專利名稱：結(jié)晶硅太陽能電池的快速氫鈍化的方法
結(jié)晶硅太陽能電池的快速氫鈍化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基底的氫化(hydrogenation)方法。特別是一種快速氫 化工藝，用以鈍化結(jié)晶硅(crystalline silicon, c-Si)太陽能電池中的硅結(jié)晶缺 陷。前述結(jié)晶娃包含單晶珪(monocrystalline， m-Si)、多晶硅(multicrystalline, mc-Si)及多晶硅薄膜(polycrystalline thin film, poly-Si thin film)。
背景技術(shù)：
太陽能電池是一種非常有前景的干凈能源，其可直接從陽光產(chǎn)生電能。 不過目前必須有效地降低太陽能電池的生產(chǎn)成本，太陽能電池才能被廣泛 接受而成為主要電力來源。研究指出硅晶片已占結(jié)晶硅太陽能電池模塊總 成本的三分之一以上。因此為了降低成本，利用多晶硅(mc-Si)或多晶硅薄 膜(poly-Si thin film)制作太陽能電池，已成為重要發(fā)展方向。但是，mc-Si 和poly-Si在晶體內(nèi)都含有缺陷，包括晶界(grain boundary)、晶體間差排 (intragrain dislocation)。這些缺點(diǎn)會降低太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率(conversion efficiency)。此外，即使在單晶太陽電能池的情況下，電荷載子在晶格表面 的再結(jié)合(recombination)—樣會不利于太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
現(xiàn)有技術(shù)已知通過將氫原子加入硅晶片中，可使晶體缺陷的影響降低， 稱為"氫鈍化"工藝。如此結(jié)晶硅太陽能電池的效率將被大幅改善。一般觀點(diǎn)， 這些效率的改善與氪原子在晶格缺陷上形成鍵結(jié)，從而降低電荷載子在晶 格缺陷上的再結(jié)合損失非常相關(guān)。目前在太陽能電池工藝技術(shù)上，利用氫 鈍化以減輕晶格缺陷的有害效應(yīng)的方法包含
(1) 在氫氣氛中做加熱處理
P. Sana, A. Rohatgi， J. P. Kalejs, and R. O. Bell, Appl. Phys. Lett. 64, 97
(1994)。
美國專利US 5,169,791。
(2) 以氫氣等離子體進(jìn)行擴(kuò)散處理
W. Schmidt, K,D. Rasch， and K. Roy, 16 IEEE Photovoltaic SpecialistConference, San Diego, 1982, pages 537-542。
美國專利U. S. 4,835,006與U. S. 4,343,830。
(3) 通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,縮寫為PECVD)沉積的富含氫的SiNx : H薄膜層
R. Hezel and R. Schroner, J. Appl. Phys,, 52(4)， 3076 (1981)。
(4) 離子4b氬原子(ionized hydrogen atom)的注入 美國專利U. S. 5,304, 509。
J. E. Johnson, J. I. Hano Ka, and J. A. Gregory, 18 IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas 1985, pages 1112-1115。
在氫鈍化的工藝中，必須提供足夠的氫原子以達(dá)成在多數(shù)的晶格缺陷 上形成鍵結(jié)。然而因?yàn)闅湓油ㄟ^晶片表面的擴(kuò)散速率很慢，在(1)至(3)方 法中的氫鈍化工藝往往需要數(shù)小時(shí)之久。雖然在(4)方法中，使用傳統(tǒng)的考 夫曼(Kaufman)寬離子束源將氫離子注入晶片，工藝時(shí)間會降低。但在實(shí)際 工業(yè)應(yīng)用時(shí)，太陽能電池的大量生產(chǎn)需要數(shù)組大面積的離子束源才能達(dá)到。 如此規(guī)格的離子束源設(shè)備是昂貴且復(fù)雜的系統(tǒng)。此外，在工藝中Kaufman 離子束源內(nèi)的加速電極會被離子轟擊。而被濺射出來的金屬顆粒會變成污 染源，可能導(dǎo)致太陽能電池的效能變差。
在太陽能電池結(jié)構(gòu)中含氫的非晶氮化硅(a-SiNx: H)薄膜已成為一個重 要的應(yīng)用。這種薄膜是用等離子體化學(xué)氣相沉積的方式成長于硅晶片上。 a-SiNx: H薄膜的應(yīng)用第一是作為抗反射層(antireflection coating)。再者， 它可以提供表面鈍化作用(surface passivation effect),以降低太陽能電池中電 荷載子在硅晶片表面上再結(jié)合。此外，a-SiNx: H薄膜中的氫原子可擴(kuò)散至 硅晶片中并鈍化晶格的缺陷。為達(dá)上述目的，需要熱處理(thermal process) 來提高太陽能電池的溫度，以增加氫原子的擴(kuò)散，達(dá)到理想的鈍化。操作 溫度在350。C左右，工藝需費(fèi)時(shí)1到2小時(shí)。
然而在一些太陽能電池生產(chǎn)中，電極制作是在抗反射層完成后進(jìn)行。 因?yàn)殡姌O制作往往需進(jìn)行高溫加熱烘烤的步驟，而氫與硅的鍵結(jié)在400。C以 上將分解，致使氫原子脫離晶片，故前段所述的氫鈍化效果將被破壞。
綜合以上所述，結(jié)晶硅太陽能電池的生產(chǎn)需要一種快速的氫鈍化工藝， 以大幅降低工藝時(shí)間。特別是這種工藝可在結(jié)晶硅太陽能電池制造完成之的快速氫鈍化工藝。而且，和用考夫曼氏(Kaufman)寬束離子源的傳統(tǒng)離子 注入法相比，這種方法的設(shè)備必須簡單且適合太陽能電池的大量生產(chǎn)工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，以改善結(jié)晶硅太 陽能電池的效能。這種方法可以實(shí)現(xiàn)快速氫鈍化(hydrogen passivation)工 藝，以減輕硅晶體中因?yàn)槿毕輰?dǎo)致的有害效應(yīng)。而且，這種方法必須不會 造成抗反射層的損害(如a-SiNx: H)。此外，本發(fā)明所提出的結(jié)晶硅太陽能 電池的氬鈍化方法可改善已經(jīng)完全制作好的太陽能電池的效能。
本發(fā)明提出一種結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，包括以下步驟
(a) 將結(jié)晶硅太陽能電池置入真空腔體中，其中結(jié)晶硅太陽能電池的表 面具有電極及一層抗反射層。
(b) 供應(yīng)氫氣流到真空腔體至預(yù)定壓力。
(c) 傳送射頻或微波功率到真空腔體內(nèi)產(chǎn)生氫氣等離子體。
(d) 通過一個脈沖產(chǎn)生器提供預(yù)定的電壓大小、脈沖頻率與脈沖時(shí)間寬 度的負(fù)脈沖偏壓到結(jié)晶硅太陽能電池晶片，并于預(yù)定期間注入足量的氫離 子到結(jié)晶硅太陽能電池晶片內(nèi)，其中前述負(fù)脈沖電壓被控制在設(shè)定范圍內(nèi)， 以免破壞抗反射層。
本發(fā)明提出結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法是先將結(jié)晶硅太陽能電 池晶片置于一個真空腔體中，太陽能電池已具有抗反射層及電極。隨后， 再供應(yīng)氫氣流到真空腔體至預(yù)定壓力。接著，通過傳送射頻或微波功率源 到真空腔體內(nèi)來產(chǎn)生氫氣等離子體。隨后，提供負(fù)偏壓脈沖至太陽能電池 晶片，以使氫離子被吸引注入其中。
在此方法中，高密度等離子體可提供高的氫離子劑量率(doserate)。因 此與現(xiàn)行技術(shù)相比，工藝時(shí)間將可被大幅縮減。另一方面，相比于傳統(tǒng)離 子束方法，本方法中使用的設(shè)備較為簡單及經(jīng)濟(jì)，故適用于大量生產(chǎn)。同 時(shí)，負(fù)偏壓脈沖結(jié)束期間，等離子體中的電子會被吸引至太陽能電池晶片， 以中和原先注入的累積正電荷。所以，通過控制脈沖寬度可以消除電荷累 積所導(dǎo)致的損壞問題。而且，利用選擇一個適當(dāng)?shù)拿}沖電壓可避免離子的 轟擊而造成抗反射涂層的可能的劣化。

圖1是一種典型太陽能電池的正視剖面圖。
圖2是圖解本發(fā)明的結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化工藝的示意圖。
圖3是圖1所示的一種多晶硅(multicrystalline silicon)太陽能電池于氫 鈍化工藝前后在模擬AM1.5照庋(illumination)下的電性(I-V)曲線圖。
圖4是圖1所示的一種單晶硅(monocrystalline silicon)太陽能電池于氫 鈍化工藝前后在模擬AMI.5照度下的電性(I-V)曲線圖。
主要附圖標(biāo)記說明
10: 太陽能電池
100:結(jié)晶硅晶片
102:隨機(jī)角錐構(gòu)造
104: pn接合
106:表面鈍化層
108:抗反射層
112、 114:電才及
116:電介層
200:太陽能電池晶片
202:真空腔體
204:晶片托盤
206:氣體供應(yīng)裝置
208:微波或射頻功率產(chǎn)生器
210:等離子體源
212:脈沖產(chǎn)生器
具體實(shí)施方式
圖1是一種典型的太陽能電池10,其中包括一個結(jié)晶硅晶片100,且 已形成pn接合(pn junction) 104 。結(jié)晶硅晶片100表面具有隨機(jī)角錐結(jié)構(gòu) (random pyramid texture) 102,并利用熱工藝成長的Si02薄層來作為表面鈍 化層(surface passivation layer)106。然后，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 方法沉積一層a-SiNx :H薄膜的抗反射層膜108。而在結(jié)晶硅晶片100的前面100a和背面100b上分別制作電極112和114。此外，電極114通常是形 成在沉積于結(jié)晶硅晶片100的背面100b的一層電介層116中。
圖2則是顯示結(jié)晶硅太陽能電池晶片200施行氫鈍化的示意圖。首先 將結(jié)晶硅太陽能電池晶片200置入在真空腔體202中的晶片托盤(holder)204 上，并且降低真空腔體202的氣壓至大約l(T6Torr。然后，氣體供應(yīng)裝置206 供應(yīng)氫氣流到真空腔體202至預(yù)定壓力，約l-10mTorr。接著，通過一個微 波或射頻功率產(chǎn)生器208提供的微波或射頻功率傳送到真空腔體202內(nèi)產(chǎn) 生氫氣等離子體。 一般而言，等離子體密度應(yīng)該大于10—1() cm-3,以達(dá)成有 效工藝。
當(dāng)激發(fā)氫氣等離子體后，由一個脈沖產(chǎn)生器(pulse generator) 212提供預(yù) 定的電壓大小、脈沖頻率與脈沖時(shí)間寬度的負(fù)脈沖電壓至晶片托盤204,以 施加偏壓至結(jié)晶硅太陽能電池晶片200。前述負(fù)脈沖電壓的脈沖頻率范圍為 100Hz到20kHz，電壓范圍是從-500V到-5kV，以便確保結(jié)晶硅太陽能電池 晶片200中的抗反射層(如圖1的108)在氫鈍化期間不被破壞。而供應(yīng)負(fù)脈 沖電壓的時(shí)間(pulse duration)是從lpsec至20psec。然后，等離子體源210 中的氫離子會被負(fù)電壓加速并且注入結(jié)晶硅太陽能電池晶片200中。而工 藝的處理時(shí)間為1 10分鐘之間。此外，在上述氬離子注入期間，可加熱結(jié) 晶硅太陽能電池晶片200至大約30(TC 35(TC的溫度。
以下實(shí)施例將描述本發(fā)明所提出的氫鈍化工藝的效果。
實(shí)施例一
在這個實(shí)施例中，真空腔體的底壓為l(T6Torr,而后輸入氫氣作為工作 氣體并升高壓力至2 mTorr。等離子體通過電感耦合天線以射頻功率(13.56 MHz)激發(fā)。功率為200W。等離子體密度為約10Ucm'3,并且使用-4kV的 脈沖電壓來加偏壓至太陽能電池。而脈沖寬度是10nsec以及脈沖頻率是200 Hz。本實(shí)驗(yàn)并不提供電源加熱太陽能電池，因?yàn)榈入x子體離子注入時(shí)會使 樣品的溫度提高至IO(TC左右。全部工藝時(shí)間是10分鐘。
太陽能電池是用p型、滲雜硼至lxlO"cn^的多晶硅晶片(mc-Si wafer) 制作的。它們的平均晶粒大小(mean grain size)為大約5 mm。在晶片的表面 上已經(jīng)制作角推構(gòu)造。N+P接合則是在850"C使用POCL3擴(kuò)散20分鐘制作 的。接著，用熱氧化工藝形成一層20nm的Si02層。然后，在溫度為350°C 時(shí)以電容耦合式射頻等離子體反應(yīng)器沉積一層大約90 nm的a-SiNx : H薄膜用來抗反射，其中使用SiH4和NH3作為前驅(qū)物(precursor)。至于金屬電極 則使用金屬印刷法并加750°C的燒結(jié)制作的。
圖3則顯示太陽能電池在氫鈍化工藝前后的電流-電壓特性的比較。結(jié) 果清楚顯示串聯(lián)電阻大幅降低，填充因子(filling factor)從76.99 %增加至 81.25 %。而且短路(short-circuit)電流增力口。這些改良將使轉(zhuǎn)換效率從12.33 % 增加至13.39%。
實(shí)施例二
在這個實(shí)施例中，制作一個單晶硅太陽能電池。制作的結(jié)構(gòu)與工藝與 實(shí)施例一相同。此外，等離子體條件與處理?xiàng)l件也都一樣。圖4為太陽能 電池在氬鈍化工藝前后的電流-電壓特性的比較，結(jié)果顯示填充因子結(jié)果從 75.00%增加至80.77%。同時(shí)，短路電流從0.23 A增加至0.25 A，且開路 電壓也從0.59 V增加至0.6 V。這些改良4吏得轉(zhuǎn)換效率/人14.25%增加至 17.06%。
綜合以上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比能大幅降低氫鈍化工藝的時(shí)間 與成本，有效提高結(jié)晶硅太陽能電池效率。而且使用的設(shè)備較為簡單經(jīng)濟(jì)， 適用于大量生產(chǎn)。本發(fā)明可應(yīng)用在不同類型的結(jié)晶硅太陽能電池上。尤其 是針對生產(chǎn)中效率未能達(dá)要求的太陽能電池進(jìn)行氫鈍化，使其效率提高， 增加生產(chǎn)良率。除此之外，本發(fā)明無須改變太陽能電池現(xiàn)有的其它生產(chǎn)方 法，為獨(dú)立工藝，整合性高。
雖然本發(fā)明已以實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本 領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)可作任意的更改與潤 飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，包括(a)將結(jié)晶硅太陽能電池晶片置入真空腔體中，該結(jié)晶硅太陽能電池晶片的表面具有電極及抗反射層；(b)供應(yīng)氫氣流到該真空腔體至預(yù)定壓力；(c)傳送射頻或微波功率到該真空腔體內(nèi)產(chǎn)生氫氣等離子體；以及(d)通過一個脈沖產(chǎn)生器提供預(yù)定的電壓大小、脈沖頻率與脈沖時(shí)間寬度的負(fù)脈沖電壓到該結(jié)晶硅太陽能電池晶片，并于處理時(shí)間注入足量的氫離子到該結(jié)晶硅太陽能電池晶片內(nèi)，其中該負(fù)脈沖電壓被控制在設(shè)定范圍內(nèi)，以免破壞該抗反射層。
2. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中該負(fù) 脈沖電壓是在-500 V和-5 kV之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中供應(yīng) 該負(fù)脈沖電壓的時(shí)間是在1 psec與20 (isec之間。
4. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中該脈 沖頻率是在100 Hz與20 kHz之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中該處 理時(shí)間是在1分鐘與10分鐘之間。
6. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中在步 驟d期間，包括加熱該結(jié)晶硅太陽能電池晶片至300。C 35(TC的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及結(jié)晶硅太陽能電池的快速氫鈍化的方法，還涉及一種改善太陽能電池效率的方法，應(yīng)用于包含單晶硅、多晶硅與多晶硅薄膜的結(jié)晶硅太陽能電池。本方法將太陽能電池置于氫氣等離子體中，提供預(yù)定電壓、預(yù)定頻率與預(yù)定時(shí)間寬度的負(fù)偏壓脈沖至太陽能電池。如此等離子體中的氫離子將被吸引而快速注入太陽能電池內(nèi)部，故可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鈍化太陽能電池中的硅結(jié)晶缺陷。同時(shí)在適當(dāng)?shù)牟僮鲄?shù)下，太陽能電池的抗反射層特性也不會被破壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本方法能增加短路電流與開路電壓且大幅降低太陽能電池的串聯(lián)電阻以增加填充因子。整體效率得以提高。
文檔編號H01L31/18GK101414648SQ20071018508
公開日2009年4月22日 申請日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者孫文檠, 寇崇善, 林建佑, 王志偉, 甘炯耀, 陳建勛, 黃振昌 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院