TWI492401B

TWI492401B - 太陽能電池、其製造方法及其模組

Info

Publication number: TWI492401B
Application number: TW102111896A
Authority: TW
Inventors: Kuan Jay Lai; Shih Hsien Huang
Original assignee: Motech Ind Inc
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2015-07-11
Also published as: TW201440236A

Description

太陽能電池、其製造方法及其模組

本發明是有關於一種太陽能電池、其製造方法與其模組，特別是指一種背接觸式太陽能電池、其製造方法及其模組。

參閱圖1、2，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n型的基板91、一鈍化層92、至少一p型電極93，以及至少一n型電極94。

該基板91包括彼此相對的一受光面911與一背面912、一位於該受光面911側且摻雜濃度大於該基板91的n型摻雜層913、一個位於該n型摻雜層913上的抗反射層914、位於該背面912側的至少一p型摻雜區915與至少一n型摻雜區916，以及至少一將該p型摻雜區915與該n型摻雜區916隔開的內凹結構917。該鈍化層92位於該基板91的背面912上並且覆蓋該p型摻雜區915、該n型摻雜區916與該內凹結構917。該p型電極93位於該鈍化層92上並穿過該鈍化層92而連接該p型摻雜區915，而該n型電極94位於該鈍化層92上並穿過該鈍化層92而連接該n型摻雜區916。

進一步說明的是，該太陽能電池設置該內凹結構917是為了避免該p型摻雜區915與該n型摻雜區916接觸，以避免寄生分流(Parasitic Shunting)現象而產生漏電流(Leakage Current)。在製作上，該p型摻雜區915與該n型摻雜區916可藉由擴散製程分別形成於該基板91的背面912，此時該p型摻雜區915與該n型摻雜區916的邊界處彼此相連接，因此通常需要進行如圖2所示的步驟：首先透過雷射方式在該p型摻雜區915與該n型摻雜區916相連接的部位形成該內凹結構917，接著再使用氫氧化鉀(KOH)溶液蝕刻該內凹結構917內的表面，以清除因雷射對該基板91所生成的雷射損壞層。完成之後，在該背面912上形成該鈍化層92，並繼續前述太陽能電池後續的製造工序，例如設置該p型電極93與該n型電極94。

然而前述製造方法，除了因為使用雷射方式開孔而導致製造成本較高之外，因雷射開孔之方式為單向乾蝕刻剝除之作法，再加上後續以氫氧化鉀溶液進行蝕刻清潔時，因其屬非等向性蝕刻作用，會使得該內凹結構917形成一連接該p型摻雜區915的第一直角結構918，以及一連接該n型摻雜區916的第二直角結構919。

前述第一直角結構918與第二直角結構919之尖銳形貌會使該鈍化層92產生階梯覆蓋率(Step Coverage)不均勻之問題，亦即使該鈍化層92的厚度明顯產生不均勻之現象，進而影響鈍化效果。再加上該鈍化層92於該第一直角結構918的尖銳形貌處的厚度較薄，甚或產生披覆量不足之情形，如此更會降低該鈍化層92對該基板91的背面摻雜區的鈍化品質，從而影響該太陽能電池之電性效果。

另外，當該太陽能電池在運作時，容易因前述第一直角結構918與第二直角結構919之尖銳形貌而產生電荷集中與電場集中的現象，如此將導致該太陽能電池因電荷累積量過高而損壞，進而降低該太陽能電池的使用壽命，使該太陽能電池的光電轉換效率降低，所以已知的太陽能電池的結構仍有待改良。

因此，本發明之目的，即在提供一種可提升光電轉換效率與使用壽命的太陽能電池、其製造方法及其模組。

於是，本發明太陽能電池，包含：一第一導電型的基板、一第一導電型摻雜層、一第二導電型摻雜層、一內凹結構、一鈍化層、一第一電極，以及一第二電極。

該基板包括一受光的正面，以及一相對於該正面的背面。該第一導電型摻雜層位於該基板的背面，而該第二導電型摻雜層位於該基板的背面，並靠近該第一導電型摻雜層。該內凹結構位於該第一導電型摻雜層與該第二導電型摻雜層之間，該第一導電型摻雜層與該第二導電型摻雜層緊鄰該內凹結構且靠近該背面之處分別形成一突出弧角。該鈍化層配置於該背面，且接觸該第一導電型摻雜層與該第二導電型摻雜層。該第一電極位於該鈍化層上並穿過該鈍化層而接觸該第一導電型摻雜層。該第二電極位於該鈍化層上並穿過該鈍化層而接觸該第二導電型摻雜層。

本發明太陽能電池模組，包含：一第一板材、一第二板材、至少一個設置於該第一板材與該第二板材間且如前述的太陽能電池，以及一位於該第一板材與該第二板材間且接觸該太陽能電池的封裝材。

本發明太陽能電池的製造方法，包含：提供一第一導電型的基板，該基板包括一受光的正面，以及一相對於該正面的背面；在該基板的背面形成一第二導電型摻雜層；在該第二導電型摻雜層上配置一遮罩層；在該遮罩層上形成一開口，並移除該第二導電型摻雜層的對應於該開口處的部位；透過該開口在該基板的背面形成一第一導電型摻雜層，該第一導電型摻雜層靠近該第二導電型摻雜層且彼此之間具有一交界處；移除該遮罩層；將一蝕刻材料覆蓋於該第一導電型摻雜層與該第二導電型摻雜層之間的該交界處，並透過該蝕刻材料蝕刻該交界處而形成一內凹結構，使該第一導電型摻雜層與該第二導電型摻雜層緊鄰該內凹結構且靠近該背面之處分別形成一突出弧角；在該基板的背面且位於該第一導電型摻雜層與該第二導電型摻雜層上形成一鈍化層；形成一配置於該鈍化層上且穿過該鈍化層而接觸該第一導電型摻雜層的第一電極；及形成一配置於該鈍化層上且穿過該鈍化層而接觸該第二導電型摻雜層的第二電極。

本發明之功效在於：將該第一導電型摻雜層與該第二導電型摻雜層緊鄰該內凹結構且靠近該背面之處改良為突出弧角的創新設計，可避免該太陽能電池在運作時發生電荷集中與電場集中的現象，以克服以往的太陽能電池容易因電荷累積量過高而壞損的問題，進而提升該太陽能電池的使用壽命，同時還可使後續配置的該鈍化層在前述突出弧角的部位的厚度均勻，並提升該鈍化層的品質與鈍化效果，從而提升該太陽能電池的光電轉換效率。

11‧‧‧第一板材

12‧‧‧第二板材

13‧‧‧太陽能電池

14‧‧‧封裝材

2‧‧‧基板

201‧‧‧正面

202‧‧‧背面

203‧‧‧第一面部

204‧‧‧第二面部

21‧‧‧第一導電型摻雜層

211‧‧‧第一連接部

22‧‧‧第二導電型摻雜層

22’‧‧‧第二導電型摻雜層

221‧‧‧第二連接部

23‧‧‧內凹結構

231‧‧‧底部

232‧‧‧底面部

24‧‧‧第三導電型摻雜層

25‧‧‧抗反射層

26‧‧‧交界處

3‧‧‧鈍化層

31‧‧‧第一開口

32‧‧‧第二開口

41‧‧‧第一電極

42‧‧‧第二電極

6‧‧‧焊帶導線

700‧‧‧蝕刻材料

800‧‧‧遮罩層

801‧‧‧開口

S01~S12‧‧‧步驟

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局部剖視示意圖；圖2是圖1的太陽能電池之一未完整的製造流程示意圖，說明將該太陽能電池之一p型摻雜區與一n型摻雜區間隔開來的製造過程；圖3是本發明太陽能電池模組之一較佳實施例之一局部剖視示意圖；圖4是該較佳實施例之一太陽能電池之一局部剖視示意圖；圖5是本發明太陽能電池的製造方法之一較佳實施例的步驟流程方塊圖；圖6是該製造方法的前段步驟進行時的示意圖；及圖7是該製造方法的後段步驟進行時的示意圖。

參閱圖3、4，本發明太陽能電池模組之一較佳實施例包含：上下相對設置的一第一板材11與一第二板材12、數個陣列式地排列設置於該第一板材11與該第二板材12間且彼此電連接的太陽能電池13，以及一位於該第一板材11與該第二板材12間且包覆地接觸該等太陽能電池13的封裝材14。當然在實施上，該太陽能電池模組可以僅包含一太陽能電池13。

在本實施例中，該第一板材11又稱為背板(Back Sheet)，該第二板材12位於光線入射的一側，其可由透光材料製成，例如玻璃或塑膠材質等板材，不需特別限制。該數個太陽能電池13彼此間可透過數個焊帶導線(Ribbon)6電連接。而該封裝材14的材料為乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)或其他可用於太陽能電池模組封裝之相關材料，並不限於本實施例的舉例。

由於該太陽能電池模組的結構非本發明改良的重點，不再說明，於圖3中也僅為簡單示意。此外，由於該數個太陽能電池13的結構都相同，以下僅以其中一個為例進行說明。當然，在一模組中的該數個太陽能電池13的結構不以相同為絕對之必要。

本實施例的太陽能電池13為背接觸式太陽能電池，並包含：一第一導電型的基板2、一第一導電型摻雜層21、兩個第二導電型摻雜層22、兩個內凹結構23、一鈍化層3、一第一電極41，以及兩個第二電極42。本實施例所述的第一導電型與第二導電型分別為n型半導體與p型半導體，但實施時也可以相反。本實施例的基板2為n型的晶矽基板，並且可為單晶矽基板或多晶矽基板。該基板2包括彼此上下相對的一正面201與一背面202。該正面201為受光面並朝向該第二板材12，且可如圖4所示地製作成粗糙面以提高入光量，但實施時不以此為限。而該背面202朝向該第一板材11，並具有一對應該第一導電型摻雜層21的第一面部203，以及兩個分別對應該兩個第二導電型摻雜層22的第二面部204。該第一面部203與該兩個第二面部204之間通常會具有一高低差以避免後續擴散製程時的汙染，但實施上不以前述結構為必要，也就是該背面202也可為平坦的平面，亦即該第一面部203與該兩個第二面部204位處同一平面之高度。

本實施例的第一導電型摻雜層21配置於該背面202處之內，該第一導電型摻雜層21為n⁺⁺ 型半導體，其摻雜濃度大於該基板2的摻雜濃度。本實施例的第二導電型摻雜層22為p型半導體，其配置於該背面202處之內，並靠近該第一導電型摻雜層21而間隔地位於該第一導電型摻雜層21的相反側。

需要說明的是，若該基板2使用p型半導體基板，則該第一導電型摻雜層21就必須製作成摻雜濃度大於前述p型基板之p⁺⁺ 型半導體，而該兩個第二導電型摻雜層22則製作成n型半導體。

本實施例的該兩個內凹結構23分別位於該第一導電型摻雜層21與該兩個第二導電型摻雜層22之間，該第一導電型摻雜層21與該兩個第二導電型摻雜層22緊鄰該內凹結構23且靠近該背面202之處分別形成一突出弧角，其中所說的靠近該背面202之處，係指該第一導電型摻雜層21是靠近該背面202之第一面部203的位置處，該第二導電型摻雜層22是靠近該背面202之第二面部204的位置處。而且，本發明所謂的突出弧角係指該第一導電型摻雜層21和該兩個第二導電型摻雜層22在與該內凹結構23的轉角連接處部份，其外貌各自形成外表輪廓為弧形平順(smooth)的型態，而非直接轉折的折角(corner)的型態。

具體來說，該第一導電型摻雜層21具有兩個分別連接該兩個內凹結構23的第一連接部211，而每一第二導電型摻雜層22分別具有一個連接該兩個內凹結構23的其中一個的第二連接部221，而每一內凹結構23皆具有兩個位於該第一連接部211與該第二連接部221之間的底部231。每一第一連接部211、每一第二連接部221與每一底部231皆呈弧形，並且每一第一連接部211與每一第二連接部221即為本實施例以上所述之突出弧角，而每一底部231皆為向內弧凹的弧角。

此外，以該兩個第二面部204為基準時，每一內凹結構23的一個位於該兩個底部231之間的底面部232皆較該第一面部203遠離該兩個第二面部204。

除此之外，在該基板2的正面201處之內還可設置一第三導電型摻雜層24，其為摻雜濃度大於該基板2 的n⁺ 型半導體，藉此形成正面電場結構(Front-Side Field,簡稱FSF)以提升載子收集效率及光電轉換效率。而該第三導電型摻雜層24上還可設置一抗反射層25，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)。但實施上，本發明不以設置該第三導電型摻雜層24與該抗反射層25為必要。

本實施例的鈍化層3配置於該背面202，並且接觸地位於該第一導電型摻雜層21與該兩個第二導電型摻雜層22上。該鈍化層3的材料可以為氧化物、氮化物或上述材料的組合，具體可為氧化矽(SiO_x )，並可用於鈍化、修補該基板2的表面，藉以減少該基板2的表面之懸鍵(Dangling Bond)與缺陷，從而可減少載子陷阱(Trap)並降低載子的表面複合速率，以提升該太陽能電池13的轉換效率。而該鈍化層3具有一個貫穿且位於該背面202的第一面部203上的第一開口31，以及數個貫穿且分別位於該背面202的第二面部204上的第二開口32。

本實施例的第一電極41配置於該鈍化層3上，且穿過該鈍化層3的第一開口31而接觸該第一導電型摻雜層21。本實施例的該兩個第二電極42分別配置於該鈍化層3上，且分別穿過該數個第二開口32而接觸對應的第二導電型摻雜層22。

需要說明的是，本實施例雖然以一個第一導電型摻雜層21、兩個第二導電型摻雜層22及兩個內凹結構23 為例，但實際上在一太陽能電池13中，第二導電型摻雜層22與第一導電型摻雜層21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，而任一組相鄰的第二導電型摻雜層22與第一導電型摻雜層21之間即形成一個內凹結構23。而且相對應地，該背面202的第一面部203、該鈍化層3的第一開口31以及該第一電極41皆對應第一導電型摻雜層21的位置與數量，而該背面202的第二面部204、該鈍化層3的第二開口32以及該第二電極42皆對應第二導電型摻雜層22的位置與數量。此外，本發明也可以只針對其中一組第二導電型摻雜層22、第一導電型摻雜層21及內凹結構23進行改良。

參閱圖4、5、6、7，本發明太陽能電池的製造方法的較佳實施例，包含以下步驟：

步驟S01：提供該基板2，並對該基板2的正面201與背面202進行拋光。

步驟S02：在該基板2的背面202形成一第二導電型摻雜層22’。具體可藉由擴散製程或其他的摻雜方式在該背面202處摻雜三族元素(例如硼、鋁、鎵、銦、鉈)，進而在該背面202處之內形成重摻雜的p型半導體。

步驟S03：在該第二導電型摻雜層22’上配置一遮罩層800，所述遮罩層800的材料例如氧化矽(SiO_x )。具體可使用例如PECVD之真空鍍膜方式形成連續的該遮罩層800，其中，所述的真空鍍膜方式可包含物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)等方式。

步驟S04：在該遮罩層800上形成一開口801，並移除該第二導電型摻雜層22’的對應於該開口801處的部位，進而在該基板2的背面202形成彼此具有一高低差的該第一面部203與該兩個第二面部204。

具體而言，本步驟可透過雷射燒蝕方式，使該遮罩層800形成該開口801，接著使用氫氧化鉀(KOH)溶液進行蝕刻，以移除該第二導電型摻雜層22’對應於該開口801處的部位，進而分隔出該兩個分別位於該開口801之相反側的第二導電型摻雜層22。在此同時，該背面202對應該開口801的部位形成向內凹陷的該第一面部203，而該背面202對應該兩個第二導電型摻雜層22的部位則分別形成該兩個第二面部204。

步驟S05：透過該開口801在該基板2的背面202形成該第一導電型摻雜層21，每一第二導電型摻雜層22靠近該第一導電型摻雜層21且彼此之間具有一交界處26。具體可藉由擴散製程或其他的摻雜方式在該背面202處摻雜五族元素(例如磷等)，進而在該背面202處之內形成重摻雜的n⁺⁺ 型的該第一導電型摻雜層21。

步驟S06：移除該遮罩層800。

步驟S07：將一蝕刻材料700覆蓋於該第一導電型摻雜層21與該第二導電型摻雜層22之間的該交界處26，並透過該蝕刻材料700蝕刻該交界處26而形成該內凹結構23，使該第一導電型摻雜層21與每一第二導電型摻雜層22緊鄰該內凹結構23且靠近該背面202之處分別形成所述的突出弧角(也就是第一連接部211與第二連接部221)。在本實施例中，該蝕刻材料700包含磷酸(Phosphoric acid)與己內醯胺(ε-caprolactam)。

進一步說明的是，本實施例可使用噴墨印刷(Inkjet Printing)或網版印刷(Screen Printing)等方式，將該蝕刻材料700噴塗或塗佈於該背面202上，使蝕刻材料700覆蓋於該第一導電型摻雜層21與該第二導電型摻雜層22之間的該交界處26。

接著提供一300~550℃的溫度來加熱該蝕刻材料700，使該蝕刻材料700等向性蝕刻該交界處26以形成該內凹結構23，同時使該第一導電型摻雜層21分別形成連接該兩個內凹結構23且呈弧形的第一連接部211，而每一第二導電型摻雜層22分別形成連接該兩個內凹結構23且呈弧形的第二連接部221。每一內凹結構23皆形成兩個位於該第一連接部211與該第二連接部221之間且呈弧形的底部231，並且以該兩個第二面部204為基準時，每一內凹結構23的位於該兩個底部231之間的底面部232皆較該第一面部203遠離該兩個第二面部204。

其中，當溫度低於300℃時，該蝕刻材料700的蝕刻反應效率不佳，因而無法得到理想的內凹結構23，又當溫度高於550℃時，同樣也會造成該蝕刻材料700的蝕刻反應效率不佳，進而導致蝕刻不足情形。較佳地，前述溫度為350~400℃。最後，清洗該基板2以除去該蝕刻材料700。

步驟S08：在該基板2的背面202且位於該第一導電型摻雜層21與該兩個第二導電型摻雜層22上形成該鈍化層3。具體可使用例如PECVD之真空鍍膜方式形成連續的該鈍化層3，並且該鈍化層3順應該背面202的形貌成形，也就是該鈍化層3對應每一第二導電型摻雜層22的第二連接部221的部位也呈向外弧凸的弧形。

步驟S09：先將該基板2的正面201進行粗糙化處理，接著在該正面201處之內形成該第三導電型摻雜層24，再於該第三導電型摻雜層24上形成該抗反射層25。具體而言，本實施例先透過蝕刻方式對該正面201進行粗糙化處理，使該正面201具有凹凸不平的結構以提高入光量。接著利用擴散製程在該正面201進行摻雜，進而在該正面201處之內形成摻雜濃度大於該基板2的摻雜濃度的n⁺ 型半導體，即可得到該第三導電型摻雜層24。最後利用例如PECVD之真空鍍膜方式形成連續的該抗反射層25。然而在實施上，該製造方法不以包含該步驟S09為必要。在實施上，步驟S09當然也可於該第一導電型摻雜層21與該兩個第二導電型摻雜層22形成之前進行。

步驟S10：在該鈍化層3上形成對應該第一導電型摻雜層21的該第一開口31，以及分別對應該兩個第二導電型摻雜層22的該數個第二開口32。具體可使用乾蝕刻例如雷射蝕刻、溼蝕刻或使用蝕刻膠等方式，於該鈍化層3上形成該第一開口31與該數個第二開口32。

步驟S11：形成配置於該鈍化層3上，且穿過該鈍化層3而接觸該第一導電型摻雜層21的該第一電極41。具體可使用網印(Screen Printing)、噴印(Inkjet Printing)或真空鍍膜方式，於該鈍化層3上形成該第一電極41，使該第一電極41的局部部位填充於該鈍化層3的第一開口31內而接觸該第一導電型摻雜層21。

步驟S12：形成配置於該鈍化層3上，且穿過該鈍化層3而分別接觸該兩個第二導電型摻雜層22的該兩個第二電極42。實施上，可使用與步驟S11相同的製作方式，於該鈍化層3上形成該兩個第二電極42，使該兩個第二電極42的局部部位填充於該鈍化層3的第二開口32內而分別接觸該兩個第二導電型摻雜層22。

需要說明的是，本發明不須限定該第一電極41與該兩個第二電極42的製作順序，而且實際上兩者可以透過一次的網印、噴印或鍍膜方式同時製作完成。當然，若該第一電極41與該兩個第二電極42所採用之材料不同時，即可分開製作之。

由以上說明可知，本發明在步驟S07中，只要將該蝕刻材料700覆蓋於該第一導電型摻雜層21與該第二導電型摻雜層22之間的該交界處26，就可透過該蝕刻材料700蝕刻該交界處26而形成該內凹結構23，之後就能在該背面202上形成該鈍化層3等進行後續工序。前述創新製法，可省略以往太陽能電池的製法中以雷射與氫氧化鉀溶液進行蝕刻開孔等工序，故可節省材料而降低製造成本，又能節省時間而增進生產效率。除此之外，本發明的步驟S07不使用設備成本較高的雷射方式來開孔，而使用價格便宜的該蝕刻材料700來開孔，因而還可大幅降低製造成本。

值得一提的是，本發明透過該蝕刻材料700具有等向性蝕刻的特性，將該第一導電型摻雜層21與每一第二導電型摻雜層22緊鄰該內凹結構23且靠近該背面202之處改良為突出弧角(即第一連接部211與第二連接部221)，也就是該第一導電型摻雜層21的第一連接部211與每一第二導電型摻雜層22的第二連接部221皆呈弧形，可避免該太陽能電池13在運作時發生電荷集中與電場集中的現象，以克服以往太陽能電池容易因電荷累積量過高而損壞的問題，並提升本實施例的太陽能電池13的使用壽命。

此外，透過前述創新結構與創新製法的設計，可使後續披覆的該鈍化層3對應每一第一連接部211與每一第二連接部221的厚度均勻，並提升該鈍化層3的品質與鈍化效果，從而降低載子陷阱與載子的表面複合速率，所以本實施例的太陽能電池13的光電轉換效率可進一步得到提升，故確實能達成本發明之目的。

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。