CN102623312B - 增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法及结构 - Google Patents
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Abstract
一种增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，至少包括以下步骤：提供表面已粗糙化且为p型轻掺杂的硅基板；施以第一次毯覆式且较低能量n型离子布植，以形成n型杂质第一掺杂区，因此，第一掺杂区与p型硅基板接面形成第一道pn接面空乏区；以及施以第二次较高能量n型离子布植，以具有多个开口图案的遮罩为离子布值遮罩，以形成多个n型杂质第二掺杂区，第二掺杂区连接自第一掺杂区且如弹头形向下延伸，第二掺杂区与p型硅基板接面形成弹头形的第二道pn接面空乏区，第一道pn接面空乏区与第二道pn接面空乏区相连接，電流增加池的製程扩大pn接面面积。采用本发明的增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，可以增加光电流，使太阳能电池的光电转换效率大幅提升。
Description
技术领域
本发明是有关于太阳能电池，特别是指一种使pn接面空乏区加大的一种太阳能电池结构及其制程方法，以提高电流收集的制程方法及结构。
背景技术
近年来，由于环保意识的抬头和其它能源逐渐的枯竭，使得世界各国开始重视再生能源的利用。由于太阳光是取之不尽，用之不竭的天然能源，除了没有能源耗尽的问题之外，也可以避免能源被垄断的问题。
请参考图1的步骤1A~1G，为现有的太阳能电池吸光面制程的剖面示意图。p型半导体基板1经过清洗，将晶圆表面的杂质及污染物去除，并以酸液将基板1表面蚀刻成粗糙面后，在含氧气氛导入含n型导电性杂质的气体，例如POCL3、P2O5、PH3或PF3的退火炉管进行杂质扩散制程，以在p型半导体基板1上形成掺杂层10，产生光电转换效应所需的pn介面。
由于在n型区域10表层也会同时形成磷的氧化层11（P2O5），因此，在后续步骤中，需以蚀刻移除，再依序于p型半导体基板表面，形成抗反射层13及金属电极14。
请参照图2A，虚线B为半导体基板1本身p型杂质浓度曲线，曲线A为经过扩散方式掺杂后，在半导体基板内部n型导电性杂质的浓度分布。由图中可以看出在距表面一定距离处n型杂质和p型杂质互为补偿（compensate）而低于一定水准时就形成空乏区。
请再参照图2B，为光载子产生机率及收集机率在太阳能电池内部不同的位置的关系图。其中，曲线C为载子被收集的机率，曲线D为载子产生的机率。由曲线C可以看出，在空乏区因pn介面的电场作用，载子被收集机率最大，尽管，载子产生的机率不是最大的。而在靠近表面处载子产生的机率最高，但光照所产生的部分载子，会被表面的杂质所复合，因此，表面被收集的机率反而不如空乏区。
光电流的大小与载子产生的机率以及被收集的机率成正向关系，所以，使载子在太阳能电池内部产生的机率增加，或是提高载子被收集的机率，都能增加光电流，提高太阳能电池的光电转换效率。
就目前的太阳能电池相关制程产业而言，改变太阳能电池的制备方式，提高载子被收集的机率，降低电子和电洞再复合的机率，使太阳能电池光电转换效率提高，仍是目前在这一领域中最热门的研究课题之一。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的一个目的在于提供一种增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，至少包括以下步骤:提供表面已粗糙化且为p型轻掺杂的硅基板；施以第一次毯覆式且较低能量n型离子布植，以形成n型杂质第一掺杂区，因此，第一掺杂区与p型硅基板接面形成第一道pn接面空乏区；以及施以第二次较高能量n型离子布植，以具有多个开口图案的遮罩为离子布值遮罩，以形成多个n型杂质第二掺杂区，第二掺杂区连接自第一掺杂区且如弹头形向下延伸，第二掺杂区与p型硅基板接面形成弹头形的第二道pn接面空乏区，第一道pn接面空乏区与第二道pn接面空乏区相连接，以扩大pn接面面积。
本发明的另一目的在于提供一种增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，与前一实施例不同的是在进行离子布植时，第一次是施以毯覆式，且较低能量高剂量的n型离子布植，第二次是以较高能量低剂量的n型离子布植，以形成n型杂质第二掺杂区。
其中，第二掺杂区连接第一掺杂区，且向第一掺杂区下方延伸，与p型半导体基板接面形成第二道pn接面空乏区，其中，布植剂量的选择以约略大于或能补偿p型半导体基板的原始掺杂浓度为原则，以增加pn接面空乏区的宽度。
本发明提供一种增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，所述方法至少包括以下步骤：提供表面已粗糙化且为p型轻掺杂的半导体基板；施以第一次毯覆式，且较低能量高剂量的n型离子布植，以形成n型杂质第一掺杂区，所述第一掺杂区与p型半导体基板接面形成第一道pn接面空乏区；以及施以第二次毯覆式，且较高能量低剂量的n型离子布植，以形成n型杂质第二掺杂区，所述第二掺杂区连接所述第一掺杂区，且向所述第一掺杂区下方延伸，并覆盖过所述第一道pn接面空乏区，与所述p型半导体基板接面形成第二道pn接面空乏区，其中，布植剂量的选择以约略大于或能补偿p型半导体基板的原始掺杂浓度为原则，以增加所述pn接面空乏区的宽度。
在本发明的一个实施例中，进行前述的第一次离子布植的能量及剂量分别为5至20keV和1014至1016/cm2。
在本发明的一个实施例中，进行前述的第二次离子布植的能量及剂量分别为50至数百keV和1013至5×1013/cm2。
在本发明的一个实施例中，前述的方法还包括施以第三次离子布植，以具有多个开口图案的遮罩为离子布值遮罩，形成多个n型杂质第三掺杂区，所述第三掺杂区连接自所述第二掺杂区且如弹头形向下延伸，并与所述p型半导体基板接面形成多个弹头形的第三道pn接面空乏区，所述第二道pn接面空乏区与所述第三道pn接面空乏区相连接，其中，所述第三离子布植的剂量与所述第二离子布植的剂量相当。
在本发明的一个实施例中，前述的第三次离子布植的能量大于所述第二次离子布植的能量，较佳为100至数百keV。
在本发明的一个实施例中，前述的方法还包括下列步骤：施以退火制程以活化离子；在所述半导体基板表面形成抗反射层，以增加所述太阳能电池的光使用效率；以及在所述半导体基板表面网印金属浆料，并施以烧结处理，以使所述金属浆料形成电极。
本发明还提供一种增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，所述方法至少包括以下步骤：提供表面已粗糙化且为p型轻掺杂的硅基板；施以第一次毯覆式且较低能量n型离子布植，以形成n型杂质第一掺杂区，因此，所述第一掺杂区与所述p型硅基板接面形成第一道pn接面空乏区；以及施以第二次较高能量n型离子布植，以具有多个开口图案的遮罩为离子布值遮罩，以形成多个n型杂质第二掺杂区，所述第二掺杂区连接自所述第一掺杂区且如弹头形向下延伸，所述第二掺杂区与所述p型硅基板接面形成弹头形的第二道pn接面空乏区，所述第一道pn接面空乏区与所述第二道pn接面空乏区相连接。
在本发明的一个实施例中，前述的第一离子布植的能量与剂量分别为为5至20keV和1014至1016/cm2。
在本发明的一个实施例中，前述的第二离子布植的能量与剂量分别为为50至数百keV和1014至1016/cm2。
本发明还提供一种太阳能电池结构，所述太阳能电池结构包括半导体基板，第一n型掺杂区以及多个第二n型掺杂区，所述半导体基板已掺杂p型导电性杂质，并且，所述半导体基板表面具有粗糙化结构；所述第一n型掺杂区靠近所述半导体基板表层，与所述半导体基板形成第一pn接面空乏区；所述第二n型掺杂区连接自所述第一n型掺杂区且如弹头形向下延伸，所述第二掺杂区与p型半导体基板接面形成多个弹头形的第二pn接面空乏区，所述第二pn接面空乏区与所述第一pn接面空乏区相连，形成一立体结构，其中，所述第二n型掺杂区的离子浓度小于或等于所述第一n型掺杂区的离子浓度。
在本发明中，空乏区的宽度及面积增加，也表示在太阳能电池内部，具有高载子收集机率的区域变大。使太阳能电池内部产生的光载子能更有效的被收集，用来产生更多光电流，进一步提升太阳能电池的光电转换效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1显示现有的太阳能电池制程的示意图；
图2A显示以扩散方式掺杂后，杂质的浓度在半导体内部的分布曲线；
图2B显示光载子产生及收集机率在太阳能电池内部不同的位置的关系图；
图3显示进行两次不同能量及剂量的离子布值后，空乏区宽度增加；
图4显示本发明的太阳能电池制程的示意图；
图5显示本发明之太阳能电池制程另一实施例的示意图；及
图6显示本发明之太阳能电池制程又一实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文依本发明太阳能电池的制程方法及结构，特举较佳实施例，并配合所附相关图式，作详细说明如下，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。要说明的是，图中各区域尺寸比例仅为方便指明相对位置，而非实际结构的放大。
本发明所提供的太阳能电池的制程，是以增加pn接面空乏区（junction depletion region）宽度或面积为手段，而因此提高获得载子收集的机率为主要目的。当太阳能电池吸收太阳光而于空乏区所产生电子-电洞对会分别被空乏区内的电场所加速，而向相反方向移动至太阳能电池两个表面的电极线而被收集。因此，在空乏区中几乎不会有电子-电洞对再复合的情况发生。
换句话说，如果能使空乏区在太阳能电池内部的宽度或面积增加，将可预期光载子被收集的机率大增，进一步提升太阳能电池的光电转换效率。本发明的精神可参照图3，是通过进行两次离子布值，调整杂质分布而达到增加空乏区宽度或面积，并使其位置向半导体基板表面移动的目的。
请参照图4中的步骤4A至4G，显示本发明所提供太阳能电池的方法的较佳实施例。首先，请参照图4中的步骤4A，提供硼轻掺杂的p型半导体基板2，经过清洗以去除附着于晶片表面的微粒及脏污。在太阳能电池的制程中，常使用的溶液是氢氧化钠（sodium hydroxide；NaOH）或氢氧化钾（potassium hydroxide；KOH）。
接着，对半导体基板2施以粗糙化处理（surface texturing），请参照图4中的步骤4B所示以减少太阳光反射。粗糙化处理是以碱性或酸性溶液以对半导体基板2表面产生非等向性蚀刻（anisotropic etching）。比如，针对表面为（110）平面的硅晶片而言，是利用氢氧化钠（NaOH）加异丙醇（isopropyl alcohol；IPA）溶液来使其表面产生大小不一的散乱分布金字塔结构粗糙面。
请参照图4中的步骤4C及4D，图示为借着增加空乏区22的面积，来达到增加光电流的目的的示意图。在本发明实施例中，对半导体基板2进行掺杂，形成pn接面时，至少对半导体基板2进行两次n型导电性杂质的离子布值，例如，磷离子或砷离子。但这仅是本发明其中一个实施例，实际上采用n型半导体基板，掺杂p型导电性杂质也是可以的。
如图4中的步骤4C所示，先进行第一次毯覆式低能量离子布植，用以在半导体基板2表层下方形成第一掺杂区20，以和p型半导体基板2形成第一道pn接面空乏区22a，离子布植的能量大约5至20keV为佳。随后，施以第二次离子布植，布植能量高于第一次离子布值，较佳为50至数百keV，并且仅在选定区域进行布植，用以在第一掺杂区20下方形成复数个第二掺杂区21。然而，这仅是本发明其中一个实施例，若是掉换两次离子布植的顺序，还是可以达到相同效果。
如图4中的步骤4D所示，第二掺杂区21连接自第一掺杂区20且如弹头形向下延伸，第二掺杂区21与p型半导体基板2接面形成弹头形的第二道pn接面空乏区22b，第一道pn接面空乏区22a与第二道pn接面空乏区22b相连接，形成三维立体结构，以扩大pn接面空乏区面积。
在本实施例中，第二次离子布植的布植剂量和第一离子布植相当，约为1014至1016/cm2。并且，选择要进行第二离子布植的区域时，以具有多个开口图案的遮罩27为离子布值遮罩，可利用光罩或光阻图案来定义。
随后，对半导体基板2施以退火制程以活化离子之外，并回复布植所导致的半导体基板损伤。退火温度大约700至1000℃，依离子布植的种类，调整退火温度与时间之最适条件，必要时可选择快速升温退火装置以达到最佳效果。图4中的步骤4D显示退火后的导电性杂质分布示意图，选定的第二掺杂区41的杂质分布有如数个分立的子弹壳体。
接着，在半导体基板2表面形成抗反射层23，如图4中的步骤4E。抗反射层23的材料可选自二氧化硅（SiO2）、二氧化钛（TiO2）或氮化硅（Si3N4）其中的一种或组合，并可采用溅镀、蒸镀或电浆辅助化学气相沉积等方式来制备。
最后，请参照图4中的步骤4F，利用刮棒26将金属浆料24以网印方式印制于半导体基板2表面。施以烧结处理后，金属浆料24穿透正面抗反射层22，并渗入半导体基板2表层,与第一掺杂区20紧密结合以形成电极24，如图4中的步骤4G所示。
本发明的第二较佳实施例，如图5中的步骤5A至5G所示，是借着增加空乏区的宽度，以提高光电子被收集的机率。图5中的步骤5A至5B的离子布植的前处理流程步骤与第一实施例同。
接着，请参照图5中的步骤5C及5D，先进行低能量及高剂量的第一次离子布值以形成第一掺杂区30，使掺杂层和金属射极形成良好的欧姆接触。随后，施以较高能量但较低剂量的第二次离子布值，用以在距表层较深处产生第二掺杂区31。
第二掺杂区31连接第一掺杂区30，且向第一掺杂区30下方延伸，并覆盖过该第一道pn接面空乏区32a，与p型半导体基板接面形成第二道pn接面空乏区32b。
在较佳实施例中，第一次离子布值所使用的能量及剂量分别为5至20keV和1014至1016/cm2。第二次离子布值的能量较佳为50至数百keV，布植剂量的选择则以约略大于或能补偿（compensate）p型半导体基板2的原始掺杂浓度为原则，较佳为1013至5×1013/cm2。随后的退火、镀抗反射层、网印金属电极及烧结等后续制程与第一实施例同，故不再赘述。
由于第二掺杂区31的浓度较低，在p型半导体基板内部形成pn接面时，空乏区32b的宽度会增加，使光载子被收集到的机率提升。
本发明的再一实施例，如图6中的步骤6A至6H所示，是将前两个实施例的优点结合，亦即，在进行图6中的步骤6D的第二次离子布植步骤之后，于选定区域，再进行第三次离子布植，布植的能量更大于第二次离子布植，如图6中的步骤6E所示，以在第二掺杂区41下方形成多个第三掺杂区45。
第三次离子布植的能量大约100至数百keV，并且，第三次离子布植的剂量与第二次离子布植的剂量约略相同。以这种制备方式，在靠近半导体基板表层具有浓度较高的掺杂区40，和金属电极44可以形成良好的欧姆接触，而在pn接面处，空乏区42b、42c的面积及宽度都会增加。
综上所述，本发明所提供的太阳能电池的制程方法，通过控制二次离子布植的能量及剂量，来调整空乏区的结构，具有下列优点：
（1）在空乏区可以收集更多载子。当空乏区的宽度及面积增加，位置也更靠近太阳能电池照射面时，能够在空乏区收集的载子数量也会增加。
（2）载子损失的机率降低。由于不需要考虑空乏区中载子再复合的情况，再加上载子移动到太阳能电池表面金属电极的距离缩短，可以减少电子-电洞再复合的机率。前述两个优点都可以增加光电流，使太阳能电池的光电转换效率大幅提升。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
提供表面已粗糙化且为p型轻掺杂的半导体基板；
施以第一次毯覆式，且较低能量高剂量的n型离子布植，以形成n型杂质第一掺杂区，所述第一掺杂区与p型半导体基板接面形成第一道pn接面空乏区；以及
施以第二次毯覆式，且较高能量低剂量的n型离子布植，以形成n型杂质第二掺杂区，所述第二掺杂区连接所述第一掺杂区，且向所述第一掺杂区下方延伸，并覆盖过所述第一道pn接面空乏区，与所述p型半导体基板接面形成第二道pn接面空乏区，其中，布植剂量的选择以大于或能补偿p型半导体基板的原始掺杂浓度为原则，以增加所述pn接面空乏区的宽度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行所述第一次离子布植的能量及剂量分别为5至20keV和1014至1016/cm2。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行所述第二次离子布植的能量及剂量分别为50至数百keV和1013至5×1013/cm2。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括施以第三次离子布植，以具有多个开口图案的遮罩为离子布值遮罩，形成多个n型杂质第三掺杂区，所述第三掺杂区连接自所述第二掺杂区且如弹头形向下延伸，并与所述p型半导体基板接面形成多个弹头形的第三道pn接面空乏区，所述第二道pn接面空乏区与所述第三道pn接面空乏区相连接，其中，所述第三次离子布植的剂量与所述第二次离子布植的剂量相同。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述第三次离子布植的能量大于所述第二次离子布植的能量，较佳为100至数百keV。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括下列步骤：
施以退火制程以活化离子；
在所述半导体基板表面形成抗反射层，以增加所述太阳能电池的光使用效率；以及
在所述半导体基板表面网印金属浆料，并施以烧结处理，以使所述金属浆料形成电极。
7.一种增加太阳能电池pn接面空乏区大小的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：
提供表面已粗糙化且为p型轻掺杂的硅基板；
施以第一次毯覆式且较低能量n型离子布植，以形成n型杂质第一掺杂区，因此，所述第一掺杂区与所述p型硅基板接面形成第一道pn接面空乏区；以及
施以第二次较高能量n型离子布植，以具有多个开口图案的遮罩为离子布值遮罩，以形成多个n型杂质第二掺杂区，所述第二掺杂区连接自所述第一掺杂区且如弹头形向下延伸，所述第二掺杂区与所述p型硅基板接面形成弹头形的第二道pn接面空乏区，所述第一道pn接面空乏区与所述第二道pn接面空乏区相连接，其中，所述n型杂质第一掺杂区的掺杂浓度与所述n型杂质第二掺杂区的掺杂浓度相同。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第一次离子布植的能量与剂量分别为为5至20keV和1014至1016/cm2。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第二次离子布植的能量与剂量分别为为50至数百keV和1014至1016/cm2。
10.一种太阳能电池结构，其特征在于，所述太阳能电池结构包括半导体基板，第一n型掺杂区以及多个第二n型掺杂区，所述半导体基板已掺杂p型导电性杂质，并且，所述半导体基板表面具有粗糙化结构；所述第一n型掺杂区靠近所述半导体基板表层，与所述半导体基板形成第一pn接面空乏区；所述第二n型掺杂区连接自所述第一n型掺杂区且如弹头形向下延伸，所述第二掺杂区与p型半导体基板接面形成多个弹头形的第二pn接面空乏区，所述第二pn接面空乏区与所述第一pn接面空乏区相连，形成一立体结构，其中，所述第二n型掺杂区的离子浓度小于或等于所述第一n型掺杂区的离子浓度。
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