TWI528574B - 具有選擇性前表面場之背接面太陽能電池 - Google Patents

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Description

具有選擇性前表面場之背接面太陽能電池
本發明之實施例通常係關於太陽能電池。更明確而言，本發明之實施例係有關具有選擇性前表面場之背接面太陽能電池及其製造方法。
在基本設計中，太陽能電池由諸如半導體基板之材料構成，該基板自光子吸收能量以藉由光電效應發電。當光之光子穿透進入基板時，吸收能量且釋放先前處於束縛狀態之電子。經釋放之電子及先前被佔用之電洞稱為電荷載流子。
通常以p型及n型雜質摻雜基板以在太陽能電池內之p-n接面產生電場。為使用自由電荷載流子發電，電子及電洞要等到其可在p-n接面由電場分離才能複合。接著藉由n型發射極層上之電接點收集電子，且藉由p型基板上之電接點收集電洞。不複合之電荷載流子可用以為負載提供功率。
製備太陽能電池之普通方法以經摻雜以具有p型導電率之基板開始。將n型摻雜劑引入至基板之前表面以在p型基層之上形成n型發射極層。通常，以p型導電率之摻雜劑適度摻雜基板，而以n型導電率之摻雜劑重摻雜發射極層。由於形成發射極層，在基板之受照表面附近形成p-n接面，亦即太陽能電池在使用中時基板正面暴露於光源。
設計太陽能電池主要關注電荷載流子在複合之前到達電接點之能力。電荷載流子在複合之前可移動之距離有時稱為電荷載流子擴散長度。電荷或流子擴散長度可取決於各種因素，諸如基板中之摻雜劑原子與缺陷之濃度。隨著摻雜劑原子或缺陷之濃度增加，電荷載流子擴散長度減小。因此，重摻雜之n型發射極層中的電洞擴散長度比適度摻雜之p型基板中的電子擴散長度小得多。由於此原因，由於極少的在發射極層中產生之電荷載流子可在複合之前到達p-n接面，所以發射極層通常稱為「無感層(dead layer」。
為了減少此問題，需要使發射極層儘可能薄且儘可能輕摻雜。製造淺發射極層可減少發射極層中吸收之光子數。即使當吸收光子時，淺發射極層亦可增加所產生之電荷載流子到達鄰近p-n接面之可能性。然而，發射極層之厚度及摻雜劑劑量存在限制。若發射極層太淺，發射極層上之電接點在接觸形成中可穿透p-n接面，藉此使其短路。類似地，若摻雜劑劑量太輕微，接觸抗性可太高以致於不能與基板形成良好接觸。藉由網板印刷形成接觸時此等問題尤其相關，形成接觸需要高摻雜劑濃度及接觸起爆(contact firing)。
已提出形成背接面太陽能電池之某些技術以克服此等缺陷。然而，此等電池具有其自身之缺陷，諸如電池效率低、表面鈍化不良、缺乏薄層電阻均一性及需要額外之昂貴製造步驟。
因此，此項技術中需要製備可克服上述及其他缺陷及先前技術之不足的背接面太陽能電池。
如本文中所使用，將第一元件描述為「上覆於第二元件」、「在第二元件之上」或「在第二元件上方」之實施例可通常表示第一元件更靠近主要受照表面或主要照明源。例如，若將第一元件稱為上覆於第二元件，第一元件可更靠近太陽。類似地，將第一元件描述為「下伏於第二元件」、「在第二元件之下」或「在第二元件下方」之實施例可通常表示第一元件更遠離主要受照表面或主要照明源。例如，若將第一元件稱為下伏於第二元件，第一元件可更遠離太陽。
應注意，在各種實施例中，主要照明源可不指其他形式之第二照明，諸如來源於主要照明源之光穿透通過裝置或在裝置周圍通過之後自位於裝置後面或遠處之反射性表面返回裝置之光。
本文中揭示具有選擇性前表面場之背接面太陽能電池之各種實施例。更明確而言，具有選擇性前表面場及在單個退火循環中形成之高品質當場鈍化層的背接面太陽能電池及其製造方法。本發明之此等實施例可克服一或多種以上所描述之與先前技術相關之缺陷。
本發明之實施例提供若干製備太陽能電池之優勢，該等優勢減少製備太陽能電池所需之時間及成本。在根據本發明之實施例之太陽能電池之受照表面對面具有發射極層之背接面型太陽能電池包含p型發射極層。太陽能電池進一步包含上覆於p型發射極層之n型基層，以界定p型發射極層與n型基層之界面處之p-n接面。另外，太陽能電池進一步包含上覆於n型基層之n+前表面場層。此外，前表面場層包含一或多個第一摻雜區域及一或多個第二摻雜區域。第二摻雜區域比第一摻雜區域更重摻雜，以形成選擇性前表面場。
根據本發明之另一實施例，揭示形成背接面型太陽能電池之方法。方法包含製造n型基層。方法可進一步包含製造p型發射極層，使n型基層上覆於p型發射極層。製造p型發射極層可包含將接觸層塗覆至基層之一面，且使接觸層與至少一部分基層成合金。此外，製造p型發射極層可包含摻雜一或多個第一摻雜區域及一或多個第二摻雜區域，以形成n+前表面場層，使n+前表面場層上覆於n型基層。第二摻雜區域比第一經摻雜區域更重摻雜，以形成選擇性前表面場。
本發明之另一實施例係有關包含第一n型區域之背接面太陽能電池。太陽能電池進一步包含第二n型區域及第三n型區域，其中第二及第三n型區域上覆於第一n型區域。此外，太陽能電池包含在第二及第三n型區域對面之第一n型區域表面上形成之p型發射極層。p型發射極層與第一n型區域之界面界定p-n接面。
提供以上概述僅為概述本發明某些實施例之目的，以基本瞭解本發明之某些態樣。因此，應瞭解，不應認為以上所描述之實施例以比說明書及隨附申請專利範圍之定義更具限制性之任何方式縮小本發明之範疇或主旨。應瞭解，本發明之範疇涵蓋很多潛在實施例，除彼等概述於此之實施例外，下文進一步描述其中之某些實施例。
概述地描述本發明之實施例後，現參考伴隨圖式，其不一定按比例繪製。
在下文中參考伴隨圖式更充分地描述本發明之某些實施例，其中顯示某些(但非所有)本發明之實施例。熟習此項技術者應瞭解本發明可以很多不同形式實施，且不應認為限制於本文中提出之實施例，相反，提供此等實施例使此揭示內容可滿足適用法律要求。相同參考數字始終指相同元件。
幾乎所有商用晶態矽太陽能電池目前均使用經硼摻雜之p型基板製造。然而，經硼摻雜之基板暴露於光源時經歷光誘發之降級(LID)。由於LID損失之效率通常在絕對0.2%至0.5%或相對1.2%至2.9%範圍內。另一方面，摻雜成n型之基板不受LID影響。不僅如此，而且與p型基板相比，具有較高本體壽命之n型基板更容易製造。此外，對於既定摻雜劑濃度及導電型，電子之電荷載流子擴散長度與電洞之電荷載流子擴散長度不同。作為結果，n型基板可產生與p型基板相比經改良之電荷載流子擴散長度。由於所有此等原因，n型基板為高效率太陽能電池之理想候選物。
如以上所述，習知p型太陽能電池通常藉由通常使用氧氯化磷(POCl3)使n型摻雜劑擴散至p型基板前表面中以產生n型發射極層來製造。此導致在太陽能電池前面附近形成p-n接面。不幸地，不存在可在n型基板前表面上形成p型發射極層之可比類似物。硼以三溴化硼(BBr3)之形式擴散時，可用以在n型基板上形成此p型發射極層，此舉可導致若干缺點。因為形成硼-矽化合物，所以硼擴散經常留下被沾汙之矽表面。此沾汙使太陽能電池表面之外觀嚴重降級。此外，移除硼污點需要額外且非吾人所樂見之處理步驟，諸如熱氧化被沾汙之表面，接著化學移除熱氧化物。因此，藉由在n型基板之前表面附近形成p-n接面所獲得之任何效益均被由於硼沾汙之降級及其移除而添加之複雜性抵銷。
作為替代，可在n型太陽能電池之背面形成p-n接面以製造有時稱為背接面太陽能電池之電池。可如2001年7月17日頒發之美國專利第6,262,359號(該案以引用的方式併入，就如同在本文中全文提出一般)中所描述形成實例背接面太陽能電池。揭示案描述在電池之正面具有作為前表面場之更重摻雜之n+層且在電池之背面具有使用鋁形成之p+層的n型基板。然而，由於與磷擴散纏繞相關之問題，此等太陽能電池中之n+層可不與在習知p型太陽能電池中一樣藉由POCl3擴散形成。諸如網板印刷磷摻雜劑或使用限制性源擴散之替代方法呈現其自身之缺點。例如，使用網板印刷之磷，在n+層之上形成磷矽酸鹽玻璃，且在隨後步驟中需要移除。另外，網板印刷方法使鈍化太陽能電池之其他方法更困難。例如，使用網板印刷之摻雜劑可導致重摻雜擴散層之高表面濃度，其使該層對表面鈍化層較不敏感。限制性源擴散處理具有相當高的間接費用成本且在大區域晶圓上缺乏薄層電阻均一性。此外，在背接面太陽能電池中形成n+層之所有已知方法導致均勻前表面場。使用均勻前表面場可阻止太陽能電池達到更高效率。
發明者發現製造背接面太陽能電池之新穎方法，該方法可解決以上所描述之很多問題。詳言之，本文中描述具有選擇性前表面場之背接面太陽能電池。方法可涉及使用離子植入以摻雜選擇性前表面場之一或多個場區域及選擇性區域。詳言之，場區域比選擇性區域更輕摻雜。因此，場區域具有較淺之接面深度及較低之電荷載流子複合率，而選擇性區域具有較深之接面深度及較低之薄層電阻以根據需要改良接觸。可更精確地控制場區域及選擇性區域中之n+層之薄層電阻。選擇性前表面場改良電池在較長波長中之光譜反應且使其能夠產生較高電流。形成選擇性前表面場發生於單個高溫退火循環中，在此期間，引入氧以在選擇性前表面場上同時形成鈍化氧化物層。選擇性前表面場之更輕摻雜之場區域亦使其能夠較好地表面鈍化，此有助於增加電池之電壓輸出。所得太陽能電池在大區域基板上之效率可超過18%。
圖1說明根據本發明之太陽能電池5之一實施例。太陽能電池5可由半導體基板形成。基板可由以下構成：矽(Si)、鍺(Ge)或矽-鍺(SiGe)或其他半導電材料，或其可為此等材料之組合。在單晶基板之狀況下，半導體基板可使用浮點(Float Zone；FZ)或丘克拉斯基(Czochralski；Cz)技術自熔融物生長。接著可將所得單晶人造晶塊(boule)切成晶圓以形成基板。對於由矽、鍺或矽-鍺構成之基板，晶圓表面之晶體方向可為例如(100)或(110)。或者，基板可為多晶的，其可比單晶基板便宜。然而，多晶基板之電荷載流子在晶粒邊界複合，且需要鈍化以避免效率損失。
基板之前表面及後表面可界定藉由在各向異性蝕刻過程中以氫氧化鉀(KOH)與異丙醇(IPA)溶液處理而產生之金字塔構造。存在此等構造可藉由減少因前表面反射所損失之光量來增加進入太陽能電池5之光量。後表面上之金字塔構造可在背接點形成中被破壞。
根據圖1之實施例，基板可經n型導電率之雜質摻雜，以製造n型基層10。若基板由矽(Si)、鍺(Ge)或矽-鍺(Si-Ge)構成，則n型基層10可經以下摻雜以引入n型導電率：磷(P)、銻(Sb)、砷(As)或其他第V族元素。由重摻雜之選擇性區域15及輕摻雜之場區域20組成之選擇性前表面場層可例如藉由離子植入在n型基層10之前表面上形成。重摻雜之區域15及輕摻雜之區域20可經與n型基層10相同的n型導電率之雜質摻雜，在某些實施例中，可使用與n型基層相同類型之摻雜劑原子。
選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之前表面及n型基層10之後表面表示其晶體結構之不連續性，且在此等暴露之表面上存在懸化學鍵。懸鍵構成複合中心，該等複合中心不利地消除電荷載流子，從而降低太陽能電池之效率。為阻止此發生，在某些實施例中，氧化物層40、41可在選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之前表面上與n型基層10之後表面上形成。這樣做時，在整個暴露之晶圓表面上形成鈍化氧化物層，包括在界定晶圓厚度之其薄面上。
氧化物層40、41可與選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之前表面及n型基層10之後表面接觸以化學上使此等界面處之原子鍵飽和，使其不消除電荷載流子。氧化物層40、41可包含介電材料，諸如用於矽基板之二氧化矽(SiO2)或視基板之組成而定之另一半導體類型之氧化物。氧化物層40、41之厚度可在5奈米至150奈米範圍內。例如，可使用20奈米。藉由鈍化基板表面上之懸矽鍵，氧化物層40、41可降低表面複合速度，且減少逆向飽和電流密度(Joe)之前表面場組份，從而改良太陽能電池5之總效率。另外，在某些實施例中，在n型基層10之後表面上形成之氧化物層41可例如在以氮化矽層封端時有利地產生高品質、介電鈍化之後表面。
可在選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之前表面上之氧化物層40上形成抗反射層45，以減少入射光之反射，且從而減少太陽能損失。抗反射層45之折射率可大於氧化物層40之折射率，該折射率傾向於引起太陽能電池之入射光折射進入抗反射層45中，且經由氧化物層40進入基板，在基板中其可被轉換成自由電荷載流子。例如，以波長為632.8 nm之入射雷射量測時，抗反射層45之折射率可在1.4至2.4範圍內。抗反射層45可由以下構成：氮化矽(SiNX)、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。在某些實施例中，抗反射層45包含非晶氮化物，諸如非晶氮化矽(a-SiNX)。抗反射層45之厚度可為10奈米至100奈米。
前接點30及前連接可由諸如銀(Ag)之導電材料形成。通常，對於矽基板及其他基板，可使用銀以接觸經n型摻雜之基板表面，諸如選擇性前表面場層之摻雜區域15、20。金屬與半導體之直接接觸可增加電子與電洞之複合率，此可顯著降低太陽能電池效率。為減少此效應且限制覆蓋基板表面之金屬比例，可將前接點30及前連接組態為點接觸或線接觸(有時稱為「局部接觸」)。點接觸或線接觸之間距及排列可如2009年1月29日公開之美國公開案第2009/0025786號中所描述來確定，該案以引用的方式併入，就如同在本文中全文提出一般。
可藉由在抗反射層45之前表面上網板印刷銀來形成前接點30及前連接。前連接可包含可焊接墊或匯流排以促進與太陽能電池5之前表面之電連接。根據實施例，可將前連接圖案與以下所描述之後連接圖案對準。
另外，對於前接點30及前連接，由於其高導電率，可選擇銀以限制會降低太陽能電池效率之陰影效應(shadowing effect)。各種商用銀漿料可用於此目的，諸如Heraeus SOL953或其類似物。然而，因為銀為不透明的，所以由於此額外原因，需要將前接點30及前連接之尺寸限於受限區域之點接觸或線接觸。為減少前接點30與下伏選擇性前表面場層之間的接觸抗性，將前接點30與選擇性前表面場層之重摻雜區域15對準。在某些實施例中。前接點30之寬度可小於重摻雜區域15之寬度以確保前接點30完全處於重摻雜區域15內。根據某些實施例，在形成前接點30及前連接之前，可將氧化物層40及抗反射層45安置於選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之前表面上。在此狀況下，前接點30及前連接可物理穿透氧化物層40及抗反射層45以與選擇性前表面場層之下伏區域接觸。前接點30及前連接除金屬外可包含玻璃粉以促進其燒透氧化物層40及抗反射層45以與選擇性前表面場層接觸。
可使用網板印刷漿料在n型基層10之後表面上形成背接點35。用以形成背接點35之漿料可為諸如Monocrystal Analog 12D之鋁膏或其類似物。在某些實施例中，背接點35可覆蓋n型基層10之幾乎整個後表面。或者，背接點35可僅覆蓋n型基層10之一部分後表面。根據某些實施例，在形成背接點35之前，可將氧化物層41安置於n型基層10之後表面上。在此狀況下，背接點35可物理穿透氧化物層41以與n型基層10接觸。氧化物層41可在形成背接點35之過程中被漿料中之玻璃粉損耗。
由於背接點35之燃燒，可藉由在n型基層10與背接點35之界面處之液相磊晶再生長形成經鋁摻雜之p+矽發射極層50。在此等實施例中，背接點35可與經鋁摻雜之p+矽層50電接觸。背接點35可由鋁-矽共晶成份構成。由於鋁可作為用於形成經鋁摻雜之p+矽發射極層50及背接點35之摻雜劑，所以背接點35可作為與經鋁摻雜之p+矽發射極層50之自對準接點。方法可減小背接點35由於相同原因使p-n接面25分流之可能性，即背接點35之鋁為用於形成p-n接面25之p型摻雜劑之源。另外，由於太陽能電池5之後表面附近之p-n接面25之位置，分流並不真正涉及選擇性前表面場層之深度。
背接點35亦可作為太陽能電池5之反射後層。具有反射後層可提供反射性表面以使到達背面之入射光返回至基板，其中其可產生自由電荷載流子。背接點35之厚度可為厚10微米至50微米，且提供足夠反射率。
p-n接面25可在n型基層10與經鋁摻雜之p+矽發射極層50之間的界面處在太陽能電池5之背面附近形成。由於其相反之導電性，n型基層10及經鋁摻雜之p+矽發射極層50可產生跨越p-n接面25之電場，該電場分離由吸收光子產生之自由電子與電洞，且迫使其以相反方向分別移動至前接點30及背接點35。
在各種實施例中，可在背接點35上形成諸如可焊接墊或匯流排之後連接以促進與太陽能電池5之後表面之電連接。可藉由將例如Ferro LF33750聚合物Ag之銀焊接墊塗覆至背接點35之背部而在背接點35上形成後連接。或者，可使用能夠直接與鋁背接點35接合之非焊接互連方法，諸如Hitachi Chemical導電薄膜。另一替代方法可涉及網板印刷升離漿料(lift-off paste)，例如Heraeus升離漿料。另一替代方法為藉由諸如Reinhausen Plasma提供之電漿塗佈方法將可焊接金屬墊沈積至鋁後表面。
圖2a及2b說明根據製造另一實例背接面太陽能電池之實例方法的流程圖，該電池根據本發明之實施例具有選擇性前表面場及在單個退火循環中形成之高品質當場鈍化層。圖2a及2b因此揭示根據本發明之其製造方法。
關於圖2a及2b之操作200，提供基板。基板可參照圖1如以上所描述。通常，可向供應商定製具有規定量之n型導電率之基板。根據各種實施例，基板可經n型摻雜劑摻雜以形成n型基層10。摻雜劑濃度可在每立方公分1013至1021個原子(原子/立方公分)範圍內。雖然藉由使用厚度為50微米至小於200微米之基板可相對於目前標準基板節約半導體材料，但是基板之厚度可在50微米至500微米範圍內。基板之電阻可在1 Ohm-cm至150 Ohm-cm範圍內，使用10 Ohm-cm至100 Ohm-cm可獲得極佳結果。可使用單晶或多晶、或可能線帶(string ribbon)、薄膜或其他類型之基板。
在操作200中，清潔基板以使其準備用於加工。可藉由將基板浸沒於濃度為約1%-10%之氫氧化鉀(KOH)浴中以蝕刻掉基板表面上之切割損壞來完成清潔。根據某些實施例，可在約攝氏60度至攝氏90度之溫度下進行蝕刻。
在操作205中，可紋理化基板。例如，可藉由浸沒於氫氧化鉀及異丙醇(KOH-IPA)之浴中以各向異性蝕刻基板來紋理化基板。根據某些實施例，氫氧化鉀濃度可為約1%-10%，且異丙醇濃度可為約2%-20%。KOH-IPA浴之溫度可為約攝氏65度至攝氏90度。KOH-IPA蝕刻基板表面以形成面向晶體方向之金字塔結構。所得金字塔結構有助於減小前表面之反射率且有助於將光截獲在基板內，在其中光可被吸收用於轉換成電能。
在操作210中，可將摻雜劑原子引入至n型基層10之前表面。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型基層10同樣之n型導電率。在某些實施例中，n型摻雜劑可為磷離子，例如P31+或其類似物。根據各種實施例，選擇性區域15及場區域20之圖案化可藉由兩個離子植入步驟完成。例如，可藉由在n型基層10之前表面上方均勻地進行第一離子植入步驟，接著僅在選擇性區域15中進行第二離子植入步驟來形成選擇性前表面場層。或者，可在單個離子植入步驟中完成兩個場之圖案化。例如，單個離子植入步驟可在離子植入器以較高劑量植入或在通過選擇性區域15上方時使用較慢離子束速率之情況下進行。
在進行兩個離子植入步驟之實施例中，第一離子植入可以約1.0×1015 cm-2至3.0×1015 cm-2(例如1.7×1015 cm-2)之劑量在n型基層10之前表面上方均勻進行。離子束可在5千電子伏(keV)至30 keV範圍內、較佳10 keV下加速。摻雜一或多個場區域20後，可進行第二離子植入步驟以摻雜一或多個選擇性區域15。可藉由經由例如石墨蔽蔭遮罩之遮罩進行離子植入來圖案化選擇性區域15。使用頂置板蔽蔭遮罩可容許基板在兩個離子植入步驟中在離子植入器中均保持負載而不在兩個步驟之間移除。石墨遮罩之開口可為300微米至500微米寬，且開口之長度與基板之寬度相等或大於基板之寬度，例如156毫米。
第二離子植入步驟可以高於第一離子植入步驟之劑量進行，例如，使用約0.7×1015 cm-2至7.0×1015 cm-2、例如1.7×1015 cm-2之劑量。另外，第二離子植入步驟中之離子束可在5 keV至30 keV範圍內、較佳10 keV下加速。根據各種實施例，在操作210之離子植入中，可藉由重力將稱為參考邊緣之基板之一邊緣與遮罩之邊緣對準。在替代實施例中，因為第一離子植入步驟可能已使選擇性區域15輕摻雜，所以第二離子植入步驟中使用之劑量可小於第一離子植入步驟之劑量或與其相等。因此，向選擇性區域15提供額外摻雜劑之在第二離子植入步驟中使用之任何劑量可確保選擇性區域15比場區域20更重摻雜。
在操作215中，經植入之基板可經受加熱步驟以形成選擇性前表面場層。根據某些實施例，可將基板引入鍋爐退火，例如自動管狀石英爐。石英管之內徑可為約290毫米以容納156毫米準正方形基板。可使用退火操作215以一次完成若干目標。第一，退火操作215可活化植入之摻雜劑離子，亦即，退火操作之熱能在矽晶格中產生空位使摻雜劑離子填充。第二，退火可驅使摻雜劑離子更深(例如至所需之接面深度)地進入基板中。第三，退火操作215可修復由離子植入引起之對基板10晶格之破壞。第四，可使用退火操作215在選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之前表面上及n型基層10之後表面上形成鈍化氧化物層40、41。
根據實施例，退火操作215可藉由在攝氏500度至攝氏1100度範圍內之溫度下將1至100個基板裝載至鍋爐中開始。在某些實施例中，很多基板可同時裝載至鍋爐中，例如在單個鍋爐循環中可裝載多達800個基板。一旦基板裝載至鍋爐中，在10分鐘至30分鐘之時間內，溫度可快速上升至攝氏700度至攝氏1100度範圍內、例如攝氏900度至攝氏950度之溫度。接著可維持此溫度10分鐘至30分鐘，較佳25分鐘。在此期間，維持溫度之同時可將氧引入至鍋爐中，例如可引入氧氣或水蒸氣。氧可引入10分鐘至30分鐘，較佳10分鐘。可以每分鐘100至5000標準立方公分(sccm)之流動速率引入氧。因為使用離子植入而不是擴散不形成需要在形成氧化物層之前移除之玻璃層，所以引入之氧可在選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之前表面上及n型基層10之後表面上產生當場鈍化氧化物層40、41。最終，在30分鐘至120分鐘之時間內，溫度可快速下降至攝氏500度至攝氏700度範圍內之溫度。接著自鍋爐移除基板。
根據各種實施例，操作210之離子植入劑量及能量與操作215之鍋爐條件一起，可影響場區域20及選擇性區域15中之薄層電阻。例如，操作210及215可製得之太陽能電池5具有薄層電阻為80至120歐姆每平方之場區域20及薄層電阻為30至70歐姆每平方之選擇性區域15。
在操作220中，可在前鈍化氧化物層40上形成抗反射層45。抗反射層45之折射率可高於氧化物層40，但是低於矽基板，從而使更多光能夠進入抗反射層45且通過氧化物層40進入基板，在該基板上其可轉換成自由電荷載流子。抗反射層45可由以下構成：氮化矽(SiNX)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氟化鎂(Mg2F)或硫化鋅(ZnS2)或此等材料之組合。在某些實施例中，抗反射層45可包含非晶氮化物，諸如非晶氮化矽(a-SiNX)。可藉由電漿增強化學氣相沈積(PECVD)形成抗反射層45。PECVD方法之替代方法可包括低壓化學氣相沈積(LPCVD)、濺鍍及其類似方法。PECVD方法可包括將基板加熱至攝氏400度至攝氏450度範圍內之溫度。另外，PECVD方法可包括使用矽烷及氨反應氣體。抗反射層45之厚度可為50奈米至90奈米，折射率為約2.00。抗反射層45之厚度及折射率可藉由諸如沈積時間、電漿功率、反應氣體之流動速率及沈積壓力之參數確定。
在操作225中，可將用於太陽能電池5之前接點30及前連接之材料塗覆於抗反射層45之前表面。根據各種實施例，可使用具有光學對準之半自動網板印刷機網板印刷前接點30及前連接。可使用例如Heraeus SOL953或其類似物之銀漿料塗覆前接點30及前連接。在某些實施例中，銀漿料可為燒結銀漿料以有助於在接點燃燒過程中穿透前鈍化氧化物層40及抗反射層45。可針對與具有低磷摻雜之前表面場形成接點而特定最優化銀漿料。可藉由網板之接觸圖案來界定前接點30及前連接之組態及間距。在某些實施例中，前接點30可寬50微米至150微米，且間隔開1.5毫米至2.5毫米。可隨後以帶式鍋爐乾燥用於前接點30及前連接之漿料。或者，如以下操作230中所描述，前接點30及前連接可與背接點35同時乾燥。
在各種實施例中，可針對藉由以上所描述之方法形成之選擇性前表面場層特定設計網板之圖案，諸如網格圖案、線型圖案或其類似圖案。例如，可設計前接點30之圖案，使其在選擇性前表面場層之選擇性區域15內對準且經印刷。在某些實施例中，前接點30之寬度可小於選擇性區域15之寬度以確保前接點30完全處於選擇性區域15內。此等選擇性區域15中之重摻雜亦可增加下伏之前表面場之深度，此可例如藉由改良屏蔽載流子不受金屬接觸影響之能力來改良此等區域中之接觸。根據實施例，可經由一般技術者已知之各種技術來使前接點30與選擇性前表面場層之選擇性區域15對準，該等技術包括光學對準(使用以上在操作210中所描述之參考邊緣或在太陽能電池5上形成之另一基標以指示執行對準之相對位置)、抵著兩個柱子之對接邊緣對準、藉由相機與基板之中心或邊緣對準或其類似技術。
在操作230中，可將用於背接點35之材料塗覆於n型基層10之後表面。根據實施例，背接點35可網板印刷於n型基層10之後表面上之後鈍化氧化物層41上。可使用例如單晶類似物12D或其類似物之鋁膏塗覆背接點35。在某些實施例中，可跨越n型基層10之幾乎整個後表面網板印刷鋁膏。在此等實施例中，背接點35之鋁膏可不在約1 mm寬之晶圓之邊緣附近之窄邊界上印刷。或者，可僅跨越n型基層10之一部分後表面印刷背接點35。可視情況將太陽能電池5在攝氏200度至攝氏400度範圍內之溫度下於空氣環境下置放於帶式鍋爐中30秒至60秒以乾燥印刷之漿料。
在操作235中，可在諸如直列帶式鍋爐或其類似鍋爐之帶式鍋爐中加熱或共燃燒具有經塗覆之前接點30、背接點35及前連接之基板。在共燃燒該結構之過程中，前接點30及前連接可經由前鈍化氧化物層40及抗反射層45燃燒以形成與選擇性前表面場層之摻雜區域15、20之物理連接。在各種實施例中，前接點30可僅與選擇性前表面場層之選擇性區域15形成物理連接。前接點30及前連接可含有諸如玻璃粉或其類似物之玻璃料以促進經由氧化物層40及抗反射層45之燃燒。用以形成前接點30及前連接之漿料中之玻璃粉可在近攝氏500度之溫度下熔化，且溶解下伏氧化物層40及抗反射層45。可選擇燃燒溫度使前接點漿料中之諸如銀之金屬粒子形成與選擇性前表面場層之歐姆接觸，而不在前表面場之深度下方遷移。
在操作235之共燃燒中，例如溫度超過攝氏577度之鋁-矽共晶溫度時，背接點35之鋁可與n型基層10之矽成合金。在某些實施例中，在成合金期間，鍋爐之溫度可足夠高，使鋁可有效溶解矽。當基板在共燃燒之後冷卻時，可藉由液相磊晶再生長在n型基層10上形成經鋁摻雜之p+矽發射極層50。可在n型基層10與經鋁摻雜之p+矽發射極層50之界面處形成p-n接面25以製造背接面太陽能電池5。鋁背接點35之剩餘物可包含鋁-矽共晶金屬層。在某些實施例中，太陽能電池5之背面附近之一部分背接點35可主要包含鋁。背接點35之材料可形成與經鋁摻雜之p+矽發射極層50之物理連接及電連接。在共燃燒該結造之過程中，背接點35可經由後鈍化氧化物層41燃燒以形成與經鋁摻雜之p+矽發射極層50之物理連接。作為結果，後鈍化氧化物層41可被背接點35材料損耗，例如被鋁膏中之玻璃粉損耗。溫度曲線圖可以高加熱速率為特徵，該速率在每秒20攝氏度至每秒150攝氏度範圍內，其促進在n型基層10之紋理化後表面與發射極層50之間形成均勻n-p+界面。
為促進與太陽能電池5之背面之可焊接連接，可在背接點35之後表面上形成諸如可焊接墊或匯流排之後連接。可藉由將例如Ferro LF33750聚合物Ag之銀焊接墊塗覆至背接點35之背面而在背接點35上形成後連接。或者，可使用可直接與鋁背接點35接合之非焊接互連方法，諸如Hitachi Chemical導電薄膜。另一替代方法可涉及網板印刷升離漿料，例如Heraeus升離漿料。另一替代方法為藉由諸如Reinhausen Plasma提供之電漿塗佈方法將可焊接金屬墊沈積至鋁後表面。
亦可將前連接及後連接分別與前接點30及背接點35燒結、固化或焊接，使其一體式連接且分別與太陽能電池5之正面及背面形成良好電連接。可使連接經由經焊接之電線與太陽能模組中之鄰接太陽能電池毗連且最終與負載毗連以在太陽能電池曝露於光之後向其提供功率。
根據各種實施例，且如以上所描述，可形成具有選擇性前表面場之背接面太陽能電池。更明確而言，可形成具有選擇性前表面場及在單個退火循環中形成之高品質當場鈍化層的背接面太陽能電池。可藉由形成如本文中所描述之選擇性前表面場、背接面及氧化物層實現很多優勢。例如，根據各種實施例，可在單個高溫退火步驟中形成選擇性前表面場層及高品質鈍化氧化物層。另外，根據某些實施例，可藉由本文中所描述之方法解決移除磷矽酸鹽玻璃及隔離邊緣之問題。此外，根據各種實施例，太陽能電池5可包含不受光誘發之降級之影響的n型基層。根據各種實施例，可在單個退火步驟中製備背接面太陽能電池，該電池具有選擇性前表面場層及鈍化氧化物層，在156毫米準正方形基板上具有大於18%之潛在電池效率，甚至具有低成本但高品質、網板印刷接觸。此外，此等改良大大地減少製備太陽能電池所需之時間、設備及費用數量，且大大地增加製程產量。
本發明之態樣係關於在太陽能電池之受照表面對面具有發射極層的背接面型太陽能電池，該太陽能電池包含：p型發射極層、上覆於p型發射極層之n型基層(以界定在p型發射極層與n型基層之界面處之p-n接面)及上覆於n型基層之n+前表面場層，其包含：一或多個第一摻雜區域及一或多個第二摻雜區域，其中第二摻雜區域比第一摻雜區域更重摻雜以形成選擇性前表面場。
根據如本發明之以上態樣之太陽能電池之實施例，太陽能電池由單晶丘克拉斯基成長矽基板形成，且其中n型基層及n+前表面場層之一或多個第一及第二摻雜區域經磷摻雜。
根據如本發明之以上態樣之太陽能電池之實施例，p型發射極層包含鋁，且其中p型發射極層藉由液相磊晶再生長形成。
根據實施例，如本發明之以上態樣之太陽能電池進一步包含：上覆於n+前表面場層之鈍化氧化物層。
根據實施例，如本發明之以上態樣之太陽能電池進一步包含：上覆於鈍化氧化物層之抗反射層，其中抗反射層包含非晶氮化矽層。
根據實施例，如本發明之以上態樣之太陽能電池進一步包含：在抗反射層上方形成之一或多個網板印刷接點，其中一或多個網板印刷接點與n+前表面場層之更重摻雜之一或多個第二區域經由抗反射層及鈍化氧化物層電連通。
根據如本發明之以上態樣之太陽能電池之實施例，n+前表面場層之一或多個第一摻雜區域及一或多個第二摻雜區域包含植入之摻雜劑。
根據實施例，如本發明之以上態樣之太陽能電池進一步包含：由鋁膏形成之自對準網板印刷鋁接點，其中發射極層及鋁接點均由鋁膏形成，且其中發射極層上覆於鋁接點。
本發明之態樣係關於一種形成背接面型太陽能電池之方法，其包含：製造n型基層、製造p型發射極層，使n型基層上覆於p型發射極層，其中製造p型發射極層進一步包含：將接觸層塗覆至基層之一面，且使接觸層與至少一部分基層成合金，且摻雜一或多個第一摻雜區域及一或多個第二摻雜區域以形成n+前表面場層，使n+前表面場層上覆於n型基層，其中第二摻雜區域比第一摻雜區域更重摻雜以形成選擇性前表面場。
根據實施例，如本發明之以上態樣之方法進一步包含：在n+前表面場層上方形成鈍化氧化物層。
根據如本發明之以上態樣之方法之實施例，在單個退火循環中形成鈍化氧化物層及n+前表面場層。
根據實施例，如本發明之以上態樣之方法進一步包含：將非晶氮化矽層沈積於鈍化氧化物層上方，藉此形成抗反射塗層。
根據實施例，如本發明之以上態樣之方法進一步包含：在與n+前表面場層之更重摻雜之一或多個第二區域對準之非晶氮化矽層上網板印刷一或多個前接點。
根據實施例，如本發明之以上態樣之方法進一步包含：燃燒一或多個前接點，藉此經由非晶氮化矽層及鈍化氧化物層電連接一或多個前接點與n+前表面場層。
根據如本發明之以上態樣之方法之實施例，製造p型發射極層進一步包含：在p型發射極層之表面上形成接點，使p型發射極層上覆於接點，且其中p型發射極層包含藉由液相磊晶再生長形成之p+發射極層，且其中接點與p+發射極層電連接。
根據如本發明之以上態樣之方法之實施例，藉由離子植入引入摻雜劑來形成一或多個第一及第二摻雜區域。
根據如本發明之以上態樣之方法之實施例，將摻雜劑引入至一或多個第一摻雜區域包含將摻雜劑均勻地引入至一或多個第一及第二摻雜區域，且其中將摻雜劑引入至一或多個第二摻雜區域包含經由遮罩將額外之摻雜劑引入至一或多個第二摻雜區域。
根據如本發明之以上態樣之方法之實施例，將摻雜劑引入至一或多個第一及第二摻雜區域發生於單個離子植入步驟中。
根據如本發明之以上態樣之方法之實施例，n型基層經磷摻雜，且其中將摻雜劑引入至一或多個第一及第二摻雜區域包含引入磷摻雜劑。
本發明之態樣係關於背接面太陽能電池，其包含：第一n型區域；第二n型區域；第三n型區域，其中第二及第三n型區域上覆於第一n型區域；及p型發射極層，其在第二及第三n型區域對面之第一n型區域表面上形成，其中p型發射極層與第一n型區域之界面界定p-n接面。
熟習本發明所屬之技術者可想到本文中所提出之發明之很多修飾及其他實施例，其具有在前面之描述及相關圖式中所呈現之教示之效益。因此，應瞭解本發明之實施例不欲限於所揭示之特定實施例，且欲將修飾及其他實施例包括在隨附之申請專利範圍之範疇內。此外，雖然前面之描述及相關圖式在元件及/或功能之某些實例組合之上下文中描述實施例，但是應瞭解可藉由替代實施例提供元件及/或功能之不同組合而不脫離隨附之申請專利範圍之範疇。在此方面，如在某些隨附之申請專利範圍中提出，亦欲涵蓋例如與彼等以上所明確描述者不同的步驟、元件及/或材料之組合。因此，應認為說明書及圖式為例示性的而非限制性的。雖然本文中使用特定術語，但是其僅在一般及描述性意義上使用，而不是為了限制之目的。
5．．．太陽能電池
10．．．n型基層
15．．．摻雜區域/重摻雜之選擇性區域/重摻雜之區域
20．．．摻雜區域/輕摻雜之場區域
25．．．p-n接面
30．．．前接點
35．．．背接點
40．．．氧化物層
41．．．氧化物層
45．．．抗反射層
50．．．經鋁摻雜之p+矽發射極層
200．．．操作
205．．．操作
210．．．操作
215．．．操作
220．．．操作
225．．．操作
230．．．操作
235．．．操作
圖1說明根據本發明之實施例之背接面太陽能電池的橫截面圖；及
圖2a及2b說明根據製造本發明之背接面太陽能電池之方法之實施例的流程圖。
5．．．太陽能電池
10．．．n型基層
15．．．摻雜區域/重摻雜之選擇性區域/重摻雜之區域
20．．．摻雜區域/輕摻雜之場區域
25．．．p-n接面
35．．．背接點
40．．．氧化物層
45．．．抗反射層
50．．．經鋁摻雜之p+矽發射極層

Claims (29)

  1. 一種背接面型太陽能電池，其發射極層在太陽能電池之受照表面對面，該太陽能電池包含：p型發射極層；上覆於該p型發射極層之n型基層，以界定該p型發射極層與該n型基層之界面處之p-n接面；及上覆於該n型基層之n型前表面場層，其包含：一或多個第一摻雜區域，及一或多個第二摻雜區域，其中該等第二摻雜區域比該等第一摻雜區域更重摻雜，以形成選擇性前表面場；及其中該n型前表面場層之該一或多個第一摻雜區域及該一或多個第二摻雜區域包含植入之摻雜劑。
  2. 如請求項1之太陽能電池，其中該太陽能電池由單晶丘克拉斯基成長(Czochralski-grown)矽基板形成，且其中該n型基層及該n型前表面場層之一或多個第一及第二摻雜區域經磷摻雜。
  3. 如請求項1至2中任一項之太陽能電池，其中該p型發射極層包含鋁，且其中該p型發射極層藉由液相磊晶再生長形成。
  4. 如請求項3之太陽能電池，其進一步包含：上覆於該n型前表面場層之鈍化氧化物層。
  5. 如請求項4之太陽能電池，其進一步包含：上覆於該鈍化氧化物層之抗反射層，其中該抗反射層 包含非晶氮化矽層。
  6. 如請求項5之太陽能電池，其進一步包含：在該抗反射層上方形成之一或多個網板印刷接點，其中該一或多個網板印刷接點與該n型前表面場層之該更重摻雜之一或多個第二區域經由該抗反射層及該鈍化氧化物層電連通。
  7. 如請求項6之太陽能電池，其進一步包含：由鋁膏形成之自對準網板印刷鋁接點，其中該發射極層及該鋁接點均由該鋁膏形成，且其中該發射極層上覆於該鋁接點。
  8. 如請求項1之太陽能電池，其中該n型前表面場層之該一或多個第一摻雜區域及該一或多個第二摻雜區域包含植入之摻雜劑。
  9. 如請求項1之太陽能電池，其中該一或多個第二摻雜區域具有30至70歐姆/每平方之薄層電阻，且該一或多個第一摻雜區域具有80至120歐姆/每平方之薄層電阻。
  10. 如請求項4之太陽能電池，其中該鈍化氧化物層係與n型前表面場層在單個退火循環中形成。
  11. 如請求項6之太陽能電池，其中該一或多個網板印刷接點包含玻璃料。
  12. 如請求項6之太陽能電池，其中該一或多個網板印刷接點係對準該一或多個第二摻雜區域。
  13. 如請求項6之太陽能電池，其中該一或多個網板印刷接點係小於該一或多個第二摻雜區域之寬度。
  14. 一種形成背接面型太陽能電池之方法，其包含：製造n型基層，製造p型發射極層，使該n型基層上覆於該p型發射極層，其中製造該p型發射極層進一步包含：將接觸層塗覆至該基層之一面，且使該接觸層與至少一部分該基層成合金，且摻雜一或多個第一摻雜區域及一或多個第二摻雜區域，以形成n型前表面場層，使該n型前表面場層上覆於該n型基層，其中該等第二摻雜區域比該等第一摻雜區域更重摻雜，以形成選擇性前表面場；及其中藉由離子植入引入摻雜劑以形成該一或多個第一及第二摻雜區域。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含：在該n型前表面場層上方形成鈍化氧化物層。
  16. 如請求項15之方法，其中在單個退火循環中形成該鈍化氧化物層及該n型前表面場層。
  17. 如請求項15及16中任一項之方法，其進一步包含：將非晶氮化矽層沈積於該鈍化氧化物層上方，藉此形成抗反射塗層。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包含：在與該n型前表面場層之該更重摻雜之一或多個第二區域對準之該非晶氮化矽層上網板印刷一或多個前接點。
  19. 如請求項18之方法，其進一步包含： 燃燒該一或多個前接點，藉此經由該非晶氮化矽層及該鈍化氧化物層電連接該一或多個前接點與該n型前表面場層。
  20. 如請求項19之方法，其中製造該p型發射極層進一步包含：在該p型發射極層之表面上形成一個接點，使該p型發射極層上覆於該接點；且其中該p型發射極層包含藉由液相磊晶再生長形成之p型發射極層，且其中該接點與該p型發射極層電連接。
  21. 去請求項14之方法，其中將摻雜劑引入至該一或多個第一摻雜區域包含將摻雜劑均勻地引入至該一或多個第一及第二摻雜區域，且其中將摻雜劑引入至該一或多個第二摻雜區域包含經由遮罩將額外之摻雜劑引入至該一或多個第二摻雜區域。
  22. 如請求項14之方法，其中將摻雜劑引入至該一或多個第一及第二摻雜區域發生於單個離子植入步驟中。
  23. 如請求項14之方法，其中該n型基層經磷摻雜，且其中將摻雜劑引入至一或多個第一及第二摻雜區域包含引入磷摻雜劑。
  24. 如請求項14之方法，其中該一或多個第二摻雜區域具有30至70歐姆/每平方之薄層電阻，且該一或多個第一摻雜區域具有80至120歐姆/每平方之薄層電阻。
  25. 如請求項18之方法，其中該一或多個前接點包含玻璃料。
  26. 如請求項18之方法，其中該一或多個前接點係對準該一或多個第二摻雜區域。
  27. 如請求項18之方法，其中該一或多個前接點係小於該一或多個第二摻雜區域之寬度。
  28. 一種背接面太陽能電池，其包含：第一n型區域；第二n型區域；第三n型區域，其中該第二及該第三n型區域上覆於該第一n型區域；及p型發射極層，其在該第二及該第三n型區域對面之該第一n型區域之表面上形成，其中該p型發射極層與該第一n型區域之界面界定p-n接面，及其中該第二及第三n型區域包含植入之摻雜劑。
  29. 如請求項28之背接面太陽能電池，進一步包含上覆於該第二及第三n型區域之鈍化氧化物層，其中該鈍化氧化物層係與n型前表面場層在單個退火循環中形成。
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