TWI705574B - 太陽能電池結構及其製作方法 - Google Patents

Abstract

一種太陽能電池結構，包含半導體基板、鈍化層、穿隧層和摻雜結晶矽層。半導體基板具有相對之第一側和第二側。鈍化層位於半導體基板的第一側。穿隧層位於半導體基板的第二側。摻雜結晶矽層位於穿隧層之遠離該半導體基板的側邊，其包含多晶矽晶體，且其結晶度約為50%~90%。

Description

太陽能電池結構及其製作方法

本發明是有關於一種太陽能電池結構及其製作方法，且特別是一種具有多晶矽晶體之太陽能電池結構及其製作方法。

在半導體相關產業中，鈍化結構與製程是不可或缺的重要結構與製程。以太陽能電池產業為例，傳統背電場(back surface field；BSF)太陽能電池，射極與背電極鈍化(Passivated emitter and rear cell；PERC)太陽能電池、異質接面薄本質層(heterojunction with intrinsic thin layer；HIT)太陽能電池、或是穿隧氧化物鈍化接觸(tunnel oxide passivated contact；TOPcon)太陽能電池等均具有鈍化層。舉例而言，高效矽基太陽能電池結構所採用的摻雜結晶矽層是藉由高溫製程來製作，導致影響穿隧層品質而降低產品效能及良率。

本發明之一目的在於提供一種太陽能電池結構，其相較於習知太陽能電池結構具有較高的暗喻開路電壓 (implied open-circuit voltage)和載子生命週期，使得整體效能因而提升。本發明之另一目的在於提供一種此太陽能電池結構的製作方法。

根據上述目的，本發明提出一種太陽能電池結構，其包含半導體基板、鈍化層、穿隧層和摻雜結晶矽層。半導體基板具有相對之第一側和第二側。鈍化層位於半導體基板的第一側。穿隧層位於半導體基板的第二側。摻雜結晶矽層位於穿隧層之遠離該半導體基板的側邊，其包含多晶矽晶體，且其結晶度為50%~90%。

依據本發明之一實施例，上述摻雜結晶矽層包含互相堆疊之第一次摻雜結晶矽層和第二次摻雜結晶矽層，第一次摻雜結晶矽層位於上述穿隧層與第二次摻雜結晶矽層之間，且第二次摻雜結晶矽層之摻雜濃度大於第一次摻雜結晶矽層之摻雜濃度。

依據本發明之又一實施例，上述第一次摻雜結晶矽層之摻雜濃度約為10¹³個/立方公分至10¹⁷個/立方公分，且上述第二次摻雜結晶矽層之摻雜濃度約為10¹⁷個/立方公分至10²¹個/立方公分。

依據本發明之又一實施例，上述第一次摻雜結晶矽層與上述第二次摻雜結晶矽層之每一者的厚度約為10奈米(nm)至50奈米。

依據本發明之又一實施例，上述鈍化層的材料為氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氮化矽或上述組合。

依據本發明之又一實施例，上述穿隧層之厚度約為0.1奈米至3奈米。

依據本發明之又一實施例，上述摻雜結晶矽層的厚度約為20奈米至100奈米。

根據上述目的，本發明另提出一種製作太陽能電池結構的方法，其包含：提供半導體基板；透過高溫氧化或化學氣相沉積方式，在半導體基板之第一側形成穿隧層；藉由第一沉積製程，在穿隧層之遠離半導體基板的一側形成摻雜結晶矽層，其包含多晶矽晶體，且其結晶度為50%~90%；以及藉由第二沉積製程，在半導體基板之相對於第一側的第二側形成鈍化層。

依據本發明之又一實施例，在上述穿隧層之遠離上述半導體基板的一側形成上述摻雜結晶矽層包含：在上述穿隧層之遠離上述半導體基板的一側形成第一次摻雜結晶矽層，其摻雜濃度約為10¹³個/立方公分至10¹⁷個/立方公分；以及在第一次摻雜結晶矽層之遠離上述穿隧層的一側形成第二次摻雜結晶矽層，其摻雜濃度約為10¹⁷個/立方公分至10²¹個/立方公分。

依據本發明之又一實施例，上述第一沉積製程包含形成第一次摻雜結晶矽層與第二次摻雜結晶矽層，其中第二次摻雜結晶矽層的製程氣體相對於第一次摻雜結晶矽層的製程氣體增加摻雜物的反應氣體。

100‧‧‧太陽能電池結構

102‧‧‧半導體基板

102A‧‧‧第一側

102B‧‧‧第二側

104‧‧‧穿隧層

106‧‧‧摻雜結晶矽層

106A‧‧‧第一次摻雜結晶矽層

106B‧‧‧第二次摻雜結晶矽層

108、110‧‧‧鈍化層

112‧‧‧抗反射層

114、116‧‧‧電極層

300‧‧‧方法

S302、S304、S306、S308‧‧‧步驟

T₁₀₆、T_106A、T_106B‧‧‧厚度

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕為為本發明實施例之太陽能電池結構的剖視圖； 〔圖2〕為〔圖1〕之太陽能電池結構的局部剖視圖；以及〔圖3〕為本發明實施例之製作太陽能電池結構之方法的流程圖。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

可被理解的是，雖然在本文可使用「第一」、「第二」等用語來描述各種元件、零件、區域和/或部分，但此些用語不應限制此些元件、零件、區域和/或部分。此些用語僅用以區別一元件、零件、區域和/或部分與另一元件、零件、區域和/或部分。

在本文中所使用的用語僅是為了描述特定實施例，非用以限制申請專利範圍。除非另有限制，否則單數形式的「一」或「該」用語也可用來表示複數形式。此外，空間相對性用語的使用是為了說明元件在使用或操作時的不同方位，而不只限於圖式所繪示的方向。元件也可以其他方式定向(旋轉90度或在其他方向)，而在此使用的空間相對性描述也可以相同方式解讀。

請參照圖1，圖1為本發明實施例之太陽能電池結構100的剖視圖。如圖1所示，太陽能電池結構100為穿隧氧化物鈍化接觸型(tunnel oxide passivated contact； TOPcon)太陽能電池結構，且其包含半導體基板102、穿隧層104、摻雜結晶矽層106、鈍化層108、110、抗反射層112和電極層114、116。

依據太陽能電池結構100的應用，半導體基板102可以是N型摻雜結晶矽基板或P型摻雜結晶矽基板。穿隧層104是藉由射頻電漿設備對半導體基板102的第一側102A進行表面處理，在半導體基板102的第一側102A形成穿隧層104。穿隧層104可以是氧化矽薄膜，其厚度可約為0.1奈米(nm)至3奈米，且其缺陷密度可實質低於10¹¹個/平方公分。摻雜結晶矽層106位於穿隧層104之遠離半導體基板102的一側。摻雜結晶矽層106可包含單晶矽晶體和/或多晶矽晶體，其厚度T₁₀₆可約為20奈米至100奈米，且其結晶度可約為50%至90%，以降低與電極層114之間的界面阻抗及避免破壞穿隧層104。此外，對應半導體基板102的類型，摻雜結晶矽層106可以是N型摻雜結晶矽層或P型摻雜結晶矽層。舉例而言，若是半導體基板102為N型摻雜結晶矽基板，則摻雜結晶矽層106可以是N+型摻雜結晶矽層。

鈍化層108、110和抗反射層112是依序堆疊在半導體基板102的第二側102B上。每一鈍化層108、110的材料可以是氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氮化矽、上述組合或其他合適的材料。舉例而言，鈍化層108、110可以分別是氧化鋁層和氧化矽層。抗反射層112的材料可以是氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、上述組合或其他合適的材料。

電極層114、116分別位於摻雜結晶矽層106之遠離穿隧層104的一側和半導體基板102的第二側102A，其中電極層116向上延伸且貫穿鈍化層108、110和抗反射層112。電極層114、116的材料可以是銀、銅、鋁、上述組合或其他合適的金屬或導電材料。在一些實施例中，電極層114為透明導電氧化層，其材料可以是氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide；IZO)或其他合適的透明導電材料。

圖2為圖1之太陽能電池結構100的局部剖視圖。如圖2所示，摻雜結晶矽層106包含上下堆疊的第一次摻雜結晶矽層106A以及第二次摻雜結晶矽層106B，其中第一次摻雜結晶矽層106A位於穿隧層104之遠離半導體基板102的一側，而第二次摻雜結晶矽層106B位於第一次摻雜結晶矽層106A之遠離穿隧層104的一側。以半導體基板102實施為N型摻雜結晶矽基板為例，第一次摻雜結晶矽層106A、第二次摻雜結晶矽層106B可均由多晶矽形成且具有N型摻雜物，例如磷、砷、銻和/或其他相似的摻雜物。第二次摻雜結晶矽層106B的摻雜濃度大於第一次摻雜結晶矽層106A的摻雜濃度。由於第一次摻雜結晶矽層106A鄰近於穿隧層104，具有較低的摻雜濃度的第一次摻雜結晶矽層106A可以避免摻雜物擴散至穿隧層104，如此可提升穿隧層104的可靠度。此外，第二次摻雜結晶矽層106B鄰近於電極層114，如此具有較高的摻雜濃度的第二次摻雜結晶矽層106B可以增加與電極層114的歐姆接觸(ohmic contact)的效果。在一些實施例中，第一次摻雜結晶矽層106A的摻雜濃度約為10¹³個/立方公分至10¹⁷個/立方公分。而第二次摻雜結晶矽層106B的摻雜濃度約為10¹⁷個/立方公分至10²¹個/立方公分。此外，在一些實施例中，第一次摻雜結晶矽層106A與第二次摻雜結晶矽層106B的厚度T_106A、T_106B個別約為10奈米至50奈米。厚度T_106A與厚度T_106B可相同或不同。第一次摻雜結晶矽層106A與第二次摻雜結晶矽層106B的界定可以用摻雜濃度的多寡判斷。在一實施例中，摻雜結晶矽層106與摻雜濃度的關係圖中，摻雜結晶矽層106在x軸座標上，左邊為鄰近穿隧層104，右邊為鄰近於電極層114，摻雜濃度在y軸座標。第一次摻雜結晶矽層106A與第二次摻雜結晶矽層106B之界面，則位於摻雜濃度變化最大的區間中的中間摻雜濃度所對應的位置。

在一些實施例中，摻雜結晶矽層106可具有三個或三個以上的次摻雜結晶矽層，且此些次摻雜結晶矽層的摻雜濃度關係可以如階梯狀，往遠離穿隧層104的方向上遞減。此些次摻雜結晶矽層的厚度彼此可以相同或不同。而在其他實施例中，摻雜結晶矽層106可具有連續性的摻雜濃度變化，且其摻雜濃度可在逐漸遠離穿隧層104的方向上遞減；在接近與穿隧層104的接面之摻雜濃度約為10¹³個/立方公分至10¹⁷個/立方公分，而在接近與導電層114的接面之摻雜濃度約為10¹⁷個/立方公分至10²¹個/立方公分。

相較於習知太陽能電池結構，本發明之太陽能電池結構的暗喻開路電壓(implied open-circuit voltage) 可達700毫伏(mV)以上，且其載子生命週期(lifetime)可提升至1600微秒以上，故整體效能可提升至少5%。此外，本發明之太陽能電池結構亦可提升穿隧氧化物鈍化接觸型太陽能電池結構的光電轉換效率至24%以上。

圖3為本發明實施例之製作太陽能電池結構之方法300的流程圖。為方便說明，以下方法300之各步驟的敘述係以形成圖1和圖2之太陽能電池結構100為例，但本發明並不限於此，其亦可用於形成其他太陽能電池結構或是相似的半導體結構。

在方法300中，首先進行步驟S302，提供半導體基板102。依據各設計需求，半導體基板102可以是P型摻雜結晶矽基板或N型摻雜結晶矽基板。

接著，進行步驟S304，在半導體基板102的第一側102A形成穿隧層104。穿隧層104可利用高溫氧化或化學氣相沉積方式。在一實施例中，穿隧層104是藉由使用射頻電漿設備以化學氣相沉積形成。若是提供的半導體基板102為矽基板，且射頻電漿設備通入的製程氣體為氧氣、臭氧或其他由氧原子組成的氣體，則電漿態的氧離子將與半導體基板102的表面上斷鍵的矽原子結合為氧化矽，藉以形成氧化矽薄膜(即穿隧層104)。由射頻電漿設備所形成的氧化矽薄膜，其厚度可約為0.1奈米至3奈米，且其缺陷密度可實質低於10¹¹個/平方公分。

之後，進行步驟S306，在穿隧層104之遠離半導體基板102的一側形成摻雜結晶矽層106。摻雜結晶矽層 106可經由進行化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)製程，例如電漿輔助化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)製程，在穿隧層104上形成，其厚度可約為20奈米至100奈米。在形成摻雜結晶矽層106的化學氣相沉積製程中，製程壓力可約為400托(torr)、射頻功率可約為30毫瓦/平方公分(mW/cm²)、且半導體基板102的溫度可約為攝氏300度。摻雜結晶矽層106可包含單晶矽晶體或多晶矽晶體。在化學氣相沉積製程完成後，可再接著進行退火製程，以在摻雜結晶矽層106中形成多晶矽晶體，且使得摻雜結晶矽層106的結晶度大約為50%至90%。此外，對應半導體基板102的類型，摻雜結晶矽層106可以是N型摻雜結晶矽層或P型摻雜結晶矽層。舉例而言，若是半導體基板102為N型摻雜結晶矽基板，則摻雜結晶矽層106可以是N+型摻雜結晶矽層。

進一步地，形成的摻雜結晶矽層106包含上下堆疊的第一次摻雜結晶矽層106A以及第二次摻雜結晶矽層106B，其中第一次摻雜結晶矽層106A位於穿隧層104之遠離半導體基板102的一側，而第二次摻雜結晶矽層106B位於第一次摻雜結晶矽層106A之遠離穿隧層104的一側。以半導體基板102實施為N型摻雜結晶矽基板為例，第一次摻雜結晶矽層106A與第二次摻雜結晶矽層106B可均具有多晶矽晶體且均具有N型摻雜物，例如磷、砷、銻和/或其他相似的摻雜物。在形成第一次摻雜結晶矽層106A的期間， 用於化學氣相沉積製程的製程氣體可以是矽甲烷和氫氣，而在形成第二次摻雜結晶矽層106B的期間，用於化學氣相沉積製程的製程氣體除了矽甲烷和氫氣之外，增加摻雜物的反應氣體，例如：磷化氫。使得第一次摻雜結晶矽層106A的摻雜濃度大於第二次摻雜結晶矽層106B的摻雜濃度。在一些實施例中，第一次摻雜結晶矽層106A的摻雜濃度約為10¹⁷個/立方公分至10²¹個/立方公分，而第二次摻雜結晶矽層106B的摻雜濃度約為10¹³個/立方公分至10¹⁷個/立方公分。藉由控制化學氣相沉積製程的進行時間，第一次摻雜結晶矽層106A與第二次摻雜結晶矽層106B各別的厚度可約為10奈米至50奈米。

在一些實施例中，形成的摻雜結晶矽層106可具有三個或三個以上的次摻雜結晶矽層，且藉由調整形成次摻雜結晶矽層所進行之化學氣相沉積製程的製程氣體，此些次摻雜結晶矽層的摻雜濃度關係可以是在逐漸遠離穿隧層104的方向上遞減。而在其他實施例中，藉由適當的控制化學氣相沉積製程，形成的摻雜結晶矽層106可具有連續性的摻雜濃度變化，且其摻雜濃度可在逐漸遠離穿隧層104的方向上遞減。

形成摻雜結晶矽層106後，接著進行步驟S308，在半導體基板102的第二側102B(即半導體基板102之遠離穿隧層104的一側)形成鈍化層108。鈍化層108可經由進行化學氣相沉積製程、物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)製程或原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)製程在半導體基板102上形成。鈍化層108的材料可以是氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氮化矽、上述組合或其他合適的材料。

步驟S308完成後，可依據半導體結構的類型，接著進行後續對應步驟。以太陽能電池結構100為例，可接著再進行化學氣相沉積製程、物理氣相沉積製程或原子層沉積製程，在鈍化層108上形成鈍化層110。同樣地，鈍化層110可由氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氮化矽、上述組合或其他合適的材料形成。之後，進行沉積製程或塗佈製程，在鈍化層110上形成抗反射層112。抗反射層112可由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、上述組合或其他合適的材料形成。接著，進行蒸鍍、濺鍍或電鍍製程，以分別在摻雜結晶矽層106和半導體基板102的第二側102B上形成電極層114、116。在形成電極層116前，可先進行蝕刻製程，以在鈍化層108、110和抗反射層112上形成缺口，且接著在缺口中形成電極層116。電極層114、116可由銀、銅、鋁、上述組合或其他的金屬或導電材料形成。在其他實施例中，電極層114、116也可藉由網印方式形成。

在一些實施例中，若是電極層114由金屬材料形成，則可先在穿隧層104之遠離半導體基板的一側上依序形成摻雜矽薄膜和金屬材料薄膜後，接著再進行退火製程，以同時形成摻雜結晶矽層106和金屬層114。

本發明實施例之製作太陽能電池結構之方法的優點至少在於，藉由控制摻雜結晶矽層中的摻雜濃度，可避 免穿隧層的品質在高溫製程中受到影響，進而確保產品的效能及良率。

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‧‧‧太陽能電池結構

102‧‧‧半導體基板

102A‧‧‧第一側

102B‧‧‧第二側

104‧‧‧穿隧層

106‧‧‧摻雜結晶矽層

108、110‧‧‧鈍化層

112‧‧‧抗反射層

114、116‧‧‧電極層

T₁₀₆‧‧‧厚度

Claims (9)

1. 一種太陽能電池結構，包含：一半導體基板，具有相對之一第一側和一第二側；一鈍化層，位於該半導體基板之第一側；一穿隧層，位於該半導體基板之第二側；以及一摻雜結晶矽層，位於該穿隧層之遠離該半導體基板的一側邊，該摻雜結晶矽層包含多晶矽晶體，該摻雜結晶矽層之結晶度為50%~90%，且該摻雜結晶矽層的厚度約為20奈米至100奈米。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該摻雜結晶矽層包含互相堆疊之一第一次摻雜結晶矽層和一第二次摻雜結晶矽層，該第一次摻雜結晶矽層位於該穿隧層與該第二次摻雜結晶矽層之間，且該第二次摻雜結晶矽層之摻雜濃度大於該第一次摻雜結晶矽層之摻雜濃度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池結構，其中該第一次摻雜結晶矽層之摻雜濃度約為10¹³個/立方公分至10¹⁷個/立方公分，且該第二次摻雜結晶矽層之摻雜濃度約為10¹⁷個/立方公分至10²¹個/立方公分。
4. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池結構，其中該第一次摻雜結晶矽層與該第二次摻雜結晶矽層之每一者的厚度約為10奈米(nm)至50奈米。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該鈍化層的材料為氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉿、氮化矽或上述組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該穿隧層之厚度約為0.1奈米至3奈米。
7. 一種製作太陽能電池結構之方法，包含：提供一半導體基板；透過高溫氧化或化學氣相沉積方式，在該半導體基板之一第一側形成一穿隧層；藉由一第一沉積製程，在該穿隧層之遠離該半導體基板的一側形成一摻雜結晶矽層，其中該摻雜結晶矽層包含多晶矽晶體，該摻雜結晶矽層之結晶度為50%~90%，且該摻雜結晶矽層的厚度約為20奈米至100奈米；以及藉由一第二沉積製程，在該半導體基板之相對於該第一側的一第二側形成一鈍化層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中在該穿隧層之遠離該半導體基板的一側形成該摻雜結晶矽層包含：在該穿隧層之遠離該半導體基板的一側形成一第一次摻雜結晶矽層，其中該第一次摻雜結晶矽層之摻雜濃度約為10¹³個/立方公分至10¹⁷個/立方公分；以及 在該第一次摻雜結晶矽層之遠離該穿隧層的一側形成一第二次摻雜結晶矽層，其中該第二次摻雜結晶矽層之摻雜濃度約為10¹⁷個/立方公分至10²¹個/立方公分。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該第一沉積製程包含形成一第一次摻雜結晶矽層與一第二次摻雜結晶矽層，其中該第二次摻雜結晶矽層的製程氣體相對於該第一次摻雜結晶矽層的製程氣體增加摻雜物的反應氣體。

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