TWI459577B - 具改良表面保護膜之結晶矽太陽電池的製造方法 - Google Patents

具改良表面保護膜之結晶矽太陽電池的製造方法 Download PDF

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Description

具改良表面保護膜之結晶矽太陽電池的製造方法
本發明是關於太陽電池之製造。更特定言之，其是關於一種製造包含氧化矽保護層以及介電塗層之結晶矽太陽電池的方法。
由單或多結晶矽製成之太陽電池通常在正面(亦即，光入射面)上具備介電塗層以便將入射光有效地引導至半導體層。此介電塗層經常被稱作抗反射塗層(anti-reflection coating,ARC)膜。
太陽電池之效能受光生載流子於半導體層與ARC膜之間的界面處再結合之抑制程度的影響很大。通常使用表面保護膜來達到光生載流子之再結合的抑制。
經常使用氮化矽膜來作為用於多結晶矽太陽電池之ARC膜，因其具有良好抗反射效應且可預期其具有充足的表面保護效應。其亦出於同一原因而用於單結晶矽太陽電池。或者，使用熱氧化膜，在此狀況下，可預期其比氮化矽具有更有效之表面保護。
通常，具有充足表面保護之熱氧化膜需要高溫製程(大致1000℃)，其將劣化太陽電池之效率。另外，熱氧化膜之折射率(1.45)對於用於矽太陽電池之適當ARC為過低的。
在結晶矽太陽電池中，通常藉由在背面上熱處理鋁漿料而塗佈以及熔合來形成背表面場(back surface field, BSF)層。由於矽原料之缺乏，將來結晶矽太陽電池之厚度十分肯定會減小。此將導致BSF層之更差有效性，因為其將使薄基板彎曲且將亦使背面處之內反射降低。現今，為了替換BSF層，採用諸如氮化矽膜或熱氧化矽膜之介電膜，其具有用於背面電極的部分移除之區域。如以上所提及，氮化矽膜可提供良好保護效應且熱氧化膜可能甚至更佳。另外，此等介電膜與鋁BSF相比可增強太陽電池之背面處的內反射。
對於用於結晶矽太陽電池的沈積於半導體基板上之介電膜之要求為：可在相對低之溫度下形成高保護效應在形成於正面處時之抗反射效應在形成於背面處時之抗反射效應或內反射之增強。
對於此介電膜而言，在用於最佳抗反射效應時，折射率應低於矽之折射率(3.3)且高於封裝樹脂或防護玻璃罩之折射率(1.4至1.6)。氮化矽膜可滿足以上大部分條件，但其保護效應劣於熱氧化膜之保護效應。薄熱氧化可***於矽與氮化矽之間，以滿足以上所述之條件，而不會減小正面處抗反射之光學效應或增強背面處之內反射(僅管熱氧化之低折射率(1.45))。具有充足表面保護之熱氧化膜需要高溫製程(大致1000℃)，其將劣化太陽電池之效率。然而，形成具有良好表面保護且在良好控制下的薄(<70奈米)之熱氧化是非常困難的。一個可能性為在矽基板上 提供熱氧化膜且接著藉由蝕刻來使熱氧化膜變薄，但在彼狀況下，可能產生厚度不一之熱氧化膜。即使在較低溫度(大約800℃)下之熱氧化在某種程度上可形成薄氧化膜，其表面保護效應通常是低的且有時甚至劣於氮化矽膜之表面保護效應。
本發明之目標為提供一種製造具有矽基板以及用於表面保護之兩層結構的結晶矽太陽電池之方法，其中太陽電池效率得以改良。
藉由提供製造結晶矽太陽電池之方法來達成此目標，此方法包含：提供具有正面以及背面之結晶矽基板；藉由將結晶矽基板浸泡於化學溶液中來在正面以及背面中之至少一者上形成薄氧化矽膜；在正面以及背面中之至少一者上於薄氧化矽膜上形成介電塗層膜(dielectric coating film)。
在根據實施例之方法中，在基板之正面且/或在背面處製造介電塗層膜以及薄氧化矽膜。藉由將結晶矽基板浸泡於化學溶液中來形成薄氧化矽膜。浸泡製程是良好可控的且在相對低之溫度(<150℃)下執行。因此此層之形成將不會影響(已摻雜)基板之半導體性質。此外，保護效應與熱氧化之保護效應相當或甚至超過熱氧化之保護效應。又，藉由使用化學溶液用於氧化，可形成非常薄之均一的氧化矽層。
值得注意的是，所提供之結晶矽基板可能已被部分加工。此外，可提供例如表面被具有用來避免被氧化的氮化矽或其他膜覆蓋的矽基板。
較佳地，分別視太陽模組是否為雙面而定，介電塗層膜在正面上時將充當抗反射塗層，且其在形成於背面上時將充當抗反射或內反射塗層。
在實施例中，薄氧化矽膜經形成後具有0.5奈米至10奈米之厚度。注意，在無保護的矽表面上，在室溫下將生長所謂的“天然氧化”膜。此非常薄之膜(大致0.5奈米厚)並不具有良好保護性質。因此，根據實施例，移除天然氧化膜後，藉由將結晶基板浸泡於化學溶液中來生長新氧化矽膜。薄氧化矽膜將執行其保護任務且對於太陽電池之正面上之入射光將是透明的。
在實施例中，藉由在低於150℃之溫度下在化學溶液中處理結晶矽基板來形成氧化矽膜。此低溫將避免造成半導體性質之遞減。較佳地，溫度約為室溫，使得可非常容易地達成溫度設定。
化學溶液可包含硝酸、過氧化氫、硫酸、氫氯酸、臭氧、乙酸、沸水，或氫化銨或此等之組合。
可藉由電化學增強反應來形成薄氧化膜。此具有減少氧化時間以及溶液濃度的優點。
在實施例中，介電塗層膜包含氫。介電塗層膜為包括氫之氮化矽或包括氫之非晶碳化矽。
在另一實施例中，在形成介電塗層膜之後，方法包含 退火。退火溫度較佳比介電塗層膜之沈積溫度高50℃以上。此方法允許來自此介電塗層之氫被發射且穿透薄氧化矽膜，與存在於半導體表面處或存在於氧化矽膜中的缺陷狀態反應，因此增強結晶矽之保護效應。
介電塗層膜在充當抗反射塗層膜時較佳具有介於1.8與3.0之間的折射率，因為其應低於矽之折射率(3.3)且高於封裝樹脂或防護玻璃罩之折射率(1.4至1.6)。
在態樣中，本發明亦關於一種藉由以上所述之方法而製造的太陽電池。
為了解釋本發明之益處，以下描述使用已知方法以及使用根據本發明之實施例之方法的太陽電池之一些實例。為此等實際實例選擇之晶圓由具有0.3歐姆-公分至1.5歐姆-公分之電阻率的n型多結晶矽(Si)基板組成。晶圓自預先切割至12.5×12.5平方公分之鑄錠切開。晶圓分成四個群，每一群具有25個晶圓。其後，將群命名為群A、群B、群C以及群D。
群A為習知多結晶矽太陽電池之參考群，其表面保護由氮化矽抗反射塗層提供。太陽電池之結構展示於圖1中且其製造過程步驟展示於圖2中。太陽電池100包含具有磷擴散背面層103以及硼擴散正面層102的矽基板101。在基板101之兩面上，形成氮化矽膜；參見背面氮化矽膜105以及正面氮化矽膜104。在兩面處製造電極106、107。每一製程步驟處之特定製程條件展示於圖2中。在第一步 驟201中，藉由(例如)自錠切割晶圓來提供n型矽基板。接著在步驟202中，使用NaOH之化學溶液來執行表面織化。接著，在步驟203中，在900℃至950℃之溫度下，硼在正面處擴散至基板中。可使用例如是兩個基板以其背面壓在一起地置放之背對背組態來進行。接著在步驟204中，以兩個基板以其正面壓在一起地置放之面對面(front-to-front)組態，在850℃至880℃之溫度下，磷在背面上擴散。步驟204之後是步驟205，在步驟205中，將基板浸漬於氫氟酸溶液中以便在抗反射層沈積之前自表面移除天然氧化層。接著，以SiH4/NH3/N2之混合氣體在300℃至500℃下使用電漿增強化學氣相沈積(PECVD)法在正面上沈積氮化矽(SiN)(在步驟206中)。在下一步驟207中，亦以SiH4/NH3/N2之混合氣體在300℃至500℃下使用PECVD來在背面上沈積氮化矽。最後在步驟208，如熟習此項技術者所已知，執行對正面使用混合銀以及鋁漿料且對背面使用銀漿料的絲網印刷。在絲網印刷之後，使用在介於750℃與950℃之間的溫度下之正面漿料以及背面漿料之同時點火(熱退火)。
圖3展示根據此項技術之狀態之太陽電池300的實例。太陽電池300自被稱作群B之參考群挑選出。太陽電池300包含具有磷擴散背面層303以及硼擴散正面層302的矽基板301。在基板301之兩面上，形成氮化矽膜；參見背面氮化矽膜305以及正面氮化矽膜304。在兩面處製造電極306、307。與圖1之太陽電池相比，在基板301與 氮化矽膜304、305中間，形成原位熱氧化層308、309。
圖4展示群B之製造過程之流程圖。每一製程步驟處之特定製程條件如下。
步驟401：與步驟201相同。
步驟402：與步驟202相同。
步驟403：與步驟203相同。
步驟404：與步驟204相同。
在步驟405中，使用藉由在介於850℃與900℃之間的溫度下在管式爐中加熱基板之熱氧化製程來生長20奈米之氧化矽膜。
步驟406：與步驟206相同。
步驟407：與步驟207相同。
步驟408：與步驟208相同。
群C為本發明之典型實例。製造過程與群B之製造過程相同，除了藉由在室溫下將晶圓浸泡於68%之硝酸的化學溶液中歷時15分鐘之持續時間來生長如圖3中所示之氧化矽膜308、309之外。所生長氧化矽之厚度為1.4奈米。圖5為展示根據此實施例之製造過程之實例的流程圖。每一製程步驟處之特定製程條件如下。
步驟501：與步驟201相同。
步驟502：與步驟202相同。
步驟503：與步驟203相同。
步驟504：與步驟204相同。
步驟505：與步驟205相同。
在步驟506中，藉由在室溫下將晶圓浸泡於68%之硝酸的化學溶液中歷時15分鐘之持續時間來生長具有1.4奈米之厚度的氧化矽膜。
步驟507：與步驟206相同。
步驟508：與步驟207相同。
步驟509：與步驟208相同。
在本發明之另一實施例中，製造過程與如圖3中所示之群B之製造過程相同，除了藉由在120℃之溫度下將晶圓浸泡於68%之硝酸的化學溶液中歷時15分鐘之持續時間來生長氧化矽膜308、309之外。由此實施例產生之太陽電池被稱作群D。
如熟習此項技術者將已知，在IEC 60904之條件下特徵化太陽電池性質。對於以上提及之群中之每一者在表I中展示太陽電池參數之平均值，其中Jsc為短路電流，Voc為斷路電壓且FF為填充因數。
將群A與群C以及D比較，可看出Voc以及功率轉 換效率得以改良。由於群C以及D之氮化矽抗反射與半導體表面之間的薄氧化矽中間層，半導體之表面保護得以強有力地增強，從而降低了光生電荷之再結合機率。
將群B與群C以及D比較，可看出由於薄化學氧化物比熱氧化物具更佳保護能力，Voc以及功率效率得以進一步改良。
在採用以上所述之本發明的情況下，與習知之n型多結晶基板之太陽電池製程相比，達成功率轉換效率之0.8至1.9個點的改良。
應理解，熟習此項技術者在閱讀以上文字時將想起變體。認為彼等變體在如附加之申請專利範圍所述的本發明之範疇內。
100‧‧‧太陽電池
101‧‧‧矽基板
102‧‧‧硼擴散正面層
103‧‧‧磷擴散背面層
104‧‧‧正面氮化矽膜
105‧‧‧背面氮化矽膜
106‧‧‧電極
107‧‧‧電極
201‧‧‧步驟
202‧‧‧步驟
203‧‧‧步驟
204‧‧‧步驟
205‧‧‧步驟
206‧‧‧步驟
207‧‧‧步驟
208‧‧‧步驟
300‧‧‧太陽電池
301‧‧‧矽基板
302‧‧‧硼擴散正面層
303‧‧‧磷擴散背面層
304‧‧‧正面氮化矽膜
305‧‧‧背面氮化矽膜
306‧‧‧電極
307‧‧‧電極
308‧‧‧原位熱氧化層/氧化矽膜
309‧‧‧原位熱氧化層/氧化矽膜
401‧‧‧步驟
402‧‧‧步驟
403‧‧‧步驟
404‧‧‧步驟
405‧‧‧步驟
406‧‧‧步驟
407‧‧‧步驟
408‧‧‧步驟
501‧‧‧步驟
502‧‧‧步驟
503‧‧‧步驟
504‧‧‧步驟
505‧‧‧步驟
506‧‧‧步驟
507‧‧‧步驟
508‧‧‧步驟
509‧‧‧步驟
本發明之其他優點以及特徵將基於多個實施例之描述而變得清楚，其中參看附加之圖式，在圖式中：圖1是習知之太陽電池的示意圖。
圖2是對應於圖1之太陽電池之製造過程的流程圖。
圖3是依照本發明實施例之太陽電池的示意圖。
圖4是對應於圖3之太陽電池之製造過程的流程圖。
圖5是依照本發明另一實施例之太陽電池之製造過程的流程圖。
501‧‧‧步驟
502‧‧‧步驟
503‧‧‧步驟
504‧‧‧步驟
505‧‧‧步驟
506‧‧‧步驟
507‧‧‧步驟
508‧‧‧步驟
509‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種製造結晶矽太陽電池之方法，包含：提供具有正面以及背面之結晶矽基板，其中所述結晶矽基板為n型基板；對所述結晶矽基板進行表面織化；在進行所述表面織化之後，於所述結晶矽基板的所述正面中形成p型層；接著將所述結晶矽基板浸泡於化學溶液中，藉由氧化所述結晶矽基板以在所述正面以及所述背面中之至少一者上形成薄氧化矽保護膜，其中所述薄氧化矽保護膜藉由在低於150℃之溫度下在所述化學溶液中處理所述結晶矽基板而形成，以及其中所述薄氧化矽保護膜經形成有0.5奈米至10奈米之厚度；以及在所述正面以及所述背面中之至少一者上於所述薄氧化矽保護膜上形成介電塗層膜，其中所述介電塗層膜包含包括氫之氮化矽或包括氫之非晶碳化矽。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製造結晶矽太陽電池之方法，其中所述溫度為室溫。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造結晶矽太陽電池之方法，其中所述化學溶液包含選自由以下各物組成之群的至少一溶液：A.含有硝酸之溶液，B.含有過氧化氫之溶液，C.含有硫酸之溶液， D.含有氫氯酸之溶液，E.含有臭氧之溶液，F.含有乙酸之溶液，G.含有沸水之溶液，H.含有氫化銨之溶液。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製造結晶矽太陽電池之方法，其中在形成所述介電塗層膜之後，所述方法包含退火。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之製造結晶矽太陽電池之方法，其中退火溫度比所述介電塗層膜之沈積溫度高50℃以上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製造結晶矽太陽電池之方法，其中所述介電塗層膜具有介於1.8與3.0之間的折射率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製造結晶矽太陽電池之方法，其中所述介電塗層膜至少在使用中充當抗反射塗層膜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製造結晶矽太陽電池之方法，其中所述介電塗層膜至少在使用中充當內反射塗層膜。
  9. 一種藉由如申請專利範圍第1項所述之製造結晶矽太陽電池之方法而製造的太陽電池。
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