專利名稱：一種局域前表面場n型太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種局域前表面場N型太陽電池的制 作方法。
背景技術(shù)：
太陽電池是一種利用光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。從結(jié) 構(gòu)上說，太陽電池一般由半導(dǎo)體襯底、位于半導(dǎo)體襯底表面的p-n結(jié)、高低結(jié)、介質(zhì)膜和金 屬電極所組成。 根據(jù)襯底導(dǎo)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(jù)了當前太陽電池市場的主導(dǎo)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(dǎo)致P型太陽電池出現(xiàn)明顯的性能衰減。這使得很多研究機 構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)把目光轉(zhuǎn)移到N型太陽電池上。由于N型晶體硅中硼含量少，因而由硼-氧 對所導(dǎo)致的光致衰減現(xiàn)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(jù)p-n結(jié)的所處的位置，N型太陽電池又可以分為前發(fā)射極N型太陽電池和背 發(fā)射極N型太陽電池兩類。前發(fā)射極N型太陽電池一般通過在N型半導(dǎo)體襯底前表面進行 高溫硼擴散的方法制作P-n結(jié)。該電池結(jié)構(gòu)簡單，而且與傳統(tǒng)P型太陽電池制作工藝基本 一致，因而易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)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(dǎo)致太陽電池性能下降。 背發(fā)射極N型太陽電池則基本不存在硼氧對導(dǎo)致的光致衰減現(xiàn)象。 一般背發(fā)射極 N型太陽電池通過在N型半導(dǎo)體襯底背表面進行高溫硼擴散的方法制作p-n結(jié)。由于紫外 光在太陽電池前表面很淺的區(qū)域內(nèi)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(dǎo)致太陽電池出現(xiàn)明顯的性能衰減。
除了硼背發(fā)射極N型太陽電池外，鋁背發(fā)射極N型太陽電池也是一種有前途的N 型太陽電池結(jié)構(gòu)。鋁背發(fā)射極N型太陽電池的結(jié)構(gòu)與硼發(fā)射極N型太陽電池基本一樣，只 是其背表面P-n結(jié)是通過N型晶體硅襯底與鋁電極在高溫下發(fā)生的合金化過程來形成的。 鋁背發(fā)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(dǎo)致的光致衰減現(xiàn) 象。 雖然不存在光致衰減的問題，但是背發(fā)射極結(jié)構(gòu)帶來了另外一些缺點。由于大多 數(shù)太陽光在太陽電池前表面被吸收，其產(chǎn)生的光生載流子必須遷移到太陽電池背表面P-n 結(jié)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(fā)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(nèi)的復(fù)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(fù)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。局域前表面場N型太陽電池結(jié)構(gòu)很好地解決了上述矛盾。如圖1所示，太陽電池前電極附近的重摻雜N型區(qū)域在 形成前表面場的同時保證金屬電極與半導(dǎo)體襯底形成良好的歐姆接觸。而太陽電池前表面 除電極附近區(qū)域外并不進行擴散摻雜，N型襯底被鈍化介質(zhì)膜所覆蓋，這有效降低了太陽電 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(fù)合。 由于局域前表面場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(fù)雜。如圖2所示，傳統(tǒng)的制作方法是先在介質(zhì)膜的局部位置開槽并對開 槽區(qū)域進行重摻雜，這樣可以得到局域的前表面場。實驗室常用光刻方法對介質(zhì)膜進行開 槽，但是光刻方法成本高昂、工藝復(fù)雜，并不適合工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。 中國專利CN101101936A提出一種采用絲網(wǎng)印刷腐蝕劑進行開槽，并進行兩步擴 散得到選擇性發(fā)射極的方法。該方法具有成本低、工藝簡單的優(yōu)點，同時也適用于局域前表 面場的制作。但是采用該方法往往在后續(xù)絲網(wǎng)印刷制作電極時出現(xiàn)困難。因為前電極必須 跟重摻雜N型區(qū)域重合，這對絲網(wǎng)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(qū)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(fù)合。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種適合工業(yè)化生產(chǎn)的局域前表面場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(fā)明提供的一種局域前表面場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(jié)，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型 區(qū)域，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區(qū)域上制作前電極。 根據(jù)背表面發(fā)射極的類型(硼發(fā)射極或鋁發(fā)射極)，上述制作方法可以細分為兩 個相似的技術(shù)方案。 第一個技術(shù)方案是利用鋁硅合金化過程形成背表面p-n結(jié)，激光摻雜形成前表面 局域重摻雜N型區(qū)域，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區(qū)域上制作前電極，具體包 括以下步驟 (a)對N型半導(dǎo)體襯底進行表面織構(gòu)化并進行化學清洗 表面織構(gòu)化的目的是增加太陽光在太陽電池表面的反射次數(shù)，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(zhì)，為后續(xù)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)在N型半導(dǎo)體襯底前表面制備介質(zhì)膜 介質(zhì)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(fù)合；三是作為后續(xù)化學鍍、電鍍的掩模，避免在電極 區(qū)域以外的地方鍍上金屬。 本發(fā)明所述的介質(zhì)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。
(c)在N型半導(dǎo)體襯底背表面制備鋁電極 對于不同類型背發(fā)射極的N型太陽電池，鋁電極的作用有所不同。對硼背發(fā)射極 N型太陽電池而言，鋁電極只起到收集電流的作用；而對于鋁背發(fā)射極N型太陽電池(即本 技術(shù)方案設(shè)計的類型)，鋁電極除了收集電流外，還作為摻雜劑在燒結(jié)過程中對N型半導(dǎo)體 襯底進行P型摻雜，從而形成P_n結(jié)。 本發(fā)明所述的鋁電極可以采用絲網(wǎng)印刷、濺射或蒸鍍方法進行制備。該鋁電極覆
蓋襯底表面的全部面積或除邊緣外的大部分面積。
(d)高溫燒結(jié)形成背表面P型層從而獲得p_n結(jié) 對于鋁背發(fā)射極N型太陽電池，當燒結(jié)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 IOO(TC即不低于鋁硅共晶溫度的環(huán)境下對太陽 電池進行熱處理。在燒結(jié)的冷卻過程中，熔融的硅重結(jié)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(jié)晶區(qū)域。這層重結(jié)晶層呈P型導(dǎo)電類型，與N型襯底 構(gòu)成p-n結(jié)。 (e)在N型半導(dǎo)體襯底前表面涂覆磷源 涂覆磷源主要是為后續(xù)的激光摻雜提供雜質(zhì)源。本發(fā)明所述的涂覆磷源的步驟由 噴涂、旋涂或絲網(wǎng)印刷來實現(xiàn)，所述的磷源是指磷酸、磷酸_乙醇混合溶液、高溫磷擴散所 形成的磷硅玻璃層或其它含磷物質(zhì)。
(f)在N型半導(dǎo)體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區(qū)域 激光摻雜是為了在N型半導(dǎo)體襯底前表面形成局域重摻雜N型區(qū)域。制作過程中
采用激光掃描涂有磷源的襯底表面，激光產(chǎn)生的高溫使該區(qū)域內(nèi)的襯底材料熔融并與磷源
混合形成重摻雜的N型區(qū)域。由于重摻雜N型區(qū)域的作用是與金屬電極形成歐姆接觸，所
以該區(qū)域摻雜濃度要足夠高，本發(fā)明要求其方塊電阻不大于45Q/ □;此外，激光摻雜區(qū)域
要與設(shè)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。 (g)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區(qū)域上制作前電極 本發(fā)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(chǎn)生的凹槽內(nèi)，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(lián)條之間的結(jié)合力。本發(fā)明提出的一種技術(shù)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(shù)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(fā)明的第二個技術(shù)方案是利用高溫硼擴散過程形成背表面p-n結(jié)，激光摻雜形 成前表面局域重摻雜N型區(qū)域，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區(qū)域上制作前電 極，具體包括以下步驟 (a)對N型半導(dǎo)體襯底進行表面織構(gòu)化并進行化學清洗； (b)在N型半導(dǎo)體襯底前表面制備介質(zhì)膜； (c)高溫硼擴散形成背表面P型層從而獲得p-n結(jié)； (d)在N型半導(dǎo)體襯底背制備金屬銀電極和鋁電極并進行高溫燒結(jié)； (e)在N型半導(dǎo)體襯底前表面涂覆磷源；
(f)在N型半導(dǎo)體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區(qū)域；
(g)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區(qū)域上制作前電極。 第二個技術(shù)方案與第一個技術(shù)方法基本一致，只有(c) (d)步驟有所區(qū)別。其實質(zhì) 是采用高溫硼擴散過程制作P-n結(jié)代替鋁硅合金化過程制作P-n結(jié)的步驟。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。
圖1為局域前表面場N型太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為局域前表面場N型太陽電池的傳統(tǒng)制作方法； 圖3為本發(fā)明提供的局域前表面場N型太陽電池制作方法之一 ； 圖4為本發(fā)明提供的局域前表面場N型太陽電池制作方法之二 ； 圖中1、N型半導(dǎo)體襯底，2、重摻雜N型半導(dǎo)體層，3、介質(zhì)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(dǎo)體層，8、磷源。
具體實施方式
實施例1 圖3是本發(fā)明提供的局域前表面場N型太陽電池制作方法的第一個技術(shù)方案，具 體包括以下步驟 (a)對N型半導(dǎo)體襯底進行表面織構(gòu)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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)。隨后，分別采用稀釋的鹽酸和氫氟酸對襯底進行清洗。
(b)在N型半導(dǎo)體襯底前表面制備介質(zhì)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。 (c)在N型半導(dǎo)體襯底背表面制備鋁電極 在襯底背表面絲網(wǎng)印刷約25 m厚的鋁漿料并烘干。 (d-1)高溫燒結(jié)形成背表面P型層從而獲得p-n結(jié) 采用鏈式燒結(jié)爐對太陽電池進行高溫燒結(jié)，最高溫度取575 IOO(TC ，如850°C 。 (d-2)在N型半導(dǎo)體襯底背表面制備銀電極 在襯底背表面死亡印刷銀漿料并燒結(jié)。
(e)在N型半導(dǎo)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。
(f)在N型半導(dǎo)體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區(qū)域 用激光在襯底前表面進行掃描，激光摻雜區(qū)域的方塊電阻控制在45Q / 口以下，
如20 Q / □。
(g)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區(qū)域上制作前電極 利用化學鍍在重摻雜N型區(qū)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(fā)明提供的局域前表面場N型太陽電池制作方法的第二個技術(shù)方案，具 體包括以下步驟 (a)對N型半導(dǎo)體襯底進行表面織構(gòu)化并進行化學清洗；
(b)在N型半導(dǎo)體襯底前表面制備介質(zhì)膜； (c)高溫硼擴散形成背表面P型層從而獲得p-n結(jié)(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)； (d)在N型半導(dǎo)體襯底背表面絲網(wǎng)印刷銀電極和鋁電極并進行高溫燒結(jié)；
(e)在N型半導(dǎo)體襯底前表面涂覆磷源； (f)在N型半導(dǎo)體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區(qū)域；
(g)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區(qū)域上制作前電極。
本實施例除步驟(c) (d)夕卜，其它步驟與實施例1 一致。 總之，本發(fā)明例舉了上述優(yōu)選實施方式，但是應(yīng)該說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根 據(jù)本發(fā)明公開的各參數(shù)的取值范圍及各參數(shù)的種類進行各種變化和改型，如本發(fā)明所述的 介質(zhì)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(fā)明所述的鋁電極可以采用絲網(wǎng)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(fā)明所述的涂覆磷源步驟是通過噴涂、旋涂或絲網(wǎng)印刷 實現(xiàn)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(zhì)。因此，除非這樣的變化和改型偏離了本發(fā)明的范圍，否則都應(yīng)該包括在本發(fā)明 的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種局域前表面場N型太陽電池的制作方法，其特征是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(jié)，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型區(qū)域作為前表面場，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區(qū)域上制作前電極，具體包括以下步驟(a)對N型半導(dǎo)體襯底進行表面織構(gòu)化并進行化學清洗；(b)在N型半導(dǎo)體襯底前表面制備介質(zhì)膜；(c)在N型半導(dǎo)體襯底背表面制作p-n結(jié)；(d)在N型半導(dǎo)體襯底背表面制作銀電極和鋁電極；(e)在N型半導(dǎo)體襯底前表面涂覆磷源；(f)在N型半導(dǎo)體襯底前表面進行激光摻雜形成局域重摻雜N型區(qū)域；(g)用化學鍍或電鍍方法在重摻雜N型區(qū)域上制作前電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(c)所述的p-n結(jié)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(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2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(jié)的方法包括以下步驟(a) 采用絲網(wǎng)印刷、濺射或蒸鍍的方法在N型半導(dǎo)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(huán)境下對太陽電池進行熱處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2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(jié)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(dǎo)體襯底進行P 型摻雜的過程。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(e)所述的涂覆磷源采用噴涂、 旋涂或絲網(wǎng)印刷方式予以實現(xiàn)，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。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(f)所述的激光摻雜是指采用激 光燒蝕N型半導(dǎo)體襯底，把燒蝕區(qū)域內(nèi)的襯底材料熔融并與磷源混合形成局域重摻雜N型 區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，步驟(f)所述的局域重摻雜N型區(qū)域 呈梳狀分布在太陽電池前表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制作方法，其特征在于，步驟(f)所述的局域重摻雜N型區(qū)域 的方塊電阻不大于45Q/ □。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制作方法，其特征在于，步驟(g)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(jù)權(quán)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(fā)明公開了一種局域前表面場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(jié)，激光摻雜形成前表面局域重摻雜N型區(qū)域作為前表面場，并用化學鍍或電鍍方法在上述重摻雜N型區(qū)域上制作前電極。本發(fā)明與傳統(tǒng)制作工藝相比具有工藝簡單、成本低廉、無需二次對位等優(yōu)點。
文檔編號H01L31/18GK101764180SQ200910214460
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者楊灼堅, 梁宗存, 沈輝, 洪瑞江, 陶龍忠 申請人:中山大學