CN101124681A - 发射极环绕型背触点硅太阳能电池的触点制备 - Google Patents

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Abstract

包含后表面结构的背触点太阳能电池及其制备方法。所述后表面具有穿过至少之一介电层的小的触点面积，所述介电层包括但不限于钝化层、氮化物层、扩散阻挡层和/或金属化阻挡层。优选丝网印刷介电层。大的栅极面积覆盖所述介电层。本方法通过使P－型触点面积最小化以及使在p－型衬底的后表面上的n－型掺杂区域最大化来提高效率。

Description

发射极环绕型背触点硅太阳能电池的触点制备
相关申请的交叉引用
本申请要求在2004年2月5日提交的美国临时专利申请序号60/542,390申请的权益，该申请的名称为″Fabrication of Back-ContactSilicon Solar Cells″，以及在2004年2月5日提交的美国临时专利申请序号60/542,454申请的权益，该申请的名称为″Process for Fabrication ofBuried-Contact Cells Using Self-Doping Contacts″。本申请涉及James M.Gee和Peter Hacke的、与此同时提交的美国实用专利申请Attorney Docket No.31474-1006-UT，该申请的名称为″Back-Contact Solar Cells and Methods forFabrication″，以及James M.Gee和Peter Hacke的、也是与此同时提交的美国实用专利申请Attorney Docket No.31474-1004-UT，该申请的名称为″Buried-Contact Solar Cells With Self-Doping Contacts″。所有所述申请的说明书都通过引用结合在此。
发明背景
发明领域(技术领域)：
本发明涉及用于制备在背-触点硅太阳能电池中的背-触点结构的方法和工艺以及通过这样的方法制备的太阳能电池。
背景技术：
注意，下列论述通过参考了大量出版物和参考文献。此处的这样出版物的论述是为更完全背景而给出的，它不应当认为是承认这样的出版物是用于确定可专利性目的的现有技术。
在今天广泛使用的太阳能电池设计具有在电池吸收太阳能时产生电子流动的前表面(该表面接受光)附近形成的p/n结。常规的电池设计在电池的前侧具有一组电触点，在太阳能电池的后侧具有第二组电触点。在典型的光电模件中，这些独立的太阳能电池被串连电连接以提高电压。通过从一个太阳能电池的前侧到相邻太阳能电池的后侧焊接上传导带，典型地就完成了这种相互连接。
与常规的硅太阳能电池相比，背-触点硅太阳能电池具有几个优点。第一个优点是背-触点电池因减小或消除了触点的遮蔽损耗(从触点栅极反射的太阳光不可避免地转化成电流)而具有更高的转化效率。第二个优点是由于两种极性的触点都在相同的表面上，因此背-触点电池更加容易装备成电路，因而更廉价。作为实例，与现有的光电模件组件相比，利用在单一步骤中封装光电模件和太阳能电池电路的背-触点电池可以显著节省费用。背-触点电池的最后优点是具有更均匀的外观，因而美感性更好。美感对于一些应用是重要的，比如建造物-集成的光电系统和汽车用的光电遮阳篷顶。
图1说明通常的背-触点电池结构。硅衬底可以是n-型或p-型。在一些设计中可以省略重掺杂的发射极(n++或p++)之一。备选地，在其它设计中，重掺杂的发射极能够在后表面上彼此直接接触。后表面钝化有助于减小后表面上光生载流子的损耗，并且有助于减小由于在触点之间的未掺杂表面上的分路电流导致的电损耗。
制备背-触点硅太阳能电池有几种方法。这些方法包括金属化回绕型(MWA)、金属化环绕型(MWT)、发射极环绕型(EWT)以及背-结(junction)结构。MWA和MWT在前表面具有金属的电流收集栅极。为了制备背-触点电池，这些栅极分别环绕着边缘或穿过孔到达背表面。与MWT和MWA电池相比，EWT电池的特殊特征是电池的前侧没有金属覆盖，这意味着碰撞在电池上的光都没有被堵断，因而产生更高的效率。EWT电池穿过在硅片上的掺杂导电通道从前表面到后表面环绕电流收集结(“发射极”)。“发射极”指的是在半导体器件中的重掺杂区域。制备这样的导电通道可以例如用激光在硅衬底上钻孔，随后在前和后表面上形成发射极的同时，在孔内形成发射极。背-结电池在太阳能电池的后表面上同时具有负和正极收集结。由于大部分的光在前表面附近被吸收-因而也光生了大部分载流子，因此背-结电池需要非常高质量的材料，以便载流子具有充足的时间利用在后表面上的收集结从前表面扩散到后表面上。比较起来，EWT电池在前表面上保留了电流收集结，这有利于高的电流收集效率。EWT电池公开于James M.Gee的美国专利5,468,652，Method Of Making A Back ContactedSolar Cell，其全部内容结合到此处。不同的其它背触点电池设计在大量的技术出版物中也进行了论述。
除美国专利5,468,652外，Gee为共同发明人的另两篇美国专利公开了使用背-触点太阳能电池的模件组装和层压的方法，这两篇专利是美国专利5,951,786，Laminated Photvoltaic Modules Using Back-contact Solar Cells以及美国专利5,972,732，Method of Monolithic Module Assembly。这两篇专利公开了可以与此处公开的发明一起使用的方法和方面，并且通过引用被结合，就好像以全文列出那样。美国专利6,384,316，Solar Cell and Process ofManufacturing the Same公开了一种备选的背-触点电池设计，但该设计使用在前表面上具有有助于将电流传导到后表面的金属触点的MWT，其中所述孔或通孔被较远分隔并且进一步地其中孔用金属衬里。
所有背-触点硅太阳能电池的重要问题都是要开发低成本工艺步骤，而且该工艺步骤将负极和正极栅极与结进行电分离。该技术问题包括使掺杂层(如果存在的话)形成图案、使负电和正电触点区域之间的表面钝化以及负电和正电触点的涂覆。
发明概述
本发明是一种制备背-触点太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：形成多个从半导体衬底的前表面延伸到该衬底背表面的孔，所述衬底包含第一导电型；在前表面、背表面以及在围绕所述孔的表面上提供包含相反导电类型的扩散层；在背表面上沉积形成图案的介电层；使包含第一导电型的多个触点与衬底合金化；在与触点电接触的介电层上沉积第一导电栅极；以及在与所述扩散层电接触的后表面上沉积第二导电栅极。所述合金化步骤可以穿过介电层的现有区域或除去介电层区域以使后表面区域暴露之后进行。所述扩散层优选为轻掺杂的。
在这种方法中，触点优选占据小于30％的后表面面积，更优选小于20％，最优选小于10％。基本上所有没有被触点占据的后表面部分都优选包含扩散层。所述触点优选包含铝。包含第二导电栅极的材料优选至少部分填充所述孔。第一导电栅极的栅极线宽度优选比所述触点的宽度宽。第一导电栅极优选与第二导电栅极互相交叉。导电栅极中的至少一个优选包含具有锥形宽度的栅极线。
本发明还是一种制备背-触点太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：形成多个从半导体衬底的前表面延伸到该衬底背表面的孔，所述衬底包含第一导电型；在后表面上沉积形成图案的扩散阻挡层；在前表面、没有被扩散阻挡层覆盖的后表面区域以及在围绕所述孔的表面上提供包含相反导电类型的扩散层；在区域的子集内与衬底电接触的扩散阻挡层上提供第一导电栅极；以及在与所述扩散层电接触的后表面上沉积第二导电栅极。该方法优选进一步包括将区域的子集的导电类型基本上改变成第一导电型的步骤。所述沉积步骤优选包括使用丝网印刷。包含第二导电栅极的材料优选至少部分填充所述孔。第一导电栅极的栅极线宽度优选比所述区域之一(on of the regions)的宽度宽。第二导电栅极优选与所述扩散阻挡层部分重叠，并且优选与第一导电栅极互相交叉。导电栅极的至少之一优选包含具有锥形宽度的栅极线。
本发明也是一种制备背-触点太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：形成多个从半导体衬底的前表面延伸到该衬底后表面的孔，所述衬底包含第一导电型；在后表面上沉积形成图案的扩散阻挡层；在前表面、没有被扩散阻挡层覆盖的后表面的第一区域以及在围绕所述孔的表面上提供包含相反导电类型的扩散层；除去扩散阻挡层；在后表面上沉积金属化阻挡层，所述金属化阻挡层包括小于第一区域并且与孔排成直线的第一开口；和与被扩散阻挡层所覆盖的后表面的第二区域排成直线并比其小的第二开口；将第一导电栅极部分沉积在金属化阻挡层上并且穿过第一开口与扩散层电接触；以及将第二导电栅极部分沉积在金属化阻挡层上并穿过第二开口与衬底电接触。
在这种方法中，金属化阻挡层优选对后表面提供钝化并优选包含过渡金属化合物。所述沉积步骤优选包括使用丝网印刷。第二导电栅极优选包括铝。包含第一导电栅极的材料优选至少部分填充所述孔。第一导电栅极的栅极线宽度优选比第一开口的宽度宽。第二导电栅极的栅极线宽度优选比第二开口的宽度宽。第二开口优选占据小于30％的后表面面积，更优选小于20％，最优选小于10％。大部分没有被第二开口占据的后表面优选包括扩散层。第一导电栅极优选与第二导电栅极互相交叉。导电栅极中的至少一个优选包括具有锥形宽度的栅极线。
本发明还是一种根据上述方法制备的背-触点太阳能电池。
本发明还是一种背-触点太阳能电池，所述背-触点太阳能电池包含如下：包含第一导电型的衬底；在所述衬底的部分后表面上的扩散层，其包含相反导电类型；在所述后表面上的丝网印刷的介电层；在所述介电层内的多个开口，其中通过所述开口暴露的后表面区域包含所述第一导电型；位于所述开口内的多个导电触点；以及与所述触点电接触的多个栅极线，所述栅极线包含比所述开口宽度大的宽度。介电层优选从由钝化层、氮化物层、扩散阻挡层和金属化阻挡层组成的组中的选择。触点优选包含铝。开口优选包含小于30％的后表面的表面积，更优选小于20％，最优选小于10％。大部分没有通过开口暴露的后表面优选包含扩散层。衬底优选包含从衬底的前表面延伸到后表面的孔，这些孔优选至少部分被包含与所述扩散层接触的金属化的材料填充。
本发明的一个目的是提供一种用于背-触点太阳能电池的后表面触点结构，所述结构包括用于提高传导的宽栅极线，所述栅极线结合有用于提高效率的最小p-型触点面积和最大n-型扩散层。
本发明的优点是它提供用于制备高效率太阳能电池的、具有更少、更经济工艺步骤的生产工艺。
本发明的其它目的、优点和新特征以及进一步的适用性范围将在下面的详述中部分内容结合附图进行描述，并且部分内容对于本领域的技术人员在验证下面内容之后，将变得明显或者可以通过实践本发明而获悉。借助尤其是在所附权利要求中指出的手段和结合，可以实现并获得本发明所述的目的和优点。
附图几种视图的简述
并入本说明书中并成为其一部分的附图与说明书一起解释本发明的一个或多个实施方案，用于解释本发明的原理。附图只是用于解释本发明的一个或多个优选实施方案的目的，而不是被解释为对本发明的限制。在附图中：
图1解释了通常的背-触点太阳能电池，只突出背表面上的特征。
图2是用穿过孔(“通孔”)并垂直于栅极线的侧视图对标准EWT电池的横截面说明。
图3是具有对p-型衬底的铝-合金化触点的本发明EWT电池的横截面说明。它是穿过孔(“通孔”)并垂直于栅极线的侧视图。
图4A是说明在本发明硅太阳能电池的一个实施方案的制备过程中的中间工艺步骤的横截面。
图4是具有p-型通孔的Al-基金属化以及n-型通孔的Ag金属化的本发明硅太阳能电池的横截面，所述n-型通孔比如有用EWT激光孔制备的n-型通孔。
图5A是说明在本发明硅太阳能电池的另一个实施方案的制备过程中的中间工艺步骤的横截面。
图5B是利用通过使用专有金属化阻挡层而在背侧上增大的发射极覆盖面积的本发明硅太阳能电池的横截面。
图6A是具有互相交叉的栅极图案的背-触点太阳能电池的平面图。具有不同影线的栅极相应于负性和正性导电类型栅极。在将太阳能电池连接到电路内的电池边缘上提供有结合片。图示没有按比例进行；通常具有比图示更高的栅极线密度。
图6B是在图12A的IBC电池中的互相交叉栅极的横截面图。
图7是在电池边缘和中心内具有母线的背-触点太阳能电池IBC栅极图案的平面图。
图8是用于背-触点太阳能电池的多级金属化的横截面图。
图9是本发明的背-触点太阳能电池的IBC栅极图案的平面图。
图10具有电镀金属化的背-触点太阳能电池IBC栅极的横截面图。
发明详述
此处公开的发明提供制备背-触点太阳能电池的改进方法和工艺，尤其是提供后表面触点与栅极的更经济制备和更有效结构的方法和工艺。应当理解，尽管公开了很多不同的非连续方法，但是本领域的技术人员能够将两种或更多种方法进行结合或改变，因而提供备选的其它制备方法。还应当理解，尽管附图和举例的工艺步骤描述了制备背-触点发射极环绕型电池，但是这些工艺步骤可以用于制备其它背-触点电池结构比如，MWT、MWA或背-结太阳能电池。
利用铝-合金化结将触点制备在背-触点太阳能电池中的P-型基底上的工艺
可以使用在本部分中描述的工艺，以删去n+扩散层在电池后表面上形成图案的需要，由此提供更高的转化效率。通常地，在后部具有暴露的p-型表面的区域(n+p结构)比在后表面具有n+扩散层的区域(n+pn+结构)具有更低的能量转化效率。具有n+pn+结构的区域具有更高的转化效率，是因为光生载流子可以收集在任一表面的n+结上。因此，使在电池后部上的p-型表面面积最小化是有利的。此外，由于为了获得最大的效率，p-型表面必须被良好钝化，因此在p-型表面上的钝化层必须具有高质量和相对地没有缺陷，要实现这样是困难且昂贵的。通过使这种区域最小化，对任何完全钝化的需要就大大减少，或甚至消除。这导致因工艺步骤减少而节约成本。注意，p-型基底的选择是随机的；如果使用任一导电类型的晶片，则都可以应用本方法。
可以使用丝网印刷使n+扩散层形成图案。图2示出了在后部侧具有丝网印刷扩散层的典型EWT电池。P-型硅片10优选在基本上整个前电池表面15和孔30的壁上都含有n+扩散层20。为了钝化表面并提供抗反射涂层，介电层18优选位于电池前表面15上，所述的介电层18优选包含氮化物，所述的氮化物包括但不限于氮化硅。在后表面上围绕通孔的n+扩散层形成了高效率的n+pn+区域40，n-型触点和栅极50与区域40相邻放置。后表面的其余部分形成n+p区域(p-型表面)60。P-型触点和栅极70与p-型表面60相邻放置。将薄介电层65任选放置在n-型栅极50和p-型栅极70之间的后表面上。如图2示意性所示，使用丝网印刷的问题是因定位公差导致只有较粗大的几何形状才是可能的，因此约略30到50％的背表面以p-型表面终止。
如图3所示，由于大部分的后表面都被高效n+扩散层20覆盖，因此具有根据本发明制备的Al-合金化触点的EWT电池比图2所示电池具有更高的转化效率。铝合金形成补偿n+扩散层的重掺杂p-型触点90，从而可以与p-型硅基底接触。铝或铝合金优选与硅在共晶温度之上反应。优选含有银的印刷p-型触点和栅极70覆盖Al-合金化触点，以将电流运载到电池边缘。在这种情况下，栅极70必须与n+扩散层电隔离。这优选通过使用介电钝化层80完成，所述介电钝化层80优选包含氮化物，所述的氮化物包括但不限于SiN。可以使P-型触点90足够小，使得大部分电池现在都具有高效的n+pn+结构。由p-型触点90占据的总后表面面积的百分比优选为小于30％，更优选小于20％，最优选小于10％。
尽管优选使用纯铝或含铝的合金，但是可以备选使用各种其它包括但不限于任何自掺杂p-型金属化的合金或纯金属。铝任选被一种或多种其它p-型掺杂剂掺杂，所述p-型掺杂剂包括但不限于硼，从而提供更重掺杂的结。为了与p-型基底电接触，触点材料优选能够补偿n+扩散层。这优选在后表面上需要相对轻的n+扩散层(＞80 ohms/sq)，以防止在n+到p+(Al-合金化Si)结上的分路电流。然而，轻的n+扩散层对于触点更难。自掺杂的Ag-膏状物触点可以任选用于接触轻掺杂的n+扩散层，所述自掺杂的Ag-膏状物触点包含磷掺杂剂并且被设计高于银-硅共晶温度的温度下烧制。在James M.Gee和Peter Hacke的，名称为“Buried-Contact Solar Cells WithSelf-Doping Contacts″的美国实用专利申请Attorney Docket No.31474-1004-UT中更完全地描述了自掺杂触点。自掺杂触点产生在触点之下的掺杂结，这有助于降低接触电阻并降低复合损耗。在前表面上更轻掺杂的n+扩散层还具有减少载流子损耗的优点。在EWT电池的具体情况下，n-型物质另外起着促进电子载流子在孔或通孔中传导的作用。备选地，在James M.Gee和Peter Hacke的，名称为″Back-Contact Cells and Methods forFabrication″的美国实用专利申请Attorney Docket No.31474-1006-UT中描述的一些工艺步骤可以用于在后表面上形成重和轻磷掺杂的硅的区域，所其中在n-型触点将被代替的地方发生重掺杂n++区域，以及其中Al-合金化触点将被代替的地方发生轻掺杂n+区域。
铝合金优选能够穿过后表面上的介电层进行合金化。已知铝能够通过各种氧化物进行合金化。可以在Al膏状物中加入玻璃料，以促进穿通介电层。备选地，如果Al难于穿过介电层进行合金化，则可以将电介质在用于铝合金化触点的区域内除去。例如，可以使用激光在电介质内冲击小孔(优选＜50μm的直径)以暴露硅表面。可以备选使用其它用于除去介电层的方法，比如机械划割或蚀刻工艺(通常包含丝网印刷抗蚀剂图案，湿或干蚀刻电介质并除去抗蚀剂)。
在p-型栅极和Al-合金化触点之间的界面优选具有低的电阻，并且不因环境暴露而退化。元素铝和银之间的界面在水分存在下可以电化学腐蚀，因此，可以备选使用比Al和Ag在一起更稳定的其它用于合金化触点的金属(例如，掺杂有p-型掺杂剂的锡)。备选地，可以将除银之外的金属用于栅极。
如上所述，与Al合金化触点接触的p-型栅极必须与硅表面电隔离。大部分的Ag膏状物都含有氧化物玻璃料，以促进穿过任何表面氧化物或(在一些工艺步骤中)穿过抗反射涂层(通常约70nm厚)进行合金化。为了本发明的目的，这种玻璃料优选是完全非侵蚀性的或完全被除去的，以便避免穿过电介质隔离对p-型栅极冲孔。
根据本发明制备具有Al-合金化触点的背-触点电池的代表性工艺如下。最简单的步骤使用单一的磷扩散层(步骤3)，并得到具有均匀发射极的太阳能电池。孔将晶片的前表面连接到背表面，并优选通过激光钻孔形成，但是也可以通过其它方法比如干蚀刻、湿蚀刻、机械钻孔或喷水机械加工形成。对于激光钻孔，优选使用在操作波长下有足够功率或强度的激光，以便可以在最短时间内引入孔，所述的最短时间比如每个孔需约0.5ms到约5ms。可以使用的一种激光是Q-交换的Nd:YAG激光。使用更薄的晶片，可成比例地减少每个孔的时间。通孔的直径可以为约25至125μm的直径，优选约30到60μm的直径。在使用薄晶片比如厚度为100μm或更小的一个实施方案中，通孔的直径约大于或等于晶片厚度。每个表面面积的通孔密度部分地取决于因电流在穿过孔到后表面的发射极内传输导致的可接受总串连电阻损耗。这可以通过经验或理论计算确定；通过本发明方法，通孔密度可以因比如用Ω/sq确定的电阻的降低而降低。典型地，通孔密度为1个孔/1mm2到2mm2的表面面积，但是可以具有更低的密度，比如1个孔/2到约4mm2。
在本实施方案或在此处公开的任何其它方法中的激光钻孔的步骤可以任选被形成通孔的其它方法所代替，所述其它方法包括但不限于梯度驱动法(gradient driven process)比如热迁移。这样的方法更完全地公开在共同所有的在2004年6月24日提交的国际申请PCT/US2004/020370中，该申请的名称为“Back-Contacted Solar Cells with Integral Conductive Vias andMethod of Making”，该申请通过引用结合到此处。
1.在硅片上激光钻孔
2.碱性蚀刻
3.POCl3扩散，以在所有自由表面上产生n+扩散层
4.HF蚀刻
5.在前表面上PECVD氮化
6.在后表面上PECVD氮化
7.用于p-型触点的激光钻孔(侵蚀)(或划刻)和蚀刻坑(任选)
8.印刷用于p-型触点的Al
9.将Al合金化(任选穿过PECVD氮化物层)
10.印刷用于负性导电类型栅极的Ag
11.印刷用于正性导电类型栅极的Ag
12.烧制触点
如果在步骤9中Al适当能够穿过介电层合金化，则没有必要进行步骤7。相反，如果进行了步骤7，则在步骤9中，铝将在不穿过PECVD氮化物层的情况下直接合金化到硅片上。
步骤5中沉积在前表面上的氮化物优选使前表面钝化并且起着抗反射涂层的作用，所述氮化物优选为氮化硅。它还优选对任何随后的扩散层比如重POCl3扩散层起着扩散阻挡层的作用。
任选地，包含负性导电类型栅极的Ag延伸进入所示的孔内，因而增加触点面积，从而增加传导。
如果需要选择性的发射极结构，则可以按如下改进上述工艺。步骤1优选被删去，在硅片中的孔是在步骤7中激光钻孔的。步骤7之后，进行重POCl3扩散层以掺杂孔，优选该步骤之后是磷玻璃蚀刻。
用P-型通孔的Al-基金属化以及N-型通孔的Ag金属化制备背-触点太阳能 电池
用于正性导电类型(p-型)触点和栅极的优选金属化物(印刷和烧制Ag:Al或Al膏状物)会不容易穿过一些背钝化介电层比如SiN进行烧制。由于金属界面上的高表面复合速度(SRV)，因此具有比与p-半导体基底接触的p-金属大的背部p-金属指状物覆盖率(用于高的电导系数)也是理想的。如图4所示，本方法在扩散-阻挡层内提供通孔，以使p-金属触点100的面积小于p-金属栅极覆盖体110的面积，同时避免需要穿过背-表面钝化层烧制p-金属。代替后部钝化层的是，通过形成图案的扩散阻挡层130而使p-金属栅极110与p-型衬底120隔离，这也在基底上提供了表面钝化。扩散阻挡层130优选包含含有一种或多种氧化物和/或氮化物的化合物，并且可以任选包含掺杂剂，以在后表面的p-型区域内提供背表面场。如图4A所示，n+扩散层140优选覆盖电池的整个前表面以及孔150的内壁，但是只覆盖通过扩散阻挡层130形成图案而暴露的背表面区域。钝化/抗反射层145优选位于电池的前表面上。如图4B所示，在含有孔的暴露区域内，用于在后表面上的n-型触点160的金属与后表面上的n+扩散层相邻放置。优选n-金属如图表示那样延伸进入孔内，增加触点面积，从而增加传导。在剩余的暴露区域128内，将用于p-型触点110的金属与在后表面上的n+扩散层相邻放置。因为铝在为更高效率的p-型区域内可理想形成良好的背表面场，并且可理想提供更高的电压，因此对于p-型触点，本方法任选使用Al而不是Ag/Al。Al在区域128内过量掺杂n-型扩散层，使得p+掺杂硅132。与现有技术不同，根据本发明方法制备的电池具有大面积的金属化栅极110、160，所述金属化栅极110、160优选与扩散阻挡层130重叠并同时只与晶片的小面积(例如，p-金属触点100的面积)接触。大的金属化导致改善线传导率。本方法中使用步骤的非限制性实例列出如下：
1.在Si晶片上激光钻EWT孔图案。
2.蚀刻除去锯损伤和激光损伤。
3.优选使用丝网印刷，在不需要金属化的背表面区域上涂覆扩散阻挡层(DB)材料(使n-和p-金属化区域敞开)。
4.将DB材料密实化(高温工艺)，可能在DB材料下面产生热氧化物。
5.使磷扩散进入硅片(POCl3、喷射、丝网印刷或固体源扩散)。
6.蚀刻磷玻璃(留下扩散阻挡层)。
7.将SiN或其它抗反射涂层(AR)或钝化涂层涂覆于电池前面。
8.将Al-基金属化物涂覆到p-型触点区域；即没有EWT激光孔的区域，由此形成代替现有n+扩散层的p+层。应当选择玻璃粉含量以使不溶解DB材料，以便金属化层可以延伸到触点区域外。
9.将Ag-基金属化物涂覆到n-型区域；即没有EWT激光孔的区域。如图4所示那样，优选该金属化层不与DB重叠；然而，n-型金属化层可以任选延伸到触点区域之外并与DB重叠，类似于p-型金属化层。在这种情况下，应当优选择选玻璃粉含量，以使不溶解DB材料。
10.共烧制触点。
对于根据本方法制备的电池，在p-型晶片/DB材料界面的后部侧上实现表面钝化的益处以及在商购太阳能Si晶片中朝更长寿命的趋势必须超过在电池后部上的n+发射极覆盖层的损耗。
任选包含例如氧化物或氮化物比如SiO2或SiN的钝化层可以位于后表面上，优选在DB下面。
在上述方法的某些变化中，p-金属可以任选包含具有加入的Al或另一种p-型掺杂剂的Ag，而不是只含p-型掺杂剂。在一种这样的变化中，p-型触点之下的n+区域被顺利地被过度掺杂；即，穿过n+区域的掺料触点(spiking contact)用p-型衬底制备。在另一个变化中，Ag-掺杂剂金属在高于Ag-Si共晶温度的温度下烧制，以使触点与硅合金化。
使用P-型通孔的Al-基金属化以及具有增加的发射极覆盖面积的N-型通孔 的Ag金属化制备背-触点太阳能电池
这种方法类似于前面的方法，但是在电池后部具有更大n+发射极覆盖率的优点。如图5A所示，在这个方法中，通过使用专用的扩散阻挡层(DB)136以增加在背侧上的发射极覆盖面积，由此在表面上获得窄的p-型通道，所述专用的扩散阻挡层(DB)136为了封闭n+扩散层而位于P-型触点将要接触晶片表面的后表面上。扩散阻挡层136随后被除去。如图5B所示，这种设计也受益于金属化阻挡层(MB)180，所述的金属化阻挡层(MB)180是用于表面钝化以及用于实现到半导体的窄通孔而优选被最佳化的。MB优选包含过渡金属氧化物或其它介电材料，并优选利用低成本方法比如丝网印刷进行涂覆。为了改善传导率的同时降低接触晶片120的n-型和p-型金属化面积，MB允许使用更大的p-型和n-型栅极，这样通过降低表面的净表面复合速度而显著改善效率。
在本方法中使用步骤的非限制性实例列出如下：
1.在Si晶片上激光钻EWT孔图案。
2.锯损伤和激光损伤蚀刻。
3.优选使用丝网印刷，在窄通道或区域上涂覆DB材料以防止n-型扩散层到p-基底。
4.将DB材料密实化，可能在DB材料下面产生热氧化物。
5.使磷扩散进入硅片(POCl3、喷射、丝网印刷或固体源扩散)。
6.蚀刻磷玻璃和扩散阻挡层。
7.涂覆MB
8.将MB材料密实化和氧化，可能在MB材料下面产生热氧化物。
9.将SiN或其它AR或钝化涂层涂覆于电池前表面(并且任选涂覆到后表面--图中未示出)。
10.将p-金属化涂覆到p-型触点区域；即没有EWT激光孔的暴露晶片的那些区域。应当选择玻璃粉含量以使不溶解MB材料，以便金属化层可以延伸到通孔外。
11.将n-金属化涂覆到n-型触点区域；即不包含EWT激光孔的暴露晶片的那些区域。应当选择玻璃粉含量，以使不会溶解MB材料，以便金属化层可以延伸到通孔外。
12.共烧制触点。
尽管本方法引入了另外的用于MB的丝网印刷和烧制步骤，但是通常这样的步骤都是较廉价的。
至于本发明中的所有方法，为了改善后表面钝化或为了更易于蚀刻或剥离(lift off)DB材料，可以在背表面上生长或沉积钝化层(优选包含氧化物或氮化物)。
使在互相交叉的背触点栅极图案中的串连电阻最小化
由于背-触点硅太阳能电池在背表面上具有负极和正极触点以及电流收集栅极，因此负极和正极栅极必须彼此电隔离。栅极还必须将电流收集到结合片或母线。为了将太阳能电池连接到电路中，典型地将金属条连接到结合片或母线上。
在背触点电池中栅极具有两种几何形状。在“互相交叉的背触点”(IBC)几何形状中，负性-和正性-导电类型栅极形成互相交叉的梳状结构(图6A和6B)。这种结构对于在制备中实施简单，但是具有有限的横截面面积的长栅极线导致这种结构具有高的串连电阻的缺点。该栅极线的长度以及由此导致的串连电阻都可以通过包含一条或多条母线而减少(图7)。然而，由于在母线上面的区域内减少了光电流收集，因此母线降低了有效的活性(active)面积。而且，对于在电池中心而不是在电池边缘上的结合片内具有总线的电池，互相交叉的相邻背-触点太阳能电池的几何形状变得更复杂。能够使用低成本的生产技术比如丝网印刷容易地生产IBC图案。
在背-触点电池中栅极的第二种几何形状使用多级金属化层(图8)(Richard M.Swanson，“Thermophotovoltaic converter and cell for usetherein，”1980年11月18日颁发的美国专利4,234,352)。金属平面(levels)与提供电隔离的沉积介电层垂直迭加。多级金属化几何形状可以比IBC几何形状实现更低的串连电阻，因为金属覆盖了整个后表面。然而，这种结构除需要金属化步骤之外，还需要两次电介质沉积(“第一”和“第二”级)和形成图案的步骤。此外，为了避免在电介质隔离层内能够导致电分路的针孔缺陷，多级金属化需要非常昂贵的薄膜加工技术。
对于使在背-触点硅太阳能电池的互相交叉背触点栅极图案中优选IBC栅极图案(在电池边缘具有结合片)的串连电阻最小化，本发明提供了两个实施方案。
在第一个实施方案中，制备具有锥形宽度的栅极线，使得该宽度沿着电流流动方向增加，直到它到达电池边缘为止。这在恒定栅极覆盖分数下降低了串连电阻，因为栅极的横截面面积以栅极携带的电流增加的相同速率增加。图9示出在正极电流收集栅极510和负极电流收集栅极520内的锥形宽度图案的优选实施方案(未按比例示出)。图10示出图15的IBC栅极在具有电镀金属化层即电镀在触点金属化层上面的金属530的太阳能电池505的背表面上的横截面图。
通常，锥形度可以通过经验或通过计算确定，从而确定最佳的锥形。此外，金属覆盖分数以及相同极性的栅极之间的间隔可以类似地改变。在具有典型性质的IBC电池的模拟中，对125-mm乘125-mm的电池计算IBC栅极的串连电阻。相同极性的栅极之间的间隔选择为2mm，金属覆盖分数选择为40％。对于恒定宽度的IBC几何形状，栅极线具有400μm的宽度，而对于锥形几何形状，栅极线从200μm增加到600μm。锥形与恒定宽度IBC几何形状相比，串连电阻小36％。注意，可以根据需要使用其它的锥形；例如，栅极线可以为250到550μm宽度的锥形。
在第二实施方案中，通过使栅极线变厚，可以减小栅极电阻。丝网印刷的Ag膏状物栅极的厚度受到膏状物和丝网的物理性质的限制。为了能够在具有可接受电阻损耗的大尺寸上传导电流，允许边缘收集的IBC栅极(图6A)的优选几何形状通常需要较厚的栅极线(＞50μm)。这比易于丝网印刷的几何形状更厚。增加印刷Ag的IBC栅极的栅极线厚度的两种优选方法是：通过将IBC电池浸渍入熔融焊料(锡浸渍)或通过将金属电镀(电-或无电电镀)到栅极线上。锡浸渍是一些硅太阳能制造商用于制备常规硅太阳能电池的熟知方法。熔融焊料的温度取决于焊料的组成，但是通常低于250℃。在一个实施方案中，为了使被印刷的Ag栅极线的融化最小化，使用Sn:Ag焊料。
备选地，许多金属可以通过电或无电的电镀进行电镀。Cu和Ag的特别优势在于这两种金属能够容易地焊接并且具有优异的电导率。电镀栅极线的另一个优势是降低了在电池成品内的应力。由于最终的传导率由随后的金属累积步骤确定，因此可以优选使用薄印刷的Ag线。Ag在高温(通常高于700℃)下烧制，以使这层保持较薄，从而降低了因高烧制温度的应力。此外，电镀通常在低温(＜100℃)下进行。因此，在较低温度下可以增加栅极厚度，因而向电池成品内引入较小的应力。
尽管本发明已经具体参照这些优选实施方案进行了详细描述，但是其它实施方案也可以获得相同结果。本发明的变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，其意在覆盖所有这样的修改和等价形式。上面引用的所有参考文献、申请、专利和出版物，以及相应申请的全部公开内容均通过引用结合在此。

Claims (48)

1.一种用于制备背-触点太阳能电池的方法，所述方法包括如下步骤：
形成多个从半导体衬底的前表面延伸到该衬底后表面的孔，所述衬底包含第一导电型；
在前表面、后表面以及在围绕所述孔的表面上提供包含相反导电类型的扩散层；
在后表面上沉积形成图案的介电层；
使包含第一导电型的多个触点与所述衬底合金化；
在与所述触点电接触的所述介电层上沉积第一导电栅极；以及
在与所述扩散层电接触的后表面上沉积第二导电栅极。
2.根据权利要求1的方法，其中所述合金化步骤是穿过已有介电层区域进行的。
3.根据权利要求1的方法，其中所述合金化步骤是在除去介电层区域使后表面区域暴露之后进行的。
4.根据权利要求1的方法，其中所述扩散层为轻掺杂的。
5.根据权利要求1的方法，其中所述触点占据小于30％的后表面面积。
6.根据权利要求5的方法，其中所述触点占据小于20％的后表面面积。
7.根据权利要求6的方法，其中所述触点占据小于10％的后表面面积。
8.根据权利要求1的方法，其中基本上所有没有被所述触点占据的后表面部分都包含所述扩散层。
9.根据权利要求1的方法，其中所述触点包含铝。
10.根据权利要求1的方法，其中包含第二导电栅极的材料至少部分填充所述孔。
11.根据权利要求1的方法，其中所述第一导电栅极的栅极线宽度比所述触点的宽度宽。
12.根据权利要求1的方法，其中所述第一导电栅极与所述第二导电栅极互相交叉。
13.根据权利要求1的方法，其中所述第一导电栅极或所述第二导电栅极中的至少一个包含具有锥形宽度的栅极线。
14.一种根据权利要求1的方法制备的背-触点太阳能电池。
15.一种制备背-触点太阳能电池的方法，所述方法包括如下步骤：
形成多个从半导体衬底的前表面延伸到该衬底后表面的孔，所述衬底包含第一导电型；
在所述后表面上沉积形成图案的扩散阻挡层；
在所述前表面、没有被扩散阻挡层覆盖的后表面区域以及在围绕所述孔的表面上提供包含相反导电类型的扩散层；
在所述区域的子集内，与所述衬底电接触的扩散阻挡层上提供第一导电栅极；以及
在与所述扩散层电接触的后表面上沉积第二导电栅极。
16.根据权利要求15的方法，所述方法还包括将所述区域的子集内的导电类型基本上改变为第一导电型的步骤。
17.根据权利要求15的方法，其中所述沉积步骤包括使用丝网印刷。
18.根据权利要求15的方法，其中所述第一导电栅极包含铝。
19.根据权利要求15的方法，其中所述包含第二导电栅极的材料至少部分填充所述孔。
20.根据权利要求15的方法，其中所述第一导电栅极的栅极线宽度比所述区域之一的宽度宽。
21.根据权利要求15的方法，其中所述第二导电栅极与扩散阻挡层部分重叠。
22.根据权利要求15的方法，其中所述第一导电栅极与所述第二导电栅极互相交叉。
23.根据权利要求15的方法，其中所述至少之一的第一导电栅极或所述第二导电栅极包含具有锥形宽度的栅极线。
24.一种根据权利要求15的方法制备的背-触点太阳能电池。
25.一种制备背-触点太阳能电池的方法，所述方法包括如下步骤：
形成多个从半导体衬底的前表面延伸到所述衬底后表面的孔，所述衬底包含第一导电型；
在所述后表面上沉积形成图案的扩散阻挡层；
在所述前表面、没有被扩散阻挡层覆盖的后表面的第一区域以及在围绕所述孔的表面上提供包含相反导电类型的扩散层；
除去扩散阻挡层；
在后表面上沉积金属化阻挡层，所述金属化阻挡层包括：
小于第一区域并且与所述孔排成直线的第一开口；和
与被扩散阻挡层所覆盖的后表面的第二区域排成直线并比其小的第二开口；
将第一导电栅极部分沉积在金属化阻挡层上并且穿过第一开口与所述扩散层电接触；以及
将第二导电栅极部分沉积在金属化阻挡层上并穿过第二开口与所述衬底电接触。
26.根据权利要求25的方法，其中所述金属化阻挡层对后表面提供钝化。
27.根据权利要求25的方法，其中所述金属化阻挡层包含过渡金属氧化物。
28.根据权利要求25的方法，其中所述沉积步骤包括使用丝网印刷。
29.根据权利要求25的方法，其中所述第二导电栅极包含铝。
30.根据权利要求25的方法，其中所述包含第一导电栅极的材料至少部分填充所述孔。
31.根据权利要求25的方法，其中所述第一导电栅极的栅极线宽度比第一开口的宽度宽。
32.根据权利要求25的方法，其中所述第二导电栅极的栅极线宽度比第二开口的宽度宽。
33.根据权利要求25的方法，其中所述第二开口占据小于30％的后表面面积。
34.根据权利要求33的方法，其中所述第二开口占据小于20％的后表面面积。
35.根据权利要求34的方法，其中所述第二开口占据小于10％的后表面面积。
36.根据权利要求25的方法，其中大部分没有被所述第二开口占据的后表面包含所述扩散层。
37.根据权利要求25的方法，其中所述第一导电栅极与所述第二导电栅极互相交叉。
38.根据权利要求25的方法，其中所述第一导电栅极或所述第二导电栅极中的至少一个包含具有锥形宽度的栅极线。
39.一种根据权利要求25的方法制备的背-触点太阳能电池。
40.一种背-触点太阳能电池，其包含：
包含第一导电型的衬底；
在所述衬底的部分后表面上的扩散层，其包含相反导电类型；
在所述后表面上的丝网印刷的介电层；
在所述介电层内的多个开口，其中通过所述开口暴露的后表面区域包含所述第一导电型；
位于所述开口内的多个导电触点；以及
与所述触点电接触的多个栅极线，所述栅极线包含比所述开口宽度大的宽度。
41.根据权利要求40的太阳能电池，其中所述介电层选自：钝化层、氮化物层、扩散阻挡层和金属化阻挡层。
42.根据权利要求40的太阳能电池，其中所述触点包含铝。
43.根据权利要求40的太阳能电池，其中所述开口包含小于30％的所述后表面的表面积。
44.根据权利要求43的太阳能电池，其中所述开口包含小于20％的表面积。
45.根据权利要求44的太阳能电池，其中所述开口包含小于10％的表面积。
46.根据权利要求40的太阳能电池，其中大部分没有通过所述开口暴露的所述后表面包含所述扩散层。
47.根据权利要求40的太阳能电池，其中所述衬底包含从所述衬底的前表面延伸到所述后表面的孔。
48.根据权利要求45的太阳能电池，其中包含与所述扩散层接触的金属化的材料至少部分填充所述孔。
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