TWI484647B

TWI484647B - 太陽能電池及其模組

Info

Publication number: TWI484647B
Application number: TW102105265A
Authority: TW
Inventors: Kuan Jay Lai; Shih Hsien Huang
Original assignee: Motech Ind Inc
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2015-05-11
Also published as: TW201432926A

Description

太陽能電池及其模組

本發明是有關於一種太陽能電池及其模組，特別是指一種背接觸太陽能電池及其模組。

參閱圖1，為一種已知的指叉式背接觸(Interdigitated Back Contact，簡稱IBC)太陽能電池，包含：一基板11、一鈍化層12、至少一p型電極13，以及至少一n型電極14。該基板11為n型的基板11，並包括相反的一受光面111與一背面112、一位於該受光面111側且載子濃度大於該基板11的n型摻雜層113、一個位於該n型摻雜層113上的抗反射層114、位於該背面112側的至少一p型摻雜區115與至少一n型摻雜區116，以及至少一將該p型摻雜區115與該n型摻雜區116隔開的間隔區117。其中，設置該間隔區117是為了避免該p型摻雜區115與該n型摻雜區116接觸，以避免寄生分流(Parasitic Shunting)現象而產生漏電流(Leakage Current)。而該鈍化層12位於該基板11的背面112上並且覆蓋該p型摻雜區115、該n型摻雜區116與該間隔區117。該p型電極13位於該鈍化層12上並可穿過該鈍化層12而連接該 p型摻雜區115，該n型電極14位於該鈍化層12上並可穿過該鈍化層12而連接該n型摻雜區116。該背接觸太陽能電池的主要特色在於：該p型電極13與該n型電極14都位於該基板11的背面112上，而該受光面111側未設置電極，可避免受光面積被遮擋，因此可以提升受光面111的入光量。

對於n型的基板11而言，其背面112上的p型摻雜區115佔該背面112面積的比例可達80%以上，因此以p型摻雜區115作為考量，已知的電池通常使用帶負電荷之材料(例如Al₂ O₃ )作為該鈍化層12的材料，藉此提升p型摻雜區115之電洞收集效率，另外亦可於該Al₂ O₃ 鈍化層12的外側再設置另一圖未示出的鈍化層來提升鈍化效果。然而，因為該鈍化層12亦接觸該基板11的間隔區117，且Al₂ O₃ 之電荷濃度較高，因此會吸引正電荷累積在該間隔區117，使間隔區117形成具有固定電荷的反轉層(Inversion Layer，亦可稱為浮動接面(Floating Junction))，進而形成寄生電流路徑(Parasitic Current Path)並造成元件短路問題，如此將影響電池的並聯電阻及光電轉換效率，所以已知的電池結構有待改良。

因此，本發明之目的，即在提供一種可避免p、n型摻雜區之間產生寄生電流路徑，並能提升光電轉換效率的太陽能電池及其模組。

於是，本發明太陽能電池，包含：一基板、一第一鈍化層、一第二鈍化層，及一電極。

該基板具有相反的一受光面與一背面，以及位於該背面側的一p型摻雜區、一n型摻雜區與一將該p型摻雜區及該n型摻雜區隔開的間隔區。該第一鈍化層的材料為三氧化二鋁，該第一鈍化層覆蓋且接觸該p型摻雜區之至少一部分。該第二鈍化層的材料為氮化矽或二氧化矽，該第二鈍化層覆蓋且接觸該n型摻雜區之至少一部分，且該第二鈍化層覆蓋且接觸該間隔區之至少一部分。該電極與該p型摻雜區及該n型摻雜區相連接。

本發明太陽能電池模組，包含：相對設置的一第一板材與一第二板材、數個如上述且排列於該第一板材與該第二板材之間的太陽能電池，及一封裝材。該封裝材位於該第一板材與該第二板材之間，並包覆在該數個太陽能電池的周圍。

藉由該第二鈍化層覆蓋該n型摻雜區及間隔區之至少一部分，可以有效避免間隔區產生寄生電流路徑，從而避免產生漏電流及元件短路之問題，同時可幫助提升n型摻雜區的電子收集效果，加上該第一鈍化層可提升p型摻雜區之電洞收集效果，因此整體而言，本發明可提升電流收集效能，並提高光電轉換效率。

2‧‧‧第一板材

3‧‧‧第二板材

4‧‧‧太陽能電池

41‧‧‧基板

411‧‧‧受光面

412‧‧‧背面

413‧‧‧摻雜層

414‧‧‧抗反射層

415‧‧‧p型摻雜區

416‧‧‧n型摻雜區

417‧‧‧間隔區

42‧‧‧第一鈍化層

421‧‧‧第一鈍化部

422‧‧‧第一穿孔

43‧‧‧第二鈍化層

431‧‧‧第二鈍化部

432‧‧‧延伸鈍化部

433‧‧‧第二穿孔

44‧‧‧電極

441‧‧‧第一接觸電極

442‧‧‧第二接觸電極

45‧‧‧第三鈍化層

451‧‧‧第三穿孔

5‧‧‧封裝材

A‧‧‧假想線

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一種已知的指叉式背接觸太陽能電池的剖視示意圖；圖2是本發明太陽能電池模組之一第一較佳實施例的局部剖視示意圖；圖3是該第一較佳實施例之一太陽能電池的剖視示意圖；及圖4是本發明太陽能電池模組之一第二較佳實施例的一太陽能電池的剖視示意圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明太陽能電池模組之第一較佳實施例包含：上下相對設置的一第一板材2與一第二板材3、數個陣列式排列於該第一板材2與該第二板材3間的太陽能電池4，及至少一位於該第一板材2及該第二板材3間，並包覆在該數個太陽能電池4周圍的封裝材5。

該第一板材2與該第二板材3在實施上沒有特殊限制，可以使用玻璃或塑膠板材，而且位於電池受光面的一側的板材必須為可透光。該封裝材5的材質例如可透光的乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)，或其他可用於太陽能電池模組封裝的相關材料。

該數個太陽能電池4透過圖未示出的焊帶導線(ribbon)電性連接。該數個太陽能電池4的結構都相同，以下僅以其中一個為例而進行說明。當然，在同一模組中的數個電池不以結構相同為必要。

參閱圖3，本實施例的太陽能電池4為背接觸式太陽能電池，並包含：一基板41、一第一鈍化層42、一第二鈍化層43，及一電極44。

該基板41具有相反的一受光面411與一背面412、位於該受光面411側的一摻雜層413，以及位於該背面412側的二個p型摻雜區415、一n型摻雜區416與二個間隔區417。其中，在該受光面411上還可設置一抗反射層414。

本實施例的基板41為n型半導體基板，並且可以使用單晶矽基板或多晶矽基板。該基板41的受光面411可製作成粗糙面以提高入光量，但實施時不以此為限。該摻雜層413為n型半導體材料，並可利用擴散製程而形成於該基板41的受光面411側之內，其載子濃度大於該基板41的載子濃度，藉此形成正表面電場(Front Surface Field，簡稱FSF)，能提升載子收集率及光電轉換效率。需要說明的是，若該基板41使用p型半導體基板，則該摻雜層413就必須製作成載子濃度大於該p型基板之p型摻雜層。由於本發明的改良不在於此，因此不再詳述。

該抗反射層414位於該摻雜層413的表面，其材料例如氮化矽(SiN_x )等，用於提升光線入射量以及降低載子表面複合速率(Surface Recombination Velocity，簡稱SRV)，但本發明不以設置該抗反射層414為絕對之必要，而且本發明的改良不在於此，因此不再詳述。

該基板41的該等p型摻雜區415彼此間隔，並且是藉由擴散製程(例如硼擴散)使該基板41的背面412側之局部形成重摻雜的p型半導體。

該基板41的n型摻雜區416位於該等p型摻雜區415之間，該n型摻雜區416為重摻雜的n型半導體，其載子濃度大於該基板41的載子濃度。該n型摻雜區416在製作上可利用擴散製程(例如磷擴散)使該基板41的背面412側的局部形成高載子濃度的n型區域。

該等間隔區417分別位於相鄰的p型摻雜區415與n型摻雜區416之間，用於將每一p型摻雜區415及該n型摻雜區416隔開。實際上在利用擴散製程製作該等p型摻雜區415與該n型摻雜區416時，可透過適當的製程控制使p型摻雜區415與n型摻雜區416間隔，則p型摻雜區415與n型摻雜區416之間的區域就成為該等間隔區417，因此間隔區417是未額外進行擴散製程的區域。

該第一鈍化層42位於該背面412上，其材料為三氧化二鋁(Al₂ O₃ )，為帶有負電荷的材料。該第一鈍化層42覆蓋且接觸每一p型摻雜區415之至少一部分。在本實施例中，該第一鈍化層42包括兩個分別對應該等p型摻雜區415之位置的第一鈍化部421，每一第一鈍化部421具有一第一穿孔422。該等第一鈍化部421分別覆蓋且接觸每一p型摻雜區415之大部分面積，但該等第一鈍化部421未覆蓋每一p型摻雜區415之鄰近該間隔區417的部位。但實施時，該第一鈍化層42也可以覆蓋且接觸每一p 型摻雜區415之鄰近該間隔區417的部位，亦即每一第一鈍化部421的側邊可與p型摻雜區415的側邊對齊，以將p型摻雜區415完全覆蓋。該第一鈍化層42用於鈍化、修補該基板41的表面，以減少該基板41表面之懸鍵(Dangling Bond)與缺陷，從而可減少載子陷阱(trap)及降低載子的表面複合速率，以提升電池的轉換效率。

該第二鈍化層43位於該背面412上，其材料為氮化矽(SiN_x )或二氧化矽(SiO₂ )，為帶有正電荷的材料。該第二鈍化層43同樣可用於修補、降低該基板41的表面缺陷，以降低載子的表面複合速率並提升電池的轉換效率。該第二鈍化層43覆蓋且接觸該n型摻雜區416之至少一部分，也覆蓋且接觸每一間隔區417之至少一部分；更進一步地，該第二鈍化層43還覆蓋每一p型摻雜區415之至少一部分，此外，該第二鈍化層43還可覆蓋且接觸每一p型摻雜區415之至少一部分。進一步來說，一較佳情況為該第二鈍化層43覆蓋且接觸每一間隔區417並延伸至每一p型摻雜區415之鄰近每一間隔區417的小部分區域，此乃因為考慮到製程上可能產生的誤差，希望確保間隔區417不被第一鈍化層42覆蓋。需要說明的是，本文所述的覆蓋可包含覆蓋物與被覆蓋物之間有接觸的直接覆蓋，以及覆蓋物與被覆蓋物之間未接觸的間接覆蓋，接著透過以下說明來幫助了解。

具體而言，本實施例的第二鈍化層43包括一位於該第一鈍化層42之該等第一鈍化部421之間的第二鈍化部431，以及一連接在該第二鈍化部431外側且面積大於該第二鈍化部431的延伸鈍化部432。為了方便辨識，圖3以一假想線A示意該延伸鈍化部432與該第二鈍化部431之界線。此外，該第二鈍化層43還包括數個第二穿孔433，其中一個第二穿孔433對應該n型摻雜區416的位置，並且同時貫穿該第二鈍化部431與該延伸鈍化部432；另外兩個第二穿孔433分別對應該等p型摻雜區415的位置並且貫穿該延伸鈍化部432，而且此兩個第二穿孔433分別連通該等第一穿孔422。

該第二鈍化層43的第二鈍化部431位於該n型摻雜區416與該等間隔區417的表面上，並且將該等間隔區417完全覆蓋，但實施時不以完全覆蓋為必要。此外，該第二鈍化部431還延伸於每一p型摻雜區415的局部表面上，因此該第二鈍化部431覆蓋且接觸每一p型摻雜區415之至少一部分。該延伸鈍化部432呈大面積地延伸於該基板41的背面412上，該延伸鈍化部432隔著該等第一鈍化部421與該第二鈍化部431而覆蓋於該等p型摻雜區415、n型摻雜區416及間隔區417上。

該電極44位於該背面412上且位於該第二鈍化層43上，並與該p型摻雜區415及該n型摻雜區416相連接。該電極44包括二個第一接觸電極441與一個第二接觸電極442。每一第一接觸電極441可穿過該第二鈍化層43的延伸鈍化部432上的第二穿孔433及該第一鈍化層42的第一穿孔422而分別連接每一p型摻雜區415。該第二接觸電極442可穿過該第二鈍化層43之該第二穿孔433而連接該n型摻雜區416。

本發明的電池之背面412上的各層體在製造時，先利用擴散製程於該背面412形成p型摻雜區415與n型摻雜區416，接著可利用例如PECVD之真空鍍膜方式在該背面412上形成連續延伸的第一鈍化層42，再利用乾蝕刻例如雷射蝕刻或溼蝕刻或以蝕刻膠(etching paste)移除該第一鈍化層42的局部部位，使該n型摻雜區416及該等間隔區417露出，並且也可以讓鄰近該等間隔區417的小部分p型摻雜區415露出，而該第一鈍化層42之未被蝕刻移除的部位即形成該等第一鈍化部421。接續可以利用真空鍍膜方式形成該第二鈍化層43，再利用乾蝕刻例如雷射蝕刻或溼蝕刻或以蝕刻膠移除該第一鈍化層42與該第二鈍化層43的局部部位，以形成該等第一穿孔422與該等第二穿孔433。最後再以網印方式製作該電極44的該等第一接觸電極44與第二接觸電極44，就完成製作。

需要說明的是，本實施例雖然以兩個p型摻雜區415、一個n型摻雜區416及兩個間隔區417為例，但實際上在一電池中，p型摻雜區415與n型摻雜區416的數量可以為更多個，並且形成p-n-p-n之交錯配置且重複排列，而任一組相鄰的p型摻雜區415與n型摻雜區416之間即形成一個間隔區417。而且相對應地，該第一鈍化層42的第一鈍化部421與該等第一接觸電極441則對應p型摻雜區415的位置與數量；該第二鈍化層43的第二鈍化部431與該第一接觸電極44則對應n型摻雜區416的位置與數量，而且第二鈍化部431必須覆蓋到間隔區417。此外，本發明也可以只針對其中一組p型摻雜區415、n型摻雜區416及間隔區417上的鈍化層來進行改良。

藉由帶負電荷的Al₂ O₃ 製成該第一鈍化層42以覆蓋且接觸p型摻雜區415，並搭配帶正電荷的材料(SiN_x 或SiO₂ )作為該第二鈍化層43，該帶正電荷之材料的電荷濃度一般而言小於Al₂ O₃ 的電荷濃度，所以藉由帶正電荷材料製成之第二鈍化層43覆蓋該n型摻雜區416以及n型的間隔區417，於該等區域所形成的固定電荷濃度約為使用Al₂ O₃ 材料來覆蓋時所形成的固定電荷濃度的百分之一或千分之一。如此可以有效避免間隔區417產生寄生電流路徑，從而避免產生漏電流及元件正負電極短路之問題，同時可幫助提升n型摻雜區416的電子收集效果。而且該第一鈍化層42使用帶負電荷材料則可提升p型摻雜區415之電洞收集效果。因此整體而言，本發明根據基板41上不同區域的不同特性而設置兩種不同帶電性的鈍化層，此種具有變化性及創新的結構設計，可提升電流收集效能，並提高電池的並聯電阻及光電轉換效率。

參閱圖4，本發明太陽能電池模組之第二較佳實施例，與該第一較佳實施例的結構大致相同，不同的地方在於該太陽能電池4的鈍化層設計。

本實施例的電池的鈍化層設計，主要包含一第一鈍化層42、一第二鈍化層43與一第三鈍化層45。本實施例的第一鈍化層42的結構及材料皆與該第一較佳實施例相同，不再說明。本實施例的第二鈍化層43的材料為SiO₂ ，為帶正電荷之材料，該第二鈍化層43位於該第一鈍化層42的該等第一鈍化部421之間，並且同樣覆蓋且接觸該n型摻雜區416之至少一部分與每一間隔區417之至少一部分，並且進一步地還覆蓋且接觸每一p型摻雜區415之至少一部分。

製作該SiO₂ 之第二鈍化層43可以利用真空鍍膜(例如PECVD)方式形成，或者對該基板41進行熱氧化製程而形成。該熱氧化製程是於一加熱腔體中使該基板41升溫至800℃以上的高溫，再通入水氣與氧氣使該基板41的背面412之局部部位氧化，而且此高溫氧化過程可維持數分鐘至一、兩個小時的時間，該背面412上進而氧化形成該SiO₂ 之第二鈍化層43，後續再透過蝕刻方式製作該第二穿孔433。使用熱氧化法製作該第二鈍化層43的優點在於：藉由熱氧化過程之高溫可以使該基板41上的該等p型摻雜區415及n型摻雜區416朝該基板41內部的方向驅入(Drive In)得更深，如此更加容易收集載子，進而可提升電池之電流收集效果，對於電池之電性提升有很大的幫助。

本實施例之第三鈍化層45覆蓋該第二鈍化層43，並且也覆蓋該第一鈍化層42之至少一部分，該第三鈍化層45之材料為SiN_x ，為帶正電荷的材料。具體來說，本實施例的第三鈍化層45大致對應該基板41的整個背面412而設置，因此該第三鈍化層45覆蓋且接觸該第二鈍化層43與該第一鈍化層42，更進一步來說，該第三鈍化層45亦對應地覆蓋於該n型摻雜區416、每一p型摻雜區415及每一間隔區417上。該第三鈍化層45具有數個第三穿孔451，而且其中兩個第三穿孔451分別連通該等第一穿孔422，另外一個第三穿孔451連通該第二穿孔433。藉由該第三鈍化層45覆蓋該第一鈍化層42與第二鈍化層43，可增加整體鈍化結構的厚度，有助於提升鈍化及修補該基板41表面的效果。

本實施例的電極44的該等第一接觸電極441穿過該第三鈍化層45及該第一鈍化層42而連接該等p型摻雜區415；該第二接觸電極442穿過該第三鈍化層45及該第二鈍化層43而連接該n型摻雜區416。

本實施例同樣可藉由該第一鈍化層42與該第二鈍化層43達到與該第一較佳實施例相同之功效，在此不再說明。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。