[发明专利]结晶硅太阳能电池的快速氢钝化的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种硅基底的氢化(hydrogenation)方法。特别是一种快速氢化工艺，用以钝化结晶硅(crystalline silicon，c-Si)太阳能电池中的硅结晶缺陷。前述结晶硅包含单晶硅(monocrystalline，m-Si)、多晶硅(multicrystalline，mc-Si)及多晶硅薄膜(polycrystalline thin film，poly-Si thin film)。

【背景技术】

太阳能电池是一种非常有前景的干净能源，其可直接从阳光产生电能。不过目前必须有效地降低太阳能电池的生产成本，太阳能电池才能被广泛接受而成为主要电力来源。研究指出硅晶片已占结晶硅太阳能电池模块总成本的三分之一以上。因此为了降低成本，利用多晶硅(mc-Si)或多晶硅薄膜(poly-Si thin film)制作太阳能电池，已成为重要发展方向。但是，mc-Si和poly-Si在晶体内都含有缺陷，包括晶界(grain boundary)、晶体间差排(intragrain dislocation)。这些缺点会降低太阳能电池的转换效率(conversionefficiency)。此外，即使在单晶太阳电能池的情况下，电荷载子在晶格表面的再结合(recombination)一样会不利于太阳能电池的转换效率。

现有技术已知通过将氢原子加入硅晶片中，可使晶体缺陷的影响降低，称为“氢钝化”工艺。如此结晶硅太阳能电池的效率将被大幅改善。一般观点，这些效率的改善与氢原子在晶格缺陷上形成键结，从而降低电荷载子在晶格缺陷上的再结合损失非常相关。目前在太阳能电池工艺技术上，利用氢钝化以减轻晶格缺陷的有害效应的方法包含：

(1)在氢气氛中做加热处理：

P.Sana，A.Rohatgi，J.P.Kalejs，and R.O.Bell，Appl.Phys.Lett.64，97(1994)。

美国专利US 5,169,791。

(2)以氢气等离子体进行扩散处理：

W.Schmidt，K.D.Rasch，and K.Roy，16IEEE Photovoltaic SpecialistConference，San Diego，1982，pages 537-542。

美国专利U.S.4,835,006与U.S.4,343,830。

(3)通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapordeposition，缩写为PECVD)沉积的富含氢的SiNx:H薄膜层：

R.Hezel and R.Schroner，J.Appl.Phys.，52(4)，3076(1981)。

(4)离子化氢原子(ionized hydrogen atom)的注入：

美国专利U.S.5,304,509。

J.E.Johnson，J.I.Hano Ka，and J.A.Gregory，18 IEEE PhotovoltaicSpecialists Conference，Las Vegas 1985，pages 1112-1115。

在氢钝化的工艺中，必须提供足够的氢原子以达成在多数的晶格缺陷上形成键结。然而因为氢原子通过晶片表面的扩散速率很慢，在(1)至(3)方法中的氢钝化工艺往往需要数小时之久。虽然在(4)方法中，使用传统的考夫曼(Kaufman)宽离子束源将氢离子注入晶片，工艺时间会降低。但在实际工业应用时，太阳能电池的大量生产需要数组大面积的离子束源才能达到。如此规格的离子束源设备是昂贵且复杂的系统。此外，在工艺中Kaufman离子束源内的加速电极会被离子轰击。而被溅射出来的金属颗粒会变成污染源，可能导致太阳能电池的效能变差。

在太阳能电池结构中含氢的非晶氮化硅(a-SiNx:H)薄膜已成为一个重要的应用。这种薄膜是用等离子体化学气相沉积的方式成长于硅晶片上。a-SiNx:H薄膜的应用第一是作为抗反射层(antireflection coating)。再者，它可以提供表面钝化作用(surface passivation effect)，以降低太阳能电池中电荷载子在硅晶片表面上再结合。此外，a-SiNx:H薄膜中的氢原子可扩散至硅晶片中并钝化晶格的缺陷。为达上述目的，需要热处理(thermal process)来提高太阳能电池的温度，以增加氢原子的扩散，达到理想的钝化。操作温度在350℃左右，工艺需费时1到2小时。