專利名稱：光電太陽能電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有帶點(diǎn)狀金屬接觸的完全鈍化背面的光電太陽能電池及其制 造方法。
背景技術(shù)：
基于對(duì)用于發(fā)電的礦物原材料使用的日益消減以及基于發(fā)電的生態(tài)學(xué)方面考慮， 一段時(shí)間以來，特別是由于各種政府推廣計(jì)劃，在很多國(guó)家光電太陽能電池已成為研發(fā)中 所關(guān)注的中心。太陽能電池通常由單晶硅或多晶硅組成，即通常由ρ摻雜硅的層(基層)和η摻 雜硅的層(發(fā)射層)組成，目前，由于材料的高成本原因，致力于把硅太陽能電池做得盡可 能薄。目前制造的硅太陽能電池通常具有大約220μπι的電池厚度W。較薄的電池厚度意味 著所述太陽能電池在機(jī)械上結(jié)構(gòu)非常精巧。太陽能電池典型地具有正面觸點(diǎn)和背面觸點(diǎn)，例如可以通過絲網(wǎng)印刷術(shù)制成 (M. A. Green, "Photovoltaics :Technology Overview", Engergy Policy 2000 ；28-14, p.989-998)。典型地，太陽能電池的正面和/背面經(jīng)過另外紋理處理，用以更好地把光耦合到 電池中(例如參見DE 10352423 B3)。采用氮化硅(SiNx:H)進(jìn)行鈍化減少了正面的再結(jié)合 損失并且同時(shí)作為抗反射膜。正面觸點(diǎn)通常具有精細(xì)網(wǎng)絡(luò)形式，例如通過絲網(wǎng)印刷術(shù)由包含金屬，尤其是包含 銀的材料獲得，并且在熱處理之后，通過SiNx H形成了與擴(kuò)散發(fā)射極接觸。太陽能電池的背面觸點(diǎn)通常由通過絲網(wǎng)印刷術(shù)鋪設(shè)的鋁層來提供。這例如還可以 采用涂覆到太陽能電池的含鋁糊劑實(shí)現(xiàn)，隨后的熱處理在界面上形成硅化鋁，熱處理一方 面造成鋁/硅界面處的良好歐姆接觸，還產(chǎn)生電場(chǎng)(背面場(chǎng)，BSF)，由于合金的原因引起了 能帶彎曲。特別地，BSF有助于減小太陽能電池背面的再結(jié)合損失。然而，整個(gè)背面接觸在物理上并非最優(yōu)，這是因?yàn)橄啾容^完全鈍化面而言，光生電 荷載流子的再結(jié)合率以及由此對(duì)整個(gè)金屬觸點(diǎn)上反向質(zhì)量(inverse quality)的測(cè)量大約 要高三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，常見的背面完全金屬化限制了現(xiàn)有太陽能電池的效率。為了提高效率，因此嘗試?yán)幂^高再結(jié)合特性和電荷載流子集合減小背面的局部 接觸以及由此對(duì)面積的限制。例如，照相平版印刷術(shù)方法的使用(例如wang等人在Appl. Phys. Lett. 1990，57， 602 \)JsR Blakers ^Λ Proceedings 9th Euro, PVSEC, Freiburg, Germany 1989,p. 32 ψ 所描述的那樣)提供了用于點(diǎn)接觸定位的可行方式。然而，照相平版印刷術(shù)屬于慢而且昂 貴的工藝，因此通常不適于工業(yè)生產(chǎn)。Jensen 等人在 Prog. Photovolt :Res. Appl. 2002，10，ρ· 1-13 (所謂 “Heterotransition”)或 Ε. Schneiderlochner 等人借助激光點(diǎn)火點(diǎn)接觸(Progr· Photovoltaics =Research and Applications 2002，10，p. 29-34，以及DE 10046170 Al)提出了用于改善背面再結(jié)合率的其他可行方案。在DE 10101375 Al中披露了用于在太陽能電池背面上制造點(diǎn)接觸的其他另外可 行方案，根據(jù)該公開，在太陽能電池背面點(diǎn)狀施加含有金屬化合物的溶劑并且隨后還原，從 而在表面上形成金屬化點(diǎn)接觸，。此外，DE 102004046554披露了通過在太陽能電池背面的額外鈍化層與金屬化接 觸層之間的界面上額外涂覆含有反光顆粒的無機(jī)或有機(jī)粘合劑來制造點(diǎn)接觸的方法。在DE 60121161 T2中描述了點(diǎn)接觸的另一方法，在太陽能電池背面上額外涂覆由 粘合劑凝結(jié)的顆粒組成的光散射層，其中顆粒顯示了超過40%的衰減對(duì)比。WO 00/22681教導(dǎo)使用融透工藝恢復(fù)金屬化背面接觸層與硅(發(fā)射極)層之間的 接觸，文中記載了通過把凹槽蝕刻到分層材料來實(shí)現(xiàn)該工藝。然而，本技術(shù)領(lǐng)域已知的所有現(xiàn)有方法都很昂貴，而且從處理工藝和成本觀點(diǎn)來 說非常難以實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明面臨的問題是提供一種在背面電極(背面接觸)與硅基層之間具有 點(diǎn)接觸的太陽能電池。根據(jù)本發(fā)明，通過具有ρ摻雜硅的基層和η摻雜硅的發(fā)射層的太陽能電池解決了 這一問題，其中，電極局部地布置在發(fā)射層上，電介質(zhì)層局部地布置在基層的背面，其中電 介質(zhì)層的整個(gè)面積上覆蓋有金屬層并且其中沒有覆蓋電介質(zhì)的區(qū)域上的金屬層通過中間 層與基層導(dǎo)電接觸，并且中間層由基層材料和金屬層材料的混合相組成。根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了金屬層材料與基層材料之間的點(diǎn)接觸，得 到電荷載流子的低再結(jié)合率的新的規(guī)則或不規(guī)則布置的點(diǎn)狀背面觸點(diǎn)，而且與現(xiàn)有技術(shù)中 的傳統(tǒng)太陽能電池相比，將根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的效率提高了幾個(gè)百分比?？缮藤?gòu)的 太陽能電池目前具有大約16-18%的效率，而根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池達(dá)到19-20%的效 率。在根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)一步提供了局部覆蓋鈍化層的基 層背面，隨后在鈍化層上局部鋪設(shè)電介質(zhì)層。在此情況下，形成歐姆接觸的中間層由基層材 料、鈍化層材料和金屬層材料的混合相組成。點(diǎn)接觸的直徑為IOOnm到Imm之間。該直徑具體取決于覆蓋的初始材料和層厚度。 用于覆蓋的典型值為10-20 μ m。根據(jù)本發(fā)明，覆蓋率(即中間層點(diǎn)接觸的面積相對(duì)于總面積)為0. 1到2%，優(yōu)選 地為0. 5到1. 5%。根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池顯示出比例如使用完全金屬接觸的太陽能電池所能達(dá) 到的開路電壓更高的開路電壓。因而，相對(duì)于具有完全金屬接觸的太陽能電池，開路電壓從 630mV 提高到 650mV。電介質(zhì)通常由氮化硅或二氧化硅組成，其中，由于氮化硅提高了作為背面 反光器的電介質(zhì)的光學(xué)特性而特別優(yōu)選氮化硅(W. Brendle, Thesis, Universitat Stuttgart[2007])。此外，使用二氧化硅或氮化硅(SiNx:H)減小了鋁背面接觸中輻射能量的吸收損耗。通常，氮化硅還包含氫，從而在大約1. 9的折射率η以及波長(zhǎng)λ = 632. 8nm情況 下得到IOOnm的層厚度，作為高效率的光學(xué)背面反光器。此外，SiNx:H保護(hù)非晶硅的如果存 在的任何敏感鈍化層。通過改變PECVD工藝過程中的工藝氣體氮?dú)夂桶睔庵瞥傻鑃iNx:H，其中在針 對(duì)低硅層η 1. 8 ( λ = 632. 8nm)到針對(duì)純非晶硅層的至多η = 3. 8 ( λ = 632. 8nm)的范 圍內(nèi)，通過對(duì)氣流條件的適當(dāng)選擇可以調(diào)節(jié)折射率。如上所述，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，另外在電介質(zhì)與基層之間還布置所謂的鈍 化層。優(yōu)選地，該鈍化層由(本征)非晶硅(a_Si:H或i-a-Si:H)組成，特別地，使用根據(jù) 本發(fā)明的太陽能電池的背面結(jié)構(gòu)中的層結(jié)合效率和反射率方面比將通常 采用的Si02背面提高了大約10%。使用非晶硅(a-Si :H)的優(yōu)勢(shì)在于，與例如現(xiàn)有SiO2或SiOCx相比，在PECVD工藝 中允許實(shí)質(zhì)上更低的沉積溫度，使得在200°C≤ Tp ≤250°C的溫度范圍內(nèi)(Tp =工藝溫度) 可以實(shí)現(xiàn)≤10cm 1s1的背面再結(jié)合率。而且，a-Si: H層意味著，如果在大約110度的工藝 溫度Tp下沉積a-Si :H層，隨后在200°C的溫度下淬火幾分鐘時(shí)間，則根據(jù)本發(fā)明的太陽能 電池能夠達(dá)到< IOOcm · S—1的再結(jié)合率。根據(jù)本發(fā)明，采用非晶硅的鈍化是針對(duì)以可接受表面再結(jié)合率的低工藝溫度的情 況。特別地，氮化硅和a_Si:H鈍化層的結(jié)合還把太陽能電池的電池厚度降低到 200 μ m以下，其中根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的優(yōu)選基層厚度為W < 50 μ m。金屬層的材料優(yōu)選地包含鋁或鋁合金，例如鋁/銀合金等，例如可以通過絲網(wǎng)印 刷術(shù)以糊狀形式簡(jiǎn)單涂覆并且能夠形成導(dǎo)電硅合金(硅化物)。鋁制金屬層，S卩，氣相沉積的金屬背面觸點(diǎn)形成了 a-Si:H/SiNx:H背面結(jié)構(gòu)的背 面，并且厚度大約為2 μ m。因此，中間層的材料優(yōu)選為鋁硅合金，在金屬層(即用于鋁的背面電極)與基層之 間產(chǎn)生點(diǎn)接觸。得益于根據(jù)本發(fā)明的背面鈍化，根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池具有大約19-20%的特 別高的效率，并且由于較好的背面反光器具有改進(jìn)的捕光效應(yīng)。還通過用于制造根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的簡(jiǎn)單而易于工業(yè)實(shí)現(xiàn)的方法解決了 本發(fā)明面臨的問題，所述方法包括步驟a)在形成太陽能電池的半導(dǎo)體表面的基層上鋪設(shè)離散顆粒；b)在沒有顆粒覆蓋的基層的區(qū)域上沉積電介質(zhì)層；c)去除顆粒；d)在電介質(zhì)上沉積金屬層；e)在基層和金屬層之間產(chǎn)生歐姆接觸。可選地，該方法包括，在步驟a)之前，在形成太陽能電池的半導(dǎo)體表面的基層上 鋪設(shè)鈍化層的另外步驟。不進(jìn)行鈍化或者在優(yōu)選地采用本征非晶硅(i-a-si:H)對(duì)基層的表面進(jìn)行鈍化之 后，把離散顆粒，特別是二氧化硅顆粒鋪設(shè)到鈍化層，作為用于待形成的點(diǎn)接觸的“標(biāo)記”。
所述顆粒優(yōu)選地具有單峰尺寸分布，使得制成的點(diǎn)接觸具有大致相同的尺寸?，F(xiàn)在可以規(guī)則或者不規(guī)則地鋪設(shè)二氧化硅顆粒，從而可以產(chǎn)生任意類型的分別選 擇的點(diǎn)接觸陣列。所得到的點(diǎn)接觸彼此之間的優(yōu)選距離大約為1mm，其中希望得到大約
的覆蓋率。在基層或鈍化層上鋪設(shè)二氧化硅顆粒之后，通過本身已知的工藝，例如采用PECVD 工藝等在上面沉積電介質(zhì)，其中通過改變粒度尺寸和排列，可以得到任何期望的接觸結(jié)構(gòu)。除了 PECVD(等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)之外，根據(jù)本發(fā)明還可以使用所謂的 HWCVD (熱絲化學(xué)氣相沉積)工藝、IAD (離子束輔助沉積)、PVD (物理氣相沉積)等工藝。優(yōu)選地，借助PVD或IAD工藝，還可以把顆粒下面的區(qū)域涂覆成陰影，而在PECVD 工藝中并未涂覆陰影區(qū)域，從而在取決于所使用的工藝形成了相等顆粒尺寸的較大點(diǎn)接 觸。顆粒(尤其是SiO2石英顆粒)所采用的材料廉價(jià)、無毒，并且尤其沒有污染太陽 能電池生產(chǎn)裝備的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于太陽能電池來說高純度非常重要。點(diǎn)接觸的尺寸由顆粒的尺寸決定，通常采用IOOnm到Imm的范圍的尺寸，其中通過 涂覆裝置(例如，結(jié)構(gòu)化厚度)總可以根據(jù)需要精確調(diào)整單位面積的點(diǎn)接觸的數(shù)量和圖案。在根據(jù)本發(fā)明的步驟d)中，例如通過施加機(jī)械能量(諸如震動(dòng)、搖晃、敲擊、或者 空氣沖擊波或空氣流等)可以容易去除顆粒。隨后，在電介質(zhì)上沉積層厚度為例如10到50 μ m、優(yōu)選20_23 μ m范圍的金屬層，優(yōu) 選地為鋁層。通過顆粒覆蓋先前細(xì)粒涂覆的區(qū)域，首先形成基層或鈍化層與鋁質(zhì)金屬層之 間的接觸。金屬層經(jīng)過氣相沉積，其中得到大約2μπι的厚度，或者采用絲網(wǎng)印刷術(shù)來印刷， 其中厚度大約為20 μ m。隨后燒結(jié)金屬層，結(jié)果是在基層或鈍化層與金屬層之間的接觸區(qū)域內(nèi)在非晶硅和 金屬之間形成合金中間層，制備了基層的可選擇地布置在鈍化層下方的電接觸，即產(chǎn)生了 歐姆接觸。該點(diǎn)狀“中間層”的厚度大約為2-5 μ m，并且其中將觀測(cè)到Si分布從基層向外 減小的梯度。


根據(jù)附圖進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，但是這些附圖不被認(rèn)為是限制性的。附圖示出了圖1是根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的示意性截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的伏安特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池100。太陽能電池100包括ρ摻雜 硅的基層101和η摻雜硅的發(fā)射層102。例如由鋁或銀組成的電極103局部地布置在發(fā)射 層102上。鈍化層104布局地布置在基層101的背面上。鈍化層104例如由a_Si:H(參見 Plagwitz 等人在 Progr. Photovolt. Res. Appl. 2004，12，p. 47-54 上發(fā)表的文章)組成。在鈍 化層上存在平坦的電介質(zhì)層105、將電介質(zhì)層105斷開的點(diǎn)狀區(qū)域107。電介質(zhì)優(yōu)選地為氮
6化硅，在本發(fā)明的次優(yōu)選實(shí)施例中為二氧化硅。如上所述，優(yōu)選地，氮化硅包含大約5-10% 的可以采用適當(dāng)?shù)陌ɡ缡褂肞ECVD工藝的沉積工藝獲得的氫。鈍化層和電介質(zhì)的材料 結(jié)合產(chǎn)生了良好的背面鈍化和具有低再結(jié)合率的顯著捕光效應(yīng)。在氮化硅的電介質(zhì)層105上存在大約10-20 μ m厚的鋁層106，這是通過絲網(wǎng)印刷 術(shù)或氣相沉積來沉積。鋁通過大約2-5 μ m厚的中間層108與基層101導(dǎo)電接觸，這是在所 沉積的鋁與鈍化層的限定區(qū)域的熱燒結(jié)過程中由a-Si:H形成的。觸點(diǎn)的尺寸，即中間層 108的直徑典型地為2μπι到Imm的量級(jí)。中間層108的形狀由此還可以描述為“圓柱狀 的”。根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池能夠把基層101的背面上的金屬化率從100%降低大約 1%，這會(huì)使得電子差區(qū)(electronically poor area)(再結(jié)合中心)減小，并且通過改善 背面反射器減少了背面上的光損耗。另外，提高了背面的電子品質(zhì)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明方法的示意圖，其中在第一步驟(圖2a)中，用二氧化硅顆 粒覆蓋具有或不具有鈍化層的硅晶片，其中可以以規(guī)則或不規(guī)則排列方式進(jìn)行覆蓋。隨后，例如借助PECVD (圖2b)，例如通過PECVD或HWCVD工藝沉積電介質(zhì)層，例如 如上所述的SiN，其中在PECVD工藝中用電介質(zhì)層205覆蓋顆粒的周圍區(qū)域。如前所述，根 據(jù)涂覆工藝，還可以在顆粒下方涂覆陰影區(qū)域，使接觸面積進(jìn)一步減小。隨后，通過機(jī)械作用，例如通過震動(dòng)或搖動(dòng)去除顆粒220，并且隨后通過公知的 工藝沉積金屬接觸層206(圖2c)，形成了金屬接觸層與硅晶片之間的點(diǎn)接觸。在以大約 300-700°C燒結(jié)之后，形成了導(dǎo)電中間層207?？梢院?jiǎn)單并且廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法，特別是因?yàn)檫€可以低成本地得到高 純度和高品質(zhì)的石英顆粒，而且，可以以大量離散顆粒和單峰顆粒尺寸分布獲得高純度和 高品質(zhì)的石英顆粒。因?yàn)樵诟鶕?jù)本發(fā)明的步驟b)中，由于表面上顆粒的靜電電荷使得物理化學(xué)粘合 性足以用于執(zhí)行隨后的涂覆步驟，根據(jù)本發(fā)明，不需要對(duì)硅層或鈍化層上的二氧化硅顆粒 (掩蔽顆粒)的粘合性進(jìn)行其他改進(jìn)。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的具有根據(jù)本發(fā)明所獲得的背面接觸的太陽能電池的伏 安特性曲線圖。與完全背面接觸可能達(dá)到的開路電壓相比，根據(jù)本發(fā)明的電池具有更高的 開路電壓。電池2_4具有Voc = 652mV的開路電壓，電池1_4具有Voc = 646mV的開路電 壓，而具有完全金屬接觸的電池最高達(dá)到630mV的開路電壓。
權(quán)利要求
一種太陽能電池(100)，其包括p摻雜硅的基層(101)和n摻雜硅的發(fā)射層(102)，電極(103)局部地布置在發(fā)射層(102)上，電介質(zhì)層(105)局部地布置在基層(101)的背面，電介質(zhì)層(105)在其整個(gè)面上涂覆金屬層(106)并且金屬層(106)經(jīng)由中間層(108)在沒有涂覆電介質(zhì)層(105)的區(qū)域(107)上與基層(101)導(dǎo)電接觸，中間層由基層材料和金屬層材料的混合相組成。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中鈍化層(104)局部地布置在基層(101)的背 面與電介質(zhì)層(105)之間。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中中間層(108)由基層(101)的材料和金屬層 (106)和/或鈍化層(104)的材料的混合相組成。
4.如權(quán)利要求1或3所述的太陽能電池，其中電介質(zhì)為氮化硅或二氧化硅。
5.如權(quán)利要求4所述的太陽能電池，其中鈍化層(104)由本征非晶硅組成。
6.如權(quán)利要求5所述的太陽能電池，其中金屬層(106)的材料為鋁或鋁合金。
7.如權(quán)利要求6所述的太陽能電池，其中中間層(108)的材料包含鋁硅合金。
8.一種制造如前述任一權(quán)利要求所述的太陽能電池的方法，包括步驟a)在形成太陽能電池的半導(dǎo)體表面的基層(101)上施加離散顆粒；b)在基層的沒有顆粒覆蓋的區(qū)域上沉積電介質(zhì)層；c)去除顆粒；d)在電介質(zhì)上沉積金屬層；e)在基層和金屬層之間產(chǎn)生歐姆接觸。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中使用ρ摻雜硅作為半導(dǎo)體表面的材料。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中在步驟a)之前，在基層(102)上涂覆鈍化層 (104)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中使用本征非晶硅作為鈍化層的材料。
12.如權(quán)利要求9或11所述的方法，其中使用氮化硅或二氧化硅作為電介質(zhì)的材料。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中通過PECVD工藝、HWCVD工藝、IAD工藝和PVD工 藝進(jìn)行電介質(zhì)的沉積。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中電介質(zhì)層的厚度處于10到500nm的范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求8或14所述的方法，其中離散顆粒由二氧化硅組成。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中顆粒具有單峰尺寸分布。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中在電介質(zhì)沉積之后，通過機(jī)械作用去除顆粒。
18.如權(quán)利要求8或17所述的方法，其中金屬層的材料包含鋁。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中金屬層的厚度處于0.5到10 μ m的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中通過氣相沉積涂覆金屬層。
21.如權(quán)利要求10所述的方法，其中金屬層經(jīng)過燒結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能電池(100)，其包括p摻雜硅的基層(101)和n摻雜硅的發(fā)射層(102)，其中電極(103)局部地布置在發(fā)射層(102)上并且鈍化層(104)可選擇地局部布置在基層(101)的背面和電介質(zhì)層(105)上，電介質(zhì)層(105)的整個(gè)區(qū)域都覆蓋金屬層(106)，電介質(zhì)層(105)局部地布置在金屬層上，其中金屬層(106)經(jīng)由中間層(108)在沒有涂覆電介質(zhì)層(105)的區(qū)域(107)上與基層(101)導(dǎo)電接觸，中間層(108)由基層材料和金屬層(106)材料的混合相組成。本發(fā)明還涉及一種所述太陽能電池的制造方法。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK101981705SQ200980111801
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月4日
發(fā)明者約翰內(nèi)斯·羅斯坦, 邁克爾·雷烏特, 雷納·默茨 申請(qǐng)人:斯圖加特大學(xué)