在太陽(yáng)能電池基板中形成p-n結(jié)的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的實(shí)施例關(guān)于用于選擇性射極太陽(yáng)能電池制造的單步驟擴(kuò)散工藝。在一個(gè)實(shí)施例中，將摻雜劑膠選擇性施加于基板前表面，基板的導(dǎo)電類(lèi)型與摻雜劑膠相反。接著讓基板暴露于含摻雜劑蒸汽，以在基板前表面上沉積導(dǎo)電類(lèi)型與基板相反的摻雜層。雖然基板暴露于含摻雜劑蒸汽，但部分摻雜劑膠亦可透過(guò)摻雜劑膠的摻雜原子氣相輸送而有助于摻雜層沉積。接著在包含氧和/或氮的氛圍中，將基板加熱至足以使摻雜劑膠及摻雜層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到基板內(nèi)的溫度，以形成重?fù)诫s射極區(qū)和輕摻雜射極區(qū)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】在太陽(yáng)能電池基板中形成P-N結(jié)的方法
[0001]發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例大體關(guān)于用于形成選擇性射極太陽(yáng)能電池的系統(tǒng)和工藝。
[0003]相關(guān)技術(shù)描述
[0004]太陽(yáng)能電池為將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電功率的光伏(PV)裝置。典型的太陽(yáng)能電池包括基板或晶圓，所述基板或晶圓具有形成在所述基板或晶圓中的一個(gè)或更多個(gè)p-n結(jié)。每一p-n結(jié)具有P型區(qū)和η型區(qū)。當(dāng)太陽(yáng)能電池的p-n結(jié)暴露于太陽(yáng)光(由來(lái)自光子的能量組成)時(shí)，太陽(yáng)光將藉由PV效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生一定量的電功率，并可鋪砌成用以傳遞期望系統(tǒng)功率量的模塊尺寸。
[0005]圖1A示意性地圖示選擇性射極太陽(yáng)能電池10的等角視圖。圖1B圖示圖1A所示太陽(yáng)能電池10沿線B-B截切的剖視圖。太陽(yáng)能電池10通常制造在硅基板11上，基板11包括P型基極區(qū)21、η型射極區(qū)22和設(shè)于二者之間的p-n結(jié)區(qū)23。η型射極區(qū)22藉由以某些類(lèi)型的元素?fù)诫s基板11而形成，所述元素可施予載子而增加負(fù)電荷載子(即電子)的數(shù)量。同樣地，可藉由將三價(jià)摻雜劑原子加入晶格，使正常硅晶格的四價(jià)鍵之一缺少電子而形成P型基極區(qū)21。摻雜劑原子接受電子，造成相鄰原子的鍵損失一半而形成“空穴”。
[0006]當(dāng)太陽(yáng)能電池10暴露于光時(shí),來(lái)自入射光子的能量會(huì)在p-n結(jié)區(qū)23兩側(cè)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子和空穴反向擴(kuò)散，以致在η型射極區(qū)22中形成負(fù)電荷及在P型基極區(qū)21中形成相應(yīng)正電荷。當(dāng)P-n結(jié)暴露于特定光波長(zhǎng)時(shí)，η型射極區(qū)22與ρ型基極區(qū)21之間將形成電路而有電流流動(dòng)。產(chǎn)生的電流流過(guò)設(shè)于前側(cè)18 (即光接收側(cè))的導(dǎo)電觸點(diǎn)14 (已知為接觸指)和設(shè)于太陽(yáng)能電池10之背側(cè)19的背部觸點(diǎn)25。導(dǎo)電觸點(diǎn)14將電流供應(yīng)至較大匯流條15(圖1Α)。太陽(yáng)能電池10通常覆蓋介電材料薄層以充當(dāng)抗反射涂層16，以使光從太陽(yáng)能電池10的頂表面22Α的反射最少。
[0007]為加強(qiáng)與太陽(yáng)能電池10的接觸，導(dǎo)電觸點(diǎn)14設(shè)在形成于基板表面內(nèi)的重?fù)诫s區(qū)17之上，使之與η型射極區(qū)22有低接觸電阻。由于它們的電性質(zhì)，重?fù)诫s區(qū)17易阻擋或使可貫穿光量最少。因此，想要使重?fù)诫s區(qū)17的尺寸最小，同時(shí)確保這些區(qū)足夠大以在導(dǎo)電觸點(diǎn)14與η型射極區(qū)22之間提供適當(dāng)傳導(dǎo)性。
[0008]η型射極區(qū)22通常利用二步驟摻雜劑擴(kuò)散工藝來(lái)制造較重和較輕摻雜的區(qū)域而形成在基板表面。通常，將一種或更多種摻雜材料選擇性施加且干燥于基板前表面。接著使基板在高溫下經(jīng)受第一擴(kuò)散步驟，促使摻雜材料驅(qū)入或擴(kuò)散到基板前表面內(nèi)而形成重?fù)诫s區(qū)17。隨后，在更低溫下的第二擴(kuò)散步驟中，使基板前表面暴露于含摻雜劑的蒸汽或氣體，驅(qū)使摻雜劑原子進(jìn)入前表面而形成輕摻雜區(qū)24。然而，此二步驟摻雜劑擴(kuò)散工藝在制造工藝中需要高熱預(yù)算，且導(dǎo)致處理時(shí)間增加及基板產(chǎn)量降低。
[0009]因此，需要形成選擇性射極太陽(yáng)能電池的改良工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)制作太陽(yáng)能電池的改良工藝。在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于形成太陽(yáng)能電池的方法包括:選擇性施加摻雜劑材料層至基板表面上，摻雜劑材料層的導(dǎo)電類(lèi)型與基板相反；在富氧環(huán)境中，提高基板溫度，使摻雜劑材料層擴(kuò)散到基板表面內(nèi)；使基板暴露于含摻雜劑蒸汽，以在基板表面上沉積摻雜層，摻雜層的導(dǎo)電類(lèi)型與基板相反；以及將基板加熱至足以使摻雜劑材料中的摻雜劑原子和摻雜劑層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到紋理化表面內(nèi)期望距離的溫度。
[0011]在另一實(shí)施例中，一種形成太陽(yáng)能電池的方法包括:使基板的表面紋理化；選擇性施加摻雜劑材料層至基板的紋理化表面，摻雜劑材料層的導(dǎo)電類(lèi)型與基板相反；使基板暴露于含摻雜劑蒸汽，以在紋理化表面上沉積摻雜層，摻雜層的導(dǎo)電類(lèi)型與基板相反；以及將基板加熱至足以使摻雜劑材料中的摻雜劑原子和摻雜劑層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到紋理化表面內(nèi)期望距離的溫度。
[0012]在又一實(shí)施例中，一種形成太陽(yáng)能電池的方法包括:使基板的表面紋理化；選擇性施加摻雜劑材料層至基板的紋理化表面，摻雜劑材料層的導(dǎo)電類(lèi)型與基板相反；使基板暴露于含摻雜劑蒸汽，以在紋理化表面上沉積摻雜層，摻雜層的導(dǎo)電類(lèi)型與基板相反；以及將基板加熱至足以使摻雜劑材料中的摻雜劑原子擴(kuò)散到基板內(nèi)而形成重?fù)诫s區(qū)圖案并使摻雜劑層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到紋理化表面內(nèi)而形成輕摻雜場(chǎng)區(qū)的溫度，其中輕摻雜區(qū)形成在重?fù)诫s區(qū)之間。
[0013]附圖簡(jiǎn)述
[0014]為讓本發(fā)明的上述概要特征更明顯易懂，可配合參考實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的更特定描述，所述實(shí)施例部分圖示在附圖中。然而，需要注意附圖僅說(shuō)明本發(fā)明的典型實(shí)施例，故不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可容許其他等效實(shí)施例。
[0015]圖1A為選擇性射極太陽(yáng)能電池的等角視圖。
[0016]圖1B為沿線B-B截切圖1A所示太陽(yáng)能電池的剖視圖。
[0017]圖2為示例性的串聯(lián)處理系統(tǒng)的平面圖，所述系統(tǒng)用于使用根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的處理程序來(lái)形成選擇性射極太陽(yáng)能電池。
[0018]圖3A至圖3H為太陽(yáng)能電池基板在使用根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的處理程序的不同階段期間的示意性剖視圖。
[0019]圖4為處理程序的方塊圖，所述程序用于使用圖2的示例性串聯(lián)系統(tǒng)來(lái)形成圖3A至圖3H所示的選擇性射極太陽(yáng)能電池。
[0020]附錄含有常規(guī)工藝和根據(jù)本文所述實(shí)施例的各種不同工藝實(shí)施例的說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)用于制作太陽(yáng)能電池的改良工藝。特別地，本發(fā)明的實(shí)施例提供單步驟擴(kuò)散工藝，用以在約850°C或以下的較低溫度下，利用摻雜劑膠(摻雜劑膠通常不易在低溫下擴(kuò)散)，制造選擇性射極太陽(yáng)能電池。在一個(gè)實(shí)施例中，使P型基板的前表面紋理化，并在所述基板的前表面上選擇性施加η型摻雜劑膠及可選地在基板前表面上干燥。接著將基板暴露于含摻雜劑蒸汽，例如氧氯化磷(POCl3),以沉積摻雜層至基板前表面。雖然基板暴露于POCl3蒸汽，但摻雜劑膠的一部分亦可透過(guò)摻雜劑膠的磷氣相輸送而有助于摻雜層沉積，進(jìn)而改良基板表面附近的P原子摻雜效率。接著在包含氮及/或氧的氛圍中，加熱且退火處理基板至足以同時(shí)活化且促使摻雜劑膠及摻雜層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到基板內(nèi)預(yù)定距離的溫度，以形成重?fù)诫s射極區(qū)和輕摻雜射極區(qū)。
[0022]在不同實(shí)施例中，重?fù)诫s區(qū)具有低的片電阻(sheet resistance)，以在射極區(qū)與后續(xù)形成的導(dǎo)電觸點(diǎn)之間提供高導(dǎo)電路徑；反之，輕摻雜區(qū)具有較高片電阻，以降低載子復(fù)合且吸收最少光，使增加的光量透射至P-n結(jié)而轉(zhuǎn)換成電流。本發(fā)明的單步驟擴(kuò)散工藝能以降低的熱預(yù)算和增加的基板產(chǎn)量來(lái)制造太陽(yáng)能電池。此外，太陽(yáng)能電池前表面附近的摻雜效率比常規(guī)二步驟擴(kuò)散工藝明顯得到改良。本發(fā)明的擴(kuò)散工藝十分適合雜質(zhì)量比單晶CZ娃聞的多晶、精練冶金娃、單晶鑄造娃。在較聞溫度(例如聞?dòng)?50°C )下，娃晶圓中的雜質(zhì)會(huì)縮短少數(shù)載子壽命，從而導(dǎo)致太陽(yáng)能電池性能平庸。
[0023]圖2為示例性串聯(lián)處理系統(tǒng)的示意性平面圖，所述系統(tǒng)利用根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的處理程序來(lái)形成選擇性射極太陽(yáng)能電池。串聯(lián)處理系統(tǒng)200包括第一清潔腔室210、摻雜劑施加腔室220、干燥腔室230、熱處理腔室240、第二清潔腔室250、沉積腔室260和腔室控制器290。在串聯(lián)處理系統(tǒng)200中，基板(例如圖3A至圖3H所示基板302)支撐在一個(gè)或更多輸送器205上且傳送通過(guò)串聯(lián)處理系統(tǒng)200。輸送器205可包括多個(gè)輸送帶,輸送帶由諸如一個(gè)或更多個(gè)電機(jī)之類(lèi)的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。應(yīng)注意圖2所示串聯(lián)處理系統(tǒng)僅為用于制造本發(fā)明的選擇性射極太陽(yáng)能電池的示例性系統(tǒng)構(gòu)造?？梢暪に嚪桨富驊?yīng)用來(lái)增設(shè)、刪除及/或重排一個(gè)或更多個(gè)腔室。
[0024]腔室控制器290為通用計(jì)算機(jī)，用以控制串聯(lián)處理系統(tǒng)200中存在的一個(gè)或更多個(gè)部件/腔室。腔室控制器290通常設(shè)計(jì)成協(xié)助整個(gè)系統(tǒng)的控制及自動(dòng)化，且控制器290可包括中央處理單元(CPU)(未圖示)、存儲(chǔ)器(未圖示)和支援電路(未圖示)。CPU可為任一型式的計(jì)算機(jī)處理器，所述計(jì)算機(jī)處理器可用于工業(yè)設(shè)定來(lái)控制各種腔室工藝及硬件(例如輸送器、電機(jī)、流體傳遞硬件、激光硬件、熱處理硬件、清潔硬件)，且監(jiān)控系統(tǒng)及腔室工藝(例如基板位置、工藝時(shí)間)。存儲(chǔ)器連接至CPU，且存儲(chǔ)器可為一個(gè)或更多個(gè)容易取得的存儲(chǔ)器，例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、軟盤(pán)、硬盤(pán)、或任何其他類(lèi)型的本地或遠(yuǎn)端數(shù)字存儲(chǔ)器。軟件指令及數(shù)據(jù)可加以編碼且存入存儲(chǔ)器，用以指示CPU。支援電路亦連接至CPU，以藉由常規(guī)方式支援處理器。支援電路可包括高速緩存、電源、時(shí)鐘電路、輸入/輸出電路等。腔室控制器290可讀取的程序(或計(jì)算機(jī)指令)決定可在基板302上執(zhí)行的任務(wù)。程序可為腔室控制器290可讀取的軟件，所述軟件包括編碼以產(chǎn)生且存儲(chǔ)至少基板位置信息、各種控制部件的移動(dòng)順序、清潔處理信息、熱處理信息和上述任何組合物。
[0025]圖3A至圖3H為太陽(yáng)能電池基板300在利用根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例的處理程序400的不同階段期間的示意性剖視圖。圖4為處理程序的方塊圖，所述程序利用圖2的示例性串聯(lián)系統(tǒng)來(lái)形成圖3A至圖3H所示的太陽(yáng)能電池。圖4所示程序?qū)?yīng)于圖3A至圖3H所示階段。雖然圖3A至圖3H只圖示前側(cè)結(jié)構(gòu)，然而可設(shè)想可在任何預(yù)定階段在太陽(yáng)能電池基板的背側(cè)上形成一層或更多層金屬背側(cè)接觸結(jié)構(gòu)。
[0026]在本發(fā)明的不同實(shí)施例中，基板可由單結(jié)晶硅(mono-Si)或多結(jié)晶硅(mc_Si)形成。結(jié)晶娃基板可為電子級(jí)娃基板或低壽命、富缺陷的娃基板，例如精練冶金級(jí)(UMG)結(jié)晶硅基板。精練冶金級(jí)(UMG)硅是相對(duì)干凈的多晶硅原料，UMG硅具有低的重金屬及其他有害雜質(zhì)濃度(較佳為百萬(wàn)分之一范圍)，但UMG硅亦可視來(lái)源含有高濃度的硼或磷。在一些應(yīng)用中，基板可以是以射極穿透(EWT)方式、金屬盤(pán)繞(MWA)方式或金屬穿透(MWT)方式制備的背部接觸硅基板。通常，MWA和MWT具有在前表面上的金屬集流網(wǎng)格。所述網(wǎng)格分別盤(pán)繞邊緣或穿孔至背部表面，以制作背部接觸電池。至于EWT電池則無(wú)金屬覆蓋在電池前側(cè)。EffT電池透過(guò)硅晶圓中的摻雜導(dǎo)電通道從前表面到后表面盤(pán)繞集流結(jié)(“射極”)。此導(dǎo)電通道的制造例如為利用激光在硅基板內(nèi)鉆孔，然后在前表面與后表面形成射極的同時(shí)，在所述孔內(nèi)形成射極。EWT電池相關(guān)的進(jìn)一步說(shuō)明可參見(jiàn)名稱(chēng)為“Method Of Making A BackContacted Solar Cell (制造背部接觸太陽(yáng)能電池的方法)”的美國(guó)專(zhuān)利第5，468，652號(hào)。
[0027]在圖4所示步驟402中，在第一清潔腔室210中提供基板302 (圖2)，且進(jìn)行可選的清潔工藝來(lái)清潔基板302的表面，以移除任何不希望有的材料。如圖3A所示，基板302具有前表面304和背部表面305，背部表面305通常與前表面304相反且在基板302的相反偵U。基板302可由單晶硅(mono-Si)或多晶硅(mc-Si)形成。在一個(gè)實(shí)例中，基板302是ρ型結(jié)晶硅(c-Si)基板。雖然圖3Α至圖3Η和所述圖的相關(guān)說(shuō)明主要討論ρ型c-Si基板的使用，但本構(gòu)造不旨在限制本發(fā)明的范圍，因?yàn)樵诓幻撾x本文所述本發(fā)明實(shí)施例的基本范圍內(nèi)，亦可使用η型c-Si基板。形成于基板上的摻雜層或射極將基于所使用的基板類(lèi)型而變，如下文將討論。
[0028]在步驟402中的可選清潔工藝期間，可利用等離子體清潔工藝或濕式清潔工藝來(lái)清潔基板302，其中基板被噴灑上清潔液。清潔液可為任何常規(guī)清潔液,例如氫氟酸最后處理(HF-1ast)型清潔液、臭氧水清潔液、氫氟酸(HF)和過(guò)氧化氫(H2O2)溶液或其他適合的清潔液。清潔工藝可在基板302上進(jìn)行約5秒與約600秒之間，例如約120秒。
[0029]在圖4所示步驟404中，在第一清潔腔室210 (圖2)中，在基板302的表面304進(jìn)行紋理化蝕刻工藝，以形成紋理化表面306 (如圖3Β所示)。紋理化表面306通常為太陽(yáng)能電池形成后適于接收太陽(yáng)光的太陽(yáng)能電池基板前側(cè)。紋理化表面306經(jīng)形成以加強(qiáng)光陷入太陽(yáng)能電池，進(jìn)而改良轉(zhuǎn)換效率。在一個(gè)實(shí)例中，以包含在約2.7體積％的氫氧化鉀(KOH)與約4500ppm的300MW PEG之間且維持呈約79°C至80°C的溫度的蝕刻液蝕刻基板約30分鐘。在一個(gè)實(shí)施例中，用于蝕刻娃基板的蝕刻液可為氫氧化鉀(KOH)水溶液、氫氧化鈉(NaOH)、氨水(NH4OH)、四甲基氫氧化銨(TMAH ； (CH3) 4Ν0Η)或其他類(lèi)似堿性溶液。蝕刻液通常將各向異性地蝕刻基板302，而在基板302的紋理化表面306上形成角錐。示例性清潔工藝(步驟402)或紋理化蝕刻工藝(步驟404)的實(shí)例例如參見(jiàn)2009年3月23日申請(qǐng)、名稱(chēng)為 “SURFACE CLEANING AND TEXTURING PROCESS FOR CRYSTALLINE SOLAR CELLS (用于結(jié)晶太陽(yáng)能電池的表面清潔及紋理化工藝)”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第12/383，350號(hào)。
[0030]在圖4所示步驟406中，在摻雜劑施加腔室220 (圖2)中，施加摻雜劑材料308至基板302的紋理化表面306 (如圖3C所示)。雖然圖3C圖示摻雜劑材料308僅施加至基板302的紋理化表面306，但在一些實(shí)施例中，摻雜劑材料308可施加至基板302兩側(cè)。在基板302為ρ型基板的情況下,摻雜劑材料308為η型摻雜劑材料。用于娃太陽(yáng)能電池制造的典型η型摻雜劑為例如磷(P)、砷(As)或銻(Sb)的元素。摻雜劑材料308可為氧氯化磷(P0C13)。其他實(shí)例可包括但不限于多磷酸、磷硅酸鹽玻璃前驅(qū)物、磷酸(Η3Ρ04)、亞磷酸(H3PO3 )、次磷酸(H3PO2)和/或上述物質(zhì)的各種銨鹽。在基板302為η型基板的情況下，摻雜劑材料308可為ρ型摻雜劑材料，例如硼酸(H3BO3)15在任一情況下，可利用網(wǎng)印、噴墨印刷、噴霧沉積、橡皮沖壓、激光擴(kuò)散或其他類(lèi)似工藝，按照預(yù)定圖案沉積或印刷摻雜劑材料308。摻雜劑材料308最初可為液體、膠或凝膠，用以在后續(xù)處理步驟中在基板302內(nèi)形成重?fù)诫s區(qū) 312 (圖 3E)。[0031]在圖4所示步驟408中，在干燥腔室230 (圖2)中，可選地處理基板302，以將摻雜劑材料308干燥成均勻且更堅(jiān)實(shí)的狀態(tài)?？梢栽诩s50°C與約500°C之間的期望溫度下處理基板302。如圖3C所示，干燥腔室230的溫度宜控制得夠高，以將摻雜劑材料308干燥成至少“膠粘”狀態(tài)、致密化和/或與基板302的前表面304形成接合，而溫度夠低致使摻雜劑材料中的摻雜劑原子不擴(kuò)散到基板302內(nèi)。
[0032]在圖4所示步驟410中，在熱處理腔室240 (圖2)中，將基板302逐漸加熱至高于約8000C的溫度。熱處理腔室240的溫度可按在約25°C /秒與約500°C /秒之間的提高速率從約700°C的穩(wěn)定溫度提高至約850°C。在一個(gè)實(shí)例中，視目標(biāo)片電阻值而定，在存有氧氣
(O2)或存有氧氣(O2)及氮?dú)?N2)的環(huán)境中，將基板302逐漸加熱至在約750°C與約1000°C之間的溫度范圍(例如在約800°C與約850°C之間)達(dá)到在約I分鐘與約120分鐘之間，例如在約15分鐘與約30分鐘之間。在溫度提高期間也可設(shè)想其他氣體，例如氫氣(H2)、空氣或上述氣體的組合物。
[0033]雖然未清楚繪示，但在此溫度提高期間熱處理基板302亦會(huì)導(dǎo)致?lián)诫s劑材料308中的摻雜原子稍微或部分?jǐn)U散到基板302的紋理化表面306內(nèi)，進(jìn)而改良基板302的前表面304附近的P原子的摻雜效率。在一個(gè)實(shí)例中，在快速熱退火(RTA)腔室中，在富氧(O2)環(huán)境中，將基板302逐漸加熱至約800°C至約850°C的溫度范圍?；蛘?，在富氮(N2)環(huán)境中，逐漸加熱基板302?？尚薷亩瓿蔁崽幚聿襟E的一示例性串聯(lián)處理系統(tǒng)為美國(guó)加州圣克拉拉市的應(yīng)用材料公司制造的ATON系統(tǒng)。
[0034]在圖4所示步驟412中，雖然在熱處理腔室240 (圖2)中熱處理基板302，但也可將期望的含摻雜劑氣體(例如氧氯化磷(POCl3))供應(yīng)至腔室240內(nèi)，使基板302的前表面304暴露于POCl3蒸汽，進(jìn)而在基板302的紋理化表面306上沉積含POCl3的摻雜層310(如圖3D所示)。摻雜層310通常為形成在摻雜劑材料308之間的薄層。在一個(gè)實(shí)例中，摻雜層310的層厚度可為從約10 A至約90000 A，例如30000 A，所述層厚度視沉積時(shí)間而改變。雖然未繪示，但摻雜層310的部分亦沉積在摻雜劑材料308上和在摻雜劑材料308之間。應(yīng)設(shè)想，雖然摻雜劑材料308和摻雜層310顯示在不同階段被沉積，但摻雜層310可在摻雜劑材料308形成期間形成。例如，如圖3D所示，可在基板302的紋理化表面306上沉積或印刷期望圖案的摻雜劑材料308，同時(shí)使基板302暴露于期望的含摻雜劑氣體，例如氧氯化磷(POCl3)蒸汽，進(jìn)而在摻雜劑材料308上和/或在摻雜劑材料308之間形成摻雜層310的部分。
[0035]步驟412可在存有氮?dú)?N2)及/或氧氣(O2)的環(huán)境中進(jìn)行，且步驟412可選地包括載氣，例如氫氣、氦氣、気氣或其他適合的氣體。若有需要，則可在沉積摻雜層310前,進(jìn)行將熱處理腔室240的溫度維持呈約850°C的可選的穩(wěn)定步驟約I分鐘至35分鐘。在采用η型太陽(yáng)能電池基板的情況下，可使基板302的前表面304暴露于蒸汽，例如多磷酸、磷硅酸鹽玻璃前驅(qū)物、磷酸(Η3Ρ04)、亞磷酸(Η3Ρ03)、次磷酸(成?02)和/或上述物質(zhì)的各種銨鹽，以在紋理化表面306上沉積摻雜層。
[0036]在沉積摻雜層310期間，亦會(huì)使部分摻雜劑材料308蒸發(fā)，以致輕度摻雜基板302的暴露區(qū)(即摻雜劑材料308外的表面區(qū)域)而形成摻雜層310的部分。即，雖然基板302暴露于含摻雜劑的蒸汽，但摻雜劑材料308的部分亦可通過(guò)來(lái)自摻雜劑材料308的摻雜原子氣相輸送而有助于摻雜層310沉積。因此，可進(jìn)一步改良基板302的表面附近的摻雜原子的摻雜效率。在步驟412的一些實(shí)例中，摻雜層310僅通過(guò)摻雜劑材料308的摻雜原子氣相輸送而形成，而未使基板302暴露于含摻雜劑氣體。雖然未繪不，但應(yīng)設(shè)想在熱處理基板302期間，摻雜劑材料308的一些部分亦可沉積在基板302的背側(cè)。
[0037]在圖4所示步驟414中，停止供應(yīng)含摻雜劑氣體(例如POCl3),且在熱處理腔室240中進(jìn)行單步驟擴(kuò)散工藝，使摻雜劑材料308中的摻雜原子和摻雜層310中的摻雜原子共同深度擴(kuò)散到基板302的前表面304內(nèi)，進(jìn)而形成重?fù)诫s區(qū)312和輕摻雜區(qū)314 (如圖3E所示)。通常通過(guò)在例如約850°C或以下的預(yù)定溫度下將熱能傳遞到基板302達(dá)預(yù)定時(shí)間段，來(lái)退火處理基板302，視給定熱能而定，所述時(shí)間段足以同時(shí)活化且促使摻雜劑材料308和摻雜層310中的摻雜劑原子(例如磷)擴(kuò)散到基板302內(nèi)期望距離。在某些應(yīng)用中，期望在較低溫度范圍下退火，例如在約800°C與約850°C之間，例如在約825°C與約835°C之間，因?yàn)樵谳^低溫度范圍下退火降低了制造工藝的熱預(yù)算。因此具降低的熱預(yù)算的創(chuàng)新的單步驟擴(kuò)散工藝不僅有利單晶娃基板，還適合富缺陷基板，例如多結(jié)晶(多晶)娃基板和精練冶金級(jí)(UMG)硅基板，所述基板制造比高純度多晶硅便宜，進(jìn)而可降低太陽(yáng)能電池的制造成本。
[0038]圖3E的虛線繪示摻雜劑材料308和摻雜層310已擴(kuò)散到基板302的前表面304內(nèi)之后的基板302的狀態(tài)。所形成的結(jié)構(gòu)提供η型射極區(qū)，η型射極區(qū)具有輕摻雜區(qū)314形成于基板302的前表面304上的重?fù)诫s區(qū)312之間的分布。根據(jù)基板內(nèi)的射極深度要求，退火后，輕摻雜區(qū)314的層厚度可為從約10 A至約90000 Α,例如30000 K,同時(shí)重?fù)诫s區(qū)312的層厚度可為從約10 A至約30000 A或更厚。在一個(gè)實(shí)例中，重?fù)诫s區(qū)312包括基板302的前表面區(qū)域的約5%與約85%之間。進(jìn)行步驟414的工藝后，重?fù)诫s區(qū)312的摻雜水平大于或等于約I X IO19原子/立方厘米，且輕摻雜區(qū)314的摻雜水平小于或等于約I X IO18原子/立方厘米。雖然未論及，然而可設(shè)想重?fù)诫s區(qū)或輕摻雜區(qū)的摻雜水平可藉由增加或減小含摻雜劑環(huán)境的濃度來(lái)控制。
[0039]可在存有氮與氧的氛圍中，以約850°C進(jìn)行步驟414的單步驟擴(kuò)散工藝約30分鐘至約120分鐘?；蛘?，可在存有氮、氧及氧氯化磷(POCl3)的環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)散。在一些應(yīng)用中，可期望在富氮或純氮氛圍中，以約850°C進(jìn)行單步驟擴(kuò)散工藝約I分鐘至60分鐘，然后在富氧或純氧氛圍中，以約850°C進(jìn)行約I分鐘至60分鐘。若有需要，可在整個(gè)擴(kuò)散工藝中，在富氮或純氮氛圍中進(jìn)行此單步驟擴(kuò)散工藝。
[0040]在完成步驟414的擴(kuò)散后，基板302的重?fù)诫s區(qū)312的片電阻(Rs)通常小于80 Ω/，例如在約20Ω/與約70 Ω/之間，例如在約55Ω/與約60 Ω/之間，同時(shí)輕摻雜區(qū)314 (即除重?fù)诫s區(qū)312外的場(chǎng)區(qū))的片電阻(Rs)通常大于約60 Ω/，例如在約80Ω/與約120 Ω /之間。單步驟擴(kuò)散工藝能在基板302的前表面304提供低射極片電阻及高射極片電阻。具有高片電阻的輕摻雜區(qū)314有利于降低載子復(fù)合，反之具低片電阻的重?fù)诫s區(qū)312則可提供良好的歐姆接觸。因此，基板302具有重?fù)诫s區(qū)312的網(wǎng)格圖案，所述重?fù)诫s區(qū)提供極低電阻以在射極區(qū)與后續(xù)形成的導(dǎo)電觸點(diǎn)之間提供高導(dǎo)電路徑。具有高片電阻的場(chǎng)區(qū)(即輕摻雜區(qū)314)可降低載子復(fù)合且吸收最少光，讓增加的光量透射至p-n結(jié)323而轉(zhuǎn)換成電流。形成的重?fù)诫s區(qū)312的圖案被配置以匹配圖案化金屬接觸結(jié)構(gòu)，例如上述參考圖1A及圖1B所討論的導(dǎo)電觸點(diǎn)14。
[0041]在圖4所示步驟416中，在完成單步驟擴(kuò)散工藝后，在熱處理腔室240中，可將基板302逐漸冷卻至期望溫度(如圖2及圖4所示)?？砂凑赵诩s5°C /秒與約350°C /秒之間的降溫速率，例如約150°C /秒，使基板302的溫度從約850°C的擴(kuò)散溫度降至約700°C或以下的期望溫度，例如約室溫。
[0042]在圖4所示步驟418中，在完成步驟416的工藝后，在第二清潔腔室250 (圖2)中，在基板302上進(jìn)行可選的清潔工藝，以從基板302上移除任何不希望有的殘留物或氧化物，例如擴(kuò)散步驟期間形成的磷硅酸鹽玻璃氧化物?？砂凑疹?lèi)似上述關(guān)于步驟402討論的方式進(jìn)行清潔工藝。清潔工藝可在基板302上進(jìn)行約5秒與約600秒之間，例如約30秒至約240秒。
[0043]在圖4所示步驟420中，在沉積腔室260 (圖2)中，在基板302的前表面304上形成抗反射層316 (如圖3F所示)?？狗瓷鋵?16亦可包括透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層(未繪示)。在一個(gè)實(shí)例中，抗反射層316可為薄鈍化/抗反射層，例如氧化硅或氮化硅。在需要異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池的一些實(shí)施例中，鈍化/抗反射層可包括薄(20 A至I(K) A)本征無(wú)定形硅(1-a-S1:H)層和ARC層(例如氮化硅)，鈍化/抗反射層可在沉積腔室260中使用物理氣相沉積(PVD)工藝或化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝沉積而得。
[0044]在圖4所示步驟422中，如圖3G所示，可選地蝕刻抗反射層316的部分以暴露重?fù)诫s區(qū)312的區(qū)域324，使得后續(xù)沉積的導(dǎo)電觸點(diǎn)可密切接觸暴露的重?fù)诫s區(qū)312而放置。因此，蝕刻圖案將匹配用于形成重?fù)诫s區(qū)312的圖案?？捎糜趫D案化抗反射層316的典型蝕刻工藝可包括圖案化及干蝕刻技術(shù)、激光消融技術(shù)、圖案化及濕蝕刻技術(shù)或其他適合工藝?；蛘?，后續(xù)沉積的導(dǎo)電觸點(diǎn)318 (步驟424中)可燒穿抗反射層316，而不需蝕刻抗反射層 316。
[0045]在圖4所示步驟424中，如圖3H所示，在沉積腔室260 (圖2)中，按照?qǐng)D案沉積導(dǎo)電觸點(diǎn)318至基板302上暴露的重?fù)诫s區(qū)312上。導(dǎo)電觸點(diǎn)318的厚度可為在約500 A與約50000 A之間，寬度為約IOum至約200 μ m,且導(dǎo)電觸點(diǎn)318含有金屬，例如鋁(Al)、銀(Ag)、錫(Sn)、鈷(Co)、錸(Rh)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鈀(Pd)、鑰(Mo)、鈦(Ti)、釩(V)、鎢(W)或鉻(Cr)。在一個(gè)實(shí)例中，導(dǎo)電觸點(diǎn)318是含有銀(Ag)或錫(Sn)的金屬膠，并按照匹配用于形成重?fù)诫s區(qū)312的圖案，通過(guò)首先網(wǎng)印金屬膠及加熱金屬膠達(dá)預(yù)定溫度來(lái)燒結(jié)此膠，以沉積圖案。網(wǎng)印工藝可通過(guò)可從Baccini S.p.A (美國(guó)加州圣克拉拉市的應(yīng)用材料公司的分部)的Softline?工具進(jìn)行。沉積腔室260的實(shí)例進(jìn)一步詳述于2009年4月6日申請(qǐng)、名稱(chēng)為“NEXT GENERATION SCREEN PRINTING SYSTEM (下一代網(wǎng)印系統(tǒng))”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第12/418, 912號(hào)和2008年11月19日申請(qǐng)、名稱(chēng)為“SOLAR CELL CONTACTFORMATION PROCESS USING A PATTERNED ETCHANT MATERIAL (使用圖案化蝕刻材料進(jìn)行太陽(yáng)能電池觸點(diǎn)形成工藝)”的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)案第2009/0142880號(hào)。
[0046]在圖4所示步驟424后，傳遞熱至導(dǎo)電觸點(diǎn)318，促使導(dǎo)電觸點(diǎn)318中的金屬形成電性連接至重?fù)诫s區(qū)312。加熱工藝可在沉積腔室260內(nèi)的加熱爐中進(jìn)行。可用于進(jìn)行步驟424的工藝步驟的加熱爐的一個(gè)實(shí)例進(jìn)一步描述于共同轉(zhuǎn)讓且共同待審的2008年10 月 24 日申請(qǐng)、名稱(chēng)為 “SOLAR CELL CONTACT FORMATION PROCESS USING A PATTERNEDETCHANT MATERIAL (利用圖案劃蝕刻材料的太陽(yáng)能電池觸點(diǎn)形成工藝)”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第 12/274,023 號(hào)。[0047]上述本發(fā)明關(guān)于制作太陽(yáng)能電池的改良方法。特別地，本發(fā)明的實(shí)施例提供單步驟擴(kuò)散工藝，用以在約850°C或以下的較低溫度下制造選擇性射極太陽(yáng)能電池。在不同實(shí)施例中，選擇性施加摻雜劑膠(且可選地)干燥于基板的紋理化前表面。接著使基板暴露于期望的含摻雜劑蒸汽，例如氧氯化磷(POCl3),以沉積摻雜層至基板前表面。在基板暴露于POCl3蒸汽的同時(shí)，部分摻雜劑膠亦可透過(guò)摻雜劑膠的磷氣相輸送而有助于摻雜層沉積，進(jìn)而改良基板表面附近的P原子摻雜效率。接著在包含氮和/或氧的氛圍中，加熱及退火處理基板至足以同時(shí)活化且促使摻雜劑膠及摻雜層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到基板內(nèi)期望距離的溫度，以形成重?fù)诫s射極區(qū)和輕摻雜射極區(qū)。具有低片電阻的重?fù)诫s區(qū)提供在射極區(qū)與后續(xù)形成的導(dǎo)電觸點(diǎn)之間的高導(dǎo)電路徑。具有高電阻的輕摻雜區(qū)則降低載子復(fù)合且吸收最少光，使增加的光量透射至P-n結(jié)而轉(zhuǎn)換成電流。創(chuàng)新的單步驟擴(kuò)散工藝能以增加的基板產(chǎn)量和降低的熱預(yù)算來(lái)制造太陽(yáng)能電池，并且亦開(kāi)啟富缺陷基板的機(jī)會(huì)，例如多結(jié)晶(多晶)硅基板和精練冶金級(jí)(UMG)硅基板，進(jìn)而降低太陽(yáng)能電池的制造成本。另外，與常規(guī)二步驟擴(kuò)散工藝相比，根據(jù)本發(fā)明的工藝亦顯著改良太陽(yáng)能電池前表面附近的摻雜效率。
[0048]雖然以上針對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，但在不脫離本發(fā)明基本范圍的情況下，當(dāng)可策劃本發(fā)明的其他和進(jìn)一步實(shí)施例，且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)確定。
【權(quán)利要求】
1.一種形成太陽(yáng)能電池的方法，所述方法包括以下步驟: 選擇性施加摻雜劑材料層至基板的表面，所述摻雜劑材料層的導(dǎo)電類(lèi)型與所述基板相反； 在富氧環(huán)境中，提高所述基板的溫度，以使所述摻雜劑材料層擴(kuò)散到所述基板的所述表面內(nèi)； 使所述基板暴露于含摻雜劑蒸汽，以在所述基板的所述表面上沉積摻雜層，所述摻雜層的導(dǎo)電類(lèi)型與所述基板相反；以及 將所述基板加熱至足以使所述摻雜劑材料中的摻雜劑原子和所述摻雜劑層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到所述表面內(nèi)期望距離的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中提高所述基板的溫度的步驟包括以下步驟:以約5°C /秒至約150°C /秒的升溫速率，將所述基板的溫度升高至在約800°C與約850°C之間的范圍內(nèi)的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中加熱所述基板在約800°C與約850°C的溫度范圍下進(jìn)行。
4.一種形成太陽(yáng)能電池的方法，所述方法包括以下步驟: 使基板的表面紋理化； 選擇性施加摻雜劑材料層至所述基板的所述紋理化表面，所述摻雜劑材料層的導(dǎo)電類(lèi)型與所述基板相反； 使所述基板暴露于含摻雜劑蒸汽，以在所述紋理化表面上沉積摻雜層，所述摻雜層的導(dǎo)電類(lèi)型與所述基板相反；以及 將所述基板加熱至足以使所述摻雜劑材料中的摻雜劑原子和所述摻雜劑層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到所述紋理化表面內(nèi)期望距離的溫度。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 在使所述基板暴露于所述含摻雜劑蒸汽前，提高所述基板的溫度至預(yù)定溫度，以使所述摻雜劑材料中的摻雜原子擴(kuò)散到所述基板的所述紋理化表面內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中提高所述基板的溫度的步驟包括以下步驟:以約5°C /秒至約350°C /秒的升溫速率，將所述基板的所述溫度升高至在約800°C與約850°C之間的范圍內(nèi)的溫度。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中提高所述基板的溫度是在包括氧氣(O2)的氛圍中進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求4所述之方法，其中使所述基板暴露于所述含摻雜劑蒸汽是在包括氮?dú)?N2)和/或氧氣(O2)的氛圍中進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中在使所述基板暴露于所述含摻雜劑蒸汽期間，使所述摻雜劑材料層的部分蒸發(fā)，以致輕度摻雜所述基板的所述紋理化表面。
10.一種形成太陽(yáng)能電池的方法，所述方法包括以下步驟: 選擇性施加摻雜劑材料層至基板的表面，所述摻雜劑材料層的導(dǎo)電類(lèi)型與所述基板相反； 使所述基板暴露于含摻雜劑蒸汽，以在所述表面上沉積摻雜層，所述摻雜層的導(dǎo)電類(lèi)型與所述基板相反；以及將所述基板加熱至足以使所述摻雜劑材料中的摻雜劑原子擴(kuò)散到所述基板內(nèi)而形成多個(gè)重?fù)诫s區(qū)的圖案、并使所述摻雜劑層中的摻雜劑原子擴(kuò)散到所述表面內(nèi)而形成多個(gè)輕摻雜場(chǎng)區(qū)的溫度，其中所述輕摻雜區(qū)形成在所述重?fù)诫s區(qū)之間。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中使所述基板暴露于所述含摻雜劑蒸汽是在包括氮?dú)?N2 )、氧氣(O2)及來(lái)自所述含摻雜劑蒸汽的η型摻雜劑的氛圍中進(jìn)行。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中在使所述基板暴露于所述含摻雜劑蒸汽期間，使所述摻雜劑材料層的部分蒸發(fā)，以致輕度摻雜所述基板的所述表面。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中加熱所述基板是在包括氮?dú)?N2)和/或氧氣(O2)的氛圍中進(jìn)行。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中重?fù)诫s區(qū)的所述圖案的片電阻(Rs)在約20Ω/與約70 Ω /之間，且所述輕摻雜場(chǎng)區(qū)的片電阻(Rs)在約80 Ω /與約120 Ω /之間。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 在使所述基板暴露于所述含摻雜劑蒸汽前，將所述基板的溫度提高至在約800°C與約850°C之間的溫度范圍。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK103477450SQ201280019308
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月21日
【發(fā)明者】P·庫(kù)馬爾, J·多明格斯, D·坦納 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司