[发明专利]使用基于低等级原料材料的晶体硅的太阳能电池及制造方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及光伏器件，并更具体地涉及用于制造源自基于低等级原料材料的晶体硅的改进太阳能电池的系统和方法。

背景技术

光伏太阳能电池将来自太阳的辐射能直接转化成电能。光伏电池能够排列成阵列，该阵列将多个电池排列以提供更大的电力输出。这使得太阳能电力成为为小型住宅(small home)和商店(businesses)供电的可行选择。

光伏太阳能电池的制造涉及使用邻近通常称为“前侧(frontside)”的一个表面的、具有浅p-n结的薄板或晶片形式的半导体衬底。太阳能电池衬底可以是具有p-型传导性和位于距其前侧约0.3～0.5μm的p-n结的多晶硅，并具有覆盖前侧约80nm厚(根据所实施的结构化作用(texturization)和所使用涂层的折射率)的氮化硅涂层。

工作时，撞击在太阳能电池上的太阳能辐射产生的电子和空穴迁移至p-掺杂和n-掺杂区域，由此在掺杂区域之间产生电压差(voltage differential)。太阳能电池的前侧(在那里连接至外部电路)可以在金属性表面和掺杂区域之间包括若干层材料。这些材料可以被图案化，经过蚀刻而形成内部器件。

太阳能电池晶片通过在半导体衬底的前后表面(即，p-和n-结)上都提供金属化作用而转化成最终的太阳能电池，以容许回收在其暴露于太阳辐射时来自电池的电流。这些接触(contacts，触点)典型地由铝、银、镍或其它金属或金属合金制成。通常优选的安排是为硅太阳能电池提供由铝制成的背接触和由银制成的前接触。

为了改善电池的转化效率，涂覆抗反射涂层(ARC)并粘合至前侧中未被前侧接触所覆盖的那些区域。背接触可覆盖太阳能电池晶片的整个后表面，但更常见的是，将背接触形成为终止于接近太阳能电池的边缘，但却达不到太阳能电池的边缘。

在现今太阳能电池制造业中正在发展的最令人振奋的一个领域涉及利用升级冶金级(UMG)硅的更丰富和经济的用途用于太阳能电池本体硅区域。采用UMG硅以实现高效工作的太阳能电池，使得产生太阳能的成本能够开始在能量市场上与石油和其它形式的能量展开充分竞争。在使用UMG或硅原料中，对于相似的质量，对工艺可能产生额外的限制。

例如，在形成太阳能电池时，一般实施烧制工艺会涉及将太阳能电池器件温度升高到约800℃或更高。这种工艺力图实现三个独特效果。首先，该工艺力图定位与太阳能电池的n-掺杂发射极层接触的前侧接触。第二，该工艺力图从ARC将氢扩散到p-掺杂本体硅内而产生缺陷钝化(defect passivation)。而最后，该工艺力图对具有p-掺杂本体硅的太阳能电池器件的铝背面退火而建立排斥朝向p-n结的电子并称为BSF(背面电场)的更重度的p-掺杂区域。

尽管期望实现所有三个结果，但是一般这些结果在非常窄的工艺窗口中部分产生。即，这三个热-响应性工艺要求不同的温度范围和加热持续时间。同样地，采用单个工艺实现期望结果一般是不切实际的或不理想的。

具体而言，形成前侧接触需要一个短持续期(例如，10s)的高温过程(例如，约800℃)。如果温度过程并未正确调节，则将会导致高串联电阻和/或低并联电阻。这种情况的出现是因为几个物理原因。这些原因包括金属渗透到本体硅中、在n-掺杂区域较差地形成Ag微晶和/或Ag微晶与Ag指粒(fingers)共生较差。这些不期望的现象被称为过烧或烧制不足现象。

相反，具有p-掺杂本体硅的铝背面层退火已经能够在较低温度下实现。Al-Si二元体系的共熔温度是所需的最低温度。然而，根据Al/Si合金的液/固曲线，更高的温度提供的Al掺杂会增加，而因此获得更有效的背面电场(BSF)。如果温度太高(例如，＞850℃)，BSF质量一般会降低，主要是因为不均质性问题，而晶片翘曲可能会变得严重。尽管可能有Al粉浆容许更高的烧制温度，但即使采用这些改进，在这个温度下的持续时间也只能是在几秒钟的范围内。

因为温度和持续时间限制的冲突，采用单一烧制工艺形成太阳能电池一般会产生性能欠佳的器件。同时，采用两个烧制工艺也会导致无效(ineffe)的太阳能电池。