专利名称：结晶硅太阳能电池的快速氢钝化的方法
结晶硅太阳能电池的快速氢钝化的方法
技术领域：
本发明涉及一种硅基底的氢化(hydrogenation)方法。特别是一种快速氢 化工艺，用以钝化结晶硅(crystalline silicon, c-Si)太阳能电池中的硅结晶缺 陷。前述结晶娃包含单晶珪(monocrystalline， m-Si)、多晶硅(multicrystalline, mc-Si)及多晶硅薄膜(polycrystalline thin film, poly-Si thin film)。
背景技术：
太阳能电池是一种非常有前景的干净能源，其可直接从阳光产生电能。 不过目前必须有效地降低太阳能电池的生产成本，太阳能电池才能被广泛 接受而成为主要电力来源。研究指出硅晶片已占结晶硅太阳能电池模块总 成本的三分之一以上。因此为了降低成本，利用多晶硅(mc-Si)或多晶硅薄 膜(poly-Si thin film)制作太阳能电池，已成为重要发展方向。但是，mc-Si 和poly-Si在晶体内都含有缺陷，包括晶界(grain boundary)、晶体间差排 (intragrain dislocation)。这些缺点会降低太阳能电池的转换效率(conversion efficiency)。此外，即使在单晶太阳电能池的情况下，电荷载子在晶格表面 的再结合(recombination)—样会不利于太阳能电池的转换效率。
现有技术已知通过将氢原子加入硅晶片中，可使晶体缺陷的影响降低， 称为"氢钝化"工艺。如此结晶硅太阳能电池的效率将被大幅改善。一般观点， 这些效率的改善与氪原子在晶格缺陷上形成键结，从而降低电荷载子在晶 格缺陷上的再结合损失非常相关。目前在太阳能电池工艺技术上，利用氢 钝化以减轻晶格缺陷的有害效应的方法包含
(1) 在氢气氛中做加热处理
P. Sana, A. Rohatgi， J. P. Kalejs, and R. O. Bell, Appl. Phys. Lett. 64, 97
(1994)。
美国专利US 5,169,791。
(2) 以氢气等离子体进行扩散处理
W. Schmidt, K,D. Rasch， and K. Roy, 16 IEEE Photovoltaic SpecialistConference, San Diego, 1982, pages 537-542。
美国专利U. S. 4,835,006与U. S. 4,343,830。
(3) 通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,缩写为PECVD)沉积的富含氢的SiNx : H薄膜层
R. Hezel and R. Schroner, J. Appl. Phys,, 52(4)， 3076 (1981)。
(4) 离子4b氬原子(ionized hydrogen atom)的注入 美国专利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。
在氢钝化的工艺中，必须提供足够的氢原子以达成在多数的晶格缺陷 上形成键结。然而因为氢原子通过晶片表面的扩散速率很慢，在(1)至(3)方 法中的氢钝化工艺往往需要数小时之久。虽然在(4)方法中，使用传统的考 夫曼(Kaufman)宽离子束源将氢离子注入晶片，工艺时间会降低。但在实际 工业应用时，太阳能电池的大量生产需要数组大面积的离子束源才能达到。 如此规格的离子束源设备是昂贵且复杂的系统。此外，在工艺中Kaufman 离子束源内的加速电极会被离子轰击。而被溅射出来的金属颗粒会变成污 染源，可能导致太阳能电池的效能变差。
在太阳能电池结构中含氢的非晶氮化硅(a-SiNx: H)薄膜已成为一个重 要的应用。这种薄膜是用等离子体化学气相沉积的方式成长于硅晶片上。 a-SiNx: H薄膜的应用第一是作为抗反射层(antireflection coating)。再者， 它可以提供表面钝化作用(surface passivation effect),以降低太阳能电池中电 荷载子在硅晶片表面上再结合。此外，a-SiNx: H薄膜中的氢原子可扩散至 硅晶片中并钝化晶格的缺陷。为达上述目的，需要热处理(thermal process) 来提高太阳能电池的温度，以增加氢原子的扩散，达到理想的钝化。操作 温度在350。C左右，工艺需费时1到2小时。
然而在一些太阳能电池生产中，电极制作是在抗反射层完成后进行。 因为电极制作往往需进行高温加热烘烤的步骤，而氢与硅的键结在400。C以 上将分解，致使氢原子脱离晶片，故前段所述的氢钝化效果将被破坏。
综合以上所述，结晶硅太阳能电池的生产需要一种快速的氢钝化工艺， 以大幅降低工艺时间。特别是这种工艺可在结晶硅太阳能电池制造完成之的快速氢钝化工艺。而且，和用考夫曼氏(Kaufman)宽束离子源的传统离子 注入法相比，这种方法的设备必须简单且适合太阳能电池的大量生产工艺。
发明内容
本发明提供一种结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，以改善结晶硅太 阳能电池的效能。这种方法可以实现快速氢钝化(hydrogen passivation)工 艺，以减轻硅晶体中因为缺陷导致的有害效应。而且，这种方法必须不会 造成抗反射层的损害(如a-SiNx: H)。此外，本发明所提出的结晶硅太阳能 电池的氬钝化方法可改善已经完全制作好的太阳能电池的效能。
本发明提出一种结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，包括以下步骤
(a) 将结晶硅太阳能电池置入真空腔体中，其中结晶硅太阳能电池的表 面具有电极及一层抗反射层。
(b) 供应氢气流到真空腔体至预定压力。
(c) 传送射频或微波功率到真空腔体内产生氢气等离子体。
(d) 通过一个脉冲产生器提供预定的电压大小、脉冲频率与脉冲时间宽 度的负脉冲偏压到结晶硅太阳能电池晶片，并于预定期间注入足量的氢离 子到结晶硅太阳能电池晶片内，其中前述负脉冲电压被控制在设定范围内， 以免破坏抗反射层。
本发明提出结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法是先将结晶硅太阳能电 池晶片置于一个真空腔体中，太阳能电池已具有抗反射层及电极。随后， 再供应氢气流到真空腔体至预定压力。接着，通过传送射频或微波功率源 到真空腔体内来产生氢气等离子体。随后，提供负偏压脉冲至太阳能电池 晶片，以使氢离子被吸引注入其中。
在此方法中，高密度等离子体可提供高的氢离子剂量率(doserate)。因 此与现行技术相比，工艺时间将可被大幅缩减。另一方面，相比于传统离 子束方法，本方法中使用的设备较为简单及经济，故适用于大量生产。同 时，负偏压脉沖结束期间，等离子体中的电子会被吸引至太阳能电池晶片， 以中和原先注入的累积正电荷。所以，通过控制脉冲宽度可以消除电荷累 积所导致的损坏问题。而且，利用选择一个适当的脉冲电压可避免离子的 轰击而造成抗反射涂层的可能的劣化。
图1是一种典型太阳能电池的正视剖面图。
图2是图解本发明的结晶硅太阳能电池的氢钝化工艺的示意图。
图3是图1所示的一种多晶硅(multicrystalline silicon)太阳能电池于氢 钝化工艺前后在模拟AM1.5照庋(illumination)下的电性(I-V)曲线图。
图4是图1所示的一种单晶硅(monocrystalline silicon)太阳能电池于氢 钝化工艺前后在模拟AMI.5照度下的电性(I-V)曲线图。
主要附图标记说明
10: 太阳能电池
100:结晶硅晶片
102:随机角锥构造
104: pn接合
106:表面钝化层
108:抗反射层
112、 114:电才及
116:电介层
200:太阳能电池晶片
202:真空腔体
204:晶片托盘
206:气体供应装置
208:微波或射频功率产生器
210:等离子体源
212:脉冲产生器
具体实施方式
图1是一种典型的太阳能电池10,其中包括一个结晶硅晶片100,且 已形成pn接合(pn junction) 104 。结晶硅晶片100表面具有随机角锥结构 (random pyramid texture) 102,并利用热工艺成长的Si02薄层来作为表面钝 化层(surface passivation layer)106。然后，利用等离子体增强化学气相沉积 方法沉积一层a-SiNx :H薄膜的抗反射层膜108。而在结晶硅晶片100的前面100a和背面100b上分别制作电极112和114。此外，电极114通常是形 成在沉积于结晶硅晶片100的背面100b的一层电介层116中。
图2则是显示结晶硅太阳能电池晶片200施行氢钝化的示意图。首先 将结晶硅太阳能电池晶片200置入在真空腔体202中的晶片托盘(holder)204 上，并且降低真空腔体202的气压至大约l(T6Torr。然后，气体供应装置206 供应氢气流到真空腔体202至预定压力，约l-10mTorr。接着，通过一个微 波或射频功率产生器208提供的微波或射频功率传送到真空腔体202内产 生氢气等离子体。 一般而言，等离子体密度应该大于10—1() cm-3,以达成有 效工艺。
当激发氢气等离子体后，由一个脉冲产生器(pulse generator) 212提供预 定的电压大小、脉冲频率与脉冲时间宽度的负脉冲电压至晶片托盘204,以 施加偏压至结晶硅太阳能电池晶片200。前述负脉冲电压的脉冲频率范围为 100Hz到20kHz，电压范围是从-500V到-5kV，以便确保结晶硅太阳能电池 晶片200中的抗反射层(如图1的108)在氢钝化期间不被破坏。而供应负脉 冲电压的时间(pulse duration)是从lpsec至20psec。然后，等离子体源210 中的氢离子会被负电压加速并且注入结晶硅太阳能电池晶片200中。而工 艺的处理时间为1 10分钟之间。此外，在上述氬离子注入期间，可加热结 晶硅太阳能电池晶片200至大约30(TC 35(TC的温度。
以下实施例将描述本发明所提出的氢钝化工艺的效果。
实施例一
在这个实施例中，真空腔体的底压为l(T6Torr,而后输入氢气作为工作 气体并升高压力至2 mTorr。等离子体通过电感耦合天线以射频功率(13.56 MHz)激发。功率为200W。等离子体密度为约10Ucm'3,并且使用-4kV的 脉冲电压来加偏压至太阳能电池。而脉冲宽度是10nsec以及脉冲频率是200 Hz。本实验并不提供电源加热太阳能电池，因为等离子体离子注入时会使 样品的温度提高至IO(TC左右。全部工艺时间是10分钟。
太阳能电池是用p型、渗杂硼至lxlO"cn^的多晶硅晶片(mc-Si wafer) 制作的。它们的平均晶粒大小(mean grain size)为大约5 mm。在晶片的表面 上已经制作角推构造。N+P接合则是在850"C使用POCL3扩散20分钟制作 的。接着，用热氧化工艺形成一层20nm的Si02层。然后，在温度为350°C 时以电容耦合式射频等离子体反应器沉积一层大约90 nm的a-SiNx : H薄膜用来抗反射，其中使用SiH4和NH3作为前驱物(precursor)。至于金属电极 则使用金属印刷法并加750°C的烧结制作的。
图3则显示太阳能电池在氢钝化工艺前后的电流-电压特性的比较。结 果清楚显示串联电阻大幅降低，填充因子(filling factor)从76.99 %增加至 81.25 %。而且短路(short-circuit)电流增力口。这些改良将使转换效率从12.33 % 增加至13.39%。
实施例二
在这个实施例中，制作一个单晶硅太阳能电池。制作的结构与工艺与 实施例一相同。此外，等离子体条件与处理条件也都一样。图4为太阳能 电池在氬钝化工艺前后的电流-电压特性的比较，结果显示填充因子结果从 75.00%增加至80.77%。同时，短路电流从0.23 A增加至0.25 A，且开路 电压也从0.59 V增加至0.6 V。这些改良4吏得转换效率/人14.25%增加至 17.06%。
综合以上所述，本发明与现有技术相比能大幅降低氢钝化工艺的时间 与成本，有效提高结晶硅太阳能电池效率。而且使用的设备较为简单经济， 适用于大量生产。本发明可应用在不同类型的结晶硅太阳能电池上。尤其 是针对生产中效率未能达要求的太阳能电池进行氢钝化，使其效率提高， 增加生产良率。除此之外，本发明无须改变太阳能电池现有的其它生产方 法，为独立工艺，整合性高。
虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意的更改与润 饰，因此本发明的保护范围应以所附权利要求限定的范围为准。
权利要求
1. 一种结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，包括(a)将结晶硅太阳能电池晶片置入真空腔体中，该结晶硅太阳能电池晶片的表面具有电极及抗反射层；(b)供应氢气流到该真空腔体至预定压力；(c)传送射频或微波功率到该真空腔体内产生氢气等离子体；以及(d)通过一个脉冲产生器提供预定的电压大小、脉冲频率与脉冲时间宽度的负脉冲电压到该结晶硅太阳能电池晶片，并于处理时间注入足量的氢离子到该结晶硅太阳能电池晶片内，其中该负脉冲电压被控制在设定范围内，以免破坏该抗反射层。
2. 如权利要求1所述的结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，其中该负 脉冲电压是在-500 V和-5 kV之间。
3. 如权利要求1所述的结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，其中供应 该负脉冲电压的时间是在1 psec与20 (isec之间。
4. 如权利要求1所述的结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，其中该脉 冲频率是在100 Hz与20 kHz之间。
5. 如权利要求1所述的结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，其中该处 理时间是在1分钟与10分钟之间。
6. 如权利要求1所述的结晶硅太阳能电池的氢钝化的方法，其中在步 骤d期间，包括加热该结晶硅太阳能电池晶片至300。C 35(TC的温度。
全文摘要
本发明涉及结晶硅太阳能电池的快速氢钝化的方法，还涉及一种改善太阳能电池效率的方法，应用于包含单晶硅、多晶硅与多晶硅薄膜的结晶硅太阳能电池。本方法将太阳能电池置于氢气等离子体中，提供预定电压、预定频率与预定时间宽度的负偏压脉冲至太阳能电池。如此等离子体中的氢离子将被吸引而快速注入太阳能电池内部，故可在短时间内实现钝化太阳能电池中的硅结晶缺陷。同时在适当的操作参数下，太阳能电池的抗反射层特性也不会被破坏。实验结果显示，本方法能增加短路电流与开路电压且大幅降低太阳能电池的串联电阻以增加填充因子。整体效率得以提高。
文档编号H01L31/18GK101414648SQ20071018508
公开日2009年4月22日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年10月17日
发明者孙文檠, 寇崇善, 林建佑, 王志伟, 甘炯耀, 陈建勋, 黄振昌 申请人:财团法人工业技术研究院