TW201442267A - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種太陽能電池及其製作方法。太陽能電池包括第一導電型基板，摻雜有第一摻質。第二導電型射極層，設置於基板上並摻雜有第二摻質。正面電極，設置於射極層上。背面電極，設置於基板之背面。第二摻質在射極層內具有濃度波峰。根據本發明，太陽能電池具有低的接觸電阻以及較佳的光伏電力效率。
Description
本發明係關於一種太陽能電池及其製作方法，具體來說，本發明係關於一種具有低接觸電阻以及高效率之太陽能電池以及其製作方法。
隨著近年來既有能源，例如石油和煤炭，的日益枯竭，社會日益關注替代能源的發展。在眾多的替代能源中，又以太陽能電池特別受重視。太陽能電池係採用半導體裝置，以將太陽能直接轉換成電能。一般而言，太陽能電池主要可以被分類為矽太陽能電池、半導體化合物太陽能電池以及串接式太陽能電池。在這些太陽能電池中，又以矽太陽能電池主導太陽能市場。
圖1是太陽能電池基本結構之剖面圖。
參照圖1，太陽能電池包括一基板100；一射極層200，設置於基板100上，具有與基板100相反之導電型；一抗反射層300，設置於射極層200上；一正面電極400，接觸射極層；以及一背面電極500，設置於基板100的背面。
另一方面，目前已有眾多技術針對高效率矽太陽能電池作相應之開發，例如淺射極、選擇射極等等，其中淺射極係指片電阻介於60至120歐姆/單位面積(Ω/sq)間之射極層。淺射極之優點在於其具有較低之載子復合速率，因而可使得短波長之太陽光被利用。
韓國專利申請號2010-0068987揭露了一種在PN接面增加電位差之方法，其係使用摻質漿料，選擇性地在矽基板的表面形成濃度較高之重摻雜
區域，以形成選擇性射極。透過這樣的方法，可改善短波長的吸收程度，進而增進了光伏電力的效率。具體來說，上述申請號2010-0068987揭露的方法包括以下步驟：將第二導電型之摻質擴散至半導體基板中，以於半導體基板的頂端形成第二導電型之半導體層。將摻質漿料印刷在矽基板的表面然後加熱，以於第二導電型之半導體層內形成濃度更高之重摻雜區域。以摻質漿料作為阻擋層，蝕刻半導體基板之表面。移除印刷在矽基板表面上之摻質漿料，之後圖案化金屬材料，使金屬材料接觸高濃度之重摻雜區域而形成電極。施行額外的擴散製程，以進一步擴展高濃度之重摻雜區域。
然而，上述的方法具有製程複雜以及成本高昂之缺點。進一步來說，對於利用擴散第二導電型摻質以形成射極區域而言，一般是利用網印的方式將摻質沉積在基板的表面，之後再利用熱處理以進一步使其穿透至基板內。因此，這樣的作法無法精準地控制摻質的擴散程度，致使無法於基板內部形成尺度精確的射極區域。
為了解決上述習知技術之問題，本發明之一目的在於提供一種具有較佳電性表現之太陽能電池。
此外，本發明之另一目的在於提供一種製造上述太陽能電池之方法，其係採用簡單的製程方式以精準控制基板內部射極層的深度以及摻質濃度。
為了達到上述目的，本發明係提供一種太陽能電池，其包括：第一導電型基板，摻雜有第一摻質；第二導電型射極層，設置於基板上並摻雜有第二摻質；正面電極，設置於射極層上；以及背面電極，設置於基板之背面，其中第二摻質在射極層內具有濃度波峰。
此外，本發明亦提供一種製作太陽能電池之方法，包括下列步驟：植入第二摻質至具有第一摻質之第一導電型基板，以形成第二導電型射極層，而且射極層內的第二摻質的濃度高於射極層表面之第二摻質的濃度；形成正面電極於射極層上；以及形成背面電極於基板的背面。
本發明提供一種具有低接觸電阻的太陽能電池，因而具有較佳光伏電力的效率。
此外，本發明提供一種製作太陽能電池之方法，其係利用簡單的製程方式以製作具有較佳電性表現之太陽能電池。
另外，本發明在形成正面電極時不必採用昂貴的漿料來形成淺射極，因此可達到降低成本之目的。
100‧‧‧基板
200‧‧‧射極層
300‧‧‧抗反射層
400‧‧‧正面電極
500‧‧‧背面電極
第1圖是太陽能電池基本結構之剖面圖。
第2圖是本發明太陽能電池和習知太陽能電池之摻質濃度對應距表面深度之折線圖。
第3圖是本發明太陽能電池和習知太陽能電池之射極層之能量圖。
本申請案主張韓國專利申請號10-2013-0041768之優先權，其申請日為西元2013年4月16日，其整體內容被併入為本發明內容之一部分。
根據本發明之一實施例，太陽能電池係包括：一第一導電型基板，摻雜有一第一摻質；一第二導電型射極層，設置於基板上並摻雜有一第二摻質；一正面電極，設置於射極層上；以及一背面電極，設置於基板之背面，
其中第二摻質在射極層內具有一濃度波峰。
此外，根據本發明另一實施例，本發明太陽能電池之製作方法包括下列步驟：植入一第二摻質至一具有一第一摻質之第一導電型基板，以形成一第二導電型射極層，而且射極層內的第二摻質的濃度高於射極層表面之第二摻質的濃度；於射極層上形成一正面電極；以及於基板的背面形成一背面電極。
值得注意的是，下文中雖然以「第一」、「第二」等術語描述不同的元件，然而這些術語僅用於區別該些元件。
此外，當某一層或者某一元件被描述為設置於另一層或另一元件「上」或「之上」時，其可以被理解為「直接設置」於該另一層或該另一元件之上，或者是被理解為有中介層或中介元件設置於在兩者之間。
下文將詳加描述本發明之具體實施例，且下述之實施例容許被修改和替代。需要注意的是，本發明之實施例不應被限縮至下文之實施例，相反地，本發明之實施例應涵蓋所有落入本發明精神和範疇內的所有變化型式、均等型式以及替代型式。
於下文中，將搭配附圖以詳細描述本發明之太陽能電池及其製作方法。
本發明太陽能電池包括：一第一導電型基板，摻雜有一第一摻質；一第二導電型射極層，設置於基板上並摻雜有一第二摻質；一正面電極，設置於射極層上；以及一背面電極，設置於基板之背面，其中在射極層內的第二摻質具有一濃度波峰。
首先，基板係為具有第一導電型之矽半導體基板，其中矽可以是
結晶矽，例如單晶矽或是多晶矽，或是非晶矽。
根據本發明之一實施例，第一導電型可以是P型。在這樣的情況下，第一摻質可以是三價元素，例如硼(B)、鎵(Ga)或銦(In)。
根據本發明之另一實施例，第一導電型亦可以是N型。在這樣的情況下，第一摻質可以是五族元素，例如磷(P)、砷(As)或銻(Sb)。
射極層具有第二導電型，其導電型與基板之導電型相反，而且包含有第二摻質。舉例來說，當上述基板具有P型導電型時，射極層可以具有N型導電型，且被摻雜有作為第二摻質之五族元素，例如磷(P)、砷(As)或銻(Sb)。
在本發明中，射極層的厚度係由第二摻質被植入的深度計算決定，且其深度係自基板的表面起算。
根據本發明之一實施例，射極層之厚度約略介於100至500奈米(nm)間。進一步而言，根據本發明之一實施例，射極層之片電阻可約略介於60至120歐姆/單位面積(Ω/sq)間。
如上所述，當基板以及射極層被分別以具有相反的導電型摻質摻雜時，PN接面便會形成於基板和射極層間的界面。當光線照射至太陽能電池之PN接面時，便可相應產生電子-電洞對。電場會加速電子流向N層，並加速電洞流向P層。因此，在PN接面會產生光電動勢(photoelectromotive force)。此時，當一負載或一系統被連接於太陽能電池之兩端，便可產生電流，且進而產生電力。
本發明太陽能電池之特徵在於位於射極層內之第二摻質具有濃度波峰，亦即，最高濃度會位於射極層內，而不是位於射極層表面。此特徵相異於習知太陽能電池濃度波峰位於射極層表面之特徵。
舉例來說，根據本發明之一實施例，以射極層之厚度而言，第二摻質之濃度波峰可位於距射極層表面約略30%至70%之深度，或是可以形成於距射極層表面約略50至250nm之深度。
第2圖是本發明太陽能電池和習知太陽能電池之摻質濃度對應距表面深度之曲線圖。在第2圖中，X軸代表自表面起算之深度，而Y軸代表摻質密度。
參考第2圖，根據本發明之範例所示之太陽能電池，第二摻質的濃度波峰係位於自基板表面起算100nm之深度。相對照之下，習知太陽能電池的第二摻質的濃度波峰係位於基板表面起。
當第二摻質的濃度波峰落於上述的深度範圍時，射極層會具有位能井形式的能量圖，因而具有低接觸電阻以及低理想因子(ideality factor)。
習知太陽能電池在射極層表面具有濃度波峰，且濃度由表面往內部漸減，使得射極層表面會具有較低能階。當激發電子形成於第一導電型基板內時，電子會進一步擴散至第二導電型射極層，而在基板表面產生載子復合，進而降低了太陽能電池之電性效率。
相較之下，根據本發明之太陽能電池，由於位能井的位能阻擋層會產生電場，其可以避免自由電子往表面移動，因而改善了表面復合速率。
第3圖繪示了本發明太陽能電池和習知太陽能電池之射極層之能量圖。在第3圖中，X軸代表自表面起算之深度，而Y軸代表導電帶。
參考第3圖，射極層具有一摻質輪廓，其會產生具有位能井之能量圖，因而維持了低接觸電阻以及低理想因子。此外，在形成正面電極時不再需要採用成本相對昂貴之銀(Ag)漿料以形成淺射極，因而可降低成本並提供具有較佳電性之太陽能電池。
根據本發明之一實施例，本發明之太陽能電池可進一步包括抗反射層，設置在射極層之上。
抗反射層可用以鈍化射極層表面或射極層內部之缺陷，因而降低入射至基板表面光線的反射率。若鈍化處理射極層之缺陷，便可移除載子的復合部(recombination site)，而增加了太陽能電池之開路電壓(Voc)。
當反射率降低時，可增加抵達PN接面之光線量，而增加了太陽能
電池之短路電流(Isc)。因此，藉由設置抗反射膜可增加太陽能電池之轉換效率，且其增加程度即相同於太陽能電池之開路電壓以及短路電流之增加程度。
抗反射層，舉例來說，可以是單層結構，其可以選自下列群組之一：氮化矽膜、含氫氮化矽膜、氧化矽膜、氮氧化矽膜、氟化鎂、硫化鋅、氧化鈦以及氧化鈰(CeO2)，或由上述層所構成之多層堆疊結構，但不限於此。進一步而言，抗反射膜之厚度可約略介於30至100nm，但不限於此。
正面電極係被設置於射極層上。
根據本發明之一實施例，正面電極可包括銀(Ag)。根據本發明之一實施例，正面電極之寬度可約略介於60至120微米(μm)間，且其高度約略介於10至35μm間，但本發明不限定於此。
背面電極係被設置於基板之背面。
背面電極可以被形成在基板之背面，而且可包括鋁(Al)。背面電極內之鋁可擴散通過基板背面，以於背面電極和基板間的界面形成背電場層。藉由形成背電場層，可避免載子移動至基板背面而產生復合。若成功避免載子復合，便可以增加開路電壓而改善太陽能電池之效率。
本發明實施例之太陽能電池包括射極層，其中摻質之濃度波峰係位於射極層內而不是在射極層表面，因而太陽能電池可以具有低接觸電阻以及改善的效率。
舉例來說，本發明實施例之太陽能電池若為一單晶太陽能電池，其可以具有19.3%或更高之效率。
本發明太陽能電池之製作方法係包括下列步驟：植入一第二摻質至一具有一第一摻質之第一導電型基板，以形成一第二導電型射極層，而且射極層內的該第二摻質的濃度高於射極層表面之
第二摻質的濃度；形成一正面電極於射極層上；以及形成一背面電極於基板的背面。
根據本發明之一實施例，當上述具有第一導電型之基板為P型時，摻雜至基板的第一摻質可例如是硼(B)、鎵(Ga)或銦(In)等的三族元素。
根據本發明之一實施例，基板表面可以被蝕刻或被施以線鋸缺陷蝕刻製程，以移除氧化膜或形成於基板表面之覆著物。
此外，為了改善光吸收速率以及降低光反射速率，基板表面可進一步被施行一粗糙化製程。
之後，形成第二導電型射極層，其導電型係與基板之第一導電型相反。舉例來說，當上述基板為P型導電型時，射極層可以是N型導電型，且摻雜的第二摻質係為五族元素，例如磷(P)、砷(As)或銻(Sb)。
第二摻質可以被摻雜至自基板表面起算之100至500nm間之深度。亦即，射極層之厚度可約略介於100至500nm間。進一步而言，根據本發明之一實施例，射極層之片電阻可約略介於60至120Ω/sq間。
根據本發明太陽能電池之製造方法，位於射極層內之第二摻質會具有濃度波峰，亦即，最高濃度會位於射極層之內，而不是位於射極層表面。
以射極層之整體厚度而言，第二摻質之濃度波峰可形成於距射極層表面約略30%至70%之深度，或是可以形成於距射極層表面約略50至250nm之深度。
可利用離子摻雜製程以植入第二摻質。
藉由控制離子摻雜製程之摻質濃度，可獲得預定之摻質深度，因而即便在低摻質濃度下仍可達到高均勻度。此時，當摻質整體濃度降低時，便可降低電子-電洞復合速率，進而產生高效率之光伏電力。然而，此時基板的電阻亦會增加，造成基板和電極間接觸電阻的差異，因此，當電子在光
伏電力產生過程中被收集時，太陽能電池效率會降低。一般離子摻雜製程所產生之離子濃度輪廓會相似於習知擴散方法所產生之離子濃度輪廓。亦及，濃度會從表面逐漸往內部降低。
然而，根據本發明太陽能電池之製作方法，濃度波峰係位於射極層內部，而非射極層表面。因此射極層的摻質輪廓相應產生之能量圖會具有位能井形式，因而維持了低接觸電阻以及低理想因子(ideality factor)。
在植入摻質的過程中，為了大量生產之目的，機台一般會同時負載有大量的基板。由於基板間的空隙狹窄，使得在基板間植入足量之摻質變得相當困難，導致位於基板中央的摻質濃度會較低，而形成了高片電阻。結果，在形成電極的過程中會造成短路，而降低了填充因子(FF)以及開路電壓(Voc)。如此一來，減損了太陽能電池之效率。
然而，上述之問題可透過本發明之製造方法而解決。
進一步而言，若形成薄射極層，且在後續形成正面電極的製程中採用燒結的方式燒結用以形成正面電極之漿料，如此會增加接觸電阻，因而降低了填充因子。為了解決這樣的問題，一般會採用銀漿料以形成淺射極，但是由於其成本昂貴，反而提高了太陽能電池之製造成本。根據本發明之製造方法，在形成正面電極的過程中，不須採用價格昂貴之漿料以形成淺射極，而可採用價格較低之漿料，因而降低了製造成本。
如上所述，藉由適當控制離子摻雜的數量以及離子佈植機台的能量，可以將第二摻質之濃度波峰形成在射極層內部。舉例來說，藉由調控佈植能量約略在50至400千電子伏特(keV)之間，離子濃度波峰便可以被形成在內部而不是在表面。
在習知太陽能電池中，其射極層表面會具有濃度波峰，因此低能量圖譜會形成在此表面。因此，當產生於第一導電型基板內之激發電子擴散至第二導電型射極層時，可能會在基板表面產生復合。相較之下，根據本發明，位能井的位能阻擋層所產生之電場可避免自由電子往表面移動，因而改
善了表面復合速率。
根據本發明之一實施例，在形成射極層之後，另包括在射極層上形成一抗反射層之步驟。
形成抗反射層之方式可透過真空沉積、化學氣相沉積、旋轉塗布、網印或噴塗等，但不限於此。而且，舉例來說，抗反射層可以是單層結構，其可以選自下列群組其中之一：氮化矽膜、含氫氮化矽膜、氧化矽膜、氮氧化矽膜、氟化鎂、硫化鋅、氧化鈦以及氧化鈰(CeO2)，或由上述層所構成之多層堆疊結，但不限於此。
進一步而言，抗反射膜之厚度可約略介於30至100nm間，但不限於此。
可移除抗反射層，以形成穿透抗反射層之開口，且部分暴露出之射極層可以被同時移除。
上述形成開口之方式可以是任何已知的圖案化方法，例如光微影蝕刻法、光切割方法、機械切割法、電漿蝕刻法、濕式蝕刻法、乾式蝕刻法、掀離法(lift-off)、線遮罩法。根據本發明之一實施例，可以藉由雷射剝除方式以移除固定尺寸面積而形成開口，但不限於此。
網印用以形成正面電極之漿料，並同時將其填入開孔，然後予以加熱以形成正面電極。形成正面電極之漿料可以是銀(Ag)漿料。用以正面電極之漿料並非形成淺射極之漿料。形成淺射極之漿料是具有較高銀含量之昂貴漿料，而用以正面電極之漿料是具有較低銀含量之便宜漿料。
根據本發明之一實施例，上述網印及加熱銀漿料的方法可以是先使用網印機台，然後將銀漿料送至帶狀燒結爐，以在氮氣環境下進行燒結。
製得的正面電極的寬度可約略介於60μm至120μm之間，其高度可約略介於15至35μm之間。
本發明之太陽能電池製造方法包括形成一背面電極。具體來說，可藉由將用以形成背面電極之漿料印刷至基板背面，然後進行熱處理以形成
背面電極。形成背面電極的漿料可以是鋁(Al)漿料。
根據本發明之一實施例，形成背面電極的時點可以優先於或遲於形成正面電極的時點，且順序對於製程不會產生影響。
鋁漿料之組成可包含鋁、石英二氧化矽、黏著劑等等。在熱處理鋁漿料的製程中，鋁可擴散通過基板背面，以於背面電極和基板間的界面形成背電場層。藉由形成背電場層，可避免載子移動至基板背面而產生復合。若能成功避免載子復合，便可以增加開路電壓而改善太陽能電池之效率。
根據本發明之一實施例，上述熱處理鋁漿料的步驟可以是將鋁漿料送至帶狀燒結爐，以在氮氣環境下進行燒結。
根據本發明另一實施例，背面電極可以與正面電極同時形成。換言之，網印用以形成正面電極的銀漿料，並網印用以形成背面電極的鋁漿料至基板背面。之後進行一燒結製程，以同時形成正面電極以及背面電極。
於下文中，係藉由範例以進一步詳細解釋本發明。然而，下述範例係僅用以說明本發明，並非用以限縮本發明所欲涵蓋之範圍。
施行移除線鋸缺陷製程，處理厚度為156毫米(mm)的單晶矽晶圓之表面，繼以施行粗糙化製程，利用氫氧化鉀(KOH)以及異丙醇(IPA)處理晶圓表面，以降低表面反射率。
在施行粗糙化製程之後，施行能量為200keV的離子佈植製程，以形成射極層。此時，磷(P)的濃度波峰會位於距離射極層表面100nm的深度，且射極層的總深度為200nm。
施行電漿輔助化學氣相沉積製程(PECVD)，於射極層上沉積厚度為80nm的氮化矽膜，以作為抗反射層。
施行網版印刷，將Al漿料(型號：ALSOLAR；製造商：Toyo
Aluminum K.K)印刷在基板的背面，後續送至帶狀燒結爐，在300℃的環境下處理60秒，以進行乾燥，然後在900℃的環境下處理60秒。至此，燒結後背面電極之厚度大約為300μm。
利用雷射剝除製程移除40μm的抗反射層，以形成開口。
為了形成正面電極，可將價格便宜之銀漿料(型號：17A；製造商：Dupont)網印至基板正面，繼以送至帶狀爐，在900℃處理20秒，以進行燒結而形成正面電極。
在對照例1中，除了形成射極層的方式不同外，其他製作太陽能電池之步驟大致相同於範例1中所採用之步驟。具體來說，三氯氧磷(POCL3)會被供應至900℃之爐管，以將磷摻雜至基板內而形成射極層，且射極層之片電阻係介於70~90Ω/sq之間。高價格之銀漿料(型號：17F；製造商：Dupont)會被用來形成正面電極。
針對由範例1和對照例1所分別製造之太陽能電池，以下藉由電流-電壓測試機量測以及使用PC1D程式作比較，以評估兩者之電性表現。量測後的結果係展示於表1中。於表1中，符號Jsc代表在輸出電壓為零之情況下之短路電流密度、符號Voc代表在輸出電流為零之情況下之開路電壓、符號FF[%]代表填充因子、符號Eta[%]代表效率。
如表1所示，本發明之太陽能電池相較於習知方法所製造之太陽能電池具有較佳之電性表現。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
Claims (12)
- 一種太陽能電池，包括：一第一導電型基板，摻雜有一第一摻質；一第二導電型射極層，設置於該基板上並摻雜有一第二摻質；一正面電極，設置於該射極層上；以及一背面電極，設置於該基板之背面，其中該第二摻質在該射極層內具有一濃度波峰。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該第二摻質之該濃度波峰係位於自射極層表面起算介於30%至70%之深度。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該射極層之厚度介於100至500奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該正面電極包括銀(Ag)。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該背面電極包括鋁(Al)。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該射極層具有一位能井(pot ential well)形式的能量圖。
- 一種太陽能電池之製造方法，包括下述步驟：植入一第二摻質至一具有一第一摻質之第一導電型基板，以形成一第二導電型射極層，而且該射極層內的該第二摻質的濃度高於該射極層表面之該第二摻質的濃度；形成一正面電極於該射極層上；以及 形成一背面電極於該基板的背面。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池之製造方法，其中在植入該第二摻質之後，該第二摻質的濃度波峰係位於自射極層表面起算介於30%至70%之深度。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池之製造方法，其中該射極層之厚度介於100至500nm。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池之製造方法，另包括在該射極層上形成一抗反射層之步驟。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池之製造方法，其中植入該第二摻質的步驟係利用一離子摻雜製程。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池之製造方法，其中該離子摻雜製程的離子摻雜能量係介於50千電子伏特(keV)至400keV。
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