[发明专利]太阳能电池方法及结构

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造的领域，并且在一个方面中，本发明提供了一种在硅器件中形成p型掺杂层的方法。在另一方面中，本发明提供了一种形成在n型硅上的新的器件结构。

背景技术

在传统的太阳能电池设计中，常常对铝(Al)导体浆进行丝网印刷以及尖峰烧结(spike-fired)，因为这是一种用来产生作为形成在p型晶片上的太阳能电池中的有效背场(back surface field)的掺Al p⁺层的耐用、快速且低成本的技术。自20世纪70年代后期以来，该工艺在过去的30多年里已得到了发展并用在丝网印刷的太阳能电池的商业制造中。现提议将这种丝网印刷的Al的用途用来在n型晶片(特别地，使用n⁺np⁺太阳能电池结构)中形成合金p-n结。据报告，与p型CZ晶片相比，n型直拉单晶(Czochralski)(CZ)晶片具有明显更高的少数载流子寿命，且因此，应能够实现更高的开路电压(Voc’s)。然而，在整个背面都被合金Al覆盖的n型CZ材料上的n⁺np⁺器件结构中，已观察到仅小于630mV的Voc’s(A.Ebong、V.Upadhyaya等人的“带有Al背结的高效N型硅太阳能电池的快速热加工(Rapid Thermal Processing of High Efficiency N-type Silicon Solar Cells with Al Back Junction)”，光伏能量转换(Photovoltaic Energy Conversion)，2006IEEE第4届国际会议的会议记录)，(Schmiga，C.、H.Nagel等人的“带有丝网印刷的铝合金背面发射极的19％有效的N型CZ硅太阳能电池(19％ Efficient N-Type CZ Silicon Solar Cells with Screen-Printed Aluminium-Alloyed Rear Emitter)”，光伏的进展(Progress in Photovoltaic)，14(6)：533-53)，从而阻止了实现更高效的CZ n型晶片的大多数可能性。这代表了这种简单的电池设计的一个严重缺陷。

通常通过在红外带式炉(infra-red belt furnace)中典型地在少于两分钟内加热至750℃-850℃来对硅晶片的背面上的丝网印刷的铝浆进行尖峰烧结，以产生一合金区，在所述合金区内，经由来自液相的掺铝硅外延生长而形成有重掺杂p型区。然而，这种层中的不均匀性使得难于使用这种方法通过n型晶片来形成p-n结，因为这种不均匀性允许铝绕过掺铝p型区，并通常经由肖特基势垒直接与n型晶片接触。这种肖特基势垒引起结的非线性分流并使器件电压、填充因子及电流劣化。

当制作太阳能电池时，还期望使诸如扩散工艺、热氧化、金属烧结等的热处理期间的加工温度的大小以及工艺持续时间都降到最低限度。这是因为在长期的高温工艺期间通常会出现材料质量的劣化，诸如由于缺陷产生，污染物扩散到器件的出现损坏的区中，材料中的氢的损耗等等。极短时间(仅几秒)内的高温或过久地暴露于相对低的温度(小于500℃)似乎不会造成明显的损坏。所有目前制得的硅晶片基太阳能电池中的大多数都需要长期暴露于高温，诸如由于热扩散，当使用某些衬底时或者当存在有害污染物等时，在这种工艺期间有可能造成明显的损坏。即使通过这种技术能制成高性能的电池，但产量和再现性往往会受损，并且在适当干净的气氛中执行这种工艺的成本较高。在器件制作过程中，这种工艺还往往会耗费更大量的能量。

特别地，多年前已得知选择性发射极有利于更高性能的器件。然而，当执行热扩散工艺以在金属触点下方形成高掺杂区时，大多数这种制作有选择性发射极的器件都需要长期暴露于极高温。

发明内容

本发明提供了一种用于在硅半导体材料的一表面上形成p型区的方法，本方法包括：在硅材料的所述表面上方形成铝层；在高于铝硅低共熔温度的一温度下对铝进行尖峰烧结(spike firing)，以形成铝半导体合金p型区；随后是低于铝硅低共熔温度的一温度下的低温固相外延生长工艺，由此通过固相外延生长使铝区和合金区内的剩余硅在铝/硅界面处形成p型区。

可在红外(IR)带式炉中在650℃-950℃范围内的温度下且优选地在850+/-20℃的温度下执行此尖峰烧结步骤。可使器件在炉中仅保持5秒-100秒的时间，并且实际上，在峰值温度下，典型地仅保持2秒-4秒。