TWI431797B - 選擇性射極之太陽能電池及其製作方法 - Google Patents

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Description

選擇性射極之太陽能電池及其製作方法
本發明係有關於一種太陽能電池及其製造方法，特別是有關於一種具有選擇性射極之太陽能電池及其製造方法。
具有選擇性射極的太陽能電池能夠有效提昇太陽能電池轉換效率。第1圖顯示一傳統具有選擇性射極的太陽能電池之剖面圖。如圖所示，具有選擇性射極的太陽能電池係於電極110下之部分基底102形成高濃度摻雜區106，於其它區域之基底102形成低濃度摻雜區104，且於基底上形成抗反射層108。由於電極間的低濃度摻雜射極可減少載子在電池表面的再結合，此外電極下方的較高濃度摻雜射極能夠維持良好的電極接觸，因此相較單一摻雜濃度射極結構的傳統太陽能電池，具有選擇性射極的太陽能電池一般擁有較高的開路電壓(Voc)與短路電流(Isc)，也因此擁有較高的光電轉換效率。
由於具有選擇性射極的太陽能電池好處是如此顯著，因此，業界需要製程簡單並且能夠同時在電極下形成高濃度摻雜區，於其它區域形成低濃度摻雜區之太陽能電池結構及其製造方法。
本發明提供一種具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，包括：提供一基底；於基底之第一表面形成第一織化結構；形成一阻障層於基底之第一表面上；選擇性移除部份阻障層，以形成暴露基底之開口，其中阻障層下的部分基底為第一區域，位於阻障層之開口暴露的部分基底為第二區域；進行一織化蝕刻，於阻障層開口之第二區域中形成第二織化結構，第一區域之基底表面則維持第一織化結構，其中第一織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，第二織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，第一織化結構相鄰凸出部之距離為L1 ，第二織化結構相鄰凸出部之距離為L2 ，L1 為L2 之2倍至20倍；移除阻障層；進行一摻雜製程，於基底之第一區域形成第一摻雜區，於基底之第二區域形成第二摻雜區；及於第二區域之第二摻雜區上形成電極。
本發明提供一種具有選擇性射極之太陽能電池，包括：一基底，基底之第一表面上的第一區域具有第一織化結構，基底之第一表面上的第二區域具有第二織化結構，第一織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，第二織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，其中第一織化結構相鄰凸出部之距離為L1 ，第二織化結構相鄰凸出部之距離為L2 ，L1 為L2 之2倍至20倍；第一摻雜區位於第一區域下，且第二摻雜區形成於第二區域下，其中第二摻雜區之摻雜濃度高於第一摻雜區；一電極位於第二區域上。
本發明提供一種具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，包括：提供一基底；於基底之第一表面形成第一織化結構；摻雜基底之第一表面，形成第一摻雜區；形成圖案化阻障層，於基底之第一表面的第二區域上，其餘未被圖案化阻障層曝蓋之基底的第一區域則暴露；進行蝕刻製程，蝕刻未被圖案化阻障層覆蓋之基底的第一區域；移除圖案化阻障層；以及在基底之第一表面的第二區域上形成電極。
本發明提供一種具有選擇性射極之太陽能電池，包括：一基底，基底之第一表面上包括第一區域和第二區域，其中第二區域之平均高度高於第一區域；第一摻雜區形成於第一區域，且第二摻雜區形成於第二區域，其中第二摻雜區之摻雜濃度高於第一摻雜區；一電極形成於第二區域上。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下提供許多不同實施例或範例，以實行本發明各種不同實施例的特徵。以下將針對特定實施例的構成與排列方式作簡要描述，當然，以下之描述僅是範例，非用來限定本發明。
第2圖顯示本發明一實施例具有選擇性射極的太陽能電池之平面圖，如第2圖所示，複數個電極202沿垂直方向延伸，複數個電極手指204(finger)沿水平方向延伸，連接上述電極202。本發明選擇性射極即是要於電極202和電極手指204下之部分基底製作高濃度摻雜區，於其它部分基底製作低濃度摻雜區。本發明選擇性射極也可只於電極204下之部分基底製作高濃度摻雜區，於其它部分基底製作低濃度摻雜區。
以下配合第3A圖~第3G圖描述本發明一實施例之具有選擇性射極的太陽能電池之製作方法。首先，請參照第3A圖，提供一基底302，基底可以是單晶矽、多晶矽或其它適合之半導體材料組成。接著，對基底302進行織化(texturization)之製程，於基底302之第一表面304和第二表面306形成微米等級之織化結構(microtexture)。在製作基底302之過程中，一般會因切割造成損壞，因此，單晶矽一般會進行浸泡氫氧化鈉(NaOH)溶液之鹼蝕刻，多晶矽一般會進行浸泡HF：HNO3 ：H2 O溶液之酸蝕刻，而上述之酸蝕刻和鹼蝕刻即會於基底302表面形成微米等級之織化結構。
請參照第3B圖，於基底302之第一表面304上形成一阻障層308。在本發明一實施例中，阻障層308是氮化矽，且其可以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)形成。請參照第3C圖，選擇性移除部份阻障層308，於後續欲形成電極和/或電極手指之部分形成暴露基底之開口310。在本發明一實施例中，選擇性移除部份阻障層308可使用雷射或網印蝕刻之技術。後續，請參照第3D圖，進行本實施例一重要步驟，對阻障層308之開口310暴露之基底302部分進行奈米織化蝕刻(nanotexture etching)製程，於基底302後續欲形成電極和/或電極手指之部分區域形成奈米等級之織化結構。亦即，基底302之第一表面304後續欲形成電極和/或電極手指之第二區域314為奈米等級之織化結構，其它的第一區域312為微米等級之織化結構。接著，移除阻障層308，阻障層308可於奈米織化蝕刻製程中緩慢被移除。以下配合第4圖(第3D圖之局部放大圖)描述奈米等級之織化結構和微米等級之織化結構。如第4圖所示，將第一區域312之基底302的第一表面304織化結構稱為第一織化結構，將第二區域314之基底302的第一表面304織化結構稱為第二織化結構，第一織化結構由複數個凸出部和凹陷部所組成，第二織化結構亦是由複數個凸出部和凹陷部所組成，不同的是，第二織化結構之凸出部和凹陷部較第一織化結構之凸出部和凹陷部密集。更明確的來說，第一織化結構相鄰凸出部(或凹陷部)之距離為L1 ，第二織化結構相鄰凸出部(或凹陷部)之距離為L2 ，在本發明一實施例中，L1 為L2 之2倍至20倍；另一實施例，L1 為L2 之12至15倍。另外，請參照附件1所示之微米等級之織化結構之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片和附件2所示之奈米等級之織化結構之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片，微米等級之織化結構之相鄰波形之距離L2 確定大於奈米等級之織化結構之相鄰波形之距離L1 至少2倍以上。
在本發明一實施中，上述奈米織化蝕刻係包括以下步驟：首先，進行一無電鍍沉積，於基底302之第一表面304上形成銀顆粒作為催化劑，接著進行例如浸泡HF：H2 O2 ：H2 O之黒蝕刻(black etching)製程。詳細的奈米織化蝕刻製程和參數可參考美國專利公開號第20090311821A1號。值得注意的是，本發明不特別限定奈米織化蝕刻為上述的濕蝕刻，任何可形成奈米織化結構之方法皆可應用於本發明。
後續，請參照第3E圖，進行一摻雜製程，於基底302之第一表面304之第一區域312形成第一摻雜區316，於基底302之第一表面304之第二區域314形成第二摻雜區318。在本發明一實施例中，上述摻雜製程為使用例如三氯氧磷(POCl3 )之磷摻雜製程。以下配合第一表描述上述摻雜製程形成第一摻雜區316和第二摻雜區318之差異。
以上第一表顯示，在進行磷擴散製程後，奈米織化結構之基底302表面具有較低的片電阻(亦即具有較高的磷摻雜濃度)，相較之下，第一區域312的微米織化結構之基底302表面則具有相對較高的片電阻。因此，上述摻雜製程可於第二區域314形成摻雜濃度較高的第二摻雜區318，於第一區域312形成摻雜濃度相對較低的第一摻雜區316。值得注意的是，本實施例使用單一擴散步驟即可於基底302表面上形成具有不同摻雜濃度的第一摻雜區316和第二摻雜區318。相較於一般太陽能電池製作選擇性射極之方法，可節省製程時間和成本。後續，移除基底302表面之磷矽玻璃(PSG)。
接著，請參照第3F圖，形成一抗反射層320於基底302之第一表面304上。在本發明一實施例中，抗反射層320是氮化矽，其可以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)形成。之後，請參照第3G圖，進行網印、燒結金屬化製程，形成電極322，接觸第二區域314之第二摻雜區318。附件3顯示電極322和經奈米織化蝕刻之基底302第二區域314的界面之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。最後，以雷射技術進行邊緣隔離製程(未繪示)。
實施範例1
首先，準備一晶圓，並以標準的技術清洗和織化晶圓之表面。接著，以電漿輔助化學氣相沉積法沉積一氮化矽於晶圓表面，作為一阻障層。後續，以雷射圖案化之方法，選擇性移除阻障層，形成類似於金屬化圖案之開口。使用稀釋鹼溶液移除雷射圖案化造成晶圓表面之損壞。進行一奈米織化蝕刻製程，包括以下兩步驟：第一步驟是進行無電鍍處理，其以高硫酸鈉(Na2 S2 O8 )作為氧化劑，以硝酸銀(AgNO3 )、過氧化氫(H2 O2 )或氫氧化鈉(NaOH)作為催化劑；第二步驟在包含氟化氫(HF)和過氧化氫(H2 O2 )之水溶液中，進形選擇性氧化和反應移除，以奈米織化晶圓之表面。上述兩步驟均在室溫下進行，且使用水性(water based)的化學物。在奈米織化濕化學處理過程中，氮化矽阻障層逐步被移除。
接著，於硝酸(HNO3 )和HPM溶液進行清洗。使用單一三氯氧磷(POCl3 )擴散步驟形成射極，其中一般織化結構之片電阻至少為70Ω/sq，而奈米織化結構之片電阻約為30Ω/sq，藉以形成選擇性射極。後續，電漿輔助化學氣相沉積法沉積一氮化矽，作為一抗反射層。進行一網印製程，於基底之前側形成銀電極。接著，進行燒結(co-firing)步驟。最後，以雷射技術進行邊緣隔離製程。將本實施範例製作的具有選擇性射極之太陽能電池進行量測，可得到其電池效率為16.01%，而未以奈米織化蝕刻製程，形成選擇性射極之比較例太陽能電池的電池效率為15.51%，由此可知，本實施範例的技術可提高太陽能電池之電池效率。
以下配合第5A圖~第5F圖描述本發明另一實施例之具有選擇性射極的太陽能電池之製作方法。首先，請參照第5A圖，提供一基底502，基底502可以是單晶矽、多晶矽或其它適合之半導體材料組成。接著，對基底502進行織構化(texturization)之製程，於基底502之第一表面504和第二表面506形成微米等級之織化結構(microtexture)。在製作基底502之過程中，一般會因切割造成損壞，因此，單晶矽一般會進行浸泡氫氧化鈉(NaOH)溶液之鹼蝕刻，多晶矽一般會進行浸泡HF：HNO3 ：H2 O溶液之酸蝕刻，而上述之酸蝕刻和鹼蝕刻即會於基底502表面形成微米等級之織化結構。請參照第5B圖，進行一摻雜步驟於基底502之第一表面504形成高濃度摻雜區516。在本發明一實施例中，摻雜步驟係使用三氯氧磷(POCl3 )進行摻雜。後續，移除基底502表面之磷矽玻璃(PSG)。請參照第5C圖，以例如網印技術，形成具有類似於電極圖案之圖案化阻障層510於基底502之第一表面504。之後，請參照第5D圖，進行一回蝕刻製程，選擇性移除未被圖案化阻障層510覆蓋之部份基底502表面，藉以於未被圖案化阻障層510覆蓋之第一區域512形成低濃度摻雜區518，而被圖案化阻障層510覆蓋之第二區域514為高濃度摻雜區516。
以下配合第6A圖和第6B圖描述上述形成高濃度摻雜區和低濃度摻雜區之機制。由於摻雜製程會於基底表面形成較高的摻雜濃度，而摻雜濃度會隨著深入基底之深度遞減。第6A圖顯示對摻雜磷微晶矽基底進行回蝕刻，不同回蝕刻時間之摻雜磷之基底表面的片電阻，如第6A圖所示，較長時間的回蝕刻使得基底表面具有較高的片電阻。亦即，隨著回蝕刻深度的增加，摻雜基底之表面的摻雜濃度降低。第6B圖顯示對摻雜磷單晶矽基底進行回蝕刻，不同回蝕刻時間之摻雜磷之基底表面的片電阻，第6B圖顯示之結果和第6A圖類似。因此，本實施例可藉著回蝕刻製程，於未被圖案化阻障層510覆蓋之基底502的第一區域512形成低濃度摻雜區518，而被圖案化阻障層510覆蓋之基底502未進行蝕刻的第二區域514維持高濃度摻雜區516，藉以形成選擇性射極。在本發明一實施例中，上述回蝕刻步驟採用奈米織化蝕刻技術，由於奈米織化蝕刻的蝕刻速率相當緩慢，可較準確的控制蝕刻的深度。奈米織化蝕刻可包括以下步驟：首先，進行一無電鍍沉積，於基底502之第一表面504上形成銀顆粒作為催化劑，接著進行例如浸泡HF：H2 O2 ：H2 O之黒蝕刻(black etching)製程。詳細的奈米織化蝕刻製程和參數可參考美國專利公開號第20090311821A1號。
後續，移除基底502表面之磷矽玻璃(PSG)。接著，請參照第5E圖，形成一抗反射層520於基底502之第一表面504上。在本發明一實施例中，抗反射層520是氮化矽，其可以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)形成。之後，請參照第5F圖，進行網印、燒結金屬化製程，形成電極522，接觸第二區域514之高濃度摻雜區516。最後，以雷射技術進行邊緣隔離製程(未繪示)。
實施範例2
首先，準備一晶圓，並以標準的技術清洗和織化晶圓之表面。進行單一三氯氧磷(POCl3 )擴散步驟，其基底表面之片電阻約為45Ω/sq。以網印技術形成具有類似於電極圖案之圖案化阻障層於基底之表面。以一奈米回蝕刻技術，蝕刻未被圖案化阻障層覆蓋之部分基底。本範例之奈米織化蝕刻製程包括以下兩步驟：第一步驟是進行無電鍍處理，其以高硫酸鈉(Na2 S2 O8 )作為氧化劑，以AgNO3 、H2 O2 或NaOH作為催化劑；第二步驟在包含HF和H2 O2 之水溶液中，進形選擇性氧化和反應移除，以奈米織化晶圓之表面。奈米回蝕刻技術進行的時間約為_60_秒，而此蝕刻製程約移除50~70nm厚度的基底摻雜區，使蝕刻後的基底表面具有較高片電阻(亦即較低的摻雜濃度)，而圖案化阻障層下未被蝕刻的基底表面具有相對較低片電阻(亦即較高的摻雜濃度)，藉以形成選擇性射極，接著移除圖案化阻障層。電漿輔助化學氣相沉積法沉積一氮化矽，作為一抗反射層。後續，進行一網印製程，於基底之前側形成銀電極。進行燒結(co-firing)步驟。最後，以雷射技術進行邊緣隔離製程。
雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾。另外，本發明不特別限定於特定說明書中描述之實施例的製程、裝置、製造方法、組成和步驟。熟悉本領域的人士可根據本發明說明書之揭示，進一步發展出與本發明大體上具有相同功能或大體上可達成相同結果之製程、裝置、製造方法、組成和步驟。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
102．．．基底
104．．．低濃度摻雜區
106．．．高濃度摻雜區
108．．．抗反射層
110．．．電極
202．．．電極
204．．．電極手指
302．．．基底
304．．．第一表面
306．．．第二表面
308．．．阻障層
310．．．開口
312．．．第一區域
314．．．第二區域
316．．．第一摻雜區
318．．．第二摻雜區
320．．．抗反射層
322．．．電極
502．．．基底
504．．．第一表面
506．．．第二表面
510．．．圖案化阻障層
512．．．第一區域
514．．．第二區域
516．．．高濃度摻雜區
518．．．低濃度摻雜區
520．．．抗反射層
522．．．電極
第1圖顯示一傳統具有選擇性射極的太陽能電池之剖面圖。
第2圖顯示本發明一實施例具有選擇性射極的太陽能電池之平面圖。
第3A圖~第3G圖顯示本發明一實施例之具有選擇性射極的太陽能電池之製作過程之剖面圖。
第4圖顯示第3D圖之局部放大圖。
第5A圖~第5F圖顯示本發明另一實施例之具有選擇性射極的太陽能電池之製作過程之剖面圖。
第6A圖顯示對摻雜磷微晶矽基底進行回蝕刻，不同回蝕刻時間之摻雜磷之基底表面的片電阻。
第6B圖顯示對摻雜磷單晶矽基底進行回蝕刻，不同回蝕刻時間之摻雜磷之基底表面的片電阻。
附件1顯示微米等級之織化結構之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
附件2顯示奈米等級之織化結構之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
附件3顯示電極和經奈米織化蝕刻之基底的界面之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
302．．．基底
304．．．第一表面
306．．．第二表面
312．．．第一區域
314．．．第二區域
318．．．第二摻雜區
320．．．抗反射層
322．．．電極

Claims (21)

  1. 一種具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，包括：提供一基底；於該基底之一第一表面形成第一織化結構；形成一阻障層於該基底之第一表面上；選擇性移除部份該阻障層，以形成暴露該基底之開口，其中該阻障層下的部分基底為第一區域，位於該阻障層之開口暴露的部分基底為第二區域；進行一織化蝕刻，於該阻障層開口中之第二區域中形成第二織化結構，第一區域之基底表面則維持該第一織化結構，其中該第一織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，該第二織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，第一織化結構相鄰凸出部之距離為L1 ，該第二織化結構相鄰凸出部之距離為L2 ，L1 為L2 之2倍至20倍；移除該阻障層；進行一摻雜製程，於該基底之第一區域形成一第一摻雜區，於該基底之第二區域形成一第二摻雜區；以及於該第二區域之第二摻雜區上形成一電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該第一織化結構為微米織化結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該第二織化結構為奈米織化結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該第二摻雜區之摻雜濃度高於該第一摻雜區。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中在形成該電極之前，尚包括形成一抗反射層於該基底表面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該阻障層和該抗反射層皆為氮化矽組成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該摻雜製程係為摻雜磷。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該織化蝕刻係為奈米織化蝕刻。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該奈米織化蝕刻包括：進行無電鍍處理步驟；以及進行選擇性氧化和反應移除步驟。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該無電鍍處理步驟係以高硫酸鈉(Na2 S2 O8 )作為氧化劑，以硝酸銀(AgNO3 )、過氧化氫(H2 O2 )或氫氧化鈉(NaOH)作為催化劑，且該選擇性氧化和該反應移除步驟係在氟化氫(HF)和過氧化氫(H2 O2 )之水溶液中進行。
  11. 一種具有選擇性射極之太陽能電池，包括：一基底，該基底之第一表面上之第一區域具有第一織化結構，該基底之第一表面上之第二區域具有第二織化結構，其中該第一織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，該第二織化結構包括複數個凸出部和凹陷部，該第一織化結構相鄰凸出部之距離為L1 ，該第二織化結構相鄰凸出部之距離為L2 ，L1 為L2 之2倍至20倍；一第一摻雜區，位於該第一區域下，且一第二摻雜區，形成於該第二區域下，其中該第二摻雜區之摻雜濃度高於該第一摻雜區；一電極，位於該第二區域上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之具有選擇性射極之太陽能電池，其中該第一織化結構是微米織化結構，該第二織化結構是奈米織化結構。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之具有選擇性射極之太陽能電池，其中該第一織化結構之片電阻大體上為60Ω/sq，該第二織化結構之片電阻大體上為20Ω/sq。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之具有選擇性射極之太陽能電池，其中該基底之第一表面之第一區域上包括一抗反射層。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之具有選擇性射極之太陽能電池，其中L1 為L2 之12倍至15倍。
  16. 一種具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，包括：提供一基底；於該基底之第一表面形成第一織化結構；摻雜該基底之第一表面，形成一第一摻雜區；形成一圖案化阻障層，於該基底之第一表面的第二區域上，其餘未被該圖案化阻障層覆蓋之基底的第一區域則暴露；進行一蝕刻製程，蝕刻未被該圖案化阻障層覆蓋之基底的第一區域；移除該圖案化阻障層；以及於該基底之第一表面的第二區域上形成一電極。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該蝕刻步驟使得該基底之第一表面的第一區域表面形成一第二摻雜區，該第二摻雜區的濃度低於該第一摻雜區。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該蝕刻製程是奈米織化蝕刻。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該奈米織化蝕刻包括：進行無電鍍處理步驟；進行選擇性氧化和反應移除步驟。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之具有選擇性射極之太陽能電池之製作方法，其中該無電鍍處理步驟係以高硫酸鈉(Na2 S2 O8 )作為氧化劑，以硝酸銀(AgNO3 )、過氧化氫(H2 O2 )或氫氧化鈉(NaOH)作為催化劑，且該選擇性氧化和反應移除步驟係在氟化氫(HF)和過氧化氫(H2 O2 )之水溶液中進行。
  21. 一種具有選擇性射極之太陽能電池，包括：一基底，該基底之第一表面上包括一第一區域和一第二區域，其中該第二區域之平均高度高於該第一區域；一第一摻雜區，形成於該第一區域，且一第二摻雜區形成於該第二區域，其中該第二摻雜區之摻雜濃度高於該第一摻雜區；一電極，形成於該第二區域上。
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