具有原位表面鈍化的離子注入選擇發射極太陽能電池的製作方法

2023-12-03 02:25:21

專利名稱：具有原位表面鈍化的離子注入選擇發射極太陽能電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過離子注入形成選擇發射極和原位表面鈍化的太陽能電池，及其製造方法。
背景技術：
在基本設計中，太陽能電池由半導體基底製成，半導體基底吸收光子的能量並通過光電效應產生電流。當光子進入基底時，能量被吸收，以前處於束縛狀態的電子被釋放，被釋放的電子和以前被佔據的空穴被稱為電荷載體。基底通常用ρ-型和η-型雜質摻雜，以在太陽能電池內形成電場,稱為p-n結。為了利用自由電荷載體發電，在被P-n結處的電場分離之前，電子和空穴不能結合。未結合的電荷載體可以用來為負荷提供電能。常用的太陽能電池的製造方法包括，提供一個基底，基底經摻雜具有P-型電導率。基底的前面引入η-型摻雜劑，以在ρ-型基極層的頂部形成η-型發射層。在發射層的前面和基極層的後面形成觸點，以形成電連接。自由光子被前面觸點收集，空穴被後面觸點收集。因為前面觸點阻擋了一部分入射光，所以最好不要用觸點材料覆蓋太多的發射層的前面。常用的方法包括，形成接觸點、接觸線或接觸柵格。一些廉價的形成觸點的方法(如絲網印刷)需要重度摻雜發射層，以減小前面觸點與下層發射層之間的接觸電阻。但是，採用重度摻雜會導致發射層中和發射層表面的電荷載體結合增加，降低太陽能電池的效率。為了克服上述缺陷，採用了各種技術形成前面觸點下層重度摻雜、前面觸點之間的裸露區域輕度摻雜的發射·層，稱為選擇發射極。但是，現有的用於製造具有選擇發射極的太陽能電池的方法效率低，製成的太陽能電池的效率不理想。因此，確有必要提供一種選擇發射極太陽能電池的製造方法，以克服現有技術中的缺陷和不足。

發明內容
本發明提供了在一種一次退火循環中形成具有離子注入選擇發射極和優質原位鈍化層的太陽能電池及其製造方法，本發明的實施方式克服了現有技術中存在的一個或多個缺陷，本發明的實施方式可以減少製造太陽能電池所需的時間和成本。根據本發明的一個實施方式，太陽能電池包括一個具有P-型基極層的矽基底，通過離子注入在P-型基極層上形成η-型發射層。發射層為選擇發射層，包括一個或多個第一摻雜區和一個或多個第二摻雜區，一個或多個第二摻雜區的摻雜度高於一個或多個第一摻雜區的摻雜度。太陽能電池還包括一個位於P-型基極層和發射層界面的P-n結，發射層的前面形成鈍化氧化層，P-n結和鈍化氧化層在一次退火循環中形成。根據本發明的另一個實施方式，太陽能電池包括一個具有硼摻雜P-型基極層的單晶矽基底。太陽能電池包括通過兩次離子注入步驟在基極層的前面上形成的磷摻雜發射層，發射層為選擇發射層，包括在第一次離子注入步驟中形成的第一摻雜區和在第二次離子注入步驟中形成的第二摻雜區。通過在第二次離子注入步驟中使用高劑量摻雜劑或附加摻雜劑，第二摻雜區的摻雜度高於第一次摻雜區的摻雜度。當基底進行一次退火循環時，基極層的前面與發射層的後面的界面形成P-n結。發射層的前面形成有前面鈍化氧化層，如絕緣的二氧化矽鈍化層。基極層的後面形成有後面鈍化氧化層，如絕緣的二氧化矽鈍化層。如前所述，前面鈍化氧化層、後面鈍化氧化層、P-n結在一次退火循環中形成。前面鈍化氧化層的前面形成有減反射層，如氮化矽、氧化鋁、氧化鈦、氟化鎂、硫化鋅或其組合。減反射層上絲網印刷一個或多個銀前面觸點，基極層的後面絲網印刷一個或多個鋁後面觸點。通過液相外延再生，在基極層的後面和一個或多個後面觸點的界面形成鋁摻雜P+矽層。一個或多個前面觸點與發射層的重度摻雜的第二摻雜區對齊，以減小接觸電阻。根據本發明的一個實施方式，提供了一種在一次退火循環中形成具有離子注入選擇發射極和優質原位鈍化層的太陽能電池的製造方法，其包括，提供一個具有硼摻雜P-型基極層的矽基底。磷摻雜劑均勻地引入基極層的前面，以在第一注入步驟中通過離子注入輕度摻雜基極層的前面的第一區和第二區。在第二注入步驟中，採用離子注入通過遮罩在基極層的前面的第二區引入附加摻雜劑。因此，第二區的摻雜度高於第一區的摻雜度。基底在爐中進行一次高溫退火循環，以修復注入損傷、激活第一區和第二區的磷摻雜劑、以及驅使第一區和第二區的磷摻雜劑至理想的結深。因為第一區和第二區的摻雜量不同，所以基極層的前面形成選擇發射層。在一次退火循環中，爐中也引入氧，以有助於在選擇發射層的前面和基極層的後面形成鈍化氧化層。由於採用離子注入無需在形成氧化層之前移除磷矽酸玻璃，鈍化氧化層(如絕緣的二氧化矽鈍化層)可以原位形成。太陽能電池的製造方法還包括，在前面鈍化氧化層的前面沉積非晶氮化矽層，以通過非晶氮化矽層和前面鈍化氧化層的結合形成減反射層。非晶氮化矽層上絲網印刷一個或多個銀前面觸點，·銀觸點與基極層的前面的重摻雜離子注入第二區對齊。非晶氮化矽層上還絲網印刷有一個或多個銀前面連接，如可焊接墊片或母線。基極層的後面上絲網印刷一個或多個銀-鋁連接，如可焊接墊片或母線。基極層的後面上絲網印刷有鋁後面觸點。前面和後面觸點、前面和後面連接在帶式爐中共燒，使得前面和後面觸點、前面和後面連接燒透減反射層和/或鈍化氧化層。一個或多個前面觸點通過非晶氮化矽層和前面鈍化氧化層與選擇發射層電連接。在前面和後面觸點的共燒過程中，通過液相外延再生，在基極層的後面與後面觸點的界面上形成鋁摻雜P+矽層。根據本發明的另一個實施方式，提供了一種太陽能電池的製造方法，太陽能電池具有在一次退火循環中形成的離子注入選擇發射極和優質原位鈍化層。太陽能電池的製造方法包括，提供一個包括P-型基極層的基底，通過離子注入，至少將摻雜劑引入P-型基極層的前面的第一區。通過離子注入，至少將摻雜劑引入P-型基極層的前面的第二區。第二區的摻雜度高於第一區的摻雜度，引入第一區和第二區的摻雜劑具有η-型電導率。基底進行退火處理，在退火處理中，基底在爐中加熱至一個溫度，以修復注入損傷、激活第一區和第二區的摻雜劑、驅使第一區和第二區的摻雜劑深入基底，以在P-型基極層的前面上形成選擇發射層。在退火步驟中，爐中引入氧，至少在選擇發射層的前面上形成鈍化氧化層。根據本發明的另一個實施方式，提供了一種根據上述方法製得的太陽能電池，其包括在一次退火循環中形成的離子注入選擇發射極和優質原位鈍化層。以上提供的發明概要僅僅是為了總結本發明的一些示例性實施方式，以提供本發明的一些方面的基本理解。因此，可以理解的是，以上描述的示例性實施方式並不能解釋為以任何方式限制本發明的保護範圍和精神，本發明的保護範圍由說明書和權利要求書界定。可以理解的是，除了以上總結的實施方式，本發明還可以包括其他不同的實施方式，以下將詳細描述其中的部分實施方式。


已經概述了本發明的實施方式，以下結合附圖詳細描述本發明的實施方式，附圖並非嚴格按比例繪製，其中:圖1所示為本發明太陽能電池的一個實施方式的剖視示意圖。圖2a和2b所示為本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式的流程示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖，詳細描述本發明的一些實施方式，其中，附圖僅僅顯示了本發明的部分實施方式。本領域的技術人員可以理解的是，本發明也可以體現為其他不同的形式，並不局限於本說明書中給出的實施方式。本說明書中給出的實施方式僅僅是為了說明書的揭示可以滿足法律要求，其中，相同的附圖標記始終表示相同的元件。選擇發射極結構有助於彌合實驗室中製造的高效但昂貴的矽太陽能電池和工業上製造的廉價但低效的太陽能電池之間的差距。大多數工業矽太陽能電池使用廉價、絲網印刷的金屬觸點，要求重度摻雜發射層，以將接觸電阻降至可以接受的水平，如小於5mQ-cm2。但是，對於具有重度摻雜的均勻發射極的太陽能電池，在發射極和發射極表面，電荷載體的結合增加， 導致太陽能電池效率的損失。通過使用選擇發射極可以減小電荷載體的結合，選擇發射極的特徵為:觸點下的重度摻雜和觸點之間的輕度摻雜。本申請的發明人發現，加入優質鈍化氧化層可以顯著改善選擇發射極太陽能電池的性能。但是，在製造過程中，將優質鈍化氧化層加入選擇發射極太陽能電池需要額外的時間、能量和成本。例如，在已有的使用液態摻雜劑源(如三氯氧化磷，POCl3)的太陽能電池的製造過程中，在摻雜劑的擴散過程中，基底的表面形成磷矽酸玻璃(PSG)層。在形成鈍化氧化層之前，需要從基底的表面移除磷矽酸玻璃，如沉浸在稀氫氟酸中。因此，如果通過摻雜劑擴散製造的選擇發射極結構中包括鈍化氧化層，移除磷矽酸玻璃後，鈍化氧化層通常會在第二高溫(如800至1000攝氏度)步驟中生長。此外，液態摻雜劑方法需要兩個獨立的擴散，包括用於沉積保護性的氮化矽層和絕緣蝕刻漿料以形成選擇發射區的擴散之間的額外步驟，額外的步驟增加了製造太陽能電池的時間和成本。此外，通過液態摻雜劑擴散形成的具有鈍化氧化層的選擇發射極太陽能電池，還具有其他本發明可以避免的缺陷。液態摻雜劑擴散不可避免地導致在矽晶片的前面和後面形成n+摻雜層。因此，在具有通過液態摻雜劑擴散形成的具有發射極的太陽能電池的製造過程中，需要進行結邊際分離步驟，以斷開前面和後面沿著電池邊緣的電分流路徑。通常，邊際分離可以通過雷射法、等離子法或化學法形成凹槽實現。在邊際分離時形成的凹槽，會使太陽能電池的有效面積減小約1%，使太陽能電池的效率降低約0.2%。此外，液態摻雜劑擴散中，在晶片兩側形成的n+摻雜層會阻止後期的後面鈍化的展開。通過離子注入形成的選擇發射極，可以實現摻雜劑更均勻地混合，不會形成磷矽酸玻璃，無需邊際分離。對太陽能電池進行額外的高溫退火以形成氧化層，不僅導致製造方法效率不高，而且還可能驅使離子注入的摻雜劑進一步進入基底，影響摻雜劑的理想分布。為了解決上述問題，本申請的發明人發現了一種具有選擇發射極和優質鈍化氧化層的太陽能電池的製造方法，製造方法包括:使用離子注入摻雜場區和選擇選擇區，在激活和驅使已注入摻雜劑的退火處理中將氧引入爐中。如此，在一次高溫退火步驟中，可以形成理想的選擇發射極和優質鈍化氧化層。因此，僅僅採用流線和工業水平工藝，即可生產高容量、模塊化的太陽能電池。生產的太陽能電池的平均效率為18.5%tol9%, 156毫米偽正方形基底的潛在效率約為20%。圖1所示為本發明太陽能電池5—個實施方式的示意圖。太陽能電池5可以由半導體基底製成，基底可以由矽(Si)、鍺(Ge)、矽-鍺(SiGe)、其他半導體材料或其組合製成。採用單晶基底時，半導體基底可以由熔體通過浮動區法(FZ)或柴氏法(Cz)形成。形成的單晶晶澱隨後被製成晶片，晶片拋光後形成基底。對於由娃、錯或娃_錯製成的基底，晶面的晶向可以為(100)或(110)。或者，基底可以為多晶基底，多晶基底比單晶基底便宜。但是，採用多晶基底時，電荷載體易在晶粒的邊界結合，需要鈍化以避免效率損失。在各項異性蝕刻工藝中，通過氫氧化鉀(KOH)和異丙酮(IPA)溶液處理，基底的前面和後面可以形成錐體結構。通過減少因前面反射而損失的光，錐體結構可以增加進入太陽能電池5的光。在形成後面觸點時，後面上的錐體結構會被破壞。根據圖1所示的實施方式，基底可以摻雜第一導電型的雜質，如P-型雜質，以形成P-型基極層。如果基底是由矽(Si)、鍺(Ge)或矽-鍺(S1-Ge)製成，p_型基極層10可以用硼(B)、鎵(Ga)、銦(In)、鋁(Al)或者其他第III族元素摻雜。或者，基底可以用磷(P)、銻(Sb)、砷(As)或其他第V族元素摻雜，以具有η-型導電率並形成η-型基極層。在ρ-型基極層10的前面，可以通過離子注入形成包括重摻雜區15和輕摻雜區20的選擇發射層。重摻雜區15和輕摻雜區20可以用與第一導電型相反的第二導電型的雜質摻雜，如η-型雜質。P-型基極層10和摻雜區15、20的界面可以形成ρ-η結，由於導電型相反，ρ-型基極層10和摻雜區15、20形成穿過ρ-η結25的電場，電場可分離吸收光子形成的電子和空穴，並使電子和空穴沿著相反的方向分別向前面和後面觸點30，35移動。在選擇發射層的摻雜區15、20的前面和P-型基極層10的後面，晶體結構不連續，裸露的表面上存在懸掛鍵。懸掛鍵形成結合中心，湮滅電荷載體，降低太陽能電池的效率。為了防止發生此情形，在本發明的一些實施方式中，在選擇發射層的摻雜區15，20的前面和P-型基極層10的後面都形成氧化層40，41。如此，可以在整個裸露的晶片表面(包括晶片厚度方向的薄邊)形成鈍化氧化層。氧化層40，41可以與選擇發射極的摻雜區15，20的前面、ρ-型基極層10的後面接觸，以從化學上滿足界面原子的結合需求，使其不湮滅電荷載體。氧化層40，41可以包括矽基底的絕緣物質，如二氧化矽(SiO2),或者其他半導體的氧化物，取決於基底的構成。氧化層40，41的厚度為5至150納米，如20納米。通過鈍化基底表面上的懸掛矽鍵，氧化層40，41可以降低表面結合的速度，減小反向飽和電流密度(Jj的發射極分量，提高太陽能電池5的總體效率。 此外，在本發明的一些實施方式中，當覆蓋氮化矽層時，P-型基極層10的後面上形成的氧化層41可以生成優質的絕緣鈍化後面。選擇發射層的摻雜區15，20的前面的氧化層40上可以形成減反射層45，以減小入射光的反射和太陽能的損失。減反射層45的折射率大於氧化層40的折射率，使得太陽能電池的入射光折射進入減反射層45，經氧化層40進入基底並轉變成自由電荷載體。例如，採用波長為632.8nm的入射雷射測量時，減反射層45的折射率為1.9至2.4。減反射層45可以由氮化娃(SiNx)、氧化招(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氟化鎂(Mg2F)、氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS2)，或其組合構成。在本發明的一些實施方式中，減反射層45包括非晶氮化物，如非晶氮化矽(a-SiNx)。減反射層45的厚度為10至100納米。前面和後面觸點30，35、前面和後面連接可以由導電材料形成，如銀(Ag)、鋁(Al)，或銀和鋁的組合。通常，對於矽基底和其他基底，銀可以用於接觸η-型摻雜基底的表面，如選擇發射層的摻雜區15，20。鋁、銀、或含有鋁添加劑的銀，可以用於接觸P-型摻雜的基底的表面，如P-型基極層的表面。金屬和半導體的直接接觸導致電子和空穴結合率增加，顯著降低太陽能電池的效率。為了降低此效應並限制覆蓋在基底表面上的金屬比例，前面和後面觸點30，35、前面和後面連接可以設置成點觸點或線觸點(有時稱為局部觸點)。點觸點或線觸點的間距和設置可參照2009年I月29日公布的美國專利申請公布US2009/0025786，其全部內容被弓I入本說明書中作為參考。前面和後面觸點30，35、前面和後面連接可以通過在減反射層45的前面絲網印刷銀、在P-型基極層10或後面鈍化氧化層41的後面絲網印刷鋁、銀或含有鋁添加劑的銀形成。前面和後面連接可以包括可焊接墊片或母線，以方便與太陽能電池5的前面和後面電連接。根據本發明的一些實施方式，前面連接的圖案與後面連接的圖案對齊。此外，對於前面觸點30和前面連接，可以選擇銀，因為銀有良好的導電性且可限制遮蔽效應導致的太陽能電池效率降低。為此，可以選擇各種商業化銀漿料，如HeraeusS0L953。但是，銀不透明，因此最好將前面觸點30和前面連接的尺寸限制為有限區域的點觸點或線觸點。為了減小前面觸點30和 下層選擇發射層之間的接觸電阻，前面觸點30與選擇發射層的重摻雜區15對齊。在本發明的一些實施方式中，前面觸點30的寬度小於重摻雜區15的寬度，以保證前面觸點30完全位於重摻雜區15內。選擇區域的重摻雜可以增加下層ρ-η結25的深度，防止用於形成前面觸點30的金屬眾料成分燒透ρ-η結25。根據本發明的一些實施方式，可以在形成前面觸點30和前面連接之前，將氧化層40和減反射層45設置於選擇發射層的摻雜區15，20的前面。此時，前面觸點30和前面連接可以穿透氧化層40和減反射層45，以與選擇發射層的下層區域接觸。除了金屬外，前面觸點30和前面連接還可以含有玻璃粉，以便於燒透氧化層40和減反射層45並與選擇發射層接觸。後面觸點35和後面連接可以通過在P-型基極層10的後面絲網印刷漿料形成，用於形成後面觸點35的眾料包括招眾料,如MonocrystalAnalogl2D。此外,用於形成後面連接的漿料可以包括鋁-銀漿料，如Monocrystal PPAS-7-1。根據本發明的一些實施方式，在施加後面觸點35之前,在ρ-型基極層10的後面施加後面連接。印刷的後面觸點35與後面連接的邊緣重疊，並留下一部分後面連接裸露。在本發明的一些實施方式中，後面觸點35和後面連接幾乎覆蓋整個P-型基極層10的後面。或者，後面觸點35和後面連接僅僅覆蓋一部分P-型基極層10的後面。根據本發明的一些實施方式，在形成後面觸點35和後面連接之前，在P-型基極層10的後面形成氧化層41。此時，後面觸點35和後面連接穿透氧化層41，以與ρ-型基極層10的後面接觸。在形成後面觸點35和後面連接的過程中，氧化層41被漿料中的玻璃粉消耗。因為烘烤後面觸點35，鋁摻雜ρ+矽層50可以通過液相外延再生在p_型基極層10的後面與後面觸點35的界面形成。此時，後面觸點35可以與招摻雜ρ+娃層50的後面電連接。後面觸點35可以由鋁-矽的共晶成分構成，後面觸點35也可以充當太陽能電池5的反射後面層。反射後面層可以提供反射面，使得到達後面的入射光返回基底並生成自由電荷載體。後面觸點35的厚度為10至40微米，且具有足夠的反射率。圖2a和2b所示為，根據本發明的一個實施方式，在一次退火循環中形成具有離子注入選擇發射極和優質原位鈍化層的太陽能電池的製造方法的流程圖，圖2a和圖2b揭示了本發明太陽能電池的製造方法。請參照圖2a和圖2b，在操作200，提供了一個基底，基底可以為以上結合圖1描述的基底。通常，基底可以從供應商訂購，具有特定的P-型或η-型電導率。根據本發明的一些實施方式，基底可以用P-型 摻雜劑摻雜，以形成P-型基極層10，摻雜劑的濃度為IO15至IO17原子每立方釐米(原子/cm3)。基底的厚度為50至500 μ m,儘管通過使用厚度為50至200 μ m的基底相對於目前的標準基底可以節約半導體材料。基底的電阻率為I至lOOOhm-cm，最好是I至30hm-cm，可以使用單晶或多晶基底、或者帶狀基底、薄膜基底或其他類型基底。在操作200，可以清潔基底以便於處理。例如，可以通過將基底沉浸在濃度為1-10%的氫氧化劑(KOH)中進行清潔，以蝕刻掉基底表面的切割損傷。根據本發明的一些實施方式，蝕刻可以在約60至90攝氏度的溫度下進行。在操作205，基底可以進行紋理處理，如可以通過將基底沉浸在氫氧化鉀和異丙酮(KOH-1PA)中異向蝕刻來進行紋理處理。根據本發明的一些實施方式，氫氧化鉀的濃度約為1_10%，異丙酮的濃度約為2-20%，氫氧化鉀-異丙酮的溫度約為65至90攝氏度。氫氧化鉀-異丙酮蝕刻基底的表面，形成具有定向晶面的錐體結構。錐體結構有助於減小前面的反射率，以將光限制在基底中被吸收並轉變成電能。在操作210，摻雜劑，如摻雜劑原子或離子，被引入基極層10的前面。根據本發明的一些實施方式，可以通過離子注入引入摻雜劑。摻雜劑的導電型可以與基極層10的導電型相反，因此，如果基極層10具有P-型電導率，則操作210中引入的摻雜劑具有η-型電導率。相反，如果基極層10具有η-型電導率，則摻雜劑具有ρ-型電導率。在本發明的一些實施方式中，η-型摻雜劑可以是磷離子，如P31+。根據本發明的一些實施方式，選擇區15和場區20的圖案可以通過兩次離子注入步驟實現。例如，可以通過第一離子注入步驟在P-型基極層10的前面上均勻形成選擇發射層，隨後僅在選擇區15進行第二離子注入步驟。或者，兩個場的圖案可以通過一次離子注入步驟獲得，例如進行一次離子注入步驟時，離子注入機劑量高或者經過選擇區15時束速較慢。在採用兩次離子注入步驟的實施方式中，第一離子注入可以在P-型基極層10的前面上均勻進行，劑量約為1.0xlO15Cm-2至1.0xlO16Cm-2，束加速度約為5至30千電子伏(keV)。當場區20被摻雜後，進行第二離子注入步驟以摻雜選擇區15。選擇區15的圖案可以通過穿過遮罩離子注入獲得，如石墨遮罩。通過使用過飽和石墨遮罩，兩次離子注入步驟中基底一直加載在離子注入機中，無需在兩次離子注入步驟之間移除。石墨遮罩上設有寬50至500毫米、長度等於或大於基底寬度的開口，如156毫米。第二離子注入步驟的劑量可以大於第一離子注入步驟的劑量，如使用的劑量為
0.7xl015Cm_2至lX1016cm_2。此外，第二離子注入步驟中，束加速為5至30keV。根據本發明的一些實施方式，在操作210的離子注入中，基底的一邊(稱為參考邊)可以通過重力與遮罩的邊對齊。此外，可以在參考邊上設置基準，如通過雷射工具設置基準，基準可以在涉及到對齊的下遊工藝步驟中被參考。在本發明的替代實施方式中，第二離子注入步驟中使用的劑量可以小於或等於第一離子注入步驟中的劑量，因為第一離子注入步驟已輕度摻雜選擇區15。因此，在第二離子注入步驟中使用的用於為選擇區15提供額外摻雜劑的任意劑量，都可以保證選擇區15的摻雜度高於場區20的摻雜度。在操作215，已離子注入的基底可以進行加熱步驟，以形成ρ-η結25和選擇發射極。根據本發明的一些實施方式，基底可被引入爐中(如自動管狀石英爐中)退火。石英管的內徑約為290毫米，以收容156毫米偽正方形基底。退火操作215可立即實現以下幾個目的:第一，退火操作215可以激活已注入的摻雜劑離子，即退火操作的熱能在矽晶格中形成可供摻雜劑離子填充的空穴；第二，退火操作215可驅使摻雜劑離子深入基底中，如至理想的結深，以形成Ρ-η結25 ;第三，退火操作215可以修復因離子注入在基底的晶格上造成的損傷；第四，退火操作215可用於在選擇發射層的摻雜區15，20的前面、ρ-型基極層10的後面形成鈍化氧化層40，41。根據本發明的一些實施方式，退火操作215起始於將I至400個基底加入溫度為550至800攝氏度的爐中。在本發明的一些實施方式中，在一次爐循環中，大量的基底(400個基底)可以同時加入爐中。基底加入爐中後，在10至30分鐘內將溫度升至700至825攝氏度，保持溫度10至30分鐘。隨後，在10至30分鐘內使溫度升至825至1050攝氏度，並保持溫度10至30分鐘。在此期間，溫度被維持，將氧(如氧氣或者水蒸氣)引入爐中，將氧以100至5000標準立方釐米每分鐘(sccm)的流量引入。引入的氧會在選擇發射層的摻雜區15，20的前面、ρ-型基極層10的後面原位形成鈍化氧化層40，41，因為採用離子注入未採用擴散，不會形成在形成 氧化層前需要移除的玻璃層。最後，在30至120分鐘內，將溫度降至600至700攝氏度，基底隨後從爐中移走。根據本發明的一些實施方式，操作210中的離子注入劑量和能量、操作215中的爐況可能影響場區20和選擇區15的表面電阻。例如，操作210和215可以生成具有場區20和選擇區15的太陽能電池5，場區20的表面電阻為80至120歐姆每平方，選擇區15的表面電阻為30至80歐姆每平方。在操作220，可以在前面鈍化氧化層40上形成減反射層45，減反射層45的折射率大於氧化層40的折射率小於矽基底的折射率，使得更多的光進入減反射層45、穿過氧化層40進入基底並轉變成自由電荷載體。減反射層45可以由氮化矽(SiNx)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈦(TiO2)、氟化鎂(Mg2F)、硫化鋅(ZnS2),或其組合構成。在本發明的一些實施方式中，減反射層45可以含有非晶氮化物，如非晶氮化矽(a-SiNx)。減反射層45可以通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)法形成，或者通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)法形成、或者通過濺射法形成。PECVD法包括將基底加熱至300至500攝氏度，此外，PECVD法可以包括使用矽烷和氨反應氣。減反射層45的厚度為60至70納米，折射率約為2.00。減反射層45的厚度和折射率取決於沉積時間、等離子功率、反應氣的流速和沉積張力等參數。
在操作225，在減反射層45的前面施加太陽能電池5的前面觸點30和前面連接的材料。根據本發明的一些實施方式，使用具有光學校準的半自動絲網印刷機絲網印刷前面觸點30和前面連接。可以使用銀漿料(如Heraeus S0L953)，形成前面觸點30和前面連接。在本發明的一些實施方式中，銀漿料可以是燒結銀漿料，以在烘烤觸點時便於滲入前面鈍化氧化層40和減反射層45，銀漿料適合用於在低磷摻雜的發射極形成觸點。前面觸點30和前面連接的結構、間距由印刷屏的觸點圖案決定。在本發明的一些實施方式中，前面觸點30的寬為50至150微米，間距為1.5至2.5毫米。前面觸點30和前面連接的漿料隨後通過帶式爐烘乾。或者，如操作230中所描述，前面觸點30和前面連接可以與後面觸點35和後面連接同時烘乾。在本發明的一些實施方式中，印刷屏的圖案，如網格狀線、線條圖案等，可以專門為上述方法形成的選擇發射層設計。例如，可以設計前面觸點30的圖案，使其對齊並在選擇發射層的選擇區15內印刷。在本發明的一些實施方式中，前面觸點30的寬度小於選擇區15的寬度，以保證前面觸點30完全位於選擇區15內。選擇區15的重摻雜還可以增加下層ρ-η結25的結深，防止用於形成前面觸點30的金屬漿料中的成分燒透ρ-η結25。根據本發明的一些實施方式，前面觸點30與選擇發射層的選擇區15的對齊可以通過本領域技術人員已知的各種技術完成，包括:採用如操作210中描述的參考邊或其他設置於太陽能電池5上以顯示相對於需進行對齊的位置的基準標記的光學對齊、緊靠兩個立柱的對接邊對齊，相機對齊通過基底中央或邊緣等。在操作230，在ρ-型基極層10的後面施加後面觸點35和後面連接的材料。在本發明的一些實施方式中，可以在P-型基極層10的後面的後面鈍化氧化層41上絲網印刷後面觸點35和後面連接。可以採用鋁漿料(如MonocrystalAnalogl2D)形成後面觸點35，可以採用鋁-銀漿料(如Monocrystal PPAS-7-1)形成後面連接。根據本發明的一些實施方式，後面連接，如可焊接墊片或母線，可以在形成後面觸點35之前施加在ρ-型基極層10的後面上。後面觸點35可印刷成與後面連接的邊緣重疊，留有部分後面連接裸露。在本發明的一些實施方式中，後面觸點 35和後面連接可以絲網印刷在P-型基極層10的幾乎整個後面上，此時，後面觸點35的鋁漿料不能印刷在靠近晶片邊緣約Imm寬的狹窄邊界上。或者，後面觸點35和後面連接可以僅僅印刷在P-型基極層10的部分後面上。太陽能電池5可以在150至350攝氏度的空氣環境的帶式爐中放置30至300秒，以烘乾印刷的漿料。在操作235，帶有觸點30，35和連接的基底在帶式爐(如在線帶式爐)中加熱或共燒。在共燒過程中，前面觸點30和前面連接可以燒透前面鈍化氧化層40和減反射層45，以與選擇發射層的摻雜區15，20形成物理連接。在本發明的一些實施方式中，前面觸點30可以僅僅與選擇發射層的選擇區15物理連接。為了便於燒透氧化層40和減反射層45，前面觸點30和前面連接可以含有玻璃料，如玻璃粉等。用於形成前面觸點30和前面連接的漿料中的玻璃粉，在接近500攝氏度的溫度下熔化，使下層的氧化層40和減反射層45溶解。可以選擇烘烤溫度，使得前面觸點漿料中的金屬顆粒(如銀)，無需遷移至發射極下即可與選擇發射層形成歐姆接觸。在操作235的共燒過程中，後面觸點35和後面連接的材料可與p_型基極層10的後面形成物理接觸。在共燒的過程中，後面觸點35和後面連接可以燒透後面鈍化氧化層41，以與P-型基極層10的後面形成物理連接。因此，後面鈍化氧化層41可被後面觸點35和後面連接材料消耗，如被漿料中的玻璃粉消耗。在本發明的一些實施方式中，後面觸點35和後面連接的烘烤可在鋁-矽的共晶溫度(577攝氏度)以上進行。當共燒後基底冷卻時，可通過液相外延再生在P-型基極層10的後面形成鋁摻雜P+矽後面場層50，此時，後面觸點35可以與後面場層50電連接。溫度曲線中，加熱速度高，在20至150攝氏度每秒，以促進在P-型基極層10紋理處理後的後面與後面場層50的界面形成均勻的P-P+界面。此外，在冷卻過程中，可以在後面場層50的後面形成招後面觸點35。前面和後面連接也可以分別與前面和後面觸點30，35燒結或連接，以形成一體連接並分別與太陽能電池5的前面和後面形成理想的電連接。通過焊線可以實現與太陽能電池模塊中的相鄰太陽能電池連接，最終連接至負荷，在將太陽能電池置於太陽光下時為負荷提供電能。如上所描述，根據本發明的一些實施方式，可以在一次退火循環中形成具有離子注入選擇發射極和優質原位鈍化層的太陽能電池。通過形成本說明書描述的選擇發射極和氧化層具有許多優點:例如，根據本發明的一些實施方式，選擇發射層和優質鈍化氧化層可以在一次高溫退火步驟中形成；根據本發明的一些實施方式，本說明書描述的方法可以解決磷矽酸玻璃的移除和邊際分離的問題；根據本發明的一些實施方式，可以在一次退火步驟中形成具有選擇發射層和鈍化氧化層的太陽能電池，即使採用廉價、優質絲網印刷的觸點，156毫米偽正方形基底上的潛在電池效率約為20%。此外，這些改進顯著降低了製造太陽能電池所需的時間、設備和成本，顯著提高了製造工藝的生產能力。本發明的一個方面涉及一種選擇發射極太陽能電池的製造方法，其包括:提供一個具有P-型基極層的基底；通 過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第一區；通過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第二區，其中，第二區的摻雜度高於第一區的摻雜度，且引入第一區和第二區的摻雜劑的導電型為η-型；對基底進行退火處理，其中，退火處理包括將基底在爐中加入至一個溫度，以:修復注入損傷；激活第一區和第二區的摻雜劑；以及驅使第一區和第二區的摻雜劑深入基底，在P-型基極層的前面形成選擇發射層；以及在退火步驟中將氧引入爐中，以至少在選擇發射層的前面形成鈍化氧化層。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，基底為單晶、柴氏矽基底。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，摻雜劑含有磷。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，將摻雜劑至少引入第一區包括將摻雜劑均勻引入P-型基極層的前面的第一區和第二區，其中，將摻雜劑至少引入第二區包括通過遮罩將額外摻雜劑至少引入P-型基極層的前面的第二區。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，基底的退火不會在在選擇發射層的前面與P-型基極層的後面之間形成電分流路徑，且基底的退火不會形成磷矽酸玻
3 ο根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，進一步包括，在鈍化氧化層的前面沉積非晶氮化矽層，形成減反射層。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，進一步包括，在非晶氮化矽層上絲網印刷一個或多個前面觸點，前面觸點與P-型基極層的前面的第二區對齊。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，進一步包括，在P-型基極層的後面絲網印刷一個或多個鋁後面觸點。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，進一步包括，共燒一個或多個前面和後面觸點，為太陽能電池提供電連接。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，前面觸點包含玻璃料，玻璃料可允許一個或多個前面觸點滲入非晶氮化矽層和鈍化氧化層，以提供與選擇發射層的電連接。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，共燒前面觸點和背面觸點進一步包括，在共燒前面和後面觸點時，通過液相外延再生在P-型基極層的後面和後面觸點的界面形成鋁摻雜P+矽層，其中，後面觸點與鋁摻雜P+矽層電連接。根據本發明太陽能電池的製造方法的一個實施方式，在一次注入步驟中將摻雜劑引入第一區和第二區。本發明的一個方面涉及一種太陽能電池，其包括設有P-型基極層的矽基底、通過離子注入形成於P-型基極層上的η-型發射層，其中，發射層為包括一個或多個第一摻雜區和一個或多個第二摻雜區的選擇發射極，一個或多個第二摻雜區的摻雜度高於一個或多個第一摻雜區的摻雜度；位於P-型基極層和發射層界面的ρ-η結；以及，形成於發射層的前面上的鈍化氧化層，其中，ρ-η結和鈍化氧化層在一次退火循環中形成。根據本發明太陽能電池的一個實施方式，進一步包括形成於鈍化氧化層的前面上的減反射層。根據本發明太陽能電池的一個實施方式，減反射層包括非晶氮化矽層。根據本發明太陽能電池的一個實施方式，進一步包括，絲網印刷在減反射層的前面上且通過減反射層與發射層電連接的一個或多個前面觸點，以及在P-型基極層的背面上絲網印刷的一個或多個後面觸點。根據本發明太陽能電池的一個實施方式，進一步包括通過液相外延再生在P-型基極層的後面與一個或多個後面觸點的界面形成的鋁摻雜P+矽層，其中，一個或多個後面觸點與鋁摻雜P+矽層電連接。根據本發明太陽能電池的一個實施方式，一個或多個前面觸點通過絲網印刷銀漿料形成，一個或多個後面觸點通過絲網印刷鋁漿料形成。根據本發明太陽能電池的一個實施方式，一個或多個前面觸點與發射層的重度摻雜的一個或多個第二摻雜區對齊，以減小接觸電阻。本發明的一個方面涉及一種太陽能電池，其通過以下步驟製造:提供一個包括P-型基極層的基底；通過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第一區；通過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第二區，其中，第二區的摻雜度高於第一區的摻雜度，引入第一區和第二區的摻雜劑具有η-型電導率；對基底進行退火處理，其中，退火處理包括將基底在爐中加熱至一個溫度，以:修復注入損傷；激活第一區和第二區的摻雜劑；以及驅使第一區和第二區的摻雜劑深入基底，在P-型基極層的前面形成選擇發射層；以及在退火步驟中將氧引入爐中，以至少在選擇發射層的前面形成鈍化氧化層。根據本說明書的描述和附圖的教導，本領域的技術人員還可以想到對本說明書中給出的實施方式進行修改和變更 。因此，可以理解的是，本發明的實施方式並不局限於本說明書中描述的具體實施方式
，本說明書給出的實施方式的變更和其他實施方式也應當落入本申請的權利要求的保護範圍。此外，雖然以上的描述和附圖結合元件和/或功能組合示例性地描述了本發明的一些實施方式，但是，可以理解的是，只要不偏離權利要求的保護範圍，本發明的替代實施方式也可以提供元件和/或功能的不同組合。此時，不同的步驟、元件和/或材料的組合，也可以作為權 利要求的補充實施方式。因此，說明書和附圖僅僅是示例性的，並非限制性的。儘管說明書中使用了具體的術語，這些術語僅僅是為了一般性的描述，並不對本發明構成任何限制。
權利要求
1.一種選擇發射極太陽能電池的製造方法，包括 提供一個包括P-型基極層的基底； 通過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第一區； 通過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第二區，其中，第二區的摻雜度高於第一區的摻雜度，且引入第一區和第二區的摻雜劑具有η-型電導率； 對基底進行退火處理，其中，退火處理包括將基底在爐中加熱至一個溫度，以 修復注入損傷； 激活第一區和第二區的摻雜劑；以及 驅使第一區和第二區的摻雜劑深入基底，在P-型基極層的前面形成選擇發射層；以及 在退火步驟中將氧引入爐中，以至少在選擇發射層的前面形成鈍化氧化層。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於基底為單晶、柴氏矽基底。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於所述摻雜劑含有磷。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的方法，其特徵在於將摻雜劑至少引入第一區包括將摻雜劑均勻與地引入P-型基極層的前面的第一區和第二區，將摻雜劑至少引入第二區包括將額外摻雜劑通過遮罩至少引入P-型基極層的前面的第二區。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的方法，其特徵在於對基底進行退火處理不會在選擇發射層的前面與P-型基極層的後面之間形成電分流路徑，且對基底進行退火處理不會形成磷矽酸玻璃。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的方法，進一步包括在鈍化氧化層的前面沉積非晶氮化矽層，形成減反射層。
7.根據權利要求6所述的方法，進一步包括在非晶氮化矽層上絲網印刷一個或多個與P-型基極層的前面的第二區對齊的前面觸點。
8.根據權利要求7所述的方法，進一步包括在P-型基極層的後面絲網印刷一個或多個招後面觸點。
9.根據權利要求8所述的方法，進一步包括共燒一個或多個前面觸點和後面觸點，為太陽能電池提供電連接。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的方法，其特徵在於前面觸點包括玻璃料，玻璃料允許一個或多個前面觸點滲透非晶氮化矽層和鈍化氧化層，為選擇發射層提供電連接。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其特徵在於共燒前面觸點和後面觸點進一步包括，在前面和後面觸點共燒時，通過液相外延再生，在P-型基極層的後面和後面觸點的界面形成鋁摻雜P+矽層，其中，後面觸點和鋁摻雜P+矽層電連接。
12.根據權利要求I至11中任一項所述的方法，其特徵在於在一次注入步驟中將摻雜劑引入第一區和第二區。
13.一種太陽能電池，包括 包括P-型基極層的矽基底； 通過離子注入在P-型基極層上形成的η-型發射層，其中，發射層為具有一個或多個第一摻雜區和一個或多個第二摻雜區的選擇發射層，一個或多個第二摻雜區的摻雜度高於一個或多個第一區的摻雜度；位於P-型基極層和發射層界面的p-n結；以及 形成於發射層的前面上的鈍化氧化層，其中，P-n結和鈍化氧化層在一次退火循環中形成。
14.根據權利要求13所述的太陽能電池，進一步包括，在鈍化氧化層的前面上形成的減反射層。
15.根據權利要求14所述的太陽能電池，其特徵在於減反射層包括非晶氮化矽層。
16.根據權利要求14或15所述的太陽能電池，進一步包括，形成在減反射層的前面上並通過減反射層與發射層電連接的一個或多個絲網印刷前面觸點，以及形成在P-型基極層的後面上的一個或多個絲網印刷後面觸點。
17.根據權利要求16所述的太陽能電池，進一步包括，通過液相外延再生，在P-型基極層的後面與一個或多個後面觸點的界面形成的鋁摻雜P+矽層，其中，一個或多個後面觸點與鋁摻雜P+矽層電連接。
18.根據權利要求16或17所述的太陽能電池，其特徵在於一個或多個前面觸點通過絲網印刷銀漿料形成，一個或多個後面觸點通過絲網印刷鋁漿料形成。
19.根據權利要求16至18中任一項所述的太陽能電池，其特徵在於一個或多個前面觸點與發射層重度摻雜的一個或多個第二摻雜區對齊，以減小接觸電阻。
20.一種太陽能電池，通過以下步驟製造 提供一個包括P-型基極層的基底； 通過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第一區； 通過離子注入將摻雜劑引入P-型基極層的前面的至少一個第二區，其中，第二區的摻雜度高於第一區的摻雜度，且引入第一區和第二區的摻雜劑具有η-型電導率； 對基底進行退火處理，其中，退火處理包括在爐中將基底加熱至一個溫度，以 修復注入損傷； 激活第一區和第二區的摻雜劑；以及 驅使第一區和第二區的摻雜劑深入基底，在P-型基極層的前面形成選擇發射層；以及 在退火步驟中將氧引入爐中，以至少在選擇發射層的前面上形成鈍化氧化層。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能電池及其製造方法。根據本發明的一個實施方式，太陽能電池的製造方法包括提供一個p-型摻雜矽基底，以及通過離子注入將n-型摻雜劑引入基底的前面的第一區和第二區，第二區的摻雜度高於第一區的摻雜度。基底進行一次高溫退火循環，以激活摻雜劑、驅動摻雜劑進入基底、生成p-n結，以及形成選擇發射極。在一次退火循環中可以引入氧，形成原位前面和後面鈍化氧化層，在一次共燒操作中可以進行前面和後面觸點的燒透和與觸點連接的金屬化。本發明還公開了一種太陽能電池。
文檔編號H01L21/263GK103238220SQ201180038116
公開日2013年8月7日 申請日期2011年5月16日 優先權日2010年6月3日
發明者艾吉特·羅哈吉, 維傑·葉倫德, 維諾德·錢德拉塞卡朗, 休伯特·P·戴維斯, 本·達米亞尼 申請人:桑艾維公司