TW201403853A - 用於背側鈍化太陽能電池與雷射觸點開口的薄膜堆疊與製程設計 - Google Patents

用於背側鈍化太陽能電池與雷射觸點開口的薄膜堆疊與製程設計 Download PDF

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Abstract

本發明之實施例關於製造光電元件之鈍化層堆疊的方法。一個實施例中，該鈍化層堆疊包含AlxOy(或SiOx)的第一介電層與折射率低於2.1的SixNy的第二介電層。該鈍化層堆疊具有透過一系列脈衝雷射光束所形成的穿過該鈍化層堆疊的觸點開口，該等脈衝雷射光束具有約300 nm至700 nm的波長與約0.01奈秒至約3奈秒的脈衝寬度。降低鈍化層堆疊中覆蓋AlxOy(或SiOx)的SixNy之折射率使雷射脈衝光束較不具選擇性，因為SixNy吸收較少雷射能量。因此，可用較短波長的單程脈衝雷射光束緩和地移除整體鈍化層堆疊的期望區域，而不會對鈍化層堆疊的鄰近區域造成損傷。

Description

用於背側鈍化太陽能電池與雷射觸點開口的薄膜堆疊與製程設計
本發明之實施例大體上關於太陽能電池之製造，且特別是關於矽太陽能電池的背表面鈍化。
太陽能電池是將陽光直接轉換成電力的光電元件。最常見的太陽能電池材料是矽，該矽為單晶、多晶(polycrystalline)、複晶(multi-crystalline)基材或非晶膜之形式。世人仍持續致力減少太陽能電池的製造成本(從而減少所得電池的成本)並同時維持或增加所生產的太陽能電池的總體效能。
太陽能電池將入射光能量轉換成電能的效能會受到許多因素負面影響，這些因素包括：從太陽能電池的光接收表面反射及/或不從太陽能電池之背表面反射的入射光之比例、以及太陽能電池中的電子與電洞的重組率。當電子與電洞重組時，入射太陽能以熱或光之方式再次發射，從而降低太陽能電池的轉換效能。重組可能發生在基材的塊體矽(bulk silicon)中，這取決於塊體矽中的缺陷數目；或者，重組可能發生在基材的前表面或背表面上，這取決於基材表面上有多 少懸空鍵，懸空鍵即未封端(unterminated)的化學鍵(呈現為捕捉位置)。懸空鍵一般是見於基材表面上，這是因為基材的矽晶格終止於前表面或背表面之故。這些懸空鍵作為缺陷之阱(defect trap)，因此是重組電子電洞對之位置。
太陽能電池的效能可透過在太陽能電池之背表面上使用鈍化層而改進。良好的鈍化層可提供減少太陽能電池中電子或電洞重組的期望上的膜性質，且將電子與電荷重新導回太陽能電池中，以生成光電流。再者，鈍化層也可作為背側反射體，以盡量減少光吸收，同時助於將光反射回太陽能電池元件。
為了將用於p型基底的太陽能電池的n型射極表面鈍化，舉例而言，可將例如為氧化鋁(諸如Al2O3)層或氧化矽(諸如SiO2)層之鈍化層形成於矽基材之背表面上。氧化鋁或二氧化矽不僅在鈍化懸空鍵上有效，也具有有效固定電荷以改善場效鈍化。氮化矽(SiN)層可進一步沉積在氧化鋁層(或二氧化矽層(若有使用))上，以防止氧化鋁或二氧化矽與後續高溫退火製程(有時稱作燒成製程)期間較後沉積的金屬背觸點材料(例如，鋁)反應。鈍化膜堆疊(即Al2O3/SiN或SiO2/SiN)隨後透過雷射剝蝕製程圖案化，以形成觸點開口，透過該等觸點開口，一部分的金屬背觸點材料可延伸而形成金屬背觸點與p型基底區域之間的電接觸以供提取電流。
然而，如前文所述的鈍化膜堆疊中的多層的雷射剝蝕面臨許多挑戰。例如，已有報導指出，習知的紅外線(IR) 雷射(具有1064奈米(nm)的波長，對應1.16電子伏特(eV)的光子能量)無法剝蝕諸如氮化矽與氧化鋁(或二氧化矽(若有使用))之類的介電材料。這是因為IR雷射的光子能量僅高於矽的能帶隙(1.12eV)但低於氮化矽與氧化鋁或二氧化矽的能帶隙(分別為5.1eV、8.7eV、8.9eV)。當雷射的光子能量低於材料的能帶隙時，該材料對雷射而言為可透射(transparent)。因此，習知的IR雷射將會貫穿深入矽基底區域並且損傷該矽基底區域，而非處於需要被剝蝕的氮化矽與氧化鋁(或二氧化矽)上。波長較短且光子能量較高的雷射光束(例如紫外線(UV)雷射，具157nm或7.8eV的光子能量)可有效用於剝蝕氮化矽層中。然而，下伏的層(即氧化鋁或二氧化矽)對UV雷射而言仍為可透射，這是因為氮化矽與氧化鋁或二氧化矽之間不同的光吸收係數與能帶隙所致。於是，只有氮化矽層被移除，而非整體鈍化膜堆疊被移除。為了使整體鈍化膜堆疊移除，必須執行多個雷射剝蝕製程或具有適用於氧化鋁或二氧化矽剝蝕的不同雷射功率的至少兩個剝蝕製程，此舉使生產的處理量減少。即使UV雷射功率設定有最高的剝蝕閾值以剝蝕下伏的氧化鋁(或二氧化矽)層，強烈的UV雷射功率對氮化矽剝蝕而言過強，而使得鈍化層堆疊的鄰近區域受到熱誘導性的損傷。
因此，需要一種具膜性質的改良鈍化膜堆疊，使得鈍化膜堆疊的期望區域可被雷射有效地移除而不會引發對鈍化層堆疊的鄰近區域的損傷。
本發明的實施例大體上關於用於製造光電元件的方法，且更詳言之，是關於在以矽為基礎的基材表面(例如，p型射極表面)上形成鈍化層堆疊的方法。一個實施例中，提供一種製造太陽能電池元件的方法。該方法大體上包括：提供基材進入處理腔室，其中該基材具有光接收表面與背表面，該背表面大體上平行該光接收表面且與該光接收表面相對；將鈍化層堆疊形成於該基材上。形成鈍化層堆疊的製程包括：將第一介電層形成於該基材的該背表面上；以及將第二介電層形成覆於該第一介電層上，其中該第二介電層具有低於2.1的折射率(例如1.9)；使該鈍化層經受一系列的脈衝雷射光束，以在鈍化層堆疊中的期望區域一次移除該第一介電層與該第二介電層，該等雷射光束具有約200nm至約700nm的波長，且具有介於約0.01奈秒至約10奈秒之間的脈衝寬度；在該鈍化層堆疊中形成複數個觸點開口，該等觸點開口每一者延伸穿過該第一介電層與該第二介電層而至該基材的該背表面。替代性實施例中，第三介電層形成於該第一介電層與該第二介電層之間，且該第三介電層具有介於1.7至1.9之間的折射率。雷射光束輸出的強度分佈可具有頂帽式(top-hat)或主要實質均勻的入射曲線(irradiance profile)。一個範例中，第一介電層是氧化鋁或氧化矽(諸如二氧化矽)。第二介電層是氮化矽(Si3H4)。第三介電層是氮氧化矽(SiON)。
另一實施例中，提供一種太陽能電池元件。該太陽能電池元件大體上包括：基材，具有第一表面與第二表面， 該第二表面大體上與該第一表面平行且相對；射極區域，形成在該基材的該第一表面上，該射極區域的導電類型與該基材的導電類型相反；以及鈍化層堆疊。該鈍化層堆疊具有形成在該基材的該第二表面上的第一介電層，以及形成覆於該第一介電層上的第二介電層，其中該第二介電層具有低於2.1的折射率(例如1.9)、具有約2.7g/cm3的質量密度、且具有低於約15原子%的氫含量(H)。鈍化層堆疊具有複數個觸點開口，該等觸點開口延伸穿過該第一介電層與該第二介電層而至該基材的該第二表面。替代性實施例中，第三介電層形成於該第一介電層與該第二介電層之間，且該第三介電層具有介於1.7至1.9之間的折射率。一個範例中，第一介電層是氧化鋁或氧化矽(諸如二氧化矽)。第二介電層是氮化矽(Si3H4)。第三介電層是氮氧化矽(SiON)，且該第一介電層具有約200Å的厚度，該第二介電層具有約800Å的厚度，且該第三介電層具有約100Å的厚度。該鈍化層可具有約1000Å至約1600Å的總厚度。
100‧‧‧太陽能電池元件
101‧‧‧基底區域
102‧‧‧射極區域
103‧‧‧p-n接合區域
105‧‧‧前表面
106‧‧‧背表面
108‧‧‧鈍化層
110‧‧‧基材
114‧‧‧鈍化ARC層
115‧‧‧第一介電層
117‧‧‧第二介電層
118‧‧‧鈍化層
119‧‧‧第三介電層
120‧‧‧金屬背觸點層
121‧‧‧金屬背觸點
130‧‧‧觸點開口
200‧‧‧流程圖
202-210‧‧‧方塊
藉由參考實施例(一些實施例說明於附圖中)，可獲得於上文中簡要總結的本發明之更特定的說明，而能詳細瞭解上述的本發明之特徵。然而應注意附圖僅說明此發明的典型實施例，因而不應將該等附圖視為限制本發明之範疇，因為本發明可容許其他等效實施例。
第1A至1D圖繪示根據本發明之各實施例的於第2圖的處理程序中不同階段期間的太陽能電池元件的示意性剖 面視圖。
第2圖描繪流程圖，該流程圖繪示根據第1A圖至第1D圖中所示的實施例的形成太陽能電池元件的處理程序。
第3A圖與第3B圖是示意圖，該等示意圖描述根據本發明的一個實施例的雷射光束強度分佈。
本發明之實施例大體上關於用於製造光電元件的方法，且更詳言之，關於在以矽為基礎的基材之表面(例如p型射極表面)上形成鈍化層堆疊的方法。該鈍化層堆疊形成於以矽為基礎的基材與背金屬觸點層之間。一個實施例中，鈍化層堆疊包括氧化鋁(或二氧化矽)層以及氮化矽層。氧化鋁層(或二氧化矽層)為約200Å厚，且氮化矽層是以一種方式沉積，該方式使得氮化矽形成為具有約800Å的厚度與波長633nm下1.7至1.9的折射率(n)，從而得到約1000Å的總鈍化層堆疊厚度。所提議的鈍化層堆疊有利地使雷射剝蝕製程較不具選擇性，這是透過以下方式達成：將鈍化層堆疊中覆蓋氧化鋁層(或二氧化矽層(若有使用))的層的折射率降低至低於2.1，而使得氮化矽層吸收較少雷射能量。因此，當氮化矽層正被剝蝕的同時，已被氮化矽吸收的大量雷射能量反而會被下伏的氧化鋁層(或二氧化矽層)吸收。因氮化矽吸收較少能量，所以即使使用強烈的UV或綠光雷射(發生氧化鋁或二氧化矽之剝蝕所需)，可用單程(single pass)的脈衝雷射光束緩和地移除整體鈍化層堆疊的期望區域，而不會對鈍化層堆疊的鄰近區域造成損傷。
另一實施例中，鈍化層堆疊可包括氧化鋁層、氮化矽層、與氮氧化矽層，該氮氧化矽層夾在氧化鋁層與氮化矽層之間。氮氧化矽層是以一種方式沉積，該方式使得氮氧化矽形成為具有約100Å的厚度與波長633nm下1.7至1.9的折射率(n)。氧化鋁層與氮化矽層可分別具有約200Å與約800Å之厚度。使用居中的氮氧化矽層減少鈍化層堆疊所需的下伏氧化鋁層的厚度，因為氮氧化矽層提供與氧化鋁層類似的光學性質(n1.7)。因此，減少了所使用的昂貴氧化鋁的量。此外，由於氮氧化矽與氧化鋁之間在光學性質方面類似，所以即使使用強烈的UV或綠光雷射，仍可用單程脈衝雷射能量移除整體鈍化層堆疊的期望區域，而不至於對鈍化層堆疊的鄰近地區造成損傷。
示範性鈍化層堆疊與該堆疊之形成製程
第1A圖至第1D圖繪示根據本發明一個實施例的在第2圖的處理程序中不同階段期間的太陽能電池元件100的示意剖面視圖。第2圖是流程圖200，該流程圖繪示根據第1A圖至第1D圖中所示的實施例的形成太陽能電池元件100的處理程序。應注意，描繪於第2圖中的處理程序僅用作為能夠用於製造太陽能電池元件的製程流程的範例。可視需要添加或消除一些步驟以形成期望的太陽能電池元件。第2圖的製程程序可在單一基材處理腔室中執行，或在群集工具中所設置的多個基材處理腔室中執行。發明所屬領域中具有通常知識者將注意到，在一些情況中，該等製程之每一者可在 無氧的惰性及/或真空環境中執行，諸如在群集工具的真空處理區域中執行，使得基材不會在製程之間暴露至氧。
流程圖200於方塊202開始，該步驟為將基材110導入處理腔室中，該處理腔室諸如為電漿強化化學氣相沉積(PECVD)腔室。PECVD腔室的範例是PRODUCER®腔室，該腔室可購自美國加州Santa Clara的應用材料公司。基材110大體上具有基底區域101、射極區域102、以及p-n接合區域103，p-n接合區域103配置在基底區域101與射極區域102之間，如第1A圖所示。基材110可以是單晶或複晶矽基材、含矽基材、摻雜(以p型摻質或n型摻質)的含矽基材、或其他適合的基材。一種裝設方式中，基材110是p型結晶矽(c-Si)基材。用於矽太陽能電池製造中的p型摻質是化學元素，諸如硼(B)、鋁(Al)、或鎵(Ga)。另一種裝設方式中，基材110可以是電子等級矽基材或低生命週期、富含缺陷的矽基材，例如精練冶金級(upgraded metallurgical grade(UMG))結晶矽基材。精練冶金級(UMG)矽是具有低濃度的重金屬與其他有害雜質(例如在ppm範圍內)的相對乾淨的多晶矽原料，但該原料可能含有高濃度硼或磷(視來源而定)。某些應用中，基材可以是背觸點矽基材，此背觸點矽基材是透過射極纏繞穿透(emitter wrap through(EWT))、金屬繞邊(metallization wrap around(MWA))、或金屬纏繞穿透(metallization wrap through(MWT))方法所製備。儘管在此描繪的實施例與該等實施例之相關討論主要討論使用p型c-Si基材，但申請人不希望此裝設方式對本發明之範疇造成 限制，因為在不偏離此述之本發明實施例之基本範疇的情況下，也可使用n型c-Si基材。形成覆於基材上的摻雜層或射極將根據所用的基材類型而有所不同，如下文中將討論之內容。
基材110具有光接收表面(即前表面105)與底或背表面106，該底或背表面106與光接收表面相對。射極區域102可以是n型射極區域，該n型射極區域是透過使用任何適合的技術以某些類型的元素(例如磷(P)、砷(As)、或銻(Sb))摻雜沉積的半導體層而形成，以增加負電荷載子(即電子)的數目，而該適合的技術諸如為佈植製程(隨後為退火製程)或使用磷矽玻璃(PSG)的熱擴散製程。p-n接合區域103是當太陽能電池元件100受光之入射光子照射時電子電洞對生成之區域。諸如鈍化ARC層114之抗反射塗層可沉積在太陽能電池單元100的光接收表面105上。鈍化ARC層114可包括氧化矽、氮化矽、或前述材料之組合。
在方塊204，鈍化層118形成於基底區域101的背表面106上，該基底區域101形成在基材110中。鈍化層118可包括第一介電層115與第二介電層117，該第二介電層117形成在基材110的第一介電層115上。鈍化層118提供良好的界面性質，所述界面性質減少電子與電洞之重組、汲引及/或擴散電子與電荷載子。該第一介電層115與該第二介電層117可由介電材料製造，所述介電材料選自由下列材料所構成之群組：氧化矽(SixOy)、氮化矽(SixNy)、氮化矽之氫化物(SixNy：H)、氮氧化矽(SiON)、氧碳氮化矽(SiOCN)、氧碳化 矽(SiOC)、氧化鈦(TixOy)、氧化鉭(TaxOy)、氧化鑭(LaxOy)、氧化鉿(HfxOy)、氮化鈦(TixNy)、氮化鉭(TaxNy)、氮化鉿(HfN)、氮氧化鉿(HfON)、氮化鑭(LaN)、氮氧化鑭(LaON)、氯化氮化矽(SixNy：Cl)、氯化氧化矽(SixOy：Cl)、非晶矽、非晶碳化矽、氧化鋁(AlxOy)、氮化鋁、或氮氧化鋁。
一個實施例中，第一介電層115是氧化矽(諸如二氧化矽(SiO2))而第二介電層117是氮化矽(諸如氮化矽(Si3N4))。另一實施例中，第一介電層115是氧化鋁(Al2O3)而第二介電層117是氮化矽(諸如氮化矽(Si3N4))。任一實例中，第一介電層115可具有約200Å至約600Å的厚度，而第二介電層117可具有約800Å至約1000Å的厚度，而得到約1000Å至約1600Å的總鈍化層堆疊厚度。第二介電層117可經沉積而提供在波長622nm下低於2.1的折射率(n)，諸如1.9。
發明人已確定，將鈍化層堆疊中覆蓋氧化鋁層(或二氧化矽層(若有使用))的層的折射率降低至低於2.1，可導致容易且均勻地剝蝕氮化矽層而不引發鈍化層堆疊的鄰近區域的損傷。這是因為根據Kramers-Kronig等式，材料的折射率正比於材料的吸收係數。因為具有較低折射率的氮化矽傾向吸收較少雷射能量，所以即使使用強烈的UV或綠光雷射(發生氧化鋁或二氧化矽之剝蝕所需，將在下文中討論)，鈍化層堆疊中的氮化矽層可被緩和地剝蝕。此外，當氮化矽層吸收較少雷射能量，雷射剝蝕製程較不具選擇性，因為已被氮化矽吸收的大量雷射能量反而會被下伏的氧化鋁層(或 二氧化矽層)吸收。於是，相對於多程脈衝雷射能量(習知雷射剝蝕製程原本所需)，可用單程的脈衝雷射光束移除整體鈍化層堆疊的期望區域。因此，生產處理量增加。
尚有另一如第1B’圖所示的實施例(替代性實施例)中，可在第一介電層115與第二介電層117之間形成第三介電層119。第一介電層115與第二介電層117可為上文所提及之該等材料之任一者。第三介電層119可以是光學性質接近第一介電層115的任何介電材料。第一介電層115為氧化鋁的一個範例中，第三介電層115是氮氧化矽(SiON)。在此實例中，氮氧化矽經沉積以提供於波長622nm下範圍在1.7至1.9之間的折射率(n)。此實施例的各範例中，第一介電層115可具有約100Å至約300Å的厚度，第二介電層117可具有約800Å至約1000Å的厚度，而第三介電層119可具有約100Å至約300Å的厚度，而得到約1000Å至約1600Å的總鈍化層堆疊厚度。
使用第三介電層119減少鈍化層堆疊所需的下伏第一介電層115的厚度，因為第三介電層119提供類似第一介電層115的光學性質。這在諸如氧化鋁之昂貴材料用於第一介電層115時有利。氮氧化矽可用做為第三介電層119，相較於氧化鋁，氮氧化矽相對上較能便宜製造。同樣，氮氧化矽的光學性質(諸如折射率)接近氧化鋁之光學性質(n1.7)。因此，提供類似於下伏之氧化鋁層的光學性質的同時，可減少所用的昂貴氧化鋁的量。最重要的是，仍可用單程脈衝雷射能量移除第一介電層115與第三介電層119(包括覆蓋第一 介電層115與第三介電層119的第二介電層117)的期望區域，而不至於引發鈍化層堆疊的鄰近區域的損傷或破裂。
現在，討論可用於形成鈍化層堆疊118中具期望光學性質的介電層的沉積製程。第一介電層115可透過以下方式形成：將第一處理氣體混合物導入PECVD處理腔室的處理空間，以及在該處理空間中生成電漿。在第一介電層115是二氧化矽(SiO2)的實例中，第一處理氣體混合物可包含含矽氣體、氧化氣體及/或載氣(例如氦氣)。含矽氣體可選自以下氣體所構成之群組：甲矽烷、乙矽烷、一氯矽烷、二氯矽烷、三氯矽烷、二溴矽烷、三甲基矽烷、四甲基矽烷、三二甲基胺矽烷(TriDMAS)、四乙氧基矽烷(TEOS)、三乙氧基氟矽烷(TEFS)、四氯化矽、四溴化矽、1,3,5,7-四甲基環四矽氧烷(TMCTS)、二甲基二乙氧基矽烷(DMDE)、八甲基環四矽氧烷(OMCTS)、甲基二乙氧基矽烷(MDEOS)、雙(叔丁基氨基)矽烷(BTBAS)、或前述氣體之組合。氧化氣體可選自由氧氣(O2)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)、與前述氣體之組合所構成的群組。
沉積二氧化矽期間，可用標準條件每分鐘約20立方公分(20sccm)至約20000sccm的流率將含矽氣體流進PECVD處理腔室中，且可用約20sccm至約20000sccm的流率將氧化氣體流進該處理腔室中。含矽氣體可以是TEOS且氧化氣體可以是臭氧。含矽氣體對氧化氣體的比例可從約0.005：1至約100：1，諸如約0.05：1至約50：1，例如3：1。腔室壓力可介於約1Torr至約60Torr之間，諸如介於約2Torr 至約10Torr之間。電極間距(即，噴頭與基材支座之間的距離)可維持在約50mils至約2000mils之間。對於處理300mm之基材，可透過13.56MHz之頻率下約50W至約12000W(諸如約4500W)的RF功率提供電漿。用於第一介電層沉積的RF功率可生成電漿一段時間，該段時間為約10秒至約360秒。可在每分鐘80埃(Å)至每分鐘約800Å(諸如約500Å/min)及基材支座溫度為約250℃至約650℃之間的條件下沉積第一介電層115。所形成的第一介電層115可具有約25Å至1000Å之間的厚度，諸如約100Å至約450Å之間。
在第一介電層115是氧化鋁(Al2O3)的實例中，可用約5sccm至約85sccm的流率將諸如三甲基鋁(TMA)之含鋁氣體流進PECVD處理腔室中，且可用約25sccm至約350sccm的流率將諸如氧氣(O2)或一氧化二氮(N2O)之含氧氣體流進PECVD處理腔室中。含鋁氣體與含氧氣體可用介於約1：1至約1：5之間的比例導進腔室中。腔室壓力可維持在約2Torr至約8Torr之間，而RF功率為約50W至約6000W，頻率為13.56MHz，電極間距為約50mils至約2000mils，而基材支座溫度為介於250℃至約400℃之間。第一介電層沉積的RF功率可生成電漿一段時間，該段時間為約10秒至約45秒。可在每分鐘250Å或更快(諸如約500Å/min)的條件下沉積第一介電層115。所形成的第一介電層115可具有約50Å至約1000Å之間的厚度，諸如約100Å至約450Å之間。應考量可使用任何適合的沉積技術沉積第一介電層115，該等沉積技術例如化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD) 製程、或物理氣相沉積(PVD)製程。
一旦第一介電層117已形成在基材110的背表面106上，第二介電層117沉積在第一介電層117上。第二介電層117可於與用於沉積第一介電層115相同的PECVD腔室內原位形成，以避免沉積之間的真空破壞。第二介電層117可透過以下方式形成：將第二處理氣體混合物導進PECVD處理腔室的處理空間中且在處理空間中生成電漿。在第二介電層117是氮化矽(諸如氮化矽(Si3N4))的實例中，第二處理氣體混合物可包含含矽氣體、含氮氣體、及/或載氣。例如，第二處理氣體混合物可以是甲矽烷(SiH4)與氮氣(N2)之組合、甲矽烷與氨氣(NH3)之組合、或甲矽烷、氨氣、與氮氣之組合。含矽氣體可以是上文中針對第一介電層115所提及之該等氣體。若需要，則可使氫氣伴隨第二處理氣體混合物流入。
沉積氮化矽期間，可用20sccm至約10000sccm的流率將含矽氣體流進PECVD處理腔室中，且可用約800sccm至約50000sccm的流率將含氮氣體流進該PECVD處理腔室中。或者，應考量在沉積第一介電層115(例如二氧化矽)與第二介電層117(例如氮化矽)期間，含矽氣體可連續地流進PECVD處理腔室，同時調整含氮氣體的流率，以獲得具期望折射率的氮化矽。任一實例中，含矽氣體對含氮氣體的比例可從約5：1至約15：1，諸如約10：1。腔室壓力可介於約2Torr至約10Torr之間。電極間距可維持在約50mils至約2000mils之間。對於處理300mm之基材而言，可透過在13.56MHz的頻率下約50W至約6000W的RF功率提供電漿。第一介 電層沉積的RF功率可生成電漿一段時間，該段時間為約20秒至約600秒。為了進一步緻密化第二介電層117，可施加基材偏壓功率以在第二介電層117的表面上施行離子轟擊。在此實例中，基材偏壓功率可為約0.002W/cm2至約0.5W/cm2之間。可在每分鐘約250Å或更大(諸如約500Å/min)及介於約350℃至約650℃的基材支座溫度的條件下沉積第二介電層117。所形成的第二介電層117可具有介於約350Å至900Å之間的厚度，諸如約600Å至約800Å。各實施例中，鈍化層118可具有約800Å至1000Å之間的總厚度。
範例
範例1-使用二氧化矽或氧化鋁(即第一介電層115)與氮化矽(即第二介電層117)的鈍化層堆疊形成在用於太陽能電池元件的基材的p型摻雜區域的背表面上。二氧化矽、氧化鋁、與氮化矽層是根據表1與表2所示的以下製程條件所形成。沉積是在1,200 x 1,300mm的基材面積上執行，該基材面積可用於以7 x 8的排列方式搭載多至56個晶圓。
在鈍化層堆疊具有形成於第一介電層115與第二介電層117之間的第三介電層119的一個實施例(第1B’圖)中，可在沉積第二介電層117之前，將第三處理氣體混合物導進PECVD處理腔室中。在第三介電層119是氮氧化矽的實例中，第三處理氣體混合物可包含含矽氣體、含氮氣體、及/或含氧氣體。含矽氣體、含氮氣體、與含氧氣體可以是上文中針對第一介電層115與第二介電層117所提及的該等氣體。例如，含矽氣體可以是SiH4，含氮氣體可以是N2或NH3，而含氧氣體可以是N2O。類似地，第三介電層119可在與用於沉積第一介電層115與第二介電層117相同的PECVD腔室中原位形成，因而避免沉積之間的真空破壞。
沉積第三介電層119期間，可用約20sccm至約10000sccm的流率將含矽氣體流進PECVD處理腔室，可用約50sccm至約20000sccm的流率將含氮氣體流進PECVD處理腔室，及可用約20sccm至約10000sccm的流率將含氧氣體流進PECVD處理腔室。一個範例中，含矽氣體是SiH4、含氮氣體是N2、及含氧氣體是N2O。含矽氣體對含氮氣體與含氧 氣體的比例可以從約1：10：0.01至約1：100：0.5，諸如約1：50：0.3。腔室壓力可介於約1Torr至約10Torr之間，諸如約2Torr至約6Torr之間。電極間距可維持在約200mils至約2000mils之間。可由頻率為13.56MHz之約50W至約6000W的RF功率提供電漿。第一介電層的RF功率密度可生成電漿一段時間，該段時間為約20秒至約90秒。可在每分鐘約250Å或更大(諸如約500Å/min)及介於約200℃至約650℃的基材支座溫度的條件下沉積第三介電層119。所形成的第三介電層119可具有介於約100Å至300Å之間的厚度，諸如約200Å。此實施例中，鈍化層118可具有約1000Å至1600Å之間的總厚度。
範例2-使用二氧化矽或氧化鋁(即第一介電層115)、居中氮氧化矽(即第三介電層119)、與氮化矽(即第二介電層117)之鈍化層堆疊形成在用於太陽能電池元件的基材的p型摻雜區域的背表面上。二氧化矽、氧化鋁、與氮化矽層是根據表1與表2所示的製程條件所形成，而氮氧化矽層是根據下文中表3所示的條件形成。沉積是在1,200 x 1,300mm的基材面積上執行。
在方塊206，鈍化層118已形成在基材110的背表面106上之後，可於雷射處理腔室中執行雷射圖案化製程，以於鈍化層118中形成複數個觸點開口130。觸點開口130暴露基材110的背表面106的一部分，如第1C圖中所示。複數個觸點開口130形成為穿過鈍化層118，而實現基底區域101與後續沉積的金屬背觸點121(第1D圖)之間的電連接，該金屬背觸點121用於提取電流。位在鈍化層118內的每一觸點開口130可彼此等距隔開。或者，每一觸點開口可裝設成彼此之間有不同的距離。
雷射圖案化製程可在惰性(諸如N2)環境中執行，以防止基材110的暴露表面的氧化或助益殘餘或未剝蝕的膜 的移除。雷射圖案化製程可由下述方式執行：傳遞一或多個脈衝雷射光束至鈍化層118的多個部分，而形成期望的觸點開口130的圖案，所述觸點開口130延伸穿過第二介電層117與第一介電層115，或(在某些實施例中)延伸穿過第二介電層117、第三介電層119、與第一介電層115。脈衝雷射光束輸出可介於約1W至約20W之間，例如介於約5W至約10W之間。脈衝雷射光束可具有約200nm至約700nm(例如532nm)之間的較短的波長，或者具有適合用於移除第一介電層115、第二介電層117、及第三介電層119的相對應的脈衝能量之任何波長。在鈍化層之期望區域並未完全剝蝕的實例中，可執行後續的濕式清潔製程，以確保在後續沉積的金屬背觸點與矽基底區域之間獲得良好的金屬接觸。
脈衝雷射光束可在300nm至700nm的波長範圍內。一個實施例中，脈衝雷射光束是UV雷射(波長355nm)，該UV雷射具有每平方公分約0.1焦耳(0.1J/cm2)至約10J/cm2的能量密度(例如注量)，例如約1J/cm2。另一實施例中，脈衝雷射光束是具有約0.1J/cm2至約1.0J/cm2的能量密度的綠光雷射(波長：532nm或523.5nm)。任一實例中，雷射光束的脈衝頻率可介於約30kHz至約70kHz之間，諸如50kHz。脈衝雷射光束可具有約80ps至約50ns的脈衝寬度，例如約1ns至約10ns，諸如約0.01ns至約3ns。脈衝雷射光束的光班尺寸可控制在直徑約80μm至約100μm之間。相信脈衝雷射光束的雷射能量產生每光子約1eV至約50eV的雷射能量，此能量足以剝蝕鈍化層堆疊118中的第一介電層 115、第二介電層117、以及第三介電層119(若有使用)。具所提議之雷射能量的雷射圖案化製程形成直徑範圍在約20μm至約200μm之間及節距約100μm至約1000μm之間的觸點開口130，所述節距例如為觸點開口的中心之間的觸點間距。可用於剝蝕介電層118中的介電層的一些示範性製程參數顯示於表4中。
某些實施例中，雷射光束輸出的強度分佈之形狀不必然為圓形，而是可修飾成頂帽輪廓(第3A圖)以均勻地剝蝕打光(spot)的區域，該頂帽輪廓與常用的高斯形狀(第3B圖)雷射光束強度分佈截然不同。一般而言，雷射光束強度分佈在垂直於雷射光束傳播的平面上具有高斯照射輪廓 (鐘狀)，如第3B圖所示。若原雷射高斯照射輪廓塑形成頂帽或主要實質均勻的照射輪廓(如第3A圖所示)，成像的經塑形的輸出光束將具有從該光束中心至該光束周邊實質上均勻強度的雷射光班，使得高品質的觸點開口可被快速剝蝕，而不會有底部損傷或在雷射光束光班的周邊上有未剝蝕膜的風險。應考量，可透過重複雷射照射約10次或數百次，以使矽表面走向對齊(111)平面，而也使雷射光班對齊，以於後續燒成製程期間運用(111)平面上較佳的鋁矽合金化。
在方塊208，金屬背觸點層120沉積在基材110的背表面上，即第二介電層117之表面上。金屬背觸點層120填充鈍化層118中的觸點開口130，以形成背側觸點121，如第1D圖所示。金屬背觸點層120是導電材料，諸如鋁、銀、鎳、前述金屬之合金、前述金屬之組合、與任何其他和太陽能電池技術相容的導電材料。可使用PVD製程、無電沉積製程、或任何其他導電材料沉積製程沉積金屬背觸點層120。
在方塊210，於背側觸點121形成後，基材110從雷射處理腔室移除，且可執行前金屬化製程以於基材110的鈍化ARD層114上形成前觸點結構及/或導電匯流排線。可能需要用於製造太陽能電池100的進一步的沉積步驟或處理步驟(諸如燒成製程)可取決於應用而施行，故不在此討論。
本發明的實施例大體上提供用於太陽能電池元件的改良的鈍化層堆疊與用於在鈍化層堆疊中形成觸點開口的雷射剝蝕製程。該等方法有利地使雷射剝蝕製程較不具選擇性，這是透過以下方式達成：將鈍化層堆疊中覆蓋氧化鋁層 (或二氧化矽層(若有使用))的層(即氮化矽)的折射率降低至低於2.1，而使得鈍化層堆疊中的氮化矽層吸收較少雷射能量。因此，當氮化矽層剝蝕時，已由氮化矽吸收的大量的雷射能量反而會被下伏的氧化鋁或二氧化矽層吸收。於是，相對於多程脈衝雷射能量(習知雷射剝蝕製程另外所需)，可用單程的脈衝雷射能量移除整體鈍化層堆疊的期望區域。因此，生產處理量增加。此外，即使使用強烈的UV或綠光雷射(氧化鋁或二氧化矽之剝蝕發生所需)，可移除整體鈍化層堆疊的期望區域，而不會對鈍化層堆疊的鄰近區域造成損傷或破裂。因此，改善了太陽能電池元件的電氣表現。
雖前文涉及本發明之實施例，但可不偏離本發明之基本範疇而設計其他與進一步之本發明實施例，且本發明之範圍由隨後的申請專利範圍所界定。
200‧‧‧流程圖
202-210‧‧‧方塊

Claims (20)

  1. 一種製造太陽能電池元件的方法，包含以下步驟：提供一基材進入一處理腔室中，該基材具有一光接收表面與一背表面，該背表面大體上平行該光接收表面且與該光接收表面相對；於該基材上形成一鈍化層堆疊；使該鈍化層堆疊經受一系列的脈衝雷射光束，以於多個期望區域移除在該鈍化層堆疊的整體材料，該等雷射光束具有約300nm至約700nm的波長，且具有介於約80皮秒(ps)至約50奈秒之間的脈衝寬度；以及在該鈍化層堆疊中形成複數個觸點開口，使得該等觸點開口每一者延伸穿過該鈍化層堆疊而至該基材的該背表面。
  2. 如請求項1所述之方法，其中形成該鈍化層堆疊進一步包含以下步驟：形成一第一介電層於該基材的該背表面上；以及形成一第二介電層覆於該第一介電層上，其中該第二介電層具有低於2.1的折射率。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該第一介電層具有約100Å至約300Å之厚度，且該第二介電層具有約800Å至約1000Å之厚度。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該等脈衝雷射光束具有355nm或532nm的波長。
  5. 如請求項2所述之方法，其中該第二介電層具有約1.9之折射率。
  6. 如請求項2所述之方法，進一步包含以下步驟：將一第三介電層形成於該第一介電層與該第二介電層之間，其中該第三介電層具有介於約1.7至1.9之間的折射率。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該第一介電層、該第二介電層、與該第三介電層是由一材料所製造，該材料選自由以下材料所構成之群組：氧化矽(SixOy)、氮化矽(SixNy)、氮化矽之氫化物(SixNy：H)、氮氧化矽(SiON)、氧碳氮化矽(SiOCN)、氧碳化矽(SiOC)、氧化鈦(TixOy)、氧化鉭(TaxOy)、氧化鑭(LaxOy)、氧化鉿(HfxOy)、氮化鈦(TixNy)、氮化鉭(TaxNy)、氮化鉿(HfN)、氮氧化鉿(HfON)、氮化鑭(LaN)、氮氧化鑭(LaON)、氯化氮化矽(SixNy：Cl)、氯化氧化矽(SixOy：Cl)、非晶矽、非晶碳化矽、氧化鋁(AlxOy)、氮化鋁、或氮氧化鋁。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該第一介電層是二氧化矽或氧化鋁，該第二介電層是氮化矽(Si3N4)，且該第三介電層是氮氧化矽。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該一系列的脈衝雷射光束具有約0.1奈秒至約10奈秒之間的脈衝寬度。
  10. 如請求項6所述之方法，其中該第三介電層具有約100Å至約300Å的厚度。
  11. 如請求項1所述之方法，其中該雷射光束輸出的強度分佈具有一頂帽(top-hat)輪廓。
  12. 一種太陽能電池元件，包含：一基材，具有一第一表面與一第二表面，該第二表面大體上與該第一表面平行且相對；一射極區域，形成在該基材的該第一表面上，該射極區域的導電類型與該基材的導電類型相反；以及一鈍化層堆疊，包含：一第一介電層，形成在該基材的該第二表面上；以及一第二介電層，形成覆於該第一介電層上，其中該第二介電層具有低於2.1的折射率、具有約2.7g/cm3的質量密度、且具有低於約15原子%的氫含量(H)。
  13. 如請求項12所述之元件，其中該鈍化層堆疊具有複數個觸點開口，該等觸點開口延伸穿過該第一介電層與該第二介電層而至該基材的該第二表面。
  14. 如請求項12所述之元件，其中該第二介電層具有約1.9之折射率。
  15. 如請求項12所述之元件，進一步包含：一第三介電層，夾在該第一介電層與該第二介電層之間，其中該第三介電層具有介於1.7至1.9之間的折射率。
  16. 如請求項15所述之元件，其中該第一介電層、該第二介電層、與該第三介電層是由一材料所製造，該材料選自由以下材料所構成之群組：氧化矽(SixOy)、氮化矽(SixNy)、氮化矽之氫化物(SixNy：H)、氮氧化矽(SiON)、氧碳氮化矽(SiOCN)、氧碳化矽(SiOC)、氧化鈦(TixOy)、氧化鉭(TaxOy)、氧化鑭(LaxOy)、氧化鉿(HfxOy)、氮化鈦(TixNy)、氮化鉭(TaxNy)、氮化鉿(HfN)、氮氧化鉿(HfON)、氮化鑭(LaN)、氮氧化鑭(LaON)、氯化氮化矽(SixNy：Cl)、氯化氧化矽(SixOy：Cl)、非晶矽、非晶碳化矽、氧化鋁(AlxOy)、氮化鋁、或氮氧化鋁。
  17. 如請求項12所述之元件，其中該鈍化層具有約800Å至約1000Å之總厚度。
  18. 如請求項12所述之元件，其中該第二介電層具有約2.7g/cm3的質量密度且具有低於約15原子%的氫含量(H)。
  19. 一種製造太陽能電池元件的方法，包含以下步驟：提供具有一鈍化層堆疊的一基材，該鈍化層堆疊位於該基材上，其中該鈍化層堆疊具有一第一介電層與一第二介電層，該第二介電層形成為覆於該第一介電層上，其中該第二介電層具有低於2.1的折射率；以及使該鈍化層堆疊經受一系列的脈衝雷射光束，以於該鈍化層堆疊中的多個期望區域一次移除在該第一鈍化層與該第二鈍化層，該等雷射光束具有約300nm至約700nm的波長，且具有介於約0.01奈秒至約3奈秒之間的脈衝寬度。
  20. 如請求項19所述之方法，其中該第一介電層與該第二介電層是由一材料所製造，該材料選自由以下材料所構成之群組：氧化矽(SixOy)、氮化矽(SixNy)、氮化矽之氫化物(SixNy：H)、氮氧化矽(SiON)、氧碳氮化矽(SiOCN)、氧碳化矽(SiOC)、氧化鈦(TixOy)、氧化鉭(TaxOy)、氧化鑭(LaxOy)、氧化鉿(HfxOy)、氮化鈦(TixNy)、氮化鉭(TaxNy)、氮化鉿(HfN)、氮氧化鉿(HfON)、氮化鑭(LaN)、氮氧化鑭(LaON)、氯化氮化矽(SixNy：Cl)、氯化氧化矽(SixOy：Cl)、非晶矽、非晶碳化矽、氧化鋁(AlxOy)、氮化鋁、或氮氧化鋁。
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