一种光电元件及其制造方法与流程

1.本发明涉及光伏电池技术领域，特别涉及一种光电元件及其制造方法。


背景技术：

2.近几年，国际光伏发电迅猛发展，太阳能晶片供不应求，于是提高太阳能晶片的光电转化效率和太阳能晶片的生产能力成为重要的课题。光电元件受光照后，电池吸收一个能量大于带隙宽度的入射光子后产生电子-空穴对，电子和空穴分别激发到导带与价带的高能态。在激发后的瞬间，电子和空穴在激发态的能量位置取决于入射光子的能量。处于高能态的光生载流子很快与晶格相互作用，将能量交给声子而回落到导带底与价带顶，这过程也称作热化过程，热化过程使高能光子的能量损失了一部分。热化过程后，光生载流子的输运过程(势垒区或扩散区)中将有复合损失。最后的电压输出又有一次压降，压降来源于与电极材料的功函数的差异。由上述分析，太阳能电池效率受材料、器件结构及制备工艺的影响，包括电池的光损失、材料的有限迁移率、复合损失、串联电阻和旁路电阻损失等。对于一定的材料，电池结构与制备工艺的改进对提高光电转换效率是重要的。现有的太阳能电池的制造工艺操作困难，导致生产效率的降低和成本的提高。同时导致太阳能电池的转换效率受到局限，无法高效地进行光电转换。


技术实现要素：

3.鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种光电元件及其制造方法，所述光电元件例如为太阳能电池，该制造方法可以提高太阳能的转换效率，从而高效地进行光电转换。
4.为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种光电元件的制造方法，包括：
5.提供一衬底，所述衬底包括相对设置的正表面和背表面；
6.对所述正表面进行第一次离子掺杂，以所述正表面上形成重掺杂区；
7.在所述正表面上形成多个正面金属电极，所述正面金属电极位于所述重掺杂区上；
8.对所述正表面进行第二次离子掺杂，以将部分所述重掺杂区转化成轻掺杂区；
9.进行退火烧结步骤；
10.其中，所述第一次离子掺杂的离子类型与所述第二次离子掺杂的离子类型相反，所述第一次离子掺杂的掺杂剂量大于所述第二次离子掺杂的掺杂剂量。
11.进一步地，在进行第一次离子掺杂之前，还包括对所述衬底进行表面处理，以在所述正表面和背表面上形成绒面。
12.进一步地，在形成所述重掺杂区之后，以及在形成所述正面金属电极之前，还包括在所述背表面上形成氧化层和多晶硅层。
13.进一步地，还包括在所述正表面上形成钝化层。
14.进一步地，还包括在所述钝化层上形成正面减反射层，以及在所述多晶硅层上形成背面减反射层。
15.进一步地，所述轻掺杂区位于所述正面金属电极的两侧，所述轻掺杂区和所述重掺杂区间隔设置。
16.进一步地，所述衬底的离子掺杂类型与所述第一次离子掺杂的离子掺杂类型相反。
17.进一步地，在形成所述正面金属电极的同时，还在所述背表面上形成背面金属电极。
18.进一步地，还包括在所述背面减反射层上形成铝背导电层。
19.进一步地，本发明还提出一种光电元件，包括：
20.衬底，包括相对设置的正表面和背表面；
21.重掺杂区，位于所述正表面上；
22.正面金属电极，位于所述正表面上，所述正面金属电极位于所述重掺杂区上；
23.轻掺杂区，位于所述正表面上，所述轻掺杂区位于所述正面金属电极的两侧，且所述轻掺杂区与所述重掺杂区间隔设置。
24.综上所述，本发明提出一种光电元件及其制造方法，通过对衬底的正表面进行第一次离子掺杂，从而在正表面上形成重掺杂区，然后在正表面上形成正面金属电极，在背表面上形成背面金属电极。正面金属电极对位于重掺杂区上，然后对正表面进行第二次离子掺杂，由于正面金属电极的遮挡作用，因此只能对未被遮挡区域进行第二次离子掺杂，由于第一次离子掺杂的掺杂类型与第二次离子掺杂的掺杂类型相反，且第一次离子掺杂的掺杂剂量大于第二次离子掺杂的掺杂剂量，因此第一次离子掺杂的掺杂离子与第二次离子掺杂的掺杂离子起到中和作用，因此将部分重掺杂区转化成轻掺杂区，形成间隔设置的重掺杂区和轻掺杂区，从而可以提高光电元件的开路电压，短路电流和填充因子，从而可以提高光电转化效率。
附图说明
25.图1：本发明中光电元件的制造方法流程图。
26.图2：本发明中正表面形成重掺区的示意图。
27.图3：本发明中形成氧化层和多晶硅层、形成背面减反射层、形成钝化层和正面减反射层的示意图。
28.图4：本发明中形成正面金属电极和背面金属电极的示意图。
29.图5：本发明中形成轻掺杂区的示意图。
30.图6：本发明经过退火烧结后的示意图。
31.图7：本发明中光电元件的另一示意图。
具体实施方式
32.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
33.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，
遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
34.如图1所示，本发明提出一种光电元件的制造方法，该制造方法可以用于制造太阳能电池，光电转化器，发光二极管，垂直腔面发射激光器等。本实施例以制造太阳能电池为例进行说明。太阳能电池可以包括：光电转换元件，其用于将太阳能转换成电能；以及电极，其电连接到光电转换元件。例如，可采用包括半导体基板和杂质层的光电转换元件。光电转换元件可具有使用化学半导体或染料敏化材料的各种结构。太阳能电池可按串联、并联或串联/并联方式电连接。
35.如图1所示，本发明提出一种光电元件的制造方法，包括：
36.s1：提供一衬底，所述衬底包括相对设置的正表面和背表面；
37.s2：对所述衬底进行表面处理，以在所述正表面和所述背表面上形成绒面；
38.s3：对所述正表面进行第一次离子掺杂，以在所述正表面上形成重掺杂区；
39.s4：在所述正表面上形成钝化层和正面减反射层，以及在所述背表面上形成氧化层，多晶硅层和背面减反射层；
40.s5：在所述正表面上形成正面金属电极，以及在背表面上形成背面金属电极；
41.s6：对所述正表面进行第二次离子掺杂，以将部分所述重掺杂区转化成轻掺杂区；
42.s7：进行退火烧结步骤。
43.如图2所示，在步骤s1-s2中，首先提供一衬底101，该衬底101可以包括相对设置的正表面1011和背表面1012，本实施例将该衬底101的正面定义为正表面1011，将衬底101的背面定义为背表面1012。该衬底101可以为p型衬底或者n型衬底或者第三代化合物衬底。如果衬底101是p型衬底，则衬底101可以包含诸如硼(b)、镓(ga)以及铟(in)的iii族元素的杂质。如果衬底101是n型衬底，则衬底101可以包含诸如磷(p)、砷(as)以及锑(sb)的v族元素的杂质。如果衬底101是第三代化合物衬底，则衬底101可以包含砷化镓、碳化硅、磷化铟、钙钛矿等杂质。本实施例先以n型衬底为例进行说明。然后对该衬底101进行制绒处理，从而在正表面1011和背表面1012上均形成绒面1013。本实施例可以将衬底101放置在1.2％-1.5％的氢氧化钠溶液或其它酸性溶液中做金字塔绒面1013，使入射光在表面多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的效率。在一些实施例中，还可以在衬底101的表面形成不规则的凹凸结构，所述凹凸结构可以包括峰，斜面以及谷的结构。需要说明的是，本实施例通过腐蚀法，挤压法和离子干刻蚀工艺将背表面1012的绒面1013移除掉，同时还对衬底101的周边进行去边处理。
44.如图3所示，在步骤s3中，在将背表面1012上的绒面1013移除掉之后，然后对正表面1011进行第一次离子掺杂。本实施例加速掺杂离子然后通过离子注入的方式将掺杂离子注入至正表面1011，从而在正表面1011上形成重掺杂区1014。在本实施例中，例如将p型离子注入至正表面1011中，也就是通过p型离子形成重掺杂区1014。需要说明的是，第一次离子掺杂的离子掺杂类型与衬底的类型相反，当衬底101为n型衬底时，第一次离子掺杂可以为p型离子，当衬底101为p型衬底时，第一次离子掺杂可以为n型离子。所述p型离子例如为硼，所述n型离子例如为磷。由于衬底101为n型衬底，第一次离子掺杂的掺杂类型为p型离子，因此在经过第一次离子掺杂之后，可以在衬底101的正表面1011上形成重掺杂区1014。
45.如图3所示，在步骤s4中，在背表面1012上形成氧化层102和多晶硅层103。本实施例可以通过热氧化工艺形成氧化层102。该氧化层102的厚度可以为2nm。氧化层102形成在衬底101的背表面1012上，从而整个去除了衬底101的背面上的缺陷。从而改进了太阳能电池的开路电压，因此增强了太阳能电池的效率。然后在该氧化层102上形成多晶硅层103，例如通过低温化学气相沉积的方式形成该多晶硅层103。本实施例还可以对该多晶硅层103进行离子掺杂，例如对多晶硅层103进行n型离子掺杂，从而在形成多晶硅掺杂层。在对多晶硅层103进行离子掺杂之后，还可以对该衬底101进行高温退火。在形成多晶硅层103之后，然后在多晶硅层103上形成背面减反射层104，背面减反射层104的材料例如为氮化硅。本发明可以通过增强等离子体化学气相沉积的方式形成背面减反射层104。该背面减反射层104可以减少表面太阳光的反射，提高太阳光的利用率。在形成背面减反射层104之后，然后可以在正表面1011上形成钝化层105和正面减反射层106。钝化层105可以覆盖绒面1013，正面减反射层106可以位于钝化层105上。钝化层105的材料可以为氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化硅或非晶硅薄膜中的一种或多种的叠层。表面钝化能够降低半导体的表面活性，使表面的复合速率降低，其主要方式是饱和半导体表面处的悬挂键，降低表面活性，增加表面的清洁程序，避免由于杂质在表面层的引入而形成复合中心，以此来降低少数载流子的复合速度。通过表面钝化，使得表面复合降低，从而提高有效载流子寿命。本实施例可以采用增强等离子体化学气相沉积的方式形成该钝化层105。正面减反射层106的形成工艺可以参考背面减反射层104。当然，在一些实施例中，在形成多晶硅层103之后，还可以首先在正表面1011上形成钝化层105，然后在正表面1011上形成正面减反射层106，在背表面1012上形成背面减反射层104；也就是在钝化层105上形成正面减反射层106，在多晶硅层103上形成背面减反射层104。在本实施例中，背面减反射层104和正面减反射层106可以是包括从由氮化硅、含氢的氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化铝、mgf2、zns、tio2和ceo2构成的组中选择出的一个的单个膜层，或者包括两个或更多个膜的组合的多层膜。
46.如图4所示，在步骤s5中，在形成正面减反射层106和背面减反射层104之后，然后在正表面1011上形成正面金属电极107，在背表面1012上形成背面金属电极108。正面金属电极107位于正面减反射层106上，背面金属电极108位于背面减反射层104上，正面金属电极107还可以位于重掺杂区1014的正上方。本实施例可以通过丝网印刷工艺形成正面金属电极107和背面金属电极108。本实施例可以采用银浆并通过丝网印刷法在正表面1011上形成金属电极107；以及采用银铝浆并通过丝网印刷法在背表面1012上制作背面金属电极108，所述银铝浆中铝的含量为3-5％，所述百分比为铝占银/铝浆总量的质量百分比。
47.如图5所示，在步骤s6中，在形成正面金属电极107和背面金属电极108之后，然后对正表面1011进行第二次离子掺杂，由于该正面金属电极107的遮挡作用，正面金属电极107下的重掺杂区1014无法被二次注入，而暴露出来的重掺杂区1014可以被二次注入，从而正面金属电极107之下的重掺杂区1014保持着重掺杂浓度，形成重掺杂区1014，而暴露在外的区域受到二次注入的影响，形成轻掺杂区1015。重掺杂区1014可以位于正面金属电极107的正下方，轻掺杂区1015可以位于正面金属电极107的两侧，即轻掺杂区1015可以和重掺杂区1014可以间隔设置。第二次离子掺杂的掺杂类型为n型，也就是说第一次离子掺杂的离子类型与第二次离子掺杂的离子掺杂相反，且第二次离子掺杂的掺杂剂量小于第一次离子掺杂的掺杂剂量。由于第一次离子掺杂的离子类型与第二次离子掺杂的离子掺杂相反，因此
第二次离子掺杂的离子可以中和第一次离子掺杂的离子，因此使得正面金属电极107以外的区域的离子浓度降低，因此将重掺杂区1014和轻掺杂区1015区分开来，形成pn结。因此可以增加光电元件的光电转化效率。本实施例可以采用离子注入的方式进行第二次离子掺杂，因此可以精确控制剂量，达到不同的浓度要求，从而可以确保光电元件的正常工作。本实施例中，第二次离子掺杂的离子掺杂能量可以为40-60kev，第二次离子掺杂的掺杂剂量可以为2.5-3.0e
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。
48.如图6所示，在步骤s7中，在第二次离子掺杂之后，然后在该衬底101进行退火烧结，从而使得正面金属电极107转化成正面电极109，将背面金属电极108转化成背面电极110。由于烧结作用，正面金属电极107中的金属元素与衬底101共晶复合，从而形成正面电极109。正面电极109对位于重掺杂区1014上。由于烧结作用，从而使得背面金属电极108中的金属元素与衬底101共晶复合，从而形成背面电极110。本实施例可以将衬底101在850℃中烧结10分钟。从图6中可以看出，正面电极109可以呈栅状。
49.如图6所示，正面电极109和背面电极110可被形成为具有包括银(ag)、镍(ni)、铜(cu)、铝(al)、锡(sn)、锌(zn)、铟(in)、钛(ti)、金(au)或其合金的单层或多层结构。
50.如图1-图6所示，本实施例通过在退火烧结之前进行第二次离子掺杂，从而可以通过退火烧结工艺帮助经过注入后的晶格损伤修复。如果在退火烧结工艺之后进行第二次离子掺杂，还需要退火来修复晶格损伤，工艺较为复杂。
51.如图6所示，本实施例提出一种光电元件，该光电元件包括衬底101，衬底101的正表面上包括绒面1013，且在正表面1013上包括轻掺杂区1015和重掺杂区1014，轻掺杂区1015和重掺杂区1014间隔排列。衬底101可以为n型衬底。重掺杂区1014和轻掺杂区1015的离子掺杂类型可以为p型离子。
52.如图6所示，在衬底101的背表面上形成有氧化层102，多晶硅层103，背面减反射层104和背电极110。多晶硅层103位于氧化层102上，背面减反射层104位于多晶硅层103上，背电极110位于背面减反射层104上。
53.如图6所示，在衬底101的正表面上形成钝化层105和正面减反射层106，钝化层105覆盖绒面，正面减反射层106覆盖钝化层105。在正表面上形成有正电极109，正电极109位于重掺杂区1014上。轻掺杂区1015和重掺杂区1014间隔排开，此种结构提升了光电元器件的开路电压，短路电流和填充因子。因此可以提高光电元件的光电转化效率，例如可以提高0.3-0.9％。
54.如图7所示，本实施例还提出另一种光电元件，包括衬底101，衬底101的正表面上包括绒面，且在正表面上包括轻掺杂区1015和重掺杂区1014，轻掺杂区1015和重掺杂区1014间隔排列。衬底101可以为p型衬底。重掺杂区1014和轻掺杂区1015的离子掺杂类型可以为n型离子。
55.如图7所示，在衬底101的背表面上形成钝化层105，钝化层105的表面上形成有背面减反射层104，在背面减反射层104上形成有铝背导电层204。在铝背导电层204上形成有背电极110。在本实施例中，该钝化层105的材料可以为氧化铝，背面减反射层104的材料可以为氮化硅。在一些实施例中，钝化层105的厚度可以为8-30nm，钝化层105的折射率可以为1.55-1.7。还可以设置多层背面减反射层104，背面减反射层104的总厚度可以为100-220nm，总折射率可以为1.7-2.2。
56.如图7所示，在衬底101的正表面上形成钝化层105和正面减反射层106，钝化层105覆盖绒面，正面减反射层106覆盖钝化层105。在正表面上形成有正电极109，正电极109位于重掺杂区1014上。轻掺杂区1015和重掺杂区1014间隔排开。此种结构提升了光电元器件的开路电压，短路电流和填充因子。因此可以提高光电元件的光电转化效率，例如可以提高0.3-0.9％。
57.如图7所示，形成该光电元件的过程可以参考图1，本实施例不在进行阐述。
58.综上所述，本发明提出一种光电元件及其制造方法，通过对衬底的正表面进行第一次离子掺杂，从而在正表面上形成重掺杂区，然后在正表面上形成正面金属电极，在背表面上形成背面金属电极。正面金属电极对位于重掺杂区上，然后对正表面进行第二次离子掺杂，由于正面金属电极的遮挡作用，因此只能对未被遮挡区域进行第二次离子掺杂，由于第一次离子掺杂的掺杂类型与第二次离子掺杂的掺杂类型相反，且第一次离子掺杂的掺杂剂量大于第二次离子掺杂的掺杂剂量，因此第一次离子掺杂的掺杂离子与第二次离子掺杂的掺杂离子起到中和作用，因此将部分重掺杂区转化成轻掺杂区，形成间隔设置的重掺杂区和轻掺杂区，从而可以提高光电元件的开路电压，短路电流和填充因子，从而可以提高光电转化效率。
59.在整篇说明书中提到“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(an embodiment)”或“具体实施例(a specific embodiment)”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中(in one embodiment)”、“在实施例中(in an embodiment)”或“在具体实施例中(in a specific embodiment)”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本发明的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文所述和所示的发明实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本发明精神和范围的一部分。
60.还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。
61.另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。
62.如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数参考物。同样，如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“在
…
中(in)”的意思包括“在
…
中(in)”和“在
…
上(on)”。
63.本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本发明的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本发明实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本发明的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本发明实施例的各方面造成混淆。
64.因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换意在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神
的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。