專利名稱：薄膜太陽能電池襯底以及薄膜太陽能電池的制作方法
薄膜太陽能電池襯底以及薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域，尤其涉及薄膜太陽能電池襯底以及薄膜太陽 能電池的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)社會的不斷發(fā)展，人類對能源的需求量與日俱增，特別是近些年 來，國際原油價格的不斷上升，進一步引起了人們對能源問題的重視。以太陽 能電池為核心的光伏產(chǎn)業(yè)直接將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，是目前人類可以利用的最 清潔的能源之一，是公認的"綠色能源"。
光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題就是如何制作出低成本、高效率的太陽能電池。 以半導體襯底，尤其是硅基襯底制作的太陽能電池是一種工藝成熟、應(yīng)用廣泛 的太陽能電池，占據(jù)目前太陽能電池市場份額的主導地位。在太陽能電池成本 的構(gòu)成中，襯底的價格占據(jù)了很重要的位置。以硅襯底為例，如果采用厚的硅 襯底直接作為太陽能電池的襯底，會大大增加電池的成本。
美國專利US6258698中揭露了一種采用多孔層作為中間介質(zhì)，剝離襯底 形成薄膜太陽能電池襯底的技術(shù)。該技術(shù)包括如下步驟 第一步，在第一襯底表面形成多孔層； 第二步，在多孔層表面形成第一半導體層； 第三步，通過鍵合將第一半導體層轉(zhuǎn)移到第二襯底；
第四步，將第一和第二襯底從多孔層的位置剝離，形成置于第二襯底表面 的第一半導體層，可以用于太陽能電池的制造。
上述方法中，由于第一襯底的價格低廉，并且可以重復利用，因此可以降 低太陽能電襯底的成本。但是在上述方法中，由于需要在第一襯底的表面生長 多孔層，在第一襯底的表面引起了損傷。因此，雖然第一襯底作為初始襯底， 在太陽能電池的制造過程中可以重復利用，但是初始襯底表面的損傷影響了其重復利用的次數(shù)，因此增加了此方法的制造工藝成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種薄膜太陽能電池襯底的制作方 法，在將初始襯底進行剝離的過程中，降低剝離工藝過程對襯底的損傷程度， 從而增加初始襯底的利用次數(shù)，達到降低制造工藝成本的目的。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了 一種薄膜太陽能電池襯底的制作方法， 包括如下步驟(a)提供初始襯底；(b)在初始襯底表面生長第一半導體層；(C) 將起泡離子注入到初始襯底中；(d)在第一半導體層表面生長第二半導體層；(e) 在第二半導體層的表面生長支撐層；(f)退火，從而使初始襯底在起泡離子的注
入位置剝離；其中步驟(c)和步驟(d)的實施順序可互換。
作為可選的技術(shù)方案，所述之起泡離子選自于氫離子、氦離子中的一種或 多種。
作為可選的技術(shù)方案，所述之第一半導體層為N型半導體，第二半導體層 為P型半導體層。
作為可選的技術(shù)方案，所述之第一半導體層為單晶硅層，所述之第二半導 體層為單晶硅層。
作為可選的技術(shù)方案，所述之襯底為本征半導體。 作為可選的技術(shù)方案，所述之支撐層為金屬層。 作為可選的技術(shù)方案，所述之支撐層的厚度為20^im 5(^m。 本發(fā)明還提供了一種薄膜太陽能電池的制作方法，包括如下步驟(a)提供 初始襯底；(b)在初始襯底表面生長第一半導體層；(c)將起泡離子注入到初始 襯底中；(d)在第一半導體層表面生長第二半導體層；(e)在第二半導體層的表 面生長支撐層；(f)退火，從而使初始襯底在起泡離子的注入位置剝離；(g)在剝 離后保留在第一半導體層表面的初始襯底的殘余部分的表面制作電極；其中步 驟(c)和步驟(d)的實施順序可互換。
作為可選的技術(shù)方案，還包括如下步驟在步驟(f)實施完畢后，將剝離后 保留在第一半導體層表面的初始襯底的殘余部分的表面粗糙化。作為可選的技術(shù)方案，所述之起泡離子選自于氫離子、氦離子中的一種或 多種。
作為可選的技術(shù)方案，所述之第一半導體層為N型半導體，第二半導體層 為P型半導體層。
作為可選的技術(shù)方案，所述之支撐層為金屬層。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用起泡離子注入初始襯底的技術(shù)，通過退火將初始 襯底在起泡離子注入濃度分布達到峰值的位置剝離，即剝離后的襯底的表面是 注入離子在初始襯底中濃度形成的高斯分布的峰值位置，此表面僅是受到離子 注入工藝的影響，因此表面的損傷比較小，從而可以增加初始襯底重復利用的 次數(shù)。


附圖1所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池襯底的制作方法的第一具體實
施方式的實施步驟流程附圖2至附圖7所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池襯底的制作方法的第 一具體實施方式
的工藝示意附圖8所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第二具體實施方 式的實施步驟流程附圖9所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第一具體實施方 式的實施步驟流程附圖10所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第一具體實施 方式的工藝示意附圖11所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第二具體實施 方式的實施步驟流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池襯底以及薄膜太陽能電池 的制作方法的具體實施方式
做詳細說明。附圖1所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池襯底的制作方法的第一具體實 施方式的實施步驟流程圖，包括如下步驟步驟SIO，提供初始襯底；步驟Sll， 在初始襯底表面生長第一半導體層；步驟S12，將起泡離子注入到初始襯底中； 步驟S13，在第一半導體層表面生長第二半導體層；步驟S14，在第二半導體 層的表面生長支撐層；步驟S15，退火，從而使初始襯底在起泡離子注入的位 置剝離。
附圖2至附圖7所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池襯底的制作方法的第 一具體實施方式
的工藝示意圖。
附圖2所示，參考步驟SIO，提供初始襯底100。所述之初始襯底優(yōu)選為 半導體襯底，尤其以單晶硅襯底為佳，也可以是其他襯底，如化合物半導體襯 底等。
附圖3所示，參考步驟Sll，在初始襯底100表面生長第一半導體層110。 第一半導體層110為N型半導體。
附圖4所示，參考步驟S12，將起泡離子注入到初始襯底100中。所述之 起泡離子選自于氫離子、氦離子中的一種或多種。起泡離子從初始襯底100生 長了第一半導體層110的一側(cè)注入，穿過第一半導體層110而進入初始襯底100 中。
所述起泡離子的注入方式是使得起泡離子注入初始襯底100的濃度分布峰. 值所在位置與初始襯底IOO和第一半導體層110的界面之間的距離"為lnm 100nm為佳。起泡離子注入初始襯底100中，其濃度分布形態(tài)是沿著注入方向 呈高斯分布，此高斯分布在距初始襯底100表面(即初始襯底IOO和第一半導 體層110的界面)J處達到峰值。
注入的起泡離子的能量和劑量由離子的種類、第一半導體層110的厚度等 因素決定。對于具有2nm 20^im厚度范圍的第一半導體層110來說，若采用 氫離子注入，則注入能量范圍是1MeV 8MeV可以保證所述起泡離子的注入 位置與初始襯底IOO和第一半導體層110的界面之間的距離d為lnm 100nm。
所述起泡離子的注入劑量的范圍是lxlO"cm々 lxlO"cm氣上述劑量范圍 是可以實現(xiàn)剝離的優(yōu)選劑量范圍。注入劑量小于lxlo n^勢必要增加后續(xù)退火的時間和溫度，從而增加工藝成本；反之，注入劑量大于lxl017cm'2。會增 加離子注入的時間，也會增加工藝成本。
附圖5所示，參考步驟S13，在第一半導體層110表面生長第二半導體層 120。第二半導體層120為P型半導體層。所述第一半導體層110和第二半導 體層120均為單晶硅。生長單晶硅優(yōu)選采用化學氣相沉積的方法。所述第一半 導體層110和第二半導體層120也可以是采用等離子體輔助沉積、真空磁過濾 弧沉積、氫化物氣相外延等工藝生長的多晶硅、非晶硅或者GaAs、 GaN等化 合物半導體材料。
附圖6所示，參考步驟S14，在第二半導體層120的表面生長支撐層130。
所述之支撐層130優(yōu)選為金屬層，尤以鋁為佳。采用金屬支撐層130的優(yōu) 點在于可以在后續(xù)制作太陽能電池的工藝中，實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的太陽能電池，提 高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。鋁材料密度低、生長工藝成熟，因此是優(yōu)選的金屬 材料。所述支撐層130也可以是多晶硅、非晶GaAs、非晶GaN等，或者是銅、 鉤等金屬或金屬硅化物。
所述之支撐層130的生長方法選自于物理氣相外延、電子束蒸發(fā)中的一種 或多種，上述方法工藝成本低、生長速度快，是優(yōu)選的生長方法。也可以采用 等離子體輔助沉積、真空磁過濾弧沉積、氫化物氣相外延、化學氣相沉積等工 藝生長支撐層130。
所述之支撐層130的厚度優(yōu)選為20 50^irn。生長支撐層130的目的在于 剝離初始襯底100后，保證被剝離下來的第一半導體層110附著于具有一定厚 度和機械強度的支撐層130上，避免第一半導體層110發(fā)生碎裂。支撐層130 厚度優(yōu)選為20pm 5(^m，支撐層130厚度小于20nm時，會增大發(fā)生碎裂的 可能性；而大于50pm的支撐層130，其生長時間和工藝成本相對較高。
附圖7所示，參考步驟S15，退火，從而使初始襯底100在起泡離子注入 的位置剝離，更明確而言，是從起泡離子注入濃度達到峰值的位置剝離。初始 襯底100分解成剝離部分101和殘余部分102。其中剝離部分101可以重復利 用，而殘余部分102則用于后續(xù)的工藝之中。
為了獲得更好的技術(shù)效果，所述退火可以選擇在密閉的環(huán)境中進行，環(huán)境N2、 Ar中的一種或多種，所述退火的溫度范圍是300°C 500°C。在受熱的情況下，注入的離子容易聚集形成氣泡，氣泡不斷的聚集， 形成連續(xù)的氣泡層，在此位置將引起起泡層的剝離現(xiàn)象。在退火引起起泡剝離 現(xiàn)象的工藝中，退火溫度過高容易對支撐層130造成破壞，退火溫度過低不利 于起泡剝離現(xiàn)象的發(fā)生，30(TC 50(TC是較佳的取值范圍，退火的較佳時間長 度為10min 50min。
上述步驟實施完畢后，得到薄膜太陽能電池襯底。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池襯底的制作方法的第二具 體實施方式做詳細說明。
附圖8所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第二具體實施方 式的實施步驟流程圖，包括如下步驟步驟S20，提供初始襯底；步驟S21， 在初始襯底表面生長第一半導體層；步驟S22，在第一半導體層表面生長第二 半導體層；步驟S23，將起泡離子注入到初始襯底中；步驟S24，在第二半導 體層的表面生長支撐層；步驟S25，退火，從而使初始襯底在起泡離子注入的 位置剝離。
上述具體實施方式
與薄膜太陽能電池襯底的制作方法的第一具體實施方 式的區(qū)別在于，在初始襯底表面生長第一半導體層之后，首先在第一半導體層 表面生長第二半導體層，然后再將起泡離子注入到初始襯底中。生長第二半導 體層和離子注入的步驟互相之間并無明顯的影響，因此可以互換。
關(guān)于每個步驟的詳細說明，可以參考薄膜太陽能電池襯底的制作方法的第 一具體實施方式
中對應(yīng)部分的內(nèi)容，此處不再贅述。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第一具體實 施方式做詳細說明。
附圖9所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第一具體實施方 式的實施步驟流程圖，包括如下步驟步驟S30，提供初始襯底；步驟S31， 在初始襯底表面生長第一半導體層；步驟S32，將起泡離子注入到初始襯底中；步驟S33,在第一半導體層表面生長第二半導體層；步驟S34，在第二半導體 層的表面生長支撐層；步驟S35，退火，從而使初始襯底在起泡離子注入的位 置剝離；步驟S36，在剝離后保留在第一半導體層表面的初始襯底的殘余部分 的表面制作電極。
步驟S30至步驟S35的具體實施方式
的詳細說明，可以參考前述薄膜太陽 能電池襯底的制作方法的第一具體實施方式
中對應(yīng)部分的內(nèi)容，此處不再贅 述。
附圖IO所示，參考步驟S36，在剝離后保留在第一半導體層310表面的 初始襯底的殘余部分302的表面制作電極341、 342、 343和344。電極341、 342、 343和344作為太陽能電池的上電極，而支撐襯底330作為太陽能電池的 下電極。支撐襯底330與第一半導體層310之間包括第二半導體層320。所述 電極341、 342、 343和344采用金屬材料制成，例如銀、鈦、鎢或者上述材料 的合金。當太陽能電池受到太陽光照射的情況下，載流子在P型半導體和N 型半導體之間發(fā)生躍遷，于上電極和下電極之間形成電位差，可以實現(xiàn)從光能 向電能的轉(zhuǎn)化。
剝離后的初始襯底的殘余部分302的表面比較粗糙，可直接制作電極。也 可以將剝離后保留在第一半導體層310表面的初始襯底的殘余部分302的表面 粗糙化。所述粗糙化可以采用化學腐蝕或者離子轟擊等方法，其目的在于進一 步提高殘余部分302表面的粗糙度，降低其對太陽光的反射率，提高太陽能電 池吸收太陽光的效率。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第二具體實 施方式做詳細說明。
附圖11所示為本發(fā)明提供的薄膜太陽能電池的制作方法的第二具體實施 方式的實施步驟流程圖，包括如下步驟步驟S40，提供初始襯底；步驟S41， 在初始襯底表面生長第一半導體層；步驟S42，在第一半導體層表面生長第二 半導體層；步驟S43，將起泡離子注入到初始襯底中；步驟S44，在第二半導 體層的表面生長支撐層；步驟S45，退火，從而使初始襯底在起泡離子注入的位置剝離；步驟S46，在剝離后保留在第一半導體層表面的初始襯底的殘余部 分的表面制作電極。
步驟S40至步驟S45的具體實施方式
的詳細說明，可以參考前述薄膜太陽 能電池襯底的制作方法的第二具體實施方式
中對應(yīng)部分的內(nèi)容，此處不再贅 述。
步驟S46可參考薄膜太陽能電池的制作方法的第一具體實施方式
中對應(yīng) 的內(nèi)容
剝離后的初始襯底的殘余部分的表面比較粗糙，可直接制作電極。也可以 將剝離后保留在第一半導體層表面的初始襯底的殘余部分的表面粗糙化。所述 粗糙化可以采用化學腐蝕或者離子轟擊等方法，其目的在于進一步提高殘余部 分表面的粗糙度，降低其對太陽光的反射率，提高太陽能電池吸收太陽光的效率。
下面給出本發(fā)明所述之薄膜太陽能電池襯底以及薄膜太陽能電池的制作 方法的實施例
實施例一，制作太陽能電池襯底 第一步提供P型單晶硅初始襯底；
第二步在單晶硅襯底表面采用化學氣相沉積的方法依次生長lpm厚的P 型單晶硅層；
第三步將氫離子作為起泡離子注入到單晶硅襯底中，注入能量lMeV， 注入劑量lxl015cm-2;
第四步在P型單晶硅層的表面生長l^m厚的N型單晶硅層； 第五步在N型單晶硅層的表面生長金屬鋁的支撐層；
第六步在氫氣氣氛中退火，溫度30(TC，時間10min，使單晶硅初始襯 底在氫離子注入的位置剝離。
實施例二，制作太陽能電池襯底第一步提供N型單晶硅初始襯底；
第二步在單晶硅襯底表面采用化學氣相沉積的方法依次生長lO)im厚的 N型單晶硅層和10,厚的P型單晶硅層；
第三步將氦離子作為起泡離子注入到單晶硅襯底中，注入能量8MeV， 注入劑量lxl017cm-2;
第四步在P型單晶硅層的表面生長金屬鋁的支撐層；
第五步在氮氣氣氛中退火，溫度50(TC，時間50min，使單晶硅初始襯 底在氦離子注入的位置剝離。
實施例三，制作太陽能電池 第一步提供P型單晶硅初始襯底；
第二步在單晶硅襯底表面采用化學氣相沉積的方法依次生長lpm厚的P 型單晶硅層；
第三步將氫離子作為起泡離子注入到單晶硅襯底中，注入能量lMeV， 注入劑量lxl015cm-2;
第四步在P型單晶硅層的表面生長1,厚的N型單晶硅層； 第五步在N型單晶硅層的表面生長金屬鋁的支撐層；
第六步在氫氣氣氛中退火，溫度300°C，時間10min，使單晶硅初始襯 底在氫離子注入的位置剝離；
第八步在襯底殘余部分的表面制作電極。
實施例四，制作太陽能電池 第一步提供N型單晶硅初始襯底；
第二步在單晶硅襯底表面采用化學氣相沉積的方法依次生長10nm厚的
N型單晶硅層和10,厚的P型單晶硅層；
第三步將氦離子作為起泡離子注入到單晶硅襯底中，注入能量8MeV， 注入劑量lxio17cm'2;
第四步在P型單晶硅層的表面生長金屬鋁的支撐層；第五步在氮氣氣氛中退火，溫度50(TC，時間50min，使單晶硅初始襯 底在氦離子注入的位置剝離；
第六步將單晶硅初始襯底的殘余部分的表面粗糙化； 第七步在襯底殘余部分粗糙化之后的表面制作電極。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些 改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種薄膜太陽能電池襯底的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(a)提供初始襯底；(b)在初始襯底表面生長第一半導體層；(c)將起泡離子注入到初始襯底中；(d)在第一半導體層表面生長第二半導體層；(e)在第二半導體層的表面生長支撐層；(f)退火，從而使初始襯底在起泡離子的注入位置剝離；其中步驟(c)和步驟(d)的實施順序可互換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之薄膜太陽能電池襯底的制作方法，其特征在于，所 述之起泡離子選自于氫離子、氦離子中的一種或多種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之薄膜太陽能電池襯底的制作方法，其特征在于，所 述之第一半導體層為N型半導體，第二半導體層為P型半導體層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之薄膜太陽能電池襯底的制作方法，其特征在于，所 述之第一半導體層為單晶硅層，所述之第二半導體層為單晶硅層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之薄膜太陽能電池襯底的制作方法，其特征在于，所 述之襯底為本征半導體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之薄膜太陽能電池襯底的制作方法，其特征在于，所 述之支撐層為金屬層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之薄膜太陽能電池襯底的制作方法，其特征在于，所 述之支撐層的厚度為20pm 5(^m。
8. —種薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(a) 提供初始襯底；(b) 在初始襯底表面生長第一半導體層；(c) 將起泡離子注入到初始襯底中；(d) 在第一半導體層表面生長第二半導體層；(e) 在第二半導體層的表面生長支撐層；(f) 退火，從而使初始襯底在起泡離子的注入位置剝離；(g)在剝離后保留在第一半導體層表面的初始襯底的殘余部分的表面制作電極；其中步驟(c)和步驟(d)的實施順序可互換。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述之薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于，還包括 如下步驟在步驟(f)實施完畢后，將剝離后保留在第一半導體層表面的初 始襯底的殘余部分的表面粗糙化。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述之薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述之 起泡離子選自于氫離子、氦離子中的一種或多種。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述之薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述之 第一半導體層為N型半導體，第二半導體層為P型半導體層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述之薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述之 支撐層為金屬層。
全文摘要
一種薄膜太陽能電池襯底的制作方法，包括如下步驟提供初始襯底；在初始襯底表面生長第一半導體層；將起泡離子注入到初始襯底中；在第一半導體層表面生長第二半導體層；在第二半導體層的表面生長支撐層；退火，從而使初始襯底在起泡離子的注入位置剝離。本發(fā)明還提供了一種薄膜太陽能電池的制作方法。本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用起泡離子注入初始襯底的技術(shù)，通過退火將初始襯底在起泡離子注入濃度分布達到峰值的位置剝離，即剝離后的襯底的表面是注入離子在初始襯底中濃度形成的高斯分布的峰值位置，此表面僅是受到離子注入工藝的影響，因此表面的損傷比較小，從而可以增加初始襯底重復利用的次數(shù)。
文檔編號H01L31/18GK101626044SQ20081004033
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月8日
發(fā)明者肖德元 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司