TWI408822B - Thin silicon solar cell and its manufacturing method - Google Patents

Description

薄型矽晶太陽能電池及其製造方法

本發明係有關薄型矽晶太陽能電池及其製造方法，旨在提供一種藉由低溫長膜方式及低溫熱擴散方式成型之薄型矽晶太陽能電池及其製造方法。

近年基於工業高度發展，使得地球上化石能源快速枯竭，且導致環境污染日趨嚴重。因此，世界各國基於能源需求與環保理由，皆致力於發展替代能源。太陽能對現今人類而言為可利用之最豐富資源，且不需運輸成本、乾淨以及對地球不增加熱負載等優點。基於上述優點，太陽能為現今最具開發潛力之清淨再生能源之一。

太陽能電池(solar cell)係利用光伏效應(photovoltaic effect)，將太陽光能轉換為電能之半導體元件，基本上任何半導體的二極體皆可將光能轉換成電能。太陽能電池產生電能係基於光導效應(photoconductive effect)與內部電場兩因素。因此，選擇太陽能電池發電的材料時，必須考量材料的光導效應及如何產生內部電場。

如吾人所知悉，光照射於物質上時，一部光將為物質吸收，他部則經由反射或穿透而離開物質。基於此原理，選取作為太陽能電池材質的重要考量之一即為吸光材質的光吸收特性，較高的光吸收特性能使輸出功率增加。太陽電池性能的高低主要以光電之間的轉換效率來評斷。而影響轉換效率的因子包含太陽光強度、溫度；材料的阻值與基質的品質、缺陷密度；pn接面的濃度、深度；表面對光反射率大小；金屬電極線寬、線高、接觸電阻等。故對各種影響因子須嚴密控制才得以製造出具高轉換效率的太陽電池。

轉換效率與成本為現今製造太陽能電池所選用半導體材料之主要考量。目前市場上的太陽能電池，以矽為原料的太陽能電池市佔率為大宗。依晶體結構分類，分別為單晶太陽能電池、複晶太陽能電池以及非晶型太陽能電池等三種。以理論轉換效率而言，仍以單晶矽太陽能電池為較高，約為25%，複晶矽則近似次之約為20%，非晶型矽則大約為15%左右。使用其他化合物半導體來做為光電轉換基板，例如III-V族之砷化鎵(GaAs)，理論轉換效率則可高達26%以上。

太陽能電池的轉換效率與製作成本依照其結構及製程步驟的不同而有顯著差異，高效率的太陽能電池通常結構複雜，製程步驟繁複，如使用多道光罩及多道高溫製程，而且使用載子生命期長但是價格昂貴的FZ(floating zone)級矽晶片，製作成本也就相對提升，在量產上較不利。目前矽晶圓大多由拉伸法(Czochralski method)所製造，而後將所製成之矽晶棒切片(slice)成晶圓，成為矽太陽能電池之基板。

而習有製作矽晶太陽能電池技術一般係採用如Sanyo公司所研發雙面低溫成膜方式製成，如第五圖所示，其主要係於一矽晶板31正面以低溫成膜方式(例如濺鍍法或電漿化學氣相沉積)依序形成一本質非晶矽層32以及一n型非晶矽摻質層33，並於背面依序形成一本質非晶矽層32以及一p型非晶矽摻質層36，再分別於n型非晶矽摻質層33及p型非晶矽摻質層36表面依序形成透明導電膜34以及電極層35、37。

由於成本仍為矽太陽能電池工業最主要之考量因素，現今矽太陽能電池典型厚度為200至300微米，若能減低其矽基板厚度，則於量產上可降低其成本。

雖減少矽基板厚度得以降低製造成本，然，厚度太薄則容易產生彎曲形變，變形程度隨尺寸及製程溫度上升，而擴大翹曲之程度。惟目前一般使用的高溫熱擴散製作矽晶太陽電池技術尚未有對應薄形矽基板(指厚度小於150微米)之有效解決方案。是以，克服基板變薄時於電池製作中所導致的形變，為當務之急。

為解決上述問題，本發明提出一製作薄形化太陽能電池的方法。

本發明係之主要目的即在提供一種藉由低溫長膜方式及低溫熱擴散方式成型之薄型矽晶太陽能電池及其製造方法。

為達上揭目的，本發明之薄型矽晶太陽能電池係設有一基板，而該基板正反兩面分別設有一n型摻質層以及一p型摻質層，該n型摻質層以及p型摻質層表面並設有第一、第二電極層；其中，該n型摻質層為非晶矽結構，係藉由低溫長膜技術如電漿化學氣相沉積法或熱燈絲化學氣相沉積法所形成。另一邊的p型摻質層係藉由低溫長膜技術如濺鍍法蒸鍍一層非晶矽層，之後結合金屬層經低溫熱擴散所形成。

本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。

本發明「薄型矽晶太陽能電池及其製造方法」，本發明薄型矽晶太陽能電池10之基本結構如第一圖所示，其至少包含有：一基板11，該基板11可以為n型或p型矽晶基板；一本質非晶矽層12，係設於該基板11一表面，如圖所示之實施例中，該本質非晶矽層12係設於該基板11之正面111；一n型摻質層13，係設於該本質非晶矽層12表面；一透明導電膜14，係設於該n型摻質層13與第一電極層15之間，該透明導電膜14可以為金屬氧化物透明導電膜；第一電極層15，係設於該透明導電膜14表面，如圖所示該第一電極層15可以為複數條狀結構；一p型摻質層16，係設於該基板11相對於本質非晶矽層12之另側表面，如圖所示之實施例中，該p型摻質層16係設於該基板11之背面112，該p型摻質層16係由一本質非晶矽層結合金屬層在低溫條件下熱擴散結晶化所形成；一透明導電膜14，係另設於該p型摻質層16與第二電極層17之間，該透明導電膜14可以為金屬氧化物透明導電膜；第二電極層17，係設於該透明導電膜14表面，如圖所示該第二電極層17可以為整面覆蓋的面狀結構，亦可以為如第二圖所示之複數條狀結構；如此則構成一薄型矽晶太陽能電池10。

而本發明中薄型矽晶太陽能電池之製造方法則如第三圖所示，其至少包含有下列步驟：步驟A、提供一基板11，如第四圖(A)所示，並於該基板11表面進行清洗；步驟B、於該基板11之正面111設有一保護層21，該保護層21可以為氧化矽，如第四圖(B)所示，該氧化矽層可藉由低溫長膜(可為電漿化學氣相沉積)之方式形成，該氧化矽層21之厚度係小於50nm；步驟C、於該基板11之另一相對表面(背面112)以低溫長膜(可為濺鍍或電漿化學氣相沉積)之方式形成一本質非晶矽層22，如第四圖(C)所示，該本質非晶矽層22之厚度係小於30nm；步驟D、於該本質非晶矽層22上以濺鍍或熱蒸鍍方式形成一金屬層23(可以為鋁金屬)，如第四圖(D)所示，該金屬層23之厚度係小於100nm；步驟E、進行低溫擴散，使該本質非晶矽層22與該金屬層23結晶化而形成p型摻質層16，如第四圖(E)所示，當進行低溫擴散時，可藉由擴散溫度、擴散時間以及擴散氣雰氣體中氫氣分壓的調控，達到不同厚度、不同結晶性及導電性之p型矽摻質層，如表一所示中實驗一至實驗四係為不同低溫擴散的條件，對於形成p型矽摻質層的結晶性與電性影響。而本發明低溫擴散之溫度可以低至175℃，並於10~38Torr氫氣分壓之氫氣/氬氣混合氣體環境下退火處理30~90分鐘，而其中以實驗二中溫度為200℃，於38Torr氫氣分壓退火處理30分鐘低溫熱擴散後，所形成導電率4.1×10¹ (Ω×cm)^-1 為佳；

步驟F、於該步驟E中進行低溫擴散後，係藉由強酸劑來去除低溫擴散後所殘留之金屬層、矽鋁合金以及氧化矽保護層，其中該基板背面112則形成p型摻質層16以及反應物層24，此時可藉由強酸劑如鹽酸來去除低溫擴散後所殘留之反應物層24，如第四圖(F)所示，使該基板背面僅剩餘p型摻質層16，之後，原基板正面的氧化矽保護層21可藉由氫氟酸去除之；步驟G、於該基板相對該p型摻質層16之另側表面藉由低溫長膜(可為電漿化學氣相沉積或熱燈絲化學氣相沉積)方式形成有一本質非晶矽層12，如第四圖(G)所示；步驟H、於該本質非晶矽層12表面藉由低溫長膜(可為電漿化學氣相沉積或熱燈絲化學氣相沉積)方式形成一n型摻質層13，如第四圖(H)所示；步驟I、係於該n型摻質層13以及p型摻質層16表面分別設置透明導電膜14，如第四圖(I)所示；步驟J、分別於該n型摻質層13以及p型摻質層16表面之透明導電膜14上形成第一、第二電極層15、17，則形成如第四圖(J)以及第一圖所示薄型矽晶太陽能電池10之結構。

值得一提的是，本發明係以低溫長膜(濺鍍、電漿化學氣相沉積或熱燈絲化學氣相沉積)方式結合低溫熱擴散方式來製作矽晶太陽能電池所需的p型摻質層，並搭配另一邊以n型摻質層/矽晶基板之異質接面形成主電池結構，不僅成型方式較為簡便，可避免薄型基板於高溫製程中造成應力形變，其中，低溫擴散後的p型摻質層之導電率可達~10^-1 (Ω×cm)^-1 以上，以提高整體薄型矽晶太陽能電池之特性。

綜上所述，本發明提供一較佳可行之薄型矽晶太陽能電池及其製造方法，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．薄型矽晶太陽能電池

11．．．基板

111．．．正面

112．．．背面

12．．．本質非晶矽層

13．．．n型摻質層

15．．．第一電極層

14．．．透明導電膜

16．．．p型摻質層

17．．．第二電極層

21．．．保護層

22．．．本質非晶矽層

23．．．金屬層

24．．．反應物層

31．．．矽晶板

32．．．本質非晶矽層

33．．．n型摻質層

34．．．透明導電膜

35．．．電極層

36．．．p型摻質層

37．．．電極層

第一圖係為本發明中薄型矽晶太陽能電池第一實施例之結構側視圖。

第二圖係為本發明中薄型矽晶太陽能電池第二實施例之結構側視圖。

第三圖係為本發明中薄型矽晶太陽能電池製造方法之流程方塊示意圖。

第四圖(A)~(J)係為中本發明薄型矽晶太陽能電池製造方法之結構示意圖。

第五圖係為習有太陽能電池之結構側視圖。

Claims (21)

1. 一種薄型矽晶太陽能電池，其至少包含有：一基板；一本質非晶矽層，係設於該基板一表面；一n型摻質層，係設於該本質非晶矽層表面，該n型摻質層可由摻雜磷之非晶矽所形成；一第一電極層，係設於該n型摻質層表面；一p型摻質層，係設於該基板相對於該本質非晶矽層之另側表面，該p型摻質層係由另一本質非晶矽層結合一金屬層於低溫下熱擴散結晶化所形成；以及一第二電極層，係設於該p型摻質層表面。
2. 如請求項1所述之薄型矽晶太陽能電池，其中該金屬層可以為鋁金屬。
3. 如請求項1所述之薄型矽晶太陽能電池，其中該低溫熱擴散之溫度可以低於350℃。
4. 如請求項1所述之薄型矽晶太陽能電池，其中該低溫熱擴散之溫度可以低於350℃，並於10~38 Torr氫氣分壓之氫氣/氬氣混合氣體環境下退火處理30~90分鐘。
5. 3或4所述之薄型矽晶太陽能電池，其中該低溫熱擴散之溫度可以為175~350℃。
6. 3或4所述之薄型矽晶太陽能電池，其中該基板可以為n型或p型晶矽基板。
7. 3或4所述之薄型矽晶太陽能電池，其中該n型摻質層表面與第一電極層間設有一透明導電膜；該p型摻質層表面與第二電極層間設有一透明導電膜。
8. 3或4所述之薄型矽晶太陽能電池， 其中該n型摻質層係設於該基板之正面，而該p型摻質層則設於該基板之背面。
9. 一種薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其至少包含有下列步驟：A、提供一基板；C、於該基板一側表面設有一本質非晶矽層；D、於該本質非晶矽層上形成一金屬層；E、進行低溫擴散結晶化，使該本質非晶矽層與該金屬層形成一p型摻質層；G、於該基板相對該p型摻質層之另側表面形成有另一本質非晶矽層；H、於該本質非晶矽層表面形成一n型摻質層，該n型摻質層可由摻雜磷之非晶矽所形成；J、分別於該n型摻質層以及該p型摻質層表面形成一第一電極層、一第二電極層。
10. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該步驟A與步驟C之間進一步包含有一步驟B，該步驟B係於該基板另一相對表面設有一保護層。
11. 如請求項10所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該保護層可以為氧化矽。
12. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該金屬層可以為鋁金屬。
13. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該步驟E後進一步包含有一步驟F，該步驟F係藉由強酸劑來去除低溫擴散後所殘留之金屬層、矽鋁合金以及氧化矽保護層。
14. 如請求項13所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該強酸劑可以為鹽酸或氫氟酸。
15. 如請求項12所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該鋁金屬之厚度係小於100nm。
16. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該步驟E進行低溫擴散時，可控制擴散溫度、擴散時間以及環境氣體中氫氣分壓，達到不同厚度、不同結晶性及導電性之P型矽摻質層。
17. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該步驟C係藉由濺鍍方式或電漿化學氣相沉積方式形成本質非晶矽層；步驟G中係藉由電漿化學氣相沉積或熱燈絲化學氣相沉積方式形成本質非晶矽層；該步驟H中係藉由電漿化學氣相沉積或熱燈絲化學氣相沉積方式形成n型摻質層。
18. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該低溫熱擴散之溫度可以低於350℃。
19. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該低溫熱擴散之溫度可以低至175℃，並於10~38 Torr氫氣分壓之氫氣/氬氣混合氣體環境下退火處理30~90分鐘。
20. 如請求項18或19所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該低溫熱擴散之溫度可以為175~350℃。
21. 如請求項9所述之薄型矽晶太陽能電池之製造方法，其中該步驟H與步驟J之間進一步包含有一步驟I，該步驟I係於該n型摻質層以及p型摻質層表面設置透明導電膜。