CN101752455B - 太阳能电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供太阳能电池的制造方法，包括步骤：在单晶衬底上沉积多晶硅层；从多晶硅层一侧向单晶衬底上注入氢离子，在所述单晶衬底内形成空洞；通过离子注入在所述多晶硅层内形成相互接触的P型多晶硅层和N型多晶硅层；在所述多晶硅层远离所述单晶衬底的一侧上形成第一电极；对所述单晶衬底和多晶硅层进行热退火；剥离所述单晶衬底；在剥离了单晶衬底的多晶硅层远离所述第一电极的一侧上形成第二电极结构。与现有技术相比，本发明将形成太阳能电池PN结的多晶硅层生长在单晶衬底上，由于晶格常数匹配更佳，因而生长出的多晶硅层中晶粒尺寸较大，可以提高太阳能电池的性能。并且，单晶衬底可以剥离，因而可以降低制造成本。

Description

太阳能电池的制造方法
技术领域
本申请涉及半导体制造领域，尤其涉及太阳能电池的制造方法。
背景技术
鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发和利用新能源的热潮。在新能源中，太阳能是一种清洁、无污染、取之不尽用之不竭的绿色能源，世界各国对此都很重视并作了大量的研究，在能源日益紧缺的当今世界，太阳能具有非常广阔的发展前景。
现有的太阳能电池单元的结构如图1所示。半导体衬底100上具有轻掺杂的浅扩散区102，以及大小不同的重掺杂深扩散的沟槽106和110。沟槽106和110中分别形成有金属材料104和108，用作发射极电极或者母线(Bus-Bar)。细的金属材料108作为发射极电极，收集PN结处由光生载流子所产生的电流；而粗的金属材料104不仅作为发射极电极，收集PN结处由光生载流子所产生的电流，还作为太阳能电池单元对外输出电流的母线。
现有技术中，生产太阳能电池模块主要采用硅材料作为衬底，包括单晶硅和多晶硅，可以用来吸收太阳光的光能并转化为电能。但是，近些年随着半导体制造业的不断扩张，市场上的硅衬底材料供不应求，价格节节攀升。因此，太阳能电池的制造方法又由完全硅衬底转变为在玻璃上沉积多晶硅衬底的薄膜太阳能电池制造方法。例如，中国发明专利第200610154424.9号公开了一种在玻璃基板上沉积氢化非晶硅碳合金薄膜来制造太阳能电池的方法。
但是，玻璃是非晶体，研究发现，由于晶格常数匹配(lattice constant match)的原因，在非硅衬底上很难形成较大的多晶硅晶粒，并且容易在晶粒间形成空隙。这不利于提高太阳能电池的性能，例如太阳能转换效率的提高。通常先用LPCVD在衬底上沉积一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜。其效果当然比不上在单晶硅衬底上直接沉积多晶硅来得好。而如果又转回到利用单晶硅衬底，成本又太高。因此，如何既能通过增加多晶硅晶格尺寸来提高太阳能电池的性能，又能降低制造成本成为业界的一个难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何既能通过增加多晶硅晶格尺寸来提高太阳能电池的性能，又能降低制造成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能电池的制造方法，包括步骤：在单晶衬底上沉积多晶硅层；从多晶硅层一侧向单晶衬底上进行离子注入，在所述单晶衬底内形成空洞；通过离子注入在所述多晶硅层内形成相互接触的P型多晶硅层和N型多晶硅层；在所述多晶硅层远离所述单晶衬底的一侧上形成第一电极；对所述单晶衬底和多晶硅层进行热退火；剥离所述单晶衬底；在剥离了单晶衬底的多晶硅层远离所述第一电极的一侧上形成第二电极结构。
可选地，所述从多晶硅层一侧向单晶衬底上进行离子注入的离子为氢离子和/或氦离子。
可选地，所述热退火在氢气的氛围中进行。
可选地，所述热退火的温度为300℃至900℃，热退火时间为10秒至60分钟。
可选地，所述热退火的温度为300℃至400℃，热退火时间为30秒至2分钟。
可选地，所述单晶衬底为单晶硅衬底。
可选地，所述P型多晶硅层与单晶衬底接触。
可选地，在单晶衬底上沉积多晶硅层的方法为物理气相沉积法。
可选地，所述多晶硅层的厚度为1μm至10μm。
可选地，所述空洞距离单晶衬底与多晶硅层界面为1nm至100nm。
可选地，注入氢离子的能量为800KeV至8MeV，剂量为1E15/cm2至1E17/cm2。
可选地，形成P型多晶硅层所注入的离子为硼离子或二氟化硼离子。
可选地，注入硼离子或二氟化硼离子的能量为100KeV至1MeV，剂量为1E15/cm2至1E16/cm2。
可选地，形成n型多晶硅层所注入的离子为砷离子或磷离子。
可选地，注入砷离子或磷离子的能量为400KeV至2MeV，剂量为1E15/cm2至1E16/cm2。
可选地，所述第一电极为铝电极。
可选地，所述第一电极的厚度为20μm至50μm。
可选地，还包括步骤：去除多晶硅层上残留的单晶硅。
可选地，形成第二电极结构具体包括步骤：在所述多晶硅层远离所述第一电极的一侧上沉积钝化层；图形化所述钝化层，形成沟槽；在钝化层表面以及所述沟槽内形成电镀种子层；形成暴露所述沟槽的光刻胶层；在所述沟槽内电镀第二电极材料至至少填满所述沟槽；去除光刻胶层和所述钝化层表面的电镀种子层。
可选地，所述第二电极材料为银。
与现有技术相比，本发明将形成太阳能电池PN结的多晶硅层通过物理气相沉积(PVD)的方法生长在单晶衬底上，由于晶格常数匹配更佳，因而生长出的多晶硅层中晶粒尺寸较大，可以提高太阳能电池的性能，并且，单晶衬底可以剥离，因而可以降低制造成本。
附图说明
图1为现有技术制造的太阳能电池结构示意图；
图2为本发明一个实施例制造太阳能电池的流程图；
图3至图13为根据图2所示流程制造太阳能电池的示意图。
具体实施方式
在具体实施方式中，提供一种基于单晶衬底制造多晶硅太阳能电池的方法。在该方法中，形成太阳能电池PN结的多晶硅层通过物理气相沉积(PVD)的方法生长在单晶衬底上，由于晶格常数匹配更佳，因而生长出的多晶硅层中晶粒尺寸较大，可以提高太阳能电池的性能。以下将对本发明的具体内容进行详细说明。
如图2所示，根据本发明的一个实施例，提供一种太阳能电池的制造方法，包括步骤：
S101，在单晶衬底上沉积多晶硅层；
S102，从多晶硅层一侧向单晶衬底上注入氢离子；
S103，在多晶硅层内形成P型和N型多晶硅层；
S104，在多晶硅层上形成第一电极；
S105，对单晶衬底和多晶硅层进行热退火；
S106，剥离单晶衬底；
S107，在多晶硅层上沉积钝化层；
S108，图形化钝化层，形成沟槽；
S109，在钝化层表面以及沟槽的内壁上形成电镀种子层；
S110，形成暴露沟槽的光刻胶层；
S111，在沟槽内电镀第二电极材料；
S112，去除光刻胶层和所述钝化层表面的电镀种子层，形成第二电极结构。
首先执行步骤S101，如图3所示，在单晶衬底201上沉积多晶硅层202。这里的单晶衬底201的材料可以为硅、III-V族或者II-VI族化合物半导体，由于单晶硅衬底的应用广泛，产量大，价格较低，并且单晶硅与多晶硅的晶格常数匹配更佳，因而在本发明的一个实施例中，优选采用单晶硅形成单晶硅衬底201。
沉积多晶硅层202的方法可以是PVD的方法。因为相比利用硅烷形成多晶硅层的方法而言，利用PVD沉积多晶硅层202的成本更低。
沉积多晶硅层202的压力小于100mTorr，形成多晶硅层202厚度优选在1μm至10μm，这样的厚度可以保证后续能够形成足够厚的P型和N型多晶硅层，用以形成满足太阳能电池需要的PN结。在这种沉积条件下，由于晶格常数匹配更加，形成的多晶硅层202的晶粒尺寸比根据现有技术形成多晶硅层的晶粒尺寸更大，进而可以提高太阳能电池的性能。
然后执行步骤S102，从多晶硅层202一侧向单晶衬底201上注入氢离子，在多晶硅层202靠近多晶硅层202与单晶衬底201界面的位置上形成空洞203，即形成如图4所示的结构。
注入氢离子的能量为800KeV至8MeV，注入的剂量为1E15/cm2至1E17/cm2。这样的氢离子注入工艺能够保证经过后续热退火的工艺之后，在单晶衬底201内距离单晶衬底201与多晶硅层202的界面1nm至100nm的位置上形成空洞203。
形成空洞203的目的是方便在后续工艺过程中将单晶衬底201与多晶硅层202剥离开。本领域技术人员知道，单晶衬底201是非常易碎的，步骤S102在单晶衬底201中形成大量空洞203，破坏了单晶衬底201的内部结构，使得形成空洞203处的结构强度大幅降低，从而可以保证单晶衬底201不破碎的情况下，将单晶衬底201与多晶硅层202剥离。
在本具体实施方式中，步骤S102的离子注入仅以注入氢离子为例，但本发明不限于此。因为在步骤S102中进行离子注入的目的是为了破坏单晶衬底201的内部晶格结构，形成空洞，利于后续剥离单晶衬底201。所以，在步骤S102中进行注入的离子也可以是其他半径较小的离子，例如氦离子。并且，注入的方式也不限于单独注入氢离子或氦离子等，可以采用混合注入的方式，例如混合注入氢离子和氦离子。
接着执行步骤S103，如图5所示，在多晶硅层202内靠近单晶衬底201的一侧形成P型多晶硅层204，以及在多晶硅层202内远离单晶衬底201的一侧形成N型多晶硅层205。
形成P型多晶硅层204的工艺为：从多晶硅层202远离单晶衬底201的一侧注入硼离子或二氟化硼离子，注入能量为100KeV至1MeV，注入剂量为1E15/cm2至1E16/cm2。形成N型多晶硅层205的工艺为：从多晶硅层202远离单晶衬底201的一侧注入砷离子或磷离子，注入能量为400KeV至2MeV，注入剂量为1E15/cm2至1E16/cm2。根据上述注入工艺，可以在多晶硅层202内形成相互接触的P型多晶硅层204和N型多晶硅层205，即形成太阳能电池所需要的PN结。
然后执行步骤S104，如图6所示，在多晶硅层202内远离单晶衬底201的表面上形成第一电极206。第一电极206的厚度可以为20μm至50μm。形成第一电极206的材料优选是金属，而金属中更优的选择是铝，因为铝的机械强度较好且成本低廉。
将形成第一电极206的步骤放在后续剥离单晶衬底201的步骤之前是有原因的。第一电极206在这里除了起到电极的作用以外，还有另一个作用，即形成对多晶硅层202的支撑。如前所述，多晶硅层202的厚度仅有1μm至10μm，而后续步骤将会剥离单晶衬底201，在剥离过程中，第一电极206就起到对多晶硅层202的支撑。
然后执行步骤S105，对单晶衬底201和多晶硅层202进行热退火10秒至60分钟，优选退火时间为30秒至2分钟。热退火的温度为300℃至900℃，优选的退火温度为300℃至400℃。热退火可以在氢气的氛围下进行。
这里进行热退火有两个目的，其一是为了强化前述氢离子注入的效果，在单晶衬底201内形成氢致片状缺陷，从而可以单晶衬底201内形成微空腔(microcavity)层，这样的微空腔层有利于后续剥离单晶衬底201的进行；目的二是为了进一步增大多晶硅层202的晶粒尺寸，而在氢的氛围下进行热退火，可以实现增大晶粒尺寸的目的，从而提高所制成的太阳能电池的光电转换效率。
接着执行步骤S106，剥离单晶衬底201。剥离单晶衬底201的过程即对单晶衬底201施加拉力或剪切力的过程。如前所述，氢离子注入使得单晶衬底201中形成大量空洞203，从而破坏了单晶衬底201的内部结构，使得形成空洞203处的结构强度大幅降低，因而可以保证单晶衬底201不破碎的情况下，将单晶衬底201与多晶硅层202剥离。
如图7所示，单晶衬底201被剥离后，在多晶硅层202上的残留单晶硅207表面会非常粗糙，这对于提高太阳能电池的性能有好处，具体将在后续工艺步骤进行说明。
被剥离的单晶衬底201可以重复使用。每次重复应用，单晶衬底201仅损失数百纳米至数微米的厚度，因而可以多次的重复使用，大幅降低了太阳能电池的制造成本。并且，由于多晶硅层202与单晶衬底201接触的表面粗糙，对于提高太阳能电池的性能有好处。因此，在此可以省去对单晶衬底201被剥离的一面进行平滑处理的步骤，在下一次再次在单晶衬底201表面形成多晶硅层时，由于单晶衬底201的表面粗糙，沉积的多晶硅层与单晶衬底201接触的表面也会相应变得粗糙，这也是本发明的一个优点。
在剥离单晶衬底201之后，还可以有清除残留单晶硅207的步骤。残留单晶硅207可以用等离子刻蚀的方法来清除。由于残留单晶硅207表面非常粗糙，因此在用等离子将残留单晶硅207完全清除的过程中，必然会将多晶硅层202的表面刻蚀得非常粗糙。如前所述，这对于提高太阳能电池的性能有好处，因而省去了专门将多晶硅层202的表面粗糙化的步骤。因此，这也是本发明的一个优点。
然后执行步骤S107，如图8所示，通过热氧化在多晶硅层202上沉积钝化层208。沉积形成的钝化层208的厚度可以是100nm至300nm。形成钝化层的材料可以是氮化硅。通过热氧化使硅悬挂键饱和，可使Si-SiO2界面的复合速度大大下降，其钝化效果取决于发射区的表面浓度、界面态密度和电子、空穴的浮获截面。而在氢气氛中退火可使钝化效果更加明显。采用PECVD淀积氮化硅效果更佳，因为在成膜的过程中具有加氢的效果。此外用氮化硅形成的钝化层208还起抗反射膜的作用。
接着执行步骤S108，如图9所示，图形化钝化层208，形成沟槽209。这里形成的沟槽将在后续步骤成为填充第二电极212(参考图12)的基础。沟槽209的深度需要至少完全暴露P型多晶硅层204。也就是说，沟槽209的底部要完全“嵌入”P型多晶硅层204内，以实现第二电极与P型多晶硅层204的有效连接。
接着执行步骤S109，如图10所示，在钝化层208表面以及沟槽209内形成电镀种子层210。电镀种子层201在沟槽209内覆盖沟槽209的内壁和底部。形成电镀种子层210的方法可以是溅射钛钨合金和/或银。形成电镀种子层210的具体工艺参数已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
然后执行步骤S110，如图11所示，形成暴露沟槽209的光刻胶层211。形成暴露沟槽209的光刻胶层211的方法可以是先旋涂光刻胶再通过光刻的方法在光刻胶层211上在沟槽209对应的位置上开出通孔，因而暴露沟槽209。形成暴露沟槽209的光刻胶层211的原因是阻挡钝化层208表面的电镀种子层210与电镀液的接触，防止在钝化层208表面的电镀种子层210形成第二电极212。
接着执行步骤S111，如图12所示，在沟槽209内电镀形成第二电极212。电镀第二电极212需要至少填满沟槽209，因此在后续去除光刻胶层211之后，第二电极212的一端会高于钝化层208，这样才能形成和外部电路互联的节点。由于有光刻胶层211覆盖在钝化层208表面的电镀种子层210上，因此电镀形成的第二电极212只会形成在沟槽209内。形成第二电极212的材料优选是银，其原因在于银的接触电阻小。
最后执行步骤S112，如图13所示，去除光刻胶层211和钝化层208表面的电镀种子层210。这样，就在P型多晶硅层204上形成了由钝化层208、电镀种子层210和第二电极212所组成的第二电极结构。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (19)

1.一种太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括步骤：
在单晶衬底上沉积多晶硅层；
从多晶硅层一侧向单晶衬底上进行离子注入，在所述单晶衬底内形成空洞；
通过离子注入在所述多晶硅层内形成相互接触的P型多晶硅层和N型多晶硅层；
在所述多晶硅层远离所述单晶衬底的一侧上形成第一电极；
对所述单晶衬底和多晶硅层进行热退火；
剥离所述单晶衬底；
通过等离子刻蚀去除多晶硅层上残留的单晶衬底材料，使多晶硅层表面粗糙化；
在剥离了单晶衬底的多晶硅层远离所述第一电极的一侧上形成第二电极结构。
2.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述从多晶硅层一侧向单晶衬底上进行离子注入的离子为氢离子和/或氦离子。
3.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述热退火在氢气的氛围中进行。
4.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述热退火的温度为300℃至900℃，热退火时间为10秒至60分钟。
5.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述热退火的温度为300℃至400℃，热退火时间为30秒至2分钟。
6.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述单晶衬底为单晶硅衬底。
7.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述P型多晶硅层与单晶衬底接触。
8.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：在单晶衬底上沉积多晶硅层的方法为物理气相沉积法。
9.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述多晶硅层的厚度为1μm至10μm。
10.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述空洞距离单晶衬底与多晶硅层界面为1nm至100nm。
11.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述从多晶硅层一侧向单晶衬底上进行离子注入的离子为氢离子，注入氢离子的能量为800KeV至8MeV，剂量为1E15/cm2至1E17/cm2。
12.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：形成P型多晶硅层所注入的离子为硼离子或二氟化硼离子。
13.如权利要求12所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：注入硼离子或二氟化硼离子的能量为100KeV至1MeV，剂量为1E15/cm2至1E16/cm2。
14.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：形成n型多晶硅层所注入的离子为砷离子或磷离子。
15.如权利要求14所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：注入砷离子或磷离子的能量为400KeV至2MeV，剂量为1E15/cm2至1E16/cm2。
16.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述第一电极为铝电极。
17.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述第一电极的厚度为20μm至50μm。
18.如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，形成第二电极结构具体包括步骤：
在所述多晶硅层远离所述第一电极的一侧上沉积钝化层；
图形化所述钝化层，形成沟槽；
在钝化层表面以及所述沟槽内形成电镀种子层；
形成暴露所述沟槽的光刻胶层；
在所述沟槽内电镀第二电极材料至至少填满所述沟槽；
去除光刻胶层和所述钝化层表面的电镀种子层。
19.如权利要求18所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述第二电极材料为银。
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