用於製造太陽能電池的方法以及太陽能電池的製作方法
2023-06-15 12:04:16 3
用於製造太陽能電池的方法以及太陽能電池的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於製造太陽能電池的方法和一種這樣的太陽能電池。該太陽能電池包括矽基板，矽基板帶有面向輻射的正面和背面、沿著背面伸展的第一介電層、沿著第一介電層的背離基板的側面伸展的第二介電層，第二介電層由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽的組中的一種材料製成，以及沿著第二介電層的背離基板的側面延伸的金屬層。為了能夠能夠重現地以少的過程步驟來製造帶有特別高的效率的太陽能電池，提出了，基板的背面具有在60°入射角的情況下的在80GU以下的光澤度並且第一介電層含有位置固定的負電荷。
【專利說明】用於製造太陽能電池的方法以及太陽能電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種太陽能電池，其包括矽基板，該矽基板帶有經過紋理工藝處理的並且具有η型摻雜區域的面向輻射的正面、帶有具有P型摻雜區域的背面、帶有沿著背面伸展的第一介電層、帶有沿著第一介電層的背離基板的側面伸展的第二介電層，第二介電層由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽的組中的一種材料製成或者包括該組中的一種材料，以及沿著所述第二介電層的背離基板的側面延伸的金屬層。
【背景技術】
[0002]為了可以改進太陽能電池，尤其是矽基的太陽能電池的效率，近年來，開發了一系列的實驗以及多種方法。
[0003]由W02009/071561A公知了一種金屬電極環繞穿通型-鈍化發射極背面電池MWT(Metal Wrap Through)-PERC(Passivated Emitter Rear Cell),在其中，在背面上塗上由氧化物，如氧化鋁製成的第一層並且塗上SiNx:H層作為第二層。
[0004]為了能夠製造出帶有穩定的鈍化性的太陽能電池，DE102010017155A在太陽能電池的基板的背面上設置了至少一個介電層，介電層由氧化鋁、氮化鋁或氮氧化鋁和其它的成份組成。
[0005]由EP1489667A2和EP1763086A1得到關於如下可能性的知識，即，時間一直持續到自由載流子複合為止，進而能夠提高複合率，並且進而又提高效率，在其中，在背離光的側面上施加了在娃基板和金屬化之間的介電層。
[0006]EP1763086A1描述了由SiO2組成的介電層系統的並且在其上沉積SiN層的用途，用於太陽能電池背面的電鈍化。
[0007]在EP1489667A2中公開的原理的實施方式使用了一種用於太陽能電池的介電鈍化的、包括Al2O3和SiO2的化合物。
[0008]DE3815512A1公開了一種由包含n+p-結(Obergang )摻雜的半導體本體構成的太
陽能電池，該半導體本體在背面上整面地以接觸層覆蓋。在半導體本體的背面上額外的整面地施加氧化層。
[0009]基於晶體矽的高效能太陽能電池結構的文獻具有表面的介電鈍化作為達到高效能的主要的特徵，其中，只在限定的位置上建立了在金屬接觸部和矽之間的結合(參見:M.A.Green, Silicon Solar Cells, 1995)。
[0010]在正面上必須總是結構化地形成金屬化，而在工業用的太陽能電池中，通常在為了降低複合通過形成背面場(back surface field, BSF)製造出帶有整面的娃和金屬的結合的背面。
[0011]在通過電池背面的介電鈍化來進行提高效率的過程工業轉化的情況下，主要的阻礙是為此而必要的附加的製造步驟的高成本，以及難於在工業上的過程中取得所生成的層和接觸部的足夠的電子佳度。
[0012]通過兩種機制來實現在由矽製成的太陽能電池中的表面複合的抑制。通過矽的電化合的化學飽和的方式使這個表面鈍化，也即，它不會造成電子複合，為此，具有電子帶隙的層，也就是半導體或電介質，適於此處。
[0013]此外，通過施加帶電層的方式可以由於它們的場作用使在表面上的載流子類型的集中度強烈地減少。這同樣也抑制了複合(場效應鈍化)。像從文獻已知的那樣，在帶有娃的接觸部內的不同的電介質，尤其是氧化娃(弱P型(schwach positiv))、氮化娃(p型(positiv))和招(η型(negativ))形成表面電荷。依賴於所選擇的沉積方法,這種電荷只在回火步驟(Temperschritt)後可能會形成。
[0014]為了可以鈍化表面，首要的是，能夠從製造過程中排除源於晶片的表面損傷。對此，可以將晶片表面在酸性的或鹼性的溶液中蝕刻。
[0015]在此，蝕刻液可以根據方法分別作拋光調整或做粗化調整。蝕刻得特別光滑表面有複合較低的優點，與此相反的，粗糙的表面證明對於太陽能電池正面來說是有利的，因為減少了反射。
[0016]對於單晶矽來說提供了，可以以如此方式鹼性地蝕刻出〈100〉取向的晶片的表面，即，形成〈111〉取向的稜面。這導致了呈金字塔狀的表面的結構。
[0017]對於多晶矽來說，這也是可能的，但是，晶粒由於它的不同的晶體取向性而不均勻地經過紋理工藝處理。因此，通常，使用酸性的、導致更均勻的粗化的、所謂的異紋理化(IsotexturX[0018]在與背面的光滑蝕刻組合的正面的紋理化表現出了關於太陽能電池效率的最優點。但是，這種組合要求兩個過程中的至少一個在一側運用。這表現出了很高的在設備技術上的成本。在通常，僅兩個過程中的一個在一側運用；這也會因此而發生，即，只在一側消除通過表面損傷引起的應力導致了晶片強烈的彎曲。
[0019]為了製造背面鈍化的太陽能電池，必要的是，發射極只在兩個側面的一個上形成，通常是在正面上形成。但是，在施加氣相的摻雜物質的情況下，這首先發生在兩個側面。如果使用固態的或液態的摻雜物質源，則這在一側實現，但是在這裡，也應該考慮到在晶片背面上的一定的摻雜包圍(Umgriff)。
[0020]為了避免這一情況，在摻雜之前晶片背面可以設置保護層。但是，在工業上的過程中在摻雜後經常要從晶片背面去除該層，該層的厚度略大於摻雜劑的滲入深度，即，典型地在0.5到幾個μπ?之間。
[0021]為了太陽能電池背面的電鈍化需要找到這樣的層，其提供了在場效應鈍化和化合飽和之間合適的組合。像由文獻中已知的那樣,用氧化矽可以建立很好的鈍化,這種氧化矽可以通過矽的熱氧化方式來生成或者經化學氣相沉積法(CVD Verfahren)來沉積。
[0022]但是，相對背面的金屬層的完整燒結，SiOx在用於形成接觸部的必要的回火步驟中只提供低的電阻性能。氮化矽在與金屬結合下是基本上穩定的，但是，由於它的高的正電荷密度生成了感應的η型導電的所謂轉化層(Inversionsschicht)。在這個層中，收集了基底的少數載流子並且傳導向金屬接觸部，在那裡，少數載流子通過複合消失(參考文獻.:DauWe)。因為它含有負電荷，所以AlOx是一個好的備選，但是，它不經濟地以保障足夠回火穩定性的層厚度來沉積。由於上述的難度，由這些材料製成的組合是非常有利的，其中，通常將SiOx、AlOx作為第一層使用或者SiN作為第二層使用。
[0023]W02006/097303A1描述了，表面鈍化的足夠的質量只在使用很厚的層的情況下來取得；此外描述了，通過從孔到層內的局部的滲入方式並且將導電的材料施加在背面表面上的方式來使接觸部成形。只在晶片的正面進行紋理工藝處理。
[0024]DE10046170A描述了在施加金屬層並且必要時在金屬骨中燒結後，一種用於在背面的金屬層和矽之間形成接觸部的方法。其中，指定的接觸區域局部地，例如通過雷射射線來加熱，從而使金屬滲透過介電層並且與矽結合。
[0025]在工業上的實踐中通常在Si和背面的金屬層之間形成偶然的「寄生」接觸部，該接觸部提高了在電池背面上的載流子損失，因而降低了效率。這主要是通過如下的機制來發生:
[0026]1.通過在塗覆期間的附著的或放置的粒子在沉積的層中的孔(「針孔」)，
[0027]2.通過表面的不平的結構在層厚度直入到孔為止中的波動自身與所選擇的沉積方法的結合，尤其是在定向的沉積的情況下在帶有很小厚度的位置處，
[0028]3.在沉積期間或者在隨後的鈍化中，尤其是在如接觸燒結(「起泡」)的熱過程中的層的點或面的脫落。
[0029]在相應的位置上形成在塗在鈍化層上的金屬層燒結在電池背面的情況下的寄生接觸部。按照傳統的原理通過下面的措施來避免這種損失機制:
[0030]-晶片背面的拋光或光滑蝕刻，具體方式為，在紋理化步驟後晶
[0031]片經受單面蝕刻，或者通過在雙面的光滑蝕刻後掩蓋住背面並且
[0032]只對正面進行紋理工藝處理，
[0033]-施加很厚的、超過例如IOOnm的層或者堆積多個層。
[0034]用於形成局部的接觸部的層的開口可以通過如下的技術來實現:
[0035]-以雷射燒蝕，
[0036]-掩蓋表面並局部地蝕刻，
[0037]-局部的施加蝕刻介質並且隨後進行熱活化。
[0038]從現有技術中已知的方法具有許多必要的過程步驟。從中，得到了所製造的太陽能電池的高的過程成本和效率的波動寬度(誤差傳播Fehlerfortpflanzung)。
【發明內容】
[0039]在此基礎上，本發明的任務在於，可以以如下方式擴展出一種用於製造太陽能電池的方法以及一種太陽能電池，使得能夠重現地、以少的過程步驟來製造帶有特別高的效率的太陽能電池。
[0040]為了解決該任務，主要地，但是非限制性地提出了，在60 °入射角的情況下，基板的背面具有小於80⑶(光澤度)，尤其是在2GU和80⑶之間，優選在20GH和80⑶之間的範圍內的光澤度並且第一介電層局部地含有位置固定的負電荷。
[0041]根據本發明，設置了兩面的(基本上)對稱的紋理(特點:在背面保留粗糙度)的組合，以如下的層序列沉積:{熱(therm.)Si02 (可選)}、A1203、SiNx或SiOx。
[0042]例如:
[0043]A.不足的蝕刻的情況下在SiO/SiN層組合下的損失，
[0044]B.AlO未避免寄生的接觸(未開口的電池)，
[0045]C.以更粗糙的表面，與SiOx相比AlO改善了效率，[0046]AlOx如此形成，即，在與下面的過程組合下沒有出現「起泡」。
[0047]該過程實施如此地實現，即，儘管增加了表面，但基本上不出現複合提高。不管是在單側或雙側進行擴散，整個背面表面的避免粗糙度的蝕刻只在擴散後實現。因此，去除量像所需要的那樣高，以便可以去除被擴散進入的層，即，典型地大於0.5 μ m，但是要小於例如5μπι。由於所含有的負電荷，通過寄生的接觸部使損失最小化。此外，層結構有助於，在粗糙的表面上也儘可能不形成寄生的接觸部。
[0048]優選的方法順序是如下所述的，其中，必要時，方法步驟可以省略、更換或者改變順序。
[0049]方法1:
[0050]Α.準備帶有P型摻雜的矽晶片，為多晶矽或單晶矽。
[0051]B.為去除鋸形損傷對兩個表面進行蝕刻，和/或不對背面進行分別地蝕刻地進行紋理化處理，也即，取消光滑蝕刻。
[0052]C.使η型摻雜材料至少擴散進入正面。
[0053]D.優選在步驟E前或後分離磷質玻璃。
[0054]Ε.在晶片背面上去除擴散層，此外，去除量優選在0.5μπι和5μπι之間。此外，蝕刻以如下方式實現，即，在60°入射角的情況下，光澤度位於20%和80%之間範圍內。光澤度是在直接的和彌散性的 擴散之間的比率。
[0055]F.含有負電荷的介電層以優選在5nm和IOOnm之間的層厚度沉積在背面上。
[0056]G.介電層，優選是氮化矽在步驟F後以優選40至400nm的層厚度沉積在介電層上。
[0057]H.對根據步驟F.和G.的層進行局部開口。
[0058]1.通過氣相沉積法或絲網印刷法將鋁層施加在背面上。
[0059]J.通過在優選高於550°C的溫度的情況下的回火方式來製造金屬-半導體-接觸部。
[0060]方法I1:
[0061]根據方法I的方法進行步驟A.-F.:
[0062]G.以優選40至400nm的層厚度沉積氮化矽或氧化矽。
[0063]H.通過氣相沉積法或者絲網印刷法將鋁層施加在背面上。
[0064]1.通過藉助雷射射線局部加熱背面金屬的方法以如下方式製造局部的金屬-半導體-接觸部，即，金屬滲透過介電層並且與矽結合。
[0065]在本發明的擴展方案中規定了，第一介電層由氧化鋁、摻雜的氧化矽的組中的一種材料組成或者包含一種這樣的所述材料。
[0066]優選的,本發明規定了，第一介電層具有5nm≤Dl ( IOOnm的層厚度Dl。
[0067]進而優選地，第二介電層具有40nm≤D2≤400nm的層厚度D2。
[0068]在擴展方案中，本發明提出了，帶有優選Inm≤D3≤IOnm的層厚度D3的由氧化矽組成的或者包含氧化矽的層在第一介電層與基板之間延伸。
[0069]本發明特別地特徵在於用於製造太陽能電池的方法，該方法包括如下的方法步驟:
[0070].蝕刻所述基板的兩個表面[0071].n型摻雜的材料至少擴散到矽基板的面向輻射的正面中
[0072].在避免光澤蝕刻的條件下蝕刻基板的背面
[0073].由一種材料在基板背面地沉積第一介電層,第一介電層中的該材料在沉積後含有位置固定的負電荷
[0074].沿著第一介電層沉積出由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽的組中的一種材料製成的或者包含該組中的一種材料的第二介電層
[0075].沿著第二介電層沉積出金屬層。
[0076]在此，尤其規定了，金屬層舉例的與基板接觸。
[0077]有利的實施方式:
[0078]-帶負電荷的層是AlOx
[0079]-以原子雷射沉積ALD(Atomic Laser Deposition)或者等離子
[0080]增強化學氣相沉積PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)沉積出AlOx
[0081]-在沉積這些層前，也即，在方法I或II的步驟E.和F.之間，對晶片表面進行熱氧化
[0082]-接觸部實施為直線
[0083]-在沉積SiN情況下基板的溫度優選為>320°C
[0084]-在層沉積(步驟G.)之前對接觸區域進行硼摻雜
[0085]-以選擇性的發射極實施
[0086]尤其規定了，基板的背面經過紋理工藝處理。
[0087]在實施方式中，帶有優選1nm≤D3 ≤1Onm的層厚度D3的、由氧化矽組成的或者包含氧化矽的層在第一介電層與基板之間延伸。在該層厚度範圍內，不會在第一介電層內妨礙負電荷形成。具有厚度D3的層可以例如通過熱氧化的方式來生成。
[0088]本發明的另外的細節、優點和特性不僅從可自身和/或組合地看出特性的權利要求中得出，而且從下面的優選的實施例的描述中得出。
【具體實施方式】
[0089]從唯一的附圖可以看出太陽能電池的實施方式，其背面RS藉助至少雙層的介電層23、24的幫助以如下方式來鈍化，即，通過寄生的接觸方式基本上避免了損失。這通過雙面的(基本上)對稱的紋理化T的組合來得到，其中，在背面RS上仍然獲得粗糙度並且從背面RS觀察地以如下的層序列沉積:{熱SiO2 (可選)}、Al2O3' SiNx或SiOx0
[0090]換句話說，在必要時的沉積出優選在1nm和1Onm之間的厚度的氧化矽層之後首先在背面RS上施加第一介電層23,在沉積後,該第一介電層含有位置固定的負電荷。
[0091]在這個優選由氧化鋁組成的第一層23或者另一個在塗上之後含有位置固定的負電荷的層，如例如，以氟摻雜的氧化矽層上施加第二介電層24，該第二介電層可以由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽組成。然後，在第二介電層24上塗覆在背面上的金屬層25，尤其是鋁層，並且以在期望的位置上穿透第一和第二介電層23、24的方式與矽基板21發生接觸。
[0092]以慣有的方式將正面接觸部27施加在正面OS上。
[0093]此外，從原理圖看到，背面RS蝕刻得並不光滑，但可以稱為經過紋理工藝處理，因為在蝕刻面向進入的射線的前面或者正面OS的情況下同時蝕刻背面RS。
[0094]換句話說，不進行根據現有技術來實現的光澤蝕刻。因此，與已知的太陽能電池相比得到了增大了的背面表面。
[0095]AlOx層23這樣形成，即，在與下面的過程組合下不出現「起泡」。
[0096]如此地實施過程引導，即，儘管增加了背面RS的表面，但基本上不出現複合提高。整個背面表面的、避免粗糙度的蝕刻只在摻雜物擴散，以在矽基板21內構成pn-結的之後才實現，更確切地說，無論是否在單側或雙側進行擴散。此外，去除量像需要的那樣高，以便可以去除通過摻雜物向內擴散方式所生成的層，即，通常大於0.5 μ m，但是要小於例如5 μ mo由於在第一介電層23內含有的負電荷,通過寄生的接觸部使損失最小化。此外,層結構有助於，在粗糙的表面上也儘可能不形成寄生的接觸部。
[0097]下面詳細地描述太陽能電池的製造:
[0098]唯一的附圖示出了按照在表示為方法II之前的方法製造的太陽能電池，該太陽能電池具有未經光澤蝕刻的背面RS。該太陽能電池具有帶有P型摻雜的矽晶片21，在其中，可以存在多晶矽或單晶矽的構造。首先，蝕刻表面，即，正面OS和背面RS，以便可以去除鋸形損傷或者可以構成紋理T。此外，取消根據現有技術進行的正面OS的分開的光澤蝕刻，然後，至少在正面18的表面內滲入η型摻雜的材料，如磷(層22)。
[0099]然後，去除所產生的矽酸磷玻璃(PSG)。最後，蝕刻背面(RS)，以便可以去除擴散的摻雜物。去除量量優選定在0.5μπι (微米)和5μπι (微米)之間。然後，根據實施例，在背面RS上沉積出層厚度優選在5nm和IOOnm之間的第一介電層23,該第一介電層在沉積後含有負電荷。必要時，在此之前將氧化矽層直接施加在背面RS上，其中，厚度優選在Inm和IOnm之間。然後，在第一介電層23上沉積由一種材料(如氮化矽、氧化矽或者氮氧化矽)製成的第二介電層24，其中，厚度優選位於40nm和400nm之間。第二介電層24也可以表示為覆蓋層(Capping Layer)。最後,在第二介電層24的暴露的外側上施加金屬層,尤其是招層
25。這可以藉助氣相沉積法或者絲網印刷法來實現。然後，優選在金屬層25和基板21之間實現點式接觸。
[0100]為此，藉助雷射射線通過局部加熱背面金屬以如下方式製造局部的金屬-半導體-接觸部，即，金屬滲透過介電層23、24並且與矽結合。
[0101]正面OS以慣有的方法具有正面接觸部27。
[0102]根據本發明的方法允許以儘可能少的製造步驟，尤其是對於標準步驟附加的(I擴散步驟，絲網印刷接觸)步驟來製造改進的太陽能電池。
[0103]在此，已知的技術，如改變了的發射極輪廓來根據本發明組合選擇性的發射極以及鈍化的背面。在背面上的表面的粗糙度導致寄生的接觸，並且與傳統的塗覆技術和接觸法組合導致了電損耗。根據本發明避免了這種損耗，而無需尤其對背面進行光滑蝕刻。
【權利要求】
1.一種太陽能電池(10)，所述太陽能電池包括矽基板(21)，所述矽基板帶有: 經過紋理工藝處理的並且具有η型摻雜區域(22)的、面向輻射的正面(OS)、帶有具有P型摻雜區域的背面(RS)、 帶有沿著所述背面(RS)伸展的第一介電層(23)、 帶有沿著所述第一介電層的背離基板側伸展的第二介電層(24 )，所述第二介電層是由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽的組中的一種材料製成的或者包含該組中的一種材料以及沿著所述第二介電層的背離基板側延伸的金屬層(25)，其特徵在於， 所述基板(21)的背面(RS)具有在60°入射角的情況下的在80⑶以下的光澤度並且所述第一介電層(23)含有位置固定的負電荷。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池， 其特徵在於， 在60°入射角的情況下，光澤度位於在2GU與80⑶之間，尤其是20⑶與80⑶之間。
3.根據權利要求1或2所述的太陽能電池， 其特徵在於， 所述第一介電層(23)由氧化鋁、摻雜的氧化矽的組中的一種材料構成或者包含一種這樣的所述材料。
4.根據前述權利要求中至少一項所述的太陽能電池， 其特徵在於， 所述第一介電層(23)具有5nm≤Dl ≤ IOOnm的層厚度Dl。
5.根據權利要求1所述的太陽能電池， 其特徵在於， 所述第二介電層(24)具有40nm≤D2≤400nm的層厚度D2。
6.根據前述權利要求中至少一項所述的太陽能電池， 其特徵在於， 所述基板(21)的背面(RS)是經過紋理工藝處理的。
7.根據前述權利要求中至少一項所述的太陽能電池， 其特徵在於， 帶有優選Inm≤D3≤IOnm的層厚度D3的由氧化矽組成的或者包含氧化矽的層在所述第一介電層(23 )與所述基板(21)之間延伸。
8.一種用於製造尤其是根據權利要求1的太陽能電池(10)的方法，所述方法包含如下方法步驟: ?蝕刻所述基板(21)的兩個表面 ? η型摻雜的材料至少擴散到所述矽基板的面向輻射的正面(OS)中 ?在避免光澤蝕刻的情況下蝕刻所述基板的背面(RS) ?由一種材料在基板背面地沉積出第一介電層(23 ),第一介電層中的所述材料在沉積後含有位置固定的負電荷 ?沿著所述第一介電層沉積出由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽的組中的一種材料製成的或者包含該組中的一種材料的第二介電層(24) ?沿著所述第二介電層沉積出金屬層(25)。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述基板(21)與所述第一介電層(23)之間沉積出氧化矽層或包含氧化矽的層。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，為了得到位置固定的負電荷，用氟和/或磷來摻雜所述第一介電層，如氧化矽層。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於， 所述金屬層(25)局部地，如點狀地與所述基板接觸。
12.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述基板(21)的正面(OS)以及背面(RS)都在第一蝕刻步驟中經過紋理工藝處理。
【文檔編號】H01L31/0216GK103718311SQ201280037938
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月26日 優先權日:2011年7月29日
【發明者】延斯·迪爾克·莫施納, 伊馮娜·加森鮑爾, 阿加塔·拉霍維奇, 馬庫斯·菲德勒, 加布裡埃萊·布倫丁, 卡塔琳娜·德雷斯勒 申請人:肖特太陽能控股公司