TWI415277B - 太陽能電池結構 - Google Patents

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Description

太陽能電池結構
本發明是有關於一種太陽能電池結構，且特別是有關於一種太陽能電池的金屬穿透式(Metal Wrap Through；MWT)結構。
減少正面(即受光面)之電極遮蔭面積是提升太陽能電池效率最直接的方法，因此背面電極的想法油然而生。背面電極結構主要分成三大類，分別為交指式(interdigitated)、射極穿透式(Emitter Wrap Through；EWT)及金屬穿透式(MWT)背電極太陽能電池。
在MWT背電極太陽能電池中，基板的孔洞(vias)是為了填入金屬並使受光面所收集的電子導引至太陽能電池的背面。形成正面電極及孔洞電極(intra-via electrode)的材料一般為銀膠。銀膠包括約60~80重量%的銀粉、約5重量%的玻璃質(glass frit)與約15~35重量%的有機載體(organic carrier)，其中銀粉為電極導電之主要材料，玻璃質為主要的黏著劑，有機載體則可幫助絲網印刷(screen printing)較順利。玻璃質會在高溫燒結的過程中軟化，並將銀、矽溶入玻璃之中，待冷卻過程中再將銀及矽析出，因此可使銀在矽上有良好的附著力，以於電極與基板之間形成良好的接觸。一般銀膠中的玻璃質會適度的加入鉛(Pb)，以降低玻璃的軟化點及黏滯係數，使軟化後的玻璃易於流動，如此更能增加銀與矽的溶解量，以於電極與基板之間形成更好的接觸。
目前有一種利用共同燒結(co-firing)製程來進行MWT背電極太陽能電池的方法，請參見Florian Clement等人於Solar Energy Materials ＆ Solar Cells 93(2009)第1051至1055頁發表的“Industrially feasible multi-crystalline metal wrap through(MWT)silicon solar cells exceeding 16% efficiency”，其方法主要是利用共同燒結(co-firing)製程來製作正面電極及孔洞電極。
然而，在高溫燒結(共同燒結)的過程中，銀膠常會穿透孔內電極與基板之間的絕緣層而造成短路。
有鑑於此，本發明提供一種太陽能電池結構，其不但能夠藉著減少受光面之電極遮蔭面積來增加太陽能電池的效率，也能夠解決高溫燒結過程中的短路問題。
本發明提供一種太陽能電池結構，包括基板、第一電極與第二電極。基板具有正面、背面及貫穿基板的孔洞。第一電極自基板的背面至少填滿孔洞。第二電極配置在基板的正面並位第一電極上。特別要注意的是，形成第一電極之銀膠的氧化鉛含量低於形成第二電極之銀膠的氧化鉛含量。
在本發明之一實施例中，上述之形成第一電極之銀膠與形成第二電極之銀膠具有相同的玻璃質含量。
在本發明之一實施例中，上述之形成第一電極之銀膠的氧化鉛含量實質上佔其玻璃質的約20莫耳%或更低。
在本發明之一實施例中，上述之形成第二電極之銀膠的氧化鉛含量實質上佔其玻璃質的約大於20莫耳%。
在本發明之一實施例中，上述之第一電極的上表面實質上與基板的正面等高。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池結構更包括至少配置於孔洞的側壁與第一電極之間的絕緣層。
在本發明之一實施例中，上述之第一電極更覆蓋基板之部分背面上，且絕緣層更配置於基板與第一電極之間。
在本發明之一實施例中，上述之絕緣層的材料包括氮化矽。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池結構更包括配置於基板之部份背面上的第三電極。
在本發明之一實施例中，上述之絕緣層更配置於未被第三電極覆蓋之基板的背面上。
在本發明之一實施例中，上述之形成第三電極的材料包括鋁膠。
在本發明之一實施例中，上述之第一電極、第二電極及第三電極是由一次共同燒結所製得。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池結構更包括配置於基板之正面上的摻雜層。
在本發明之一實施例中，上述之第二電極覆蓋孔洞周圍之部份摻雜層。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池結構更包括配置於未被第二電極覆蓋之摻雜層上的抗反射層。
在本發明之一實施例中，上述之抗反射層的材料包括氮化矽。
在本發明之一實施例中，上述之基板的材料包括矽。
在本發明之一實施例中，上述之基板的表面包括織化表面。
基於上述，本發明保持形成第一電極(即孔內電極)之銀膠的玻璃質含量，但降低銀膠中玻璃質的氧化鉛含量，因此可以保留其黏著劑之功能，並降低第一電極高溫穿透絕緣層的能力以避免短路發生。如此一來，可以減少金屬穿透式背電極太陽能電池的製作成本，並有效提升其光電效率。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為根據本發明一實施例所繪示之太陽能電池結構的剖面示意圖。
請參照圖1，太陽能電池結構100包括基板102、第一電極104及第二電極106。基板102的材料包括矽，例如是P型矽基板。基板102具有正面101、背面103及貫穿基板102的孔洞108。基板102的表面例如是織化(textured)表面，以提高太陽光的吸收，如圖1中的鋸齒狀表面所示。第一電極104自基板102的背面103至少填滿孔洞108。第一電極104的上表面實質上與基板102的正面101等高。此外，第二電極106配置在基板102的正面101並位第一電極104上。特別要注意的是，形成第一電極104之銀膠的氧化鉛含量低於形成第二電極106之銀膠的氧化鉛含量。
所述「銀膠」包括銀粉、玻璃質與有機載體。形成第一電極104之銀膠與形成第二電極106之銀膠具有相同的玻璃質含量，但玻璃質中各自的鉛含量不同。形成第一電極104之銀膠的氧化鉛含量實質上佔其玻璃質的約20wt%或更低；較佳是約0.1wt%或更低。形成第二電極106之銀膠的氧化鉛含量實質上佔其玻璃質的約大於20wt%；較佳是約大於50wt%。也就是說，形成第一電極104的材料例如是少鉛銀膠，而形成第二電極106的材料例如是一般銀膠。
本實施例之太陽能電池結構100更包括絕緣層110、第三電極112、摻雜層114及抗反射層116。絕緣層110至少配置於孔洞108的側壁與第一電極104之間。在一實施例中，第一電極104更覆蓋基板102之部分背面103上，且絕緣層110更配置於基板102與第一電極104之間。也就是說，第一電極104與基板102之間經由絕緣層110而電性隔離。此外，絕緣層110的材料包括氮化矽。
第三電極112配置於基板102之部份背面103上。形成第三電極112的材料包括鋁膠。在一實施例中，絕緣層110更配置於未被第三電極112覆蓋之基板102的背面103上。
摻雜層114配置於基板102之正面101上。摻雜層114的導電類型與基板102相反，例如是N型摻雜層。在一實施例中，第二電極106覆蓋孔洞108周圍之部份摻雜層114。也就是說，第二電極106經由摻雜層114與基板102電性連接。
抗反射層116配置於未被第二電極106覆蓋之摻雜層114上。抗反射層116的材料包括氮化矽。
特別要說明的是，第一電極104、第二電極106及第三電極112是由一次共同燒結(co-firing)所製得。由於形成第一電極104之銀膠的氧化鉛含量低於形成第二電極106之銀膠的氧化鉛含量，因此形成第一電極104之銀膠的玻璃軟化溫度較高，燒結時反應時間較短，穿透效果較差，所以可以避免銀膠穿透絕緣層110而造成短路。此外，銀膠中的玻璃質為主要的黏著劑，此處由於形成第一電極104之銀膠與形成第二電極106之銀膠具有相同的玻璃質含量，因此第一電極104、第二電極106與基板102之矽表面的附著力均佳，在後續焊線時不會發生電極脫落的情形。
以下，將說明本發明之太陽能電池結構的製造方法。圖2A至2E為根據本發明一實施例所繪示之太陽能電池結構之製造方法的剖面示意圖。
請參照圖2A，於基板102中形成貫穿基板102的孔洞108。基板102的材料包括矽，例如是P型矽基板。基板102具有正面101及背面103。於基板102中形成孔洞108的方法包括進行雷射鑽孔(laser drilling)。
接著，請參照圖2B，對基板102進行表面織化製程，如圖中的鋸齒狀表面所示。表面織化製程例如是使用氫氧化鉀(KOH)溶液來進行之。然後，於孔洞108的側壁及基板102的背面103形成絕緣層110。絕緣層110的材料包括氮化矽，且其形成方法例如是進行電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD)製程。之後，於基板102的正面101上形成摻雜層114。摻雜層114的導電類型與基板102相反，例如是N型摻雜層。形成摻雜層114的方法例如是以N型三氯氧磷(POCl3 )氣體進行擴散製程。
繼之，請參照圖2C，於基板102的正面101形成抗反射層116。抗反射層116的材料包括氮化矽，且其形成方法例如是進行電漿輔助化學氣相沉積製程。接著，於基板102的背面103塗佈鋁膠112a。塗佈鋁膠112a的方法例如是進行絲網印刷。特別要注意的是，塗佈鋁膠112a的步驟也可以視製程需要而在塗佈圖2D的銀膠106a之後進行。
然後，請參照圖2D，自基板102的背面103塗佈銀膠104a，至少填滿孔洞108。在一實施例中，銀膠104a填滿孔洞108並覆蓋基底102之部分背面103。此外，銀膠104a的上表面實質上與基板102的正面101等高。銀膠104a中玻璃質的氧化鉛含量約佔玻璃質的約20wt%或更低，如0.1wt%或更低。塗佈銀膠104a的方法例如是進行絲網印刷。
之後，於銀膠104a上塗佈另一銀膠106a。銀膠106a覆蓋孔洞108周圍之部份抗反射層116。銀膠106a中玻璃質的氧化鉛含量約佔玻璃質的約大於20wt%，如大於50wt%。塗佈銀膠106a的方法例如是進行絲網印刷。
繼之，請參照圖2E，進行共同燒結製程，以將銀膠104a燒結成第一電極104(即孔內電極)，將銀膠106a燒結成第二電極106(即正面電極)，以及將鋁膠112a燒結成第三電極112(即背面電極)。至此，完成本發明之太陽能電池結構100的製作。
特別要說明的是，由於形成第二電極106之銀膠106a的氧化鉛含量夠高，因此在共同燒結的過程中，其玻璃軟化溫度較低，燒結時反應時間較長，穿透效果較佳，所以可以燒穿被銀膠106a覆蓋的抗反射層116，使得第二電極106與摻雜層114接觸。
另一方面。由於形成第一電極104之銀膠104a的氧化鉛含量較低，因此在共同燒結的過程中，其玻璃軟化溫度較高，燒結時反應時間較短，穿透效果較差，所以可以避免銀膠104a穿透絕緣層110而造成短路。
此外，在共同燒結的過程中，形成第三電極112之鋁膠112a也會燒穿第三電極112與基板102之間的絕緣層110，使得第三電極112與基板102電性連接。
接下來，特舉一個實驗例與一個對照例來證實本發明的功效。
【實驗例】
於P型矽基板中進行雷射鑽孔，以形成貫穿基板的孔洞(如圖2A)。接著，使用氫氧化鉀(KOH)溶液來織化基板的表面(如圖2B)。然後，於孔洞的側壁及基板的背面進行電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)製程，以形成氮化矽絕緣層(如圖2C)。之後，以三氯氧磷(POCl3 )氣體進行擴散製程，以於基板的正面形成N型摻雜層(如圖2C)。繼之，於基板的正面進行電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)製程，以形成氮化矽抗反射層(如圖2C)。接著，於基板的背面進行絲網印刷以塗佈鋁膠112a(如圖2C)。然後，自基板的背面塗佈銀膠104a以至少填滿孔洞(如圖2D)，其中銀膠之氧化鉛含量佔其玻璃質約0.01wt%。之後，於填滿孔洞的銀膠上塗佈另一銀膠106a(如圖2D)，其氧化鉛含量佔其玻璃質約50wt%。繼之，進行共同燒結製程，以將填滿孔洞的銀膠燒結成孔內電極，另一銀膠銀膠燒結成正面電極，以及將鋁膠燒結成背面電極(如圖2E)，以製備一個MWT背電極太陽能電池。
【對照例】
依照【實驗例】的步驟完成【對照例】的太陽能電池，但使用相同的銀膠形成孔內電極及正面電極，且銀膠的氧化鉛含量實質上佔其玻璃質約50wt%。
表1為依照上述實驗例與對照例之太陽能電池的特性比較。VOC 為開路電壓(open circuit current)、JSC 為短路電流(short circuit current)、F.F.為填充因數(fill factor)以及Eff為太陽能電池效率，可代表太陽能電池的工作性能。
如表1所示，【實驗例】的太陽能電池與【對照例】的太陽能電池相比，得知以低鉛銀膠形成孔內電極並不會對太陽能電池的特性造成不良影響，甚至還能提高太陽能電池的光電效率。
在上述的實施例中，是以形成第一電極104(即孔內電極)的材料為低鉛銀膠，形成第二電極106(即正面電極)的材料為一般銀膠為例來說明之，但本發明並不以此為限。在一實施例中，當基於環保考量而使用無鉛銀膠時，形成第一電極104之無鉛銀膠的氧化鉍(Bi2 O5 )含量低於形成第二電極106之一般銀膠的氧化鉍含量，其中形成第一電極104之無鉛銀膠的氧化鉍含量實質上佔其玻璃質的約10wt%或更低；形成第二電極106之一般銀膠的氧化鉍含量實質上佔其玻璃質的約10wt%或更高。在另一實施例中，形成第一電極104之無鉛銀膠的氧化鋅含量低於形成第二電極106之一般銀膠的氧化鋅含量，其中形成第一電極104之無鉛銀膠的鋅含量實質上佔其玻璃質的約6wt%或更低；形成第二電極106之一般銀膠的氧化鋅含量實質上佔其玻璃質的10wt%或更高。
綜上所述，本發明使用低鉛銀膠形成第一電極(即孔內電極)及使用一般銀膠形成第二電極(即正面電極)，但不改變低鉛銀膠及一般銀膠中的玻璃質含量，因此形成之MWT背電極太陽能電池至少具有下列優點：
1.孔內電極經過燒結後，不會與矽基板形成短路，有效提升太陽能電池的光電效率。
2.正面電極、孔內電極與基板的黏附性均佳，有利於後續之焊接製程。
3.以同時加熱之一次共燒製程製備正面電極、背面電極與孔內電極，可簡化製程及降低成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。
100．．．太陽能電池結構
101．．．正面
102．．．基板
103．．．背面
104．．．第一電極
106．．．第二電極
108．．．孔洞
110．．．絕緣層
112．．．第三電極
114．．．摻雜層
116．．．抗反射層
104a、106a．．．銀膠
112a．．．鋁膠
圖1為根據本發明一實施例所繪示之太陽能電池結構的剖面示意圖。
圖2A至2E為根據本發明一實施例所繪示之太陽能電池結構之製造方法的剖面示意圖。
100．．．太陽能電池結構
101．．．正面
102．．．基板
103．．．背面
104．．．第一電極
106．．．第二電極
108．．．孔洞
110．．．絕緣層
112．．．第三電極
114．．．摻雜層
116．．．抗反射層

Claims (17)

  1. 一種太陽能電池結構，包括：一基板，具有一正面、一背面及貫穿該基板的一孔洞；一第一電極，自該基板的該背面至少填滿該孔洞；以及一第二電極，配置在該基板的該正面並位於該第一電極上，其中，形成該第一電極之銀膠的氧化鉛含量實質上佔其玻璃質的20 wt%或更低，形成該第二電極之銀膠的氧化鉛含量實質上佔其玻璃質的大於20 wt%。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中形成該第一電極之銀膠與形成該第二電極之銀膠具有相同的玻璃質含量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，更包括至少配置於該孔洞的側壁與該第一電極之間的一絕緣層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池結構，其中該第一電極更覆蓋該基板之部分該背面上，且該絕緣層更配置於該基板與該第一電極之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池結構，其中該絕緣層的材料包括氮化矽。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池結構，更包括配置於該基板之部份該背面上的一第三電極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池結構，其 中該絕緣層更配置於未被該第三電極覆蓋之該基板的該背面上。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池結構，其中形成該第三電極的材料包括鋁膠。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池結構，其中該第一電極、該第二電極及該第三電極是由一次共同燒結所製得。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，更包括配置於該基板之該正面上的一摻雜層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之太陽能電池結構，其中該第二電極覆蓋該孔洞周圍之部份該摻雜層。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之太陽能電池結構，更包括配置於未被該第二電極覆蓋之該摻雜層上的一抗反射層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池結構，其中該抗反射層的材料包括氮化矽。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該基板的材料包括矽。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該基板的表面包括織化表面。
  16. 一種太陽能電池結構，包括：一基板，具有一正面、一背面及貫穿該基板的一孔洞；一第一電極，自該基板的該背面至少填滿該孔洞；以及 一第二電極，配置在該基板的該正面並位於該第一電極上，其中，形成該第一電極之無鉛銀膠的氧化鉍含量實質上佔其玻璃質的10 wt%或更低，形成該第二電極之無鉛銀膠的氧化鉍含量實質上佔其玻璃質的10 wt%或更高。
  17. 一種太陽能電池結構，包括：一基板，具有一正面、一背面及貫穿該基板的一孔洞；一第一電極，自該基板的該背面至少填滿該孔洞；以及一第二電極，配置在該基板的該正面並位於該第一電極上，其中，形成該第一電極之無鉛銀膠的氧化鋅含量實質上佔其玻璃質的6 wt%或更低，形成該第二電極之無鉛銀膠的氧化鋅含量實質上佔其玻璃質的10 wt%或更高。
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