改進的金屬粘附的製作方法

2023-06-12 14:40:51

專利名稱：改進的金屬粘附的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及光伏領域，尤其地，公開了形成觸點的改進方法。
背景技術：
對光伏設備的鍍層金屬觸點的常見批評是，其對矽材料的粘附性很差。當熱循環發生時(由於矽與金屬之間的熱膨脹失配)以及當使用高性能電池內常見的小的金屬/ 矽接口的區域(面積)時(由於改進的電性能)，這個問題加劇了。因此經常在電性能與耐用度之間進行取捨。雷射摻雜太陽能電池面臨相同的挑戰[S.RJenham，Μ. A. Green "A Self-aligning Method for Forming a Selective Emitter and Metallization in a Solar Cell」，國際專利號PCT/AU/1999/00522，1999年7月]，當雷射摻雜區域平坦且光滑時，實現最好的電性能，這種平坦且光滑也對應於電鍍後的最低後續金屬/矽接口區域(面積)，並且因此其粘附性最差。最常用Q開關532nm NdYAG雷射來執行雷射摻雜工藝。在存在摻雜源時，雷射束掃過通常為氮化矽(ARC)塗覆的矽片的表面，使得足夠的能量傳遞給矽，以熔化矽並允許摻雜物擴散到熔化的矽內。該工藝同時破壞或移除氮化矽層，因此暴露再結晶摻雜矽表面， 使得可實現後續金屬電鍍，通常是鎳/銅/銀或者鎳/銅/錫。甚至在使用有織紋的或粗糙的矽表面時，如果雷射熔化/摻雜工藝進行了足夠的時間以允許適當地擴散/混合摻雜物，那麼雷射熔化/摻雜工藝導致形成了如圖8(b)和9所示的相對平滑的表面。如圖10 所示，這些表面的後續金屬粘附性因此是個挑戰。

發明內容
提供了太陽能電池，其具有形成為電接觸形成光伏結點的半導體材料的表面的金屬觸點，所述太陽能電池包括重摻雜材料的一個或多個表面區域，並且所述觸點包括觸點金屬化部，所述觸點金屬化部形成在所述重摻雜區域上以與所述重摻雜區域接觸；以及表面鍵固定(keying，鍵控)特徵部，位於所述半導體材料內，所述金屬化部延伸到所述半導體材料內以輔助所述金屬化部附著至所述半導體材料。所述觸點和表面鍵固定特徵部優選設置在半導體材料的前表面或者光接收表面上。太陽能電池可以包括至少一個孔，所述孔具有底切區域從而導致了懸垂部，所述金屬化部在所述懸垂部下方延伸。所述孔可以基本垂直於所述半導體材料的前表面，而且底切區域形成凸緣，所述凸緣圍繞位於所述半導體材料的前表面的所述孔的開口的周邊的一部分。所述孔也可以相對於所述半導體材料的表面的垂直線成一角度地延伸，使得所述孔底切所述表面。相鄰孔或者交替孔可以沿相對於所述垂直線的不同方向延伸以進一步增強鍵固定功能。還提供了一種製造太陽能電池的方法，該太陽能電池具有形成為電接觸形成光伏結點的半導體材料的表面的金屬觸點，所述觸點通過下述形成
a)在所述半導體材料的表面上或者所述表面的臨近處提供摻雜源；b)用雷射以第一雷射強度加熱所述半導體表面區域，以破壞和移除任何表面介電層並將摻雜物從所述摻雜源擴散到被加熱區域，以提供重摻雜材料的待形成觸點的區域；c)在待形成觸電的區域內，通過雷射斷續地加熱所述半導體材料表面上的點，以破壞和移除任何表面介電層並在被加熱點處將表面鍵固定特徵部形成到所述半導體材料的表面內；以及d)在所述重摻雜區域上鍍上觸點金屬化部，以與所述重摻雜區域接觸，所述鍍層操作(plating)延伸至斷續的表面鍵固定特徵部內，以輔助金屬化部附著至所述半導體材料。在該方法中，所述觸點和表面鍵固定特徵部優選設置在所述半導體材料的前表面或者光接收表面上。在一方法中，通過比用於雷射熔化/摻雜的平均雷射脈衝更高的能量雷射脈衝來形成該鍵固定特徵部，以有意融化一些矽，由此使得矽表面變粗糙。在另一方法中，連續波雷射操作用於雷射熔化/摻雜，且周期性Q開關雷射脈衝或者脈衝群用於在特定的位置形成孔或者凹槽或者表面粗超，以在這些位置將該金屬「釘 (pin)」入矽內。在又一方法中，在雷射摻雜的同時，使用較高能量水平在正在摻雜的熔化矽內形成更多的紊流，以在凝固時增加表面粗糙度(但沒必要融化矽)。尤其地，上述鍵固定方法可用在每根雷射摻雜線的端部，每根金屬指針在該端部終止，由此增加這些點處的粘附力，在這些點處，金屬最容易與雷射摻雜矽分離。然而，這些鍵固定方法優選地在端部之外沿著每根雷射摻雜線周期性被使用，以提供具有良好金屬粘附力的隔離位置，而不明顯增大整個金屬/矽接口面積。在一個有利的方法中，較高能量水平脈衝的重複率和功率被調整，以在孔的周邊形成矽的懸垂區域或凸緣，使得這些懸垂下方的後續電鍍的金屬變成將金屬鍵入或「鎖定」 到成型(sculpted)矽表面中的倒鉤。在又一改進中，在進行矽雷射摻雜的同時形成隔離的孔或凹槽之後，使用較低能量雷射加熱步驟來熔化矽的周圍區域，以產生矽的懸垂區域或凸緣，使得這些懸垂下面的後續電鍍的金屬變成將金屬鍵入或「鎖定」到成型的矽表面中的倒鉤。


通過參照附圖的實例，現在描述本發明的實施例，其中圖1示出了現有技術的太陽能電池，本發明的金屬化鍵固定方法可應用到該太陽能電池上；圖2示意性示出了沿著顯示周期孔的出現的雷射摻雜線的長度截取的橫截面，根據一個提出的方法形成這些孔以在這些位置固定金屬觸點；圖3示意性示出了典型結構，在利用金屬進行圖2中的結構的電鍍之後形成該典型結構；圖4示意性示出了懸垂或凸緣，當用於進行雷射熔化和摻雜的雷射脈衝的頻率足夠高以在相鄰脈衝之間造成大量的重疊時，在每個孔的後緣並且一定程度上在孔的側部上形成該懸垂或凸緣；圖5示意性示出了高於大約80%的脈衝重疊的結果，在該脈衝重疊中，使得該孔變得可以基本上被完全覆蓋；圖6示意性示出了沿著顯示短凹槽的出現的雷射摻雜線的長度的橫截面，該短凹槽由一連續的較高能源脈衝群而形成；圖7示意性示出了矽內的孔，這些孔相對於表面成角度地形成，使得一些或者所有的孔不再垂直於表面；圖8在圖8 (a)中示出了在金屬化之前的觸點凹槽的圖片，該圖片顯示了明顯增加的表面面積，這是由於所使用的每個脈衝具有額外能量，並且其造成了矽的一些熔化，而在圖8b中，另一個觸點凹槽的圖片顯示了在雷射摻雜後具有最好電性能的相對平滑的表面， 同時不使用額外的能量；圖9顯示了觸點凹槽的另一圖片，該圖片類似於圖8b中的圖片，其中是在雷射摻雜後具有最好電性能的相對平滑的表面；圖10顯示了金屬化之後的觸點的圖片。
具體實施例方式通過實例，並且參照圖1，用於矽太陽能電池形成的適當製造工序如下1. ρ型晶片11的前(或者光接收)表面的各向同性紋理12 ；2. η型摻雜物13的前表面擴散；3.邊緣結點隔離/psg移除；4.通過PECVD在前表面上進行電弧沉積；a.專門用於表面鈍化14的100埃富氫氮化矽；c.折射率2. 0-2. 1的600埃氮化矽16 ；d.含摻雜物層17 ；5.用於後觸點18的具有鋁的絲印後(非光接收)表面；6.通過形成鋁/矽合金和液相外延，火燒後表面以燒結後觸點18並形成背表面場 19 ；7.對局部區域中的矽進行雷射摻雜以形成重摻雜(η+)區域22，用於形成自對準前表面金屬觸點；8.在雷射摻雜(η+)區域22上鍍一層鎳23，用於前表面觸點；9.燒結鎳 23 ；10.在鎳23上鍍幾層銅M和錫25 (或銀)；上述處理工序產生具有選擇性發生器的圖1的高性能太陽能電池結構，該發生器在金屬觸點的下面直接提供矽的重摻雜。所提出的觸點形成方法不同於上述系列之處在於，增加了周期性的較高能量脈衝或系列脈衝，其由雷射發出，以有意地在這些特定位置處使一些矽粗糙和/或熔化。當一次使用僅僅一個(或者很小數目的)非常短的(通常小於0. 1微秒)高能量脈衝時，得到好的結果，使得在通過高能量脈衝實現的形成過程中，雷射束往往僅移動1微米或者更少(通常以10m/S速度前進)。這允許後面的較低能量脈衝增加由高能量脈衝形成的孔的壁的雷射摻雜，因此最小化了電性能的任何退化，如果不是這樣，則在這種孔的使用過程中可能發生這樣的退化。此外，這種孔通常可分開相對於孔徑來說的很遠的距離(至少三倍並且優先地為至少平均十倍)，從而當與如果不使用高能量脈衝的情況相比，雷射摻雜矽的整個表面積總體上增加不超過20%。與不使用表面鍵固定的情況相比，其阻止了電性能的明顯退化。圖8(b)和9顯示了雷射摻雜之後具有最好電性能的相對平滑的表面，同時使用導致一些矽熔化的每脈衝的額外能量，造成了圖8(a)中的結構具有明顯增大的表面面積。重要的是，鍍層之後，孔提供了錨定點，大大地增加了金屬對矽的整體粘附力。尤其是，這種孔有益地用在金屬線的端部或者端部附近，這些端部通常是最弱的點，金屬開始在這些點剝落。由幾個連續的較高能量脈衝形成的較高密度的孔(或甚至更細長的孔)有益地用於這些區域以將金屬「釘」在矽上。通過增加用於這種脈衝的雷射功率或者可替換地通過保持雷射功率恆定和稍微增加在這種較高能量脈衝形成之前的延時，可生成較高能量脈衝，使得在發起脈衝之前，更多能量存儲在雷射晶體或雷射二極體內。兩種方法都造成在後續雷射脈衝內具有增加的能量。雖然已經製成孔深高達80微米、深度接近零的好裝置，但是這種脈衝的能量優選設置成，形成通常為5-10微米深的孔。通過使用幾個連續的較高能量脈衝，有可能進一步增強金屬對矽的粘附強度，以產生例如20-100微米長的短凹槽。用於雷射摻雜的較低能量脈衝可用在這種凹槽端部的附近，以通過重新固化的矽提供部分覆蓋，從而通過允許後續鍍層埋在凹槽一端或兩端處的矽的下面而產生「魚鉤」型效應，因此大幅增加金屬粘附強度。傳統的Q開關雷射器不提供產生受控的較高能量脈衝的能力，該脈衝周期性地散布在更多的用於雷射摻雜脈衝的較低能量脈衝之間。然而，用於控制Q開關的專用電子設備可簡單地合併到大多數機器上，以提供這種能力。在雷射處理/掃描的過程中，通過允許用於Q開關的可編程頻率變化，可以即興的方式改進一些機器，這種雷射處理/掃描可粗略地用於控制脈衝的能量並因此可用於實施這種金屬化方法的一種形式。本金屬化方法的變型包括，使用獨立的雷射頭或者平衡類型(even type)雷射器來獨立地形成孔，這些孔隨後被雷射穿過，該雷射進行用於雷射摻雜工藝的矽熔化。另一個變型是把兩個雷射束重疊，按照雷射熔化和矽摻雜的規定，一個雷射束具有較高能量脈衝， 以低很多的頻率操作以產生周期孔，而另一個具有較低能量脈衝，以高得多的頻率操作。另一個變型是在連續波操作上使用雷射，而不需要任何Q開關來進行雷射熔化和矽摻雜，但是具有交換到Q開關操作的能力以允許生成一個或多個較高能量脈衝，該脈衝熔化一些矽以在預期位置產生一個或多個孔。在這種類型的操作中，雷射的光腔內沒有被引入「損耗」，使得雷射束連續並能夠連續地熔化和摻雜該矽。每次當需要矽內的孔時，雷射的光腔內就被引入損耗，以阻止受激發射，並因此允許能量在雷射晶體或雷射二極體內通常儲存0. 1到100微秒，從而在損耗被消除時，所儲存的能量被驅散作為能夠熔化矽的高能量雷射脈衝。這種操作模式的另一變化在於，雷射能量簡單地變化，足以在進行摻雜工藝的過程中在預期位置處，在熔化的矽內形成紊流，而沒必要熔化任何或者大量的矽。在這種情況下，當熔化的矽凝固在由較高水平的紊流形成的幾何體內時，可再次獲得較粗糙的表面拓撲。在這種情況下，可控制該雷射能量以產生用於矽的表面拓撲，這主要用於提高金屬粘附力。
圖2顯示了沿著雷射摻雜線的長度的橫截面，該摻雜線顯示了周期孔31的出現， 周期孔31是根據所提出的一個方法而形成的，以將金屬觸點錨固在這些位置。圖3顯示了利用金屬33來對圖2中的結構鍍層之後生成的典型結構。當金屬在孔31完全鍍層之前關閉時，有時能夠得到空隙34，空隙形成在孔31內的鍍層金屬區域33內。當用於進行雷射熔化和摻雜的雷射脈衝的頻率足夠高以造成相鄰脈衝之間具有大量重疊時，如圖4所示， 在每個孔的後緣上以及一定程度上在孔31的側部上產生懸垂或者凸緣32。一旦重疊量達到大約80%以上，該孔變得可以被一些也在前緣上形成的懸垂幾乎完全覆蓋(甚至完全覆蓋)，如圖5所示，但是當發生這種情形時，由於在埋入的孔內很難獲得好金屬鍍層，所以很多有益之處消失了。圖6顯示了沿著雷射摻雜線的長度的橫截面，該摻雜線顯示了短凹槽的出現，短凹槽由一連續的較高能量脈衝群所形成，並展示了適度懸垂以更充分地將金屬觸點錨定在這些位置。所提出的金屬化方法的基本原理是，在特定重要位置(比如在金屬線的端部)增加金屬/矽接口面積，以通過減少金屬開始剝離或脫離矽表面的趨勢來增加整個金屬粘附強度。在所提出的方法的更有利的形式中，用這種方法構造/處理矽，使得鍍層金屬(與矽的形狀一致)的最終幾何形狀將矽鍵入或鎖定在矽材料內，比如，通過形成與矽內凹槽的底切部分接合的下倒鉤或者凸起。每當矽被成型成使得通過改變金屬形狀(以能夠與矽分離)來使得後續金屬鍍層觸點或者矽必須變形時，認為可以應用該「將金屬鎖定在矽內」的原理。圖2顯示了這種實例，其中，矽內的凸緣或者懸垂用於將金屬「鎖定」在凸緣下面的位置，使得在銅或者矽凸緣不變形和不改變形狀時，金屬不能與矽分離。另一個實例在於， 矽內的孔以相對於頂部表面成一角度地形成，使得一些或者所有的孔不再垂直於如圖7所示的頂部表面，圖7中，相鄰的孔形成為特意地不彼此平行，以將後續鍍層金屬「鎖定」在矽內。當在以上所示的實例中絲印後觸點時，在該實例中形成用於前觸點的鍍層觸點的方法可同樣地在重摻雜表面的步驟中使用適當摻雜物用於形成後觸點。本領域的技術人員應理解的是，可用一系列的方法實現矽表面的這種成型。已經給出使用雷射熔化矽的實例，但是化學刻蝕、機械磨損、等離子刻蝕或者各種其他技術(比如這些技術的組合)可潛在地用於構造矽表面以產生在特定重要位置將金屬鎖定在矽內的這些區域。
權利要求
1.一種太陽能電池，具有形成為電接觸形成光伏結點的半導體材料的表面的金屬觸點，所述太陽能電池包括重摻雜材料的一個或多個表面區域，並且所述觸點包括觸點金屬化部，所述觸點金屬化部形成在所述重摻雜區域上以與所述重摻雜區域接觸；以及表面鍵固定特徵部，位於所述半導體材料內，所述金屬化部延伸到所述半導體材料內以輔助所述金屬化部附著至所述半導體材料。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，所述表面鍵固定特徵部設置在半導體材料的前表面或者光接收表面上。
3.根據權利要求1或2所述的太陽能電池，其中，所述表面鍵固定特徵部包括至少一個孔，所述孔具有底切區域從而導致了懸垂部，所述金屬化部在所述懸垂部下方延伸。
4.根據權利要求3所述的太陽能電池，其中，所述至少一個孔基本垂直於所述半導體材料的前表面，而且底切區域形成凸緣，所述凸緣圍繞位於所述半導體材料的前表面的所述孔的開口的周邊的一部分。
5.根據權利要求3所述的太陽能電池，其中，所述至少一個孔相對於所述半導體材料的前表面的垂直線成一角度地延伸，使得所述孔底切所述表面。
6.根據權利要求5所述的太陽能電池，其中，相鄰孔或者交替孔沿相對於所述垂直線的不同方向延伸以進一步增強鍵固定功能。
7.—種製造太陽能電池的方法，所述太陽能電池具有形成為電接觸形成光伏結點的半導體材料的表面的金屬觸點，所述觸點通過下述形成a)在所述半導體材料的將由所述金屬觸點電接觸的表面上或者所述表面的臨近處提供摻雜源；b)用雷射以第一雷射強度加熱所述半導體表面區域，以破壞和移除任何表面介電層並將摻雜物從所述摻雜源擴散到被加熱區域，以提供重摻雜材料的待形成觸點的區域；c)在待形成觸電的區域內，通過雷射斷續地加熱所述半導體材料表面上的點，以破壞和移除任何表面介電層並在被加熱點處將表面鍵固定特徵部形成到所述半導體材料的表面內；以及d)在所述重摻雜區域上鍍覆觸點金屬化部，以與所述重摻雜區域接觸，所述鍍覆延伸至斷續的表面鍵固定特徵部內，以輔助所述金屬化部附著至所述半導體材料。
8.根據權利要求6所述的方法，其中，所述表面鍵固定特徵部設置在半導體材料的前表面或者光接收表面上。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其中，通過雷射脈衝形成所述鍵固定特徵部，所述雷射脈衝的能量高於用於雷射熔化/摻雜的雷射脈衝的平均能量，由此融化了一些矽並且使得矽表面由此變粗糙。
10.根據權利要求7或8所述的方法，其中，使用連續波雷射操作來執行第一雷射強度的雷射加熱，並且使用周期脈衝或Q開關雷射脈衝群進行斷續加熱，以在特定位置產生孔或凹槽或表面粗糙，以在這些位置處將金屬鍵入矽內。
11.根據權利要求7或8所述的方法，其中，所述雷射摻雜過程中的加熱以一定的雷射能量水平來進行，所述雷射能量水平足以在正被摻雜的熔融的矽內形成紊流，從而在矽凝固時形成增大的表面粗糙度。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述雷射摻雜過程中的雷射能量水平足以造成所述矽的融化。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，所述雷射摻雜過程中的雷射能量水平不足以造成所述矽的融化。
14.根據權利要求7或8所述的方法，其中，用於間斷地加熱所述半導體材料的前表面上的點的雷射的較高能量水平的脈衝的重複率和功率被調整以形成孔，所述孔在所述孔的周邊處具有矽的懸垂區域或凸緣，使得在下方形成所述懸垂部的後續鍍覆的金屬變成將所述金屬鍵入所述矽表面的倒鉤。
15.根據權利要求7或8所述的方法，其中，在執行所述矽的雷射摻雜的同時形成隔離的孔或凹槽，並且隨後，使用利用較低能量輸出的雷射的雷射加熱步驟來熔化圍繞所述孔的矽區域，以產生矽的懸垂區域或凸緣，從而在下方形成懸垂部的後續鍍覆的金屬變成將所述金屬鍵入所述矽表面的倒鉤。
16.根據權利要求7至15中任一項所述的方法，其中，在雷射摻雜線的端點處提供鍵固定，金屬指針終止在所述端點處，由此相對於非鍵固定點處的粘附力而增加了上述端點處的粘附力。
17.根據權利要求7至16中任一項所述的方法，其中，沿著雷射摻雜線周期性地提供鍵固定，以提供相對於非鍵固定點處的粘附力而改進的金屬粘附力的隔離位置。
全文摘要
太陽能電池具有形成為電連接形成光伏結點的半導體材料的表面的金屬觸點。所述太陽能電池包括重摻雜材料的一個或多個表面區域，並且所述觸點包括形成在重摻雜區域上以與其接觸的觸點金屬化部。表面鍵固定特徵部位於半導體材料內，所述金屬化部延伸到該半導體材料內以輔助金屬化部附著到所述半導體材料。
文檔編號H01L31/04GK102341917SQ201080010328
公開日2012年2月1日 申請日期2010年2月24日 優先權日2009年3月3日
發明者斯圖爾特·羅斯·文哈姆, 艾利森·馬裡·文哈姆, 馬丁·安德魯·格林 申請人:新南創新私人有限公司