CN111052408B

CN111052408B - 用于制造同质结光伏电池的方法

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Publication number: CN111052408B
Application number: CN201880058748.3A
Authority: CN
Inventors: 拉斐尔·卡巴尔
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: EP3682485A1; EP3682485B1; CN111052408A; FR3071358A1; FR3071358B1; WO2019053368A1; LT3682485T; TW201917909A

Abstract

该方法包括以下步骤：a)提供晶体硅衬底(1)，其包括：‑第一表面(10)；‑第二表面(11)，其与所述第一表面(10)相对，并且覆盖有至少一层隧道氧化膜(2)；b)在所述隧道氧化膜(2)上形成多晶硅层；c)在所述多晶硅层的一部分(3a)上形成第一防反射层(4)，使得所述多晶硅层具有自由区域，所述第一防反射层(4)适于为多晶硅层(3)的所述部分(3a)的热氧化提供阻挡；d)使所述多晶硅层的自由区域热氧化，以便在所述自由区域上形成第二防反射层(5)。

Description

用于制造同质结光伏电池的方法

技术领域

本发明涉及同质结硅光伏电池的技术领域。更具体地，本发明涉及双面光伏电池的制造，也就是说其包括：

-第一表面，其用于直接暴露于太阳辐射；

-第二相对表面，其可以例如通过漫射辐射或通过反照率效应间接接收太阳辐射。

本发明特别地在称为“高温”的同质结的光伏电池的制造中找到其应用，也就是说，其构成材料与在高于300℃的温度下的热处理的使用兼容。

背景技术

从现有技术中已知的光伏电池，特别地从以下文件已知：F.Feldmann等人的“Passivated rear contacts for high-efficiency n-type Si solar cells providinghigh interface passivation quality and excellent transport characteristics”，Solar Energy Materials&Solar Cells,120,270-274,2014(以下称为D1)，MK Stodolny等人的“n-Type polysilicon passivating contact for industrial bifacial n-typesolar cells”，Solar Energy Materials&Solar Cells,158,24-28,2016，(以下称为D2)，R.Peibst等人的“Implementation of n+and p+POLO junctions on front and rearside of double-side contacted industrial silicon solar cells”，32^nd EuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,2016(以下简称D3)，所述光伏电池包括：

-晶体硅衬底，包括：

第一表面(所述前表面)，其用于暴露于太阳辐射；

第二表面(称为背面)，其与第一表面相对，并覆盖有氧化膜(通常称为隧道氧化物)；

-掺杂多晶硅层，其形成在氧化膜上。

由隧道氧化物堆叠/多晶硅层限定的结构形成钝化的接触结构，并且与传统的光伏电池相比，使得能够提高光伏电池的性能，即增加开路电压(V_oc)。

然而，如D2第3.3节所述，如果希望在掺杂多晶硅层(存在于D1和D3中)上省掉昂贵的透明导电氧化物层，这种先进的光伏电池在其工业化要求掺杂多晶硅层的相当大的厚度(大于60nm；D2提到厚度为70nm至200nm)方面并不完全令人满意。然而，对于这样的厚度，多晶硅层内的光子的寄生吸收通过增加通过光伏电池的短路电流(I_cc)而具有有害影响。

发明内容

本发明旨在弥补所有或部分上述缺点。

第一种解决方案可以包括：

a₀₁)提供一种晶体硅衬底，包括：

-第一表面，其用于暴露于太阳辐射；

-第二表面，其与第一表面相对，并覆盖有隧道氧化膜；

b₀₁)在隧道氧化膜上形成多晶硅层；

c₀₁)在多晶硅层的一部分上形成第一防反射层，以使多晶硅层具有自由区域；

d₀₁)完全蚀刻多晶硅层的自由区域。

多晶硅层的自由区域用于在光伏电池的电接触之间延伸。由于步骤d₀₁)，该第一种解决方案将从根本上有可能抑制电接触(零厚度)之间的多晶硅层内的光子的寄生吸收。然而，该第一解决方案不再受益于在光伏电池的电接触之间的钝化接触(也就是说，隧道氧化物/多晶硅层结构)的存在，这不允许大大增加V_OC。

第二种解决方案可以包括：

a₀₂)提供晶体硅衬底，其包括：

-第一表面，其用于暴露于太阳辐射；

-第二表面，其与第一表面相对，并覆盖有隧道氧化膜；

b₀₂)在隧道氧化膜上形成多晶硅层；

c₀₂)在多晶硅层的一部分上形成第一防反射层，以使多晶硅层具有自由区域；

d₀₂)部分蚀刻多晶硅层的自由区域。

多晶硅层的自由区域用于在光伏电池的电接触之间延伸。由于步骤d₀₂)，该第二种解决方案将从根本上有可能抑制电接触(减小的厚度，非零)之间的多晶硅层内的光子的寄生吸收。然而，这种第二种解决方案并不完全令人满意，因为可以通过等离子体或湿法执行的蚀刻步骤d₀₂)可能：

-不可完全复制，

-由于多晶硅晶界的动力学不同而变得不均匀，

-使用的化学物质对结构造成损坏。

为此，本发明的目的在于一种用于制造光伏电池的方法，包括以下步骤：

a)提供晶体硅的衬底，其包括：

-第一表面；

-第二表面，其与第一表面相对，并且覆盖有至少一层隧道氧化物膜；

b)在隧道氧化膜上形成多晶硅层；

c)在多晶硅层的一部分上形成第一防反射层，使得多晶硅层具有自由区域，所述第一防反射层适于为多晶硅层的所述部分的热氧化提供阻挡；

d)使多晶硅层的自由区域热氧化，以便在所述自由区域上形成第二防反射层。

因此，根据本发明的这种制造方法使得可以通过消耗与在步骤d)期间进行的热氧化有关的材料来局部减小多晶硅层的厚度。这导致光子的寄生吸收减少。应当注意，在步骤c)期间形成的第一防反射层使得可以对多晶硅层所覆盖的部分的热氧化提供局部阻挡的作用。

另外，在步骤d)中进行的热氧化使得可以形成第二防反射层。第一和第二防反射层使得能够改善衬底的第二表面的钝化。

最后，与诸如化学蚀刻之类的蚀刻相比，热氧化是一种具有良好再现性、均匀性和安全性的技术。

定义

-“晶体”是指硅的多晶形式或单晶形式，因此不包括非晶硅。

-“防反射层”是指单层或子层的堆叠，其通过适当的厚度使得能够减少与光辐射的反射有关的光损耗，从而通过其使得能够优化由衬底吸收光辐射。

-“自由区域”是指多晶硅层中未被覆盖的区域，特别是未被第一防反射层覆盖的区域。多晶硅层的自由区域用于在光伏电池的电接触之间延伸。

-“至少一层隧道氧化膜”是指单层氧化膜或包括多层隧道氧化膜的堆叠，该单层氧化膜或堆叠足够薄以使得能够通过隧道效应在其中进行电流循环。

根据本发明的制造方法可以包括以下特征中的一个或更多个。

根据本发明的一个特征，步骤d)在严格低于850℃、优选在700℃至800℃的温度下执行。

因此，提供的优点是当掺杂多晶硅层时避免掺杂剂向衬底的扩散。

根据本发明的一个特征，在步骤d)结束时形成的第二防反射层是厚度为40nm至100nm的多晶硅热氧化物。

因此，提供的优点是能够提供衬底的第二表面的防反射功能和钝化功能。

“厚度”是指沿衬底法线的尺寸。

根据本发明的一个特征，使用蒸汽执行步骤d)。

因此，提供的优点是与干式热氧化(即在存在双氧的情况下)相比，快速形成了有利于工业化的热氧化物。

根据本发明的一个特征，在步骤b)中形成的多晶硅层具有初始厚度，并且在其上形成有第二防反射层的多晶硅层的厚度在步骤d)结束时严格小于初始厚度。

因此，这反映了与在步骤d)期间进行的热氧化有关的材料的消耗。

根据本发明的一个特征，在步骤d)结束时，其上形成有第二防反射层的多晶硅层的厚度严格小于10nm。

因此，提供的优点是大大降低了多晶硅层内光子的寄生吸收。

根据本发明的一个特征，在步骤b)期间形成的多晶硅层的初始厚度为60nm至90nm。

因此，由这样的厚度范围提供的优点是能够利用工业技术、例如通过诸如LPCVD(英语为“Low Pressure Chemical Vapor Deposition”)的化学气相沉积来执行步骤b)。

根据本发明的一个特征，在步骤d)结束时，多晶硅层的其上形成有第一防反射层的部分保持初始厚度。

根据本发明的一个特征，在步骤b)期间形成的多晶硅层是p型或n型掺杂的，其掺杂剂的浓度优选为5.10¹⁷at.cm^-3到5.10²⁰at.cm^-3。

因此，提供的优点是降低与衬底的界面处的少数电荷载流子的密度，同时允许多数电荷载流子的高电导率用于将来的电接触。

根据本发明的一个特征，在步骤c)期间形成的第一防反射层由选自包括氧化铝、氮化硅、氧化钛的组中的至少一种材料制成。

根据本发明的一个特征，覆盖在步骤a)中提供的衬底的第二表面的隧道氧化膜具有严格小于3nm的厚度。

因此，提供的优点是允许在隧道氧化膜内通过隧道效应使电流循环。这种隧道氧化物可以通过与多晶硅层结合来形成钝化接触。

根据本发明的一个特征，在步骤a)中提供的衬底和在步骤b)中形成的多晶硅层掺杂有相同类型的导电性，该衬底的厚度优选严格小于250μm，更优选小于200μm。

因此，允许在多晶硅层和衬底之间形成所谓的“高-低”结，即n+/n或p+/p结，这意味着单一类型的导电性。

本发明还涉及一种光伏电池，包括：

-晶体硅衬底，其包括：

第一表面；

第二表面，其与第一表面相对，并覆盖有至少一层隧道氧化物膜；

-多晶硅层，其形成在隧道氧化膜上，并且包括：

第一部分，其具有优选为60nm至90nm的第一厚度；

第二部分，与第一部分相邻，并具有严格小于第一厚度的第二厚度，所述第二厚度优选严格小于10nm；

-第一防反射层，其形成在多晶硅层的第一部分上，并且由第一材料制成，所述第一材料适于为多晶硅的热氧化提供阻挡；

-第二防反射层，其形成在多晶硅层的第二部分上，并且由与第一材料不同的第二材料制成，所述第二材料是多晶硅热氧化物。

因此，与传统的光伏电池相比，根据本发明的这种光伏电池使得可以限制流经其的短路电流(I_cc)的劣化，同时增加开路电压(V_oc)。

附图说明

其他特征和优点将在本发明的不同实施例的详细描述中显现，该描述包括示例和附图参考。

图1至图4是示出根据本发明的方法的步骤的示意性截面图。

这些图未按比例显示以简化其理解。

具体实施方式

为了简化的目的，对于不同的实施方式，相同的元素或提供相同功能的元素将具有相同的附图标记。

本发明的一个目的是一种用于制造光伏电池的方法，包括以下步骤：

a)提供晶体硅衬底1，包括：

-第一表面10；

-第二表面11，其与第一表面10相对，并覆盖有至少一层隧道氧化膜2；

b)在隧道氧化膜2上形成多晶硅层3；

c)在多晶硅层3的一部分3a上形成第一防反射层4，使得多晶硅层3具有自由区域ZL，第一防反射层4适于为多晶硅层3的所述部分3a的热氧化提供阻挡；

d)使多晶硅层3的自由区域ZL热氧化，以便在所述自由区域ZL上形成第二防反射层5。

步骤a)示于图1。步骤b)示于图2。步骤c)示于图3。最后，步骤d)示于图4。

衬底

在步骤a)期间提供的衬底1有利地是n型或p型掺杂的。在步骤a)期间提供的衬底1和在步骤b)期间形成的多晶硅层3有利地掺杂有相同类型的导电性。对于n型掺杂的衬底1，衬底1优选地具有1Ω.cm到7Ω.cm的电阻率。对于p型的衬底，衬底1优选地具有0.5Ω.cm到5Ω.cm的电阻率。

衬底1优选地具有严格小于250μm、更优选小于200μm的厚度。

制成衬底1的硅可以是单晶或多晶的。

根据一个实施例，衬底1的第一表面10有利地用于直接暴露于太阳辐射。然后，衬底1的第一表面10对应于光伏电池的正面，而衬底1的第二表面11对应于光伏电池的背面。然后，衬底1的第二表面11用于通过漫射辐射或反照率效应间接地暴露于太阳辐射。因此，在步骤b)期间在光伏电池的背面上形成多晶硅层3。

根据替代方案，衬底1的第二表面11用于直接暴露于太阳辐射。然后，衬底1的第二表面11对应于光伏电池的正面，而衬底1的第一表面10对应于光伏电池的背面。然后，衬底1的第一表面10用于通过漫射辐射或反照率效应间接地暴露于太阳辐射。因此在步骤b)期间在光伏电池的正面上形成多晶硅层3。

氧化膜

需要提醒的是，“至少一个隧道氧化膜”是指单个氧化膜2或包括多个隧道氧化膜的堆叠2(称为隧道堆叠)，单个薄膜氧化物2或堆叠2足够细，以允许其中的电流循环。

覆盖在步骤a)期间提供的衬底1的第二表面11的隧道氧化膜2或隧道堆叠2有利地具有严格小于3nm的厚度。

隧道氧化膜2有利地在x≤2的氧化硅SiO_x中产生。通过热氧化在衬底1的第二表面11上优选地形成隧道氧化膜2。也可以设想利用臭氧(O₃)进行化学氧化。

多晶硅层

在步骤b)期间形成的多晶硅层3有利地具有60nm到90nm的初始厚度。由于第一防反射层4提供热氧化的局部阻挡，因此多晶硅层3的部分3a在步骤d)结束时保持初始厚度，在所述多晶硅层上形成第一防反射层4。在步骤b)期间形成的多晶硅层3有利地是p型或n型掺杂的，其掺杂剂的浓度优选为5.10¹⁷at.cm^-3至5.10²⁰at.cm^-3。

当在步骤b)期间在光伏电池的正面上形成多晶硅层3时，将在步骤a)期间提供的衬底1和在步骤b)期间形成的多晶硅层3掺杂有相同类型的导电性。

当在在步骤b)期间在光伏电池的背面上形成多晶硅层3时，在步骤a)期间提供的衬底1和在步骤b)期间形成的多晶硅层3可以：

-掺杂有相同类型的导电性，或

-掺杂有相反类型的导电性。

在步骤d)结束时，其上形成第二防反射层5的多晶硅层3b具有非零厚度，该厚度严格小于初始厚度，并且有利地严格小于10nm。

然后，在步骤b)期间通过沉积非晶硅层(例如通过LPCVD“低压化学气相沉积”或通过PECVD“等离子体增强化学气相沉积”)以及使得非晶硅层能够结晶的退火有利地形成多晶硅层3。

第一防反射层

应该提醒的是，“第一防反射层”是指单层或子层的堆叠，其由于具有合适的厚度，使得能够减少与太阳辐射反射有关的光损耗，并且使得能够使衬底1对太阳辐射的吸收最优化。形成第一防反射层4的单层由选择的材料制成，以形成对相关多晶硅的热氧化的阻挡。同样地，形成第一防反射层4的子层的堆叠由选择的材料制成，以形成对相关多晶硅的热氧化的阻挡。因此，放置在第一防反射层4下方的多晶硅受到第一防反射层4的保护，并且在用于形成第二防反射层5的步骤d)期间不会被热氧化。

在步骤c)期间形成的第一防反射层4有利地由选自包括氧化铝、氮化硅、氧化钛的组中的至少一种材料制成。氮化硅可以包含氧和/或碳。因此，第一防反射层4可以是基于SiN_xO_yC_z制成的单层，其中x>y并且x>z，并且优选地y≠0。这样的单层有利地具有60nm到80nm的厚度。根据另一种替换方案，第一防反射层4是包括基于SiN_xO_yC_z制成的子层的堆叠，其中x>y和x>z，并且优选地y≠0。

作为非限制性示例，第一防反射层4可以通过在等离子体辅助下的化学气相沉积PECVD(英语为“Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition”)形成。

第一防反射层4有利地具有30nm到100nm的厚度。

如图3所示，第一防反射层4直接且局部地沉积在步骤b)期间形成的多晶硅层3上，以便在多晶硅层3的表面上限定自由区域ZL，也就是说，第一防反射层4未覆盖的区域。

热氧化

步骤d)有利地在严格低于850℃、优选700℃到800℃的温度下执行。步骤d)有利地使用蒸汽执行。这称为湿热氧化。

有利地执行步骤d)，以使得在多晶硅层3的自由区域ZL处不完全消耗多晶硅。换句话说，有利地执行步骤d)，使得在步骤d)结束时在多晶硅层3b上形成有第二防反射层5的所述多晶硅层的厚度为非零。

该热氧化步骤具有在局部地并且以受控的方式使相关多晶硅层3b的厚度变薄的同时，在步骤d)结束时形成第二防反射层5的作用。

第二防反射层

在步骤d)结束时形成的第二防反射层5是有利地具有40nm至100nm的厚度的多晶硅热氧化物。换句话说，在步骤d)结束时形成的第二防反射层5是通过对相关多晶硅层3b进行热氧化、优选是湿热氧化而获得的多晶硅氧化物。

光伏电池

为了获得光伏电池，根据本发明的方法优选包括未示出的步骤，这些步骤包括：

-在衬底1的第一表面10上形成半导体区域；

-在半导体区域上形成钝化层；

-使半导体区域与电极接触；

-使多晶硅层的部分3a与电极接触。

本发明的目的是一种光伏电池，包括：

-晶体硅衬底1，包括：

第一表面10；

第二表面11，其与第一表面10相对，并且覆盖有至少一个隧道氧化膜2；

-多晶硅层3，其形成在隧道氧化膜2上，并且包括：

第一部分3a，其具有优选60nm到90nm的第一厚度；

第二部分3b，其与第一部分3a相邻，并具有严格小于第一厚度的第二厚度，第二厚度优选严格小于10nm；

-第一防反射层4，其形成在多晶硅层3的第一部分3a上，并且由适于为多晶硅的热氧化提供阻挡的第一材料制成；

-第二防反射层5，其形成在多晶硅层3的第二部分3b上，并且由不同于第一材料的第二材料制成，所述第二材料是多晶硅热氧化物。

在步骤d)结束时获得这种光伏电池。衬底1的第一表面10可以是光伏电池的正面或背面。

本发明不限于所阐述的实施例。本领域技术人员能够考虑其技术上有效的组合，并用等同物代替它们。

Claims

1.一种用于制造光伏电池的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供晶体硅衬底(1)，其包括：

-第一表面(10)；

-第二表面(11)，其与所述第一表面(10)相对，并且覆盖有至少一层隧道氧化膜(2)；

b)在所述隧道氧化膜(2)上形成多晶硅层(3)；

c)在所述多晶硅层(3)的一部分(3a)上形成第一防反射层(4)，使得所述多晶硅层(3)具有自由区域(ZL)，所述第一防反射层(4)适于为多晶硅层(3)的所述部分(3a)的热氧化提供阻挡；

d)使所述多晶硅层(3)的自由区域(ZL)热氧化，以便在所述自由区域(ZL)上形成第二防反射层(5)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤d)在严格低于850℃的温度下执行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述步骤d)结束时形成的第二防反射层(5)是厚度为40nm至100nm的多晶硅热氧化物。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过使用蒸汽来执行所述步骤d)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述步骤b)期间形成的多晶硅层(3)具有初始厚度，并且其中在其上形成有所述第二防反射层(5)的多晶硅层(3b)在步骤d)结束的厚度严格小于初始厚度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在其上形成有所述第二防反射层(5)的多晶硅层(3b)具有严格小于10nm的厚度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述步骤b)期间形成的多晶硅层(3)的初始厚度为60nm至90nm。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多晶硅层(3)的在其上形成有第一防反射层(4)的所述部分(3a)在所述步骤d)结束时保持初始厚度。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述步骤b)期间形成的多晶硅层(3)是p型或n型掺杂的。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述步骤c)期间形成的第一防反射层(4)由选自包括氧化铝、氮化硅、氧化钛的组中的至少一种材料制成。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，覆盖在所述步骤a)中提供的衬底(1)的第二表面(11)的隧道氧化膜(2)具有严格小于3nm的厚度。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述步骤a)期间提供的衬底(1)和在所述步骤b)期间形成的多晶硅层(3)掺杂有相同类型的导电性。

13.根据权利要求2的方法，其中，所述步骤d)在700℃到800℃的温度下执行。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多晶硅层(3)的掺杂剂的浓度为5×10¹⁷at.cm^-3至5×10²⁰at.cm^-3。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述衬底(1)具有严格小于250μm的厚度。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述衬底(1)具有小于200μm的厚度。

17.一种光伏电池，包括：

-晶体硅衬底(1)，其包括：

第一表面(10)；

第二表面(11)，其与所述第一表面(10)相对，并覆盖有至少一层隧道氧化膜(2)；

-在多晶硅层(3)，其形成在所述隧道氧化膜(2)上，并且包括：

第一部分(3a)，其具有第一厚度；

第二部分(3b)，其与所述第一部分(3a)相邻，并具有严格小于所述第一厚度的第二厚度；

-第一防反射层(4)，其形成在所述多晶硅层(3)的第一部分(3a)上，并且由适于为所述多晶硅层(3)的第一部分(3a)的热氧化提供阻挡的第一材料制成；

-第二防反射层(5)，其形成在所述多晶硅层(3)的第二部分(3b)上，并且由不同于所述第一材料的第二材料制成，所述第二材料是多晶硅热氧化物。

18.根据权利要求17所述的光伏电池，其中，所述第一厚度为60nm至90nm。

19.根据权利要求17所述的光伏电池，其中，所述第二厚度严格小于10nm。