专利名称：太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体加工领域，更具体地，涉及背面设置有钝化薄金属氧化物层的太阳能电池的制造。
背景技术：
在硅太阳能电池中，少数电荷载流子可能在到达接触体之前在缺陷、杂质、表面损伤等处复合。这样的复合减小了太阳能电池的电流输出，因此降低了其效率。为了减少太阳能的背面处复合的发生，该表面可通过为其设置金属氧化物钝化层(例如，氧化铝(Al2O3) 层)而被钝化。成功的钝化可增加有效少数电荷载流子的寿命(、ff)。本发明的一个目的是提供一种能够经济地制造具有高的有效少数电荷载流子寿命(例如，τ eff彡500 μ s)的太阳能电池的方法。
发明内容
因此，本发明的一个方面在于一种有效少数电荷载流子寿命(effective minority charge carrier lifetime)至少为500 μ s的太阳能电池的制造方法。该方法包括提供半导体晶片。该方法进一步包括通过顺次且交替地(i)暴露所述晶片的表面至第一前体(precursor)以形成该第一前体对该表面的覆盖，以及(ii)暴露所述表面至第二前体以形成该第二前体对该表面的覆盖，以通过在所述表面上ALD (Atomic Layer Deposition)沉积金属氧化物层来钝化所述表面。步骤(i)和(ii)中的至少一个在表面覆盖达到饱和水平之前被停止。本发明的另一方面在于一种至少部分基于根据本发明的方法而制造的太阳能电池。根据本发明的方法在实验(稍后详述)中找到依据，该实验令人惊奇地揭示了使用欠饱和(sub-saturated)ALD(S卩，在小于最大每周期生长速率(GPC Growth Per Cycle ； 以人/周期为单位进行测量)的速率下执行的ALD)所沉积的金属氧化物钝化层可提供优良的钝化特性。该实验关注于使用两种气态前体(三甲基铝(TMA)和臭氧(O3))来镀的氧化铝层。然而，可推测不同金属和/或使用不同前体而沉积的其他金属氧化物层也可展现相似的特性。在欠饱和ALD的构架中，已观察到氧化铝钝化层的沉积处理的多个处理参数对太阳能电池的有效少数电荷载流子寿命具有显著的影响。这些参数包括进行钝化层沉积的晶片温度、在臭氧前体暴露/脉冲期间基板暴露至的臭氧浓度、以及所镀的层的厚度。沉积处理参数范围的谨慎选择可获得能够提高太阳能电池的效率的高效钝化层。 有利地，这样的参数选择也可降低成本，并提高太阳能生产过程的整体效率。参照以下详细描述，本发明的这些以及其他特征和优点将更容易被理解。
图1是阳光入射至其上的根据本发明的示例性太阳能电池的示意性截面侧视图；图2是示出太阳能电池(钝化Al2O3层被镀在其背面上)的有效少数电荷载流子寿命和ALD周期时间之间的关系的柱状图；图3是示出太阳能电池的有效少数电荷载流子寿命与ALD沉积期间的臭氧前体脉冲的臭氧浓度以及所镀的Al2O3层的整体层厚的变化之间的关系的柱状图；图4示意性示出TMA被用作前体的ALD处理的效率曲线；图5是示出表1所列的配方中的每一个的TMA消耗量的柱状图；图6是示出表1所列的配方中的每一个的每周期生长(GPC)的柱状图；图7是示出层厚均勻性、层生长速率与ALD周期时间之间的关系的曲线图；图8包括对于使用表1所列的配方中的每一个来加工的晶片示出膜厚的片内均勻性(WiW)的值(左图)和膜厚的片间均勻性(WtW)的值(右图)的两个柱状图；以及图9示意性示出圆形晶片的表面上的用以进行层厚测量以评估膜厚的片内均勻性(WiW)和膜厚的片间均勻性(WtW)的位置。
具体实施例方式ALD是一种允许以精确控制的方式沉积薄层的沉积方法。通常，ALD使用两种或更多种交替且重复地施加至基板的气态前体。将基板的表面暴露至所有前体的一系列的连续步骤被称为沉积周期。每个沉积周期通常生长所期望的层的一个单层。这是因为如下事实， 即，在ALD中，层生长依赖于化学吸附，该化学吸附是前体分子通过化学键的形成贴附至基板的表面的过程，而未进一步发生前体分子的热分解。当所有的可用于与前体化学键合的基板表面部位已经被覆盖时，化学吸附自然地停止。将基板暴露至第二前体使得第二前体与经化学吸附的第一前体发生化学反应以形成固态层，直至所有的经化学吸附的第一前体被反应且基板以自限制(self-limiting)的方式覆盖有经化学吸附的第二前体。因此，ALD 是一种能够以高质量来共形地(conformal)涂覆层的沉积方法。该特性使其成为各行业 (特别是半导体行业，更具体地，太阳能电池行业)关注的方法。在太阳能电池行业中，一种ALD应用是在太阳能电池的背面上沉积钝化层 (passivation layer)。图1是具有这种钝化层的示例性太阳能电池的示意性截面侧视图。 太阳能电池包括结晶硅本体，其在电池的制造过程中被称为“晶片”。本体中产生的电流经由电池正面和背面上的电接触体(electrical contact)而引出。正面接触体结构被形成为允许光穿过的宽间隔的金属栅格形式。在电池正面的栅格的开口中设置有抗反射涂层以最小化光反射。在背面上，硅本体设置有氧化铝(Al2O3)钝化层，其主要功能是防止所产生的少数电荷载流子在背面上的不期望的复合。在钝化层的顶部设置有全域金属背接触体 (full area metal back contact)。通过适当的掺杂，硅本体在其光接收表面附近设置有 p-n结。在操作过程中，入射在电池上的光在p-n结(即，在η型发射极和ρ型基极中)的两侧产生电子(e_)_空穴(h+)对。基极中产生的电子跨过p-n结向发射极扩散，同时发射极中产生的空穴跨过P-n结向基极扩散，从而电池两端产生电压。对电池电流的产生非常重要的是有效少数电荷载流子寿命τ rff，这里不再详细描述，应该注意的是，在数学上，Trff实质上由两个分量构成一个与电池的本体或块的特性有关，一个与电池的表面有关。后一个分量很大程度上由钝化层的特性决定。
为了优化钝化层的特性，以优化τ eff的相应分量，已经进行了使用不同的ALD处理方法将氧化铝层镀到硅晶片的背面的实验。所有方法共同的是将所述表面交替且重复地暴露至两种气态前体，三甲基铝(TMA)和臭氧(O3)。通过执行多个沉积周期，生长了厚度达 30nm的层。在沉积层之后，确定太阳能电池的有效少数电荷载流子寿命\ff。此处，在相关范围内，用来执行实验的实验设备包括传统的垂直半导体处理炉。该炉具有能够接收容纳一批晶片的晶片舟(wafer boat)的可加热反应室。在该舟中，晶片以相互间隔开的关系堆叠设置。由此，多个晶片被同时处理，这允许用于之后的相互(晶片和晶片之间)比较。设置马达装置以在晶片的沉积处理期间使晶片舟旋转。通过安装有用于气流控制的可控阀的一系列管道来将前体和净化气体提供至反应室以及从反应室排除。 TMA前体气体和氮(N2)净化气体直接从加压的源容器中抽出，而使用被供应氧气(O2)的臭氧生成器来合成臭氧(O3)。供应至臭氧生成器而没有被转换成臭氧的氧气用作臭氧的载气，因此，其也被供应至反应室。现在转到不同的ALD处理。表1列出了三种不同的ALD方法RCP1、RCP2和RCP3 的暴露时间。例如，从表1可以得出，RCPl包括将晶片的背面(即，太阳能电池的背面)向 TMA流暴露15秒、向净化气体流暴露14秒、向臭氧流暴露30秒以及向另一净化气体暴露 10秒的连续的暴露。表1的最右侧一栏列出了单个ALD沉积周期的持续秒数，例如，对于 RCPl为69秒，这由前体和净化气体暴露的持续时间之和所得。表 权利要求
1.一种有效少数电荷载流子寿命(τ eff)至少为500μ s的太阳能电池的制造方法，所述方法包括提供半导体晶片；以及通过顺次且交替地(i)暴露所述晶片的表面至第一前体，以形成所述第一前体对所述表面的覆盖，以及(ii)暴露所述表面至第二前体，以形成所述第二前体对所述表面的覆盖，以通过在所述表面上ALD沉积金属氧化物层来钝化所述表面，其中，步骤(i)和(ii)中的至少一个在所述表面的覆盖达到饱和水平之前被停止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一前体是金属前体和/或所述第二前体是氧化剂。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述金属氧化物层是氧化铝 (Al2O3)层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第一前体包括三甲基铝 (TMA)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第二前体包括臭氧(O3)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述晶片是硅晶片。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所述晶片的表面对不同的前体的暴露之间，利用惰性气体，例如氮气(N2)净化反应室。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述晶片的表面被首先暴露至非氧化剂前体，例如金属前体。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，步骤(i)的持续时间在1至1 的范围内，优选在1至IOs的范围内，更优选在1至&的范围内。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，步骤(ii)的持续时间在1至20s 的范围内，优选在1至IOs的范围内，更优选在1至&的范围内。
11.至少根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(ii)期间所述晶片的表面被暴露至其的所述第二前体具有在0. 1至500g/m3的范围内、优选在100至300g/m3的范围内、更优选约为220g/m3的臭氧浓度。
12.至少根据权利要求7所述的方法，其中，净化所述反应室的时间间隔在1至15s的范围内，优选在1至IOs的范围内，更优选在1至&的范围内。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，ALD周期时间在10至70s的范围内，优选在10至25s的范围内，更优选在10至15s的范围内。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，在沉积期间，所述晶片被保持在 150至200°C的范围内的温度。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述晶片被置于100至200mTorr 的范围内的气压环境中。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述金属氧化物层的厚度在10 至30nm的范围内，优选在15至25nm的范围内。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，进一步包括确保所述第一前体和所述第二前体向所述晶片的表面的传送基本上均勻，具体地，通过在沉积期间旋转晶片。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中，以相互间隔开的关系层叠布置的一批晶片被放置在反应室中，其中，所述晶片中的每一个具有表面，并且其中，所述晶片的所述表面在步骤(i)期间全部暴露于所述第一前体并在步骤(ii)期间全部暴露于所述第二前体。
19.一种太阳能电池，所述太阳能电池至少部分地使用根据权利要求1至18中任一项所述的方法制造。
20.根据权利要求19所述的太阳能电池，所述太阳能电池具有大于750μ S、优选大于 1000 μ S、更优选大于1250 μ s的有效少数电荷载流子寿命(τ eff)。
全文摘要
本发明提供了一种太阳能电池及其制造方法。一种有效少数电荷载流子寿命(τeff)至少为500μs的太阳能电池的制造方法，所述方法包括提供半导体晶片；以及通过顺次且交替地(i)暴露所述晶片的表面至第一前体，以形成所述第一前体对所述表面的覆盖，以及(ii)暴露所述表面至第二前体，以形成所述第二前体对所述表面的覆盖，以通过在所述表面上ALD沉积金属氧化物层来钝化所述表面，其中，步骤(i)和(ii)中的至少一个在所述表面的覆盖达到饱和水平之前被停止。
文档编号H01L31/18GK102254987SQ20111013249
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月21日
发明者迪特尔·皮埃雷克斯 申请人:阿斯莫国际公司