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CN102763225B - 使用半导体晶片的高效率光伏背结背触点太阳能电池结构和制造方法 - Google Patents

使用半导体晶片的高效率光伏背结背触点太阳能电池结构和制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用半导体晶片的背结背触点太阳能电池及其制造方法。该背结背触点太阳能电池包括具有掺杂的基极区域、光俘获正面表面和掺杂的背面发射极区域的半导体晶片。正面和背面介电层和钝化层提供增强光阱和内反射。将背面基极和发射极触点连接至金属互连件，所述金属互连件在太阳能电池背面形成由叉指状电极和汇流条形成的金属化图案。

Description

使用半导体晶片的高效率光伏背结背触点太阳能电池结构和制造方法
相关申请
本申请要求2009年12月9日提交的61/285140临时专利申请的权益，其据此通过引用并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及光伏和太阳能电池技术领域，更具体地涉及背结背触点薄太阳能电池和制造方法。
背景技术
目前晶体硅在光伏(PV)产业的市场份额最大，占整个PV市场的80%以上。尽管制造更薄的晶体硅太阳能电池长期以来被认为是降低PV费用最有效的方法之一(因为太阳能电池中使用的晶体硅片相对较高的材料费用占了PV模块总费用的一部分)，但是由于晶片较大较薄，且在一定程度上较薄结构中存在光阱，使得这其中仍存在很多机械破损问题。要实现成本效益，PV制造工厂的产量必须要很高，因此高机械产量和降低晶片破损率的要求更加困难。对于独立式晶体硅太阳能电池(无支撑)而言，比当前的厚度范围140μm-250μm再稍微降低一点也会在制造过程中严重危害到机械产量。因此，处理非常薄的太阳能电池结构的任何方案应当是在整个电池工艺中由主载体完全或部分地支撑，或者应该是具有相伴的能提供刚性的创新结构的、新颖的自承载式独立基片。通常，高效的太阳能电池使用昂贵的图案技术，如石版印刷术来制造。由于减少了硅的使用及工艺的简化，在保障高性能，高效电池设计的同时，该技术可大大降低费用。
对于太阳能电池发展和制造而言，以较低制造成本获得较高的电池和模块效率一直以来是一项重要任务。主要由于电池正面无金属遮挡、无发射极以及由此导致的高蓝光响应，并且由于背面潜在的低金属阻抗，因此背结/背触点电池结构具有高效性。尽管上述薄衬底和载体方法总的来说能够用于任何电池结构，但这对背结/背触点电池来说特别有益。本领域的技术人员知道背结/背触点电池需要较高的扩散长度与衬底厚度比，典型地该比值>5。在传统的电池中，由于不容易降低电池厚度，因此获得长寿命的材料就成为了重点，此种材料可以使得少数载流子的扩散长度更长，但也增加了晶片费用。在薄的电池中，除了体积小得多的硅，扩散长度不必非得那样高，以降低材料质量要求。
发明内容
根据本发明，提供了用于制造背触点/背结太阳能电池的创新结构和方法。
在一个实施例中，提供了一种使用半导体晶片的背结背触点太阳能电池和制造方法。该背结背触点太阳能电池包括具有掺杂的基座区域，光俘获正面表面和掺杂的背面发射器区的半导体晶片。正面和背面介电层和钝化层提供增强光阱和内反射。将背面基座和发射器触点连接至金属互连件，所述金属互连件在太阳能电池背面形成由叉指状电极和汇流条形成的金属化图案。
通过此处提供的描述，本发明以及其它新颖特征将会变得明显。本发明内容的意图不是对所要求的主题进行综合描述，而是对本发明主题的功能性进行简短的概述。对以下附图和详细说明进行审阅时，此处提供的其它系统、方法、特征和优点对于本领域的技术人员来说将变得明显。本发明内容的意图是将所有包含在本说明内的这些额外的系统、方法、特征和优点包括在附随的权利要求的范围内。
附图说明
现参考以下结合附图的描述，以便对本发明主题及其优点有一个更全面的理解，附图中相似的标号表示相似的特征，并且其中：
图1是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池剖面图；
图2是用于制作太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图3(a-i)是在关键工艺步骤之后，根据图2制造的太阳能电池的剖面示意图；
图4(a-b)示出具有连续板（throughplate）开口或栅状肋条结构的两种背面增强板的背面视图；
图5(a-b)示出两个示例性的金属汇流条设计；
图6是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图7是用于制作图6中太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图8是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图9是用于制作图8中太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图10是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图11是用于制作图10中太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图12是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图13是用于制作图12中太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图14(a-k)是在关键制造工艺步骤之后，根据图12制造的太阳能电池的剖面示意图；
图15是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图16是用于制作图15中太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图17是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图18是用于制作图17中太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图19是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图20是用于制作图19中太阳能电池的制造工艺流程的框图；
图21是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图；
图22是用于制作图21中太阳能电池的制造工艺流程的框图；以及
图23(a-k)是在关键制造工艺步骤之后，根据图21制造的太阳能电池的剖面示意图。
具体实施方式
以下说明不应从限制意义上理解，其目的是为了描述本发明的一般原理。本发明的范围应该根据权利要求而定。本发明的示例性实施例在附图中得到阐明，相同标号在附图中表示相同或相应部件。
下文中描述了由硅块制成的薄晶片上的各种背触点电池(BLAC电池)。具体地，晶片可以使用钢丝锯或通过质子移植和分离制成。尽管采用NBLAC电池作解释之用(NBLAC由N-型基极掺杂定义），但是本发明的结构和方法的范围不是要仅限于NBLAC电池，因为本领域的技术人员可以将本发明应用到PBLAC电池(PBLAC由p-型基座掺杂定义，如基于硼的PBLAC)。本发明包括2个子部分:1)在第一子部分中，工艺流程包括在晶片上使用外延沉淀来生长发射极，其与使用外延生长的整个基片相对。在第二部分中，通过在熔炉中使用气相扩散或使用常压化学气相淀积(APCVD)，在晶片的表面区域形成发射极。对于NBLAC电池(具有n-型基座)而言，发射极是p-型，典型地都基于硼，并且通过在熔炉中掺杂硼或在晶片表面沉积APCVDBSG后进行退火而形成。
图1是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池剖面示意图。这种太阳能电池实施例指的是Flow-1.1电池。除了在触点下，背触点太阳能电池到处都是有轻掺杂物的外延发射极(触点下面重掺杂以形成选择性的发射极触点)，双面热氧化物和LPCVD氮化硅薄层，激光烧蚀的触点开口，喷墨印刷的掺杂物，化学镀金属化，和衬底增强。氧化层可以将正面和背面钝化，而LPCVD氮化硅作为抗反射涂层可用于前表面，作为湿法腐蚀停止层可在晶片背面上进行处理。如示例所示，衬底增强板对准地附接到电池的背面。背面增强板可以是带有通孔的连续板，所述通孔用于接近太阳能电池背面的发射极和基极金属母材触点。可替代地，背面增强板可以有一个或多个较大的类似于栅格形状结构的开口，以便更轻且更容易在太阳能电池模块层接近衬底背面。
起始硅晶片可以是CZ或FZ晶片。薄硅衬底可以通过锯开硅锭然后选择性地进行表面磨削或抛光形成，或者通过从厚的硅晶片上通过劈裂/分离形成。对于给定的少数载流子平均使用寿命而言，晶片最好足够薄以便使扩散长度对晶片厚度的比值>5。另一方面，晶片应该强韧以便能够经得住加工和处理环境。硅晶片的厚度优选在50μm到250μm的范围内。硅衬底的形状可以是方形或带有圆角的伪方形。为了避免在后续处理步骤中晶片出现断裂，优选地磨光薄晶片的边缘以消除边缘处的裂缝。
图2是用于制作Flow-1.1太阳能电池的制造工艺流程框图。图3(a-i)为关键制造工艺步骤之后，Flow-1.1太阳能电池的剖面示意图。如图表2中所示，太阳能电池的制造工艺从结构化处理（texturing）开始。对太阳能电池的正面表面进行结构化处理以便降低反射的光学耗损。表面结构通过在稀释的碱性溶液如KOH溶液中蚀刻形成。在低浓度的KOH中蚀刻，硅中不同晶体平面的蚀刻速率不同。结果形成了随机分布具有各种尺寸的金字塔状。结构化工艺可在单面蚀刻设备中进行，其中仅仅硅衬底的正面与蚀刻溶液接触，或者可替代地，在批量蚀刻过程中，通过将衬底浸入蚀刻溶液中对硅衬底的两个侧面进行结构化处理。然而，在另一种可选择的结构化方法中，可以通过激光表面烧蚀来进行结构化。由于用具有合适波长、功率和占空比的激光束对硅正表面进行扫描，因此形成了具有无规则尺寸和形状的微表面空腔。激光烧蚀之后，可用稀释的KOH溶液进行蚀刻以除去硅碎片以及进一步加强表面结构化。结构化工艺之后，采用标准RCA清洗步骤对晶片进行清洗，该标准RCA清洗步骤包括有机清洗步骤（被称为SC1)和金属污染清洗步骤(被称为SC2)。图3(a)显示了正面结构化工艺之后，硅衬底的剖视图。
在下一步骤中，如图3(b)所示，在硅背面表面的顶部生长薄的外延硅发射极层。在n-型硅衬底情况下，外延发射极层为p-型原位掺杂，如外延生长工艺中的硼掺杂。与基于扩散的掺杂工艺相比，原位外延掺杂可以提供掺杂分布，掺杂分布可被调整以适应可能的最佳开路电压(Voc)和电流密度(Jsc)。例如，外延掺杂可在层厚度内保持恒定或连续变化(或被分级)，或采用多步骤掺杂，每一个掺杂步骤都可导致不同的掺杂浓度。通常，这可以促使太阳能电池具有高的开路电压，从而实现更高的效率。外延发射极层优选厚度为0.5μm到3μm。
如图2所示，下一个步骤是表面钝化层和抗反射涂层(ARC)沉积。由于衬底表面处硅晶体结构的缺陷比衬底块中硅晶体结构的缺陷更常见，因此对于晶体硅太阳能电池而言，降低表面缺陷处的载流子复合是实现高效率的一个重要条件，对于薄且大的硅晶片来说更加重要，因为此种硅晶片的面容比较大。用介电层进行表面钝化是一种降低表面载流子复合速率的有效方法，因为好的表面钝化层能降低表面状态密度。在图2中，厚度范围为3nm到100nm的热生长硅氧化物薄层被用于正面表面和背面表面的钝化。图3(c)示出在薄热氧化层生长后晶片的剖视图，显示硅晶片两面都出现薄氧化层。
在薄热氧化层的顶部沉积有厚度优选在60nm到100nm范围内的薄LPCVD氮化硅层。可替代地，背面的氧化物/氮化硅层可以用一种厚度相似的铝氧化层来代替，以提供p-型发射极的表面钝化。LPCVD氮化硅层至少可用于3个目的：(1)光学上，与薄氧化层结合后，氮化硅层表面可在前表面作为抗反射涂层(ARC)层以及增强型内部光学反射层从而在前表面实现更好的光阱。在背面表面，厚度适当的氧化物和氮化物(或铝氧化物)层与沉积在背面表面的金属层结合后提供增强的内部光学反射，用作为部分背面反射镜效应。(2)机械上，LPCVD氮化硅层(或背面的铝氧化层)保护硅表面和薄硅氧化物表面在电池处理过程中不被划伤。它也可用作阻挡层来避免杂质和金属扩散到硅表面，从而避免或减少分流。(3)化学上，氮化硅和铝氧化层，特别是LPCVD氮化硅层，可在后续电池处理步骤中提供好的抗化学腐蚀层，如在对分配的液体掺杂物进行退火后在稀释的HF-based蚀刻剂中除去掺杂的玻璃。在图2显示的Flow-1.1太阳能电池的实施例中，LPCVD氮化硅薄层在衬底的两侧被沉积于氧化层顶部。图3(d)显示了LPCVD氮化硅沉积后衬底的剖视图。
如图2所示，下一个步骤是在上述的介电层内形成触点开口的叉指状行，这样下面的硅就可暴露出来。总的来说，在其中介电质是开放的图案是叉指状电极(finger)和汇流条(busbar)，其中基极和发射极线是分离且连续的、或是一串不重叠的点。基极和发射极触点开口的目的是为了后续的选择性掺杂。在NBLAC实施例中，基极触点开口将会用n-型磷材料进行重掺杂，而发射极触点开口将会用p-型硼进行重掺杂。在此步骤中，基极和发射极的开口区域被同时打开。这一步骤的具体实施可直接用激光烧蚀氧化层来进行。可见或紫外线波长的脉冲皮秒激光有利于烧蚀氧化层。图3(e)示出电介质基极和发射极开口的剖面图。
如图2所示，下一步骤旨在按照之前确定的叉指状图案，选择性地将n-型和p-型掺杂物添加到基极和发射极的触点开口区域内。掺杂物会将开口覆盖并且能与介电层(在其顶部)略微重叠。对于NBLAC具体实施例而言，发射极区域的掺杂物须为p++型(例如基于硼)，而在基极触点区域的掺杂物须为n++型(基于磷材料）。实施掺杂的具体方法是使用喷墨印刷技术。此外，要被处置的墨汁的具体例子为基于硅纳米粒子的磷墨汁和硼墨汁。紧接此步骤的下一步骤是选择性的，即使用喷墨印刷机将无掺杂硅(或玻璃)纳米粒子墨汁印刷到所有电池区域(或除激光烧蚀触点之外的区域)。下一步是按照具体的墨汁加工指令烧结墨汁。无掺杂墨汁的目的是用其对氧化物表面随机地结构化以提高背反射镜的朗伯（Lambertian）性能，从而提高效率。图3(f)示出喷墨印刷的(和选择性烧结的)基极和发射极掺杂物以及形成毯状物（blanket）结构化表层的喷墨印刷的无掺杂硅纳米粒子。
如图2所示，下一步骤是退火喷墨印刷的硼墨汁、磷墨汁和无掺杂墨汁以便形成n++和P++发射极触点区域。此外，退火步骤后可在低氧环境中再次退火或与此结合起来，低氧环境用于氧化无掺杂硅粒子并产生随机结构化的氧化物表面。图3(g)示出选择性掺杂的基极和发射极区域以及表面结构化的硅氧化层。
如图2所示，下一步骤是金属化。首先，在稀释的HF溶液中清洁衬底背面以除去残留的掺杂物(磷和硼玻璃)。LPCVD氮化物可停止掺杂物残留蚀刻。接下来，清洁触点区域以便很好实现金属附着和电接触。可选择性地利用温和的硅腐蚀来清洁该区域。尽管有几种方式可进行金属化，然而只描述具有一些变型的具体实施方式以作解释之用。例如，可以化学地镀上镍/铜/镍(Ni/Cu/Ni)金属堆，铜厚度在10到50μm范围内。铜下方的薄镍层可用作铜阻挡层以避免铜扩散到硅，而铜层顶部的镍层可用作钝化层以避免铜表面的氧化和腐蚀。大体上，镀的方案可以是电镀、化学液或乳液、或其他金属镀技术(优选方案是化学镀，且金属选择为Ni+Cu+Ni堆栈)。然而，不论是对于阻挡层(Ni)还是主要的(Cu)金属来说，都不局限于此堆栈。另一种可能性是Ni/Ag堆栈。图3(h)示出背面金属化步骤后所制造的太阳能电池的剖面示意图。
如图2所示，电池制作过程的最后一个步骤是在太阳能电池的背面施加加强板。如果太阳能电池的硅衬底很薄，比如薄于150μm，则该步骤是必要的。加强板的材料优选是PV-级材料，如PTFE。PTFE板/片可通过粘着层如PV-级EVA、Z68或硅树脂预压。在将PTFE板压覆到太阳能电池上之前，要先制成通孔或开口，以便从背面接近导电金属触点。可通过机械钻孔/冲压或通过激光切割来形成开口或通孔。最后一个步骤中，如图3(i)所示，具有粘着层的图案化的PTFE适当对准后被压覆到太阳能电池的背面。
图4(a-b)示出具有可通过开口和栅板状肋条结构的两种背面增强板的背面视图。如图4(a)所示，PTFE加强板具有规则的通孔开口，以便接近太阳能电池背面金属触点。PTFE板的厚度优选在0.1mm到0.5mm的范围内。根据太阳能电池背面金属电极的图案和厚度，通孔直径优选在1mm到5mm的范围内，通孔间距优选在5mm到50mm的范围内。如图4(b)所示，栅格形状的背面加强板也可为薄的太阳能晶片提供机械支撑。网格线的宽度可在0.3mm到1mm的范围内，网格线的厚度可在50μm到300μm的范围内。开口的形状可以是提供接近电池背面的正方形，矩形、圆形或其它形状。在所示的正方形的情况下，其尺寸可在5mm*5mm到50mm*50mm的范围内。
图5(a-b)示出两个示例性的金属汇流条设计。薄而高效的电池设计的一个重要特性是其汇流条设计。标准汇流条设计是具有叉指状金属图案的双汇流条设计，如图5(a)所示。一个考虑是背面需要厚金属，因为电极需要将电流从衬底的一边全程带到另一边。这些线产生了大的电力耗损。厚度典型地在30μm以上的较厚金属相对于厚度约为150μm的标准硅电池能正常工作。然而，薄硅衬底(<150μm)背触点式太阳能电池可能经不住厚度大于30μm铜金属线的压力。因此，汇流条设计中需要替代方案以实现薄且高效的背触点电池。
图5(b)示出分布式的汇流条设计。此处，有N个汇流条用于发射极，并且相同数量的汇流条用于基极区域(图3是N=3的设计)。这种设计的一个优点在于较细的栅线负责将电流运送较短的距离，因此极大地减轻电阻耗损。所有的发射极汇流条连在一起，且所有的基极汇流条连在一起。对于N对汇流条来说，与标准的N=1(双汇流条)相比，汇流条电流降低N倍。这就允许铜的厚度减小N倍而不影响电阻耗损，使得N=3-4时，铜的厚度在5-10μm之间。对于薄的硅电池而言，这是主要的优点。分布式汇流条的可能情况是增大的触点复合以及较大的金属触点区域引起的电屏蔽。然而，通过槽式汇流条设计可使其有所缓和，其中与底层硅的接触是在槽中，但是悬伸的金属连在一起形成一条连续的线，这就需要插槽间的间距不能大于金属厚度的两倍。应注意汇流条设计可上面讨论的工艺流程分开，因为它仅仅规定了图案，在该图案中激光烧蚀电介质和薄金属层。
图6是由块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图，该电池以下简称为Flow-1.2电池。所述背结/背触点太阳能电池具有除了触点下面(在此进行重掺杂以形成选择性发射极触点)以外到处都是的轻掺杂的外延发射极、用于钝化和抗反射涂层(ARC)的正面和背面PECVD氮化硅和热氧化物薄层、可选择的背面PECVD铝氧化物(在背面替代氧化物/PECVDSiN)、激光烧蚀的触点开口、喷墨印刷的掺杂物、化学镀金属化、以及衬底增强。如示例所示，衬底增强板对准地附接到电池的背面。Flow-1.2电池和Flow-1.1电池的区别在于Flow-1.2电池使用两个分离的PECVD氮化硅(或背面铝氧化物)沉积代替了Flow-1.1电池中的单步双面LPCVD氮化硅沉积。改变的目的在于：(1)从电的角度而言，它由PECVD氮化硅膜内部绝缘固定的电荷提供了内置电场用于排斥少数载流子进入硅表面的电势复合场；(2)PECVD氮化硅或铝氧化物沉积的温度范围为300400摄氏度，比LPCVD氮化硅沉积的温度范围700-800摄氏度要低得多(较低的沉积温度不仅对衬底掺杂分布的影响较小，还可以降低制造费用)；(3)正面和背面的PECVD沉积是分开的，这就使得正面和背面钝化层的厚度和特性可以独立地调整从而对钝化、抗反射、和全内反射效果的电学和光学性能进行优化。
图7是用于制作图6中Flow-1.2太阳能电池的制造工艺流程的框图。正如描述的那样，与Flow-1.1电池相比，不同之处在于Flow-1.2电池框图中的第四个步骤，其中PECVD氮化硅沉积在正面而铝氧化物或PECVD氮化硅沉积在背面。其余的工艺顺序和步骤与Flow-1.1的相同。
图8是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图。该太阳能电池被称为Flow-2.1电池。该背触点太阳能电池具有稍前描述的外延选择性发射极(ESE)、分别用于钝化和抗反射涂层(ARC)的双面热氧化物和LPCVD氮化硅薄层、激光烧蚀的触点开口、喷墨印刷的掺杂物、喷墨沉积的金属墨汁、化学镀金属化、和衬底增强。如示例所示，衬底增强板对准地附接到电池的背面。Flow-2.1电池与描述的Flow-1.1电池的不同之处在于在化学镀金属化工艺之前有金属喷墨印刷和烧结步骤。金属墨汁，诸如铝(Al)和银(Ag)纳米粒子墨汁，可选择性地沉积在基极和发射极触点区域的顶部。墨汁按照发射极和基极的电极和汇流条的形状沉积。喷墨印刷后，印刷的铝墨汁在高温下进行烧结，烧结温度在500-575摄氏度之间，此温度也可烧结银墨汁。增加的喷墨印刷和烧结步骤的优点在于提供与硅更好的电接触。
图9是用于制造Flow-2.1太阳能电池的制造工艺流程的框图。与Flow-1.1电池相比，不同之处在于Flow-2.1电池的框图中化学镀之前增加的步骤。增加的步骤是在汇流条和叉指状电极上喷墨印刷AL/Ag或Ni纳米粒子墨汁，加上可选的热退火/烧结。其余的工艺顺序和步骤与所描述的Flow-1.1电池的工艺顺序和步骤相同。
图10是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图。该太阳能电池被称为Flow-2.2电池。背触点太阳能电池具有稍前描述的外延选择性发射极(ESE)、用于钝化和抗反射涂层(ARC)的正面和背面PECVD氮化硅和热氧化物薄层、可选的背面PECVD铝氧化物、激光烧蚀的触点开口、喷墨印刷的掺杂物、喷墨沉积的金属墨汁、化学镀金属化、和衬底增强。如示例所示，衬底增强板，对准地附接到电池的背面。Flow-2.2电池和Flow-2.1电池的区别在于Flow-2.2电池使用两个分离的PECVD氮化硅(或背面铝氧化物)沉积替换了Flow-2.1电池中的单级双面LPCVD氮化硅沉积。
图11是用于制造Flow-2.2太阳能电池的制造工艺流程的框图。正如描述的那样，与Flow-2.1电池相比，不同之处在于Flow-2.2电池框图中第四个步骤，其中PECVD氮化硅沉积在正面而铝氧化物或PECVD氮化硅沉积在背面。其余的工艺顺序和步骤与所描述的Flow-2.1电池的工艺顺序和步骤相同。
图12是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图。该太阳能电池被称为Flow-3.1电池。该背触点太阳能电池具有外延选择性发射极(ESE)(前面已描述了形成选择性发射极的步骤)、分别用于钝化和抗反射涂层(ARC)的双面PECVD氮化硅和热氧化物薄层、可选的背面PECVD铝氧化物、激光烧蚀的触点开口、喷涂的掺杂物、化学镀的金属化、和衬底增强。如所示，衬底增强板，作为例子，对准地附接到电池的背面。Flow-3.1电池的最终结构与图1所示的Flow-1.1电池的最终结构相同。然而，制造工艺中掺杂物沉积方法和触点开口顺序略微不同。具体地，磷液体掺杂物和硼液体掺杂物在不同的步骤中喷涂，且每一个极的触点开口刚好在分开的液体掺杂物涂层步骤之前形成。
图13是用于制造Flow-3.1太阳能电池的制造工艺流程的框图。图14(a-k))为关键制造工艺步骤之后，Flow-3.1太阳能电池的剖面示意图。所示步骤包括表面结构化、薄外延发射极层生长、热氧化和LPCVD氮化硅沉积步骤，这与图2和图3(a-d)中所示和描述的Flow-1.1电池的步骤相同。如图14(e)所示，在下一步骤中，只有基极接点通过脉冲激光烧蚀被打开。然后喷涂磷液体掺杂物，图14(f)显示修复的磷掺杂物层。接下来，如图14(g)所示，通过脉冲激光烧蚀硅表面之上的介电层堆栈，发射极触点被打开。然后如图14(h)所示，喷涂发射极(硼)掺杂物液体进行修复。其余的电池处理步骤从图14(i)到14(k)与所描述的Flow-1.1电池的步骤相同。
图15是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图。该太阳能电池被称为Flow-3.2电池。该背触点太阳能电池具有外延选择性发射极(ESE)(前面已描述了形成选择性发射极的步骤)、用于钝化和抗反射涂层(ARC)的正面和背面PECVD氮化硅和热氧化物薄层、可选的替代氮氧化物/氮化硅层状结构的背面PECVD铝氧化物、激光烧蚀的触点开口、喷涂的掺杂物、化学镀的金属化、和衬底增强。如示例所示，衬底增强板对准地附接到电池的背面。Flow-3.2电池和Flow-3.1电池的区别在于Flow-3.2电池使用两个分离的PECVD氮化硅(或背面铝氧化物)沉积替换了Flow-3.1电池中的单级双面LPCVD氮化硅沉积。
图16是用于制造Flow-3.2太阳能电池的制造工艺流程的框图。正如描述的那样，与Flow-3.1电池相比，不同之处在于Flow-3.2电池框图中第四个步骤，其中PECVD氮化硅沉积在正面，而铝氧化物或PECVD氮化硅沉积在背面。其余的工艺顺序和步骤与所描述的Flow-3.1电池的工艺顺序和步骤相同。
图17是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图。该太阳能电池被称为Flow-4.1电池。该背触点太阳能电池具有外延选择性发射极(ESE)(前面已描述了形成选择性发射极的步骤)、分别用于钝化和抗反射涂层(ARC)的双面PECVD氮化硅和热氧化物薄层、激光烧蚀的触点开口、喷涂的掺杂物、喷墨沉积的金属墨汁、化学镀的金属化、和衬底增强。如示例所示，衬底增强板对准地附接到电池的背面。Flow-4.1电池与描述的Flow-3.1电池的不同之处在于在化学镀金属化工艺之前有金属喷墨印刷和烧结步骤。金属墨汁，诸如铝(Al)和银(Ag)纳米粒子墨汁，可选择性地沉积在基极和发射极触点区域的顶部。墨汁按照发射极和基极的电极和汇流条的形状沉积。喷墨印刷后，印刷的铝墨汁在高温下进行烧结，烧结温度在500-575摄氏度之间，此温度也可烧结银墨汁。
图18是用于制造Flow-4.1太阳能电池的制造工艺流程的框图。与Flow-3.1电池相比，不同之处在于Flow-4.1电池框图中化学镀之前增加的步骤。增加的步骤是在汇流条和叉指状电极上喷墨印刷AL/Ag或Ni纳米粒子墨汁，加上可选的热退火/烧结。其余的工艺顺序和步骤与所描述的Flow-3.1电池的工艺顺序和步骤相同。
图19是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的剖面示意图。该太阳能电池被称为Flow-4.2电池。该背触点太阳能电池具有外延选择性发射极(ESE)(前面已描述了形成选择性发射极的步骤)、用于钝化和抗反射涂层(ARC)的正面和背面PECVD氮化硅和热氧化物薄层、可选的背面PECVD铝氧化物、激光烧蚀的触点开口、喷涂的掺杂物、喷墨沉积的金属墨汁、化学镀的金属化、和衬底增强。如示例所示，衬底增强板对准地附接到电池的背面。Flow-4.2电池和Flow-4.1电池的区别在于Flow-4.2电池使用两个分离的PECVD氮化硅(或背面铝氧化物)沉积替换了Flow-4.1电池中的单级双面LPCVD氮化硅沉积。
图20是用于制造Flow-4.2太阳能电池的制造工艺流程的框图。正如描述的那样，与Flow-4.1电池相比，不同之处在于Flow-4.2电池框图中第四个步骤，其中PECVD氮化硅沉积在正面，而铝氧化物或PECVD氮化硅沉积在背面。其余的工艺顺序和步骤与所描述的Flow-4.1电池的工艺顺序和步骤相同。
以上描述的电池工艺变化都有普通的外延发射极层。可替代地，发射极层可通过掺杂物扩散形成，如使用含硼前体（precursors）进行火炉退火或在晶片表面沉积硼硅酸盐玻璃(BSG)后退火。以上针对外延发射极讨论的八个流程及其变化在此处同样适用。不同之处在于外延发射极步骤被在含硼气体中进行火炉退火或BSG沉积和退火步骤取代。这种替代在图21-23中只展示了一个工艺(双面LPCVD氮化硅,具有喷墨掺杂物，没有金属喷墨)。
然而，它同样适用于其它七个实施例。外延发射极沉积步骤被三个步骤取代，这三个步骤分别为BSG在发射极面沉积、火炉退火以在背面形成p+选择性发射极以及BSG剥离和清洗。
图21是块状硅晶片制成的背触点太阳能电池的截面示意图。该太阳能电池被称为Flow-5.1电池。该背触点太阳能电池具有掺杂物扩散形成的发射极层、分别用于钝化和抗反射涂层(ARC)的双面热氧化物和LPCVD氮化硅薄层、激光烧蚀的触点开口、喷墨印刷的掺杂物、化学镀金属化、和衬底增强。
图22是用于制造Flow-5.1太阳能电池的制造工艺流程的框图。图23(a-k)为关键制造工艺步骤之后，Flow-5.1太阳能电池的截面示意图。第一步表面结构化与描述的Flow-1.1电池的表面结构化相同。如图23(b)所示，在衬底背面沉积一层很薄的BSG，优选采用常压化学气相淀积(APCVD)工艺。接下来，进行火炉退火工艺以在背面形成扩散的p+发射极层，如图23(c)所示。图23(d)示出除去剩余的BSG层，然后清洁晶片。可用稀释的HF溶液蚀刻除去剩余的BSG层，并且可通过标准SC1和SC2蚀刻清洁衬底。如图23(e)-图23(k)所示，其余的工艺步骤与描述的Flow-1.1电池的相应的工艺步骤相同。
在操作中，本发明提供了用于制造新颖高效背结/背触点太阳能电池的结构和方法，优选地应用于薄晶体半导体晶片(优选地为单晶硅)。更具体地，太阳能电池晶片可通过以下技术制造，包括使用诸如质子注入和应力诱发劈裂/切片等技术从厚的晶片或锭块上削切和劈开薄晶体衬底。通常，由于与处理非常薄的太阳能电池晶片的所有方面有关，该制造方法的特定概念可延伸至其它类型的材料和基于晶片的方法。详细的太阳能电池的关键属性包括每瓦特降低的制造成本和相对较高的转换效率，以及因此提高的性能。具体地，这是源于独特的设计，这种独特的设计使得能够制造背结/背触点太阳能电池，在非常薄的单/多晶体半导体晶片上产生非常高的性能，产生的制造费用却很低。尽管公开的实施例描述为利用单晶硅晶片，但这些实施例也适用于其他元素半导体和复合半导体材料，如GaAs(砷化镓)，以及使用硅或其它半导体材料的异质结和多结太阳能电池。
进一步地，本发明提供了使用平面硅衬底制造背结/背触点太阳能电池的设计和方法。其它公开的方面包括使用亚纳秒脉冲激光处理(从飞秒到数百皮秒)来支持背结背触点太阳能电池的制造。
在一个实施例中，背触点太阳能电池具有外延选择性发射极(ESE)、用于钝化和抗反射涂层(ARC)的双面热氧化物和LPCVD氮化硅薄层、激光烧蚀的触点开口、喷墨印刷的掺杂物、化学镀的金属化，和衬底增强。如示例所示，衬底增强板以对准地方式附接到电池的背面。背面增强板可以是带有通孔的连续板，通孔用于访问太阳能电池背面的发射极和基极金属触点。可替代地，背面加强板可以有更多或更大的类似于栅格形状结构开口，以便更轻且更容易在在太阳能电池模块层进入衬底背面。
在另一种实施例中，双面LPCVD氮化硅钝化层被两个分离的正面和背面PECVD氮化硅沉积所代替。在另一种实施例中，背面PECVD氮化硅层被薄铝氧化层代替。
在另一种实施例中，对金属纳米粒子墨汁进行喷墨印刷，其烧结工艺在金属化学镀工艺之前进行。此外也公开了喷雾印刷的Al墨汁。
在一个实施例中，使用的喷墨掺杂物墨汁包括带有P-型和n-型掺杂物的硅纳米粒子。在另一种实施例中，喷墨液体掺杂物印刷工艺被掺杂物液体喷雾涂覆工艺代替。
在另一种实施例中，背面外延发射极层的形成被通过掺杂物扩散工艺形成发射极层代替。它包括，但不局限于，常压化学气相淀积(APCVD)工艺。
提供上述优选实施例的描述是为了使本领域的任何技术人员制造或使用该发明。针对这些实施例的各种修改对本领域中的技术人员来说是显而易见的，且此处确定的基本原则不需要创造性劳动便可应用于其它实施例。因此，所要求的主题不是要限于此处展示的实施例，而是要符合与此处公开的原理和新颖特征相一致的最广的范围。

Claims (21)

1.一种背结背触点薄太阳能电池，包括：
厚度在50-250微米范围内的半导体晶片，包括：
掺杂的基极区域，
光俘获正面表面，和
具有与所述掺杂的基极区域相反的掺杂极性的掺杂的背面发射极区域；
在所述正面表面上的正面介电层和在所述背面发射极区域上的背面介电层；
在所述正面介电层上的正面钝化层；
在所述背面介电层上的背面钝化层；
其中所述背面钝化层和所述背面介电层形成反射镜；
通过在所述背面钝化层和所述背面介电层激光烧蚀的触点开口连接至发射极区域和基极区域的背面发射极触点和背面基极触点，所述背面发射极触点和背面基极触点连接至金属互连件，金属互连件在所述背结背触点薄太阳能电池的背面形成叉指状电极和汇流条的金属化图案；以及
在所述背结背触点薄太阳能电池背面上的背面增强，所述背面增强具有接近开口以提供至所述金属互连件的接近。
2.如权利要求1所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述掺杂的背面发射极区域是外延的发射极区域。
3.如权利要求1所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述掺杂的背面发射极区域是外延的原位掺杂的发射极区域。
4.如权利要求1所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述正面介电层和所述背面介电层为热氧化层。
5.如权利要求1所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述背面增强为永久的背面栅格状支撑增强。
6.如权利要求1所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述叉指状电极和汇流条的金属化图案是分布式的汇流条阵列。
7.如权利要求1所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述钝化层中的至少一个包括薄氮化硅层。
8.如权利要求1所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述钝化层中的至少一个包括薄铝氧化层。
9.一种用掺杂的晶体半导体晶片制造背结背触点薄太阳能电池的方法，所述晶片包括正面和背面，所述方法包括：
对所述晶片正面进行结构化处理；
在所述晶片背面沉积外延发射极区域；
在所述晶片正面上沉积表面钝化层和在所述晶片背面上沉积表面钝化层；
通过用脉冲激光烧蚀图案化所述晶片背面表面钝化层在所述晶片背面的表面钝化层中形成叉指状的发射极和基极触点开口；
对所述发射极和基极触点开口的叉指状图案进行掺杂以形成发射极区域和基极区域；
对所述电池背面进行金属化以在叉指状电极和汇流条的图案内形成背面基极和发射极触点；以及
在所述背结背触点薄太阳能电池背面上附加背面增强，所述背面增强具有接近开口以提供至电池背面金属化层的接近。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述外延发射极区域是厚度在0.5-5微米范围内的原位掺杂。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述表面钝化层中的至少一个包括热生长的氧化层和氮化硅层。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述表面钝化层中的至少一个包括热生长的氧化层和LPCVD氮化硅层。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述表面钝化层中的至少一个包括热生长的氧化层和PECVD氮化硅层。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述表面钝化层中的至少一个包括热生长的氧化层和铝氧化层。
15.如权利要求9所述的方法，其中对所述发射极和基极触点开口的叉指状图案进行掺杂以形成发射极区域和基极区域的步骤采用喷墨印刷机将硅纳米粒子墨汁印刷到所述发射极和基极触点开口的所述叉指状图案上。
16.如所述权利要求9所述的方法，还包括使用喷墨印刷机将无掺杂的硅纳米粒子墨汁印刷所述晶片正面和背面并且烧结所述墨汁以对所述晶片正面和背面进行结构化处理的步骤。
17.如权利要求9所述的方法，其中所述金属化触点包括镍和银的层。
18.如权利要求9所述的方法，其中所述金属化触点包括由铝墨汁形成的层。
19.一种背结背触点薄太阳能电池，包括：
一种厚度在50-250微米范围内的半导体晶片，包括：
掺杂的基极区域，
光俘获正面表面，和
具有与所述掺杂的基极区域相反的掺杂极性的掺杂的背面发射极区域；
在所述正面表面上的正面第一介电层和在所述背面发射极区域上的背面第一介电层；
在所述正面第一介电层上的正面第二介电层，其组合充当正面钝化层；
在所述背面第一介电层上的背面第二介电层，其组合充当背面钝化层；
其中所述背面第一和第二介电层形成介质镜；
通过在所述背面第一和第二介电层中的触点开口连接至发射极区域和基极区域的背面发射极触点和背面基极触点，所述背面发射极触点和所述背面基极触点连接至金属互连件，所述金属互连件在所述背结背触点薄太阳能电池的背面形成叉指状电极和汇流条的金属化图案；和
在所述背结背触点薄太阳能电池背面上的背面增强，所述背面增强具有接近开口以提供至所述金属互连件的接近。
20.如权利要求19所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述触点开口通过脉冲激光烧蚀形成。
21.如权利要求19所述的背结背触点薄太阳能电池，其中所述触点开口通过亚纳秒脉冲周期脉冲激光烧蚀形成。
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