專利名稱：一種選擇性前表面場n型太陽電池的制作方法
技術領域：
本發明屬于太陽能光伏發電領域，具體涉及一種選擇性前表面場N型太陽電池的制作方法。
背景技術：
太陽電池是一種利用光生伏特效應將太陽能直接轉換為電能的半導體器件。從結構上說，太陽電池一般由半導體襯底、位于半導體襯底表面的p-n結、高低結、介質膜和金屬電極所組成。 根據襯底導電類型的不同，可以把太陽電池分為P型和N型太陽電池兩種。P型太陽電池工藝成熟，占據了當前太陽電池市場的主導地位。但是，P型太陽電池硼、氧含量過高，硼氧對在紫外光作用下會導致P型太陽電池出現明顯的性能衰減。這使得很多研究機構和生產企業把目光轉移到N型太陽電池上。由于N型晶體硅硼含量少，因而由硼-氧對所導致的光致衰減現象并不明顯。此外，由于N型晶體硅對鐵等過渡金屬的耐受性比P型晶體硅要好，所以一般情況下，N型晶體硅具有更高的少子壽命。這對于制作高效太陽電池非常有利。 根據p-n結的所處的位置，N型太陽電池又可以分為前發射極N型太陽電池和背
發射極N型太陽電池兩類。前發射極N型太陽電池一般通過在N型半導體襯底前表面進行
高溫硼擴散的方法制作P-n結。該電池結構簡單，而且與傳統P型太陽電池制作工藝基本
一致，因而易于實現產業化。但是，處于太陽電池前表面的硼原子仍然可以與襯底中的氧形
成硼氧對，在長時間的紫外光照射下同樣會導致太陽電池性能出現下降。 背發射極N型太陽電池則基本不存在硼氧對導致的光致衰減現象。背發射極N型
太陽電池通過在N型半導體襯底背表面進行高溫硼擴散的方法制作p-n結。由于紫外光在
太陽電池前表面很淺的區域內便被吸收殆盡，紫外光難以入射到太陽電池背表面，背表面
硼氧對在缺少紫外線照射的情況下并不會導致太陽電池出現明顯的性能衰減。 除了硼背發射極N型太陽電池外，鋁背發射極N型太陽電池也是一種有前途的N
型太陽電池結構。鋁背發射極N型太陽電池的結構與硼發射極N型太陽電池基本一樣，只是
其背表面P-n結是通過N型晶體硅襯底與鋁電極在高溫下發生的合金化過程來形成。鋁背
發射極N型太陽電池由于硼含量極少，所以同樣不存在由硼氧對所導致的光致衰減現象。 雖然不存在光致衰減的問題，但是背發射極結構帶來了另外一些缺點。由于大多
數太陽光在太陽電池前表面被吸收，其產生的光生載流子必須遷移到太陽電池背表面P-n
結才能被收集利用。在遷移過程中，光生載流子很容易被太陽電池前表面或襯底中的缺陷
所俘獲，從而影響太陽電池的性能。因此，要提高背發射極N型太陽電池的效率就必須減少
光生載流子在太陽電池前表面和襯底體內的復合。 降低前表面摻雜濃度能有效減少光生載流子在太陽電池前表面的復合，但是過低的表面摻雜濃度不利于金屬前電極與襯底之間形成良好歐姆接觸。選擇性前表面場N型太陽電池結構很好地解決了上述矛盾。如圖l所示，太陽電池前電極附近的重摻雜N型區域保證了金屬電極與半導體襯底形成良好歐姆接觸；而太陽電池前表面除電極附近區域外都是輕摻雜N型層，這有利于降低太陽電池前表面的平均摻雜濃度，從而減少光生載流子在前表面的復合。 由于選擇性前表面場N型太陽電池需要對前表面進行局域摻雜，所以制作工藝相對普通太陽電池要復雜。如圖2所示，傳統的制作方法是先在介質膜的局部位置開槽并對開槽區域進行重摻雜，隨后去除介質膜并對整個前表面進行輕摻雜，這樣就可以得到選擇性前表面場。實驗室常用光刻方法對介質膜進行開槽，但是光刻方法成本高昂、工藝復雜，并不適合工業生產中應用。 中國專利CN 101101936A提出一種采用絲網印刷腐蝕劑進行開槽，并進行兩步擴散得到選擇性發射極的方法。該方法具有成本低、工藝簡單的優點，同時也適用于選擇性前表面場的制作。但是，采用該方法往往在后續絲網印刷制作電極時出現困難。因為前電極必須跟重摻雜N型區域重合，這對絲網印刷的對位精度要求很高。為了克服上述對位問題，可以把重摻雜N型區域展寬，但是這樣一來又提高了太陽電池前表面的平局摻雜濃度，增加了光生載流子在前表面的復合。
發明內容
本發明的目的是提供一種適合工業化生產的選擇性前表面場N型太陽電池制作方法，該方法具備工藝簡單，成本低廉和無需對位等特點。 本發明提供的一種選擇性前表面場N型太陽電池的制作方法，其特征在于，利用鋁硅合金化過程或高溫硼擴散過程形成背表面p-n結，高溫磷擴散形成前表面輕摻雜N型層，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型區域，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區域上制作前電極。 根據背表面發射極的類型(硼發射極或鋁發射極)，上述制作方法可以細分為兩個相似的技術方案。 第一個技術方案是利用鋁硅合金化過程形成背表面p-n結，高溫磷擴散形成前表面輕摻雜N型層，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型區域，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區域上制作前電極，具體包括以下步驟
(a)對N型半導體襯底進行表面織構化并進行化學清洗 表面織構化的目的是增加太陽光在太陽電池表面的反射次數，從而增加光的吸收。對于單晶硅襯底，一般采用堿溶液(如稀的氫氧化鈉溶液)在襯底表面形成金字塔形狀的絨面；而對于多晶硅襯底，一般采用氫氟酸、硝酸和水的混合溶液在襯底表面形成凹坑狀的絨面。 化學清洗的目的是去除襯底表面的雜質，為后續的擴散工藝做準備。 一般采用稀釋的鹽酸和氫氟酸進行清洗。
(b)高溫磷擴散制作前表面輕摻雜N型層 利用高溫磷擴散形成一層輕摻雜N型層。該輕摻雜N型層是采用三氯氧磷作為磷源，在800 IOO(TC的溫度下進行擴散得到的。為了減小前表面的平均摻雜濃度，該輕摻雜N型層的方塊電阻在45Q/ 口至lj 120 Q/ 口之間。
(c)在N型半導體襯底前表面制備介質膜
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介質膜的作用有三個一是作為減反射膜，增加太陽光的入射；二是起表面鈍化 作用，減少光生載流子在電池表面的復合；三是作為后續化學鍍、電鍍的掩模，避免在電極 區域以外的地方鍍上金屬。 本發明所述的介質膜是指單層氧化硅、氮化硅、非晶硅或氧化鋁膜，或任意上述單 層膜組成的疊層膜。
(d-l)在N型半導體襯底背表面制備鋁電極 對于鋁背發射極N型太陽電池，鋁電極除了收集電流外，還作為摻雜劑在燒結過 程中對N型半導體襯底進行P型摻雜，從而形成p-n結。 本發明所述的鋁電極可以采用絲網印刷、濺射或蒸鍍方法進行制備。該鋁電極覆 蓋N型半導體襯底表面的全部面積或除邊緣外的大部分面積。
(d-2)高溫燒結形成背表面P型層從而獲得p-n結 對于鋁背發射極N型太陽電池，當燒結溫度高于鋁硅共晶點溫度575t:時，鋁硅界 面將形成共融的鋁硅合金層。因此在575 100(TC即不低于鋁硅共晶溫度的環境下對太陽 電池進行熱處理。在燒結的冷卻過程中，熔融的硅重結晶并析出超出其固溶度的鋁，但是仍 有微量的鋁原子殘留在硅襯底的重結晶區域。這個重結晶區域呈P型導電類型，與N型襯 底構成p-n結。 (e)在N型半導體襯底背表面制備銀電極 采用印刷、濺射或蒸鍍方法在背表面制作銀電極。
(f)在N型半導體襯底前表面涂覆磷源 涂覆磷源主要是為后續的激光摻雜提供雜質源。本發明所述的涂覆磷源步驟是通 過噴涂、旋涂或絲網印刷實現的，所述的磷源是指磷酸、磷酸-乙醇混合溶液、高溫磷擴散 時形成的磷硅玻璃層或其它含磷物質。
(g)在N型半導體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區域 激光摻雜是為了在襯底前表面形成局域重摻雜N型區域。制作過程中采用激光掃
描涂有磷源的襯底表面，激光產生的高溫使該區域內的襯底材料熔融并與磷源混合形成重
摻雜的N型區域。由于重摻雜N型區域的作用是與金屬電極形成歐姆接觸，所以該區域的
摻雜濃度要足夠高，本發明要求其方塊電阻不大于45Q/ □;此外，激光摻雜區域要與設計
的太陽電池前電極形狀一致， 一般呈梳狀分布在太陽電池前表面。
(h)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區域上制作前電極 本發明所述的前電極是用銀、銅、鎳、錫或含有上述元素的合金組成，該前電極位 于激光燒蝕所產生的凹槽內，覆蓋于局域重摻雜N型層之上。銀、銅的電阻率低，有利于獲 得低的電極體電阻；鎳與硅的接觸電勢低，有利于形成良好的歐姆接觸；而錫的焊接性能 好，有利于提高太陽電池和互聯條之間的結合力。本發明提出的一種技術方案是先采用化 學鍍方法在局域重摻雜N型層鍍一層薄的鎳電極，再用電鍍方法在鎳電極上鍍銀或銅。另 一種技術方案是直接采用電鍍方法鍍鎳，再電鍍銅或銀。如果選用銅作為電極，還需要在銅 上電鍍一層錫或銀，這樣可以提高電極的可焊性。 本發明的第二個技術方案是利用高溫硼擴散過程形成背表面p-n結，高溫磷擴散 形成前表面輕摻雜層，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型區域，并用化學鍍或電鍍方法 在上述重摻雜N型區域上制作前電極，具體包括以下步驟
(a)對N型半導體襯底進行表面織構化并進行化學清洗； (b)高溫磷擴散制作前表面輕摻雜N型層； (c)在N型半導體襯底前表面制備介質膜； (d)高溫硼擴散形成背表面P型層從而獲得p_n結； (e)在N型半導體襯底背表面制備銀電極和鋁電極并進行高溫燒結； (f)在N型半導體襯底前表面涂覆磷源； (g)在N型半導體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區域；
(h)用化學鍍、電鍍方法在重摻雜N型區域上制作前電極。 第二個技術方案與第一個技術方案基本一致，只是(d)步驟有所不同。其實質是 用高溫硼擴散過程代替鋁硅合金化過程來形成p-n結。高溫硼擴散過程是指采用三溴化硼 作為硼源，在800 100(TC的溫度下對襯底進行P型摻雜的過程。 本發明提供的的選擇性前表面場N型太陽電池制作方法具有工藝簡單，適合工業 化生產，成本低廉和無需二次對位等特點。
圖1為選擇性前表面場N型太陽電池結構示意圖； 圖2為選擇性前表面場N型太陽電池的傳統制作方法； 圖3為本發明提供的選擇性前表面場N型太陽電池制作方法之一 ； 圖4為本發明提供的選擇性前表面場N型太陽電池制作方法之二 ； 圖1 4中，1、N型半導體襯底，2、重摻雜N型半導體層，3、介質膜，4、背表面鋁電
極，5、背表面銀電極，6、金屬前電極，7、P型半導體層，8、磷源，9、輕摻雜N型半導體層。
具體實施方式
實施例1 圖3是本發明提供的選擇性前表面場N型太陽電池制作方法的第一個技術方案， 具體包括以下步驟 (a)對N型半導體襯底進行表面織構化并進行化學清洗 對于N型單晶硅襯底，采用稀的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液在襯底表面制作金字塔 形狀的陷光結構；對于N型多晶硅襯底，采用硝酸、氫氟酸混合溶液在襯底表面制作凹坑狀 的陷光結構。隨后，分別采用稀釋的鹽酸和氫氟酸對襯底進行清洗。
(b)高溫磷擴散形成前表面輕摻雜N型層 采用三氯氧磷作為摻雜源，在800-1000°C (如850°C )溫度下對半導體襯底進行 擴散得到輕摻雜N型層。該N型層的方塊電阻控制在45Q/ 口到120Q / 口，如90Q / □。
(c)在N型半導體襯底前表面制備介質膜 采用熱氧氧化在襯底表面生成一層約lOnm的氧化硅薄膜，再用等離子體增強化
學氣相沉積方法在襯底前表面沉積約70nm的氮化硅薄膜。 (d-1)在N型半導體襯底背表面制備鋁電極 在襯底背表面絲網印刷約25iim厚的鋁漿料并烘干。 (d-2)高溫燒結形成背表面P型層從而獲得p_n結
采用鏈式燒結爐對太陽電池進行高溫燒結，最高溫度取575 IOO(TC ，如850°C 。
(e)在N型半導體襯底背表面制備銀電極 采用印刷、濺射或蒸鍍的方法在N型半導體襯底背表面制備金屬銀電極。
(f)在N型半導體襯底前表面涂覆磷源 采用旋涂方法在硅片前表面涂覆一層磷酸_酒精溶液。
(g)在N型半導體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區域 用激光在襯底前表面進行掃描，激光摻雜區域的方塊電阻控制在45Q / 口以下，
如20 Q / □。
(h)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區域上制作前電極 利用化學鍍在重摻雜N型區域上鍍鎳電極，再采用電鍍方法在鎳電極上鍍銀。 實施例2 圖4是本發明提供的選擇性前表面場N型太陽電池制作方法的第二個技術方案， 具體包括以下步驟 (a)對N型半導體襯底進行表面織構化并進行化學清洗；
(b)高溫磷擴散形成前表面輕摻雜N型層；
(c)在N型半導體襯底前表面制備介質膜； (d)高溫硼擴散過程形成背表面P型層，從而得到背表面p_n結(采用三溴化硼作 為摻雜源，在800-1000°C的溫度下進行P型擴散)； (e)在N型半導體襯底背表面絲網印刷制備銀電極、鋁電極，并進行高溫燒結； (f)在N型半導體襯底前表面涂覆磷源； (g)在襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區域； (h)用化學鍍、電鍍方法在重摻雜N型區域上制作前電極。 本實施例除步驟(d)夕卜，其它步驟與實施例1 一致。 總之，本發明例舉了上述優選實施方式，但是應該說明，本領域的技術人員可以根 據本發明公開的各參數的取值范圍及各參數的種類進行各種變化和改型，如本發明所述的 介質膜可以是單層氧化硅、氮化硅、非晶硅或氧化鋁膜，或任意上述單層膜組成的疊層膜； 本發明所述的鋁電極可以采用絲網印刷、濺射或蒸鍍方法進行制備；在背表面制作銀電極 可以采用印刷、濺射或蒸鍍方法；本發明所述的涂覆磷源步驟是通過噴涂、旋涂或絲網印刷 實現的，所述的磷源是指磷酸、磷酸_乙醇混合溶液、高溫磷擴散時形成的磷硅玻璃層或其 它含磷物質。因此，除非這樣的變化和改型偏離了本發明的范圍，否則都應該包括在本發明 的保護范圍內。
權利要求
一種選擇性前表面場N型太陽電池的制作方法，其特征在于，利用鋁硅合金化過程或高溫硼擴散過程形成背表面p-n結，高溫磷擴散形成前表面輕摻雜N型層，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型區域，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區域上制作前電極，具體包括以下步驟(a)對N型半導體襯底進行表面織構化并進行化學清洗；(b)高溫磷擴散制作前表面輕摻雜N型層；(c)在N型半導體襯底前表面制備介質膜；(d)在N型半導體襯底背表面制作p-n結；(e)在N型半導體襯底背表面制作銀電極和鋁電極；(f)在N型半導體襯底前表面涂覆磷源；(g)在N型半導體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區域；(h)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區域上制作前電極。
2. 根據權利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(b)所述的高溫磷擴散是指采用三氯氧磷作為磷源，在800 IOO(TC的溫度下對N型半導體襯底進行N型摻雜，所述的輕摻雜N型層的方塊電阻在45Q/ 口至120 Q/ 口之間。
3. 根據權利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(d)所述的p-n結制作是指利用鋁硅合金化過程或高溫硼擴散過程來制作p-n結。
4. 根據權利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的利用鋁硅合金化過程形成p_n結的方法包括以下步驟(a) 采用絲網印刷、濺射或蒸鍍的方法在N型半導體襯底上覆蓋一層鋁電極；(b) 在575 IOO(TC即不低于鋁硅共晶溫度的環境下對太陽電池進行熱處理。
5. 根據權利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的利用高溫硼擴散過程形成p_n結的方法是指采用三溴化硼作為硼源，在800 100(TC的溫度下對N型半導體襯底進行P型摻雜的過程。
6. 根據權利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(f)所述的涂覆磷源采用噴涂、旋涂或絲網印刷方式予以實現，所述的磷源是指磷酸、磷酸-乙醇混合溶液或高溫磷擴散時形成的磷硅玻璃層。
7. 根據權利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(g)所述的激光摻雜是指采用激光燒蝕N型半導體襯底，把燒蝕區域內的襯底材料熔融并與磷源混合形成局域重摻雜N型區域。
8. 根據權利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述的局域重摻雜N型區域呈梳狀分布在太陽電池前表面，該區域的方塊電阻不大于45 Q / □。
9. 根據權利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(h)所述的前電極由銀、銅、鎳、錫或含有上述元素的合金組成。
10. 根據權利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述的前電極位于局域重摻雜N型層之上。
全文摘要
本發明公開了一種選擇性前表面場N型太陽電池的制作方法，該方法利用鋁硅合金化過程或高溫硼擴散過程形成背表面p-n結，高溫磷擴散形成前表面輕摻雜N型層，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型區域，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區域上制作前電極。本發明與傳統制作工藝相比具有工藝簡單、成本低廉、無需二次對位的優點。
文檔編號H01L31/18GK101764179SQ200910214459
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者楊灼堅, 梁宗存, 沈輝, 洪瑞江, 陶龍忠 申請人:中山大學