TWI553889B - 具有效且有效率之設計的背接觸太陽能電池及相對應之圖案化方法 - Google Patents

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Description

具有效且有效率之設計的背接觸太陽能電池及相對應之圖案化方法
本發明係關於沿電池之後側或背側具有兩種極性的摻雜觸點的太陽能電池。該等摻雜觸點經圖案化以提供光電流之有效收集。可提供有效率之處理方法用於使背接觸太陽能電池以及其他太陽能電池設計沿所選圖案形成摻雜觸點。
光伏打電池經由吸收光來運行以形成電子-電洞對。可方便地使用半導體材料吸收光，產生電荷分離。在一定電壓差下收穫光電流，以在外部電路中直接或利用適當能量儲存裝置儲存後實施有用的工作。
多種技術可用於形成光伏打電池(例如，太陽能電池)，其中半導材料起光電導體之作用。大多數市售光伏打電池基於矽。由於不可再生能源因環境及成本問題仍較不合意，故業內一直關注替代能源、尤其可再生能源。可再生能源之商業化增大依賴於經由較低之成本/能量單位增大成本有效性，其可經由改良能量源之效率及/或經由降低材料及處理之成本來達成。因而，對於光伏打電池而言，商業優勢可源於增大給定光通量之能量轉換效率及/或降低製造電池之成本。
在第一態樣中，本發明係關於一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面彼此處於相同位準的n-摻雜域及p-摻雜域。在一些實施例中，摻雜域各自具有約100 nm至約5微米之平均深度，且n-摻雜域與p-摻雜域之間之邊緣至邊緣間距在一或多個位置處的值為約10微米及約500微米。
在又一態樣中，本發明係關於一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面彼此處於相同位準的n-摻雜域及p-摻雜域。在一些實施例中，摻雜域各自沿表面具有平面範圍，其包含具有平均長度比平均寬度大至少約10倍之比率的條帶，且n-摻雜域與p-摻雜域間之間距在一或多個位置處的值為約10微米及約500微米。
在額外態樣中，本發明係關於一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面的n-摻雜域及p-摻雜域。摻雜域各自沿表面可具有平面範圍，其包含具有平均長度比平均寬度大至少約10倍之比率的條帶、摻雜域上之介電層及複數個圖案化金屬互連件。介電層可包含使各摻雜域曝露約5%至約80%的窗，且具有金屬互連件之窗上的金屬互連件可具有比窗之面積大至少約20%的面積。
在其他態樣中，本發明係關於一種沿所選圖案摻雜半導體之方法，該方法包含在複數個所選位置處沿表面以脈衝方式輸送能量束以將第一摻雜劑自摻雜劑源驅入半導體層中所選位置處以形成第一摻雜域。在一些實施例中，摻雜劑源係在實質上覆蓋半導體層之層中形成。該方法可進一步包含移除第一摻雜劑源及沈積包含第二摻雜劑之第二摻雜劑源以實質上覆蓋半導體層。該方法亦可進一步包含在複數個所選位置處沿表面以脈衝方式輸送能量束以將第二摻雜劑驅入半導體層中所選位置處以形成第二摻雜域。
此外，本發明係關於一種穿過無機層選擇性蝕刻開口的方法，該方法包含圖案化聚合物抗蝕劑之層及實施蝕刻以穿過無機層形成窗。在一些實施例中，藉由在複數個所選位置處使用能量束燒蝕聚合物以移除所選位置處之抗蝕劑來實施聚合物抗蝕劑層之圖案化。
另外，本發明係關於一種形成基於半導體之裝置的方法。一般而言，該方法包含在Si半導體箔之第一表面上形成摻雜域、將無機介電層沈積於第一表面上以覆蓋摻雜域、及在介電層上圖案化金屬集電器。Si半導體箔可具有約5微米至約100微米之平均厚度。半導體箔具有第一表面及與第一表面相對之第二表面，且半導體箔之第二表面利用聚合物(例如黏著劑)黏著至玻璃結構上。金屬集電器之各部分可經由介電層與摻雜域接觸。在一些實施例中，處理步驟並不將黏著劑加熱至大於約200℃之溫度。
在其他實施例中，本發明係關於一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面的n-摻雜域及p-摻雜域。摻雜域各自沿表面可具有平面範圍，其包含具有平均長度比平均寬度大至少約10倍之比率的條帶。在一些實施例中，條帶之一或多個增強摻雜劑區段之平均表面摻雜劑濃度為n摻雜域其他位置處之平均摻雜劑濃度的至少約5倍。
此外，本發明係關於一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面的複數個n-摻雜域及複數個p-摻雜域。摻雜域可具有約250 nm至約2.5微米之平均深度，且頂部10%厚度觸點的平均摻雜劑濃度可比自觸點頂部20-30%觸點深度之位準處觸點的平均摻雜劑濃度大至少5倍。
在其他實施例中，本發明係關於一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面的複數個n摻雜域、沿半導體層之表面的複數個p摻雜域、介電層、與n摻雜域電連接之第一集電器及與p摻雜域電接觸之第二集電器。介電層可包含沿半導體層之表面的無機層及無機層上之聚合物層，其中集電器覆蓋聚合物層之一部分。相應集電器可經由穿過介電層之窗接觸相對應之摻雜域。
另外，本發明係關於一種摻雜半導體層之方法，該方法包含：沿包含矽之裸露半導體層圖案化複數個摻雜劑源以形成圖案化半導體層；及使光束掃描橫跨圖案化半導體層以將摻雜劑自摻雜劑源驅入半導體層中以形成複數個n摻雜域及複數個p摻雜域。
背接觸太陽能電池設計利用經改良處理方法以為有效之接觸設計提供相對應之優良電池性能。在一些實施例中，設計不同摻雜域之間隔條帶用於有效之電池性能及快速處理。可選擇毗鄰摻雜域間之間隔、摻雜劑之深度及摻雜域之面積以基於商業上可行之方法提供期望電池性能。可使光束掃描橫跨半導體表面以將摻雜劑驅入半導體中所選位置處。可依序沈積或同時沈積n型摻雜劑及p型摻雜劑。可使用有效金屬圖案化方法利用半導體材料上之介電層形成用於電池之兩個極的集電器，該集電器通常沿單一位準具有所選圖案。本文所述方法可有效地用於同時處理(例如)模組內之複數個光伏打電池。
闡述用於沿半導體材料穿過鈍化層(例如，介電層)在金屬集電器與摻雜觸點之間形成電連接的替代有效方法。在一些實施例中，亦可在摻雜半導體之上有效地形成有窗之介電層，從而為摻雜觸點提供適當電連接性以收穫光電流。有效率之方法基於雷射圖案化利用蝕刻步驟根據摻雜觸點之圖案提供介電質之圖案化以及提供電互連件之圖案化以提供電流收集。在一些實施例中，在軟燒蝕步驟中將介電層定向燒蝕以穿過介電層形成窗，而不會明顯損害下伏矽材料。介電層之雷射燒蝕進一步闡述於頒予Prue等人標題為「Laser Ablation-A new Low-Cost Approach for Passivated Rear Contact Formation in Crystalline Silicon Solar Cell Technology」，第16次European Photovoltaic Solar Energy Conference，2000年5月的文章中，其以引用方式併入本文中。在替代或額外實施例中，使用雷射來透過介電層直接驅動圖案化金屬與摻雜觸點間之電連接，此在金屬與摻雜觸點之間產生極好電連接。用於太陽能電池形成之雷射燒結觸點進一步闡述於頒予Prue等人標題為「Method of Producing a Semiconductor-Metal Contact Through a Dielectric Layer」的美國專利第6,982,218號中，該案件以引用方式併入本文中。
本文所述經改良製程提供背接觸太陽能電池設計之有效率且成本有效之形成，該等設計可提供光電流之有效率收穫。處理步驟亦可用於在除背接觸電池設計以外之其他太陽能電池設計上形成期望結構，例如沿電池之前表面具有摻雜觸點之電池。
光伏打模組通常包含透明前片，其在模組使用期間曝露於光(通常為日光)中。光伏打模組中之一或多個太陽能電池(即光伏打電池)可毗鄰透明前板放置以使可藉由太陽能電池中之半導體材料吸收透射穿過透明前片之光。可使用本文所述方法同時處理模組之電池。透明前片可提供支撐、實體保護以及防止環境污染物及諸如此類。光伏打電池之活性材料通常係半導體。在吸收光後，可自傳導帶收穫光電流以經由至外部電路之連接實施有用的工作。對於光伏打電池而言，改良之性能可與給定光通量之能量轉換效率增大及/或製造電池之成本降低有關。
可輕度摻雜半導體以增大半導體材料之電子遷移率。具有增大摻雜劑濃度(稱作摻雜觸點)且與半導體材料介接之區域有利於收穫光電流。具體而言，電子及電洞可隔離至相應n摻雜區域與p摻雜區域。摻雜接觸區域與形成集電器之電導體介接以收穫藉由吸收光形成之光電流而在觸點之兩個極之間產生電勢。在單一電池內，可將相同極性之摻雜接觸區域連接至共同集電器以使與不同極性之摻雜觸點相聯的兩個集電器形成光伏打電池之反電極。
在尤其感興趣之實施例中，光伏打模組包含用於半導體片之矽、鍺或矽-鍺合金材料。為論述簡明起見，除非上下文中另外指明，否則當本文中提及矽時隱含地指矽、鍺、矽-鍺合金及其摻合物。在一些實施例中，矽因其成本相對較低而為合意的材料。在申請專利範圍中，矽/鍺係指矽、鍺、矽-鍺合金及其摻合物，而任一單獨元素僅指該元素。通常半導體片可經摻雜，但在整個半導體層之總摻雜劑濃度小於適當相對應摻雜觸點之摻雜劑濃度。在下文中，更詳細論述基於多晶矽之太陽能電池及製程的實施例，但可基於本文揭示內容概括出用於其他半導體系統之適當部分。此外，薄矽箔可適用於本文處理方法，其中在一些實施例中，箔可具有約5微米至約100微米之厚度。由於革命性處理方法使大面積薄矽箔的形成成為可能。
電池內之摻雜劑接觸區域的佈置及性質會影響電池之性能。具體而言，摻雜觸點之深度以及p摻雜區域相對於n摻雜區域之間隔可影響電池性能。類似地，摻雜接觸區域(即p摻雜及n摻雜區域)之面積會影響電池性能。處理方法通常亦可至少就可用範圍而言影響摻雜區域之佈置及尺寸。如本文所述，摻雜觸點之性質已經選擇以使用方便的處理方法達成個別電池之優良電流生成效率。
儘管背接觸太陽能電池尤其感興趣，但本文一些處理方法也適用於其他電池設計之元件。在一些實施例中，太陽能電池具有橫跨電池之前面的一個摻雜劑極及橫跨電池背面的相對摻雜劑極。在該等實施例中，將沿電池前面之集電器自電池前面引導至側面或後面用於連接至外部電路。應沿電池前面之集電器將經放置用於有效電流收集而不會有過多金屬，此乃因沿電池前面之金屬會阻斷光進入半導體而使電池效率稍微有所降低。沿太陽能電池之前表面及後表面放置集電器之太陽能電池實施例進一步闡述於頒予Arimoto標題為「Method of Producing a Solar Cell;a Solar Cell and a Method of Producing a Semiconductor Device」的美國專利第6,093,882號及頒予Micheels等人標題為「Method of Fabricating Solar Cells」的美國專利第5,082,791號中，該兩個案件均以引用方式併入本文中。
在尤其感興趣之實施例中，將所有摻雜觸點放置於太陽能電池之後側或背側上以便不將集電器放置在電池之前表面上。基本背接觸太陽能電池設計為人所知已有一段時間。舉例而言，一些設計闡述於頒予Chiang等人標題為「Tandem Junction Solar Cell」的美國專利第4,133,698號及頒予Baraona等人標題為「Screen Printed Interdigitated Back Contact Solar Cell」之第4,478,879號中，該兩個案件均以引用方式併入本文中。本文所述改良之處理方法尤其適用於形成背接觸太陽能電池之有效率設計。此外，向半導體材料引入矽箔可進一步節約矽材料，且處理方法亦適於與可利用矽箔獲得之大面積形式一起使用。
在一些實施例中，摻雜觸點分佈橫跨半導體之背表面，且摻雜觸點之佈置及性質會影響太陽能電池之性能及效率。一般而言，有利的是，每一摻雜劑類型之複數個觸點以交替方式橫跨表面分佈。摻雜觸點可收穫光電流，但在摻雜觸點處亦可發生電子-電洞重組，此可降低電池效率。因而，可平衡各因素。
一般而言，摻雜域可排布成交替跨越表面之島或區域。佈局可類似於棋盤格圖案，但區域不必具有相同尺寸且圖案不必沿矩形柵格。摻雜接觸區域可為正方形、圓形、橢圓形、矩形或其他方便的形狀或其組合。
已發現可有效率地形成間隔開之摻雜劑域之線性條帶，同時提供優良電池性能。具體而言，條帶可具有大的縱橫比以使條帶可具有相對較大長度及較窄寬度。一般而言，長度除以寬度之縱橫比係至少10。具體而言，寬度通常係約20微米至約500微米。在毗鄰摻雜劑域之間的至少一個接近點處，兩個摻雜劑域間之邊緣至邊緣之間隔可為約5微米至約500微米。摻雜劑觸點之線可整合成具有彎曲、拐角及諸如此類之更複雜圖案。然而，在一些實施例中，線性段形成結構之大部分。
摻雜劑滲透之深度亦會影響電池性能。若毗鄰摻雜劑域間隔開適當距離，則可使用適度深的摻雜劑域，而不會觀察到可使光電流減少之不合意位準的反向重組。結合形成具有該等深度之摻雜劑域的期望，已發現適宜處理方法可有效率地形成適度深的摻雜劑觸點，如下文進一步闡述。在一些實施例中，複數個摻雜劑接觸具有約100 nm至約5微米之平均深度。經由本文所述摻雜接觸特徵之組合，極有效率之處理可有效地用於製備具有合意的性能位準之太陽能電池。
在一些實施例中，摻雜劑輪廓可具有特定地經工程設計之不均勻分佈。舉例而言，可利用摻雜區域之表面附近之較高摻雜劑濃度改良性能以改良光電流之傳導而不會產生不合意位準的重組。類似地，摻雜條帶可相對於邊緣在條帶內部具有較淺摻雜劑分佈，從而同樣為集電器提供改良傳導，而不會使重組增加至不合意程度。
摻雜觸點與集電器連接以完成光電流之收穫。一般而言，太陽能電池包含具有相反極性之兩個集電器，但(例如)若相同極性之集電器適當地串聯連接，則太陽能電池可包含較大數量之具有相同極性的集電器，此藉由外部連接有效地將個別集電器組合成每一極性之單一集電器。將異性極之集電器電隔離以防止太陽能電池短路。此外，可期望在半導體材料之兩側上具有介電鈍化層。集電器可透過鈍化層以與摻雜觸點連接。
集電器延伸超過表面上與特定極性之該(等)摻雜域對準之所選圖案。本文闡述連接金屬互連件與適當摻雜觸點之兩種不同製程。在每一情形中，已發現合意的是選擇集電器與摻雜觸點之間的接觸面積以僅覆蓋摻雜觸點之一部分面積。介電層中之窗及洞經選擇以用於集電器與摻雜觸點之間適當連接以提供適當連接性及低電阻。一般而言，穿過背介電層之窗或洞覆蓋摻雜觸點面積之所選分數，通常為摻雜域面積的約5%至約80%。
類似地，集電器通常具有比穿過鈍化層之窗或洞大的面積。一般而言，特定極性之集電器可具有比由集電器覆蓋之窗或洞大至少約20%的面積。同樣，特定處理方法之窗或洞的選擇可係基於避免窗與半導體遠離摻雜域之任何區的任何明顯重疊，此乃因該重疊可導致電分流器與集電器接觸，此可降低電池性能。此外，利用具有本文針對摻雜觸點所述形式之摻雜觸點，適當數量的電連接區可在適當低之電阻下提供足夠電流。
對於許多應用而言，將複數個太陽能電池安裝於模組內。一般而言，模組中之太陽能電池係串聯電連接以增大模組之電壓，但電池或其一部分可並聯連接。可利用適當結構支撐件、電連接件及密封組裝模組之太陽能電池以避免水份及其他環境侵襲。在一些實施例中，可自矽箔之單片組裝模組。可沿箔之背表面圖案化電池之觸點，且可在圖案化之前或之後切割箔以分離個別電池。自矽箔之單片切割模組之電池可為模組內之電池提供更一致性能，若電池彼此更好地匹配，則此會改良模組之總效率。然而，在一些實施例中，可將半導體之個別區段(例如，半導體之薄片)在透明基板上組裝用於隨後使用本文所述一或多種處理方法處理成太陽能電池之陣列。
本文所述改良方法致力於電池之背側處理以收穫光電流。對於背接觸太陽能電池而言，可對太陽能電池之前表面實施單獨處理，例如施加紋理、形成鈍化介電層、及/或將電池之前表面固定至透明基板。利用覆蓋背表面多個部分之介電材料形成摻雜觸點及與該等觸點相關聯之集電器的改良方法提供形成本文所述改良背接觸太陽能電池的能力。
一般而言，本文所述經改良之處理方法為形成本文所述太陽能電池結構提供相對較快且有效率之製程。處理步驟中之若干步驟可涉及在表面上掃描之能量束，例如雷射光束。該等掃描方法可以適當解析度形成相對複雜圖案，同時處理速度較快且成本適中。此外，若需要，可動態地實施該等方法以達成進一步改良之性能。舉例而言，用於形成複數個太陽能電池之矽箔的動態劃分進一步闡述於頒予Hieslmair標題為「Dynamic Design of Solar Cell Structures,Photovoltaic Modules and Corresponding Processes」的已公開美國專利申請案2008/0202577中，其以引用方式併入本文中。
已開發消除材料圖案化以形成摻雜觸點之方法。具體而言，摻雜劑源可散佈於整個表面或其區域上。適宜摻雜劑源包括(例如)具有適當摻雜劑元素之旋塗玻璃組合物，但下文進一步闡述其他適宜摻雜劑源。隨後使雷射(例如紅外雷射)根據所選圖案掃描橫跨表面以將摻雜劑驅入半導體層中。紅外雷射係方便的能量源，此乃因紅外光穿透至期望深度進入矽以加熱矽並將摻雜劑驅入矽中處於基於處理參數之深度處。同樣，市售紅外雷射可以合理的成本用於適當掃描系統中。由於雷射之穿透深度，可相對應地選擇雷射功率以熔融矽之局部部分以摻雜劑驅動穿過矽之加熱深度。因而，可有效率地形成相對較深但充分定位之摻雜觸點。可利用掃描速度對雷射之脈衝輸送進行定時以在雷射斑點之間提供適當距離，從而獲得期望量之驅入摻雜劑。可使雷射沿線掃描以形成具有所選面積之觸點。
在一些實施例中，在驅入一種摻雜劑之後，可清除半導體表面之第一摻雜劑組合物，且可在表面或其一部分上塗佈第二摻雜劑組合物。隨後，可對第二摻雜劑重複雷射摻雜劑驅入。在將第二摻雜劑驅入半導體材料之後，可自半導體移除第二摻雜劑源。在一些實施例中，相對於第一摻雜劑位置在間隔開之位置處將第二摻雜劑驅入半導體中。另外或另一選擇為，可在大約相同位置處重複每一摻雜劑類型之摻雜劑驅入步驟以提供摻雜劑量及輪廓之額外控制。
在其他實施例中，可利用(例如)噴墨印刷、絲網印刷或諸如此類將摻雜劑源印刷於半導體表面上。以此方式，可在橫跨半導體表面上印刷p-摻雜劑源及n-摻雜劑源之圖案，其中單獨域具有不同摻雜劑。利用(例如)掃描雷射光束之摻雜劑驅入可類似地實施，只是可在單一掃描步驟期間形成n-摻雜劑及p-摻雜劑二者的摻雜觸點。摻雜劑源之圖案化會在摻雜域內產生適當摻雜劑沈積。以此方式，可在單一步驟中實施二種摻雜觸點的形成，而在遞送第一摻雜劑之後無需清潔表面。可在驅入兩種摻雜劑之後清潔表面。儘管可在單一處理步驟中將兩種摻雜劑沈積成摻雜觸點，但若需要可重複利用印刷摻雜劑源之摻雜劑沈積製程以改變摻雜劑輪廓。
可選擇摻雜劑位置之間的間隔以形成摻雜觸點之期望圖案。舉例而言，可沿粗線沈積第一摻雜劑且可沿大約平行線沈積第二摻雜劑。可選擇毗鄰摻雜觸點之間之平均間隔用於線間之分離。已發現利用毗鄰摻雜觸點之間之適當間隔可獲得太陽能電池的良好性能。
一般而言，在形成摻雜觸點之後，在半導體層上沈積鈍化層。鈍化層保護半導體層且通常係由沿表面形成電絕緣層之介電材料形成。半導體上之鈍化材料可包含複數個不同介電層。形成鈍化層之適宜介電材料包括(例如)化學計量及非化學計量矽氧化物、矽氮化物及矽氧氮化物，添加或不添加氫。具體而言，鈍化層可包含(例如)SiNxOy(x4/3且y2)、氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、富含矽之氧化物(SiOx，x<2)、或富含矽之氮化物(SiNx，x<4/3)。介電層或其一部分可包含諸如適宜有機聚合物等聚合物，其可具有合意的電絕緣性質。該等鈍化層保護半導體材料免於環境劣化，降低電洞及電子之表面重組。
如上文所述，金屬或其他導電材料作為電池內之集電器連接至摻雜半導體區域。毗鄰電池之集電器可與電連接件接合以串聯連接該等電池。可將串聯中之末端電池連接至外部電路為所選應用提供電力或為電儲存裝置(例如，可再充電電池)充電。可將光伏打模組安裝於適宜框架上。
可使用三種有效率之方式穿過介電鈍化層提供集電器之間的電連接。該等技術中之每一者均利用雷射處理用於以有關適度解析度快速並相對精確的佈置連接。在第一方法中，利用蝕刻步驟實施圖案化。將聚合物光阻劑放置於介電表面上。使用相對較低功率之雷射以所選圖案燒蝕聚合物。隨後實施蝕刻以移除已移除光阻劑之位置處的介電質。選擇性蝕刻使矽完好無缺。以此方式，穿過介電質製備窗。在圖案化期間將窗對準至摻雜觸點之位置以使其為至摻雜觸點之電連接提供基礎。在實施蝕刻後，可剝離介電層之剩餘聚合物光阻劑。或者，聚合物抗蝕劑可留在結構上以提供其他電絕緣。隨後，將集電器金屬沈積於電絕緣聚合物抗蝕劑上，以使剩餘聚合物抗蝕劑變為介電結構之一部分。
在又一方法中，藉由用雷射燒蝕介電層來形成穿過介電層之窗。可使用掃描橫跨表面之脈衝雷射來穿過介電層燒蝕洞之規則圖案或另一所選圖案作為窗。窗通常經定位以與沿矽之摻雜域相對應。在一些實施例中，可使用紅外雷射燒蝕介電層以曝露下伏矽材料，而不會明顯損害矽層。可在有窗之介電層上圖案化金屬集電器，其中集電器之金屬通常在摻雜域處接觸矽層。
在一替代方法中，在介電質上圖案化金屬集電器，如下文進一步闡述。在此方法中，將集電器放置於無窗之介電層上。可經由強脈衝雷射燒結以使金屬熔融並驅動穿過介電層來形成集電器與摻雜觸點之間的良好連接，如上述美國專利第6,982,218號中所述。雷射燒結藉助穿過介電層所形成之洞在金屬集電器與摻雜觸點之間形成極好連接來以良好效率有效地收穫光電流。可選擇集電器與摻雜觸點之間穿過介電質中所形成之洞的連接點的定位及數量以達成期望性能。另外或另一選擇為，可在金屬集電器材料與半導體之摻雜觸點接觸之後實施退火步驟(例如，雷射退火)以改良集電器-半導體介面。
亦可使用兩種有效率之雷射處理方法中之任一種形成集電器。具體而言，對於一種方法而言，可基於圖案化後之選擇性蝕刻以在兩個金屬層之間形成合金來實施電池之異性極的金屬集電器。一般而言，在圖案化之前，在表面或其一部分上形成兩個或更多個金屬層。使雷射在表面上以期望圖案掃描以識別金屬移除之位置或一些實施例中保留金屬之位置。在圖案化之後，金屬表面具有初始頂部金屬曝露之位置及沿頂部表面具有合金的其他位置。可實施濕式或乾式蝕刻以在蝕刻位置處選擇性移除合金或初始金屬連同下部金屬之剩餘部分以形成穿過金屬之溝槽。在一些實施例中，下部金屬包含鋁或鋁合金，且上部金屬係鎳或鎳合金(例如鎳釩合金)。所得鋁鎳合金係具有低熔點之低共熔合金，其可選擇性地有效移除而留下基本上未蝕刻之初始鎳(鎳釩合金)。此基於合金之雷射圖案化方法消耗比基於燒蝕金屬用於圖案化的方法少的功率，且使用較低雷射功率之能力降低對下伏結構之損害的發生率。可使用其他聚焦能量源替代雷射並具有類似優勢。此基於合金之選擇性圖案化方法進一步闡述於與本申請案在相同日期提出申請之頒予Srinivasan等人標題為「Metal Patterning for Electrically Conductive Structures Based on Alloy Formation」的共同待決之美國專利申請案第12/469,101號中，其以引用方式併入本文中。
在替代實施例中，將聚合物抗蝕劑放置於金屬層上。隨後利用在表面上掃描之脈衝雷射在期望移除金屬之所選位置處燒蝕聚合物抗蝕劑。隨後，實施蝕刻步驟以將金屬向下蝕刻到達金屬下面之介電層。隨後可移除聚合物抗蝕劑。此軟燒蝕方法可類似於以上關於介電層之選擇性蝕刻所概述之軟燒蝕。
本文所述太陽能電池可納入本文所述一或多個合意的特徵。本文所述改良之處理方法能夠形成合意的電池特徵。處理方法通常亦有效率，且方法通常用於處理大面積半導體片(例如，矽箔)。因而，闡述有效率且商業上適宜之處理方法，其可有效地用於形成具有優良性能特性之成本有效的太陽能電池。
太陽能電池結構
背接觸太陽能電池具有p摻雜域及n摻雜域或觸點的圖案橫跨電池背側。摻雜觸點之圖案及性質係經設計以達成高電池效率並與下文進一步闡述之具成本效益的處理方法一致。背側結構具有可利用集電器自摻雜觸點收穫電流之元件堆疊。介電層可位於半導體層之頂部，且與集電器相關聯之金屬部分係延伸穿過介電層以觸及適當摻雜觸點。電流收穫元件之結構亦適於沿薄矽箔佈置。
參見圖1，示意性展示基於矽之背接觸太陽能電池之實施例。太陽能電池100係以剖面圖示於圖2中。太陽能電池 100包含前透明層102、聚合物/黏著層104、前鈍化層106、半導體層108、p摻雜域110、n摻雜域112、背鈍化層114、集電器116、118及外部電路連接120、122。
前透明層102為半導體層108提供光存取。前透明層102為總體結構提供一些結構支撐以及保護半導體材料免於環境侵襲。因而，使用時，放置前面層102以接收光(通常為日光)以運行太陽能電池。一般而言，可自無機玻璃(例如，基於氧化矽之玻璃)或聚合物(例如，聚碳酸酯)、其複合材料或諸如此類形成前透明層。透明前片可在一個或兩個表面上具有抗反射塗層及/或其他光學塗層。用於聚合物/黏著層104之適宜的聚合物(例如，黏著劑)包括(例如)聚矽氧黏著劑或EVA黏著劑(乙烯乙酸乙烯酯聚合物/共聚物)。一般而言，以足以在前透明層102與底層106或半導體層108(若底層106不存在)之間提供期望黏著之薄膜施加聚合物/黏著劑。
前鈍化層106(若存在)通常包含介電層。類似地，背鈍化層114通常亦包含介電材料。形成鈍化層之適宜無機材料包括(例如)有或無添加氫或其他透明介電材料之化學計量及非化學計量之矽氧化物、矽氮化物及矽氧氮化物、矽碳化物、矽碳氮化物、其組合或其混合物。在一些實施例中，鈍化層可包含(例如)SiNxOy(x4/3且y2)、氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、富含矽之氧化物(SiOx，x<2)、或富含矽之氮化物(SiNx，x<4/3)。除無機材料外，鈍化層或其一部分亦可包含有機聚合物，例如聚碳酸酯、乙烯基聚合物、氟化聚合物(例如，聚四氟乙烯)、聚醯胺及諸如此類。聚合物可提供合意的電絕緣性質。可針對使用所選製程形成窗之相對應製程適當地選擇聚合物材料，如下文進一步闡述般。在一些實施例中，鈍化層可包含毗鄰矽材料之內部無機層及無機層上之有機層。有機層可包含聚合物抗蝕劑。
鈍化層之厚度通常可為約10奈米(nm)至800 nm且在其他實施例中為30 nm至600 nm，且在其他實施例中為50 nm至500 nm。熟習此項技術者應認識到本發明涵蓋於上述明確範圍內之其他厚度範圍且其亦於本揭示內容內。鈍化層可保護半導體材料免於環境劣化、降低電洞與電子之表面重組、及/或提供結構設計特徵、以及為前表面提供抗反射性質。鈍化層通常在化學上亦呈惰性以使電池對任何環境污染物更具抗性。
前鈍化層及/或後鈍化層通常可具有紋理以將光散射進入半導體層中以(例如)增大有效光路徑及相對應光吸收。在一些實施例中，紋理化之材料可包含平均峰至峰距離為約50 nm至約100微米的粗糙表面。可在沈積製程期間引入紋理以形成鈍化層及/或可在沈積步驟之後添加紋理。
半導體層108可包含矽，例如結晶矽。一般而言，期望使用相對較薄之矽片，且該等片可為單晶或多晶。舉例而言，可自單晶矽錠切割適度表面積的片。同時，可在化學蒸氣沈積型製程中藉由自氣態原料在初始矽粉末上生長矽來形成多晶矽帶。此一製程之實例闡述於頒予Vallera等人標題為「Method for the Production of Semiconductor Ribbons from a Gaseous Feedstock」的公開PCT申請案WO 2009/028974A中，該案件以引用方式併入本文中。
在一些實施例中，可自具有中等厚度之適度尺寸的片形成個別太陽能電池。舉例而言，在一些實施例中，半導體層108之表面積可為約50 cm2至約2000 cm2，且在其他實施例中為約100 cm2至約1500 cm2。該等片之平均厚度可為約50微米至約1000微米且在其他實施例中為約100微米至約500微米。該等適度面積之片可為單晶。然而，在一些實施例中，半導體層108係薄的大面積之多晶矽片。
最近已開發形成大面積薄多晶矽箔之技術。箔之薄性質可減少矽材料之使用，且大面積結構之可能性可尤其用於相對應較大形式之產品(例如，光學顯示器及太陽能電池)。若箔具有適當表面積，則可自單一矽箔片加工整個模組。在一些實施例中，箔之厚度可不大於約300微米，在其他實施例中不大於約200微米，在額外實施例中為約3微米至約150微米，在其他實施例中為約5微米至約100微米且在一些實施例中為約8微米至約80微米。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於該等明確範圍內之其他厚度範圍且其屬於本揭示內容。
為減少太陽能電池中矽之使用，可期望薄多晶矽箔以達成高效率，同時材料之消耗適度。在一些實施例中，無機箔(例如，矽片)可具有大面積同時很薄。舉例而言，箔之表面積可為至少約900平方公分，在其他實施例中至少約1000 cm2，在額外實施例中為約1500 cm2至約10平方米(m2)且在其他實施例中為約2500 cm2至約5 m2。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他表面積範圍且其屬於本揭示內容。對於矽箔及可能其他多晶無機材料而言，在一些實施例中，可經由在初始形成薄矽層之後使矽重結晶來改良電子性質。可實施區域熔融重結晶製程改良矽材料之電性質，例如載流子壽命。
有或沒有摻雜劑之元素矽或鍺箔可經由反應性沈積於釋放層上來形成。可期望具有層之輕微摻雜以增大電子遷移率。一般而言，矽之平均摻雜劑濃度可為約1.0×1014至約1.0×1016個原子/立方公分(cc)硼、磷或其他類似摻雜劑。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他輕微摻雜劑含量範圍且其屬於本揭示內容。
可自釋放層分離箔用於納入期望裝置中。具體而言，已開發掃描反應性沈積方法用於沈積於無機釋放層上。舉例而言，可使用光反應性沈積(LRDTM)或利用化學蒸氣沈積(CVD)(例如，次大氣壓CVD或大氣壓CVD)沈積箔。反應性沈積方法可以有效速率有效地沈積無機材料。LRDTM涉及自噴嘴產生引導穿過強光束(例如雷射光束)之反應物流，該強光束驅動反應以形成產物組合物，該產物組合物沈積於與該流相交之基板上。光束經引導以避免碰撞基板，且該基板通常相對於流動來移動以使塗層沈積掃描橫跨基板，且相對於光束適當定向之適當成型噴嘴可掃描塗層組合物以在基板通過噴嘴之單次線性通過中塗佈整個基板。於釋放層上之LRDTM反應性沈積概述於頒予Bryan標題為「Layer Material and Planar Optical Devices」且以引用方式併入本文中之美國專利第6,788,866號以及頒予Hieslmair等人標題為「Thin Silicon or Germanium Sheets and Photovoltaics Formed From Thin Sheets」且以引用方式併入本文中之已公開美國專利申請案2007/0212510A中。
CVD係闡述前體氣體(例如矽烷)在基板表面處之分解或其他反應的一般術語。亦可利用電漿或其他能量源增強CVD。在以掃描模式實施時，CVD沈積可經良好控制，而以相對較快速沈積速率產生均勻薄膜。具體而言，已開發經引導反應物流CVD以於低於大氣壓之壓力下在殼體中使沈積掃描橫跨基板表面。將反應物自噴嘴引導至基板，隨後基板相對於噴嘴移動以使塗層沈積掃描橫跨基板。亦可使用大氣壓CVD以合理的速率適當地沈積厚層。此外，已開發多種技術來實施掃描，以使經引導流CVD於低於大氣壓(例如約50托至約700托)及低於環境壓力下進入所選基板上。對於矽膜而言，CVD可在大氣壓或低於大氣壓下在600℃至1200℃範圍內之高溫下在基板上實施。通常適當設計基板固定器以在高溫下使用。於多孔釋放層上之CVD沈積進一步闡述於頒予Hieslmair等人標題為「Reactive Flow Deposition and Synthesis of Inorganic Foils」的已公開美國專利申請案2009/0017292中，該案件以引用方式併入本文中。
儘管使用大面積之薄半導體片對於形成複數個太陽能電池可為有利的，但在一些實施例中，可將薄半導體片之較小區段沿透明基板放置，同時適當對準。因而，對於個別太陽能電池而言，半導體片之每一區段可具有期望尺寸，或者對於個別電池而言，亦可切割一或多個區段以形成半導體片的較小區段。然而，可自期望源獲得半導體之較小片，例如自錠或諸如此類切割。不管是自大面積箔切割還是自半導體之個別薄片組裝或其某一組合，均可使用本文所述製程在透明基板上同時處理太陽能電池之陣列以形成背接觸結構。
一般而言，p摻雜觸點110及n摻雜觸點112可為半導體層108上之島或嵌入半導體層108之頂部表面的域。作為矽半導體層上之摻雜觸點的摻雜矽島的形成進一步闡述於頒予Hieslmair等人標題為「Silicon/Germanium Particle Inks,Doped Particles,Printing and Processes for Semiconductor Application」之已公開美國專利申請案2008/0160265中，該案件以引用方式併入本文中。如圖1及2中所示，摻雜觸點110、112嵌入半導體層108中。嵌入摻雜域通常係經由將摻雜劑元素之原子驅入矽中來形成，矽可加熱至(例如)熔融以使摻雜劑驅入。具體而言，可將As、Sb及/或P摻雜劑引入矽顆粒中以形成n型半導電材料，其中摻雜劑提供過量電子以填充傳導帶，且可引入B、Al、Ga及/或In以形成p型半導電材料，其中摻雜劑供應電洞。一般而言，平均摻雜劑含量可為約1.0×1018至約5×1020、在其他實施例中為2.5×1018至約1.0×1020且其他實施例中為5.0×1018至約5.0×1019個原子/立方公分(cc)。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於該等明確範圍內之其他摻雜劑含量範圍且其屬於本揭示內容。下文進一步闡述形成隔離、相對較深摻雜劑觸點的製程。
摻雜觸點110、112係沿半導體層108之頂部表面圖案化。每一摻雜劑類型(即p摻雜及n摻雜)可有一個或複數個摻雜觸點。舉例而言，p摻雜觸點及n摻雜觸點及其變化形式之棋盤格替代圖案作為實例呈現於頒予Hieslmair標題為「Solar Cell Structures,Photovoltaic Panels and Corresponding Processes」之已公開美國專利申請案2008/0202576中，該案件以引用方式併入本文中。此公開申請案亦闡述與類似摻雜域以列佈置之點觸點。
在一些實施例中，具有不同摻雜劑之摻雜觸點域可在邊緣處彼此相鄰。然而，已發現可利用具有不同摻雜劑之間隔開之摻雜觸點達成良好電池性能。摻雜域對半導體表面之覆蓋可涉及各種因素之平衡，例如電流收穫效率及反向重組。因而，可期望具有間隔開之摻雜觸點以降低反向重組。同時，已發現，利用適當間隔開之摻雜觸點，摻雜觸點可相對較深地形成於半導體材料中，同時改良太陽能電池之性能，此暗示光電流之更有效率收穫。
同時，摻雜觸點可形成為基板表面內之粗糙條帶。可將具有相反摻雜劑電性質之毗鄰條帶間隔開以便形成交替條帶。一般而言，個別條帶可具有長度對寬度為至少約10倍的縱橫比，在其他實施例中為至少15倍且在額外實施例中為至少25倍。一般而言，寬度之範圍可為約5微米至約700微米，在其他實施例中為約10微米至約600微米且在其他實施例中為約15微米至約500微米。基於半導體結構之尺寸長度可較長且可大約為數公分且甚至數米，但條帶之長度可斷開及/或沿表面折回以覆蓋較短長度。一般而言，條帶可不具有直的邊緣，且可基於對變化邊緣距離之波動進行平均來估計尺寸。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他摻雜觸點尺寸範圍且其屬於本揭示內容。
如上文所述，具有相反摻雜劑極性之毗鄰摻雜觸點之間的邊緣至邊緣間隔可影響電池性能。在一些實施例中，相對應於摻雜觸點之毗鄰條帶化域之間的邊緣至邊緣間隔可為約5微米至約500微米，在其他實施例中，為約10微米至約400微米且在額外實施例中，為約20微米至約350微米。同樣，摻雜觸點之邊緣中的變化可大致進行平均化以評價平均間距。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他平均間距範圍且其屬於本揭示內容。摻雜觸點之條帶可為更複雜圖案的一部分，其可或可不與條帶之區域互連。舉例而言，可使用類似於圖1之示意性集電器圖案的叉指狀圖案。在一些實施例中，更複雜圖案具有毗鄰條帶具有交替摻雜劑類型之區段，其有助於合意的電池性能。亦可使用下述處理方法有效率地形成該等有條帶之圖案。
如上文所述，已發現對於間隔開之摻雜劑觸點而言，可使用相對較深觸點達成有效之電池性能。具體而言，摻雜觸點之平均深度可為約100 nm至約5微米，在其他實施例中為約150 nm至約4微米且在額外實施例中為約200 nm至約3微米。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他摻雜劑深度範圍且其屬於本揭示內容。基於所添加摻雜劑輪廓(即，相對於整體摻雜劑濃度)，深度可固定於其中不大於約5原子%的所添加摻雜劑在半導體層中在彼深度以下之深度處。摻雜劑輪廓可使用用以評價元素組成之二次離子質譜(SIMS)連同濺鍍或其他蝕刻以自表面不同深度進行取樣來量測。
在一些實施例中，摻雜劑輪廓可經設計以引入期望的不均勻性。舉例而言，摻雜劑可經選擇以在表面附近具有較高摻雜劑濃度。如上文所述，對於相同摻雜劑類型而言，此可利用(例如)兩個摻雜劑驅入步驟在大約相當位置處完成。當然，基於摻雜劑驅入製程之性質，摻雜劑並非如初始物質一般完全均勻。利用經工程設計之摻雜劑輪廓，頂部10%厚度觸點之平均摻雜劑濃度可比自觸點頂部20-30%觸點深度之位置處的觸點之平均摻雜劑濃度大至少4倍，在一些實施例中大4.5倍至20倍，且在額外實施例中大5倍至15倍。作為實例，若觸點之深度為1微米，則將頂部100奈米中之平均摻雜劑濃度與頂部表面以下200 nm與300 nm之間之層中的平均摻雜劑濃度進行比較。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他摻雜劑增大範圍且其屬於本揭示內容。
另外或另一選擇為，摻雜劑濃度亦可經設計以橫向橫跨觸點之表面來改變以調節電流收集。舉例而言，摻雜觸點條帶之中心的摻雜劑輪廓可沿條帶之一個區段具有較高摻雜劑濃度，視情況亦具有較淺輪廓。具體而言，可期望在輪廓(例如較淺輪廓)中沿條帶內部(例如，沿條帶中心)具有較高摻雜劑含量。當然，在處理中自然地發生實質上不同於設計摻雜劑域之邊緣效應。若期望避免沿摻雜域之條帶區段的邊緣效應，可考慮沿每一邊緣去除5%寬度。在一些實施例中，橫向工程設計之摻雜域的淺摻雜區域可覆蓋不大於約50%之觸點剩餘(視情況去除邊緣)區域、且在其他實施例中不大於約40%之剩餘區域，其中平均深度不超過在遠離淺摻雜區域之摻雜觸點中摻雜劑平均深度的約一半且在其他實施例中不超過平均深度的約35%。在一些實施例中，淺摻雜區域亦具有比摻雜區域之平均摻雜劑濃度大至少約5倍且在一些實施例中大至少7.5倍的表面摻雜劑濃度。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他面積、摻雜劑深度及摻雜劑濃度範圍且其屬於本揭示內容。
沿表面之額外摻雜劑的特徵可與摻雜劑濃度之橫向變化組合。舉例而言，條帶之中心區段可具有較高或增強之摻雜劑濃度，而條帶之其他部分在表面附近不具有增強之摻雜劑含量。可基於所提供實例使用所述經工程設計之不均勻性之額外組合。
背鈍化層114之一般性質類似於上述前鈍化層之性質。然而，參見圖2，背鈍化層114具有洞或窗130以分別提供集電器116、118與摻雜觸點110、112間之電接觸。下文闡述形成洞或窗之兩種合意的方法。在窗或洞130之位置處，集電器之材料(例如金屬)穿過鈍化層114以接觸相應摻雜域。一般而言，窗130沿表面覆蓋明顯比相對應摻雜域小的面積。具體而言，發現獲得集電器之間的足夠電連接以利用在摻雜域表面之一部分上的元件間之接觸達成良好電池性能。具體而言，窗130可覆蓋為摻雜觸點面積之約2%至約80%、在其他實施例中摻雜觸點面積之約3%至約70%且在其他實施例中約5%至約60%的表面積。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他窗面積範圍且其屬於本揭示內容。
如上文所述，沿半導體表面之摻雜域可在沿表面之摻雜觸點的不同位置處具有不同摻雜劑輪廓。在一些實施例中，摻雜觸點之一些部分可沿表面相對於摻雜觸點之其他部分具有增強之摻雜劑濃度。在該等實施例中，可期望窗沿具有較高摻雜劑濃度之表面的至少一部分定位以增大電流，且在一些實施例中，窗經對準以使至少約75%曝露面積相對於摻雜觸點之平均表面摻雜劑濃度具有增強之表面摻雜劑，在其他實施例中至少約90%且在其他實施例中至少約95%曝露面積具有增強之表面摻雜劑。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他表面曝露範圍且其屬於本揭示內容。
將集電器116、118沿背鈍化層114之表面放置於鈍化層114及摻雜觸點110、112之上。集電器116、118形成電池相反電性的極。集電器經由窗130與適當摻雜觸點接觸。換言之，集電器材料之多個部分延伸穿過窗130以與窗下方之摻雜觸點接觸。因而，集電器之圖案通常係基於摻雜觸點的位置以及提供至摻雜觸點之存取的窗的位置。在一些實施例中，集電器116、118包含導電元素金屬或複數種導電元素金屬。適宜金屬包括(例如)鋁、銅、鎳、鋅、其合金或其組合。在一些處理方法中，期望集電器中具有複數個金屬層。
在一些實施例中，平均總金屬厚度可為約25奈米(nm)至約30微米，在其他實施例中為約50 nm至約15微米，在其他實施例中為約60 nm至約10微米且在額外實施例中為約75 nm至約5微米。一般而言，集電器覆蓋比窗大之表面積。具體而言，集電器之組合面積可比窗之面積大至少約20%，在其他實施例中比窗之面積大至少約40%且在額外實施例中大至少約60%。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他平均厚度及面積覆蓋率範圍且其屬於本揭示內容。
金屬可進一步藉助將光反射反向穿過電池而有助於太陽能電池性能。因此，使集電器之金屬對電池背表面具有較大覆蓋可具有優勢。然而，電池之異性極有效地電隔離以防止電池短路。因而，有溝槽或諸如此類位於相反極性之集電器之間。溝槽通常向下延伸至鈍化層，但在不會提供大量電分流器之溝槽中的少許量的金屬微不足道。在一些實施例中，相反極性之集電器之毗鄰區段間的溝槽具有至少約5微米且在其他實施例中約10微米至約500微米的平均距離。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他溝槽寬度範圍且其屬於本申請案。
外部連接120、122可分別軟銲或焊接至集電器116、118。在一些實施例中，外部連接可提供有線連接。在其他實施例中，外部連接120、122可包含圖案化金屬，其延伸(例如)超過絕緣材料橋至毗鄰太陽能電池或與外部電路連接。若適宜，可使用外部連接120、122之其他結構。
光伏打模組之示意圖示於圖3中。光伏打模組150可包含透明前片152、保護背襯層154、保護密封156、複數個光伏打電池158及端子160、162。剖面圖示於圖4中。透明前片152可為氧化矽玻璃或對適當日光波長透明且提供對環境侵襲(例如水分)之適當障壁的其他適宜材料的片。背襯層154可為以適當成本提供模組之保護及適當處理的任一適宜材料。背襯層154不必透明，且在一些實施例中可具有反射性以使透射穿過半導體之光反射反向穿過半導體層，在該半導體層中可吸附反射光之一部分。保護密封156可在前保護片152與保護背襯層154之間形成密封。在一些實施例中，可使用單一材料(例如熱可密封聚合物膜)來將背襯層154及密封圈156形成為整體結構。
將太陽能電池158之前表面抵靠透明前片152放置以使太陽光可到達光伏打電池之半導體材料。太陽能電池可使用集電器170、導電線或諸如此類串聯電連接。串聯中之末端電池可分別連接至端子160、162，其提供模組至外部電路之連接。
適宜聚合物背襯層包括(例如)來自DuPont之"S"型聚氟乙烯膜。關於反射材料，可用薄金屬膜塗佈背襯層之聚合物片，例如，金屬化聚酯膜。接合透明前片及背襯層之保護密封可自黏合劑、天然或合成橡膠或其他聚合物或諸如此類形成。
形成太陽能電池組件之製程
改良之處理方法可形成太陽能電池之電流收穫組件。該等處理方法可有效地施用於背接觸太陽能電池之形成，但該等處理步驟亦可用於其他太陽能電池設計。具體而言，雷射驅動摻雜劑驅入可沿指定設計形成有效之摻雜觸點，其可有效地包含沿半導體表面之近似條帶。亦可使用雷射圖案化來選擇窗穿過鈍化層之點用以集電器與摻雜觸點之間的電連接。同樣，亦可使用能量束(例如雷射光束)圖案化集電器，從而為電池之兩個極提供電隔離之集電器。該等處理方法單獨或組合使用可以合理的成本提供形成具有優良性能之電池的有效方法。
一般而言，經改良之處理方法可經組合以形成摻雜觸點、穿過鈍化層之傳導路徑及集電器。如下文進一步闡述，經改良製程中之每一者涉及掃描雷射系統，其可提供簡化之處理線設計以基於該等處理步驟形成太陽能電池。在一些實施例中，若需要，可期望該等處理步驟共享共同設備。然而，本文所述改良之處理步驟可個別地使用或以子組合使用，例如，與其他替代處理步驟(例如習用處理步驟)組合。舉例而言，本文中形成摻雜觸點之方法可與習用處理步驟一起使用以穿過鈍化層提供與集電器的連接。作為另一實例，若使用習用方法形成摻雜觸點，則本文中之經改良方法可用於形成窗以將摻雜觸點與集電器連接。
可實施雷射圖案化製程以形成具有上述結構之摻雜域。將摻雜劑驅入半導體材料中涉及在半導體材料上形成包含一或多種摻雜劑源之層。隨後使用波長自綠色至紅外雷射之雷射將摻雜劑驅趕深入進入半導體中以在所選位置處形成相對較深摻雜劑觸點。具體而言，可有利地使用紅外雷射，如下文實例中所述。如上文所述，自具有條帶構造之摻雜域之段的形成已獲得合意的電池性能。雷射可有效率地實施摻雜劑驅入，其與形成具有條帶構造之摻雜觸點一致。
在本文所述經改良摻雜劑觸點形成方法中，可在半導體表面上或該表面之一部分上沈積摻雜劑源，且在一些實施例中，可經由(例如)印刷製程在表面上圖案化兩個或更多個摻雜劑源。對於依序使用不同摻雜劑源之實施例而言，摻雜觸點之形成可包含以下步驟：1)沈積第一摻雜劑源之層；2)使雷射光束掃描橫跨半導體表面以利用第一摻雜劑形成所選摻雜觸點；3)移除第一摻雜劑源；4)沈積第二摻雜劑源之層；5)使雷射光束掃描橫跨半導體表面以利用第二摻雜劑形成所選摻雜觸點；及6)移除第二摻雜劑源。若需要，可以相同或不同參數重複該等步驟以改變摻雜劑輪廓，例如以增大淺摻雜觸點區域中的摻雜劑之量。隨後所得圖案化半導體材料準備用於進一步處理以完成電池用於電流收穫之背表面。
在替代或額外實施例中，摻雜劑源可沿表面圖案化以使n-摻雜劑及p-摻雜劑二者之兩種源沿表面同時存在。隨後，可使用單一雷射處理步驟形成n摻雜及p摻雜觸點二者。在雷射處理步驟之後，可清潔及/或蝕刻半導體表面以移除摻雜劑源。由於可在單一雷射步驟中將n-摻雜劑及p-摻雜劑驅入半導體中，故可減少處理步驟之數量，摻雜劑源的浪費較少且可減少處理時間。可利用(例如)印刷方法(例如絲網印刷或噴墨印刷)實施摻雜劑源之圖案化。
摻雜劑源通常係包含期望摻雜劑元素之組合物。舉例而言，可沈積含有磷或硼之液體。具體而言，適宜油墨可包含(例如)磷酸三辛基酯、存於乙二醇及/或丙二醇中之磷酸、或存於乙二醇及/或丙二醇中之硼酸。在其他實施例中，可使用摻雜之氧化矽顆粒。可沈積成薄的相對均勻層之摻雜氧化矽奈米顆粒的良好分散液之形成進一步闡述於頒予Hieslmair等人標題為「Silicon/Germanium Oxide Particle Inks,Inkjet Printing and Process for Doping Semiconductor Substrates」的已公開美國專利申請案2008/0160733A中，該案件以引用方式併入本文中。可在實施摻雜劑驅入之前移除溶劑或其一部分。
尤其方便且成本有效之摻雜劑源包含旋塗玻璃。旋塗玻璃係基於矽之組合物，其通常經由在氧化氛圍中加熱時發生分解反應來反應形成氧化矽玻璃。各種摻雜旋塗玻璃組合物有市售。舉例而言，摻雜旋塗玻璃可自Desert Silicon (AZ,USA)購得。旋塗玻璃組合物可包含存於適宜有機溶劑(例如醇)中之聚矽氧烷聚合物。具體調配物闡述於頒予Alman標題為「Coating Solution for Forming Glassy Layers」的美國專利第5,302,198號中，該案件以引用方式併入本文中。此專利闡述以約5至約30重量%之量引入硼或磷摻雜劑。替代組合物闡述於頒予Lee等人標題為「Spin-On Glass Compositions and Method of Forming Silicon Oxide Layer Semiconductor Manufacturing Process Using the Same」的美國專利第7,270,886號中，該案件以引用方式併入本文中。
旋塗可為將摻雜劑源施加於半導體表面上的適宜方法。舉例而言，可以約1000轉數/分鐘之速度旋轉基板以獲得均勻塗層。可調節黏度以在適當旋轉速度下獲得期望塗佈性質。然而，可使用其他塗佈方法，且該等塗佈方法可尤為合意的用於大面積基板或較易碎基板。替代塗佈方法包括(例如)噴塗、刀緣塗佈、擠出或諸如此類。該等替代塗佈方法可有效地用於形成足夠均勻性之層。一般而言，塗層厚度可小於約1微米。可基於目標摻雜劑含量利用基於本文教示之直接經驗調節選擇特定摻雜劑源的適當塗層厚度。印刷方法可用於沿半導體表面圖案化兩種或更多種摻雜劑源。目前，大面積上之噴墨解析度可以200至800 dpi容易地獲得。同時，噴墨解析度仍在進行改良。通常使用兩種油墨，一種油墨提供n型摻雜劑(例如，磷及/或砷)，且第二油墨提供p型摻雜劑(例如，硼、鋁及/或鎵)。可調節摻雜劑源之黏度用於印刷製程。
為獲得摻雜劑驅入之期望深度，可使用波長在紅色至紅外波長的雷射。波長通常經選擇以足夠深地穿透進入矽材料中以驅動摻雜劑向下達期望深度。在一些實施例中，雷射通常具有約600 nm至約5微米且在其他實施例中650 nm至約4微米之波長。在一些實施例中，期望使用近紅外中約750 nm至約2500 nm之波長。具體而言，SPITM 20瓦特光纖雷射具有1064 nm之波長。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他雷射頻率範圍且其屬於本揭示內容。
一般而言，就為摻雜劑驅入供應足夠能量而言，重要參數係光脈衝能量密度，其涉及加熱摻雜劑源下方之矽。可基於矽在特定波長處之吸收性質使脈衝能量密度粗略地匹配以為期望厚度之矽提供期望加熱。一般而言，適當脈衝能量密度可為約0.25至約25焦耳/平方公分(J/cm2)，在其他實施例中為約0.5至約20 J/cm2且在其他實施例中為約1.0至約12 J/cm2。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他脈衝能量密度範圍且其屬於本揭示內容。
一般而言，期望使雷射掃描橫跨表面以形成摻雜劑驅入之所選圖案。利用脈衝雷射及線性掃描，摻雜觸點之形狀可形成期望條帶。但亦可使雷射光束在曲線及轉角附近掃描，且亦可基於目標沈積圖案將其關閉，留下期望空隙。
一般而言，可使用光學器件調節線寬以選擇至少在適當值內之相對應光斑點尺寸。摻雜域之線寬相對應於斑點尺寸。在一些實施例中，可期望使用複數個毗鄰或重疊區段形成拱形域之單一條帶，其中每一區段係自雷射掃描形成以使條帶可涉及適當橫向佈置之相對應複數次雷射掃描以形成毗鄰或重疊區段。因而，摻雜域之單一條帶可自2、3、4、5或更多個區段形成。區段中之摻雜劑輪廓可大約相當或可不大約相當。如上文所述，可期望包括具有較淺摻雜劑輪廓及/或較高摻雜劑濃度之摻雜域的淺區段。因而，例如，若條帶係自3個區段形成，則可處理中間區段以具有較淺摻雜劑輪廓及/或具有較高摻雜劑濃度。可調節雷射之掃描，從而為不同區段提供不同摻雜劑輪廓。另外或另一選擇為，該等區段可利用不同摻雜劑源來實施，該等摻雜劑源係依序沈積，且通常在該等步驟之間進行清潔。摻雜域之拐角及/或轉角可類似地涉及可接合成條帶之區段的毗鄰及/或重疊區段。
橫跨光束之光強度通常並不均勻，但可根據光學器件佈置將光束形狀調節為Gaussian或平頂型。在一些實施例中，脈衝頻率可為約5千赫(kHz)至約5000 kHz，在其他實施例中為約10 kHz至約2000 kHz，且在額外實施例中為約25 kHz至約1000 kHz。在一些實施例中，掃描速度之範圍可為約0.05至約15米/秒(m/s)，且在其他實施例中為約0.15至約12 m/s，且在其他實施例中為約0.5至約10 m/s。對於利用雷射之摻雜劑處理而言，較寬雷射脈衝輪廓通常產生較深摻雜劑輪廓。因而，可期望使雷射脈衝之持續時間為至少約50奈秒(ns)且在一些實施例中為至少約70奈秒。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他脈衝頻率、掃描速度及脈衝持續時間範圍且其屬於本揭示內容。
根據特定斑點尺寸，可使光束橫跨基板之掃描速度與脈衝頻率相關，以使毗鄰脈衝可重疊至所選程度以提供摻雜劑驅入之相鄰處理域。在一些實施例中，若雷射在圖案上方多次通過提供最終重疊以形成相鄰摻雜觸點，則毗鄰斑點可隔開而不重疊。不管單一掃描之毗鄰脈衝是否重疊，已發現，在一些實施例中，期望使用較低脈衝能量密度並在線或其他圖案化形狀上掃描複數次。多次通過方法可對基板且更甚至對線產生較小損害。在一些實施例中，可期望光束在表面之相同圖案上2次通過、3次通過、4次通過、5次通過或5次以上通過以獲得更合意的結果。於較低功率下多次通過可在完成摻雜之後產生較平滑表面。
由於光束與基板之交叉點通常係大略圓形，故可能期望一些重疊以沿雷射脈衝之線得到連續摻雜觸點，但在相同區域上多次通過可使毗鄰脈衝之空隙平滑。為方便起見，吾人將光斑點定義為沿表面之圓，其中95%的光功率包括於圓周內。光脈衝速率及掃描速度可經選擇以使毗鄰光脈衝之圖像的中心彼此位移光圖像直徑之0.1至約1.5倍範圍內，在其他實施例中位移光圖像直徑之約0.2至約1.25倍且在額外實施例位移光圖像直徑之約0.25至約1.1倍。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他範圍且其屬於本揭示內容。
可使用市售掃描系統或類似設計習用系統使光束掃描橫跨基板表面。一般而言，該等系統包含光學元件以使雷射光束掃描至所選位置。用於光學掃描系統中之位置檢測器進一步闡述於頒予Petschik等人標題為「Position Sensor for a Scanning Device」的美國專利第6,921,893號中，該案件以引用方式併入本文中。用於掃描器之控制系統闡述於頒予Oks標題為「Servo Control System」的美國專利第7,414,379號中，該案件以引用方式併入本文中。市售掃描系統或電流計可自Scanlab AG(Germany)及Cambridge Technology公司(MA,U.S.)購得。
可藉由大量所選方法沈積背鈍化層。可使用(例如)市售沈積儀器自習用技術(例如，濺鍍、CVD、PVD或其組合技術)形成鈍化層。具體而言，可利用電漿增強CVD(PECVD)沈積鈍化層。PECVD及/或濺鍍由於可在低溫下實施沈積之能力而為合意的方法。由於鈍化層相對較薄，故該等習用方法相當有效率。在額外或替代實施例中，可使用光反應性沈積(LRDTM)沈積鈍化層。LRDTM進一步闡述於頒予Bi等人標題為「Coating Formation By Reactive Deposition」之已公開PCT申請案WO 02/32588A及頒予Chiruvolu等人標題為「Dense Coating Formation By Reactive Deposition」之美國專利第7,491,431號中，該等案件以引用方式併入本文中。此外，可使用大氣壓CVD或掃描次大氣壓CVD沈積鈍化層。掃描次大氣壓CVD進一步闡述於頒予Hieslmair等人標題為「Reactive Flow Deposition and Synthesis of Inorganic Foils」之已公開美國專利申請案2009/0017292中，該案件以引用方式併入本文中。可使用聚合物塗佈技術(例如，噴塗、擠出、刀緣塗佈、旋塗及諸如此類)沈積形成鈍化層或其一部分之聚合物層。
闡述形成集電器與鈍化層下之摻雜觸點間之連接的三種方法。每一方法涉及可根據期望圖案引導之雷射的使用。在聚合物燒蝕製程中，雷射有效率地用於藉助聚合物抗蝕劑形成圖案。隨後將此與穿過鈍化層形成窗的蝕刻步驟組合。在介電燒蝕方法中，使用雷射穿過介電層直接燒蝕窗，其中參數經選擇以避免對下伏矽半導體造成明顯損害。在用於形成與摻雜觸點之連接的雷射焊接製程中，使用雷射驅動金屬自集電器穿過鈍化層以與鈍化層下方之摻雜觸點形成良好接面。在用於集電器之金屬沈積之後，無疑應實施雷射焊接。
在聚合物燒蝕圖案化製程中，將聚合物抗蝕劑層放置於鈍化層之上。一般而言，可使用任一抗蝕刻聚合物。方便之抗蝕劑係作為光阻劑商業分銷。在傳統處理中，光阻劑對光敏感，以便光(例如UV光)在光阻劑上圖案化。光阻劑可為光使光阻劑對抗蝕刻穩定之負性光阻劑或光使光阻劑對抗蝕刻不穩定之正性光阻劑。出於若干原因，在涉及適度解析度圖案之應用中，聚合物燒蝕方法有優於傳統方法之改良。首先，可使用紅外雷射，且較低成本之紅外雷射市面有售。此外，使用單一蝕刻步驟蝕刻穿過鈍化層，且不需單獨蝕刻步驟來顯影或蝕刻光阻劑。此外，可使用不需要具有光敏性之較不昂貴聚合物。適宜負性光阻劑可自(例如)Futurrex公司(NJ,USA)購得，且出售剝離劑以在完成蝕刻步驟之後移除光阻劑。可使用適當塗佈技術(例如，旋塗、噴塗、擠出、刀緣塗佈或諸如此類)施加抗蝕刻聚合物(例如，光阻劑)。
在聚合物燒蝕方法中，使雷射掃描橫跨表面以自所選位置燒蝕聚合物。一般而言，可利用相對較低功率脈衝燒蝕聚合物。因此，適當雷射脈衝經引導在沿表面已選擇用於佈置穿過鈍化層之窗的位置處。雷射脈衝移除脈衝位置處之聚合物。一般而言，可使用由聚合物吸收之任一光波長。舉例而言，紅色或紅外雷射或來自加熱燈之其他聚焦束可有效地用於燒蝕聚合物，而不會明顯地損害底層。然而，可期望降低對底層之損害而使用較短波長光，以使光不會深深地穿透入結構中。舉例而言，可使用綠光、藍光或紫外光，例如波長不大於約550 nm，在一些實施例中不大於500 nm且，在其他實施例中在電磁光譜的近或中紫外部分中利用約100 nm至約400 nm之波長。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述範圍內之其他光波長範圍且其屬於本揭示內容。在一些實施例中，可利用準分子雷射供應光。另外，可使用電子束來燒蝕聚合物。開發用於電子束微影術之電子束掃描儀的設計可適於此用途。適當系統闡述於(例如)頒予Kamada等人標題為「Electron Beam Lithography System,Electron Beam Lithography Apparatus,and Method of lithography」的美國專利第6,674,086號中，該案件以引用方式併入本文中。
如上文所述，穿過鈍化層之窗覆蓋明顯比摻雜觸點小之表面積。因而，為圖案化窗，可使用特定間隔開之斑點或線段。一般而言，在設計窗圖案方面具有明顯的靈活性以達成所得窗之期望面積。調節束之脈衝頻率及掃描移動以達成所選圖案，且可適當地關閉光束以在窗區段之間形成分離。然而，窗之定位通常經選擇以將窗放置於摻雜觸點之區域之上。因而，光束通常具有較窄焦點以使在蝕刻後窗之寬度小於摻雜觸點之寬度。一般而言，適當脈衝能量密度可為約0.1至約25焦耳/平方公分(J/cm2)，在其他實施例中為約0.25至約20 J/cm2且在其他實施例中為約0.5至約12 J/cm2。在一些實施例中，掃描速度之範圍可為約0.1至約10米/秒(m/s)，且在其他實施例中為約0.25至約9 m/s，且在其他實施例中為約1至約8 m/s。在一些實施例中，脈衝頻率可為約5千赫(kHz)至約1000 kHz，在其他實施例中為約10 kHz至約800 kHz，且在額外實施例中為約25 kHz至約750 kHz。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他脈衝功率、脈衝頻率及掃描速度範圍且其屬於本揭示內容。一般而言，選擇雷射脈衝條件以使得對摻雜矽之損害程度合意的低，該摻雜矽可吸收透射穿過鈍化層之光。
在聚合物覆蓋物中形成窗之後，蝕刻鈍化層。可利用(例如)不蝕刻矽之硝酸/氫氟酸混合物實施適宜化學蝕刻。在額外或替代實施例中，可實施電漿蝕刻以移除聚合物抗蝕劑中之穿過窗的鈍化層。可使用於鈍化層之蝕刻劑的選擇與聚合物抗蝕劑之選擇一致。在聚合物中穿過窗蝕刻鈍化層之後，相對應地穿過鈍化層形成窗以曝露摻雜觸點之區域。隨後，可藉由(例如)溶解聚合物來移除聚合物抗蝕劑，其可涉及或可不涉及聚合物之反應或分解。在一些實施例中，由於適當所擇聚合物之電絕緣性質，保留剩餘聚合物抗蝕劑以形成介電結構之一部分。
在介電燒蝕方法中，使用雷射直接燒蝕介電質以形成窗。一般而言，使脈衝雷射掃描橫跨表面以經由介電質之直接燒蝕形成穿過介電層之窗。穿過介電層直接燒蝕之窗的選擇及佈置通常可類似於自聚合物蝕刻之燒蝕產生之窗的定位，如上文所述。一旦穿過介電層形成窗，則集電器與矽之摻雜域之間的連接類似，而與用於形成窗之製程無關。
一般而言，可基於特定介電層之性質選擇雷射參數。具體而言，雷射波長應適當地被介電材料吸收。通常可實施雷射燒蝕以燒蝕介電材料，而不會顯著損害下伏矽材料。
通常選擇雷射頻率以被介電層顯著吸收。因而，可燒蝕介電質，而減少對矽之損害。對於氮化矽或富含矽之矽氮化物而言，波長通常可處於綠光或更短(例如UV)波長中。調節束之脈衝頻率及掃描移動以達成所選圖案，且可適當地關閉光束以在窗區段之間形成分離。然而，窗之定位通常經選擇以將窗放置於摻雜觸點之區域之上。
一般而言，適當脈衝能量密度可為約0.1至約25焦耳/平方公分(J/cm2)，在其他實施例中為約0.25至約20 J/cm2且在其他實施例中為約0.5至約12 J/cm2。在一些實施例中，掃描速度之範圍可為約0.1至約10米/秒(m/s)，且在其他實施例中為約0.25至約9 m/s，且在其他實施例中為約1至約8 m/s。在一些實施例中，脈衝頻率可為約5千赫(kHz)至約1000 kHz，在其他實施例中為約10 kHz至約800 kHz，且在額外實施例中為約25 kHz至約750 kHz。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他脈衝功率、脈衝頻率及掃描速度範圍且其屬於本揭示內容。一般而言，選擇雷射脈衝條件以使得對摻雜矽的損害程度合意的低，該摻雜矽可吸收透射穿過鈍化層之光。
此外，可驅動集電器材料穿過鈍化層以穿過鈍化層形成良好電連接。可利用綠色至紅外雷射光達成金屬穿過鈍化層之雷射驅入。可使用相對較高脈衝功率，其被金屬吸收且驅動熔融金屬穿過鈍化層以使得與在鈍化層之下之摻雜觸點電接觸。此外，就性能而言，觀察到對矽材料之損害並不明顯。一般而言，此步驟之適當脈衝能量密度可為約0.5至約50焦耳/平方公分(J/cm2)，在其他實施例中為約1.0至約40 J/cm2且在其他實施例中為約2.0至約25 J/cm2。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於該等明確範圍內之其他範圍且其屬於本揭示內容。一般而言，期望能量密度值端視層之厚度以及特定組合物而定。一般雷射-接觸方法闡述於頒予Preu等人標題為「Method of Producing a Semiconductor-Metal Contact Through a Dielectric Layer」的美國專利第6,982,218號中，該案件以引用方式併入本文中。
在一些實施例中，為使對矽層之任何損害保持於可管控值下，可期望將金屬之雷射驅入點間隔開。此與在小於摻雜觸點之面積的區域上形成穿過鈍化層之窗的目標一致。與軟燒蝕方法一樣，可使束直徑相對於形成摻雜域所用之束更窄以使不與矽之未摻雜或輕微摻雜部分電接觸。在所得雷射連接中，集電器之金屬穿過鈍化層至鈍化層下方之摻雜觸點，且可將穿過鈍化層之所得穿孔視為窗，儘管其並非在無金屬透過之情況下形成。在該等實施例中，可自所得雷射連接之檢查估計窗之面積。
隨後可藉由以脈衝方式輸送雷射來形成雷射接觸，同時使該束掃描橫跨表面，其中選擇脈衝速率以具有適當間隔開之脈衝。在一些實施例中，脈衝頻率可為約1千赫(kHz)至約2000 kHz，在其他實施例中為約2 kHz至約1000 kHz，且在額外實施例中為約5 kHz至約200 kHz。在一些實施例中，掃描速度之範圍可為約0.1至約15米/秒(m/s)，且在其他實施例中為約0.25至約10 m/s，且在其他實施例中為約1至約10 m/s。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他脈衝頻率及掃描速度範圍且其屬於本揭示內容。
為形成雷射連接，吾人再次將光斑點定義為沿表面之圓，其中95%的光功率包括於圓周內。光脈衝速率及掃描速度可經選擇以使毗鄰光脈衝之圖像的中心彼此位移光圖像直徑之1.4至約20.0倍範圍內，在其他實施例中位移光圖像直徑之約1.5至約18.0倍且在額外實施例位移光圖像直徑之約1.7至約16.0倍。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他範圍且其屬於本揭示內容。可選擇用於雷射連接形成之處理參數以提供良好裝置性能，而不會不合意的增大串聯電阻之功率損失。令人驚訝的是，利用此直接連接方法，對結構之損害充分降低而可達成極好性能。
一般而言，可藉由任一合意的方法形成集電器。然而，本文闡述兩種用於圖案化集電器的合意方法。在第一方法中，用於圖案化集電器之經改良方法包含沿表面在所選位置處形成多層金屬結構及形成合金。一旦頂部表面經圖案化而形成具有初始頂部金屬或具有初始頂部金屬與下部金屬之合金的位置，實施選擇性蝕刻以沿所選圖案移除金屬。初始頂部金屬層抗蝕刻或者該兩層所形成之合金組合金屬抗蝕刻。隨後該(等)蝕刻步驟沿圖案向下至鈍化層移除金屬。因而，蝕刻製程在金屬結構中形成溝槽以電隔離溝槽相對側上之金屬。
一般而言，對於期望處理方法而言，形成複數個金屬層，其中選擇頂部層以與頂部層下方之金屬層形成合金。在一些實施例中，合金可為低熔點共熔合金。頂部金屬層可具有比下部層小之厚度以使需要較少量的能量來形成合金，只要頂部層足夠厚以具有適當結構完整性即可。在一些實施例中，頂部層之厚度可為下部金屬層厚度的約0.01至約0.50倍，在其他實施例中為約0.02至約0.40倍且在額外實施例中為約0.05至約0.35倍。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他厚度比率範圍且其屬於本揭示內容。適宜金屬組合包括(例如)鎳或鎳合金頂部層及鋁或鋁合金底部層。與少量釩呈合金形式的鎳係濺鍍良好之適宜材料。一般而言，可使用(例如)濺鍍、蒸發或其他物理蒸氣沈積方法或其他適宜技術沈積元素金屬之層。
一般而言，可使用任一適當能量束加熱金屬以沿表面在所選位置處形成合金。具體而言，紅外雷射光束由於方便金屬之相對較好吸收以及有價格合理之適宜市售紅外雷射而為方便的。集電器之圖案化通常形成為電池之兩個極提供電連接性的相鄰結構，且類似地，電隔離電池之異性極的槽需要沿毗鄰邊緣完全延伸以適當地隔離單獨集電器。
為將來自合金形成之任一損害保持於適宜程度下同時形成充分界定之溝槽，已發現使用較低功率能量束以及在圖案上方多次通過可提供優良結果。一般而言，可使脈衝能量密度與金屬之性質粗略地匹配，該等性質包括(例如)頂部金屬層之厚度及金屬與所得合金之熔點。一般而言，適當脈衝能量密度可為約0.25至約25焦耳/平方公分(J/cm2)，在其他實施例中為約0.5至約20 J/cm2且在其他實施例中為約1.0至約12 J/cm2。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他脈衝能量密度範圍且其屬於本揭示內容。在一些實施例中，可期望光束在表面之相同圖案上方2次通過、3次通過、4次通過、5次通過或5次以上通過以獲得更合意的結果。
一般而言，可使用光學器件調節線寬以選擇至少在適當值範圍內之相對應光斑點尺寸。合金之線寬相對應於斑點尺寸。在一些實施例中，脈衝頻率可為約5千赫(kHz)至約5000 kHz，在其他實施例中為約10 kHz至約2000 kHz，且在額外實施例中為約25 kHz至約1000 kHz。在一些實施例中，掃描速度之範圍可為約0.1至約15米/秒(m/s)，且在其他實施例中為約0.25至約10 m/s，且在其他實施例中為約1至約10 m/s。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他脈衝頻率及掃描速度範圍且其屬於本揭示內容。
根據特定斑點尺寸，可使光束橫跨基板之掃描速度與脈衝頻率相關，以使毗鄰脈衝可重疊至所選程度以提供合金形成之相鄰處理結構。由於光束與基板之交叉點通常大略圓形，故可能期望一些重疊以得到合金結構之粗糙邊緣，但在相同區域上多次通過可使毗鄰脈衝之空隙平滑。為方便起見，吾人將光斑點定義為沿表面之圓，其中95%的光功率包括於圓周內。光脈衝速率及掃描速度可經選擇以使毗鄰光脈衝之圖像的中心彼此位移光圖像直徑之0.1至約1.5倍範圍內，在其他實施例中位移光圖像直徑之約0.2至約1.25倍且在額外實施例位移光圖像直徑之約0.25至約1.1倍。熟習此項技術者應認識到，本發明亦涵蓋屬於上述明確範圍內之其他範圍且其屬於本揭示內容。
一般而言，用於選擇性蝕刻材料之濕式蝕刻及乾式蝕刻方法已為人所知。濕式蝕刻方法通常涉及液體。液體及/或溶解的反應性組合物經由與金屬反應實施濕式蝕刻。一般而言，乾式蝕刻使用能量束(例如電漿或諸如此類)來蝕刻材料。舉例而言，可使用鹵素離子(例如氯)蝕刻金屬，且可使用惰性離子(例如氬離子)濺鍍蝕刻金屬。用於選擇性蝕刻過渡金屬之方法闡述於頒予Ashby等人標題為「Method for Dry Etching of Transition Metals」的美國專利第5,814,238號中，該案件以引用方式併入本文中。
同時，濕式蝕刻方法通常可為一些適當金屬層提供期望量之蝕刻差別，此在一些實施例中可為方便的。可獲得關於金屬之濕蝕刻劑的大量公開資訊。一般而言，濕蝕刻劑可包含酸、鹼及/或其他反應性組合物。可由經驗評價補充此資訊。
如上文所述，選擇頂部金屬層以提供抗蝕刻層。對於鋁基底層而言，適宜頂部金屬層包括(例如)鎳、鈦、鉬及其合金。可利用鹼(例如KOH及NaOH)蝕刻鋁層及鋁合金。鎳及鉬緩慢地被氫氧化物鹼蝕刻劑蝕刻或根本不被蝕刻，且該等金屬在遠IR中吸收。更具體而言，可於80℃下利用29%KOH實施蝕刻。藉由KOH緩慢蝕刻鈦。此外，可於50℃下利用重量比為16:1:1:2之H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O溶液蝕刻鋁，且在該等條件下鈦之蝕刻可忽略。因此，覆蓋有鎳、鈦、鉬或其合金之鋁或鋁合金底部層形成用於本文所述基於合金之圖案化方法的適宜金屬層。
基於合金形成及選擇性蝕刻之集電器形成進一步闡述於與本申請案同一天提出申請之頒予Srinivasan等人標題為「Metal Patterning for Electrically Conductive Structures Based on Alloy Formation」的共同待決之美國專利申請案第12/469,101中，該案件以引用方式併入本文中。
在替代方法中，亦可使用軟燒蝕製程來圖案化金屬集電器。如上文關於穿過介電層形成窗的類似闡述，將聚合物抗蝕劑沈積於金屬層上，且可如上文針對圖案化介電層所述使用類似聚合物抗蝕劑材料。金屬層可包含單一金屬層或複數個金屬層。使雷射掃描橫跨表面以燒蝕聚合物抗蝕劑。可類似於在基於合金之方法中掃描以形成金屬合金來實施脈衝雷射之掃描。具體而言，雷射掃描之尺寸及其他參數可類似，只是可選擇較低值之雷射功率及/或可選擇不同雷射頻率(例如綠色、藍色或紫外光)以燒蝕聚合物。在所選位置處燒蝕聚合物抗蝕劑之後，可蝕刻金屬。可如上文所述實施金屬蝕刻以形成電隔離相反極性之集電器的溝槽。在蝕刻金屬後，端視完成電池之其他處理可移除或可不移除剩餘聚合物抗蝕劑，且若需要，可僅移除部分抗蝕劑以為集電器提供外部電連接。
關於改良集電器與半導體之摻雜區域之間的觸點性質，可實施雷射退火步驟。具體而言，可在沈積金屬之前經由穿過鈍化層製得之窗沈積集電器之金屬。隨後，可使接觸點經受雷射退火以改良金屬與摻雜觸點之間之接觸。對於利用聚合物抗蝕劑圖案化集電器之實施例而言，可在沈積聚合物抗蝕劑之前或在移除剩餘聚合物抗蝕劑之後實施雷射退火步驟，此乃因退火區段與金屬蝕刻之區域明顯不同。可使脈衝雷射光束以所選參數掃描橫跨表面，以使雷射光束衝擊金屬經由窗接觸半導體之位置。材料可在介面處形成合金。此方法可使用較低雷射功率達成雷射燒結觸點之期望性能，此乃因在製程步驟期間不需刺穿介電質。因而，結構可經受較小損害且可在整體上改良性能。
一般而言，對於模組內之電池陣列，可同時實施本文所述處理步驟。在完成光伏打模組之最終處理步驟期間，可串聯連接太陽能電池之電極，且可視需要形成其他電連接。同時，將串聯末端處之電池的適當電極連接至模組端子。具體而言，一旦完成電池之間之電連接，可形成外部模組連接，且可密封模組之後平面。可施加背襯層以密封電池之後部。由於後部密封材料不必透明，故可使用大量材料及製程，如上文所論述。若使用加熱密封膜，則將膜安放在適當位置，且將模組加熱至適度溫度以形成密封而不會影響其他組件。隨後，可視需要將模組安裝於框架中。
其他本發明之概念
除下文申請專利範圍內之本發明概念外，本申請案亦係關於以下本發明概念。
本發明提供一種穿過無機層選擇性蝕刻開口之方法，該方法包含：藉由使用能量束在複數個所選位置處燒蝕聚合物以移除所選位置處之抗蝕劑來圖案化聚合物抗蝕劑之層；及實施蝕刻以穿過無機層形成窗。
在用於選擇性蝕刻開口之方法的該等實施例中，能量束可包含紅外雷射光束。同時，無機層可包含半導體表面上之介電層。無機層可包含金屬層。在一些實施例中，該方法可另外包含移除剩餘聚合物抗蝕劑。另外，該方法可另外包含在剩餘聚合物抗蝕劑上沈積金屬集電器以使得穿過窗與窗下方之結構電連接，其中聚合物提供電絕緣。
本發明提供一種形成基於半導體之裝置的方法，該方法包含：在平均厚度為約5微米至約100微米之Si半導體箔的第一表面上形成摻雜域，其中半導體箔具有第一表面及與第一表面相對之第二表面，且其中半導體箔之第二表面利用聚合物黏附至玻璃結構；將介電層沈積於第一表面上以覆蓋摻雜域；及圖案化介電層上之金屬集電器，其中金屬集電器之多個部分經由介電層與摻雜域接觸，其中處理步驟並不將聚合物加熱至大於約200℃之溫度。
本發明提供一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面的n摻雜域及p摻雜域，其中摻雜域各自沿表面具有平面範圍，其包含具有平均長度比平均寬度大至少約10倍之比率的條帶，其中條帶之一或多個增強摻雜劑區段之平均表面摻雜劑濃度為n摻雜域之其他位置處之平均摻雜劑濃度的至少約5倍。在光伏打電池之該等實施例中，條帶之增強摻雜劑區段可覆蓋不超過約50%的條帶面積。同時，增強摻雜劑區段可包含條帶之中心。
本發明提供一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面的複數個n摻雜域及複數個p摻雜域，其中摻雜域具有約250 nm至約2.5微米之平均深度，且其中頂部10%厚度之觸點的平均摻雜劑濃度比自觸點頂部在20-30%摻雜觸點深度之位準處觸點的平均摻雜劑濃度大至少5倍。
本發明提供一種光伏打電池，其包含半導體層、沿半導體層之表面的複數個n摻雜域、沿半導體層之表面的複數個p摻雜域、介電層、與n摻雜域電連接之第一集電器及與p摻雜域電接觸之第二集電器，其中介電層包含沿半導體層之表面的無機層及無機層上之聚合物層，其中集電器覆蓋一部分聚合物層，且其中相應集電器經由穿過介電層之窗接觸相對應摻雜域。
本發明提供一種用於摻雜半導體層之方法，該方法包含：沿包含矽/鍺之裸露的半導體層圖案化複數個摻雜劑源以形成圖案化半導體層；及使光束掃描橫跨圖案化半導體層以將摻雜劑自摻雜劑源驅入半導體層中以形成複數個n摻雜域及複數個p摻雜域。
本發明提供一種在太陽能電池內形成電連接之方法，該方法包含：使金屬集電器之位置雷射退火，其中半導體位於其中金屬經由穿過介電層之窗接觸半導體的位置處。
實例 實例1：藉由雷射退火產生N型及P型矽
此實例闡述藉由雷射退火在矽晶圓中產生n型及p型區域的方法。
初始利用HF清潔/蝕刻商業上獲得之單晶CZ矽晶圓以沿表面移除氧化矽。晶圓係4英吋直徑之n摻雜CZ晶圓，其電阻率為5至10歐姆-cm。藉由旋塗將經摻雜旋塗玻璃之塗層施加至潔淨之晶圓表面上。適宜旋塗玻璃材料可自Filmtronics及Honeywell購得。隨後於150℃下將經塗佈晶圓加熱15分鐘以乾燥材料。
發現可藉由增大旋轉速度減小旋塗玻璃之厚度。可經由選擇旋塗玻璃材料及旋轉速度獲得介於50 nm與2微米之間的厚度。使用輪廓測定儀量測厚度。厚度量測係匯總於表1中。
隨後藉由雷射摻雜在晶圓中產生摻雜區域。藉由使脈衝紅外雷射光束掃描橫跨晶圓表面及在雷射光束接觸表面之位置處使矽退火來實施退火製程。掃描系統使用ScanLabs GalvoTM掃描儀將光束引導至表面。使用中心波長為1064 nm之20瓦二極體抽運之光纖雷射(SPI Lasers,UK)產生雷射光束。在雷射接觸表面之位置處，矽熔融，且將摻雜劑驅入晶圓中。利用不同雷射脈衝速率及不同雷射波形實施摻雜劑驅入。不同波形之雷射反應示於圖5中。在實施雷射摻雜劑驅入之後，使用甲醇去除旋塗摻雜劑材料，且利用硫酸與過氧化氫之混合物清潔表面。
借助濺鍍實施二次離子質譜術(SIMS)量測以量測使用雷射驅入所形成之摻雜觸點內的摻雜劑之深度及輪廓。晶圓上具有輕微n摻雜之p摻雜觸點的SIMS量測示於圖6中，且晶圓上具有輕微p摻雜之n摻雜觸點的SIMS量測示於圖7中，二者均係利用2.31 J/cm2之雷射脈衝能量、0.5米/秒(m/s)之雷射掃描速度及500 kHz之雷射脈衝頻率形成。如圖6中所示，來自初始晶圓之磷摻雜劑在晶圓表面大約1微米處具有適度濃度增強。所添加硼摻雜劑在進入晶圓中大約600-700 nm具有相對較高濃度，隨後以約1微米逐漸降低至背景位準。碳及氧污染物在晶圓表面附近略有升高。參見圖7，晶圓材料中之硼摻雜劑顯示在晶圓之頂部數微米中自背景濃度之類似適度增強。所添加磷摻雜劑在進入晶圓約600 nm處具有相對平坦的值，之後至進入晶圓約2微米濃度逐漸降低。
亦利用P摻雜觸點之散佈電阻輪廓(SRP)量測摻雜劑深度。藉由Solecon Laboratories,Nevada,U.S.在斜切試樣上實施四探針電阻率量測。該等量測之結果示於圖8中。圖8中之結果類似於圖7中之結果，只是相對於SIMS量測在SRP量測中之值稍微較低且SIMS量測中於直接表面處無尖峰。
另外，在雷射摻雜之後量測P摻雜區域之片電阻。以一角度斜切試樣，且量測四探針片電阻。在一系列雷射通量中，三種不同雷射脈衝頻率之片電阻結果(以歐姆/平方表示)係示於圖9中。在較高雷射通量及較高雷射頻率之情況下，片電阻通常較低。亦量測在不同雷射脈衝頻率及不同雷射通量之情況下摻雜觸點的表面粗糙度(以埃表示)。使用Tencor針式輪廓測定儀(KLA Tencor Instruments)量測表面粗糙度。結果繪示於圖10中。較低雷射通量產生較平滑表面並對雷射頻率具有顯著依賴性。
在雷射通量為6.11 J/cm2且雷射脈衝頻率為125 kHz之情況下，5種掃描速度之雷射摻雜劑驅入後的基板表面照片係示於圖11中，且在雷射通量為3.06 J/cm2且雷射脈衝頻率為250 kHz之情況下係示於圖12中。在該等圖之每一者中，自左至右之掃描速度為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s及5 m/s。
根據實驗，發現增大之雷射功率位準可產生增大之摻雜劑深度及相對應較深之熔融區域，從而產生更好摻雜劑均勻性。增大雷射掃描速度會減少雷射斑點重疊，而增大雷射脈衝頻率會導致更大斑點重疊，由於較低峰雷射功率導致之較低摻雜劑深度及可能摻雜劑不均勻性。
實例2：使用聚合物燒蝕窗圖案化介電層
此實例闡述使用聚合物抗蝕劑之雷射燒蝕圖案化無機介電層。
藉由將矽氮化物或矽氧化物塗層沈積於矽晶圓上製備基板，該矽晶圓含有如藉由實例1中所述方法製備之n型及p型區域二者。使用PECVD將矽氮化物或矽氧化物塗層沈積於晶圓具有圖案化摻雜域之側上。為沈積矽氧化物，將一氧化二氮及矽烷氣體分別以1400 sccm及400 sccm泵入650毫托之反應室中。在反應室中利用40 W之射頻激發產生電漿。使用沈積條件評價厚度且使用掃描電子顯微鏡檢驗厚度。使用PECVD用NH3替代N2O反應物來沈積矽氮化物層。矽氮化物塗層具有約65 nm之平均厚度且矽氧化物塗層具有約500 nm之平均厚度。
使用旋塗沈積溶解之聚合物抗蝕劑(Fujifilm OIR 900系列光阻劑)層。藉由乾燥移除溶劑，且所得聚合物塗層具有約1微米之厚度。如實例1中所述使脈衝雷射掃描橫跨表面以沿表面燒蝕所選斑點處之聚合物。使雷射以1 m/s之速率、6.11 J/cm2之通量及65 kHz之脈衝頻率掃描。在燒蝕掉聚合物抗蝕劑之後，蝕刻表面以移除無機介電質而曝露出蝕刻位置處之矽。於室溫下使用緩衝HF蝕刻矽氧化物，該緩衝HF係存於水中之40% NH4F與存於水中之49% HF以6:1體積比所形成。同樣使用HF蝕刻矽氮化物。隨後使用有機溶劑移除聚合物。
在利用聚合物抗蝕劑蝕刻圖案化之後，蝕穿矽氧化物層之線的照片係示於圖13中。利用矽氧化物或矽氮化物介電層係獲得類似結果。
實例3：用於窗圖案化之介電層的燒蝕
此實例證實使用雷射燒蝕圖案化介電層，其中選擇雷射參數以穿過介電層形成窗，而不會對下伏矽層造成顯著損害。
如實例2中所述藉由將矽氮化物沈積於圖案化摻雜矽晶圓上製備基板。如實例1中所述使脈衝雷射掃描橫跨表面以沿表面在所選斑點處燒蝕矽氮化物。在穿過氮化矽層燒蝕洞之後晶圓表面的照片示於圖14A中。近視圖展示於圖14 B中，其中可看見在矽氮化物介電層下方的曝露的矽。晶圓之檢驗證實，並未明顯損害窗位置處之矽。
實例4：基於聚合物抗蝕劑之燒蝕的金屬圖案化
此實例證實亦可使用聚合物抗蝕劑之雷射燒蝕來圖案化鋁用於形成集電器。
如實例2中所述利用矽氧化物塗層製備晶圓。將具有約1微米之平均厚度的鋁層濺鍍於矽氧化物塗層上。使用Perkin Elmer 4450濺鍍系統(Perkin Elmer,Waltham,MA)實施濺鍍製程，其中將惰性載氣離子化並藉由電場使其加速到達金屬靶，該靶係鋁金屬靶或鎳合金靶。濺鍍可使金屬相對均勻地沈積於晶圓表面上之矽氧化物層上。利用鋁靶實施濺鍍製程。
如實例2中所述施加聚合物抗蝕劑。如實例1中所述使脈衝紅外雷射掃描橫跨表面以沿表面在所選斑點處燒蝕聚合物。使雷射以1 m/s之速率、以6.11 J/cm2之通量及65 kHz之脈衝頻率掃描。在雷射掃描之所選位置處燒蝕聚合物抗蝕劑之後，蝕刻表面以移除已移除聚合物之位置處的鋁。利用磷酸、硝酸及乙酸之混合物蝕刻鋁。在蝕刻鋁之後利用有機溶劑移除聚合物。蝕刻穿過鋁之線的照片示於圖15中，其中透過鋁可看見介電質。因而，聚合物抗蝕劑之雷射燒蝕成功地用於圖案化金屬集電器。
實例5：基於合金形成之金屬圖案化
此實例闡述在覆蓋有介電層之矽基板上在金屬分層結構中圖案化形狀之非光微影蝕刻製程。
如實例2中所述使用PECVD藉由最初將矽氮化物塗層沈積於市售單晶矽晶圓上來製備基板。所得矽氮化物層為65 nm厚。使用沈積條件評價厚度且使用掃描電子顯微鏡檢驗厚度。
隨後使用濺鍍將鋁及鎳合金層沈積於晶圓經介電質塗佈表面上。使用Perkin Elmer 4450濺鍍系統(Perkin Elmer,Waltham,MA)實施濺鍍製程，其中將惰性載氣離子化並藉由電場使其加速到達鋁金屬靶。濺鍍可使鋁金屬相對均勻地沈積於矽氮化物表面上。隨後使用包含具有7%釩之鎳合金的金屬靶重複濺鍍製程，再次產生相對均勻沈積。所得鋁層係1 μm厚，且所得鎳層係150 nm厚。
藉由使雷射光束掃描橫跨表面圖案化具有兩個金屬層之基板以在雷射光束接觸表面之位置處產生鋁-鎳合金。掃描系統使用中心波長為1064 nm之20瓦二極體抽運之光纖雷射(SPI Lasers,UK)來產生雷射光束。使用來自雷射光束之紅外光加熱基板表面並形成合金。已發現使用較低雷射功率並使掃描雷射在相同圖案上多次通過可改良合金沿具有線及曲線之圖案的形成，同時使得對金屬下方之結構的損害較小。同時，已發現，利用市售掃描儀，由多個線性段結合適當角度改變形成的轉角相對於沿曲線掃描會產生改良之結構。藉由使雷射在60%功率下以250 KHz重複率運行來降低脈衝之峰值功率。峰值功率及通量值分別為1.92 KW及2.44 J/cm2。利用ScanLab Galvo掃描儀(ScanLab America公司，Naperville,I1.)以3 m/s使雷射光柵掃描橫跨基板表面。在蝕刻之前，用雷射光柵在相同圖案上掃描3次來圖案化基板。代表性圖案示於圖16中，該圖案具有大約1平方公分之面積。
隨後利用KOH蝕刻鋁-鎳合金及合金下之鋁，僅留下非合金鎳覆蓋之鋁。藉由將基板放置於25% KOH之浴液中達約3分鐘來實施蝕刻製程。將浴液維持於40℃下且藉由攪拌或氣體鼓泡降低溶液之濃度梯度。圖17展示直段、u-形轉角段及交叉點之清潔蝕刻。電隔離鎳覆蓋之鋁區段，且無分流路徑或對下伏矽氮化物層無損害。
實例6：具有藉由裸矽雷射驅入沿條帶形成之深摻雜域的太陽能電池裝置性能
此實例闡述整體太陽能電池結構及所得性能之具體實施例，其中利用沿條帶掃描之紅外雷射藉由將摻雜劑驅入矽材料來形成深摻雜域。
在第一形式中，將單晶晶圓切至200微米之厚度。如實例1中所述使用紅外雷射驅入沿晶圓之表面來圖案化發射器(n摻雜域)及收集器(p摻雜域)。在每一摻雜劑驅入步驟之後，依序對不同摻雜劑施加表面之清潔。使用PECVD將70 nm SiNx(富含矽之矽氮化物)塗層施加於晶圓之太陽側(未摻雜側)上及將65 nm SiNx塗層施加於晶圓之摻雜側(裝置側)上。利用15微米寬條帶使用光微影蝕刻術圖案化晶圓之裝置側上的氮化矽。如上文實例3中所述將2微米厚之鋁金屬層濺鍍塗佈於圖案化矽氮化物介電層上。使用光微影蝕刻術利用交叉條帶將金屬圖案化成兩個集電器，其中一個集電器接合n摻雜域且第二集電器接合p摻雜域。
在一個太陽條件下使用Newport太陽模擬器(Sun Simulator)(Newport公司，CA,USA)測試所得太陽能電池。在無光照時二極體性能繪示於圖18中。在1個太陽條件下之性能繪示於圖19中。電池之開路電壓為0.560伏特且效率為10.9%。電池亦由Isc、短路電流及FF(即填充因數)表徵。
利用黏著劑將50微米厚之單晶矽層壓於玻璃上來製備另一試樣。使用研磨及化學機械拋光製備矽。在150微米寬之條帶中形成n摻雜基極，且在50微米寬之條帶中形成p摻雜發射器。基極及發射器之條帶間隔150微米。在將矽層壓至玻璃之前，利用PECVD將65 nm SiNx介電層施加至晶圓之太陽側。在將晶圓層壓至玻璃之後，使用PECVD在低於300℃之溫度下將65 nm SiNx介電層施加至晶元之裝置側。隨後，在矽氮化物層上濺鍍200 nm矽氧化物層。使用光微影蝕刻術圖案化介電層以穿過矽氧化物及矽氮化物層至摻雜觸點之曝露部分而形成呈15微米寬條帶形式之窗。在圖案化介電質上沈積2微米厚之鋁層，且使用光微影蝕刻術將鋁圖案化成兩個集電器。一個集電器連接n摻雜域且另一集電器連接p摻雜域，其中集電器之間有150微米間距。
裝置具有6.25 cm2之面積。在一個太陽條件下測試裝置。電池之性能示於圖20中。電池之效率為6.7%且開路電壓為0.507伏特。
上述實施例意欲進行闡釋而非限制。其他實施例亦在申請專利範圍內。另外，儘管本文已參照特定實施例對本發明予以闡述，但彼等熟習此項技術者將認識到，可在形式及細節上作出改動，此並不背離本發明之精神及範疇。提及上述文獻之任何納入皆受限以便並不納入與本文之明確揭示內容相反的標的物。
100‧‧‧太陽能電池
102‧‧‧前透明層
104‧‧‧聚合物/黏著層
106‧‧‧前鈍化層
108‧‧‧半導體層
110‧‧‧p摻雜域
112‧‧‧n摻雜域
114‧‧‧背鈍化層
116‧‧‧集電器
118‧‧‧集電器
120‧‧‧外部電路連接
122‧‧‧外部電路連接
130‧‧‧洞或窗
150‧‧‧光伏打模組
152‧‧‧透明前片
154‧‧‧保護背襯層
156‧‧‧保護密封
158‧‧‧光伏打電池
160‧‧‧端子
162‧‧‧端子
170‧‧‧集電器
圖1係太陽能電池之示意性透視圖；圖2係圖1之太陽能電池的剖面側視圖；圖3係光伏打模組的示意性局部透視圖，其中一部分背襯材料已移除以曝露安裝於模組中之一些太陽能電池的後部；圖4係圖3之光伏打模組的剖面圖；圖5係6種不同雷射脈衝波形隨時間變化之曲線圖；圖6係在矽晶圓中利用紅外雷射摻雜形成之硼摻雜觸點之摻雜劑輪廓之SIMS量測的曲線圖；圖7係在矽晶圓中利用紅外雷射摻雜形成之磷摻雜觸點之摻雜劑輪廓之SIMS量測的曲線圖；圖8係在矽晶圓中利用紅外雷射摻雜形成之磷摻雜觸點之摻雜劑輪廓之散佈電阻輪廓(SRP)量測的曲線圖；圖9係藉由紅外雷射摻雜形成之摻雜觸點的片電阻之曲線圖，其中針對三個不同雷射脈衝頻率繪示電阻隨紅外雷射通量的變化；圖10係藉由紅外雷射摻雜形成之摻雜觸點的表面粗糙度的曲線圖，其中針對三個不同雷射脈衝頻率繪示電阻隨紅外雷射通量的變化；圖11係在雷射摻雜步驟之後之晶元表面的5張照片的集合，其中個別照片係在特定雷射脈衝頻率下針對5個不同雷射掃描速率獲得；圖12係在雷射摻雜步驟之後之晶元表面的5張照片的集合，其中個別照片係在特定雷射脈衝頻率下針對5個不同雷射掃描速率獲得且其中圖12中之處理所用的雷射脈衝頻率不同於獲得圖11中之照片所用的雷射脈衝頻率；圖13係展示具有切割穿過矽氧化物介電層之溝槽的晶圓之頂部表面的照片，其中在聚合物抗蝕劑之雷射燒蝕之後實施蝕刻；圖14A係具有利用雷射燒蝕穿過氮化矽介電層之窗的晶圓之頂部表面的照片；圖14B係圖14A之兩個窗的放大照片，其中可看見在矽氮化物介電層下方之曝露的矽；圖15係具有蝕刻穿過鋁層之溝槽的晶圓之頂部表面的照片，其中在聚合物抗蝕劑之雷射燒蝕之後實施蝕刻；圖16係切割穿過金屬層的溝槽圖案之俯視圖的照片，其係基於在兩個金屬層形成合金之後實施之蝕刻；圖17係具有切割穿過金屬塗層之溝槽圖案的放大視圖之照片，其中蝕刻係雷射光束在圖案上三次通過以在兩個金屬層之間形成能夠選擇性蝕刻之合金之後實施；圖18係在無光照之情況下太陽能電池的實施例之二極體性能的曲線圖；圖19係太陽能電池性能的曲線圖，其係基於在一個太陽條件之光照下參照圖18所述太陽能電池之實施例的電流密度及效率；及圖20係太陽能電池性能的曲線圖，其係基於在一個太陽條件之光照下太陽能電池之替代實施例的電流密度及效率。
102‧‧‧前透明層
104‧‧‧聚合物/黏著層
106‧‧‧前鈍化層
108‧‧‧半導體層
110‧‧‧p摻雜域
112‧‧‧n摻雜域
114‧‧‧背鈍化層
116‧‧‧集電器
118‧‧‧集電器
130‧‧‧洞或窗

Claims (11)

  1. 一種光伏打電池，其包含半導體層、沿該半導體層之表面彼此處於相同位準之n摻雜域及p摻雜域，其中該等摻雜域各自具有低於該表面約100nm至約5微米之平均深度，且該n摻雜域與該p摻雜域之間之邊緣至邊緣間隔在一或多個位置處具有約15微米至約500微米之值，其中該等摻雜域在頂部10%厚度具有比自觸點頂部20-30%觸點深度之位置處之平均摻雜劑濃度大至少4倍之平均摻雜劑濃度。
  2. 如請求項1之光伏打電池，其中該半導體層包含元素矽/鍺。
  3. 如請求項2之光伏打電池，其中該元素矽/鍺包含濃度為約1×1014至約1×1016個原子/立方公分之n型摻雜劑或p型摻雜劑。
  4. 如請求項1之光伏打電池，其中該半導體層具有約5微米至約300微米之平均厚度。
  5. 如請求項1之光伏打電池，其中該等摻雜域具有約250nm至約2.5微米之平均深度。
  6. 如請求項1之光伏打電池，其中該n摻雜域與該等毗鄰p摻雜域之間之間隔在一或多個位置處具有約20微米至約200微米之值。
  7. 如請求項1之光伏打電池，其中該等摻雜域具有約1.0×1018至約5×1020個原子/立方公分之平均摻雜劑濃度。
  8. 一種光伏打電池，其包含半導體層、沿該半導體層之表 面彼此處於相同位準之n摻雜域及p摻雜域，其中該等摻雜域各自沿該表面具有一平面範圍，其包含具有平均長度比平均寬度大至少約10倍之比率的條帶，且該n摻雜域與該p摻雜域之間之間隔在一或多個位置處具有約10微米至約500微米之值。
  9. 一種光伏打電池，其包含半導體層、沿該半導體層之表面的n摻雜域及p摻雜域，其中該等摻雜域各自沿該表面具有一平面範圍，其包含具有平均長度比平均寬度大至少約10倍之比率的條帶、該等摻雜域上之介電層及接觸該等摻雜域之複數個圖案化金屬互連件，其中該介電層具有約10nm至800nm之厚度及包含曝露該等摻雜域中之每一者的約5%至約80%的窗且其中該等窗上之該等金屬互連件具有比該等窗之面積大至少約20%之面積。
  10. 如請求項9之光伏打電池，其中該等窗曝露該等摻雜域中之每一者的約10%至約70%。
  11. 如請求項9之光伏打電池，其中該等窗上之該等金屬互連件具有比該等窗之面積大至少約100%之面積。
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