CN101084582A - 制作光电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制作光电池的方法，其中至少一层半导体材料连续地沉积在碳带(10)上以形成复合带(20)，所述层具有与接触碳带的其表面相对的自由表面(22、24)。根据本发明，在消除碳带(10)之前，至少一种处理(28)从所述自由表面(22，24)施加到所述半导体材料层，从而在所述层上实现所述电池的光电功能。本发明可以提高制作具有非常小的厚度的光电池的产率。
Description
技术领域
本发明提供在半导体材料特别是硅的带或条上制作光电池的方法。
背景技术
为了更大规模地制作光电池，且特别是对于太阳能面板，一种解决方案包括使用在两面上分别覆盖有多晶硅层的碳带组成的复合带。该碳带连续地，优选垂直地经过熔融硅浴液。离开浴液时，带的两面覆盖有相对薄的硅层。这产生了复合硅-碳-硅带。这种方法已知为“基板上带生长(ribbongrowth on substrate，RGS)”，并在多个专利中描述，例如FR2386359、FR2550965和FR2568490。该方法可以用于获得厚度小至50微米(μm)的硅层。然而，这些薄层脆，因此难以处理。这就是按照此方式制作的层通常厚度大于150μm的原因。
复合带切割成小尺寸的复合片(例如12.5厘米(cm)×12.5cm)。这些片随后在含氧气的气体内加热至接近1000℃的温度，从而烧掉该碳带。成为“烧掉”的这个操作例如描述于专利FR2529189。从各个复合片开始，这产生具有与复合片相同尺寸的两个薄硅片，即，具有小的尺寸。之后，硅片经历导致实现光电池的各种处理，这些处理视待制作的电池的类型而不同。一般而言，在烧掉之后，还原前和后表面，通过在至少一个表面上扩散前驱体而形成结，在前表面上沉积抗反射层，并沉积电学接触。
这种片制作方法是一种不连续的方法，非常适于制作相对厚的小尺寸的片(厚度大于150μm)，且该方法可以很好地结合到目前的技术内以制作由结晶硅片制成的光电池。
然而，为了使得通过使用结晶硅技术来获得光电性经济上有吸引力，期望提供非常薄(厚度位于30μm至100μm的范围)并呈现高的光电转换效率的光电池。
在这种情况下，上述方法面临的严重问题为如何操纵厚度小于150μm的薄片。对由于薄且存在高水平残余应力而变脆的这些大尺寸的片所执行的，以及以高速度产出(大于每小时1000单位)所执行的多次操纵导致制作产率显著降低。
发明内容
本发明提出了一种制作光电池的方法，其可以减小制作成本，提高电池的制作产率，并获得较长长度的电池。该方法尤其有利于实现范围为30μm至100μm的非常小厚度的电池，但是也适用于更大的厚度。
更具体而言，本发明涉及一种制作光电池的方法，其中至少一层半导体材料连续地沉积在碳带上以形成复合带，所述层具有与碳带接触的其表面相对的自由表面。在该方法中，在消除碳带之前，将至少一种处理从其自由表面施加到该半导体材料层，从而实现所述电池的光电功能。
在一种实施中，该处理包括通过在所述自由表面上沉积前驱体材料而形成多个接触区域(形成电池的基极)，该表面构成所述电池的后表面，所述前驱体材料包括保持所述半导体材料的n或p掺杂类型的掺杂剂元素，例如硼或磷。
在另一种实施中，该处理包括通过在所述自由表面上沉积前驱体材料而形成多个结区域(以形成电池的发射极)，该表面构成所述电池的后表面，所述前驱体材料包括改变所述半导体材料的掺杂类型的掺杂剂元素，例如硼或磷。该处理包括例如通过在该自由表面上沉积氧化材料而形成多个区域，从而将所述接触区域(基极)与所述结区域(发射极)电学绝缘。
在另一种实施中，该处理包括通过在该自由表面上沉积前驱体材料而形成多个结区域，该表面构成所述电池的前表面，所述前驱体材料包括改变该半导体材料的掺杂类型的掺杂剂元素，例如硼或磷。
在另一种实施中，该处理包括例如通过激光在该半导体材料层内基本上与所述自由表面垂直地刺穿成孔，该孔穿过该半导体材料层。
在另一种实施中，该处理包括例如通过激光消融(laser ablation)、通过喷水辅助的激光消融、或者通过等离子体清洗，消融覆盖该复合带侧面的半导体材料。
该碳带在执行至少一个上述处理之后优选地通过烧掉而消除。该掺杂剂可以在烧掉该碳带期间从所述前驱体材料扩散到该半导体材料内。
所有或某些上述处理可以连续地执行。备选地，该复合带可以切割以形成较长长度的复合条，这些处理施加到所述复合条(即，在消除该碳带之前)。举例而言，所述复合条的长度范围为1.0米(m)至4.50m。
在该方法的一个实施中，通过消除从该复合带切割得到的复合条的碳而得到较长长度的半导体材料条，且至少一个下述操作在所述半导体材料条上执行：织构化该光电池的前表面；实现结区域；在该电池的前表面上沉积抗反射层；在该电池的前和后表面上沉积电学接触。
该半导体材料优选为硅。举例而言，如果期望提高p型掺杂，则该前驱体是基于填充有硼(有时具有附加的铝)的氧化物，或者如果期望提高n型掺杂，则是基于填充有磷的氧化物。复合带有利地通过RGS方法制作，该带有利地在该碳带的每一侧上具有两个半导体层，该两个半导体层的每一个具有施加该处理的自由表面。
附图说明
通过对给出为非限制性示例的多个实施的下述描述，并参考附图，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，附图中：
图1(唯一的图)为示出了本发明的变型实施的图示。
具体实施方式
图1所示的实施利用获得厚度范围为250μm至50μm的多晶硅薄片的RGS方法。在该方法中，约220μm厚且12.5cm宽的碳带10连续地垂直穿过包含在牵引结构14内的熔融硅浴液12。在该碳带离开硅浴液的位置的该浴液表面，两个多晶硅层16和18沉积并附着到碳带10的两个表面。这些硅层的厚度具体而言取决于该带穿过浴液的速度，当速度增大时厚度减小。举例而言，在接近10厘米每分钟(cm/min)的穿过速度时可以获得小于或等于80μm的厚度。在该浴液的出口获得复合带20，该复合带是由围绕碳带的两个硅薄层16和18组成。层16具有与碳带10接触的一个表面以及为“自由”表面的相对表面22。类似地，层18具有与碳带10接触的一个表面以及构成“自由”表面的相对表面24。
在本发明中，在将硅层与碳带分离之前，将一个或多个处理直接施加到该复合带，这些处理从两个硅层的每一个的自由表面22、24起作用。在离开牵引结构14时，复合带(硅-碳-硅)因此不再切割成为随后被分别处理以制作光电池单个片。相反，在本发明中，在复合带20上或者在较长长度的复合条上执行尽可能多的制作最终光电池所需的操作，利用了该碳带提供的支撑。
在离开牵引结构时本发明存在两个可能的变型实施。
在第一变型中，这些处理在复合带上连续地执行，依次布置最大数目的操作直至消除碳带的阶段。在牵引结构14的出口，复合带20通过滚筒26偏转90°，从而从垂直位置转到水平位置。只有如果复合带20柔软得足以能够偏转而不受损伤，且因此如果硅层厚度小例如小于或等于100μm，则该变型是可能的。
然而，在弯曲该带之前，该变型意味着从复合带的侧面消除该硅沉积，从而将带的曲率半径减小到实践可接受的值，例如小于约0.5m。可以通过激光消融、通过喷水辅助的激光消融、通过等离子体、或者任意其他合适的解决方案，执行该处理。在所有情形下，碳带的边缘表面保持裸露。在其他变型实施中也执行该操作，但是该操作可以在制作工艺的稍后阶段执行，然而最迟必须在消除碳带之前完成该操作。通过在整个弯曲长度上，特别是在切割边缘表面附近涂敷可除去的聚合物膜，由此可以进一步减小该带的曲率半径，其中该聚合物膜附着到带的外表面(被伸长的表面)。在偏转之后，该复合带传送到腔体28，在此经历连续的各种处理。
在第一变型实施中，该复合带切割成较长长度L的条36，L的范围通常为1.0m至4.5m。该变型非常适用于更大厚度的硅，通常大于100μm至150μm，尤其是厚度接近200μm。当从一个与另一个处理平台的最佳处理速度不相互兼容时，或者将引起该方法的总体产率的损耗时，也选择这种变型实施。复合条36可能来自并行工作的多个牵引结构14，这些复合条随后置于腔体28内以在腔体内被处理。
在腔体28内，在消除碳带之前，复合带20或较长长度L的复合条36的硅层经历通过其自由表面22和24起作用的一个或多个常规处理，从而实现电池的光电功能。该自由表面将构成电池的前或后表面，取决于所施加的处理。这些处理的目的是形成结区域与/或接触区域与/或用于电学绝缘前述区域的区域。该结和接触区域例如由沉积在自由表面预定位置上的承载掺杂剂元素的前驱体材料形成。当将制成的电池是金属化穿孔(metallization wrapthrough，MWT)类型时为了提供光电池前表面上结区域和后表面上结区域之间的电学连接，与/或为了改善消除碳带的后续步骤，还可以通过激光刺穿硅层而形成贯穿这些层的孔。在形成结区域之前制成这些孔。
应该注意到，在这些处理期间，碳带不仅作为支撑，还用做扩散阻挡。
下述操作包括同时消除碳带并将掺杂剂从前驱体扩散到半导体材料内。为此，复合带20连续地穿透到明炉(open oven)30内。备选地，复合带可以在腔体28出口切割成较长长度的条，例如长度范围为1.5m至4.5m。这些条，以及另外可能的来自腔体28的条36在炉30内聚集在一起，从而在炉30内经历批量处理，由此降低成本。带连续地传输经过炉30时，从碳带的侧面(硅沉积已清除)开始，可选地从通孔(对于MWT结构已经存在)开始，在高温(接近1000℃)下通过氧化消除碳带。在这种消除碳带的方法中，硅层被分离以产生自支撑硅条38。烧掉炉30内的温度分布、其长度、以及复合带20或复合条36传输时的移动速度被优化，从而优化在腔体28内沉积的金属接触和结区域内掺杂剂的扩散，且从而以令人满意的速度获得碳带的烧掉。在所有情况下，带的宽度、扩散前驱体膜的掺杂剂成分、以及烧掉的持续时间和温度是独立参数，这些参数在考虑该方法的产率以及光电池的转换效率的整体背景下进行优化。
在烧掉之后，硅条38是连续的元件(在该连续方法中)，例如约一百米长，或者为几米长的硅条。这些条是柔软的并适于在完成光电池制作的所有后续操作中卷绕和展开。这些操作使用矩形32象征性表示，且这些操作是常规的且为本领域技术人员所公知。传统上对小尺寸的片执行这些操作，而在本发明中，是对较长长度的条执行这些操作。这些操作包括(例如使用常压等离子体)还原硅条的与其自由表面相对的表面，通过扩散在所述表面上制作n+/p或p+/n结(针对常规光电池，也针对MWT电池)与/或沉积SiNx钝化层，沉积电学接触(例如使用喷墨或丝网印刷技术)，以及最后的热处理。
长的硅条随后切割成期望尺寸的各个光电池(矩形34所代表的操作)。这些光电池可以是较长的长度，直至硅条长度的最大值。仅在置入模块内时才执行该切割操作。
下面描述连续处理的两个示例，假设来自牵引结构14的复合硅-碳-硅带20已经切割成较长长度L例如接近2m的复合条。
示例1
本示例涉及一种常规硅光电池结构，从前表面开始朝电池后表面包括下述连续元件：电学接触；抗反射层；结或发射极层(p掺杂硅的n+/p，或者n掺杂硅的p+/n)；硅层；后接触区域或基极(其对于p掺杂硅而言实际上为p+/p结，或者对于n掺杂硅而言为n+/n结)；以及电学接触。一般而言，对于这种类型的电池，上面定义的接触区域总是置于后表面(基极)上，并具有与硅相同的n或p掺杂类型，且结区域掺杂了与硅掺杂类型相对的类型。这种结构的厚度通常为200μm。
在形成光电池后表面的复合条两个自由表面上，涂敷前驱体材料以形成多个接触区域。举例而言，如果期望提高p型掺杂，则该前驱体是基于填充有硼的氧化物(有时包含铝)，或者如果期望提高n型掺杂，则是基于填充有磷的氧化物。在沉积该前驱体材料之前或之后，通过激光除去覆盖复合条侧面的硅。为了有利于烧掉碳的后续步骤，可选地刺穿硅层以形成孔。
随后，该复合条经过一个炉，首先是出于通过烧掉而消除碳带的目的，由此获得长的硅条，其次出于将掺杂剂从前驱体扩散到硅内的目的，从而形成p+/p或者n+/n接触。
随后，使用气体扩散或者填充有磷或硼的前驱体，在将成为电池前表面的表面上的长硅条上形成多个n+/p或者p+/n结，这些表面预先已经被还原(例如，通过在常压下等离子体处理)。该前和后表面被还原，且抗反射层沉积在前表面上，电学接触沉积在前和后表面上(例如通过喷墨或丝网印刷)，该接触退火，条切割为期望尺寸(激光切割或者部分切割随后解理)，且这些电池被封装。
示例2
本示例涉及非常适用于例如小于200μm的小厚度硅的MWT类型的光电池结构。该结构在其前表面上不仅具有抗反射层，还具有窄导线，如果硅为p型则该导线沉积在n+/p结区域(电池发射极)上，如果硅为n型则该导线沉积在p+/n结区域上。在电池后表面上，如果硅为p型，则与前表面上的结相同的结区域与p+/p接触区域(类似于常规电池的基极)交替，如果硅为n型，则该结区域与n+/n接触区域交替。被称为发射极和基极的结区域和接触区域通过电学绝缘区域或“沟槽”(氧化区域)分离。通孔提供了前表面上的结与后表面上的结之间的电学连接，该通孔的壁的掺杂与电池前表面的结区域相似。在通过通孔到达后表面之后，是后表面的结被用作发射极的电学接触。
在将成为电池后表面的复合条自由表面上，沉积基于硼氧化物的前驱体材料，从而可能在整个自由表面上形成基极的p+/p接触区域(当使用p型硅时)。之后，通过激光消融或通过任何其他技术清洗表面，从而仅在期望形成基极接触区域的位置留下前驱体。之后，例如在包括先前清洗的区域的整个自由表面上，沉积SiOx氧化物膜。在所述区域内，n+/p结区域和绝缘区域随后形成(重复发射极)。为此，在第二蚀刻操作中，例如通过激光消融或任何其他技术，SiOx层在将接收该n+/p结区域的仅部分的该自由表面上被消除(重复发射极)。之后，孔刺穿所述n+/p结区域内的硅层。n+/p区域和孔的壁随后覆盖有基于磷氧化物(n+)的前驱体材料，例如通过气溶胶沉积。在该阶段，p+/p接触区域(覆盖有SiOx)、n+/p结区域、以及覆盖有将接触区域与结区域绝缘的SiOx的区域全部制成。用于制作基极的结区域和接触区域的技术不是穷举的。还可以采用通过丝网印刷沉积前驱体的技术。沉积在复合条边缘上的硅被消除。
之后，碳带在炉内被烧掉，由此分离各个复合条的两个硅层。高温也用于致使掺杂剂从前驱体扩散到硅内，从而完成结和接触的制作。如果前驱体通过丝网印刷沉积，该步骤用于氧化和钝化在自由表面上物理分离基极和接触区域的区域。随后对较长长度的硅条执行下述步骤。
电池的前表面(面向碳的表面)被还原且可能被织构化，从而提高电池的效率。在该表面上制作结区域之后，抗反射层也沉积在前表面上。电学接触随后制作于前表面上(发射极)和后表面上(发射极重复和基极交替)。如此安装的硅条最终切割成光电池期望的尺寸并封装。
本发明具有许多优点。首先，由于复合带内存在碳带所产生的优点为：
在碳基板的各个相对表面上连续沉积平面硅膜，其厚度在300μm至50μm的范围内可调；
如果硅膜厚度小，则离开牵引结构的复合带是柔软的；
与碳接触的硅膜的表面一直受保护，直到这些膜与碳带分离；以及
容易织构化与碳容易接触的膜的表面。
此外，与常规方法相反，本发明通过使用较长长度的条实现连续或准连续的适于自动化的制作方法，降低了制作薄或厚光电池的成本，而在常规方法中，对在许多场合下需要操纵的小尺寸的片执行了各种操作。与常规方法相比，非常薄光电池的制作产率更高，特别是因为存在碳带，其对于在烧掉操作之前执行的处理用作支撑，因为该支撑降低了破裂的风险。
还可以获得具有与光电模块尺寸匹配的较长长度，柔软的，且在其后表面上具有共面接触的光电池。这种薄电池可选地可以弯曲。电池的光电转换效率较常规电池高，因为硅层的厚度小，并因为有可能制作相互交叉背接触(IBC)型电池，其接触交织并贯穿到后表面(电池的前表面无任何电学接触，使得前表面的整个区域用于接收入射光)。
所述实施例利用了通过RGS方法获得的复合带。对于本领域技术人员显而易见的是，首先，可以在碳带上沉积仅单一硅层；其次，可选地使用例如气相沉积的其他方法，使得能够获得较长长度(例如30cm)的(可选地连续的)并沉积在例如碳带的基板上的薄硅层，该碳带可以容易地被消除。类似地，所给出的示例涉及薄硅层。从熔融浴液在碳基板上水平牵引可以为用于在单个表面上沉积相对厚(200μm以上)的硅层的方法的另一个示例。可以使用其他半导体材料而不超出本发明的范围，只要这些半导体材料可以以大尺寸薄层的形式获得且提高光电效应。
Claims (20)
1.一种制作光电池的方法，其中至少一层半导体材料连续地沉积在碳带(10)上以形成复合带(20)，所述层具有与接触碳带的其表面相对的自由表面(22、24)，该方法的特征在于包括，在消除所述碳带(10)之前，至少一种处理(28)从所述自由表面(22、24)施加到所述半导体材料层，从而在所述层上实现所述电池的光电功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理包括通过在所述自由表面(22、24)上沉积前驱体材料而形成多个接触区域，该表面构成所述电池的后表面，所述前驱体材料包括保持所述半导体材料的n或p掺杂类型的掺杂剂元素。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述处理包括通过在所述自由表面(22、24)上沉积前驱体材料而形成多个结区域，该自由表面构成所述电池的后表面，所述前驱体材料包括改变所述半导体材料的掺杂类型的掺杂剂元素。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述处理包括形成多个区域，该多个区域将所述接触区域与所述结区域电学绝缘。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述绝缘区域是通过在所述自由表面(22、24)上沉积氧化材料而形成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理包括通过在所述自由表面(22、24)上沉积前驱体材料而形成多个结区域，该自由表面构成所述电池的前表面，所述前驱体材料包括改变该半导体材料的掺杂类型的掺杂剂元素。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述处理包括在所述半导体材料层内基本上与所述自由表面(22、24)垂直地刺穿成孔，所述孔穿过所述半导体材料的层(16、18)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过激光执行所述刺穿。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述处理包括消融覆盖所述复合带侧面的半导体材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述半导体材料通过下述方法之一除去：激光消融、喷水辅助的激光消融、等离子体消融。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳带(10)在执行权利要求2至10中至少一个定义的所述处理(28)之后通过烧掉而消除。
12.根据权利要求11以及权利要求2、3和6中任意一项所述的方法，其特征在于，在烧掉所述碳带期间实现所述前驱体的掺杂剂扩散到所述半导体材料内。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述处理连续地执行。
14.根据权利要求1至12任意一项所述的方法，其特征在于，所述复合带(10)切割以形成较长长度(L)的复合条(36、38)，所述处理施加到所述复合条
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述条的长度范围为1.0m至4.50m。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，通过从所述复合带(36、38)消除碳来得到较长长度的半导体材料条，且至少一个下述操作在所述半导体材料条上执行：织构化所述光电池的前表面；实现结区域；在所述电池的前表面上沉积抗反射层；在所述电池的前和后表面上沉积电学接触。
17.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述半导体材料为硅。
18.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述复合带(20)通过RGS方法制作，所述带于是包括围绕所述碳带(10)的两个半导体材料层(16、18)，所述半导体层的每一个具有被施加所述处理的自由表面(22、24)。
19.根据权利要求2、3和6中任意一项所述的方法，其特征在于，如果期望提高p型掺杂，则所述前驱体材料是基于填充有硼的氧化物，或者如果期望提高n型掺杂，则是基于填充有磷的氧化物。
20.一种半导体产品，其特征在于，所述半导体产品是通过使用前述权利要求任意一项所定义的方法获得。
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