CN101553921A - 用于制造三维薄膜太阳能电池的模板及使用方法 - Google Patents

用于制造三维薄膜太阳能电池的模板及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板100，该三维薄膜太阳能电池基板用于三维薄膜太阳能电池。该模板100包括含有多个柱102和在所述多个柱102之间的多个沟槽104的基板。模板100形成了三维薄膜太阳能电池基板的形成环境。

Description

用于制造三维薄膜太阳能电池的模板及使用方法
本申请要求2006年10月9日递交的临时专利申请60/828678和2007年1月24日递交的临时专利申请60/886303的权益，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开总地涉及光伏学和太阳能电池，具体地涉及三维(3-D)薄膜太阳能电池(TFSC)及其制造方法。更具体地，现公开的主题涉及用于制造3-D TFSC基板的模板及制作和使用该模板的方法。
背景技术
可再生、高效率并且费用低廉的能量来源正在全球范围内的需求日益增长。日益昂贵、不可靠并且危害环境的矿物燃料以及增长的对包括电能的能量的全球需求已经引起了对替代的、安全的、清洁的、可广泛获得的、费用低廉的、环境友好且可再生的能量形式的需求。使用太阳能电池的太阳光伏(PV)发电将格外地适于满足居住、商业、工业和集中的公共事业应用的需求。使太阳能引人注目的关键因素是太阳光的充裕的、全世界范围内的以及使用地点(point-of-use)的供应、太阳电力的环境友好、可量测性(从毫瓦到兆瓦)、在使用地点的安全产生以及优良分布的能量经济(energyeconomics)。太阳一小时内提供给地球的能量就大于全世界每年的能量消耗。大部分地球表面接收大量的年度日光时(annual sun-hour)，这可以有效地用于清洁、安全的发电。推动这个市场的关键驱动力是公众对环境友好技术日益增长的意识。然而，由于相对较低的太阳能电池效率(例如，对于大多数薄膜技术来说小于12％并且对于大多数晶体硅太阳能电池技术来说大致为12％到18％)、原材料(例如，用于晶体硅晶片太阳能电池的硅)和制造工艺的高成本、费用低廉和有效的电存储方面的限制、以及支持太阳能电池发展的基础设施的普遍缺乏，所以目前这种能量方案的使用有限(目前，太阳光伏发电量小于全球总发电量的0.1％)。
为了商业应用，最终用户的能量成本(例如，以电能的美分/千瓦时(cents/kWh)为单位)应该足够低并且能够比得上或者优于使用传统发电来源的公共电网(utility grid)的能量成本。如果能够实现与传统电网相当的成本，那么目前小于1％的全球发电量的太阳光伏发电将得到实质性的发展。随着太阳能电池和模块的成本(典型地表示为$/Wp)的降低，并网(grid-tied)太阳光伏应用正在以加快的步伐获得认可，这使得它们成为发电的重大发展中引人注目的选择。
在对价格敏感的太阳能电池市场中，存在两种基本的技术选择。一方面，晶体硅(c-Si)晶片可以用作太阳能电池形成的基础(目前，占超过90％的太阳PV市场)。另一方面，与晶体硅晶片基的太阳能电池相比，使用硅和其它半导体吸收材料(诸如非晶硅、CdTe或者CIGS)的(非晶和多晶)薄膜技术可以提供明显的成本优势。这些不同的方法处在价格-性能天平的两个相反端。晶体硅晶片提供了更高的性能，但是成本也更高(由于相对较高的制造单晶和多晶硅晶片的成本)。薄膜技术可以提供较低的制造成本，但是通常性能也较低(即，效率较低)。对于这两种方法，通常每瓦的价格随着电池效率的增加而增加(由于更高的材料和/或制造成本)。
由于过去十年间超过40％的快速年增长率以及半导体微电子业和太阳PV业对于硅材料的共同需求，太阳PV业曾经历了多晶硅原料供应的短缺。多晶硅原料短缺严重地限制了太阳PV业的发展，尤其是在过去的几年间。事实上，目前太阳能电池产业消耗的高纯多晶硅原料超过全球产量的一半。在过去的几年中，多晶硅的合同价格已经从大约$30/kg增长到了大约$85/kg，现货价格超过$250/kg。这导致了单晶硅和多晶硅晶片价格的大规模上涨，该价格目前占总的太阳模块制造成本的大约一半。
主流的晶体硅(c-Si)晶片太阳能电池产业的发展趋势已经将晶片厚度降低到小于200微米(以降低每瓦太阳能电池额定峰值功率使用的以克表示的硅材料量)。例如，单晶硅晶片太阳能电池计划到2012年从目前大约200微米的晶片厚度降低到大约120微米的厚度。多晶硅晶片太阳能电池计划到2012年从目前大约260微米的平均晶片厚度降低到大约180微米的厚度。然而，晶片厚度的降低对机械刚度、制造产率和太阳能电池的效率提出了另外的挑战。尽管成本高，但是多晶硅(c-Si)技术仍然主导着太阳能电池市场，主要是由于较高的效率以及与现有微电子产业和供应链的协同作用。目前，c-Si占稍微超过90％的太阳能电池市场(当包括带状硅(ribbon silicon)时占95％)。
历史地看，全球累计电池产量(以兆瓦MWp和千兆瓦GWp度量)每翻倍一次晶体硅太阳能电池就可以实现20％的成本降低。计划在五到十年内通过创新的成本降低方法和效率提高方法，从联网的屋顶太阳光伏模块获得的电能的成本变得与从公共电网购买电能的成本相当。2005年商用单晶硅和多晶硅太阳能模块的调查表明太阳能模块的效率在9.1％到16.1％的范围内，平均效率值约为12.5％。由于各种效应(包括晶片太阳能电池中的光衰减(例如，晶片少数载流子寿命衰减))，商业晶体硅模块通常表现出快速的1％到3％的初始效率衰减。单晶硅晶片太阳能电池的效率计划到2012年从目前大约16.5％的效率(目前，前沿的商用单晶硅太阳能电池和太阳模块的效率分别是21.5％和18％)增加到大约20.5％。多晶硅晶片太阳能电池的效率计划到2012年从目前大约15.5％的效率水平增加到大约18％。
目前，对于现有技术的晶体硅太阳能电池制造来说每峰值瓦使用大约10克高纯多晶硅原料(g/Wp)，从而多晶硅原材料的成本大约为$0.85/Wp(假定多晶硅的价格为$85/kg)。在接下来的五年，计划的减小太阳能电池晶片厚度的趋势(即，小于200微米的晶片)以及对于太阳能级(solar-grade)多晶硅长期设想的大约$20/kg的价格将多晶硅原料成本(g/Wp)减至1/4到1/8以降低到$0.10/Wp到$0.20/Wp。从而，任何竞争的太阳能电池技术将相对于降低的原材料成本数来确定它们的制造成本目标的基准。对于给定的电池效率，硅晶片厚度的减小将通过降低每瓦峰值太阳能功率消耗的多晶硅原料的量来为太阳能电池成本的降低提供主要的机会。
与线切割(wire saws)相关的成本(对目前太阳能电池而言大约为$0.25/Wp)为硅晶片太阳能电池提供了另一个与晶片相关的成本部分。消除与切割(sawing)和划片(slicing)相关的切口损失(kerf loss)的创新的、费用低廉的技术将进一步有助于硅太阳能电池成本的降低。计划晶片基晶体硅太阳能模块的制造成本(目前为每瓦2.10美元到超过每瓦2.70美元的水平)到2012年可以降低到大约$1.50/Wp到$1.80/Wp的范围，部分原因是到2012年切割晶片的切口损失将从目前大约200微米的值降低到大约130微米。晶片基晶体硅太阳能电池的整体成本的降低可以来自于各个方面，包括：更低成本的多晶硅原料、更薄的晶片、更高的电池级(cell-level)的效率、降低的切割晶片的切口损失、以及增加的规模经济或者制造容量。
现有技术的硅晶片太阳能电池制造设备(“太阳能加工”)目前典型地生产125mm×125mm到156mm×156mm的太阳能电池。晶体硅晶片太阳能电池的发展趋势为更薄、更大的晶片。用于功率产生模块的前沿的太阳能电池中的单晶硅和铸造(及带状)多晶硅太阳能电池晶片的厚度计划到2009-2010年左右分别减少到大约150和200微米。任何费用低廉的、高效率的、与上述目前和计划的数值相比较而使硅材料消耗(例如，晶片或者膜的厚度)能够实质性地减少的创新的硅太阳能电池技术都将可以为太阳光伏应用(例如，居住、商业和工业屋顶以及大规模集中的公共事业发电应用)的可行的商业太阳能电池技术带来希望。
由于降低的材料消耗和成本以及降低的系统平衡(balance-of-system，BOS)成本(例如，与区域相关的太阳能模块安装以及变换器(inverter)成本)，更高的太阳能电池效率对整个太阳能电池的价值链和能源基准成本(LCOE($/kWh))将具有有利的影响。目前主流的商业晶体硅太阳能电池提供14％到17％量级的效率。期望到2009年商业太阳能电池中所设计的晶体硅太阳能电池的效率对于单晶硅和多晶硅太阳能电池可以分别达到大约19％和17％。对于崭新的太阳能电池的商业机会来说，关键的领域是创新的电池结构和简化的工艺流程的发展，可以在使效率提高的同时降低整个太阳能电池和模块的制造成本。对于在主流的晶片基晶体硅太阳能电池技术上成功的替代途径(例如，薄膜PV)，当新技术完全商业化时与主流的晶片基晶体硅太阳能电池的计划效率和成本数值相比它们应该以更低的制造成本来提供更高的效率。
与高容量太阳能加工能力相关联的规模经济的加工成本的降低是影响LCOE的关键因素。现有技术的高容量的太阳能光伏加工已经具有达到或超过50MWp(MWp＝一百万Wp)到100MWp的量级的年生产能力。在即将到来的十年间，期望高容量太阳能光伏的加工能力大体增加到几百MWp的年生产率或者甚至达到1GWp(GWp＝十亿Wp)。尽管100MWp到1GWp范围内的容量非常高的太阳能加工通过高容量的制造规模经济应该有助于更长期的成本降低(包括LCOE)，但是容易超过$100M的相对较高的最初的加工投资成本为太阳能光伏加工的构造选择施加了一定的限制。理想地，优选发展创新的晶体硅太阳能电池设计和简化的制造工艺流程，即使在具有适中生产容量(例如，年生产容量在5MWp到50MWp的范围内)的较小的规模的(和较小的资本密集的)加工中也可以有助于实质性地降低制造成本。这种类型的技术将考虑加工设备和运行成本适当的适当容量的太阳能光伏加工。降低的加工设备和运行成本将进一步有助于费用低廉的太阳能模块的全球发展，使得能够构造大量的完全能负担得起得的适当容量的加工(相比于为了实现充分的规模经济以降低制造成本而不得不安装非常昂贵的高容量加工)。当然，满足上述费用低廉、适当容量加工的标准(例如，即使在适当的生产容量以为简化的太阳能电池加工而安装的成本低的加工也能满足LCOE规划的要求)的创新的太阳能技术也可以应用于容量非常高(例如，大于100MWp)的太阳能加工。这样的光伏加工可以进一步利用与容量增加相关的规模经济的优势。
由于吸收带很好地匹配太阳光谱，薄膜太阳能电池(TFSC)技术(例如，非晶硅、CdTe和CIGS)需要很少的吸收材料(通常远小于10微米的厚度)来吸收典型的标准“空气质量1.5”(AM-1.5)的太阳辐照。TFSC吸收材料可以沉积在便宜的基板(例如玻璃、柔性的金属或者非金属基板)上。典型地，TFSC可以提供低的成本、减少的模块重量、减少的材料消耗、以及使用柔性基板的能力，但是通常效率更低(例如，5％到12％)。对于现有技术的薄晶体硅膜，大量主要的问题和挑战是用于低成本、高性能太阳能电池的平坦硅膜的使用。这些包括：相对较低的太阳能模块效率(典型地为7％到12％)、模块效率的野外衰减(field degradation)、稀缺且昂贵的吸收材料(例如，用于CIGS的In和Se以及用于CdTe的Te)、对系统野外可靠性的确认有限、例如CIS/CIGS和CdTe的非硅技术对环境的不利影响。
现有技术的图1示出了使用由外延硅生产的平面硅薄膜吸收层来制造c-Si TFSC的工艺流程10。该现有技术的TFSC制造工艺流程采用了几个阴影掩模工艺步骤以形成电池结构。电池吸收层仅仅是通过硅外延生长工艺形成的c-Si的薄的平坦膜。电池使用前侧硅织构以改善光的捕获并采用分离的背部的铝反射镜以改善电池效率。步骤12以单晶p+CZ硅开始。步骤14涉及硅的电化学HF蚀刻以形成两层多孔硅，该两层多孔硅包括孔隙率为20％的1微米的上层以及孔隙率超过50％的200纳米的下层。步骤16涉及在1100℃氢气(H2)退火30分钟。步骤18涉及在1100℃采用三氯硅烷(SiHCl3)外延生长硅(沉积速率为每分钟1微米)，形成2微米的P+-Si和30微米的P-硅。步骤20涉及KOH湿蚀刻前侧表面织构以形成竖立的表面棱锥。步骤22涉及第一阴影掩模工艺，经由阴影掩模定义发射极扩散窗口进行LPCVD沉积氮化硅(SiNx)。步骤24涉及在830℃固态源的磷扩散(以对于n+掺杂结实现80Ω/方块(Ω/square))。步骤26涉及第二阴影掩模工艺，通过经由阴影掩模通过蒸发进行前侧金属化(钛/Pd/银网格)。步骤28涉及通过氢化PVD或者PECVD SiNx钝化发射极表面。步骤30涉及通过导电粘合剂接触前侧母线。步骤32涉及使用干净的胶粘物将电池前侧胶粘至涂布有MgF2的玻璃。步骤34涉及通过机械应力将电池从硅晶片分离。步骤36涉及第三阴影掩模工艺，采用经由阴影掩模的蒸发进行背侧铝金属化。最后，步骤38涉及以距电池背侧200微米的间隔来贴附铝反射器。
现有技术的图2示出了在具有自对准的选择性发射极和金属化的硅晶片上制造太阳能电池的另一个工艺流程方法40。该现有技术工艺使用激光加工来图案化上电池电介质层，同时熔融下层硅以形成重掺杂的n++发射极接触扩散区(在通过快速热退火形成轻扩散的选择性发射极区域之后)。步骤42以单晶p型硅开始。步骤44涉及90℃在稀释NaOH中的切割损伤移除蚀刻和各向异性织构蚀刻。步骤46涉及磷扩散源的旋涂和干燥。步骤48涉及快速热退火以形成轻扩散发射极(80到200Ω/方块)。步骤50涉及通过铝或者银/铝合金的真空蒸发或者丝网印刷来涂敷背侧金属接触，之后进行干燥。步骤52涉及对丝网印刷的接触进行背侧金属烧结/烘培(例如，在820℃在氧气/氮气中)(烘培金属浆(paste)的同时将电介质氧化以增加其对金属镀覆溶液的抵抗力)。步骤54涉及激光加工以图案化上电介质层，同时熔融下层硅以形成n++接触扩散区。步骤56涉及稀释的HF蚀刻以制备金属镀覆的表面。步骤58涉及在90℃镍的无电镀5分钟。步骤60涉及在350℃到450℃的镍的烧结(在氮气、氩气或者形成气中)。步骤62涉及额外的2分钟的镍镀覆，随后是长时间的铜的无电镀以形成厚的、导电性高的铜膜。步骤64涉及在铜表面上的快速浸入银沉积。最后，步骤66涉及边缘结分离(例如，使用激光刻槽、边缘解理或者等离子体蚀刻)。
对于现有技术的晶体硅(c-Si)薄膜太阳能电池(TFSC)技术，存在与薄硅膜的合适的表面织构以在降低表面反射损失的同时降低晶体硅膜的厚度相关联的难点。从产率和电池性能(效率)的角度考虑这限制了最小的平面(共面)单晶硅的厚度。在平面或者共面膜的情形下，必须使用表面织构，因为无织构晶体硅膜的反射率相当大(可以大于30％)并导致大量的光反射损失和外量子效率衰减。从而，为了降低共面外延硅膜中反射率引起的光子损失，就需要有效的表面织构，而表面织构本身又限制了最小的外延硅层厚度。根据膜表面织构的需要和工艺，最小的晶体硅层厚度可以在至少10微米的量级(以使得织构工艺不会穿透晶体硅层的任何部分)。
此外，在薄平面晶体硅膜中显著降低的平均光程将导致光子吸收降低，尤其是对于能量接近硅的红外带隙(800到1100纳米)的光子，从而导致太阳能电池的量子效率降低(短路电流或者Jsc降低)。由于电池量子效率的降低以及Jsc的降低，导致太阳能电池效率的严重衰减。例如，在20微米厚的共面(平面)晶体硅吸收层中，以接近法线的角度照射电池的太阳光束具有等于膜厚度的有效光程，对于能量接近硅的红外带隙(即，具有大约800到1100nm的波长)的太阳辐照光子在硅薄膜中被有效吸收来说太短了。实际上，活性电池硅的厚度降低到小于大约50微米就会引起Jsc以及得到的太阳能电池效率的明显下降，当硅膜厚度下降到小于大约20微米时该衰减效应迅速加速。从而，共面薄晶体硅膜也需要有效的光捕获(采用上表面织构和从晶体硅膜的背表面出射的光的后表面背反射)以产生等于多倍晶体硅膜厚的有效光程。
使用该方法的现有技术主要使用了在晶体硅膜/硅基板处通过光的内部反射的背反射，或者来自毯式背侧接触(例如背表面区域的铝接触/反射镜)的反射。由这些技术提供的背反射率并不大(例如，大约70％的有效近红外反射率)，限制了应该由最优的背反射器实现的性能增益。这种方法的问题是初级入射光束总是只通过晶体硅膜一次。初级入射光束光子的任何随后的二次通过都依赖于背表面反射。
还存在在电池和模块加工的过程中缺乏薄膜的刚性和机械支撑的问题。这个问题与大面积(例如，200mm×200mm)薄硅膜的机械强度有关。已知将大面积晶体硅晶片的厚度降低到小于100微米会导致电池基板机械强度/刚性的显著损失，从而薄晶片容易成为柔性的并在电池制造的工艺流程中很难处理而不致破裂。
比例如厚度小于50微米的大面积、共面(平面)晶体硅膜必须适当地安装并支撑在费用低廉的支撑或处理基板上，以使太阳能电池和模块制造获得可接受的产率。一个方法是在成本相对较低(例如，冶金级)的硅基板(在该硅基板上生长外延层)上生长并保留薄的外延膜，然而这种方法具有一些限制最终的太阳能电池效率的固有问题。另一个方法是从(可再用的)母硅基板释放/剥离外延的硅膜并随后将它放置在更便宜的非硅的支撑或处理基板上以在太阳能电池的工艺流程过程中始终提供机械强度。该方法可能经受在任何高温氧化和退火工艺过程中支撑/处理基板和硅膜之间的热膨胀系数(TCE)不匹配，以及来自非硅支撑基板的对薄外延硅膜的潜在污染(两者可能引起制造产率和性能/效率衰减的问题)。
使用硅外延的单晶硅膜生长工艺的成本，尤其是对于厚度超过30微米的较厚的外延膜来说是另一个应该强调的问题。采用相对较小的外延膜厚度(在一个实施例中，远小于30微米)可以将外延成本降低到引人注目的范围。然而，这对于平面硅薄膜太阳能电池的制造将提出各种的挑战。正如所说的，较薄的共面(平面)外延膜(例如，在远小于30微米的范围内)产生了大量的问题和挑战，包括膜机械强度的缺乏、对用于降低表面反射率及减少光反射损失的薄硅膜的有效表面织构的限制、相对较短的光程、和降低的电池量子效率。有效光捕获对于提高薄膜c-Si太阳能电池的效率来说是必须的。对有效光捕获的需求是以前表面的织构和后表面反射镜为基础的，同时实现足够低的表面复合速率(为了高的电池效率)。这在共面(平面)c-Si薄膜太阳能电池中是很难实现的。
高性能c-Si薄膜太阳能电池需要一些图案化步骤或者图案化加工步骤(例如，选择性发射极的形成、前侧发射极和背侧发射极的绕穿式(wrap-through)金属化接触、背侧基区金属化接触等)。这些图案化步骤通常采用光刻、丝网印刷和/或阴影掩模沉积(例如，阴影掩模溅射或者蒸发)工艺来实现。光刻和/或丝网印刷和/或阴影掩模沉积的图案化步骤的使用通常会增加制造工艺流程的复杂性和成本，并且还会不利地影响产率以及最终可实现的太阳能电池效率。
因此，需要一种改正上述问题的薄膜太阳能电池(TFSC)。
还需要解决现有主流的c-Si太阳能电池技术的缺点另一个需求。这包括降低每太阳功率峰值瓦消耗的多晶硅原料的量，消除与切割和划片相关联的切口损失，从而显著降低整个太阳能电池制造的成本。
还需要创新的太阳能电池结构和简化的工艺流程，在增加电池和模块效率的同时显著降低整个太阳能电池制造的成本。还需要创新的c-Si太阳能电池设计和简化的自对准制造工艺，即使在生产容量适中的工厂中也有助于显著降低太阳能电池和模块的成本，使得对于加工设备和运行成本适中的中等容量的太阳能电池工厂来说比较低(从而，与现有技术的工厂相比，在显著较低的加工容量实现制造成本下降的规模经济)。
还有解决现有TFSC技术的缺点的其它需要。这包括解决与薄平面硅膜的足够的表面织构相关的难点以降低表面反射损失，该难点目前来说从产率和电池性能的角度考虑这限制了最小平面(共面)晶体硅的厚度。还存在这样的需要，基于前表面织构和后表面反射镜的组合的有效光捕获，同时实现低的表面复合速率(为了高的电池效率)。
还需要另外的需要以解决现有TFSC技术的另外的缺点。这包括：在电池和模块的加工过程中薄膜基板的刚性和机械支撑缺乏的问题，使得对于TFSC基板必须使用支撑或处理基板(由硅或者其它材料制成)。这还包括：外延硅薄膜生长工艺的成本，尤其是对于平面晶体硅TFSC所需的较厚的外延膜。这还包括：需要多次光刻和/或丝网印刷和/或阴影掩模加工/图案化步骤，这通常会增加制造工艺流程的复杂性和成本，并可能不利地影响加工产率及最终可实现的太阳能电池效率。
发明内容
根据本公开，提供了一种可以用于形成三维薄膜太阳能电池基板(3-DTFSC基板)的模板。该3-D TFSC基板可以用于形成三维薄膜太阳能电池(3-D TFSC)和模块，就转换效率和电池及模块的制造成本而言，基本上消除或者减少与先前发展的半导体晶片基太阳能电池以及TFSC相关的缺点和问题。
根据本公开的主题的一个方面，提供了一种用于形成3-D TFSC基板的模板。该模板包括模板基板，该模板基板包括多个柱以及在所述多个柱之间的多个沟槽。该模板形成了3-D TFSC基板的形成环境。
该模板优选为可再用以制造多个3-D TFSC基板而不需要基板的实质的修复。
更具体地，本公开的主题包括半导体模板基板，甚至更具体地包括硅模板基板。
更具体地，本公开的主题包括多个棱柱状的柱，具体地为六角棱柱状的柱和多角棱柱状的柱等。
更具体地，本公开的主题包括多个锥形柱、接近垂直的柱或者垂直的柱。
更具体地，本公开的主题包括多个晶片内沟槽或者贯穿晶片的沟槽。沟槽可以是在较窄且较深的沟槽之上的较宽沟槽。
更具体地，本公开的主题包括半导体基板，该半导体基板还包括多个沟道以提供蚀刻剂通道。
根据本公开的主题的另一个方面，提供了一种用于形成3-D TFSC基板的模板的制造方法。该方法包括从半导体基板的选择区域移除半导体材料以形成多个柱和多个沟槽。
更具体地，本公开的主题包括通过光刻图案化的步骤从半导体基板的选择区域移除半导体材料以在半导体基板上产生设计，并采用蚀刻工艺，甚至更具体地采用深反应离子蚀刻工艺(deep reactive-ion etching process)，将该设计转移到半导体基板上。
更具体地，本公开的主题包括通过激光微加工从半导体基板的选择区域移除半导体材料以在所述半导体基板上产生设计。
更具体地，本公开的主题包括从半导体衬底的选择区域移除半导体材料以在所述半导体衬底中形成沟道，从而提供蚀刻剂通道。
本公开的主题的这些优势和其它优势以及另外的新颖特征通过在此提供的描述将变得明显易懂。该发明内容的目的不在于全面描述要求保护的主题，而是提供一些主题功能的简短概述。在研究下面的附图以及详细描述的基础上，这里提供的其它系统、方法、特征和优势对于本领域技术人员来说将变得明显易懂。旨在将所有这些另外的系统、方法、特征和优势包括在本说明书中，并在所附权利要求的范围内。
附图说明
结合附图并通过下面进行的详细描述，本发明的特征、本质和优势将变得更加明显易懂，在附图中相同的附图标记通篇对应地标出，其中：
图1(现有技术)示出了采用硅外延生产的平面硅薄膜吸收层来制造晶体硅(c-Si)薄膜太阳能电池(TFSC)的现有技术工艺流程；
图2(现有技术)示出了在包括自对准选择性发射极和金属化的硅晶片上制造太阳能电池的现有技术工艺流程；
图3提供了3-D TFSC基板和太阳能电池制造工艺流程的概述；
图4示出了包括六角棱柱状的柱的模板的实施例的视图；
图5A和图5B示出了包括六角棱柱状的柱的模板的一个实施例的放大扫描视图(两种不同的放大率)。
图6示出了包括错排(移位)四角棱柱状的柱的模板的实施例的视图；
图7(现有技术)总结了与现有技术相比本公开所消除的主要工艺步骤；
图8总结了与现有技术相比本公开的高水平工艺流程和富有竞争力的优势。
图9提供了本公开的关键特征和优势的另一个总结；
图10概括了采用光刻图案化来制造模板的工艺流程的实施例；
图11示出了产生六角阵列(蜂窝)图案的光刻掩膜设计的实施例的俯视图；
图12至图15概括了采用直接的激光微加工或者光刻图案化来制造模板的工艺流程的各种实施例；
图16示出了六角棱柱(蜂窝)3-D TFSC基板的实施例的Y-Y和Z-Z横截面轴；
图17和图18示出了分别包括贯穿晶片沟槽和晶片内沟槽的模板的实施例的Y-Y横截面视图；
图19至图25示出了在基于图14或图15的工艺流程制作模板的实施例的制造工艺流程中硅基板的Y-Y横截面视图；
图26到图30示出了模板的替代实施例的Y-Y横截面视图；
图31和图32示出了用于图案化半导体(硅)晶片的背部以在模板上产生背侧开口的掩模设计的实施例；
图33示出了替代的前侧光刻掩模，该光刻掩模具有用于形成模板沟槽的六角阵列开口的阵列，并具有用于从模板的背侧到模板的前侧形成释放沟道的阵列的孔的阵列；
图34示出了用于参考的叠置的图33中的前侧图案化掩模和背侧正方形阵列图案(用于以所示的与前侧图案的相对对准来进行背侧图案化)的图33中的前侧图案化掩模。
图35示出了图34中的背侧光刻掩模图案(正方形阵列)与图33的前侧掩模六角阵列图案叠置用于参考。
图36至图44示出了在基于图14或图15的工艺流程制作模板的实施例的制造工艺流程中半导体(硅)基板的Y-Y横截面视图；
图45至图53示出了在基于图14或图15的工艺流程制作模板的实施例的制造工艺流程中硅基板的Y-Y横截面视图；
图54以及图57至图64示出了在基于图14或图15的工艺流程制作模板的实施例的制造工艺流程中半导体(例如，硅)基板的Y-Y横截面视图；
图55和图56示出了背侧光刻掩模设计，图56示出了相对于前侧六角阵列图案的背侧正方形阵列图案的相对对准，而图55示出了用于在模板上形成化学的释放沟道的背侧正方形阵列图案；
图65和66示出了用于在每个工艺过程中同时制造和释放两个六角棱柱3-D TFSC基板的堆叠模板结构的横截面视图(图65和图66分别示出了具有晶片内沟槽和贯穿晶片沟槽的堆叠模板)；
图67示出了采用层释放加工来制造自支撑六角棱柱3-D TFSC基板的工艺流程的实施例；
图68至图73示出了用于制造不具有背基底层的自支撑六角棱柱(以及其它棱柱阵列图案)3-D TFSC基板的工艺流程的替代实施例(以形成双开口3-D TFSC基板，即具有上单元开口和下单元开口的3-D TFSC基板)；
图74和图75示出了用于制造包括背基底层的自支撑六角棱柱3-D TFSC基板的工艺流程的替代实施例(以形成具有单开口单元的单开口3-D TFSC基板)；
图76至图80示出了具有贯穿晶片凹槽的模板的一个棱柱单元的演化的Y-Y横截面视图，其经历了用于制造不具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板(双开口3-D TFSC基板)的几个关键的工艺步骤；
图81到图84图解了在模板前侧或者模板背侧的具有晶片内沟槽且不具有电介质层的模板的实施例的Y-Y横截面视图，其经历了用于制造不具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板(双开口3-D TFSC基板)的几个关键的工艺步骤；
图85至图88图解了模板前侧具有贯穿晶片沟槽且不具有电介质的模板的实施例的Y-Y横截面视图，其经历了用于制造不具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板(双开口3-D TFSC基板)的几个关键的工艺步骤；
图89至图93图解了模板前侧具有晶片内沟槽且不具有电介质的模板的Y-Y横截面视图，其经历了制造具有背基底层(base layer)的六角棱柱3-DTFSC基板(单开口3-D TFSC基板)的关键的工艺步骤；图92和图93分别示出了3-D TFSC基板被释放之后释放的具有基底层的3-D TFSC基板和可再用的模板；
图94至图96图解了图44中具有从背侧到前侧的释放沟道的模板的Y-Y横截面视图，其经历了制造具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板(单开口3-D TFSC基板)的关键的工艺步骤(模板制作在<100>硅基板上)；
图97至图99图解了图53中具有从背侧到前侧的释放沟道的模板的Y-Y横截面视图，其经历了制造具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板(单开口3-D TFSC基板)的关键的工艺步骤(模板制作在<110>硅基板上)；
图100至图102图解了图64中具有与六角棱柱沟槽的底部对准的背侧释放沟道的模板的Y-Y横截面视图，其经历了制造具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板(单开口3-D TFSC基板)的关键的工艺步骤；
图103示出了包括具有平面外围硅框架的正六角棱柱3-D TFSC基板的六角棱柱TFSC的实施例的俯视图；
图104A和图104B分别示出了不具有和具有背基底层的六角棱柱3-DTFSC的两个实施例的扫描电子显微镜视图(图104A和图104B分别示出了双开口和单开口3-D TFSC)；
图105A示出了制造3-D TFSC之前包括薄外围半导体(硅)框架的自支撑(自立)六角棱柱双开口3-D TFSC基板(不具有基底层)的实施例的Y-Y横截面示意图；
图105B示出了制造TFSC之后图105A的3-D TFSC基板的Y-Y横截面示意图；
图106A示出了制造TFSC之前包括厚外围半导体(硅)框架的自支撑(自立)六角棱柱双开口3-D TFSC基板的实施例的Y-Y横截面示意图；
图106B示出了制造电池之后图106A的3-D TFSC基板的Y-Y横截面示意图；
图107示出了规则(等边)六角棱柱3-D TFSC基板的实施例的俯视图；
图108示出了从模板释放并移除之后的六角棱柱3-D薄膜半导体基板的实施例的3-D视图；
图109A示出了双开口六角棱柱3-D TFSC基板的实施例的Y-Y横截面示意图，而图109B示出了该基板的Z-Z横截面视图；
图110示出了包括整体地(一体地)连接到基本平坦的平面薄半导体膜的基板背部的单开口六角棱柱3-D TFSC基板(即，具有一体基底层的3-DTFSC基板)的实施例的3-D横截面视图；
图111A示出了单开口六角棱柱3-D TFSC基板的实施例的Y-Y横截面视图，而图111B示出了Z-Z横截面视图；
图112示出了来自六角棱柱3-D TFSC基板的实施例的单个单元的示意图，为了参照包括某些3-D TFSC基板计算；
图113示出了计算的3-D TFSC基板的六角棱柱面积比(3-D电池表面积与平面电池基区面积的比)相对于六角棱柱纵横比(aspect ratio)(单元的高度与开口直径的比)的曲线图；
图114示出了对于两种类型的3-D蜂窝棱柱TFSC基板(单和双开口基板)，六角棱柱3-D TFSC基板的质量与参照的平面半导体晶片的质量的比相对于蜂窝棱柱侧壁硅的厚度与参照的平面硅晶片的厚度的各种比的曲线图；
图115A至图121C示出了包括各种棱柱单元的几何设计和布置的3-D多角棱柱TFSC基板的几个实施例的示例；
图122至图127示出了采用不具有背基底层的双开口3-D TFSC基板来制造六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程的实施例；
图128至图133示出了采用包括背基底层的单开口3-D TFSC基板来制造六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程的实施例；
图134示出了双面的涂布设备的示意图，该双面涂布设备通过滚涂并顺序固化涂布的液体/浆层来将掺杂剂液体或者浆层自对准地施加(涂布)在3-D TFSC基板的六角棱柱的上脊以及六角棱柱的背表面或脊上(结合一体的带驱动工艺设备示出)；
图135示出了替代的喷涂器和固化设备以执行与图134的滚涂器和固化设备相同的工艺；
图136示出了采用液体浸渍涂布或者液体转印涂布的另一个替代的设备设计，以执行与图134的滚涂器和固化设备以及图135的喷涂器和固化设备相同的工艺；
图137A至图138B示出了单个单元的示意性Y-Y横截面视图，该单个的单元来自不具有背基底层的采用3-D TFSC基板制造的六角棱柱3-D TFSC的实施例中的双开口3-D TFSC基板；
图139A和图139B示出了将电池安装到背反射镜后来自双开口3-DTFSC基板的单个单元的Y-Y横截面视图；
图140A至图141示出了安装到背反射镜后(在反射镜和背电池之间具有或不具有间隔)来自双开口3-D TFSC基板的多个单元的Y-Y横截面视图；
图142A至图146示出了基本垂直的六角棱柱侧壁形成在不具有背基底层的双开口3-D TFSC基板上的六角棱柱3-D TFSC的实施例的Y-Y横截面示意图；
图147A和图147B分别示出了在自对准基区(base)和发射极接触金属化之前和之后在双开口六角棱柱3-D TFSC基板中的单个单元的3-D视图；
图148和图149示出了完成TFSC制造工艺之后并将电池背基区侧安装在背反射镜之后多个相邻的六角棱柱单元；
图150A至图152A示出了包括背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC基板的实施例中的单元的Y-Y横截面视图；
图152B至图156示出了包括背基底层并包括分离的或者一体的背反射镜的单开口六角棱柱3-D TFSC基板的实施例Y-Y横截面视图；
图157示出了照射在采用了反射发射极金属化接触的双开口六角棱柱单元上的太阳光线的光线跟踪示意图；
图158和图159总结了本公开的一些性能优势；
图160至图163示出了以各种入射角入射的多束太阳光线，证明本公开高效的光捕获特性；
图164示出了对于本公开的太阳能电池设计的各种发射极接触金属化实施例的单元中的模拟光捕获以及相对于入射角的短路电流密度；
图165示出了相对于单元棱柱高度的本公开的太阳能电池的标准测试条件(STC)的效率和短路电流密度；
图166示出了相对于入射角的最大光电流密度，同时表明发射极接触金属化的作用(假设发射极接触金属的100％光反射)；
图167示出了典型的选择性发射极的磷和本公开的六角棱柱3-D TFSC中的3-D TFSC基板的硼掺杂分布，示出了渐变的硼掺杂分布以产生内建电场；
图168用作由沿着六角棱柱的垂直侧壁的基区电流引起的六角棱柱TFSC的内部欧姆损失的计算的参照图；
图169示出了对于各种3-D蜂窝棱柱的侧壁膜厚度的最大的基区电阻率以及近似的p型基区掺杂浓度值，以将基区电流欧姆损失限制为小于0.1％；
图170示出了用于本发明的六角棱柱TFSC的硅框架和硅框架条的各种视图；
图171示出了太阳能模块组件中的TFSC的串联的视图；
图172示出了用于使用本公开的TFSC的太阳能模块组件的印刷电路版(PCB)的前侧金属化图案的视图；
图173和图174示出了用于使用本公开的TFSC的太阳能模块组件的PCB的背侧金属化图案的视图；
图175A示出了太阳能模块PCB的前侧的放大俯视图，示出了用于放置本公开的一个太阳能电池的一个PCB图案化的金属化位置；
图175B示出了太阳能模块PCB的背侧的放大俯视图，示出了PCB上相邻电池的串联连接；
图176示出了包括本公开的TFSC和回火玻璃盖的太阳能模块结构的实施例的横截面视图；
图177示出了制造采用了回火玻璃盖的太阳能模块的工艺流程的实施例；
图178示出了包括本公开的TFSC和涂布层盖的太阳能模块结构的实施例的横截面视图；
图179示出了制造不具有回火玻璃盖的太阳能模块的工艺流程的实施例；
图180和181示出了建立正面应用的太阳能玻璃组件的横截面视图；
图182示出了形成在玻璃板上以互连接用于太阳能玻璃应用的串联电池的导电层的视图；
图183示出了制造用于太阳能玻璃应用的太阳能模块的工艺流程的实施例；
图184用作计算TFSC互连欧姆损失的参照图；以及
图185至图190示出了对于各种发射极金属薄层电阻值，在最大电池功率的互连(发射极接触金属化)欧姆损失相对于发射极接触金属覆盖高度的比率的曲线图。
具体实施方式
在附图中图解了本公开的优选实施例，相同的附图标记用于表示各个图中相同及相应的部分。本发明创新的太阳能电池设计和技术基于使用三维的(3-D)、自支撑的、掺杂的(在一个实施例中为原位掺杂)半导体薄膜，该半导体薄膜沉积在可再用的晶体(实施例包括单晶或者多晶硅)半导体模板上并从该可再用的晶体半导体模板释放。
3-D TFSC基板的优选半导体材料为晶体硅(c-Si)，尽管其它的半导体材料也可以使用。一个实施例采用了单晶硅作为该薄膜半导体材料。其它的实施例采用了多晶硅、多晶体硅、微晶硅、非晶硅、多孔硅和/或它们的组合。这里的设计也可以应用于其它的半导体材料，例如锗、硅锗、碳化硅、晶体化合物半导体或者它们的组合。其它的应用包括硒化铜铟镓(CIGS)和碲化镉半导体薄膜。
本公开的3-D TFSC的设计和生产技术以及相关的模块结构和组装方法有效地克服了上述问题和挑战，并能够在电池制作过程(即，制造可再用3-D模板之后的3-D TFSC基板和电池的制造过程)中使得利用自对准的电池工艺流程而不使用任何光刻图案化或丝网印刷或阴影掩模沉积工艺步骤制造的效率非常高的太阳能电池和模块的成本降低。本公开的3-D TFSC技术基于在低成本的可再用模板上形成3-D棱柱阵列TFSC基板并随后将其从模板释放并剥离以形成自立的、自支撑的3-D薄膜半导体基板结构。
本公开结合了在已证实高效率的晶体硅(c-Si)平台上制造TFSC的优势。本公开的3-D c-Si TFSC的设计和技术能够实现在c-Si太阳能电池和模块效率改善以及制造成本降低的领域取得显著进步。基于创新的薄膜工艺步骤，消除了对昂贵且受限的硅晶片供应链的依赖。本公开的电池设计和技术的一些独特优势能够以降低的制造成本来实现超高效率，其基本上不依赖传统的太阳能PV硅的供应链、性能提高、成本下降、以及可靠性改善。
本公开的主题通过使用3-D c-Si膜作为吸收层并结合高效的光捕获来改善太阳能电池的效率。晶体硅吸收层的使用平衡了已知的太阳能电池制造技术和供应链，同时降低了吸收层厚度(例如，与用于晶片基太阳能电池的硅晶片相比，降低到十分之一或者更低)。本公开的方法和系统消除或充分地降低了光衰减，并提高了电池的开路电压(Voc)。此外，本公开的方法和系统结合用于使入射太阳光通量的吸收最大化的高反射背反射镜而提供高效的前侧和背侧光捕获。同样地，本公开的方法和系统提供了选择性发射极(selective emitter)以改善蓝光响应和外量子效率，并由于独特的折叠发射极金属化接触设计和改善的模块组件而具有最小化的电池阴影(shadowingof the cell)和减小的欧姆损失。
通过减少硅的使用而使制造成本显著降低(例如，降低至1/3到低于1/10)，较薄的沉积的c-Si膜同样将完成的太阳能模块的能量回收期(paybacktime)降低到少于1到2年。制造成本通过消除与主流太阳能电池晶片的制造技术相关联的线切割及相关切口损失而进一步降低。制造成本还通过在基板和电池制造工艺步骤中不使用任何的光刻或者图案化步骤而使用自对准加工并降低制造工艺步骤的数量而进一步降低，从而改善产率和循环时间。制造成本还通过使用简化的互联和电池模块组装工艺以及重量轻的单片电路模块而进一步降低。
工作可靠性通过使用薄的硅膜而改善，消除了光衰减并降低了温度系数。工作可靠性通过使用简单的分布式高导电互联而进一步改善，使野外失效最小化。(对于没有玻璃的模块组件)工作可靠性还通过消除模块玻璃盖而进一步改善，从而降低了成本并方便了野外安装和工作。工作可靠性还通过降低制造工艺步骤并使用在线制造工艺控制来降低工艺变化而进一步改善。
本公开将对用户的每瓦的太阳能模块成本降低(至少30％到50％)并削减了集成者和安装者的系统平衡(BOS)和安装成本。这为全球并网的最终用户以及太阳能系统的安装者和集成者提供了重大的利益。本公开降低了对于用户每Wp的模块集成和安装成本以及安装的太阳能电池系统的成本，从而降低了每Wp的最终系统的成本。本公开增加了模块效率，更高的模块效率导致了更低的BOS成本。更低的安装的太阳能电池系统的成本导致经济收支平衡时间(break-even time)降低到系统寿命的更小部分，从目前最优组合的c-Si太阳能系统的大约1/2到1/3降低到本公开实施例的小于1/4到1/8。本公开将能量回收期(EPBT)从最优组合的c-Si太阳能系统的3至7年降低到本公开实施例的小于1至2年。降低的EPBT显著增加了野外安装模块的净寿命能量输出(kWh)。本公开的电池设计和模块组件同样提供了在延长的时间(例如30至40年的模块寿命)内的稳定的无衰减的野外工作，进一步增加了净寿命电能输出。进入市场时，期望模块制造成本比主导的高性能c-Si太阳能电池/模块低30％至65％。相比于目前的产业规划和计划，这可以缩短用户的ROI收支平衡时间。其它的利益包括增加野外性能的稳定性和可靠性并降低对环境的影响(无毒性的材料和缩短的EPBT)。另外，本公开的电池和模块的设计适合于并网应用，其优势是最大化来自有限的建筑屋顶或者正面面积的发电。
本公开的吸收硅膜的厚度可以在大约1到30微米的范围内，优选更薄的硅层以实现更少的材料消耗(在一个实施例中，在1到10微米的范围内)。即使考虑由3-D TFSC基板的3-D几何结构引起的有效表面积的增加，本公开的3-D TFSC基板也是比现有技术的晶片基c-Si太阳能电池实质上消耗更少的硅材料。此外，没有切割或切口损失。相似地，因为当从可再用模板释放时3-D晶体硅膜是工艺就绪的，所以不需要移除切割损伤。这实质上降低了与硅消耗有关的太阳能电池成本。自支撑的3-D外延硅薄膜沉积在低成本的可再用的晶体(单晶或者多晶)硅基板(模板)上并从其释放。在修复或回收之前，该模板可以再利用很多次。模板甚至可以选自成本更低的冶金级c-Si，因为可以防止任何金属杂质污染3-D晶体硅膜。
图3提供了3-D TFSC基板和电池制造工艺流程的概述。注意图解3-DTFSC基板制造的图3的上部，该工艺流程中的第一个步骤使用了预先制造的模板。具有预先制造的3-D沟槽或者凹槽图案的模板可以用于形成3-DTFSC基板，然后该3-D TFSC基板用于形成3-D TFSC，充分地消除或降低了与先前发展的TFSC和晶片基晶体硅电池技术相关的缺点和问题。模板可以被使用多次(例如，几十次至几百次)以在修复或回收之前制造大量的3-DTFSC基板。在一个实施例中，模板在被回收之前可以使用几百次以制造3-DTFSC基板。模板只要相对地保持无位错并且/或者只要保持具有可接受的控制限度(例如，如由在线测量方法所度量的)内的宽度和表面条件的可接受的沟槽或者凹槽图案就可以再利用。
图4示出了具有六角棱柱状的柱(柱形物)102的模板100的视图。六角棱柱3-D TFSC基板(未示出)通过下面的步骤来制造：首先在模板上形成合适的相对保形(conformal)的薄牺牲层(在一个实施例中为多孔硅)；然后在六角棱柱状的柱102之间填充相对深的沟槽104；随后通过选择性蚀刻沉积在六角棱柱3-D TFSC基板和模板之间的牺牲层(未示出)来释放六角棱柱3-D TFSC基板。在一个实施例中，模板具有深的相互连接的六角棱柱沟槽，六角棱柱沟槽具有轻微锥形的侧壁(即，与沟槽底部附近相比沟槽顶部附近的沟槽宽度更大)。此外，沟槽顶部附近的沟槽宽度可以制成为比沟槽底部附近的沟槽宽度大一至几个微米。图5A和图5B示出了具有六角棱柱状的柱102和沟槽104的模板的一个实施例的放大视图。该实施例采用光刻和深反应离子蚀刻(DRIE)来制备。
注意术语“蜂窝”和“六角”在本公开中通篇可以互换使用。术语“蜂窝”是指3-D TFSC基板的实施例与自然的蜂窝相似的事实。
图6示出了具有错排的正方形棱柱状的柱112的模板(母板)的替代实施例的视图110。正方形棱柱的3-D TFSC基板(未示出)通过下面的步骤形成：首先沉积或形成相对保形的牺牲层(例如，多孔硅)；填充在正方形棱柱状的柱112之间的沟槽114；随后通过选择性蚀刻形成在3-D TFSC基板和模板之间的牺牲层来释放3-D TFSC基板。
图7总结了现有技术的晶体太阳能电池的整个制造工艺流程并突显了与现有技术相比本公开消除的具体步骤。图8总结了本公开的电池和模块的整个制造工艺流程以及与现有技术相比富有竞争力的优势。正如这里所突显的，本公开能够制造3-D TFSC基板和3-D TFSC，并实质上降低半导体吸收材料(例如，硅)的消耗以及电池和模块的制造成本。图9提供了本公开的实施例的优势的另一个总结。
在下面的部分中，将描述使用光刻和蚀刻技术或者激光微加工(或者激光钻孔)制造模板的工艺流程的替代实施例。然后模板被使用并再次使用多次以制造具有单开口或者双开口构造(具有或不具有背基底硅层)的用来制造3-D TFSC的3-D TFSC基板。
模板可以使用电子级硅晶片、太阳能级硅晶片或者更低成本的冶金级硅晶片来制造。此外，由硅制成的模板可以使用单晶或者多晶硅晶片来制造。开始的模板晶片可以是(移除切割损伤之后的)标准的抛光晶片或者是紧接在线切割之后的更低级别的晶片(没有移除切割损伤)。后者将进一步降低模板的成本。每个模板相对较低的成本分散在大量的3-D TFSC基板上，使得与标准的现有技术(例如，200微米厚的)太阳能级单晶和多晶硅晶片以及相关的模块相比，TFSC基板和最终的模块的成本更低。
为了进一步解释模板是如何制造的，图10示出了工艺流程120的实施例。工艺以步骤122开始，其中提供了未图案化的单晶硅或者多晶硅的、正方形或者圆形基板(例如，200×200mm的正方形或者200mm的圆形)。开始的模板晶片可以是通过线切割并移除切割损伤或者不移除切割损伤(后者可以进一步降低模板的成本)而制备的晶片。开始的模板晶片也可以由纯度较低(且成本较低)的冶金级硅制成。在一个实施例中，基板大约是200至800微米厚。可选地，步骤122包括在低成本的冶金级硅上进行吸气(gettering)和/或进行表面织构化蚀刻(例如，使用通过硝酸和氢氟酸的混合物而实现的各向同性酸织构化，或者使用KOH/IPA中的碱织构化)以产生可选的织构化的模板表面。步骤124使用光刻图案化(在一个实施例中，使用更低成本的接触或者邻近光刻机(proximity aligner)/图案化)以在光致抗蚀剂中产生诸如六角阵列图案的棱柱阵列掩模图案(即，在光致抗蚀剂层中相互连接的六角开口)。工艺顺序包括形成氧化物和/或氮化物(可选择)层、涂布光致抗蚀剂(例如，旋涂或者喷涂)并预烘焙、经由六角阵列掩模进行光刻曝光、显影光致抗蚀剂并后烘焙。一个实施例包括在光致抗蚀剂之下的硬掩模层(SiO2和/或SiNx；例如，薄的热生长的氧化物层可以用作可选择的硬掩模)(尽管该工艺可以通过将光致抗蚀剂直接涂布在硅上而不使用任何硬掩模层来执行)。当使用硬掩模层时，硬掩模层的暴露部分在光致抗蚀剂图案化之后被蚀刻(从而形成六角开口)。暴露的硬掩模层的该蚀刻可以简单地使用湿法蚀刻剂，例如用于氧化物硬掩模的氢氟酸，来进行。步骤126涉及使用各向异性等离子体蚀刻形成六角棱柱，其中高速的深反应离子蚀刻(DRIE)工艺在硅中形成了紧密排列的深的(例如100至400微米)六角形沟槽。光致抗蚀剂和/或氧化物和/或氮化物硬掩模层用于将图案从图案化的光致抗蚀剂层转移到硅。在一个实施例中，深RIE(DRIE)工艺的参数设定为产生接近垂直的、轻微锥形的六角棱柱沟槽侧壁。在替代实施例中，深RIE(DRIE)工艺的参数设定为产生大致或者本质上垂直的六角棱柱侧壁。注意，相对于本质上垂直的侧壁，轻微锥形的侧壁是优选的。步骤128涉及模板表面制备和清洁。该工艺包括从基板剥除图案化的光致抗蚀剂层。然后在湿式工作台(wet bench)中清洁模板基板，该清洁在随后的热沉积加工之前，这样形成了TFSC基板。该清洁可以涉及移除DRIE引入的聚合物(使用合适的诸如硫酸和过氧化氢的混合物的湿法蚀刻剂)，然后各向同性湿法蚀刻(诸如硝酸和氢氟酸的混合物)硅以各向同性地从沟槽侧壁和底部移除硅薄层(例如，在10到500纳米的量级)。这可以从DRIE产生的模板沟槽的侧壁或者底部移除任何表面和掩埋的污染物，比如从深RIE(DRIE)工艺产生的任何表面和嵌入的金属和/或聚合物和/或有机污染物。在去离子(DI)水漂洗和干燥之后就可以完成模板的加工。可选择地并且如果需要的话，在上述DI水漂洗和干燥之前，模板晶片还可以进行标准的预扩散(预热加工)晶片清洁工艺，例如所谓的RCA湿法清洁。另一个可选择的表面制备步骤(代替湿法各向同性硅蚀刻工艺或者在湿法各向同性硅蚀刻工艺之后进行)包括进行短暂的热氧化(例如，生长5到100纳米的牺牲二氧化硅)，随后通过湿法氢氟酸(HF)剥离氧化物(以从图案化的模板上移除任何残留的污染物)。如果没有使用可选择的氧化物生长/HF剥离，则可以进行可选择的稀释HF蚀刻以移除固有的氧化物层并在准备随后制造3-D TFSC基板时用氢气钝化表面(形成Si-H键)。在完成步骤128之后，得到的模板可以使用并再次使用多次以制造3-D(例如，六角棱柱)TFSC基板。
图11示出了光刻曝光掩模的图案130的俯视图，该光刻曝光掩模的图案130可用于制造模板，如上述工艺流程120的步骤124所述。黑区域132是在透明掩模板上的诸如Cr的不透明涂层。亮区域133是不透明涂层(例如，Cr)已经被蚀刻以允许光致抗蚀剂层曝光的区域。在一个实施例中，掩模板上的六角线(LM)134的宽度在1微米和30微米之间，六角棱柱的点之间的对角线距离(d)136或者六角棱柱的开口直径在50到500微米之间。
用于图案化模板的替代的工艺流程140的替换实施例示于图12中，其中使用直接激光微加工代替了光刻和反应离子蚀刻。步骤142(提供未图案化的基板)对应于图10的步骤122。步骤144涉及使用可程控的精确的激光微加工以形成期望的周期性的深沟槽阵列。该工艺可以在控制的大气环境下基于物理烧蚀或者物理烧蚀和激光辅助化学蚀刻的组合来进行。步骤146(表面制备和清洁)对应于图10的步骤128。完成步骤146之后，得到的模板可以使用并再次使用以制造多个3-D TFSC基板。
用于图案化模板的工艺流程150的另一个替代实施例示于图13中，其中使用光刻和蚀刻以产生贯穿晶片的沟槽。步骤152(提供未图案化的基板)对应于图12中的步骤142。步骤154涉及在基板的前侧和背侧形成二氧化硅(SiO2)层和/或氮化硅(SiNx)层(该步骤是可选的，可以不使用)。在一个实施例中，SiO2层的厚度在100到1000纳米之间。SiO2层通过蒸汽氧化或者LPCVD形成，并且可以随后可以由LPCVD或者PECVD形成SiNx层。在一个实施例中，SiNx层的厚度在100到1000纳米之间。这些层可以形成在硅基板的两侧(如图12所示)，或者只形成在基板的前侧或后侧。或者，可以只使用一层(氧化物或者氮化物)。步骤156(图案化)对应于图10中的步骤124，步骤158(蚀刻)对应于步骤126。步骤160涉及形成用于3-DTFSC基板释放蚀刻的背侧氧化物/氮化物开口。光致抗蚀剂光刻图案化或者等离子体蚀刻(或湿法蚀刻)被用来在基板背侧的氧化物/氮化物中形成规则的开口阵列(例如，正方形网格或者线条图案)。这些开口可以在随后的制造3-D TFSC基板的过程中使用(用作从背侧到牺牲层的湿法蚀刻剂通道)。步骤162(表面制备和清洁)对应于图10中的步骤128，并可以修改使得表面制备和清洁工艺不从基板的背侧移除电介质层。在步骤162之后，得到的模板可以用来制造3-D TFSC基板。
用于制造模板的工艺流程170的另一个替代实施例在图14中概括，其中使用了光刻和蚀刻，使得能够制造具有用于形成自对准基区接触的背基底层和凹槽的TFSC基板。用于图案化模板的工艺流程190的另一个替代实施例在图15中概括，其中使用可光刻和蚀刻，使得能够制造具有用于形成自对准基区接触的背基底层和凹槽的TFSC基板。图19到图25示出了基于图14或者图15的工艺流程来制造模板的制造工艺流程中硅基板的Y-Y横截面视图。可以在参考图19至25的同时回顾图14和15的工艺流程步骤。
参考图14，步骤172(提供未图案化的基板)对应于图13中的步骤152，步骤174(形成氧化物和/或氮化物层)对应于步骤154，步骤176(图案化)对应于步骤156，以及步骤178(蚀刻)对应于步骤158。步骤180涉及形成自对准的比深沟槽宽的浅沟槽。自对准的、较宽的浅表面沟槽通过下面的步骤形成：定时的选择各向同性的电介质(硬掩模层)蚀刻以在光致抗蚀剂下形成具有已知横向尺寸的硬掩模底切、剥离图案化的光致抗蚀剂、定时的各向异性的硅RIE以接近表面形成较浅/较宽的锥形沟槽。步骤182(形成背侧开口)对应于图13中的步骤160，步骤184(表面制备和清洁)对应于步骤162。步骤184之后，得到的模板可以使用并再次使用以制造多个3-D TFSC基板。应该注意，自对准的较宽的浅沟槽(比深沟槽宽)也可以作为形成深沟槽的同一深RIE工艺的一部分来形成(即，步骤178和180可以在DRIE工艺设备中合并成一个深RIE工艺)，从而，消除对上述的要求定时的选择各向同性的电介质硬掩模蚀刻以在光致抗蚀剂下形成硬掩模蚀刻(该修改方法也可以消除对前侧硬掩模的需求(即，图案化的光致抗蚀剂可以直接形成在基板上)并进一步简化模板制造工艺)。该简化的工艺可以通过使用DRIE工艺的组合来进行，首先形成深六角棱柱沟槽，随后通过进行较小各向异性(或较大各向同性)的硅蚀刻工艺来在深沟槽上形成浅的较宽的沟槽(或者肩部)，其中较小各向异性的硅蚀刻工艺主要影响深六角棱柱沟槽的上(最上)部。使用该修改方法，较宽的浅沟槽的侧壁轮廓可以稍微或者明显地为锥形(两者都可以接受)。
参考图15，步骤192(提供未图案化的基板)对应于图14中的步骤172。步骤194涉及在基板前侧并可选择地在基板背侧形成SiO2层和/或SiNx层。在一个实施例中，SiO2层的厚度在100到1000纳米之间。SiO2层通过蒸汽氧化或者LPCVD形成，随后通过LPCVD或者PECVD形成SiNx层。在一个实施例中，SiNx层的厚度在100到1000纳米之间。这些层形成在硅基板的前侧或者形成在硅基板的两侧。或者，可以只使用一个层(氧化物或者氮化物)。或者SiO2层可以只形成在前侧，SiNx层只形成在背侧。步骤196(图案化)对应于图14的步骤176。步骤198(蚀刻)对应于步骤178。步骤200(形成较浅、较宽的沟槽)对应于步骤180。再次且必要地，如图14所描述的，自对准的较宽的浅沟槽(比深沟槽宽)也可以作为形成深沟槽的同一深RIE工艺的一部分来形成(即，步骤198和200可以在DRIE工艺设备中合并成一个深RIE工艺)。步骤202涉及在晶片背侧形成深度足够的开口阵列以至少连接到深沟槽的背部(底部)的一部分。这些开口提供了从基板背侧到每个棱柱单元的至少一部分的通道。这些孔可以通过激光钻孔形成(或者可以采用背侧光刻和湿法或等离子体蚀刻形成)并可以用于3-D TFSC基板的释放蚀刻(用作蚀刻剂到牺牲层的通道以蚀刻牺牲多孔硅层)。步骤204(表面制备和清洁)对应于图14的步骤184。步骤204之后，得到的模板可以使用并再次使用以制造多个3-D TFSC基板。
图14和图15得到的模板使得随后能够制造具有背基底层(例如，比如平的背硅基底层)和互连的浅凹槽或者沟槽的3-D TFSC基板，背基底层和互连的浅凹槽或者沟槽用于形成自对准的、导电性高的基区接触金属化。这些3-D TFSC基板可以用来随后制造具有自对准的基区和发射极接触的高效TFSC。模板中两重宽度的沟槽(或者在上部叠置有较浅、较宽的沟槽肩部的深沟槽)使得能够制造自对准基区金属化接触和自对准的发射极金属化接触。
为了更好地理解下面的附图，提供图16来示出六角棱柱3-D TFSC基板的俯视图。图16示出六角棱柱3-D TFSC基板上参考的虚构Y-Y和Z-Z横截面轴。
图17示出了具有贯穿晶片的沟槽212的模板210的Y-Y横截面视图(即，沟槽贯穿基板形成并在背侧的电介质层上停止)。该模板210可以用于制造大量的六角棱柱3-D TFSC基板，包括不具有背基底层的3-D TFSC基板(即，双开口TFSC基板)。
模板210具有尺寸h(沟槽之间的水平距离)218、Tst(沟槽的上部宽度)220、H(沟槽高度)222、Tsb(沟槽的底部宽度)226、和2θ(θ是平均的侧壁锥角)。注意，由于这些是贯穿晶片的沟槽，H 222本质上与模板基板的硅厚度相同。因为贯穿晶片的沟槽212产生了分离的柱，使用背侧电介质层214并且背侧电介质层214应该有足够的厚度和强度以提供足够的机械支撑。背侧电介质层214可以是单个的诸如氧化物(或氮化物)的电介质层，也可以是诸如氧化物/氮化物的两个或多个电介质层的堆叠。在一个实施例中，背侧电介质层214由在薄的热SiO2层上的LPCVD Si3N4层构成。模板210包含前侧蚀刻停止层(上硬掩模层)216。在一个实施例中，上硬掩模层由在薄的热SiO2层上的LPCVD Si3N4层构成。或者，上硬掩模层216可以包括代替两层堆叠的单层(例如，Si3N4、SiCx等)。或者，可以没有上硬掩埋层(图案化的光致抗蚀剂直接形成在硅上)。
图18示出了具有晶片内沟槽232的模板230的Y-Y横截面视图。该模板230也可以用来制造大量的3-D TFSC基板，包括不具有背基底层的3-DTFSC基板(即，双开口TFSC基板)。沟槽限制在晶片内(限制在模板基板内)并不穿透整个晶片厚度，留下剩余的晶片厚度R 234。注意，对于给定的模板基板厚度，H 236小于图17中的H 222。从而，晶片本身就提供了足够的机械支撑而不需要来自背侧电介质的机械支撑(从而，消除了对背侧电介质的需求，这里背侧电介质是可选择的)。
图17和18中所示的形成在模板中的沟槽可以具有垂直侧壁或者稍微锥形的侧壁(在一个实施例中，产生的深沟槽从沟槽顶部朝沟槽底部移动时沟槽宽度逐渐并稍微地下降)。在一个实施例中，侧壁角在0度到10度的范围内(优选在0度到1度的范围内)。沟槽具有负的或者凹的侧壁角(即，从沟槽顶部朝沟槽底部移动时沟槽宽度增加)是不期望的，这可能会导致3-DTFSC基板释放困难，因此应该避免。
模板210(图17)和模板230(图18)采用图12-14概述的模板工艺流程之一制成。这些流程图描绘了制造用于随后制造大量3-D TFSC基板的模板的优选工艺步骤。
图19至图25示出了工艺流程的一个实施例，并示出了在图12-14所示的模板工艺流程的各个阶段中具有晶片内的沟槽230和使得能够形成自对准基区接触的设计的模版结构的工艺流程和演变的一个实施例。
图19示出了在电介质(氧化物)硬掩模(背侧电介质214是可选的，可以不使用)上形成光致抗蚀剂前侧图案242之后的Y-Y横截面视图240。图20示出了经由光致抗蚀剂的前侧图案242的各向异性地等离子体氧化物蚀刻(或各向同性湿法氧化物蚀刻)之后的Y-Y横截面视图250。图21示出了采用深RIE(DRIE)而形成深六角棱柱沟槽之后的Y-Y横截面视图260。图21还示出了剩余的晶片厚度R’262和沟槽高度H’264。图22示出了定时选择各向同性硬掩模蚀刻(即，采用HF的氧化物蚀刻)之后的Y-Y横截面视图270，其中定时选择各向同性硬掩模蚀刻用于在图案化的光致抗蚀剂242下形成具有宽度Wox的控制的侧向底切(lateral undercuts)272。图23示出了光致抗蚀剂剥离之后的Y-Y横截面视图280。注意，上硬掩模层216保留，而光致抗蚀剂层已经被移除。图24示出了各向异性硅蚀刻之后的Y-Y横截面视图290，各向异性硅蚀刻用于在较窄、较深的沟槽232的上部形成具有控制的高度292(L)的较宽浅沟槽。图25示出了各向同性氧化物蚀刻以剥离图24所示的上硬掩模层216之后的完成的模板300的Y-Y横截面视图。尽管在这里示出，但是背侧电介质层也可以移除(或者根本不使用)。模板300也可以用来制造大量的六角棱柱3-D TFSC基板。如前所述，深沟槽和较宽的浅沟槽(上部肩部)的组合可以采用单独的DRIE工艺来形成(各向异性的深沟槽RIE，随后是较小各向异性的硅蚀刻以形成上部肩部)，从而消除了对上电介质硬掩模层216的需求，并消除了图22和23中所反映的相关的工艺步骤。
下面的附图(图26至29)图解了几个完成模板的替代实施例。
图26示出了具有晶片内沟槽232而不具有电介质上掩模层或者电介质背掩埋层的模板310的Y-Y横截面视图。相比于图25中示出的实施例，图27示出了具有晶片内沟槽232而不具有电介质上掩模层或者电介质背掩埋层的模板320的Y-Y横截面视图。该视图也示出了模板背侧孔332，用以允许3-D TFSC基板的释放蚀刻。这些背侧孔332可以采用光刻和蚀刻，或者激光微加工或钻孔来制造。图28示出了图17所示的具有贯穿晶片沟槽212却不具有上硬掩模层216的模板330的Y-Y横截面视图。相比于图28，图29示出了具有贯穿晶片沟槽212却不具有上硬掩模层216的模板340的Y-Y横截面视图。还要注意，图29中的贯穿晶片沟槽212在较窄、较深的六角沟槽上具有控制高度(L)292的较宽沟槽(上部肩部)，与图25中的沟槽相似。然而，注意图29示出了贯穿晶片沟槽212，而图25示出了晶片内沟槽232。
对于具有贯穿晶片沟槽的模板，机械支撑可以通过足够强度的背侧电介质堆叠(如上所述例如氧化物、氮化物、多晶硅或者它们的组合)或者背侧结合的硅晶片来提供。图30示出了具有贯穿晶片沟槽却不具有任何前侧电介质层的模板350的视图，模板350适合于制造具有背基底层的六角棱柱单开口3-D TFSC基板。该模板350包括在结合界面354处结合(例如，通过晶片之间的诸如氧化物的电介质或者诸如氧化物/氮化物的电介质堆叠356)的机械支撑背硅晶片352。机械支撑背硅晶片352通过孔358提供了到模板沟槽的湿法蚀刻剂的通道，孔358可以通过激光钻孔或者反应离子蚀刻产生。该模板350使得能够制造具有在随后制造六角棱柱3-D TFSC基板的过程中形成自对准基区和发射极接触的能力的3-D TFSC基板。在替代实施例中，机械支撑背硅晶片352可以替代地通过在背侧电介质(或者电介质堆叠)356上LPCVD沉积多晶硅层而形成，从而消除了对晶片结合的需求。
图31和32分别示出了视图360和364，为(多个可能设计中的)掩模设计的两个示例，第一个是正方形阵列掩模，第二个是线阵列掩模，它们可以用来图案化模板背侧以产生用于3-D TFSC基板释放蚀刻的背侧开口。该图案化在每个模板上只进行一次。
图31示出了正方形阵列掩模360，每个正方形阵列的单元361具有正方形阵列单元宽度362和正方形阵列单元间隔363。在一个实施例中，它们为大约1到5微米(也可以更小或者更大)。图32示出了线阵列掩模364，所示图案在整个掩模上重复以成为周期性的阵列。在一个实施例中，线宽度和间隔都为1到10微米(也可以更小或者更大)。图案具有图案宽度365，在一个实施例中大约为50到500微米。其它的掩模图案(例如，线、圆等)可以代替正方形阵列或者正交线阵列来使用，使得能够实现蚀刻剂通道以移除牺牲层。或者，可以代替光刻/蚀刻而使用激光钻孔或者激光微加工，以产生用作蚀刻剂通道的背侧孔/开口。
图31和图32中概述的背侧图案化的替代方式使用了前侧掩模，使得通过从模板前侧提供蚀刻剂通道路径而能够使具有平面基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC基板释放。
图33示出了替代的具有中心孔367的前侧六角棱柱掩模设计366，中心孔367示为掩模板上的白色圆。在一个实施例中，中心孔367的直径大致为1到5微米。注意，六角棱柱阵列的设计与图11中相同。黑区域132是在掩模板上的不透明涂层(例如，Cr)。亮区域133和367是要蚀刻的区域。在一个实施例中，线掩模(LM)134的宽度在1和30微米之间，六角棱柱的点之间的对角线距离(d)136在50和500微米之间。
图34示出了示于图33中的模板的前侧掩模设计366，还示出了虚线的正方形368，表示背侧掩模设计的一个实施例的叠置图像(以从前侧掩模观察可以看出前侧掩模和背侧掩模的相对对准)。
图35示出了模板的背侧掩模设计369的俯视图，图33和34的六角阵列掩模设计366的叠置图像示为灰色的六角阵列图案，以从背侧掩模观察看出前侧掩模和背侧掩模的相对对准。
图36至图44示出了在图14和15中概述的模板工艺流程的各个阶段中的替代的模板变型。
图36示出了在采用热氧化形成上硬掩模层216和背侧硬掩模层214之后的n型(例如，磷掺杂的)的[100]硅基板370的Y-Y横截面视图。注意，在氧化之前，可以使用合适的蚀刻剂诸如KOH来进行可选择的表面织构化湿法蚀刻(例如使用酸织构化蚀刻或者碱织构化蚀刻)以使硅表面织构化。图37示出了在背侧光刻以形成包括正方形开口371的阵列的图案化抗蚀剂层372之后以及在湿法或者各向异性等离子体蚀刻暴露区域中的背侧硬掩模层214之后的图36的基板370。注意，为了使用各向异性湿法蚀刻以形成背侧沟道，用于基板370背侧的背侧掩模的正方形图案要正确地对准以产生[111]侧壁，[110]取向的边缘和[211]取向的肋(rib)。图38示出了在采用各向异性湿法蚀刻剂(例如，KOH或者TMAH)从背侧各向异性蚀刻模板以形成具有正方形底面的锥形373的阵列之后并在将光致抗蚀剂层372从模板背侧剥离之后的图37中的基板370。注意锥形373的角度374。在一个实施例中，该角度为35.26度。背侧光刻掩模的正方形图案要正确地对准以产生[111]面的侧壁375，[110]取向的边缘和[211]取向的肋。图39示出了在图案化前侧并经由图案化的抗蚀剂层242各向异性等离子体氧化物蚀刻(或者各向同性氧化物湿法蚀刻)之后以及在移除背侧氧化物层214之后的图38中的基板370，其中各向异性等离子体氧化物蚀刻(或者各向同性氧化物湿法蚀刻)用于准备形成蜂窝状棱柱的沟槽并同时形成前侧蚀刻的小直径的释放沟槽376。在一个实施例中，释放通道沟槽376的直径(DR)在1和5微米之间。图40示出了前侧硅深RIE之后的图39中的基板370。注意，前侧蚀刻的小直径的沟槽376经由较浅的圆锥形的沟槽377(在一个实施例中，在六角棱柱状的柱的中心)连接至背侧分离沟道373。图41示出了定时的选择各向同性硬掩模(SiO2)蚀刻以在图案还的光致抗蚀剂之下形成控制的横向底切272之后的图40中的基板370。图42示出了剥离光致抗蚀剂242而保留氧化物硬掩模216之后的图41中的基板370。图43示出了各向异性硅反应离子蚀刻以在较窄且较深的六角棱柱的晶片内沟槽232上部形成具有控制高度(L)292的较宽的沟槽之后的图42中的基板370。图44示出了各向同性氧化物蚀刻以将上部氧化物216剥离之后的图43中的基板370。在该步骤之后，可以在HNA或者TMAH中进行可选的定时硅湿法蚀刻以移除大约5到500纳米的硅并移除任何的由DRIE引起的沟槽侧壁损伤和/或聚合物/金属的污染物。此时，基板370可以用作形成3-D TFSC基板的可再用的模板。再次地，如上所述，深沟槽和较宽的浅沟槽(上部肩部)的组合可以采用单独的DRIE工艺来形成(各向异性深沟槽RIE之后进行较小各向异性的硅蚀刻以形成上部肩部)，从而消除了对上电介质硬掩模层216的需求并消除了对图41和42中所反映的相关工艺的需求。该替代工艺流程也消除了对氧化物硬掩模的需求(从而，对于前侧和背侧图案化步骤光致抗蚀剂可以直接涂敷在硅上)。
图45至图53示出了在图14和15中概述的模板制造工艺流程的各个阶段中的模板变型。图45至图53基本上与图36至图44相似，除了初始的硅基板是n型[110]基板380，这使得背侧释放沟道381为具有垂直侧壁的矩形沟槽而不是锥形的。示于图53中的得到的基板380可以用作形成3-D TFSC基板的可再用模板。再次地，如上所述，深沟槽和较宽的浅沟槽(上部肩部)的组合可以采用单独的DRIE工艺来形成(各向异性深沟槽RIE之后进行较小各向异性的硅蚀刻以形成上部肩部)，从而消除了对上电介质硬掩模层216的需求并消除了对图50和51中所反映的相关工艺的需求。该替代工艺流程也消除了对氧化物硬掩模的需求(从而，对于前侧和背侧图案化步骤光致抗蚀剂可以直接涂敷在硅上)。
另一个实现模板释放沟道的方法是将它们放置在模板基板背侧，从而它们连接到六角棱柱深沟槽的底部(而不是如前所述的柱或柱状物的上部)。图54和57至图64示出了在图14和15中概述的模板工艺流程的各个阶段中的模板变型(释放沟道连接到深沟槽的底部)。该实施例使用了图55所示的背侧光刻掩模设计(其它类型的用于背侧释放沟道的背侧掩模图案也可以使用)。图56示出了图55中的背侧光刻掩模，其中前侧的六角棱柱阵列掩模图案示为叠置的灰色图案作为参考(以示出前侧和背侧掩模图案的相对对准)。
图54基本上与上述的图36相似，示出了初始的n型(例如，磷掺杂的)[110]基板370。图57基本上与上述的图37相似，除了掩模设计使背侧释放沟道390与要形成的深棱柱沟槽232的底部对准。图58示出了在各向异性湿法蚀刻(例如，采用各向异性碱蚀刻，诸如KOH基蚀刻)模板背侧以形成具有正方形底面的棱柱阵列之后的图57所示的基板370(注意，各向异性蚀刻也可以采用各向异性反应离子蚀刻来进行，背侧开口可以是圆形或其它形状以代替正方形)。图59示出了在前侧图案化之后并在经由图案化的抗蚀剂湿法氧化物蚀刻以准备形成深沟槽之后的图58中的基板370。这还移除了背侧氧化物层214。图60示出了在采用深RIE(DRIE)形成六角棱柱沟槽232之后的图59中的基板370。注意，棱柱沟槽232的底部本质上与背侧释放沟道孔390对准。图61示出了在定时的选择各向同性硬掩模(在一个实施例中为SiO2)湿法蚀刻以在图案化的光致抗蚀剂下形成控制的侧向底切370之后的图60中的基板370。图62示出了采用光致抗蚀剂剥离器将上抗蚀剂242剥离之后的图61中的基板370。图63示出了各向异性蚀刻硅(采用氧化物层作为硬掩模)以在较窄并较深的六角棱柱的晶片内沟槽232的上部形成具有控制高度(L)292的较宽的沟槽(上部肩部)之后的图62中的基板370。图64示出了各向同性氧化物蚀刻以剥离上氧化物216之后的图63中的基板370。在该步骤之后，可以在HNA或者TMAH(或者其它合适的各向同性硅湿法蚀刻剂)中进行可选的定时的各向同性硅湿法蚀刻以蚀刻大约5到500纳米的硅并移除任何的由DRIE引起的沟槽侧壁污染物(例如，聚合物和/或金属的污染物)以及表面损伤。此时，基板370可以用作形成3-D TFSC基板的模板。再次地，如上所述，深沟槽和较宽的浅沟槽(上部肩部)的组合可以采用单独的DRIE工艺来形成(各向异性深沟槽RIE之后进行较小各向异性或者较大各向同性的硅蚀刻以形成上部肩部)，从而消除了对上电介质硬掩模层216的需求并消除了对图61和62中所反映的相关工艺步骤的需求。该替代工艺流程也消除了对氧化物硬掩模的需求(从而，对于前侧和背侧图案化步骤光致抗蚀剂可以直接涂敷在硅上)。
先前所示的模板的各种实施例可以用于每个工艺流程生产一个六角棱柱(或者其它棱柱的几何结构)的3-D TFSC基板。也可以制造能够在每个工艺流程同时生产两个3-D TFSC基板的模板(从而，加倍了3-D TFSC基板的制造产量)。图65和66示出了能够使六角棱柱3-D TFSC基板产量加倍的两个模板的横截面示意图。
图65示出了用于每个工艺流程制造两个六角棱柱3-D TFSC基板的堆叠模板结构393的Y-Y横截面视图。图65示出了具有晶片内沟槽232的模板结构393。注意，与图18中的模板230的相似性。模板结构393由两个相似的模板(上模板394和背模板395)制成，首先根据上述的一个实施例制造上模板394和背模板395，然后在背侧界面396处将它们背靠背结合在一起(例如，采用晶片背侧的直接热结合或者形成在晶片背侧上的电介质层的热结合)。注意，模板前侧的电介质硬掩模可以不存在(对于用于TFSC基板制造的模板的随后使用，模板前侧的电介质硬掩模是可选的)。图66示出了替代的堆叠模板结构397的Y-Y横截面视图，替代的堆叠模板结构397用于每个工艺流程同时制造两个六角棱柱的3-D TFSC基板。图66示出了具有贯穿晶片沟槽212的模板结构397。注意，与图17中的模板210的相似性。模板由两个相似的模板(上模板398和背模板399)制成，首先根据上述的一个实施例制造上模板398和背模板399，然后在背侧界面396处将它们背靠背结合在一起(例如，通过晶片背侧的直接结合或者采用形成在晶片背侧上的电介质层的热结合)。注意，模板前侧的电介质硬掩模可以不存在(对于用于TFSC基板制造的模板的随后使用，模板前侧的电介质硬掩模是可选的)。
尽管图65和66示出了用于更高产量地制造不具有背基底层的六角棱柱双开口3-D TFSC基板的典型的堆叠模板结构，但是也可以使得堆叠模板结构用于制造具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板。这可以通过首先根据图14和15所示的一个工艺流程实施例制造与图25所示的模板结构(所示的该结构具有晶片内沟槽，也可以制造诸如图29或者图30所示结构的具有贯穿晶片沟槽的模板)对应的合适的单个模板来实现。假设我们使用具有图25所示的结构(或者深沟槽上堆叠有较宽的浅沟槽或者肩部的模板结构)的模板对，然后处理这些模板以产生一系列大的横向/径向微沟道和与沟槽背部相通的孔/开口阵列结合。然后将这两块模板背靠背结合在一起(例如，通过背侧表面的热结合在一起)。夹在结合晶片之间的径向/横向微沟道一直延伸到堆叠/结合模板的外围并为湿法蚀刻剂到达每个模板中的牺牲层(例如，通过单晶硅或者多晶硅层的阳极蚀刻而形成的多孔硅)提供了方便的通道，以选择性地移除每个模板中的牺牲层并从堆叠中的上基板和背基板释放嵌入的六角棱柱3-D TFSC基板(从而，每个工艺流程同时形成两个六角棱柱3-DTFSC基板)。模板背侧上的微沟道可以在通过激光溶蚀或者通过光刻和蚀刻的组合在结合模板之前形成。微沟道足够大以使得湿法蚀刻剂、结合堆叠中的晶片内部与结合堆叠中间的微沟道的外围开口之间的蚀刻副产物容易移动。
上述模板可以用来制造用于3-D TFSC的3-D TFSC基板。图67至图73示出了六角棱柱3-D TFSC基板的制造工艺流程的各种实施例，以在使用前述模板的基础上制造不具有背基底层的六角棱柱(或者其它棱柱阵列形状)双开口3-D TFSC基板。图67至图73中示出的所有实施例都使用了牺牲层(例如，多晶硅牺牲层)形成工艺和沟槽填充沉积工艺(例如，外延硅沉积)，该沟槽填充沉积工艺可以是高度保形的，以保形形成牺牲(多孔硅)层并随后用半导体吸收层(例如，原位掺杂(例如，原位硼掺杂)的单晶硅或者多晶硅层)无缝、无空隙地填充沟槽。一个实施例使用了图案化的单晶(单晶)硅或者多晶硅(mc-Si)的正方形(或者圆形)模板，尺寸大约是150mm×150mm到超过200mm×200mm。替代实施例可以使用成本更低的冶金级硅或者太阳能级硅。
图67示出了采用层释放加工来制造自支撑(自立)六角棱柱3-D TFSC基板的工艺流程400的实施例。该工艺流程得到了具有六角棱柱的双开口六角棱柱3-D TFSC基板，并且具有形成在上部和背部的开口(没有背基底层)。在步骤402中，提供了图案化的六角棱柱(或者其它棱柱阵列)的模板。该模板已经被加工形成了嵌入的深六角棱柱沟槽阵列。在模板的上表面和背表面上具有图案化的电介质(氧化物和/或氮化物)硬掩模。步骤404涉及在外延生长反应器中的多层毯式外延半导体沉积。步骤404首先涉及H2或者GeH4/H2的原位烘培清洁，这在标准的预外延湿法清洁之后进行(如果需要后者的话)。接着，薄的牺牲外延层仅被沉积在前侧。在一个实施例中，GexSi1-x被用作牺牲外延层并在10与2000纳米之间(在另一个实施例中，多孔硅层直接沉积为牺牲层)。接着，(在一个实施例中，仅在前侧上)沉积掺杂的单晶硅外延层。在一个实施例中，该层是p型、硼掺杂的并具有1与30微米之间的厚度。步骤406涉及选择硅蚀刻以选择性地剥离上硅层，到牺牲层停止。首先，使用选择(湿法或干法)硅蚀刻工艺移除上硅层，直到露出上GexSi1-x外延层(或者多孔硅)或者氧化物/氮化物硬掩模。当使用等离子体(干法)蚀刻工艺时，一个实施例使用了光学终点探测以确保完全移除上硅层并暴露上牺牲(GexSi1-x或者多孔硅)层。步骤408涉及使用选择蚀刻剂蚀刻牺牲层以释放3-D TFSC基板。以相对于硅具有高度选择性(在一个实施例中，蚀刻选择性远大于100∶1)来进行高度选择的各向同性(在一个实施例中，湿法)GexSi1-x蚀刻。在一个实施例中，氢氟酸、硝酸和醋酸的混合物(HNA)被用来蚀刻GexSi1-x牺牲层(例如H2O2+H2O或者TMAH的蚀刻剂可以被用来选择蚀刻多孔硅)。或者，可以使用氨水、过氧化氢和水的混合物(NH4OH+H2O2+H2O)。该工艺释放作为六角棱柱3-D TFSC基板的晶体硅层，然后该六角棱柱3-D TFSC基板被用于随后的3-D TFSC的制造。
图68示出了采用层释放加工来制造自支撑六角棱柱双开口3-D TFSC基板的实施例的工艺流程410。该工艺流程得到了包括六角棱柱的六角棱柱3-D TFSC基板，并且该六角棱柱3-D TFSC基板具有形成在3-D TFSC基板上部和背部的开口(没有背基底层)。在步骤412中，提供了图案化的六角棱柱模板。该模板已经被加工形成了如上所述的嵌入的深沟槽阵列。在该情况下，在模板的上表面和背表面上不具有电介质硬掩模层。步骤414(多层毯式外延沉积)对应于图67中的步骤404；步骤416(选择硅蚀刻)对应于步骤406；步骤418(基板释放)对应于步骤408。然后得到的六角棱柱3-DTFSC基板可以被用于随后的3-D TFSC的制造。
在图67和图68描述的工艺流程中，尽管晶体GexSi1-x被用作模板和原位掺杂外延硅层之间的牺牲层，但是也可以使用其它合适的牺牲层。替代的合适的材料包括：晶体多孔硅(实施例包括微孔或者介孔硅)、晶体GeSiC或者SiC等。在使用GexSi1-x作为牺牲层的实施例中，优选GexSi1-x层的厚度在50纳米和3微米之间，更优选在0.1微米和1微米之间。牺牲层中锗的摩尔数(x)优选在x＝10％到x＝45％之间，更优选在x＝25％到x＝40％之间，以相对于硅提供足够的蚀刻选择性。锗的摩尔数应该足够地高，以获得可接受的高蚀刻选择性，从而移除GexSi1-x层并极少地蚀刻硅；同时锗的摩尔数应该足够地低，以在GexSi1-x牺牲层上制造缺陷密度足够低的高质量的外延硅。牺牲层在整个GexSi1-x牺牲层中可以具有固定的锗的摩尔数，或者也可以在GexSi1-x层和模板之间以及GexSi1-x层和上原位掺杂外延硅层之间具有渐变摩尔数过渡区。渐变摩尔数过渡区导致了梯形的锗摩尔数分布，首先在接近模板的第一过渡区中从x为0％增加到x在25％和40％之间，然后是x固定在25％和40％之间的GexSi1-x区，第二过渡区的x从x为40％减小到原位掺杂外延硅层下的x为0％。具有渐变x的过渡区和具有固定x的中间层的每一个的厚度可以大致在10纳米和1微米之间。
根据发射极的掺杂类型(n型或者p型)，原位的基区掺杂类型选择为p型(例如，硼)或者n型(例如，磷)。图67和68示出的实施例提供了硼掺杂的六角棱柱3-D TFSC基板的实例，该基板可以用来制造具有n型的、磷掺杂的选择性发射极的TFSC。在替代实施例中，所有的掺杂极性可以反转，从而得到磷掺杂的六角棱柱3-D TFSC基板，该基板可以用来制造具有硼掺杂的选择性发射极的电池。
图67至图69示出了在模板和外延硅TFSC基板之间采用GexSi1-x作为牺牲层的工艺流程的实施例。图67和图68描绘了采用毯式外延硅沉积来作为部分工艺流程的工艺流程的实施例。另一方面，图69示出了采用选择硅外延沉积和层释放加工的工艺流程420的替代实施例。图69得到的3-D双开口TFSC基板在基板上部和背部都具有开口。在步骤422中，提供了图案化的六角棱柱模板。该模板已经被加工形成了嵌入的深沟槽阵列。在模板的上表面上具有图案化的电介质氧化物和/或氮化物(和/或其它合适的电介质，例如类金刚石碳DLC、薄膜金刚石等)硬掩模。步骤424(多层毯式外延)对应于图67中的步骤404。然而，要注意，GexSi1-x牺牲层和外延硅层只选择性地生长在沟槽内部。由于选择外延，没有层生长在模板的上电介质层上(在上部具有图案化的电介质硬掩模，例如氧化物、氮化物、DLC等)。步骤426(基板释放)对应于图68中的步骤418。然后该六角棱柱3-D TFSC基板可以被用于随后的3-D TFSC的制造。
图70描绘了采用层释放加工来制造不具有背基底层的自支撑六角棱柱3-D双开口TFSC基板的工艺流程的实施例的工艺流程430。工艺流程430采用单晶硅或者准单晶多孔(微孔或者介孔)硅(代替GexSi1-x)作为牺牲层，并采用了毯式外延硅填充。双开口六角棱柱在上部和背部都具有开口。步骤432(提供基板)对应于图69中的步骤422。步骤434涉及采用电化学HF蚀刻(也已知为硅的电化学阳极处理)来在模板的深沟槽(沟槽的侧壁和底部)上形成薄的多孔硅牺牲层。该多孔硅层可以由下面两个基本技术中的一个形成：(i)采用硅外延在n型的模板基板上沉积薄的保形晶体硅层(在一个实施例中，为在0.2到2微米的范围内的p型的硼掺杂硅层)，然后采用电化学HF蚀刻将p型的外延层转变成多孔硅；或者(ii)将模板基板(在一个实施例中为p型模板)的薄层转变成多孔硅(在一个实施例中，在0.01到1微米的厚度范围内)。由该两个技术之一形成的牺牲多孔硅也用作随后的外延硅沉积的种子层(seed layer)。步骤436涉及进行氢气烘培(在950℃到1150℃)，以清洁表面并在多孔硅牺牲层的表面上形成连续的、密封的单晶表面层，然后在外延处理反应器中沉积毯式的掺杂的硅外延层(仅在上部)。在一个实施例中，该层是p型、硼掺杂的并具有1到30微米之间的厚度。步骤438采用选择(湿法或干法)硅蚀刻工艺来剥离上硅层，直到露出上多孔硅层。当采用等离子体(干法)蚀刻工艺时，一个实施例采用了光学终点探测以确保完全移除上硅层并露出上多孔硅层。步骤440涉及3-D TFSC基板释放。以相对于硅具有非常高的选择性来进行对多孔硅的高度选择的各向同性湿法或干法蚀刻。在一个实施例中，氢氟酸、硝酸和醋酸的混合物(HNA)被用来蚀刻多孔硅层。或者，可以使用氨水、过氧化氢和水的混合物(NH4OH+H2O2+H2O)、或过氧化氢和氢氟酸的混合物(H2O2+HF)、或合适组分的三甲基-铵-氢氧化物(TMAH)。蚀刻组分和温度可以调节为相对于硅获得多孔硅的最大蚀刻选择性。该工艺释放作为六角棱柱3-D TFSC基板的嵌入的3-D晶体硅结构，然后该六角棱柱3-D TFSC基板被用于随后的3-DTFSC的制造。
图71描绘了采用多孔硅牺牲层和选择外延硅沉积来制造不具有背基底层的自支撑双开口六角棱柱3-D TFSC基板的工艺流程的实施例的工艺流程450。图70和图71的主要差别是外延生长的方法。图71采用了选择外延来代替图70所示的毯式外延。选择外延的使用消除了在移除用于层释放的牺牲层之前蚀刻上硅层的工艺步骤。参考图71，步骤452(提供基板)对应于图70中的步骤432，步骤454(形成多孔硅牺牲层)对应于步骤434。在步骤456中，外延硅选择性地只生长在模板沟槽的内部。在一个实施例中，外延硅层为p型、原位硼掺杂并具有1到30微米之间的厚度。由于选择外延生长，没有硅层生长在模板的上表面上，因为在上部存在图案化的电介质(例如，氧化物和/或氮化物)硬掩模。步骤458(基板释放)对应于图70中的步骤438。然后六角棱柱3-D TFSC基板被用于随后的3-D TFSC的制造。尽管图70和图71示出了使用多孔硅牺牲层来制造双开口TFSC基板(不具有背基底层)，但是多孔硅也可以用作用于制造具有背基底层的单开口TFSC基板牺牲层(如前所述，采用合适的用于单孔TFSC基板的模板结构)。
前面的图概述了采用保形外延沉积技术来得到由晶体(单晶或者多晶)半导体材料(优选晶体硅)制成的六角棱柱3-D TFSC基板的工艺流程的实施例。在替代实施例中，3-D TFSC基板可以由多晶或者非晶半导体材料(例如多晶硅或者非晶硅)制成。然而，得到的3-D TFSC与由晶体半导体(例如，单晶硅或者多晶硅)制成的3-D TFSC相比可能会呈现出较低的效率。
图72和73描绘了采用层释放加工而不采用硅外延来制造不具有背基底层的自支撑六角棱柱3-D双开口TFSC基板的两个工艺流程470和490的实施例，与上述的图67到图71不同。图72中使用的模板在模版前侧具有图案化的电介质，而图73中使用的模板在前侧或背侧上不具有电介质。在这些工艺流程中使用的牺牲层简单地为牺牲电介质层，例如SiO2。硅材料是非晶硅和/或多晶硅，可以随后可选择地采用激光结晶化的方法来结晶化，以形成大晶粒的多晶硅(并热退火以减小硅膜的应力，从而便于从模板释放)。这些工艺流程得到的3-D双开口TFSC基板具有六角棱柱单元，该六角棱柱单元具有在上部和背部的开口。
参考图72，步骤472(提供基板)对应于图71中的步骤452。步骤474涉及沉积保形牺牲层(或者层堆叠)。首先，通过保形层形成方法(LPCVD或者热氧化)沉积牺牲材料的薄层。在一个实施例中，牺牲材料是SiO2，具有50到2000纳米之间的厚度。该牺牲氧化物层保形地覆盖六角棱柱沟槽的壁和模板前侧。如果随后采用激光结晶化(见下面的步骤482)，则步骤474还包括通过LPCVD沉积薄的氮化物层。在一个实施例中，该氮化物层是Si3N4，具有100到1000纳米之间的厚度。该牺牲层可由多孔硅代替氧化物和/或氮化物来制成。步骤476涉及采用保形沉积来沉积毯式硅层。在一个实施例中，该毯式硅层可以是非晶硅或者多晶硅，以硼p型原位掺杂，并具有在1到30微米之间的厚度。步骤478采用选择硅(湿法或者干法)蚀刻来剥离上硅层，直到露出牺牲层(例如，二氧化硅或者氮化硅或者多孔硅)的上表面。当使用等离子体(干法)蚀刻工艺时，一个实施例使用光学终点探测以确保完全移除上硅层并暴露上多孔硅层。如果使用了可选择的氮化物，则采用选择湿法或干法蚀刻来蚀刻上Si3N4层。步骤480涉及3-D TFSC基板释放。在一个实施例中并当采用二氧化硅牺牲层时，可以采用氢氟酸(HF)来蚀刻氧化物牺牲层。在另一个实施例中并当采用多孔硅牺牲层时，则可以使用氨水、过氧化氢和水的混合物(NH4OH+H2O2+H2O)、或过氧化氢和氢氟酸的混合物(H2O2+HF)、或合适组分的三甲基-铵-氢氧化物(TMAH)。蚀刻组分和温度可以调节为获得相对于硅的多孔硅的最大蚀刻选择性。该工艺释放六角棱柱3-D TFSC基板。可选择的步骤482涉及释放的3-D薄膜非晶硅或多晶硅基板的激光结晶化和/或热退火，以形成大晶粒的多晶硅微结构(并减小嵌入硅结构的任何残余应力)，其中氮化层用作保护帽。然后氮化物层被选择性地剥离。然后六角棱柱3-D TFSC基板被用于随后的3-D TFSC的制造。
参考图73，在步骤492中，提供图案化的六角棱柱模板。该模板已经被加工形成了嵌入的深互连沟槽阵列。在该情况下，在模板的上表面和背表面上不具有电介质硬掩模层。步骤494(牺牲层的保形沉积)对应于图72的步骤474，步骤496(毯式硅沉积)对应于步骤476，步骤498(选择硅蚀刻)对应于步骤478，步骤500(基板释放)对应于步骤480，步骤502(可选择的激光结晶化)对应于步骤482。然后六角棱柱3-D TFSC基板被用于随后的3-D TFSC的制造。
图74和75示出了(采用例如图25所示的合适的模板)制造具有背基底层的六角棱柱双开口3-D TFSC基板的实施例的两个不同工艺流程。图74描绘了采用层释放加工的工艺流程510的实施例。该流程以GexSi1-x牺牲层沉积的使用和毯式或选择原位掺杂外延硅沉积的使用为基础。得到的六角棱柱单元在棱柱上部具有开口并在背部以背基底层(在一个实施例中，为相对平坦的薄硅层)终止。再次地，为了使用多晶硅、非晶硅、或者无硅晶体或者多晶/非晶硅材料，可以容易地调整该实施例的工艺流程。在步骤512中，提供图案化的蜂窝棱柱模板。该模板已经被加工形成嵌入的沟槽以及堆叠在较窄/较深的沟槽上的较浅/较宽的沟槽(或沟槽肩部)的阵列(见图25)。在模板前侧不具有电介质层，在模板背侧具有保留有开口的图案化氧化物和/或氮化物电介质层(或堆叠)。在步骤514中，在外延反应器中进行多层毯式外延，并包括随后的原位工艺步骤。首先，采用H2烘焙或者GeH4/H2烘培以进行原位表面清洁。接着，沉积薄的GexSi1-x外延层(在一个实施例中，仅在上部)。在一个实施例中，该层在10和1000纳米之间。接着，仅在上部上沉积掺杂的硅外延层。在一个实施例中，该层是p型、硼掺杂的，并具有1和30微米之间的厚度。原位掺杂(硼掺杂)的分布可以是固定的或者渐变的。在渐变的情况下，在沉积硅外延层的过程中硼的掺杂浓度逐渐增加，在外延生长工艺的开始浓度较低，而朝着外延生长工艺的结束浓度较高。该渐变基区掺杂可以为光生载流子的有效收集提供场辅助漂移部分，实质上减小了复合损失的影响。同时还减小了基区薄层电阻和欧姆损失。设定硅外延层的厚度使得深沟槽被硅完全填充，同时浅(较宽)沟槽(上沟槽肩部)在其侧壁接受外延，且其中央区域被保留为自对准浅六角棱柱槽。在步骤516中，释放3-D TFSC基板。以相对于硅具有非常高的选择性来进行GexSi1-x的高选择性的各向同性湿法或干法蚀刻。在一个实施例中，氢氟酸、硝酸和醋酸的混合物(HNA)被用来选择蚀刻GexSi1-x牺牲层。或者，可以使用氨水、过氧化氢和水的混合物(NH4OH+H2O2+H2O)。通过经由模板背侧的电介质开口到达牺牲层来使湿法蚀刻剂选择性地移除牺牲GexSi1-x层。该工艺释放了六角棱柱3-D TFSC基板，然后该六角棱柱3-D TFSC基板被用于随后的3-D TFSC的制造。注意，模板背侧开口可以直接形成在硅背侧中，而不需要背侧电介质。
图75描绘了采用层释放工艺而不采用外延硅加工来制造具有背基底层的自支撑六角棱柱单开口3-D薄膜多晶硅或非晶硅TFSC基板的工艺流程520的实施例，其中背基底层由多晶硅或者非晶硅制成。可选择地，非晶硅或者多晶硅可以采用激光结晶化作为流程一部分来结晶化。该工艺流程采用诸如SiO2的电介质牺牲层(采用LPCVD或热生长沉积)和用于硅吸收层的保形非晶硅或多晶硅沉积。步骤522(提供基板)对应于图74中的步骤512。步骤524(沉积保形牺牲层)对应于图73中的步骤494，步骤526(毯式沉积)对应于步骤496。注意，可以设定硅的厚度，使得深沟槽完全被硅填充，同时浅(较宽)的近表面沟槽在其侧壁接受硅，并且其中央部分被保留为自对准的、相对较浅的六角棱柱槽或者沟槽。步骤528涉及在上部通过LPCVD或者PECVD沉积可选择的薄氮化硅电介质层，以用作硅层的保护帽。在一个实施例中，该层在100到1000纳米之间。步骤530(基板释放)对应于图73中的步骤500。注意，通过经由模板背侧的电介质开口(注意，背侧开口可以直接形成在模板基板背侧中，而不需要模板背侧的任何电介质)到达牺牲层来使湿法蚀刻剂选择性地移除牺牲GexSi1-x层(或者多孔硅牺牲层)。该工艺从模板释放了六角棱柱3-D TFSC基板。可选择的步骤532涉及激光结晶化释放的3-D薄膜非晶硅或多晶硅基板，以形成大晶粒的多晶硅微结构。包围硅的氮化硅层用作保护帽。然后选择性剥离该氮化物层。然后六角棱柱3-D TFSC基板被用于随后的3-D TFSC的制造。
尽管多个实施例被示于图67至75来描绘本公开的各种六角棱柱3-DTFSC基板的制造方法，但是所示实施例可以用来发展基于整体概念、设计、实施例和方法的额外的工艺流程和变化。
图76至图80示出了具有贯穿晶片沟槽212的模板的一个棱柱单元的演变的Y-Y横截面视图，其进行了制造不具有背基底层的六角棱柱双开口3-DTFSC基板的几个关键的工艺步骤。在这些图中概述的工艺流程包括在前述相关的工艺流程实施例的基础上使用毯式和选择外延生长。尽管以在模板前侧和背侧堆叠电介质来示出，但是采用毯式外延沉积的工艺流程可以不采用堆叠在模板前侧的电介质来进行。
图76示出了在沉积薄牺牲层(外延GexSi1-x或者多孔硅)548然后沉积毯式原位掺杂(例如，用于p型基区的硼掺杂)外延硅层552之后的具有贯穿晶片沟槽212的模板的Y-Y横截面视图540。电介质上硬掩模层由Si3N4的第一上硬掩模层542和SiO2的第二上硬掩模层544构成，其中第一上硬掩模层542在第二上硬掩模层544上，第二上硬掩模层544在模板上表面546上。牺牲层548在侧壁550和模板上表面546上形成薄层(形成在前侧电介质542的上表面上)。该牺牲层548在原位掺杂(硼掺杂)外延硅552和模板之间形成薄层(例如，厚度为100到2000纳米)。
图77示出了在控制硅蚀刻以仅从模板的上部移除p型硅外延层552之后的视图560(保留沟槽内的外延硅)。图78示出了在移除图77所示的牺牲层548(GexSi1-x或者多孔硅或者其它合适的层)的高度选择湿法蚀刻工艺之后的模板视图570。牺牲层548的移除导致在模板和p型硅外延层(即，3-DTFSC基板)552之间形成间隙572，使得可以从模板释放并移除3-D TFSC基板。在选择湿法蚀刻牺牲层548的过程中，超声搅拌和/或磁性耦合蚀刻剂搅动将有助于基板552的释放。图79示出了剥离p型硅外延层552之后的模板的视图580。模板210(见图17)可循环使用多次。
图80示出了三个横截面视图。视图590示出了图79中所示的模板的较大的Y-Y横截面视图，其中示出了多个棱柱单元。视图592示出了从图590所示的模板释放之后的六角棱柱3-D TFSC基板552的Y-Y横截面视图(发射极侧在下部)。注意，基区和发射极侧分别在上部和下部示出。视图594示出了从图590所示的模板释放之后的六角棱柱3-D TFSC基板552的Y-Y横截面视图(与图592相比，进行了垂直翻转)。注意，分别在上部和下部示出了发射极和基区侧。
图81至图84示出了具有晶片内沟槽232并在模板前侧或者模板后侧不具有电介质层的模板内的一个棱柱单元的演变的Y-Y横截面视图，其进行了制造不具有背基底层的六角棱柱双开口3-D TFSC基板的几个关键的工艺步骤。这些图中概述的工艺流程包括在前述相关的工艺流程实施例的基础上使用毯式和选择外延生长。
图81示出了具有晶片内沟槽232并且不具有电介质上掩模层或者电介质背掩模层的模板310(见图26)的变型的Y-Y横截面视图600。可以采用光刻图案化和深RIE(DRIE)来形成深沟槽。图82示出了沉积相对较薄的(例如，200到2000纳米)牺牲层548(外延GexSi1-x或者多孔硅或者其它合适的材料)和原位掺杂(用于p型基区的硼掺杂或者用于n型基区的磷掺杂)外延硅层552来填充六角棱柱沟槽之后的视图610。图83示出了在控制等离子体或者湿法蚀刻模板前侧的原位掺杂(用于p型基区的硼掺杂)外延硅层552在前侧牺牲层548上或内终止或停止蚀刻之后的视图620。图84示出了在高度选择湿法蚀刻牺牲层548(外延GexSi1-x或者多孔硅)以释放六角棱柱3-D TFSC基板552之后的视图630。具有嵌入的硅侧壁552的双开口3-D TFSC基板将易于从模板释放并移除。
图85至图88示出了具有贯穿晶片沟槽212和背侧层214(沟槽穿通模板体并在支撑的背侧电介质层214上停止)并在模板前侧不具有电介质的模板330(见图28)的Y-Y横截面视图，其经历了制造不具有背基底层的六角棱柱双开口3-D TFSC基板的几个关键的工艺步骤。再次地，该制造工艺流程的流程以前述实施例之一为基础。
图85示出了具有贯穿晶片沟槽、不具有上硬掩模层但具有背侧机械支撑层214的模板330的变型的Y-Y横截面视图640。图86示出了在形成或沉积相对较薄的牺牲层548(外延GexSi1-x或者多孔硅或者其它合适的材料)和原位掺杂(用于p型基区掺杂的硼掺杂外延)外延硅层552之后的视图650。图87示出了在控制等离子体或者湿法蚀刻模板前侧的外延硅层552并在前侧牺牲层548上或内终止或停止蚀刻之后的视图660。图88示出了选择湿法蚀刻牺牲层548(外延GexSi1-x或者多孔硅)以释放六角棱柱3-D TFSC基板552之后的视图670。具有嵌入的硅侧壁552的双开口3-D TFSC基板将易于从模板释放并移除。
图89至93示出了具有晶片内六角棱柱沟槽232、在模板前侧不具有电介质而具有可选择的背侧层214的模板300(见图25)的Y-Y横截面视图(模板可以制造为不具有任何前侧和背侧电介质层)，其进行了制造具有背基底层的六角棱柱双开口3-D TFSC基板的几个关键的工艺步骤。再次地，该制造工艺流程的流程以前述实施例之一为基础。
图89示出了沉积薄的(例如，厚度为200到2000纳米之间)牺牲层548(外延GexSi1-x或者多孔硅或者其它合适的材料)和原位掺杂(用于p型基区的硼掺杂)外延硅层552之后的视图680。外延硅沉积工艺填充了沟槽(无空隙地填充沟槽)，同时在上部附近留下了相对较浅的槽(沟槽)。这可以这样来获得：在较深/较窄沟槽被外延硅完全填充之后并在填充模板前侧的较宽/较浅沟槽之前停止外延沉积工艺(从而，形成具有高度(L)682和宽度(Wm)684并结合上外延硅层的厚度(Wf)686的较浅的槽)。图90示出了在高度选择蚀刻牺牲层548而形成间隙692之后的图89所示的模板的视图690，从而使得3-D TFSC基板552从模板释放并移除。图91和图92示出了从图90释放的基板552的Y-Y横截面视图700和710。释放的基板552具有基区侧702，发射极侧704。基板552具有尺寸Tst 706(六角棱柱垂直侧壁的基区侧附近的硅侧壁的厚度)、Tsb 708(六角棱柱垂直侧壁的发射极侧附近的硅侧壁的厚度)、六角棱柱高度710、和锥形的六角棱柱TFSC基板侧壁712。参考图91中的视图700，基区侧702示于上部，发射极侧704示于底部(TFSC基板从模板释放)。在图92的视图710中，基区侧702示于底部，发射极侧704示于上部。图93示出了释放并分离/移除具有背基底层的嵌入的六角棱柱单开口3-D TFSC基板(见图25中的模板300)之后的图90中所示的模板的Y-Y横截面视图720。模板300可以循环使用多次。
图94至图96示出了具有底面为正方形的棱柱形(示为三角形腔的横截面)背侧释放沟道373的图44中的模板370的Y-Y横截面视图，该底面为正方形的棱柱形背侧释放沟道373使得释放蚀刻剂从模板背侧进入并随后释放3-D TFSC基板。图94示出了形成合适的牺牲层248(由多孔硅、硅锗或者其它合适的材料制成)之后的视图721。注意，贯穿晶片的、直径较小的(例如，500到5000纳米)的孔377被多孔(微孔或者介孔)硅夹断(pinchoff)。多孔硅牺牲层可以通过外延沉积薄的p型硅保形层并随后将其转变成多孔硅(或者通过将模板的薄表面层直接转变成牺牲多孔硅)来形成。图95示出了外延沉积原位掺杂(例如，用于p型基区的硼掺杂)硅552之后的视图722。该步骤可以填充深沟槽并形成堆叠在外延填充的深沟槽上的浅槽/沟槽。图96示出了选择湿法化学蚀刻牺牲多孔硅层248(例如，在HF/H2O2或者TMAH或者其它合适的用于多孔硅的选择蚀刻剂)以将3-D TFSC基板552从模板370释放并移除之后的视图723。
图97至图99示出了具有底面为正方形(底面为矩形)的背侧释放沟道381的图53所示的模板380的Y-Y横截面视图，该底面为正方形的背侧释放沟道381使得蚀刻剂从模板背侧进入并随后释放3-D TFSC基板。图97示出了形成薄的多孔硅牺牲层248之后的视图724。注意，贯穿晶片的小直径的孔377可以被多孔(微孔或者介孔)硅夹断。图98示出了在外延沉积原位掺杂的硅552之后的视图725。该步骤可以填充深沟槽并形成堆叠在外延填充的深沟槽上的浅槽/沟槽。图99示出了选择湿法化学蚀刻牺牲多孔硅层248(例如，在HF/H2O2或者TMAH或者其它合适的选择蚀刻剂)以将3-DTFSC基板552从模板370释放之后的视图726。
图100到图102示出了具有与沟槽底部对准的背侧释放沟道390的图64所示的模板370的Y-Y横截面视图，该与沟槽底部对准的背侧释放沟道390使得背侧蚀刻剂进入并随后释放3-D TFSC基板。图100示出了形成薄的(相对保形)多孔硅牺牲层248之后的视图727。图101示出了外延沉积原位掺杂的硅552之后的视图728。该步骤可以填充深沟槽并形成堆叠在外延填充的深沟槽上的浅槽/沟槽。图102示出了选择湿法化学蚀刻牺牲多孔硅层248(例如，在HF/H2O2或者TMAH或者其它合适的选择湿法蚀刻剂)以将3-DTFSC基板552从模板370释放并移除之后的视图729。
下面的部分将描述在制造3-D TFSC的过程中的3-D TFSC基板的使用。图103示出了具有外围的平面硅框架732的六角棱柱3-D TFSC的俯视图730。框架732的上表面也用作上3-D TFSC的互连并可以用来产生绕穿式(wrap through)或者卷包式(wrap around)发射极金属化，从而接触至在(模块组件中的)电池底部的电池发射极。框架732与上六角发射极接触一起被金属化，并被电连接至六角发射极接触。框架732可以具有与3-D TFSC基板相同的厚度或者可以更厚。在一个实施例中，框架宽度734在5与500微米之间。六角棱柱3-D TFSC基板由六角棱柱单元736构成。在一个实施例中，形成六角棱柱单元侧壁的硅膜的宽度738优选在2到30微米，并更优选在2到10微米。典型地，在大面积的3-D TFSC上具有几千到几百万的六角棱柱单元736。在一个实施例中，框架长度(S)740的范围为从125到超过200毫米(例如，210mm×210mm)。本公开的六角棱柱3-D TFSC基板可以具有薄的硅框架、厚的硅框架或者根本不具有外围框架。
图104A和104B示出了图103所示的3-D TFSC的3-D TFSC基板的显微镜视图。图104A示出了不具有基底层的双开口TFSC基板的视图，而图104B示出了具有基底层的单开口TFSC基板的视图。此外，图105A示出了在制造TFSC之前的具有薄的硅框架752且不具有背基底层的自支撑六角棱柱双开口3-D TFSC基板的Y-Y横截面视图750。在该实施例中，薄的硅框架752为厚度与3-D TFSC基板相同的正方形，并且硅框架的宽度734为50到250微米。最终的3-D TFSC基板可以是正方形的，具有大约从125mm×125mm到大于200mm×200mm的尺寸。
图105B示出了制造TFSC之后的图105A的基板的视图760，示出了六角棱柱3-D TFSC的发射极和基区金属接触且不具有厚的硅框架。薄的硅框架也示出了卷包式(代替地，可以制成为绕穿式)发射极接触金属，以便于模块组装(使电池发射极和基区接触从电池背侧到达模块)。在3-D基板的制造过程中，可以进行薄的硅框架的延伸。例如，当在模板中形成六角棱柱结构时可以由硅沉积工艺制成薄的框架。自对准的外围前侧接触762在框架边缘被连接到3-D TFSC的六角前侧发射极接触(连接至分布式自对准发射极接触764)。自对准的发射极接触764可以通过滚涂、浸涂或者喷涂并烧穿(fire through)钝化层(氮化物或者氧化物/氮化物堆叠)来形成。或者，自对准的发射极接触764可以采用选择镀覆工艺来形成。自对准的卷包式发射极接触在薄的硅框架上(卷包式接触可以由绕穿式接触代替)。为了自动的模块组装，在电池的背侧可以到达前侧和后侧接触。
图106A示出了具有厚的外围硅框架772的自支撑六角棱柱双开口3-DTFSC基板的Y-Y横截面视图770。图106B示出了制造电池之后的图106A的基板的视图780，示出了发射极和基区金属接触的金属。厚的硅框架也示出了(在厚的硅框架772上的)自对准的卷包式发射极接触金属762(卷包式接触可以由绕穿式接触代替)，以便于模块组装。厚的硅框架可以单独地由低成本的硅晶片(例如，来自晶片的激光切割)单独地制成并然后通过合适的技术贴附至六角棱柱3-D TFSC基板。例如，可以在外延硅沉积工艺的过程中进行贴附，以将框架密封(或者通过电子束焊接等)至六角棱柱结构。本公开的六角棱柱3-D TFSC基板的制造工艺流程采用了滚涂、喷涂或者浸涂并然后热或者UV固化自对准形成的固态掺杂剂层和金属层(后者用于采用烧穿金属化的电池制造工艺流程的实施例)。在一个工艺流程实施例中，滚涂(或者喷涂或者浸涂)工艺也可以用于从六角棱柱的脊控制蚀刻电介质。还示出了自对准的背侧六角基区接触784(滚涂、浸涂或喷涂并烧穿诸如氮化物或者氧化物/氮化物堆叠的钝化层)。为了自动的模块组装，在电池的背侧可以到达前侧发射极金属化接触和背侧基区接触。
图107示出了规则的(等边)六角棱柱3-D TFSC基板的示意性放大俯视图790，其中示出了多个棱柱单元。每个六角棱柱单元736包含六角单元的边界点(H1、H2、H3、H4、H5和H6)792、794、796、798、800和802。图107示出了六角棱柱3-D TFSC基板的侧壁804、六角单元的长的对角尺寸(d)806、和六角单元的短的对角尺寸(h)808。在一个实施例中，六角棱柱3-D TFSC基板的侧壁804的厚度在2和30微米之间。
图108示出了从模板释放的六角棱柱双开口3-D TFSC基板的视图810，其中六角棱柱3-D TFSC基板具有上(发射极)开口812和背(基区)开口(未示出)。上脊814用于n++发射极扩散和金属接触，而背脊816用于p++基区扩散和接触金属。图109A示出了图108所示的六角棱柱3-D TFSC基板的Y-Y横截面视图820。注意，3-D TFSC基板具有高度824(典型地为在100到350微米的范围内的值)。图109B示出了图108所示的六角棱柱3-DTFSC基板的Z-Z横截面视图830。注意，Z-Z视图示出了宽度为d/2的薄膜壁832(与六角开口的长的对角直径d相比)。
图110示出了六角棱柱单开口812的3-D TFSC基板的示意图840，其中六角棱柱3-D TFSC基板的背侧816整体地(monolithically)连接至相对平坦的平面薄膜842(背基底层)。图111A示出了具有图100所示的背基底层的六角棱柱单开口3-D TFSC基板的Y-Y横截面视图850。图111B示出了图110所示的六角棱柱3-D TFSC基板的Z-Z横截面视图。这些图也示出了整体地结合至背基底层842的六角薄硅壁804。
图112示出了六角棱柱3-D TFSC基板的单个单元736的视图870，为了参考计算单元棱柱的侧壁面积、六角棱柱单元的开口面积、以及侧壁和平面基区面积比。对具有和不具有背基底层的单开口和双开口两种类型的六角棱柱3-D TFSC基板都进行了这些计算。六角单元的长的对角尺寸(d)806可以在大约50微米到大约500微米的范围内选择，更典型的值是在100到250微米的范围内。六角棱柱的纵横比(H/d或者高度824与长的六角对角尺寸806的比)可以为大约0.5和5之间的任何值，更典型的值在1和3之间。硅膜的厚度W 738可以在大约1到30微米的范围内，典型值在2到10微米的范围内。点A 872是H5800和H6802之间的中间点。点B 874是H2794和H3796之间的中间点。
相对的单元点872和874之间的短的六角对角距离(h)为：
h＝(√3/2)d＝0.866d
六角棱柱3-D TFSC基板的六角上(或背)底面的平面表面积(Shb)为：
Shb＝[(3√3)/8].d2
六角棱柱单元腔的壁的表面积(Shp)(对于不具有平坦的背硅层的双开口单元)：
Shp＝3.d.H
六角棱柱单元腔的壁的表面积(Shp)(对于具有平坦的背硅层的单元)：
Shp＝3.d.H+[(3√3)/8].d2
对于不具有平坦的背硅层的双开口六角棱柱TFSC基板：
Shp/Shb＝[8/√3].(H/d)
对于具有平坦的背硅层的单开口六角棱柱TFSC基板：
Shp/Shb＝[8/√3].(H/d)+1
对于下面的计算，假设W是六角棱柱侧壁硅膜的厚度。同样假定W/2是具有平坦的背硅层的六角棱柱TFSC基板的棱柱底面硅的厚度。
对于不具有平坦的背硅层的双开口六角棱柱来说每个棱柱单元的硅体积为：
Vhp＝3.d.H.(W/2)＝(3/2)d.H.W
对于具有平坦的背硅层的单开口六角棱柱来说每个棱柱单元的硅体积为：
Vhp＝(3/2)d.H.W+[(3√3)/8].d2(W/2)
棱柱侧壁厚度为W的六角棱柱3-D TFSC基板的硅体积与晶片厚度为WF的平坦的硅晶片或膜的体积(或质量)的比Vhp/VF(或者质量比Mhp/MF)如下(以不具有平坦的背硅层的双开口蜂窝棱柱TFSC基板示出)：
Vhp/VF＝Mhp/MF＝(4/√3)[(H/d).(W/WF)]
对于具有平坦的背硅层的单开口蜂窝棱柱TFSC基板来说这个比如下：
Vhp/VF＝Mhp/MF＝(4/√3)[(H/d).(W/WF)]+[W/(2.WF)]
图113和图114辅助地示出上述计算的重要结果。图113示出了具有和不具有背基底层的TFSC基板的六角棱柱面积比的曲线图。Y轴是六角棱柱单元的开口面积与六角棱柱单元的底面面积的比。X轴是六角棱柱单元的高度与单元的底面对角线尺寸的比(H/d或者单元的纵横比)。图114示出了具有和不具有背基底层的TFSC基板的六角棱柱质量比的曲线图。Y轴是蜂窝棱柱基板硅的质量与平坦的硅晶片的质量的比。X轴是蜂窝棱柱侧壁的厚度与平坦的硅晶片的厚度的比。
图113和114表明六角棱柱3-D TFSC基板可以设计为使得它们具有更大的太阳吸收表面积(并且3-D结构有助于光俘获/捕获)，同时使它们消耗与标准的平坦硅晶片相比的更小体积的硅(并因此更小质量的硅)。
对于不具有平坦的背层的六角棱柱TFSC基板，单元吸收硅的总体积(或者质量)是单元棱柱侧壁的体积(或质量)的一半。这是因为只有一半的侧壁体积或质量属于每个单元。对于具有平坦的背层的六角棱柱TFSC基板，单元吸收硅的总体积(或质量)包括单元棱柱侧壁的体积(或质量)的一半与背基底层的体积(或质量)的和。
正如所示出的，本公开的3-D薄膜六角棱柱TFSC基板的设计与现有技术的太阳能电池硅晶片相比具有明显较小的硅体积(或质量)，其中现有技术的太阳能电池晶片典型地使用超过200微米厚的晶片。这对于单元纵横比(H/d)小于3的设计来说尤其正确。对于给定的薄硅膜厚度和基板尺寸，在六角棱柱3-D TFSC基板中使用的硅材料的量(以总的硅表面积、体积或质量来衡量)大于具有相同尺寸的共面(平坦)基板中的硅材料的量。然而，使用的硅的量明显小于标准晶体硅(c-Si)晶片太阳能电池中使用的硅的量。与标准的c-Si晶片太阳能电池相比，本公开的六角棱柱3-D TFSC消耗的硅减少到三分之一或者小于十分之一。
为了获得3-D薄膜六角棱柱单元结构内高效的光俘获/捕获以及具有合理(即，不是过度)的面积放大因子Shp/Shb合理的非常低的有效表面反射，棱柱的纵横比(H/d)可以在1到3的范围内。
尽管本公开的3-D TFSC基板单元结构的一个实施例是规则的六角棱柱单元(具有等边的六角横截面或者脊)，但是本公开也覆盖了其它的3-D棱柱单元几何设计的宽广范围，其中3-D棱柱单元的几何设计可以具有各种多边形的棱柱单元开口设计。棱柱阵列可以是单一多边形棱柱单元的均匀阵列，也可以是多种多边形棱柱单元设计的混合(两种或者更多)。
图115A至图121C示出了具有各种单元棱柱几何设计和布置的几个3-D多边形棱柱TFSC基板的示例。图115A示出了六角单元的角度彼此不相等或者不等于120度的棱柱设计的俯视图880。图115B示出了具有等边三角形的棱柱单元的棱柱设计的俯视图890。图116A示出了具有非等边三角形的棱柱单元的棱柱设计的俯视图900。图116B示出了具有交替的等边三角形棱柱单元的棱柱设计的俯视图910。图117A示出了具有偏置(offset)平行四边形棱柱单元的棱柱设计的俯视图920。图117B示出了具有平行四边形棱柱单元的棱柱设计的俯视图930。图118A示出了具有对准的正方形棱柱单元的棱柱设计的俯视图940。图118B示出了具有偏移的正方形棱柱单元的棱柱设计的俯视图950。图119A示出了具有对准的矩形棱柱单元的棱柱设计的俯视图960。图119B示出了具有偏移的矩形棱柱单元的棱柱设计的俯视图970。图120A示出了具有梯形棱柱单元的棱柱设计的俯视图980。图120B示出了具有交替的梯形棱柱单元的棱柱设计的俯视图990。图121A示出了具有混合的五角形和平行四边形的棱柱单元的棱柱设计的俯视图1000。图121B示出了具有混合的六角形和三角形的棱柱单元的棱柱设计的俯视图1010。图121C示出了具有混合的八角形和正方形的棱柱单元的棱柱设计的俯视图1020。
除了这些替代的TFSC设计之外，本公开也覆盖很多其它的多边形棱柱以及其它的非多边形棱柱单元设计(例如，圆柱形棱柱、椭圆棱柱等)。通常，本公开的3-D TFSC基板覆盖一个或多个棱柱单元的任何阵列，该一个或多个棱柱单元的任何阵列布置为可以制作用于太阳能电池制造的重量轻、表面积大的TFSC基板。典型地，形成大面积(例如，200mm×200mm)的3-D TFSC基板需要几百万(少至几千)个棱柱单元。在一个实施例中，3-DTFSC基板的膜厚在1到30微米的范围内，并优选在2到10微米的下端范围内。这明显小于(大约小至二十分之一至一百分之一)现有技术的太阳能电池的晶片厚度(大约为200微米)。
图122至图133示出了制造具有和不具有背基底层的单开口和双开口六角棱柱3-D TFSC的多个工艺流程实施例。具体地，图122至图127示出了本公开的六个不同的工艺流程，用于制造不具有背基底层的双开口六角棱柱3-D TFSC。图128至图133示出了本公开的六个不同的工艺流程实施例，用于制造具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC。尽管为了制造硅基TFSC而概述了这些工艺流程实施例，但是整体的概念和方法可以延伸并应用至其它的同质结和异质结半导体材料(例如，多晶硅、多晶体硅、CIGS等)。尽管为了制造3-D c-Si TFSC而示出了这些工艺流程，但是可以容易地将这些实施例进行调整和修改以制造采用多晶硅、非晶硅和或多晶硅膜的硅基TFSC。
图122描述了制造不具有背基底层的双开口六角棱柱3-D TFSC的第一个工艺流程1030。该流程图描述了制造六角棱柱3-D TFSC的工艺流程，其中采用了自对准的烧穿金属化以及在可选择的选择银(Ag)或选择铜(Cu)镀覆工艺之后进行的可选择的氮氢混合气体退火氮氢混合气体退火(forminggas anneal，FGA)工艺。该工艺流程采用了滚涂(或者喷涂、喷墨喷涂、或者浸涂)并固化掺杂剂和金属材料的液体或浆，以形成选择掺杂的发射极区以及发射极和基区接触金属化区。在该实施例中，通过使用形成在六角棱柱上脊上的固化的固态磷的掺杂剂源层来形成n++(磷)重掺杂的发射极接触区(为了随后的发射极接触金属化)，同时通过在烧穿金属化工艺过程中硅的铝掺杂来形成p++重掺杂的基区接触区(为了随后的基区接触金属化)(在涂布有固化的铝液体/糊状层的背六角脊上)。
参考图122，步骤1032以双开口3-D TFSC基板(例如，具有在TFSC基板的制造过程中形成的原位p型基区掺杂)开始，该基板具有敞开的上开口和背开口(即，不具有平坦的背基底硅层)。在步骤1034中，3-D基板的上部和背部选择性地涂布有分别来自液体源的n型掺杂剂(例如，包含磷的液体或者浆)和未掺杂的帽层电介质密封剂(例如，氧化物)。在一个实施例中，这些涂层在3-D TFSC基板每侧的高度为2和10微米之间，并且n型掺杂剂是磷。基板的背(基区侧的六角脊)部选择性地涂布有例如氧化物的未掺杂的帽层电介质密封剂。这些涂布采用液体或者浆源来进行。各种涂布的实施例包括：采用浆/液体源的自对准的双侧滚涂、通过被控制地浸入深度受控制的液体源而进行的浸涂、喷墨涂布、喷涂或者其它合适的涂布方法。然后采用闪光IR灯或者UV辐照在150℃到400℃下干燥并固化掺杂剂源和氧化物层。步骤1036涉及形成自对准的选择性发射极结和重掺杂的发射极接触。上部的重掺杂n++p发射极接触和蜂窝棱柱侧壁的n+p选择性发射极结通过热退火工艺(在一个实施例中，在800℃到950℃)同时形成。干燥/固化和发射极退火可以在带炉(belt furnace)中顺次进行。在一个实施例中，布置有面对面接触的3-D基板对或堆叠的3-D TFSC基板可以在加热的带炉中退火，以便于气相掺杂形成n+选择性发射极结。背部的帽层电介质(例如，氧化物)涂布防止了基区接触区的磷掺杂。步骤1038涉及表面钝化和抗反射涂布(ARC)。首先，采用氢氟酸或者其它合适的蚀刻剂(例如，稀释的HF)剥离上部的掺杂剂源层、背部的未掺杂氧化物层和固有氧化物。接着，在一个实施例中通过蒸汽氧化来生长薄的氧化物层。在一个实施例中，该层在3和300纳米之间，并在800℃到950℃之间进行生长。接着，通过PECVD或者PVD沉积钝化和ARC层，涂层形成在棱柱上部(发射极侧)和选择性发射极的侧壁(基区侧的涂层是可选择的)。在一个实施例中，该层为3到150纳米之间(优选在50到100纳米之间)的SiNx或者AlOx。PECVD的SiNx或者AlOx也可以提供3-D TFSC基板的H钝化。在一个实施例中，扩散/氧化步骤使得选择性发射极结和发射极接触的薄层电阻值分别为80-150Ω/方块和10-70Ω/方块。步骤1040涉及自对准的金属化(涂覆金属涂层)。采用自对准的浸涂、滚涂、喷墨涂或者喷涂在基板的上部选择性地涂布(到高度等于或小于掺杂剂源层；在一个实施例中在5和20微米之间的)金属(在一个实施例中为银)的浆或者液体。接着，干燥并固化该金属接触。接着，通过自对准的浸涂、滚涂、喷墨涂或者喷涂而在TFSC基板的背部选择性涂布(到高度等于或小于背帽层电介质层)金属(在一个实施例中为铝)浆或者液体，以形成p++基区接触和金属化。接着，干燥并固化这些金属涂层。步骤1042涉及自对准的金属化(烧穿)。通过烧穿钝化层或者层堆叠(氧化物和/或PVD或PECVD的SiNx层)来形成电池前部(例如，银)和背部(铝)的金属化区域。步骤1044涉及可选择的自对准金属化步骤，其中通过镀覆(例如无电镀或者电流电镀(galvanic plating))而将银和/或铜选择性地/同时地沉积在金属化的上蜂窝脊(发射极)或者背蜂窝脊(基区)上，并进一步用银喷镀金属化区域。如果需要，镀覆工艺还可以包括诸如镍的难熔金属势垒的初始层(在银和/或铜镀覆之前)。步骤1046涉及另一个可选择的自对准金属化步骤。进行氮氢混合气体退火(FGA)(例如，在300℃到450℃)，以降低前部和背部的互连接触电阻值并有助于表面/体钝化。由于先前的金属化烧结步骤，该氮氢混合气体退火步骤并不是必须的。步骤1048涉及将双开口蜂窝棱柱TFSC的背侧(基区侧)安装到高度反射的背反射镜上。该背反射镜可以是具有粗糙表面的漫射反射镜或者具有光滑表面的反射镜(通常优选漫射反射镜)。背反射镜可以由涂布有银的铝或者铜垫(箔)制成，并还可以用作放置在太阳能模块组件中的印刷电路板上的TFSC基区互连平面。在步骤1050中，蜂窝棱柱TFSC被封装在太阳能模块组件中。
图123示出了制造不具有背基底层的双开口六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程1060。在该流程中，除了可选择的FGA工艺和可选择的镀覆工艺的顺序之外，图122和图123的工艺流程相似且可比较。具体地，图123中的步骤1062到1072相似于图122中的步骤1032到1042。图123中的步骤1074涉及在步骤1076之前进行可选择的FGA，其中步骤1076涉及可选择的镀覆工艺。对于步骤1074的描述，见上述对图122中的步骤1046的描述。对于步骤1076的描述，见上述对图122中的步骤1044的描述。
图124示出了制造不具有背基底层的双开口六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程1090。本实施例的工艺流程使用了烧穿金属化工艺，以形成自对准的发射极和基区接触金属化。该流程图描述了采用自对准的烧穿金属化来制造六角棱柱3-D TFSC的工艺流程，其中该六角棱柱3-D TFSC具有硼掺杂的p++背基区接触和磷掺杂的n++发射极接触(包括在3-D棱柱侧壁上的选择性发射极掺杂)。尽管如上所述图122和123的实施例中的p++基区接触都在烧穿金属化过程中通过铝掺杂来形成，但是图124的实施例中的p++基区接触通过来自固化的硼源层的硼掺杂来形成。图124的步骤1092(提供基板)对应于图122的步骤1032。步骤1094涉及用上部的磷(即，n型掺杂剂)的液体/浆源以及背部的硼(即，p型掺杂剂)和未掺杂电介质(例如，氧化物)的液体/浆源(硼层被例如氧化物的电介质密封剂覆盖)来选择性地涂布3-D蜂窝棱柱的上部和背部(在一个实施例中，上部和背部为2到10微米)。该选择涂布可以采用下面的方法来进行：使用浆/液体源进行自对准的双侧滚涂、通过浸入到深度受控制的液体源而进行的浸涂、喷墨涂、或者喷涂。接着，干燥并固化(250℃到400℃的热固化或者UV固化)掺杂剂源层和电介质(氧化物)盖层。步骤1096涉及形成自对准的选择性发射极结以及重掺杂的发射极和基区接触扩散区。上部的n++p发射极接触扩散、蜂窝棱柱侧壁的n+p选择性发射极结以及背p++基区接触通过热退火工艺(例如，在800℃到950℃)同时形成。干燥/固化和发射极退火可以在扩散或者在线(in-line)带炉内顺次进行。在一个实施例中，3-D TFSC基板或者面对面接触的3-DTFSC基板的堆叠可以放置在扩散炉中并退火，以便于气相掺杂形成n+选择性发射极结。背帽层电介质(例如，氧化物)防止硼补偿掺杂到选择性发射极的棱柱侧壁。步骤1098(表面钝化和ARC)对应于图123中的步骤1068，步骤1100(金属涂布)对应于步骤1070，步骤1102(烧穿)对应于步骤1072，步骤1104(FGA)对应于步骤1074，步骤1106(镀覆)对应于步骤1076，步骤1108(安装)对应于步骤1078，步骤1110(进行封装)对应于步骤1080。
图125至图127示出了制造不具有背基底层的双开口六角棱柱3-D TFSC的另外的替代工艺流程实施例1120、1150和1180。尽管图122至图124的工艺流程实施例采用了烧穿的金属化工艺以形成发射极和基区接触金属化区(并且在图122和123中也形成p++重掺杂基区接触区)，但是图125至127的工艺流程实施例采用选择镀覆(电镀和/或无电镀和/或电流电镀)来选择性地形成发射极和基区接触金属化区。从而，图125至127所概述的工艺流程消除了对中温或者高温(例如，700℃到850℃)烧穿金属化工艺的需求，并可以得到改善的金属化接触并减小暗电流和结泄漏。
图122至图127的所有的制造工艺流程实施例都可以得到不具有背基底层但具有漫射或镜面反射的背反射镜的双开口六角棱柱3-D TFSC。背反射镜可以是在薄的印刷电路板上的金属(例如，涂布有银的铜或者涂布有银的铝)垫，用于将TFSC组装进封装的太阳能模块。
图125示出了替代的工艺流程1120。步骤1122(提供基板)对应于图124的步骤1092，步骤1124(选择涂布)对应于步骤1094，步骤1126(自对准的选择性发射极)对应于步骤1096，步骤1128(表面钝化和ARC)对应于步骤1098。步骤1130涉及自对准的金属化蚀刻。用电介质蚀刻剂的液体或者浆层选择性地涂布蜂窝棱柱的上部和背部(高度分别等于或者小于n型和p型的掺杂剂源层)。该电介质蚀刻剂涂布可以采用下面的方法来进行：使用浆/液体源进行自对准的单侧或双侧滚涂、通过浸入到深度确定的液体蚀刻剂源而进行的浸涂、喷墨涂、或者喷涂。该蚀刻步骤以控制的高度来从蜂窝棱柱的上部和背部剥离电介质层或者层堆叠(例如，氧化物或氧化物/氮化物)至控制的高度以露出硅。接着，漂洗TFSC基板并随后干燥。步骤1132涉及自对准的金属化(采用无电镀、电流电镀或者电镀)。通过采用选择电镀和/或无电镀来形成单层或多层的导电率高的金属化区域，从而同时形成暴露的前发射极和背基区金属化区。实施例包括银、铝、镍、钛、钴或者钽。例如，镀覆的金属堆叠可以包括诸如镍(Ni)的薄的(50到500纳米)阻挡和粘结层和紧接着的相对厚(2到15微米)高导电率金属(银、铜或者铝)层。如果除银之外的高导电率金属被用作厚的金属化层，则可以最后喷镀银以产生高反射率的表面涂布，以改善进入3-D电池的光反射和光捕获(通过发射极金属化接触)。步骤1134(可选择的FGA)对应于图124的步骤1104，步骤1136(可选择的镀覆)对应于步骤1106，步骤1138(安装)对应于步骤1108，步骤1140(进行模块组装和封装)对应于步骤1110。
图126示出了替代的工艺流程1150。步骤1152(提供基板)对应于图125的步骤1122，步骤1154(选择涂布)对应于步骤1124，步骤1156(自对准的选择性发射极)对应于步骤1126。步骤1158涉及表面钝化的热氧化。在一个实施例中，通过蒸汽氧化来生长热氧化物层。在一个实施例中，该层在5和300纳米之间(优选在10到50纳米)，并在800℃到950℃之间进行氧化(优选更低的温度和更薄的氧化物)。或者，该步骤可以并入先前在扩散炉中进行的扩散步骤，以在选择性发射极和基区扩散步骤之后在多个区的在线扩散炉中顺次进行。在一个实施例中，与扩散和热氧化步骤相关的组合的热分配将使得3-D蜂窝棱柱的选择性发射极和重掺杂的发射极接触的薄层电阻值分别为80-150Ω/方块和10-70Ω/方块。步骤1160涉及自对准的金属化(蚀刻)。3-D TFSC基板被在上部(发射极侧)和背部(基区侧)的固化的掺杂剂源层以及在背部的未掺杂的电介质帽层(例如固化的氧化物的密封剂)覆盖。以相对于热氧化物具有相对高的选择性来采用合适的电介质蚀刻剂(例如，HF基的蚀刻剂)来选择性地蚀刻上部和背部的固化电介质和固态掺杂源部分。这选择性地剥离了在蜂窝棱柱上部和背部上的固化的掺杂剂源部分和未掺杂的帽层(氧化物)电介质并暴露了这些区域中的硅，同时从蜂窝棱柱的侧壁仅移除了小部分的热氧化物。因此，与选择性发射极区域对应的蜂窝棱柱侧壁以及发射极和基区接触以外的区域仍保持被热氧化物覆盖。步骤1162(镀覆)对应于图125的步骤1132，步骤1164(FGA)对应于步骤1134，步骤1166(镀覆)对应于步骤1136，步骤1168(安装)对应于步骤1138。步骤1170涉及可选择的步骤：在安装的电池上沉积钝化和抗反射涂层(ARC)(例如，50-200纳米的PVD或者PECVD的SiNx层)。步骤1172(进行封装)对应于图125的步骤1140。
图127示出了替代工艺流程1180。步骤1182(提供基板)对应于图126的步骤1152。步骤1184涉及用上部的磷(即，n型掺杂剂)的液体/浆源和背部的诸如氧化物液体/浆源的未掺杂帽层(密封剂)电介质选择性地涂布3-D基板的上部和背部(在一个实施例中，在上部和背部的高度为2到10微米)。该涂布可以采用下面的方法来进行：使用浆/液体源进行自对准的单侧或双侧滚涂、通过浸入到深度受控制的液体源而进行的浸涂、喷墨涂、或者喷涂。接着，干燥并固化掺杂剂层和帽层电介质(氧化物)层(例如，采用250℃到400℃的热固化或者通过UV照射)。步骤1186(自对准的选择性发射极)对应于图126的步骤1156。步骤1188(表面钝化和ARC)对应于图125的步骤1128。步骤1190涉及电池上部和背部的选择性蚀刻，以准备自对准金属化。用电介质蚀刻剂液体或者浆层选择性地涂布蜂窝棱柱的上部和背部(高度分别等于或者小于n型和p型掺杂剂源层)。该涂布可以采用下面的方法来进行：使用浆/液体源进行自对准的单侧或双侧滚涂、通过浸入到深度确定的液体蚀刻剂源而进行的浸涂、喷墨涂、或者喷涂，以从蜂窝棱柱的上部和背部剥离控制高度的氧化物/氮化物电介质从而在蜂窝的脊暴露硅。接着，漂洗并干燥TFSC基板。步骤1192涉及自对准的金属化(在一个实施例中，采用镀覆)。通过选择电镀或者无电镀形成背基区铝的金属化区。该铝镀覆工艺可以仅限于背基区区域。步骤1194涉及自对准的金属化(退火)。基板进行退火或烧结工艺以形成铝掺杂的p+背基区接触。然后，进行可选择的氮氢混合气体退火(FGA)(例如，350℃到450℃)，以减小互连电阻并有助于表面/体钝化。步骤1196涉及自对准的金属化(镀覆)。通过镀覆将导电率高的金属(例如，银或者铜)(例如，2到12微米)选择性地/同时地沉积在蜂窝的上脊(发射极)和蜂窝的背脊(铝金属化的基区接触)。如果需要，在沉积银或者铜层之前，通过镀覆(在一个实施例中，为无电镀)首先选择性沉积合适的薄(例如，50到200纳米)的难熔金属(例如，镍)阻挡层。接着，如果需要，可以用高反射的银薄层喷镀TFSC基板(如果厚的金属化层也是银，则不需要)。或者，这可以并入先前的电镀步骤。步骤1198(安装)对应于图126的步骤1168，步骤1202(进行封装)对应于步骤1172。
图128至图133示出了本公开制造具有背基底层的单开口六角棱柱3-DTFSC(即，蜂窝棱柱结构具有整体地结合的薄基底层)的六个不同的工艺流程实施例1210、1240、1270、1300、1330和1360。这些实施例可以使用前面描述并示出的模板中的一个。这些TFSC基板可以采用在较深、较窄沟槽上具有浅的较宽沟槽(肩部)的模板来制造(或者采用具有在沟槽上部的张开区域的深沟槽；也就是，与深沟槽下部的沟槽宽度相比，深沟槽上部的沟槽宽度更大)。这六个实施例都可以得到单开口的六角棱柱3-D TFSC，该六角棱柱3-D TFSC具有自对准的选择性发射极和在硅中的基区扩散区以及自对准的发射极和基区接触的金属化区。尽管示出了晶体硅(c-Si)电池，但是本实施例方法也可以延伸并应用到多晶/非晶硅以及非硅的TFSC。这些实施例包括分离的背反射镜(例如，在太阳能模块印刷电路板上通过涂布有银的铜垫或者涂布有银的铝垫来提供反射镜)或者优选集成的/结合的背反射镜，该集成的/结合的背反射镜直接沉积在背基底层上的电池钝化电介质层的背表面上(例如，在热氧化物上)。分离的和集成的/结合的反射镜还可以用作基区互连平面(电连接到六角基区接触金属化)。在一个实施例中，用于高反射率的反射镜的材料是银(或者，可以使用铝)。
图128示出了采用自对准的选择电镀金属化来制造具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC的工艺流程1210，该单开口六角棱柱3-D TFSC具有通过选择基区掺杂(除选择性发射极掺杂之外)而获得的硼掺杂的p++背基区接触。该具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC使用了分离的背反射镜(即，背反射镜不是直接沉积在背基底层上的集成层)。在步骤1212中，电池加工以单晶(或多晶或多晶体)、p型(用于n型选择性发射极)3-D硅TFSC基板(例如，蜂窝六角棱柱的3-D阵列)开始。正如本公开中的任何其它电池，该基板的掺杂极性可以改变为n型(用于p型的选择性发射极)。3-D蜂窝棱柱TFSC基板具有敞开的上开口但不具有背开口(由于背基底层)。存在整体地且集成地结合至蜂窝棱柱单元的相对平坦的基底硅层。步骤1214涉及用n型掺杂剂源选择性涂布3-D蜂窝棱柱的上脊(在一个实施例中，上部为2到10微米)。在一个实施例中，该n型掺杂剂源是磷。选择涂布可以采用下面的方法来进行：使用浆/液体源进行自对准的滚涂、通过浸入到深度已知的液体源而进行的浸涂、喷墨涂、或者喷涂。接着，干燥并固化n型掺杂剂源层(例如，通过250℃到400℃的热固化或者UV照射)。步骤1216涉及用p型液体/浆掺杂剂源层选择性地填充在基板背侧的背基底槽。在一个实施例中，p型的掺杂剂源层是硼。可以通过硼源层涂布(例如，滚涂、旋涂、喷墨涂或者喷涂)并然后选择性地回蚀刻(例如，通过溶剂旋压(solventspin-on))以形成填充的沟槽，从而进行选择填充。接着，干燥并固化p型掺杂剂源层(例如，通过250℃到400℃的热固化或者UV照射)。步骤1218涉及形成自对准的选择性发射极和基区区域。同时形成上n++p发射极扩散接触、上开口n+p选择性发射极结、背p++基区接触以及选择掺杂的p+基区区域(后者是可选择的)。这可以在扩散炉内以800℃到950℃的温度进行热退火来完成。在一个实施例中，该3-D TFSC基板在退火的同时被放置在在线扩散炉中，或者3-D TFSC基板的堆叠以面对面接触以便于气相掺杂形成n+发射极和p+基区。步骤1220涉及表面钝化(氧化)，在一个实施例中通过蒸汽氧化来生长热氧化物层(例如，在800℃到950℃生长10到200纳米)。步骤1220可以并入先前的在多区加热炉中的扩散步骤，以在选择性发射极和基区扩散步骤之后顺次进行。在一个实施例中，扩散/氧化步骤使得选择性发射极和发射极接触的薄层电阻值分别为80-150Ω/方块和10-70Ω/方块。步骤1222涉及选择蚀刻固化的层，以准备自对准金属化。用合适的电介质蚀刻剂(例如，HF基的蚀刻剂)以相对于热氧化物的高选择性来选择蚀刻掺杂剂源层(即，在蜂窝棱柱上脊上的n型涂布和在背填充沟槽中的p型涂布)。这样选择地剥离了基板上部和背部上的固化的掺杂和未掺杂电介质并暴露了这些区域中的硅，同时从3-D TFSC基板的其它区域仅移除了小部分的热氧化物。步骤1224涉及自对准的金属化(在一个实施例中，通过镀覆)。采用选择镀覆和/或无电镀和/或电流电镀来形成单层或多层的高导电率金属化区(实施例包括银、铝、镍、钛、钴和钽)，从而同时形成前发射极和背基区金属化区。例如，电镀金属的堆叠可以包括诸如镍(Ni)的薄的(50到500纳米)阻挡和粘结层和紧接着的相对厚(2到15微米)的高导电率金属(银、铜或者铝)层。如果除银之外的高导电率金属被用作厚的金属化层，则可以最后喷镀银以产生高反射率的表面涂层，从而改善光反射和进入3-D电池的光捕获(通过发射极金属化接触)。步骤1226涉及可选择的氮氢混合气体退火。进行氮氢混合气体退火(例如，在350℃到450℃)，以降低前部和背部的互连电阻值并有助于表面/体钝化。步骤1228涉及将蜂窝棱柱TFSC的背侧(基区侧)安装到高度反射的背反射镜(具有粗糙表面的漫射反射镜或者具有光滑表面的镜面反射镜)上。该背反射镜可以由涂布有银的铝或者铜箔制成，并还可以用作太阳能模块中的印刷电路板(PCB)上的TFSC基区互连平面。步骤1230涉及在安装的电池上沉积钝化和ARC层的可选择的步骤。在一个实施例中，该钝化和ARC层是厚度在50和200纳米之间的PVD或者PECVD SiNx。步骤1232涉及将蜂窝棱柱TFSC封装在太阳能模块组件中。
图129示出了采用自对准的选择镀覆金属化来制造具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程1240，该单开口六角棱柱3-D TFSC不具有通过选择基区掺杂而获得的硼掺杂的p++背基区接触。通过铝掺杂和退火(接触烧结工艺)来进行p++基区接触掺杂，其中铝掺杂采用了来自基区接触金属化的铝。正如图128所示，该工艺流程采用固化的磷源层和热退火以形成n+磷掺杂的选择性发射极区和n++磷掺杂发射极接触扩散区。该具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC也可以使用分离的背反射镜(即，背反射镜不是直接沉积在背基底层上的集成层)。步骤1242(提供基板)对应于图128中的步骤1212，步骤1244(选择涂布)对应于步骤1214。步骤1246(选择填充)涉及用电介质液体/浆源层选择填充在具有未掺杂密封剂电介质(例如，氧化物和/或氮化物)的TFSC基板背侧上的背基底槽。选择填充可以通过涂布(例如，滚涂、旋压(spin-on)、喷墨涂、或者喷涂)未掺杂的电介质源层并然后选择性地回蚀刻(例如，通过溶剂旋压)以形成填充的槽来完成。接着，干燥并固化(通过250℃到400℃的热固化或者UV曝光)未掺杂的电介质源层。步骤1248涉及自对准的选择性发射极和基区。采用800℃到950℃的热退火来同时形成上n++p发射极接触和蜂窝上开口n+p选择性发射极结。在一个实施例中，3-D TFSC基板在退火的同时被放置在在线扩散炉中，或者3-D TFSC基板的堆叠以面对面接触以便于气相掺杂形成n+p选择性发射极和n++p发射极接触区。步骤1250(表面钝化氧化)对应于图128中的步骤1220。步骤1252涉及选择蚀刻固化的层，以准备自对准的金属化。用合适的蚀刻剂(例如，HF蚀刻剂)以相对于热氧化物的高选择性来选择蚀刻掺杂剂源层(即，在蜂窝棱柱上脊上的n型涂层和填充在背填充槽中的未掺杂电介质)。这样选择地剥离了3-D TFSC基板上部和背部上的固化的掺杂剂源电介质并暴露了这些区域中的硅，同时从3-D TFSC基板的其它区域仅移除了小部分的热氧化物。步骤1254涉及自对准的金属化(实施例包括无电镀、电流电镀和/或电镀)。背基区的铝金属化区域通过选择电镀或者无电镀而选择性地形成。在一个实施例中，该铝镀覆工艺局限于背基区区域。步骤1256涉及退火或烧结工艺以形成铝掺杂的p+接触。进行可选择的氮氢混合气体退火(例如，350℃到450℃)以减小互连电阻并且有助于表面/体钝化。步骤1258涉及自对准的金属化(镀覆)。合适的高电导率的金属(例如，银或铜)(例如，2到12微米)通过镀覆被选择性地/同时地沉积在蜂窝上脊(发射极)和背部铝填充的槽(铝金属化的基区接触)上。如果需要，镀覆工艺可以首先涉及选择沉积合适的难熔金属阻挡和粘结层(例如，50到200纳米的镍)，然后沉积更厚的电导率更高的金属(银和/或铜)。如果需要，然后将金属化的区域喷镀薄的银层，以获得高的光学/IR反射率(该步骤可以并入先前的镀覆步骤)。如果银用作主要的金属化层，则可以不需要上部的银喷镀。步骤1260(安装)对应于图128的步骤1228，步骤1262(ARC层)对应于步骤1230，步骤1264(进行封装)对应于步骤1232。
步骤130示出了采用自对准的选择电镀金属化来制造具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程1270，该六角棱柱3-D TFSC具有通过选择基区掺杂(除了选择性发射极掺杂外)而获得的硼掺杂的p++背基区接触。该具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC使用了直接沉积(例如，通过溅射、蒸发或者其它诸如非选择镀覆的方法来形成银或者铝)在背基区钝化电介质层(背基区钝化层可以是热氧化层)上的集成的背反射镜。可选择地，可以处理(例如，通过等离子体)背基区钝化电解质(例如，氧化物)层表面，以在反射镜层沉积之前产生粗糙的电介质表面(例如，RMS表面粗糙度在几十到几百纳米的范围内)。这可以直接在背基区钝化层的背表面上产生漫射的集成反射镜。或者，由于采用了织构化的模板，所以TFSC基板可以已经被织构化了，从而得到漫射的背反射镜。步骤1272(提供基板)对应于图129的步骤1242，步骤1274(选择涂布)对应于步骤1244。步骤1276涉及用p型(例如，硼)液体/浆掺杂剂源选择填充在3-D TFSC基板背侧的背基底槽。该选择填充可以通过涂布(例如，滚涂、旋压、喷墨涂、或者喷涂)硼源层并然后回蚀刻(例如，通过溶剂旋压)以形成填充的槽来完成。接着，干燥并固化(使用250℃到400℃的热固化或者UV曝光)该层。步骤1278涉及自对准的选择性发射极和基区。采用800℃到950℃的热退火来同时形成上n++p发射极接触、蜂窝上开口n+p选择性发射极结、背p++基区接触和选择掺杂p+基区区域。在一个实施例中，3-D TFSC基板在退火的同时被放置在在线扩散炉中，或者3-D TFSC基板的堆叠以面对面接触以便于气相掺杂形成n+发射极和p+基区。步骤1280(表面钝化氧化)对应于图129中的步骤1250。步骤1282涉及选择蚀刻固化的层，以准备自对准的金属化。用合适的电介质蚀刻剂(例如，HF基蚀刻剂)以相对于热氧化物的高选择性来选择蚀刻掺杂剂源层(即，在蜂窝棱柱上脊上的n型涂层和在背填充槽中的p型涂层)。这样选择地剥离了3-D TFSC基板上部和背部上的固化的掺杂剂层并暴露了这些区域中的硅，同时从3-D TFSC基板的其它区域仅移除了小部分的热氧化物(例如，热氧化物涂层保留在基区接触区外所有的选择性发射极区以及背侧背基区区域上)。步骤1284涉及可选择的等离子体处理步骤。可以进行等离子体处理工艺，以粗糙化基板背侧的热氧化物层(为了集成的漫射背反射镜)。步骤1286涉及自对准的金属化(镀覆)。通过采用选择电镀和/或无电镀和/或电流电镀来形成单层或多层的导电率高的金属化区域(银、铝、镍、钛、钴或者钽)，从而同时形成前发射极和背基区金属化区。例如，镀覆的金属堆叠可以包括诸如镍(Ni)的薄的(50到500纳米)阻挡和粘结层和紧接着的相对厚(2到15微米)的高导电率金属(银、铜或者铝)层。如果除银之外的高导电率金属被用作厚的金属化层，则可以最后喷镀银以产生高反射率的表面涂层，从而改善光反射和进入3-D电池的光捕获(通过发射极金属化接触)。步骤1288涉及可选择的氮氢混合气体退火(例如，350℃到450℃)步骤，以减小前部和背部的互连电阻值并且有助于表面/体钝化。步骤1290涉及添加集成的电池背反射镜。高反射金属(例如，银和/或铝等)的薄层(例如，50到1000纳米)沉积在TFSC基板的背侧(例如，通过PVD、非选择镀覆或者蒸发)。该薄层也用作基区互连平面。步骤1292涉及可选择的在基板前侧沉积ARC层(例如，50到200纳米的PVD或者PECVD氢化SiNx或AlOx)。该步骤可以在将电池安装入模块组件之前或者之后来进行。步骤1294(进行封装)对应于图129中的步骤1264。
图131示出了采用自对准的选择镀覆金属化来制造具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程1300，该单开口六角棱柱3-D TFSC不具有通过选择基区掺杂而获得的硼掺杂的p++背基区接触。通过铝掺杂(铝接触烧结)和退火(烧结)来进行p++基区接触掺杂，其中铝掺杂采用了来自基区接触金属化的铝。该工艺流程采用固化的磷源层和热退火以形成n+磷掺杂的选择性发射极区和n++磷掺杂的发射极接触扩散区(后者在固化的磷掺杂层之下)。该具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC使用直接沉积(实施例包括通过PVD、蒸发或者非选择镀覆的方法来形成银或者铝)在背基区钝化电介质层上的集成的背反射镜。可选择地，可以处理(例如，通过等离子体)背基区钝化电介质(例如，氧化物)层表面，以在反射镜层沉积之前产生粗糙的电介质表面(例如，RMS表面粗糙度在大约几十到几百纳米的范围内)。这可以直接在背基区钝化层的背表面上产生漫射的集成反射镜。或者，TFSC基板的背基底层可以通过织构化的模板表面来预先织构化(从而，消除对等离子体处理的需求)。步骤1302(提供基板)对应于图130中的步骤1272，步骤1304(选择涂布)对应于步骤1274，步骤1306(选择填充)对应于图129中的步骤1246，步骤1308(自对准的选择性发射极和基区)对应于图129中的步骤1248，步骤1310(表面钝化)对应于图129中的步骤1250，步骤1312(蚀刻)对应于图129中的步骤1252。步骤1314(作为自对准金属化的一部分的可选择的等离子体处理步骤)对应于图130中的步骤1284。步骤1316(镀覆)对应于图129中的步骤1254，步骤1318(退火)对应于图129中的步骤1256，步骤1320(镀覆)对应于图129中的步骤1258。步骤1322(集成反射镜)对应于图130中的步骤1290，步骤1324(ARC层)对应于图130中的步骤1292，步骤1326(进行封装)对应于图130中的步骤1294。
图132示出了采用自对准的烧穿金属化来制造具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程1330，该单开口六角棱柱3-D TFSC具有通过选择基区掺杂(除了选择性发射极掺杂外)而获得的硼掺杂的p++背基区接触。该具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC使用模块组件中分离的背反射镜(即，背反射镜不是直接沉积在背基底层上的集成层)。步骤1332(提供基板)对应于图130中步骤1272，步骤1334(选择涂布)对应于步骤1274，步骤1336(选择填充)对应于步骤1276，步骤1338(自对准的选择性发射极和基区)对应于步骤1278。步骤1340涉及形成表面钝化和ARC。采用合适的蚀刻剂(例如，采用HF蚀刻剂)剥离上(发射极磷)掺杂剂源层、背(基区硼)掺杂剂源层和任何本征氧化物。薄(例如，5到100纳米)的氧化物层通过蒸汽氧化生长(例如，在800℃到950℃，3到300纳米)。该热氧化步骤是可选择的。接着，通过PECVD或者PVD沉积ARC层(例如，3到100纳米的氢化SiNx)，钝化层形成在棱柱的上部和侧壁上(可选择地，覆盖电池的背部)。PECVD或者PVD的SiNx(或AlOx)也提供了3-D TFSC基板的H钝化。在一个实施例中，扩散/氧化步骤使得选择性发射极和发射极接触扩散的薄层电阻值分别为80-150Ω/方块和10-70Ω/方块。步骤1342涉及自对准的金属化(金属涂布)。通过自对准的滚涂、喷墨涂、浸涂或者喷涂用金属(在一个实施例中为银)的液体或者浆选择性地涂布蜂窝棱柱的上部(高度等于或小于掺杂剂源层)。接着，干燥并固化该层(250℃到400℃或者UV)。然后用金属(银和/或铝)的液体或者浆选择性地填充基板背侧的背基底槽。这可以通过滚涂、旋压、喷墨涂或者喷涂并然后回蚀刻(例如，通过溶剂旋压或者电池背侧选择回蚀刻)以形成填充的槽来完成。然后干燥并固化该层(250℃到400℃或者UV)。步骤1344涉及自对准的金属化(烧穿)。通过烧穿氧化物/PECVD(或PVD)SiNx层来形成电池前部(银)和背部(铝和/或银)的金属化区。步骤1346涉及可选择的自对准的金属化步骤。银或者铜的层(例如，大约1到5微米)通过镀覆被选择地/同时地沉积在金属化的蜂窝上脊(发射极)和蜂窝背脊(基区)上。如果需要，在镀覆铜或者银之前可以通过镀覆沉积诸如镍的难熔金属阻挡层。接着，用银喷镀金属化的区域。步骤1348(可选择的FGA)对应于图130中的步骤1288，步骤1350(安装)对应于图129中的步骤1260，步骤1352(进行封装)对应于图131中的步骤1326。
图133示出了采用自对准的烧穿金属化来制造具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC的替代工艺流程1360，其中硼掺杂的p++背基区接触通过选择基区掺杂(除了选择性发射极掺杂外)而形成。该具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC使用直接沉积(例如，通过PVD、蒸发或者非选择镀覆的方法来形成银或者铝)在背基区钝化电介质层上的集成(结合)的背反射镜。可选择地，可以处理(例如，通过等离子体)背基区钝化电介质(例如，氧化物)层表面，以在反射镜层沉积之前产生粗糙的电介质表面(例如，RMS表面粗糙度大约为几十到几百纳米)。这可以直接在背基区钝化层的背表面上产生漫射的集成反射镜。或者，可以通过使用织构化的模板来形成TFSC基板的织构化的基底层(从而，消除对可选择的等离子体处理步骤的需求)。步骤1362(提供基板)对应于图132中的步骤1332，步骤1364(选择涂布)对应于步骤1334，步骤1366(选择填充)对应于步骤1336，步骤1368(自对准的选择性发射极和基区)对应于步骤1338，步骤1370(表面钝化和ARC)对应于步骤1340，步骤1372涉及可选择的等离子体处理步骤，以粗糙化基板背侧的热氧化物层(为了集成的漫射背反射镜)。步骤1374(金属涂布)对应于图132中的步骤1342，步骤1376(烧穿)对应于步骤1344，步骤1378(可选择的FGA)对应于步骤1348，步骤1380(镀覆)对应于步骤1346。颠倒了电镀和FGA工艺步骤。步骤1382(集成反射镜)对应于图131中的步骤1322，步骤1384(进行封装)对应于步骤1326。
对于覆盖棱柱脊上部分的n型(例如，磷)掺杂剂液体/浆，与未被固化的掺杂剂源层覆盖的其它区域相比，在扩散炉中的单独的炉退火工艺(例如，大约800℃到950℃)将在与固化的n型掺杂剂固体源层直接接触并在n型掺杂剂固体源层之下的硅棱柱上脊上产生具有更高表面磷浓度的更加重掺杂的区域。可以以发射极侧在在线扩散炉中朝下来处理TFSC基板。通过将气化的掺杂剂源气相输运到在六角棱柱单元腔内的相邻的前侧区域，炉退火可以同时掺杂未被固体掺杂剂源层覆盖的具有较小的磷表面浓度(例如，1×1019到5×1019cm-3)的剩余的前侧表面区域，从而产生自对准的选择性发射极区。这些具有较高的薄层电阻值(在一个实施例中，在100Ω/方块到150Ω/方块的范围内)的较低重掺杂的区域改善了3-D TFSC的蓝光响应，同时较高重掺杂的蜂窝脊可以最小化3-D TFSC的前侧发射极接触电阻。相似地，相同的炉退火工艺产生了更加重掺杂的p+掺杂的六角棱柱扩散基区接触，从而得到了低的基区接触电阻。对于具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC，背基底层的剩余的背表面基区区域在表面上被较低地重掺杂，从而得到选择的基区掺杂(和背表面场或者BSF区)。
上述工艺步骤可以在集成的在线工艺设备中进行。例如，图134示出了在炉退火之前用于进行液体/浆涂布和UV或IR固化的两个工艺步骤的设备的视图1390，其中在炉退火之前进行液体/浆涂布和UV或IR固化使得退火之后可以在在线扩散炉中随后形成选择性发射极和基区区域。该集成的在线工艺设备使得通过滚涂可以在3-D TFSC基板六角棱柱的上脊和六角棱柱的背脊上自对准地形成掺杂剂液体或浆的涂布。可以采用与扩散炉在线集成的大气压、带驱动涂布和固化设备来执行滚涂。在一个实施例中，上脊涂布了n型掺杂剂液体/浆，背脊涂布了p型掺杂剂液体/浆。
3-D TFSC基板1400示为在输入传送带1406上移动进入1402。具有上辊垫1396的上旋转涂布辊1392施加控制的、向下的力，以用n型浆涂布六角棱柱上脊。具有背辊垫1398的背旋转涂布辊1394施加控制的、向上的力，以用p型浆涂布六角棱柱背脊。通过涂敷(或者流动)不同的液体或浆材料至辊的上辊1392和/或者背辊1394，多层材料可以被涂布到3-D TFSC基板的每侧。接着，3-D TFSC基板1400移动到固化区域，在该固化区采用固化灯1408同时形成掺杂剂液体/浆层，固化灯1408使用了IR或者UV固化光束1410。接着，3-D TFSC基板1400示为从1404移出而到达输出传送带1412，输出传送带1412将基板1400移动到在线扩散炉，在在线扩散炉中同时形成n+和p+接触以及选择性发射极区。
可以适当地构造并使用相似的滚涂设备以涂敷金属液体/浆涂层(例如，银和/或铝液体或浆源)、固化金属液体/浆源、并在在线大气加热炉(电阻率加热或者灯加热的加热炉)中进行随后的热退火来烧穿金属化，从而形成发射极和基区接触金属化(并且合适的话，也形成铝掺杂的p++基区接触区)。
图135示出了与图134中的滚涂/固化/加热炉设备进行相同的工艺的替代的设备设计的视图1420。图135中的设备可以用于通过成角度的喷涂而在3-D TFSC基板的上脊和六角棱柱的背脊上自对准形成掺杂剂源的液体/浆涂布。该设备也可以采用共轴的大气压涂布、固化以及扩散的设备构造，该构造可以容易地与共轴扩散炉集成。正如图134中的滚涂设备，通过采用连接到不同液体源(未示出)的多套喷雾嘴并通过涂敷(或者流动)不同的液体源材料至喷雾嘴的上喷嘴和/或背喷嘴，多层材料可以被涂布到基板的每侧。这是图134所示的滚涂系统的一个替代技术。在一个实施例中，上脊涂布了n型掺杂剂液体/浆(例如磷)，背脊涂布了p型掺杂剂液体/浆(例如硼)。参考图135，3-D TFSC基板1400示出为在输入传送带1406上移动进入1402。成角度的喷嘴1422以与表面成锐角而将n型掺杂剂液体喷涂到表面(喷嘴覆盖晶片的宽度)上。该n型的掺杂剂液体来自n型液体掺杂剂源和喷嘴贮存器/泵1424。成角度的喷嘴1248以与表面成锐角而将p型掺杂剂液体喷涂到表面(喷嘴覆盖晶片的宽度)上。该p型掺杂剂液体来自来自p型液体掺杂剂源和喷嘴泵1426。接着，3-D TFSC基板1400移动到固化区域，在该固化区采用固化灯1408同时形成掺杂剂液体/浆层，固化灯1408使用了IR或者UV固化光束1410。接着，3-D TFSC基板1400示为从1404移出而到达输出传送带1412，输出传送带1412将基板1400移动到在线扩散炉，在共轴扩散炉中同时形成n+和p+接触以及选择性发射极区。
成角度的喷涂技术限制了到六角棱柱脊的部分的液体/浆涂布的垂直高度，并防止了液体源涂布六角棱柱腔侧壁的内部和/或背部。这种类型的共轴(或者其它的驱动方法)处理系统也可以涂敷用于烧穿金属化的金属源液体(例如，银和/或铝的源液体)，并可以涂敷用于从六角棱柱的上脊和/或背脊选择蚀刻电介质(例如，氧化物和/或固体掺杂剂源层)的液体蚀刻剂。
图136示出了与图134中的在线滚涂/固化设备以及图135中的在线喷涂/固化设备进行相同的工艺的另一个替代的设备的视图1430。图136中的设备可以用于通过浸涂而在3-D TFSC基板的六角棱柱的上脊和六角棱柱的背脊上自对准形成掺杂剂液体/浆涂布。该设备也可以采用在线的大气压涂布和固化设备构造，以与在线扩散(或者烧穿)炉的输入阶段相结合。
在一个实施例中，上脊涂布了n型掺杂剂液体/浆(例如磷)，背脊涂布了p型掺杂剂液体/浆(例如硼)。3-D TFSC基板1400示出为在输入传送带1406上移动进入1402。包含n型掺杂剂源的液体膜给料器1432涂敷控制厚度的n型液体掺杂剂膜1434。这种n型掺杂剂液体来自n型液体掺杂剂源以及液位和深度的控制器1436。包含p型液体掺杂剂源(具有外部的空气悬浮)的液体膜给料器1440涂敷控制厚度的p型液体掺杂剂膜1437。这种p型掺杂剂液体来自p型的液体掺杂剂源以及液位和深度的控制器1438。接着，3-DTFSC基板1400移动到固化区域，在该固化区采用固化灯1408同时形成掺杂剂液体/浆层，固化灯1408使用了IR或者UV固化光束1410。接着，3-DTFSC基板1400示为从1404移出而到达输出传送带1412，输出传送带1412将基板1400移动到共轴扩散炉，在共轴扩散炉中同时形成n+和p+接触以及选择性发射极区。
如图134和图135所示的设备，通过采用多套浸涂的涂敷器(未示出)并通过涂敷(或者流动)不同的液体源材料至浸涂的涂敷器的上涂敷器和/或背涂敷器，多层材料可以被涂布到3-D TFSC基板的每侧。这种类型处理系统也可以涂敷用于烧穿金属化的金属液体，并可以涂敷用于从六角棱柱的上脊和/或背脊选择蚀刻电介质(例如，氧化物和/或固体掺杂剂源层)的液体蚀刻剂。
图137A至图141示出了各种有代表性的双开口六角棱柱3-D TFSC基板(具有锥形的棱柱侧壁)。一个实施例使用了晶体硅(c-Si)来制造TFSC，多晶硅、非晶硅以及非硅的吸收材料也可以在替代的实施例中使用。这些TFSC都是根据图122-127中的前述工艺实施例来制造的。这些横截面视图对应于没有背基底层的双开口六角棱柱3-D TFSC。这些图中示出的六角棱柱3-D TFSC具有锥形的棱柱侧壁(在一个实施例中，上部发射极的硅宽度较窄，底部基区的硅宽度较宽)。
图137A示出了不具有背基底层的双开口六角3-D TFSC内的单个单元的Y-Y横截面视图1450，该单个单元具有锥形的棱柱状的柱1452。棱柱状的柱1452的中心区域1454包含用作基区区域的p型硅。自对准形成：重掺杂的发射极接触扩散区1456(例如，用磷较多地重掺杂，在所示的六角棱柱的上脊上的n++掺杂发射极接触区)；选择性发射极区1458(例如，用磷较低地重掺杂，在所示的六角棱柱的侧壁表面上的n+选择性发射极)；和重掺杂的基区接触区1460(例如，用硼较多地重掺杂，在所示的六角棱柱的背脊上的p++掺杂基区接触区)之后的电池视图为视图1450。用硼原位掺杂(在制造3-D TFSC基板时)六角棱柱的侧壁(均匀掺杂或者以渐变的分布来掺杂，在棱柱侧壁的表面较轻掺杂而朝向侧壁的垂直中心轴则较重掺杂)。视图1450为形成发射极和基区接触金属化之前的电池视图。另外，每个侧壁1452具有上部硅的厚度(Tst)1462和底部硅的厚度(Tsb)1464。每个侧壁具有偏离法线的锥形侧壁角θ1466。
与图137A所示的掺杂极性相比，所有的电池掺杂极性构可以反转。图137B示出了与137A相同的TFSC的视图1480，但具有反转的掺杂极性(即，n型基区和p型发射极区)。
图137B示出了不具有背基底层的双开口六角棱柱3-D TFSC内的单个单元的Y-Y横截面视图1480，该单个单元具有锥形的棱柱状的柱1482。棱柱状的柱1482的中心区域1484包含用作电池基区区域的n型硅。自对准形成：重掺杂的p++发射极接触区1486、p+选择性发射极区1488、和重掺杂的n++基区接触区1490之后的电池视图为视图1480。视图1480为形成发射极和基区接触金属化之前的电池视图。
继续图137A，图138A示出了六角棱柱3-D TFSC内的单元的Y-Y横截面视图1500，该单个单元具有p型的棱柱状的柱1454。通过烧穿和/或选择镀覆自对准形成：表面钝化氧化物和抗反射涂布(ARC)层1502、具有覆盖高度Lem 1506的发射极接触金属1504(例如，银、铜、铝；如果需要使用难熔的金属阻挡层)、和具有覆盖高度Lbm 1510的基区接触金属1508(银、铜、铝；如果需要使用难熔的金属阻挡层)之后的电池视图为视图1500。用硼原位掺杂(在制造3-D TFSC基板时)六角棱柱的侧壁(均匀掺杂或者以渐变的分布来掺杂，在棱柱侧壁的表面较轻掺杂而朝向侧壁的垂直中心轴则较重掺杂)。电池视图是将电池安装到高反射的背反射镜上之前的视图。
如上所述，所有的电池掺杂极性都可以反转。继续图137B，图138B示出了双开口六角棱柱3-D TFSC内的单元的Y-Y横截面视图1520，该单个单元具有n型的棱柱状的柱1484。所有的电池掺杂极性都与图138A所示的相反。通过烧穿和/或选择镀覆自对准形成：表面钝化氧化物和抗反射涂布(ARC)层1502、具有覆盖高度Lem 1506的发射极接触金属1504(例如，银、铜、铝；如果需要使用难熔的金属阻挡层)、和具有覆盖高度Lbm 1510的基区接触金属1508(银、铜、铝；如果需要使用难熔的金属阻挡层)之后的电池视图为视图1520。用磷原位掺杂(在制造3-D TFSC基板时)六角棱柱的侧壁(均匀掺杂或者以渐变的分布来掺杂，在棱柱侧壁的表面较轻掺杂而朝向侧壁的垂直中心轴则较重掺杂)。电池视图是将电池安装到高反射的背反射镜上之前的视图。
继续图138A，图139A示出了将电池安装到分离的具有抛光镜面的高反射的镜面背反射镜1532上之后的电池的Y-Y横截面视图1530。分离的反射镜不通过直接沉积在电池上的材料来集成。在一个实施例中，反射镜由银和/或铝(或者涂布有银和/或铝和/或金的抛光盘)制成，对于800到1200纳米之间的λ具有大于95％的反射率。背反射镜表面与基区接触的间隔(S)1534可以在0(即，在背反射镜和六角基区接触之间直接接触，在此情况下，背反射镜也用作基区电互连的平面)到大约H的范围内(或者间隔大到六角棱柱单元的高度-到达100至500微米)。
继续图138B，图139B示出了将电池安装到具有织构化镜表面的高反射的漫射背反射镜1542上之后的电池的Y-Y横截面视图1540。在一个实施例中，反射镜涂布有银，对于800到1200纳米之间的λ具有大于95％的反射率。
图140A示出了来自图139A所示的六角棱柱TFSC的几个棱柱单元的横截面视图1550。
图140B示出了来自图139B所示的六角棱柱TFSC的几个棱柱单元的横截面视图1560。
图141示出了安装到分离的漫射(粗糙)高反射率背反射镜1542(由银和/或铝和/或金或其它涂层制成)并与该反射镜1542接触的上述六角棱柱TFSC的横截面视图1570。这里描绘的背反射镜表面与基区接触的间隔(S)为零，从而在背漫射反射镜和电池基区接触金属之间具有直接接触。因此，背反射镜也用作基区电互连的平面。背反射镜可以是太阳能模块组件的一部分(例如，具有银涂布的铜互连的印刷电路板连接到电池发射极和基区接触金属化，并且串联连接电池)。该图示出了几个棱柱单元并对应于图139B所示的相同的六角棱柱TFSC，但是反射镜到基区接触的间隔1534为零(图139B示出了一个单元)。
图137A到141示出了本公开具有锥形棱柱侧壁的3-D TFSC。也可以制造具有基本上垂直的棱柱侧壁的六角棱柱3-D TFSC(具有或不具有背基底层)。例如，图142A示出了单元的Y-Y横截面视图。除了侧壁轮廓(为垂直的)之外，其它的电池设计特征本质上与图137A中所示的具有锥形壁的电池相似。注意，与图137A相比，六角棱柱壁的厚度(Ts)1582是均匀的。
继续图142A，图142B示出了单元的Y-Y横截面视图1590。除了侧壁轮廓(为垂直的)之外，其它的电池特征本质上与图138A中所示的锥形壁的电池相似。注意Ltm 1592与图138A相当。
继续图142B，图143示出了将电池安装到反射的镜像背反射镜1532上之后的单元的Y-Y横截面视图1600。该六角棱柱单元具有垂直的棱柱侧壁(即，上部发射极和背部基区的棱柱侧壁宽度相等)。除了侧壁轮廓(为垂直的)之外，其它的电池特征本质上与图139A中所示的锥形壁的电池相似。再次地，注意Ltm 1592和均匀的棱柱壁的厚度(Ts)1582。
再次继续图142B，图144示出了将电池安装到漫射背反射镜1542上之后的单元的Y-Y横截面视图1610。该六角棱柱单元具有垂直的棱柱侧壁(即，上部发射极和背部基区的棱柱侧壁宽度相等)。除了侧壁轮廓(为垂直的)之外，其它的电池特征基本上与图139B中所示的锥形壁的电池相似。再次地，注意Ltm 1592和均匀的棱柱壁的厚度(Ts)1582。
图145示出了具有垂直的棱柱壁、不具有平坦的背基底层并被安装到分离的镜面高反射率背反射镜1532(由银和/或铝和/或金或其它涂层制成)上的双开口六角棱柱3-D TFSC的Y-Y横截面视图1620。背反射镜表面与基区接触的间隔(S)1534可以在0(即，在背反射镜和基区接触之间直接接触，在此情况下，背反射镜也用作基区电互连的平面)到大约H的范围内(或者间隔大到六角棱柱单元的高度)。该图示出了几个棱柱单元并对应于图143中所示的相同的六角棱柱单元(图143示出了一个单元)。
图146示出了具有垂直的棱柱壁、不具有平坦的背基底层并被安装到分离的漫射高反射率背反射镜1542(由银和/或铝和/或金或其它涂层制成)上的双开口六角棱柱3-D TFSC的Y-Y横截面视图1630。背反射镜表面与基区接触的间隔(S)1534可以在0(即，在背反射镜和基区接触之间直接接触，在此情况下，背反射镜也用作基区互连平面)到大约H的范围内(或者间隔大到六角棱柱单元的高度)。该图示出了几个棱柱单元并对应于图144中所示的相同的六角棱柱单元(图143示出了一个单元)。
本公开的六角棱柱3-D TFSC(具有背基底层或者不具有背基底层)的一个重要的特征是对光生载流子的高效收集，这是由于独特的器件结构。例如，选择性发射极结覆盖了棱柱侧壁的表面。因此，在具有n+选择性发射极结的六角棱柱3-D TFSC以及以原位硼掺杂开始的六角棱柱3-D TFSC基板的情况下，棱柱侧壁中的任何光生电子都将被覆盖棱柱侧壁表面的选择性发射极结高效地收集。这使得本公开的电池对基板缺陷和少数载流子扩散长度的要求较低。
比棱柱侧壁厚度大几倍的少数载流子扩散长度(例如，大到2至5倍)通过位于相邻侧壁表面附近的两个选择性发射极结中的一个而为足以有效收集光生载流子的材料质量提供了可忽视的复合损失。例如，对于5微米厚的棱柱侧壁硅膜，大于10到15微米的少数载流子扩散长度应该可以提供足够的基板寿命质量以获得超高的电池效率，这是由于复合损失小。这是与现有的硅晶片太阳能电池相比的最关键的优势，在现有的硅晶片太阳能电池中光生载流子将必须移动长达150到200微米的距离来被收集(从而，需要少数载流子的扩散长度至少为几百微米)。由于这个关键的优势，可以根据本公开的实施例和设计(以及它们的大量的衍生物)采用代替更昂贵的单晶硅的诸如多晶硅或多晶体硅的多晶硅半导体吸收材料来制造高性能的六角棱柱3-D TFSC。
图147A和图147B示出了本公开的在电池制造之前和之后的六角棱柱3-D TFSC中的六角棱柱单元的放大视图(示出为在自对准电池金属化之前和之后)。
图147A示出了在自对准基区和发射极接触金属化之前来自本公开的规则的双开口六角棱柱TFSC的单元的类似3-D的视图1640(示出为电池不具有背基底层)。掺杂棱柱侧壁表面以形成选择性发射极结(例如，硼掺杂的硅基区中的n+p结)。该图对应于图122-127的电池制造工艺流程。图147A示出了上六角开口814以及背(底)六角开口816，其中上六角开口814可以形成前侧自对准的发射极金属化接触，背(底)六角开口816可以形成自对准的背选择基区接触。
图147B示出了电池制造之后来自本公开的规则的六角棱柱TFSC的单元的类似3-D的视图1650，其中该单元包括自对准的基区和发射极接触金属化。单元上部的黑色区域1652是自对准的发射极接触金属，单元背部1654是自对准的基区接触金属。掺杂棱柱侧壁表面以形成选择性发射极结(例如，在硼掺杂的硅基区中的浅的n+p结，结深度为0.2到0.5微米)。
图148示出了将电池的背基区侧(基区接触金属区1664)安装到背反射镜1662(如前面的图所示的镜面背反射镜1532或者漫射背反射镜1542)之后的多个相邻的棱柱单元(与图147B中的单个单元相比)的局部视图1660。背反射镜1662可以由合适的喷镀有银或者铝(例如，采用镀覆)的平面材料(例如，铜或者铝)制成。背反射镜可以是在太阳能模块组件中的印刷电路板(PCB)上的铜互连垫或岛(镀覆有银和/或铝)。从而，背反射镜也可以用作基区的电互连平面。可以将背基区接触金属区1664焊接或者胶合(或者简单地放置)到太阳能模块PCB组件上的镀覆的铜垫上。存在可选择的用银喷镀组装的模块结构的步骤，以用光学反射的银(Ag)涂布焊接接合处的表面。
图149示出了多个相邻的六角棱柱单元的3-D视图1670(与图148相似)。
图150A至图156示出了具有背基底层的六角棱柱单元的各种横截面视图，其中六角棱柱单元具有分离的或集成的/结合的背反射镜。这些图对应于图128-133中概述的制造电池的工艺流程实施例。电池掺杂的极性可以反转(例如，磷掺杂基区和p+n选择性发射极)。尽管描述了c-Si电池，但是该电池结构也可以应用到多晶硅、非晶硅和非硅的吸收材料的TFSC。示出的基板具有锥形的棱柱侧壁(较窄的发射极和较宽的基区)。或者，基板可以具有垂直的棱柱侧壁。
图150A示出了电池制造之前具有背基底层的单开口六角棱柱3-D TFSC基板(从其模板释放并移除)内的单元的Y-Y横截面视图1680。为了随后形成n+p选择性发射极，用硼原位掺杂六角棱柱侧壁以在制造3-D TFSC基板时形成基区区域。用硼掺杂侧壁(在一个实施例中，在将硅沉积至基板时)，可以均匀地掺杂或者以渐变的分布来掺杂，在棱柱侧壁的表面较轻掺杂而朝向侧壁的垂直中心轴则较重掺杂。相似地，在制造3-D TFSC基板时原位掺杂六角棱柱的背基底层。用硼掺杂基底层，可以均匀地掺杂或者以渐变的分布来掺杂，在背基底层的上表面较轻掺杂而朝向背基底层的背表面则较重掺杂，从而在背基底层中产生内建的背表面场效应(back-surface-field effect)，改善了电池性能。棱柱的上(发射极侧)脊1682用于发射极接触扩散和金属接触的形成，六角槽1684用于基区接触扩散和掩埋金属接触的形成。
图150B示出了本公开的六角棱柱3-D TFSC内的单元的Y-Y横截面视图1690(采用了图150A所示的具有背基底层的六角棱柱3-D TFSC基板)，该视图1690是自对准形成：选择性发射极区1698(例如，用磷较低地重掺杂，在所示六角棱柱侧壁表面上的n+选择性发射极)；具有覆盖高度Le1692的重掺杂的发射极接触区1694(例如，用磷较多地重掺杂，在所示六角棱柱上脊上的n++掺杂发射极接触区)，在背基底层的背表面上的选择基区区域1700(例如，用硼较低地重掺杂，在所示背基底层的背表面上的p+选择基区)；和在背基底层沟槽/槽中的重掺杂(硼掺杂，p++)的基区接触扩散区1696(例如，用硼较多地重掺杂，p++掺杂基区接触区)。用于发射极1695和基区区域1704的固化的固体掺杂剂源层分别示为六角棱柱上脊上的黑色部分和背基底层背部填充沟槽(槽)内的黑色部分。
图151A示出了在移除固化的n型和p型掺杂剂层之后并在热扩散工艺之前的Y-Y横截面视图1710。图151B示出了形成表面钝化和抗反射涂层(热SiO2和/或PVD或PECVD的SiNx或AlNxARC)电介质层1722之后的Y-Y横截面视图1720。注意Le1724和固化的硼掺杂玻璃1726。图152A示出了通过烧穿和/或选择镀覆形成发射极1732和基区1734的接触金属(银、铝、铜等)之后的Y-Y横截面视图1730。图152B示出了添加分离的、高反射的、镜面或漫射背反射镜1532(例如，涂布在太阳能模块组件中的PCB上的基区互连平面上的银或者铝，正如所示，反射镜可以接触背基区接触)之后的Y-Y横截面视图1740。
图153示出了添加集成的/结合的、高反射的、薄的镜面或漫射背反射镜(例如，正如所示，通过PVD或者镀覆沉积在背基底层的背表面上的银或铝的薄涂层1752，对于漫射反射镜，通过在反射镜金属沉积之前的例如等离子体处理或者离子轰击的表面粗糙化工艺来粗糙化背基底层背表面上的电介质层)之后的Y-Y横截面视图1750。或者，基底层可以通过使用预先织构化的模板而被织构化，其中TFSC基板释放自该预先织构化的模板。
图154示出了图153中的TFSC的Y-Y横截面视图1760(示出了多个棱柱单元)。TFSC包括集成(结合)的高反射率背反射镜1752，该背反射镜可以由沉积(例如，通过PVD、或者镀覆、或者蒸发、或者例如滚涂或喷涂的其它涂布技术并然后固化)在背钝化氧化物(和ARC)层上的银或铝制成，其中背钝化氧化物(和ARC)层形成在背基底层的背表面上。背发射镜1752也可以用作基区的互连平面，电连接至背基底层上的自对准的六角基区接触1762(例如，银和/或铝和/或铜或者其它金属)。背反射镜可以沉积在光滑的或者粗糙的背基底电介质层表面(分别对于镜面或者漫射反射镜)上。再次地，基底层可以通过使用预先织构化的模板而被织构化，其中TFSC基板释放自该预先织构化的模板。
图155示出了图153和154中的TFSC的Y-Y横截面视图1770，示出了多个棱柱单元。TFSC包括分离的高反射的漫射背反射镜1542，该背反射镜1542由银或者铝(反射镜涂层)制成，并放置在背基底层的背表面下。该图示出了以间隔S 1534放置在背基底层的背表面下的模块组件的互连平面，其中S可以在0(即，互连平面与背基底层的背表面接触)到大约H的范围内(其中H是六角棱柱单元的高度并可以在100至500微米的范围内)。在后面的结构中，背反射镜不电连接到基区接触金属。没有集成的反射镜，具有合适涂层(在一个实施例中为银)的互连平面可以用作分离的背反射镜。
图156示出了图152A中的TFSC的Y-Y横截面示意图1780，示出了多个棱柱单元。TFSC包括分离的高反射的漫射背反射镜1782，该背反射镜1782由银或者铝(反射镜涂层)制成，并放置在背基底层的背表面下。该图示出了以间隔S放置在背基底层的背表面下的反射镜，其中S可以在0(即，反射镜与背基底层的背表面接触)到大约H的范围内(其中H是六角棱柱单元的高度并可以在100至500微米的范围内)。在该结构中，背反射镜电连接到基区接触金属。从而，这里所示的背反射镜也用作基区互连平面。
本公开的六角棱柱3-D TFSC的一个主要优势是发射极和基区接触金属化的可忽略不计的阴影(shadowing)(光学反射损失)效应。本质上，来自基区六角接触金属的任何反射都可以被六角棱柱的硅吸收体接收并可以贡献于光生电流。同样地，上发射极侧的薄棱柱侧壁以及发射极接触金属化之前的六角上脊的圈与发射极接触金属化的单元折叠结构的组合可以保证大部分的太阳光反射将重新定向回到棱柱腔的侧壁和/或六角棱柱腔的基底层(在电池具有背基底层的情况下的背基底硅层，以及在所有的六角棱柱电池设计具有或不具有背基底层的情况下的背反射镜)。只有入射到反射发射极接触上的小部分太阳光漏出六角棱柱电池的腔/开口。这可以通过在无玻璃的模块组装过程中用添加的机械保护和ARC层涂布电池来进一步地减少。作为示例，图157示出了入射到了六角棱柱单元的反射发射极接触上的太阳光线1792的光线踪迹的示意图1790。正如这里所示的，入射到折叠的发射极接触上的太阳光线(包括入射光线R11794、R21796、R31798、R41800、R51802)的大部分被反射回到(示为反射光线R11795、R21797、R31799、R41801、R51803，只有R11795例外)棱柱单元的腔1806和/或背反射镜1810上(或者在电池具有背基底层的情况下的背基底层)，并最终贡献于TFSC发电(由于六角棱柱上脊上的折叠的发射极接触金属设计)。最优地，棱柱侧壁和上部的发射极接触金属为锥形，以最小化由发射极接触金属引起的任何遮蔽损失。此外，在最后的太阳能模块组装过程中形成在电池上的透明保护涂布层(例如，通过液体喷涂和固化而在电池上形成的合适的涂布层)可以进一步减小与上发射极接触金属相关的反射损失。入射到发射极接触金属上部的光线的光学波导将来自发射极接触金属上部的入射光线重新定向回到六角棱柱单元的腔1806。
图158总结了与现有技术相比的本公开的载流子收集的优势。图159总结了与现有技术相比的本公开的光吸收的优势。注意，跟踪一束光线说明本公开的电池捕获并吸收E≥1.1eV的大部分太阳光的光子。
图160示出了以垂直的入射角入射到六角棱柱单元上的十束光线1792，以计算光线踪迹。图161示出了以45度的入射角入射的十束光线1792，以计算光线踪迹。图162示出了以垂直的入射角入射的三束光线1792，以计算光线踪迹。图163示出了以45度的入射角入射的三束光线1792，以计算光线踪迹。
图164示出了本公开太阳能电池的几个实施例的相对于入射角的短路电流密度的总结图。图164还示出了具有基底层的六角棱柱单元的光线踪迹结果，显示出了非常高效的光捕获。图165示出了本公开的单开口六角棱柱单元设计的基本的光线踪迹模型的总结图，示出了相对于单元棱柱高度的STC电池效率和短路电流。注意，通过该模型证实了本发明电池设计的效率非常高(STC效率大于25％)。图166示出了在本发明单开口六角棱柱电池设计(具有基底层)中的光线踪迹模型结果的总结图，示出了相对于入射角的最大光电流。该图表明发射极卷包式金属化实际上增加了光生电流密度，从而改善了棱柱侧壁内的光捕获。
在本公开各种实施例的整个描述中，已经声明可以在将半导体层沉积(例如，外延硅生长)到可再用模板上的过程中原位掺杂六角棱柱3-D TFSC基板。六角棱柱3-D TFSC基板的基区掺杂可以是均匀的或者渐变的。在六角棱柱3-D TFSC基板的最优的渐变掺杂的情况下，由于渐变的基板掺杂基板可以提供内部电场，这样由于有了场辅助的载流子漂移分量，便于或者有助于光生载流子的收集。掺杂浓度的渐变可以是线性的、对数的、或者其它合适的标度方法。作为示例，图167示出了在本公开的六角棱柱3-D TFSC中的选择性发射极的磷掺杂分布和3-D基板的硼掺杂分布(棱柱的侧壁到侧壁的掺杂分布)的曲线图，示出了有代表性的渐变基区掺杂分布。如前所述，渐变的基区掺杂分布有助于光生载流子收集效率并减小基区寄生电阻(以及所导致的欧姆损失)，从而，改善了短路电流和电池的填充因子。该示例为硼掺杂的基区和磷掺杂的发射极。在具有背基底层的六角棱柱电池的情况下，渐变的基区掺杂也产生了渐变的硼掺杂分布，背基底层的上表面(发射极侧)上的硼浓度较低并朝着背基底层的下表面(基区侧)增加。这就提供了期望的背表面场(BSF)效应，将改善背基底层中的载流子收集效率并降低背基底层中的表面复合速率。
为了使六角棱柱3-D TFSC的效率最大化，最关键的是设计电池使得与电池结构内的电子和空穴电流相关的欧姆损失最小化。这就要求要使发射极和基区互连金属化的欧姆损失变得可以忽略。假设硼掺杂的基区和n+选择性发射极，则六角棱柱电池结构内的欧姆损失由发射极收集的电子和基区收集的空穴(或者基区电流)支配，其中发射极收集的电子沿着选择性发射极区而朝向棱柱上部的发射极接触金属运动(或者发射极电流从发射极接触金属向着选择性发射极运动)，基区收集的空穴沿着六角棱柱硼掺杂的侧壁体而朝向电池背部的基区接触金属运动(对于磷掺杂的n型基区和p+选择性发射极，上述载流子的极性可以反转)。
参考图168，下面的部分概述了由沿着棱柱侧壁的基区电流引起的六角棱柱TFSC的欧姆损失的计算总结。这些计算假设所有的光生电流都在棱柱侧壁中(并假设在具有背基底层的电池的背基底层中的光生电流是可以忽略的)。该结果应该与考虑了由具有背基底层的电池的背基底层引起的光生电流之后的得到的结果基本相似。也可以假设沿着棱柱侧壁的高度的光生电流分布是均匀的(即，棱柱侧壁的每个固定的小的垂直部分将均等地贡献于光生电流)。从而，随着光生电流从零增加到最大的六角棱柱单元电流，基区欧姆损失可以通过对沿着棱柱侧壁从棱柱背部到棱柱上部(或者从棱柱上部到棱柱背部)的微分欧姆损失进行简单的积分来估算。对于可以忽略的基区欧姆损失(小于最大电池功率的0.1％或者1/1000，假设200W/m2的最大电池功率)，可以确定棱柱侧壁基区的薄层电阻应该小于大约300Ω/方块。这确定了最小的基区硼掺杂浓度。实际上，薄层电阻选定为大约300Ω/方块且不比300Ω/方块小太多，以防止由于过量的基区掺杂浓度而使少数载流子的寿命减小。在大于10到大于100微秒的范围内的少数载流子的寿命，或者在几倍于(例如，超过2倍至5倍)六角棱柱侧壁厚度的量级的少数载流子扩散长度Leff应该满足电池高效率的需求。
为了计算欧姆损失，假设所有的基区电流产生在棱柱侧壁中。假设光生基区电流在z＝0和z＝H之间线性地从0增加到I0(其中I0是每个棱柱单元的光生电流)。基区电流被在z＝H的基区接触金属(在蜂窝棱柱基底层的背部)收集。每个单元的基区欧姆损失(PUC)计算如下(Rsb是棱柱侧壁基区的薄层电阻；I0＝J0Shb，其中J0是太阳能电池的最大功率电流密度，Shb是六角棱柱开口的表面积)：
P uc = &Integral; 0 H 2 R sb dz 3 d ( I 0 z H ) 2 = 2 R sb I 0 2 9 ( H d ) = 2 R sb J 0 2 S hb 2 9 ( H d )
每单位面积的基区欧姆损失(Pb1)通过PUC除以六角开口的面积来计算：
P b 1 = P uc / S hb = 2 R sb J 0 2 S hb 9 ( H d ) = 2 R sb J 0 2 9 ( H d ) [ 3 3 / 8 ] . d 2
P b 1 = 3 R sb J 0 2 dH 12
假设d＝100微米，H＝300微米，并且J0＝40mA/cm2：
P b 1 = ( 3 / 12 ) R sb ( 40 &times; 10 - 3 &times; 10 4 ) 2 ( 100 &times; 10 - 6 ) ( 300 &times; 10 - 6 )
Pb1＝6.93×10-4Rsb(单位为W/m2)
假设Pb1远小于200W/m2；例如，假设Pb1＝(1/1000)×200＝0.2W/m2：
Pb1＝0.2＝6.93×10-4Rsb→Rsb＝288.6Ω/方块
从而，Rsb应该小于300Ω/方块，以为了基区欧姆损失可以忽略。
选择性发射极的薄层电阻典型地在大约75Ω/方块到大约150Ω/方块的范围内。从而，期望与选择性发射极电流相关的欧姆损失小于由基区电流引起的欧姆损失(如上所示，基区的薄层电阻值在300Ω/方块的量级)。总地，当电池使用棱柱侧壁层(以及在具有背基底层的电池的情况下的背基底层)并且该棱柱侧壁层具有足够的基区掺杂以产生大约300Ω/方块(或者更小)的薄层电阻以及具有薄层电阻值小于150Ω/方块的选择性发射极时，可以得到这样的结论，对于本公开最优的具有或者不具有背基底层的六角棱柱3-DTFSC，由基区和发射极电流分量引起的整体的内部的(在硅内)欧姆损失可以忽略(或者大约为光生电池功率的0.1％或者更小)。当然，这些薄层电阻值仍然可以增加，同时保持内部的欧姆损失远小于光生电池功率的1％。
上面计算的六角棱柱3-D TFSC的最大基区薄层电阻值可以与形成六角棱柱侧壁的硅厚度结合起来使用，以确定最优(或者接近最优)的基区电阻率和掺杂浓度。
假设硼掺杂的p型基区，图169示出了对于在2到30微米范围内的六角棱柱3-D硅膜厚度的不同值而言的合适的(期望的)基区硼掺杂浓度和电阻率值，以将基区欧姆损失保持为小于TFSC功率的0.1％。这些值是根据上面的计算得到的。相同的方法可以用于优化采用除c-Si之外的其它吸收材料(例如，多晶硅、非晶硅、或者非硅的半导体材料)的电池的掺杂浓度和分布。此外，尽管这些计算示出为确定均匀掺杂的基区区域的合适(最优)的掺杂浓度，但是它们也可以用作指导来确定期望的原位渐变掺杂基区的分布。
假设Pb1远小于200W/m2；例如，假设Pb1＝(1/1000)×200＝0.2W/m2：
Pb1＝0.2＝6.93×10-4Rsb →Rsb＝288.6Ω/方块
从而，Rsb应该小于300Ω/方块，以使基区欧姆损失可以忽略。
Rsb≈ρ/W→ρ≈Rsb×W，其中W是硅的厚度。
对于Rsb≈300Ω/方块，棱柱硅的各种厚度的最大基区电阻率值示于图169中。注意，这些结果是为d为100微米且H为300微米的六角棱柱基板示出的。选择性发射极的薄层电阻选择为在100Ω/方块到150Ω/方块的量级，因此，发射极电流的欧姆损失小于基区电流的欧姆损失，并且将远小于最大电池功率的0.1％。
本公开的六角棱柱3-D TFSC基板可以采用外围的厚的硅框架，以增加机械支撑并有助于绕穿式或者卷包式发射极接触金属化的形成(有助于太阳能模块组装)。图106A和106B示出了制造TFSC之前和之后的采用了厚度硅框架的六角棱柱3-D TFSC基板的Y-Y横截面视图(相关的基板尺寸并未按比例示出，由于实际上大的基板(例如200mm×200mm基板)具有几千到几百万的棱柱单元)。厚的硅框架可以由成本很低的硅材料(比如冶金级或回收硅晶片)单独地制成。图170示出了厚的硅框架、硅框架条、和从成本非常低的圆形(例如，微电子器件废弃的硅)或者正方形(或者矩形)的铸造硅(或者回收Si)基板来制造(例如，切割)硅条的典型方法的各种示意性视图1820。硅条可以由成本非常低的晶体硅或者多晶硅(例如，冶金级的铸造硅)制成。通过例如激光切割的切割工艺，圆形的硅晶片1822和正方形的硅晶片1824(例如，200mm×200mm的冶金级的铸造硅基板)可以被用来产生几百个硅条1826(通过例如电子束焊接的焊接工艺，使用四个硅条来制造用于3-D TFSC基板的厚的硅框架)。
如图106A和106B所示，这些条1826可以用来制作基板的厚的硅框架。然后，在一个实施例中在加工处理3-D薄膜电池之前，通过下面的技术之一来将单独制造的厚的硅框架一体地结合至六角棱柱3-D TFSC基板：在几个外围的点/结进行电子束焊接；在六角棱柱3-D TFSC基板制造的硅沉积过程中通过将外围的厚硅框架放置在模板上而实现结合，并通过硅沉积工艺而使得厚硅框架无缝地结合至3-D TFSC基板；或者采用清洁的固化环氧树脂。
俯视图1832示出了要结合至3-D TFSC基板的厚硅框架。硅框架的厚度1834大约为50到500微米。存在焊接(例如，电子束焊接)节点1836(四个焊接节点)，其中L 1838大约为150到300毫米，W 1840大约为100到1000微米。硅条1826也可以具有通孔(示于图1830中)，以便于绕穿式/卷包式发射极的金属化接触。
在现有技术的商业太阳能电池和模块中从电池级的效率到模块级的效率的效率下降(电池和模块之间的效率差异)的主要来源是：由电池的电接触和互连引起的欧姆功率损失；由电池到模块的电互连以及模块的电池到电池的电互连(串联地连接电池和/或者串联与并联组合地连接电池)引起的欧姆功率损失；总的电池前侧活性面积与总的模块前侧面积的比(电池面积与模块面积的比)；前侧玻璃盖层的反射(和透射)损失。这些损失的组合可以使现有技术的太阳能模块中的电池到模块的效率下降或者差异至少为大约4％到7％。本公开的太阳能电池和模块组件的设计使得电池到模块的效率差异显著地下降到小于大约1％到3％。这是由于下面的原因：活性电池面积和模块面积的比高(大于99％)；由电池和模块的电接触/互连引起的欧姆功率损失显著降低(远小于大约1％到2％，由于独特的电池和模块的接触和互连设计以及印刷电路板组件的特征)；由于无玻璃的模块钝化、或织构化的玻璃来覆盖模块的设计使得前侧盖的光学反射/透射损失显著降低(光学反射/透射损失下降到小于1％)。
在接下来的部分中，将描述本公开制作适用于建筑的屋顶和正面、集中发电或者其它应用的太阳能模块的各种实施例。通常，通过在被上玻璃层或者背保护材料层(例如，Tedlar)保护的太阳能模块组件中布置多个太阳能电池并将其串联连接(串联电连接)来制作太阳能模块。为了逐步升高DC电压(同时保持太阳能模块的电流水平与电池的电流水平相同)以便于高效的DC-AC电源转换，电池可以串联连接。
图171示出了在太阳能模块组件中本公开的TFSC串联连接的典型示例的视图1850。该示例示出了24个(以6×4的阵列)串联连接的正方形电池1852。串联的电连接由在串联连接的相邻的电池之间的箭头示出。还示出了模块功率输入和输出的引线1854。在实际的模块组件中，电池的数目可以更少或者更多，电池可以被串联连接，也可以以串联和并联的组合来连接。如上所述，模块组件中的电池的串联连接使得用于DC-AC变换器的DC电压逐步升高(并且还限制了太阳能模块的DC电流，以有助于模块在野外的安装以及模块到模块的电连接的可靠性)。以本公开的模块组件为基础的印刷电路板(PCB)将支撑组装在模块中的任何数目的电池以及任何的电连接构造(串联、串联/并联组合、或者并联)。本公开的TFSC和模块可以提供各种应用的重量相对较轻的电池模块，其面积可以从小于1平方米到几个平方米(例如，10平方米)。根据光生电流(例如，短路电流Isc和/或最大功率电流Im)要匹配的分类来选择模块组件中串联连接的电池。
本公开的太阳能模块的结构和组装方法以印刷电路板(PCB)的使用为基础，从而以密排阵列来组装六角棱柱3-D TFSC并在模块组件中使用PCB板来连接电池(在一个实施例中，为串联连接)。PCB板可以在PCB上具有具有单独的图案化的金属(在一个实施例中，为铜)或者在PCB板的上表面和下表面上具有两个图案化的铜层。图172示出了用于太阳能模块组件的印刷电路板(PCB)的前侧涂布有银的铜布局的视图1860(正方形的岛用作背反射镜(如果单开口电池没有使用集成的反射镜，或者如果电池是没有基底层的双开口电池)和基区互连；外围的正方形铜带在TFSC外围框架的背侧连接至卷包式的发射极接触；连接PCB前侧和背侧的选择区域的铜填充的通孔栓(via plug)被示为小的圆形)。该示例示出了以4行且每行6个电池来布置的24个TFSC的阵列(PCB可以设计为具有任何数目和各种布置的TFSC)。PCB导体(铜或者铝)的厚度可以在大约10到超过100微米的范围内，以提供高的导电性和导热性。PCB也用作有效的热沉，以减小TFSC工作时的温度循环。PCB的材料可以选择为重量轻、强度高的材料(例如，在航天工业中使用的碳复合材料)，或者甚至为相对较薄的柔性材料。大面积、正方形、银涂布的铜区域1862连接至TFSC的背基区区域(单开口电池的背基底层的底部或者双开口电池的底部脊)。外围的、银涂布的铜线1864电连接至TFSC的发射极接触金属化区。
图173示出了用于太阳能模块组件的印刷电路板(PCB)的铜(可选择地，可以涂布有银)布局的俯视图1870，其中示出了TFSC的串联连接。PCB的背侧也可以包括用于TFSC遮蔽保护的薄膜分流二极管(thin-film shuntdiode)(如图174所示)。铜填充的通孔栓(表示为圆形)在对应的区域中连接PCB前侧和背侧的金属化图案。尽管这里示出的示例是在太阳能面板上串联连接的24个TFSC，但是相似的PCB设计方法可以应用于在模块上以任意期望的布置来构造并连接任何数目的电池。该PCB的前侧视图示于图172中。该示例示出了以4行且每行6个电池来布置的24个TFSC的阵列(PCB可以设计为具有任何数目和各种布置的TFSC)，该24个TFSC全部串联连接。PCB导体(铜或者铝)的厚度可以在大约10到超过100微米的范围内，以提供高的导电性和导热性。PCB也用作有效的热沉，以减小TFSC工作时的温度循环。PCB的材料可以选择为重量轻、强度高的材料(例如，在航天工业使用中的合适的碳复合材料)。图173还示出了功率输入引线1872(第一个电池的p引线)和功率输出引线1874(最后一个电池的n引线)。
图174示出了PCB上的铜图案的背侧视图1880，该视图与图173基本相同。该图还示出了安装在PCB背侧的图案上(用于电池的遮蔽包括)的保护薄膜分流二极管的使用。
图175A示出了在太阳能模块印刷电路板的前侧的涂布有银的铜图案(用于安装一个电池的垫)的放大俯视图1890(相关尺寸并未按比例表示)，其中铜图案也被用作背反射镜、或者一个TFSC的发射极和基区的互连。图175A示出了尺寸L11894和L21904(在一个实施例中为150毫米到大于200毫米，其中L2＝L1+2(W+S))。S 440可以在25到250微米的量级。外围的铜导体带的宽度(W)1902可以在50到500微米的量级。铜填充的通孔栓1898示出为圆形(以预先设计的布置连接PCB前侧和后侧的互连图案，从而串联连接TFSC，或者以其它期望的布置(例如串联/并联)连接TFSC；这里示出的典型示例是串联连接所有的电池，从而逐步升高模块的开路电压)。通孔栓1898的直径可以在大约50到500微米的量级(并且可以比W1902小)。中央大的正方形垫用作电池的背反射镜(对于双开口电池或者没有集成的背反射镜的单开口电池)和基区互连平面(连接到六角棱柱基区接触金属化)。中央正方形(p-区接触)(N)中的通孔1898的数目可以在几百到几千的量级。外围线条(n-区接触)(M)中的通孔1900的数目可以在几十到几百(或者甚至几千)的量级。在外围线条上与TFSC发射极(n)区接触的通孔被放置在三个边。PCB导体(铜或者铝)的厚度可以在大约10到超过100微米的范围内，以提供高的导电性和导热性。PCB板也用作有效的热沉，以减小TFSC在野外工作时的温度循环。该图示出了图172的完整的模块PCB阵列中的一个铜互连/反射镜垫。
图175B示出了在太阳能模块印刷电路板(PCB)背侧的涂布有银的铜互连图案的放大俯视图1910(部分PCB的视图)，其中该铜互连图案用于本公开中一对相邻的TFSC的发射极和基区电互连。图175B示出了PCB背侧的涂布有银的铜互连图案，用于阵列中的TFSC 1和2。这里所示的铜图案用于串联连接TFSC，以逐步升高模块的开路电压。图175B示出了尺寸L1’1912、外围的发射极(n区)连接的线宽W’1914(在一个实施例中，为2到10mm)；中央基区(p区)连接板和外围发射极(n区)连接线之间的间隔S’1916(在一个实施例中，为100微米到1毫米)。注意，L1’1912比图175A中的L1少了大约2到10毫米。这使得可以获得更大的外围发射极(n区)连接的线宽，并使得可以显著降低PCB背侧的欧姆损失。
上述的PCB组件可以用于以大量的方式(具有或者不具有框架，具有或者不具有上回火玻璃)来生产最终的太阳能模块组件。
图176示出了太阳能模块(太阳能面板)结构的横截面视图1920，该太阳能模块(太阳能面板)结构具有：背保护板1922，由现有技术的材料(例如，Tedlar或者聚氟乙烯膜(polyvinyl fluoride film))制成；背密封层1924(EVA)；本公开的双侧印刷电路板(PCB)1926，该双侧印刷电路板(PCB)1926具有背部图案化的电互连1928和上部图案化的电互连1930；电池背反射镜(如果适用，例如对于具有集成背反射镜的单开口电池)和安装在PCB前侧的具有背基区和卷包式(或者绕穿式)发射极接触的TFSC 1932；上密封层(EVA)1934；和抗反射涂布(ARC)的回火玻璃(在一个实施例中为织构化的回火玻璃)1936(从背部到上部)，该回火玻璃具有大于98％的透射率并具有溅射或者喷涂或者浸涂的抗反射涂布。该模块结构可以被组装为气密密封的封装体，以作为无框模块或者有框(例如，由铝制成)模块。在一个实施例中，模块组件是无框组件(为了降低材料的能含量并降低能量回收期)。
图177示出了制造太阳能模块的工艺流程1940的第一实施例，该太阳能模块具有上部的保护玻璃板以及本公开的嵌入PCB(对应于图176的具有PCB和安装在PCB上的TFSC的太阳模块结构)。该制造工艺流程与完全自动化的模块组装线兼容。该模块组装流程以双侧印刷电路板(PCB)的使用为基础，其中该双侧印刷电路板具有在PCB上侧的电池背反射镜/基区互连(在PCB上侧的涂布有银的图案化的铜)。对于具有背基底层和在模块组装之前制造的集成/嵌入(或者结合)背反射镜的六角棱柱3-D TFSC(例如，具有背基底层和薄膜背反射镜的六角棱柱电池，其中薄膜背反射镜通过使用PVD或者镀覆或者滚涂/喷涂以及固化而沉积在背基底层的背表面上)，图案化的PCB铜层则不必涂布高反射率的反射镜材料(银)。在步骤1942中，以在前侧和背侧都涂布有铜箔的双侧PCB开始模块组装。PCB的面积应该能够支撑期望数目/布局的TFSC(例如，≥1平方米，每侧的铜箔厚度大约为10到超过100微米)。步骤1944涉及PCB互连图案化和银喷镀(如果后者对于PCB背反射镜需要的话)。根据期望的前侧和背侧互连布局来图案化PCB前侧和背侧的铜箔。铜图案被喷镀高反射率的银(和/或铝)的薄层。可以使用高反射的漫射反射镜，也可以使用镜面反射镜。步骤1946涉及为自动化的TFSC放置和焊接的电池准备。用无铅焊剂或者导电、导热的环氧树脂浆滚涂(或者喷涂或者浸涂)TFSC的背六角金属化侧。对于采用不具有平坦的硅背基底层的蜂窝棱柱TFSC基板而制造的电池，六角棱柱金属化的背脊被涂布到依赖于六角棱柱单元的尺寸的大约为2到20微米的垂直高度。对于采用具有平坦的硅背基底层的蜂窝棱柱TFSC基板而制造的单开口电池，只有六角的基区互连脊被涂布。对于采用具有平坦的硅背基底层和集成的基区背反射镜的蜂窝棱柱TFSC基板而制造的单开口电池，如果需要的话，涂布可以覆盖整个背基区反射镜的底面。步骤1948涉及自动化的TFSC放置和焊接(或者环氧树脂固化)。TFSC被自动地选择并放置在PCB前侧的密排阵列中。每个电池的背侧安放在其在具有图案化的铜互连的双侧PCB前侧的指定的位置上。采用热或者超声焊接而将TFSC的背六角棱柱基区互连焊接到PCB前侧的涂布有银的图案化的铜。在使用环氧树脂代替焊剂的情况下，采用热和/或IR/UV固化来固化环氧树脂层。保护的薄膜分流二极管安装并焊接(或者用环氧树脂结合)在PCB的背侧上。可选择的步骤是用高反射的银的薄层喷镀金属区域。步骤1950涉及最终的太阳能模块组装和层叠。制备低反射的上部回火(在一个实施例中，也为织构的)玻璃、密封层、安装了电池的PCB、另一个密封层以及Tedlar或者聚氟乙烯背板的堆叠。接着，例如采用真空压力层叠来气密密封并封装模块堆叠组件。
图178示出了太阳能模块结构的另一个实施例的横截面视图1960。代替图176中所示的上密封层(EVA)1934和抗反射涂布(ARC)的回火玻璃1936，存在单独的前侧保护层和抗反射涂布层1962。前侧保护层和抗反射涂布(ARC)层1962由液体喷涂/固化、液体滚涂/固化、液体浸涂/固化、等离子体喷涂、或者其它合适的低温涂布技术形成。由于3-D结构的TFSC，该前侧保护涂布和ARC层在沉积涂层时就被有效地织构化(从而，不需要单独的织构化工艺)。这是因为涂层在TFSC六角棱柱的腔上可以具有向下的斜面(低点)而在六角棱柱的发射极脊上可以具有峰(高点)。前侧保护层和抗反射涂布层1962可以具有在几十到几百微米范围内组合厚度。在一个实施例中，厚度可以大约是30到300微米。除了提供抗反射涂布(ARC)的功能外，在实际的户外工作中，堆叠的前侧保护/ARC层提供了优良的抗天气/自然环境和外力影响的保护能力。由于作为3-D结构的TFSC的结果前侧涂布被有效且自动地织构化，所以在前侧涂布上使用单独的ARC层是可选择的。织构化的涂布可以在前侧涂布中提供有效的光捕获，以将入射太阳光密度的大部分(例如，95％)耦合至TFSC。前侧保护层也可以提供光学导向功能，以消除或者减小与上发射极接触金属化相关的反射损失。
图179示出了制造成本降低、重量降低(重量轻的)太阳能模块(对应于图178的太阳能模块结构)的组装工艺流程1970的替代实施例。该流程与完全自动化的模块组装兼容。该工艺流程示出的组装工艺不使用厚的玻璃板(从而，进一步降低了本发明的太阳能模块的重量、成本以及能量回收期)并且在电池的上部不具有EVA密封层。模块的上侧(组装电池的前侧)被硬的、玻璃型的、组合厚度在几十到几百微米量级的保护层(如果需要，还包括上ARC层)覆盖。如上所述，由于TFSC的3-D结构，前侧保护层被有效地织构化。上层可以通过液体涂布技术(例如，喷涂、液体浸涂、或者滚涂)及随后的热或者UV固化工艺形成。液体喷涂(或者液体浸涂或者滚涂)的保护/ARC层的热(或者UV)固化可以作为单独的步骤与真空压力热层叠工艺一起进行。该实施例可以得到重量轻的模块组件，从而降低了材料消耗、成本和能量回收期。步骤1972(提供PCB)对应于图177中的步骤1942，步骤1974(PCB图案化和银喷镀)对应于步骤1944，步骤1976(准备电池)对应于步骤1946，步骤1978(自动化的TFSC放置)对应于步骤1948。步骤1980涉及太阳能模块的层叠。准备安装电池的PCB、密封层和背板的堆叠。接着，进行合适的气密密封/封装工艺，例如真空压力层叠。步骤1982涉及沉积太阳能模块前侧的保护涂层(该涂层在沉积时可以被自动织构化，并可以提供高效的光捕获以有效地耦合至TFSC)和可选择的ARC层。采用合适的涂布方法来用保护材料(例如，玻璃型的透明材料)的薄层和可选择的抗反射上涂层(ARC)涂布太阳能面板的前侧。该涂布(大约几十到几百微米)可以采用液体喷涂、液体滚涂、液体浸涂、等离子体喷涂或者其它合适的方法来进行。接着，进行热/UV固化工艺。
本公开的六角棱柱3-D TFSC(具有背基底层或者不具有背基底层的单开口和双开口电池)本质上是两面的。本公开的六角棱柱3-D TFSC(尤其是不具有背基底层的六角棱柱电池)是独特地适合审美要求的、具有均匀控制的光透射率、可用于建筑正面应用的太阳能玻璃模块。本公开的六角棱柱3-D TFSC(不具有背基底层且不具有背反射镜的设计)提供了经过电池的均匀的局部光透射率。太阳透射率的平均水平可以通过调节六角棱柱的纵横比来设定(更高的棱柱纵横比将降低经过电池的平均太阳光透射率)。
图180示出了采用本公开的六角棱柱TFSC以用于建筑正面(建筑太阳能玻璃)应用的太阳能玻璃组件的横截面视图2000。这是本公开的太阳能模块组件的实施例，其中本公开的半透明的六角棱柱TFSC(基本上为不具有背基底层且不具有背反射镜的双开口电池)被用作建筑正面应用的局部透明的太阳能玻璃模块。该示例示出了安装在双窗格氩填充(气体填充)的低E剥离组件中的半透明的六角棱柱电池2002(其不具有背基底层和背反射镜，从而提供了相当水平的前侧或者室外的电池通过电池背侧的太阳光或者漫射日光的透明度，使得部分入射太阳光/日光穿过了电池)。本公开的部分透明的TFSC紧密地排列并放置在下玻璃板2004(该玻璃板面向建筑内部)上，该下玻璃板2004涂布有光学透明(或者半透明)的图案化的电池互连层2006以串联地电连接太阳能玻璃中的电池。图案化的电池互连层2006可以由例如氧化铟锡(ITO)的透明导电氧化物(TCO)、薄的半透明银层或者它们的组合制成。这里示出的上玻璃板2008可以面向建筑外部，同时下玻璃板2004(具有形成在其内侧表面上的图案化的透明/半透明互连2006)可以面向建筑内部。在玻璃板2004和2008之间是密封的氩填充的间隔2010。此外，示出了密封/支撑窗框架2012。该设计使得水平非常均匀的部分光透射穿过双窗格太阳能玻璃模块，从而提供了符合审美要求的太阳能玻璃设计，以用于建筑的太阳能玻璃。部分透明的水平可以由六角棱柱电池的几何参数(例如，六角单元的开口尺寸和单元的纵横比H/d)来设定。部分光透明的水平可以通过降低单元的纵横比H/d和/或者通过增加单元的开口的对角尺寸d而增加(见图110和168)。相反地，部分光透明的水平可以通过增加单元的纵横比H/d和/或通过减小单元的开口的对角尺寸d而减小。此外，可以使用部分透明的背反射镜层(在一个实施例中，为形成在玻璃板上的薄的银层，从而形成部分漫射的背反射镜)以作为图案化的电池互连的一部分，其中图案化的电池互连形成在容纳结合的电池的玻璃板上。部分反射/部分透明的背反射镜增加了有效的电池转换效率，同时降低了穿过太阳能玻璃组件的部分光的透射率。
图181示出了另一个视图2020，其是图180中示出的用于建筑正面的太阳能玻璃模块组件的一部分的放大的替代视图。该图是具有六角棱柱电池的太阳能玻璃的一部分的放大视图(从而，六角棱柱电池和太阳能玻璃的相关尺寸并未按比例示出)。图181示出了TFSC前侧的TFSC六角发射极互连2022和自对准的背侧六角基区接触2024。上玻璃板2008和底玻璃板2004之间的距离2026可以在1和12毫米之间，六角棱柱电池的参数可以设计为使得期望水平的光透射穿过电池(例如，大约10％到90％)。平均的光透射水平可以通过TFSC的纵横比来控制。
图182示出了用于串联连接放置在太阳能玻璃组件中的蜂窝棱柱TFSC的、形成在诸如图180中的下玻璃板2004的玻璃板2042上的、典型的、图案化的、半透明或者透明的导电层2006(例如，透明的导电氧化物(TCO)，包括氧化铟锡(ITO)层；或者薄的半透明银层；或者它们的组合。该导电层2006也可以包括由例如超薄的半透明的银层的合适材料制成的部分透明的电池背反射镜)的视图2040。该示例示出了在太阳能玻璃模块组件中串联连接的6×4＝24个TFSC。当然，相似的图案化方法可以用于在太阳能玻璃组件中串联连接或者以串联/并联构造的组合来连接任何数目的TFSC。串联连接太阳能玻璃模块组件中的所有电池是优选的电连接方法(以逐步升高太阳能玻璃的输出电压，同时保持太阳能玻璃组件的电流在TFSC的电流水平)。该图案还示出了太阳能模块(太阳能玻璃)组件的输出电引线2044。太阳能玻璃的输出电引线2044可以经由接线盒贯穿太阳能玻璃的框架组件以电连接至相邻的太阳能玻璃模块。图案化的IR反射镜和电池互连2046对于可见光是透明的。通过溅射和/或镀覆形成沉积的薄膜层(或者多层结构)的图案。注意，示出的岛和线之间的清晰的间隔典型地小于所示出的(该图并未按比例绘制)。
图183示出了用于太阳能玻璃的模块组件的工艺流程2050的替代实施例。该实施例概述了用于建筑正面的半透明太阳能玻璃模块的制造(对应于图180、181和182所示的太阳能模块结构)。该太阳能玻璃模块组件的流程与完全自动化的太阳能玻璃模块组件的流程兼容。该流程示出了采用双窗格的低E玻璃结构(其它的玻璃结构也可以采用)的组装工艺。该实施例得到了重量轻的太阳能玻璃模块组件，其降低了材料消耗、成本以及模块能量回收期。在步骤2052中，以第一玻璃板开始太阳能玻璃的制造，该第一玻璃板用作用于建筑正面的低E建筑玻璃组件的室内侧。根据应用，该玻璃的面积可以在从小于1平方米到几个平方米的范围内。步骤2054涉及在第一玻璃板上形成(半)透明的电池互连图案。玻璃板是干净的，沉积光学透明或半透明的导电层的图案化层，以用作电池电互连的平面。图案化的互连层可以由诸如氧化铟锡(ITO)的透明的导电氧化物(TCO)，或者薄的半透明银层，或者其组合制成。图案化的层可以通过物理气相沉积(PVD)经由屏蔽掩膜形成，或者通过其它合适的技术形成。步骤2056涉及为自动化的TFSC放置和结合准备电池。用无铅焊剂或者导电、导热的环氧树脂浆/液体滚涂TFSC的背六角金属化侧。对于采用不具有平坦的背硅基底层的蜂窝棱柱TFSC基板而制造的电池，背金属化的六角棱柱脊被涂布到根据六角棱柱单元和基区金属接触覆盖的尺寸的大约为1到20微米的垂直高度。该工艺涂布了基区的六角阵列互连和发射极的卷包式/绕穿式互连，以为电池放置和结合准备电池。步骤2058涉及自动化的TFSC放置和焊接(或者环氧树脂固化)。TFSC被自动地选择并放置在具有图案化的(半)透明互连的玻璃板的表面上。蜂窝棱柱电池的背基区侧放置在玻璃板上。六角棱柱TFSC的背基区互连被采用热或者超声焊接而焊接(结合)至玻璃上的图案化的电池互连层。在采用环氧树脂代替焊剂的情况下，采用热或者UV固化来固化环氧树脂。步骤2060涉及自动化的太阳能玻璃/模块的组装。在一个实施例中，在大气压的氩填充的自动化组装气氛下制备太阳能玻璃的模块组件，包括以下步骤：将具有结合电池的玻璃板安装到太阳能玻璃框架(例如，具有外围封条的诸如铝框架的金属框架)上；将与该玻璃板(包括电池)平行且与其隔开地(例如，大约1到30毫米)的玻璃板(在一个实施例中具有AR涂层(ARC))结合到太阳能玻璃框架上，从而使得电池被限制在由金属框架密封的两个玻璃板之间形成的氩填充的腔内。这就形成了低E的太阳能玻璃组件，电池限制并保护在氩填充的腔内。太阳能玻璃组件框架也提供了结合至来自图案化互连的引线的穿通电引线。模块框架外围的封条保持了氩填充的腔并防止气体泄漏。
TFSC和模块互连中的一个重要的方面是与TFSC和太阳能模块组件中的电互连相关的总的功率损失。本公开的六角棱柱3-D c-Si TFSC和基于PCB的模块设计有效地处理了这个问题，使得电池中和模块内的互连欧姆损失非常低。该特征(与在基于PCB的太阳能模块组件上的TFSC的高效封装结合)显著缩小了本公开的技术中的TFSC和太阳能模块组件之间的效率差异。
下面的部分涉及本公开的六角棱柱3-D TFSC中的发射极接触金属化的欧姆损失的基本计算。发射极接触金属化的欧姆损失计算也适用于六角基区接触金属化。然而，由于本公开的几个实施例将六角棱柱3-D TFSC安装到了图案化的印刷电路板(PCB)上，所以基区接触金属化以平面形式电连接到了导电率非常高的铜垫，这显著降低了基区互连的欧姆损失(与发射极互连的欧姆损失相比)。因此，在本公开的实际实施例中，互连欧姆损失由发射极接触金属化支配。
图184可以用作近似分析计算TFSC互连欧姆损失的参考，假设电路基板具有以本公开实施例的电池设计为基础的六角棱柱单元阵列。由于总的电池互连欧姆损失由上发射极接触金属化支配，所以由六角发射极接触金属化引起的欧姆功率损失被作为最大功率的电池电流和发射极接触金属的垂直高度覆盖率L/d(覆盖在棱柱侧壁上的发射极接触金属的高度与棱柱单元的长的六角对角尺寸的比)的函数来计算。这里示出的分析计算用于产生下面的图(图185至190)中示出的结果。针对圆形基板进行的计算和获得的趋势也近似地适用于正方形的TFSC基板。
对于下面的计算：I0是峰值功率处的总电池电流；Rthm是上六角覆盖发射极接触金属的薄层电阻；C是具有垂直高度L的六角发射极接触金属的有效平坦表面的覆盖；Reff＝Rthm/C，其中Reff是上接触金属的有效平坦表面的薄层电阻；A＝(πa2)/4；并且J0＝(4I0)/(πa2)。
最大电池功率处的互连欧姆损失为：
P 1 &cong; ( R eff I 0 2 ) / ( 8 &pi; )
C＝[(8√3)/3](L/d)
Reff＝(√3/8)(d/L)Rthm
P 1 &cong; ( R thm I 0 2 ) [ &radic; 3 / ( 64 &pi; ) ( d / L ) &cong; 8.62 &times; 10 - 3
( R thm I 0 2 ) ( d / L )
图185至图190示出了对于发射极接触金属薄层电阻(Rthm)的各种值而计算得到的相对于L/d(覆盖在棱柱侧壁上的发射极接触金属的垂直覆盖高度与六角棱柱单元的六角开口的长对角尺寸的比)的六角棱柱3-D TFSC互连欧姆损失(主要由发射极接触金属化引起)的图。假设电池效率为20％，则以本公开的一个实施例为基础的200mm×200mm的正方形电池将产生大约8W的光生功率(AM 1.5)和大约12A的电池电流。从而，为了将最大的发射极接触金属化欧姆损失限制到大约8W的峰值光生功率的大约1％，则欧姆损失应该限制到0.08W。
图185示出了对于发射极接触金属薄层电阻为Rthm＝0.002Ω/方块(假设银的体电阻率大约为1.6μΩ/方块，这对应于用作发射极接触金属化层的8微米厚的银层)而得到的相对于发射极接触金属覆盖高度(棱柱单元侧壁上的发射极接触金属的覆盖高度)与六角开口对角尺寸的比(L/d)的最大电池功率(200W/m2)处的互连(发射极接触金属化)欧姆损失。在此情况下，大于0.03的L/d将满足互连欧姆损失小于1％(功率损失小于0.08W)的要求。从而，对于d＝150微米，L≥4.5微米将可以满足互连功率损失可忽略(小于1％)的要求。相似地，对于d＝300微米，L≥9微米将可以满足互连损失小于1％的要求。
图186示出了对于发射极接触金属薄层电阻为Rthm＝0.005Ω/方块(假设银的体电阻率大约为1.6μΩ/方块，这对应于用作发射极接触金属化层的3.2微米厚的银层)而得到的相对于发射极接触金属的垂直覆盖高度(棱柱单元侧壁上的发射极接触金属的覆盖高度)与六角开口对角尺寸的比(L/d)的最大电池功率(200W/m2)处的互连(发射极接触金属化)欧姆损失。在此情况下，大于0.07的L/d将满足互连欧姆损失小于1％(功率损失小于0.08W)的要求。从而，对于d＝150微米，L≥10.5微米将可以满足互连功率损失可忽略(小于1％)的要求。相似地，对于d＝300微米，L≥21微米将可以满足互连损失小于1％的要求。
图187示出了对于发射极接触金属薄层电阻为Rthm＝0.0075Ω/方块(假设银的体电阻率大约为1.6μΩ/方块，这对应于用作发射极接触金属化层的2.1微米厚的银层)而得到的相对于发射极接触金属覆盖高度(棱柱单元侧壁上的发射极接触金属的覆盖高度)与六角开口对角尺寸的比(L/d)的最大电池功率(200W/m2)处的互连(发射极接触金属化)欧姆损失。在此情况下，大于0.12的L/d将满足互连欧姆损失小于1％(功率损失小于0.08W)的要求。从而，对于d＝150微米，L≥18微米将可以满足互连功率损失可忽略(小于1％)的要求。相似地，对于d＝300微米，L≥36微米将可以满足互连损失小于1％的要求。如果互连欧姆损失的限制增加到光生功率的大约2％(即，0.02×8＝0.16W)，则L/d＞0.06将可以满足互连欧姆损失小于2％(功率损失小于0.16W)的要求。从而，对于d＝150微米，L≥9微米将可以满足该修改的互连功率损失的要求。相似地，对于d＝300微米，L≥18微米将可以满足互连损失小于2％的要求。
图188示出了对于Rthm＝0.010Ω/方块(对应于用作发射极接触金属化层的1.6微米厚的银层)而得到的相对于发射极接触金属覆盖高度(棱柱单元侧壁上的发射极接触金属的覆盖高度)与六角开口对角尺寸的比(L/d)的最大电池功率(200W/m2)处的发射极接触金属欧姆损失。
图189示出了对于Rthm＝0.015Ω/方块(对应于用作发射极接触金属化层的1.07微米厚的银层)而得到的相对于发射极接触金属覆盖高度(棱柱单元侧壁上的发射极接触金属的覆盖高度)与六角开口对角尺寸的比(L/d)的最大电池功率(200W/m2)处的发射极接触金属欧姆损失。
图190示出了对于Rthm＝0.020Ω/方块(对应于用作发射极接触金属化层的0.8微米厚的银层)而得到的相对于发射极接触金属覆盖高度(棱柱单元侧壁上的发射极接触金属的覆盖高度)与六角开口对角尺寸的比(L/d)的最大电池功率(200W/m2)处的发射极接触金属欧姆损失。
如图185至190所示，随着发射极接触金属(例如，银)的薄层电阻的增加(或者发射极接触金属厚度的减小)，棱柱侧壁上的发射极接触金属的垂直覆盖应该增加(为六角棱柱单元开口尺寸的分数)，以将互连欧姆损失保持在预定的阈值之下(例如，小于1％)。实际上，期望的发射极接触金属化可以包括厚度在3到12微米量级的银和在5到20微米量级的垂直高度覆盖。
总地，本公开提供了用于形成3-D TFSC基板的模板。该模板包括半导体基板；该半导体基板包括多个柱和在所述多个柱之间的多个沟槽。模板可以用作3-D TFSC基板的形成环境，并且可以多次重复使用该模板而不必在模板每次重复使用时进行实质的修复。可以通过下面的步骤形成三维TFSC基板：形成牺牲层；沉积半导体层；选择蚀刻所述牺牲层；并释放所述半导体层。三维TFSC基板可以用于制造三维薄膜太阳能电池。
前面提供的优选实施例的描述可以使本领域的技术人员制作并使用要求保护的主题。这些实施例的各种修改对本领域的技术人员而言是清楚明白的，并且这里限定的一般原理可以应用于其它实施例而无需创新能力。从而，要求保护的主题并不局限于这里示出的实施例，而是具有与这里披露的原理和新颖特征相一致的最广泛的范围。

Claims (34)

1、一种用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，包括：
模板基板，所述模板基板包括：
多个柱；和
在所述多个柱之间的多个沟槽，
其中所述模板形成了三维薄膜太阳能电池基板的形成环境。
2、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述模板形成了通过多次重复形成三维薄膜太阳能电池基板来形成三维薄膜太阳能电池基板的形成环境，而不需要在每次重复之前对所述模板进行实质的修复。
3、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述模板基板包括半导体基板。
4、根据权利要求3所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述半导体基板包括硅基板。
5、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述多个柱包括多个棱柱状的柱。
6、根据权利要求5所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述多个棱柱状的柱包括多个六角棱柱的柱。
7、根据权利要求5所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述多个棱柱状的柱包括多个多边形棱柱的柱。
8、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述多个柱包括多个锥形的柱。
9、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述多个柱包括多个接近垂直的柱。
10、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中在所述多个柱之间的所述多个沟槽包括多个晶片内沟槽。
11、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中在所述多个柱之间的所述多个沟槽包括多个贯穿晶片沟槽。
12、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中在所述多个柱之间的所述多个沟槽包括在较窄且较深的沟槽上部的多个较宽的沟槽。
13、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中在所述多个柱之间的所述多个沟槽还包括提供蚀刻剂通道的多个沟道。
14、一种用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，该方法包括：
从半导体基板的选择区域移除半导体材料以形成多个柱和多个沟槽，
其中所述模板形成三维薄膜太阳能电池基板的形成环境。
15、根据权利要求14所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中从半导体基板的选择区域移除半导体材料以形成多个柱和多个沟槽的所述步骤包括：
光刻图案化以在所述半导体基板上产生设计；并且
采用蚀刻工艺将所述设计转移到所述半导体基板上。
16、根据权利要求15所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中所述蚀刻工艺包括深反应离子蚀刻工艺。
17、根据权利要求15所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中所述设计包括棱柱状的设计。
18、根据权利要求17所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中所述棱柱状的设计包括六角棱柱设计。
19、根据权利要求17所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中所述棱柱状的设计包括多边形棱柱的设计。
20、根据权利要求14所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中从半导体基板的选择区域移除半导体材料以形成多个柱和多个沟槽的所述步骤包括激光微加工以在所述半导体基板上产生设计。
21、根据权利要求20所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中所述设计包括棱柱状的设计。
22、根据权利要求21所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中所述棱柱状的设计包括六角棱柱设计。
23、根据权利要求21所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中所述棱柱状的设计包括多边形棱柱的设计。
24、根据权利要求14所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中从半导体基板的选择区域移除半导体材料以形成多个柱和多个沟槽的所述步骤还包括从所述半导体基板的选择区域移除半导体材料以在所述半导体基板中形成提供蚀刻剂通道的沟道。
25、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述模板是用于制造多个三维薄膜太阳能电池基板的可再用的模板。
26、根据权利要求25所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中在预定次数的重复再使用之后修复所述模板以延长所述模板最终的重复循环。
27、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述多个沟槽包括蜂窝状的沟槽图案。
28、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中所述多个柱包括多个垂直的柱。
29、根据权利要求1所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中在所述多个柱之间的所述多个沟槽包括堆叠在较窄的锥形沟槽上的多个较宽的锥形沟槽。
30、根据权利要求13所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中提供蚀刻剂通道的多个沟道经由所述模板的背侧形成。
31、根据权利要求13所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中提供蚀刻剂通道的多个沟道经由所述模板的前侧形成。
32、根据权利要求13所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板，其中提供蚀刻剂通道的多个沟道是贯穿晶片的沟道。
33、根据权利要求24所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中至少提供蚀刻剂通道的在所述半导体基板中的所述多个沟道的子集直接连接到至少所述多个沟槽的子集。
34、根据权利要求24所述的用于形成三维薄膜太阳能电池基板的模板的制造方法，其中提供蚀刻剂通道的在所述半导体基板中的所述沟道不直接连接到所述多个沟槽。
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