用于制造n型單晶硅太陽能電池的方法以及根據這樣的方法制造的太陽能電池的制作方法

專利名稱：用于制造n型單晶硅太陽能電池的方法以及根據這樣的方法制造的太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1前序部分所述的用于制造n型單晶硅太陽能電池 的方法以及根據這樣的方法所制造的太陽能電池，其中所述太陽能電池具有背側的p+發 射極和空間上分開的背側的近表面地高度摻雜的n++基極區域、以及叉指式背側接觸指結 構，所述叉指式背側接觸指結構分別與P+發射極區域和n++基極區域導電地相連接。
背景技術：
多年以來，n型單晶硅晶片上的背側接觸式太陽能電池已被不同的太陽能電池制 造商開發出并且一部分已經在市場上銷售。在此，例如可以參考SunPower公司的所謂的A300電池(參見W.D.Mulligan， D.H.Rose, M.J.Cudzinovic, D.M.DeCeuster, K.R.Mcintosh, D.D.Smith, R.M.Swanson,
"Manufacture of solar cells with 21% efficiency”，第 19 屆歐洲光伏太陽能會議的學報，
巴黎，法國(2004))。A300電池是一種所謂的叉指式背觸式電池(Back Contact Cell， IBC)，這意味著不僅發射極接觸帶、而且BSF (Back Surface Field(背表面場))接觸帶 以及基極接觸帶都位于電池背側，并且如兩個彼此交錯的叉狀結構那樣被構造。同一表面上的彼此相鄰的n型摻雜的半導體區域和p型摻雜的半導體區域所需的 電隔離可以通過不同的方法來解決。因此所存在的可能性是，通過如下方式將兩個區域 置于不同的高度借助激光燒蝕除去圍繞被設置成基極接觸部的區域的在背側表面上所 沉積的氧化硅(P.Engelhardt，N.-P.Harder, T.Neubert, H.Plagwitz, B.Fischer, R.Meyer 禾口 R.Brendel， "Laser Processing of 22 % Efficient Back-Contacted Silicon Solar Cells"，第 21屆歐洲光伏太陽能會議，德累斯頓，2006，第1頁)。在已經利用濕化學蝕刻去除了由激光工藝所引起的表面損傷以及大致20 ym的 硅以后，利用標準P0C13I藝來用磷同時在背側的被加深的區域中、在前側、以及在前 發射極和背側發射極之間的連接孔中進行發射極摻雜。然后，通過單個鋁汽化滲鍍步驟進行兩個區域的金屬化，其中通過在半導體表 面中的所產生的幾乎垂直的階梯結構處使金屬薄層斷裂來使接觸區域彼此電隔離。用于制造經鈍化的發射極以及與兩個半導體區、即基極和發射極的局部點接觸 的技術同樣是公知的，并且在文獻中被評價(參見R.A.Sinton，Y.Kwark, R.M.Swanson, "Recombination Mechanisms in Silicon Solar Cells”，14th Project Integration Meeting,
Photovoltaic Concentrator Technology Project, 1986 年六月，第 117 至 125 頁)。鈍化層的局部開口(其同時是半導體區與位于其之上的金屬電流路徑 (Strombahn)之間的絕緣)越來越多地利用激光來實現。在此，一方面使用所謂的激光 燒蝕，以便僅僅局部地除去絕緣層。另一方面，使用所謂的激光燒結接觸(Laser Fired Contacts, LFC)方法，其中通過激光閃光使汽化滲鍍或者濺射的鋁層移動穿過絕緣層， 以便接觸位于其之下的半導體區。
5
從DE 696 31 815 T2中公知的是，將AISi共晶體用作p型發射極結構的導體基 底，其中所述導體基底在鋁穿過背側的預先已擴散進去的n+層而擴散到硅中之后表面地 產生。此外，那里的解決方案使用如下的方式穿過氧化物窗口將鋁膏絲網印刷到n型 基極區域上。該解決方法的缺點是，必須在一個步驟中、即大面積地實施對鋁發射極的 鋁摻雜和接觸，使得發射極的面積和金屬接觸部的面積相同。因此，不可能實現具有局 部接觸部的發射極的鈍化。其結果是大的表面復合速度以及由此相對低的效率。用于制造局部接觸部的激光燒蝕和LFC方法都具有的缺點是，這些方法具有順 序的性質。這意味著，必須為每個晶片單獨地相繼制造孔。

發明內容
因此根據上述方面，本發明的任務是提供一種經過改進的用于制造n型單晶硅 太陽能電池的方法，所述太陽能電池具有背側經過鈍化的p+發射極和空間上分開的近表 面地高度摻雜的n++基極區域、以及具有叉指式背側接觸指結構，其中該方法能夠實現高 的生產率并且避免現有技術的缺點。除此之外，將提供如下的可能性將技術步驟、尤其是那些在生產工藝中時間 成本高的步驟聯合，以便保證進一步改善生產率。此外還成立的是，為太陽能電池的制造開發來自微電子芯片生產的節省晶片的 技術、比如分別用不同的鹵素等離子體以及噴墨對鋁和氧化物進行濺射、汽化滲鍍、 CVD、掩模干法蝕刻。本發明的任務的解決方案在方法方面利用根據權利要求1的教導進行，并且在 太陽能電池方面利用按照根據權利要求26的特征組合的主題進行，其中從屬權利要求描 述至少適宜的擴展方案和改進方案。對本發明重要的是制造背側的局部擴散和鈍化的鋁發射極以及如下可能性在 背側和前側的近表面的n基極區域中同時進行n型硅的兩側和局部的n+摻雜。根據本發 明，可以在用于擴散所選發射極摻雜材料鋁和所選BSF/FSF摻雜劑磷的共同的溫度處理 步驟中進行針對要構造的發射極和BSF區域或FSF區域的擴散步驟。晶片可以在施加和結構化用于發射極摻雜的含鋁原始層以前已經在一側上被紋 理化(texturiert)。但是同樣可能的是，晶片的紋理化在沉積鋁并且用耐蝕刻的氧化物在 背側涂覆所述鋁以后才進行，使得發射極以及由此背側的大部分保持未被紋理化。此外，本發明還說明了直到完成的背側接觸式太陽能電池的工藝序列是怎樣 的，具體而言，包括前側和背側的鈍化、以及包括化學或電鍍強化的接觸結構制造。對本發明重要還有，在完成的太陽能電池上體現出的發射極摻雜材料和基極摻 雜材料的側向隔離、以及由此用于太陽能電池的電池制造的新型技術。根據本發明的方法的基礎是將鋁薄層或含鋁薄層沉積在n型硅晶片的背側以及 接著對所述薄層進行結構化，其中在之后的基極接觸部的區域中獲得開口。在另一工藝 步驟中，然后使鋁擴散到n型硅晶片中以用于構造結構化的發射極層。之后，鋁層或含 鋁層在其本身被擴散到晶片中以前被結構化。所提到的鋁薄層可以通過汽化滲鍍或濺射工藝被沉積在晶片上。對所沉積的鋁薄層的結構化優選地通過選擇性的蝕刻帶狀地進行。在此，可以通過金屬掩模使用干法蝕刻法，其中也可以使用有機掩模。當然，也可以進行濕化學蝕 刻或者借助局部地印刷蝕刻膏進行選擇性的蝕刻。在另一方法步驟，用介電保護層整面地覆蓋結構化的發射極層。此外，所述 保護層在之后的基極摻雜的區域中被開口，這再次可以通過蝕刻或借助于蝕刻掩模來實 現。接著，硅晶片經歷紋理化，其中該紋理化在晶片前側和介電保護層中的開口的 區域中進行。這些開口可以通過帶狀蝕刻掩模被構造，其中所產生的開口的寬度小于晶片中 的不含鋁的帶狀區域的寬度。為了構造近表面地高度摻雜的I1++BSF基極區域，在介電保護層中的開口的區域 中用高度含磷的材料進行覆蓋。該覆蓋可以通過借助于絲網印刷或模板印刷施加膏、通過噴墨成局部堆積物(in lokalen Depots)等等方法來進行。在需要時，所施加的膏經歷干燥步驟。然后，BSF摻雜材料在單級或多級的溫度處理步驟中被擴散。作為發射極摻雜劑的鋁的擴散以及BSF摻雜材料的擴散可以以在工藝上特別經 濟的方式在共同的處理步驟中進行。通過在含磷的、尤其是P0C13氣氛中進行另外的溫 度處理，可以在晶片前側產生平坦的磷擴散層(FSF-Front Surface Field(前表面場))，所 述磷擴散層具有可以通過處理溫度和處理時間被調節的層電阻。通過蝕刻池除去摻雜材料的剩余部分、所形成磷硅酸鹽玻璃、絕緣層的剩余部 分、以及所形成AISi共晶體層，使得然后露出發射極區域、BSF區域、以及可能存在的 前側的n+FSF結構。接著，用鈍化層、例如氧化硅層覆蓋晶片。然后，晶片背側被局部地在發射極 區域和BSF區域上去除鈍化層。接著，整個晶片背側被覆蓋以導電的、尤其是鋁層。然 后，所述導電層用于形成叉指式接觸指結構。通過簡要概述的方法，得出一種新型的太陽能電池，其中在晶片背側上的 n++基極區域具有距p+發射極區域的側向間距，并且至少n++基極區域具有在原始晶片 (Ausgangswafer)的n型基極濃度(n-Basiskonzentration)之下的發射極摻雜材料濃度。


下面將根據實施例參考各個工藝步驟的示意圖來進一步闡述本發明。
具體實施例方式根據圖1，在第一方法步驟，用鋁層或含鋁層3覆蓋在所示的例子中為未紋理化 的n型硅晶片1的整個背側2b，所述鋁層或含鋁層3形成發射極摻雜劑。晶片的前側用 附圖標記2a標出并且背側用附圖標記2b標出。在另一步驟，含鋁層3被促使接觸掩模5a并且通過干法蝕刻步驟在含氯氣的等 離子體7a中被結構化(參見圖2和3)。可替代地，也可以例如通過所謂的噴墨來施加有機掩模層，并且然后利用濕化學手段在露出的區域中對鋁進行蝕刻。在兩種所闡述的技術變型中，在掩模5a的穿孔6a的區域中都產生長形的帶狀的
開口 4。之后，BSF摻雜材料以距鋁邊緣的側向間距擴散到鋁層3中的帶狀開口 4中。現在，根據本發明的另一工藝步驟是，用電介質層8涂覆帶狀結構化的含鋁層 3(參見圖4)。電介質層8可以由諸如Si02、Ti02或者A1203的氧化物制成。同樣可以構造同樣防止磷擴散的氮化硅層。層8的沉積可以通過反應濺射或者 通過CVD或者PECVD法來進行。在另一方法步驟，然后根據圖5，通過掩模蝕刻步驟在另一掩模5b的穿孔6b區 域中除去電介質層8。這里，這可以是在含氟氣的等離子體7b中穿過金屬膜掩模進行的干法蝕刻步 驟、或者在含氟氣的等離子氣氛中穿過有機掩模層進行的干法蝕刻步驟、或者通過有機 掩模層進行的濕化學蝕刻工藝。根據本發明，掩模5b中的帶狀穿孔6b以及由此產生的在電介質層8中露出的帶 狀區域9比掩模5a中以及由此含鋁層3中的帶狀穿孔6a更窄。通過這種方式避免在下一個工藝步驟中的磷摻雜時可能出現發射極區域與BSF 區域之間的短路。根據按照圖6的圖示，現在在例如由KOH和異丙醇(IPA)構成的浸滲池中進行 按標準的紋理化。由于含鋁層3受介電層8保護，因此該紋理化僅僅在晶片前側2a上以 所期望的方式進行并且在晶片背側上的露出的帶狀區域9b中進行。接著，用高度含磷的材料、優選膏覆蓋發射極層4的開口中的覆蓋層8中的穿孔 9，其中所述膏例如借助于絲網印刷技術、模板印刷、或者噴墨被堆積成晶片1的表面上 的局部堆積物10。在必要時，該膏在例如150°C至200°C的溫度下經歷干燥步驟。根據按照圖8和9的圖示，在存在如下可能性的情況下進行單級的或可選的兩 級的熱處理發射極摻雜劑鋁和來自經過干燥的含磷層10b的BSF摻雜材料磷共同擴散 (Kodiffusion)。第一溫度處理步驟在900°C至1100°C之間的范圍中的溫度下在導致所期望的共 同擴散的氮氧混合物中進行(圖8)。第二處理步驟在800°C至1000°C的溫度下可選地進 行、更具體而言在含磷氣體13、優選進行。第一高溫步驟導致硅和鋁的互擴散，并且產生具有共晶AISi組織的近表面的混 晶層3b、以及具有A1分布11的p+摻雜層。同時，來自前導堆積物(precursordepot) 10b 的磷擴散到BSF區域9b、硅表面中，并且產生深的n++摻雜12。由于鋁擴散所需的> 1000°C的高溫，與在其它情況下常規的900°C左右的P擴散 工藝相比，磷的該擴散分布被構造得更深。根據圖9的在所述通常更低的溫度下、但這次利用？003氣氛進行的可選的第二 溫度處理步驟導致除了至背側9b的BSF區域中的深的P擴散，還在前側2a上進行平 坦的P擴散，所述平坦的P擴散形成具有可以通過溫度和時間被調節的、即優選高的層電 阻的 FSF 層(Front Surface Field (前表面場))14。當然，也可以在用含磷膏涂覆的步驟之前并且與接下來的第二溫度處理步驟無關地執行第一溫度處理步驟。在此，所得到的優點是，可以與較高溫度下的第一擴散步 驟的工藝參數無關地優化較低的溫度下的第二擴散步驟的工藝參數。當不期望作為前側鈍化部的前表面場層14時，同樣可以取消優選利用P0C13在 含磷氣氛中進行的附加的平坦擴散。另一方面，尤其是當第一磷擴散步驟也利用P0C13 進行時，該鈍化也可以在附加的第三擴散工藝中進行。在下面的另一工藝過程中、更具體而言根據圖10，在分別合適的蝕刻池中蝕去 摻雜膏10b的剩余部分、所形成的磷硅酸鹽玻璃PSG 14b、介電掩模層8、以及AISi共晶 體層3b，使得發射極區域11、BSF區域12、以及前側的n+層14露出。如利用圖11所示的那樣，在另一方法步驟，例如通過晶片兩側在水蒸汽氣氛中 的熱氧化來用電介質進行兩側的涂覆，使得得到前側15a和背側15b上的氧化硅層。可選地存在的可能性是，在兩個晶片表面上構造熱氧化物以后，用薄鋁層涂覆 兩側。在此，該層厚度優選地處于lOnm至lOOnm之間的范圍中。結果得到前側的上的 鋁層16a以及背側上的鋁層16b。然后，晶片以在350°C至450°C之間的范圍中進行熱處 理的方式被涂覆。這樣實現的退火工藝(Alnealing-Prozess)產生極好的表面鈍化結果(參 見圖12)。如圖11所示，在蝕去鋁層以后，晶片再次處于某種狀態。此外，如圖13所示，所有發射極區域和BSF區域上、即例如同時通過含氟氣的 等離子體7b中的掩模干法蝕刻或者在沒有掩模的情況下例如借助于激光燒蝕來局部地除 去的背側上的鈍化層15b。在此，同樣可以在沉積基本金屬化部以后使用本身公知的LFC法。掩模17中的BSF區之上的開口 18b以及發射極區11之上的開口 18a小于前述蝕 刻步驟的掩模5b中的開口 6b。一方面，這使得易于將掩模或掩模層17與已經存在的結構對準，并且另一方 面，金屬化部與半導體材料的接觸區域將盡可能小，以便限制表面復合。在下面的工藝步驟，用鋁層20覆蓋整個背側，使得由此在前述蝕刻步驟中露出 的所有接觸面20a和29b都被金屬化，而否則通過層15b與半導體區、即發射極11和BSF 12絕緣(參見圖14)。現在，通過優選地通過結構化的噴墨印刷施加耐酸層21來將鋁層20劃分成發射 極接觸路徑和BSF接觸路徑。所述施加以如下方式進行在所打算的接觸區域22b之間 空出長形的間隙22a，其中在所述間隙22a中，酸23選擇性地蝕刻鋁、即不侵蝕氧化硅， 除去鋁(參見圖15)。在噴墨印刷的情況下，要么使用凝結的有機膏，要么使用熱熔蠟， 所述熱熔蠟在熱的情況下被噴涂并且在冷卻時在晶片上硬化。還可以使用經歷干燥工藝 的合適的墨料。如圖16所示，在補充性的工藝步驟中，在優選地由氮化硅構成的前側上形成抗 反射層24。該抗反射層在厚度和折射率方面被構造為在來自陽光的能量的捕獲方面的最 優效率。該抗反射層24的沉積例如可以通過等離子體輔助的CVD或者通過反應濺射進 行。在此，優選地使用等離子體CVD法，因為該方法在400°C以上、但是在500°C以 下的溫度下進行并且因此導致鋁接觸層20的回火并且因此導致接觸電阻減小，而沒有在577°C的共晶溫度下AISi液化的危險。作為補充地，根據圖17，可以在一個化學或電鍍池25中或者在可能光支持的沉 積工藝中同時給背側的所有接觸部設置厚的金屬導電層。在此，產生發射極印制導線增 強部26a以及BSF印制導線增強部26b。相應的層可以要么由單種材料鎳或銅或銀構成， 要么由不同材料例如Ni+Cu+Sn或Ni+Ag或Ni+Au的多個單個的層構成。如圖18所示，在清洗和干燥晶片以后，背側接觸式太陽能電池是能夠運行的。 不需要邊緣絕緣，因為通過側向間距和通過氧化物覆蓋來保證發射極區域11和BSF區域 12的隔離。
權利要求
1.一種用于制造η型單晶硅太陽能電池的方法，所述η型單晶硅太陽能電池具有背側 的P+發射極和空間上分開的背側的近表面地高度摻雜的η++基極區域、以及叉指式背側接 觸指結構，所述叉指式背側接觸指結構分別與P+發射極區域和η++基極區域導電地相連 接，其特征在于，將鋁薄層或含鋁薄層沉積在η型硅晶片的背側，并且接著對所述薄層進行結構化， 其中在之后的基極摻雜的區域中獲得開口，在另一工藝步驟中，使鋁擴散到η型硅晶片 中以構造結構化的發射極層。
2.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，通過汽化滲鍍或濺射工藝來沉積所述鋁薄層。
3.根據權利要求1或2所述的方法， 其特征在于，對所沉積的鋁薄層的結構化通過選擇性的蝕刻帶狀地進行。
4.根據權利要求3所述的方法， 其特征在于，借助金屬掩模來執行干法蝕刻。
5.根據權利要求3所述的方法， 其特征在于，借助于有機掩模進行干法蝕刻。
6.根據權利要求3所述的方法， 其特征在于，借助于有機墨料掩模以濕化學方式執行蝕刻步驟。
7.根據權利要求3所述的方法， 其特征在于，所述選擇性的蝕刻通過局部地印刷蝕刻膏來進行。
8.根據前述權利要求之一所述的方法， 其特征在于，在鋁擴散步驟結束以后除去所存在的薄層的剩余部分。
9.根據權利要求1至7之一所述的方法， 其特征在于，用介電保護層整面地覆蓋結構化的發射極層，并且所述層在之后的基極接觸部的區 域中被開口。
10.根據權利要求9所述的方法， 其特征在于，在之后的基極摻雜的區域中的開口借助于蝕刻掩模來構造。
11.根據權利要求9或10所述的方法， 其特征在于，所述硅晶片經歷紋理化。
12.根據權利要求11所述的方法， 其特征在于，所述紋理化在晶片前側和在介電保護層的開口的區域中進行。
13.根據權利要求10所述的方法， 其特征在于，所述開口通過帶狀掩模被構造，其中所產生的開口的寬度小于晶片中不含鋁的帶狀 區域的寬度。
14.根據權利要求12所述的方法， 其特征在于，為了構造近表面地高度摻雜的n++BSF基極區域，在介電保護層中的開口的區域中用 高度含磷的材料進行覆蓋。
15.根據權利要求14所述的方法， 其特征在于，所述覆蓋通過借助于絲網印刷或模板印刷來施加膏、通過噴墨成局部堆積物等等方 法來進行。
16.根據權利要求15所述的方法， 其特征在于，所施加的膏經歷干燥步驟。
17.根據權利要求14所述的方法， 其特征在于，所述BSF摻雜材料在單級或多級的溫度處理步驟中被擴散。
18.根據權利要求1至17之一所述的方法， 其特征在于，作為發射極摻雜劑的鋁的擴散以及BSF摻雜材料的擴散在共同的處理步驟中進行。
19.根據權利要求17或18所述的方法， 其特征在于，在含磷的、尤其是POCl3氣氛中進行另外的溫度處理，以便在晶片前側上產生平坦 的磷擴散層(FSF-Frant Surface Field，前表面場)，所述磷擴散層具有能夠通過處理溫度 和處理時間被調節的層電阻。
20.根據權利要求18或19所述的方法， 其特征在于，通過蝕刻池除去摻雜材料的剩余部分、所形成磷硅酸鹽玻璃、絕緣層的剩余部分、 以及所形成AlSi共晶體層材料，使得露出發射極區域、BSF區域、以及可能存在的前側 的n+FSF層。
21.根據權利要求20所述的方法， 其特征在于，用至少一個鈍化層覆蓋晶片。
22.根據權利要求21所述的方法， 其特征在于，晶片背側被局部地在發射極區域和BSF區域上去除鈍化層，以形成局部接觸部位。
23.根據權利要求22所述的方法， 其特征在于，用導電的、尤其是鋁層覆蓋整個晶片背側。
24.根據權利要求23所述的方法， 其特征在于，所述導電層被結構化以形成叉指式接觸指。
25.—種按照根據前述權利要求之一或多個所述的方法制造的太陽能電池。
26.一種按照根據權利要求1至24之一或多個所述的方法制造的太陽能電池， 其特征在于，晶片背側上的n++基極區域具有距ρ+發射極區域的側向間距，并且至少n++基極區域 具有在原始晶片的η型基極濃度之下的發射極摻雜材料濃度。
全文摘要
本發明涉及一種用于制造n型單晶硅太陽能電池的方法，所述n型單晶硅太陽能電池具有背側的鈍化的p+發射極(11)和空間上分開的背側的近表面地高度摻雜的n++基極區域(12)、以及叉指式背側接觸指結構(26a，b)，所述叉指式背側接觸指結構(26a，b)分別與P+發射極區域和n++基極區域導電地相連接。根據本發明，將鋁薄層或含鋁薄層沉積在n型硅晶片的背側，并且接著對所述薄層進行結構化，其中在之后的基極接觸的區域中獲得開口。然后在另一工藝步驟，使鋁擴散到n型硅晶片中以構造結構化的發射極層。
文檔編號H01L31/18GK102017165SQ200980113461
公開日2011年4月13日 申請日期2009年2月11日 優先權日2008年2月15日
發明者H-J·克羅科斯津斯基, J·洛森 申請人:羅伯特.博世有限公司