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TW201324818A - 製造矽異質接面太陽能電池之方法與設備 - Google Patents

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TW201324818A
TW201324818A TW101138296A TW101138296A TW201324818A TW 201324818 A TW201324818 A TW 201324818A TW 101138296 A TW101138296 A TW 101138296A TW 101138296 A TW101138296 A TW 101138296A TW 201324818 A TW201324818 A TW 201324818A
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gas
pecvd
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盛殊然
張林
袁正
王榮平
曹永崙
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應用材料股份有限公司
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Abstract

一種在電漿增強化學氣相沉積(PECVD)設備內製造半導體層的方法。該PECVD設備包括界定處理區域之複數個壁；基板支座；遮蔽框架；氣體分配噴灑頭；氣源，該氣源與該氣體分配噴灑頭及該處理區域流體連接；射頻電源，該射頻電源耦接至該氣體分配噴灑頭；以及一或多個VHF接地片，該一或多個VHF接地片電耦接至該複數個壁中之至少一者。該一或多個VHF接地片於該遮蔽框架與該複數個壁中之至少一者之間提供低阻抗電流路徑。該方法進一步包括輸送半導體前驅物氣體與摻雜劑前驅物氣體以及輸送非常高頻(VHF)功率，以產生電漿，而於該一或多個基板上形成第一層。

Description

製造矽異質接面太陽能電池之方法與設備
本發明之實施例係一般性關於電漿增強化學氣相沉積(PECVD)方法與設備。
光電的(PV)或太陽能電池是將太陽光轉換成為直流(DC)電功率的裝置。典型的PV電池包括p型矽晶圓或基板，厚度通常約小於0.3 mm，且在p型基板頂面上配置有n型矽材料薄層。當曝露於太陽光時，P-N接合區會產生自由電子與電洞對。橫跨P-N接合區之空乏區形成的電場會將自由電洞與自由電子分離，該等自由電子可流經外部電路或電氣負載。由PV電池產生的電壓、或光電壓以及電流取決於PN接合區的材料性質、沉積層之間的介面性質以及裝置的表面積。
現有的形成P-N接合區之方法通常包括經由射頻(RF)電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程來沉積n型及/或p型層，電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程使用小於約30 MHz的RF頻率。然而，現有的RF-PECVD製程往往表現出較差的電漿密度以及對沉積速率有限的控制，導至沉積的半導體層缺乏均勻性，並表現出不理想的摻雜效率。此外，試圖增加摻雜效率的現有RF-PECVD製程通常會提高電漿、電荷以及產生的薄膜中熱損傷的 程度，產生較差的介面鈍化特性與降低的裝置性能。
如以上說明的，在本技術領域中需要更有效的沉積太陽能電池薄膜之技術。
本發明一般性包含用於實施半導體薄膜之非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)的技術，該半導體薄膜具有低的製程引發損傷與高均勻度。
本發明之一個實施例提出一種在電漿增強化學氣相沉積(PECVD)設備內製造半導體層的方法，該方法包括於該PECVD設備中定位一或多個基板。該PECVD設備包括界定處理區域之複數個壁；基板支座；位於該基板支座上方之遮蔽框架；位於該基板支座上方且與該處理區域流體連接之氣體分配噴灑頭；與該氣體分配噴灑頭及該處理區域流體連接之氣源；耦接至該氣體分配噴灑頭之射頻電源；以及一或多個電耦接至該複數個壁中之至少一者的VHF接地片。該一或多個VHF接地片於該遮蔽框架與該複數個壁中之至少一者之間提供低阻抗電流路徑。該方法進一步包括從該氣源通過該氣體分配噴灑頭輸送半導體前驅物氣體至該處理區域；從該氣源通過該氣體分配噴灑頭輸送摻雜劑前驅物氣體至該處理區域；以及輸送非常高頻(VHF)功率至該氣體分配噴灑頭，以從該半導體前驅物氣體與該摻雜劑前驅物氣體產 生電漿，而於該一或多個基板上形成第一層。
本發明之另一個實施例提出一種製造半導體層的方法，該方法包括以下步驟：定位一或多個基板於基板支座上，該基板支座位於電漿增強化學氣相沉積(PECVD)設備中之處理區域中；輸送含半導體前驅物氣體及摻雜劑前驅物氣體進入該處理區域；於該處理區域中產生含有該半導體前驅物氣體及該摻雜劑前驅物氣體之非常高頻(VHF)電漿。當產生該VHF電漿時，該遮蔽框架與該PECVD設備之一或多個壁之間的低阻抗電流路徑容許電流於該遮蔽框架與該PECVD設備之一或多個壁之間流動。該方法進一步包括變化該半導體前驅物氣體對該摻雜劑前驅物氣體之比率，以於該一或多個基板上形成漸變的半導體層。
本發明之實施例係一般性提供用於沉積半導體薄膜之處理系統，該半導體薄膜具有低的製程引發損傷以及高均勻度。特定而言，已經發現到，相對於使用小於約30 MHz的RF頻率之現有射頻(RF)電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程，經由非常高頻(VHF)PECVD(約為30 MHz至300 MHz)所沉積的半導體層表現出低度的電漿、電荷以及熱損傷，產生的薄膜表現出優異的介面鈍化性質、提高的摻雜效率以及整體異質接面電池效率提高。 此外，降低的沉積速率已經改善厚度控制與製程可重複性。最後，用於製造薄膜異質接面層的獨特製程順序可提供較低的生產成本與增加的產量(>2700片晶圓/小時)。
第1圖為依據本發明之一個實施例的異質接面(HJ)太陽能電池150之示意剖面圖。在本發明之實施例中，太陽能電池150為高效率薄膜矽異質接面(TF-Si HJ)太陽能電池。太陽能電池150包含n型或p型結晶矽(c-Si)層160。在一個實施例中，c-Si層160可以是從單晶矽或多晶矽錠切割出的矽晶圓並且具有約20 μm至300 μm的厚度，如約160 μm至200 μm。
將第一非晶矽(a-Si)層170與第二非晶矽層171配置於c-Si層160上。a-Si層170、171可具有約0 nm至30 nm的厚度，如約0 nm至10 nm。在一個實施例中，第一與第二a-Si層170、171為本質矽層。可將第一高摻雜p+或n+矽層180配置於第一a-Si層170上。第一p+/n+層180可以是厚度約3 nm至100 nm的非晶(a-Si)矽或奈米結晶矽(nc-Si)層，如約3 nm至20 nm或約5 nm至10 nm。可將第二高摻雜n+或p+矽層181配置於第二a-Si層171上。第二n+/p+180可以是厚度約3 nm至100 nm的非晶(a-Si)矽或奈米結晶矽(nc-Si)層，如約3 nm至20 nm或約5 nm至10 nm。
可將第一透明導電氧化物(TCO)層190配置在第一p+/n+層180上。可將第二透明導電氧化物層191配置在 第二n+/p+層180上。在本發明之實施例中，第一與第二透明導電氧化物層190、191包含一或多個大的帶隙材料，如銦錫氧化物(ITO)或氧化鋅(ZnO)，該一或多個帶隙材料傳輸入射輻射至配置於第一與第二透明導電氧化物層190、191下方的異質接面層。第一與第二透明導電氧化物層190、191可作為抗反射層，該等抗反射層減少來自太陽能電池表面的光反射，例如藉由提供漸變折射率，光可以通過該漸變折射率前往太陽能電池的底層。此外，透明導電氧化物層190、191可導通在太陽能電池操作過程中產生的電流。
可將第一與第二導電層195、196配置在第一與第二透明導電氧化物層190、191上。第一與第二導電層195、196可包含一或多個導電材料，如銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鈷(Co)、錸(Rh)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鉬(Mo)以及鋁(Al)或其他金屬。在本發明之實施例中，可以物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、蒸發、網印或提離金屬化製程沉積第一及/或第二導電層195、196。藉由例如PVD製程或CVD製程沉積的導電層195、196可具有約10 nm至5000 nm的厚度，如約50 nm至100 nm。藉由網印製程沉積的導電層195、196可具有約10 μm至50 μm的厚度，如約10 μm至20 μm。
第一及/或第二導電層195、196可以是不連續層，該等不連續層提供與透明導電氧化物層190、191的歐姆接 觸，同時仍允許入射輻射到達下面的異質接面太陽能電池195之矽層。雖然第1圖圖示單面的c-Si HJ電池結構包括不連續的正面金屬層與連續的背面金屬層，但也可以考量該電池可包括雙面的c-Si HJ結構，該雙面的c-Si HJ結構包括非連續的正面與背面金屬層。
矽異質接面(HJ)光電器是實現以低成本生產高效率結晶矽(c-Si)型太陽能電池的重要候選者。結晶矽薄膜矽(TF-Si)異質接面太陽能電池具有優於現有的c-Si電池之優點，包括較高的效率、較高的操作電壓以及較小的溫度係數。然而，這樣的電池需要低損傷的薄膜層沉積，以維持c-Si/TF-Si介面鈍化品質與異質接面電池效率。
本發明之一個實施例提供一種處理系統，其中異質接面(HJ)太陽能電池之薄膜矽層可以在低離子能量與低於約230℃的溫度沉積。該處理系統可以使用具有降低的離子轟擊等級之沉積技術，如非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)、誘導耦合電漿增強化學氣相沉積(ICP-PECVD)技術及/或離子轟擊-自由沉積技術，如熱線化學氣相沉積(HWCVD)。
在其他的實施例中，本發明係一般性提供用於低功率及/或低溫製造太陽能電池裝置的方法，該太陽能電池裝置具有大於20%的效率。這樣的方法可以包含清洗、構造以及電漿處理結晶矽(c-Si)晶圓、沉積非晶矽(a-Si)層於c-Si晶圓的正面及背面上、沉積a-Si或奈米結晶矽 (nc-Si)n型或p型層於a-Si層上、沉積透明導電氧化物(TCO)層於a-Si或nc-Si n型或p型層上、圖形化或網印正面及背面金屬層於透明導電氧化物層上以及可選擇地進行低溫退火製程。
將參照PECVD設備來討論本文中揭示的實施例，該PECVD設備可向美國加州聖克拉拉的應用材料公司(APPLIED MATERIALS®,Inc.,Santa Clara,CA)取得。然而瞭解到，本文中討論的實施例可以具有在其他腔室中的設施，包括由其他製造商出售的那些。基板處理系統可包括一或多個沉積室，其中一批基板被曝露於一或多種氣相材料及/或RF電漿。在一個實施例中，該處理系統包括至少一個非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)製程腔室，該腔室已適用於同時處理複數個基板。在另一個實施例中，在真空或惰性氣體環境中同時傳送一批太陽能電池基板，以防止基板污染並改善基板產量。在本發明的各種實施例中，將每批基板排列於平面的處理陣列，而不是處理基板的垂直堆疊(例如，堆疊在盒中的基板批次)。處理排列於平面陣列的基板批次容許批次中的每個基板直接且均勻地曝露於產生的電漿、輻射熱及/或處理氣體，使得平面陣列中的每個基片被同樣地處理。
第2A圖為依據本發明之一個實施例的處理腔室或PECVD設備100之示意剖視圖。設備100包含複數個壁102與底部104。穿過一或多個壁102可存在流量閥開口 106。流量閥開口106允許基板110進入和離開設備100。在設備100中，可以將基板110放置在基板支座108上。可在軸112上升高及降低基板支座108。藉由附接裝置144將一或多個VHF接地組配件142耦接到複數個壁102。設備100可以藉由真空幫浦114抽空。可將閥116耦接於腔室與真空幫浦114之間，以調整設備100的真空程度。
可將處理氣體從氣源118通過管122引入設備100，管122穿過腔室蓋124。管122耦接到背板126，以允許處理氣體通過背板126並進入背板126與氣體分配噴灑頭128之間的氣室148。處理氣體在氣室148中擴散出，然後通過氣體通道130到達處理區域146，氣體通道130穿過氣體分配噴灑頭128而形成。
將電源120耦接到管122。電源120能夠在約0.4 MHz與約幾百MHz的頻率下產生RF電流。在一個實施例中，RF電源120包含能產生約30 MHz至300 MHz(如約40 MHz、約60 MHz或約180 MHz)的VHF電流之VHF電源。在其他的實施例中，可以施加功率，使得在真空中所施加頻率下的自由空間波長之八分之一與腔室對角線相匹配。腔室對角線為橫跨矩形腔室從一個角落到另一個斜對面角落的距離。在表面清洗與鈍化的過程中，電源120可產生約50瓦至300瓦(W)的功率(10-70 mW/cm2)用於電漿處理c-Si表面。在沉積a-Si或nc-Si n型或p型層的過程中，電源120可產生約50 W至600 W (10-140 mW/cm2)。
來自電源120的電流沿著管122的外表面流到背板126。RF電流具有「集膚效應」在於該電流不完全穿透導電體，如管122與背板126。RF電流沿著導電物體的外側表面前進，然後RF電流沿著懸吊134向下前進到氣體分佈噴灑頭128的前表面。在一個實施例中，懸吊134可以包含導電材料，如鋁。RF電流沿著箭頭「A」所指示的路徑流動。因此，RF電流沿著背板126的背面、背板126的側表面、懸吊134的外側表面以及氣體分配噴灑頭128的底表面前進。
在第2圖中圖示的實施例中，氣體管122被饋入背板126之大致中央處。因此，供應給氣體管122的RF電流也在背板126之大致中央處被饋送到背板126。瞭解到，可移動RF電流耦合的位置，以適配使用者的需要。例如，可移動RF電流耦合的位置來補償RF電流返回或腔室不對稱。在其他的實施例中，可以在複數個與氣體管122的位置不同的位置將RF電流耦接到背板126。
VHF接地組配件142通常在基板支座108與腔室壁102之間提供低阻抗的RF電流返回路徑。典型地，製程腔室不完全對稱。例如，腔室的一側可在腔室壁102具有端口(例如流量閥開口106)，用於傳送基板進出製程腔室。腔室壁102是RF電漿腔室中RF電路的一部分，在腔室一側中的傳送端口(或孔)在製程腔室中產生不對稱。這種不對稱可能會降低VHF接地均勻度，而可能導致較 差的電漿均勻度與降低的製程性能。一般來說，使用非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)的製程與現有的射頻電漿增強化學氣相沉積(RF-PECVD)製程相比需要額外的接地。
在第2A圖和第2B圖中的架構已被證明可有效且可靠地實施VHF-PECVD製程。然而，為了讓RF接地片有效地工作，RF接地片的阻抗必須是低的。假使阻抗增加，則可能會在基板支座的不同區之間存在電位差，這可能會不利地影響沉積均勻性。在基板傳送步驟的過程中，較長的腔室組件前進距離會需要更長的VHF接地片，這將增加VHF接地片的阻抗，並降低片的VHF接地能力。因此，在典型的RF-PECVD腔室中提供接地的現有工具往往不足以用於VHF-PECVD製程。此外，無效的VHF接地允許電漿前進到側邊，並在基板支座下方、在這些區域中產生不必要的沉積，這使得清洗更加困難且更耗時。
如在第2A圖中圖示的，基板支座108是在非基板處理位置而且不與VHF接地組配件142接觸。VHF接地組配件142位於一或多個接地靜止件141上，並在非基板處理期間由靜止件141支撐。基板支座108上具有基板110，並且基板支座108的頂表面外緣周圍具有一或多個承接凸緣109。當基板支座108位於基板處理位置時，承接凸緣109將會承接VHF接地組配件280，以將VHF接地組配件280提離一或多個接地靜止件141。VHF接 地組配件142附接於腔室壁102並支撐遮蔽框架138，遮蔽框架138覆蓋基板支座108的整個邊緣。在一個實施例中，遮蔽框架138為約3英吋至約5英吋寬及約1/2英吋至約1英吋厚。
第2B圖圖示一種架構，其中VHF接地組配件被耦接到基板支座108以及配置於遮蔽框架138下方的承接塊140。第一VHF接地組配件142被耦接於基板支座108與具有附接裝置144的腔室壁102之間。第二VHF接地組配件147被耦接於承接塊140與具有附接裝置(未圖示)的腔室壁102之間。如第2B圖中所圖示，基板支座108是在基板處理位置並且與承接塊140接觸。然而，如關於第2A圖所描述的，當基板支座108是在基板處理位置時，承接塊140係由接地靜止件143支撐。
第2C圖圖示在第2A圖的圓C中之元件放大圖。VHF接地組配件142藉由適用的工具如熔接、焊接、銅焊或藉由附接裝置144(例如螺栓、螺釘等)附接於腔室壁102。VHF接地組配件142也包含一或多個低阻抗撓性簾149以及一或多個承接塊140，低阻抗撓性簾149附接於腔室壁102。該一或多個撓性簾149係藉由適用的工具(如熔接、焊接、銅焊或藉由附接裝置144)附接於該一或多個承接塊140。
低阻抗撓性簾149應由具有高導電性的撓性材料所製成，如鋁或銅片或箔。該一或多個承接塊140應由低阻抗(或高導電性)塊體(如鋁塊)所製成。該一或多個 承接塊140支撐遮蔽框架138並由該(該等)承接凸緣109承接，以在基板處理過程(如沉積)中與基板支座108接觸，以提供RF返回路徑(參見以下第2D圖)。每個承接塊140係由至少一承接凸緣109承接。
第2C圖圖示當基板支座108處於降低的位置時，在第2A圖的圓C中之元件放大圖。第2D圖圖示當基板支座108處於基板處理位置時，在第2A圖的圓C中之元件放大圖。在處理過程中，基板支座108移到更靠近氣體分配噴灑頭128。承接凸緣109承接一或多個承接塊140，以提起VHF接地組配件142離開該一或多個接地靜止件141，並造成基板支座108與VHF接地組配件142之間的接觸。由於承接塊140被承接凸緣109稍微向上移動，簾149被推向腔室壁102。遮蔽框架138可在非意圖用於形成電連接的區域中被陽極化，而且遮蔽框架138的凹部139部分地覆蓋基板110的邊緣。遮蔽框架138被基板110的邊緣、配置來防止起弧的陶瓷鈕以及基板支座108上的承接塊140支撐。
在第2C圖和第2D圖中的簾149可連續延伸於遮蔽框架138或遮蔽框架138的部分周邊之周圍。在一個實施例中，單一的簾149連續延伸於基板支座108的大致全周邊之周圍(例如使得當基板支座108在基板處理位置時，VHF接地組配件142可接觸基板支座108的邊緣)並連接到一或多個承接塊140。或者，也可以將複數個簾149定位於彼此鄰接以延伸於基板支座108的大致全 周邊之周圍，其中當基板支座108在處理位置時，至少一簾可以被耦接到基板支座108的每個邊緣。該複數個簾149係連接到一或多個承接塊140。
第2E圖與第2F圖圖示用於第2A圖、第2B圖及第3圖的處理腔室中之例示性撓性簾149。撓性簾149可包括一或多個層。在一個架構中，撓性簾149包括撓性層252，撓性層252配置在兩個導電層250、254之間。撓性層252可以包含聚合物，如聚醯胺(例如由杜邦公司製造的Kapton®)，並且可以具有約0.0005英吋至0.003英吋的厚度，諸如約0.001英吋。每個導電層250、254可包含金屬，如鋁，並且可以具有約0.0005英吋至0.003英吋的厚度，諸如約0.001英吋。
第3圖為依據本發明之一個實施例於基板平面陣列或批次基板上實施一或多個薄膜太陽能電池製造製程的處理腔室或PECVD設備200之示意剖視圖。可適於實施本文中討論的一或多個製程之合適的處理系統可包括處理平台，如第3.5代或第5代處理平台，可向位於美國加州聖克拉拉(Santa Clara,CA)的應用材料®公司(APPLIED MATERIALS®,Inc.)取得。在一個架構中，PECVD設備200適於在每個配置於載體201上的基板上沉積一或多個層。設備200通常包括界定製程容積206的壁202、底部204、噴灑頭210以及基板支座230。經由閥208進入製程容積206，使得該批基板S(例如複數個配置在基板載體201上的基板S)可被傳送進出PECVD 裝置200。基板支座230包括用於支撐基板S的基板接收表面232以及與升降系統236耦接以提高及降低基板支座230的桿234。可以將遮蔽框架233選擇性地放置於載體201的周圍，載體201上可以已經形成有一或多個層。升舉銷238可移動地配置為穿過基板支座230，以移動載體201(或無載體系統中的複數個基板S)前往及離開基板接收表面232。基板支座230也可以包括加熱及/或冷卻元件239，以將基板支座230保持在所需的溫度。如關於第2A圖至第2F所詳細描述的，藉由附加裝置144將一或多個VHF接地組配件142耦接至該複數個壁208、基板支座230及/或其他腔室組件。
噴灑頭210之周圍藉由懸吊214耦接到背板212。氣源220被耦接到背板212，而經由背板212及經由噴灑頭210中的複數個孔211提供氣體至基板接收表面232。真空幫浦209被耦接至PECVD設備200，以將製程容積206控制在所需的壓力下。RF電源222被耦接至背板212及/或至噴灑頭210，以提供RF功率至噴灑頭210、在噴灑頭210與基板支座230之間產生電場以及從噴灑頭210與基板支座230之間的氣體產生電漿。可以使用各種的RF頻率，諸如介於約0.4 MHz與約幾百MHz之間的頻率，包括約13.56 MHz、約40 MHz、約60 MHz以及約180 MHz的頻率。
遠端電漿源224(如誘導耦合遠端電漿源)可被耦接於氣源220與背板212之間。在處理的批次基板之間， 可提供清洗氣體至遠端電漿源224，以產生可以被提供至清洗腔室組件的遠端電漿。清洗氣體可以進一步被提供至噴灑頭210的RF電源222激發。適合的清洗氣體包括但不限於NF3、F2以及SF6。
第4圖圖示依據本發明之一個實施例製造太陽能電池裝置400的方法。在本發明之實施例中，可在基板或晶圓上實施方法400之處理步驟，該基板或晶圓可包含玻璃或半導體材料，諸如n型或p型結晶矽(c-Si)晶圓。可以從藉由丘克拉斯基(Czochralski,Cz)製程生長的單晶或多晶矽錠切割出矽晶圓。可以例如用線鋸或內徑(ID)鋸完成晶圓切割，以產生具有約20 μm至900 μm的厚度以及約100 mm至450 mm的直徑之基板。在一個實施例中，基板具有約160 μm至200 μm的厚度以及約200 mm至300 mm的直徑。切割之後，可以拋光或處理該(該等)基板的表面，以除去鋸損傷。在其他的實施例中，基板可以具有四邊形或其他的幾何形狀。這樣的基板可以從經由替代的生長製程(例如矽鑄造製程)生長的單晶或多晶矽錠切割出。
可以選擇性地清洗基板的一面或雙面410，以去除表面的雜質與原生的氧化物。也可以構造基板的一面或雙面410，以產生粗糙的表面。在一個實施例中，構造化該(該等)基板表面可以藉由使入射光折射、改變光的路徑來增強吸收。折射可能會增加光通過太陽能電池的路徑長度，如藉由使光撞擊並反射離開太陽能電池內額 外的表面，而增加吸收的可能性。該(該等)基板表面之選擇性清洗與構造可以使用鹼性或酸性的組合物來實施，諸如氫氧化鈉(NaOH)或氟化氫(HF)。
方法400之沉積製程步驟可以使用在沉積過程中使用低處理溫度、低電漿離子能量以及降低的基板表面離子轟擊程度之沉積技術。這樣的技術包括但不限於非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)、誘導耦合電漿增強化學氣相沉積(ICP-PECVD)技術及/或無離子轟擊的沉積技術，如熱線化學氣相沉積(HWCVD)。使用低溫、低離子能量及/或低離子轟擊條件具有許多益處。舉例來說，藉由降低處理溫度、電漿離子能量以及對基板的離子轟擊來減少對一或多個形成的層之損傷可以改善表面鈍化特性並提高沉積層之間的介面品質、增加少數載子的壽命、降低層與層之間的串聯電阻以及因此提高電池的性能與效率。此外，用VHF-PECVD技術沉積的半導體層可實現較高的摻雜效率、在形成的層之間具有較低的接觸電阻以及在明顯較高的沉積速率下具有優異的鈍化，尤其是當沉積p+型層時。由於在VHF-PECVD處理的過程中形成了奈米晶粒，故可以改善摻雜效率。再者，使用低離子轟擊/高電漿密度VHF-PECVD技術使得在摻雜層中有降低的導電度與較寬的帶隙。
在層沉積之前，c-Si基板之一面或雙面可進行約0秒至60秒的電漿處理412。電漿處理可以藉由以氣源(諸如氫(H2)、氧(O2)，氮(N2)或氬(Ar)源)產生電 漿來完成。c-Si表面的電漿處理可允許c-Si表面與隨後沉積在c-Si表面上的a-Si及/或nc-Si層之間的介面產生高品質的鈍化。此外，電漿處理c-Si表面可鈍化表面與介面缺陷，並且有助於進一步清洗基板表面，例如藉由去除雜質或原生氧化層。
在基板412的電漿處理之後，可以各種不同的方式依序進行後續的層沉積製程。在第4圖中圖示出兩個這樣的程序。在一個實施例中，沉積正面a-Si介面層420於基板的頂表面上，以及沉積背面a-Si介面層422於基板的底表面上。a-Si介面層可以作為c-Si層與n+/p+或p+/n+層之間的緩衝。此外，介面層可以改善異質接面電池層的鈍化，該等介面層係配置於該等異質接面電池層上。
介面層可以包含未摻雜的、具有約0 nm至30 nm(包括約0 nm至10 nm)的厚度之本質矽層。在本文中描述的例示性實施例中，介面層可以包含a-Si、SiOx、SiCx、AlOx以及類似者。可以在相似的沉積條件下沉積正面與背面a-Si介面層，並且正面與背面a-Si介面層可以具有相似的特性，或者可以在不同的沉積條件下沉積正面與背面a-Si介面層，並且正面與背面a-Si介面層可以具有不同的特性。在一個實施例中，在約100℃至300℃(如約120℃至230℃)的溫度下沉積介面層。在低溫下形成介面層可防止磊晶生長，磊晶生長會藉由增加介面上的懸鍵密度而不利地影響介面特性。此外，低溫沉積可以減少損傷、摻雜劑重新分佈以及a-Si介面層中及a-Si介 面層沉積下方的層中之缺陷密度。在另一個實施例中，可以在約0.1托至2.0托(如約0.2托至1.0托)的低壓下沉積a-Si介面層，以得到良好的大面積薄膜均勻度。
在另一個本發明的實施例中，可以使用減低離子轟擊技術(如誘導耦合電漿增強化學氣相沉積(ICP-PECVD))沉積a-Si介面層，如White等人的美國專利申請公開案第2007/0080141號中描述的ICP-PECVD技術，以引用方式將該公開案之全部內容併入本文中。例如，可以經由ICP-VHF-PECVD製程來沉積層。與使用RF頻率小於約30 MHz的ICP-PECVD製程相反，ICP-VHF-PECVD製程允許產生具有增加的離子密度與降低的離子能量之電漿。結果，經由ICP-VHF-PECVD沉積的層表現出減低的離子轟擊程度以及提高的摻雜效率。在又另一個實施例中，可以使用無離子轟擊技術(如熱線化學氣相沉積(HWCVD))來沉積a-Si介面層。在第7圖中圖示具有本發明的各個態樣之HWCVD設備。
在沉積介面層的過程中，可以使用氫(H2)與矽烷(SiH4)氣體，並且具有H2：SiH4比值在約0至30(如約0至10)範圍中的流速。功率可以藉由RF源以約25瓦至250瓦(W)(如約50瓦至150瓦(W))的速率供應。在一個實施例中，RF電源供應頻率為約30 MHz至180 MHz(如約40 MHz至60 MHz，包括約40 MHz至50 MHz)的VHF功率，以電容式耦合噴灑頭，該噴灑頭與基板表面約間隔520密爾至1000密爾(mil)。沉積可 以在小於約2.5 Å/s的速率發生。低離子能量、低溫沉積的製程可以減少熱損傷並減輕熱效應，如晶片彎曲。此外，由VHF-PECVD實現的較低離子能量與較高電漿密度允許在大面積上均勻沉積小於10 nm的a-Si薄膜。
在沉積n+/p+或p+/n+非晶矽/奈米結晶矽(a-/nc-Si)層之前，可以選擇性地電漿處理a-Si介面層之一者或兩者424、428，並使用氫(H2)、氧(O2)、氮(N2)或氬(Ar)氣進行約0秒至30秒。在一個實施例中，可以約50 W至300 W的RF功率(10-70 mW/cm2)、約0.5托至2.0托的壓力、約600密爾至1000密爾的間距以及約120℃至250℃的溫度使用H2電漿實施電漿處理。據信a-Si介面層的電漿處理可以使層緻密化並使介面層得以減少摻雜劑或雜質在層間(如在c-Si與n+/p+或p+/n+層之間)擴散。在其他的實施例中，a-Si介面層的電漿處理可以降低一或多層的缺陷密度、增加表面/介面鈍化品質以及延長載子壽命。
可以在背面a-Si介面層上沉積背面n+/p+矽層426。接著，在選擇性地電漿處理正面a-Si介面層428之後，可以在正面a-Si介面層上沉積正面p+/n+矽層429。在其他的實施例中，可以在處理c-Si基板的背面之前處理c-Si基板的正面。在本實施例中，在基板的背面上沉積a-Si介面層430，然後電漿處理背面a-Si介面層432並在背面a-Si介面層上沉積背面n+/p+矽層434。接著，在基板的正面上沉積a-Si介面層436，然後電漿處理正面a-Si 介面層438並在正面a-Si介面層上沉積正面p+/n+矽層439。
正面與背面n+/p+矽層可以是高度摻雜的n型或p型非晶矽(a-Si)或奈米結晶矽(nc-Si)層。在一個實施例中，正面與背面n+/p+矽層可以包含奈米結晶矽(nc-Si)，nc-Si係具有非晶相的矽之同素異形體形式，其中存在結晶矽的顆粒。正面與背面n+/p+奈米結晶矽層可以具有約3 nm至30 nm的厚度，如約5 nm至20 nm。該等層可在約100℃至300℃(如約120℃至230℃)的溫度下沉積。在低溫下形成n+/p+矽層可以降低對下方a-Si介面層的損傷，並容許高品質的、低電阻的介面隨a-Si介面層形成。此外，低溫可降低n+/p+層摻雜劑擴散通過a-Si介面並進入c-Si層。
沉積n+/p+奈米結晶矽層的壓力可以高於沉積a-Si層的壓力。例如，可以在約0.5托至4托(如約1托至2托)的壓力下沉積n+/p+矽層。功率可以由RF源以約50瓦至1500瓦(W)(如約100瓦至500瓦(W))的速率供應。在一個實施例中，RF電源供應具有約30 MHz至180 MHz(如約40 MHz至60 MHz，包括約40 MHz至50 MHz)的頻率之VHF功率至噴灑頭，該噴灑頭與基板的表面間隔約520密爾至760密爾。沉積可以在小於約5 Å/s的速率下發生，如小於約2.5 Å/s。
沉積n+奈米結晶矽層可以使用氫(H2)與矽烷(SiH4)氣體，並且具有H2：SiH4比值在約15至150(如約25至 90)範圍中的流速。可以由磷化氫(PH3)氣體(在H2中為0.5%)以每分鐘約30標準立方厘米至400標準立方厘米(sccm)的速率提供n型摻雜劑。沉積p+奈米結晶矽層可以使用氫氣(H2)與矽烷(SiH4)氣體，並且具有H2：SiH4比值在約30至150(如約50至90)範圍中的流速。可以由乙硼烷(B2H6)及/或三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)氣體(在H2中為0.5%)以每分鐘約30標準立方厘米至400標準立方厘米(sccm)的速率提供p型摻雜劑。
可以使用低度離子轟擊技術(如VHF-PECVD)沉積正面與背面n+/p+ nc-Si層。沉積可發生於類似用於沉積a-Si介面層的VHF頻率，例如約40 MHz至60 MHz的頻率，如約40 MHz至50 MHz。使用VHF-PECVD可以使得正面與背面n+/p+ nc-Si層有更高的摻雜效率，因而可以藉由電荷誘導(場效應)鈍化而增加c-Si表面鈍化品質。在另一個實施例中，可以使用RF-PECVD技術沉積正面與背面n+/p+ nc-Si層，已將該RF-PECVD技術修改為使用較低的溫度與離子能量，如約120℃至230℃的溫度。在又另一個實施例中，可以使用VHF頻率的ICP-PECVD技術沉積正面與背面n+/p+ nc-Si層。
在其他的實施例中，正面與背面n+/p+ nc-Si層可以包含非晶矽(a-Si)，且對於p+型a-Si層厚度為約2 nm至20 nm(如約3 nm至10 nm)，對於n+型a-Si層厚度為約3 nm至30 nm(如約5 nm至20 nm)。可在溫度約100℃ 至300℃(如約120℃至230℃)以及壓力約0.1托至2托(如約0.5托至1托)下沉積正面與背面n+/p+非晶矽層。功率可以由RF源在約25瓦至300瓦(W)(如約50瓦至200瓦(W))的速率供應。RF電源可供應具有頻率為約30 MHz至180 MHz(如約40 MHz至60 MHz，包括約40 MHz至50 MHz)的VHF功率至噴灑頭，該噴灑頭與基板的表面間隔約520密爾至1000密爾。沉積可以在小於約5 Å/s的速率下發生，如小於約2.5 Å/s。
沉積n+非晶矽層可以使用氫(H2)與矽烷(SiH4)氣體，並且具有H2：SiH4比值在約0至20(如約0至10)範圍中的流速。可以由磷化氫(PH3)氣體(在H2中為0.5%)以每分鐘約50標準立方厘米至1200標準立方厘米(sccm)的速率提供n型摻雜劑。沉積p+非晶矽層可以使用氫氣(H2)與矽烷(SiH4)氣體，並且具有H2：SiH4比值在約0至20(如約0至10)範圍中的流速。可以由乙硼烷(B2H6)及/或三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)氣體(在H2中為0.5%)以每分鐘約100標準立方厘米至1200標準立方厘米(sccm)的速率提供p型摻雜劑。
在沉積正面與背面n+/p+ a-/nc-Si層之後，可沉積正面與背面透明導電氧化物(TCO)層450、452。該等透明導電氧化物層可藉由提供入射輻射可能通過的漸變折射率作為抗反射層。此外，該等透明導電氧化物層可導通異質接面電池產生的電流。因此，為了降低由於載子復合及串聯電阻造成的效率損失，每個透明導電氧化物層 與下方的異質接面層具有低電阻率的接觸是重要的。可以藉由在n+/p+ nc-Si層上沉積每個透明導電氧化物層來實現優異的導電度，該n+/p+ nc-Si層相對於n+/p+ a-Si層具有高的導電度與載子遷移率，而該n+/p+ a-Si層由於較低的摻雜效率與較高的吸收損失可能會遭受較低的導電度。另外，n+/p+ a-Si層可以與低功函數(φ)的透明導電氧化物層形成阻擋的接觸。
可藉由包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或熱蒸發的技術來沉積該等透明導電氧化物層。在一個實施例中，可以藉由濺射來沉積該等透明導電氧化物層，例如使用向美國加州聖克拉拉的應用材料公司(APPLIED MATERIALS®,Inc.,Santa Clara,CA)取得之ATON系列濺射設備。在本發明之實施例中，透明導電氧化物層可以包含一或多種大帶隙的材料，如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅(ZnO)，該等大帶隙的材料可以傳送入射輻射至配置於該等透明導電氧化物層下方的異質接面層。
最後，可以於該等透明導電氧化物層上形成正面與背面的導電層454、456。該等導電層可以包含一或多種金屬，如銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鈷(Co)、錸(Rh)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鉬(Mo)以及鋁(Al)或其他金屬。該等導電層可以具有約10 nm至5000 nm的厚度，如約50 nm至100 nm，並且可以是連續的或不連續的層。例如，該等導電層可以 是提供與透明導電氧化物層的歐姆接觸同時仍然允許入射輻射到達異質接面太陽能電池的底層之不連續層。在另一個實施例中，該等導電層可以是連續的毯覆層。可以使用物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、熱蒸發、網印或是提離金屬化製程來形成該等導電層。在一個實施例中，可以藉由網印形成該等導電層，例如，使用可向美國加州聖克拉拉的應用材料公司(APPLIED MATERIALS®,Inc.,Santa Clara,CA)取得之Baccini Soft Line設備。網印的導電層可以比使用PVD或CVD製程沉積的導電層更厚。例如，網印的導電層可以具有約10 μm至50 μm的厚度，如約10 μm至20 μm。
在沉積製程完成之後，異質接面電池可在低溫退火458，例如在約120℃至230℃的溫度，如約180℃至210℃的溫度。在一個實施例中，該低溫退火可以在N2環境中進行約30分鐘至2小時。在另一個實施例中，可以在N2環境中進行約1小時的低溫退火。在步驟460與462中，可以接著進行異質接面電池的測試、分類以及層壓/封裝。
本發明的實施例包括各種沉積製程的程序。在一個實施例中，首先在c-Si層上沉積正面與背面本質a-Si介面層。在電漿處理該等正面與背面a-Si層之後，將背面n+型nc-Si層沉積於背面a-Si層上，並將正面p+型nc-Si層沉積於正面a-Si層上。然後將正面與背面透明導電氧化物層沉積於正面p+型nc-Si層與背面n+型nc-Si層上， 以及將正面與背面導電層沉積於正面與背面透明導電氧化物層上。然後在低溫下將由此產生的異質接面電池進行退火。
在另一個實施例中，首先在c-Si層的背面上沉積本質a-Si介面層。在電漿處理背面a-Si層之後，將背面n+型nc-Si層沉積於背面a-Si層上。然後沉積本質a-Si介面層於c-Si層的正面上。在電漿處理正面a-Si層之後，將正面p+型nc-Si層沉積於正面a-Si層上。之後在正面p+型nc-Si層與背面n+型nc-Si層上沉積正面與背面透明導電氧化物層，以及在正面與背面透明導電氧化物層上沉積正面與背面導電層。然後在低溫下將由此產生的異質接面電池進行退火。
第5圖圖示依據本發明的一個實施例之製造太陽能電池裝置500的方法，太陽能電池裝置500具有漸變的非晶矽/奈米結晶矽(a/nc-Si)層。可以在基板或晶圓上實施方法500的處理步驟，該基板或晶圓可包含玻璃或半導體材料，如n型或p型結晶矽(c-Si)晶圓，如關於第4圖的方法所討論的。
有利的是，本文中揭示的VHF-PECVD製程致使奈米晶粒形成，因而產生比經由現有的RF-PECVD製程沉積的非結晶層更高的摻雜效率。因此，可以使用在第5圖中揭示的方法來沉積具有漸變的摻雜濃度之a/nc-Si層，該漸變的摻雜濃度從無摻雜(i-a-Si)或微摻雜(p/n-a-Si)變化為中度摻雜(p+/n+-a-Si)再到重摻雜 (p++/n++-a/nc-Si)。
可以選擇性地清洗與構造基板的一面或雙面510來產生粗糙的表面。在層沉積之前，c-Si基板的一面或雙面可以進行約0秒至60秒的電漿處理512。在基板的電漿處理512之後，可在基板的頂表面上沉積漸變的a/nc-Si(p/n)層520。
沉積漸變的a/nc-Si(p/n)層的製程可以包括以時間為函數改變半導體前驅物對摻雜劑前驅物的比率。舉例來說，當沉積漸變的p型a/nc-Si層時，可以從每分鐘約0標準立方厘米(sccm)逐漸增加乙硼烷(B2H6)對矽烷(SiH4)的比例到約50 sccm至1200 sccm，使得摻雜濃度隨著層的剖面而變化。其他的摻雜劑前驅物可以包括例如磷化氫(PH3)與三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)氣體。
在一個實施例中，可以用矽烷氣體結合具有相對低(或零)的流速之摻雜劑氣體實施初始層的沉積。當層沉積進行時，可以增加摻雜劑氣體的流速及/或減少矽烷的流速，使得摻雜劑前驅物相對於半導體前驅物的整體比率增加。藉由改變摻雜劑前驅物的流速相對於半導體前驅物的流速，可以在例如厚度約3 nm至30 nm的層中實現具有從無摻雜(本質)或微摻雜(約1016 cm-3)到重摻雜(約1021 cm-3)的分佈之層。
用於以VHF-PECVD沉積漸變的半導體層之製程參數可以包括約50 W至600 W(10 mW/cm2至140 mW/cm2)的功率水平、約0.2托至4.0托的壓力、約600密爾至 1000密爾的間隔以及約120℃至250℃的溫度。在其他的實施例中，可以使用約50 W至300 W(10 mW/cm2至70 mW/cm2)或100 W至180 W(20 mW/cm2至40 mW/cm2)的功率水平、約0.5托至1.5托或約0.75托的壓力以及約600密爾至850密爾的間隔。再者，藉由保持小於約2.5 Å/s的沉積速率，可以實現優異的層均勻度、厚度控制以及製程可重複性。前驅物的流速可以與關於第4圖的方法400所描述的那些相同。
在沉積正面與背面n/p a-/nc-Si層之後，可以沉積正面與背面透明導電氧化物(TCO)層530。最後，可以在透明導電氧化物層上形成正面與背面導電層540。在沉積製程完成之後，可以對異質接面電池進行低溫退火550。可以使用與關於第4圖的方法400所描述的相同的方式進行TCO層與導電層的沉積以及退火步驟。最後，在步驟460與462中，可以接著進行異質接面電池的測試、分類以及層壓/封裝。
第6圖為依據本發明之一個實施例的矽異質接面(HJ)太陽能電池設計之示意剖視圖。異質接面電池包括有構造的n型c-Si基板，該c-Si基板上已經沉積矽薄膜、透明導電氧化物以及金屬層。
本發明的實施例包括方法，其中在層沉積與裝置製造過程中在複數個處理腔室(如RF-PECVD、VHF-PECVD、ICP-PECVD、HWCVD、濺射及/或網印腔室)之間傳送基板、晶圓或批次基板/晶圓。亦包括在本發明範圍內的 是允許完整或部分處理在晶圓、基板、批次基板或批次晶圓上的太陽能電池裝置或薄膜矽異質接面太陽能電池裝置之腔室架構。這種腔室架構可允許在腔室之間傳送基板、晶圓或批次基板/晶圓，同時保持真空條件。
第7圖是依據本發明之一個實施例的熱線化學氣相沉積(HWCVD)設備之示意剖面圖。HWCVD設備包含處理腔室780，處理腔室780具有處理區域798以及一或多個氣源785、797。配置在處理區域798中的是具有流體氣室787及一或多個孔788的氣體輸送裝置789，孔788係形成於氣體輸送裝置789的側邊791。配置於氣體輸送裝置789下方的是燈絲796與多孔屏蔽794。
在操作中，裝置基板760可以被曝露於活化的處理氣體「B」，處理氣體「B」被輸送通過處理腔室780的處理區域798。一般來說，活化的處理氣體可以包括可與裝置基板760上發現的一或多個材料成分反應的高能氣體離子、基團及/或中性粒子。在一個實施例中，藉由輸送熱能、RF能量及/或微波能量至處理氣體來形成活化的處理氣體。由於裝置基板760之電偏壓或接地動作而導致離子轟擊沉積的基板表面，或是將基板表面曝露於高能中性粒子會造成薄且撓性的裝置基板損傷，故通常需要形成氣體基團，而不是用於在裝置基板760上沉積高品質、低損傷層的氣體離子或高能中性粒子。
可以將活化氣體傳送到裝置基板760，同時加熱裝置基板760到理想的處理溫度，而且將裝置基板760周圍 的處理環境保持在理想的處理壓力。在一個實施例中，活化處理氣體包括含氫氣體，如矽烷(SiH4)、磷化氫(PH3)，乙硼烷(B2H6)或三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)氣體。在一個實例中，活化處理氣體包括含氫氣體及惰性載氣(如氬氣、氦氣)。在另一個實例中，將裝置基板760保持在約25℃與約250℃之間的處理溫度，以及將處理區域798中的壓力保持在約1毫托與760托之間的範圍中。在另一個實例中，將裝置基板760保持在約110℃與大約230℃之間的處理溫度，同時將處理區域798保持在約90毫托的製程壓力。在一個架構中，藉由輸送來自氣源785或797中之一者的一或多種氣體來控制配置於處理區域798中的氣體之組成，並藉由排氣幫浦766(例如真空幫浦、機械幫浦、洗滌器)去除氣體，氣源785或797與排氣幫浦766皆耦接到處理區域798。
在第7圖中圖示的實施例中，活化處理氣體可以藉由使處理氣體流過氣體輸送裝置789(例如噴灑頭型氣體分配裝置)然後越過一或多個加熱燈絲796而形成，加熱燈絲796被加熱到理想的溫度以使處理氣體成為被活化。據信這種類型的熱活化製程具有優於其他氣體活化技術的優點，因為該熱活化製程較不複雜、整體的腔室硬體成本低、具有高的活化物種產率(例如高的活化物種對非活化物種比率)以及不太會形成可能造成裝置基板760的層損傷之氣體離子或高能的中性粒子。在一個架構中，將處理氣體從製程氣源785輸送到形成於氣體 輸送裝置789中的流體氣室787，然後通過形成於氣體輸送裝置789的側邊791中的一或多個孔788。離開一或多個孔788的處理氣體之後流過一或多個燈絲796(例如8個至12個電線)，將燈絲796定位於距離側邊791一段距離(例如10-22 nm)，以形成活化氣體「B」，活化氣體「B」被輸送到裝置基板760的表面760A。處理氣體因而藉由與燈絲796的相互作用而被活化，燈絲796如鎢絲，藉由從交流電源或直流電源795輸送介於約2100瓦(W)與約3600瓦(W)之間的功率而將燈絲796加熱到介於約1700℃與約2200℃之間的溫度。
在處理腔室780的一個架構中，選擇性的多孔屏蔽794係位於氣體輸送裝置789的側邊791與裝置基板760之間，以減少從燈絲796到裝置基板760的熱通量。選擇性的多孔屏蔽794可以被熱耦接到腔室壁782及/或到外部的散熱片(未圖示)，以控制及/或減少多孔屏蔽794與裝置基板760之間的熱傳遞量。選擇性的多孔屏蔽794可以包含具有複數個形成在多孔屏蔽794中的孔或孔隙之金屬、陶瓷或玻璃材料，以允許活化的處理氣體從氣體輸送裝置789流到裝置基板760。
在一個架構中，裝置基板760位於溫控基板支座792的表面792A上，以確保實現所需的基板處理溫度。溫控基板支座792可以具有一或多個流體類型的熱交換裝置，如溫控元件，該等溫控元件適於調節裝置基板760的溫度。藉由將裝置基板760定位於距離一或多個燈絲 796一段所需的距離及/或使用基板溫控裝置(例如參照符號792)，可以控制裝置基板760的溫度，以增強沉積層的性質而且也不會降低有時脆弱的裝置基板760之性質。因此，藉由使用減少的、已通過一或多個加熱燈絲796(位於低於大氣壓的壓力環境)輸送到基板760表面的氣體，可以直接將異質接面層形成在裝置基板760上。在一些架構中，藉由使用一或多個加熱燈絲796、氣體輸送裝置780與溫控基板支座792及/或選擇性的多孔屏蔽794，可以沉積高品質的層，且該等高品質的層具有低的缺陷密度與優越的介面鈍化特性。
第8A圖圖示用於製造結晶矽(c-Si)與非晶矽(a-Si)異質接面(HJ)層的射頻電漿增強化學氣相沉積(RF-PECVD)與非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)製程。第8B圖藉由顯示表面復合速度(SRV)特性作為沉積溫度的函數圖示在a-Si鈍化性能上的改良。結果指出沉積速率的降低可以有更好的厚度控制與製程可重複性。
第9A圖與第9B圖圖示以射頻電漿增強化學氣相沉積(RF-PECVD)與非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)製程沉積的非晶矽(a-Si)層之均勻度。結果指出VHF-PECVD沉積的均勻度與RF-PECVD沉積的均勻度相符。此外，進行VHF-PECVD沉積只有小的硬體修改，例如修改設備接地。
第10A圖與第10B圖示對於具有不同層與沉積特性的 異質接面電池，少數載子壽命為載子密度之函數。結果指出，非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)所沉積的p層可增強底層介面層(i層)之鈍化效果。對於此增強的一個可能的解釋是：以VHF-PECVD沉積的高摻雜效率p層產生了p層/i層及/或i層/c-Si層介面之電荷誘導(場效應)鈍化。與大於1 ms的RF沉積p層之載子壽命相比，藉由增強鈍化實現了大於1.5 ms(僅i層)與2 ms(VHF改良的p層)的載子壽命。
第11A圖和第11B圖圖示有與無在1-3 Ω-cm n型丘克拉斯基(Cz)構造的晶圓上以非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)沉積介面層(i層)的矽異質接面(HJ)電池之偽光電流-電壓(I-V)曲線。結果指出，可以在無i層存在下實現大於670 mV的隱含開路電壓(Voc)與大於640 mV的實際Voc，同時可以5 nm的i層實現大於730 mV的隱含Voc、大於720 mV的實際Voc以及82%的偽填充因子(pFF)。此外，以全尺寸5英吋與6英吋n-Cz構造的晶圓(160 μm)實現了約為20%至21%的異質接面電池效率，並在厚度約20 μm至40 μm的超薄n-Cz構造晶圓上實現約14.5%至15%的異質接面電池效率。
第12A圖至第12D圖圖示矽異質接面太陽能電池的電池效率、填充因子、開路電壓以及電流密度，該等太陽能電池具有由射頻電漿增強化學氣相沉積(RF-PECVD)與非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)製程 沉積的i/p層。結果指出，由VHF-PECVD製程形成的i/p層表現出明顯改善的填充因子、開路電壓以及電流密度，從而增加約1%的效率。據信增加的效率是由於在VHF-PECVD沉積的層中增加的摻雜效率所致，從而在透明導電氧化物(TCO)接觸產生較低的串聯電阻。
第13A圖至第13C圖圖示矽異質接面太陽能電池的填充係數、電阻率以及電池效率，該等太陽能電池具有由RF-PECVD與VHF-PECVD製程沉積的p層。結果指出，由VHF-PECVD製程形成的p層藉由降低矽/透明導電氧化物(Si/TCO)接觸的串聯電阻表現出明顯改善的填充因子。此外，第13C圖指出，VHF-PECVD形成的p層改善了約1%與1.8%的電池效率。
第14A圖與第14B圖圖示矽異質接面太陽能電池的電流密度與電池效率，該等太陽能電池具有由第4圖的方法400所形成的p型層。具體而言，由VHF-PECVD致能的低溫(低T)沉積製程產生的沉積層顯示出低程度的電漿、電荷以及熱損傷、表現出優異的介面鈍化品質、提高的摻雜效率以及增加的整體異質接面電池效率。
雖然前述係針對本發明的實施例，但在不偏離本發明的基本範圍下仍可以設計本發明的其他與進一步的實施例，而且本發明的範圍係由以下申請專利範圍所決定。
100‧‧‧設備
102‧‧‧腔室壁
106‧‧‧流量閥開口
108‧‧‧基板支座
109‧‧‧承接凸緣
110‧‧‧基板
112‧‧‧軸
114‧‧‧真空幫浦
116‧‧‧閥
118‧‧‧氣源
120‧‧‧電源
122‧‧‧氣管
124‧‧‧腔室蓋
126‧‧‧背板
128‧‧‧氣體分配噴灑頭
130‧‧‧氣體通道
134‧‧‧懸吊
138‧‧‧遮蔽框架
139‧‧‧凹部
140‧‧‧承接塊
141‧‧‧接地靜止件
142‧‧‧VHF接地組配件
143‧‧‧接地靜止件
144‧‧‧附接裝置
146‧‧‧處理區域
147‧‧‧第二VHF接地組配件
148‧‧‧氣室
149‧‧‧簾
150‧‧‧太陽能電池
160‧‧‧c-Si層
170‧‧‧a-Si層
171‧‧‧a-Si層
180‧‧‧第一p+/n+層
181‧‧‧第二p+/n+層
190‧‧‧第一透明導電氧化物層
191‧‧‧第二透明導電氧化物層
195‧‧‧導電層
196‧‧‧導電層
200‧‧‧設備
201‧‧‧載體
202‧‧‧壁
206‧‧‧製程容積
208‧‧‧閥
209‧‧‧真空幫浦
210‧‧‧噴灑頭
211‧‧‧孔
212‧‧‧背板
214‧‧‧懸吊
220‧‧‧氣源
222‧‧‧RF電源
224‧‧‧遠端電漿源
230‧‧‧基板支座
232‧‧‧基板接收表面
233‧‧‧遮蔽框架
234‧‧‧桿
236‧‧‧升降系統
238‧‧‧升舉銷
239‧‧‧冷卻元件
250‧‧‧導電層
252‧‧‧撓性層
254‧‧‧導電層
280‧‧‧VHF接地組配件
400‧‧‧方法
412‧‧‧基板
428‧‧‧正面a-Si介面層
430‧‧‧基板
432‧‧‧背面a-Si介面層
434‧‧‧矽層
436‧‧‧基板
438‧‧‧正面a-Si介面層
439‧‧‧矽層
458‧‧‧低溫
460‧‧‧步驟
462‧‧‧步驟
500‧‧‧方法
512‧‧‧基板
520‧‧‧基板
550‧‧‧低溫
760‧‧‧裝置基板
760A‧‧‧表面
766‧‧‧排氣幫浦
780‧‧‧處理腔室
782‧‧‧腔室壁
785‧‧‧氣源
787‧‧‧流體氣室
788‧‧‧孔
789‧‧‧氣體輸送裝置
792‧‧‧溫控基板支座
792A‧‧‧表面
794‧‧‧選擇性的多孔屏蔽
795‧‧‧直流電源
796‧‧‧燈絲
797‧‧‧氣源
798‧‧‧處理區域
因此，可以藉由參照實施例(其中一些圖示於附圖中)來得到詳細地瞭解本發明的上述特徵之方式、以上簡要概括的本發明之更特定描述，並且可以詳細地瞭解本發明的例示性實施例。然而注意到，附圖僅圖示本發明的典型實施例，因此不將附圖視為對本發明的範圍之限制，因為本發明可以認可其他同等有效的實施例。
第1圖為依據本發明之一個實施例的異質接面(HJ)太陽能電池之示意剖面圖。
第2A圖為依據本發明之一個實施例的處理腔室或PECVD設備之示意剖視圖。
第2B圖圖示一種架構，其中VHF接地組配件被耦接到基板支座以及配置於遮蔽框架下方的承接塊。
第2C圖圖示當基板支座處於降低位置時，在第2A圖的圓C中之元件放大圖。
第2D圖圖示當基板支座處於基板處理位置時，在第2A圖的圓C中之元件放大圖。
第2E圖與第2F圖圖示用於第2A圖、第2B圖及第3圖的處理腔室中之例示性撓性簾。
第3圖為依據本發明之一個實施例於基板平面陣列或批次基板S上實施一或多個薄膜太陽能電池製造製程的處理腔室或PECVD設備之示意剖視圖。
第4圖圖示依據本發明之一個實施例製造太陽能電池裝置的方法。
第5圖圖示依據本發明之一個實施例的製造太陽能電 池裝置的方法，該太陽能電池裝置具有漸變的非晶矽/奈米結晶矽(a/nc-Si)層。
第6圖為依據本發明之一個實施例的矽異質接面(HJ)太陽能電池設計之示意剖視圖。
第7圖是依據本發明之一個實施例的熱線化學氣相沉積(HWCVD)設備之示意剖面圖。
第8A圖圖示用於製造結晶矽(c-Si)與非晶矽(a-Si)異質接面(HJ)層的射頻電漿增強化學氣相沉積(RF-PECVD)與非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)製程。
第8B圖藉由顯示表面復合速度(SRV)特性作為沉積溫度的函數圖示在a-Si鈍化性能上的改良。
第9A圖與第9B圖圖示以射頻電漿增強化學氣相沉積(RF-PECVD)與非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)製程沉積的非晶矽(a-Si)層之均勻度。
第10A圖與第10B圖示對於具有不同層與沉積特性的異質接面電池，少數載子壽命為載子密度之函數。
第11A圖和第11B圖圖示有與無在1-3 Ω-cm n型丘克拉斯基(Cz)構造的晶圓上以非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)沉積介面層(i層)的矽異質接面(HJ)電池之偽光電流-電壓(I-V)曲線。
第12A圖至第12D圖圖示矽異質接面太陽能電池的電池效率、填充因子、開路電壓以及電流密度，該等太陽能電池具有由射頻電漿增強化學氣相沉積(RF-PECVD) 與非常高頻電漿增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)製程沉積的i/p層。
第13A圖至第13C圖圖示矽異質接面太陽能電池的填充係數、電阻率以及電池效率，該等太陽能電池具有由RF-PECVD與VHF-PECVD製程沉積的p層。
第14A圖與第14B圖圖示矽異質接面太陽能電池的電流密度與電池效率，該等太陽能電池係由第4圖的方法400所形成。
150‧‧‧太陽能電池
160‧‧‧c-Si層
170‧‧‧a-Si層
171‧‧‧a-Si層
180‧‧‧第一p+/n+層
181‧‧‧第二p+/n+層
190‧‧‧第一透明導電氧化物層
191‧‧‧第二透明導電氧化物層
195‧‧‧導電層
196‧‧‧導電層

Claims (20)

  1. 一種在一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)設備內製造一半導體層的方法，該方法包含以下步驟：於該PECVD設備中定位一或多個基板，該PECVD設備包含：複數個壁，界定一處理區域；一基板支座；一遮蔽框架，位於該基板支座上方；一氣體分配噴灑頭，位於該基板支座上方且與該處理區域流體連接；一氣源，與該氣體分配噴灑頭及該處理區域流體連接；一射頻電源，耦接至該氣體分配噴灑頭；以及一或多個VHF接地片，電耦接至該複數個壁中之至少一者，其中該一或多個VHF接地片於該遮蔽框架與該複數個壁中之至少一者之間提供一低阻抗電流路徑；由該氣源透過該氣體分配噴灑頭輸送一半導體前驅物氣體至該處理區域；由該氣源透過該氣體分配噴灑頭輸送一摻雜劑前驅物氣體至該處理區域；以及輸送一非常高頻(VHF)功率至該氣體分配噴灑頭，以從該半導體前驅物氣體與該摻雜劑前驅物氣體產生一 電漿，而於該一或多個基板上形成一第一層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該VHF電流具有一約20兆赫(MHz)至約180 MHz的頻率。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該VHF電流具有一約40 MHz至約60 MHz的頻率。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該一或多個VHF接地片係與該遮蔽框架電耦接。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該一或多個VHF接地片係與一或多個承接塊電耦接。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該一或多個VHF接地片中之一第一VHF接地片係與該遮蔽框架電耦接，以及該一或多個VHF接地片中之一第二VHF接地片係與一或多個承接塊電耦接。
  7. 如請求項1所述之方法，其中沉積該第一層包含藉由變化該半導體前驅物氣體對該摻雜劑前驅物氣體之一比率而沉積一漸變的半導體層。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該摻雜劑前驅物氣體係 選自由磷化氫(PH3)、乙硼烷(B2H6)以及三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)氣體所組成之群組。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該一或多個VHF接地片包含一第一撓性層，該第一撓性層位於二導電層之間。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該第一撓性層包含一聚合物，以及該二導電層包含鋁。
  11. 一種製造一半導體層的方法，該方法包含以下步驟：定位一或多個基板於一基板支座上，該基板支座位於一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)設備中之一處理區域中；輸送一含半導體前驅物氣體及一摻雜劑前驅物氣體進入該處理區域；於該處理區域中產生一含有該半導體前驅物氣體及該摻雜劑前驅物氣體之非常高頻(VHF)電漿，其中當產生該VHF電漿時，該遮蔽框架與該PECVD設備之一或多個壁之間的一低阻抗電流路徑容許一電流於該遮蔽框架與該PECVD設備之一或多個壁之間流動；以及變化該半導體前驅物氣體對該摻雜劑前驅物氣體之一比率，以於該一或多個基板上形成一漸變的半導體層。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該VHF電流具有一從 約20兆赫(MHz)至約180 MHz的頻率。
  13. 如請求項11所述之方法，其中該VHF電流具有一從約40 MHz至約60 MHz的頻率。
  14. 如請求項11所述之方法，其中該摻雜劑前驅物氣體係選自由磷化氫(PH3)、乙硼烷(B2H6)以及三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)氣體所組成之群組。
  15. 如請求項11所述之方法，其中該低阻抗電流路徑設有一或多個VHF接地片，該一或多個VHF接地片與該PECVD設備之該一或多個壁電耦接。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該一或多個VHF接地片係與該遮蔽框架電耦接。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該一或多個VHF接地片係與該PECVD設備中之一或多個承接塊電耦接。
  18. 如請求項15所述之方法，其中該一或多個VHF接地片中之一第一VHF接地片係與該遮蔽框架電耦接，以及該一或多個VHF接地片中之一第二VHF接地片係與該PECVD設備之一或多個承接塊電耦接。
  19. 如請求項15所述之方法，其中該一或多個VHF接地片包含一第一撓性層，該第一撓性層位於二導電層之間。
  20. 如請求項19所述之方法，其中該第一撓性層包含一聚合物，以及該二導電層包含鋁。
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