CN102203959A - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种在n掺杂的硅衬底上的太阳能电池，具有：设置在第一主表面中的n⁺基极区域和在第二主表面中设置的p⁺掺杂的发射极区域，施加在第一主表面上的指状的基极接触结构，分别带有能够焊接的接触面的、施加在第二主表面上的发射极接触部和同样施加在那里的基极接触轨；以及将第一主表面的指状的接触结构与第二主表面上的基极接触轨连接的穿通接触部、通孔，由此发射极区域以及基极区域通过第二主表面上的焊接接触面连接，其中第二主表面局部地、至少在基极接触轨的区域中没有p⁺发射极掺杂，并且第一主表面和第二主表面的预先确定的区域至少在通孔周围具有n⁺n结并且由此具有前表面场。

Description

太阳能电池及其制造方法

本发明涉及一种带有尤其是由硅构成的、n掺杂的半导体衬底的太阳能电池，其带有正面的基极区域（Basisbereichen）和施加在正面上的指状的基极接触结构以及在背侧上的基极接触轨和带有将接触轨连接的穿通接触部（通孔）的指状接触结构，以及涉及一种用于制造太阳能电池的方法。

带有在正面上的接触指的太阳能电池长时间以来是已知的，所述正面与在背侧上的具有能够焊接的接触轨（汇流条）通过激光钻孔的、金属填充的孔来连接（日本的专利摘要，公开号58-039071（1983）；日本的专利摘要，公开号04223378（1992））。它们在名称“金属贯穿卷绕（Metal Wrap Through (MWT)-电池”下在p掺杂的、通常多晶的基极材料上借助通过磷扩散产生的正面发射极来制造（F. Clement等人，23^rd EUPVSEC，Valencia（2008），paper 2DV.1.10）。在此，背面如在标准太阳能电池中那样在背面发射极汇流排和基极接触焊接点之间借助铝膏大面积地被覆盖，以便形成所谓的背面电场（BSF）并且将背面镜面化。

例如，在EP 0985233 B1或者WO/1998/054763中描述了n掺杂以及p掺杂的晶片作为原始材料的MWT电池，其具有在正面上、在穿通接触部中以及在围绕穿通接触部的背面的区域中的均匀的发射极。在此，在其中基极接触部以后要位于背面上的区域在发射极的POCl₃扩散期间通过掩模层覆盖，在施加背面金属化物之前，该掩模层在后边被去除。

同样地，在多年以前除了发射极的钝化还提出了钝化的背面BSF，其带有用于所谓的PERC电池的局部接触部（钝化的发射极和背部（局部）接触部）（A.W. Blakers等人，Appl. Phys. Lett., 55（1989），第1363-1365页；G. Agostinelli等人，20^th European Photovoltaic Solar Energy Conference（2005），Barcelona，第647页，P.Choulat等人，22^nd European Photovoltaic Solar Energy Conference（2007），Milano）。

以下内容证明为已知的MWT电池的缺点：

根据标准的MWT电池具有在正面上的发射极，并且必须为了连接至背面上的发射极汇流排而在大多数激光钻孔的孔中在孔壁上具有封闭的发射极掺杂物，由此不出现至基极材料的分流。由此，孔必须通过由气相的扩散而被完美地加衬，所述气相如POCl₃（在p材料的情况下）或者BBr₃（在n材料的情况下）。

附加地，由此产生的困难是，将发射极掺杂物也在带中在所设置的背面发射极汇流排的区域中相对于相邻的背面掺杂物（BSF）隔离。迄今，如上面提及的那样，背面BSF通过Al丝网印刷和烧结、即通过事先引入两个表面中的磷掺杂物的过补偿来制造。在印刷的情况下，虽然暴露了RS发射极带，然而在p⁺和n⁺区域之间的隔离必须事后例如借助围绕发射极汇流排的激光槽来建立。

本发明的任务是提出一种改进的太阳能电池，其完全从背面来接触，并且能够可靠地并且以高的产出来制造，并且提供了在特定的接触和钝化方面的灵活选择，以及提出一种相应的制造方法。

该任务在其装置方面通过带有权利要求1所述特征的太阳能电池来解决，并且在其方法方面通过具有权利要求10所述特征的方法来解决。发明思想的合乎目的的改进方案是相应从属权利要求的主题。

提出了一种新型的太阳能电池结构以及一种用于制造相应的太阳能电池的（示例性）工艺步骤顺序，该太阳能电池包含在n硅的背面上的整面的铝发射极以及前侧的FSF接触指，它们通过激光钻孔与背面上的焊接接触轨或者焊接接触轨块连接，它们在否则整面的发射极中以及在否则整面的铝金属化物中或者否则整面的介电钝化层中（其带有否则整面的铝金属化物的局部的穿通接触部）的留空中。

所提出的新型MWT电池方案在合乎目的的扩展方案中规定：

a）原始材料是具有任意形状的（优选但不是强制的）单晶n硅晶片；

b）不同于根据现有技术的所有方案，发射极位于n型晶片的背面上，即正面和孔内壁并不具有pn结、而是具有n⁺n结；

c）p⁺发射极掺杂物通过由通过气相淀积或者溅射而制造的薄的源层或者源层序列的Al扩散来实现；

d）在背面上的发射极的基于Al的薄层金属化物可选地直接并且大面积地或者借助钝化与发射极的局部的接触部一同施加（PERC）；

e）可焊接的（Ag）接触面可以施加在（钝化或者未钝化的）发射极的基于Al的薄层金属化物上以及BSF的在发射极中暴露的区域中；

f）在背面发射极和从通孔穿透到背面上的BSF掺杂区域之间的隔离已经在制造工艺期间建立，使得不再必须执行事后的激光槽隔离。

所提出的MWT太阳能电池结构在其优选的实施形式中，所述MWT太阳能电池结构尤其是带有在n掺杂晶片的背面上的铝扩散的p⁺发射极，其中该晶片在正面上在基于磷的、带有氮化硅钝化物或者减反射层（ARC）的n⁺掺杂物上具有根据标准的银指H格栅，该格栅又通过激光钻孔的、银膏填充的孔（通孔）在背面上与汇流排连接，汇流排也可以由多个直线地一个接一个的汇流排斑点（Busbarflecken）构成，该提出的MWT太阳能电池结构具有如下优点：

1）n基极掺杂（n-Basis-dotierte）的晶片具有少数载流子（在此：空穴）的较长寿命，并且由此已经能够在目前常用的180μm+/-20μm的晶片厚度情况下实现带有背面发射极的MWT电池的结构。

2）因为通孔的壁如正面仅仅具有n⁺n高-低结，所以（不同于在p晶片上的、带有正面的n⁺发射极和在通孔中的n⁺发射极掺杂物的、根据标准的MWT电池情况）并不存在通孔中的j₀₂提高和分流的危险；因为当孔金属化物要穿过高掺杂的n⁺层进行接触时，接触部却保留在基极极性区域（n）中。

3）因为背面的基极接触面区域、孔和正面被n⁺掺杂，并且允许银膏无危险地通过ARC并且在背面上甚至没有ARC地穿过n⁺层（参见点2）来接触，所以膏1和2允许是相同的。

4）因为背面钝化层在灼烧正面的银指、背面的基极接触面和孔金属化物之后才被沉积，因此其无须经受T>800℃的高温处理；该层以后还必须经历的最高温度是背面发射极接触面－膏3的低的烧结温度（<560℃）；由此，对于成功的背面钝化而言存在更好的机会。

5）因为铝发射极掺杂物被结构化地实施，使得背面的FSF汇流排区域可以在比事先在发射极中暴露的带或斑点更窄的带或斑点中产生，所以为了结束电池制造工艺不必进行基于激光槽的p⁺和n⁺区的隔离。

本发明的优点和合乎目的性此外从以下借助附图对实施例的描述中得出。图1至22在横截面或者底面视图（第二主表面的俯视图）中示出了根据本发明的太阳能电池或者制造方法的实施形式的示意性截面图。各附图由于其涂层而在很大程度上是自明的，于是以下给出的描述中仅仅应当理解为简略的并且作为对附图的补充。

在此，尤其是省去了在描述中记录现有技术中已知的、用于在正面的银指之下产生选择性掺杂物的措施，而并未排除的是，其可以应用在根据本发明的电池中，以便改进正面的蓝光敏感性。

从粗略清洁的n硅晶片出发，以下的（示例性）工艺步骤导致所描述的电池方案的一个优选实施形式。

1.）将晶片表面锯割损伤刻蚀并且（可选地）RCA清洁（图1）；

2.）将背面用含铝的源层或者源层序列涂层（图2）；

3.）优选通过掩模刻蚀去除围绕以后的基极汇流排区域的源层/源层序列；在此，被刻蚀暴露的区域（图3，宽度d1）宽于以后的基极汇流排，该基极汇流排通过金属化的通孔与正面金属指连接；

4.）将介电的、相对于KOH耐刻蚀的覆盖层序列沉积在背面的含铝的源层/源层序列上（图4）；

5.）优选通过掩模刻蚀或者通过刻蚀膏印刷在以后的基极汇流排的区域中打开介电的隔离层，其中宽度d2<d1的开口限定了以后的n⁺掺杂物的结构以及要印刷到其上的基极接触面的结构（图5）；

6.）通过激光轰击在所暴露的、宽度d2的区域中央制造通孔（图6）；

7.）通过碱性刻蚀溶液将正面、孔内壁和通过步骤5暴露的背面的基极汇流排区域纹理刻蚀，并且将覆盖层序列的最上面的、耐KOH的层刻蚀掉（图7）；

8.）优选在T>1000℃的情况下在惰性气体气氛中，在介电覆盖层之下的Al发射极的高温扩散（图8）；

9.）在T<1000℃的情况下的磷扩散，用于制造正面、孔内壁、和背面的通过步骤5暴露的基极汇流排区域的n⁺掺杂（图9）；

10.）在合适的湿化学浴或者合适的等离子体中，将含磷硅酸盐玻璃层（PSG）、背面的覆盖层和源层残留物或者源层序列残留物反向刻蚀，用于暴露背面发射极和正面的以及局部背面的FSF（图10）；由于在发射极中被刻蚀掉的区域宽于FSF区域，所以在发射极掺杂区域和FSF掺杂区域之间得到横向距离（图10中的n⁺ - p⁺间隙），该距离使得激光隔离变得多余；

11.）优选通过氮化硅的PECVD将正面的钝化层/减反射层或者直接沉积在半导体表面上或者沉积在薄的氧化物上，该氧化物事先通过氧化或者涂层来沉积；而同样也可能的是任意其他的、由合适的钝化层例如无定形硅（a-Si:H）或者碳化硅（SiCx）、以及合适的减反射层构成的双层（图11）；

12.）借助合适的含银的第一膏印刷背面的基极接触面，随后将膏吸入到激光钻孔的孔（通孔）中并且将膏干燥（图12）；

13.）借助含银的第二膏印刷和干燥正面的指结构，其在通孔的区域中接触孔中的含银的第一膏；借助穿过正面的减反射钝化层（序列）的烧透将两种膏共同烧结（图13）；

14.）可选的：整面地沉积背面的钝化层例如无定形硅（a-Si:H）或者氧化铝或者氟化铝，其钝化作用特别是针对p⁺发射极来协调（图14）；

15.）可选的：通过掩模的刻蚀或者通过刻蚀膏印刷将可选的背面钝化层结构化；在此，制造局部的开口用于在发射极上形成接触部，并且暴露通孔周围的基极接触面，该基极接触面已经在步骤12中借助含银的第一膏被印上（图15）；

16.）优选通过气相淀积或者溅射含铝的材料来整面地将直接在半导体上或者在可选的发射极钝化物上以及在其中在步骤15中打开的窗口中的背面金属化（图16）；

17.）通过在含氯的等离子体中的掩模刻蚀或者通过刻蚀膏印刷来将背面的金属化物结构化；在此，尤其是暴露基极接触部（图17）；

18.）可选的：借助介电的保护层覆盖结构化的背面的金属化物（图18）；

19.）可选的：局部地打开步骤18中的可选的背面的覆盖层，即尤其是在基极汇流排接触面的区域中（图19a）以及侧面地在以后的发射极焊接接触部的区域中（图19b）；

20.）在此，在步骤18中的背面的金属化物中的开口和步骤19中的可选的保护层中的开口的横向形状可以看来彼此不同：或是

（a）彼此分离的带块，其将两个或者更多个通孔彼此连接（图20a中的俯视图），其中在这些带块之间还存在带有局部接触部的发射极区域，或是

（b）连续的带，其将汇流排中的所有通孔彼此连接（图20b中的俯视图）；

21.）印刷、干燥在步骤19中的打开的区域中的发射极接触面的区域中的含银的第三（低温）膏。在此，长度为L的相邻发射极接触部焊接斑点的距离可以任意选择，即也可以等于零。

本发明的实施并不局限于这些例子，而是同样可能具有多种变形方案，它们处于专业处理的范围中。

Claims (17)

1.一种太阳能电池，具有：

尤其是由硅构成的n掺杂的半导体衬底，其具有在使用状态中用作光入射侧的第一主表面和用作背面的第二主表面，

设置在第一主表面中的大面积的n⁺掺杂的基极区域（前表面场）和设置在第二主表面中的大面积的p⁺掺杂的发射极区域，

施加在第一主表面上的指状的基极接触结构，

分别带有能够焊接的接触面的、施加在第二主表面上的发射极接触结构和同样施加在那里的基极接触轨；以及

将第一主表面的指状的接触结构与第二主表面上的接触轨连接的多个穿通接触部、通孔，由此除了发射极区域也能够通过第二主表面上的焊接接触面接触基极区域，

其中第二主表面局部地、至少在基极接触轨的区域中没有p⁺发射极掺杂，并且第一主表面和第二主表面的预先确定的区域至少在通孔周围具有n⁺n结并且由此具有前表面场。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中在第二主表面上在n⁺掺杂的基极区域和包围其的p⁺掺杂的发射极区域之间的窄区域是掺杂间隙，即仅仅具有原始材料的基极掺杂，使得无须事后的、用于将高掺杂的区域分离的隔离措施。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其中第一主表面的n⁺掺杂借助磷来形成，并且第二主表面的p⁺掺杂借助铝来形成。

4.根据上述权利要求之一所述的太阳能电池，其中在指状的接触结构的指之下的第一主表面中的n⁺掺杂高于在指之间。

5.根据上述权利要求之一所述的太阳能电池，其中在第二主表面上设置有基本上整面的金属层、尤其是由薄膜铝构成的金属层，用于局部地或者大面积地接触发射极，该金属层在为基极接触而设置的区域中具有凹处。

6.根据上述权利要求之一所述的太阳能电池，其中在第二主表面上、尤其是在该第二主表面和基本上整面的金属层之间，设置有基本上整面的介电覆盖层，该介电覆盖层在多个接触点上和在所有带有n⁺n结的区域中设置有开口，其中围绕通孔的开口小于在那里存在的n⁺n区域。

7.根据上述权利要求之一所述的太阳能电池，其中在第二主表面上存在的金属化的n⁺n区域作为至少两个连在一起的汇流排带分别构造在总的晶片长度上或者构造为较短的区段，所述较短的区段具有彼此之间以第一主表面上的接触结构的一个或多个指距离的数量级的距离。

8.根据权利要求5至7之一所述的太阳能电池，其中在基极接触面之下的n⁺n结区域中在第二主表面上的介电层中的留空基本上与在尤其是通过Al掺杂形成的发射极区域中以及在表面的金属层中的留空的形状一致、然而小于二者地被构造。

9.根据上述权利要求之一所述的太阳能电池，其中在第一主表面上的指状的接触结构由含银的丝网印刷膏或者气溶胶印刷墨并且通过灼烧穿透在那里设置的减反射涂层而形成。

10.一种用于制造根据上述权利要求之一所述的太阳能电池的方法，其中在第一主表面中和在第二主表面的预先确定的区域中的n⁺掺杂由气相特别是通过使用POCl₃来实施，其中可选地在第一主表面上的接触结构的指之下能够借助用于制造选择性发射极的方法设置比在这些指之间更高的掺杂，由此构造选择性的前表面场。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在第二主表面上的所述发射极区域或者每个发射极区域的p⁺掺杂通过从含铝的源层或者源层序列的铝扩散来实施，所述源层或者源层序列整面地被施加在第二主表面上并且在其中应当存在n⁺结或者不存在较高掺杂的预先确定的区域中在Al扩散到第二主表面中之前又被去除。

12.根据权利要求11所述的方法，其中含铝的源层或者源层序列以及可选地设置的介电的覆盖层通过真空沉积方法或者气相沉积方法、尤其是气相淀积或者溅射来施加在第二主表面上。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中在第二主表面上的含铝的源层或者源层序列以及可选地设置的介电的覆盖层通过局部选择性刻蚀、尤其是借助刻蚀膏或者通过掩模的等离子体支持的反应离子刻蚀来结构化。

14.根据权利要求11至13之一所述的方法，其中在磷扩散到第一主表面、通孔的壁和第二主表面的预先确定的区域中之后，以及在铝扩散到第二主表面中之后，在磷掺杂时在前表面场的区域中形成的含磷硅酸盐玻璃层以及含铝的源层和可选地设置的介电的覆盖层被完全刻蚀掉，并且以后第二主表面通过沉积过程完全地以用于接触所述发射极区域或者每个发射极区域的金属层覆盖，该金属层随后在通过为n⁺n结设置的区域根据位置预先确定的、但是大于该为n⁺n结设置的区域的区域中通过刻蚀方法并且使用掩模而又局部地被去除。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在将金属层沉积在第二主表面上的步骤之前，在那里整面地施加介电的钝化层，该钝化层在多个接触点处以及在为n⁺n结而设置的区域中又局部地被打开。

16.根据权利要求10至15之一所述的方法，其中第二主表面借助介电保护层整面地被覆盖，该保护层随后仅仅在为焊接接触面设置的区域中在p⁺区和n⁺区上又局部地被打开。

17.根据权利要求14至16之一所述的方法，其中设置为发射极接触面的p⁺区域被借助含银的丝网印刷膏来印刷到第二主表面上，该丝网印刷膏在560℃以下的温度中烧结。

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