於背觸點35上。在其他實施例中，可(例如，藉由一電漿程序或藉由一濺鍍程序)沈積銅條。在一項實施例中，此等銅條可如美國公開案第2012/0279563號中所闡述而沈
積，該美國公開案以引用方式併入本文中。在又一實施例中，背連接可藉由在背觸點35之背面上施加銀銲墊(例如，聚合物銀銲墊)而形成於背觸點35上。在又一實施例中，可使用能夠直接接合至鋁背觸點35之一無銲互連方法(諸如一導電膜)。其他實施例可涉及絲網印刷一剝離膏。又一替代實施例涉及藉由一電漿塗佈程序將可銲金屬墊沈積於背鋁表面上。
如自本文中之說明將瞭解，對太陽能電池5做出之各種改變及修改視為在本發明之範疇內。舉例而言，在特定實施例中，區域52可包括(例如，藉由Innovalight油墨或藉由磊晶再生長)沈積於n型基底層10之背表面上之一摻雜硼之矽層。在又一實施例中，可沈積其他摻雜硼之層(例如，藉由APCVD或PECVD沈積之硼玻璃)。另外，可在其中摻雜有其他p+摻雜劑之摻雜區域50、52中提供太陽能電池5之各種實施例。舉例而言，在特定實施例中，區域52可(例如，藉由離子植入或擴散)摻雜有銦、鎵或鋁。另外，區域50可摻雜有鎵或銦。此外，根據各種實施例，邊界區域55之輪廓可根據各種實施例變化。作為一實例，摻雜鋁之p+矽射極區域50之特定部分(例如，由於特定射極形成程序之準確度)可延伸至晶圓之一或多個邊緣。類似地，摻雜硼之p+矽射極區域52之特定部分(例如，亦由於特定射極形成程序之準確度)可不會覆蓋邊界區域55之特定部分。然而，在此等實施例中，射極層之覆蓋仍可有利地改良，甚至在射極層覆蓋小於100%之情況下。因此，本文中所闡述之各種實施例並非嚴格受限於具有100%射極層覆蓋之電池。
圖2a至圖2c圖解說明根據本發明之一實例性實施例之用於製造背接面太陽能電池5之一實例性方法之一流程圖。因此，圖2a至圖2c揭示根據本發明之用於製造之方法。
如圖2a中所展示，在其中提供一基板(例如，一156mm偽正方形晶圓)之操作200處開始例示性方法。基板可如上文關於圖1所闡述。通常，可自具有指定量之n型導電性之供應商訂購一基板。根據各種實施例，可用n型摻雜劑來摻雜基板以形成一n型基底層10。摻雜劑濃度可在(舉例而言)每立方公分1013個至1021個原子(原子/cm3)之一範圍內。基板之厚度可在自50奈米至500奈米之一範圍內。在特定實施例中，藉由使用具有自50奈米至小於200奈米之一厚度之基板可達成對半導體材料之節約。基板之電阻率可在自1Ohm-cm至150Ohm-cm之一範圍內，其中使用10Ohm-cm至100Ohm-cm獲得優良結果。可使用單晶或多晶或可能線帶或者其他類型之基板。
在操作200處，可清洗基板以將其準備用於處理。可藉由將基板浸入具有(舉例而言)約一1%至10%濃度之氫氧化鉀(KOH)浴中以蝕除基板之表面上之鋸割損壞來達成清洗。根據某些實例性實施例，可在約攝氏60度至攝氏90度之一溫度下實施蝕刻。
在操作205處，可紋理化基板。舉例而言，可藉由將基板浸入氫氧化鉀及異丙醇(KOH-IPA)浴中將基板各向異性地蝕刻而紋理化基板。根據某些實例性實施例，氫氧化鉀濃度可係約一1%至10%濃度，且異丙醇可係約一2%至20%濃度。KOH-IPA浴之溫度可係約攝氏65度至攝氏90度。KOH-IPA蝕刻基板之表面以形成具有以<111>晶體定向之面之金字塔結構。所得金字塔結構幫助減小前表面處之反射率並陷獲基板內之光，在基板內可吸收該光用於轉化至電能。
接下來，在操作207處，可藉由使一未遮蔽硼植入體進入至n型基底層10之整個背表面中而形成電池之射極層之摻雜硼之區域52。舉例而言，在所圖解說明實施例中，藉由離子植入用硼來摻雜n型基底層10之整個背表面。作為一實例，根據特定實施例，離子植入體之摻雜劑劑量可相當輕(例如，介於每平方公分1×1014個至2×1015個硼原子
(原子/cm2)之間)。然而，如上文所述，太陽能電池5之其他實施例可包含提供於基底層10之背表面之僅一部分上之一摻雜硼之區域52。在此等實施例中，可藉由一經遮蔽硼植入體來執行步驟207。硼植入體能量可係(舉例而言)介於5keV與30keV之間。
根據各種其他實施例，可藉由擴散在步驟207中形成摻雜硼之區域52。在又一實施例中，可(例如，藉由Innovalight油墨或藉由磊晶生長)將一摻雜硼之矽層沈積於n型基底層10之背表面上。在又一實施例中，可沈積其他摻雜硼之層(例如，藉由APCVD或PECVD沈積之硼玻璃)。另外，根據各種其他實施例，可使用上文所闡述技術用除硼之外的p型摻雜劑(例如，銦、鎵或鋁)來摻雜區域52。
現在參考圖2b，方法繼續進行至操作210，其中將摻雜劑原子引入至n型基底層10之前表面以形成前表面場層20。根據各種實施例，可藉由離子植入引入摻雜劑原子。摻雜劑原子可具有與n型基底層10之導電性相似之n型導電性。在特定實施例中，n型摻雜劑可係磷粒子(舉例而言，P31+或諸如此類)。根據各種實施例，可以自約0.7×1015個原子/cm2至7.0×1015個原子/cm2之一劑量(舉例而言，3.4×1015個原子/cm2)在n型基底層10上方均勻地執行離子植入。可以5千電子伏特(keV)至30keV之一範圍(舉例而言，10keV)執行束加速。如上文所述，根據各種實施例，可實施操作210之離子植入步驟，以便形成一均勻前表面場層20。然而，根據各種其他實施例，可使用(舉例而言)美國公開案第2011/0139231號中所闡述之技術來執行操作210以提供一選擇性前表面場層。
接下來，在操作215處，經植入基板可遭受一加熱步驟以形成前表面場層20及摻雜硼之射極區域52。根據某些實施例，可將基板引入至一爐(舉例而言，一自動化石英管爐)中用於退火。石英管之內徑可係約290毫米以容納156毫米偽正方形基板。可使用退火操作215一次
達成數個目標。首先，退火操作215可活化所植入摻雜劑離子，亦即退火操作之熱能在矽晶格中產生空位用以填充摻雜劑離子。其次，退火可將摻雜劑離子驅動得較深入(舉例而言，至一所要接面深度)於基板中。第三，退火操作215可修復因離子植入導致之對基板10之結晶晶格之損壞。第四，可使用退火操作215在前表面場層20及摻雜硼之射極區域52之背表面上生長鈍化氧化物層40、41。
根據實例性實施例，可藉由在攝氏500度至攝氏1100度之範圍內之一溫度下將1至100個基板裝載至一爐中而開始退火操作215。在某些實施例中，可將大量基板同時裝載至爐中，舉例而言，可在一單爐循環期間裝載高達800個基板。一旦基板裝載至爐中，溫度可在10分鐘至30分鐘之一時段內斜升至在攝氏700度至攝氏1100度之範圍(舉例而言，自攝氏900度至攝氏950度)內之一溫度。然後，可將此溫度維持10分鐘至30分鐘，較佳地25分鐘。在此期間，在維持溫度之同時，可將氧引入至爐，舉例而言，可引入氧氣或水蒸氣。氧之引入可發生達10分鐘至30分鐘，較佳地10分鐘。可以100至5000標準立方公分/分鐘(sccm)之一流動速率引入氧。所引入氧可在前表面場層20及摻雜硼之射極區域52之背表面上使鈍化氧化物層40、41原位生長，此乃因使用離子植入而非擴散不會導致將需要在形成一氧化物層之前移除之一玻璃層之形成。最後，溫度可在30分鐘至120分鐘之一時段內斜降至在攝氏500度至攝氏700度之範圍內之一溫度。然後，可自爐移除基板。
接下來，在操作220處，可在前鈍化氧化物層40上形成一抗反射層45。抗反射層45可具有比氧化物層40高但比矽基板低之一折射率，從而使得較多光能夠進入抗反射層45中並穿過氧化物層40至基板，在基板中將光轉化為自由電荷載子。抗反射層45可由氮化矽(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氟化鎂(Mg2F)或硫化鋅(ZnS2)或者此等
材料之組合構成。在特定實施例中，抗反射層45可包括一非晶氮化物，諸如非晶氮化矽(a-SiNx)。可藉由電漿增強之化學汽相沈積(PECVD)形成抗反射層45。PECVD程序之替代方案可包含低壓化學汽相沈積(LPCVD)、濺鍍及諸如此類。PECVD程序可包含將基板加熱至在攝氏400度至攝氏450度之範圍內之一溫度。另外，PECVD程序可包含使用矽烷及氨反應物氣體。抗反射層45可具有自50奈米至90奈米之一厚度及約2之一折射率。可藉由諸如沈積時間、電漿功率、反應物氣體之流動速率及沈積壓力之參數來判定抗反射層45之厚度及折射率。
現在參考圖2c，方法繼續操作225，其中可將用於太陽能電池5之前觸點30及前連接之材料施加至抗反射層45之前表面。根據各種實施例，可藉助光學對準使用一半自動絲網印刷機來絲網印刷前觸點30及前連接。可使用一銀膏施加前觸點30及前連接。在某些實施例中，銀膏可係一經燒結銀膏以在燒製觸點期間幫助穿透前鈍化氧化物層40及抗反射層45。可最佳化銀膏尤其用於藉助低磷摻雜來形成至前表面場之觸點。可由絲網之接觸圖案界定前觸點30及前連接之組態及間隔。在特定實施例中，前觸點30可係50微米至150微米寬且間隔開1.5毫米至2.5毫米。隨後，可藉助一帶式爐乾燥用於前觸點30及前連接之膏。另一選擇係，可如下文操作230中所闡述與背觸點35一起同時乾燥前觸點30及前連接。在其中前表面場層20係一選擇性前表面場層之實施例中，可如上文所參考'231公開案中所闡述定位及組態前觸點30。
接下來，在操作230處，可將用於背觸點35之材料施加至摻雜硼之射極區域52之背表面。根據實例性實施例，可將背觸點35絲網印刷於摻雜硼之射極區域52之背表面上之背鈍化氧化物層41上。可使用一鋁膏(舉例而言，Monocrystal Analog 12D或諸如此類)施加背觸點35。
在所圖解說明實施例中，跨越摻雜硼之射極區域52之幾乎整個背表面連續絲網印刷鋁膏。在此實施例中，可能不會在晶圓之邊緣附近之一窄邊界區域55(例如，大約1mm寬之一邊界)上方印刷背觸點35之鋁膏。可視情況在周圍空氣中於攝氏200度至攝氏400度之範圍內之一溫度下將太陽能電池5放置於一帶式爐上達30秒至60秒以乾燥經印刷膏。如上文所述，然而，製造程序之各種其他實施例可涉及由諸如鎵或銦之其他材料形成一背觸點。
接下來，在操作235處，可在諸如一直列帶式爐或諸如此類之一帶式爐中加熱或共燒製具有施加之前及背觸點30、35及前連接之基板。在共燒製結構之程序中，前觸點30及前連接可燒製穿過前鈍化氧化物層40及抗反射層45以形成與前表面場層20之一實體連接。為促進燒製穿過氧化物層40及抗反射層45，前觸點30及前連接可含有諸如玻璃料或諸如此類之用料。用以形成前觸點30及前連接之膏中之玻璃料可在接近攝氏500度之一溫度下熔融並溶解下伏氧化物層40及抗反射層45。可挑選燒製溫度以使得前觸點膏中之金屬顆粒(諸如銀)與前表面場層20形成歐姆接觸，而不會在前表面場層之深度之下遷移。
在操作235處之共燒製期間，舉例而言，在溫度超過攝氏577度之鋁-矽共晶溫度時，來自背觸點35之鋁可與來自p型射極層及n型基底層10之矽合金化。在某些實施例中，在合金化期間爐之溫度可足夠高，以使得鋁可有效地溶解矽。在共燒製之後冷卻基板時，可藉由液相磊晶再生長在n型基底層10上形成一摻雜鋁之p+矽射極層50。然而，在所圖解說明實施例中，在n型基底層10之整個背表面上形成摻雜硼之p+矽射極層52。因此，摻雜硼之p+矽射極層52與摻雜鋁之p+矽射極層50重疊之部分將導致某些硼摻雜劑原子存在於主要摻雜鋁之p+矽射極層50中。然而，在其中摻雜硼之p+矽射極層52不形成於n型基底層10之整個背表面上(例如，其中其僅形成於邊界區域55中)之其他
實施例中，硼摻雜劑原子可不存在於摻雜鋁之p+矽射極層50中。
如圖2c中所展示，在n型基底層10與摻雜鋁之p+矽射極層50及摻雜硼之p+矽射極層52之界面處形成一p-n接面25以形成一背接面太陽能電池5。鋁背觸點35之其餘部分可包括一鋁-矽共晶金屬層。在特定實施例中，背觸點35在太陽能電池5之背面附近之一部分可主要包括鋁。
背觸點35之材料可形成與摻雜鋁之p+矽射極層50之一實體及電連接。在共燒製結構之程序中，背觸點35可燒製穿過背鈍化氧化物層41以形成與摻雜鋁之p+矽射極層50之一實體連接。作為一結果，背鈍化氧化物層41可由背觸點35材料(舉例而言，由鋁膏中之玻璃料)消耗。溫度量變曲線可以在每秒攝氏20度至每秒攝氏150度之範圍內之一高加熱速率為特徵，此促進在n型基底層10之背表面與射極層50、52之間形成一均勻n-p+界面。
由於鋁可用作用於形成摻雜鋁之p+矽射極層50及背觸點35兩者之摻雜劑，因此背觸點35可充當至摻雜鋁之p+矽射極層50之一自我對準觸點。出於相同原因，該方法可減小背觸點35使p-n接面25分流之可能性，即背觸點35之鋁係用於形成p-n接面25之p型摻雜劑之源。另外，由於p-n接面25在太陽能電池5之背表面附近定位，因此不會關於分流真正關注前表面場層之深度。
為促進至太陽能電池5之背側之一可銲連接，可在背觸點35之背表面上形成諸如可銲墊或匯流條之背連接。舉例而言，可藉由將銅箔施加於背觸點35上而在背觸點35上形成背連接。在其他實施例中，可(例如，藉由一電漿程序或藉由一濺鍍程序)沈積銅條。在又一實施例中，可藉由將銀銲墊(舉例而言，Ferro LF33750聚合物Ag)施加於背觸點35之背面上而在背觸點35上形成背連接。另一選擇係，可使用能夠直接接合至鋁背觸點35之一無銲互連方法(諸如一導電膜)。又一替代
方案係藉由一電漿塗佈程序將可銲金屬墊沈積於背鋁表面上。亦可施加可銲錫墊。
亦可將前及背連接燒結、固化或焊接至各別前及背觸點30、35，以使得其整體連接且形成至太陽能電池5之各別前及背側之良好電連接。可經由銲線將連接鄰接至一太陽能模組中之毗鄰太陽能電池且最終鄰接至一負載以在太陽能電池曝露於光後旋即為其提供電力。
根據上文所闡述製造程序之各種實施例，可形成具有經改良射極覆蓋之一背接面太陽能電池。可如本文中所闡述藉由形成背接面電池來實現諸多優點。舉例而言，各種實施例展現經改良短路電流密度(Jsc)及經改良太陽能電池效率(例如，在特定實施例中，以19%或超過19%)。另外，p-n接面之品質(例如，在特定實施例中，接近於1之一理想因子)連同電池之填充因子之一對應增加一起亦經改良。延伸之射極面積改良晶圓之邊緣附近之電流收集且亦將空乏區推向晶圓之邊緣。在不具有切割邊緣之先前背接面電池中，電池之背表面上之空乏區曝露且未經鈍化，此導致電流沿著背表面洩漏、增加復合電流及減小電池之填充因子。相比而言，本文中所闡述之背接面電池之延伸之射極層較佳地鈍化基板之邊緣且減小空乏區之大小。此減小電池中之洩漏或復合電流且改良電池效能。另外，用於製造此類型之電池之上文所闡述方法係高效的且在各種實施例中，減小或消除涉及材料減少之步驟(例如，切割、蝕刻、劃線、雷射剝離)。與具有切割邊緣之電池相比，由於消除昂貴及效率低的切割階段及矽材料之轉化，因此實現實質製造效率。
受益於前述說明及相關聯圖示中所呈現之教示，熟習此項技術者將聯想到關於此等發明之本文中所陳述之本發明之諸多修改及其他實施例。因此，應理解，本發明之實施例不限於所揭示之特定實施例
而意欲將修改及其他實施例皆包含在隨附申請專利範圍之範疇內。此外，儘管在元件及/或功能之特定實例性組合之上下文中，前述說明及相關聯圖示闡述實例性實施例，但應瞭解，可在不背離隨附申請專利範圍之範疇之情況下由替代實施例提供元件及/或功能之不同組合。就此而言，舉例而言，亦涵蓋與上文明確闡述者不同之步驟、元件及/或材料之組合，如同可在隨附申請專利範圍中之某些隨附申請專利範圍中陳述一樣。因此，說明書及圖式將視為僅具一說明性意義而非限制性意義。儘管已採用特定術語，但其僅係以一般及描述性意義來使用且並非出於限定之目的。
5‧‧‧太陽能電池/背接面太陽能電池
10‧‧‧n型基底層/基底層/基板
20‧‧‧前表面場層
25‧‧‧p-n接面/n型基底層
30‧‧‧前觸點
35‧‧‧背觸點/鋁背觸點
40‧‧‧氧化物層/鈍化氧化物層/前鈍化氧化物層/下伏氧化物層
41‧‧‧氧化物層/鈍化氧化物層/背鈍化氧化物層
45‧‧‧抗反射層
50‧‧‧摻雜鋁之p+矽射極區域/p+矽射極區域/p+矽層/p型層/區域/p+矽射極層/射極層
52‧‧‧p+矽射極區域/摻雜硼之p+矽射極區域/區域/摻雜硼之區域/摻雜硼之射極區域/摻雜硼之p+矽射極層/射極層
55‧‧‧邊界區域/邊界/窄邊界區域
Claims (21)
- 一種背接面類型之太陽能電池，該太陽能電池具有與該太陽能電池之一經照射表面相對之一射極層，該太陽能電池包括：一矽基板，其界定一n型基底層及下伏於該n型基底層下之一p型射極層，以便在該p型射極層與該n型基底層之界面處界定一p-n接面；及一鋁背觸點層，其下伏於該p型射極層下；其中該p型射極層包括：至少一個第一區域，其包括鋁摻雜劑，其中在自該鋁背觸點層下方觀看時，該至少一個第一區域之面積與該鋁背觸點層之面積至少部分重疊；及至少一個第二區域，其包括一p型摻雜劑，在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第二區域之面積之至少一部分延伸超出該至少一個第一區域之該面積。
- 如請求項1之太陽能電池，其中該p型射極層覆蓋該n型基底層之整個背表面。
- 如請求項2之太陽能電池，其中該鋁背觸點層在該鋁背觸點層之外邊緣與該n型基底層之外邊緣之間界定一邊界區，以使得該至少一個第一區域界定於該n型基底層之該等邊緣內；且其中該至少一個第二區域環繞第一區域且延伸至該n型基底層之每一外邊緣。
- 如請求項3之太陽能電池，其中該至少一個第二區域形成於該n型基底層之該整個背表面上。
- 如請求項1之太陽能電池，其中該p型摻雜劑係硼。
- 如請求項1之太陽能電池，其中絲網印刷且由一鋁膏形成該鋁背 觸點層；且其中該至少一個第一區域係透過液相磊晶再生長由鋁與矽之合金化而形成。
- 如請求項1之太陽能電池，其中該鋁背觸點層係沿著該基板之表面連續形成。
- 如請求項1之太陽能電池，其中該至少一個第二區域係藉由離子植入形成。
- 如請求項1之太陽能電池，其進一步包括：一n+前表面場層，其上覆於該n型基底層上；一鈍化氧化物層，其上覆於該n+前表面場層上；一抗反射層，其上覆於該鈍化氧化物層上；及一或多個絲網印刷之觸點，其形成於該抗反射層上方。
- 如請求項1之太陽能電池，其中在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第一區域之剖面面積與該鋁背觸點層之剖面面積實質上對準。
- 如請求項1之太陽能電池，其中該至少一個第二區域延伸至該n型基底層之一或多個外邊緣。
- 一種用於形成背接面類型之一太陽能電池之方法，該方法包括以下步驟：提供一n型經摻雜基板以用作一n型基底層；及製作下伏於該n型基底層下之一p型射極層，其中製作該p型射極層之步驟包括：用一p型摻雜劑來摻雜該基板之一背表面之至少一個第一區域，該至少一個第一區域之面積延伸至該n型基底層之一或多個外邊緣；將一鋁背觸點層施加至該基板之該背表面；及 將該鋁背觸點層與該基板之該背表面之至少一個第二區域合金化，該至少一個第二區域實質上界定於該至少一個第一區域之周邊內。
- 如請求項12之方法，其中該至少一個第一區域與該至少一個第二區域一起覆蓋該n型基底層之該整個背表面。
- 如請求項13之方法，其中施加該鋁背觸點層以使得在該鋁背觸點層之外邊緣與該n型基底層之該等外邊緣之間界定一邊界，且在該n型基底層之該等外邊緣內界定該至少一個第二區域。
- 如請求項14之方法，其中該至少一個第一區域環繞該至少一個第二區域且延伸至該n型基底層之該等外邊緣中之每一者。
- 如請求項12之方法，其中該至少一個第一區域覆蓋該n型基底層之該整個背表面。
- 如請求項12之方法，其中該p型摻雜劑係硼。
- 如請求項12之方法，其中藉由離子植入用該p型摻雜劑來摻雜該至少一個第一區域。
- 如請求項18之方法，其中絲網印刷且由一鋁膏形成該鋁背觸點層；且藉由液相磊晶再生長達成將該鋁背觸點層與該n型基底層之該背側之該至少一個第二區域合金化之該步驟。
- 如請求項19之方法，其進一步包括：形成一n+前表面場層以使得該n+前表面場層上覆於該n型基底層上；在該n+前表面場層上方形成一鈍化氧化物層；在該鈍化氧化物層上方形成一抗反射塗層；及在該抗反射塗層上絲網印刷一或多個前觸點。
- 一種背接面類型之太陽能電池，該太陽能電池具有與該太陽能 電池之一經照射表面相對之一射極層，該太陽能電池包括：一n型基底層；一p型射極層，其下伏於該n型基底層下；及一背觸點層，其下伏於該p型射極層下；其中該p型射極層包括：至少一個第一區域，其摻雜有一第一p型摻雜劑，其中在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第一區域之面積與該背觸點層之面積至少部分重疊；及至少一個第二區域，其摻雜有一第二p型摻雜劑，在自該背觸點層下方觀看時，該至少一個第二區域之面積之至少一部分延伸超出該至少一個第一區域之該面積至該n型基底層之一或多個外邊緣。
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