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用于太陽能電池的金屬觸點方案

閱讀:512發(fā)布:2022-06-14

專利匯可以提供用于太陽能電池的金屬觸點方案專利檢索,專利查詢,專利分析的服務(wù)。并且提供一種對 半導(dǎo)體 器件的半導(dǎo)體表面形成點金屬 電觸點 的方法。在第一步驟中,在半導(dǎo)體表面上形成第一金屬層。之后將第一金屬層 陽極 氧 化 以產(chǎn)生形成在半導(dǎo)體表面上的多孔金屬氧化物層。多孔金屬氧化物層中的孔將從而在多孔金屬氧化物層中形成開口陣列。之后將觸點金屬層形成在多孔金屬氧化物層上以使得觸點金屬層的一部分延伸至開口陣列的開口中。觸點金屬層經(jīng)由多孔金屬氧化物層中的開口陣列電 接觸 半導(dǎo)體表面。 電介質(zhì) 層可以任選地形成在半導(dǎo)體表面上并且多孔金屬氧化物層形成在電介質(zhì)層上,并且觸點金屬之后經(jīng)由電介質(zhì)層接觸半導(dǎo)體表面。,下面是用于太陽能電池的金屬觸點方案專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種對半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體表面形成點金屬電觸點的方法,所述方法包括:
i)在所述半導(dǎo)體表面上方形成第一金屬層;
ii)陽極化所述第一金屬層以產(chǎn)生在所述半導(dǎo)體表面上方形成的多孔金屬氧化物層,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成在所述多孔金屬氧化物層中的開口陣列;
iii)在所述多孔金屬氧化物層上方形成觸點金屬層,并且所述觸點金屬層的一部分延伸到所述開口陣列的開口中以使得所述觸點金屬層經(jīng)由所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列電接觸所述半導(dǎo)體表面。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其中在所述半導(dǎo)體表面上形成所述第一金屬層以使得在所述陽極氧化步驟之后,所述多孔金屬氧化物層接觸所述半導(dǎo)體表面。
3.如權(quán)利要求1所述的方法,其中在所述半導(dǎo)體表面上方形成電介質(zhì)層,并且在所述電介質(zhì)層上方形成所述多孔金屬氧化物層。
4.一種對半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體表面形成點金屬電觸點的方法,所述方法包括:
i)在所述半導(dǎo)體表面上形成電介質(zhì)層:
ii)在所述電介質(zhì)層上方形成第一金屬層;
iii)陽極氧化所述第一金屬層以產(chǎn)生在所述電介質(zhì)層上方形成的多孔金屬氧化物層,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成在所述多孔金屬氧化物層中的開口陣列;
iv)在所述多孔金屬氧化物層上方形成觸點金屬層;以及
v)加熱所述觸點金屬層以驅(qū)使所述觸點金屬層的一部分穿過所述電介質(zhì)層,以經(jīng)由所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列和所述電介質(zhì)層電接觸所述半導(dǎo)體表面。
5.權(quán)利要求3或4所述的方法,其中所述電介質(zhì)層包含SiO2、SiNx、SiONx、SiC、Al2O3或它們的兩種以上的組合。
6.權(quán)利要求3、4或5所述的方法,其中所述電介質(zhì)層的厚度在10-85nm的范圍內(nèi)。
7.權(quán)利要求3、4、5或6所述的方法,其中所述電介質(zhì)層的厚度在10-20nm、或20-20nm、或30-40nm、或40-50nm、或50-60nm、或60-70nm、或70-80nm、或80-85nm的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求3至7中的任一項所述的方法,其中所述電介質(zhì)層通過PECVD并隨后通過形成氣體退火而形成。
9.如權(quán)利要求3至8中的任一項所述的方法,其中所述半導(dǎo)體表面是帶紋路的。
10.權(quán)利要求9所述的方法,其中所述半導(dǎo)體表面的所述紋路達到1-8μm、或2-5μm、或1-2μm、或2-3μm、或3-4μm、或4-5μm、或5-6μm、或6-7μm、或7-8μm的深度。
11.權(quán)利要求9或10所述的方法,其中控制所述金屬觸點層的加熱以將所述觸點金屬層與所述半導(dǎo)體表面的接觸限制為僅僅經(jīng)由位于或鄰近所述半導(dǎo)體表面的所述紋路的峰或脊的那些孔。
12.如權(quán)利要求1至11中的任一項所述的方法,其中所述第一金屬層是包含的層。
13.如權(quán)利要求1至12中的任一項所述的方法,其中將所述金屬層在陽極氧化以形成所述多孔金屬氧化物層之前燒結(jié)。
14.如權(quán)利要求1至13中的任一項所述的方法,其中在所述觸點金屬層的形成之前,蝕刻所述多孔金屬氧化物層以擴大形成穿過所述多孔金屬氧化物層的所述開口陣列的所述孔。
15.如權(quán)利要求1至14中的任一項所述的方法,其中在所述觸點金屬層的施加之前將所述多孔金屬氧化物層進一步蝕刻,以確保在穿過所述多孔金屬氧化物層的所述開口陣列的所述開口的底部將任意阻擋層氧化物從所述半導(dǎo)體表面移除。
16.如權(quán)利要求1至15中的任一項所述的方法,其中將所述第一金屬層預(yù)處理以使得由所述陽極氧化步驟產(chǎn)生的所述孔在所選位置優(yōu)先形成。
17.權(quán)利要求16所述的方法,其中所述預(yù)處理包括在每一個所需的位置產(chǎn)生缺陷、壓痕或弱點的流體的逐點沉積。
18.權(quán)利要求17所述的方法,其中使用噴墨或氣溶膠噴注打印機沉積所述流體。
19.權(quán)利要求18所述的方法,其中沉積蝕刻劑以在所述第一金屬層中在所需的孔的位置形成凹陷。
20.權(quán)利要求16所述的方法,其中所述預(yù)處理包括用在每一個所需的位置產(chǎn)生凹痕的模具壓印所述第一金屬層的表面。
21.如權(quán)利要求1至20中的任一項所述的方法,其中平均孔間距小于500μm。
22.如權(quán)利要求1至20中的任一項所述的方法,其中平均孔間距小于200μm。
23.如權(quán)利要求1至20中的任一項所述的方法,其中平均孔間距為100μm以下。
24.如權(quán)利要求1至23中的任一項所述的方法,其中在所述陽極氧化工序中使用的酸選自硫酸草酸、磷酸,或一起或依次使用的這些酸的組合。
25.如權(quán)利要求1至24中的任一項所述的方法,其中在所述陽極氧化工序中使用的酸是0.3-1.5M硫酸和1~10%(wt/wt)磷酸。
26.如權(quán)利要求1至24中的任一項所述的方法,其中在所述陽極氧化工序中使用的酸是0.3M硫酸。
27.如權(quán)利要求1至26中的任一項所述的方法,其中將所沉積的第一金屬層陽極氧化
3-30分鐘、或3-4分鐘、或4-5分鐘、或5-6分鐘、或6-7分鐘、或7-8分鐘、或8-9分鐘、或
9-10分鐘、或10-11分鐘、或11-12分鐘、或12-13分鐘、或13-14分鐘、或14-15分鐘、或
15-16分鐘、或16-17分鐘、或17-18分鐘、或18-19分鐘、或19-20分鐘、或20-21分鐘、或
21-22分鐘、或22-23分鐘、或23-24分鐘、或24-25分鐘、或25-26分鐘、或26-27分鐘、或
27-28分鐘、或28-29分鐘、或29-30分鐘。
28.如權(quán)利要求1至27中的任一項所述的方法,其中通過濺射或熱蒸發(fā)法中的一種沉積所述第一金屬層。
29.如權(quán)利要求1至28中的任一項所述的方法,其中所述第一金屬層的厚度在
0.2-1.0μm、或0.2-0.5μm、或0.1-0.2μm、或0.2-0.3μm、或0.3-0.4μm、或0.4-0.5μm、或0.5-0.6μm、或0.6-0.7μm、或0.7-0.8μm、或0.8-0.9μm、或0.9-1.05μm的范圍內(nèi)。
30.如權(quán)利要求1至29中的任一項所述的方法,其中在陽極氧化之前將所沉積的第一金屬層在350-450℃(額定400℃)燒結(jié)25-35分鐘。
31.如權(quán)利要求1至30中的任一項所述的方法,其中經(jīng)陽極氧化的第一金屬層的蝕刻在所述陽極氧化步驟之后進行并且進行直至所述孔的直徑為至少200或250nm。
32.如權(quán)利要求1至30中的任一項所述的方法,其中經(jīng)陽極氧化的第一金屬層的蝕刻在所述陽極氧化步驟之后進行并且進行直至所述孔的直徑在450-550nm的范圍內(nèi)。
33.如權(quán)利要求1至32中的任一項所述的方法,其中使用選自濺射、電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷的方法,將所述觸點金屬層沉積在所述孔中以及所述多孔金屬氧化物層的整個表面上方。
34.如權(quán)利要求33所述的方法,其中,所述觸點金屬層是包含鋁的層。
35.如權(quán)利要求1至32中的任一項所述的方法,其中所述觸點金屬層通過金屬覆而形成在所述開口中以及所述多孔金屬氧化物層的整個表面上方。
36.如權(quán)利要求35所述的方法,其中通過用鎳、和/或鍍覆來形成所述觸點金屬層。
37.如權(quán)利要求1至36中的任一項所述的方法,其中所述觸點金屬層在所述孔之間的厚度在1-4μm的范圍內(nèi)。
38.如權(quán)利要求1至36中的任一項所述的方法,其中所述觸點金屬層在所述孔之間的厚度在1-2μm、或2-3μm、或3-4μm的范圍內(nèi)。
39.如權(quán)利要求1至38中的任一項所述的方法,其中在沉積所述觸點金屬層之后,將所述觸點金屬層在以下范圍內(nèi)的溫度燒結(jié):400-650℃、或400-500℃、或400-450℃、或
450-500℃、或500-550℃、或550-600℃、或600-650℃。
40.如權(quán)利要求1至39中的任一項所述的方法,其中在沉積所述觸點金屬層之后,將所述觸點金屬層燒結(jié)1-15分鐘、或1-2分鐘、或2-3分鐘、或3-4分鐘、或4-5分鐘、或5-6分鐘、或6-7分鐘、或7-8分鐘、或8-9分鐘、或9-10分鐘、或10-11分鐘、或11-12分鐘、或
12-13分鐘、或13-14分鐘、或14-15分鐘。
41.如權(quán)利要求1至39中的任一項所述的方法,其中所述觸點金屬層的加熱步驟包括將觸點金屬層在400-500℃的范圍內(nèi)的溫度燒結(jié)10-15分鐘。
42.如權(quán)利要求1至39中的任一項所述的方法,其中將所述觸點金屬層在比所述金屬-半導(dǎo)體的共晶溫度更高的溫度燒結(jié),從而使觸點金屬擴散至所述半導(dǎo)體表面中,以使得在所述孔的底部形成金屬-半導(dǎo)體合金。
43.如權(quán)利要求1至42中的任一項所述的方法,其中所述觸點金屬層包含鋁或鋁合金。
44.如權(quán)利要求1至43中的任一項所述的方法,其中所述觸點金屬層的加熱步驟包括將所述觸點金屬層在650°-820℃、或650°-670℃、或670°-690℃、或690°-710℃、或710°-730℃、或730°-750℃、或750°-770℃、或770°-790℃、或790°-810℃、或
810°-820℃的范圍內(nèi)的峰值溫度燒制,在所述峰值溫度持續(xù)少于60秒。
45.如權(quán)利要求44所述的方法,其中所述觸點金屬層的加熱步驟包括將所述觸點金屬層在所述峰值溫度燒制1-2秒、或2-3秒、或3-4秒、或4-5秒、或5-6秒、或6-7秒、或7-8秒、或8-9秒、或9-10秒、或10-12秒、或12-15秒、或15-20秒、或20-25秒、或25-30秒、或30-35秒、或35-40秒、或40-45秒、或45-50秒、或50-55秒、或55-60秒。
46.如權(quán)利要求1至45中的任一項所述的方法,其中,在所述觸點金屬層的形成之前,使所述半導(dǎo)體表面暴露于摻雜劑極性與所述半導(dǎo)體表面的半導(dǎo)體材料相同的摻雜劑原子,從而所述半導(dǎo)體表面在所述多孔金屬氧化物層中的所述開口下面的半導(dǎo)體材料與周圍的半導(dǎo)體表面中的半導(dǎo)體材料相比被更重地摻雜。
47.如權(quán)利要求1至45中的任一項所述的方法,其中,在所述陽極氧化步驟之前,使所述半導(dǎo)體表面暴露于摻雜劑極性與所述半導(dǎo)體表面的半導(dǎo)體材料相同的摻雜劑原子,從而所述半導(dǎo)體表面的半導(dǎo)體材料與在所述半導(dǎo)體表面下面的半導(dǎo)體材料被更重地摻雜。
48.一種半導(dǎo)體器件,所述半導(dǎo)體器件具有其上形成電觸點的半導(dǎo)體表面,所述器件包括:
i)多孔金屬氧化物層,所述多孔金屬氧化物層形成在所述半導(dǎo)體表面上方,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成穿過所述多孔金屬氧化物層的開口陣列;
ii)觸點金屬層,所述觸點金屬層形成在所述多孔金屬氧化物層上方并且所述觸點金屬層的一部分延伸至所述開口陣列的開口中,以使得所述觸點金屬層經(jīng)由所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列電接觸所述半導(dǎo)體表面,從而形成所述電觸點。
49.如權(quán)利要求48所述的方法,其中所述多孔金屬氧化物層形成在所述半導(dǎo)體表面上。
50.如權(quán)利要求48所述的方法,其中在所述半導(dǎo)體表面與所述多孔金屬氧化物層之間形成中間電介質(zhì)層。
51.一種半導(dǎo)體器件,所述半導(dǎo)體器件具有其上形成電觸點的半導(dǎo)體表面,所述器件包括:
i)電介質(zhì)層,所述電介質(zhì)層形成在所述半導(dǎo)體表面上方;
ii)多孔金屬氧化物層,所述多孔金屬氧化物層形成在所述電介質(zhì)層上方,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成穿過所述多孔金屬氧化物層的開口陣列;
iii)觸點金屬層,所述觸點金屬層形成在所述多孔金屬氧化物層上方,以使得所述觸點金屬層經(jīng)由所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列和所述電介質(zhì)層電接觸所述半導(dǎo)體表面,從而形成所述電觸點。
52.權(quán)利要求50或51所述的半導(dǎo)體器件,其中所述電介質(zhì)層包含SiO2、SiNx、SiONx、SiC或它們的兩種或三種的組合。
53.權(quán)利要求50、51或52所述的半導(dǎo)體器件,其中所述電介質(zhì)層的厚度在10-85nm、或10-20nm、或20-20nm、或30-40nm、或40-50nm、或50-60nm、或60-70nm、或70-80nm、或
80-85nm的范圍內(nèi)。
54.權(quán)利要求50、51、52或53所述的半導(dǎo)體器件,其中所述半導(dǎo)體表面是帶紋路的。
55.權(quán)利要求54所述的半導(dǎo)體器件,其中所述半導(dǎo)體表面的所述紋路達到1-8μm、或
2-5μm、或1-2μm、或2-3μm、或3-4μm、或4-5μm、或5-6μm、或6-7μm、或7-8μm的深度。
56.權(quán)利要求54或55所述的半導(dǎo)體器件,其中所述金屬觸點層僅經(jīng)由位于或鄰近所述半導(dǎo)體表面的所述紋路的峰或脊的孔接觸所述半導(dǎo)體表面。
57.如權(quán)利要求48至56中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述多孔金屬氧化物層是氧化鋁層。
58.如權(quán)利要求48至57中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中平均孔間距小于500μm。
59.如權(quán)利要求48至57中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中平均孔間距小于200μm。
60.如權(quán)利要求48至57中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中平均孔間距小于100μm或更小。
61.如權(quán)利要求48至60中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述多孔金屬氧化物層的厚度在0.2-1.0μm、或0.2和0.5μm、或0.3-0.5μm、或0.2-0.3μm、或0.3-0.4μm、或
0.4-0.5μm的范圍內(nèi)。
62.如權(quán)利要求48至61中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述多孔金屬氧化物層中的所述開口的直徑為至少200或250nm。
63.如權(quán)利要求48至61中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述多孔金屬氧化物層中的所述開口的直徑在450-550nm的范圍內(nèi)。
64.如權(quán)利要求48至63中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述觸點金屬層延伸至所述孔中以及所述多孔金屬氧化物層的整個表面上方。
65.如權(quán)利要求48至64中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述觸點金屬層是包含鋁、鎳、銅、錫和/或銀的層。
66.如權(quán)利要求48至65中的任一項所述的方法,其中所述觸點金屬層包含鋁或鋁合金。
67.如權(quán)利要求48至66中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述觸點金屬層在所述孔之間的厚度在1-4μm、或1-2μm、或2-3μm、或3-4μm的范圍內(nèi)。
68.如權(quán)利要求48至67中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述觸點金屬層擴散至所述半導(dǎo)體表面中以在所述開口的底部形成金屬-半導(dǎo)體合金。
69.如權(quán)利要求48至68中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述多孔金屬氧化物層中的所述開口內(nèi)的所述半導(dǎo)體表面與周圍的半導(dǎo)體表面中的半導(dǎo)體材料相比被更重地摻雜。
70.如權(quán)利要求48至68中的任一項所述的半導(dǎo)體器件,其中所述半導(dǎo)體表面與在所述半導(dǎo)體表面下面的半導(dǎo)體材料相比被更重地摻雜。
71.一種半導(dǎo)體器件,其中存在權(quán)利要求48至70的任意手段的一個或多個的所需組合。
72.一種方法,其中存在權(quán)利要求1至47的任意手段的一個或多個的所需組合。

說明書全文

用于太陽能電池的金屬觸點方案

[0002] 本專利文獻的公開的一部分含有受到版權(quán)保護的材料。當(dāng)它出現(xiàn)在專利和商標局專利文獻或記錄中時,版權(quán)所有者不反對專利文獻或?qū)@_被任何人復(fù)制,但保留其它任何方面的全部版權(quán)。
[0003] 發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明總體涉及器件制造領(lǐng)域并且,尤其是,涉及用于太陽能電池器件尤其是太陽能電池器件的背點觸點的形成。
[0005] 發(fā)明背景
[0006] 太陽能電池半導(dǎo)體器件的制造典型地包括與p-n結(jié)器件的金屬觸點的形成。半導(dǎo)體材料(例如,硅)吸收光并且產(chǎn)生之后可以由器件中的p-n結(jié)分離的電子和空穴載流子。多數(shù)載流子(例如,n型半導(dǎo)體材料中的電子)通過形成至器件的p型和n型材料兩者的金屬觸點收集。在標準的絲網(wǎng)印刷硅太陽能電池中,n型金屬觸點(其收集電子)通過絲網(wǎng)印刷和隨后燒制在基于晶片的器件的前側(cè)(照射側(cè))上的柵格圖案中的漿料形成。p型接觸通過用漿料絲網(wǎng)印刷器件的整個背側(cè)p型表面形成。該漿料,當(dāng)在780-870℃的溫度燒制時,形成減少電子少數(shù)載流子(p型材料中)在硅-金屬界面的復(fù)合并且能夠收集空穴多數(shù)載流子的背面電場(BSF)。
[0007] 絲網(wǎng)印刷硅太陽能電池已經(jīng)工業(yè)生產(chǎn)了25-30年,具有分別對于單晶和多晶晶片基板向17-18%和16-17%持續(xù)提高的驅(qū)動效率。然而,這些效率仍然顯著低于由實驗室制造的太陽能電池獲得的值。例如,對于最高效率的單結(jié)硅太陽能電池的世界紀錄是由新南威爾士大學(xué)(the University ofNew South Wales)在1999年獲得的25%。為什么這些實驗室制造的太陽能電池獲得更高的效率的一個原因是它們典型地使用點金屬觸點與背表面上的硅接觸。在新南威爾士大學(xué)(the University of New South Wales)制造的世界紀錄鈍化發(fā)射體背側(cè)局域擴散(Passivated Emitter RearLocally-Diffused,PERL)電池的情況下,在背側(cè)化硅電介質(zhì)層中制成尺寸10μm×10μm的小開口。之后將金屬經(jīng)由這些小面積點尺寸開口蒸發(fā)以形成至電池的p型金屬觸點。
[0008] 通過限制金屬硅界面的總面積,可以顯著地減少少數(shù)和多數(shù)載流子的復(fù)合以對于得到的器件得到更高的開路電壓。通過在金屬化之前進行穿過接觸開口的擴散以在開口的底部產(chǎn)生重摻雜區(qū)域,進一步增強PERL電池的性能。這些重摻雜區(qū)域進一步減少載流子復(fù)合并減少接觸電阻,導(dǎo)致最終的器件中降低的串聯(lián)電阻。
[0009] 大部分PERL電池使用p型晶片制造,其中在前側(cè)(照明側(cè))通過進行磷固態(tài)擴散處理形成p-n結(jié)。該制造方法需要使用高品質(zhì)浮點區(qū)(FZ)晶片,其中在1Ωcm p型晶片中少數(shù)載流子壽命可以高至500μs。此外典型地使用厚晶片以確保出色的入射光吸收。經(jīng)由電池前側(cè)上形成的窄金屬柵格收集電子,并且通過背表面上的點狀觸點收集空穴。為了限制當(dāng)從觸點開口上面的p型硅的半球形區(qū)域收集載流子時經(jīng)歷的擴展電阻,可以給出的是有益的是具有位于彼此盡可能接近處的點狀觸點。此外,需要的是在可實行情況下盡可能最小化全部金屬-硅界面面積以便保持載流子的復(fù)合最小。在世界紀錄高效PERL電池中,點狀觸點間隔250μm。
[0010] 用于制造硅太陽能電池的大部分工業(yè)工藝仍然依賴于使用整個背表面金屬觸點,如上對于絲網(wǎng)印刷電池所述,證明在獲得用于背觸點方案的緊密間隔的小面積點狀觸點存在實際困難。對于PERL電池,使用光刻制造點狀觸點,這被認為用于商業(yè)制造實施是過于昂貴的。已經(jīng)試驗了通過蒸發(fā)的鋁層的點狀觸點的激光-燒制,然而該過程可以對硅產(chǎn)生材料損壞并從而降低電壓。同樣,因為激光器是基本上連續(xù)的流器件,點狀觸點的燒制需要某些形式的掩?;蚰0濉4送?,如果點狀觸點空間上彼此接近,那么為跨越整個背表面掃描用于圖案化處理是耗時的。也測試了點狀觸點的噴墨蝕刻。雖然這種方法典型地不對光活性材料產(chǎn)生任何損壞,作為激光燒蝕觸點它遭受相同的處理吞吐量問題。因此,硅太陽能電池的背表面上形成點狀觸點的圖案用于金屬接觸的目的仍然是用于硅太陽能電池制造的研究的活躍領(lǐng)域。
[0011] 概述
[0012] 在第一方面,提供一種對半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體表面形成點金屬電觸點的方法,所述方法包括:
[0013] i)在所述半導(dǎo)體表面上形成第一金屬層;
[0014] ii)陽極氧化所述第一金屬層以產(chǎn)生在所述半導(dǎo)體表面上形成的多孔氧化物層,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成穿過所述多孔金屬氧化物層的開口陣列;
[0015] iii)在所述多孔金屬氧化物層上形成觸點金屬層,并且其一部分延伸至所述開口陣列的開口中以使得所述觸點金屬層經(jīng)由所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列電接觸所述半導(dǎo)體表面。
[0016] 在第二方面,提供一種半導(dǎo)體器件,所述半導(dǎo)體器件具有其上形成電觸點的半導(dǎo)體表面,所述器件包括:
[0017] i)多孔金屬氧化物層,所述多孔金屬氧化物層形成在所述半導(dǎo)體表面上,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成穿過所述多孔金屬氧化物層的開口陣列;
[0018] ii)觸點金屬層,所述觸點金屬層形成在所述多孔金屬氧化物層上并且其一部分延伸至所述開口陣列的開口中,以使得所述觸點金屬層經(jīng)由所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列電接觸所述半導(dǎo)體表面,從而形成所述電觸點。
[0019] 在一個實施方案中,在半導(dǎo)體表面上形成第一金屬層,以使得在燒結(jié)之后多孔氧化物層與半導(dǎo)體表面接觸。
[0020] 然而中間電介質(zhì)層可以任選地在第一金屬層的形成之前形成在半導(dǎo)體表面上,從而在所述第一金屬層的氧化之后,電介質(zhì)層插入在所述多孔金屬氧化物層與所述半導(dǎo)體表面之間。
[0021] 根據(jù)第三方面,提供一種對半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體表面形成點金屬電觸點的方法,所述方法包括:
[0022] i)在所述半導(dǎo)體表面上形成電介質(zhì)層:
[0023] ii)在所述電介質(zhì)層上形成第一金屬層;
[0024] iii)陽極氧化所述第一金屬層以產(chǎn)生在所述電介質(zhì)層上形成的多孔金屬氧化物層,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成在所述金屬氧化物層中的開口陣列;
[0025] iv)在所述多孔金屬氧化物層上形成觸點金屬層;以及
[0026] v)加熱所述觸點金屬層以驅(qū)使所述觸點金屬層的一部分穿過所述電介質(zhì)層,從而經(jīng)由所述金屬氧化物層中的所述開口陣列和所述電介質(zhì)層電接觸所述半導(dǎo)體表面。
[0027] 根據(jù)第三方面,提供一種半導(dǎo)體器件,所述半導(dǎo)體器件具有其上形成電觸點的半導(dǎo)體表面,所述器件包括:
[0028] i)電介質(zhì)層,所述電介質(zhì)層形成在所述半導(dǎo)體表面上;
[0029] ii)多孔金屬氧化物層,所述多孔金屬氧化物層形成在所述電介質(zhì)層上,從而所述多孔金屬氧化物層中的孔形成穿過所述多孔金屬氧化物層的開口陣列;
[0030] iii)觸點金屬層,所述觸點金屬層形成在所述多孔金屬氧化物層上,以使得所述觸點金屬層經(jīng)由所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列和所述電介質(zhì)層電接觸所述半導(dǎo)體表面,從而形成所述電觸點。
[0031] 本發(fā)明的實施方案將優(yōu)選基于硅半導(dǎo)體技術(shù)并且電介質(zhì)層將優(yōu)選包含SiO2、SiNx、SiONx、SiC、Al2O3或其兩種以上的組合。電介質(zhì)層厚度可以在以下范圍內(nèi):10-85nm或10-20nm、或20-20nm、或30-40nm、或40-50nm、或50-60nm、或60-70nm、或70-80nm、或80-85nm。
[0032] 所述電介質(zhì)層可以通過PECVD之后通過形成氣體退火形成。
[0033] 所述半導(dǎo)體表面優(yōu)選是帶紋路的。所述紋路可以達到1-8μm或2-5μm或1-2μm或2-3μm或3-4μm或4-5μm或5-6μm或6-7μm或7-8μm的深度
[0034] 優(yōu)選控制所述金屬觸點層的所述加熱以將所述觸點金屬層與所述半導(dǎo)體表面的接觸限制至僅經(jīng)由位于或鄰近所述半導(dǎo)體表面的所述紋路的峰或脊的那些孔。
[0035] 第一金屬層優(yōu)選由鋁組成以使得金屬氧化物層是氧化鋁層,然而可以經(jīng)歷陽極處理的其他金屬包括、鋅、鎂、鈮和鉭。優(yōu)選在陽極氧化之前將第一金屬層燒結(jié)。
[0036] 優(yōu)選在所述觸點金屬層形成之后將其加熱從而使所述觸點金屬擴散至半導(dǎo)體表面中。當(dāng)將電介質(zhì)層插入至多孔金屬氧化物層與半導(dǎo)體表面之間時,將所述觸點金屬層加熱以使得在所述多孔金屬氧化物層中的所述開口陣列的所述開口的至少一些中的電介質(zhì)層的表面處的所述觸點金屬層的金屬被驅(qū)使穿過電介質(zhì)層以接觸半導(dǎo)體表面。
[0037] 優(yōu)選在所述觸點金屬層的形成之前蝕刻所述多孔金屬氧化物層以擴大形成穿過所述多孔金屬氧化物層的所述開口陣列的所述孔。
[0038] 在所述觸點金屬層的施加之前可以將陽極氧化層進一步蝕刻以確保在穿過所述多孔金屬氧化物層的所述開口陣列的每一個開口的底部將任意阻擋層氧化物從所述半導(dǎo)體表面移除。
[0039] 可以將所述第一金屬層預(yù)處理以使得由所述陽極氧化步驟產(chǎn)生的所述孔在所選位置優(yōu)先形成。預(yù)處理可以包括在所需的位置的每一個處產(chǎn)生缺陷、壓痕或弱點的流體的逐點沉積。可以使用噴墨或氣溶膠噴注打印機沉積所述流體。例如可以沉積蝕刻劑以在所述第一金屬層中在所需的孔的位置形成凹陷。備選地可以用在所需的位置的每一個處產(chǎn)生凹陷的模具壓印所述第一金屬層的表面。
[0040] 選擇陽極氧化步驟的參數(shù)以獲得可以典型地小于500μm,但通常小于200μm并且優(yōu)選100μm以下的平均孔間距。
[0041] 在陽極氧化工序中使用的酸可以包括硫酸、草酸磷酸,或一起或依次地使用的這些酸的組合。例如所使用的酸可以是0.3-1.5M硫酸和1~10%(重量/重量)磷酸,或者所使用的酸可以是0.3M硫酸。沉積的第一金屬層可以被陽極氧化3-30分鐘或3-4分鐘或4-5分鐘或5-6分鐘或6-7分鐘或7-8分鐘或8-9分鐘或9-10分鐘或10-11分鐘或11-12分鐘或12-13分鐘或13-14分鐘或14-15分鐘或15-16分鐘或16-17分鐘或17-18分鐘或
18-19分鐘或19-20分鐘或20-21分鐘或21-22分鐘或22-23分鐘或23-24分鐘或24-25分鐘或25-26分鐘或26-27分鐘或27-28分鐘或28-29分鐘或29-30分鐘。
[0042] 第一金屬可以通過濺射或更優(yōu)選使用熱蒸發(fā)法沉積。第一金屬層和隨后的多孔金屬氧化物層的厚度可以在以下范圍內(nèi):0.2-1.0μm,或0.2-0.5μm或0.1-0.2μm或0.2-0.3μm或0.3-0.4μm或0.4-0.5μm或0.5-0.6μm或0.6-0.7μm或0.7-0.8μm或
0.8-0.9μm或0.9-1.05μm,并且優(yōu)選在0.2至0.5μm之間。優(yōu)選將所沉積的第一金屬層在陽極氧化之前在350-450℃(額定400℃)燒結(jié)25-35分鐘(額定30分鐘)。在陽極氧化之后,所得到的多孔金屬氧化物層將具有在以下范圍內(nèi)的厚度:0.2-1.0μm或0.2-0.5μm或0.1-0.2μm或0.2-0.3μm或0.3-0.4μm或0.4-0.5μm或0.5-0.6μm或0.6-0.7μm或0.7-0.8μm或0.8-0.9μm或0.9-1.0μm。
[0043] 優(yōu)選進行在陽極氧化步驟之后進行的陽極氧化的第一金屬層的蝕刻直至孔的直徑為至少200或250nm并且優(yōu)選直徑在450-550nm的范圍內(nèi)。
[0044] 最終,可以使用方法如濺射和電子束蒸發(fā)器或絲網(wǎng)印刷,但優(yōu)選使用熱蒸發(fā),可以將觸點金屬層,如鋁或鋁合金層沉積至孔中和沉積在多孔金屬氧化物層的整個背表面上。所述觸點層的沉積將填充所述絕緣金屬氧化物層中的所述孔,并且之后所述金屬層將優(yōu)選在氧化物層的整個背表面上延伸以形成用于太陽能電池的背電極。所述觸點金屬層在所述孔之間的厚度可以在1-4μm或1-2μm或2-3μm或3-4μm的范圍內(nèi),并且優(yōu)選在1-2μm的范圍內(nèi)。在沉積之后可以將所沉積的觸點金屬在以下范圍內(nèi)的溫度燒結(jié):從440℃至高于金屬-半導(dǎo)體共晶溫度(對于鋁-硅577℃)的溫度,或400-650℃或400-500℃或
400-450℃或450-500℃或500-550℃或550-600℃或600-650℃。在一個方法中,可以將所沉積的觸點金屬在445-455℃的范圍內(nèi)的溫度燒結(jié)10-15分鐘或1-2分鐘或2-3分鐘或3-4分鐘或4-5分鐘或5-6分鐘或6-7分鐘或7-8分鐘或8-9分鐘或9-10分鐘或10-11分鐘或11-12分鐘或12-13分鐘或13-14分鐘或14-15分鐘。備選地,可以將所沉積的觸點金屬在高于金屬-半導(dǎo)體共晶溫度(對于鋁-硅577℃)的溫度燒結(jié)以使得在所述孔的底部形成金屬-半導(dǎo)體合金。
[0045] 備選地,背觸點可以使用其他金屬化方法如金屬覆,使用金屬如鎳、、和/或銀形成。鍍覆可以通過無電鍍覆或電鍍進行。
[0046] 所述觸點金屬層的加熱的步驟可以包括所述觸點金屬層在以下范圍內(nèi)的峰值溫度的燒制:650°-820℃或650°-670℃或670°-690℃或690°-710℃或710°-730℃或730°-750℃或750°-770℃或770°-790℃或790°-810℃或810°-820℃(并且更優(yōu)選在680℃),在峰值溫度持續(xù)少于60秒或持續(xù)1-2秒、或2-3秒、或3-4秒、或4-5秒、或
5-6秒、或6-7秒、或7-8秒、或8-9秒、或9-10秒、或10-12秒、或12-15秒、或15-20秒、或20-25秒、或25-30秒、或30-35秒、或35-40秒、或40-45秒、或45-50秒、或50-55秒、或55-60秒。
[0047] 在進一步的備選中,半導(dǎo)體表面可以在最終的金屬化步驟之前暴露至摻雜劑原子(對于p型材料為硼-例如,三溴化硼或?qū)τ趎型材料為磷-例如POCl3),或者整個背半導(dǎo)體表面可以在陽極氧化步驟之前暴露至摻雜劑(例如,對于p型材料為鋁或硼),以使得隨后經(jīng)由開口沉積或鍍覆的金屬將接觸重摻雜半導(dǎo)體材料。
[0048] 附圖簡述
[0049] 現(xiàn)在將通過實施例的方式參考附圖描述太陽能電池背觸點及其形成方法的實施方案,其中:
[0050] 圖1是具有作為穿過多孔電介質(zhì)層形成的點金屬觸點結(jié)構(gòu)形成的背(未照明)表面觸點的太陽能電池的概略示例;
[0051] 圖2圖解表示背觸點間距與擴展電阻之間的關(guān)系;
[0052] 圖3a和3b是:
[0053] a.陽極氧化槽中太陽能電池的概略前視圖,以及
[0054] b.穿過它位于其上的陽極電極的太陽能電池的概略底視圖;
[0055] 圖4是具有作為穿過多孔電介質(zhì)層和中間電介質(zhì)層形成的點金屬觸點結(jié)構(gòu)形成的背(未照明)表面觸點的太陽能電池的概略示例;
[0056] 圖5多孔電介質(zhì)材料(即陽極氧化鋁)的概略示例;
[0057] 圖6a和6b概略地示例了所制造的測試結(jié)構(gòu)。
[0058] 圖7是具有作為包含插入多孔氧化物金屬氧化物層與基板之間的另外的氧化物層的點金屬觸點結(jié)構(gòu)形成的背(未照明)表面觸點的帶紋路的太陽能電池的概略示例。
[0059] 實施方案詳述
[0060] 開發(fā)了具有潛在可能降低提供高性能背觸點的成本的形成至太陽能電池的點金屬觸點的新方法。與之前描述的包括為形成開口陣列的電介質(zhì)層的確定性圖案化的方法不同,所提出的方法使用陽極氧化金屬膜的性質(zhì)以形成完整的鈍化電介質(zhì)層以及可以充當(dāng)用于金屬觸點的開口的孔陣列。換言之,獨特的是在單一的工序中形成電介質(zhì)膜和開口陣列。孔可以是自有序化的或者它們的位置可以由預(yù)處理影響。之后通過蒸發(fā)另外的金屬層以使得金屬沉積在孔中和陽極氧化金屬的整個背表面上從而僅經(jīng)由鈍化電介質(zhì)層中的開口接觸硅形成用于太陽能電池的背電極,可以形成至下方的光活性材料的金屬觸點。
[0061] 通過改變在陽極氧化工序中使用的電解液的組成和濃度,可以控制所形成的孔(開口)之間的間距。孔的尺寸可以通過在后陽極氧化步驟中將陽極氧化基板浸漬在氧化鋁蝕刻劑中從它們的初始(陽極氧化)尺寸增加。用每個單獨的潛在地使用不同的電解液組合物的陽極氧化處理,通過進行多步連續(xù)陽極氧化步驟,所形成的孔(開口)的間距和尺寸可以進一步控制/改變。
[0062] 可以將通過陽極氧化工序形成的電介質(zhì)層的化學(xué)性質(zhì)優(yōu)化為更加有效地鈍化下面的光活性材料并且因此能夠增加最終的器件的能量轉(zhuǎn)化性能。
[0063] 也可以使用在陽極氧化工序過程中形成的圖案化電介質(zhì)層作為掩模,穿過所述掩??梢赃M行固體擴散過程。所以,例如,可以穿過形成在p型硅晶片表面上的圖案化電介質(zhì)層進行硼擴散,以在孔的底部產(chǎn)生重摻雜p+區(qū)域。這些重摻雜區(qū)域可以通過有效地產(chǎn)生背面場(BSF)進一步減少表面復(fù)合。此外,也可以降低接觸電阻,產(chǎn)生來自太陽能電池的更有效的載流子收集。
[0064] 對太陽能電池形成點金屬觸點的該方法相對于其中單獨的點狀觸點必須分開地并且故意地圖案化的現(xiàn)有的點狀觸點方案具有益處。使用后一種方案,使用激光或噴墨/氣溶膠噴注打印機圖案化實施,難以以保持高吞吐量處理的成本有效方式形成小(<10μm直徑)孔。
[0065] 現(xiàn)在將參考附圖詳細描述太陽能電池背觸點的布置及其形成。圖1顯示典型的晶體硅太陽能電池器件100的截面。該電池包括1-3Ωcm的電阻率的p型晶片基板105以及n型發(fā)射體層110,其優(yōu)選通過在設(shè)計為暴露至光的晶片的表面上進行磷擴散形成。從而形成的p-n結(jié)使得由光通過硅的吸收產(chǎn)生的電子和空穴載流子能夠分離并且使得對于在太陽能電池的電極處的收集成為可能。
[0066] 在結(jié)的形成之后,典型地背面蝕刻程序使用在線濕法化學(xué)處理工具進行,如由儀器制造商如Rena、Schmid和Kuttler提供的,以蝕刻掉背表面上任何磷摻雜的硅并將電池邊緣隔離。之后將抗反射涂層(ARC)115形成在電池的前表面上以最大化電池內(nèi)光的捕獲。大部分工業(yè)制造的硅太陽能電池采用氮化硅作為用于ARC的材料,歸因于其折射率(~2.0)的適當(dāng)性及其相對低的溫度沉積(~400℃),使用等離子體增強的化學(xué)氣相沉積(PECVD)。然而在一些情況下,二氧化硅ARC可以是優(yōu)選的。氮化硅ARC也用于鈍化n型硅晶片表面。它以兩種主要方式完成這點。首先,它可以鈍化在硅表面存在著的懸垂鍵從而降低可以導(dǎo)致高表面復(fù)合的表面缺陷濃度。其次,在所沉積的氮化硅層存在的正電荷排斥來自硅表面的少數(shù)載流子,從而降低接近于表面的復(fù)合事件的可能性。后一種效果稱為場效應(yīng)鈍化并且是在硅太陽能電池制造中例行使用的技術(shù),以最小化典型地表征金屬-硅界面并限制器件性能的高表面復(fù)合速率。
[0067] 那么大部分工業(yè)制造的硅太陽能電池典型地具有絲網(wǎng)印刷在背表面上的鋁漿料層,以及絲網(wǎng)印刷在ARC115上的銀漿料的前柵格。之后將晶片在在線爐中在780至870℃的溫度短暫地?zé)?,這依賴于所使用的絲網(wǎng)印刷漿料的性質(zhì)。在該燒制過程中,鋁擴散至背表面硅中以在p型硅與鋁之間形成鋁摻雜的(p+)層,其形成背面場(BSF)。該BSF層排斥來自背側(cè)鋁電極的電子少數(shù)載流子,并且因此減少在那個表面處的復(fù)合。燒制時的銀漿料穿透氮化硅ARC并且構(gòu)成與下方的n型硅層的歐姆接觸,以形成用于太陽能電池的一個或多個n型電極120。
[0068] 然而,應(yīng)充分理解的是形成背側(cè)鋁電極的當(dāng)前的工業(yè)方法保持效率損失的顯著來源,這歸因于將最終的器件的開路電壓限制至620-630mV的大硅-金屬界面面積。工業(yè)制造的絲網(wǎng)印刷硅太陽能電池典型地限制于在16-18%的范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化效率。然而,對于實驗室制造的電池,如PERL電池報告了高達25%的效率,其中將制造技術(shù)如光刻應(yīng)用至背表面中的圖案點開口,以使得能夠具有小面積點金屬觸點。這些點狀觸點可以將硅-金屬界面面積限制至全部背電池面積的大約1%,這可以產(chǎn)生顯著的性能提高,條件是殘留的背表面保持為良好鈍化的(即,具有低表面復(fù)合速率)。
[0069] 參考圖1的構(gòu)造,如下面更詳細描述的,通過形成鋁層并且將其陽極氧化以形成多孔氧化物層125,其中孔135提供用于基板105的背表面的間歇連接點,從而形成背觸點。之后將另外的金屬(鋁)層130蒸發(fā)至多孔氧化物層125上,并且延伸穿過孔135以接觸電池的底部。前表面上的金屬觸點可以基本上如對于工業(yè)制造的絲網(wǎng)印刷電池所述形成,或使用多種不同的選擇性發(fā)射技術(shù)中的一個形成。
[0070] 與光刻不同,該公開中描述的背觸點方案具有以相對低成本并以高生產(chǎn)量實施的潛在可能。此外,其具有產(chǎn)生空間上在一起接近的非常小的開口的潛在可能。如果對于太陽能電池最小化了擴展電阻效應(yīng),后一個性質(zhì)是需要的。圖2顯示擴展(串聯(lián))電阻如何隨著觸點在背表面上間距更加彼此在一起接近而減少。由硅晶片的體電阻率確定最優(yōu)化的間距,并且對于具有1Ωcm的體電阻率的晶片,如果假定1%的恒定金屬觸點面積,可以獲得在低至大約100μm的間距的情況下的串聯(lián)電阻減少。與當(dāng)以該非常精細的分辨率圖案化所需時將變得令人討厭地慢的激光和噴墨圖案化技術(shù)比較,目前的自圖案化方案可以獲得精密標度,而不顯著地負面影響處理的速度。通過有效地控制陽極氧化條件,可以控制開口(孔)尺寸和間距而不必須單獨地圖案化每個所需的開口。
[0071] 陽極氧化是金屬的電解氧化。它典型用于在金屬如鋁上形成保護性氧化物層,以使得它們將耐受化學(xué)品和腐蝕。通過使金屬部分在包含酸溶液的電解浴中的陽極氧化形成金屬氧化物。陰極可以是惰性金屬并且在那個電極出現(xiàn)的還原反應(yīng)典型地為氫離子至氫氣的還原。
[0072] 對于具有在電解液中可溶的氧化物的金屬如鋁,在金屬氧化物的形成與溶解之間出現(xiàn)平衡。該平衡導(dǎo)致多孔氧化物(陽極)膜的形成。該膜可以在其孔中接受或捕獲任何材料,對其性質(zhì)或者有益或者不利。因此,對于金屬阻擋層形成,該孔典型地為通過溶脹的解溶液的加入封閉或“封孔”,并且這樣做封閉孔并且產(chǎn)生光滑的、硬的、均勻的和透明的阻擋層。該封孔處理可以在沸水中進行,或者在化學(xué)濃縮的水中在室溫進行。也使用了染料以在封孔之前用引入至孔中的染料提供的裝飾的陽極氧化表面。
[0073] 為了獲得不同的陽極氧化結(jié)果可以使用一系列的酸。例如,硫酸電解液典型地產(chǎn)生軟的、容易染色的涂層,而有機酸(例如,草酸)產(chǎn)生硬的完整涂層。也可以控制電解液的溫度以產(chǎn)生所需的性質(zhì)。例如,在20℃,硫酸電解液將產(chǎn)生軟的、透明清澈的、容易著色的涂層,而在5℃得到硬的、致密、暗灰色涂層。在該公開中描述的構(gòu)造中,使用電解液組成控制在太陽能電池的背側(cè)硅表面上形成的鋁層中形成的孔的間距和尺寸。
[0074] 圖5示意性地描述了陽極氧化鋁層120,其中孔405從表面向包括太陽能電池420的硅延伸。在孔的底部保留具有與在孔壁形成的氧化鋁化學(xué)不同的性質(zhì)的氧化鋁410的阻擋層。
[0075] 現(xiàn)在將參考圖3a和3b描述用于形成該新背接觸方案的布置。鋁305的層沉積在太陽能電池302的背側(cè)硅表面上。雖然也可以使用其他沉積方法如濺射,優(yōu)選使用熱蒸發(fā)法沉積金屬。層的厚度優(yōu)選在0.2-1.0μm的范圍內(nèi),并且更優(yōu)選為0.3至0.7μm。之后將所沉積的鋁305優(yōu)選在400℃燒結(jié)30分鐘以便減小粒度和減少金屬層的多孔性。
[0076] 在太陽能電池302的鋁層305的陽極氧化之前,可能需要移除可能形成在金屬層上的天然氧化鋁。優(yōu)選這通過在1-5%氫氟酸或如由J.T.Baker所提供的可商購的緩沖氧化物蝕刻溶液中浸漬獲得。備選地,可以使用比蝕刻形成用于太陽能電池302的ARC通常使用的材料(即,氮化硅和二氧化硅)更容易地蝕刻氧化鋁的蝕刻配方。這種蝕刻配方包括焊墊蝕刻溶液(描述在Williams,K.R.,Gupta,K.和Waslik,M.(2003)對于顯微機械加工的蝕刻速率-第2部分(Etch rates for micromachining processing-Part 2),J.Microelectromech.Sys.,12,761-778中)或無水氟化銨溶液(例如,如使用多羥基醇如乙二醇配制的那些)。
[0077] 之后將具有鋁305的背層的太陽能電池302在其邊緣附近被支持在優(yōu)選具有比所加工的電池稍微更小的中心開口的陽極310上,以使得電池的背表面上的鋁層與陽極在整個外圍附近接觸。陽極310優(yōu)選由惰性材料如鉑或鈀制成。之后將該陽極310經(jīng)由絕緣線370連接至電源350的正極端子。電源350的負極端子經(jīng)由絕緣線360連接至放置在電解電池330的底部中的陰極320。陰極320可以由金屬如鎳、鋁或可以支持所需的陰極反應(yīng)的任意其他電極組成。
[0078] 環(huán)形陽極310可以在優(yōu)選由耐酸材料如聚丙烯構(gòu)造的邊沿315上被支持在電解電池330中,所述邊沿由電池330側(cè)邊延伸出去??梢酝ㄟ^調(diào)整電解電池330中邊沿315的高度將環(huán)形陽極310支持在陰極之上的可調(diào)整的高度。優(yōu)選將陰極320與鋁背表面層305之間的距離保持在2至5cm之間以便最小化電解液340的電阻損失。圖3B顯示當(dāng)從太陽能電池302下面看時環(huán)形陽極310的布置。為了清楚的目的,邊沿315未被包括在該圖中。
[0079] 圖3A和圖3B中所示的布置也可以以在線傳送帶布置實施,其中太陽能電池302可以放置在連接至傳送單元的外圍邊緣電極310的陣列上并且穿過含有電解液340的浴或容器傳送。陰極320可以包含固定至容器的底部表面的單條電極。在該在線布置中,單獨的太陽能電池和陽極單元的移動可以提供對于均勻的陽極氧化有益的溶液的攪拌。可能需要用于施加向下壓的方式以確保太陽能電池302保持與環(huán)形陽極單元310電接觸??梢酝ㄟ^在太陽能電池302的頂表面上向下壓的物理支持體提供向下壓力。優(yōu)選該支持體將使用不損壞太陽能電池的ARC表面的材料如特弗隆(Teflon)制造。備選地太陽能電池302與陽極單元310的電觸點可以通過施加流體壓力確保,如通過控制電解液在太陽能電池的前表面上的流動或電解液從太陽能電池302的鋁表面310下方的基本上真空移除提供的流體壓力。
[0080] 在進一步的變化中,與太陽能電池302的背部鋁層的電連接可以通過從基本上如被描述在由公司如Meco提供的電鍍系統(tǒng)中使用的傳送帶向下延伸至電解液中的夾子形成。在該布置中,由于在高處帶的傳送動作將太陽能電池302傳送穿過陽極氧化浴。現(xiàn)有電鍍設(shè)備(具有反向施加的電勢)的使用以高處理產(chǎn)量提供進行陽極氧化步驟的直接方式。
[0081] 一旦具有鋁305的背表面層的太陽能電池302在環(huán)形陽極單元310上被支持,那么可以通過使用電源350提供用于陽極氧化處理所需的電壓從而開始陽極氧化處理。優(yōu)選電解液包含0.1至1.5M硫酸,并且更優(yōu)選0.3M以及8至30V的外加電壓。陽極氧化時間依賴于鋁層305的厚度,其中500nm的鋁層需要10分鐘用于在0.3M硫酸的電解液濃度和25V的外加電壓完全氧化。太陽能電池302的陽極氧化的鋁背表面305中得到的孔的清晰度將依賴于暴露至陽極氧化過程的時間。在更長的陽極氧化時間之后孔將更清晰地形成,其中也依賴于所要陽極氧化的鋁層的厚度使用10至60分鐘的量級的時間。孔的尺寸和間距依賴于在陽極氧化處理過程中使用的電解液340。下面的表1對于一系列的不同的電解液溶液列出了孔的典型的尺寸和間距。通過使用硫酸和草酸的混合物,孔間間距和孔直徑可以分別增加至150nm和~70nm。
[0082] 表1;對于一系列不同的電解液溶液,陽極氧化60分鐘的孔的典型的尺寸和間距。
[0083]
[0084] 可以通過使用其他電解液如磷酸再進一步將孔間距增加至~500nm的值。備選地可以將鋁層305預(yù)圖案化以開始以所需的間距形成孔。預(yù)圖案化可以使用壓印方法獲得,如納米或微米壓印,其中首先形成具有正確間距的模具并且之后壓至鋁表面以稍微壓印表面。備選地,器件如噴墨打印機可以用于沉積在需要引起孔的點處標記或稍微蝕刻鋁表面的流體。這后一種鋁表面的預(yù)圖案化可以通過沉積性溶液或磷酸完成。優(yōu)選將這些溶液在沉積之前加熱或?qū)⑷芤撼练e在加熱過的鋁表面上。用該方法,可以通過在陽極氧化處理過程中預(yù)先設(shè)置陽極氧化鋁從而以預(yù)定圖案形成孔,更緊密地控制孔之間的間距。
[0085] 在一些情況下,抗衡離子在陽極氧化處理過程中在氧化鋁多孔基體中捕獲。捕獲陰離子如硫酸根離子的存在是有益的,因為它們可以提供下方的p型硅的場效應(yīng)鈍化。由氧化物膜中的陰離子引起的電場的存在導(dǎo)致硅氧化鋁界面處(電子)少數(shù)載流子的耗盡,并且從而減小表面復(fù)合速率。由陽極氧化鋁場中捕獲的電荷引起的電場的效果可以通過使陰離子遷移至硅-氧化物界面如通過在陽極氧化步驟過程中照明太陽能電池302增強。照明產(chǎn)生跨越太陽能電池302形成的光誘導(dǎo)電勢,它可以驅(qū)動接近于硅界面捕獲的陰離子的擴散。對于典型的晶體硅太陽能電池,該電勢為大約600mV(即,太陽能電池的開路電壓)。
[0086] AAO層中可以捕獲的離子的類型和電荷可以依賴于電解液和照明條件變化。當(dāng)將鋁在硫酸中陽極氧化時,正離子可以在接近于在金屬之間的界面處形成的阻擋層處捕獲,負離子可以在電解液與AAO層之間的界面處捕獲。接近于阻擋層捕獲的正離子可以導(dǎo)致鄰近的p型硅中耗盡或倒置區(qū)域的形成。這種硅界面處的電荷分布變化也可以通過減少界面處的多數(shù)載流子濃度減少復(fù)合。當(dāng)含有正累積電荷的電介質(zhì)層,如氮化硅,形成在p型表面上時,典型地觀察到高壽命。換言之,在p型硅表面處的復(fù)合可以通過在界面處累積、耗盡或倒置空間電荷區(qū)域的形成有效地降低,因為這些條件的每一個限制了電子和空穴兩者在表面存在的可能性。如果在陽極氧化過程中對太陽能電池302照明,那么硅界面處的電荷條件可以通過在電池上存在的光生電勢調(diào)制。
[0087] 為完成陽極氧化處理,可以對晶片進行氧化鋁蝕刻處理,其用于:(i)移除在陽極氧化之后保留在硅界面處的氧化鋁的阻擋層;和(ii)加寬孔以使得當(dāng)它們金屬化時存在足夠的金屬截面以確保低電阻電流收集路徑。該蝕刻可以通過在室溫浸漬在包含5%(w/v)磷酸的溶液1至5分鐘并且更優(yōu)選~2分鐘進行。備選地,可以使用如之前對于氧化鋁的預(yù)先蝕刻描述的蝕刻配方,以使得在該過程中不蝕刻并因此減薄太陽能電池的ARC。優(yōu)選進行蝕刻直至孔在直徑上為200至250nm并且更優(yōu)選在直徑上為約500nm。
[0088] 最終,金屬如鋁可以使用瞄準線沉積方法如熱蒸發(fā)沉積在太陽能電池302的整個背表面上。備選地,金屬可以使用如濺射,電子束蒸發(fā)或絲網(wǎng)印刷的方法沉積。沉積鋁將填充絕緣氧化鋁層中的孔并且之后在如圖1中所示的整個背表面上延伸以形成用于太陽能電池302的背側(cè)p型電極。優(yōu)選最終的鋁金屬層的厚度在1-4μm并且更優(yōu)選1-2μm的范圍內(nèi)。在沉積之后,優(yōu)選將所沉積的鋁在~400℃燒結(jié)10至15分鐘以確保金屬觸點穿過可能保持在孔的底部的任何氧化物。備選地,更高的溫度和更長的燒結(jié)時間可以用于在孔的底部形成鋁(即,p型)區(qū)域。如果使用高于鋁-硅共晶溫度(577℃)的溫度,那么鋁-硅合金可以在孔的底部形成,并且從而在金屬硅界面能夠具有低接觸電阻并且因此具有低器件串聯(lián)電阻。
[0089] 也可以使用其他金屬如銀、錫和鎳,雖然這些金屬不提供穿過孔的潛在的p+摻雜的益處。從低的最終器件成本的度,鋁作為背側(cè)觸點金屬的使用也是適宜的。
[0090] 可以使用其他金屬化方法如金屬鍍覆形成背側(cè)觸點。金屬如鎳、銅、錫和銀可以無電鍍覆或電鍍至p-和n型硅兩者。一旦在開口的底部處開始鍍覆,金屬將繼續(xù)穿過開口鍍覆直至達到表面,其中金屬之后開始橫向散布在背電介質(zhì)表面上,以在電池的背側(cè)上形成全金屬接觸區(qū)域。
[0091] 在備選的布置中,與重摻雜p型硅的金屬觸點可以通過在最終的金屬化步驟之前將太陽能電池302(在陽極氧化之后)暴露至硼摻雜劑原子的源(例如,三溴化硼)完成。如果需要這種擴散過程,那么對于太陽能電池302優(yōu)選的是用二氧化硅ARC制造,其之后可以將防止前n型硅表面暴露至硼摻雜劑。在進一步備選的布置中,在陽極氧化步驟之前,太陽能電池302的整個背表面可以暴露至p型摻雜劑(例如,鋁或硼),以確??缭秸麄€背表面的BSF的形成。隨后穿過開口沉積或鍍覆的金屬將接觸重摻雜硅并因此將得到較低接觸電阻的金屬觸點。
[0092] 中間電介質(zhì)層
[0093] 在進一步的實施方案中,通過在背側(cè)硅表面與陽極氧化的鋁層之間形成中間薄電介質(zhì)層獲得改進的背觸點布置。通過將二氧化硅、化硅、氮化硅和/或氧氮化硅(或不移除現(xiàn)有的層)的電介質(zhì)層插入至背側(cè)硅表面與陽極氧化的鋁層405之間,如圖4中所示的器件400中所示,太陽能電池的壽命和默示開路電壓可以在當(dāng)僅使用中間電介質(zhì)層405時可獲得的基礎(chǔ)上提高。中間電介質(zhì)層405的使用也可以幫助將陽極氧化限制至晶片的背表面上的鋁層。這意味著不需要小心地控制陽極氧化處理的終點。其他電介質(zhì)材料(例如,碳化硅、PECVD沉積或濺射的氧化鋁、非晶硅)也可以在該中間層405的形成中使用。例如,薄非晶硅層可以對晶體硅表面提供出色的表面鈍化。
[0094] AAO在這些中間電介質(zhì)層上的形成潛在減少最終的太陽能電池器件中的復(fù)合。中間電介質(zhì)層的厚度優(yōu)選在10-85nm的范圍內(nèi),但可以使用高達150nm的層厚度。在這個進一步的實施方案中,陽極氧化的氧化鋁層的厚度優(yōu)選為~300nm,但也可以使用在200-800nm的范圍內(nèi)的厚度。
[0095] 在上面描述的背表面邊緣隔離步驟之后,可以熱生長中間二氧化硅層。在該過程中,氧化物層生長在兩個表面上并且通過氧化過程的時長控制所得到的二氧化硅層的厚度。優(yōu)選使用干氧化過程以確保硅與二氧化硅界面之間的界面處的低表面復(fù)合速率。然而,也可以使用更迅速的濕法氧化過程。之后將優(yōu)選氧化物層從電池的前表面移除并且替換為通過如對于優(yōu)選的布置所描述的PECVD沉積的氮化硅層(優(yōu)選ARC)。備選地前表面氧化物可以保持為初步的ARC。
[0096] 在上述背-表面蝕刻步驟之后,可以使用PECVD在背側(cè)硅表面上沉積中間氮化硅、碳化硅、氧化硅、氧氮化硅、氧化鋁層。優(yōu)選地,這些背側(cè)中間電介質(zhì)層的沉積性質(zhì)基本上不從用于沉積前表面氮化硅ARC的那些性質(zhì)改變。在沉積之后,優(yōu)選在350至500℃和更優(yōu)選400℃的溫度對晶片進行形成氣體退火(Ar中的4%H2)~15分鐘以促進氫從PECVD層擴散至晶片中。可以在帶式爐中但使用少于10秒的時間在峰值溫度進行更高溫的退火(例如,高達720℃)。也可以將晶片在氮環(huán)境并使用其中用氮代替更昂貴的氬的形成氣體混合物退火。
[0097] 也可以采用非晶硅層作為用于中間電介質(zhì)層405的材料。優(yōu)選使用PECVD沉積非晶硅并且這種層的厚度優(yōu)選為40至80nm并且更優(yōu)選~60nm。
[0098] 在背表面電介質(zhì)層405的形成之后,將晶片在piranha溶液(97%硫酸和30%(w/v)過氧化氫的3∶1溶液)中清潔,并且之后浸漬在1%-5%HF溶液中1分鐘。之后將鋁沉積至背側(cè)電介質(zhì)表面上并且如前所述陽極氧化。陽極氧化的結(jié)束點通過指出金屬層完全轉(zhuǎn)化至氧化鋁的陽極氧化電流上的降低檢測。陽極氧化的該清楚的指示使得能夠更小心地控制該過程,并且可以進行對陽極氧化處理的修正而不需要陽極氧化時間的校準。
[0099] AAO電介質(zhì)層疊體的鈍化性質(zhì)可以與使用圖6a和6b中所示的一組測試結(jié)構(gòu),僅使用中間電介質(zhì)層所獲得的鈍化性質(zhì)比較,所述電介質(zhì)層疊體包括中間電介質(zhì)層405和所形成的AAO 125。這些使用蝕刻以移除表面鋸齒損壞(即,不帶紋路的)的商業(yè)級p型3Ohm.cm硼摻雜的CZ晶片形成。測試結(jié)構(gòu)擴散有磷以形成如上所述的輕摻雜的前表面發(fā)射體。
[0100] 圖6a概略地示例在p型硅晶片655上具有n+前表面層660和氧化硅ARC層666的測試結(jié)構(gòu)。圖6a中所示的背側(cè)電介質(zhì)結(jié)構(gòu)具有與硅655的背表面接觸的熱生長的二氧化硅層680。該二氧化硅層680可以通過以下方式形成:使用熱氧化方法以首先在兩個表面上生長氧化物至500nm的厚度并且之后將背表面層減薄至10至140nm,并且更優(yōu)選至60nm+的厚度。圖6b還概略地示例了具有n 前表面層660的測試結(jié)構(gòu)。對于圖6b中所示的測試結(jié)構(gòu),通過PECVD將75nm氮化硅層665沉積在晶片的前表面上,并且將另一個75nm氮化硅層675沉積在晶片的背表面上,之后在400℃的溫度進行形成氣體退火(Ar中的4%H2)~
15分鐘。使用光電導(dǎo)率衰減測量具有和不具有形成的AAO的測試結(jié)構(gòu)的每一個(圖6a和
6b)的有效少數(shù)載流子壽命。之后取所測量的有效壽命上的差別作為AAO在減少測試結(jié)構(gòu)中的復(fù)合的有效性上的度量。
[0101] 表2顯示當(dāng)AAO層形成在中間二氧化硅層上時可以得到的壽命和默示開路電壓上的提高。所測量的兩個測試結(jié)構(gòu)都證明隨著陽極氧化少數(shù)載流子壽命增加~60%并且測量到670mV的默示開路電壓。表3顯示當(dāng)AAO層形成在中間氮化硅層上時可以得到的壽命和默示開路電壓上的提高。對于具有中間氮化硅層的測試結(jié)構(gòu),測量717mV的默示開路電壓值。這些結(jié)果,使用圖6a和6b中描述的測試結(jié)構(gòu),說明背AAO層可以顯著地改善表面鈍化。
[0102] 表2.使用二氧化硅的中間層鈍化的測試結(jié)構(gòu)(即,如圖6a中所示)在陽極氧化之前和之后的光電導(dǎo)衰減測試。
[0103]
[0104] 表3.使用氮化硅的中間層鈍化的測試結(jié)構(gòu)(即,如圖6b中所示)在陽極氧化之前和之后的光電導(dǎo)衰減測試。
[0105]
[0106] 穿過電介質(zhì)層金屬化
[0107] 中間電介質(zhì)層的使用使得能夠?qū)崿F(xiàn)金屬接觸的備選形式。不是在如上所述AAO層的各個孔的底部形成金屬觸點,可以將沉積在AAO的表面上的鋁以使鋁僅在帶紋路的硅晶片的棱錐峰或脊處滲入電介質(zhì)層的方式燒制。優(yōu)選紋路深度在1-5μm的范圍內(nèi),但也可以使用具有大至10μm的特征的紋路。
[0108] 優(yōu)選地背鋁層的燒制在650°至820℃并且更優(yōu)選在680℃使用工業(yè)帶式爐在峰值溫度進行少于10秒。溫度需要足夠高以確保鋁滲入電介質(zhì)結(jié)構(gòu)但僅在棱柱峰或脊處滲入。過高溫度或過長焙燒時間的使用將產(chǎn)生比所需更大的金屬覆蓋區(qū)域。在將孔用金屬填充之后燒制鋁驅(qū)使鋁穿過中間電介質(zhì)層。在帶紋路的表面的情況下,選擇性地驅(qū)使鋁在紋路的峰或脊(最高點)處穿過電介質(zhì)。
[0109] 僅穿過棱柱的峰或脊的金屬接觸的進一步的益處是金屬與硅接觸的面積可以從在金屬在全部孔的底部接觸硅的條件下典型的面積(這被估計為~10%的陽極氧化鋁面積)降低。在該接觸方案中包含電介質(zhì)層的情況下并且通過將金屬觸點區(qū)域限制至峰或脊,接觸面積可以在帶紋路的表面上的陽極氧化鋁層面積的1-2%的范圍內(nèi)。此外燒制穿過中間電介質(zhì)層的金屬的過程將在使得能夠在蒸發(fā)在整個背表面上的鋁層和硅太陽能電池之間歐姆接觸的接觸區(qū)域中形成p+區(qū)域。
[0110] 經(jīng)由帶紋路的表面的凸出區(qū)域接觸硅的該方法可以用形成峰的堿性(基于棱柱的)紋路和形成脊的酸性(基于凹陷的)紋路兩者。圖7示出了用于帶堿性紋路的表面的金屬接觸方案的實例。在圖7中,p型硅晶片605具有帶堿性紋路的背表面610、蒸發(fā)金屬(例如鋁)層650、中間背電介質(zhì)層620、具有填充有金屬(例如鋁)的孔的AAO層630,在帶紋路的峰625(或脊)處滲透穿過電介質(zhì)層的金屬和通過燒制穿過中間電介質(zhì)層615的金屬而形成的p+區(qū)域。
[0111] 在該金屬接觸方案的進一步變化中,絲網(wǎng)印刷的鋁漿料可以代替蒸發(fā)的或濺射的鋁膜使用。這種絲網(wǎng)印刷漿料的使用在硅太陽能電池的制造中是平凡的,并且因此是容易可得的并且可以在上述溫度燒制。
[0112] 所給出的實施例用于基于在前(照明)表面上具有n型摻雜的p型硅晶片的器件。然而,將認識到的是也可以考慮基于n型晶片的器件,在這種情況下需要在摻雜步驟中使用n型摻雜劑如磷重摻雜背表面或背表面在多孔金屬氧化物層中的開口下的那些部分。
[0113] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白的是,可以如具體實施方案中所示對本發(fā)明進行多種變更和/或修改而不脫離本發(fā)明寬泛地表述的范圍。因此,目前的實施方案應(yīng)被認為在所有情況下是示例性的并且非限制性的,并且尤其是可以通過組合多個示例性實施方案的所選特征和方法產(chǎn)生特征的新組合而不背離本發(fā)明的精神。
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