專利名稱：太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有雙面接觸作用的太陽能電池。
背景技術：
在一種由半導體晶片制造的(例如由硅制成的)、基于晶片的太陽能電池中，半導體晶片材料用作吸收物材料，以便吸收照射到一個朝向入射光的正面上的光并且將其轉化成電能。當半導體晶片包括多個充分電鈍化的表面時，該吸收物材料顯著地貢獻了太陽能電池中的復合損失并且因此限制了能量轉化效率。目前，基于晶片的硅太陽能電池市場由雙面接觸的太陽能電池所主導，該電池具有一個P型的基底層和一個η型的發射結構。該P型的基底層典型地是通過對半導體晶片進行硼摻雜而產生的，而其上的η型發射結構常規地是通過摻雜磷的方式形成的。發射結構和連接到其上的發射極被安排在正面，而基極被安排在半導體晶片的、與正面相對的一個背面上。簡單地說，在半導體中，與空穴相比，電子可能更容易被半導體材料中的缺陷所捕獲。除其他因素之外，這是同電子與空穴相比而言更高的遷移率相關的。另一方面，一種摻雜的半導體的物理特性主要是由半導體中的少數載流子決定的。因此，與具有相同的雜質水平或復合中心密度的η型半導體相比，以電子為少數載流子的ρ型半導體總體上展示了更高的復合活性。這種行為在物理上可以由所謂的肖克萊-里德-霍爾(Shockley-Read-Hall)形式來描述并且它在文獻中是已知的。此外，由柴氏法 (Czochralski process)生產并且后續通過摻雜硼而形成為ρ型半導體的硅晶片在光暴露下展示了更加負面的效果，其術語被稱為硼-氧降解。由于這種隨時間開始并發展的降解， 半導體中電荷載流子的復合率增加，這樣使得由其生產的太陽能電池經歷效率上的降低。被設計為η型的半導體沒有這些缺點，并且因此具有顯著更高的效率。基于由η 型晶片(本體材料)制成的η型基底層的高效率太陽能電池在工業生產中被設計成背面接觸式太陽能電池(背結式太陽能電池)或者具有異質觸點的太陽能電池。由于它們工藝復雜的設計，因此引入具有η型基底層的太陽能電池的工藝困難是非常大的。在EP 1732142Α1中披露了一種基于晶片的太陽能電池，它具有磷摻雜的基底層。 在這種η型半導體晶片的正面上安排有多個基極，它們通過一個基底接觸層而連接到基底層上。在半導體晶片的背面上放置有一個發射層以及其上的一個發射極，從而覆蓋了整個區域。雖然這種安排在工藝上是比先前說明的這兩種太陽能電池設計更簡單的，然而它具有電流收集概率非常低的缺點，因為通過半導體晶片正面上的入射光而產生的電荷載流子首先將必須通過相對厚的基底層才能被置于背面上的發射層所收集。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種在工藝上簡單地進行制造并同時具有高效率的太陽能電池。
根據本發明，這個目的是通過具有權利要求1所述特征的一種太陽能電池來實現的。本發明的有利實施方案是這些子權利要求的主題。本發明的基本構思是提供一種雙面接觸的太陽能電池，其中正面放置有多個基極而背面放置有多個具有發射結構的發射極，該發射結構包括放置在半導體晶片正面上的一個正面發射層。由于正面發射層被放置在正面上，在半導體晶片正面上由入射光產生的這些電荷載流子對是通過在發射結構與基底層之間的一個結而分離、并且作為電流通過基極和發射極而傳導出去。之后，在被背面發射層收集之前，這些電荷載流子不需要再穿過基底層。因此，它們在基底層中進行復合的概率降低了，從而導致太陽能電池效率的提升。正面發射層由此可以在正面上包括一個連續的區段或多個彼此分離的區段。例如這些區段可能由于放置在它們之間的多個基極而分離。為了將發射結構的正面發射層與半導體晶片背面上的發射極連接到一起，可以在半導體晶片中提供多個通孔，這些通孔的壁是被金屬化的或者這些通孔被導電材料完全填充。這樣一種結構被表述為金屬穿孔卷繞 (metal wrap through)(MWT)。發射極和/或基極可以通過施用金屬糊劑而產生，具體是將含銀的糊劑用于基極，并且將以下加熱處理(燒制處理)用于形成半導體電極觸點。在此，通過一種單一的加熱處理，可以從所施用的金屬糊劑來生產發射極以及基極兩者。金屬糊劑可以通過絲網印刷、通過噴墨印刷、或通過其他適合的工藝而施用。由于這種太陽能電池的雙面接觸作用， 可以將常規的互連技術和裝置用于將多個太陽能電池互連為一個太陽能電池模塊。具體而言，這些太陽能電池可以通過多個電池連接器而繼續被互連成太陽能電池串。在一個有利的實施方案中，所提供的是，該發射結構包括一個安排在半導體晶片背面上的背面發射層以及一個傳輸區域，該傳輸區域在一個晶片邊緣區域上延伸和 /或沿著在半導體晶片中形成的一個通孔的壁區域延伸到該半導體晶片的正面。該背面發射層、傳輸區域、以及正面發射層是連接到一起的或匯合到彼此中，并且因此，如果該傳輸區域沿著這些通孔的壁區域延伸的話它們就形成了一種所謂的發射極穿孔卷繞 (emitter-wrap-around) (EffT)結構，或者如果該傳輸區域在晶片邊緣區域上延伸的話就形成了一種發射極周圍卷繞(mitterirap-around) (EffA)結構。在一個優選的實施方案中，所提供的是，該發射結構在半導體晶片的正面的至少約92%上、優選在至少約95%上延伸。換言之，正面發射層延伸了半導體晶片正面的至少 92%或95%。在此，正面發射層自身可以被一個或多個層、例如一個減反射層所覆蓋。在一個有利的實施方案中，所提供的是，該基極通過一個基底接觸結構而連接到基底層上，由此該基底接觸結構包括多個間隔開的基底接觸區域和/或一個正面基底接觸層。這些間隔開的基底接觸區域優選是指形的，并且可以在一個基底匯流排之下彼此鄰接， 或者它們可以通過一個基底匯流排而相互電連接。當提供了一個正面基底接觸層時，可以將半導體晶片正面上的多個基極通過一個公共的正面基底接觸層而連接到基底層。這樣一種有利地在半導體晶片的基本上整個正面上延伸的正面基底接觸層具有以下優點，即它增加了用于從基底層中收集的電荷載流子的、太陽能電池的側向傳導率。這些電荷載流子還可以首先沿最短路徑流動通過基底層到達正面基底接觸層，并且從這里以更低的電阻到達各單獨的基極。另一方面，彼此間隔開的基底接觸區域具有以下優點，即半導體晶片正面通常具有更高的電流收集概率，因為在這些基極之間的表面區域中沒有基底接觸區域。為了使半導體正面的復合損失最小，可以將正面基底接觸層沿半導體晶片正面的一個實質性部分形成為特別薄的，而在這些基極的緊鄰附近區域中和/或剛好在基極下方處是較厚的。在此， “較厚”是指以下兩個實施方案，一種實施方案中這些對應的區域或層具有物理上更大的豎直范圍，而另一種實施方案中增大了在這些對應的區域或層處的摻雜密度。大體上，剛好在金屬基極以下之處的復合損失通過增大摻雜密度、或者通過將此處的基底接觸區域或正面基底接觸層上增厚而得以最小化。與此相反，在沒有金屬化作用的表面區域處的復合損失(例如在這些指形基極之間的區域內)是通過使此處的基底接觸區域或正面基底接觸層更不顯著或甚至使之不存在而得以最小化。這些基底接觸區域可以是指形的并且可以包括在多個匯流排之下的多個基底接觸區域。替代性地，可以在沒有匯流排的情況下形成太陽能電池，這樣使得這些指形的基底接觸區域在半導體上的正面上的任何位置都不彼此鄰接。另一方面，在一個有利的實施方案中，這些基底接觸區域可以形成為點狀，由此這種基底接觸點必須提供用于后續接觸的適當的最小表面。這些基底接觸點優選安排為一種網格圖案。這些點狀的基底接觸區域是不僅彼此間隔開、而且還是彼此分離的基底接觸區域，即它們不通過另外的基底接觸區域而彼此電連接、而是僅通過該基底層或另外通過基極或通過用于將太陽能電池互連成模塊的互連元件。這也適用于先前描述的、在沒有基底匯流排的太陽能電池中的指形基底接觸區域。優選地，所提供的是，正面發射層被安排在基底層與正面基底接觸層之間。為此， 例如該發射結構可以首先產生在整個半導體晶片上，例如通過熱擴散。隨后在正面發射層中產生多個發射層開口，通過這些開口，可以進行基底層與基底接觸結構之間的接觸作用。 之后，在半導體晶片的正面上產生正面基底接觸層。在一個有利的實施方案中所提供的是，該正面基底接觸層被安排在正面發射層與基底層之間。于是，在此，與先前描述的實施方案相比，該正面基底接觸層和正面發射層是以相反的順序安排在基底層上。其優點為，可以在基底層與這些基極之間形成一種更低電阻的電連接。在一個優選的實施方案中，所提供的是，基底接觸結構包括被安排在背面發射層與基底層之間的一個背面基底接觸層。在這種情況下，該背面基底接觸層不用于將基底層與這些基極進行電連接。取而代之地，它可以用于影響在基底層與背面發射層之間的過渡區域的物理性質。類似于正面基底接觸層或正面基底接觸區域的情況，背面基底接觸層的一個實質性優點是，它增加了基底層的側向傳導率。多數載流子(在η+型的背面基底接觸層的情況下是電子)可以在背面基底接觸層中自然地移動，以便重新發射到直接在正面基底接觸區域或基極區域正下方的基底層中。之后，這些多數載流子僅需要穿過相對薄的(例如 100-200 μ m)、高電阻的基底層并且到達正面基底接觸區域或基極。因此，背面基底接觸層與正面基底接觸層一樣，形成了一個等電勢表面。在一個有利的實施方案中，所提供的是，基底層、基底接觸結構和/或發射結構至少在多個區段中包括一種表面鈍化作用。表面鈍化作用優選被設計為一種表面鈍化層，它可以形成在基底層、正面基底接觸層、正面發射層和/或背面發射層上的多個區段中。它可以是一種化學的鈍化和/或優選是一種場效應鈍化。在此描述的所有實施方案中，可以提供另外的多個層，以便影響太陽能電池的光學和/或電學特性。其實例包括正面減反射層和背面反射層。此外，該半導體晶片的正面優選設置有紋理化效果，以便捕獲更大部分的入射光并因此增加太陽能電池的總效率。在一個優選的實施方案中，所提供的是，表面鈍化層包括氧化鋁(Al2O3)。這樣一種表面鈍化層優選是通過原子層沉積(ALD)來施用。在這種方式中，可以獲得非常有效的鈍化層，其厚度是可以非常精確地調節的。替代性地，還可以采用其他材料和方法來形成表面鈍化層，例如SiNx或者沉積的或熱生長的氧化硅。在一個有利的實施方案中，所提供的是，基底層包括一種η型的半導體，并且發射結構包括一種P型的半導體。在具有基底接觸結構的實施方案中，該基底接觸結構優選由一種η+型半導體形成。優選地所提供的是，基底接觸結構是通過半導體晶片的磷摻雜而制成的，并且發射結構是通過硼摻雜而制成的。在一個有利的實施方案中，所提供的是，該發射極形成為全區域背面金屬化物，它基本上完全覆蓋了半導體晶片的背面。可以通過將鋁糊劑施加到半導體晶片背面上的整個表面上并且通過后續的加熱處理步驟來生產發射極。然而優選的是，它是通過一種沉積工藝、例如通過物理氣相沉積(PVD)而生產，其中在此的金屬化物優選是用鋁形成的。在一個優選的實施方案中，所提供的是，基底層、發射結構和/或基底接觸結構是通過摻雜而形成在半導體晶片中的。在此，這些結構的多個部件、多個單獨的結構、或者甚至所有三個結構都可以通過對半導體晶片進行摻雜而產生，而無須采用額外的沉積方法。 在形成電極和其他的層時可以采用沉積和/或涂覆方法。
在下文中，參考附圖來描述本發明的多個示例性實施方案。在此，作為示意性的截面視圖圖1示出了具有一個正面基底接觸層和一個正面發射層的一種太陽能電池；圖2示出了根據另一個實施方案具有一個正面基底接觸層和一個正面發射層的一種太陽能電池；圖3示出了在半導體晶片的正面上具有多個間隔開的基底接觸區域的一種太陽能電池；并且圖4示出了具有一個正面和一個背面基底接觸層的一種太陽能電池。
具體實施例方式圖1示出了具有一個半導體晶片1的太陽能電池，它包括一個基底層3。有利地， 基底層3從半導體晶片1中露出，其方式為通過磷摻雜而使該基底層進入一個η型半導體中。半導體晶片1可以是例如來自一個由柴氏法形成的硅晶片。半導體晶片1的正面2被紋理化，以便增大光捕捉概率并因此增大該太陽能電池的效率。紋理化作用在圖1至圖4 中通過一個有“鋸齒形”圖案的表面而示意性地展示出。在半導體晶片1的基底層3上，形成了一個發射結構6，該結構包括一個正面發射層61、一個背面發射層62、以及一個傳輸區域60。在此描述的、例如具有磷摻雜的η型基底層3的實施方案中，發射結構6形成為ρ型，優選通過硼摻雜而形成。傳輸區域60沿一個通孔8的壁區域延伸，該通孔形成到半導體晶片1之中，例如通過激光輔助的鉆削而形成。因此，根據圖1的實施方案中的太陽能電池被形成為一種EWT 太陽能電池(EWT為發射極穿孔卷繞)。在圖2至圖4所示的其他實施方案中也是這種情況。然而，在替代的實施方案中，通孔8可以僅是完全地或部分地金屬化的，這正是在一種 MWT太陽能電池中的情況(MWT為金屬穿孔卷繞)。在半導體晶片1的正面2上，一個正面基底接觸層91作為一個基底接觸結構9的一部分而形成在正面發射層61的整個表面上、并且通過正面發射層61中的多個發射層開口 63而連接到基底層3上。在正面基底接觸層91上安排有多個基極4，這些基極通過基底接觸結構9而電連接到基底層3上。在此描述的、具有η型基底層3的實施方案中，基底接觸結構9是由一種η+型半導體材料形成，例如再次通過磷摻雜形成。最后，半導體晶片1的正面2被一個表面鈍化層10覆蓋，其中為了接觸的目的而暴露出基極4。取代表面鈍化層10或者除此之外，還可以在正面2上提供一個減反射層。 表面鈍化層10可以例如是由SiNx或氧化鋁(Al2O3)制成的。在半導體晶片1的、與正面2相對的背面5上，包括鋁的一個全表面發射極7被置于背面發射層62上。發射極7可以例如通過施用金屬糊劑(例如通過絲網印刷而施加鋁糊劑)以及后續的熱處理來生產。然而，有利的是，發射極7通過物理蒸汽沉積(PVD)而形成，如果需要的話與其他的金屬化工藝相結合用于增強由此形成的金屬化層和/或用于增加其可焊接性。在發射極7與背面發射層62之間，將一個介電層11定位在背面5的一個區段上， 該介電層具有多個層開口 111，通過這些開口產生了發射極7與背面發射層62的接觸作用。 在此處所示的所有實施方案中，介電層11僅是可選的并且可以例如用于表面鈍化。為了這個原因，它優選是由氧化鋁制成的并且優選地通過原子層沉積(ALD方法)制成。圖2示出了該太陽能電池的另一個實施方案，它與圖1的實施方案的不同之處在于在半導體晶片1的正面2上，正面發射層61和正面基底接觸層91的順序發生了改變。 換言之，正面基底接觸層91是定位在基底層3與正面發射層61之間并且通過正面發射層 61中的多個發射層開口 63而與基極4相接觸。因此，半導體晶片1的正面2的光伏活性區域是通過在發射結構6與基底接觸結構9之間的一個結而形成的。太陽能電池的另一個實施方案在圖3中示出。相同的參考號用于相同的結構元件，并且為了避免重復，明確地參照先前的說明。與圖1和圖2中所示的實施方案不同，在此所示的基底接觸結構9包括(代替正面基底接觸層91)直接位于這些基極4之下的多個基底接觸區域90。最后，太陽能電池的另一個實施方案在圖4中示出，其中除正面基底接觸層91之夕卜，基底接觸結構9 (在根據圖2的實施方案中是形成在基底層3與正面發射層61之間)包括一個背面基底接觸層92。背面基底接觸層92在此不是為了將基底層3與基極4相連接而提供的。而是它用于增加該基底層的多數載流子的側向傳導率。此外，它可以用于影響在基底層3與半導體晶片1的背面5上的發射結構6之間的一個結的物理特性。在此處描述的η型基底層3中，背面基底接觸層92優選地像正面基底接觸層91 一樣形成為η+型。參考標號
1半導體晶片2半導體晶片的正面3基底層4基極5半導體晶片的背面6發射結構60傳輸區域61正面發射層62背面發射層63發射層開口7發射極8通孔9基底接觸結構90基底接觸區域91正面基底接觸層92背面基底接觸層10表面鈍化作用，表面鈍化層11介電層111層開口
權利要求
1.一種具有半導體晶片(1)的太陽能電池，該太陽能電池包括一個朝向入射光、具有一個基極的正面O)，該基極連接在該半導體晶片(1)的一個基底層C3)上；以及一個與該正面( 相對的背面(5)、該背面( 具有一個發射極(7)，該發射極連接到該半導體晶片(1)的一個發射結構(6)上，其特征在于，該發射結構(6)包括一個安排在該半導體晶片(1)的正面(2)上的正面發射層(61)。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，該發射結構(6)包括一個安排在該半導體晶片(1)的背面( 上的背面發射層(62)，以及一個傳輸區域(60)，該傳輸區域在一個晶片邊緣區域上延伸和/或沿著在該半導體晶片(1)中形成的一個通孔(8)的壁區域延伸到該半導體晶片(1)的正面O)。
3.根據權利要求1或2所述的太陽能電池，其特征在于，該發射結構(6)在該半導體晶片(1)的正面⑵的至少約92%上、優選在至少約95%上延伸。
4.根據以上權利要求之一所述的太陽能電池，其特征在于，該基極(4)是通過一個基底接觸結構(9)連接到該基底層(3)上，由此該基底接觸結構(9)包括多個間隔開的基底接觸區域(90)和/或一個正面基底接觸層(91)。
5.根據權利要求4所述的太陽能電池，其特征在于，該正面發射層(61)被安排在該基底層(3)與該正面基底接觸層(91)之間。
6.根據權利要求4所述的太陽能電池，其特征在于，該正面基底接觸層(91)被安排在該正面發射層(61)與該基底層(3)之間。
7.根據權利要求4至6之一所述的太陽能電池，其特征在于，該基底接觸結構(9)包括一個安排在該背面發射層(62)與該基底層( 之間的背面基底接觸層(92)。
8.根據以上權利要求之一所述的太陽能電池，其特征在于，該基底層(3)、該基底接觸結構(9)和/或該發射結構(6)至少在多個區段中包括一種表面鈍化層(10)。
9.根據權利要求8所述的太陽能電池，其特征在于，該表面鈍化層(10)包括氧化鋁 (Al2O3)。
10.根據以上權利要求之一所述的太陽能電池，其特征在于，該基底層C3)包括一種η 型半導體，并且該發射結構(6)包括一種ρ型半導體。
11.根據權利要求8所述的太陽能電池，其特征在于，該基底接觸結構(9)是通過半導體晶片(1)的磷摻雜而制成的，并且該發射結構(6)是通過硼摻雜而制成的。
12.根據以上權利要求之一所述的太陽能電池，其特征在于，該發射極(7)形成為一種全區域背面金屬化物，該金屬化物基本上完全覆蓋了該半導體晶片(1)的背面(5)。
13.根據以上權利要求之一所述的太陽能電池，其特征在于，該基底層(3)、該發射結構(6)和/或該基底接觸結構(9)是通過摻雜而形成在該半導體晶片(1)中。
全文摘要
本發明涉及一種具有半導體晶片(1)的太陽能電池，該太陽能電池包括一個朝向入射光、具有一個基極(4)的正面(2)以及一個與該正面(2)相對、具有一個發射極(7)的背面(5)，該基極連接到該半導體晶片(1)的一個基底層(3)上，該發射極連接到該半導體晶片(1)的一個發射結構(6)上，其特征在于，該發射結構(6)包括一個安排在該半導體晶片(1)的正面(2)上的正面發射層(61)。
文檔編號H01L31/068GK102484146SQ201080040171
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月25日 優先權日2009年9月10日
發明者彼得·恩格爾哈特 申請人:Q-電池公司