CN102308394A - 光伏电池中的负电钝化层 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及用于处理太阳能衬底的方法与设备，该太阳能衬底用于制造一光伏器件。具体而言，提供用于产生带负电钝化层的方法与设备。
Description
技术领域
本发明实施例一般涉及光伏器件及光伏器件的制造。具体而言，本发明实施例涉及负电钝化层及在光伏电池中产生负电钝化层。
现有技术
光伏(PV)或太阳能电池为可将辐射转换成直流(DC)电功率的材料结型器件。当暴露至太阳光(太阳光由来自光子的能量所构成)时，太阳能电池p-n结的电场分离自由电子与空穴对，因而产生光电压。当太阳能电池连接至电负载时，从n-侧至p-侧的电路允许电子的流动，同时PV电池结型器件的面积及其它参数确定可得到的电流。电功率为电压乘上当电子与空穴藉由一集电流结分离时所产生的电流的乘积。
一公知半导体基底太阳能电池100的截面图在图1中示出。太阳能电池具有：作为上电极的顶栅101、抗反射层102、n-型层103、p-型块体104、连接至作为背面电极的背金属层107的多个点接触105、以及介电层106。
功率藉由在上电极与背面电极之间的外部电流产生，该外部电流藉由辐射而自电池释放的电荷载流子所保持。为了获得硅太阳能电池的高效率，必须降低载流子在前侧和背侧表面的再结合(recombination)。这通常藉由所谓钝化的过程而完成。当太阳能电池吸收光子时，产生一电子-空穴对。若在半导体结处收集这些载流子之前这些载流子再结合，将失去这些载流子且无法对电池的电流作出贡献。因为表面呈现具有高密度悬键的不连续性，这些悬键为再结合的主要位置。此问题在具有长寿命衬底的高级电池设计中更为恶化，其中在这些衬底中，载流子有极高可能性在到达结之前先到达表面。
一种钝化该表面的有吸引力的方法为将一绝缘层(亦称作钝化层)沉积至电池的主体上。最常见地，使用Si3N4或SiO2作为钝化层材料。SiO2因其形成具有最低数量悬键的界面而具有吸引人的性质。然而，SiO2具有低折射率而不适合形成抗反射涂层。Si3N4无法形成如SiO2一样好而具有最低数量悬键的界面。然而，Si3N4具有接近对硅使用的理想值的折射率。
使用任一种材料，可能将电荷添加至钝化层中。使用CVD或PVD形成具有净正电荷的氮化物。亦可形成具有净正固定电荷的二氧化硅。在p-型材料上，正电荷反转表面，从而产生一层电子(少量的载流子)且缺乏空穴(多数的载流子)。阱(trap)将因电子而带有电荷，但是没有空穴可将这些阱放电，因而中性化这些阱。
在一些电池设计中，例如PERL或PERC电池，或激光烧结背部触点电池(laser fired back contact cell)，希望赋予钝化层负电荷。如图1中所示，这些电池为点接触电池，这些点接触电池具有小局部区域的形式的背部触点，而其它剩余背部区域用钝化层覆盖。这些触点形成将损耗反转层的CMOS结构。由于少数载流子在衬底中的长寿命，少数载流子产生速率太低使反转层无法形成。累积层是优选的，这是因为累积层含有可轻易取得的多数载流子，且该累积层可因而快得多地起反应。需要负电荷来在p-型材料中形成累积层。
然而负电荷与传统太阳能电池工艺并不兼容。这样的工艺使用氢气来钝化块体中以及钝化层和半导体之间界面处的缺陷。氢气具有正电荷且将中和钝化层内的负电荷。在许多情况中，以过量氢气作为氢气钝化的来源以形成钝化层。这将使在钝化层中实现净负电荷更加复杂化。
因此，存在对于负电钝化层的需要。也希望提供这些负电层，同时仍维持用于钝化及用于形成此负电钝化层的工艺的氢气的可用性。
发明内容
本发明的一实施例涉及一种在处理腔室中在太阳能电池衬底的表面上形成一层的方法，该方法包含：在处理腔室内放置具有纹理化硅表面的太阳能电池衬底；在该衬底上形成具有一氧化层深度的氧化层；在该处理腔室中提供由负离子源形成的负离子；在该氧化层中布植负离子以在太阳能电池衬底上形成一带负电钝化介电层。
在一实施例中，负离子为氧离子且钝化层包含二氧化硅层。在一实施例中，该方法进一步包含通过施加功率至腔室内的对向电极与支撑该衬底的衬底支撑件以提供一偏压电场来偏压该腔室。
多个实施例可涉及改变来自功率源的功率以使该偏压电场在具有第一场方向的第一电场强度与具有第二场方向的第二电场强度之间交替。在一实施例中，该方法包括将正离子源提供至腔室中。在一实施例中，具有第一场方向的第一电场强度将负离子布植至该层中的第一深度，而具有第二场方向的第二电场强度将正离子布植至该层中的第二深度。
根据一实施例，功率在对向电极与衬底之间于约30至300伏特的范围内变化。在一特定实施例中，功率在对向电极与衬底之间于约100至200伏特的范围内变化。在一特定实施例中，在衬底上生长初始氧化层之后提供偏压电场。
在一些实施例中，在提供该偏压电场之前，初始氧化层生长到至少约20埃的深度。多个实施例包括将第三离子源引入至该腔室中，例如铝或铪。
在一些实施例中，对向电极包含气体分配板，且该气体分配板连通一氧气源和一氢气源。在其它实施例中，该对向电极包含一栅格(grid)，该栅格位于该腔室中邻近衬底支撑件处。
在一实施例中，一种在太阳能电池衬底的表面上形成钝化层的方法，该方法包含：在该处理腔室中放置具有纹理化硅表面的太阳能电池衬底；在该衬底上形成具有一氧化层深度的氧化层；将氧气和氢气供应至该腔室中；以及在该腔室内在对向电极与衬底之间施加一不对称的AC偏压，该偏压在正偏压与负偏压之间改变，该正偏压具有大于该负偏压的幅值以使氢离子被布植到该衬底内氧化层深度之下，且氧离子被布植到氧化层内而非该衬底内，以提供带负电钝化层。
附图简述
图1示意性地示出光伏器件；
图2示意性地示出氧化层在衬底上的生长；
图3示意性地示出在太阳能电池衬底上生长氧化层，该氧化层可通过使用离子布植用作为钝化层；
图4示意性地示出在太阳能电池衬底上生长氧化层的另一实施例，该氧化层可通过使用离子布植用作为钝化层。
实施方式
在描述本发明若干示例性实施例之前，应了解本发明并非限制于下列描述的结构或工艺步骤的细节。本发明可以其它实施例以及各种方式实施或执行。
在此发明书中及所附权利要求中使用的单数形式“一”、“一个”、“该”包括复数的指示对象，除非文中明确地指出其它含义。
美国加州圣克拉拉市Applied Materials，Inc提供一种衬底处理腔室，该衬底处理腔室包括称为RadOx
的工艺，RadOx
工艺用以形成用于CMOS晶体管栅极的薄二氧化硅层。RadOx工艺用灯加热衬底且将氢气和氧气注入至该腔室中。当这些气体撞击该衬底的表面时，这些气体形成自由基。自由基较中性物质具有更高的反应性，从而提供比所谓原位蒸气生成(ISSG)氧化物生长的蒸气工艺更快速的层生长速率。
图2中示出RadOx
工艺的示意图。氢气及氧气从源210及212注入至腔室200中。在图2所示的实施例中，气体通过一气体分配板214递送至腔室中，其中该气体分配板214具有多个通道，该气体分配板214还具有与氢气供应源210流体连通的氢气出口端口201和与氧气供应源212流体连通的氧气出口端口202。这些气体(其为离子源)可在腔室中离子化且在腔室200中在衬底支撑件220上的衬底205的表面处形成自由基。自由基反应以形成二氧化硅层203。注意，在淬火(quench)该生长时，自由基的净浓度将存在于层203中。然而，生长出的层203不会显现为具有净负电荷。此现象可能是因为氧气在界面204处消耗以形成层203，但氢气并未消耗。因此，层203富含氢气，但不具有希望的净负电荷。
在根据本发明的一方面中，提供一种用于将离子布植至钝化层中的方法。在本发明的一实施例中，将一偏压电场施加至该处理腔室中，如图3所示。图3示意性地示出通过将进入处理腔室的气体离子化所形成的自由基的偏压沉积的原理。氢气及氧气由氢气源310及氧气源312注入至腔室300中。气体通过气体分配板314递送至腔室中，其中该气体分配板314具有多个通道，该气体分配板314还具有与氢气供应源310流体连通的氢气出口端口301和与氧气供应源312流体连通的氧气出口端口302。在替代实施例中，气体可直接递送至腔室而不需要气体分配板。在一实施例中，在使用如以上参照图2所描述的自由基氧化工艺形成初始层之后，当功率施加至功率源306以在腔室300内提供偏压时，气体(其为离子源)随后在处理腔室300内离子化。因此，二氧化硅层303通过在衬底305(衬底305放置于腔室300内的衬底支撑件320上)的表面处的自由基氧化而形成。功率源306经由电容耦合电路(未示出)连接至衬底支撑件320，至少一部分的衬底支撑件具导电性且可作为一电极。自由基反应以形成二氧化硅层303从而提供界面304。氧气在处理腔室内提供负离子，且氢气在处理腔室内提供正离子。在一实施例中，衬底305为在制造光电器件时使用的太阳能电池衬底，并且提供一种在太阳能电池衬底305上形成钝化层的方法。太阳能电池305(太阳能电池305通常为块硅或多晶硅)具有通过蚀刻表面形成的纹理化表面。该纹理化表面允许光在由太阳能电池衬底制成的光伏电池中捕获。
在一实施例中，腔室在没有形成初始氧化层的情况下被偏压，且该氧化层303基于偏压腔室300而形成。如以上所述，在一实施例中，生长薄初始层303而不施加一偏压。初始层303可为约20埃厚，且初始层303可防止界面304处的表面受到由功率源306产生的电场的偏压所加速的离子的冲击，其中该功率源306可为射频(RF)交流(AC)功率源。如以上所述，功率源306耦合至衬底支撑件320，以及气体分配板314(气体分配板314作为对向电极)。
在一实施例中，使用脉冲电压偏压，尽管其它实施例可使用DC电压偏压。本领域技术人员将了解，气体分配板314将相对衬底305负偏压以将负离子布植至层303中。将反转此偏压以布植正离子。使该偏压电场在具有第一场方向的第一电场强度与具有第二场方向的第二电场强度之间交替允许正离子及负离子植入层303中。通过在腔室中施加正离子源的功率以在第一电场强度和第一场方向偏压允许负离子植入到衬底的第一深度。改变偏压以提供第二电场强度及第二场方向，正离子可被布植以在不同深度布植不同离子。
一般而言，脉冲偏压提供AC耦合至衬底305背面的益处，从而使得电耦合较为容易。在一特定实施例中，AC偏压并不对称(非对称)，如图3中的图307所示。根据本发明的实施例，可使用在约200-300KHz的范围内的频率。应了解较高的频率将有利于电容性耦合至衬底305的背面。根据一实施例，所施加的各个脉冲的持续时间可为工作循环的50％，且所施加的电压可相当低，例如在约100-200V的范围内。本发明不限于特定功率范围，且所施加的功率可横跨宽泛的范围变化，例如导致低于300V的离子加速电压。一般而言，离子能量应足以将负离子(例如氧)布植至层303中，但不进入衬底305中，且将取决于离子及层303的厚度。这可使用例如SRIM的计算机过程来计算。相较于脉冲的正电压的幅值，脉冲的负电压的幅值可较小。此差异确保负氧离子被布植至层303中而不进入衬底305中。相反地，氢被布植至衬底中，超过层303的深度。因为氢较轻，所以氢将不会造成损害。较重的氧可能造成损害，从而氧被布植至层303中，而非衬底305中。氢与氧的此分离减少氢中和氧的能力；氢当前在衬底305的主体中，而非层303中。
工艺的持续时间一般相当于所需剂量除以剂量率。例如，若期望剂量为1013离子/平方厘米，以及离子到达速率为1012/平方厘米/秒，则持续时间即为10秒。根据一个或多个实施例，氧化层303为约40-200埃的数量级，且离子能量被选择成使尖峰浓度将位于层303的上半部中以将对硅的损害减到最小。
图4示出用于处理衬底305的替代实施例。在图4中，腔室实质与图3中所示的腔室相似，除了将一线栅318放置在衬底上方以建立一偏压来取代偏压一气体分配板。此外，氧气源312耦合至气体线路332，气体线路332包括用于离子化氧气302的远程电离器334。在晶片上方的线栅318提供适于加速离子至衬底的对向电极。栅格网可为1-2mm，且可在晶片上方间隔开1-2cm的数量级。若栅格包括在如图4中所示的生长腔室中，则当晶片被加热以生长氧化物时，栅格应由钨或可耐受加热灯至晶片的通量的某金属所制成。一替代方式为第二腔室，第二腔室用来在层303生长后将自由基注射至层303中，因此一腔室仅为具有加热灯的生长腔室，而第二腔室为只具有离子注射器与加速栅格的装料腔室。
在另一实施例中，附加的或不同的离子可被布植以用于钝化目的。例如铝或铪可被布植至层303中。铝为硅中的p-型掺杂剂且希望在氧化物中形成带负电物质。其它离子可在氧化物中具有不同范围以强化与氢的分离，或能够布植到较薄氧化物内。
尽管已藉由应用本发明实施例而在本文中示出、描述并指出本发明的基本新颖特征结构，应了解本领域技术人员可在不背离本发明的精神下对例示的方法、装置与系统及其操作的形式和细节进行各种省略、取代和变化。因此，仅意欲将其限制于所附权利要求的范畴。
Claims (15)
1.一种在处理腔室中在太阳能电池衬底的表面上形成一层的方法，包含以下步骤：
在该处理腔室内放置具有纹理化硅表面的太阳能电池衬底；
在该衬底上形成具有一氧化层深度的氧化层；
在该处理腔室中提供从负离子源形成的负离子；以及
在该氧化层中布植负离子以在该太阳能电池衬底上形成带负电钝化介电层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负电离子为氧离子且所述钝化层包含二氧化硅层。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包含通过将功率施加至该腔室内的对向电极与支撑该衬底的衬底支撑件以提供一偏压电场，来偏压该腔室。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包含改变来自该功率源的功率以使该偏压电场在具有第一场方向的第一电场强度与具有第二场方向的第二电场强度之间交替。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包含将正离子源供应至该腔室中，其中具有该第一场方向的第一电场强度将负离子布植至该层中的第一深度，而具有该第二场方向的第二电场强度将正离子布植至该层中的第二深度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该功率在该对向电极与该衬底之间于约100至200伏特的范围内变化。
7.如权利要求3的所述的方法，进一步包含在该衬底上生长初始氧化层之后提供该偏压电场，其中该初始氧化层在提供该偏压电场之前生长到至少约20埃的深度。
8.如权利要求3所述的方法，进一步包含将第三离子源引入至该腔室中。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该第三离子源提供铝离子或铪离子。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该对向电极包含气体分配板，且该气体分配板与一氧气源及一氢气源连通。
11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该对向电极包含格栅，该格栅位于该腔室中邻近该衬底支撑件处。
12.一种在太阳能电池衬底的表面上形成钝化层的方法，包含以下步骤：
在该处理腔室中放置具有纹理化硅表面的太阳能电池衬底；
在该衬底上形成具有一氧化层深度的一氧化层；
将氧气和氢气供应至该腔室中；以及
在该腔室中在对向电极与该衬底之间施加一不对称的AC偏压，该偏压在正偏压与负偏压之间改变，该正偏压具有大于该负偏压的幅值以使氢离子被布植到该衬底内低于该氧化层的深度而氧离子被布植到该氧化层内而非该衬底内以提供带负电钝化层。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该氧化层在施加该偏压之前生长到至少约20埃的深度。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包含将第三离子源引入至该腔室中。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该第三离子源包含铪或铝。
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