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CN102779866B - 一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法 - Google Patents

一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及将光能转换为电能的光伏器件，具体涉及一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法。通过采用激光烧蚀的方法，在后表面交错形成的P+型扩散区和N+型扩散区上表面分别形成多个深度相等的深孔，该深孔深度并没有到达硅衬底正表面的掺杂区。该深孔分别与所在扩散区具有相同的掺杂浓度和掺杂深度。本发明通过在基极和发射极上制造深孔的方法解决了传统交错背电极方案存在的因载流子传输距离长而引起的部分短寿命载流子不能有效收集和串联电阻大的问题。这种深孔结构大大缩短了光生载流子的扩散距离，因此，既收集到更多的光生载流子减小了光生载流子的复合损耗，又减小了电池的串联电阻，从而进一步提高了太阳能电池的转换效率。

Description

一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及将光能转换为电能的光伏器件，具体涉及一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法。
背景技术
目前，最典型的太阳能电池制造方法之一是采用双面电极方案，即从硅片两面，分别在P型和N型掺杂区之上引出电极的太阳能电池制造方案。这种方案所具有的特点是：使用P型衬底硅片，在表面做N+型掺杂形成PN结，虽然工艺简单，制造成本低，但是转换效率也较低。
为了提高太阳能电池的转换效率，人们又提出了多种改善方案，其中的一种方案是交错背接触太阳能电池制造方案，该方案的特点是：采用N型衬底硅片，在硅片后表面侧交错的做P+型和N+型掺杂，形成PN结，并从该侧的P+型区和N+型区分别引出电极，这种方案的工艺会较为复杂一些，制造成本也较高，但其转换效率更高，从综合因素来看更具竞争优势。
然而，交错背接触太阳能电池的光生载流子产生于硅片的正表面，这些载流子需要通过扩散运动到达硅片后表面的基极和发射极。以N型单晶硅衬底为例，N+型扩散区为基极，P+型扩散区为发射极。发射极收集少数载流子-空穴，基极收集多数载流子-电子。这种电池方案存在两个问题，一是只有能扩散到后表面的载流子才有可能转换成电能，那些因寿命短而无法到达后表面的载流子就无法起到发电的作用。二是载流子需要从正表面扩散到后表面，使得电池的串联电阻较大，影响光电转换效率。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的是研发一种深孔交错背接触太阳能电池结构及其制造方法。通过采用激光烧蚀的方法，在硅衬底后表面交错形成的P+型和N+型扩散区制作出多个深孔，该深孔与所在P+型或N+型扩散区具有相同的掺杂浓度和掺杂深度，但是该深孔深度并没有到达硅衬底正表面的掺杂区。与传统交错背电极方案相比，这种深孔结构从硅衬底的后表面延伸到前表面扩散区附近，大大缩短了光生载流子的扩散距离，因此既收集到更多的光生载流子，又减小了电池的串联电阻，从而进一步提高了电池的转换效率。
本发明采取的技术方案是：一种深孔交错背接触太阳能电池结构，包括硅衬底上具有的后表面和相对的前表面，在后表面上交错形成多个P+型或N+型扩散区和N+型或P+型扩散区，在前表面形成的连续的扩散区，其特征在于：在后表面上交错形成的多个P+型或N+型扩散区和N+型或P+型扩散区上表面分别形成多个深度相等的深孔。
一种深孔交错背接触太阳能电池结构的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
（一）.使用激光烧蚀方法在硅衬底的后表面形成多个深孔的结构； 
（二）. 将P+型或N+型掺杂剂扩散到硅衬底后表面的P+型或N+型扩散区，使得硅衬底的后表面上所有P+型或N+型扩散区都具有P+型或N+型掺杂剂浓度，且从后表面沿深孔深度进入硅衬底；
（三）.将N+型或P+型掺杂剂扩散到硅衬底后表面的N+型或P+型扩散区，使得硅衬底的后表面上所有N+型或P+型扩散区都具有N+型或P+型掺杂剂浓度，且从后表面沿深孔深度进入硅衬底；
（四）.将P+型或者N+型掺杂剂扩散到硅衬底的前表面，形成与硅衬底具有相同导电类型的扩散区。
本发明所产生的有益效果是：本发明通过在基极和发射极上制造深孔的方法解决了传统交错背电极方案存在的因载流子传输距离长而引起的部分短寿命载流子不能有效收集和串联电阻大的问题。这种深孔结构大大缩短了光生载流子的扩散距离，一些因少子寿命短而无法扩散到硅衬底后表面的光生载流子也可以被深孔有效收集，而且缩短传输距离会减小串联电阻，因此，既收集到更多的光生载流子减小了光生载流子的复合损耗，又减小了电池的串联电阻，从而进一步提高了太阳能电池的转换效率。
附图说明
图1是深孔交错背接触太阳能电池局部结构立体图；
图2是深孔交错背接触太阳能电池局部结构剖面侧视图；
图3是深孔交错背接触太阳能电池制作工艺流程图。 
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本发明中所用的方向术语如“上”、“下”、“前”、“后”等均意为说明目的而提供的相对位置，且不意为表示一个绝对的参照系。
图1和图2被简化为仅仅显示几个扩散区域，并且利用失真比例以突出本发明的关键特征。
参照图1和图2，一种深孔交错背接触太阳能电池结构包括硅衬底101上具有的后表面102和相对的前表面103，在后表面102上交错形成多个P+型或N+型扩散区106和N+型或P+型扩散区107，在前表面103形成连续的扩散区108，在后表面102上交错形成的P+型或N+型扩散区106和N+型或P+型扩散区107上表面分别形成多个深度相等的深孔104。P+型或N+型扩散区106和N+型或P+型扩散区107分别通过其上的深孔104的上表面沿深孔104内壁、底部至硅衬底101，但不到达前表面103形成的连续的扩散区108。
深孔交错背接触太阳能电池还包括硅衬底101上的第一钝化层110，第一钝化层110同时形成于后表面102和前表面103上。在后表面102上还包括延伸穿过第一钝化层110的多个金属层109，金属层109则穿过后表面102的第一钝化层110与P+型扩散区106和N+型扩散区107接触。在前表面103上还包括形成于第一钝化层110上的第二钝化层105。
硅衬底101选择N型或者P型硅片，硅衬底厚度在50-250um范围内。深孔104的深度在5-250um范围内。深孔104的深度大于P+型或N+型扩散区106和N+型或P+型扩散区107上表面扩散的深度。
硅衬底厚度介于50-250um，太厚会增加硅材料成本，太薄会增加工艺实现难度。一般厚度在150-250um时，可使用丝网印刷工艺实现P+扩散区和N+扩散区的分离；厚度在50-150um时，可以使用平行光曝光的方式实现P+扩散区和N+扩散区的分离等等。深孔结构的孔越深，越有利于载流子的收集，但是深孔底部不要触及前表面的扩散区，因此孔深度要比硅片厚度小至少一个前表面扩散区的厚度（通常为几百纳米）。孔的最大深度可粗略等同为硅片厚度（250um硅片，孔深为250um），最小深度也不要低于厚度的10%（50um硅片，孔深为5um）。深孔的孔径所占扩散区面积比例为5%-90%，比例小会使载流子收集效果不明显，比例大又会增加硅片的翘曲度，增加工艺实现难度和降低产品可靠性。同一扩散区中深孔应均匀分布，不同扩散区中深孔可以交错分布，这样更有利于载流子的收集。
实施例：硅衬底选择N型硅片（也可以使用P型单晶硅晶圆以及N型或P型多晶硅晶圆），<100>晶向，电阻率为1-20 Ω·cm，硅片厚度为200um，深孔深度为180um。具体工艺步骤如下（参见图1、图2和图3）：
（一）湿法清理：硅衬底101被湿法处理，以有助于后表面102和前表面103的清洁，蚀刻掉表面的粗糙颗粒。
（二）激光烧蚀深孔：采用激光扫描仪烧蚀硅衬底101的后表面102，以形成深孔104，深孔尺寸与硅衬底厚度有关，200um厚的硅衬底101）优选深孔104的深度为180um。
（三）含硼和不含杂质的二氧化硅沉积：P+型掺杂剂的扩散是将含硼的二氧化硅和不含杂质的二氧化硅先后沉积于硅衬底101的后表面102所有的P+型扩散区106和N+型扩散区107以及深孔104的内壁及底部，使得硅衬底101的后表面102上所有P+型扩散区106和N+型扩散区107以及深孔104都覆盖两层薄膜，与后表面接触的第一层为含硼的二氧化硅薄膜，第二层为不含杂质的二氧化硅薄膜。
（四）图形化刻蚀含硼二氧化硅和不含杂质的二氧化硅：（选择性）通过丝网印刷将抗蚀剂涂覆于P+型扩散区106上表面，然后将硅衬底101置于含氢氟酸的化学溶液中，去除未被抗蚀剂覆盖的含硼二氧化硅和不含杂质的二氧化硅。
（五）硼推进扩散：加热硅衬底101，使得二氧化硅中的硼扩散到所有的P+型扩散区106上，且从P+型扩散区106沿深孔104进入硅衬底101。
（六）含磷二氧化硅沉积和磷推进扩散：在形成P+型扩散区106后，将含磷的二氧化硅沉积于硅衬底101的后表面102的P+型扩散区106和N+型扩散区107以及P+型和N+型扩散区内深孔104的内壁和底部，然后加热硅衬底101，使得二氧化硅中的磷扩散到硅衬底101的后表面102所有的N+型扩散区107，且从N+型扩散区107沿深孔104进入硅衬底101中，P+型扩散区106上不含杂质的二氧化硅阻止含磷二氧化硅中的磷扩散到所有的P+型扩散区106以及P+型扩散区内的深孔104。
（七）正面制绒和磷扩散：在形成P+型扩散区106和N+型扩散区107后，将硅衬底101置于含碱的制绒溶液中，使得硅衬底101的前表面生成含若干正金字塔型的绒面，绒面高度在1um-10um范围内。然后将硅衬底101置于含有三氯氧磷的炉管中，炉管加热温度950℃，使得三氯氧磷中的磷被扩散到前表面103连续的扩散区108，且硅衬底101后表面102的含硼和磷的二氧化硅以及不含杂质的二氧化硅阻止三氯氧磷中的磷扩散到硅衬底101的后表面102所有的P+型扩散区106和N+型扩散区107以及P+型扩散区106和N+型扩散区107内的深孔104。
（八）去除二氧化硅：将硅衬底101置于含氢氟酸的化学溶液中，去除硅衬底101后表面102和前表面103上的含硼二氧化硅、含磷二氧化硅和不含杂质的二氧化硅。
（九）双面钝化：通过炉管热氧化，在硅衬底101的后表面102和前表面103同时生成一层二氧化硅（第一钝化层）110，并通过等离子化学气相沉积（PECVD）设备在前表面103的二氧化硅（第一钝化层）110上沉积一层氮化硅（第二钝化层）105。利用丝网印刷的方法刻蚀掉后表面102上将与金属层109接触部分的二氧化硅。
（十）沉积金属种子层：在硅衬底101的后表面102沉积金属种子层，并通过丝网印刷的方法将抗蚀剂涂覆于金属层109上表面。
（十一）电镀金属：将硅衬底101置于电镀溶液中，以加厚金属层109。
（十二）分离P、N区金属：将硅衬底101置于金属腐蚀溶液中，以去除金属层109表面抗蚀剂和未被加厚的金属种子层。

Claims (8)

1.一种深孔交错背接触太阳能电池结构，包括硅衬底（101）上具有的后表面（102）和相对的前表面（103），在后表面（102）上交错形成多个P+型或N+型扩散区（106）和N+型或P+型扩散区（107），在前表面（103）形成连续的扩散区（108），其特征在于：在后表面（102）上交错形成的P+型或N+型扩散区（106）和N+型或P+型扩散区（107）上表面分别形成多个深度相等的深孔（104），所述深孔（104）的深度在5-250um范围内。
2.根据权利要求1所述的一种深孔交错背接触太阳能电池结构，其特征在于：所述P+型或N+型扩散区（106）和N+型或P+型扩散区（107）分别通过其上的深孔（104）的上表面沿深孔（104）内壁、底部至所述硅衬底（101），但不到达所述前表面（103）形成的连续的扩散区（108）。
3.根据权利要求1所述的一种深孔交错背接触太阳能电池结构，其特征在于：所述硅衬底（101）选择N型或者P型的单晶或多晶硅片，硅衬底厚度在50-250um范围内。
4.根据权利要求1所述的一种深孔交错背接触太阳能电池结构，其特征在于：所述深孔（104）的深度大于P+型或N+型扩散区（106）和N+型或P+型扩散区（107）上表面扩散的深度。
5.根据权利要求1所述的一种深孔交错背接触太阳能电池结构的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
（一）.采用激光烧蚀的方法，在硅衬底的后表面形成多个深孔的结构； 
（二）. 将P+型掺杂剂扩散到硅衬底后表面的P+型扩散区，使得硅衬底的后表面上所有P+型扩散区都具有P+型掺杂剂类型，且从后表面沿深孔进入硅衬底；
（三）.将N+型掺杂剂扩散到硅衬底后表面的N+型扩散区，使得硅衬底的后表面上所有N+型扩散区都具有N+型掺杂剂类型，且从后表面沿深孔进入硅衬底；
（四）.将P+型或者N+型掺杂剂扩散到硅衬底的前表面，形成与硅衬底具有相同导电类型的扩散区。
6.根据权利要求5所述的一种深孔交错背接触太阳能电池结构的制造方法，其特征在于：所述P+型掺杂剂的扩散是将含硼的二氧化硅和不含杂质的二氧化硅先后沉积于硅衬底的后表面所有的P+型扩散区和N+型扩散区以及深孔的内壁及底部，采用丝网印刷或者平行光曝光的方法刻蚀掉N+型扩散区以及N+型扩散区范围内深孔内壁及底部覆盖的含硼二氧化硅和不含杂质的二氧化硅，然后加热硅衬底，使得二氧化硅中的硼扩散到所有的P+型扩散区上，且从P+型扩散区沿深孔进入硅衬底。
7.根据权利要求6所述的一种深孔交错背接触太阳能电池结构的制造方法，其特征在于：在形成P+型扩散区后，将含磷的二氧化硅沉积于所述硅衬底的后表面的P+型和N+型扩散区以及P+型和N+型扩散区内深孔的内壁和底部，然后加热硅衬底，使得二氧化硅中的磷被扩散到硅衬底的后表面所有的N+型扩散区，且从N+型扩散区沿深孔进入硅衬底中，P+型扩散区上不含杂质的二氧化硅阻止含磷二氧化硅中的磷扩散到所有的P+型扩散区以及P+型扩散区内的深孔。
8.根据权利要求7所述的一种深孔交错背接触太阳能电池结构的制造方法，其特征在于：在形成P+型扩散区和N+型扩散区后，将硅衬底置于含有三氯氧磷的炉管中，使得三氯氧磷中的磷被扩散到前表面的扩散区，且硅衬底后表面的含硼和磷的二氧化硅以及不含杂质的二氧化硅阻止三氯氧磷中的磷扩散到硅衬底的后表面所有的P+型扩散区和N+型扩散区以及P+型扩散区和N+型扩散区中的深孔。
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