專利名稱：結晶硅太陽能電池的快速氫鈍化的方法
結晶硅太陽能電池的快速氫鈍化的方法
技術領域：
本發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，用以鈍化結晶硅(crystalline silicon, c-Si)太陽能電池中的硅結晶缺 陷。前述結晶娃包含單晶珪(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：
太陽能電池是一種非常有前景的干凈能源，其可直接從陽光產生電能。 不過目前必須有效地降低太陽能電池的生產成本，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，已成為重要發展方向。但是，mc-Si 和poly-Si在晶體內都含有缺陷，包括晶界(grain boundary)、晶體間差排 (intragrain dislocation)。這些缺點會降低太陽能電池的轉換效率(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 的再結合(recombination)—樣會不利于太陽能電池的轉換效率。
現有技術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。如此結晶硅太陽能電池的效率將被大幅改善。一般觀點， 這些效率的改善與氪原子在晶格缺陷上形成鍵結，從而降低電荷載子在晶 格缺陷上的再結合損失非常相關。目前在太陽能電池工藝技術上，利用氫 鈍化以減輕晶格缺陷的有害效應的方法包含
(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) 以氫氣等離子體進行擴散處理
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) 通過等離子體增強化學氣相沉積(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成在多數的晶格缺陷 上形成鍵結。然而因為氫原子通過晶片表面的擴散速率很慢，在(1)至(3)方 法中的氫鈍化工藝往往需要數小時之久。雖然在(4)方法中，使用傳統的考 夫曼(Kaufman)寬離子束源將氫離子注入晶片，工藝時間會降低。但在實際 工業應用時，太陽能電池的大量生產需要數組大面積的離子束源才能達到。 如此規格的離子束源設備是昂貴且復雜的系統。此外，在工藝中Kaufman 離子束源內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，可能導致太陽能電池的效能變差。
在太陽能電池結構中含氫的非晶氮化硅(a-SiNx: H)薄膜已成為一個重 要的應用。這種薄膜是用等離子體化學氣相沉積的方式成長于硅晶片上。 a-SiNx: H薄膜的應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合。此外，a-SiNx: H薄膜中的氫原子可擴散至 硅晶片中并鈍化晶格的缺陷。為達上述目的，需要熱處理(thermal process) 來提高太陽能電池的溫度，以增加氫原子的擴散，達到理想的鈍化。操作 溫度在350。C左右，工藝需費時1到2小時。
然而在一些太陽能電池生產中，電極制作是在抗反射層完成后進行。 因為電極制作往往需進行高溫加熱烘烤的步驟，而氫與硅的鍵結在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，結晶硅太陽能電池的生產需要一種快速的氫鈍化工藝， 以大幅降低工藝時間。特別是這種工藝可在結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)寬束離子源的傳統離子 注入法相比，這種方法的設備必須簡單且適合太陽能電池的大量生產工藝。
發明內容
本發明提供一種結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，以改善結晶硅太 陽能電池的效能。這種方法可以實現快速氫鈍化(hydrogen passivation)工 藝，以減輕硅晶體中因為缺陷導致的有害效應。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，本發明所提出的結晶硅太陽能 電池的氬鈍化方法可改善已經完全制作好的太陽能電池的效能。
本發明提出一種結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，包括以下步驟
(a) 將結晶硅太陽能電池置入真空腔體中，其中結晶硅太陽能電池的表 面具有電極及一層抗反射層。
(b) 供應氫氣流到真空腔體至預定壓力。
(c) 傳送射頻或微波功率到真空腔體內產生氫氣等離子體。
(d) 通過一個脈沖產生器提供預定的電壓大小、脈沖頻率與脈沖時間寬 度的負脈沖偏壓到結晶硅太陽能電池晶片，并于預定期間注入足量的氫離 子到結晶硅太陽能電池晶片內，其中前述負脈沖電壓被控制在設定范圍內， 以免破壞抗反射層。
本發明提出結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法是先將結晶硅太陽能電 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， 再供應氫氣流到真空腔體至預定壓力。接著，通過傳送射頻或微波功率源 到真空腔體內來產生氫氣等離子體。隨后，提供負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 此與現行技術相比，工藝時間將可被大幅縮減。另一方面，相比于傳統離 子束方法，本方法中使用的設備較為簡單及經濟，故適用于大量生產。同 時，負偏壓脈沖結束期間，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 積所導致的損壞問題。而且，利用選擇一個適當的脈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是圖解本發明的結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。
主要附圖標記說明
10: 太陽能電池
100:結晶硅晶片
102:隨機角錐構造
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:氣體供應裝置
208:微波或射頻功率產生器
210:等離子體源
212:脈沖產生器
具體實施方式
圖1是一種典型的太陽能電池10,其中包括一個結晶硅晶片100,且 已形成pn接合(pn junction) 104 。結晶硅晶片100表面具有隨機角錐結構 (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，利用等離子體增強化學氣相沉積 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 成在沉積于結晶硅晶片100的背面100b的一層電介層116中。
圖2則是顯示結晶硅太陽能電池晶片200施行氫鈍化的示意圖。首先 將結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，氣體供應裝置206 供應氫氣流到真空腔體202至預定壓力，約l-10mTorr。接著，通過一個微 波或射頻功率產生器208提供的微波或射頻功率傳送到真空腔體202內產 生氫氣等離子體。 一般而言，等離子體密度應該大于10—1() cm-3,以達成有 效工藝。
當激發氫氣等離子體后，由一個脈沖產生器(pulse generator) 212提供預 定的電壓大小、脈沖頻率與脈沖時間寬度的負脈沖電壓至晶片托盤204,以 施加偏壓至結晶硅太陽能電池晶片200。前述負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。而供應負脈 沖電壓的時間(pulse duration)是從lpsec至20psec。然后，等離子體源210 中的氫離子會被負電壓加速并且注入結晶硅太陽能電池晶片200中。而工 藝的處理時間為1 10分鐘之間。此外，在上述氬離子注入期間，可加熱結 晶硅太陽能電池晶片200至大約30(TC 35(TC的溫度。
以下實施例將描述本發明所提出的氫鈍化工藝的效果。
實施例一
在這個實施例中，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。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。本實驗并不提供電源加熱太陽能電池，因為等離子體離子注入時會使 樣品的溫度提高至IO(TC左右。全部工藝時間是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 上已經制作角推構造。N+P接合則是在850"C使用POCL3擴散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 時以電容耦合式射頻等離子體反應器沉積一層大約90 nm的a-SiNx : H薄膜用來抗反射，其中使用SiH4和NH3作為前驅物(precursor)。至于金屬電極 則使用金屬印刷法并加750°C的燒結制作的。
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 果清楚顯示串聯電阻大幅降低，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。這些改良將使轉換效率從12.33 % 增加至13.39%。
實施例二
在這個實施例中，制作一個單晶硅太陽能電池。制作的結構與工藝與 實施例一相同。此外，等離子體條件與處理條件也都一樣。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，結果顯示填充因子結果從 75.00%增加至80.77%。同時，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吏得轉換效率/人14.25%增加至 17.06%。
綜合以上所述，本發明與現有技術相比能大幅降低氫鈍化工藝的時間 與成本，有效提高結晶硅太陽能電池效率。而且使用的設備較為簡單經濟， 適用于大量生產。本發明可應用在不同類型的結晶硅太陽能電池上。尤其 是針對生產中效率未能達要求的太陽能電池進行氫鈍化，使其效率提高， 增加生產良率。除此之外，本發明無須改變太陽能電池現有的其它生產方 法，為獨立工藝，整合性高。
雖然本發明已以實施例披露如上，然其并非用以限定本發明，任何本 領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，應可作任意的更改與潤 飾，因此本發明的保護范圍應以所附權利要求限定的范圍為準。
權利要求
1. 一種結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，包括(a)將結晶硅太陽能電池晶片置入真空腔體中，該結晶硅太陽能電池晶片的表面具有電極及抗反射層；(b)供應氫氣流到該真空腔體至預定壓力；(c)傳送射頻或微波功率到該真空腔體內產生氫氣等離子體；以及(d)通過一個脈沖產生器提供預定的電壓大小、脈沖頻率與脈沖時間寬度的負脈沖電壓到該結晶硅太陽能電池晶片，并于處理時間注入足量的氫離子到該結晶硅太陽能電池晶片內，其中該負脈沖電壓被控制在設定范圍內，以免破壞該抗反射層。
2. 如權利要求1所述的結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中該負 脈沖電壓是在-500 V和-5 kV之間。
3. 如權利要求1所述的結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中供應 該負脈沖電壓的時間是在1 psec與20 (isec之間。
4. 如權利要求1所述的結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. 如權利要求1所述的結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中該處 理時間是在1分鐘與10分鐘之間。
6. 如權利要求1所述的結晶硅太陽能電池的氫鈍化的方法，其中在步 驟d期間，包括加熱該結晶硅太陽能電池晶片至300。C 35(TC的溫度。
全文摘要
本發明涉及結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，應用于包含單晶硅、多晶硅與多晶硅薄膜的結晶硅太陽能電池。本方法將太陽能電池置于氫氣等離子體中，提供預定電壓、預定頻率與預定時間寬度的負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部，故可在短時間內實現鈍化太陽能電池中的硅結晶缺陷。同時在適當的操作參數下，太陽能電池的抗反射層特性也不會被破壞。實驗結果顯示，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 優先權日2007年10月17日
發明者孫文檠, 寇崇善, 林建佑, 王志偉, 甘炯耀, 陳建勛, 黃振昌 申請人:財團法人工業技術研究院