專利名稱：太陽能電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體加工領(lǐng)域，更具體地，涉及背面設(shè)置有鈍化薄金屬氧化物層的太陽能電池的制造。
背景技術(shù)：
在硅太陽能電池中，少數(shù)電荷載流子可能在到達(dá)接觸體之前在缺陷、雜質(zhì)、表面損傷等處復(fù)合。這樣的復(fù)合減小了太陽能電池的電流輸出，因此降低了其效率。為了減少太陽能的背面處復(fù)合的發(fā)生，該表面可通過為其設(shè)置金屬氧化物鈍化層(例如，氧化鋁(Al2O3) 層)而被鈍化。成功的鈍化可增加有效少數(shù)電荷載流子的壽命(、ff)。本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠經(jīng)濟(jì)地制造具有高的有效少數(shù)電荷載流子壽命(例如，τ eff彡500 μ s)的太陽能電池的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個方面在于一種有效少數(shù)電荷載流子壽命(effective minority charge carrier lifetime)至少為500 μ s的太陽能電池的制造方法。該方法包括提供半導(dǎo)體晶片。該方法進(jìn)一步包括通過順次且交替地(i)暴露所述晶片的表面至第一前體(precursor)以形成該第一前體對該表面的覆蓋，以及(ii)暴露所述表面至第二前體以形成該第二前體對該表面的覆蓋，以通過在所述表面上ALD (Atomic Layer Deposition)沉積金屬氧化物層來鈍化所述表面。步驟(i)和(ii)中的至少一個在表面覆蓋達(dá)到飽和水平之前被停止。本發(fā)明的另一方面在于一種至少部分基于根據(jù)本發(fā)明的方法而制造的太陽能電池。根據(jù)本發(fā)明的方法在實(shí)驗(yàn)(稍后詳述)中找到依據(jù)，該實(shí)驗(yàn)令人驚奇地揭示了使用欠飽和(sub-saturated)ALD(S卩，在小于最大每周期生長速率(GPC Growth Per Cycle ； 以人/周期為單位進(jìn)行測量)的速率下執(zhí)行的ALD)所沉積的金屬氧化物鈍化層可提供優(yōu)良的鈍化特性。該實(shí)驗(yàn)關(guān)注于使用兩種氣態(tài)前體(三甲基鋁(TMA)和臭氧(O3))來鍍的氧化鋁層。然而，可推測不同金屬和/或使用不同前體而沉積的其他金屬氧化物層也可展現(xiàn)相似的特性。在欠飽和ALD的構(gòu)架中，已觀察到氧化鋁鈍化層的沉積處理的多個處理參數(shù)對太陽能電池的有效少數(shù)電荷載流子壽命具有顯著的影響。這些參數(shù)包括進(jìn)行鈍化層沉積的晶片溫度、在臭氧前體暴露/脈沖期間基板暴露至的臭氧濃度、以及所鍍的層的厚度。沉積處理參數(shù)范圍的謹(jǐn)慎選擇可獲得能夠提高太陽能電池的效率的高效鈍化層。 有利地，這樣的參數(shù)選擇也可降低成本，并提高太陽能生產(chǎn)過程的整體效率。參照以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將更容易被理解。


圖1是陽光入射至其上的根據(jù)本發(fā)明的示例性太陽能電池的示意性截面?zhèn)纫晥D；圖2是示出太陽能電池(鈍化Al2O3層被鍍在其背面上)的有效少數(shù)電荷載流子壽命和ALD周期時間之間的關(guān)系的柱狀圖；圖3是示出太陽能電池的有效少數(shù)電荷載流子壽命與ALD沉積期間的臭氧前體脈沖的臭氧濃度以及所鍍的Al2O3層的整體層厚的變化之間的關(guān)系的柱狀圖；圖4示意性示出TMA被用作前體的ALD處理的效率曲線；圖5是示出表1所列的配方中的每一個的TMA消耗量的柱狀圖；圖6是示出表1所列的配方中的每一個的每周期生長(GPC)的柱狀圖；圖7是示出層厚均勻性、層生長速率與ALD周期時間之間的關(guān)系的曲線圖；圖8包括對于使用表1所列的配方中的每一個來加工的晶片示出膜厚的片內(nèi)均勻性(WiW)的值(左圖)和膜厚的片間均勻性(WtW)的值(右圖)的兩個柱狀圖；以及圖9示意性示出圓形晶片的表面上的用以進(jìn)行層厚測量以評估膜厚的片內(nèi)均勻性(WiW)和膜厚的片間均勻性(WtW)的位置。
具體實(shí)施例方式ALD是一種允許以精確控制的方式沉積薄層的沉積方法。通常，ALD使用兩種或更多種交替且重復(fù)地施加至基板的氣態(tài)前體。將基板的表面暴露至所有前體的一系列的連續(xù)步驟被稱為沉積周期。每個沉積周期通常生長所期望的層的一個單層。這是因?yàn)槿缦率聦?shí)， 即，在ALD中，層生長依賴于化學(xué)吸附，該化學(xué)吸附是前體分子通過化學(xué)鍵的形成貼附至基板的表面的過程，而未進(jìn)一步發(fā)生前體分子的熱分解。當(dāng)所有的可用于與前體化學(xué)鍵合的基板表面部位已經(jīng)被覆蓋時，化學(xué)吸附自然地停止。將基板暴露至第二前體使得第二前體與經(jīng)化學(xué)吸附的第一前體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以形成固態(tài)層，直至所有的經(jīng)化學(xué)吸附的第一前體被反應(yīng)且基板以自限制(self-limiting)的方式覆蓋有經(jīng)化學(xué)吸附的第二前體。因此，ALD 是一種能夠以高質(zhì)量來共形地(conformal)涂覆層的沉積方法。該特性使其成為各行業(yè) (特別是半導(dǎo)體行業(yè)，更具體地，太陽能電池行業(yè))關(guān)注的方法。在太陽能電池行業(yè)中，一種ALD應(yīng)用是在太陽能電池的背面上沉積鈍化層 (passivation layer)。圖1是具有這種鈍化層的示例性太陽能電池的示意性截面?zhèn)纫晥D。 太陽能電池包括結(jié)晶硅本體，其在電池的制造過程中被稱為“晶片”。本體中產(chǎn)生的電流經(jīng)由電池正面和背面上的電接觸體(electrical contact)而引出。正面接觸體結(jié)構(gòu)被形成為允許光穿過的寬間隔的金屬柵格形式。在電池正面的柵格的開口中設(shè)置有抗反射涂層以最小化光反射。在背面上，硅本體設(shè)置有氧化鋁(Al2O3)鈍化層，其主要功能是防止所產(chǎn)生的少數(shù)電荷載流子在背面上的不期望的復(fù)合。在鈍化層的頂部設(shè)置有全域金屬背接觸體 (full area metal back contact)。通過適當(dāng)?shù)膿诫s，硅本體在其光接收表面附近設(shè)置有 p-n結(jié)。在操作過程中，入射在電池上的光在p-n結(jié)(即，在η型發(fā)射極和ρ型基極中)的兩側(cè)產(chǎn)生電子(e_)_空穴(h+)對。基極中產(chǎn)生的電子跨過p-n結(jié)向發(fā)射極擴(kuò)散，同時發(fā)射極中產(chǎn)生的空穴跨過P-n結(jié)向基極擴(kuò)散，從而電池兩端產(chǎn)生電壓。對電池電流的產(chǎn)生非常重要的是有效少數(shù)電荷載流子壽命τ rff，這里不再詳細(xì)描述，應(yīng)該注意的是，在數(shù)學(xué)上，Trff實(shí)質(zhì)上由兩個分量構(gòu)成一個與電池的本體或塊的特性有關(guān)，一個與電池的表面有關(guān)。后一個分量很大程度上由鈍化層的特性決定。
為了優(yōu)化鈍化層的特性，以優(yōu)化τ eff的相應(yīng)分量，已經(jīng)進(jìn)行了使用不同的ALD處理方法將氧化鋁層鍍到硅晶片的背面的實(shí)驗(yàn)。所有方法共同的是將所述表面交替且重復(fù)地暴露至兩種氣態(tài)前體，三甲基鋁(TMA)和臭氧(O3)。通過執(zhí)行多個沉積周期，生長了厚度達(dá) 30nm的層。在沉積層之后，確定太陽能電池的有效少數(shù)電荷載流子壽命\ff。此處，在相關(guān)范圍內(nèi)，用來執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括傳統(tǒng)的垂直半導(dǎo)體處理爐。該爐具有能夠接收容納一批晶片的晶片舟(wafer boat)的可加熱反應(yīng)室。在該舟中，晶片以相互間隔開的關(guān)系堆疊設(shè)置。由此，多個晶片被同時處理，這允許用于之后的相互(晶片和晶片之間)比較。設(shè)置馬達(dá)裝置以在晶片的沉積處理期間使晶片舟旋轉(zhuǎn)。通過安裝有用于氣流控制的可控閥的一系列管道來將前體和凈化氣體提供至反應(yīng)室以及從反應(yīng)室排除。 TMA前體氣體和氮(N2)凈化氣體直接從加壓的源容器中抽出，而使用被供應(yīng)氧氣(O2)的臭氧生成器來合成臭氧(O3)。供應(yīng)至臭氧生成器而沒有被轉(zhuǎn)換成臭氧的氧氣用作臭氧的載氣，因此，其也被供應(yīng)至反應(yīng)室?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到不同的ALD處理。表1列出了三種不同的ALD方法RCP1、RCP2和RCP3 的暴露時間。例如，從表1可以得出，RCPl包括將晶片的背面(即，太陽能電池的背面)向 TMA流暴露15秒、向凈化氣體流暴露14秒、向臭氧流暴露30秒以及向另一凈化氣體暴露 10秒的連續(xù)的暴露。表1的最右側(cè)一欄列出了單個ALD沉積周期的持續(xù)秒數(shù)，例如，對于 RCPl為69秒，這由前體和凈化氣體暴露的持續(xù)時間之和所得。表 權(quán)利要求
1.一種有效少數(shù)電荷載流子壽命(τ eff)至少為500μ s的太陽能電池的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體晶片；以及通過順次且交替地(i)暴露所述晶片的表面至第一前體，以形成所述第一前體對所述表面的覆蓋，以及(ii)暴露所述表面至第二前體，以形成所述第二前體對所述表面的覆蓋，以通過在所述表面上ALD沉積金屬氧化物層來鈍化所述表面，其中，步驟(i)和(ii)中的至少一個在所述表面的覆蓋達(dá)到飽和水平之前被停止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一前體是金屬前體和/或所述第二前體是氧化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述金屬氧化物層是氧化鋁 (Al2O3)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一前體包括三甲基鋁 (TMA)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二前體包括臭氧(O3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述晶片是硅晶片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述晶片的表面對不同的前體的暴露之間，利用惰性氣體，例如氮?dú)?N2)凈化反應(yīng)室。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述晶片的表面被首先暴露至非氧化劑前體，例如金屬前體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟(i)的持續(xù)時間在1至1 的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1至IOs的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1至&的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟(ii)的持續(xù)時間在1至20s 的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1至IOs的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1至&的范圍內(nèi)。
11.至少根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在步驟(ii)期間所述晶片的表面被暴露至其的所述第二前體具有在0. 1至500g/m3的范圍內(nèi)、優(yōu)選在100至300g/m3的范圍內(nèi)、更優(yōu)選約為220g/m3的臭氧濃度。
12.至少根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，凈化所述反應(yīng)室的時間間隔在1至15s的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1至IOs的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1至&的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，ALD周期時間在10至70s的范圍內(nèi)，優(yōu)選在10至25s的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在10至15s的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在沉積期間，所述晶片被保持在 150至200°C的范圍內(nèi)的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述晶片被置于100至200mTorr 的范圍內(nèi)的氣壓環(huán)境中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述金屬氧化物層的厚度在10 至30nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在15至25nm的范圍內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括確保所述第一前體和所述第二前體向所述晶片的表面的傳送基本上均勻，具體地，通過在沉積期間旋轉(zhuǎn)晶片。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，以相互間隔開的關(guān)系層疊布置的一批晶片被放置在反應(yīng)室中，其中，所述晶片中的每一個具有表面，并且其中，所述晶片的所述表面在步驟(i)期間全部暴露于所述第一前體并在步驟(ii)期間全部暴露于所述第二前體。
19.一種太陽能電池，所述太陽能電池至少部分地使用根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的方法制造。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的太陽能電池，所述太陽能電池具有大于750μ S、優(yōu)選大于 1000 μ S、更優(yōu)選大于1250 μ s的有效少數(shù)電荷載流子壽命(τ eff)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種太陽能電池及其制造方法。一種有效少數(shù)電荷載流子壽命(τeff)至少為500μs的太陽能電池的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體晶片；以及通過順次且交替地(i)暴露所述晶片的表面至第一前體，以形成所述第一前體對所述表面的覆蓋，以及(ii)暴露所述表面至第二前體，以形成所述第二前體對所述表面的覆蓋，以通過在所述表面上ALD沉積金屬氧化物層來鈍化所述表面，其中，步驟(i)和(ii)中的至少一個在所述表面的覆蓋達(dá)到飽和水平之前被停止。
文檔編號H01L31/18GK102254987SQ20111013249
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者迪特爾·皮埃雷克斯 申請人:阿斯莫國際公司