具有电镀的金属格栅的太阳能电池的制作方法
【专利说明】具有电镀的金属格栅的太阳能电池
[0001 ] 本申请是申请日为2011年9月13日、申请号为201110276380.8、发明名称为“具有电镀的金属格栅的太阳能电池”的中国发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2010年9月10日提交的、发明人为Jianming Fu、Zheng Xu、Chentao Yu和Jiunn Benjamin Heng、题为“SOLAR CELL WITH METAL GRIDS FABRICATED BY USINGELECTROPLATING”、代理人案卷号为SSP10-1010PSP的美国临时申请N0.61/381,659的权益。
技术领域
[0004]本公开总体上涉及太阳能电池的设计。更具体而言，本公开涉及包括通过电镀技术制造的金属格栅的太阳能电池。
【背景技术】
[0005]由于使用化石燃料造成的负面环境影响及其增加的成本已经导致了对更洁净、更便宜的备选能源的极度需求。在不同形式的备选能源中，太阳能因其洁净度和广泛的可用性已经很受欢迎。
[0006]太阳能电池使用光伏效应将光转换成电。存在若干基本的太阳能电池结构，包括单个p-n结太阳能电池、p-1-n/n_1-ρ太阳能电池以及多结太阳能电池。典型的单个p-η结结构包括Ρ型掺杂层和η型掺杂层。具有单个ρ-η结的太阳能电池可以是同质结太阳能电池或异质结太阳能电池。如果Ρ掺杂层和η掺杂层二者均由类似的材料(具有相等带隙的材料)制成，则太阳能电池称为同质结太阳能电池。相比之下，异质结太阳能电池至少包括具有不同带隙的两层材料。p-1-n/n-1-p结构包括ρ型掺杂层、η型掺杂层以及夹在ρ层和η层之间的本征(未掺杂)半导体层(i层)。多结结构包括堆叠在彼此顶上的具有不同带隙的多个单结结构。
[0007]在太阳能电池中，光在p-n结附近被吸收，从而产生载流子。载流子扩散进入到p-n结中并由内建电场分开，从而产生跨器件和外部电路的电流。确定太阳能电池的质量的重要衡量标准是其能量转换效率，该能量转换效率定义为当太阳能电池连接到电路时所转换的能量(从吸收的光到电能)和所收集的能量之间的比率。
[0008]图1呈现了图示基于晶体-Si(c-Si)衬底的示例性同质结太阳能电池(现有技术)的示意图。太阳能电池100包括正面Ag电极格栅102、抗反射层104、发射极层106、衬底108以及铝(A1)背面电极110。图1中的箭头指示入射太阳光。
[0009]在常规的基于c-Si的太阳能电池中，电流通过正面Ag格栅102收集。为了形成Ag格栅102，常规方法包括将Ag浆(其通常包括Ag颗粒、有机粘结剂和玻璃粉)印刷到晶片上并且然后在700°C和800°C之间的温度下对Ag浆进行烧结。Ag浆的高温烧结保证了 Ag和Si之间的良好接触，并且降低了 Ag线的电阻率。烧结的Ag浆的电阻率典型地在5X10—6欧姆厘米和8X10一6欧姆厘米之间，这比体银(bulk silver)的电阻率高得多。
[0010]除了高的串联电阻之外，通过丝网印刷Ag浆得到的电极格栅还具有其它缺陷，包括较高的材料成本、较宽的线宽以及受限的线高。随着银成本的升高，银电极的材料成本已经超过用于制造太阳能电池的加工成本的一半。利用现有技术中的印刷工艺，Ag线典型地具有在100微米和120微米之间的线宽，并且难以进一步减小线宽。尽管喷墨印刷可以产生较窄的线，但喷墨印刷存在其它问题，诸如低的生产率。Ag线的高度也受到印刷方法的限制。一次印刷可以产生高度小于25微米的Ag线。尽管多次印刷可以产生具有增加的高度的线，但它还会增加线宽，这对于高效率太阳能电池而言是不希望的。类似地，将Ag或Cu电镀到印刷的Ag线上可以在增加线宽的代价下增加线高。此外，这种Ag线的电阻仍然太高以至于无法满足高效率太阳能电池的要求。
[0011]另一个解决方案是将Ni/Cu/Sn金属堆叠直接电镀在Si发射极上。该方法可以产生具有较低电阻的金属格栅(镀覆的Cu的电阻率典型地在2X10—6欧姆厘米和3X10—6欧姆厘米之间)。然而，Ni到Si的粘合不够理想，并且来自金属堆叠的应力可能导致整个金属线的剥离。
【发明内容】
[0012]本发明的一个实施例提供了一种用于制造太阳能电池的方法。在操作期间，在光伏结构的顶上淀积抗反射层，并且在抗反射层的顶上形成包括金属堆叠的正面电极格栅。金属堆叠包括含Ti或Ta的金属粘合层以及位于金属粘合层之上的含Cu或Ag的传导层。
[0013]在该实施例的变体中，金属粘合层还包括以下中的一个或更多:1^1^1、1151、
[0014]在该实施例的变体中，金属粘合层使用物理气相淀积(PVD)技术形成，所述物理气相淀积技术包括以下中的一个:蒸发和溅射淀积。
[0015]在该实施例的变体中，在传导层的顶上形成包括Sn或Ag的焊接层。
[0016]在该实施例的变体中，金属粘合层具有在lnm和lOOOnm之间的厚度。
[0017]在另一变体中，金属粘合层具有在5nm和50nm之间的厚度。
[0018]在该实施例的变体中，传导层通过在金属粘合层之上淀积金属种子层以及在金属种子层之上淀积体金属层来形成。
[0019]在另一变体中，金属种子层使用物理气相淀积(PVD)技术形成，所述物理气相淀积技术包括以下中的一个:蒸发和溅射淀积。
[0020]在另一变体中，体金属层通过在金属种子层上淀积图案化的掩膜层以及在图案化的掩膜层之上镀覆金属层来形成。掩膜层的开口对应于正面电极格栅的位置，并且镀覆的金属与金属种子层具有类似的材料构成。
[0021]在另一变体中，该方法包括去除掩膜层以及执行刻蚀工艺以去除未被镀覆的金属覆盖的金属粘合层和金属种子层的部分。
[0022]在另一变体中，体金属层通过在金属种子层上淀积图案化的掩膜层、执行刻蚀工艺以去除未被所镀覆的金属覆盖的金属粘合层和金属种子层的部分、去除图案化的掩膜层以露出金属种子层的未刻蚀部分以及在金属种子层的未刻蚀部分之上镀覆金属层来形成。由图案化的掩膜层覆盖的区域对应于正面电极格栅的位置，并且所镀覆的金属与金属种子层具有类似的材料构成。
【附图说明】
[0023]图1呈现了图示示例性太阳能电池(现有技术)的示意图。
[0024]图2呈现了图示根据本发明实施例的用于制造太阳能电池的示例性工艺的示意图。
[0025]图3呈现了图示根据本发明实施例的用于制造太阳能电池的示例性工艺的示意图。
[0026]在附图中，类似的附图标记指代相同的附图元件。
【具体实施方式】
[0027]下面的描述是为了使任何本领域技术人员都能制作和使用这些实施例而呈现的，并且下面的描述是在特定应用及其要求的上下文中提供的。对所公开的实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是容易明白的，并且这里限定的通用原理可以适用于其它实施例和应用，而不脱离本公开的精神和范围。因而，本发明并不限于所示出的实施例，而是将被赋予与这里公开的原理和特征一致的最广范围。
[0028]概述
[0029]本发明的实施例提供一种太阳能电池，其包括通过电镀形成的金属格栅。太阳能电池包括晶体-Si(c-Si)衬底、发射极层、钝化层、金属粘合层以及正面电极金属格栅和背面电极金属格栅。金属粘合层使用诸如溅射或蒸发的物理气相淀积(PVD)技术来形成。正面金属格栅通过在金属粘合层上选择性地电镀金属堆叠来形成，该金属堆叠可以是单层或多层结构。背面电极通过丝网印刷、电镀或气流喷射印刷金属格栅来形成。
[0030]制造工艺
[0031]图2呈现了图示根据本发明实施例的用于制造太阳能电池的示例性工艺的示意图。
[0032]在操作2A中，制备Si衬底200。在一个实施例中，Si衬底200可以是ρ型晶体-Si(c-Si)晶片。在另一实施例中，制备Si衬底200包括标准的切割损坏层刻蚀(其去除Si的受损伤的外层)和表面纹理化。
[0033]在操作2B中，在Si衬底200的顶上形成轻掺杂的发射极层202。取决于Si衬底200的掺杂类型，发射极层202可以是η型掺杂的或者ρ型掺杂的。在一个实施例中，发射极层202轻掺杂有η型掺杂剂。在另一实施例中，发射极层202通过扩散磷来形成。注意到，如果使用磷扩散形成发射极层202，则需要磷硅玻璃(PSG)刻蚀和边缘隔离。
[0034]在操作2C中，在发射极层202的顶上形成抗反射层204。在一个实施例中，抗反射层204包括但不限于:氮化硅(SiNx)、氧化硅(S1x)、氧化钛(T1x)、氧化铝(Α1203)及其组合。在一个实施例中，抗反射层204包括透明导电氧化物(TC0)材料的层，该透明导电氧化物(TC0)材料诸如氧化铟锡(ΙΤ0)、氧化铝锌(ΑΖ0)、氧化镓锌(GZ0)、掺钨氧化铟(IW0)及它们的组合。
[0035]在操作2D中，在Si衬底200的背面上形成背面电极206。在一个实施例中，形成背面电极206包括印刷全A1层以及随后通过烧结进行合金化。在一个实施例中，形成背面电极206包括印刷Ag/Al格栅以及随后进行炉烧结。
[0036]在操作2E中，在抗反射层204中形成大量接触窗口，包括窗口208和窗口210。在一个实施例中，分别在接触窗口 208和接触窗口 210正下方的发射极层202中形成诸如区域212和区域214的重掺杂区域。在另一实施例中，通过在抗反射层204上进行磷溅射，之后进行激光刻槽局部扩散工艺来形成接触窗口 208和接触窗口 210以及重掺杂区域212和重掺杂区域214。注意到，操作2E是可选的，并且当抗反射层为电绝缘时是需要的。如果抗反射层204是电传导的(例如，当抗反射层204使用TC0材料形成时)，不需要形成接触窗口。
[0037]在操作2F中，在抗反射层204上形成粘合层216。在一个实施例中，用于形成粘合层216的材料包括但不限于:T1、氮化钛(TiNx)、钨化钛(TiWx)、硅化钛(Ti Six)、氮化硅钛(TiSiN)、Ta、氮化钽(TaNx)、氮化硅钽(TaSiNx)、镍钒(NiV)、氮化钨(WNX)、Co、W、Cr、Mo、Ni 以及它们的组合。在另一实施例中，粘合层216使用诸如溅射或蒸发的物理气相淀积(PVD)技术形成。粘合层216的厚度可以在从几纳米到lOOnm的范围。注意到，Ti及其合