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TWI607579B - 改善太陽能電池製造良率的方法及系統 - Google Patents

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TWI607579B
TWI607579B TW105104632A TW105104632A TWI607579B TW I607579 B TWI607579 B TW I607579B TW 105104632 A TW105104632 A TW 105104632A TW 105104632 A TW105104632 A TW 105104632A TW I607579 B TWI607579 B TW I607579B
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君俊 王
肖春光
閆冬至
周建勝
黃志銓
征 徐
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太陽城公司
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Description

改善太陽能電池製造良率的方法及系統
本揭露內容大致上係關於太陽能電池的製造。更具體地，本揭露內容係關於用於改善太陽能電池製造的良率的方法及系統。
化石燃料負面的環境影響以及其上升的成本已經導致了對更清潔的、更廉價的替代能源的迫切需求。在不同形式的替代能源中，太陽能發電因為其清潔和廣泛的實用性而頗受青睞。
太陽能電池使用光伏效應將光轉化成電力。存在幾種基本的太陽能電池結構，包括單個p-n接面、p-i-n/n-i-p和多接面。通常的單個p-n接面包括p型摻雜層和n型摻雜層。具有單個p-n接面的太陽能電池可以是同質接面太陽能電池或者異質接面太陽能電池。如果p摻雜層和n摻雜層均由相似材料(具有相等的能帶隙的材料)構成，那麼太陽能電池被稱為同質接面太陽能電池。相反，異質接面太陽能電池包括至少兩層不同能帶隙的材 料。p-i-n/n-i-p結構包括p型摻雜層、n型摻雜層和夾在p層和n層之間的本徵(未摻雜)半導體層(i層)。多結結構包括堆疊起來的多個不同能帶隙的單個接面結構。
在太陽能電池中，光在p-n接面附近被吸收，生成載流子(carier)。載流子擴散到p-n接面中，並且被內置電場分隔開，因而產生通過設備和外部電路的電流。確定太陽能電池的品質的重要度量是其能量轉化效率，該能量轉化效率被定義為當太陽能電池與電路相連接時轉化的電力(從吸收的光到電能)和採集的電力之間的比例。
對於同質接面太陽能電池而言，由於懸空鍵(dangling bond)的存在而導致的電池表面的少數載流子重組會明顯降低太陽能電池效率；因此需要好的表面鈍化處理。另外，相對厚的重度摻雜的發射極層(通過摻雜物擴散形成)可能極大地降低對短波長光的吸收。相較而言，異質接面太陽能電池(諸如矽異質接面(SHJ)太陽能電池)是有優勢的。圖1呈現了例示性SHJ太陽能電池(現有技術)的圖。SHJ太陽能電池100包括正面柵格電極102、重度摻雜的非晶矽(a-Si)發射極層104、本徵a-Si層106、晶體矽基材108和背面柵格電極110。圖1中的箭頭指示入射的太陽光。因為在a-Si層106和晶體矽(c-Si)層108之間存在固有的能帶隙偏移，a-Si層106可以被用於通過為少數載流子創建勢壘(barrier)來減少表面重組速率。a-Si層106還通過修復存在的Si懸 空鍵將晶體矽層108的表面鈍化。而且，比起同質接面太陽能電池的發射極層，重度摻雜的a-Si發射極層104的厚度可以薄得多。因此，SHJ太陽能電池可以提供更高的效率，具有更高的開路電壓(Voc)和更大的短路電流(Jsc)。
亦被示出的是，基於穿隧效應的異質接面器件可以通過場效應和表面鈍化的結合提供很好的開路電壓(Voc)。為了形成這樣的裝置，將超薄的量子穿隧勢壘(QTB)層沉積在晶體矽基層的一面或兩面上。然而，這樣的超薄的QTB層的膜品質對環境因素非常敏感。大氣中的氣態污染物和水分可能經常導致QTB層和相應的接面結構的劣化，這導致太陽能電池性能的降低。
一種用來在大規模太陽能電池製造設施中製造太陽能電池的系統被描述。該系統包括第一處理站、第二處理站、及設置在該第一處理站和該第二處理站之間的晶圓儲存設備。一個在該晶圓儲存設備內的微環境與該大規模太陽能電池製造設施中的一大環境被實質地分隔開，且該微環境被過濾以減少化學物、濕氣、揮發性有機化合物。該晶圓儲存設備被建構來暫時儲存來自該第一處理站且排隊等待在該第二處理站處理的晶圓。
在此實施例的變化中，該微環境內的一或多個環境因子被小心控制以確保形成在該等晶圓上的中間層 的完整性。
在進一步的變化中，該等環境因子包括潔淨的程度、氣體污染的程度、溫度、濕度、及壓力的一者或多者。
在此實施例的進一步的變化中，該晶圓儲存設備包括一室，其容納該第二處理站且整個環境被監視及控制。
在進一步的變化中，該室配備有顆粒過濾器、以水為主的空氣淨化器、氣相化學物過濾器、及溫度及濕度控制模組的一者或多者。
在此實施例的進一步的變化中，該晶圓儲存設備包括一氣密艙、一氣密室、及一氣密通道(tunnel)的一者或多者，其被建構來將該第一處理站耦接至該第二處理站以允許晶圓從該第一處理站被運送至該第二處理站而無需被曝露於該大環境中。
在進一步的變化中，該晶圓儲存設備被充入經過淨化的氮氣。
在進一步的變化中，該氮氣具有至少99.9%的純淨度及介於760至770托(Torr)的壓力。
在此實施例的變化中，該第一處理站包括一濕處理站，且該濕處理站被建構來形成一超薄的氧化物層於晶圓的一面或兩面上。
進一步的變化中，該第二處理站包括一化學器相沉積工具，其被建構來形成一經過摻雜的半導體層於 該超薄的氧化物層的一表面上。
在此實施例的進一步的變化中，晶圓包括：6英吋乘6英吋的方形矽晶圓或6英吋乘6英吋的擬(pseudo)方形矽晶圓。
100‧‧‧SHJ太陽能電池
102‧‧‧正面柵格電極
104‧‧‧重度摻雜的非晶矽(a-Si)發射極層
106‧‧‧本徵a-Si層
108‧‧‧晶體矽基材
110‧‧‧背面柵格電極
200‧‧‧雙面穿隧接面太陽能電池
202‧‧‧基層
204‧‧‧量子穿隧勢壘(QTB)層
206‧‧‧量子穿隧勢壘(QTB)層
208‧‧‧正面發射極
210‧‧‧BSF層
212‧‧‧正面透明導電氧化物(TCO)層
214‧‧‧背面TCO層
216‧‧‧正面金屬柵格
218‧‧‧背面金屬柵格
300‧‧‧太陽能電池製造設施
302‧‧‧濕振
304‧‧‧乾站
306‧‧‧晶圓保持區域
310‧‧‧乾室
312‧‧‧顆粒物過濾模組
314‧‧‧溫度和濕度控制模組
316‧‧‧非顆粒物過濾模組
303‧‧‧通道
402‧‧‧濕站
404‧‧‧CVD工具
406‧‧‧CVD工具
408‧‧‧PVD工具
412‧‧‧裝載/卸載緩衝器
414‧‧‧裝載/卸載緩衝器
422‧‧‧通道
500‧‧‧SG-Si基材
502‧‧‧正面鈍化/穿隧層
504‧‧‧被面鈍化/穿隧層
506‧‧‧發射極層
508‧‧‧正面場(FSF)層
510‧‧‧背面TCO層
512‧‧‧正面TCO層
514‧‧‧正面電極
516‧‧‧背面電極
308‧‧‧盒
圖1示出了示例性SHJ太陽能電池(現有技術)。
圖2示出了示例性雙面穿隧接面太陽能電池。
圖3根據本發明的實施例，示出了示例性太陽能電池製備設施。
圖4根據本發明的實施例，示出了示例性太陽能電池製備設施。
圖5根據本發明的實施例，示出了製造太陽能電池的示例性處理。
圖6根據本發明的實施例，示出了示例性太陽能電池生產線的操作的流程圖。
在這些圖中，相似的元件符號指的是相同的圖元件。
在下文給出說明書，使本領域技術人員能做出並使用該等實施例，並且在特定應用及其要求的背景下 提供該說明書。對被揭露的實施例的各種修改對本領域技術人員而言將是明顯的，而本文定義的一般原理可以在不脫離本公開的精神和範圍的情況下應用到其他實施例和應用。因此，本發明不局限於示出的實施例，而是符合與本文揭露的原理和特徵一致的最寬的範圍。
概覽
本發明的實施例提供用於改進高效太陽能電池的製造良率的系統和方法。在穿隧接面太陽能電池的製造期間，可以仔細控制在處理之間存儲未完成的晶圓處的位置的微環境，用以將對晶圓上的中間層的劣化最小化。在一些實施例中，可以使用以水為主的(water-based)空氣淨化器和氣相化學物過濾器來移除氣態污染物，諸如SOx、H2S、NOx、NH3、揮發性有機化合物(VOC)等等，以及其他來自微環境的顆粒物。空氣淨化系統可以包括三個階段的淨化過程：(1)霧洗，用於移除空氣中的顆粒物和肉眼可見的汙染物，(2)除濕，(3)化學物過濾，用於移除氣體形式的有害化學物。該微環境可以實現為處理站之間的氣密的填充了氮氣的艙、室或通道。
製造設施
已經示出的是，特定類型的SHJ太陽能電池(即，穿隧接面太陽能電池)可以提供出眾的性能，因為量子穿隧勢壘(QTB)層可以有效地鈍化基層的表面，而 不損害載流子收集效率。穿隧接面可以位於該太陽能電池的任何一面或兩面。圖2呈現了一圖式，其例示一示範性雙面穿隧接面太陽能電池。雙面穿隧接面太陽能電池200可以包括基層202、覆蓋基層202的兩個表面並且使表面缺陷狀態鈍化的量子穿隧勢壘(QTB)層204和206、形成正面發射極208的正面摻雜a-Si層、形成BSF層210的背面摻雜a-Si層、正面透明導電氧化物(TCO)層212、背面TCO層214、正面金屬柵格216以及背面金屬柵格218。穿隧接面的主要虎處在於，沉積在基層的任何一面或兩面上的超薄的穿隧氧化物層能實現非常低的介面缺陷密度(Dit)，該介面缺陷密度可以小於1×1011/cm2，而不明顯增加與穿過這樣的氧化物層的穿隧效應相關聯的串聯電阻。因此，可以實現具有大於715mV的開路電壓(Voc)的高效率的太陽能電池。有關雙面穿隧接面太陽能電池200的細節(包括製造方法)可以在2010年11月12日提申、標題名稱為“Solar Cell with Oxide Tunneling Junctions”、發明人為Jiunn Benjiamin Heng、Chentao Yu、Zheng Xu和Jianming Fu的美國專利號8686283(代理人案卷編號SSP10-1002US)中找到，該案的全部揭示內容藉由此參照被併入本文。
應指出的是，在太陽能電池的背面具有發射極層並且在太陽能電池的正面具有正面場(FSF)層以實現具有改進的性能的背接面太陽能電池，這也是可能的。將p型重度摻雜發射極(假設基極是n型摻雜的)置於太 陽能電池的背面可以使由於在太陽能電池的正面附近對短波長的吸收所導致的電流損失最小化。相似地，當置於背面時，p型摻雜的發射極可以相對厚，以在不損害由於對短波長的吸收所導致的電流損失的情況下消除發射極耗盡效應。減小了多數載流子耗盡的結果是，期望改進電池的開路電壓和填充因數。另外，背接面結構還為調整p型摻雜的發射極的功函數提供更多靈活性以更好地與背面TCO材料的功函數匹配，或者在不被其傳輸性質所局限的情況下允許使用更好的優化的背面TCO材料。而且，因為背接面大多被長波長、低能量的吸收所影響，其受到該接面處的高能量的過多的載流子重組的影響較少。有關具有穿隧氧化物的背接面太陽能電池的細節(包括製造方法)可以在2012年8月31日提申、標題名稱為“Back Junction Solar Cell with Tunnel Oxide”、發明人為Jiunn Benjamin Heng、Jianming Fu、Zheng Xu和Zhigang Xie的美國專利申請號13/601441中找到，該案的全部內容藉由此參照被併入本文。
為了製造具有高效率(諸如至少20%的效率)的太陽能電池，吾人必須仔細控制鈍化層(諸如薄的QTB層)和形成穿隧接面的層之間的介面的品質。鈍化的任何退化可能導致少數載流子更低的壽命，這會對所製造的太陽能電池的性能產生負面影響。而且，因為期望的太陽能電池轉化效率隨著器件結構的創新而持續增加，產品良率可能越來越取決於之前的製造工藝中並不關鍵的因 素。例如，當期望的太陽能電池轉化效率為15%到18%時，太陽能電池的效率主要由裝置結構和製造的品質決定。晶圓暴露於其中的氛圍內的化學物的影響可能對決定最終產品良率並不起到明顯作用。然而，隨著裝置結構設計不斷改進，當期望的效率在20%以上時，氛圍的影響和晶圓暴露於氛圍中的持續時間就會是決定最終產品良率的重要因素。換言之，在以前，氛圍中的水分、化學物和污染物還不是問題之所在，但在期望的太陽能電池轉化效率已經超過20%之後就不再是如此了。
當製造基於晶體矽(c-Si)的太陽能電池時，c-Si晶圓通常先經過受濕處理，該濕處理可以包括表面清潔和紋理化(texturize)。使c-Si基材的表面鈍化的超薄的QTB層可以經由加熱爐內的乾氧化處理、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、化學氧化、蒸汽氧化或低壓自由基氧化(LPRO)以及其他處理來形成。例如，SiO2或SiO的單原子層可以通過對c-Si晶圓的表面進行基於加熱爐的乾氧化處理或PECVD處理來形成。替代地，本徵半導體的薄層(大概10埃厚)還可以沉積或形成在c-Si晶圓或穿隧氧化物層上以用作QTB層。這樣的氧化物和/或本徵半導體的薄層是非常脆弱的，並且其完整性可能被環境中的污染物或水分所破壞。
在典型的生產線中，在每個處理步驟之後可以將c-Si晶圓保存在晶圓保持區域中來將其乾燥和/或等待後續的處理，諸如，乾氧化、化學氣相沉積(CVD)或 物理氣相沉積(PVD)。這樣的晶圓保持區域一般而言是太陽能電池製備設施內的開放空間。事實上，一般業界的實務是將晶圓存儲在盒中，並且將該盒放置在之前的處理站所在的室或下一步的沉積設備所在的室中。由於濕處理(其形成QTB層)和隨後的CVD處理(其形成發射極和場表面層)之間的產出量的差異，對於從相同的濕處理出來的c-Si晶圓，等待時間可能不同。已經觀察到的是，CVD處理之前的等待時間的差異(表示晶圓已經在環境中的污染物中暴露了不同的時間長度)可能導致製備的太陽能電池的性能差異，而一些太陽能電池未能達到效率要求。換言之，太陽能電池生產線的良率可能受到損害。因此，隨著晶圓在晶圓保持區域中保存的時間越長，最終產品的效率會越糟糕。在將較大的晶圓(諸如，6英寸晶圓而不是5英寸晶圓)用於太陽能電池製造時，這個問題會更加突顯出來。
這樣的性能劣化一部分是由氛圍中的各種污染物所導致，該氛圍中的各種污染物攻擊暴露於不同處理之間的環境中的各個層，諸如乾淨的c-Si晶圓的表面、薄的QTB層或發射極/表面場層，導致鈍化或接面品質的劣化。應指出的是，大多數大規模的太陽能電池製造設施由於其尺寸的關係而缺乏足夠的環境控制。建造足夠大的無塵室來容納大規模太陽能電池生產線是不實際的。而且，即使可能將這樣的生產線放到足夠大的無塵室中，可能還是不足以防止對太陽能電池結構中的各個表面和層 (諸如，薄的QTB層)的破壞，因為大多數無塵室實際上是根據每單位體積的空氣允許存在的顆粒的數量和尺寸來分類的。例如，“級別100”表示每立方英尺的空氣允許存在的0.5μm或更大尺寸的顆粒的數量是100。另一方面，在標準無塵室環境中對氣態污染物和濕度水準的控制經常是不嚴格的。更具體地，安裝在大多數無塵室中的標準的高效空氣顆粒物空氣(HEPA)過濾器或超低穿透空氣(ULPA)過濾器經常不能移除氣態污染物。然而，某些氣態污染物，諸如SO2、H2S、NO2、NH3以及揮發性有機化合物(VOC)，特別是當與水分混合時，會導致對太陽能電池的層和介面的破壞。因此，不僅從製造環境中移除灰塵顆粒是重要的，從製造環境中移除這些氣態污染物和水分也是重要的。然而，由於太陽能電池製造設施的尺寸(可能是成百上千平方英尺)原因，為整個設施安裝化學物和濕度過濾設備可能是不實際的。
為了增加良率，本發明的實施例提供便於控制處理站之間的微環境的系統和方法，使得矽晶圓在等待下一步處理時可以保留在受控制的微環境中。受控制的微環境基本上是隔離的，要麼通過物理邊界線、要麼通過吹掃氣體(purge gas)的流動與製造設施的更大的環境相隔離。顆粒物、水分和氣態污染物可以從受控制的微環境移除，以防止環境對太陽能電池接面的破壞。在一些實施例中，受控制的微環境可以實現為氣密的、填充氮氣的艙，其溫度、濕度、化學成分和顆粒成分受到嚴密的監測和控 制的單獨的室，或者氣密的、填充氮的通道。
在一些實施例中，位於太陽能電池製造設施內的特別設計的室(有時被稱為乾室)可以在晶圓等待下一個處理之時用來保持晶圓。例如，如果接下來的處理是CVD，那麼乾室可以容納CVD工具並且為保持等待CVD處理或在不同的CVD處理之間的晶圓提供足夠的空間。從之前的處理(諸如，清潔並蝕刻c-Si晶圓的濕處理)出來的晶圓可以立刻放置到乾室中，最少地暴露於更大的環境。除了HEPA過濾器(其提供級別1000和級別10000之間的清潔度)，在乾室中安裝以水為主的空氣淨化器、除濕器和化學物過濾器以除去氣態污染物，諸如NOx、NH3、SOx、H2S、VOC等等。例如，除了傳統的無塵室過濾模組之外，該系統還可以包括三個階段的淨化機構，該淨化機構包括用於除去顆粒物和汙物的以霧為主的清洗模組、除濕器和化學物過濾模組。在進一步的實施例中，化學物過濾器的化學物移除效率維持在70%以上，較佳地在80%以上，而更佳地為95%以上。仔細將乾室內的溫度和濕度控制到希望的水準以防止由過多的水分導致的對鈍化層的破壞。在一些實施例中，乾室的溫度保持在15℃和27℃之間，較佳地為23℃，而絕對濕度保持在5克/千克以下，較佳地為1.3克/千克和4.0克/千克之間。相對濕度維持在20%以下，較佳地地為13±5%。
在進一步的實施例中，其他較小的物理地封閉的晶圓保持設備(諸如，氣密的封閉的匣和艙)可以放 置在乾室中，用於進一步減少對太陽能電池接面/鈍化層的可能的污染。更具體地，這些匣和艙可被填充淨化過的氮氣N2，以確保對環境更好的控制。淨化過的N2可以具有至少99.9%的純度，較佳地在99.95%左右。在一些實施例中，匣/艙內的清潔度保持在級別100。O2的量保持在百萬分之300(300ppm)以下，而水分或水蒸汽的量保持在1000ppm以下，較佳地在100ppm以下。匣/艙內的壓力可以保持在700托和800托之間，較佳地在760托到770托之間。在一些實施例中，匣和艙可以由耐化學性材料構成，諸如聚氯乙烯(PVC)和/或不銹鋼。除了在乾室中保存這些匣或艙，還可以將它們放置到更大的一般性環境中。例如，這樣的匣或艙可以放置在濕站旁邊。在濕處理之後，晶圓可以立刻裝載到封閉的匣或艙中以確保在更大的周圍環境中的暴露保持為最少。隨後，匣或艙可以運輸到下一個處理站，以允許晶圓從封閉的受控制的環境直接裝載到下一個處理站中。
除了物理封閉、自包含的晶圓保持區域之外，等待進一步處理的晶圓還可以放置在連接兩個處理站的通道中。該通道可以是氣密的，並且可以裝配有傳送帶和入口/出口裝載鎖定室。完成第一加工(諸如濕處理)的晶圓可以裝載到通道中(通常是由機械臂執行)，通過入口裝載鎖定室，並且由傳送帶運輸到下一個處理站。在一些實施例中，如果下一個處理站包括裝載鎖定室，則通道的出口可以是沉積或處理工具的裝載鎖定室。換言之， 晶圓可以從通道直接進入下個階段的工具，而毫不暴露於更大的環境。為了確保對通道內的環境的控制，用淨化過的具有至少99.9%(較佳地為99.95%左右)的純度的N2填充該通道。其他對通道中的環境的控制因素與匣/艙中使用的環境的控制因素相似。
藉由對處理之間保存晶圓的地方的微環境進行仔細地控制，可以確保，即使在這樣的環境中將晶圓保存相對長的時間，也會保護中間層(諸如鈍化層)的完整性。無論晶圓在各種處理之間的等待時間多長，所有晶圓上的有效的鈍化明顯改進了太陽能電池生產線的整體良率。
圖3顯示根據本發明的實施例的例示性太陽能電池製造設施的示意圖。在圖3中，太陽能電池製造設施300包括用於太陽能電池的製造的各種處理站，諸如濕站302和乾站304。太陽能電池製造設施300還可以包括在等待下一個處理時暫時存儲晶圓的一個或多個晶圓保持區域，諸如晶圓保持區域306。
太陽能電池製造設施300可以包括任何用於製造太陽能電池的工業尺寸的房間或建築物。在一些實施例中，太陽能電池製造設施300可以遠遠超過10000平方英尺。濕站302可以用於執行任何涉及溶液的處理，該處理包括但不局限於：表面清潔、表面紋理化、濕蝕刻和蒸汽氧化。乾站304可以包括可以用於執行任何不涉及溶液的處理的一個或多個工具，該工具包括但不局限於：氧化 工具(諸如基於加熱爐的乾氧化工具、CVD工具或LPRD工具)、一個或多個發射極/表面場層工具(諸如等離子體增強化學氣相沉積PECVD工具)、透明導電氧化物(TCO)層工具(諸如電子束蒸鍍工具或濺射工具)、乾蝕刻工具等等。在一些實施例中，乾站304被用於形成穿隧層、太陽能電池發射極層、表面場層和TCO層，經常涉及CVD和PVD處理。
晶圓保持區域306可以被用於暫時存儲已在濕站302經過處理並且排隊等待在乾站304中進行處理的矽晶圓。例如，可以將在晶圓的一面或兩面上具有超薄的氧化物層的矽晶圓放置在晶圓保持區域306中，等待隨後的CVD處理以沉積發射極層和表面場層。在一些實施例中，矽晶圓可以放置在盒中，諸如盒308。多個盒可以並排放置或者堆疊起來放置。注意到，圖3示出，矽晶圓垂直地放置於盒中。實踐中，依據乾站304中工具的配置和裝載要求，該盒可以按照矽晶圓基本上為水平方向的方式放置。還有，在傳統的太陽能電池設施中，晶圓保持區域通常可以處於製造設施的更大的環境中，該更大的環境可以包括各種污染物，諸如水分、顆粒物以及化學蒸汽。一些較小規模的太陽能電池設施可以將生產線放置在無塵室中。然而，大多數無塵室標準不限制無塵室內非顆粒污染物的量，而HEPA/ULPA過濾器在移除非顆粒污染物方面是無效的。然而，包括在無塵室空氣中的某些空氣承載的污染物(諸如SOx、NOx、NH3、水蒸汽、臭氧、VOC等 等)可以與矽晶圓的一個面或兩個面上的超薄氧化物/本徵半導體層接觸，並且可能破壞這樣的超薄的氧化物/本徵半導體層，因而使鈍化劣化。結果是，最終產品可能表現出較低的效率。
儘管為整個製造設施安裝氣相化學物過濾系統可以減輕污染，但由於典型的太陽能電池製造設施的尺寸的關係，這樣的解決方案可能是不實際的。為了解決污染問題，在本發明的一些實施例中，晶圓保持區域306內或周圍的微環境受到控制，以防止對太陽能電池上的中間層的污染。在圖3中示出的示例中，晶圓保持區域306和乾站304都位於乾室310中，該乾室310具有其自己的微環境，其自己的微環境與製造設施300的更大的周圍環境相隔離。
乾室310可以包括若干環境控制模組，該環境控制模組包括但不局限於：顆粒物過濾模組312、溫度和濕度控制模組314以及非顆粒物過濾模組316。顆粒物過濾模組312可以將顆粒從乾室310移除。在一些實施例中，顆粒物過濾模組312可以包括HEPA過濾器或ULPA過濾器，以及霧洗模組。在進一步的實施例中，乾室310可以保持為級別1000或級別10000的無塵室，在室中維持正壓力。非顆粒物過濾模組316可以將氣相污染物(諸如SOx、NOx、H2S、NH3、水蒸汽、臭氧、VOC等等)從乾室310移除。溫度和濕度控制模組314可以將乾室310內的溫度和濕度控制在希望的水準。在一些實施例中，室 的溫度可以維持在15℃到27℃之間，較佳地為23℃。相對濕度可以維持在20%以下，較佳地為13±5%。絕對濕度維持在5克/千克以下，較佳地為1.3克/千克到4.0克/千克。非顆粒物過濾模組316可以包括各種類型的化學物過濾器。在進一步的實施例中，化學物移除效率維持在70%以上(表示可以移除超過70%的目標的化學物)，較佳地為80%以上，而更佳地為95%以上。
在一些實施例中，晶圓保持區域306可以是位於乾室310中的開放區域。為了進一步消除當晶圓在濕站302和乾站304之間轉移時的污染，晶圓保持區域306可以包括氣密地封閉的匣和/或艙，該匣和/或艙可以通過輪子或其他方式從濕站302運輸到乾站304。在一些實施例中，匣或艙可以用耐化學性材料做成，諸如PVC或不銹鋼。封閉的匣或艙可以用純度為至少99.9%(較佳地在99.95%左右)的淨化過的N2填充。匣/艙內的氮氣的壓力可以維持在700托到800托，較佳地為760托到770托。匣/艙內的顆粒物的水準可以保持在級別100或更優。其他環境因素，諸如氧氣水準、溫度和濕度也可以在匣/艙內受到控制。例如，氧氣水準可以維持在300ppm以下。溫度可以以維持在15℃到27℃之間，較佳地為25℃。水分(H2O蒸汽)水準可以維持在1000ppm以下，較佳地在100ppm以下。在進一步的實施例中，濕站302可以經由氣密的可選為填充氮氣的通道303連接到晶圓保持區域306，可以用一組與氣密的匣或艙相似的參數對該通道 303進行控制。
圖4顯示根據本發明的實施例的一示範性的太陽能電池製造設施的示意圖。在圖4中，太陽能電池製造設施400可以包括若干處理工具，諸如濕站402、CVD工具404、CVD工具406和PVD工具408。
濕站402可以包括各種用於表面清潔、表面紋理化、鈍化以及氧化的水浴和沖洗(rinse)。將多個矽晶圓放置在盒中，將該盒放置在水浴中或者置於沖洗之下以用於批次處理是業界常見的實務。
CVD工具404可以用於在矽晶圓的第一面上進行材料沉積(例如，用於形成穿隧層和/或隨後沉積發射極層)。CVD工具406可以用於在矽晶圓的第二面上進行材料沉積(例如，用於形成第二穿隧層和/或隨後沉積表面場層)。PVD站408可以用於在矽晶圓的一面或兩面上進行TCO層的沉積。
為了保護未完成的矽晶圓並確保在製造設施400的更大的環境中的暴露最少，每個處理工具可以包括封閉的裝載/卸載區域，在該裝載/卸載區域，矽晶圓(在盒中或其他類型的載具中)裝載到處理工具中或者從處理工具卸載。這些裝載/卸載區域還被認為是處理工具和製造設施400的更大的環境之間的緩衝器。例如，濕站402可以包括裝載/卸載緩衝器412，而CVD工具404包括裝載/卸載緩衝器414。這樣的裝載/卸載緩衝器可以包括物理封閉的空間，諸如氣密的艙或艙。在一些實施例中，裝 載/卸載緩衝器可以用耐化學性材料建造，諸如PVC或不銹鋼。這些緩衝器(諸如艙或艙)可以用純度為至少99.9%(較佳地在99.95%左右)的淨化過的N2填充。艙/艙內的氮氣的壓力可以維持在700托到800托，較佳地為760托到770托。艙/艙內的顆粒物的水準可以保持在級別100或更優。其他環境因素，諸如氧氣水準、溫度和濕度也可以在艙/艙內受到控制。例如，氧氣水準可以維持在300ppm以下。溫度可以以維持在15℃到27℃之間，較佳地為25℃。水分(H2O蒸汽)水準可以維持在1000ppm以下，較佳地在100ppm以下。
在一些實施例中，裝載/卸載緩衝器可以在處理站之間移動，因而允許晶圓在這樣的運輸期間一直受到保護。在進一步的實施例中，為了防止未完成的晶圓暴露到更大的環境中，可以在不同工具的裝載/卸載緩衝器之間建立通道。例如，在濕站402的緩衝器412和CVD工具404的緩衝器414之間建立通道422。結果是，已經在濕站402處理過的晶圓可以經由通道422運輸到CVD工具404，並且在運輸期間不暴露於製造設施400的更大的環境。而且，在等待CVD處理時晶圓也可以保存在通道422內。通道內的微處理環境與裝載/卸載緩衝器中的微處理環境相似。在一些實施例中，通道可以用耐化學性材料建造，諸如PVC或不銹鋼。在一些實施例中，通道可以用純度為至少99.9%(較佳地在99.95%左右)的淨化過的N2填充。通道內的氮氣的壓力可以維持在700托到800 托，較佳地為760托到770托。通道內的顆粒物的水準可以保持在級別100或更優。其他環境因素，諸如氧氣水準、溫度和濕度也可以在通道內受到控制。氧氣水準可以維持在300ppm以下。溫度可以維持在15℃到27℃之間，較佳地為25℃。水分(H2O蒸汽)水準可以維持在1000ppm以下，較佳地在100ppm以下。應指出的是，當建立通道因為製造設施400內的建築物限制而不可行時，可使用充填了N2的匣來將晶圓輸送於兩個連續的處理站的緩衝器之間。充填了N2的匣內部的微環境類似通道內的微環境。
在圖4所示出的例子中，太陽能電池製造設施400包括用於晶圓的兩個面的背對背沉積的兩個CVD工具。因為標準的CVD工具已經具有裝載鎖定室，可以建造連接兩個CVD工具的裝載鎖定室的通道，使得在CVD工具404處完成處理的晶圓經由通道424運輸到CVD工具406而不暴露於更大的環境。也可以在每個CVD工具附近建造額外的填充N2的緩衝器，以防CVD工具暫時離線。
製程
n型或p型摻雜的高品質太陽能等級的矽(SG-Si)晶圓可以用於建造背接面太陽能電池。在一個實施例中，選擇了n型摻雜SG-Si晶圓。圖5顯示一例示根據本發明的實施例製造製造太陽能電池的處理。
在操作5A中，準備SG-Si基材500。SG-Si基材500的厚度範圍可以在80μm和500μm之間。在一個實施例中，SG-Si基材500的厚度可以在90μm和120μm之間。SG-Si基材500的電阻率的範圍通常是但不局限於1Ω．cm和10Ω．cm之間。在一個實施例中，SG-Si基材500具有1Ω．cm和2Ω．cm之間的電阻率。準備操作可以包括鋸傷蝕刻(saw damage etch)和形成表面紋理，該鋸傷蝕刻移除大概10μm的矽。表面紋理可以具有各種圖案，該圖案包括但不局限於：六方錐、倒錐、圓柱、圓錐、環形以及其他不規則形狀。在一個實施例中，形成表面紋理的操作導致隨機的錐形紋理的表面。之後，SG-Si基材500經過全面的表面清潔。應指出的是，在圖5中，紋理圖案不按照實際比例繪製，而是為了例示該紋理而被放大。比起表面的尺寸，實際的紋理圖案將小得多。應指出的是，操作5A可以包括一個或多個濕處理，諸如紋理化和沖洗。
在操作5B中，在SG-Si基材500的正表面或背表面上形成或沉積高品質的介電材料(Dit小於1×1011/cm2)的薄層，以分別形成正面和背面的鈍化/穿隧層502和504。在一個實施例中，僅SG-Si基材500的背表面用介電材料的薄層覆蓋。可以使用各種類型的介電材料以形成鈍化/穿隧層，該介電材料包括但不局限於：氧化矽(SiOx)、氫化的SiOx、氮化矽(SiNx)、氫化的SiNx、氧化鋁(AlOx)、氧氮化矽(SiON)以及氫化的 SiON。另外，各種氧化和/或沉積技術也可以用於形成鈍化/穿隧層，該氧化和/或沉積技術包括但不局限於：熱氧化、原子層沉積、濕氧化或蒸汽氧化、低壓自由基氧化、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、LPRO等等。鈍化/穿隧層502和504的厚度可以在1埃和50埃之間。在一個實施例中，鈍化/穿隧層502和504的厚度在1埃和15埃之間。應指出的是，控制得好的鈍化/穿隧層的厚度確保了良好的穿隧和鈍化效應。在操作5B之後，將未完成的晶圓放置到超潔淨的微環境中，該超潔淨的微環境基本上與太陽能電池製造設施的周圍環境相隔離。環境因素(諸如顆粒物量、溫度、濕度、壓力等等)可以在微環境中受到控制。另外，可以從微環境基本上移除氣態污染物(諸如SOx、NOx、NH3、H2S、臭氧、VOC)以確保鈍化/穿隧層的完整性。將未完成的太陽能電池保存在超潔淨的受控制的微環境中，直到下一個操作。應指出的是，如果操作5B是乾處理的話，則可以在操作5A之後將晶圓放置在超潔淨的微環境中。
在操作5C中，可以在背面鈍化/穿隧層504的表面上沉積具有與基材500的摻雜類型相反的摻雜類型的氫化的分級摻雜的a-Si的層，以形成發射極層506。結果為，發射極層506位於背朝入射太陽光的太陽能電池的背面。應指出的是，如果c-Si基材500是n型摻雜的話，則發射極層506是p型摻雜，反之亦然。在一個實施例中，發射極層506可以是使用硼作為摻雜物的p型摻 雜，並且可以使用CVD技術(諸如PECVD)形成。SG-Si基材500、背面鈍化/穿隧層504和發射極層506形成異質穿隧背接面。發射極層506的厚度可以在1nm和20nm之間。應指出的是，一被優化摻雜的(摻雜濃度在1×1015/cm3和5×1020/cm3之間變化)以及足夠厚的(至少在3nm和20nm之間)發射極層可以確保良好的歐姆接觸和大的內置勢壘。在一個實施例中，發射極層506內與背面鈍化/穿隧層504相鄰的區域可以具有較低的摻雜濃度，而更遠離背面鈍化/穿隧層504的區域可以具有較高的摻雜濃度。較低的摻雜濃度可以減少背面鈍化/穿隧層504和發射極層506之間的介面處的缺陷密度，而另一側的較高的濃度可以防止發射極層耗盡。發射極層506的功函數可以調整為與隨後沉積的背面透明導電氧化物(TCO)層的功函數更好地匹配，以獲得更大的V-oc和更高的填充因數。除了a-Si，還可以使用其他材料，包括但不局限於：一個或多個寬頻隙的半導體材料和多晶矽，以形成發射極層506。在操作5C之後，將未完成的太陽能電池放置到超潔淨的微環境中以等待下一個操作。
在操作5D中，具有與基材500的摻雜類型相同的摻雜類型的氫化的分級摻雜a-Si的層可以沉積在正面鈍化/穿隧層502的表面上以形成正面場(FSF)層508。應指出的是，如果c-Si基材500是n型摻雜的話，則FSF層508也是n型摻雜，並且反之亦然。在一個實施例中，FSF層508是使用磷作為摻雜物的n型摻雜的。在 一些實施例中，FSF層508可以使用CVD技術(諸如PECVD)形成。c-Si基材500、正面鈍化/穿隧層502和FSF層508形成有效地鈍化正表面的正表面穿隧接面。在一個實施例中，FSF層508的厚度可以在1nm和30nm之間。在一個實施例中，FSF層508的摻雜濃度可以從1×1015/cm3變化到5×1020/cm3。除了a-Si，還可以使用其他材料，包括但不局限於：寬頻隙半導體材料和多晶矽，用於形成FSF層508。在操作5D之後，可非必要地(optionally)將未完成的太陽能電池放置到超潔淨微環境中，以等待下一個操作。應指出的是，一旦形成接面(正接面和背接面二者)，儘管太陽能電池還未完成，但是太陽能電池對環境因素已不那麼敏感了。因此，在操作5D之後，將未完成的太陽能電池放置並保存在超潔淨微環境中是非必要的。
在操作5E中，TCO材料的層可以沉積在發射極層506的表面上以形成背面的導電性防反射層510，確保了良好的歐姆連接。TCO的例子包括，但不局限於：銦鈦氧化物(ITiO)、氧化銦(In2O3)、銦鎢氧化物(IWO)、銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、氧化錫(SnOx)、鋁摻雜氧化鋅(ZnO：Al或AZO)、Zn-In-O(ZIO)、鎵摻雜氧化鋅(ZnO：Ga)以及其他大能帶隙的透明導電氧化物材料。背面TCO層510的功函數可以調整為與發射極層506的功函數更好地匹配。在一些實施例中，使用濺射技術來形成背面TCO層510。
在操作5F中，正面TCO層512在FSF層508的表面上形成，該正面TCO層512可以具有與背面TCO層510相似的材料組成。正面TCO層512形成良好的防反射塗層以允許最多的太陽光透射進入太陽能電池。應指出的是，操作5E和5F可以使用相同的或不同的TCO材料，在同一個PVD處理中發生，或者可以在兩個單獨的濺射處理中發生。
在操作5G中，分別在TCO層512和510的表面上形成正面電極514和背面電極516。在一個實施例中，正面電極514和背面電極516包括金屬柵格，其中金屬可以包括Cu、Ag、Al、Au或任何導電物質。該導電柵格可以使用各種技術形成，該技術包括但不局限於：電鍍、金屬膏的絲網印刷、導電墨的噴墨或噴霧印刷以及蒸鍍。在一個實施例中，正面電極514和/或背面電極516可以包括使用各種技術形成的Cu柵格，該技術包括但不局限於：無電鍍、電鍍、濺射和蒸鍍。應指出的是，背面TCO層的存在和背面電極包括金屬柵格的事實使製造的太陽能電池以雙面朝向的方式操作成為可能，即，從正面和背面都接收光。
儘管圖5中例示的是根據背面異質接面裝置結構的例子，但本發明的實施例可以應用到各種不同的裝置結構，諸如發射極在正面上的太陽能電池，或者兩個極性的電極都在背面上的太陽能電池(即，具有交叉的背面接觸件，IBC)。
應指出的是，圖5中示出的例子顯示，太陽能電池的製造遵循從中心到表面的順序。換言之，製造從中心的基層開始，而其他層則一層一層地沉積在基層的兩面上。這樣安排的優勢在於在兩面上的接面可以循序地形成，而之間沒有任何中間步驟。該接面一旦形成，太陽能電池變得更具魯棒性，並且更不可能由於環境因素導致劣化，因而使隨後的製造操作更簡單。實際上，在基層的一面上先形成各種層，然後將晶圓翻過來，再在基層的另一面上形成各種層，這也是可以的。這樣安排的優勢在於晶圓僅需要翻轉一次。然而，對於大多數的操作而言，需要對在製造操作之間運輸和保持太陽能電池的微環境進行嚴格控制，因為該接面還未完成，直到接近結束。
圖6顯示一流程圖，其例示根據本發明的一個實施例示範性太陽能電池生產線的操作。在生產線的開始，若干太陽能電池晶圓可以先裝載到盒中(操作602)。在一些實施例中，太陽能電池晶圓包括6英寸乘6英寸的正方形的矽晶圓或者6英寸乘6英寸的擬正方形(諸如，具有圓拐角的正方形)的矽晶圓。該盒可以經受一個或多個濕處理(操作604)。該盒可以浸入一個或多個水浴或者經過一個或多個沖洗。在上個濕處理之後，將該盒(與內部的晶圓一起)放置到裝載/卸載緩衝器(操作606)。裝載/卸載緩衝器可以包括氣密的用N2填充的室或艙。可以對裝載/卸載緩衝器內的微環境進行控制以確保該晶圓不與各種污染物接觸，該各種污染物包括但不 局限於：灰塵顆粒、有害的化學蒸汽、浮質、水分、VOC等等，這些污染物可能存在於製造設施的更大的環境中。
可以將該盒保存在裝載/卸載緩衝器中，直到用於下一個處理的時候，在那時將該盒從濕站的裝載/卸載緩衝器運輸到下一個處理站的裝載/卸載緩衝器，該下一個處理站可以是氧化工具或CVD工具(操作608)。在一些實施例中，可以經由連接兩個裝載/卸載緩衝器的封閉的通道運輸該盒。在一些實施例中，可以經由填充N2的匣運輸該盒。隨後，從該盒將晶圓裝載到處理工具中(操作610)。在一些實施例中，處理工具可以位於與製造設施的其餘部分分隔開的室中。可以對這個單獨的室內的微環境進行控制以移除各種污染物，這些污染物包括但不局限於：灰塵顆粒、有害的化學蒸汽、浮質、水分、VOC等等，這些污染物可能存在於製造設施的更大的環境中。結果是，當晶圓從該盒裝載到處理工具中時，它們不暴露於各種污染物中。隨後，該晶圓可能經受材料形成或沉積處理，諸如氧化或CVD處理(操作612)。在沉積處理之後，如果該接面或層結構還未完成，那麼將該晶圓裝載到另一個緩衝器中，以等待下一個處理(操作614)。可以重複操作608到614直到形成所有層(操作616)，包括發射極層、場表面層以及正面和背面TCO層。太陽能電池然後為金屬化做好準備(操作618)。應指出的是，穿隧接面結構和太陽能電池製造設施內的受到仔細控制的晶圓裝載/運輸微環境的組合確保了大規模太 陽能電池生產線可以高良率地製造具有至少20%的效率的太陽能電池。
已經給出的上述對各種實施例的說明僅僅是出於例示和說明的目的。該各種實施例意圖不在於窮舉或將本發明局限到所公開的形式。因此，對本領域技術人員而言，很多修改和變化將是明顯的。另外，上文的揭示內容的意圖不在於限制本發明。
300‧‧‧太陽能電池製造設施
302‧‧‧濕振
303‧‧‧通道
304‧‧‧乾站
306‧‧‧晶圓保持區域
308‧‧‧盒
310‧‧‧乾室
312‧‧‧顆粒物過濾模組
314‧‧‧溫度和濕度控制模組
316‧‧‧非顆粒物過濾模組

Claims (22)

  1. 一種用來在大規模太陽能電池製造設施中製造太陽能電池的系統，包含：濕處理站；乾處理站；及晶圓儲存設備，其設置在該濕處理站和該乾處理站之間，其中一在該晶圓儲存設備內的微環境與該大規模太陽能電池製造設施的一大環境被實質地分隔開，其中該微環境被過濾以減少化學物、濕氣及揮發性有機化合物，其中該晶圓儲存設備被建構來暫時儲存從該濕處理站出來且排隊等待在該乾處理站處理的晶圓。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該微環境內的一或多個環境因子被小心控制以確保形成在該晶圓上的中間層的完整性。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該等環境因子包括以下所列的一者或多者：潔淨的程度；氣體污染的程度；溫度；濕度；及壓力。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該晶圓儲存設備包括一室，其容納該乾處理站且它的環境被監視及控制。
  5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該室配備有以下所列的一者或多者：顆粒過濾器；以水為主的空氣淨化器；氣相化學物過濾器；及溫度及濕度控制模組。
  6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該晶圓儲存設備包括以下所列的一者或多者：氣密艙；氣密室；及氣密通道(tunnel)，其被建構來將該濕處理站耦接至該乾處理站以允許晶圓從該濕處理站被運送至該乾處理站而不被曝露於該大環境中。
  7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中該晶圓儲存設備被填充經過淨化的氮氣。
  8. 如申請專利範圍第7項之系統，其中該氮氣具有至少99.9%的純淨度，及其中該氮氣具有介於760至770托(Torr)的壓力。
  9. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該濕處理站被建構來形成一超薄的氧化物層於該晶圓的一面或兩面上。
  10. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該乾處理站包括一化學氣相沉積工具，其被建構來形成一經過摻雜的半導體層於該超薄的氧化物層的一表面上。
  11. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該晶圓包括：6英吋乘6英吋的方形矽晶圓；或6英吋乘6英吋的擬(pseudo)方形矽晶圓。
  12. 一種用來在大規模太陽能電池製造設施中製造太陽能電池的方法，包含：在一濕處理站處理晶圓；將經過處理的晶圓載入到一晶圓儲存設備中，其中一在該晶圓儲存設備內的微環境與該大規模太陽能電池製造設施中的一大環境被實質地分隔開，及其中該微環境被過濾以減少化學物、濕氣及揮發性有機化合物；在該經過處理的晶圓排隊等待在一乾處理站進行處理的同時，將該經過處理的晶圓儲存在該晶圓儲存設備中；及從該晶圓儲存設備將該經過處理的晶圓載入到該乾處理站。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該微環境內的一或多個環境因子被小心控制以確保在該經過處理的晶圓上的中間層的完整性。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該等環境因子包括以下所列的一者或多者：潔淨的程度；氣體污染的程度；溫度； 濕度；及空氣壓力。
  15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該晶圓儲存設備包括一室，其容納該乾處理站且它的環境被監視及控制。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該室配備有以下所列的一者或多者：顆粒過濾器；以水為主的空氣淨化器；氣相化學物過濾器；及溫度及濕度控制模組。
  17. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該晶圓儲存設備包括以下所列的一者或多者：氣密艙；氣密室；及氣密通道(tunnel)，其被建構來將該濕處理站耦接至該乾處理站以允許該經過處理的晶圓從該濕處理站被運送至該乾處理站而不被曝露於該大環境中。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該晶圓儲存設備被填充經過淨化的氮氣。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該氮氣具有至少99.9%的純淨度，及其中該氮氣具有介於760至770托(Torr)的壓力。
  20. 如申請專利範圍第12項之方法，其中在該濕處 理站處理該晶圓包含了一濕處理，其形成一超薄的氧化物層於晶圓的一面或兩面上。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該乾處理站包括一化學氣相沉積工具，其被建構來形成一經過摻雜的半導體層於該超薄的氧化物層的一表面上。
  22. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該晶圓包括：6英吋乘6英吋的方形矽晶圓；或6英吋乘6英吋的擬(pseudo)方形矽晶圓。
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