CN102439728B - 形成太阳能电池中的结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在太阳能电池的表面上形成导电接触图形，这是通过在所述太阳能电池的至少一个底层上形成导电薄层，并使用激光束烧蚀大部分的所述导电薄层，由此留下所述导电接触图形。所述激光具有高帽形轮廓，使得能够在扫描和烧蚀所述表面上的薄层时达到精确度。还类似地形成异质接触图形。

Description

形成太阳能电池中的结构的方法
相关申请信息
本申请要求于2009年4月21日提交的并且指定的申请号为61/171,187的题为“Method for Forming Structures in a Solar Cell”的美国临时申请的权利；并且与于2009年4月21日提交的并且指定的申请号为61/171,194的题为“High-Efficiency Solar Cell Structures and Methods of Manufacture”的美国临时申请相关；还与备案号为3304.001AWO并且指定的申请号为PCT/US2010/031869的题为“High-Efficiency Solar Cell Structures andMethods of Manufacture”的共同提交的国际专利申请有关。这些申请均全文在此援引加入。本发明的所有方面可与任何上述申请的公开组合使用。
技术领域
本发明涉及太阳能电池。更具体地，本发明涉及改进的太阳能电池结构及它们的制造方法。
背景技术
在太阳能电池的正面(受照射面)上形成金属化结构，典型地为指形物(fingers)和汇流条(bus-bars)，是许多电池设计中的必要步骤。通常期望这些结构尽可能地细(最小宽度)以使遮蔽和接触复合损失最小。随后可被金属化的异质结触(Heterocontact)结构也可用来降低接触复合损失。
发明内容
本发明通过提供形成正面/背面金属结构和选择性异质结触结构的方法来满足这些要求。
一个方面，本发明包括在太阳能电池的表面上形成导电接触图形的方法，其包括在所述太阳能电池的至少一层底层上形成导电薄层，并且用激光束烧蚀大部分的所述导电薄层，由此留下所述导电接触图形。可在所述导电接触图形上进行自对准金属化。
所述底层可包括在所述导电薄层之下的钝化和/或抗反射层，其中所述导电接触图形通过所述至少一层底层与太阳能电池的半导体层形成电接触。
在烧蚀后可采用蚀刻或清洗所述导电接触图形来除去残余物。
另一个方面，本发明包括在太阳能电池上形成异质接触图形的方法，其包括在太阳能电池的至少一层底层上形成薄层；以及使用激光束烧蚀大部分的所述薄层，由此留下所述异质接触图形。可在所述异质接触图形上进行金属化以促使通过所述异质接触图形与所述至少一层底层的导电连接。
所述薄层可包含多层不同的层。
可在烧蚀后蚀刻太阳能电池的表面以形成表面纹理和/或除去任何激光烧蚀损伤。所述异质接触图形可通过现场热处理进行修改。
全部或部分薄层可包含掺杂半导体材料或表面钝化层。
所述激光束可具有高帽形光束轮廓(top hat beam profile)，并且可通过掩模进行投射。由所述掩模产生的激光束形状可以是规则的多边形，可被贯穿该多边形的细线阻挡。可使用多个掩模或者动态变化的掩模。
所述激光可在一定的波长和脉冲宽度下进行操作，在所述波长和脉冲宽度下激光能量在所述导电薄层中被强吸收，而在所述至少一层底层中被弱吸收。在一个实施方案中，导电薄层大于80％的表面积被烧蚀，并且烧蚀后剩下的结构是接触指形物和/或汇流条的图形。
此外，通过本发明的技术实现其它特征和优点。本发明的其它实施方案和方面在本文中详述，并且视为要求保护的发明的一部分。
附图说明
在本申请的权利要求书中特别指出并明确请求保护本发明的主题。结合附图由以下详述显而易见本发明的上述及其它目的、特征和优点：
图1是根据本发明的一个方面所述的激光加工***的主要部件的功能结构图；
图2a-d描绘了根据本发明的一个方面使用正方形/矩形高帽形光束轮廓的太阳能电池构造；
图3a-d描绘了根据本发明的一个方面使用正方形-加-线(square-with-line)的高帽形光束轮廓的太阳能电池构造；
图4a-e描绘了根据本发明的一个方面使用两种不同形状的掩模的组合的太阳能电池构造；和
图5描绘了根据本发明的一个方面在太阳能电池的正面产生的完整的指形物/汇流条结构；
图6a-b显示了根据本发明的Ti太阳能电池指形物的一个实例；
图7显示了根据本发明的Ni太阳能电池指形物的一个实例；和
图8a-b显示了图7的指形物的自对准金属化的实例。
具体实施方式
在一个方面，本发明提供太阳能电池结构的制造方法，其是利用负性激光烧蚀(negative laser ablation)在太阳能电池的正面(和/或背面)上形成线形结构，产生非常细的特征，由此使入射光的干涉最小并提供其它优点。
例如，通过例如使用掩模(或无掩模)投射的“高帽形”均匀光束轮廓进行激光直接刻写进行电池构建，从而通过入射激光“刻写”或烧蚀所需线图的负图(negative)。均匀高帽形轮廓能够控制薄膜烧蚀并且具有最低图形重叠和高分辨率。这种图形利用高斯型光束轮廓***是不可能得到的。
图1是显示用于利用掩模的投射的高帽形均匀光束轮廓进行激光烧蚀的***的主要部件的功能框图。该示例的***10包括激光源12、均化器和光学元件14、掩模16、扫描器18(在一个实施方案中包括透镜)，以及用于固定要烧蚀的太阳能电池22的移动台20。
高帽形激光轮廓(例如，已知为受控的平顶轮廓而不是Gaussian型)的形成可使用极高功率的(＞300W)激光与均化器、掩模、镜面、移动台和/或扫描器一起实现，以能够全面曝光和直接刻写重复特征，其中通过掩模、移动台和/或扫描器确定加工的特征。使用的激光源可以是高功率的多模激光源。选择激光源波长、脉冲宽度、重复频率和脉冲能量以最佳地适应加工要求。此类激光源的实例包括二极管泵浦固态.Nd:YAG和准分子激光。其它实例包括脉冲(Q-开关)激光或连续波激光。可在一定波长和脉冲宽度下操作所述激光，在所述波长和脉冲宽度下激光能量在薄膜层中被强吸收，而在半导体基底中被弱吸收，从而实施上层的烧蚀。
刻写图形的投射光束的精确尺寸和形状取决于要与方法要求匹配的***光学元件和掩模。概括而非限制地说，由所述掩模产生的激光束形状可以是任何规则的多边形，可被贯穿该多边形的细线阻隔。多个掩模或动态变化的掩模可用来加工一个太阳能电池。所述激光可以是脉冲激光，具有高帽形光束轮廓，用单激光脉冲加工面积，其中扫描光束的重叠低于该单脉冲加工面积的20％。根据本发明，上层薄膜的大于80％的表面积随后可被烧蚀，留下必需的精细图形。
根据本发明，在图2和3中显示了可用来从太阳能电池的大部分正面除去薄膜的两种示例性形状和扫描图形。
作为一个实例，图2a-d显示了沿着转换图形130(图2c)移动的简单正方形或矩形曝光单元132(图2d)。所得薄膜126中的精细结构通过在相对于彼此适当移动光束和/或太阳能电池时负激光烧蚀而形成。更具体地，基底122(示于图2a的侧视图中，并可包括其它层)具有在其上形成的需要烧蚀的薄膜层124。在该膜上的平面转换图形130(图2c)中移动/步进/扫描激光曝光单元132，避免区域140，产生精细图形化的结构126(图2b)。
作为另一个实例，图3a-d显示了在掩模中具有中央隔段223的正方形或矩形曝光单元232(图3d)，其沿着转换图形230移动(图3c)。此隔段可用来通过负烧蚀在薄膜中形成精细结构226。更具体地，基底222(示于图3a的侧视图中，并可包括其它层)具有在其上形成的需要烧蚀的薄膜层224。在该膜上的平面转换图形230(图3c)中移动/步进/扫描具有阻隔区233的激光曝光单元232，阻隔区域240，产生精细图形化的结构226(图3b)。
图2d和3d中所示的曝光单元形状可被组合到单个激光扫描序列中，如图4a-e中所示。更具体地，基底322(示于图4a的侧视图中，并可包括其它层)具有在其上形成的需要烧蚀的薄膜324。在该膜上的平面转换图形330(图4c)中移动/步进/扫描具有阻隔区333(图4d)和矩形图形334(图4e)的激光曝光单元332，避免区域340，产生精细图形化的结构326(图4b)。极快速地改变掩模形状332和334可通过例如使用高速检流计实现，其在(或非常接近于)所述掩模的平面插有屏蔽光束元件。因此，可非常快速地(数毫秒)进行图2和3中所示形状之间的转换而不对总体加工时间产生不利影响。此类动态掩模转变技术可与光束和/或移动台同步以赋予可经济地生产的图形类型更多灵活性。
图5显示了根据本发明的上述方面在其表面上形成有指形物426和汇流条427的图形的太阳能电池422。所得结构可以非常精细(线宽＜10um)。最低图形分辨率通过所述***的光学分辨率来确定。利用此技术，可对许多类型的薄膜经济有效地进行图形化以形成太阳能电池结构。作为实例，考虑烧蚀阈值为3J/cm2的薄膜。300W激光源能够在短至2.5秒内对整个面积为250cm2的太阳能电池进行图形化。如此高产量满足了太阳能电池生产的经济上的高要求。
一个改进包括在基底(122、222、322)上使用任何形式的纹理，其中该纹理具有与高帽形激光束的强度分布中存在的空间不均匀性相当的标度。此类纹理提供重要的光束均匀化功能，因为通常期望操作具有等于或接近层(124、224、324)的烧蚀阈值的流量的激光束，由此局部均匀化的光束赋予更高程度的控制和精确度。
本发明对于太阳能电池的接收光的正面已经进行了描述，但是同样可应用于背面上的结构。将本发明应用于太阳能电池的双面将得到双面太阳能电池，其能够转化入射在正面和背面上的光子。
参照以上图，本发明提供用于在太阳能电池中形成例如接触金属化或其它精细结构的方法，所述方法包括以下步骤：
A1)在太阳能电池(例如半导体基底)的正表面(或背表面)上沉积连续薄膜金属层(124、224、324)，选择金属膜材料和厚度使得它具有期望的粘附性、接触电阻、镀敷和激光烧蚀性能。可具有适合性质的金属或金属合金的实例包括：镍、镍-钒、镍-铌、镍-钽、铝、铝-硅、铬、钛、银和钨。
A2)通过激光烧蚀从大部分的正表面上除去薄膜金属层，留下结构(126、226、326)例如指形物或汇流条，这可形成所述太阳能电池的正面接触金属化。
A3)可任选对这些薄膜金属结构进行自对准金属化。这么做通常是为了降低串联电阻损失。典型地该金属化通过在现存的薄膜金属结构上选择性电镀、光诱导镀敷和/或无电镀进行。
除了上述步骤A1)-A3)之外，根据本发明，可进行许多改变和增加。例如，在步骤A2)后，可进行化学清洁以除去任何残余的金属。在步骤A3)中的自对准金属化之前，可进行另一个热退火步骤。在一些实施方案中，在步骤A1)中的沉积薄膜金属层之前，可将表面钝化和/或抗反射层沉积在太阳能电池上。此类钝化和抗反射层可以或被现场修改成可以与下层的半导体基底电接触。或者，或进一步地在一些实施方案中，在步骤A3)中的最终金属化后，在某一步骤，可将表面钝化和/或抗反射层沉积在太阳能电池上。
另一个改进包括使用多层金属作为所述薄层(124、224、324)。单金属(或金属-合金)层可能不能提供最佳的方法或者太阳能电池装置性能。通过使用多层金属叠层，可利用不同的金属性质以提供更好的性能。例如，在两层金属叠层中，期望底层金属(邻近基底122、222、322)具有低的烧蚀阈值，而上层金属与后续自对准的金属化步骤(A3)相容。此类叠层的实例可以是Ni作为上层金属而Ti作为底层金属。
参照以上图，本发明的另一个实施方案包括在太阳能电池中形成选择性异质结触(或者可更概括地称为选择性发射极)结构的方法，所述方法包括以下步骤：
B1)在半导体基底的正表面上沉积连续薄膜层(124、224、324)。该薄膜层可由多个叠层膜组成，所述膜叠层具有期望的接触电阻、接触复合、串联电阻、激光烧蚀、粘附和抗蚀刻性能。
用于该叠层的膜可包括：
-掺杂半导体膜，例如多晶硅或非晶硅、硅、多晶或非晶碳化硅、多晶或非晶的类金刚石碳；和/或
-未掺杂膜如氧化硅、氮化硅、本征非晶硅、本征多晶硅、氧化铝、氮化铝、氮化磷、氮化钛、本征非晶碳化硅、本征多晶碳化硅。
B2)通过激光烧蚀，从大部分的正表面上除去所述薄膜层，留下结构(126、226、326)，例如指形物和汇流条。其后可对这些结构进行金属化。
B3)可蚀刻电池的正表面以形成表面纹理和/或除去任何激光烧蚀损伤，已被设置为对该蚀刻具有抵抗性的激光图形化薄膜结构会保留。
B4)可对这些薄膜结构进行自对准金属化。典型地，该金属化通过在现有的薄膜结构上选择性电镀、光诱导镀敷和/或无电镀进行。
除了上述步骤B1)-B4)之外，可进行许多改变和增加。例如，为了形成发射极和/或有效钝化电池的正表面，在步骤B3)后可进行掺杂扩散和/或热氧化。这具有的额外优点是该热氧化物可有助于选择性镀敷薄膜结构。另一个改变可包括在步骤B2)后增加热处理以改变薄膜层的性能如抗蚀刻性。典型地，在所有的方案中，在步骤B4)的最终金属化后，在某一步骤，可沉积抗反射和/或额外钝化层。
本发明可应用于许多太阳能电池结构，包括任何在上文纳入的专利申请中所列的那些。以下仅是实施例，但是本发明不限于这些实施例。
实施例1：
从钝化的并具有不规则角锥形纹理的单晶硅片烧蚀钛金属薄层以形成薄金属指形物。通过物理气相沉积在该晶片的正面上沉积钛至厚度为约从大部分的晶片表面上烧蚀此金属，留下宽度为约50μm的薄金属指形物。可使用Nd:YAG激光进行所述金属烧蚀。当所述激光通过掩模成像并产生高帽形(或假高帽形)轮廓时，具有最小烧蚀重叠(＜20％)的单次烧蚀可用来产生细线金属特征，由此形成太阳能电池的指形物和汇流条图形。在该实施例中，能够向样品输送140W的工业激光***可在约4秒内加工250cm2太阳能电池。此外，通过在激光烧蚀之前和之后的电池寿命测定可表明，所需的操作流量低于电池钝化的损伤阈值。通过此大面积激光烧蚀产生的太阳能电池的指形物的实例示于图6a-b中。
实施例2：
从钝化的并具有不规则角锥纹理的单晶硅烧蚀镍-7％钒金属合金薄层以形成薄金属指形物。通过物理气相沉积法沉积Ni(7％V)至厚度为约从大部分的晶片表面上烧蚀此金属，留下宽度为约50μm的薄金属指形物。该金属烧蚀可使用Nd:YAG激光进行。当所述激光通过掩模成像并产生高帽形(或假高帽形)轮廓时，则每个区域可使用两次烧蚀来产生细线金属特征，由此形成用于太阳能电池的指形物和汇流条图形。此外，这种图形化镍膜可直接用作适用于自对准金属化的种子层(seed layer)。例如，可通过电镀厚度为～1μm的Ni，然后电镀厚度为约20μm的Cu，对该图形化镍种子进行金属化。因此，所得金属叠层可具有足以用作具有低串联电阻能量损失的正面金属指形物的高导电性。通过此大面积激光烧蚀产生的示例性太阳能电池指形物示于图7中；自对准金属化示于图8a-b中。
本发明的一个或多个方法控制方面可包括在具有例如计算机可用介质的制品(例如一个或多个计算机程序产品)。该介质在其中已编入例如计算机可读的程序编码用于提供和促进本发明的技术。所述制品可作为计算机***的一部分，或者独立销售。
此外，可提供至少一个可由机器读取的程序存储装置，该机器包括至少一个可由该机器执行的指令程序以行使本发明的能力。
本文公开的流程图和步骤仅是实例。在不脱离本发明的精神的情况下，可对其中所述的这些图或步骤(或操作)进行许多改变。例如，所述步骤可以不同的顺序进行，或者可增加、删除或修改步骤。所有这些改变均视为本发明的组成部分。
虽然本文中已描绘和详述优选的实施方案，对相关领域的技术人员而言，显然在在不脱离本发明的精神的情况下可进行各种修改、增加、替代等，因此，这些被视为在所附权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims (34)

1.在太阳能电池的表面上形成导电接触图形的方法，所述太阳能电池包括纹理化半导体基底，所述方法包括：
在所述太阳能电池的至少一层底层上形成导电薄层；
提供具有非Gaussian型高帽形光束轮廓的激光束；
均匀化所述非Gaussian型高帽形光束轮廓，其中通过使纹理化半导体基底表面具有与非Gaussian型高帽形光束轮廓中的一个或多个不均匀性相当的标度以促进均匀化；和
使用具有均匀化的非Gaussian型高帽形光束轮廓的激光束烧蚀部分表面上的全部导电薄层，由此留下所述导电接触图形，其中所述均匀化有助于提供具有等于或接近所述导电薄层的烧蚀阈值且低于所述至少一层底层的损伤阈值的流量的激光束，从而促进从所述部分表面上除去全部导电薄层。
2.权利要求1所述的方法，其还包括在所述导电接触图形上进行自对准金属化。
3.权利要求2所述的方法，其中在进行所述自对准金属化后，在所述太阳能电池的表面上形成钝化和/或抗反射层。
4.权利要求1所述的方法，其中所述至少一层底层包括在所述导电薄层下的钝化和/或抗反射层。
5.权利要求1所述的方法，其中所述导电接触图形通过所述至少一层底层与所述太阳能电池的半导体层形成电接触。
6.权利要求1所述的方法，其还包括在所述烧蚀后蚀刻或清洁所述导电接触图形以除去残余物，所述导电接触图形对所述蚀刻或清洁有抵抗性。
7.权利要求1所述的方法，其中所述导电薄层包括多层不同的导电薄层。
8.权利要求1所述的方法，其中所述提供包括将激光束成形为非Gaussian型高帽形均匀光束轮廓，所述导电接触图形包括互连的多个导电指形物和多个汇流条，所述多个导电指形物为50μm或更窄。
9.权利要求8所述的方法，其中所述激光束是脉冲激光束，用单激光脉冲加工区域，并且扫描光束的重叠小于所述单激光脉冲加工面积的20％。
10.权利要求1所述的方法，其中所述激光束通过掩模投射。
11.权利要求10所述的方法，其中由所述掩模产生的激光束形状为规则的多边形。
12.权利要求10所述的方法，其中由所述掩模产生的激光束形状是规则的多边形，所述规则的多边形被贯穿该多边形的细线阻隔。
13.权利要求10所述的方法，其还包括使用多个掩模或动态变化的掩模。
14.权利要求1所述的方法，其中在一定波长和脉冲宽度下操作所述激光，在所述波长和脉冲强度下激光能量在所述导电薄层中被强吸收而在所述至少一层底层中被弱吸收。
15.权利要求1所述的方法，其中所述导电薄层的大于80％的表面积被烧蚀。
16.权利要求1所述的方法，其中在所述烧蚀后剩余的图形为接触指形物和/或汇流条的图形。
17.利用权利要求1所述的方法制得的太阳能电池。
18.在太阳能电池上形成异质接触图形的方法，所述太阳能电池包括纹理化半导体基底，所述方法包括：
在所述太阳能电池的至少一层底层上形成薄层；
提供具有非Gaussian型高帽形光束轮廓的激光束；
均匀化所述非Gaussian型高帽形光束轮廓，其中通过使纹理化半导体基底表面具有与非Gaussian型高帽形光束轮廓中的一个或多个不均匀性相当的标度以促进均匀化；和
使用具有均匀化的非Gaussian型高帽形光束轮廓的激光束烧蚀部分表面上的全部薄层，由此留下所述异质接触图形，其中所述均匀化有助于提供具有等于或接近所述薄层的烧蚀阈值且低于所述至少一层底层的损伤阈值的流量的激光束，从而促进从所述部分表面上除去全部薄层。
19.权利要求18所述的方法，其还包括在所述异质接触图形上进行金属化以促进通过所述异质接触图形与所述至少一层底层的导电连接。
20.权利要求18所述的方法，其中所述薄层包括多层不同的层。
21.权利要求18所述的方法，其还包括在所述烧蚀后蚀刻所述太阳能电池的表面以形成表面纹理和/或除去任何激光烧蚀损伤，所述薄层对所述蚀刻具有抵抗性。
22.权利要求18所述的方法，其还包括通过现场热处理修改所述接触图形。
23.权利要求18所述的方法，其中全部或部分的所述薄层包含掺杂半导体材料。
24.权利要求18所述的方法，其中全部或部分的所述薄层包括表面钝化层。
25.权利要求18所述的方法，其中所述提供包括将激光束成形为非Gaussian型高帽形均匀光束轮廓，所述异质接触图形包括互连的多个导电指形物和多个汇流条，所述多个导电指形物为50μm或更窄。
26.权利要求25所述的方法，其中所述激光束是脉冲激光束，用单激光脉冲加工区域，并且扫描光束的重叠小于所述单激光脉冲加工面积的20％。
27.权利要求18所述的方法，其中所述激光束通过掩模投射。
28.权利要求27所述的方法，其中由所述掩模产生的激光束形状为规则的多边形。
29.权利要求27所述的方法，其中由所述掩模产生的激光束形状是规则的多边形，所述规则的多边形被贯穿该多边形的细线阻隔。
30.权利要求27所述的方法，其还包括使用多个掩模或动态变化的掩模。
31.权利要求18所述的方法，其中在一定波长和脉冲宽度下操作所述激光，在所述波长和脉冲强度下激光能量在所述薄层中被强吸收而在所述至少一层底层中被弱吸收。
32.权利要求18所述的方法，其中所述薄层的大于80％的表面积被烧蚀。
33.权利要求18所述的方法，其中在所述烧蚀后剩余的图形为接触指形物和/或汇流条的图形。
34.利用权利要求18所述的方法制得的太阳能电池。
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