[发明专利]制造太阳能电池可用的氮化硅钝化层的方法

说明书

技术领域

本发明的实施例大体上是关于制造太阳能电池，且特别是关于结晶硅太阳能电池的表面钝化作用。

背景技术

太阳能电池为将太阳光直接转换成电能的光电装置。最常见的太阳能电池材料为硅(Si)，其为单晶或多晶型圆片。因硅基太阳能电池产生电能的成本高于传统方法，故目前已致力于降低太阳能电池的制造成本，以免减低太阳能电池的整体效益。

第1图表示标准硅太阳能电池100的截面，其由单晶硅圆片110制成。圆片110包括通常由p型硅组成的基区101、通常由n型硅组成的发射区102、p-n结区103、和介电层104。p-n结区103位于太阳能电池的基区101与发射区102之间，且为入射光子照射太阳能电池100时产生电子-空穴对的区域。介电层104当作太阳能电池100的抗反射涂层(ARC)和发射区102表面105的钝化层。

光照到太阳能电池时，入射光子的能量会在p-n结区103两侧产生电子-空穴对。电子扩散越过p-n结而至较低能级，空穴则反向扩散而于发射极产生负电荷并于基极产生对应的正电荷。当发射极与基极间形成电路时，电流将流动使得太阳能电池100产生电能。太阳能电池100将入射能量转换成电能的效率受许多因素影响，包括太阳能电池100中电子与空穴的复合速率、和太阳能电池100反射入射光的比例。

复合(recombination)是指在太阳能电池100中反向移动的电子与空穴互相结合。电子-空穴对在太阳能电池100中每复合一次，即会消除电荷载流子，导致太阳能电池100的效率降低。复合可能发生在圆片110的体硅、或圆片110的表面105或106。在体中，复合与体硅的缺陷数量有关。在圆片110的表面105、106，复合与表面105、106的悬挂键(即未终结化学键)的多少有关。圆片110的硅晶格因结束于表面105、106而存有悬挂键。这些未终结化学键为缺陷陷阱，其处于硅的能带隙，因而作为电子-空穴对复合的位置。

彻底钝化太阳能电池的表面将减少表面复合而大幅提高太阳能电池的效率。在此，“钝化”是指化学终结硅晶格表面的悬挂键。为了钝化太阳能电池100的表面，例如表面105，通常形成介电层104于其上，从而减少表面105的悬挂键为1/1000或1/10000。就太阳能电池应用而言，介电层104一般为氮化硅(Si₃N₄，亦简称SiN)层，且大多数的悬挂键以硅原子(Si)或氮原子(N)终结。由于氮化硅(SiN)为无定形材料，因此发射区102的硅晶格无法完美配对介电层104的无定形结构。因此形成介电层104后留在表面105的悬挂键数量仍足以降低太阳能电池100的效率，故需额外钝化表面105，例如氢钝化。以多晶硅太阳能电池为例，氢同样有助于钝化晶粒边界的缺陷中心。

若介电层104为氮化硅(SiN)层，则并入最佳浓度的氢原子(H)至体介电层104，以进行表面105的氢钝化。最佳的氢浓度与许多因素有关，包括膜层性质和沉积介电层104的方法，其介于约5原子％至20原子％之间。沉积介电层104后，太阳能电池基板施予高温退火处理(有时称为”烧结(firing)工艺”)，以形成电池的金属接触。烧结期间，介电层104的氢原子从介电层104扩散到表面105和晶粒边界(若为多晶硅)，并终结许多留在此处的悬挂键。此领域中已知的是，体介电层104具有最佳氢原子浓度是有效施行氢钝化工艺的关键因素。例如，若表面105的氢钝化效果不佳，预估太阳能电池的效率可能会从14～15％降低至12～13％或以下。

除了表面钝化外，也可利用ARC层来提高太阳能电池100的效率。当光从一媒介行进至另一媒介时，例如从空气到玻璃或从玻璃到空气，即使入射光垂直二媒介的界面，仍有部分光自界面反射。光反射的比例与二媒介的折射率差有关，其中折射率差异越大，光自界面反射的比例越高。在二媒介间设置折射率介于二媒介之间的ARC层已知能减少光反射的比例。故在太阳能电池100的光接收面设置ARC层(如表面105上的介电层104)可减少入射光自太阳能电池100反射而无法产生电能的比例。当介电层104的折射率等于构成反射界面的二媒介(此例为玻璃和硅)的折射率乘积的平方根时，介电层104最能有效作为ARC层。玻璃和硅的折射率分别为约1.4和3.4，因此适用太阳能电池的ARC层的折射率应为约2.1。通过调整SiN沉积工艺的工艺参数可改变SiN的折射率达约1.8～3.0，故SiN适合作为太阳能电池的ARC层。