TWI647327B - 矽基疊層的形成方法及矽基異質接面太陽能電池的製造方法 - Google Patents

矽基疊層的形成方法及矽基異質接面太陽能電池的製造方法 Download PDF

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Abstract

一種矽基疊層的形成方法，其包括以下步驟。提供第一矽層。對第一矽層進行氫電漿處理。於經氫電漿處理的第一矽層上形成第二矽層。

Description

矽基疊層的形成方法及矽基異質接面太陽能電池的製造方法
本發明是有關於一種矽層的形成方法與太陽能電池的製造方法，且特別是有關於一種矽基疊層的形成方法與矽基異質接面太陽能電池的製造方法。
異質接面（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer，HIT）矽基太陽能電池的構造是在N型單晶矽基板的相對兩面設置本質型非晶矽薄膜，使得相對兩面的本質型非晶矽薄膜夾設於N型單晶矽基板和P型非晶矽薄膜或N型非晶矽薄膜之間。也就是說，N型單晶矽基板的相對兩面都是以非晶矽薄膜作為鈍化材料，故屬於一種單晶矽基板與非晶矽薄膜所製成的混合型矽基太陽能電池。
然而，矽基材料（例如上述的單晶矽基板或非晶矽層）的表面存在許多缺陷，例如高活性之懸鍵（dangling bond），致使電子和電洞易產生複合（recombination）而導致載子的生命週期降低。
因此，如何改善矽基材料表面的缺陷，以提高載子的生命週期，實為目前本領域技術人員積極研究的課題之一。
本發明提供一種矽基疊層的形成方法，其可改善相鄰的兩個矽基材料之間的介面缺陷密度。
本發明提供一種矽基異質接面太陽能電池的製造方法，其可改善相鄰的兩個矽基材料之間的介面缺陷密度，以提高載子的生命週期，使得矽基異質接面太陽能電池具有良好的光電轉換效率。
本發明提出一種矽基疊層的形成方法，其包括以下步驟。提供第一矽層。對第一矽層進行氫電漿處理。於經所述氫電漿處理的所述第一矽層上形成第二矽層。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基疊層的形成方法中，氫電漿處理的氫原子濃度例如是大於等於10 at%。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基疊層的形成方法中，經氫電漿處理的第一矽層與第二矽層之間的介面缺陷密度例如是小於等於1×10 11eV -1cm -2。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基疊層的形成方法中，氫電漿處理包括以射頻氫電漿源進行處理。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基疊層的形成方法中，射頻氫電漿源的頻率例如是大於等於13.56 MHz且小於等於60 MHz。
本發明提出一種矽基異質接面太陽能電池的製造方法，其包括以下步驟。提供第一摻雜型矽基板，其中第一摻雜型矽基板具有相對的第一表面和第二表面。於第一表面上形成第一本質型矽層。於第一本質型矽層的表面上形成第二摻雜型矽層。於第二表面上形成第一摻雜型矽層。對第一表面、第二表面與第一本質型矽層的表面中的至少一者進行氫電漿處理。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，氫電漿處理的氫原子濃度例如是大於等於10 at%。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，氫電漿處理包括以射頻氫電漿源進行處理。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，射頻氫電漿源的頻率例如是大於等於13.56 MHz且小於等於60 MHz。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，在形成第一摻雜型矽層之前，更包括於第二表面上形成第二本質型矽層，其中第一摻雜型矽層形成於第二本質型矽層的表面上。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，更包括對第二本質型矽層的表面進行氫電漿處理。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，更包括於第二摻雜型矽層的表面上形成第一透明導電膜以及於第一摻雜型矽層的表面上形成第二透明導電膜。
依照本發明的一實施例所述，在上述矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，更包括於第一透明導電膜上形成第一電極以及於第二透明導電膜上形成第二電極。
基於上述，在本發明所提出之矽基疊層的形成方法中，第一矽層的表面經氫電漿處理後，其表面之懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可避免懸鍵與空氣中的其他原子鍵結（例如碳原子或是氧原子），以改善第一矽層與第二矽層之間的介面缺陷密度。另外，在本發明所提出之矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，第一表面、第二表面與第一本質型矽層的表面中的至少一者經氫電漿處理後，其表面的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應。如此一來，可改善相鄰的兩個矽基材料之間的介面缺陷密度，使得矽基異質接面太陽能電池具有良好的轉換效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下將參照本實施例之圖式以更全面地闡述本發明。然而，本發明亦可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述之實施例。圖式中的層與區域的厚度會為了清楚起見而放大。相同或相似之參考號碼表示相同或相似之元件，以下段落將不再一一贅述。另外，實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1A至圖1B為依據本發明一實施例的矽基疊層的形成方法的剖面示意圖。
請參照圖1A，提供第一矽層100。第一矽層100的材料例如是單晶矽、多晶矽、非晶矽或其組合。舉例來說，第一矽層100可為N型單晶矽基板、P型單晶矽基板、本質型非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜或P型非晶矽薄膜。
請參照圖1A與圖1B，對第一矽層100進行氫電漿處理H（圖1A），而形成經氫電漿處理的第一矽層102（圖1B）。如此一來，位於第一矽層100表面的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可避免懸鍵與空氣中的其他原子產生鍵結（例如碳原子或是氧原子），以改善第一矽層100與後續形成於其上的第二矽層104之間的介面缺陷密度。氫電漿處理H的氫原子濃度例如是大於等於10 at%。在一實施例中，氫電漿處理H可包括以射頻氫電漿源進行處理，且射頻氫電漿源的頻率例如是大於等於13.56 MHz且小於等於60 MHz。在本實施例中，射頻氫電漿源的頻率是以40.68 MHz為例進行說明。在一實施例中，可採用超高頻電漿頻率進行氫電漿處理H，使得氫電漿之電漿轟擊效應能夠降低，以更進一步改善第一矽層100與後續形成於其上的第二矽層104之間的介面缺陷密度。
然後，於經氫電漿處理的第一矽層102上形成第二矽層104，以形成矽基疊層106。經氫電漿處理的第一矽層102與第二矽層104之間的介面缺陷密度例如是小於等於1×10 11eV -1cm -2。第二矽層104的材料例如是單晶矽、多晶矽、非晶矽或其組合。第二矽層104的材料與第一矽層100的材料可為相同或不同。舉例來說，第一矽層100與第二矽層104可同樣為非晶矽，或是一者為單晶矽而另一者為非晶矽。舉例來說，第二矽層104可為N型單晶矽基板、P型單晶矽基板、本質型非晶矽薄膜、N型非晶矽薄膜或P型非晶矽薄膜。在一實施例中，第二矽層104的形成方法可以是化學氣相沉積法，例如電漿增強型化學氣相沉積法。應注意的是，當第二矽層104形成於經氫電漿處理的第一矽層102上時，鍵結於懸鍵上的氫原子仍可存在於經氫電漿處理的第一矽層102的表面。
基於上述，藉由對第一矽層100進行氫電漿處理的方式來降低第二矽層104和經氫電漿處理的第一矽層102之間的介面缺陷密度，使得第二矽層104的載子生命週期能夠增加，進而提升其開路電壓。
下文將參照比較例1以及實驗例1，更具體地描述本發明的特徵。雖然描述了以下實施例，但是在不逾越本發明範疇之情況下，可適當地改變所用材料、其量及比率、處理細節以及處理流程等等。因此，不應由下文所述之實施例對本發明作出限制性地解釋。
＜實驗例＞
以射頻氫電漿源進行氫電漿處理的製程參數如下所示。
壓力：400 mtorr
功率：500 mW/cm 2
溫度：150℃
頻率：40.68 MHz
＜實驗例1＞
以上述射頻氫電漿源對N型單晶矽基板進行氫電漿處理。接著，於經氫電漿處理的N型單晶矽基板上形成本質型（i型）非晶矽層，以形成矽基疊層。
＜比較例1＞
本質型非晶矽層直接形成於未經氫電漿處理的N型單晶矽基板上，以形成矽基疊層。
＜載子生命週期與開路電壓的量測＞
圖2A為比較例1的載子生命週期圖。圖2B為實驗例1的載子生命週期圖。
分別使用比較例1和實驗例1的矽基疊層進行載子生命週期的測試，以獲得本質型非晶矽層的載子生命週期和開路電壓。實驗結果顯示於圖2A和圖2B，並將比較例1和實驗例1的載子生命週期和開路電壓的數據整理於表1中。
[表1] <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 載子生命週期（μs） </td><td> 開路電壓（V） </td></tr><tr><td> 比較例1 </td><td> 920 </td><td> 0.64 </td></tr><tr><td> 實驗例1 </td><td> 1359 </td><td> 0.69 </td></tr></TBODY></TABLE>
如表1所示，實驗例1具有較高的載子生命週期和開路電壓。由此可知，將本質型非晶矽層形成於經氫電漿處理的N型單晶矽基板上，可有效地增加載子生命週期及開路電壓。
圖3為依據本發明一實施例的矽基異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
請參照圖3，提供第一摻雜型矽基板200，其中第一摻雜型矽基板200具有相對的第一表面S1和第二表面S2。第一摻雜型與第二摻雜型為不同摻雜型，且分別可為N型與P型中的一者與另一者。在此實施例中，第一摻雜型是以N型為例來進行說明，且第二摻雜型是以P型為例來進行說明，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，第一摻雜型可為P型，且第二摻雜型可為N型。第一摻雜型矽基板200例如是N型矽基板或P型矽基板。在本實施例中，第一摻雜型矽基板200是以N型單晶矽基板為例來進行說明。
於第一表面S1上形成第一本質型矽層202。第一本質型矽層202的材料可以是非晶矽、非晶氮化矽、非晶氧化矽、非晶氧化鋁或其組合。第一本質型矽層202的形成方法可以是化學氣相沉積法，例如是電漿增強型化學氣相沉積法。在一實施例中，於第一表面S1上形成第一本質型矽層202之前，可對第一表面S1進行氫電漿處理。如此一來，第一表面S1的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可避免懸鍵與空氣中的其他原子產生鍵結，以改善第一摻雜型矽基板200與第一本質型矽層202之間的介面缺陷密度。氫電漿處理的氫原子濃度例如是大於等於10 at%。氫電漿處理例如是以射頻氫電漿源進行處理，其中射頻氫電漿源的頻率例如是大於等於13.56 MHz且小於等於60 MHz。在本實施例中，射頻氫電漿源的頻率是以40.68 MHz為例進行說明。
於第一本質型矽層202的表面上形成第二摻雜型矽層204。第二摻雜型矽層204的材料例如是非晶矽。在此實施例中，第二摻雜型矽層204是以P型非晶矽層為例來進行說明。第二摻雜型矽層204的形成方法例如是化學氣相沉積法，如電漿增強型化學氣相沉積法。在一實施例中，在形成第二摻雜型矽層204之前，可對第一本質型矽層202的表面進行氫電漿處理。如此一來，第一本質型矽層202於表面的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可避免懸鍵與空氣中的其他原子產生鍵結，以改善第一本質型矽層202與第二摻雜型矽層204之間的介面缺陷密度。氫電漿處理的氫原子濃度例如是大於等於10 at%。氫電漿處理例如是以射頻氫電漿源進行處理，其中射頻氫電漿源的頻率例如是大於等於13.56 MHz且小於等於60 MHz。在本實施例中，射頻氫電漿源的頻率是以40.68 MHz為例進行說明。
於第二表面S2上形成第一摻雜型矽層206。第一摻雜型矽層206的材料例如是非晶矽。第一摻雜型矽層206的形成方法例如是化學氣相沉積法。在一實施例中，在形成第一摻雜型矽層206之前，可對第二表面S2進行氫電漿處理。如此一來，第二表面S2的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可避免懸鍵與空氣中的其他原子產生鍵結，以改善第一摻雜型矽基板200與第一摻雜型矽層206之間的介面缺陷密度。氫電漿處理的氫原子濃度例如是大於等於10 at%。氫電漿處理例如是以射頻氫電漿源進行處理，其中射頻氫電漿源的頻率例如是大於等於13.56 MHz且小於等於60 MHz。在本實施例中，射頻氫電漿源的頻率是以40.68 MHz為例進行說明。
此外，在形成第一摻雜型矽層206之前，可選擇性地先於經氫電漿處理或未經氫電漿處理的第二表面S2上形成第二本質型矽層208。之後，再於第二本質型矽層208的表面上形成第一摻雜型矽層206。在本實施例中，第二本質型矽層208是形成於經氫電漿處理的第二表面S2上，以改善第一摻雜型矽基板200與第二本質型矽層208之間的介面缺陷密度。第二本質型矽層208的材料可以是非晶矽、非晶氮化矽、非晶氧化矽、非晶氧化鋁或其組合。第二本質型矽層208的形成方法可以是化學氣相沉積法，如電漿增強型化學氣相沉積法。在一實施例中，在形成第一摻雜型矽層206之前，可對第二本質型矽層208的表面進行氫電漿處理。如此一來，第二本質型矽層208於表面的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可避免懸鍵與空氣中的其他原子產生鍵結，以改善第二本質型矽層208與第一摻雜型矽層206之間的介面缺陷密度。氫電漿處理的氫原子濃度例如是大於等於10 at%。氫電漿處理例如是以射頻氫電漿源進行處理，其中射頻氫電漿源的頻率例如是大於等於13.56 MHz且小於等於60 MHz。在本實施例中，射頻氫電漿源的頻率是以40.68 MHz為例進行說明。
接著，於第二摻雜型矽層204上形成第一透明導電膜210，使得電流的收集效率能夠提高。第一透明導電膜210的材料可以是透明導電氧化物（transparent conductive oxide，TCO），例如銦錫氧化物（ITO）等金屬氧化物。第一透明導電膜210的形成方法例如是蒸鍍或濺鍍。
然後，於第一摻雜型矽層206上形成第二透明導電膜212，使得電流的收集效率能夠提升。第二透明導電膜212的材料可以是透明導電氧化物(transparent conductive oxide，TCO)，例如銦錫氧化物（ITO）等金屬氧化物。第二透明導電膜212的形成方法例如是蒸鍍或濺鍍。
而後，於第一透明導電膜210上形成第一電極214。第一電極214可用於取出矽基異質接面太陽能電池所產生的電力。第一電極214的材料例如是鋁（Al）、金（Au）、銀（Ag）或銅（Cu）。在此實施例中，由於第一電極214是形成在矽基異質接面太陽能電池的受光面，故其可為網格狀電極，但本發明並不以此為限。
接著，於第二透明導電膜212上形成第二電極216，以形成矽基異質接面太陽能電池218。第二電極216可用於取出矽基異質接面太陽能電池所產生的電力。第二電極216的材料例如是鋁（Al）、金（Au）、銀（Ag）或銅（Cu）。在此實施例中，由於第二電極216是形成在矽基異質接面太陽能電池的背側（相對於受光面），故第二電極216可整層覆蓋於第二透明導電膜212上，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，第二電極216也可具有網格圖案。
基於上述實施例可知，藉由對第一表面S1、第二表面S2與第一本質型矽層202的表面中的至少一者進行氫電漿處理，以避免懸鍵與空氣中的其他原子產生鍵結，進而改善相鄰的兩個矽基材料之間的介面缺陷密度，使得矽基異質接面太陽能電池218具有良好的光電轉換效率。
綜上所述，在上述實施例的矽基疊層的形成方法中，第一矽層的表面經氫電漿處理後，其表面的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可避免懸鍵與空氣中的其他原子鍵結（例如碳原子或是氧原子），以改善第一矽層與第二矽層之間的介面缺陷密度。另外，在上述實施例的矽基異質接面太陽能電池的製造方法中，由於第一表面、第二表面與第一本質型矽層的表面中的至少一者經氫電漿處理後，其表面的懸鍵可與氫原子鍵結而失去活性，進而產生鈍化效應，如此可改善相鄰的兩個矽基材料之間的介面缺陷密度，使得矽基異質接面太陽能電池具有良好的轉換效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧第一矽層
102‧‧‧經氫電漿處理的第一矽層
104‧‧‧第二矽層
106‧‧‧矽基疊層
200‧‧‧第一摻雜型矽基板
202‧‧‧第一本質型矽層
204‧‧‧第二摻雜型矽層
206‧‧‧第一摻雜型矽層
208‧‧‧第二本質型矽層
210‧‧‧第一透明導電膜
212‧‧‧第二透明導電膜
214‧‧‧第一電極
216‧‧‧第二電極
218‧‧‧矽基異質接面太陽能電池
H‧‧‧氫電漿處理
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
圖1A至圖1B為依據本發明一實施例的矽基疊層的形成方法的剖面示意圖。 圖2A為比較例1的載子生命週期圖。 圖2B為實驗例1的載子生命週期圖。 圖3為依據本發明一實施例的矽基異質接面太陽能電池的剖面示意圖。

Claims (11)

  1. 一種矽基疊層的形成方法，包括：提供第一矽層；對所述第一矽層進行氫電漿處理；以及於經所述氫電漿處理的所述第一矽層上形成第二矽層，其中經所述氫電漿處理的所述第一矽層與所述第二矽層之間的介面缺陷密度小於等於1×1011eV-1cm-2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的矽基疊層的形成方法，其中所述氫電漿處理的氫原子濃度大於等於10at%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的矽基疊層的形成方法，其中所述氫電漿處理包括以射頻氫電漿源進行處理。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的矽基疊層的形成方法，其中所述射頻氫電漿源的頻率大於等於13.56MHz且小於等於60MHz。
  5. 一種矽基異質接面太陽能電池的製造方法，包括：提供第一摻雜型矽基板，其中所述第一摻雜型矽基板具有相對的第一表面和第二表面；於所述第一表面上形成第一本質型矽層；於所述第一本質型矽層的表面上形成第二摻雜型矽層；於所述第二表面上形成第一摻雜型矽層；以及對所述第一表面、所述第二表面與所述第一本質型矽層的表 面中的至少一者進行氫電漿處理，其中所述氫電漿處理的氫原子濃度大於等於10at%。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的矽基異質接面太陽能電池的製造方法，其中所述氫電漿處理包括以射頻氫電漿源進行處理。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的矽基異質接面太陽能電池的製造方法，其中所述射頻氫電漿源的頻率大於等於13.56MHz且小於等於60MHz。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的矽基異質接面太陽能電池的製造方法，更包括：在形成所述第一摻雜型矽層之前，於所述第二表面上形成第二本質型矽層，其中所述第一摻雜型矽層形成於所述第二本質型矽層的表面上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的矽基異質接面太陽能電池的製造方法，更包括：對所述第二本質型矽層的表面進行所述氫電漿處理。
  10. 如申請專利範圍第5項所述的矽基異質接面太陽能電池的製造方法，更包括：於所述第二摻雜型矽層上形成第一透明導電膜；以及於所述第一摻雜型矽層上形成第二透明導電膜。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的矽基異質接面太陽能電池的製造方法，更包括：於所述第一透明導電膜上形成第一電極；以及 於所述第二透明導電膜上形成第二電極。
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