TWI481049B - 光伏元件及其製造方法 - Google Patents

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光伏元件及其製造方法
本發明關於具有鈍化層(passivation layer)之光伏元件(photovoltaic device)及其製造方法。並且，特別地，本發明是關於其鈍化層不會有氫脆(hydrogen embrittlement)破壞的光伏元件(photovoltaic device)及其製造方法。
隨著光電產業的迅速發展，各種光電元件，如發光二極體(light-emitting diode)、雷射二極體(laser diode)、光偵測器以及光伏元件(太陽能電池)等等，已經被廣泛應用在各個領域。隨著相關技術的進步，使用者對於光電元件的發光效率或光電轉換效率等性能的要求也越來越高。
一般而言，在光電元件的表面形成鈍化層(passivation layer)，可以相當程度地提升光電元件的各項性能，例如，發光效率或光電轉換效率。以矽晶太陽能電池為例，具有高效率之矽晶太陽能電池傳統上會以熱氧化層(thermal oxide layer)作為表面鈍化層。其製造方法係將矽晶圓在高溫下通入氧氣，使矽晶圓之表面發生氧化作用，以產生二氧化矽之鈍化層。形成於矽晶太陽能電池表面上的鈍化層可以提供表面鈍化效果，進而提升矽晶太陽能電池的光電轉換效率。
然而，以傳統方法形成的鈍化層常常會有製程溫度過高、厚度控制不佳、表面覆蓋能力不足等缺點，因此對於光電元件各項性能的提升，並不會有很大的幫助。
現有技術中，也有利用沉積製程在矽晶圓表面上形成鈍化層，以獲得品質較佳的鈍化層。然而，這些沉積製程所採 用的反應氣體或先驅物多含有氫及氧元素。這些沉積製程所形成的鈍化層中含有殘留的氫原子以及氧空缺(vacancy)，在光伏元件後續的高溫製程中，氫原子即藉由氧空缺擴散，造成微裂縫或聚集成微氣泡等形式的氫脆破壞，進而劣化鈍化層。
此外，隨著對光伏元件之光電轉換效率的持續要求，目前已發展出將光伏元件的入射表面之粗紋化提升至奈米尺度的技術。這些光伏元件其入射表面呈現奈米柱陣列的結構，這些奈米柱陣列結構具有很高的深寬比(深~1μm，寬~100nm)。具有奈米尺度粗紋化之入射表面的光伏元件，對於300nm~1000nm的入射光之反射率可以降低至5%以下。
然而，現有沉積製程在光伏元件的奈米尺度粗紋化之入射表面上形成鈍化層，卻存在著表面覆蓋能力不足的問題，並且同樣地，也存在氫脆破壞的問題。
因此，本發明所欲解決的技術問題在於提供一種其鈍化層不會有氫脆破壞的光伏元件及其製造方法。
此外，本發明所欲解決的另一技術問題在於提供一種在在光伏元件之奈米尺度粗紋化表面上形成覆蓋極佳的鈍化層，且無氫脆破壞的問題。
本發明之光伏元件之一較佳具體實施例，其包含半導體結構組合、氧化物鈍化層以及氧氮化物薄膜。半導體結構組合包含至少一p-n接面(p-n junction)，並且具有頂表面。氧化物鈍化層係形成以覆蓋半導體結構組之頂表面，並且具有上表面。氧氮化物薄膜係形成以覆蓋氧化物鈍化層之上 表面。
本發明之製造光伏元件的方法之一較佳具體實施例，首先，係形成半導體結構組合。半導體結構組合包含至少一p-n接面，並且具有頂表面。接著，本發明之方法係形成氧化物鈍化層，以覆蓋半導體結構組合之頂表面。最後，本發明之方法係形成氧氮化物薄膜，以覆蓋氧化物鈍化層之上表面。
於一具體實例中，氧化物鈍化層可以由Al2 O3 、ZrO2 、HfO2 、SiO2 、La2 O3 、TiO2 、ZnO、摻鋁之氧化鋅(ZnO：Al)或其他適合作為鈍化層之氧化物所形成。
於一具體實例中，氧氮化物薄膜係由氧化物鈍化層之上表面經氮化(nitridation)處理所形成。於實際應用中，氮化處理可以藉由電漿增強型化學氣相沉積製程(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)或電漿增強型原子層沉積製程(PEALD)(plasma-enhanced atomic layer deposition,PEALD)來執行。
於一具體實例中，半導體結構組合之頂表面上具有複數個奈米柱結構。氧化物鈍化層係藉由原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)製程來製備，以覆蓋半導體結構組合之頂表面上之複數個奈米柱結構。
於一具體實例中，在執行原子層沉積製程的過程中，執行摻雜氮之程序以形成氧氮化物薄膜。
與先前技術不同，本發明之光伏元件其氧氮化物薄膜可以抑制氧化物鈍化層發生氫脆破壞。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所 附圖式得到進一步的瞭解。
請參閱圖1，係以係以截面視圖示意地繪示本發明之光伏元件1之一較佳具體實施例。
如圖1所示，本發明之光伏元件1包含半導體結構組合10、氧化物鈍化層12以及氧氮化物薄膜124。
半導體結構組合10包含至少一p-n接面102，並且具有頂表面104。為說明方便，圖1僅繪示一個p-n接面102。在此，p-n接面也涵蓋p-i-n接面。
氧化物鈍化層12係形成以覆蓋半導體結構組10之頂表面104，並且具有上表面122。氧氮化物薄膜124係形成以覆蓋氧化物鈍化層12之上表面122。氧氮化物薄膜124的範圍可以涵蓋整個氧化物鈍化層12。特別地，氧氮化物薄膜124可以抑制氧化物鈍化層12發生氫脆破壞，其機制將詳述於下文中。
於一具體實例中，氧化物鈍化層12可以由Al2 O3 、ZrO2 、HfO2 、SiO2 、La2 O3 、TiO2 、ZnO、摻鋁之氧化鋅(ZnO：Al)或其他適合作為對化層之氧化物所形成。
於一具體實例中，氧氮化物薄膜124係由氧化物鈍化層12的上表面122經氮化處理所形成。也就是說，氧氮化物薄膜124外露的表面即為原先氧化物鈍化層12外露的上表面122。在氮化處理過程中，氮原子可以填補原有氧空缺的位置，藉此阻絕氫原子的擴散路徑。因此，氧氮化物薄膜124可以抑制氧化物鈍化層12發生氫脆破壞。
於一具體實例中，半導體結構組合10之頂表面104上具有複數個奈米柱結構(未繪示於圖1中)。氧化物鈍化層12係覆蓋半導體結構組合10之頂表面104上之複數個奈米柱結構。
請參閱圖2A至圖2C，該等圖式係以截面視圖示意地繪示本發明之製造光伏元件的方法之一較佳具體實施例。
首先，如圖2A所示，本發明之方法係形成半導體結構組合10。半導體結構組合10包含至少一p-n接面102，並且具有頂表面104。為說明方便，圖2A僅繪示一個p-n接面102。在此，p-n接面也涵蓋p-i-n接面。
接著，如圖2B所示，本發明之方法係形成氧化物鈍化層12，以覆蓋半導體結構組合10之頂表面104。
最後，如圖2C所示，本發明之方法係形成氧氮化物薄膜124，以覆蓋氧化物鈍化層12之上表面122，以完成本發明之光伏元件1。特別地，氧氮化物薄膜124可以抑制氧化物鈍化層12發生氫脆破壞。
於一具體實例中，氧化物鈍化層12可以由Al2 O3 、ZrO2 、HfO2 、SiO2 、La2 O3 、TiO2 、ZnO、摻鋁之氧化鋅(ZnO：Al)或其他適合作為對化層之氧化物所形成。
於一具體實例中，氧氮化物薄膜124係由氧化物鈍化層12之上表面122經氮化處理所形成。也就是說，如圖2B及圖2C所示，氧氮化物薄膜124外露的表面即為原先氧化物鈍化層12外露的上表面122。在氮化處理過程中，氮原子可以填補原有氧空缺的位置，藉此阻絕氫原子的擴散路徑。
於實際應用中，氮化處理可以藉由電漿增強型化學氣相沉積製程(PECVD)或電漿增強型原子層沉積製程(PEALD)來執行。反應氣體可以是NH3 、N2 、N2 /H2 、N2 O或其他含氮之氣體。
於一具體實例中，半導體結構組合10之頂表面102上具有複數個奈米柱結構(未繪示於圖2A至圖2C中)。氧化物鈍化層14係藉由原子層沉積(ALD)製程來製備，以覆蓋半導體結構組合10之頂表面102上之複數個奈米柱結構。藉由ALD製程的特性，在本發明之光伏元件1之複數個奈米柱結構上可以形成覆蓋度極佳的氧化物鈍化層14。
在ALD薄膜沉積的過程中，兩種先驅物(precursor)交替導入反應槽中，吸附於基板表面後經由化學反應形成薄膜。在一次的原子層沉積反應循環(ALD cycle)中，第一先驅物會吸附於全部的基板表面，但它最多只能於基板表面形成單一原子層的吸附，多餘的第一先驅物被載流氣體(carrier gas)移除。因此，當第二先驅物導入反應槽後，只能與此單一吸附層反應。換言之，一次原子層沉積反應循環恰好在基板表面成長單一原子層之薄膜，此特性稱為『自限成膜』(self-limiting)，使得薄膜厚度之控制精準度可達單一層原子層(~1Å)。本發明所採用的ALD製程，還有以下優點：(1)可在原子等級控制材料的形成；(2)可更精準地控制薄膜的厚度；(3)可大面積量產；(4)有優異的均勻度(uniformity)；(5)有優異的三維包覆度(conformality)；(6)無孔洞結構；(7)缺陷密度小；以及(8)沈積溫度低…，等製程優點。
於一具體實例中，在執行上述ALD製程的過程中，執行摻雜氮程序以形成氧氮化物薄膜124。以ALD製程 形成Al2 O3 鈍化層14為例，Al的來源可以是TMA(Trimethylaluminum,Al(CH3 )3 )先驅物、AlCl3 先驅物、Al(CH3 )2 Cl先驅物、Al(C2 H5 )3 先驅物、((CH3 )3 N)AlH3 先驅物或((CH3 )2 (C2 H5 )N)AlH3 先驅物，O的來源可以是H2 O、O3 或N2 O，在原子層沈積的週期中，通入NH3 、N2 、N2 /H2 或N2 O氣體以執行摻雜氮程序。
此外，本發明所採用的原子層沈積製程也可以是電漿增強型原子層沉積(PEALD)製程。在沉積氧化物薄膜的過程中，PEALD技術使用電漿來解離氧分子，形成氧離子作為氧化劑，因此可增加化學反應物的反應性，使得薄膜緻密度上升，含碳量降低。除了上述的優點之外，相較於傳統加熱型(thermal-mode)之ALD製程，PEALD製程可以提供下列諸多優點：(1)PEALD技術利用電漿來解離化學反應物，因此可以藉由改變電漿功率來控制薄膜之化學成分以及微結構，減少雜質密度，以提升薄膜品質與緻密度；(2)可增加薄膜材料以及化學反應物的選擇性；(3)可在較低的溫度下沉積薄膜，減少溫度對基材的影響以及基材種類之限制；(4)可在基材上實施電漿表面處理(plasma surface treatment)，進行表面清潔與改質。此外，在進行氮化處理或是沉積氧氮化物薄膜的過程當中，PEALD技術使用電漿來解離NH3 、N2 、N2 /H2 或是N2 O氣體，形成氮離子來參與反應以形成氧氮化物薄膜。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之面向加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的面向內。因此，本發明所申請之專利範圍的面向應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
1‧‧‧光伏元件
10‧‧‧半導體結構組合
102‧‧‧p-n接面
104‧‧‧頂表面
12‧‧‧氧化物鈍化層
122‧‧‧上表面
124‧‧‧氧氮化物薄膜
圖1係本發明之光伏元件之一較佳具體實施例的截面視圖。
圖2A至圖2C係本發明之製造光伏元件的方法之一較佳具體實施例過程的截面視圖。
1‧‧‧光伏元件
10‧‧‧半導體結構組合
102‧‧‧p-n接面
104‧‧‧頂表面
12‧‧‧氧化物鈍化層
122‧‧‧上表面
124‧‧‧氧氮化物薄膜

Claims (10)

  1. 一種光伏元件，包含：一半導體結構組合，包含至少一p-n接面且具有一頂表面；一氧化物鈍化層，係形成以覆蓋該頂表面且具有一上表面；以及一氧氮化物薄膜，係形成以覆蓋該上表面，用以抑制該氧化物鈍化層發生氫脆破壞。
  2. 如請求項1所述之光伏元件，其中該氧化物鈍化層係由選自由Al2 O3 、ZrO2 、HfO2 、SiO2 、La2 O3 、TiO2 、ZnO以及摻鋁之氧化鋅(ZnO：Al)所組成之群組中之其一所形成。
  3. 如請求項2或1所述之光伏元件，其中該氧氮化物薄膜係由該氧化物鈍化層之該上表面經一氮化處理所形成。
  4. 如請求項2或1所述之方法，其中該半導體結構組合之該頂表面上具有複數個奈米柱結構，該氧化物鈍化層係覆蓋該頂表面上之該複數個奈米柱結構。
  5. 一種製造一光伏元件之方法，包含下列步驟：形成一半導體結構組合，其中該半導體結構組合包含至少一p-n接面並且具有一頂表面；形成一氧化物鈍化層，以覆蓋該頂表面；以及形成一氧氮化物薄膜，以覆蓋該氧化物鈍化層之一上表面，用以抑制該氧化物鈍化層發生氫脆破壞。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該氧化物鈍化層係由選自由Al2 O3 、ZrO2 、HfO2 、SiO2 、La2 O3 、TiO2 、ZnO以及摻鋁之氧化鋅(ZnO：Al)所組成之群組中之其一所形成。
  7. 如請求項6或5所述之方法，其中該氧氮化物薄膜係由該氧化物鈍化層之該上表面經一氮化處理所形成。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該氮化處理係藉由一電漿增強型化學氣相沉積製程或一電漿增強型原子層沉積製程來執行。
  9. 如請求項5所述之方法，其中該半導體結構組合之該頂表面上具有複數個奈米柱結構，該氧化物鈍化層係藉由一原子層沉積製程沉積以覆蓋該頂表面上之該複數個奈米柱結構。
  10. 如請求項9所述之方法，其中在執行該原子層沉積製程過程中，一摻雜氮程序並且執行以形成該氧氮化物薄膜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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