TW200929575A - A passivation layer structure of the solar cell and the method of the fabricating - Google Patents
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200929575 25934twf.doc/p 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明疋有關於一種光電元件，且特別是有關於一種 可提升光電轉換效率的太陽能電池的鈍化層結構及其製造 方法。 【先前技術】 太陽能是一種具有永不耗盡且無污染的能源，在解決 目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受 矚目的焦點。其中，又以太陽能電池(s〇larcell)可直接將太 陽旎轉換為電能，而成為目前相當重要的研究課題。 石夕基太％電池為業界常見的一種太陽電池。石夕基太陽 能電池的原理是將高純度的半導體材料(矽)加入一些不純 物使其呈現不同的性質’以形成p型半導體及n型半導體， 並將pn兩型半導體相接合，如此即可形成一 p_n接面。而 P:n接面是由帶正電的施體離子與帶負電的受體離子所組 成，在所述正、負離子所在的區域内，存在著一個内建電 位(built-in potential)。此内建電位可驅趕在此區域中的可 ^動，子，故此區域稱之為空乏區(depleti〇nregi〇n)。當太 陽，照射到-㈤p_n結構的半導體時，光子所提供的能量 可旎會把半導體中的電子激發出來，產生電子-電洞對，電 子與電洞均會受到内建電位的景彡響，電洞往電場的方向移 動、’而電子則往相反的方向移動。如果轉線將此太陽能 電池與一負載(l〇ad)連接起來，形成一個迴路(1〇叩)就會有 5 25934twf.doc/p 200929575 電流流過負載，這就是太陽能電池發電的原理。如果要對 太陽能電池進行改良’最好是從提升其光電轉換效率著手。 一般而言，除了抗反射層外，鈍化層的良窳，是決定 太陽電池效率的重要關鍵之一。好的鈍化層可以與矽表面 或缺陷處(如差排、晶界、點缺陷）的懸浮鍵(danglingb〇nd) 形成鍵結，有效降低電子電洞對在矽表面及缺陷處的再結 合率（recombination rate)，進而提升少數載子存活期 ❹ （lifetime)，而達到提升太陽電池效率的目的。因此，若能 提升鈍化層的鈍化效果，將可以提升太陽電池效率。 【發明内容】 本發明提供一種太陽能電池的鈍化層結構，該結構可 以提升表面鈍化效果，並可直接地提升太陽能電池光電轉 換效率。 有鑑於此，本發明提出一種太陽能電池的鈍化層結 構’設置於光電轉換層上，其具有第一鈍化層與第二鈍化 層。第一鈍化層設置於光電轉換層上。第二鈍化層設置於 © 光電轉換層與第一鈍化層之間，且第二鈍化層的材質為光 電轉換層的材質的氧化物。 在本發明之一實施例中’上述第一鈍化層的厚度為 2nm 至 l〇〇nm 〇 在本發明之一實施例中’上述第一鈍化層的材質為具 有負的固定電荷(fixed charge)的金屬氧化物。 在本發明之一實施例中’上述第一鈍化層的材質為選 自氧化銘、氧化鋅與銦錫氧化物之其中之一。 6 25934twf.doc/p 200929575 在本發明之一實施例中，上述第二鈍化層的厚度為 lnm 至 15nm。 在本發明之一實施例中’上述第二鈍化層的材質為氧 化石夕。 在本發明之一實施例中’上述第二鈍化層的材質為氧 化矽；上述第一鈍化層的材質為氧化鋁。 本發明提出一種太陽能電池的鈍化層結構的製造方 Q 法，具有下列步驟。首先，提供光電轉換層。然後，於光 電轉換層上形成第二鈍化層，並且於第二鈍化層上形成第 一鈍化層。第二鈍化層的材質為光電轉換層的材質的氧化 物。 在本發明之一實施例中，上述第一鈍化層的形成方法 為選自原子層氣相沈積法(ALD)、電漿增強化學氣相沈積 法（PECVD)、濺鍍法（sputtering method)與分子束磊晶 (MBE ’ Molecular beam epitaxy)之其中之一。。 在本發明之一實施例中，上述第一鈍化層的厚度為 W 2mns100nm。 在本發明之一實施例中，上述第一鈍化層的材質為具 有負的固定電荷的金屬氧化物。 、 在本發明之一實施例中，上述第一鈍化層的材質為選 自氧化鋁、氧化鋅與銦錫氧化物之其中之一。 在本發明之一實施例中，上述第二鈍化層的形成方法 為進行熱氧化製程。 在本發明之一實施例中，上述第二鈍化層的厚度為 25934twf.doc/p 200929575 lnm 至 15nm。 在本發明之一實施例中，上述第二鈍化層的材質為氧 化矽。 在本發明之一實施例中，上述第一鈍化層的材質為以 原子層氣相沈積法形成的氧化鋁，上述第二鈍化層的材質 為氧化矽。 ' 本發明因採用在基材與第一鈍化層之間設置有第二 鈍化層的結構，可以提升鈍化層的鈍化效果，使得太陽能 電池光電轉換效率大幅提昇。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。 【實施方式】 圖1所繪示為本發明之較佳實施例之一種太陽能電池 的鈍化層結構的剖面圖。 請參照圖1，本發明的太陽能電池的鈍化層結構設置 於基材10上，其具有第一鈍化層20與第二鈍化層30。第 一鈍化層20設置於基材10上。第二鈍化層3〇設置於基材 10與第一鈍化層20之間，第二鈍化層3〇的材質與第一鈍 化層20的材質不同。基材10例如是太陽電池的光電轉換 層。 第一鈍化層20的厚度例如為211111至1〇〇nm。第一鈍 化層20的材質例如是氧化鋁、氧化鋅或銦錫氧化物。第一 鈍化層20的形成方法例如是原子層沈積法、濺鍍法 (sputtering method)、電漿增強化學氣相沈積法(pec：vd)與 8 25934twf.doc/p 200929575 为子束屋晶(MBE ’ Molecular beam epitaxy)之其中之一。 第二鈍化層30例如設置於基材1〇與第二鈍化層2〇 之間。第二鈍化層30的材質例如是基材1〇之材質的曰氧化 物。舉例來說，若基材1〇的材質為矽，則第二鈍化層 • 的材質為氧化矽。第二鈍化層30的厚度例如為lnm至 15nm。第二鈍化層30的形成方法例如是熱氧化製程。 本發明的太陽能電池的鈍化層結構及其製造方法，由 ❹ 於在基材10與第一鈍化層20之間設置有第二鈍化層3〇， 因此可以有效增加表面鈍化效果與載子活存期。 上述说明本發明之提高表面鈍化效果之結構及其製 造方法。接著，說明將本發明的提高表面鈍化效果之1吉構 應用在太陽電池時的實施例。 圖2所繪示為本發明之較佳實施例之一種太陽能電池 的剖面圖。 明參照圖2 ’此太&能電池1 〇〇例如是由光電轉換層 102、第一純化層104a、第二純化層i〇4b、第一純化層 ❹ 106a、第一鈍化層l〇6b、抗反射層l〇8a、抗反射層1〇8b、 第一電極110與第二電極112構成。 光電轉換層102的材質例如是石夕及其合金、硫化録 (CdS)、銅銦鎵二硒（CuInGaSe2，CIGS)、銅銦二硒 (CuInSe2 ’ CIS)、碑化編(CdTe)、有機材料(organic material) 或上述材料堆疊之多層結構。上述梦包括單晶碎(single crystal silicon)、多晶石夕（polycrystal silicon)、非晶球 (amorphous silicon；))。上述矽合金是指矽中加入氫原子 9 200929575 25934twf.doc/p (Η)、氟原子(F)、氯原子(C1)、錯原子(Ge)、氧原子⑼、碳 原子(C)或氮原子(N)等原子。 在本實施例中，太陽能電池1〇〇以矽基太陽能電池為 例做說明。光電轉換層1〇2例如是由p型半導體層HA與 N型半導體層116構成。P型半導體層114摻雜有週期表 第二無元素，例如蝴(B)、鎵(Ga)、銦(In)等等。N型半導 體層116摻雜有週期表第五族元素，例如鱗(p)、砷(As)、 銻(sb)等等。p型半導體層114與N型半導體層116接觸 而形成PN接面。光電轉換層1〇2具有第一面1〇2a與第二 面102b。第一面l〇2a與第二面i〇2b相對。 第一鈍化層106a與第一鈍化層i〇6b例如分別設置於 光電轉換層102的第一面i〇2a與第二面l〇2b上。第一鈍 化層106a與第一鈍化層106b的厚度例如為2nm至 100nm。第一鈍化層i〇6a與第一鈍化層1〇6b的材質包括 具有負的固疋電何的金屬氧化物。第一純化層106a與第一 鈍化層106b的材質例如是氧化矽、氧化鋁、氧化鋅或銦錫 Q 氧化物。 第二鈍化層104a、第二鈍化層i〇4a例如分別於光電 轉換層102的第一面l〇2a與第二面l〇2b上，且分別位於 光電轉換層102與第一鈍化層i〇6a之間及光電轉換層1〇2 與第一鈍化層106b。第二鈍化層i〇4a、第二鈍化層104a 的材質與第一鈍化層106的材質不同。第二鈍化層i〇4a、 第二鈍化層104a的材質例如是光電轉換層1〇2之材質的氧 化物。因此’第二純化層l〇4a、第二鈍化層i〇4a的材質 200929575 25934twf.doc/p 例如疋乳化梦。苐一純化層.104的厚度例如為1 nm至 15nm。 抗反射層108a與抗反射層i〇8b例如分別設置於第一 第一鈍化層106a與第一鈍化層i〇6b上。抗反射層1〇8a 與抗反射層108b的材質例如是氮氧化矽、氮化;g夕等。 第一電極110例如設置於光電轉換層1〇2之第一面 102a上。第一電極108例如穿過抗反射層1〇8a、第一鈍化 φ 層、第一鈍化層l〇4a而電性連接光電轉換層1〇2。 第二電極112例如設置於光電轉換層1〇2之第二面 102b上。第二電極112例如覆蓋光電轉換層1〇2之第二面 102b，且穿過抗反射層1〇肋、第一鈍化層1〇6b、第二鈍化 層104b而電性連接光電轉換層1〇2。第一電極11〇與第二 電極112的材料包括金屬材料(如鋁等）或透明導電氧化物 (transparent conductive oxide，TCO)。第一電極 11〇 與第二 電極112的形成方法例如是可利用化學氣相沈積法(cvd method)、濺鍍法（sputtering meth〇d)、網印燒結（奶· ❹ print and &丨呢meth〇d)或其他合適的方法來製備。 在本實施例中，由於在光電轉換層1〇2與第一鈍化層 106a(106b)之間設置有第二鈍化層1〇4_4的，因此可以 有效增加表面純化效果與載子活存期，並使得太陽電池的 效率大幅提昇。當然’在其他實施例中，也可以只在光電 轉換層102之第-面贿或第二面腿的其中一面上形 成第一純化層與第二純化層的堆疊結構。 以下特舉出實驗例以進—步說明本發明。 25934tw£doc/p 200929575 [載子活存期試驗]
Czochralski (CZ)矽晶圓 準備兩片載子活存期相近的 來進行第二鈍化層的研究。 货驗你Π ^晶圓上成長-層2nm的氧切作為第二純化 後軒層氣她積紐上—層15nm的氧化銘 作為第一鈍化層。 Ο
比較例1 在石夕晶圓上利用原子層氣相沉積法鍍上—層15nm的 氧化紹作為第一純化層。 ^然後，進行實驗例1與比較例1的樣品在氮氫混合氣 氛(forming gas)處理前後的載子活存期量測，結果如表一 所示。 表一 梦晶圓 氮氫混合氣 氛處理前 氮氳混合ΪΓ 氛處理後 比較例1 3.7202 ( μβ) 18.4351 (μδ) 29.8546 (μδ) 實驗例1 3.4987 (μδ) 52.405 (ps) 102.89 (μ^~ 兑根據表一的結果，無論在氮氫混合氣氛(forming gas) 前後，實驗例1的載子活存期比比較例1的載子活存期都 來的大。而且經過氮氫混合氣氛處理後，實驗例的載子活 存期甚至超過1〇〇 μδ，證實藉由設置第二鈍化層可以得到 較佳的表面鈍化效果。 [太陽能電池特性試驗] 12 200929575 25934twf.doc/p 準備三片載子活存期相近的多晶矽晶圓，並將其分別 依照下述條件製作成太陽能電池，並量測相關太陽能電池 特性，以進行第二純化層的研究。 實驗例2 太陽能電池的光電轉換層是用摻雜硼至lxl〇2〇cm-3的 P型多晶矽晶圓(mc-Si wafer)製作的。此多晶矽晶圓(mc_Si wafer)的平均晶粒大小(mean grain size)是大概5 mm。而 0 且，在晶圓的表面上已預先製作一個角椎構造。NP接合則 疋在 850 C使用軋氣化磷(phosphorus oxychloride ; P〇CL3) 進行擴散歷時20分鐘而製作成的。接著，晶圓的正背面分 別形成鈍化層。此鈍化層由第二鈍化層與第一鈍化層構 成，其形成方法是在多晶石夕晶圓的正背面上先成長一層 2nm的氧化矽作為第二鈍化層，然後利用原子層氣相沉積 法鍍上一層15nm的氧化鋁作為第一鈍化層。然後，在晶 圓的正背面分別形成一層抗反射層。此反射層是由大約9〇 nm的a-SiNx : Η薄膜，其形成方法是使用電容耦合式射 〇 頻電漿反應裝置，使用SiH4和Νη3作為前驅物 (precursor)，並在反應溫度為35〇°c的條件下，進行沈積製 程而形成。之後，於多晶矽晶圓的正背面製作金屬電極。 正面金屬電極是使用金屬印刷法並加上93(rc的燒結製程 製作而成的鋁電極。而背面電極是用濺鍍法成長，再利用 雷射燒結而成的鋁電極。 比較例2 所以製程與實驗例相同，差別在於鈍化層只使用熱氧 13 200929575 25934t\vf.doc/p 化製程形成一層2〇nm的氧化矽。 比較例芝 所以製程與實驗例相同，差別在於純化層只使用原子 層氣相沉躲製程軸—層丨―的氧她，結果如表二 所示。 〇
根據表二的結果，實驗例2的光電轉換效率比比較例 2、3的光電轉換效率都來的大，證實藉由設置第二鈍化層 可以得到較佳的表面鈍化效果。 在習知技術中，因為第一鈍化層在太陽能電池電極製 作^•需要一道燒結製程，第一鈍化層經過高溫燒結時會產 ^結晶狀，且帶負電荷的第一鈍化層常與半導體材料晶格 常數不同，因此兩種不同晶格常數接合時會產生錯排而造 成缺陷。然而，本發明在光電轉換層與第一鈍化層之間設 置較薄的第二鈍化層，不但可以使得第一鈍化層結晶時減 少在介面的缺陷產生，而且帶負電荷的第一鈍化層又可以 有效增加表面鈍化效果與載子活存期，而使得太陽能電池 光電轉換效率大幅提昇。 綜上所述’本發明的太陽能電池的鈍化層結構及其製 造方法，由於在光電轉換層與第一鈍化層之間設置有第二 鈍化層’因此可以有效增加表面鈍化效果與載子活存期， 200929575 i 25934twf.doc/p 並使得太陽電池的光電轉換效率大幅提昇。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其用以 限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者 脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾， 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者 為準。 【圖式簡單說明】 圖1是本發明之一較佳實施例之一種太陽能電池的鈍 化層結構的剖面圖。 圖2是本發明之一較佳實施例之一種太陽能電池的剖 面圖。 【主要元件符號說明】 10 :基材 20、106a、106b :第一鈍化層 30、104a、104b :第二純化層 100 :太陽能電池 〇 102 :光電轉換層 108a、108b :抗反射層 110 :第一電極 112 :第二電極 114 :P型半導體層 116 :N型半導體層 102a :第一面 102b :第二面 15
Claims (1)
- 200929575 25934twf.doc/p 十、申請專利範圍： 1. 一種太陽能電池的鈍化層結構，設置於光電轉換層 上，包括： 第一鈍化層，設置於前述光電轉換層上；以及 第二鈍化層’設置於前述光電轉換層與前述第一鈍化 層之間，且前述第二鈍化層的材質為前述光電轉換層的材 質的氧化物。 2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的鈍化層 © 結構’其中前述第一鈍化層的厚度為2nm至i〇〇nm。 3. 如申请專利範圍第1項所述之太陽能電池的鈍化層 結構’其中前述第一鈍化層的材質為具有負的固定電荷的 金屬氧化物。 4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的鈍化層 結構’其中前述第一鈍化層的材質為選自氧化鋁、氧化鋅、 與銦錫氧化物之其中之一。 5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的鈍化層 φ 結構’其中前述第二鈍化層的厚度為lnm至15nm。 6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的鈍化層 結構’其中前述第二鈍化層的材質為氧化矽。 7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的鈍化層 結構’其中前述第二鈍化層的材質為氧化矽；前述第一鈍 化層的材質為氧化鋁。 8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的鈍化層 結構’其中則述第一鈍化層的材質為以原子層氣相沈積法 形成的氧化鋁。 16 200929575 25934twf.doc/p 9.一種太陽能電池的鈍化層結構的製造方法，包括· 提供光電轉換層； 於前述光電轉換層上形成第二鈍化層，前述第二鈍化 層的材質為前述光電轉換層的材質的氧化物；以及 於前述第二鈍化層上形成第一鈍化層。 10·如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池的鈍化 層釔構的製造方法，其中前述第一純化層的形成方法為選 自原子層氣相沈積法(ALD)、電漿增強化學氣相沈積法 (PECVD)、激鐘法(sputtering meth〇d)與分子束磊晶(mbe， Molecular beam epitaxy)之其中之一。 11.如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池的純化 層結構的製造方法，其中前述第一鈍化層的厚度為2nm至 lOOnm ° 12·如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池的鈍化 層結構的製造方法’其中前述第一鈍化層的材質為具有負 的固定電荷的金屬氧化物。 13. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池的鈍化 層結構的製造方法’其中前述第一鈍化層的材質為選自氧 化鋁、氧化鋅與銦錫氧化物之其中之一。 14. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池的鈍化 層結構的製造方法’其中前述第二鈍化層的形成方法為進 行熱氧化製程。 15·如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池的鈍化 層結構的製造方法，其中前述第二鈍化層的厚度為lnm至 17 200929575 25934twf.doc/p 15nm 16.如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池的鈍化 層結構的製造方法，其中前述第二純化層的材質為氧化石夕。 岸』二ΪΓ專利乾圍第9項所述之太陽能電池的鈍化 層氣相沈積法形成的氧彳tii—聽層㈣f為以原子 化石夕。 ㈣氧化銘’則述第二純化廣的材質為氧 Ο
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