TWI658603B - 單面受光式太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種單面受光式太陽能電池包括：一光電轉換基板；一正面電極，位於該光電轉換基板之一受光面上；一背面電極，位於該光電轉換基板之一背面上，並大致覆蓋整個該背面；以及一鈍化層，位於該背面電極和該背面之間；其中：該鈍化層包括沿一第一方向延伸的複數個第一線形開口及沿一第二方向延伸的複數個第二線形開口，該些第一及第二線形開口是彼此交叉的；以及該背面電極包括以一無電鍍製程形成的一鎳層，該鎳層透過該複數個第一線形開口及該複數個第二線形開口而與該背面電性接觸。

Description

單面受光式太陽能電池及其製造方法
本發明是有關於一種單面受光式太陽能電池，且特別是有關於一種單面受光式太陽能電池之製造方法。
太陽能電池一種將光能轉換為電能的光電元件，其由於低污染、低成本加上可利用源源不絕之太陽能作為能量來源，而成為重要的替代能源之一。太陽能電池之基本構造是運用P型半導體與N型半導體接合而成，當陽光照射至具有此P-N接面的太陽能基板時，光能激發出矽原子中之電子而產生電子和電洞的對流，且這些電子及電洞受P-N接面處構成的內建電場影響而分別聚集在負極及正極兩端，使太陽能電池的兩端產生電壓。此時可使用電極連接太陽能電池的兩端於一外部電路，以形成迴路，進而產生電流，此過程即為太陽電池發電的原理。
在太陽能電池的製程中，背面金屬化製程通常是以網版印刷電極，或以濺鍍/蒸鍍等物理氣相沉積(PVD)技術，形成背面金屬電極。傳統式網印金屬漿料的材料價格過高，而物理氣相沉積方式的真空設備成本也太高。因此，近期業者期望先以雷射在鈍化層上進行線狀式開槽，再以電鍍(Electro plating)技術形成金屬電極來取而代之。然而，電鍍技術無法直接於絕緣層表面上沉積金屬薄膜，還需要憑藉一層晶種層(seed layer)來外加偏壓提供電子，以形成金屬電極。
因此，便有需要一種太陽能電池及其製造方法，其以無電鍍(Electroless plating)技術來形成金屬電極，以克服上述問題。
本發明之一目的是提供一種單面受光式太陽能電池，其之鈍化層包括複數個開口(包括該複數個第一線形開口及該複數個第二線形開口)具有網狀式實線形開槽、網狀式虛線形開槽、該些點形開口、或環形開口之設計。
依據上述之目的，本發明提供一種單面受光式太陽能電池，包括：一光電轉換基板；一正面電極，位於該光電轉換基板之一受光面上；一背面電極，位於該光電轉換基板之一背面上，並大致覆蓋整個該背面；以及一鈍化層，位於該背面電極和該背面之間；其中：該鈍化層包括沿一第一方向延伸的複數個第一線形開口及沿一第二方向延伸的複數個第二線形開口，該些第一及第二線形開口是彼此交叉的，該複數個第一線形開口之間距小於1mm，該複數個第二線形開口之間距小於1mm；以及該背面電極包括以一無電鍍製程形成的一鎳層，該鎳層透過該複數個第一線形開口及該複數個第二線形開口而與該背面電性接觸。
本發明之鈍化層包括複數個開口(包括該複數個第一線形開口及該複數個第二線形開口)之網狀式實線形開槽、網狀式虛線形開槽、該些點形開口、或環形開口之設計皆可提升後續的無電鍍前處理製程之晶種粒子分佈，進而改善後續的無電鍍鎳層沉積於該鈍化層上之大面積的附著性。
1‧‧‧太陽能電池
10‧‧‧光電轉換基板
101‧‧‧受光面
11‧‧‧基板
111‧‧‧正面
112‧‧‧背面
12‧‧‧射極層
13‧‧‧背電場層
14‧‧‧抗反射層
15‧‧‧鈍化層
150‧‧‧開口
151‧‧‧第一方向
152‧‧‧第二方向
153‧‧‧第一線形開口
154‧‧‧第二線形開口
155‧‧‧虛線形
156‧‧‧點形開口
157‧‧‧線段形開口
158‧‧‧點形開口
159‧‧‧環形開口
16‧‧‧背面電極
161‧‧‧晶種粒子
162‧‧‧鎳層
163‧‧‧導電層
17‧‧‧正面電極
171‧‧‧鎳層
172‧‧‧銅層
173‧‧‧錫層
D‧‧‧間距
S100~S500‧‧‧步驟
W‧‧‧線寬
圖1為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的流程圖。
圖2為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示準備一光電轉換基板。
圖3為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一鈍化層。
圖4a~4e顯示本發明之多個實施例之鈍化層之平面示意圖。
圖5為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一鎳層。
圖6為照片(A)~(F)顯示無電鍍液PH值及製程溫度對鎳層之晶粒尺寸及覆蓋度的影響。
圖7為照片(A)~(C)顯示：(A)傳統的線狀式雷射開槽圖形(Line pattern)，(B)網狀式實線形雷射開槽圖形，以及(C)網狀式虛線形雷射開槽圖形之後續鎳層的附著力效果之比較。
圖8為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一導電層。
圖9為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一正面電極。
為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。
請參考圖1，其顯示本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的流程圖。該單面受光式太陽能電池之製造方法包括下列步驟：在步驟S100中，準備一光電轉換基板10，如圖2所示。該光電轉換基板10是指可以光伏(photovoltaic)效應將光能轉換成電能的基板，例如具有PN接面(P/N junction)或PIN接面(PIN junction)的半導體矽基板。舉例，一塊矽晶體一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，中間二者相連的接觸面稱為PN接面。請再參考圖2，在本實施例中，該光電轉換基板10包括一基板11、一射極層12及一背電場層13。該基板11為第一導電型，並具有一正面111和一與該正面111相對的背面112。該射極層12為第二導電型，並位於該基板11內靠近該正面111處。該背電場層13為第一導電型，並位於該基板11內靠近該背面112處。另外，該光電轉換基板10可更包括一抗反射層14，其設置在 該正面111處。
在步驟S200中，形成一鈍化層15位於該光電轉換基板10的背面112上，該鈍化層15具有複數個開口150，如圖3所示。實際作法例如先形成整面之鈍化層15，再以雷射開槽方式形成複數個開口150。該鈍化層15可為氮化矽材料所製，又例如可為氧化鋁/氧化矽/氮化矽之疊層材料所製。
圖4a~4e顯示本發明之鈍化層15之平面示意圖。請參考圖4a，在本實施例中，該複數個開口150包括沿一第一方向151延伸的複數個第一線形開口153及沿一第二方向152延伸的複數個第二線形開口154，該些第一及第二線形開口153、154是彼此交叉的。舉例，該些第一及第二線形開口153、154為實線形，並構成網狀式實線形開槽。請再參考圖3，該複數個開口150之間距D(例如該些第一線形153之間距及第二線形開口154之間距)可小於1mm(毫米)。該複數個開口150的線寬W(例如該些第一線形153之線寬及第二線形開口154之線寬)可介於10~35μm(微米)。
請參考圖4b，在另一實施例中，該複數個第一線形開口153為虛線形，且該複數個第二線形開口154為虛線形155。舉例，該些第一及第二線形開口153、154為虛線形155，並構成網狀式虛線形開槽。該虛線形155包括複數個點形開口156，而在其他實施例中，亦可採取部分複數個第一線形開口153為虛線形而部分部分複數個第一線形開口153實線形之設計，使該複數個第一線形開口153之至少其中之一為虛線形，同樣的，該複數個第二線形開口154亦可採只有部分為虛線形之設計，使該複數個第二線形開口154之至少其中之一為虛線形。請參考圖4c，在又一實施例中，該虛線形155更包括複數個線段形開口157。
請參考圖4d，在其他實施例中，該鈍化層15更包括複數個點形開口158，每個點形開口158位在相鄰的二個該第一線形開口153及相鄰的二個該第二線形開口154之間。
請參考圖4e，在其他實施例中，該鈍化層15更包括一環形開口159，包圍所有的該些第一及第二線形開口153、154。該環形開口159可為實線形或虛線形155。該虛線形155包括複數個點形開口156。該虛線形155更包括複數個線段形開口157。雖然圖4e中的第一及第二線形開口153、154是以圖4a的實線形之線形開口為例，但在其他實施例中，亦可用圖4b、圖4c、圖4d中的虛線形之線形開口設計取代圖4e的實線形之線形開口。圖4b~圖4d中的各線形開口之間距可小於1mm(毫米)，線寬可介於10~35μm(微米)。
該網狀式實線形開槽、網狀式虛線形開槽、該些點形開口、或環形開口之設計皆可提升後續的無電鍍前處理製程之晶種粒子分佈，進而改善後續的無電鍍鎳層沉積於該鈍化層15上之大面積的附著性。
請參考圖5，在步驟S300中，以一無電鍍製程形成一鎳層162，該鎳層162覆蓋該鈍化層15並透過該複數個開口150與該背面112直接接觸且電性接觸，其中：該無電鍍製程於50-70℃之溫度中進行，且該無電鍍製程之鍍液的PH值介於5~10，且鍍液主成分包括NiSO4(硫酸鎳)/NaH2PO2(次磷酸鈉)/Na2H4C4O4(丁二酸鈉)/H2O。舉例，無電鍍法亦可稱為自身催化鍍法(Autocatalytic Plating)，先在工作物表面形成具有催化力的金屬面，或是利用工作物表面本身的催化作用，以化學還原方法，使金屬離子成金屬狀態析出。首先次磷酸根(還原劑)被氧化成亞磷酸根離子，釋出的電荷，可使鎳離子還原，金屬鎳沉積在具催化作用的活化表面上，而析出的鎳，又繼續催化反應的進行，所以析出反應連鎖進行，鍍層呈層狀結構，厚度可任意控制。
在形成該鎳層162之步驟S300前，步驟S250：以一無電鍍前處理製程之敏化及活化步驟形成複數個晶種粒子161，其中該些晶種粒子161使用下列材料其中之一為晶種粒子：Sn/Pd(錫/鈀)、Sn/Ag(錫/銀)、Ni(鎳)、Co(鈷)或Fe(鐵)。 該鎳層162透過該些晶種粒子161而貼附該背面112。舉例，敏化及活化步驟使錫及鈀晶種粒子得以吸附於該背面，但錫/鈀晶種粒子具有較易吸附於矽表面而不易附著於氮化矽表面的特性。因此，該網狀式實線形開槽、網狀式虛線形開槽、該些點形開口、或環形開口之設計將提升前處理製程之敏化及活化步驟所吸附的錫/鈀晶種粒子，以及增加錫/鈀晶種粒子的密度和分佈，進而改善後續的該鎳層162沉積於該鈍化層15上之大面積的附著性。
請參考圖6，照片(A)~(F)顯示無電鍍液PH值及製程溫度對鎳薄膜之晶粒尺寸及覆蓋度的影響。在不同無電鍍鎳製程條件下可觀察到，若成長出較大晶粒尺寸(Grain size)的無電鍍鎳薄膜，晶粒尺寸須大於80nm以上，才能促使鎳薄膜完整沉積於電池的背面整面而沒有空隙(Void)存在。
請參考圖7，照片(A)~(C)顯示：(A)傳統的線狀式雷射開槽圖形(Line pattern)，(B)網狀式實線形雷射開槽圖形，以及(C)網狀式虛線形雷射開槽圖形之後續鎳層的附著力效果之比較。傳統的網線狀式圖形設計明顯存在有鎳薄膜剝離的問題，剝離面積的比率(Ratio of peeling area)接近10%，而網狀式實線形及網狀式虛線形之設計皆明顯改善無電鍍鎳薄膜的附著性，其剝離面積的比率為0%
請參考圖8，在步驟S400中，將一導電層163形成於該鎳層162上，其中該鎳層162及該導電層163組合成一背面電極16。在本實施例中，該導電層162可為銅層。舉例，藉由將該鎳層162作為背面金屬晶種層，利用一電鍍製程將銅層直接電鍍在該鎳層162上。
在形成該鎳層162之步驟S300之後，或在形成該導電層163之步驟S400之後，可實施步驟S450：對該鎳層162進行退火，其退火溫度介於250-400℃，且時間介於3-10min(分)。該鎳層162經退火後，該鎳層162之一部份會與矽形 成鎳化矽層(圖未示)而和背面112電性接觸，即此時鎳層162和背面112的介面有部分區域之主成分已變為鎳化矽。此時，該鎳層162的厚度介於0.5~1μm(微米)，且退火後的該鎳層162的晶粒尺寸介於100-300nm(奈米)。需說明的是，前述晶粒尺寸相關敘述則是單指鎳層162的非鎳化矽部分。
請參考圖9，在步驟S500中，形成一正面電極17，其位於該光電轉換基板10之一受光面101上，並連接於該射極區12。舉例，在抗反射層14形成多個開口露出射極區12之局部，以多個電鍍製程順向偏壓電鍍的方式依序電鍍鎳層171/銅層172/錫層173並進行退火而成為該正面電極17，完成單面(mono-facial)受光式太陽能電池1。補充說明的是，在其他實施例中，該抗反射層14的開口亦可和該鈍化層的開口150同以雷射開槽方式形成，且該抗反射層14的開口亦可提早於步驟S300之前形成。另外，在其他實施例中，該背面電極16的退火製程亦可在電鍍該鎳層171/銅層172/錫層173形成之後再進行。圖9雖然顯示該些晶種粒子161經退火之後還可辨識，但退火溫度較高時，該些晶種粒子161之部分或全部可能會和該鎳層162重新晶格排列而消失或至少無法辨識。
在本實施例之步驟S500中，該正面電極17之鎳層171(電鍍製程)/銅層172(電鍍製程)/錫層173(電鍍製程)是在該背面電極16之導電層163(電鍍製程)之後所形成。但在其他實施例之步驟中，亦可先依序形成該背面電極16之鎳層162(無電鍍製程)及該正面電極17之鎳層171(電鍍製程)後，再同時形成該正面電極17之銅層172(電鍍製程)及該背面電極16之導電層163(銅電鍍製程)。最後，再形成該正面電極17之錫層173(電鍍製程)。
請再參考圖9，其顯示本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池1。一種單面受光式太陽能電池1包括：一光電轉換基板10、一正面電極17、一背面電極16及一鈍化層15。該光電轉換基板10可包括一基板11、一射極層12及一背電場層13。該基板11 為第一導電型，並具有一正面111和一與該正面111相對的背面112。該射極層11為第二導電型，並位於該基板11內靠近該正面111處。該背電場層13為第一導電型，並位於該基板11內靠近該背面112處。該光電轉換基板1可更包括一抗反射層14，其設置在該正面111處。該單面受光式太陽能電池1可為n型射極鈍化背部全擴散式(n-PERT)之太陽能電池。
該正面電極17位於該光電轉換基板10之一受光面101上，並連接於該射極區12。該背面電極16位於該光電轉換基板1之一背面112上，並大致覆蓋整個該背面112。上述「大致覆蓋整個」之意是指，包括：(1)覆蓋整個背面112，或(2)覆蓋背面112的大部分區域，但有小部分未被該背面電極16覆蓋之處，例如靠近該光電轉換基板10之邊緣處，或者因例如對位而留有的標記區。
請再參考圖3及4a，該鈍化層15位於該背面電極16和該背面112之間。該鈍化層15包括複數個開口150，其包括沿一第一方向151延伸的複數個第一線形開口153及沿一第二方向152延伸的複數個第二線形開口154，該些第一及第二線形開口153、154是彼此交叉的，該複數個第一線形開口153之間距小於1mm(毫米)，該複數個第二線形開口154之間距小於1mm(毫米)。
請再參考圖9，該背面電極16包括以一無電鍍製程形成的一鎳層162，該鎳層162透過該複數個開口150(包括該複數個第一線形開口及該複數個第二線形開口)而與該背面112電性接觸，該鎳層162的厚度介於0.5~1μm(微米)，且該鎳層的晶粒尺寸介於100-300nm(奈米)。
本發明之鈍化層包括複數個開口(包括該複數個第一線形開口及該複數個第二線形開口)之網狀式實線形開槽、網狀式虛線形開槽、該些點形開口、或環形開口之設計皆可提升後續的無電鍍前處理製程之晶種粒子分佈，進而改善後續的無電鍍鎳層沉積於該鈍化層上之大面積的附著性。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用 的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (9)

  1. 一種單面受光式太陽能電池，包括：一光電轉換基板；一正面電極，位於該光電轉換基板之一受光面上；一背面電極，位於該光電轉換基板之一背面上，並大致覆蓋整個該背面；以及一鈍化層，位於該背面電極和該背面之間；其中：該鈍化層包括複數個開口；以及該背面電極包括一鎳層，該鎳層透過該複數個開口而與該背面直接接觸，該鎳層的厚度介於0.5~1μm，且該鎳層的晶粒尺寸介於100-300nm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單面受光式太陽能電池，其中該複數個開口包括沿一第一方向延伸的複數個第一線形開口，該複數個第一線形開口的線寬介於10~35μm，且其之間距小於1mm。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之單面受光式太陽能電池，其中該複數個開口更包括沿一第二方向延伸的複數個第二線形開口，該複數個第二線形開口的線寬介於10~35μm，且其之間距小於1mm。
  4. 一種單面受光式太陽能電池之製造方法，包括：準備一光電轉換基板；形成一鈍化層位於該光電轉換基板的一背面上，該鈍化層具有複數個開口；以一無電鍍製程形成一鎳層，該鎳層覆蓋該鈍化層並透過該複數個開口與該背面直接接觸，其中：該鎳層的厚度介於0.5~1μm，且該鎳層的晶粒尺寸介於100-300nm將一導電層形成於該鎳層上，其中該鎳層及該導電層組合成一背面電極；以及形成一正面電極，其位於該光電轉換基板之一受光面上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，其中：該無電鍍製程於50-70℃之溫度中進行，且該無電鍍製程之鍍液之PH值在介於5~10，且鍍液主成分包括NiSO4/NaH2PO2/Na2H4C4O4/H2O。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，更包括：在形成該鎳層之步驟後，對該鎳層進行退火，其退火溫度介於250-400℃，且時間介於3-10min。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，更包括：在形成該鎳層之步驟前，以一無電鍍前處理製程之敏化及活化步驟形成複數個晶種粒子，其中該些晶種粒子使用下列材料其中之一為晶種粒子：Sn/Pd(錫/鈀)、Sn/Ag(錫/銀)、Ni(鎳)、Co(鈷)或Fe(鐵)。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，其中該複數個開口包括沿一第一方向延伸的複數個第一線形開口，該複數個第一線形開口的線寬介於10~35μm，且其之間距小於1mm。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，其中該複數個開口更包含沿一第二方向延伸的複數個第二線形開口，該複數個第二線形開口的線寬介於10~35μm，且其之間距小於1mm。
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