КОНТАКТИРУЮЩИЙ ЗАДНЕЙ СТОРОНОЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТАКОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2024 года по МПК H01L31/224 H01L31/18 

Изобретение относится к солнечному элементу и способу изготовления солнечного элемента.

Как известно, солнечные элементы служат в качестве фотоэлектрических элементов для преобразования света в электрическую энергию. Пары носителей заряда, которые создаются при поглощении света в полупроводниковой подложке, разделяются на переходе между эмиттерной областью, которая имеет первый тип легирования, например n-типа или р-типа для генерации первой полярности, и базовой областью, которая имеет противоположный тип легирования для генерации второй полярности. Через эмиттерные контакты, которые контактируют с эмиттерной область, и базовые контакты, которые контактируют с базовой областью, созданные таким образом и разделенные пары носителей заряда могут подводиться к внешней электрической цепи.

Известны солнечные элементы, у которых контакты одной полярности расположены на передней стороне, а контакты обратной полярности расположены на задней стороне. Передней стороной называется обращенная к солнцу сторона, задней стороной называется соответственно обращенная от солнца сторона. Чтобы минимизировать потери, которые являются следствием затенения посредством расположенных на передней стороне контактов, и за счет этого повысить коэффициент полезного действия, были разработаны солнечные элементы с контактами на задней стороне, у которых оба типа контактов, то есть эмиттерные контакты и базовые контакты, расположены на задней стороне полупроводниковой подложки.

Контактирующие задней стороной солнечные элементы известны, например, из US 2020/279968 A1, US 2014/096821 A1, US 2014/338747 A1, CN 209 087 883 U и US 2017/117433 A1.

Электроды обеих полярностей располагаются лежащими рядом друг с другом на задней стороне солнечного элемента. Следовательно, сгенерированные носители заряда также должны перемещаться в солнечном элементе в боковом направлении. Чтобы минимизировать омические потери за счет этого бокового протекания тока и предотвратить, что свободные носители заряда рекомбинируют, прежде чем они достигнут электродов, электроды обеих полярностей должны располагаться как можно близко друг к другу. Поскольку электроды в зависимости от полярности соединены с кремнием р-типа или n-типа, также и p-n-переходы располагаются как можно близко друг к другу, р-n-переходы, мелкие, гребнеобразные структуры с разрешение менее 500 пм, могут быть реализованы, например, посредством облучения лазером. В этом процессе пульсирующий лазерный луч загоняет два разных легирующих материала, например бор и фосфор, за счет разделенного по времени и месту расплавления поверхности локально в кремний и создает в зависимости от легирующего материала высокое легирование или р-типа, или n-типа. Это раскрыто, например, в DE 10 2013 219 56 А1. Такие мелкие структуры делают возможными низкие внутренние последовательные сопротивления и коэффициенты полезного действия η до η=24%. Более высокие коэффициенты полезного действия по существу ограничиваются за счет механизмов рекомбинации в базе, а также на высоколегированных контактирующих и не контактирующих поверхностях. Рекомбинация в базе зависит от качества подложки, и на нее в дальнейшем процессе изготовления солнечного элемента может оказываться лишь небольшое влияние. Рекомбинация на высоколегированных поверхностях n-типа и р-типа в не контактирующих областях при хорошей пассивации поверхности, например с помощью аморфного гидрогенизированного кремния, ограничивается оже-рекомбинацией, которая повышается с увеличением концентрации легирующего материала. В контактирующей области кремний находится в контакте с металлом, что имеет следствием высокую рекомбинацию на поверхности раздела. В процессе изготовления солнечного элемента оже-рекомбинация на не контактирующих поверхностях может уменьшаться, если там в кремнии находится как можно меньше легирующего материала, в то время как рекомбинация на поверхности раздела на контактах металл/кремний может уменьшаться за счет как можно малой поверхности контакта. Впрочем, простое уменьшение количества легирующего вещества и контактных поверхностей имеет следствием повышение последовательного сопротивления, которое тогда становится лимитирующим фактором для коэффициента полезного действия.

По этой причине используются пассивированные или также селективные контакты, например, известные из DE 10 2013 219 564 А1 или WO 2014/100004 A1. При этом металлические электроды не соединены непосредственно с кристаллической базой, а отделены тонким туннельным оксидом, который пассивирует поверхность кремния, но одновременно является настолько тонким, что электроны в зависимости от полярности или могут туннелировать через оксид от полупроводника в электрод или от электрода в полупроводник. Чтобы электроны побудить к туннелированию, на слое туннельного оксида должно находиться электрическое поле. Электрическое поле может генерироваться на туннельном оксиде посредством высоколегированного кремния n-типа или р-типа. Поскольку легирование этого кремния над туннельным оксидом приводит к искривлению энергетических зон в кремнии под туннельным оксидом, более высокое легирование в кремниевой базе больше не требуется. На высоколегированном кремнии n-типа через туннельный оксид проходят только электроны, также называемые потоком электронов, в то время как на высоколегированном кремнии р-типа происходит так называемый дырочный поток: электроны поступают из высоколегированного кремния р-типа в кремниевую базу. Сами металлические электроды находятся лишь в электрическом и механическом контакте с высоколегированным кремнием n-типа или р-типа над туннельным оксидом. Избирательность высоколегированных областей кремния в комбинации с туннельным оксидом обеспечивает, в зависимости от легирования, транспортировку почти исключительно одного вида носителей заряда на поверхностях контакта металл/кремний и минимизирует рекомбинацию на поверхности раздела. Представленная структура дополнительно снижает оже-рекомбинацию на поверхности кремниевой базы в направлении туннельного оксида, так как на этой поверхности раздела высокое легирование для p-n-перехода или омического контакта с базой не требуется.

Контактирующие задней стороной солнечные элементы с пассивированными контактами достигали до сих пор рекордного коэффициента полезного действия η=26,7%. Однако изготовление таких элементов до сих пор было очень дорогостоящим, так как оба различно легированные избирательные контакты могли наноситься только с помощью дорогостоящих шагов маскирования и формирования структуры. При этом следует обращать внимание на высокую точность и высокое разрешение маскирования/формирования структуры. Расстояние между селективными контактами не должно быть слишком большим и не должно превышать длину диффузии свободных носителей заряда и также не должно приводить к повышению внутреннего последовательного сопротивления по причине бокового протекания тока в базе.

Эти недостатки будут преодолены посредством солнечного элемента согласно изобретению и способа изготовления такого солнечного элемента согласно изобретению. Одновременно посредством способа согласно изобретению становится возможным промышленное изготовление с низкими издержками производства.

Согласно изобретению предложен контактирующий задней стороной солнечный элемент по п. 1 формулы изобретения. Контактирующий задней стороной солнечный элемент включает в себя полупроводниковую подложку, прежде всего кремниевую пластину, включающую в себя переднюю сторону и заднюю сторону, причем солнечный элемент на задней стороне включает в себя электроды первой полярности и электроды второй полярности, предлагается, что электроды первой полярности располагаются на высоколегированном слое кремния первой полярности, причем высоколегированный слой кремния располагается на расположенном на полупроводниковой подложке пассивирующем слое, и электроды второй полярности через высоколегированные базовые области второй полярности полупроводниковой подложки электрически и механически непосредственно контактируют с полупроводниковой подложкой.

Итак, для электродов первой полярности и для электродов второй полярности предлагается использовать различную концепцию контактирования, так что у предлагаемого согласно изобретению контактирующего задней стороной солнечного элемента комбинируются обе концепции контактирования. Для электродов первой полярности предлагается, что они контактируют с высоколегированным слоем кремния, который осажден на пассивирующий слой, также называемый туннельным слоем. Для электродов второй полярности предлагается, что они непосредственно контактируют с полупроводниковой подложкой. Это требует при изготовлении маскирования и демаскирования.

Предусмотрено, что высоколегированные базовые области второй полярности выполнены внутри легированных базовых областей второй полярности на задней стороне солнечного элемента, причем концентрация легирующего вещества в высоколегированных базовых областях выше, чем концентрация легирующего вещества в легированных базовых областях, и причем концентрация легирующего вещества в высоколегированных базовых областях выше, чем концентрация легирующего вещества в легированных областях на передней стороне солнечного элемента. Легированные области на задней стороне имеют концентрацию легирующего вещества на поверхности от 1×10¹⁷ см^-3 до 1×10¹⁹ см^-3. Легирование на всей передней стороне может также включать в себя концентрацию легирующего вещества на поверхности от 1×10¹⁷ см^-3 до 1×1019 см^-3. Концентрация легирующего вещества в высоколегированных базовых областях для базового контакта на поверхности лежит, предпочтительно, выше концентрации легирующего вещества в 2×10¹⁹ см^-3.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что на областях поверхности задней стороны, которые не контактируются посредством электродов первой полярности и посредством электродов второй полярности, расположен второй пассивирующий слой. При этом второй пассивирующий слой толще, чем первый пассивирующий слой. Область между двумя электродами разной полярности включает в себя области, в которых расположен второй пассивирующий слой и области, в которых расположена стопка слоев, включающая в себя первый и второй пассивирующий слой.

Итак, поверхность солнечного элемента согласно изобретению включает в себя следующие различно легированные области:

- высоколегированный поликристаллический слой кремния первой полярности на задней стороне солнечного элемента на расположенном на полупроводниковой подложке первом пассивирующем слое, причем концентрация легирующего вещества высоколегированного в поликристаллическом слое кремния выше, чем концентрация легирующего вещества в базе,

- легированные монокристаллические базовые области второй полярности на задней стороне, причем концентрация легирующего вещества в легированных областях выше, чем концентрация легирующего вещества в базе,

- высоколегированные монокристаллические базовые области второй полярности внутри легированных базовых областей на задней стороне, причем концентрация легирующего вещества в этих высоколегированных базовых областях выше, чем концентрация легирующего вещества в базе и концентрация легирующего вещества легированных в базовых областях,

- легированную монокристаллическую поверхность первой или второй полярности на всей передней стороне, причем концентрация легирующего вещества в легированной поверхности выше, чем концентрация легирующего вещества в базе.

Другие варианты осуществления относятся к способу изготовления контактирующего задней стороной солнечного элемента согласно описанным выше вариантам осуществления.

Полупроводниковая подложка солнечного элемента включает в себя, прежде всего полированную или текстурированную, заднюю сторону и, прежде всего текстурированную, переднюю сторону. Текстурирование происходит посредством мокрохимического раствора. На поверхность передней стороны и/или на поверхность задней стороны наносят первый пассивирующий слой, прежде всего включающий в себя диоксид кремния. Первый пассивирующий слой имеет, например, толщину, предпочтительно, максимально 4 нм. Первый пассивирующий слой создают, например, в термическом или мокром химическом процессе или посредством осаждения.

Согласно одному варианту осуществления способ также включает в себя шаг осаждения, прежде всего покрывающего всю поверхность, высоколегированного слоя, кремния первой полярности на первый пассивирующий слой на задней стороне и/или на передней стороне. Осаждение высоколегированного слоя кремния первой полярности может происходить, например, посредством плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PECVD), атмосферного химического осаждения из газовой фазы (APCVD), химического осаждения из газовой фазы при низком давлении (LPCVD) или катодного распыления. Высоколегированный слой кремния первой полярности имеет толщину примерно от 50 нанометров до 400 нанометров. Концентрация легирующего вещества в высоколегированном слое кремния выше, чем концентрация легирующего вещества в полупроводниковой подложке. Осажденным непосредственно на месте легирующим веществом в слое кремния является, например, бор, алюминий или галлий.

Нанесение высоколегированного слоя кремния первой полярности может происходить вместо одного также в два шага. В этом случае сначала осаждают нелегированный кремний и затем вносят легирующее вещество. Внесение легирующего вещества происходит, например, посредством ионной имплантации или нанесения источника легирующего вещества и последующей прямой диффузии посредством термического процесса или лазерной диффузии.

В отношении легирующего вещества речь идет, например, о боре, алюминии или галлии. Диффузия может также происходить только в другой момент времени. Например, способ может также включать в себя последующий шаг введения другого легирующего вещества. В этом случае диффузия легирующего веществ может происходить одновременно с диффузией второго легирующего вещества в общем термическом процессе.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что на заднюю сторону наносят диэлектрический слой. Диэлектрический слой включает в себя, например, нитрид кремния, оксид кремния, карбид кремния или оксид алюминия. Диэлектрической слой служит в качестве так называемого диффузионного барьера против позднее нанесенного легирующего вещества, например фосфора, и обладает свойствами стойкости к травлению против подлежащего позднее нанесению мокрохимического раствора. Диэлектрический слой имеет, например, большую толщину, чем первый пассивирующий слой, предпочтительно толщину более 4 нм.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что посредством локального удаления диэлектрического слоя и высоколегированного слоя кремния первой полярности и первого пассивирующего слоя на задней стороне обнажают базовые области полупроводниковой подложки на задней стороне. Удаление отдельных слоев, по меньшей мере, частично происходит, например, посредством облучения лазером.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что в базовых областях полупроводниковой подложки на задней стороне локально удаляют часть полупроводниковой подложки. Это также может происходить посредством облучения лазером.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что обнажение базовых областей полупроводниковой подложки на задней стороне включает в себя травление высоколегированного слоя кремния первой полярности и/или первого пассивирующего слоя и/или части полупроводниковой подложки локально в базовых областях. Например, может быть предусмотрено, что мокрохимический раствор на ранее облученных лазером базовых областях травит высоколегированный слой кремния, первый пассивирующий слой и часть полупроводниковой подложки. Альтернативно, может быть предусмотрено, что мокрохимический раствор травит только высоколегированный слой кремния или только часть полупроводниковой подложки. В этом случае другие слои, например первый пассивирующий слой или высоколегированный слой кремния удаляют посредством облучения лазером. Предпочтительно, посредством мокрохимического раствора могут травить также осажденный в некоторых случаях на передней стороне полупроводниковой подложки высоколегированный слой кремния и/или осажденный на передней стороне полупроводниковой подложки пассивирующий слой.

Может быть предусмотрено, что травление включает в себя изотропное травление для полирования областей и/или что травление включает в себя анизотропное травление для текстурирования областей. Например, посредством изотропного травления с помощью мокрохимического раствора базовые области на задней стороне полируются. Альтернативно, посредством анизотропного травления с помощью мокрохимического раствора базовые области на задней стороне текстурируются. Может быть также предпочтительным, если посредством анизотропного травления с помощью мокрохимического травления текстурируется передняя сторона. Для удаления различных слоев и при необходимости текстурирования и/или полирования поверхностей могут использовать различные мокрохимические растворы.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что способ включает в себя шаг нанесения слоя-прекурсора, включающего в себя легирующее вещество, прежде всего фосфор, на задней стороне или на задней стороне и на передней стороне. Слой-прекурсор могут осаждать на передней стороне и на задней стороне в одном шаге способа или в разных шагах способа. Слои-прекурсоры на передней и задней стороне могут проявлять одинаковые или разные свойства. В отношении слоя-прекурсора речь идет о слое, включающем в себя легирующее вещество второй полярности, прежде всего слое фосфоросиликатного стекла (PSG). Слой-прекурсор наносят, прежде всего, на диэлектрический слой и, прежде всего, на мокрохимически травленые области на задней стороне и на передней стороне. Если в отношении высоколегированного слоя кремния первой полярности речь идет о слое кремния р-типа, то в отношении легирующего вещества в слое-прекурсоре для легирования кремния согласно второй полярности речь идет, например, о фосфоре. Для нанесения слоя-прекурсора могут, например, выполнять процесс диффузии в печи, при котором на ранее травленых областях на задней стороне и на передней стороне растет слой фосфоросиликатного стекла. В особых случаях слой PSG может расти также на диэлектрическом слое на задней стороне. Процесс диффузии в печи могут выполнять так, что после процесса диффузии в печи в слое фосфоросиликатного стекла содержится более высокая доля фосфора. В другом варианте осуществления слой-прекурсор, например PSG, могут осаждать посредством, например, PECVD, LPCVD или APCVD.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что посредством высокотемпературного шага, на котором легирующее вещество диффундирует из слоя-прекурсора в базовые области на задней стороне и/или в поверхность передней стороны, в базовых областях на задней стороне легирование повышается и/или на передней стороне создается легированная область. Легирующее вещество легирует базовые области на задней стороне согласно второй полярности, противоположной первой полярности высоколегированного слоя кремния, так что создаются легированные базовые области. Легированные базовые области на задней стороне содержат более высокую концентрацию легирующего вещества, чем концентрация легирующего вещества в полупроводниковой подложке. На задней стороне легирующее вещество не диффундирует из слоя-прекурсора в высоколегированный слой кремния, поскольку диэлектрический слой служит в качестве диффузионного барьера против легирующего вещества из слоя-прекурсора. На передней стороне посредством легирования поверхности согласно второй полярности создают легированную область на передней стороне. Концентрация легирующего вещества в легированной области на передней стороне выше, чем концентрация легирующего вещества в полупроводниковой подложке. В отношении высокотемпературного шага речь идет, например, о шаге диффузии в печи для нанесения слоя-прекурсора. Альтернативно, речь может идти также о дополнительном высокотемпературном шаге.

Высокотемпературный шаг могут выполнять, например, так, что только часть второго легирующего вещества диффундирует из слоя-прекурсора в базовые области на задней стороне.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что в базовых областях на задней стороне создают высоколегированную область за счет локального увеличения концентрации легирующего вещества, прежде всего, посредством облучения лазером. Посредством облучения лазером поверхность на задней стороне в облученных областях локально нагревается и расплавляется.

Другое легирующее вещество диффундирует из слоя-прекурсора в облучаемых областях в поверхность и дополнительно легирует после охлаждения и рекристаллизации облученную область согласно второй полярности, так что создаются высоколегированные базовые области. Концентрация легирующего вещества в высоколегированных базовых областях значительно выше, чем концентрация легирующего вещества в полупроводниковой подложке, выше, чем концентрация в легированных базовых областях, и выше, чем в легированной области на передней стороне. За счет создания высоколегированных базовых областей посредством облучения лазером на предшествующем шаге диффузии в печи может быть, предпочтительным образом, создано, прежде всего на передней стороне солнечного элемента, оптимизированное легирование. В идеале, передняя сторона легирована ниже, чем базовые области на задней стороне. Если передняя сторона и задняя сторона легируются в общем шаге процесса, то требуется компромисс легирования. Этот недостаток преодолевается посредством создания высоколегированных базовых областей на задней стороне посредством облучения лазером.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что способ включает в себя шаг удаления слоя-прекурсора, прежде всего фосфоросиликатного стекла, с передней стороны и/или с задней стороны. Удаление происходит, например, на мокрохимическом шаге очистки. Предпочтительно, посредством мокрохимического шага очистки или другого послехимического шага очистки с высоколегированного слоя кремния удаляют также оставшиеся остатки диэлектрического слоя.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что способ включает в себя шаг нанесения второго пассивирующего слоя на заднюю сторону и/или третьего пассивирующего слоя на переднюю сторону. Пассивирующий слой включает в себя, например, диоксид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия или стопку слоев из двух или более диэлектрических слоев. При этом толщина, коэффициент преломления и состав пассивирующего слоя на задней стороне могут отличаться от толщины, коэффициента преломления и состава пассивирующего слоя на передней стороне. Предпочтительно, толщины пассивирующих слоев оптимизированы так, что отражение на передней стороне уменьшается, а на задней стороне увеличивается. Второй и/или третий пассивирующий слой, предпочтительно, включает в себя большую толщину, чем первый пассивирующий слой. Толщина второго и/или третьего пассивирующего слоя составляет, предпочтительно, более 4 нм.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что способ включает в себя шаг селективного удаления второго пассивирующего слоя на задней стороне. Пассивирующий слой могут удалять локально, например, посредством облучения лазером.

Согласно одному варианту осуществления предусмотрено, что способ включает в себя шаг нанесения электродов первой полярности и электродов второй полярности на заднюю сторону солнечного элемента. Нанесение электродов может происходить, например, посредством трафаретной печати, напыления, распыления или гальванического осаждения одного или нескольких металлов или других электропроводящих слоев. Электроды могут включать в себя, например, серебряную пасту, серебряно-алюминиевую пасту, алюминиевую пасту или чистый алюминий, медь, олово, палладий, серебро, титан, никель или стопку слоев или сплавы названных металлов или другие электропроводящие слои, прежде всего, электропроводящие полимеры или оксиды или комбинацию таких слоев с металлами. Состав и процесс осаждения электродов может для электродов обеих полярностей различаться. Предпочтительно, электроды второй полярности контактируют только с высоколегированными базовыми областями, а не с легированными базовыми областями.

Также предметом данного изобретения является солнечный элемент и способ изготовления солнечного элемента, в котором описанные полярности соответственно включают в себя противоположные описанным полярностям полярности. Тогда солнечный элемент включает в себя, например, легированную базу р-типа, соответственно легированный эмиттер n-типа и снова легирование р-типа базы поверхностей.

Другие признаки, возможности применения и преимущества изобретения следуют из последующего описания примеров осуществления изобретения, которые представлены на фигурах чертежа. При этом все описанные или представленные признаки сами по себе или в любой комбинации образуют предмет изобретения независимо от их обобщения в пунктах формулы изобретения или ссылок на них, а также независимо от их формулирования или представления в описании или на чертеже.

На чертеже показано:

Фиг. 1 - схематический вид разреза солнечного элемента согласно изобретению, и

Фиг. 2А-2З - показывают солнечный элемент согласно фиг. 1 в разных шагах способа изготовления солнечного элемента.

На фиг. 1 показан разрез солнечного элемента 10 с полупроводниковой подложкой 12, прежде всего кремниевой пластиной, задней стороной 14 и обращенной при эксплуатации к солнцу передней стороной 16. Кремниевая пластина 12 может иметь легирование или n-типа или р-типа. Солнечный элемент 10 поясняется для примера со ссылкой на легирование n-типа кремниевой пластины 12, "базы".

Передняя сторона 16 солнечного элемента 10 является, предпочтительно, текстурированной. Задняя сторона 14 солнечного элемента 10 может быть, прежде всего в разных областях различно, полирована или текстурирована.

На задней стороне 14 предусмотрен поликристаллический высоколегированный слой 20 кремния р-типа. Он образует первую полярности с первой концентрацией легирующего вещества на задней стороне 14. В области высоколегированно слоя 20 кремния р-типа первый пассивирующий слой 18, прежде всего включающий в себя диоксид кремния, пассивирует поверхность кремниевой пластины 12. Помимо этого предусмотрены легированные базовые области 24 второй, противоположной первой полярности, полярности. Легированные базовые области 24 на задней стороне 14 имеют такую же полярность, но более высокую концентрацию легирующего вещества, чем полупроводниковая подложка 12.

На передней стороне 16 находится легированная область 28. Легированная область 28 также имеет такую же полярность, но более высокую концентрацию легирующего вещества, чем полупроводниковая подложка 12.

В легированных базовых областях 24 на задней стороне выполнены высоколегированные базовые области 30. Высоколегированные базовые области также имеют вторую полярность, однако значительно более высокую концентрацию легирующего вещества, чем полупроводниковая подложка 12, чем легированные базовые области 24 и чем легированные области 28.

Солнечный элемент также включает в себя второй пассивирующий слой 32 на задней стороне 14 и третий пассивирующий слой 34 на передней стороне 16. Пассивирующий слой 32, по меньшей мере, частично покрывает высоколегированный слой 20 кремния, легированные базовые области 24 и высоколегированные базовые области 30 в не контактирующих посредством электродов 36, 38 областях. Второй пассивирующий слой 32, образованный, например, посредством диэлектрического слоя или стопки слоев, предпочтительно, имеет большую толщину, чем первый пассивирующий слой 18, предпочтительно толщину более 4 нм. Второй пассивирующий слой 32 может состоять, например, из диоксида кремния, нитрида кремния или оксида алюминия или из стопки этих слоев. Толщины и коэффициенты преломления пассивирующего слоя 32 могут быть оптимизированы так, чтобы как можно больше электромагнитного излучения, которое не поглотилось солнечным элементом, отражалось на задней стороне назад в солнечный элемент. Третий пассивирующий слой 34 на передней стороне 16 имеет, предпочтительно, большую толщину, чем первый пассивирующий слой 18, предпочтительно толщину более 4 нм. Третий пассивирующий слой 34 может состоять, например, из диоксида кремния, нитрида кремния или оксида алюминия или из стопки этих слоев. Толщины и коэффициенты преломления третьего пассивирующего слоя 34 могут быть оптимизированы так, чтобы как можно больше падающего на переднюю сторону 16 электромагнитного излучения не отражалось и поглощалось.

Солнечный элемент 10 включает в себя на задней стороне 14 электроды 36 первой полярности и электроды 38 второй полярности. Электроды 36 первой полярности контактируют с высоколегированным слоем 20 кремния первой полярности, который осажден на первый пассивирующий слой 18. Предпочтительно, электроды 36 не проникают через первый пассивирующий слой 18. Однако может случиться, что электроды 36 частично проникают через первый пассивирующий слой 18 и контактируют с полупроводниковой подложкой 12. Электроды 38 второй полярности контактируют непосредственно электрически и механически с полупроводниковой подложкой 12 в легированных базовых областях 24, предпочтительно, только в высоколегированных базовых областях 30 легированных базовых областей 24.

Не контактирующие с электродами 36, 38 области могут покрывать или пассивировать или посредством стопки слоев из первого пассивирующего слоя 18 и высоколегированного слоя 20 кремния первой полярности, или второго пассивирующего слоя 32 в легированных базовых областях 24 и высоколегированных базовых областях 30. Второй пассивирующий слой 32 может также покрывать высоколегированный слой 20 кремния на не контактирующих областях.

Предпочтительно, электрически контактирующая посредством электродов 36 второго потенциала поверхность соответствует поверхностям высоколегированных базовых областей 30 второй полярности.

Процесс изготовления солнечного элемента 10 будет далее пояснен со ссылкой на фиг. 2А-2З. Фиг. 2А-2З иллюстрируют ход процесса для изготовления контактирующего задней стороной солнечного элемента 10 с пассивированным контактом в области высоколегированного слоя 20 кремния и диффундированным контактом в области высоколегированных базовых областей 30. В качестве исходного материала полупроводниковую подложку 12 могут легировать с получением проводимости или n-типа или р-типа. Ход процесса будет пояснен со ссылкой на легирование n-типа пластины, "базы".

На фиг. 2А показана исходная форма кремниевой пластины 12 с полированной задней стороной 14 и текстурированной передней стороной 16. Согласно другой не показанной исходной форме передняя и задняя стороны могут быть или обе полированными или обе текстурированными. Согласно представленному варианту осуществления на передней стороне 16 и на задней стороне 14 создают первый пассивирующий слой 18, например диоксид кремния, с толщиной, предпочтительно, максимально примерно 4 нм, например, в термическом или мокрохимическом процессе или посредством осаждения. Альтернативно, согласно другой не показанной исходной форме осаждение первого пассивирующего слоя может происходить только на задней стороне 14.

На следующем шаге (ср. фиг. 2Б) на туннельный слой 18 на задней стороне 14 осаждают, прежде всего покрывающий всю поверхность, высоколегированный слой 20 кремния первой полярности. В дальнейшем исходят из легирования р-типа в качестве первой полярности высоколегированного слоя кремния. Осаждение высоколегированного слоя 20 кремния первой полярности может происходить, например, посредством плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PECVD), атмосферного химического осаждения из газовой фазы (APCVD), химического осаждения из газовой фазы при низком давлении (LPCVD) или катодного распыления. Высоколегированный слой 20 кремния р-типа первой полярности имеет толщину примерно от 50 нанометров до 400 нанометров. Согласно другому не показанному варианту осуществления осаждение высоколегированного слоя кремния может происходить также с двух сторон, на передней и задней сторонах.

Осаждение высоколегированного слоя 20 кремния р-типа вместо одного шага может происходить в два шага. В этом случае осаждение слоя 20 кремния р-типа включает в себя осаждение нелегированного кремния, и последующее введение легирующего вещества. Введение легирующего вещества происходит, например, посредством диффузии в печи или лазерной диффузии из нанесенного на слой кремния источника легирования или посредством ионной имплантации. В отношении легирующего вещества речь идет, например, о боре, алюминии или галлии.

На следующем шаге способа (ср. фиг. 2В) на задней стороне 14 на высоколегированный слой 20 кремния осаждают диэлектрический слой 22. Осаждение слоя происходит только на задней стороне 14. Паразитное осаждение на передней стороне 16 исключается не полностью. Осаждение диэлектрического слоя 22 происходит, например, посредством PECVD, APCVD, LPCVD или PVD (конденсации из паровой фазы). Диэлектрический слой 22 имеет большую толщину, чем первый пассивирующий слой 18 и, следовательно, больше чем 4 нм.

На фиг. 2Г показан последующий шаг способа, обнажение базовых областей 24 полупроводниковой подложки 12 на задней стороне 14 посредством локального удаления диэлектрического слоя 22, высоколегированного слоя 20 кремния первой полярности и первого пассивирующего слоя 18. Помимо этого показано удаления пассивирующего слоя 18 на передней стороне 16. В другом, не показанном варианте осуществления может быть необходимым удаление слоя кремния на передней стороне 16. Обнажение базовых областей 24 происходит, например, посредством локального удаления диэлектрического слоя 22 посредством облучения лазером. Также возможно, что второй диэлектрический слой 22 удаляют не полностью. Высоколегированный слой 20 кремния, первый пассивирующий слой 18 и при необходимости часть полупроводниковой подложки 12 могут также, по меньшей мере, частично локально удалять посредством облучения лазером.

Альтернативно, высоколегированный слой 20 кремния и/или первый пассивирующий слой 18 могут, по меньшей мере, частично стравливать мокрохимическим раствором. Диэлектрический слой 22 выбирают, предпочтительно, так, что мокрохимический раствор диэлектрический слой 22 не травит или травит существенно медленней, чем высоколегированный слой 20 кремния и первый пассивирующий слой 18. В зависимости от того, какие слои ранее уже были удалены посредством облучения лазером, мокрохимический раствор при необходимости стравливает также оставшиеся остатки диэлектрического слоя 22, первого пассивирующего слоя 18 на передней стороне 16 и при необходимости часть полупроводниковой подложки на передней стороне 16 и задней стороне 14. Альтернативно, первый пассивирующий слой 18 может также служить в качестве барьера против травления, так что первый пассивирующий слой и полупроводниковая подложка 12 не стравливаются. В случае, что на передней стороне 16 находится также высоколегированный слой кремния, он будет равным образом стравливаться в другом, не показанном варианте осуществления.

Может быть предусмотрено, что травление включает в себя изотропное травление для полирования областей и/или что травление включает в себя анизотропное травление для текстурирования областей. Например, посредством изотропного травления с помощью мокрохимического раствора на задней стороне полируют базовые области 24. Альтернативно, посредством анизотропного травления с помощью мокрохимического раствора на задней стороне текстурируют базовые области 24. Может быть также предпочтительным, если посредством анизотропного травления с помощью мокрохимического раствора текстурируют переднюю сторону 16. Для удаления и при необходимости текстурирования и/или полирования разных слоев и поверхностей могут применять разные мокрохимические растворы.

На фиг. 2Д показано осаждение слоя-прекурсора 26 по всей задней стороне 14 и по всей передней стороне 16 солнечного элемента 10. Осаждение на передней стороне 16 и задней стороне 14 происходит, например, одновременно. Слои-прекурсоры 26 на передней стороне 16 и задней стороне 14 могут иметь разные свойства, например, в отношении толщины или содержащегося в слое-прекурсоре 26 количества легирующего вещества. На задней стороне слой-прекурсор 26 на разных поверхностях, диэлектрическом слое или на обнаженных базовых областях 24 может осаждаться по-разному и, следовательно, иметь разные свойства. В отношении слоя-прекурсора 26 речь идет о слое, включающем в себя легирующее вещество второй полярности, прежде всего слое фосфоросиликатного стекла, PSG. Для нанесения слоя-прекурсора 26 могут выполнять процесс диффузии в печи, при котором слой фосфоросиликатного стекла растет на высоколегированном слое 20 кремния на задней стороне 14 и на передней стороне 16. Процесс диффузии в печи могут выполнять так, что после процесса диффузии в печи в слое фосфоросиликатного стекла содержится более высокая доля фосфора. Альтернативно, слой-прекурсор 26, например PSG, могут осаждать, например, посредством PECVD, LPCVD или APCVD.

На высокотемпературном шаге, на котором легирующее вещество диффундирует из слоя-прекурсора 26 в базовые области 24 на задней стороне 14 и/или в поверхность передней стороны 16, легирование в базовых областях 24 повышается и/или создается легированная область 28 на передней стороне 16. Легирующее вещество легирует базовые области 24 на задней стороне 14 согласно второй полярности, противоположной первой полярности высоколегированного слоя 20 кремния, так что создаются легированные базовые области 24. Легированные базовые области 24 на задней стороне 14 имеют более высокую концентрацию легирующего вещества, чем концентрация легирующего вещества полупроводниковой подложки 12. На задней стороне 14 легирующее вещество не диффундирует из слоя-прекурсора 26 или диффундирует лишь в малых количествах в высоколегированный слой 20 кремния, так как диэлектрический слой 22 служит в качестве барьера против диффузии. На передней стороне 16 посредством легирования поверхности согласно второй полярности создают легированную область 28 на передней стороне 16. Концентрация легирующего вещества легированной области 28 на передней стороне 16 выше, чем концентрация легирующего вещества полупроводниковой подложки 12. В отношении высокотемпературного шага речь идет, например, о шаге диффузии в печи для нанесения слоя-прекурсора 26. Альтернативно, речь может идти также о дополнительном высокотемпературном шаге.

Высокотемпературный шаг могут выполнять, например, так, что только часть второго легирующего вещества диффундирует из слоя-прекурсора в базовую область на задней стороне, так что после этого, предпочтительно, еще заметное количество легирующего вещества находится слое-прекурсоре 26. Высокотемпературный шаг может также служить для активирования легирующего вещества в высоколегированном слое 20.

На фиг. 2Е показано создание высоколегированных базовых областей 30 в легированных базовых областях 24 посредством локального повышения концентрации легирующего вещества, прежде всего посредством облучения лазером. Посредством облучения лазером плавится или испаряется осажденный ранее слой-прекурсор 26, и поверхность на задней стороне в облученных областях локально нагревается и плавится. Другое легирующее вещество из слоя-прекурсора диффундирует в облученных областях в поверхность и легирует, после охлаждения и рекристаллизации, облученную область согласно второй полярности, так что создаются высоколегированные базовые области 30. Концентрация легирующего вещества в высоколегированных базовых областях 30 значительно выше, чем концентрация легирующего вещества в полупроводниковой подложке 12, в легированных базовых областях 24 и в легированной области 28 на передней стороне 16. За счет подходящего выбора параметров лазера в высоколегированных могут локально избирательно создавать в высоколегированных базовых областях 30 различно легированные участки. Помимо этого предусмотрено, что удаляют, прежде всего, оставшиеся остатки слоя-прекурсора 26 с передней стороны 16 и с задней стороны 14.

Удаление происходит после облучения лазером, например, на мокрохимическом шаге. Предпочтительно, посредством мокрохимического шага очистки или посредством другого послехимического шага очистки удаляют также оставшиеся остатки диэлектрического слоя 22 с высоколегированного слоя 20 кремния.

Помимо этого способ включает в себя шаг нанесения второго пассивирующего слоя 32 на заднюю сторону 14 и третьего пассивирующего слоя 34 на переднюю сторону 16 (ср. фиг. 2Ж). Пассивирующие слои 32, 34 включают в себя, например, диоксид кремния, нитрид кремния, оксид алюминия или стопку слоев из двух или более диэлектрических слоев. При этом толщина, коэффициент преломления и состав второго пассивирующего слоя 32 на задней стороне 14 могут отличаться от толщины, коэффициента преломления и состава третьего пассивирующего слоя 34 на передней стороне 16. Толщины пассивирующих слоев, предпочтительно, оптимизируют так, что отражение на передней стороне 16 уменьшается, а на задней стороне увеличивается. Пассивирующие слои 32, 34, предпочтительно, имеют большую толщину, чем первый пассивирующей слой 18. Толщина второго пассивирующего слоя 32, предпочтительно, больше 4 нм. Высокотемпературный шаг для наращивания термического оксида кремния, пассивирующих слоев 32, 34 может также служить для активирования легирующего вещества в высоколегированном слое 20.

Помимо этого способ включает в себя шаг нанесения электродов 36 первой полярности и электродов 38 второй полярности на заднюю сторону 14 солнечного элемента (ср. фиг. 2З). Нанесение электродов 36, 38 может происходить, например, посредством трафаретной печати, напыления, распыления или гальванического осаждения одного или нескольких металлов или других электропроводящих слоев. Электроды 36, 38 могут включать в себя, например, серебряную пасту, серебряно-алюминиевую пасту, алюминиевую пасту или чистый алюминий, медь, олово, палладий, серебро, титан, никель или стопку слоев или сплавов названных металлов или другие электропроводящие слои, прежде всего, электропроводящие полимеры или оксиды, или комбинацию таких слоев с металлами. Состав и процесс осаждения электродов 36, 38 может для электродов 36, 38 обеих полярностей отличаться. Электроды 36, 38 могут, прежде всего на высокотемпературном шаге после трафаретной печати, локально проникать через пассивирующий слой 32 и в зависимости от полярности электродов 36, 38 контактировать или с легированной базовой областью 24, высоколегированным слоем 20 кремния, или высоколегированной базовой областью 30. Предпочтительно, электроды 38 второй полярности контактируют только с высоколегированными базовыми областями 30, а не с легированным базовыми областями 24.

Факультативно, перед нанесением электродов 36, 38 могут селективно удалять, например посредством облучения лазером, пассивирующий слой 32, так что электроды непосредственно контактируют с высоколегированным слоем 20 кремния или локально высоколегированными базовыми областями 30 исключительно в селективно удаленных областях.

Контактирующий задней стороной солнечный элемент (10) согласно изобретению включает полупроводниковую подложку (12) из кремниевой пластины, включающей переднюю сторону (16) и заднюю сторону (14), причем на задней стороне выполнены электроды (36) первой полярности и электроды (38) второй полярности, при этом электроды (36) первой полярности расположены на высоколегированном слое (20) кремния первой полярности, высоколегированный слой (20) кремния расположен на полупроводниковой подложке на первом пассивирующем слое (18), и электроды (38) второй полярности контактируют напрямую электрически и механически с полупроводниковой подложкой (12) через высоколегированные базовые области (30) второй полярности полупроводниковой подложки (12). Изобретение обеспечивает конструкцию и технологию изготовления солнечного элемента с контактами на тыльной стороне с сохранением высокого коэффициента полезного действия, при упрощении технологии изготовления солнечного элемента и снижении его стоимости. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Контактирующий задней стороной солнечный элемент (10), включающий в себя полупроводниковую подложку (12), прежде всего кремниевую пластину, включающую в себя переднюю сторону (16) и заднюю сторону (14), причем солнечный элемент (10) включает в себя на задней стороне электроды (36) первой полярности и электроды (38) второй полярности, причем электроды (36) первой полярности расположены на высоколегированном слое (20) кремния первой полярности, причем высоколегированный слой (20) кремния расположен на расположенном на полупроводниковой подложке первом пассивирующем слое (18), и электроды (38) второй полярности контактируют напрямую электрически и механически с полупроводниковой подложкой (12) через высоколегированные базовые области (30) второй полярности полупроводниковой подложки (12), отличающийся тем, что высоколегированные базовые области (30) второй полярности выполнены в легированных базовых областях (24) второй полярности на задней стороне (14) солнечного элемента (10), причем концентрация легирующего вещества в высоколегированных базовых областях (30) выше, чем концентрация легирующего вещества в легированных базовых областях (24), и причем концентрация легирующего вещества в высоколегированных базовых областях (30) выше, чем концентрация легирующего вещества в легированных областях (28) на передней стороне (16) солнечного элемента (10).

2. Контактирующий задней стороной солнечный элемент (10) по п. 1, отличающийся тем, что на не контактирующих посредством электродов (36) первой полярности и электродов (38) второй полярности областях поверхности задней стороны (14) расположен второй пассивирующий слой (32), причем второй пассивирующий слой толще, чем первый пассивирующий слой.

3. Способ изготовления контактирующего задней стороной солнечного элемента по меньшей мере по одному из пп. 1, 2, причем полупроводниковая подложка (12) солнечного элемента (10) включает в себя, прежде всего полированную или текстурированную, заднюю сторону (14) и, прежде всего текстурированную, переднюю сторону (16), причем способ включает в себя следующие шаги: нанесение первого пассивирующего слоя (18), прежде всего включающего в себя диоксид кремния, на поверхность задней стороны (14), осаждение, прежде всего покрывающего всю поверхность, высоколегированного слоя (20) кремния первой полярности на первый пассивирующий слой (18) на задней стороне (14), нанесение на заднюю сторону (14) диэлектрического слоя (22), обнажение базовых областей (24) полупроводниковой подложки на задней стороне (14) посредством локального удаления диэлектрического слоя (22), и высоколегированного слоя (20) кремния первой полярности и первого пассивирующего слоя (18) на задней стороне (14), локальное удаление части полупроводниковой подложки (12) в базовых областях (24),

отличающийся тем,

что способ содержит шаг нанесения слоя-прекурсора (26), включающего в себя легирующее вещество, прежде всего фосфор, на задней стороне (14), и

что посредством высокотемпературного шага, на котором легирующее вещество диффундирует из слоя-прекурсора (26) в базовые области (24) на задней стороне (14), повышают легирование в базовых областях (24) на задней стороне, и

что в легированных базовых областях (24) на задней стороне (14) посредством локального повышения концентрации легирующего вещества создают высоколегированные базовые области (30).

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что первый пассивирующий слой (18) наносят также на поверхность передней стороны (16).

5. Способ по одному из пп. 3 или 4, отличающийся тем, что обнажение базовых областей (24) полупроводниковой подложки на задней стороне включает в себя травление высоколегированного слоя (20) кремния первой полярности, и/или первого пассивирующего слоя (18), и/или части полупроводниковой подложки локально в базовых областях (24).

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что травление включает в себя изотропное травление для полирования областей и/или что травление включает в себя анизотропное травление для текстурирования областей.

7. Способ по одному из пп. 3-6, отличающийся тем, что шаг нанесения слоя-прекурсора (26), включающего в себя легирующее вещество, прежде всего фосфор, на задней стороне (14) включает в себя также нанесение слоя-прекурсора (26) на передней стороне (16).

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что посредством высокотемпературного шага, на котором легирующее вещество диффундирует из слоя-прекурсора (26) в базовые области (24) на задней стороне (14), легирующее вещество из слоя-прекурсора (26) диффундирует в поверхность передней стороны (16), и создают легированную область (28) на передней стороне (16).

9. Способ по одному из пп. 3-8, отличающийся тем, что в легированных базовых областях (24) на задней стороне (14) высоколегированные базовые области (30) создают посредством локального повышения концентрации легирующего вещества посредством облучения лазером.

10. Способ по меньшей мере по одному из пп. 3-9, отличающийся тем, что способ включает в себя шаг удаления слоя-прекурсора (26), прежде всего фосфоросиликатного стекла, с передней стороны (16) и/или с задней стороны (14).

11. Способ по меньшей мере по одному из пп. 3-10, отличающийся тем, что способ включает в себя шаг нанесения второго пассивирующего слоя (32) на заднюю сторону (14) и/или третьего пассивирующего слоя (34) на переднюю сторону (16).

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что способ включает в себя шаг селективного удаления второго пассивирующего слоя (32) на задней стороне (14).

13. Способ по меньшей мере по одному из пп. 3-12, отличающийся тем, что способ включает в себя шаг нанесения электродов (36) первой полярности и электродов (38) второй полярности на заднюю сторону (14) солнечного элемента (10).