TWI701845B - 太陽能電池結構以及太陽能電池氧化層的製造方法 - Google Patents

太陽能電池結構以及太陽能電池氧化層的製造方法 Download PDF

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Abstract

一種太陽能電池氧化層的製造方法包含以下步驟。將矽晶圓的表面置於溫度為500℃至800℃的環境下進行氧化處理，以形成氧化層於矽晶圓上。

Description

太陽能電池結構以及太陽能電池氧化層的製造方法
本發明是關於一種太陽能電池結構以及太陽能電池氧化層的製造方法。
由於目前P型太陽能電池面臨轉換效率提升的限制，因此，N型太陽能電池於業界逐漸開始轉變為主流研究的對象。
穿隧氧化層鈍化接觸(Tunnel Oxide Passivated Contact，TOPCon)太陽能電池是近年來由德國弗蘭霍夫研究所提出的一種新型矽太陽電池。電池採用N型矽片，矽片背面覆蓋一層厚度極薄的氧化矽層，然後再覆蓋一層摻雜的多晶矽或非晶矽層。當電池工作時，電子從N型矽片由氧化矽層隧穿通過氧化矽進入摻雜多晶矽層/非晶矽層中。其中的氧化矽層能夠對N型矽片起到優良的鈍化效果，另外，氧化矽層能夠降低矽片表面的複合速率，提高太陽能電池的性能。高品質的氧化矽層是提高此類太陽能電池 性能的關鍵因素。
目前，穿隧氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽能電池採用的氧化矽層通常是採用溼式化學法製備而成。然而，藉由上述方法所製備出來的氧化矽層，其中堆疊的氧化顆粒大致是具有相同的尺寸，而使得氧化矽層的鈍化表面積較小，進而容易使摻雜離子往氧化矽層中擴散，從而降低太陽能電池的性能。因此，如何改善氧化矽層的鈍化效果已成為本產業的重要課題。
鑑於上述課題，本發明旨在提供一種太陽能電池結構及太陽能電池氧化層的製造方法。此製造方法所製造出來的氧化層可以增加太陽能電池的鈍化面積以及有效增加少數載子壽命，並減少磷或硼擴散穿透氧化層的面積和機率。
本發明之一實施方式提供了一種太陽能電池氧化層的製造方法，包含以下步驟。將矽晶圓置於溫度為500℃至800℃的環境下進行氧化處理，以形成氧化層於矽晶圓上。
在本發明之一些實施方式中，氧化處理的升溫速率為3℃/分鐘至8℃/分鐘。
在本發明之一些實施方式中，氧化層的孔隙密度為2.2g/cm3至2.3g/cm3。
在本發明之一些實施方式中，氧化層的厚度為 0.5奈米至3奈米。
在本發明之一些實施方式中，氧化層的厚度為1奈米至2奈米。
本發明之另一實施方式提供了一種太陽能電池結構，其包含矽基板、如上所述之製造方法所製備的氧化層、摻雜多晶矽層以及電極。氧化層設置於矽基板上。摻雜多晶矽層設置於氧化層上。電極設置於摻雜多晶矽層上。
在本發明之一些實施方式中，氧化層的孔隙密度為2.2g/cm3至2.3g/cm3。
在本發明之一些實施方式中，氧化層的厚度為0.5奈米至3奈米。
在本發明之一些實施方式中，氧化層的厚度為1奈米至2奈米。
在本發明之一些實施方式中，太陽能電池的少數載子生命週期(lifetime)為8000μs至12000μs。
以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段及其產生的功效等等，本發明之具體細節在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
100‧‧‧矽晶圓
120‧‧‧氧化層
20‧‧‧太陽能電池結構
200‧‧‧矽晶圓
210‧‧‧氧化層
220‧‧‧摻雜多晶矽層
230‧‧‧電極
240‧‧‧發射極
250‧‧‧鈍化層
260‧‧‧抗反射層
270‧‧‧正面電極
第1圖為本發明一實施方式之太陽能電池氧化層的剖面示意圖。
第2圖為本發明一實施方式之太陽能電池結構的剖面 示意圖。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說明。
在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。在其他情況下，為簡化圖式，熟知的結構與裝置僅示意性地繪示於圖中。
本發明之一實施方式是提供一種太陽能電池氧化層的製造方法，其包含以下步驟。將矽晶圓置於溫度為大於500℃的環境下進行氧化處理，以形成氧化層於矽晶圓上。更詳細的說，將矽晶圓置於高溫爐管內進行氧化成長，在通入氧氣的環境下於溫度為500℃至800℃的範圍內進行快速升溫，以利在矽晶圓表面形成高緻密性的氧化層。舉例來說，在氧化處理溫度較低(例如，500℃)時，會先形成尺寸較大的氧化顆粒堆疊在矽晶圓表面，接著繼續提高氧化處理的溫度(例如，600℃)，可以在尺寸較大的氧化顆粒之間繼續生成尺寸較小的氧化顆粒，據此，即可提高氧化層的緻密性。
在多個實施例中，進行氧化處理的溫度可以為525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃、725℃、750℃、775℃、800℃、或進行氧化處理機台的加熱溫度上限值。
在多個實施例中，氧化處理的升溫速率為大於3℃/分鐘，例如可為4℃/分鐘、5℃/分鐘、6℃/分鐘、7℃/分鐘、8℃/分鐘、或進行氧化處理機台的升溫速率上限值。當氧化處理的升溫速率越快，則矽晶圓表面堆疊之氧化顆粒的尺寸會越小。根據多個實施例，當氧化處理的升溫速率小於某一數值，例如3℃/分鐘，則在矽晶圓表面堆疊之氧化顆粒的尺寸太大，進而降低所形成之氧化層的緻密性。
在一實施例中，可於高溫氧化爐管中通入高純度的氧氣，並在高溫的製程環境下將矽晶圓表面反應成二氧化矽(SiO2)薄膜。由於二氧化矽(SiO2)薄膜可降低矽晶圓表面懸掛鍵的密度，因此能夠很好地控制界面陷阱和固定電荷。此外，二氧化矽(SiO2)薄膜還可降低表面態密度，使得矽與二氧化矽(Si-SiO2)界面的復合速率可以降低，從而起到了表面鈍化的作用。
第1圖為本發明一實施方式之太陽能電池氧化層的剖面示意圖。如第1圖所示，藉由如上實施方式所製造太陽能電池氧化層的方法，可於矽晶圓100的表面上形成由不同尺寸的氧化顆粒所堆疊出來的氧化層120。在其他實施方式中，氧化層120可以形成在矽晶圓100的相對兩表面上。
在一些實施例中，矽晶圓100可以為N型矽晶圓 或P型矽晶圓。
在一實施例中，氧化層120包含氧化矽。在一實施例中，氧化層120的孔隙密度為2.2g/cm3至2.3g/cm3。
在一實施例中，氧化層120的厚度為0.5奈米至3奈米，例如可為0.7奈米、0.9奈米、1.1奈米、1.3奈米、1.5奈米、1.7奈米、1.9奈米、2.1奈米、2.3奈米、2.5奈米、2.7奈米或2.9奈米。在另一實施例中，氧化層120的厚度為1奈米至2奈米，例如可為1.2奈米、1.4奈米、1.6奈米或1.8奈米。可以理解的是，可以藉由控制氧化處理的時間來調控氧化層120的生成厚度。由於此氧化層120的厚度非常薄，因此可應用在穿隧氧化層鈍化接觸(Tunnel Oxide Passivated Contact，TOPCon)太陽能電池中作為與摻雜多晶矽層的鈍化接觸結構。
藉由上述實施方式及實施例之製造方法所製造出來的氧化層具有較低的孔隙率，不但可以增加太陽能電池的鈍化面積還可以有效增加少數載子壽命，並減少磷或硼擴散穿透氧化層的面積和機率。
第2圖為本發明另一實施方式之太陽能電池結構的剖面示意圖。如第2圖所示，穿隧氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽能電池結構20包含矽基板200、如上所述之製造方法所製備的氧化層210、摻雜多晶矽層220以及電極230。
在一實施例中，矽基板200可以為N型矽基板。在另一實施例中，矽基板200可以為P型矽基板。
藉由如前文所述之製造方法所製備的氧化層210係設置於矽基板200上。在多個實施例中，本發明所述的氧化層210可以放在太陽能電池結構20的正表面，也可以放在太陽能電池結構20的背表面，或者正面和背面同時出現。在此須說明的是，太陽能電池結構20的正面即為太陽能電池的受光面，反之，太陽能電池結構20的背面即為太陽能電池的背光面。
在多個實施例中，氧化層210的孔隙密度為2.2g/cm3至2.3g/cm3。可以理解的是，若氧化層210的孔隙率大於XX%，在後續形成摻雜多晶矽層的離子摻雜步驟中會使得金屬離子輕易地穿透氧化層210而直接電性接觸矽基板200，而在金屬接觸的界面自由電子-電洞的復合速度非常大，因此矽基板200表面的鈍化效果會大幅降低。
在一實施例中，氧化層210的厚度為0.5奈米至3奈米，例如可為0.7奈米、0.9奈米、1.1奈米、1.3奈米、1.5奈米、1.7奈米、1.9奈米、2.1奈米、2.3奈米、2.5奈米、2.7奈米或2.9奈米。在另一實施例中，氧化層210的厚度為1奈米至2奈米，例如可為1.2奈米、1.4奈米、1.6奈米或1.8奈米。可以理解的是，若氧化層210的厚度太薄，例如小於0.5奈米，則會使得表面鈍化的效果降低；但若氧化層210的厚度太厚，例如大於3奈米，則會阻擋載子的傳輸。因此如何製作並控制氧化層210的厚度及孔隙率是非常關鍵的。
摻雜多晶矽層220設置於氧化層210上，其目的 在於降低輸出電極的接觸電阻。在一實施例中，摻雜多晶矽層220可以為硼摻雜多晶矽層。在另一實施例中，摻雜多晶矽層220可以為磷摻雜多晶矽層。在多個實施例中，可以藉由化學汽相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法，例如為電漿增強化學汽相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)法或低壓化學氣相沉積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)，於氧化層210上先沉積一多晶矽層。舉例來說，在此是使用遠距電漿增強化學氣相沉積(Remote Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，RPECVD)法，反應氣體為矽烷(Silane，SiH4)，於溫度為600℃至650℃且壓力為0.25mbar至0.15mbar的腔室內進行化學沉積反應。多晶矽層相較於非晶矽層在高溫環境下有著更良好的穩定性，並且在電性上比非晶矽層與透明導電氧化層(Transparent Conductive Oxide，TCO)的堆疊具有更低的接觸阻抗，因此，本實施方式係選用多晶矽層。接著，於此多晶矽層上進行離子擴散製程，以形成摻雜多晶矽層220。舉例來說，可於多晶矽層上進行磷離子擴散製程，以形成磷摻雜多晶矽層。或者，可於多晶矽層上進行硼離子擴散製程，以形成硼摻雜多晶矽層。
在此須強調的是，由於本發明之製造方法所製備出的氧化層210具有極低的孔隙率，故可以防止局部的磷離子或硼離子穿透氧化層210，藉此提高太陽能電池的鈍化效果及其少數載子生命週期(lifetime)。
電極230設置於摻雜多晶矽層220上。於本實施方式中，電極230作為穿隧氧化層鈍化接觸(TOPCon)太陽能電池結構20的背面電極。在多個實施例中，電極230可以為金屬電極、透明電極或上述之疊層。舉例來說，金屬電極可以是銀電極、鋁電極、鎳電極、銅電極、合金電極或金屬複合電極。金屬電極的製作方式可以採用印刷、鐳射轉印、噴墨、3D列印、蒸鍍等。舉例來說，透明電極可以是氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)、摻鋁的氧化鋅(Aluminum Doped Zinc Oxide，AZO)、氧化銦鋅(Indium Zinc Oxide，IZO)、摻鎵的氧化鋅(Gallium Doped Zinc Oxide，GZO)、摻氟的氧化錫(Fluorine Doped Tin Oxide，FTO)、摻鎢的氧化銦(Tungsten Doped Indium Oxide，IWO)或石墨烯。透明電極的製作方式可以採用濺射、氣相沉積、噴塗、印刷等。應注意，電極230可以是全面覆蓋於摻雜多晶矽層220上。
在一些實施例中，太陽能電池結構20還包含發射極240設置於矽基板200上。更詳細的說，發射極240與氧化層210分別位於矽基板200的相對兩側。舉例來說，當矽基板200為N型矽基板時，發射極240為P型矽(例如，硼擴散)。舉例來說，當矽基板200為P型矽基板時，發射極240為N型矽(例如，磷擴散)。
在一些實施例中，太陽能電池結構20還包含鈍化層250設置於發射極240上。在一實例中，鈍化層250包含氧化鋁(Al2O3)。
在一些實施例中，太陽能電池結構20還包含抗反射層260設置於鈍化層250上。在一實例中，可以藉由電漿增強化學汽相沉積(PECVD)法來沉積抗反射層260。在多個實例中，抗反射層260可包含氮化矽(SiNx)層、氮氧化矽(SiOxNy)層、氧化矽(SiOx)層及碳化矽(SiCx)層中的至少一種，亦即，抗反射層260可以為單獨的氮化矽層、單獨的氮氧化矽層、單獨的氧化矽層或者單獨的碳化矽層，也可以為氮化矽層、氮氧化矽層、氧化矽層和碳化矽層中兩種或兩種以上層疊設置。應注意，當抗反射層260採用疊層結構時，每一層的厚度沒有嚴格要求，可以根據需要(例如，折射率的需要)進行設置。可以理解的是，抗反射層260可以降低太陽能電池受光面的反射光，並有效提升太陽能的吸收率，以提升太陽能電池的轉化效率。
在一些實施例中，太陽能電池結構20還包含正面電極270設置於鈍化層250上。更詳細的說，抗反射層260和正面電極270皆設置於鈍化層250上，且抗反射層260環繞正面電極270。在多個實例中，可以藉由網印技術在太陽能電池結構20的正面形成正面電極270。於本實施例中，正面電極270於上視圖中呈現網格結構。
實驗例：量測太陽能電池的少數載子生命週期
在本實驗中，利用生命週期測試儀(例如，機台型號為WXS-220S-L2,AM1.5GMM)對太陽能電池中少數載子生命週期(lifetime)進行量測。實施例為藉由本發明製造太陽能電池氧化層的方法所製造出的TOPCon太陽能電 池。比較例為習知的TOPCon太陽能電池。各實施例及比較例所量測出少數載子生命週期的結果請參以下表一。
Figure 108117554-A0101-12-0011-1
在本實驗例中，實施例所量測出太陽能電池的少數載子生命週期為8000μs-12000μs。本發明實施例的少數載子生命週期相較於比較例明顯提升約1.3至4倍，其說明了本發明製造太陽能電池氧化層的方法所製造出來的氧化層具有較佳的鈍化效果。
綜上所述，本發明所提供之太陽能電池氧化層的製造方法，其所製造出來的氧化層不但可以增加太陽能電池的鈍化面積還可以有效增加少數載子壽命，並減少磷或硼擴散穿透氧化層的面積和機率。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧矽晶圓
120‧‧‧氧化層

Claims (9)

  1. 一種太陽能電池氧化層的製造方法，包含：將一矽晶圓置於一溫度為500℃至800℃的環境下進行一氧化處理，以形成一氧化層於該矽晶圓上，其中該氧化處理的升溫速率為3℃/分鐘至8℃/分鐘。
  2. 如請求項1所述之製造方法，其中該氧化層之一孔隙密度為2.2g/cm3至2.3g/cm3。
  3. 如請求項1所述之製造方法，其中該氧化層之一厚度為0.5奈米至3奈米。
  4. 如請求項1所述之製造方法，其中該氧化層之一厚度為1奈米至2奈米。
  5. 一種太陽能電池結構，包含：一矽基板；一如請求項1所述之製造方法所製備的氧化層，設置於該矽基板上；一摻雜多晶矽層，設置於該氧化層上；以及一電極，設置於該摻雜多晶矽層上。
  6. 如請求項5所述之太陽能電池結構，其中該氧化層之一孔隙密度為2.2g/cm3至2.3g/cm3。
  7. 如請求項5所述之太陽能電池結構，其中該氧化層之一厚度為0.5奈米至3奈米。
  8. 如請求項5所述之太陽能電池結構，其中該氧化層之一厚度為1奈米至2奈米。
  9. 如請求項5所述之太陽能電池結構，其中該太陽能電池之一少數載子生命週期(lifetime)為8000μs至12000μs。
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