具有氧化物隧穿结的太阳能电池的制作方法

具有氧化物隧穿结的太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明的一个实施例提供具有氧化物隧穿结的太阳能电池。该太阳能电池包括基极层；与所述基极层相邻的量子隧穿势垒(QTB)层；发射极；表面电场层；前侧电极；以及背侧电极。
【专利说明】
具有氧化物隧穿结的太阳能电池
[0001]本申请是申请日为2011年5月4日、申请号为201110120153.6、发明名称为"具有氧 化物隧穿结的太阳能电池"的中国发明专利申请的分案申请。
[000^ 相关申请
[0003] 本发明要求于2010年5月4日提交的、发明人是Jiunn Benjamin胎ng,Qientao Yu,Zheng Xu和Jianming Fu、名称为('Solar Cell with Hetero Tunneling Junction 化17)"、代理人案卷号为55?10-1002?5?的美国临时申请齡.61/331，158的权益。
技术领域
[0004] 本公开总体设及太阳能电池。更具体而言，本公开设及基于隧穿结结构的太阳能 电池，该隧穿结结构使用电介质材料(例如氧化娃)来形成隧穿层。
【背景技术】
[0005] 通过使用化石燃料造成的负面环境影响及其提升的成本已导致对更洁净、廉价替 代能源的急切需求。在不同形式的替代能源中，太阳能因其洁净性和广泛可用性而受到青 睐。
[0006] 太阳能电池利用光电效应将光转换成电。有许多种太阳能电池结构，并且一种典 型的太阳能电池包含pn结，该pn结包括P型渗杂层和n型渗杂层。此外，还有不基于pn结的其 他类型的太阳能电池。例如，太阳能电池可W基于金属绝缘体半导体(MIS)结构，该MIS结构 包括位于金属或高导电层与渗杂的半导体层之间的超薄电介质或绝缘界面隧穿层。
[0007] 在基于pn结的太阳能电池中，被吸收的光产生载流子。运些载流子扩散进入pn结 并由内建电场分离，从而产生穿过器件和外部电路系统的电流。在确定太阳能电池质量中 的重要度量是其能量转换效率，其定义为当太阳能电池连接至电路时转换功率(从被吸收 的光转换成电能)与收集功率的比率。
[000引为了提高转换效率，太阳能电池结构应当允许光生载流子有效地输运到电极。载 流子损失的重要途径之一是在电池表面处的少数载流子的复合。因此，优异的表面纯化对 于太阳能电池性能而言是重要的，运是因为它直接影响开路电压(V。。）。注意到良好的V。。意 味着使得能够在更高溫度下获得更好的太阳能电池性能的良好的溫度系数。对于同质结太 阳能电池而言，因存在的自由键所导致的在太阳能电池表面处的少数载流子复合可W明显 降低表面纯化。此外，由渗杂剂扩散形成的较厚、重渗杂发射极层通常导致更差的少数载流 子复合W及大幅度减弱短波长响应。诸如Si异质结（SHJ)太阳能电池之类的异质结太阳能 电池因无定形Si(a-Si)层和晶态Si(C-Si)基极层之间的固有带隙偏移而往往具有较好的 表面纯化，带隙偏移通过形成多数载流子的势垒来降低表面复合速度。a-Si层通过氨化作 用修复已有的Si自由键，从而也纯化C-Si基极层的表面。然而，通常形成发射极的a-Si层是 重渗杂的，从而导致表面纯化降低并导致短波长响应减弱。为了减轻增加的少数载流子表 面复合，本征a-Si层可W嵌入重渗杂a-Si层和C-Si基极层之间。
[0009]在基于MIS的太阳能电池中，诸如具有特定固定界面电荷的氧化娃之类的绝缘层 被嵌入金属层和半导体层(诸如渗杂的C-Si层)之间，并在渗杂的C-Si中引起反型层。在反 型层和C-Si之间的界面处的内建表面电场允许待分开和收集为少数载流子的电荷通过隧 穿通过超薄绝缘(或氧化物)层来行进通过高导电空间电荷区域。极低的表面复合速度可W 通过反型层的表面纯化和反型"发射极"层的低缺陷态密度来实现。为了避免引入与载流子 隧穿通过厚电介质层相关的高串联电阻，隧道氧化物层需要低于20或30埃。
[0010] 图IA展示示出示例性金属绝缘体半导体(MIS)太阳能电池(现有技术)的图。MIS太 阳能电池100包括渗杂有一种类型渗杂剂的娃衬底层102、薄绝缘层104、顶部金属栅106和 底部金属接触层108。图IA中的箭头表示入射的太阳光。
[0011] 尽管利用小尺度上的基于MIS的太阳能电池可W实现良好的效率，但是难于将基 于MIS的太阳能电池按比例增加至可制造的尺寸，运是因为反型层的差的导电性要求用于 电流收集的密集金属栅。此外，在氧化物层中渗杂的飽(Cs)(其被引入W引起反型层)是不 稳定的。
[0012] 另一方面，所有基于超高效率单晶Si的太阳能电池结构都被特别设计用W通过优 异的表面纯化来获得高V。。。太阳能电池效率的电流记录保持者是在如美国专利NO.4,927， 770中描述的基于叉指式背接触(IBC)结构的太阳能电池。在基于IBC的太阳能电池中，良好 的V。。是通过前表面和背表面氧化物纯化层W及后部叉指式发射极和基极点接触来实现的。 对IBC结构做出的进一步的改进在美国专利NO. 7,737,357中示出，其中后部叉指式发射极 和基极接触被隧道Si化层上形成的渗杂a-Si接触替代。运种方法导致由隧道氧化物和a-Si 引起的异质结电场提供的非常好的表面纯化，运导致大于700mV的V。。。
[0013] 美国专利No. 5，705，828公开了双侧异质结太阳能电池，其也是基于优异表面纯化 的高效率太阳能电池。双侧异质结太阳能电池通过实施高质量本征a-Si界面层可W实现具 有较高开路电压(V。。）（诸如大于715mV)的高效率。本征a-Si层降低表面自由键的数量并提 供固有异质结带隙偏移，运产生了有利的异质结电场W用于减小泄漏电流。
[0014] 已提出通过改进表面纯化来获取高效率太阳能电池的其他方法。美国专利No.7， 164,150还描述了用于通过在沉积本征a-Si期间引入二氧化碳(C〇2)气体来抑制C-Si基极 层和本征a-Si层之间界面处载流子复合的方法。太阳能电池的V。。可W通过调节a-Si沉积期 间的工艺条件来提高。美国专利No.4,404,422描述了基于MIS的太阳能电池，该太阳能电池 实施超薄隧穿氧化物层来形成非常低的界面态密度而不提高与隧穿通过电介质层有关的 串联电阻。基于MIS的太阳能电池结构的不同变化形式在美国专利No. 4，828，628和美国专 利No.4,343,962中描述。运些太阳能电池通过在C-Si基极中引起反型层来获得良好的性 能。对氧化物层和引起反型的发射极的使用分别引起表面纯化和表面缺陷态的降低。运些 效果的组合导致优异的少数载流子复合速度。
[0015] 然而，仍需要进一步改进W获取具有更好性能的太阳能电池 W及实现具有高于 23%的效率的太阳能电池的可能。更高V。。(高于750mV)是具有极低溫度系数(低于0.25%/ °C)的超高性能太阳能电池的关键条件。为了实现运样的高V。。，希望获取诸如低于1 XlQii/ cm2之类的非常低的缺陷界面态密度(Dit)。

【发明内容】

[0016] 本发明的一个实施例提供基于隧穿结的太阳能电池。太阳能电池包括基极层;与 基极层相邻的量子隧穿势垒(QTB)层;发射极层;表面电场层;前侧电极;背侧电极。
[0017] 在实施例的变化形式中，基极层包括W下项至少之一:单晶娃晶圆，外延生长晶态 Si(C-Si)薄膜。
[0018] 在另一种变化形式中，调节外延生长C-Si薄膜的渗杂分布。
[0019] 在实施例的变化形式中，基极层包括基本上位于薄膜的中部的本征Si薄层，并且 本征Si层的厚度位于Inm和IOnm之间。
[0020] 在实施例的变化形式中，QTB层包括W下项至少之一:氧化娃(SiOx)、加氨SiOx、氮 化娃(SiNx)、加氨SiNx、氧化侣(AlOx)、氮氧化娃(SiON)和加氨SiON。
[0021 ]在实施例的变化形式中，QTB层具有1埃至50埃的厚度。
[0022] 在实施例的变化形式中，使用W下至少一项技术来形成QTB层:热氧化、原子层沉 积、湿式氧化或蒸汽氧化、低压自由基氧化和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
[0023] 在实施例的变化形式中，太阳能电池还包括透明导电氧化物(TCO)层，该透明导电 氧化物层位于发射极顶部、表面电场层的顶部或者运两者的顶部。
[0024] 在实施例的变化形式中，发射极和/或表面电场层包括无定形Si(a-Si)。
[0025] 在另一变化形式中，发射极包括渗碳a-Si。
[0026] 在另一变化形式中，发射极和/或表面电场层包括未渗杂a-Si。
[0027] 在另一变化形式中，发射极和/或表面电场层包括缓变渗杂无定形Si(a-Si)。
[002引在另一变化形式中，缓变渗杂a-Si的渗杂浓度的范围是1 X IQis/cm3至5 X IO2V cm]。
[0029] 在另一变化形式中，用于缓变渗杂a-Si的n型渗杂剂包括憐，并且用于缓变渗杂a-Si的P型渗杂剂包括棚。
[0030] 在实施例的变化形式中，基极层的施主(n型）或受主(P型)渗杂浓度的范围是IX l〇i4/cm3至1 X l〇i8/cm3。
[0031] 在另一变化形式中，发射极具有与基极层的渗杂类型相反的渗杂类型，并且表面 电场层具有与基极层的渗杂类型相同的渗杂类型。
[0032] 在另一变化形式中，发射极位于基极层之上，面对入射光，并且表面电场层位于基 极层之下W用作背表面电场(BSF)。
[0033] 在另一变化形式中，发射极位于基极层之下，背离入射光，并且表面电场层位于基 极层之上W用作前表面电场(FSF)。
【附图说明】
[0034] 图IA提供了示出示例性金属绝缘体半导体(MIS)太阳能电池的图(现有技术）。
[0035] 图IB提供了示出依据本发明实施例的示例性隧穿结太阳能电池的图。
[0036] 图IC提供了示出依据本发明实施例的图IB中所示隧穿结太阳能电池的能带图的 图。
[0037] 图2提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。
[0038] 图3提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。
[0039] 图4提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。
[0040] 图5提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。
[0041] 图6提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。
[0042] 在附图中，相同的参考数字是指相同的附图元素。
【具体实施方式】
[0043] 提供下面的描述W促使本领域技术人员制作和使用实施例，并且在特定应用和其 要求的上下文中提供下面的描述。在不偏离本公开的精神和范围的前提下，对已公开的实 施例的各种修改对于本领域技术人员而言是容易明白的，并且此处限定的一般原理可W应 用至其他实施例和应用。因此，本发明不限于所示的实施例，而是应该被赋予与此处公开的 原理和特征相一致的最广泛的范围。
[0044] 概览
[0045] 本发明的实施例提供包括薄电介质层的晶态SKc-Si)太阳能电池，该薄电介质层 用作界面纯化层W及量子隧穿势垒(QTB)。可W通过在C-Si基极层的前表面和背表面上沉 积高质量超薄氧化娃(SiOx)层W提供纯化并使能载流子的量子隧穿来制造太阳能电池。此 夕h在前氧化层和背氧化层上沉积缓变渗杂的无定形Si(a-Si)层W形成太阳能电池发射极 W及背表面电场(BSFKa-Si层通过场效应纯化和能带弯曲来允许进一步纯化。所得的隧穿 结太阳能电池可W实现超高开路电压(V。。)而不牺牲载流子收集效率，从而导致优异的电池 转换效率和溫度系数性能。此外，薄氧化物层允许对a-Si层更宽范围的渗杂调节，该薄氧化 物层可W用作用于维持良好C-Si界面质量的较好的渗杂剂扩散势垒。
[0046] 氧化物隧穿结
[0047] 在本发明的实施例中，诸如SiOx之类的电介质材料薄层被用作太阳能电池基极层 和发射极层之间的量子隧穿势垒(QTB)。量子力学预测即使当势垒的势能大于粒子的动能 时，粒子也具有出现在任何物理势垒另一侧的有限的可能性。如果势垒足够薄，粒子到达势 垒另一侧的可能性可W是不可忽略的。运样的现象被称为量子隧穿。对于遇到高度为AE且 宽度为d的方势垒的电子而言，电子到达势垒另一侧的可能性近似为：
[004引
[0049] 其中me是电子质量（ = 5.7X10-l2eV?s2/m2)，并且；?是普朗克常数（=6.6X10-ISeV ? S)。如果势垒是SiOx薄层，则AE = 3.15eV。
[0050] 对于太阳能电池应用而言，电子无需一直隧穿至氧化物层的另一侧。实际上，只要电 子在足够大电场下(在运种情形中是大的内建电场)能够隧穿进入氧化物层的导带，则电子将 能够通过=角势垒来隧穿穿过氧化物层。运样的隧穿被称为福勒-诺德海姆隧穿。基于WKB 近似，电子隧穿通过具有势能V(X)的势垒的可能性是：
其中E是电子的初始能量，a是势垒的开始位置，b是势垒的终止位置。假设电子Wl.33eV的 能量始于C-Si导带(注意绿光的光子能是2.33eV)，S角势垒的高度是具有0.2eV导带偏移 的3.15eV，所得的电子隧穿通过SiOx薄层的可能性可较高。
[0化1] 绝对势垒高度在0.85eV至0.95eV之间的一氧化娃(SiO)已被证实允许较好的载流 子隧穿。即使对于具有0.3eV的低初始能量的电子而言，电子隧穿通过具有0.2eV导带偏移 (运是由于存在a-Si异质结所导致)的0.85eV的S角势垒的概率可W达至ljO.4至0.6之间。
[0052] 除了基极层和发射极之间的前侧处的氧化物隧穿结之外，在本发明的一些实施例 中，背侧氧化物隧穿结也被引入基极层和背表面电场(BSF)之间W实现用于改进V。。的类似 效果。
[0053] 在本发明的实施例中，提供了超高性能的太阳能电池，其需要具有渗杂的前a-Si 层和背a-Si层的双侧MIS隧穿结构，前a-Si层和背a-Si层分别用作发射极和BSF。绝缘(氧化 物)层用作纯化层和隧穿势垒。前a-Si层替换在原始MIS结构中渗杂的Cs来实现在发射极中 的能带弯曲效果。薄氧化物纯化层和异质结电场的组合促使实现超高V。。同时维持隧穿通过 超薄氧化物层的低串联阻抗。
[0054] 图IB提供了示出依据本发明实施例的示例性隧穿结太阳能电池的图。氧化物隧穿 结太阳能电池110包括n型衬底112、覆盖衬底112表面并纯化表面缺陷态的超薄娃氧化物层 114和116、形成发射极118的前侧渗杂a-Si层、形成BSF层120的背侧渗杂a-Si层、前电极122 和背电极124。
[0055] 图IC提供了示出依据本发明实施例的在图IB中所示的隧穿结太阳能电池的能带 图的图。根据图1B和图1C，可W看出发射极118和BSF层120使用内建异质结电场来纯化太阳 能电池110的表面。前侧a-Si发射极118与C-Si衬底112形成允许电荷分开的结。少数载流子 (图IC中所示的空穴)隧穿通过前超薄氧化物层114(其产生前隧穿势垒134) W到达a-Si发 射极118并被前导电电极122收集。在一个实施例中，少数载流子是空穴，从而导致因较小的 俘获截面所导致的较低的结复合电流。通过前表面电场(FSF)来防止多数载流子(图IC中所 示的电子）扩散进入结，从而减小复合电流或结泄漏电流。背侧a-Si BSF层120产生BSF 136，BSF 136阻止少数载流子在背表面处复合，同时允许多数载流子通过隧穿通过背侧超 薄氧化物层116来被背导电电极124收集，背侧超薄氧化物层116产生背隧穿势垒132。
[0化6] 制造方法I
[0057]可W使用n型或者P型渗杂的高质量太阳能级娃(SG-Si)晶圆来建造氧化物隧穿结 太阳能电池。在一个实施例中，选择n型渗杂SG-Si晶圆。图2提供了示出依据本发明实施例 的隧穿结太阳能电池制造工艺的图。
[005引在工序2A中，制备SG-Si衬底200DSG-Si衬底的电阻率的范围通常是（但不限于） 0.50hm-cm至1 OOhm-cm。优选地使SG-S i衬底具有0.50hm-cm至1 OOhm-cm之间的电阻率。制备 工序包括去除约10皿的娃并形成表面纹理的典型的制绒蚀刻(saw damage etching)。表面 纹理可W具有各种图案，包括但不限于:六角锥形、倒棱锥形、圆柱形、圆锥形、环形和其他 不规则形状。在一个实施例中，形成表面纹理的工序导致随机棱锥形纹理表面。此后，SG-Si 衬底进行彻底的表面清洗。
[0059] 在工序2B中，在SG-Si衬底200的前表面和背表面上沉积高质量(Dit低于1 X 1〇11/ cm2)薄层电介质材料W分别形成前纯化/隧穿层202和背纯化/隧穿层204。在一个实施例 中，仅SG-Si衬底200的前表面沉积有薄层电介质材料。在一个备选实施例中，仅SG-Si衬底 200的背表面沉积有薄层电介质材料。可W使用各种类型电介质材料来形成纯化/隧穿层， 电介质材料包括但不限于：氧化娃（SiOx)、加氨SiOx、氮化娃（SiNx)、加氨SiNx、氧化侣 (AlOx)、氮氧化娃(SiON)、氧化侣(AlOx)和加氨SiON。此外，可W使用各种沉积技术来沉积纯 化/隧穿层，沉积技术包括但不限于:热氧化、原子层沉积、湿式氧化或蒸汽氧化、低压自由 基氧化和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等。纯化/隧穿层的厚度可W位于I埃至50埃 之间，优选地位于1埃至10埃之间。注意，对隧穿/纯化层厚度的良好控制确保良好的隧穿和 纯化效果。
[0060] 在工序2C中，在前纯化/隧穿层202上沉积加氨缓变渗杂a-Si层来形成发射极层 206。因此，发射极层206位于太阳能电池的面向入射太阳光的前侧上。发射极层206的渗杂 类型与SG-Si衬底200的渗杂类型相反。如果SG-Si衬底200是n型渗杂，则发射极层206是P型 渗杂，反之亦然。在一个实施例中，发射极层206是使用棚作为渗杂剂的P型渗杂。SG-Si衬底 200、前纯化/隧穿层202和发射极层206形成前氧化隧穿结。发射极层206的厚度位于2nm和 5化m之间。注意，可W优化发射极层206的渗杂分布W确保良好的欧姆接触、最小光吸收和 大的内建电场。在一个实施例中，发射极层206的渗杂浓度从1 X IQis/cm3变化至5 X IO2V cm3。在另一实施例中，发射极层206内邻近前纯化/隧穿层202的区域具有较低渗杂浓度，而 远离前纯化/隧穿层202的区域具有较高的渗杂浓度。较低的渗杂浓度确保前纯化/隧穿层 202和发射极层206之间界面处的最小缺陷密度，而在另一侧的较高浓度防止发射极层耗 尽。发射极层206的晶体结构可W是纳米晶或原晶，纳米晶能得到较高载流子迁移率，原晶 能得到在紫外(UV)波长范围中的良好吸收和在红外（IR)波长范围中的良好透射。两种晶体 结构都需要维持a-Si的大的带隙。在一个实施例中，发射极层206可W包括渗碳的a-Si。
[0061] 在工序2D中，在背纯化/隧穿层204的表面上沉积加氨缓变渗杂a-Si层W形成背表 面电场(BSF)层208dBSF层208的渗杂类型与SG-Si衬底200的渗杂类型相同。如果SG-Si衬底 200是n型渗杂，则发射极层206也是n型渗杂，反之亦然。在一个实施例中，使用憐作为渗杂 剂对BSF层208进行n型渗杂。SG-Si衬底200、背纯化/隧穿层204W及BSF层208形成背氧化物 隧穿结。在一个实施例中，BSF层208的厚度位于3nm和30皿之间。BSF层208的存在改进了背 侧纯化并允许对随后沉积的背透明导电氧化物(TCO)层的良好的欧姆接触。类似于发射极 层206，BSF层208内邻近背纯化/隧穿层204的区域具有较低的渗杂浓度，而远离背纯化/隧 穿层204的区域具有较高的渗杂浓度。较低的渗杂浓度确保在背纯化/隧穿层204和BSF层 208之间的界面处的最小缺陷密度，而在另一侧的较高的渗杂浓度确保对背TCO层的良好的 欧姆接触。在一个实施例中，BSF层208的渗杂浓度从1 X IQis/cm3变化至5 X IO2Vcm3。除a-Si 夕h还可W使用其他材料W形成BSF层208。在一个实施例中，在背纯化/隧穿层204的表面上 沉积微晶Si层W形成BSF层208。使用微晶Si材料W用于BSF层208可W确保较低的串联电阻 和与背TCO层形成较好的欧姆接触。
[0062] 在工序2E中，在发射极层206的表面上沉积TCO材料层W形成导电抗反射层210。 TCO的例子包括但不限于:氧化铜锡（IT0)、氧化锡(SnOx)、渗侣氧化锋(ZnO:Al或AZ0)或渗 嫁氧化锋(ZnO:Ga)。
[0063] 在工序2F中，在BSF层208的表面上形成背侧TCO层212。
[0064] 在工序2G中，在TCO层210和212的表面上分别形成前侧电极214和背侧电极216。在 一个实施例中，前侧电极214和背侧电极216包括可W使用各种工艺来形成的Ag指栅，所述 各种工艺包括但不限于:Ag浆丝网印刷、Ag墨喷墨或Ag墨气溶胶印刷、W及蒸发。在另一实 施例中，前侧电极214和背侧电极216可W包括使用各种工艺形成的Cu栅，所述各种工艺包 括但不限于:无电锻、电锻、瓣射和蒸发。
[00化]制造方法II
[0066] 图3提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。除W下 内容之外，该制造工艺类似于图2中所示的制造工艺:作为对使用SG-Si作为基极层的替代， 使用外延生长C-Si层来形成在图3中制造的氧化物隧穿结太阳能电池的基极层。
[0067] 在工序3A中，使用类似于工序2A的工艺来制备SG-Si衬底300,但是不形成表面纹 理。
[0068] 在工序3B中，在SG-Si衬底300上外延生长重渗杂C-Si的薄层302。在一个实施例 中，使用化学气相沉积(CVD)外延工艺来形成重渗杂C-Si的外延化PI)层302。各种类型的Si 化合物，诸如SiH4、Si此CI2和Si肥13,可被用作CVD工艺中的前体来形成重渗杂C-Si的EPI层 302。在一个实施例中，SiHCls(TCS)因其充足性和低成本而被使用。重渗杂C-Si的EPI层302 的厚度可W位于1皿和扣m之间。重渗杂C-Si的EPI层302的渗杂类型与SG-Si衬底300的渗杂 类型相同。在一个实施例中，重渗杂C-Si的EPI层302是n型渗杂。重渗杂C-Si的EPI层302的 渗杂浓度可W位于1 X l〇i7/cm3至1 X IO2Vcm3之间。渗杂水平不应当超过最大限制，超过最 大限制可能造成膜中的错配位错。重渗杂C-Si的EPI层302可W用作背表面电场(BSF)、杂质 势垒和用于减少在后续生长的基极层的表面处的电子空穴复合的沾染物质获取层。
[0069] 在工序3C中，在重渗杂C-Si的EPI层302上外延生长轻渗杂C-Si的层，从而形成基 极层304。用于生长基极层304的工艺类似于用于生长重渗杂C-Si的EPI层302的工艺。在一 个实施例中，CVD EPI工艺用于形成基极层304。基极层304的厚度可W位于20WI1至IOOwii之 间。基极层304的渗杂类型与SG-Si衬底200和重渗杂C-Si EPI层302的渗杂类型相同。在一 个实施例中，基极层304是n型渗杂，运可W提供较好的载流子寿命、较高的V。。和较高的太阳 能电池效率。基极层304的渗杂浓度可W位于1 X IQis/cm3至1 X lOU/cm3之间。
[0070] 在EPI生长基极层304之后，在工序3D中，移除SG-Si衬底300和重渗杂C-Si EPI层 302。可W使用各种技术来移除SG-Si衬底300和重渗杂C-Si EPI层302,所述各种技术包括 但不限于:机械研磨、化学湿法蚀刻、干法蚀刻和化学机械抛光。在一个实施例中，使用机械 背部研磨方法来移除SG-Si衬底300和重渗杂C-Si EPI层302。随后，使用湿法化学蚀刻工艺 来移除可W导致少数载流子复合增加从而降低太阳能电池效率的所有背部研磨损伤。在湿 法化学蚀刻中使用的溶液包括但不限于:氨氧化钢(NaOH)、径化四甲锭(TMAH) W及硝酸和 氨氣酸的混合物化N03 : HF)。
[0071] 在工序3E中，基极层304的前表面和背表面被纹理化W使太阳能电池内部的光吸 收被最大化，从而进一步增强太阳能电池转换效率。表面纹理的形状可W是在基极层304的 前表面和背表面上随机分布或规则分布的棱锥形或倒棱锥形。
[0072] 制造工艺的剩余部分与图2中所示的工艺相同。在工序3F中，使用类似于工序2B的 工艺来形成前纯化/隧穿层306和背纯化/隧穿层308。
[0073] 在工序3G中，使用类似于工序2C和2D的工艺来形成发射极层310和BSF层312。
[0074] 在工序3H中，使用类似于工序沈和2F的工艺来形成前TCO层314和背TCO层316。
[0075] 在工序31中，使用类似于工序2G的工艺来形成前电极318和背电极320。
[0076] 制造方法III
[0077] 图4提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。除外延 形成的Si基极层现具有缓变渗杂分布之外，该制造工艺与图3中所示的制作工艺相似。
[0078] 在工序4A中，使用类似于工序3A的工艺来制备SG-Si衬底400。
[00巧]在工序4B中，使用类似于工序3B的工艺在SG-Si衬底400上外延生长重渗杂C-Si的 薄层402。
[0080] 在工序4C中，在重渗杂C-Si EPI层402上外延生长具有缓变渗杂浓度的C-Si层W 形成基极层404。基极层404的渗杂浓度位于1 X l〇i4/cm3至1 X IQis/cm3之间，其中邻近重渗 杂C-Si EPI层402的区域具有较高的渗杂浓度，而另一侧具有较低的渗杂浓度。运样的渗杂 分布导致允许生成的少数载流子朝结漂移从而提高Jsc的电场。缓变渗杂基极层404的厚度 可W位于20WI1至IOOwii之间。在一个实施例中，本征EPI C-Si薄层(层406)嵌入缓变渗杂基 极层404中。在一个实施例中，本征EPI C-Si层406置于缓变渗杂基极层404的中部。本征EPI C-Si层406的厚度可W在1皿和IOnm之间。本征EPI C-Si层406的嵌入确保缓变渗杂基极层 404的膜质量更好，运是因为限制了基极层404EPI生长时的缺陷传播和晶格失配。注意，可 W在缓变渗杂基极层404生长期间任何时刻通过改变流入外延室的气体来沉积本征EPI C-Si层406。
[0081 ]制造工艺的剩余部分与图3中所示的工艺类似。在工序4D中，使用类似于工序3D的 工艺来移除SG-Si衬底400和重渗杂C-Si EPI层402。在工序4E中，使用类似于工序3E的工艺 来使基极层404的前表面和背表面被纹理化。在工序4F中，使用类似于工序3F的工艺来形成 前纯化/隧穿层408和背纯化/隧穿层410。在工序4G中，使用类似于工序3G中使用的工艺来 形成发射极层412和BSF层414。在工序4H中，使用类似于工序3H中使用的工艺来形成前TCO 层416和背TCO层418。在工序41中，使用类似于工序31中使用的工艺来形成前电极420和背 电极422。
[0082] 制造方法IV
[0083] 图5提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池制造工艺的图。除了在SG-Si衬底上沉积外延形成C-Si层W形成复合基极之外，该制造工艺类似于图2中所示的工艺。
[0084] 在工序5A中，使用类似于工序2A的工艺来制备SG-Si衬底500,但是不形成表面纹 理。
[00化]在工序5B中，在SG-Si衬底500上外延生长C-Si薄层W形成增强层502eSG-Si衬底 500和增强层502共同形成复合基极层504。增强层402的渗杂类型类似于SG-Si衬底500的渗 杂类型。在一个实施例中，增强层502是n型渗杂。此外，增强层502可W是均匀渗杂或是缓变 渗杂。在一个实施例中，均匀渗杂增强层502使其具有0.5ohm-cm的均匀方块电阻。在一个实 施例中，缓变渗杂增强层502使其具有在0.2ohm-cm和lohm-cm之间变化的方块电阻。增强层 502的厚度可W位于0.5皿和2皿之间。注意，相比在图3和图4中制造的太阳能电池，增强层 502(其是EPI C-Si层）的厚度要比EPI基极层304和404薄得多，EPI基极层304和404的厚度 可W大于20皿。可W W较低成本容易地制造运样的薄EPI层。通过将SG-Si衬底500(更为廉 价并且可W用作吸收体层)和薄EPI增强层502(其特性可W在EPI生长期间仔细制作）结合 为复合基极层，可W实现降低制造成本并同时改进性能的目标。
[0086]制造工艺的剩余部分与图2中所示的工艺相似。在工序5C中，使用类似于工序2A的 工艺来使复合基极层504的前表面和背表面纹理化。在工序加中，使用类似于工序2B的工艺 来形成前纯化/隧穿层506和背纯化/隧穿层508。在工序5E中，使用类似于工序2C的工艺在 前纯化/隧穿层506的顶部上沉积发射极层510。在工序5F中，使用类似于工序2D的工艺在背 纯化/隧穿层508的表面上沉积BSF层512。在工序5G中，使用类似于工序2E的工艺在发射极 层510的顶部上沉积前TCO层514。在工序5H中，使用类似于工序2F的工艺在BSF层512的表面 上沉积背TCO层516。在工序51中，使用类似于工序2G的工艺来形成前电极518和背电极520。
[0087] 制造方法V
[0088] 图6提供了示出依据本发明实施例的隧穿结太阳能电池的制造工艺的图。除W下 内容之外，该制造工艺类似于图2中所示的工艺:在背隧穿/纯化层的表面上形成发射极层 (其具有与基极层渗杂类型相反的渗杂类型），在前隧穿/纯化层的表面上形成前表面电场 (FS巧层(其具有与基极层渗杂类型相同的渗杂类型）。
[0089] 在工序6A中，使用类似于工序2A的工艺来制备SG-Si衬底600。
[0090] 在工序6B中，使用类似于工序2B的工艺来形成前纯化/隧穿层602和背纯化/隧穿 层604。
[0091] 在工序6C中，使用类似于工序2D的工艺在前纯化/隧穿层602的顶部表面上沉积 FSF层606 dFSF层606的渗杂类型与衬底600的渗杂类型相同。
[0092] 在工序抓中，使用类似于工序2C的工艺在背纯化/隧穿层604的表面上沉积发射极 层608。发射极层608的渗杂类型与衬底600的渗杂类型相反。注意，发射极层608在太阳能电 池的背离入射太阳光的背侧上。
[0093] 在工序6E中，使用类似于工序2E的工艺在FSF层606的顶部上沉积前TCO层610。在 工序6F中，使用类似于工序2F的工艺在发射极层608的表面上沉积背TCO层612。在工序6G 中，使用类似于工序2G中使用的工艺来形成前电极614和背电极616。
[0094] 注意，在图6中使用的工艺还可W与图3至图5中使用的工艺结合使用W制造太阳 能电池，该太阳能电池的发射极在太阳能电池背侧并背离入射太阳光，并且该太阳能电池 的FSF层在其前侧。
[0095] 所呈现的对各种实施例的在前描述仅用于示例和说明的目的。它们无意于是穷尽 性的或是将本发明限制于已公开的形式。因此，对于本领域从业者而言，许多修改和变化是 明显的。此外，上面的公开内容无意于限制本发明。
【主权项】
1. 一种基于隧穿结的太阳能电池的制造方法，包括： 获取用于太阳能电池的基极层； 同时形成基本上覆盖所述基极层的整个前表面的前侧量子隧穿势皇(QTB)层和基本上 覆盖所述基极层的整个背表面的背侧量子隧穿势皇层； 形成在所述背侧量子隧穿势皇层上的发射极层； 形成在所述前侧量子隧穿势皇层上的前表面电场(FSF)层； 形成在所述前表面电场层上的前侧电极；以及 形成在所述发射极层上的背侧电极。2. 根据权利要求1的方法，其中所述基极层包括以下项中至少一项： 单晶娃晶圆；以及 外延生长晶态Si(c-Si)薄膜。3. 根据权利要求2的方法，其中调节所述外延生长晶态Si薄膜的掺杂分布。4. 根据权利要求1的方法，其中所述基极层包括基本上位于所述基极层中部的本征Si 薄层，并且其中所述本征Si层的厚度位于lnm和10nm之间。5. 根据权利要求1的方法，其中所述前侧量子隧穿势皇层和所述背侧量子隧穿势皇层 中的每个量子隧穿势皇层包括以下项中至少一项： 氧化娃(SiOx); 加氢SiOx; 氮化硅(SiNx); 加氢SiNx; 氧化错(AlOx); 氮氧化硅(SiON);以及 加氢SiON。6. 根据权利要求5的方法，其中所述前侧量子隧穿势皇层和所述背侧量子隧穿势皇层 中的每个量子隧穿势皇层包括SiOx或加氢SiO x，其中X小于2。7. 根据权利要求1的方法，其中所述前侧量子隧穿势皇层和所述背侧量子隧穿势皇层 中的每个量子隧穿势皇层的厚度位于1埃和50埃之间。8. 根据权利要求1的方法，其中使用以下技术中至少一项来形成所述前侧量子隧穿势 皇层和所述背侧量子隧穿势皇层中的每个量子隧穿势皇层： 热氧化； 原子层沉积； 湿式氧化或蒸汽氧化； 低压自由基氧化；以及 等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。9. 根据权利要求1的方法，还包括在所述发射极层、所述前表面电场层或这两者上形成 透明导电氧化物(TC0)层。10. 根据权利要求1的方法，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括无定形Si (a-Si)〇11. 根据权利要求10的方法，其中所述发射极层包括掺碳无定形Si。12. 根据权利要求10的方法，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括未掺杂无 定形Si。13. 根据权利要求10的方法，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括缓变掺杂 无定形Si(a-Si)。14. 根据权利要求13的方法，其中所述缓变掺杂无定形Si的掺杂浓度在1 X 1015/cm3至5 X 1020/cm3之间。15. 根据权利要求13的方法，其中用于所述缓变掺杂无定形Si的η型掺杂剂包括磷，并 且其中用于缓变掺杂无定形Si的ρ型掺杂剂包括硼。16. 根据权利要求1的方法，其中所述基极层的η型施主或p型受主掺杂浓度在IX 1014/ cm3至 1 X 1018/cm3之间。17. 根据权利要求16的方法，其中所述发射极层的掺杂类型与所述基极层的掺杂类型 相反，并且其中所述前表面电场层的掺杂类型与所述基极层的掺杂类型相同。18. -种基于隧穿结的太阳能电池，包括： 基极层； 基本上覆盖所述基极层的整个前表面的前侧量子隧穿势皇(QTB)层； 基本上覆盖所述基极层的整个背表面的背侧量子隧穿势皇层； 发射极层，位于所述背侧量子隧穿势皇层之下； 前表面电场(FSF)层，位于所述前侧量子隧穿势皇层之上； 前侧电极，位于所述前表面电场层之上；以及 背侧电极，位于所述发射极层之下。19. 根据权利要求18的太阳能电池，其中所述基极层包括以下项中至少一项： 单晶娃晶圆；以及 外延生长晶态Si(c-Si)薄膜。20. 根据权利要求19的太阳能电池，其中调节所述外延生长晶态Si薄膜的掺杂分布。21. 根据权利要求18的太阳能电池，其中所述基极层包括基本上位于所述基极层中部 的本征Si薄层，并且其中所述本征Si层的厚度位于lnm和10nm之间。22. 根据权利要求18的太阳能电池，其中所述前侧量子隧穿势皇层和所述背侧量子隧 穿势皇层中的每个量子隧穿势皇层包括以下项中至少一项： 氧化娃(SiOx); 加氢SiOx; 氮化硅(SiNx); 加氢SiNx; 氧化错(AlOx); 氮氧化硅(SiON);以及 加氢SiON。23. 根据权利要求22的太阳能电池，其中所述前侧量子隧穿势皇层和所述背侧量子隧 穿势皇层中的每个量子隧穿势皇层包括SiOx或加氢SiO x，其中X小于2。24. 根据权利要求18的太阳能电池，其中所述前侧量子隧穿势皇层和所述背侧量子隧 穿势皇层中的每个量子隧穿势皇层的厚度位于1埃和50埃之间。25. 根据权利要求18的太阳能电池，其中使用以下技术中至少一项来形成所述前侧量 子隧穿势皇层和所述背侧量子隧穿势皇层中的每个量子隧穿势皇层： 热氧化； 原子层沉积； 湿式氧化或蒸汽氧化； 低压自由基氧化；以及 等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。26. 根据权利要求18的太阳能电池，还包括在所述发射极层、所述前表面电场层或这两 者的顶部上的透明导电氧化物(TCO)层。27. 根据权利要求18的太阳能电池，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括无 定形Si(a-Si)。28. 根据权利要求27的太阳能电池，其中所述发射极层包括掺碳无定形Si。29. 根据权利要求27的太阳能电池，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括未 掺杂无定形Si。30. 根据权利要求27的太阳能电池，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括缓 变掺杂无定形Si(a-Si)。31. 根据权利要求30的太阳能电池，其中所述缓变掺杂无定形Si的掺杂浓度在IX 1015/ cm3至5 X 1020/cm3之间。32. 根据权利要求30的太阳能电池，其中用于所述缓变掺杂无定形Si的η型掺杂剂包括 磷，并且其中用于缓变掺杂无定形Si的ρ型掺杂剂包括硼。33. 根据权利要求18的太阳能电池，其中所述基极层的η型施主或p型受主掺杂浓度在1 X 1014/cm3至1 X 1018/cm3之间。34. 根据权利要求33的太阳能电池，其中所述发射极层的掺杂类型与所述基极层的掺 杂类型相反，并且其中所述前表面电场层的掺杂类型与所述基极层的掺杂类型相同。
【文档编号】H01L31/18GK105845769SQ201610177605
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2011年5月4日
【发明人】J·B·衡, 游晨涛, 徐征, 傅建明
【申请人】光城公司