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TW201411866A - 太陽能電池背面鈍化局部擴散結構及其製造方法 - Google Patents

太陽能電池背面鈍化局部擴散結構及其製造方法 Download PDF

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TW201411866A TW101132651A TW101132651A TW201411866A TW 201411866 A TW201411866 A TW 201411866A TW 101132651 A TW101132651 A TW 101132651A TW 101132651 A TW101132651 A TW 101132651A TW 201411866 A TW201411866 A TW 201411866A
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Pin-Guan Liao
Qi-Fan Jiang
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Abstract

本發明人提供一種太陽能電池背面鈍化局部擴散結構及其製造方法，其構成包括：矽片層，其底面係設有複數凸出之電極加工部，該電極加工部之端邊係具有一端接面；一鈍化膜，該電極加工部係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜；一第一電極，設於一電極接面層，該第一電極接面層係為一金屬矽合金層，該第一電極係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜；藉此，能使燒結製程所形成之矽片層空洞得以填補，使具有較佳元件使用壽命及提升其能量轉換效率，並得以避免製程成本耗費而能符合製造經濟效益及積極提升其產業競爭力。

Description

太陽能電池背面鈍化局部擴散結構及其製造方法
本發明係有關於一種太陽能電池構成及其製造方法，尤指一種利用背面鈍化局部擴散以填補矽片層空洞，使具有較佳元件使用壽命及提升其能量轉換效率之太陽能電池背面鈍化局部擴散結構及其製造方法。
按，太陽能電池又稱為太陽能晶片或光電池，是一種利用太陽光發電的光電半導體元件。藉其以光照射在不同導體或半導體上，光子與導體或半導體中的自由電子產生作用，進而瞬間就可輸出電壓及電流，故其在物理上則稱為太陽能光伏(簡稱光伏Photovoltaic/PV)。而因太陽能電池發電是一種可再生的環保發電方式，其發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體，不會對環境造成污染，是目前相當成熟的綠能應用。
習知太陽能電池之製造方法如第1圖所示，其步驟包括：(1)於一矽片層80(晶圓)頂面之微結構81上設有一第二減反射膜92及底面設有形成一背表面場(BSF/Back Surface Field)之鈍化膜90，該鈍化膜90係包括有一氧化鋁層93(Al2O3)及第一減反射膜91，其中該第一減反射膜91、第二減反射膜92係可為氮化矽層(SiNx)；繼(2)於該矽片層80之鈍化膜90(背表面場)以雷射82進行蝕刻，並形成複數開孔83，且該開孔83並深入至該矽片層80；繼(3)進行燒結程序，即於該矽片層80之鈍化膜90(第一減反射膜91)下方形成一鋁層94(Al)，並加熱進行鋁矽結合，即由該鋁層94使鋁進入該開孔83(矽片層80)中，用以形成第一電極95。繼(4)當進行鋁擴散進入該開孔83中時，該第一電極95之上方(前端)會形成一鋁矽合金層951及空洞84，其中，該鋁矽合金層951係為進行鋁擴散時鋁與該矽片層80接觸端之熱熔結合物，而該空洞84即為矽片層80之所被熱熔析出之空間部份；繼於該矽片層80(晶圓)頂面之第二減反射膜92上設有第二電極96。
前述該習知太陽能電池之製造方法雖可完成太陽能電池之製造，但該 製造方法所形成之構成仍有缺失存在，例如：當進行前述鋁矽結合之加熱及冷卻階段時，因矽的擴散速率與鋁的擴散速率不相等，並由於合金相中的矽、鋁濃度與鋁層差異許多，且當高溫時鋁為熱熔液態，而矽除了在鋁矽合金外皆為固態，故矽會在開孔83(矽片層80)中受到熱熔液態的鋁而侵蝕此區域，即固態矽會融入該熱熔鋁中而形成該鋁矽合金層951，而當冷卻階段鋁層中矽含量較低，使得合金層會較容易往鋁層移動(矽為固態)，開孔中矽的原位置將形成空洞，且此時固態矽無法填入該空洞，而熱熔液態的鋁矽共熔物來不及填入該空洞，此為前述該空洞84形成之原因。而當該習知太陽能電池之空洞84形成後，將影響其能量轉換的運作狀態，使得其能量轉換效率不佳，且另一面亦將影響元件之使用壽命，顯非理想之設計。
再者，由於該習知太陽能電池之製造方法，其於背表面場形成第一電極時需先以雷射進行蝕刻，使形成複數開孔83然後再進行鋁矽結合，以完成該第一電極之製作。該雷射蝕刻係以雷射雕刻機來進行Laser Isolation及局部表面處理之技術製程，而因該雷射加工系統成本相當高(產出速度也不易符合太陽能電池之需求)，且其設備維護等級亦相當高(無塵室設備)，整體上將大為影響太陽能電池製造之成本經濟效益，故亦有一併加以改良、突破之必要。因此如何解決習知太陽能電池製造上相關缺失問題，誠是業者研發、突破之重點方向。
緣此，本發明人有鑑於習知太陽能電池製造、結構上之缺失問題及其方法、構成設計上未臻理想之事實，本案發明人即著手研發構思其解決方案，希望能開發出一種更具品質穩定性、製造經濟效率性的太陽能電池構成及其製造方法，以促進此業之發展，遂經多時之構思而有本發明之產生。
本發明之目的在提供一種太陽能電池背面鈍化局部擴散結構及其製造方法，其能使燒結製程所形成之矽片層空洞得以填補，使具有較佳元件使用壽命及提升其能量轉換效率者。
本發明之再一目的在提供一種太陽能電池背面鈍化局部擴散 (Passivate Emitter Rear-side Locally Diffuse，簡稱PERL)結構及其製造方法，其能減少以雷射雕刻機來進行雷射蝕刻(Laser Isolation及局部表面處理之)之技術製程，使降低加工系統成本及符合太陽能電池之製造經濟效益，進而積極提升其產業競爭力者。
本發明為了達成上述之目的及功效，其所採用之方法技術包括：(1)在一矽片層底面設有複數分離之遮罩；(2)於該矽片層底面進行蝕刻操作，使該矽片層相對該遮罩處之部位露出而形成一電極加工部，該電極加工部係形成一凸出之形狀，而各該電極加工部間則形成該矽片層底面之一蝕凹面，且該電極加工部係以一電極加工接面與該遮罩相接；(3)於該矽片層之底面進行背表面場之處理，使該矽片層底面形成一鈍化膜；(4)將該遮罩去除，使該電極加工接面露出；(5)於該鈍化膜下方形成一金屬層，並加熱進行該金屬層之金屬與矽結合之操作，該電極加工部係伸入該金屬層中，使該金屬層熱熔之金屬與該矽片層之電極加工部相接觸及相互反應，繼使該電極加工部與該金屬層間形成至少一第一電極接面層，該第一電極接面層係包括一金屬矽合金層，並於該第一電極接面層處設一第一電極，該第一電極係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜且伸入該金屬層中。
本發明太陽能電池背面鈍化局部擴散結構係包括有：一矽片層，該矽片層之底面係設有複數凸出之電極加工部，而各該電極加工部間則形成該矽片層底面之一蝕凹面，該電極加工部之端邊係具有一端接面；一鈍化膜，係設於該矽片層之蝕凹面上，該電極加工部係凸出於該鈍化膜；一第一電極，該第一電極係設於一電極接面層，該電極接面層係設於該電極加工部之端接面上，該第一電極接面層係為一金屬矽合金層，該第一電極係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜。
茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之功效更進一步之 了解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
請參閱第3圖，用以說明本發明太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法，如圖所示，本發明製造方法之步驟包括：
(1)於一矽片層10(晶圓)頂面設一微結構11，並於該微結構11上設有一第二減反射膜13，該第二減反射膜13係可為氮化矽層(SiNx)等。
(2)於該矽片層10底面設有分離之複數遮罩100(Mask)，該遮罩100係以抗腐蝕、抗酸鹼材料製成。
(3)於該矽片層10底面進行蝕刻操作，該蝕刻操作係可為化學蝕刻或其他蝕刻技術等操作，但不為所限，並使該矽片層10相對該遮罩100處之部位露出而形成一電極加工部12，該電極加工部係形成一凸出之形狀，而各該電極加工部12間則形成該矽片層10底面之一蝕凹面101，另，該電極加工部12係以一電極加工接面120與該遮罩100相接。
(4)於該矽片層10底面進行背表面場(BSF/Back Surface Field)之處理，使該矽片層10底面形成一鈍化膜，該鈍化膜係包括有一氧化鋁層20(Al2O3)及第一減反射膜30，其中，該第一減反射膜30係設於該矽片層10之蝕凹面101上，而該氧化鋁層20係設於該第一減反射膜30上；該第一減反射膜30係可為氮化矽層(SiNx)等。
(5)將遮罩100於該電極加工部12下方之遮罩100去除，使該電極加工部12之電極加工接面120露出。
(6)進行燒結操作，即於該矽片層10之背表面場(鈍化膜)進行一金屬與矽結合之操作以完成電極製作，其係於該第一減反射膜30及該電極加工部12(電極加工接面120)下方形成一金屬層41(Al)，並加熱進行該金屬與矽結合，使該金屬層41熱熔之金屬與該矽片層10之電極加工部12相接觸及相互反應，繼使該電極加工部12與該金屬層41間形成至少一第一電極接面層42，該第一電極接面層42係包括一金屬矽合金層，並於該第一電極接面層42處設一第一電極40，該第一電極40係為凸出之形狀並凸出於 該鈍化膜且伸入該金屬層41中。繼於該矽片層10(晶圓)頂面之第二減反射膜13上設有第二電極15。
其中，上述一金屬與矽結合之操作以完成電極製作，該金屬可為以下之一或其組合，但不以此為限：鋁、銀、銅、錫、鈦或鎳等。
其中，上述第一電極40，其材料之選擇可為共用的金屬層或導電材料，例如可為以下之一但不以此為限：鋁矽合金層、銀矽合金層、銅矽合金層、錫矽合金層、鈦矽合金層、鎳矽合金層等。
前述步驟(6)之進行一金屬與矽結合之操作，可為進行該金屬之擴散，雖然矽的擴散速率與該金屬的擴散速率不相等，但是當電極加工部12之矽擴散至該金屬與矽合金層(第一電極接面層42)之位置後，由於該電極加工部12係為凸出之形狀設計，將使該電極加工部12內之矽擴散後所形成之空洞，得以由具凸出設計之電極加工部12之周圍熱熔之液態金屬擴散進入而填補該空洞，故最終其構成不會有空洞之形成。因此，本發明在形成該第一電極40之金屬擴散操作中，其加工方向係使該矽片層10之電極加工部12呈凸出之形狀，即其構成上係使該電極加工部12伸入該金屬層41中，使該電極加工部12內之矽擴散後所形成之空洞，得以由具凸出設計之電極加工部12之周圍熱熔之液態金屬(該金屬層41)擴散進入而填補該空洞，而不會如習知之結構形成一空洞；如此，本發明太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法即得以消除習知技術其空洞產生之缺失問題。
請一併參閱第4圖，係本發明局部放大倒置示意圖，基於前述製造方法，本發明太陽能電池背面鈍化局部擴散結構係包括有一矽片層10(晶圓)、氧化鋁層20(Al2O3)、第一減反射膜30、第一電極40及第二電極15；該矽片層10之頂面係設一微結構11，該微結構11上設有一第二減反射膜13，該第二減反射膜13係可為氮化矽層(SiNx)等。該矽片層10之底面係設有複數凸出之電極加工部12，而各該電極加工部12間則形成該矽片層10底面之一蝕凹面101，該電極加工部12之端邊係具有一端接面121。
該第一減反射膜30係設於該矽片層10之蝕凹面101上，該第一減反 射膜30係可為氮化矽層(SiNx)等，該氧化鋁層20係設於該第一減反射膜30上，該氧化鋁層20及第一減反射膜30係構成一鈍化膜，且該電極加工部12係為凸出之形狀並凸出該第一減反射膜30(鈍化膜)。
該第一電極40係設於第一電極接面層42，該第一電極接面層42係設於該電極加工部12之端接面121上，該第一電極接面層42係為一金屬矽合金層，該第一電極40係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜；一金屬層41係設於該第一減反射膜30及第一電極接面層42上，即該金屬層41係包覆該凸出之電極加工部12及第一電極接面層42(該金屬矽合金層)，亦即該電極加工部12係伸入該金屬層41。該第二電極15係設於該矽片層10之頂面的第二減反射膜13上，該第一電極40、第二電極15係分別形成太陽能電池之正、負極。
其中，上述結構金屬層41之金屬可為以下之一或其組合，但不以此為限：鋁、銀、銅、錫、鈦或鎳等。
其中，上述結構第一電極40，其材料之選擇可為共用的金屬層或導電材料，例如可為以下之一但不以此為限：鋁矽合金層、銀矽合金層、銅矽合金層、錫矽合金層、鈦矽合金層、鎳矽合金層等。
換言之，本發明太陽能電池背面鈍化局部擴散結構及其製造方法，因該電極加工部12為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜且伸入該金屬層41中，因此使得該第一電極40也為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜且伸入該金屬層41中，如此使得燒結製程所形成之矽片層空洞得以填補，此凸出電極之結構減少了電極與周圍材料間的接合空隙，使具有較佳元件使用壽命及提升其能量轉換效率，且本發明同時能減少以雷射雕刻機來進行雷射蝕刻(Laser Isolation及局部表面處理之)之技術製程，使降低加工系統成本及符合太陽能電池之製造經濟效益，進而積極提升其產業競爭力。
綜上所述，本發明確實為一相當優異之創思，爰依法提出發明專利申請；惟上述說明之內容，僅為本發明之較佳實施例而已，舉凡依本發明之技術手段所延伸之變化，理應落入本發明之專利申請範圍。
10‧‧‧矽片層
100‧‧‧遮罩
101‧‧‧蝕凹面
11‧‧‧微結構
12‧‧‧電極加工部
120‧‧‧電極加工接面
121‧‧‧端接面
13‧‧‧第二減反射膜
15‧‧‧第二電極
20‧‧‧氧化鋁層
30‧‧‧第一減反射膜
40‧‧‧第一電極
41‧‧‧金屬層
42‧‧‧第一電極接面層
第1圖為習知太陽能電池之製造方法流程示意圖。
第2圖為習知太陽能電池之局部放大倒置示意圖。
第3圖為本發明太陽能電池之製造方法流程示意圖。
第4圖為本發明太陽能電池之局部放大倒置示意圖。
10‧‧‧矽片層
101‧‧‧蝕凹面
12‧‧‧電極加工部
121‧‧‧端接面
20‧‧‧氧化鋁層
30‧‧‧第一減反射膜
40‧‧‧第一電極
41‧‧‧金屬層
42‧‧‧第一電極接面層

Claims (11)

  1. 一種太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法，其包括有：(1)在一矽片層底面設有複數分離之遮罩；(2)於該矽片層底面進行蝕刻操作，使該矽片層相對該遮罩處之部位露出而形成一電極加工部，該電極加工部係為凸出之形狀，而各該電極加工部間則形成該矽片層底面之一蝕凹面，且該電極加工部係以一電極加工接面與該遮罩相接；(3)於該矽片層之底面進行背表面場之處理，使該矽片層底面形成一鈍化膜；(4)將該遮罩去除，使該電極加工接面露出；(5)於該鈍化膜下方形成一金屬層，並加熱進行該金屬層之金屬與矽結合之操作，該電極加工部係伸入該金屬層中，使該金屬層熱熔之金屬與該矽片層之電極加工部相接觸及相互反應，繼使該電極加工部與該金屬層間形成至少一第一電極接面層，該第一電極接面層係包括一金屬矽合金層，並於該第一電極接面層處設一第一電極，該第一電極係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜且伸入該金屬層中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法，其中該金屬層之金屬為以下之一或其組合：鋁、銀、銅、錫、鈦或鎳。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法，其中該第一電極，其係為以下之一：鋁矽合金層、銀矽合金層、銅矽合金層、錫矽合金層、鈦矽合金層、鎳矽合金層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法，其中該矽片層頂面係設一微結構，並於該微結構上設有一第二減反射膜，該第二減反射膜上設有至少一第二電極，該第二減反射膜係包括一氮化矽層，該遮罩係以抗腐蝕、抗酸鹼材料製成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法，其中該鈍化膜係包括有一氧化鋁層及第一減反射膜，該第一減反射膜係 設於該矽片層之蝕凹面上，該氧化鋁層係設於該第一減反射膜上，該第一減反射膜係包括一氮化矽層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散製造方法，其中於該第一電極之鋁擴散操作中，其加工方向係使該矽片層之電極加工部呈凸出之設置。
  7. 一種太陽能電池背面鈍化局部擴散結構，其包括有：一矽片層，該矽片層之底面係設有複數凸出之電極加工部，而各該電極加工部間則形成該矽片層底面之一蝕凹面，該電極加工部之端邊係具有一端接面；一鈍化膜，係設於該矽片層之蝕凹面上，該電極加工部係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜；一第一電極，係設於一電極接面層，該電極接面層係設於該電極加工部之端接面上，該第一電極接面層係為一金屬矽合金層，該第一電極係為凸出之形狀並凸出於該鈍化膜。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散結構，其中該第一電極，其係為以下之一：鋁矽合金層、銀矽合金層、銅矽合金層、錫矽合金層、鈦矽合金層、鎳矽合金層。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散結構，其中該矽片層之頂面係設一微結構，該微結構上設有一第二減反射膜。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散結構，其中該第二減反射膜係包括一氮化矽層，該第二減反射膜上係設有至少一第二電極。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池背面鈍化局部擴散結構，其中該鈍化膜係包括有一氧化鋁層及第一減反射膜，該第一減反射膜係設於該蝕凹面上，該第一減反射膜係包括一氮化矽層，該氧化鋁層係設於該第一減反射膜上。
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