TWI520368B - 在基材之半導體層形成摻雜區之方法，該方法之用途及用於該方法之基材 - Google Patents
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Description
本發明係關於根據第一項申請專利範圍之前言在基材之半導體層中形成摻雜區之方法。
本發明亦係關於該方法之用途及用於該方法之基材。
熟習此項技術者已熟知在基材之半導體層中形成摻雜區之方法。
例如對於n型矽光伏打電池而言，射極可藉由使用諸如硼或鋁等p型摻雜元素實現。藉由使用硼擴散用於射極形成製程已獲得良好太陽能電池結果。然而，帶式焙燒絲網印刷鋁膏以藉由鋁合金化形成射極可係良好替代方案，此乃因其與在管式爐中之硼擴散相比係簡單得多的方法。而且，有大型知識庫可供用於此類型之製程，此乃因鋁膏之絲網印刷及焙燒在工業上用於形成p型光伏打電池之後表面場(Back surface field，BSF)。
然而，藉由絲網印刷及焙燒之鋁合金化可導致在摻雜區中之不連續性。此與合金化製程有關，其中來自膏粒子之鋁與矽晶圓之合金化作用於Al與矽密切接觸處局部開始。對於p型電池而言，已報導(F. Huster，「Investigation of the alloying process of screen printed aluminium pastes for the BSF formation on silicon solar cells」，20th European Photovoltaic Solar Energy Conference,2005，第1466頁)為達成無不連續性之閉合BSF，在最高焙燒溫度下在該表面上需要閉合液體Al-Si層。因此，可需要最少6 mg/cm2之鋁膏沈積量。當使用包含用於形成p型電池中BSF之絲網印刷及焙燒之Al合金化製程時，摻雜區中之不連續性可導致較高之後表面複合速度。
然而，當使用鋁絲網印刷及焙燒製程用於形成n型矽光伏打電池之射極時，該製程需要進一步最佳化。當該製程用於在n型電池上形成經Al合金化射極區時，諸如膏之數量等製程參數及焙燒條件更為關鍵。在接面中之任何不連續性均可導致電池中之分流路徑，從而顯著降低電池之轉換效率。
與藉由絲網印刷及烘焙在n型光伏打電池上形成經Al合金化射極有關之研究顯示，即使當使用高達7.5 mg/cm2之量之絲網印刷Al膏時，亦存在分流路徑的問題(由接面中之不連續性造成)。由於絲網印刷膏之成本係電池製程之總成本之重要部分，故需要較高數量之膏將引起電池成本增加。此外，較高數量之絲網印刷膏導致電池彎曲較多。當在極薄基材上製作電池時，此將甚為關鍵。
目前已藉由最佳化焙燒條件減少在具有經Al合金化射極之n型矽光伏打電池中之接面不連續性，該經Al合金化射極係藉由焙燒絲網印刷Al膏形成(Ly Mai等，「Improved process for the formation of Al-alloyed emitter in n-type solar cells」，18th Int. Photovoltaic Science Engineering Conf.,India,Jan,2009)。經最佳化製程涉及在習用標準峰值焙燒(spike firing)之後之低溫固相磊晶生長製程，以使接面不連續性之影響最小化。
因此，本發明之目標係減少摻雜元素膏之量而不增加摻雜區中不連續性之風險。
此係根據第一項申請專利範圍之特徵部分之方法達成。
另外，本發明係關於一種藉由與摻雜元素合金化(例如藉由鋁合金化)在基材之半導體(例如矽)層形成一個摻雜區(或多個摻雜區)之方法，該方法包含：在半導體(例如矽)基材上提供高純度摻雜元素(例如鋁)層，絲網印刷摻雜元素(例如鋁)之膏層(其含有在摻雜元素層(例如純鋁層)上之膏)，及實施膏焙燒步驟。在本申請案之上下文中，含摻雜元素之膏(例如含鋁之膏)稱為摻雜元素膏。
已發現該方法允許減少摻雜元素膏之量而不增加摻雜區中不連續性之風險，如稍後將圖解說明。
本發明之較佳實施例係關於藉由Al合金化在矽基材形成摻雜區之方法，該方法包含絲網印刷含Al之膏、隨後膏焙燒，其中與先前技術方法相比，該方法允許形成具有良好品質且不連續性顯著減少之摻雜區，即使當使用較低數量之含Al之膏(例如5 mg/cm2或更少)時亦如此。根據一個態樣之方法可有利地用於p型矽之Al合金化，例如用於在p型光伏打電池中形成BSF。根據一個態樣之方法可有利地用於n型矽之Al合金化，例如用於在n型光伏打電池中形成射極區。該方法之優點係與先前技術方法相比可減少含Al之膏之量，由此產生更成本有效之製程且減少電池之彎曲。
根據本發明之較佳實施例，高純度摻雜元素層(例如高純度鋁層)係純度高於約99.9%之層。可(例如)藉由物理氣相沈積方法(例如濺鍍、離子束蒸發、熱蒸發)或藉由化學氣相沈積方法(例如ALD(原子層沈積))提供該高純度摻雜元素層(例如鋁層)。高純度摻雜元素層(例如高純度鋁層)之厚度較佳小於約3微米，例如在介於約0.2微米與2微米之間之範圍內，例如介於約0.2微米與1微米之間。
根據本發明之較佳實施例，半導體基材(例如矽基材)可(例如)係單晶基材或多晶基材。然而，本發明並不限於此。在n型基材之情形下，方法可用於形成(例如)光伏打電池之p-n接面。在p型基材之情形下，方法可用於形成光伏打電池之BSF(後表面場)區。
絲網印刷含摻雜元素(例如鋁)之膏之層可包含絲網印刷小於約10 mg/cm2、較佳小於約7 mg/cm2(例如在介於約2 mg/cm2與5 mg/cm2之間之範圍內)之量的膏。
膏焙燒步驟可在帶式爐中實施且可(例如)包含將基材(連同鋁層及鋁膏)加熱至範圍介於約870℃與1000℃之間、例如範圍介於約900℃與970℃之間之溫度。
根據本發明之較佳實施例，摻雜元素層夾於膏層與半導體層之間。
根據本發明之較佳實施例，摻雜元素層直接接觸膏層及半導體層。
在以下詳細說明中，闡明許多具體細節以便提供對本發明之透徹理解及其在特定實施例中可如何實踐。然而，應瞭解，可在沒有該等具體細節之情況下實踐本發明。在其他情況中，未詳細闡述眾所周知之方法、程序及技術，以便不會模糊本發明。儘管將參照特定實施例並參照某些圖式闡述本發明，但本發明並不限於此。本文中所包括且闡述之圖式係示意性的且並不限制本發明之範圍。亦應注意在圖式中，出於圖解說明之目的，一些要素之大小可係經放大的且因此未按比例繪示。
此外，在說明書中及在申請專利範圍中之術語第一、第二、第三及諸如此類係用於區分相似要素而未必用於在時間上、空間上、等級上或以任何其他方式闡述順序。應瞭解，如此使用之術語在合適之情形下可互換且本文中所闡述之本發明實施例能夠以除本文中所闡述或圖解說明者以外之其他順序操作。
而且，在說明書中及在申請專利範圍中之術語頂部、底部、在...上方、在...下方及諸如此類係用於闡述性目的而未必用於闡述相對位置。應瞭解，如此使用之術語在合適情形下可互換且本文中所闡述之本發明實施例能夠以除本文中所闡述或圖解說明者以外之其他定向來操作。
應注意，在說明書中及在申請專利範圍中所使用之術語「包含」不應解釋為受限於其後所列示之含義；其不排除其他要素或步驟。因此其應解釋為指定所提及之所述特徵、整數、步驟或組份之存在，但並不排除存在或添加一或多個其他特徵、整數、步驟或組份、或其群組。因此，表達「包含構件A及B之器件」之範圍不應限於僅由組件A及B組成之器件。
在本發明之上下文中，光伏打電池之前表面或前側係適於經定向朝向光源且因此用於接收照明之表面或側。光伏打電池之後表面、後側、背表面或背側係與前表面相對之表面或側。
一實施例係關於藉由鋁合金化在矽基材形成摻雜區之方法，該方法包含：藉由(例如)CVD(化學氣相沈積)或PVD(物理氣相沈積)在矽基材上提供高純度鋁層，在純鋁層上絲網印刷含鋁之膏，及實施膏焙燒步驟。
然而，半導體基材不需要係矽且半導體基材亦可係(例如)鍺或熟習此項技術者認為合適之其他半導體材料。
而且，摻雜元素不需要係鋁且其他摻雜元素亦係可能的。
在一實施例中，該方法可有利地用於在n型矽基材中形成良好品質之接面，例如用於形成n型矽光伏打電池之射極。該方法亦可有利地用於形成p型矽光伏打電池之良好品質之後表面場。
驚奇地發現，與先前技術方法相比，在絲網印刷含摻雜元素(例如鋁)之膏之前，在基材上提供高純度摻雜元素(例如鋁)(例如經濺鍍或經蒸發)使得在焙燒之後經摻雜元素合金化層(例如經Al合金化層)之均勻性得以改良。已發現，與其中僅絲網印刷摻雜元素(例如Al)膏之層用於形成經Al合金化射極之先前技術方法相比，當使用包含薄的、高純度摻雜元素(例如Al)層及經絲網印刷摻雜元素(例如Al)膏之層的堆疊用於形成經摻雜元素(例如Al)合金化射極時，在經摻雜元素合金化(例如經Al合金化)射極中之不連續性(分流)極大地減少。在絲網印刷摻雜元素(例如鋁)膏之層下方添加高純度摻雜元素(例如Al)層來形成光伏打電池之經摻雜元素合金化(例如經Al合金化)射極引起光伏打電池之分流電阻顯著減小，即使當使用低數量之摻雜元素(例如鋁)膏時亦如此。
製造具有如圖1中示意性顯示結構之n型Al射極背接面光伏打電池。電池係使用約180微米厚、電阻係數在介於約1與4 Ohm cm間之範圍內之n型多晶矽晶圓4(125 mm×125 mm)製造。製程順序以酸式紋理化開始，隨後係在基材前側之磷吸雜(phosphorus gettering)、磷擴散用於形成n+前表面場(FSF)2，及沈積PECVD SiNx層3作為前側上之抗反射塗層。然後藉由Al濺鍍或蒸發在背側提供約2微米厚之Al層，隨後在前側絲網印刷Ag膏用於形成前側觸點1及在後側絲網印刷Al膏用於在背側形成經Al合金化射極5並用於形成背側觸點6。
已利用在電池背側絲網印刷之不同數量之Al膏進行實驗。使用具有不同網目大小之三種類型絲網來絲網印刷各種數量之鋁膏，鋁膏數量在介於5 mg/cm2與9 mg/cm2間之範圍內(對應於範圍在介於約30微米與約50微米之間之膏層厚度)。絲網印刷之後，在300℃下在帶式爐中乾燥膏。然後在約900℃之峰值焙燒溫度下焙燒膏。圖2顯示絲網印刷Al之數量對光伏打電池之填充因數FF(圖2(a))、開路電壓Voc(圖2(b))、短路電流密度Jsc(圖2(c))及能量轉換效率(圖2(d))之影響。顯示以下電池之結果：其中根據先前技術僅利用絲網印刷Al層(三角形)形成經Al合金化射極、根據一實施例利用包含經蒸發Al層及絲網印刷Al層之堆疊(正方形)形成經Al合金化射極且根據一實施例利用包含濺鍍Al層及絲網印刷Al層之堆疊(菱形)形成經Al合金化射極。
對於其中僅使用絲網印刷Al形成射極之電池而言，填充因數對絲網印刷Al之數量顯示極強之依賴性。隨著Al膏數量自5.2 mg/cm2增加至8.5 mg/cm2，填充因數自46%幾乎線性增加至77%(圖2(a))。然而，當使用包含2微米厚之高純度Al層(經濺鍍或經蒸發)及絲網印刷Al層之堆疊時，焙燒步驟產生高得多的填充因數，對於絲網印刷Al膏數量之增加，填充因數自約72%變化至超過80%。
如圖2(b)中所顯示，開路電壓顯示相似行為。當僅使用絲網印刷Al膏之層時，對於Al膏量之增加，開路電壓自約475 mV增加至約610 mV。當使用一實施例之方法時，對於低數量之Al膏而言亦獲得高於600 mV之開路電壓。
圖2(c)顯示短路電流密度隨絲網印刷Al之數量的變化。當在絲網印刷Al層下方添加純Al時，短路電流密度亦顯示明顯增加，但對Al膏量之依賴性與填充因數及開路電壓對Al膏量之依賴性相比較不明顯。
光伏打電池之能量轉換效率(圖2(d))遵循類似於填充因數及開路電壓之趨勢。在具有經蒸發Al作為高純度Al層之樣品與具有濺鍍Al作為高純度Al層之樣品之間觀測到結果無明顯差別。
藉由掃描電子顯微術(SEM)研究經Al合金化接面之剖面。圖3中顯示利用最少數量之絲網印刷鋁膏(5.2 mg/cm2)所形成接面之SEM影像。圖3(a)及圖3(b)顯示其中僅使用絲網印刷Al於Al合金化(根據先前技術)之樣品的SEM影像。該等影像清晰地顯示在經Al合金化接面中之不連續性及射極厚度之大的變化。不連續性導致接面之分流，其與針對該樣品所量測之極低分流電阻值(約90 Ω.cm2)充分相關。圖3(c)及圖3(d)顯示其中根據一實施例之方法使用包含2微米厚之濺鍍Al層及絲網印刷Al層之堆疊形成接面之樣品的SEM影像。可觀測到該方法導致較均勻之接面形成，其導致接面中之分流路徑較少。此由較高分流電阻(約350 Ω.cm2)且因此電池之較高填充因數證實。
獲得具有較低數量膏之均勻接面不僅對於成本減少而言甚為重要且使得電池之彎曲較少。此對於將來較薄之電池而言可相當重要。
實施多個實驗，其中在n型矽基材上僅提供2微米厚之濺鍍Al層(沒有絲網印刷Al膏)，隨後為用於形成經Al合金化射極之焙燒步驟。包含此一射極之光伏打電池具有25%之FF及218 mV之Voc。此清晰地表明，該方法並不能產生均勻射極或太薄或太低摻雜之射極，且需要將濺鍍Al層與(例如)由絲網印刷Al膏所形成之層結合。
為了研究在本發明實施例中在絲網印刷Al膏之層下方所提供之高純度Al層之厚度的影響，對具有射極接面之電池實施分析，該射極接面係藉由Al合金化包含厚度分別為1微米、2微米及3微米之濺鍍Al層及在其頂部之10.5 mg/cm2絲網印刷Al層之堆疊所形成。圖4中顯示電池之電流-電壓參數。隨著濺鍍層厚度之增加，電池之填充因數顯示單調下降。觀測到1微米之高純度Al引起高達82.2%之高填充因數。電池之Jsc及Voc未顯示明顯趨勢。具有1 μm厚濺鍍Al層之電池對180微米厚晶圓顯示15%之最高效率。
為最佳化在絲網印刷Al膏下方所提供純Al層之厚度，對在5.2 mg/cm2之絲網印刷層下方之0.25、0.5及1 μm之濺鍍純Al層實施研究。圖5中顯示電池之I-V參數。亦改良焙燒條件以減少電池中之分流路徑。對於僅利用絲網印刷Al用於形成射極之電池而言，量測填充因數之平均值且發現該平均值為66±3%。儘管隨著焙燒條件之改良顯示填充因數之改良，但電池仍明顯分流。令人感興趣的是，僅具有0.25 μm純鋁之電池顯示填充因數之顯著改良。發現平均填充因數為76±3%。純Al層厚度增加至高達1 μm之電池顯示填充因數最高至78±1%之相對較小改良/增強。
在電池之開路電壓中觀測到相似特徵(圖5(b))。與沒有純Al之電池的574±3 mV相比，具有0.25 μm純Al層之電池顯示開路電壓達593±2 mV之較多改良。具有1 μm純Al層之電池顯示Voc之極小改良(2 mV)，該Voc最高至596±2 mV。
電池之短路電流未顯示任何明顯趨勢(圖5(c))。短路電流之值在較大誤差容限內。對於所有條件而言，短路電流之平均值在27.2至27.4 mA/cm2內。
電池之效率遵循與電池之填充因數及開路電壓相同之趨勢。當純Al層為2.5 μm時其顯示顯著增加，且隨著純Al層之厚度增加其顯示相對較小之增加。
該等結果顯示，利用極少數量之絲網印刷Al膏(5.2 mg/cm2)沈積極薄之純鋁層(僅0.25 μm)可產生76±3%之填充因數。除了成本減少之明顯優點以外，該等結果對於減少利用極薄之晶圓製作之電池上之彎曲而言特別重要。對於極薄之電池而言，此使得Al合金化成為硼擴散之感興趣替代方案。
上述說明詳述了本發明之某些實施例。然而，應瞭解，無論前述內容如何詳細地以文本形式出現，皆可以多種方式實踐本發明。應注意，當闡述本發明之某些特徵或態樣時特定術語之使用不應視為暗示該術語在本文中重新定義而限於包括與該術語相關之本發明特徵或態樣之任何具體特性。
儘管上文詳細說明已顯示、闡述且指出適用於各種實施例之本發明新穎特徵，但應瞭解，在不背離本發明精神之情況下，熟習此項技術者可對所圖解說明之器件或製程之形式及細節作出各種省略、替代及改變。
1．．．前側觸點
2．．．n+前表面場(FSF)
3．．．PECVD SiNx層
4．．．n型多晶矽晶圓
5．．．射極
6．．．背側觸點
圖1係n型經Al合金化射極背接面光伏打電池之示意性代表圖(剖面圖)；
圖2(a)至2(d)顯示具有經Al合金化射極之電池的經量測光伏打電池參數隨所使用鋁膏之量且針對不同合金化方法的變化；
圖3(a)至3(d)顯示對於先前技術Al合金化方法而言(圖3(a)及圖3(b))及對於根據一實施例之Al合金化方法而言(圖3(c)及圖3(d))經Al合金化接面之SEM剖面圖；
圖4顯示具有根據一實施例所形成之射極之矽光伏打電池之經量測I-V參數隨高純度Al層之厚度的變化；及
圖5(a)至5(d)顯示具有濺鍍Al及絲網印刷Al之堆疊之電池(144 cm2)的經量測I-V參數對濺鍍Al之厚度。
1．．．前側觸點
2．．．n+前表面場(FSF)
3．．．PECVD SiNx層
4．．．n型多晶矽晶圓
5．．．射極
6．．．背側觸點
Claims (15)
- 一種藉由與摻雜元素合金化在基材之半導體層中形成摻雜區之方法，該合金化係藉由將摻雜元素膏之膏層絲網印刷至該基材並焙燒摻雜元素膏之該經絲網印刷膏層來實施，該方法之特徵在於將高純度摻雜元素層施加至該半導體層，之後將該膏層絲網印刷至該摻雜元素層。
- 如請求項1之方法，其中該摻雜元素層係夾於該膏層與該半導體層之間。
- 如請求項1或2之方法，其中該摻雜元素層係直接接觸該膏層及該半導體層。
- 如請求項1或2之方法，其中該半導體層係矽層。
- 如請求項1或2之方法，其中該半導體層係摻雜層。
- 如請求項5之方法，其中該半導體層係n型層。
- 如請求項5之方法，其中該半導體層係p型層。
- 如請求項1或2之方法，其中該摻雜元素係鋁。
- 如請求項1或2之方法，其中使用物理氣相沈積或使用化學氣相沈積將該高純度摻雜元素層施加至該半導體層。
- 如請求項1或2之方法，其中將少於10mg/cm2的量之膏絲網印刷至該基材。
- 如請求項1或2之方法，其中該焙燒包含將包含該半導體層、該高純度摻雜元素層及該膏層之該基材加熱至在介於870℃與1000℃間之範圍內之溫度。
- 如請求項1或2之方法，其中該高純度摻雜元素層之厚度係小於3微米。
- 如請求項1或2之方法，其中該摻雜元素層之純度係至少99.9%。
- 一種如請求項1至13中任一項之方法之用途，其中該半導體層係n型層，用於形成p-n接面。
- 一種如請求項1至13中任一項之方法之用途，其中該半導體層係p型層，用於形成光伏打電池之後表面場區。
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