CN101142691B - 具有厚氧化硅和氮化硅钝化层的光电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
揭示了一种生产光生伏打器件(例如太阳能电池)的方法，包括以下步骤：提供具有前主面和背面的基板；在所述背面上沉积电介质层，其中所述电介质层的厚度大于100纳米；在所述电介质层上沉积包含氢化SiN的钝化层；形成贯穿电介质层和钝化层的后触头。还揭示了一种生产光生伏打器件(例如太阳能电池)的方法，包括以下步骤：提供具有前主面和背面的基板；在所述背面上沉积电介质叠层，其中所述电介质叠层包括电介质层的亚叠层，所述亚叠层的厚度大于100纳米，所述电介质叠层的厚度大于200纳米；形成贯穿所述电介质叠层的后触头。还揭示了相应的光生伏打器件，例如太阳能电池器件。
Description
发明领域
本发明涉及光电池领域。本发明更具体地涉及制造光电池的方法和由此得到的光电池。
发明背景
明显降低大块(bulk)结晶硅太阳能电池的成本需要克服阻碍在薄基板上高生产量、低成本和可靠的工业方法发展的技术屏障。目前，工业上表面调理和背面钝化的方法不符合薄基板上产率和性能方面的要求。已广泛认可的方法步骤，例如全区域、丝网印刷的Al合金BSF(背面电场)方法由于低于200微米的晶片性能不足和过份翘曲将被舍弃。对于实验室规模的生产有许多解决的方法，但是这些方法既没有应用到商业品质的材料上，也不能保证成本效率和生产量。
主要问题是背面的钝化，同时提供电阻性的(局部)电接触和对基底的有限表面复合速率。
通过某种方法加工使电介质具有抗接触烧结的表面钝化性质，而且要使得该方法不会对商业品质的材料(例如单晶或Cz-Si、多晶或me-Si)的本体寿命造成损害、并且不会与背侧金属镀敷相互影响，这绝对不是一项无关紧要的任务。大部分电介质在快速热处理过程中会丧失它们的钝化性质，这是通过ARC烧结前接触所必需的，并且已经知道背侧铝与电介质之间的相互作用会危害电池效率，尽管文献中对于硅上的各种电介质层报导了双面样品上的表面钝化的优异结果。假如需要以给定的程序进行重复高温处理和清洁/蚀刻步骤，则将这种层整合到完整的太阳能电池加工程序中也是重要的。
在″Effective passivation of the low resistivity silicon surface by a rapidthermal oxide/plasma silicon nitride stack″(Applied Physics Letters，第72卷，第15号，1998年4月13日)中，描述了一种用于低电阻率硅表面的钝化方法。通过在900℃快速热处理(RTP)5分钟来沉积快速升温氧化物(RTO)，然后通过等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)沉积SiN层。显示了RTO温度对于叠层(stack)的钝化的影响。RTO层的厚度约为7.9纳米。没有进行任何光电池生产过程。没有进行任何太阳能电池背面钝化过程，也没有进行分析。
在″The effect of Low and High Temperature Anneals on the HydrogenContent and Passivation of Si Surface with SiO2 and SiN Films″(Journal of TheElectrochemical Society，146(5)1921-1924(1999))中，研究和比较了不同Si表面钝化方案。该文献中提出在退火的过程中从SiN中释放氢，进一步钝化下面的RTO/Si界面。实施例包含约10纳米的氧化物薄层。对于低品质氧化物，显示较低的钝化性质。没有进行任何太阳能电池生产过程，也没有进行分析。
在″Investigation of various surface passivation layers using oxide/nitridestacks of silicon solar cells″(Lee，J.Y.；Dicker，J.；Rein，S.；Glunz，S.W.；Proceedings of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka 2003，2003年5月12-16日，第1069-1072页，第2卷)中，测试了基于经典的热氧化(CTO)、RTO、SiNx和氧化物/氮化物叠层的不同表面钝化方法，并且引入到太阳能电池中。该文献得出的结论是a)氧化物/氮化物叠层的钝化依赖于SiO2/Si界面处界面本身的低密度状态和SiNx/SiO2界面处固定的高电荷密度相结合；b)然而，当引入太阳能电池中时，氧化物/氮化物叠层具有较弱的前表面和背面钝化。a)表明为了使钝化有效，
-氧化物/硅界面本身应该具有良好的品质，
-氧化物应该尽可能薄，因为氧化物越薄，由于氮化物电荷的原因，场效应钝化越强。
发明目的
本发明的目的是提供光电池和生产光电池的方法，该方法减轻或避免了现有技术的一些问题，降低了生产成本。
发明概述
在本发明的第一方面的第一实施方式中，揭示了一种生产光生伏打器件(例如太阳能电池)的方法，该方法包括：
i.提供半导体基板，例如硅基板，该基板具有用于收集入射光(例如日光)的前主面和与该前主面相对的背面，
ii.在所述背面上沉积电介质层或宽带隙半导体层，其中电介质层或宽带隙半导体层的厚度大于100纳米，优选大于120纳米，更优选大于150纳米或大于200纳米，
iii.在所述电介质层或宽带隙半导体层上沉积包含氢化SiN的钝化层，
iv.形成贯穿所述电介质层或宽带隙半导体层和所述钝化层的后触头(back contacts)。
在本发明的第一方面的另一个实施方式中，揭示了一种生产光生伏打器件(例如太阳能电池)的方法，该方法包括：
i.提供半导体基板，例如硅基板，该基板具有用于收集入射光(例如日光)的前主面和与该前主面相对的背面，
ii.在所述背面上沉积SiN层或SiN:H层，其中所述SiN层或SiN:H层的厚度大于100纳米，优选大于120纳米，更优选大于150纳米、大于180纳米或大于200纳米，
iii.形成贯穿所述SiN层或SiN:H层的后触头。
对于双面太阳能电池，前主面和背面都适合接受入射光。在此情况中，前主面是适合接受大部分入射光的表面。
氢化SiN层的作用是作为钝化层，因为它能够释放氢(在随后的高温步骤中)，诱导电荷，使电介质/基板界面具有良好的表面钝化。
在背面上沉积电介质层或宽带隙半导体层可包括沉积低品质电介质层。在背面上沉积电介质层可包括沉积SiN层或氢化SiN层。或者，在背面上沉积电介质层可包括沉积低品质氧化物。低品质氧化物可包括低品质无定形氧化物，例如无定形氧化硅，与高品质氧化物的生产相比低品质氧化物能够降低生产成本。低品质无定形氧化物可以是任何APCVD热解(pyrolithic)氧化物、旋涂(spin-on)氧化物、喷涂(spray-on)氧化物或浸渍氧化物(dip oxide)。在本发明的实施方式中，电介质层可以是沉积电介质层。沉积电介质层的品质通常比生长电介质层的品质低。
在本发明的实施方式中，以层厚/分钟(min)表示的电介质层或宽带隙半导体层的生产速率(可以是生长速率或沉积速率)可以高于5纳米/分钟，或者高于10纳米/分钟，或者高于20纳米/分钟，或者高于30纳米/分钟，或者高于50纳米/分钟。
生长二氧化硅作为基板的硅与通过气相提供的氧气之间的反应产物形成。在沉积氧化物或电介质的情况中，没有来自基板或硅层的反应物。例如，低品质电介质层(例如无定形氧化物)可以是悬涂氧化物或APCVD(大气压化学气相沉积)热解氧化物(pyrox)，旋涂、喷涂或浸渍氧化物。例如，低品质电介质层可以是氧化硅、TiO2(例如，通过溶胶凝胶沉积的)或Al2O3/TiO2假二元合金(PBA)。
在某些温度下沉积电介质层或宽带隙半导体层可以带来某些有利的效应，其中的一些在下文中进行描述。在本发明的实施方式中，沉积温度可以低于600℃，这样进行处理的过程中基板不会发生热中毒。在本发明的实施方式中，例如，可以通过PECVD在低于500℃的温度下沉积电介质。在本发明的实施方式中，沉积温度可以低于410℃，使用(例如)热解氧化物(具有典型的404℃的沉积温度)可以实现。在本发明的实施方式中，可以通过低温PEVCD(＜300℃)沉积电介质或宽带隙半导体层。在本发明的其它实施方式中，沉积可以在室温下(例如)由液体、溶胶、溶胶凝胶通过旋涂、喷涂、浸涂或任何其它沉积方式进行。所得电介质层或宽带隙半导体层可能需要在较高的温度下进一步固化，该行为可以在进一步电池处理过程中发生。
在本发明的第一方面的第二实施方式中，揭示了一种生产光生伏打器件(例如太阳能电池)的方法，该方法包括：
i.提供半导体基板，例如硅基板，该基板具有用于收集入射光(例如日光)的前主面和与该前主面相对的背面，
ii.在所述背面上沉积电介质叠层，其中所述电介质叠层包括电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层(sub-stack)，所述亚叠层的厚度大于100纳米，优选大于150纳米，更优选大于200纳米，所述电介质叠层的厚度大于200纳米，优选大于250纳米，优选大于300纳米，
iii.形成贯穿所述电介质叠层的后触头。
在所述背面上沉积电介质叠层可包括在背面上沉积电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层，和在亚叠层上沉积钝化层。在此情况中，钝化层的厚度不包括在叠层的厚度中。钝化层可具有任何合适的厚度。钝化层可以是SiN层，优选是氢化SiN层。
在背面上沉积电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层可包括沉积低品质电介质层，例如低品质氧化物。低品质氧化物可包括低品质无定形氧化物，例如无定形氧化硅，与高品质氧化物的生产相比低品质氧化物能够降低生产成本。低品质无定形氧化物可以是任何APCVD热解氧化物、旋涂氧化物、喷涂氧化物或浸渍氧化物。在本发明的实施方式中，电介质层可以是沉积电介质层。沉积电介质层的品质通常比生长电介质层的品质低。
在本发明的实施方式中，以层厚/分钟(min)表示的电介质层和/或宽带隙半导体层的生产速率(可以是生长速率或沉积速率)可以高于5纳米/分钟，或者高于10纳米/分钟，或者高于20纳米/分钟，或者高于30纳米/分钟，或者高于50纳米/分钟。
生长二氧化硅作为基板的硅与通过气相提供的氧气之间的反应产物形成。在沉积氧化物或电介质的情况中，没有来自基板或硅层的反应物。例如，低品质电介质层(例如无定形氧化物)可以是悬涂氧化物或APCVD(大气压化学气相沉积)热解氧化物(pyrox)，旋涂、喷涂或浸渍氧化物。例如，低品质电介质层可以是氧化硅、TiO2(例如，通过溶胶凝胶沉积的)或Al2O3/TiO2假二元合金(PBA)。
在某些温度下沉积电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层可以带来某些有利的效应，其中的一些在下文中进行描述。在本发明的实施方式中，沉积温度可以低于600℃，这样进行处理的过程中基板不会发生热中毒。在本发明的实施方式中，例如，可以通过PECVD在低于500℃的温度下沉积电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层。在本发明的实施方式中，沉积温度可以低于410℃，使用(例如)热解氧化物(具有典型的404℃的沉积温度)可以实现。在本发明的实施方式中，可以通过低温PEVCD(＜300℃)沉积电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层。在本发明的其它实施方式中，沉积可以在室温下(例如)由液体、溶胶、溶胶凝胶通过旋涂、喷涂、浸涂或任何其它沉积方式进行。所得电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层可能需要在较高的温度下进一步固化，该行为可以在进一步电池处理过程中发生。
在本发明的第一方面的任何实施方式中，如果使用硅基板，则可以使用任何种类的硅基板。硅基板的一些例子是Czochralski Si(cz-Si)晶片、浮区(Float-Zone)Si(fz-Si)晶片、多晶Si(mc-Si)晶片和Ribbon Si晶片。这些层的一些例子是可放置在玻璃或玻璃-陶瓷上的多晶硅层，或者是通过剥离(lift-off)方法得到的单晶硅层。
在本发明的第一方面的任何实施方式中，电介质层或宽带隙半导体层、或者电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层的厚度可以在100纳米至5000纳米之间，优选在100纳米至4000纳米之间，更优选在100纳米至3000纳米之间，更优选在100纳米至2000纳米之间，更优选在100纳米至1500纳米之间，更优选在150纳米至1200纳米之间，更优选在200纳米至1200纳米之间，更优选在600纳米至1200纳米之间，或者在800纳米至1200纳米之间。或者，电介质层或宽带隙半导体层或电介质叠层的厚度可以在400纳米至800纳米之间。在本发明的实施方式中，电介质层或宽带隙半导体层或电介质叠层的最小厚度取决于所用的材料，并且由在发射极扩散过程中用作扩散掩模，同时仍然可用于表面钝化和接触形成所需的材料的量决定。对于热解氧化物氧化硅，通常约为300纳米，对于通过溶胶凝胶沉积的Al2O3/TiO2假二元合金(PBA)，通常约为150纳米。这些厚度值仅仅是指示性的，可以偏离该给定值10％、20％或更多。而且，不同材料的组合或不同材料的层的叠层也是可以的，并且将导出对于组合的扩散掩模、表面钝化和接触形成方法预定的阀值厚度。
依据本发明，施加在光生伏打器件(例如，太阳能电池)的背面的电介质层或宽带隙半导体层的作用是为了增加后触头材料和基板表面之间的距离。已经令人惊奇地发现，对于100纳米至5000纳米之间的距离，光生伏打器件(例如，太阳能电池)的背面的接触层与基板的背面之间的距离越大，可以得到越好的钝化效果，即使施加的是低品质电介质材料或宽带隙半导体层也是如此。本发明的实施方式的一个优点是即使使用低品质电介质也能实现足够的钝化效果。这类低品质电介质层的沉积可通过快速的低成本沉积技术进行。
在依据本发明的第一方面的实施方式的方法中，形成后触头可以包括在所述电介质层或宽带隙半导体层和所述钝化层或可能具有钝化层的所述电介质叠层中形成孔眼(holes)，在所述钝化层或所述电介质叠层上沉积接触材料层，从而填充所述孔眼。
形成孔眼可通过施加蚀刻膏、机械雕合或激光烧蚀来进行。
在依据本发明的实施方式的方法中，沉积接触材料层可通过蒸发、溅射或丝网印刷、喷墨印刷、刻版印花来进行。金属可用作接触材料，然而使用铝是有利的。当使用铝粉浆时，本发明具有以下优点：形成局部BSF(背面电场)接触。或者，在钝化层沉积和烧结后，可以不沉积金属，而是通过例如PECVD沉积p+(或n+，在n型基板上)半导体(例如a-Si)，然后在该层上沉积金属。
在依据本发明的实施方式的方法中，接触材料层可以是不连续的。在沉积接触材料层的步骤中，所述接触材料可以基本上沉积在所述孔眼中。沉积这种不连续的接触材料层的方法有许多，并且是本领域技术人员已知的。
在本发明的实施方式中，接触材料层可以最初是不连续的。这意味着接触材料可以覆盖不同的区域，而那些不同区域相互之间没有电连接。为了获得最佳的通过器件和/或外负载的电流，这些区域之后可以电连接。
在本发明的实施方式中，接触材料层可以这样的方式沉积：光也可以从背侧进入器件，从而产生双面太阳能电池。
在本发明的实施方式中，可以对接触材料层进行高温步骤，即温度在600-1000℃的步骤，例如通过快速热处理(数十秒)烧结前接触和后触头。一般而言，依据本发明的方法可以具有或不具有高温步骤，但是与现有技术不同的显著特征是电介质层或宽带隙半导体层或电介质叠层能够承受这样的高温步骤，这在所有工业太阳能电池中是必需的。另外，在高温步骤中，例如，在一个具体的实施方式中，当使用SiNx:H/电介质叠层时，电介质/硅界面的表面钝化得到改善。该高温步骤可以是例如接触烧结步骤，该步骤可以在高于730℃、低于960℃的温度下进行，最多可进行约数十秒。当前侧接触和背侧接触是同时产生时，烧结步骤可以是“共烧结”。当该操作是分开进行时，背侧在超过800℃的温度下烧结，然后前接触在约750℃的温度下烧结(之后可以是合成气体退火-FGA-)。上一段中的数字是示意性的，可以有一些变化(例如，约25％)。
在本发明的第一方面的其它实施方式中，可以通过以下步骤形成后触头：施加连续的接触材料(例如金属)层，并且对该接触材料层进行局部烧结，即通过(例如)激光进行局部加热。在此情况中，连续的接触材料层也可以用作后镜。
在本发明的第一方面的其它实施方式中，可以通过以下步骤形成后触头：在光生伏打器件(例如太阳能电池)的钝化背面上施加图案化的金属层，进行常规加热步骤。
依据本发明实施方式的一种方法还可以包括以下步骤：在沉积所述电介质层或宽带隙半导体层或所述电介质叠层之前，除去待钝化表面(即背面)上的扩散和发射极。但是，如果电介质层或宽带隙半导体层或所述电介质叠层适合用作扩散掩模，则可以在形成发射极之前，施加这些层。在此情况中，没有掺杂剂会从器件的背面进入基板，因此有利的是依据本发明的实施方式，除去待钝化的表面上的发射极的步骤可省略。
在依据本发明的实施方式的方法中，例如，依据本发明的第一方面的第一实施方式，在沉积电介质层或宽带隙半导体层的步骤之后，在沉积钝化层的步骤之前，进行扩散步骤。
在相同的实施方式中，电介质层或宽带隙半导体层可用作扩散掩模。在有利的本发明的实施方式中，电介质层或宽带隙半导体层可用作扩散掩模，同时用于表面钝化的目的，从而简化了电池的加工程序。电介质层或宽带隙半导体层无论是否图案化都可以用作扩散掩模。通常，该层没有进行图案化，仅仅是整个背面的掩模。但是，该层可以被图案化，例如用于互相交叉或后触头的太阳能电池。然后，电介质层或宽带隙半导体层无论是否图案化，都可以进行局部去除、烧蚀、蚀刻或图案化，以产生用于与基板表面局部接触的开口。
在本发明的实施方式中，当不可以使用钝化层作为扩散掩模时，还可以包括以下步骤：用另一个待蚀刻去除的掩模进行扩散，或者无掩模扩散，然后在沉积电介质层或宽带隙半导体层之前，除去背侧的附加发射极。
在依据本发明的实施方式的方法中，可以对所述前主面进行典型的太阳能电池前表面处理。典型的太阳能电池前表面处理可以包括：织构化前表面，在前侧扩散磷原子，蚀刻磷玻璃，在前侧沉积氮化硅层。或者，上述用于背面的方法步骤也可以用于太阳能电池的前主面。
在依据本发明的实施方式的方法中，基板(例如，硅基板)可以是超薄基板，其厚度通常小于250微米，优选小于200微米，或者更优选小于150纳米。减小基板的厚度可以更有效地利用底层材料，从而降低成本。但是，超薄基板在某些处理中或处理后会弯曲，本发明的实施方式提高了这类超薄基板耐弯曲的能力，因此至少部分地减少了在制造光生伏打器件(例如，太阳能电池)中使用超薄基板的困难。
在一个具体的实施方式中，本发明的第一方面提供了一种生产光生伏打器件(例如太阳能电池)的方法，该方法包括：
1.提供具有前主面和背面的硅基板或硅层或硅薄膜，
2.在所述背面上沉积电介质层，例如，厚度大于100纳米、例如在200纳米至1200纳米之间的电介质层，
3.在所述电介质层上沉积包含氢化SiN的钝化层，
4.在电介质层和SiN:H层中形成孔眼，
5.在所述电介质层上沉积接触材料层，从而填充所述孔眼，
6.进行高温步骤，即对接触材料施加600-1000℃的温度。
上述本发明的其它实施方式的特征可以结合可应用的、并且不仅仅是本说明书中所述的具体实施方式。
在本发明的第二方面中，揭示了对应于本发明的第一方面的方法的光生伏打器件(例如太阳能电池器件)。也可以是其它光生伏打器件，例如辐射探测器。应理解，该方法中解释的动机、变体、其它实施方式、限制等也适用于依据本发明的器件。
在第二方面的第一实施方式中，揭示了一种光生伏打器件，例如太阳能电池器件，其包括：
1.半导体基板(例如硅基板)或层(例如硅层)或薄膜(例如硅薄膜)，其具有用于收集入射光(例如日光)的前主面和相对于该前主面的背面，
2.位于所述背面上的电介质层或宽带隙半导体层，所述电介质层或宽带隙半导体层的厚度大于100纳米，优选大于150纳米，
3.位于所述电介质层或宽带隙半导体层上的包含氢化SiN的钝化层，
4.贯穿所述电介质层或宽带隙半导体层和所述钝化层的后触头。
如果使用硅基板，则可以使用任何种类的硅基板。硅基板的一些例子是Czochralski Si(cz-Si)晶片、浮区Si(fz-Si)晶片、多晶Si(mc-Si)晶片和Ribbon Si晶片。这些层的一些例子是可放置在玻璃或玻璃-陶瓷上的多晶硅层，或者是通过剥离方法得到的单晶硅层。
在本发明的第二方面的第一实施方式中，位于背面上的电介质层或宽带隙半导体层可由厚度大于100纳米、优选大于200纳米的SiN层组成。在一个优选的实施方式中，沉积的SiN层是氢化SiN层。
在第二方面的第二实施方式中，揭示了一种光生伏打器件，例如太阳能电池器件，其包括：
1.半导体基板(例如硅基板)或层(例如硅层)或薄膜(例如硅薄膜)，其具有用于收集入射光(例如日光)的前主面和相对于该前主面的背面，
2.位于所述背面上的电介质叠层，其中所述电介质叠层包括电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层，所述亚叠层的厚度大于100纳米，优选大于150纳米，所述电介质叠层的厚度大于200纳米，优选大于250纳米，
3.贯穿所述电介质叠层的后触头。
电介质叠层可包括位于电介质层和/或宽带隙半导体层(例如SiN层)的亚叠层上的钝化层。在此情况中，钝化层不构成厚度大于200纳米的叠层的部分。
在依据本发明的实施方式的光生伏打器件中，在基板的背面和电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层之间可存在高品质层，例如氧化铝层。
在本发明的第二方面的实施方式中，电介质层或宽带隙半导体层、或者电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层的厚度可以在100纳米至5000纳米之间，优选在100纳米至4000纳米之间，更优选在100纳米至3000纳米之间，更优选在100纳米至2000纳米之间，更优选在100纳米至1500纳米之间，更优选在150纳米至1200纳米之间，更优选在200纳米至1200纳米之间，更优选在600纳米至1200纳米之间，或者在800纳米至1200纳米之间。或者，电介质层或宽带隙半导体层或电介质叠层的厚度可以在400纳米至800纳米之间。在本发明的实施方式中，电介质层或宽带隙半导体层或电介质叠层的最小厚度取决于所用的材料，并且由在发射极扩散过程中用作扩散掩模，同时仍然可用于表面钝化和接触形成所需的材料的量决定。对于热解氧化物SiOx，通常约为300纳米，对于通过溶胶凝胶沉积的Al2O3/TiO2假二元合金(PBA)，通常约为150纳米。这些厚度值仅仅是指示性的，可以偏离该给定值10％、20％或更多。而且，不同材料的组合或不同材料的层的叠层也是可以的，并且将导出对于组合的扩散掩模、表面钝化和接触形成方法预定的阀值厚度。
在本发明的第二方面的实施方式中，电介质层或宽带隙半导体层、或者电介质层和/或宽带隙半导体层的亚叠层可包含低品质电介质层。低品质电介质层可包含低品质氧化物，例如低品质无定形氧化物，例如无定形氧化硅，与高品质氧化物的生产相比低品质氧化物能够降低生产成本。在本发明的实施方式中，电介质层可以是沉积电介质层。沉积电介质层的品质通常比生长电介质层低。
低品质电介质(例如无定形氧化物)可以是例如旋涂氧化物或APCVD(大气压)热解氧化物，悬涂、喷涂或浸渍氧化物。可以是例如氧化硅、TiO2(例如通过溶胶凝胶沉积的)或Al2O3/TiO2假二元合金(PBA)。
低品质无定形氧化物相对于高品质生长氧化物具有一些优点，例如，它们较便宜，而且对本体(bulk)材料的寿命的损害较小。
在本发明的实施方式中，可通过电介质层或宽带隙半导体层和钝化层中或可能具有钝化层的电介质叠层中的孔眼形成后触头，这些孔眼被导电的接触材料填充。
在本发明的实施方式，接触材料层可以是不连续的。这意味着接触材料可以覆盖不同的区域，因而这些不同的区域相互不连接。在不连续的接触材料层的有利的例子中，接触材料可以基本上存在于孔眼中。
在本发明的其它实施方式中，可以通过以下步骤形成后触头：施加连续的接触材料(例如金属)层，并且对该接触材料层进行局部烧结，即通过(例如)激光进行局部加热。在此情况中，连续的接触材料层也可以用作后镜。
在本发明的其它实施方式中，可通过在光生伏打器件(例如太阳能电池)的钝化背面上施加图案化的金属层并且进行常规加热步骤来形成后触头。
在本发明的实施方式中，依据本发明的器件可以是双面的。
在本发明的实施方式中，前主面可包括典型的太阳能电池前表面。或者，前主面可包括如上所述的结构。
在某些有利的实施方式中，基板的厚度小于250微米，或者小于200或150微米。减少基板的厚度可以更有效的利用底层材料，因此降低成本。
已经表明，通过本发明可以生产基板厚度小至90微米的工作太阳能电池(容易实现11％的效率)，而且尽管将丝网印刷Al粉浆用于整个背面上的接触，也没有显示任何的弯曲问题。
在一个具体的实施方式中，本发明的第二方面提供一种光生伏打器件，例如太阳能电池器件，其包括：
1.具有前主面和背面的硅基板或硅层或硅薄膜，
2.位于所述背面上的电介质层，所述电介质层的厚度大于100纳米，例如在200纳米至1200纳米之间，
3.位于电介质层上的包含氢化SiN的钝化层，
4.贯穿电介质层和SiN:H层的孔眼，
5.位于电介质层上的接触材料层，所述层还填充孔眼。
应注意，一些通过某种技术形成或产生、生长或沉积的层可以在之后成功地进行研究，以确认它们的形成技术。这种技术的例子是例如TEM(隧道电子显微镜)检测照片，但是也可以使用本领域技术人员已知的其它技术。
依据本发明的方法可以应用于后触头太阳能电池领域。该方法可以得到后触头太阳能电池，该电池可以进一步包括依据本发明的器件的特征。
在所附独立和非独立权项中陈述了本发明的具体和优选方面。非独立权项的特征可与独立权项的特征以及其它适当的并且不仅仅是按照权利要求中所明确陈述的非独立权项的特征相结合。
附图说明
图1是依据本发明的实施方式的光生伏打器件(例如太阳能电池)制造方法的例子。
图2是对依据本发明的实施方式的说明。
图3显示了一组双面Cz硅晶片在不同钝化和热处理之后的有效寿命。样品以1014过剩载流/厘米3的注入水平测量。显示氢化SiNx的沉积和烧结对于沉积和热处理/扩散的(在POCl3扩散炉中循环)样品上的层都是有利的。
图4显示了电池的开路电压与沉积的低品质电介质的厚度之间的函数关系，开路电压是与背侧钝化层的品质直接相关的品质因数。
图5显示了三种采用不同背面钝化方案的电池的开路电压。
示例性实施方式的说明
将结合特定实施方式和附图描述本发明，但本发明不受限于此，本发明仅由权利要求限定。所述附图仅仅是示意性和非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸放大，没有按照比例绘制。
此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区别类似的元件，不一定用于描述次序或顺序。应理解，所用的术语在适当的情况下是可以互换的，文中所描述的本发明的实施方式能够按照与所描述或说明不同的其它次序进行。
而且，说明书和权利要求书中的术语“顶部”、“底部”、“在...之上”、“在...之下”等用于描述性的目的，不一定描述相对位置。应理解，所用的术语在适当的情况下是可以互换的，文中所述的本发明的实施方式能够按照与所描述或说明不同的其它方向进行。
将就硅基板解释本发明，但是本发明不限于此。也可以使用其它合适的基板。
在本发明的第一实施方式中，在硅基板上沉积厚SiN层。SiN层的厚度大于100纳米，优选至少为180纳米。当形成太阳能电池时，这种结构显示出对于较高的电介质厚度增加的电池效率。此外，已经发现，厚度大于100纳米的电介质层的电池效率比现有技术的较低电介质厚度的电池效率优异。
在本发明的第二实施方式中，如图1所示，在基板表面4(例如，硅表面)上沉积超过100纳米、200纳米、800纳米的电介质1(例如，氧化物)。在电介质1上沉积优化用于释放氢的SiNx:H3层。通过氢化方法提高基板表面钝化。
然后通过在这样形成的电介质叠层1和3中形成孔眼6使所述叠层开放，形成局部接触区域。将接触材料5的层施加到所述电介质叠层1和3上，从而填充所述孔眼。可通过丝网印刷完成该操作，例如同时或相继地对前表面和背面进行丝网印刷。然后进行高温步骤如共烧结，以接触基板2。如图2所示，接触材料5可以作为连续层或作为非连续层施加。这意味着接触材料5可以覆盖不同的区域，从而不同的区域相互之间没有电连接。这些区域随后可通过电连接装置8进行电连接，使最佳电流通过器件和/或外负载。
因此，在以下方面改善了背侧钝化层：(a)保持或改善了其在烧结步骤中的表面钝化性质，(b)不会被商品铝丝网印刷粉浆完全烧结，同时是在金属镀敷之前局部除去该层的损伤最小、快速的技术，(c)在烧结过程中，或者在以其它方式形成贯穿的局部接触时，不与覆盖的金属层相互作用。
由于该方法的特征，该方法
-提供有效的表面钝化，
-可以形成局部(BSF)接触，
-消除了使用超薄晶片或基板时的弯曲问题(例如，当在超薄晶片上结合Al丝网印刷粉浆时遇到的问题)。
在太阳能电池的背侧硅表面上沉积(例如，通过APCVD或旋涂)普通低品质无定形氧化物(例如，SiO2、SiOx、SOG、TiO2、Al2O3...或它们的假合金、SiONx)。通过沉积优化的氢化电介质层(即SiNx:H)改善电介质层的表面钝化性质。这种叠层在短时间的高温处理过程中保持了钝化性质。甚至在此处理过程中改善了钝化性质。该特征非常重要，因为它使在大部分工业硅太阳能电池加工工序中进行的接触共烧结步骤的应用成为可能。而且，假如这种叠层a)能够耐烧结，即不会丧失其相关性质，b)不能完全烧结，但是c)可以通过蚀刻膏或激光烧蚀之类的技术在其中产生局部开口或孔眼，则本发明能够找到一种简单的方法，在烧结过程中，通过选择性合金化形成局部背面电场(LBSF)接触。合金化过程部分地修复了在使层开口的过程中产生的任何表面损伤，从而进一步简化了所述方法。在合金化的过程中，Si表面和表面下的一部分与金属形成合金。因此，表面终止不是至关重要的，例如当沉积另一层半导体或电介质时就是如此。形成背面电场，能够使残余的表面下部分的损伤影响降低到一定程度。
在实施例中，如图1所示，通过大气压化学气相沉积(APCVD)将热解氧化硅(Pyrox)1沉积在硅基板2上。与已知的对于硅表面钝化极好的常规热氧化物或湿氧化物相反，热解氧化物具有较差的钝化性质，可以作为便宜且方便的扩散掩模或掺杂源应用于微电子中。事实上，可以在约400℃沉积，这意味着即使是低品质硅材料也能承受这样的沉积过程，而不存在热中毒的风险。
热退火可以在一定程度上改善热解氧化硅的表面钝化性质。但是，长时间的处理会导致样品劣化。
而且，已经观察到暴露于空气中，表面钝化性质可能劣化。
氢化氮化硅(SiNx:H)3可用于稳定地提高热解氧化硅/硅界面4的品质。已经知道，氮化硅可在硅上产生极佳的表面和体相(bulk)钝化性质，为此它可以广泛地用于太阳能电池技术。但是，它不能直接应用于工业太阳能电池的背侧钝化。氮化硅和金属覆盖层之间存在相互作用(即太阳能电池的背面接触)，这导致表面钝化和电池效率下降(据信，这种相互作用不仅仅是“分流”效应，如Dauwe S.，Mittelstadt L.，Metz A.，Hezel R.，″Experimentalevidence of parasitic shunting in silicon nitride rear surface passivated solarcells″，Prog.Photovolt.Res.Appl.，10(4)，271-278，(2002)中所述的)。而且，已知具有最佳的表面钝化性质的氮化物试剂不能承受高温处理，例如在接触共烧结过程中进行的某个步骤。另一方面，已经知道氢化氮化硅在高温退火处理过程中会释放氢。
据信，氮化硅用作在下面的低品质氧化物的氢源，从而明显改善了其表面钝化性质。在图3中，显示了在不同钝化和热处理后观察到的Cz晶片的有效寿命的趋势。假设本体寿命基本上是不变的，则有效寿命与表面钝化品质直接相关。该实验中热解氧化硅层的厚度为800纳米，排除由覆盖的氮化硅引起的任何场诱导钝化效应，该效应在现有技术中被认为是良好钝化品质的原因。
在沉积之后，热解氧化硅的表面钝化品质非常差。在热解氧化硅层上沉积氮化物后，有限地提高了表面钝化品质(途径A)，最后在烧结样品后，获得极佳的表面钝化。热循环，例如通过POCl3扩散进行的热循环(参见图3)，可以有限地提高表面钝化品质，例如在氮化硅沉积之后但烧结之前观察到的程度。在热解氧化硅上沉积氮化物并烧结后，又一次得到极佳的表面钝化(途径B)。在上面具有或没有金属层的情况下进行烧结可以得到同样良好的结果(参见图3的Al丝网印刷后的例子)。已经表明只进行烧结(不首先进行SiN层沉积步骤)是不利的。如果只对热解氧化硅层进行烧结，则该层的表面钝化性质会劣化。但是，随后沉积氮化物和烧结(途径C)可以修复这种劣化。
该技术的另一个优点是因为它可以应用于低品质氧化物，并且可以直接施加在扩散掩模氧化物上，所以极大地简化了太阳能电池的加工过程。
沉积了具有厚度为100纳米至1500纳米的电介质层的电介质叠层。当应用于太阳能电池时，测量了开路电压与低品质电介质层厚度之间的函数关系(如图4所示，特别是对于氧化物)。从图4中可以看出，100纳米至800纳米之间的电介质厚度能提供与通过全覆盖铝BSF的标准现有技术方法得到的电池的开路电压相比得到改善的开路电压。
与上述硅(基板)/低品质氧化物(电介质层)/氮化硅(钝化层)叠层不同的其它叠层可以是，例如：
-硅(基板)/电介质或宽带隙(＞2eV，优选＞3eV)半导体，例如碳化硅(SiC)，氮化铝(AlN)，氮化镓(GaN)或氮化硼(BN)/氮化硅
-硅(基板)/氮化硅/低品质氧化物
-硅(基板)/氮化硅/宽带隙(＞2eV，优选＞3eV)半导体或电介质
-硅(基板)/Al2O3/低品质氧化物
-硅(基板)/Al2O3/宽带隙(＞2eV，优选＞3eV)半导体或电介质
依据本发明，在上述各叠层中，电介质叠层的厚度大于100纳米。
图5显示了三种采用不同背面钝化方案的电池的开路电压：用于晶体硅太阳能电池生产的标准全覆盖丝网印刷铝BSF(左)；SiNx/电介质叠层，在硅基板上具有电介质，电介质叠层的厚度约为580纳米(中)；电介质/SiNx叠层，在硅基板上具有SiNx，电介质叠层的厚度同样约为580纳米(右)。从图中可以看出，与标准全覆盖铝BSF相比，依据本发明的两种厚电介质叠层，即厚度至少为200纳米，优选至少250纳米的电介质叠层在开路电压方面提供更好的结果。
方法工序的实施例
用于表面钝化的典型工序包括以下步骤：
-化学清洁
-低品质氧化物沉积(100-1500纳米)
-氮化硅沉积；例如在400度由SiH4和NH3前体通过低频(450kHz)直接PECVD沉积氢化SiNx
-在三段带式炉中以高带速(例如，超过100英寸/分钟)进行烧结，炉的峰值温度最高设定为960℃
可以在不同的情况中将用于表面钝化的该方法整合到太阳能电池的加工工序中：
A)在扩散后沉积
-前侧织构化
-扩散，例如P扩散，得到围绕基板(即前表面和背面)的掺杂(例如P掺杂)区域
-玻璃去除，例如P玻璃去除，
-在背面蚀刻Si(足以除去背面的P掺杂区域)
-化学清洁
-低品质氧化物沉积
-氮化硅沉积(背面以及(可能的)前表面)
-形成后触头，例如通过
-使局部接触开放(例如，通过蚀刻膏、雕合或激光烧蚀)
-金属沉积(例如，蒸发、溅射、丝网印刷)
-在商用带式炉中烧结
B)在扩散前
-化学清洁
-低品质氧化物沉积
-扩散(只在前表面发生，形成发射极，因为在背面已经沉积了低品质氧化物，用作扩散掩模)
-氮化硅沉积(背面以及(可能的)前表面)
-形成后触头，例如通过
-使局部接触开放(例如，通过蚀刻膏、雕合或激光烧蚀)
-金属沉积(例如，蒸发、溅射、丝网印刷)
-在带式炉中烧结
Claims (39)
1.一种生产光生伏打器件的方法，该方法包括：
i.提供一半导体基板，该基板具有用于收集入射光的前主面和与该前主面相对的背面，
ii.在所述背面上沉积电介质层，其中电介质层的厚度大于100纳米，沉积温度低于600℃，
iii.在所述电介质层上沉积包含氢化SiN的钝化层，
iv.经以下步骤形成贯穿所述电介质层和所述钝化层的后触头：
a.在所述电介质层和所述钝化层中形成孔眼，
b.在所述钝化层上沉积接触材料层，从而填充所述孔眼，和
c.进行600-1000℃的高温步骤，烧结所述器件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电介质层为无定形氧化物。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无定形氧化物是APCVD热解氧化物、旋涂氧化物、喷涂氧化物或浸渍氧化物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，接触材料沉积包括丝网印刷。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，用铝作为接触材料。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述沉积电介质层包括在所述背面上沉积电介质叠层，所述电介质叠层包含电介质层的亚叠层，所述亚叠层的厚度大于100纳米，所述电介质叠层的厚度大于200纳米。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在基板与电介质层亚叠层之间形成一氧化铝层。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中的触头是BSF型触头。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电介质层或电介质层亚叠层的厚度在100纳米至1500纳米之间。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电介质层或电介质层亚叠层的厚度在150纳米至1200纳米之间。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电介质层或电介质层亚叠层的厚度在200纳米至1200纳米之间。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电介质层或电介质层亚叠层的厚度在400纳米至800纳米之间。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电介质层或电介质层亚叠层的厚度在800纳米至1200纳米之间。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触材料层是不连续的。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在沉积接触材料层的步骤中，所述接触材料基本沉积在所述孔眼中。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温步骤是接触烧结步骤，在高于730℃低于960℃的温度下进行。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在沉积所述电介质层之前扩散和去除发射极的步骤。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积电介质层之后，在沉积钝化层之前，进行扩散步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述电介质层用作扩散掩模。
20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述基板的厚度小于250微米。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基板的厚度小于200微米。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基板的厚度小于150微米。
23.一种光生伏打器件，其包括：
i.半导体基板，该基板具有用于收集入射光的前主面和与该前主面相对的背面，
ii.所述背面上的表面钝化，包括厚度大于100纳米的无定形氧化物电介质层，和位于所述电介质层上的包含氢化SiN的钝化层，所述钝化层与所述无定形氧化物电介质层烧结在一起，
iii.贯穿所述电介质层和所述钝化层的后触头。
24.如权利要求23所述的光生伏打器件，其特征在于，所述后触头由铝构成。
25.如权利要求23所述的器件，其特征在于，所述无定形氧化物是APCVD热解氧化物、旋涂氧化物、喷涂氧化物或浸渍氧化物。
26.如权利要求23所述的光生伏打器件，其中，位于所述电介质层包含位于所述背面上的电介质叠层，其中所述电介质叠层包括电介质层亚叠层，所述亚叠层的厚度大于100纳米，所述电介质叠层的厚度大于200纳米。
27.如权利要求23所述的器件，其特征在于，还包括在基板与电介质层亚叠层之间的氧化铝层。
28.如权利要求23至27中任一项所述的器件，其特征在于，所述无定形氧化物电介质层或电介质层亚叠层的厚度在100纳米至1500纳米之间。
29.如权利要求28所述的器件，其特征在于，所述无定形氧化物电介质层或电介质层亚叠层的厚度在150纳米至1200纳米之间。
30.如权利要求28所述的器件，其特征在于，所述无定形氧化物电介质层或电介质层亚叠层的厚度在200纳米至1200纳米之间。
31.如权利要求28所述的器件，其特征在于，所述无定形氧化物电介质层或电介质层亚叠层的厚度在400纳米至800纳米之间。
32.如权利要求28所述的器件，其特征在于，所述无定形氧化物电介质层或电介质层亚叠层的厚度在800纳米至1200纳米之间。
33.如权利要求23至27和29至32中任一项所述的器件，其特征在于，所述基板的厚度小于250微米。
34.如权利要求33所述的器件，其特征在于，所述基板的厚度小于200微米。
35.如权利要求33所述的器件，其特征在于，所述基板的厚度小于150微米。
36.如权利要求28所述的器件，其特征在于，所述基板的厚度小于250微米。
37.如权利要求36所述的器件，其特征在于，所述基板的厚度小于200微米。
38.如权利要求36所述的器件，其特征在于，所述基板的厚度小于150微米。
39.如权利要求23或24所述的器件，其特征在于，其中的触头是BSF型触头。
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