CN102884638A - 用于太阳能电池的背侧反射器的氧化物-氮化物堆栈 - Google Patents

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迈克尔·P·斯图尔特
蒂莫西·W·韦德曼
罗西特·米沙拉
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Abstract

本发明实施例大致提供在太阳能电池基板上形成多层背面钝化层的方法。方法包括在p-型掺杂区的背面上形成净电荷密度小于等于2.1x 1011库伦/平方厘米的氧化硅子层，该p-型掺杂区形成于包括半导体材料的基板中，并在氧化硅子层上形成氮化硅子层，而该背面与基板的光接收表面相反。本发明实施例还包括可根据本文所述方法制造的太阳能电池组件。

Description

用于太阳能电池的背侧反射器的氧化物-氮化物堆栈
技术领域
本发明实施例大体涉及太阳能电池的制造，且更明确地，本发明实施例涉及硅太阳能电池的背面钝化。
背景技术
太阳能电池是将太阳光直接转换成电功率的光致电组件。最常见的太阳能电池材料为硅(Si)，硅的形式为单晶、多晶、多结晶基板或非晶薄膜。现正努力降低制造太阳能电池的成本与所得电池的成本，同时维持或提高制造的太阳能电池的整体效率。
可通过在太阳能电池的背面上利用钝化层来提高太阳能电池的效率。当光线通过一种介质至另一种介质(诸如，空气至玻璃或玻璃至硅)时，某些光线会在两个介质间的界面处反射。光线反射的比例是两个介质间的折射率差异的函数，其中两个相邻介质的折射率的较大差异造成较高比例的光线自两介质的界面处反射。配置于太阳能电池的背面上的多个层可反射(例如，通过两个介质间之接口)光线回到硅以吸收反射光，并增加太阳能电池的效率。
太阳能电池转换入射光能量成为电能的效率被数个因素负面地影响，因素包括入射光由太阳能电池的光接收表面反射的比例与/或不由太阳能电池的背面反射且由电池构造(例如，钝化层)吸收，以及太阳能电池中电子与空穴的复合速率。每次电子-空穴对复合会排除电荷载体，由此降低太阳能电池的效率。复合可发生于基板的块状硅中，复合为块状硅中或基板表面上缺陷数目的函数，复合为存在多少悬垂键(即，未中止化学键)的函数。再者，可因为太阳能电池的背面处产生的分流电流造成载体寿命降低而降低太阳能电池的效率。可因为相邻介电/钝化层中存在有不希望数量的正电荷而在太阳能电池的背面附近累积过量的负电荷而形成分流电流。过量负电荷会渗入邻近背侧接点，造成复合发生于接点接口处，而由此降低太阳能电池效率。
钝化层的一个功能是使太阳能电池的背面处的载体复合达到最小。一种改善钝化层的钝化功能的方式为在钝化层中可取得足够的氢(H)源以用于块体与表面钝化。另一种改善钝化层功能的方式是在钝化层中提供负电荷或有限数量的净正电荷以避免形成分流电流。通过利用钝化层彻底钝化太阳能电池可通过降低复合率来改善太阳能电池之效率。然而，取决于应用的图案化处理类型与钝化层类型，背面钝化层的图案化(例如，形成背侧接点时)也很困难，造成较慢的产能。此外，传统钝化层形成处理已经无法提供具有所希望电荷数量的钝化层来避免或至少降低分流电流形成。
因此，需要一种形成背面钝化层的改善方法，该方法提供净数量的电荷来避免分流电流形成、提供H源用于基板的块体与/或表面钝化、增加图案化的便利性以形成背层接点、并反射光线回太阳能电池以改善形成的太阳能电池的效率。
发明内容
有鉴于以上情况，本发明实施例大致提供了在太阳能电池基板上形成多层背面钝化层的方法。方法包括在p-型掺杂区的背面上形成净电荷密度小于等于2.1x 1011库伦/平方厘米的氧化硅子层，该p-型掺杂区形成于包括半导体材料的基板中，并在氧化硅子层上形成氮化硅子层，而该背面与基板的光接收表面相反。
本发明实施例亦包括可根据本文所述方法制造的太阳能电池组件。太阳能电池组件包括基板，基板包括半导体材料且基板具有光接收表面以及与光接收表面相反的背面。基板亦包括p-型掺杂区的背面上的多层背面钝化层，该p-型掺杂区形成于基板中。多层背面钝化层包括氧化硅子层与形成于氧化硅子层上的氮化硅子层，氧化硅子层形成于基板的背面上且净电荷密度小于等于2.1x 1011库伦/平方厘米。背接点层形成于多层背面钝化层上，其中背接点层包括导电材料。背侧接点横越背面钝化层以电连接背接点层与半导体材料。
附图说明
为了更详细地了解本发明的上述特征，可参照实施例(某些示出于附图中)来理解本发明简短概述于上的特定描述。然而，需注意附图仅示出了本发明的典型实施例而因此不被视为本发明范围的限制因素，因为本发明可允许其它等效实施例。
图1A-1G示出对应于图2所示的处理的不同阶段的基板的一部分的横剖面图。
图2示出根据本发明实施例执行于硅基板上的多层背面钝化层形成处理的处理流程图。
图3可用于执行本发明实施例的平行平板PECVD***的示意侧视图。
图4具有多个处理腔室的处理***的一个实施例的俯视示意图。
图5显示根据本发明实施例形成的氧化硅子层中有效表面复合、开路电压与净电荷量之间关系的图式。
图6显示形成氧化硅子层时沉积速率与含硅-前驱物流率以及氧化硅子层的折射率之间关系的图式。
为了促进理解，可尽可能应用相同的组件符号来标示图式中相同的组件。预期实施例揭露的组件可有利地用于其它实施例而不需特别详述。
具体实施方式
本发明大致提供形成多层背面钝化层的方法。相对于传统背面钝化层，通过本发明实施例形成的多层背面钝化层使得图案化与蚀刻更容易而形成背侧接点并提供氢(H)源给基板的块体钝化，由此形成高效率太阳能电池组件。在实施例中，方法包括形成氧化硅子层于基板的背面上并形成含氮化硅-子层(例如，氢化氮化硅)于氧化硅子层上，接着为多种图案化技术以形成背侧接点层于多层背面钝化层上。可自本发明受益的太阳能电池基板包括主动区，该主动区包含单晶硅、多结晶硅、多晶硅与非晶硅的基板，但亦有用于可用来转换太能光成电功率的包括锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)、硫化镉(CdS)、铜钢镓硒(CIGS)、铜钢硒(CuInSe2)、镓钢磷(GaInP2)、有机材料的基板以及异质结电池(诸如，GaInP/GaAs/Ge或ZnSe/GaAs/Ge基板)。
一般而言，背面钝化层将具有所希望的光学特性，以在光线通过钝化层时使光线反射达到最大并使吸收达到最小。此外，背面钝化层将具有所欲功能特性以“表面”钝化配置于背面钝化层上方的表面，“块状”钝化相邻区与基板的表面，并储存正电荷于钝化层中或“场”钝化。因此，钝化层包含所希望浓度的氢以复原基板表面处发现的浅缺陷，特别是在驱使H离开钝化层至基板表面与基板中的基板烧结后。举例而言，钝化层藉以能够执行这些功能的机制包括形成的钝化层成为氢(H)源的能力，氢(H)源可用以修正基板的区域中的缺陷；及形成的层能够联合基板表面处的悬垂键的物理与/或化学特征。
因为太阳能电池的背面处产生的分流电流可造成载体寿命降低而亦可降低太阳能效率。在太阳能电池基板的背面106与介电/钝化层115/117之间的界面附近的太阳能电池基板110中累积负电荷而产生分流电流(参见第1E图)，该介电/钝化层115/117形成于背面上。若因为不希望数量的正电荷存在于介电层中而累积足够的负电荷，在p-型掺杂基板110中产生反转层，即表面106处的电子数量超过空穴数量。因为反转层中的电子渗漏或移动至背侧接点层120，反转层的存在可因此形成分流电流。换句话说，接口处累积的负电荷渗漏至邻近背接点区，造成复合发生在接点接口处，由此降低太阳能电池效率与寿命。可设计背面钝化堆栈以具有避免反转层形成于接口处的净电荷密度，即在p-型基板的表面106上累积负电荷的数量不足，并由此避免分流电流形成于太阳能电池的背面处。
此外，多层背面钝化层118亦可作为背面反射器，返回未吸收光线进入太阳能电池基板110并因此改善太阳能电池效率。某些构造中，多层背面钝化层118作为太阳能电池的背面处的反射器。当光线自光接收表面通过太阳能电池并通过光线吸收p-n接合区且朝向背面时，未吸收光线可被反射回太阳能电池吸收区域。未吸收光线可自背侧金属接点与背侧金属接点、钝化层中的子层与硅背面间的界面反射回光线吸收层，由此改善太阳能电池效率。此外，背面介电/反射涂层可具有低湿蚀刻速率比，由此避免介层洞开孔步骤影响产量。因此，需要具有所有上述讨论特性的钝化层。
在不减少太阳能电池生产产量下平衡太阳能电池的钝化层的所希望的特性具有挑战性，特别是在钝化层亦作为反射涂层与电荷固定器时。多种介电层(例如，氧化硅)可用于作为p-型结晶硅基板的背侧上的背面反射层。举例而言，氧化硅(例如，二氧化硅(SiO2))有助于反射红外线(IR)波长回到硅以有效地将光线捕获于基板中。
然而，因为利用传统方法形成薄膜时受限的H含量，介电层(例如，氧化硅)可能无法提供足够的钝化。再者，形成PECVD氧化硅的传统方法具有较低的沉积速率(例如，约每分钟350埃)且不提供足够的电荷源以避免或最小化太阳能电池组件的背面附近的分流电流形成。因此，在一个实施例中，高质量背面钝化层可包括一个或更多层，这些层具有不同的组成物、不同的物理性质或不同的电性质，以提供所欲钝化作用与光学特性。此外，本发明实施例提供多层背面钝化层，该背面钝化层经调整以用于蚀刻胶图案化或激光烧结形成背侧接点。本发明实施例提供较不密集、容易处理的背面钝化薄膜堆栈，形成介电镜子以反射通过太阳能电池的光线回到基板的光线吸收部分。
钝化层形成处理
图1A至图1G示出用于在太阳能电池组件100的背面106上形成多层背面钝化层118的处理次序的不同阶段过程中太阳能电池基板110的示意横剖面图。图2示出用于在太阳能电池基板110上形成钝化层的方法200。图2中的次序对应于本文所述的第1A至1G图所示的阶段。在太阳能电池组件100的一个实施例中，基极区101包括具有底部或背面106的p-型结晶硅基板110，而射极区102包括形成于硅中且基极区101上的n-型层。p-型掺质浓度可为p-至p+浓度其中任一者，例如每立方厘米1015至1021原子之间。虽然下述主要讨论处理n-型射极区形成于p-型基极区上的基板的方法与设备，但此构造并不意图限制本文所述的本发明范围，因为多层背面钝化层118亦可形成于n-型基极区太阳能电池构造的背面上。
本发明另一实施例中，提供太阳能电池组件100。太阳能电池组件100包括基板110，基板包括半导体材料(例如，硅)，且具有光接收表面(例如，正面105)以及与光接收表面相反的背面106。抗-反射涂层(例如，钝化-ARC层114)可沉积于光接收表面上。太阳能电池亦包括多层背面钝化层118，多层背面钝化层包括形成于p-型掺杂区(例如，形成于基板110中的基极101)的背面106上的氧化硅子层115以及形成于基板110的氧化硅子层115上的氮化硅子层117。氧化硅子层的净电荷密度小于等于2.1x 1011库伦/平方厘米。太阳能电池组件100亦具有形成于多层背面钝化层118上的背侧接点层120，背侧接点层120包括导电材料。背侧接点121横越多层背面钝化层118以电连接背侧接点层120与基板110的半导体材料。下方讨论多种形成太阳能电池组件100的方法。
图1A示意性示出至少部分形成的硅太阳能电池组件100的横剖面图，该硅太阳能电池组件包括基板110。基板110包括基极区101、射极区102与p-n接合区103。p-n接合区103配置于太阳能电池的基极区101与射极区102之间，且为光线的入射光子照射太阳能电池组件100时产生电子-空穴对于其中的区域。钝化-ARC层114形成于太阳能电池组件100的正面105上。
在一实施例中，形成多层背面钝化层118的方法包括形成氧化硅(有时以SixOy或SixOy:H代表)子层115于基板110的背面106上，接着形成氮化硅(有时以SixNy或SixNy:H代表)子层117于氧化硅子层115上。相较于一般用于接口钝化的氮化硅子层(高于2.7克/立方厘米)，氮化硅子层117可较不密集(低于2.7克/立方厘米)。含氮化硅-层可为氢化氮化硅。一实施例中，利用化学气相沉积技术(例如，等离子体增强化学气相沉积(PECVD))将氧化硅子层115与氮化硅子层117形成于背面106上，且可原位形成于腔室中以降低制造时间。另一实施例中，利用物理气相沉积(PVD)技术形成氧化硅子层与氮化硅子层。参照图4与图5进一步于下方描述多层背面钝化层118形成处理的实例，图4与图5示出具有多个可执行本发明不同实施例的腔室的群集工具的一实例。
参照图2，一实施例中，用于在太阳能电池基板110上形成多层背面钝化层118的方法200通常开始于处理201。处理201-204执行的处理可在一基板处理腔室中的单一处理中执行，或者可在一个或更多基板处理腔室中的多个分隔处理中执行。参照图3与图4进一步于下方描述处理腔室的实例。可注意到某些实例中希望确保基板不暴露于氧中达长时间周期。因此，本发明某些实施例中，希望在不具氧的惰性与/或真空环境(例如，群集工具或***400(图5)的真空处理区)中执行各个处理202-208，以致在处理之间不将基板暴露于氧中。
在将一个或更多基板110置于处理腔室(例如，图4的腔室300)中后，根据本发明实施例处理基板110。处理201，方法包括将第一处理气体混合物流入形成于基板表面上的处理腔室的制程容积306。如处理202所示，在制程容积306中产生等离子体并将氧化硅子层115沉积于与基板的光接收表面(例如，正面105)相反的基板110的背面106上(图1B)。一实施例中，氧化硅子层115是二氧化硅(SiO2)。
第一处理气体混合物可包括含硅-气体与氧化气体。含硅-气体可选自下列所构成的群组：硅烷、二硅烷、氯硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、二溴硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、三二甲基胺硅烷(TriDMAS)、四乙氧基硅烷(TEOS)、三乙氧基氟硅烷(TEFS)、四氯化硅、四溴化硅、1，3，5，7-四甲基环四硅氧(TMCTS)、二甲基二乙氧基硅烷(DMDE)、八甲基环四硅氧(OMCTS)、甲基二乙氧基硅烷(MDEOS)、双(叔丁基氨基)硅烷(BTBAS)或其的组合。氧化气体可选自下列所构成的群组：氧(O2)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)与其的组合。氧化气体与含硅-气体的比例可约5∶1至约10∶1，例如约6∶1。氧化剂与含硅-气体(例如，TEOS气体)的高比例有助于扩展处理窗口，由此让处理更可靠。一实施例中，在介于约100℃与200℃之间的温度下以每分钟2,000埃或更多(例如，约3,000
Figure BDA00002370166300072
/分)来沉积氧化硅子层115。氧化硅子层115的厚度可在约500
Figure BDA00002370166300073
与1,000
Figure BDA00002370166300074
之间。一实施例中，氧化硅子层115为750形成的氧化硅子层115的折射率(n)介于1.45与1.47之间。
在一实施例中，氧化硅子层115中存在的捕获正电荷的总数量总和具有足够的捕获电荷，以达成约2.1x 1011库伦/平方厘米或更低(例如，约-1x 1010库伦/平方厘米与约2.0x 1011库伦/平方厘米之间)的电荷密度。图5是显示根据本发明实施例形成的氧化硅子层中有效表面复合、开路电压与净电荷量间的关系的图式。
左手边y-轴显示可根据本发明实施例形成的氧化硅薄膜的有效表面复合率(Seff)，单位为cm/s。右手边y-轴显示具有根据本发明实施例形成的氧化硅薄膜的太阳能电池组件的开路电压(Voc)。x-轴显示可根据本发明实施例形成的氧化硅薄膜中的净电荷密度量(log Qf)。随着电荷数量自约2.1x 1011库伦/平方厘米减少，有效表面复合减少而开路电压增加。利用传统方法PECVD沉积的氧化硅具有较高的净电荷量(例如，高于5.0x 1011库伦/平方厘米)，由此在太阳能电池组件的背面中引发分流电流的形成。
希望在太阳能电池组件中具有高Voc与低Seff。如图5所示，与传统PECVD沉积的氧化硅相较，具有根据本发明实施例形成的背面钝化层(包括氧化硅层)的太阳能电池组件达成较高的Voc与较低的Seff。相信Voc与Seff的此希望组合是因为净电荷量等于或小于2.1x 1011库伦/平方厘米。因此，在太阳能电池基板110上形成多层背面钝化层118的一种方法包括在p-型掺杂区(例如，形成于包括半导体材料的基板110中的基极区101)的背面106上形成净电荷密度小于等于2.1x 1011库伦/平方厘米的氧化硅子层115，并在氧化硅子层115上形成氮化硅子层117，背面106与基板的光接收表面105相反。
应当注意的是在所欲电荷密度前缺少负符号仅意图表示氧化硅子层的净电荷量系正(相对于负)的。因此，如图5所示log(Qf)为零表示没有净电荷，而x-轴上的负数表示氧化硅子层中负电荷的净数量。氧化硅子层115与氮化硅子层117各自包含正电荷与负电荷的实例中，本文所述的电荷值系电荷的净值，或者为各个分别层中正电荷的总量绝对值减去负电荷的总量绝对值的和。一般而言，太阳能电池组件的背面上的氧化硅子层中正电荷净数量越低或者负电荷净数量越高，太阳能电池的寿命则越长且SRV越低。
方法200更包括在处理203将第二处理气体混合物流入制程容积，其中第二处理气体混合物包括含硅-气体与含氮-气体。在处理204，在制程容积306中产生等离子体并将氮化硅子层117沉积于氧化硅子层115上。氧化硅子层115与氮化硅子层117共同形成多层背面钝化层118(第1C图)。一实施例中，在介于约250℃与200℃之间的温度下以每分钟超过1,000
Figure BDA00002370166300091
来沉积氮化硅子层。一实施例中，氮化硅子层的厚度在约250
Figure BDA00002370166300092
与1000之间。另一实施例中，氮化硅子层的厚度在约400
Figure BDA00002370166300094
与1000
Figure BDA00002370166300095
之间。氮化硅子层117中存在的捕获正电荷的总数量总和的电荷密度系约3.0x 1012库伦/平方厘米或更低。
多层背面钝化层118的总厚度系在约1,000
Figure BDA00002370166300096
与1,500
Figure BDA00002370166300097
之间。举例而言，氧化硅子层115可为750
Figure BDA00002370166300098
厚而氮化硅子层117可为400
Figure BDA00002370166300099
厚，而得到总厚度1,150
Figure BDA000023701663000910
的多层背面钝化层118。一实施例中，氧化硅子层115系750厚而氮化硅子层系500
Figure BDA000023701663000912
厚，而得到总厚度1,250
Figure BDA000023701663000913
的多层钝化层。熟悉技术人士可利用多种其它组合来达成介于1,000
Figure BDA000023701663000914
与1,500
Figure BDA000023701663000915
之间的太阳能电池所希望的总厚度。一实施例中，氧化硅子层可为750
Figure BDA000023701663000916
厚，且仅有氮化硅子层厚度提高所需数量以达成所希望的多层钝化层总厚度。因此，当氧化硅子层系750
Figure BDA000023701663000917
厚时，氮化硅子层厚度可在400-1000
Figure BDA000023701663000919
之间。
第二处理气体混合物的含硅-气体可选自下列所构成的群组：硅烷、二硅烷、氯硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、二溴硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、三二甲基胺硅烷(TriDMAS)、四乙氧基硅烷(TEOS)、三乙氧基氟硅烷(TEFS)、四氯化硅、四溴化硅、1，3，5，7-四甲基环四硅氧(TMCTS)、二甲基二乙氧基硅烷(DMDE)、八甲基环四硅氧(OMCTS)、甲基二乙氧基硅烷(MDEOS)、双(叔丁基氨基)硅烷(BTBAS)或其的组合。第二处理气体混合物的含氮-气体可选自氨(NH3)、氮(N2)或其的组合所构成的群组。第二气体混合物中，含硅-气体与含氮-气体的比例可在约5∶1至约15∶1之间，例如约7∶1。含氮-气体比例系气体混合物中一个或更多含氮-气体的总数量。含硅-气体与含氮-气体的比例有助于决定氮化硅子层的化学剂量比与薄膜特性。
形成的氮化硅子层117具有低密度、高H原子％、高N-H键与Si-H键比例、1.9与2.2间的折射率(n)与接近零的光线吸收系数(k)。高比例的N-H/Si-H键有助于改善局部接口的钝化，因为N-H键在处理过程中更容易损失其的氢。一般而言，SiO2比较容易透过利用HF蚀刻，且为测量湿蚀刻速度(有时称为湿蚀刻速率比或WERR)的标准。利用1％HF溶液比较材料的湿蚀刻与热SiO2的湿蚀刻速度以给予材料的WERR。越接近热SiO2的WERR，越容易以蚀刻胶蚀刻材料。蚀刻胶通常具有HF、NH4F或其它氟化物离子盐类作为主要蚀刻剂，然蚀刻胶可为其它组成化学化合物的浆状物。氮化硅通常难以蚀刻且具有低WERR，有时甚至达到比SiO2的WERR慢10倍。然而，通过形成低密度与高H组成的氮化硅，氮化硅的WERR接近SiO2的WERR，由此提高氮化硅的WERR。根据本发明实施例形成的氮化硅子层的WERR可小于等于5.0。
蚀刻胶的一个目的在于打开太阳能电池背侧层以在制造基板与背侧接点时形成介层洞以电连接基板与背接点层。举例而言，一种蚀刻通过背侧层的方式系在网印背侧以形成背侧接点层时利用具有蚀刻剂的浆状物。另一种方法系蚀刻通过氮化物与氧化物层以制造介层洞，并接着通过以PVD金属沉积用浆状物填充介层洞以形成背侧接点。另一图案化背侧层的方法系利用激光形成方法，例如形成激光-烧结接点(LFC)。因为氧化物层与氮化物层的组合物理与化学特性，背侧层(例如，根据本发明实施例形成的多层背面钝化层118)系易于图案化而不论图案化方法如何。当图案化背侧层时容易以激光蚀穿与击穿整个上述层，详细描述于下。
一实施例中，如第1D-1E图与图2所示，在处理205中将背侧接点层120沉积于氮化硅子层117上。在处理206，在沉积背侧接点层后接着形成背侧接点121于基板110上，其中背侧接点121横越多层背面钝化层118以电连接背侧接点层120与基板110的半导体材料。背侧接点层120系导电材料，诸如铝、银、镍、其的合金、其的组合与任何其它与太阳能电池技术兼容的导电材料。可利用PVD处理、无电沉积处理或其它导电材料沉积处理来沉积背侧接点层120。举例而言，可利用激光烧结处理或网印处理来形成背侧接点121。网印处理中，透过网状件印刷铝浆状物，并接着进行高温步骤以形成背侧接点121。
另一实施例中，在处理204中沉积氮化硅子层后，如第1F图所示图案化多层背面钝化层118以暴露基板110的背面106。可利用技术中习知的湿或干蚀刻技术来图案化氧化硅115与氮化硅117子层。如图2的处理208所示，在图案化多层背面钝化层118后接着通过沉积背侧接点层120于氮化硅子层117上来形成背侧接点121。可参照先前所述的处理205与206，背侧接点层可具有相似导电材料以及利用相似方法加以形成。
在沉积多层背面钝化层118后于基板上执行烧结或退火处理过程中，将氮化硅子层中的氢驱逐至基板110以提供基板110的块状钝化。此外，某些氢将通过氧化硅子层115且钝化氧化硅与基板110的背面106间的界面。可将氮化硅子层117中氢库存驱逐至基板与硅基板的背面以钝化基板构造中的任何空缺或结晶缺陷。根据本发明实施例形成的太阳能电池具有0.5-1.0％的提高量子效率。较低沉积温度通常提供较高的沉积速率。相较于仅具有金属背接点层的“标准电池”的约65％或更低，本发明的反射率可高达95％。
硬件构造
图3是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室300的一个实施例的示意横剖面图，该腔室300中执行参照图2所描述与讨论的一个或更多处理。相似构造的等离子体增强化学气相沉积腔室可得自AppliedMaterials，Inc.(位于Santa Clara，California)。预期可应用其它沉积腔室(包括来自其它制造商的那些腔室)来实施本发明。
当用于执行一个或更多图2所述处理时，相信处理腔室300提供的等离子体处理构造比其它先前技术构造有显著优点。一实施例中，PECVD腔室300系设以一次处理多个基板。相对于处理垂直基板堆栈(例如，堆栈于匣中的批次基板)，一实施例中，PECVD处理腔室300系适以同时处理多个排列于平面数组配置(图4)的基板。处理排列于平面数组中的批次基板可让批次中的各个基板直接且均匀地暴露于产生的等离子体、辐射热与/或处理气体。因此，在处理腔室的制程容积中相似地处理平面数组中的各个基板，并因此不依赖扩散型处理与/或依序传送能量至传统构造批次中接受处理的所有基板，例如先前技术中常见的堆栈或背-至-背构造的批次基板。
一构造中，PECVD腔室300系适以接收基板载体325(图3与图4)，基板载体325系设以在传送与处理基板过程中固持批次基板。一实施例中，基板载体325的表面积系约10,000平方厘米或更高，例如约40,000平方厘米或更高、或者约55,000平方厘米或更高，基板载体325设以在处理过程中支撑配置于基板载体上的平面数组的基板。一实施例中，基板载体325具有多个凹部(未显示)形成于其中，凹部系适以用面向上或面向下构造固持约4个与约49个之间的尺寸为156mm x 156mm x 0.3mm的太阳能电池基板。基板载体325可由陶瓷(诸如，碳化硅、氧化铝)、石墨、金属或其它适当材料所形成。一构造中，在真空或惰性环境(例如，图4的传送腔室420)中于基板载体325上同时传送批次太阳能电池基板于多个处理腔室之间，以相对于其它先前技术构造降低污染机会并改善基板产量。
腔室300通常包括界定制程容积306的壁302、底部304与喷头310及基板支撑件330。可透过阀308进出制程容积，以致可将配置于基板载体325上的基板传送进出腔室300。基板支撑件330包括基板接收表面332，以支撑基板；及杆334，该杆连接至举升***336以提高并降低基板支撑件330。遮蔽框架333可选择性地置于基板载体325周边上。举升销338系可移动地配置通过基板支撑件330以移动基板载体325来回基板接收表面332。基板支撑件330亦可包括嵌入式加热与/或冷却组件339，以维持基板支撑件330在所欲温度下。基板支撑件330亦可包括接地带331，以在基板支撑件330周边处提供RF接地。接地带的实例系揭露于2000年2月15日核发给Law等人的美国专利第6,024,044号以及Park等人2006年12月20日申请的美国专利申请第11/613,934号，这些专利全文与本揭露不一致的部分以参考数据并入。一实施例中，基板支撑件330具有RF源(未显示)，RF源连接至嵌于基板支撑件330中的电极(未显示)，以致可施加RF偏压至配置于基板支撑件330上的基板110。
喷头310系在其周边通过悬置件314连接至背板312。喷头310亦可通过一或多个中心支撑件316连接至背板，以有助于避免喷头310下垂与/或控制喷头310的笔直性/曲率。气体源320系连接至背板312以提供气体通过背板312并通过喷头310的通道311而至基板接收表面332。真空泵309系连接至腔室300以控制制程容积306在所欲压力下。RF功率源322系连接至背板312与/或喷头310以提供RF功率至喷头310，以致在喷头与基板支撑件间产生电场，以便利用配置于喷头310与基板支撑件330之间的气体产生电容耦合等离子体。可应用多种RF频率，例如约0.3MHz与约100MHz间的频率。一实施例中，在13.56MHz的频率下提供RF功率源。喷头的实例系揭露于2002年11月12日核发给White等人的美国专利第6,477,980号、Choi等人2006年11月17日公开的美国专利公开20050251990、及Keller等人2006年3月23日公开的美国专利公开2006/0060138。
因为腔室300构造在处理过程中直接提供充能与/或离子化物种至处理表面110A所有部分的能力，相信电容耦合等离子体直接接触基板110的处理表面110A(图4)具有优于不直接暴露所有基板于等离子体的设计的优点。可通过调整施加至喷头310的RF功率、处理过程中的腔室压力与/或施加至基板支撑件330的偏压，来直接控制腔室300中施加至完全处理表面110A的等离子体交互作用程度。典型的未直接暴露型腔室构造包括远程驱动等离子体构造或其它堆栈基板构造，该构造依赖产生的等离子体在处理过程中扩散至一个或更多基板、或各个基板的部分。
然而，某些实施例中，远程等离子体源324(例如，感应耦合远程等离子体源)亦可连接于气体源与背板之间。一处理构造中，可在处理基板之间提供清洁气体至远程等离子体源324，以致产生并提供远程等离子体以清洁腔室部件。可通过装设至喷头的RF功率源322进一步激发清洁气体。适当的清洁气体包括(但不限于)NF3、F2与SF6。远程等离子体源的实例系揭露于1998年8月4日核发给Shang等人的美国专利第5,788,778号。
在一实施例中，加热与/或冷却组件339可经设置以在沉积过程中提供约300℃或更少(例如，约100℃与约300℃之间，或约150℃与约200℃之间，例如约100℃)的基板支撑件温度。沉积过程中，配置于基板接收表面332上的基板载体325上的基板正面与喷头310之间的间距可在400密耳与约1,100密耳之间，例如1,000密耳与约1,050密耳之间。举例而言，沉积氧化硅子层115过程中的间距可约为1,100密耳，而沉积氮化硅子层117过程中的间距可约为1,050密耳。
图4是处理***400的一个实施例的俯视示意图，处理***400具有多个处理腔室431-437，诸如图3的PECVD腔室300或其它能够执行参照图2所述处理的适当腔室。处理***400包括连接至装载锁定腔室410与处理腔室431-437的传送腔室420。装载锁定腔室410可让基板在***外的周遭环境与传送腔室420与处理腔室431-437中的真空环境之间传送。装载锁定腔室410包括一个或更多可排空区，可排空区设以固持一个或更多基板载体325，基板载体325设以支撑多个基板110。在输入基板进入***400过程中抽空可排空区，并在自***400输出基板过程中泄出可排空区。传送腔室420具有至少一真空机器人422配置于其中，真空机器人422适以传送基板载体325与基板于装载锁定腔室410与处理腔室431-437之间。图4显示七个处理腔室，然则，***400可具有任何适当数目的处理腔室。
在***400的一实施例中，第一处理腔室431系设以执行处理201，第二处理腔室432系设以执行处理202-206，第三处理腔室433系设以执行处理207-208，而第四处理腔室434系设以执行处理209或210于基板上。其它实施例可应用***400的处理腔室431-437的多种组合来执行处理201-204或甚至201-208。在***400的又一实施例中，至少一处理腔室431-437系设以执行大部分的处理(例如，201-204)于基板上。
钝化层形成处理
回头参见图2，在方法200的一阶段中，基板110的表面接受多个用来在基板的背面106上形成氧化硅子层115与氮化硅子层117的处理。下文为处理201-204的示范性实例，这些实例可执行于相似上述的处理腔室300的处理腔室中。下述的处理通常包括主要利用干燥处理技术制备基板的背面的方法，方法执行于一个或更多群集工具(例如，***400)中存在的一个或更多处理腔室(例如，处理腔室300)中。一实施例中，方法200中执行的所有处理系执行于一个或更多***400中存在的一个或更多处理腔室431-437中。可注意到图3与图4所示出的硬件构造并非意图限制本文所述的本发明范围。
一实施例中，将批次基板110置于基板载体325上并置入处理腔室中，以致可在基板上执行处理201-204。一实施例中，将基板暴露于第一处理气体混合物与RF等离子体以形成氧化硅子层115于基板110的暴露后表面106上。一实例中，基板系暴露于13.56MHz包含第一气体混合物中一定数量气体前驱物的RF等离子体，该第一气体混合物系用来形成氧化硅子层作为太阳能电池上多层背面钝化薄膜的第一层。
一实施例中，第一气体混合物可包括先前所述的含硅-前驱物(诸如，硅烷类气体、硅氧类气体或其的组合)与氧化气体。与含硅-前驱物同时选择性导入腔室的气体包括载气，诸如氦、氮、氧、一氧化二氮与氩。一实例中，首先通过在所欲流率下输送含硅-前驱物、氧化前驱物与载气(例如，氦)进入腔室以达成约1.5托耳的腔室压力来形成氧化硅子层。含硅-前驱物的流率可在约1,800至约2,200标准立方厘米(sccm)之间。氧化气体流率可在约13,500sccm至约16,500sccm之间。或者，流率可正规化(normalized)成流率/基板表面面积(每平方厘米sccm)。举例而言，可处理56个基板且具有1,200mm x 1,300mm(15,600平方厘米)的组合表面积。因此，含硅-前驱物流率可在每平方厘米约0.115与约0.141sccm之间，而氧化气体流率可在每平方厘米约0.865至约1.10sccm之间，以沉积氧化硅子层115。进入腔室的氧化前驱物(例如，N2O)的流率与含硅-前驱物(例如，TEOS)的流率的比例介于约5∶1至约10∶1之间，例如约6∶1。在一个实施例中，氧化前驱物流率系每升制程容积约80sccm，而含硅-前驱物流率系每升制程容积约20sccm。
图6系显示形成氧化硅子层时沉积速率与含硅-前驱物流率以及氧化硅子层的折射率之间的关系的图式。左手边y-轴显示氧化硅子层115的沉积速率，而x-轴显示用于形成氧化硅子层的含硅-前驱物的流率(sccm)。沉积的氧化硅子层的折射率(n)系显示于右手边y-轴上。如图所示，随着含硅-前驱物的流率提高，氧化硅子层115的沉积速率跟着提高，且不显著改变折射率，但此现象仅止于某一数值。
针对此实例而言，提高含硅-前驱物流率超出约650sccm会剧烈地提高沉积的氧化硅层的折射率。相信折射率的剧烈提高系因为富含硅与/或富含氢的沉积氧化硅薄膜。基于此数据，气体混合物中含氧-气体与含硅-气体的比例超出5∶1时通常使得薄膜富含硅与/或富含氢，造成形成的氧化硅薄膜的折射率不希望的提高。
然而，较低折射率系较佳用于背侧钝化层。因此，根据本发明实施例，可提高沉积速率高达每分钟3,000而不负面地影响沉积的氧化硅子层的折射率。然而，含硅-前驱物已经具有Si-O键(诸如，TEOS、OMCTS等等)的某些实施例中，用于形成氧化硅子层的含氧-气体数量可更低而不导致折射率提高的负面效应。因此，硅前驱物具有Si-O键的时候，含氧-气体与含硅-气体的比例可低至1∶1。然而，当气体混合物比例达到1∶1时，在沉积氧化硅薄膜时会将含氧-气体的有机部分保留于氧化硅薄膜中。因此，需要额外的处理来移除沉积过程中保留于氧化硅薄膜中的任何有机残基。
在一个实施例中，置于处理腔室300中的基板支撑件330的温度可在100℃至450℃之间，例如380至390℃之间。可输送含硅-前驱物与氧化前驱物进入腔室达一段时间，该段时间足以沉积厚度约500与约1,000
Figure BDA00002370166300163
之间的氧化硅子层。可在13.56MHz的频率下以约300mW/cm2至约1.2W/cm2(例如，约0.5W/cm2)的RF功率提供等离子体。氧化硅子层沉积的RF功率密度可产生等离子体达约20秒的时间周期。可提供RF功率至喷头310与/或基板支撑件330。可在高于每分钟2,000
Figure BDA00002370166300164
(例如，每分钟3,000
Figure BDA00002370166300165
)的速率下沉积氧化硅子层115。某些传统方法中，在每分钟仅350
Figure BDA00002370166300166
下形成太阳能电池钝化的氧化硅。因此，可几乎比传统方法快上10倍地形成氧化硅子层。氧化硅子层的氢浓度系在约1原子百分比(at.％)与5at.％之间，例如约2至约3at％之间。
接着，处理203-204，将基板暴露于包含RF等离子体的反应性气体，反应性气体系用来形成氮化硅子层117于氧化硅子层115上，而氧化硅子层115系形成基板110的背面106上。第二处理气体混合物可包括含硅-气体、含氮-气体与氢气(H2)稀释物。第二处理气体混合物可为硅烷(SiH4)与氮(N2)、硅烷与氨(NH3)、或硅烷、氨与氮的组合。
在一个实例中，含硅-前驱物的流率可相同于用于沉积氧化硅子层的流率。含氮-气体流率可在约15,570sccm至约19,030sccm之间。或者，流率可正规化成流率/基板表面面积(每平方厘米sccm)。因此，利用与上述相同的基板面积，含硅-前驱物流率可在每平方厘米约0.115与约0.141sccm之间，而含氮-气体流率可在每平方厘米约0.998与约1.22sccm之间，以沉积氮化硅子层117。进入腔室的含氮-前驱物(例如，N2)的流率与含硅-气体(例如，TEOS)的流率的比例系约5∶1至约15∶1，例如约7∶1。
另一实例中，包含硅烷、氨与氮的第二处理气体混合物的流率分别为每升腔室体积20sccm、60sccm与60sccm。包含硅烷、氨、氮与氢的处理气体混合物的流率分别为每升腔室体积20sccm、20sccm、60sccm与60sccm。氮与硅烷的比例可约为3而氨与硅烷的比例可约为3。在此处理过程中，通常将基板支撑件330温度维持在约350℃至450℃的温度下。
在处理腔室中产生等离子体以沉积氮化硅子层117于氧化硅子层115上，其中复合的氧化硅子层与氮化硅子层适合作为太阳能电池的背面钝化层与反射层。氮化硅子层的质量密度系约2.5与3克/立方厘米之间，而氢浓度系在约6原子百分比与15原子百分比之间。举例而言，氮化硅子层的质量密度系等于或小于2.7克/立方厘米。一实施例中，可在腔室中维持2托耳的腔室压力并在13.56MHz频率下施加约0.5W/cm2至约2.0W/cm2之间(例如，约1.0W/cm2)的RF功率密度至处理腔室300的喷头310以产生等离子体达约20秒的时间周期，同时将第二处理气体混合物输送至制程容积306。可在低于每分钟2,000
Figure BDA00002370166300171
的速率下沉积氮化硅子层117。
在处理203-204的一个实施例中，可在处理腔室中维持2托耳的腔室压力并在13.56MHz频率下施加1.0W/cm2的RF功率强度至处理腔室300的喷头310以产生等离子体达约15秒的时间周期，同时将第二处理气体混合物输送至制程容积306。
实例
实例1-将氧化硅子层沉积于用于太阳能电池组件的基板的p-型掺杂区的背面上。接着形成氮化硅子层于氧化硅子层上，由此形成多层背面钝化层于太阳能电池基板上。根据下列表1所示的条件形成氧化硅与氮化硅子层，且基板面积系1,200x 1,300mm，该面积可用于搭载高达56个以7x 8配置的晶圆。
表1
间距系在喷头与基板支撑件之间。氧化硅子层的沉积速率系每分钟3,000
Figure BDA00002370166300182
且厚度为750
Figure BDA00002370166300183
氮化硅子层的沉积速率为每分钟约1,665
Figure BDA00002370166300184
且厚度为500
Figure BDA00002370166300185
因此，多层背面钝化层的总体厚度为约1,250
Figure BDA00002370166300186
且利用PECVD处理在刚过30秒后形成。具有多层背面钝化层的太阳能电池的复合载体寿命为750μs。根据传统方法形成的氧化硅层与氧化硅层仅提供75μs的寿命。因此，利用根据本发明实施例的多层背面钝化可改善太阳能电池寿命达10倍。
本发明实施例大致提供多种钝化优点。举例而言，多层背面钝化层包含某些氢，氢可与硅基板的悬垂键反应以钝化硅表面层与块体层。多层背面钝化层中的氢可在烧结处理过程中深深地流入硅基板中。不论是否有在太阳能电池上执行烧结处理均可达成硅表面钝化。因此，本发明实施例提供为氢源与反射器的钝化源，该钝化源相对于传统背面钝化层容易蚀刻或图案化。氧化物与氮化物的组成系经选择，以致其最大地兼容于蚀刻胶处理或激光开孔处理。再者，氧化硅子层的净电荷量有助于避免带电荷反转层(亦即，硅中与钝化层相反过多电子的层)的累积或形成，该反转电荷层可泄入背侧接点，造成分流电流。
虽然上述系针对本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围下设计出本发明的其它与更多实施例，而本发明的范围由所附权利要求决定。

Claims (15)

1.一种在太阳能电池基板上形成多层背面钝化层的方法，该方法包括以下步骤：
在p-型掺杂区的背面上形成净电荷密度小于等于2.1x 1011库伦/平方厘米的氧化硅子层，该p-型掺杂区形成于包括半导体材料的基板中，该背面与该基板的光接收表面相反；及
在该氧化硅子层上形成氮化硅子层。
2.如权利要求1的方法，其中该氮化硅子层的净电荷密度小于等于3.0x 1012库伦/平方厘米。
3.如权利要求1的方法，其中该氧化硅子层的氢浓度介于约1原子％至5原子％之间。
4.如权利要求1的方法，其中该氧化硅子层具有净负电荷密度。
5.如权利要求1的方法，其中形成该氧化硅子层与该氮化硅子层的步骤包括以下步骤：
使第一处理气体混合物流入处理腔室的制程容积中，其中该第一处理气体混合物包括：
含硅-气体；及
氧化气体；
在该基板的该背面上沉积该氧化硅子层；
使第二处理气体混合物流入该制程容积中，其中该第二处理气体混合物包括：
含硅-气体；及
含氮-气体；及
在该氧化硅子层上沉积该氮化硅子层。
6.如权利要求5的方法，其中该氧化硅子层在每分钟2,000
Figure FDA00002370166200011
或更多下的情况下沉积，面该氮化硅子层在每分钟超过1,000
Figure FDA00002370166200012
的情况下沉积。
7.如权利要求5的方法，其中该第一气体混合物中该氧化气体与该含硅-气体的比例介于5∶1与10∶1之间。
8.如权利要求5的方法，其中该第二气体混合物中该含氮-气体与该含硅-气体的比例介于5∶1与15∶1之间。
9.一种太阳能电池组件，该太阳能电池组件包括：
基板，该基板包括半导体材料，且该基板包括光接收表面以及与该光接收表面相反的背面；
多层背面钝化层，该多层背面钝化层位于p-型掺杂区的该背面上，该p-型掺杂区形成于该基板中，该多层背面钝化层包括：
氧化硅子层，该氧化硅子层形成于该基板的该背面上，该氧化硅子层的净电荷密度小于等于2.1x 1011库伦/平方厘米；及
含氮化硅-子层，该含氮化硅-子层形成于该基板的该氧化硅子层上；
背接点层，该背接点层位于该多层背面钝化层上，该背接点层包括导电材料；及
背侧接点，该背侧接点横越该多层背面钝化层以电连接该背接点层与该半导体材料。
10.如权利要求9的太阳能电池组件，其中该基板包括：
基极区，该基极区包括p-型硅，该基极区的部分形成该背面；
射极区，该射极区包括n-型掺杂硅；
p-n接合区，该p-n接合区形成于该基极区与该射极区之间；及
抗-反射涂层，该抗-反射涂层沉积于该射极区上。
11.如权利要求9的太阳能电池组件，其中该导电材料是铝而该氧化硅子层包括二氧化硅。
12.如权利要求9的太阳能电池组件，其中该氮化硅子层介于约250与约1,000
Figure FDA00002370166200022
之间，而该氧化硅子层介于约750
Figure FDA00002370166200023
与约1,000
Figure FDA00002370166200024
之间。
13.如权利要求12的太阳能电池组件，其中该多层背面钝化层的厚度介于约1,000
Figure FDA00002370166200025
与约1,500
Figure FDA00002370166200026
之间。
14.如权利要求9的太阳能电池组件，其中该基板包括p-型基板而该背面包括p-型掺杂区，使得该背面多层钝化层位于该p-型掺杂区上。
15.如权利要求9的太阳能电池组件，其中该氧化硅子层的氢浓度介于约1原子％至5原子％之间。
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