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TWI424584B - 製作太陽能電池之方法 - Google Patents

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TWI424584B
TWI424584B TW100144000A TW100144000A TWI424584B TW I424584 B TWI424584 B TW I424584B TW 100144000 A TW100144000 A TW 100144000A TW 100144000 A TW100144000 A TW 100144000A TW I424584 B TWI424584 B TW I424584B
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doping
solar cell
selective emitter
fabricating
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TW201322473A (zh
Inventor
Yen Cheng Hu
Jen Chieh Chen
Zhen Cheng Wu
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Au Optronics Corp
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Description

製作太陽能電池之方法
本發明係關於一種製作太陽能電池之方法，尤指一種利用摻雜膠於半導體基底之正面(第一表面)形成具有非粗糙化表面的選擇性射極，以及利用粗糙化阻障層使半導體基底之背面(第二表面)具有非粗糙化表面之太陽能電池的製作方法。
由於地球石油資源有限，因此近年來對於替代能源的需求與日俱增。在各式替代能源中，太陽能由於能夠藉由自然界的循環而源源不絕，已成為目前最具發展潛力的綠色能源。
受限於高製作成本、製程複雜與光電轉換效率不佳等問題，太陽能的發展仍待進一步的突破。因此，如何製作出低製作成本、具簡化製程與高光電轉換效率的太陽能電池，而使太陽能取代現行高污染與高風險的能源實為當前能產業最主要的發展方向之一。
本發明之目的之一在於提供一種製作太陽能電池之方法，以簡化製程以節省製作成本，並提升太陽能電池之光電轉換效率。
本發明之一較佳實施例提供一種製作太陽能電池之方法，包括下列步驟。提供一半導體基底，其中半導體基底包括一第一表面與一第二表面，且第一表面具有一選擇性射極區域。於半導體基底之選擇性射極區域內之第一表面上形成一摻雜膠，且摻雜膠包括一摻雜劑、一耐高溫材料及一有機溶劑。於半導體基底之第二表面形成一粗糙化阻障層。對半導體基底進行一粗糙化處理，以使位於選擇性射極區域外未被摻雜膠覆蓋之半導體基底之第一表面形成一粗糙化表面，並使半導體基底之第二表面於粗糙化處理之後具有一平坦表面。進行一擴散製程，以使位於選擇性射極區域內之摻雜膠之摻雜劑向下方擴散至第一表面內而形成具有重摻雜之一選擇性射極，以及於擴散製程中通入一摻雜氣體以於位於選擇性射極區域外之第一表面形成一輕摻雜區，其中選擇性射極與輕摻雜區具有一第一摻雜類型。移除摻雜膠與粗糙化阻障層。於半導體基底之第一表面上形成一抗反射層。於選擇性射極區域內之選擇性射極上形成一第一電極。於半導體基底之第二表面形成一摻雜區，其中摻雜區具有一第二摻雜類型，且第一摻雜類型的極性不同於第二摻雜類型的極性。於半導體基底之第二表面上形成一第二電極。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第1圖至第第8圖。第1圖至第8圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。如第1圖所示，首先提供一半導體基底10。半導體基底10可為矽基底例如單晶矽基底、多晶矽基底、微晶矽基底或奈米晶矽基底，但不以此為限而可為其它各種類型的半導體基底。半導體基底10具有一第一表面101與一第二表面102，且第一表面101具有一選擇性射極(selective emitter)區域10S，用以容置於後續製程中形成的選擇性射極。在本實施例中，第一表面101係為太陽能電池的正面(入光面)，而第二表面102係為太陽能電池的背面。
如第2圖所示，於半導體基底10之選擇性射極區域10S內之第一表面101上形成一摻雜膠(doping paste)12。摻雜膠12可為單層或多層結構，且其包括至少一摻雜劑(doping agent)、至少一耐高溫材料及至少一有機溶劑。在本實施例中，摻雜劑可包括n型摻雜物或p型摻雜物，其中n型摻雜物可為例如磷、砷、銻或上述材料之化合物，而p型摻雜物可為例如硼或硼化合物，但不以此為限。耐高溫材料可包含例如氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、金屬氧化物(例如：氧化鈦(TiO2 )、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鋯(ZrO)、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)等等)、或其它材料、或前述之至少二種材料的混合物，但不以此為限。此外，耐高溫材料較佳亦可具有耐酸性或/及耐鹼性，藉此可避免摻雜膠12在後續製程中受到酸或鹼的侵蝕而受損。舉例而言，當耐高溫材料中之氧化矽的含量實質上大於93%時，其具有在高溫下能抵抗酸的侵蝕而易於與鹼反應的特性。當耐高溫材料的主要成分為氧化鎂，或氧化鎂與氧化鈣的混合物時，其具有在高溫下能抵抗鹼的侵蝕的特性。當耐高溫材料的主要成分為氧化矽與氧化鋁時，依據氧化鋁的含量不同，可區分為三類：第一類：半矽質(氧化鋁的含量大體上介於15%-30%)、第二類：黏土質(氧化鋁的含量大體上介於30%-48%)、與第三類：高鋁質(氧化鋁的含量大體上大於48%)。在選用摻雜膠之耐高溫材料時，可依據耐高溫特性、抗酸性與抗鹼性的需要選用不同的材料並調整其比例。另外，摻雜膠之有機溶劑例如可選自下列溶劑之至少一種：乙二醇(ethylene glycol)、乙二醇單丁醚(ethylene glycol monobutyl ether)、乙二醇單苯基醚(ethylene glycol monophenyl ether)、雙甲氧基乙醇(methoxymethoxyethanol)、乙二醇一乙酸酯(ethylene glycol monoacetate)、乙二醇二乙酸酯(ethylene glycol diacetate)、二乙二醇(diethylene glycol)、二乙二醇單甲基醚(diethylene glycol monomethyl ether)、乙二醇乙醚醋酸(diethylene glycol monoethyl ether acetate)、二乙二醇單丁醚(diethylene glycol monobutyl ether)、二乙二醇單丁基醚乙酸酯(diethylene glycol monobutyl ether acetate)、二乙二醇二甲醚(diethylene glycol dimethyl ether)、二乙二醇甲基乙基醚(diethylene glycol methylethyl ether)、二乙二醇二乙醚(diethylene glycol diethyl ether)、二乙二醇乙酯(diethylene glycol acetate)、三乙二醇(triethylglycol)、三乙二醇單甲醚(triethylene glycol monomethyl ether)、三乙二醇單乙基醚(triethylene glycol monoethyl ether)、四乙二醇(tetraethylene glycol)、聚乙二醇(polyethylene glycols)、丙二醇(propylene glycol)、丙二醇甲醚(propylene glycol monomethyl ether)、丙二醇單乙基醚(propylene glycol monoethyl ether)、二乙醇單丁醚(propylene glycol monobutyl ether)、1-丁氧基乙氧基丙醇(1-butoxyethoxypropanol)、二丙二醇(dipropylglycol)、丙二醇甲醚(dipropylene glycol monomethyl ether)、二丙二醇單乙基醚(dipropylene glycol monoethyl ether)、三丙二醇單甲醚(tripropylene glycol monomethyl ether)、聚氧化丙烯二醇(polypropylene glycols)、丙二醇(trimethylene glycol)、丁二醛(butanedial)、1,5-戊二醛(1,5-pentanedial)、己二醇(hexylene glycol)、甘油(glycerine)、乙酸甘油酯(glyceryl acetate)、甘油二乙酸酯(glyceryl diacetate)、三乙酸甘油酯(glyceryl triacetate)、三羥甲基丙炔(trimethylolpropyne)、1,2,6-haxanetriol、二氧六環dioxane、三聚甲醛(trioxane)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、四氫吡喃(tetrahydropyran)、甲醛縮二甲醇(methylal)、二乙基乙縮醛(diethylacetal)、甲基乙基酮(methyl ethyl ketone)、甲基異丁基酮(methyl isobutyl ketone)、二乙基酮(diethyl ketone)、己二酮(acetonylacetone)、二丙酮醇(diacetone alcohol)、甲酸甲酯(methyl formate)、甲酸乙酯(ethyl formate)、丙基甲酯(propyl formate)、乙酸甲酯(methyl acetate)，以及乙酸乙酯(ethyl acetate)。另外，摻雜膠亦可視其它需要選擇性地加入具有特定功能的添加劑，例如消泡劑(antifoaming agent)、黏著力調整劑(adhesion moderator)、整平劑(leveling agent)、觸變劑(thixotropic agent)、稠化劑(thickening agent)或潤溼劑(wetting agent)等，或是選擇性地加入水或酸。
此外，如第2圖所示，於半導體基底10之第二表面102形成一 粗糙化阻障層14，用以避免第二表面102於後續粗糙化處理之後產生粗糙化表面。在本實施例中，較佳地，粗糙化阻障層14可為單層或多層結構，且其成分可與摻雜膠12類似，其差別在於粗糙化阻障層14未包括摻雜劑的成分，而可包括耐高溫材料與有機溶劑。此時，粗糙化阻障層14與摻雜膠12可於第5圖所示的步驟中一起被移除。粗糙化阻障層14所包括的耐高溫材料及有機溶劑可與摻雜膠12所包括的耐高溫材料及有機溶劑相同，但不以此為限。於其它實施例中，粗糙化阻障層14可選用無機材料(例如：氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或其它合適的材料)或有機材料(例如：高分子矽聚合物、聚碳酸酯類、聚對苯二甲酸酯類、聚丙醯酸酯類、或上述之衍生物、或其它合適的材料)，但可能在第5圖所示之步驟中，需要至少一次的蝕刻製程，才可將粗糙化阻障層14移除乾淨。另外，摻雜膠12與粗糙化阻障層14的形成順序較佳為先於半導體基底10之第二表面102先形成粗糙化阻障層14，再於第一表面101形成摻雜膠12，藉此較不易造成第一表面101的損傷，但不以此為限。例如，在其它考量下，亦可先於半導體基底10之第一表面101形成摻雜膠12，再於第二表面102形成粗糙化阻障層14。此外，在本實施例中，摻雜膠12與粗糙化阻障層14可分別利用一印刷製程分別形成於半導體基底10之第一表面101與第二表面102，但並以此為限而亦可利用其它成膜方式加以形成，例如：噴墨方式、網版方式等等。
如第3圖所示，接著對半導體基底10進行一粗糙化(texturing)處理，以使位於選擇性射極區域10S外未被摻雜膠12覆蓋之半導體基底10之第一表面101形成一粗糙化表面。由於，半導體基底10之第二表面102覆蓋有粗糙化阻障層14，可以讓第二表面102不被粗糙化處理所影響，而使半導體基底10之第二表面102形成一平坦表面(非粗糙化表面)。在本實施例中，粗糙化處理可為一乾蝕刻製程例如一電漿蝕刻製程，在此狀況下由於半導體基底10之第一表面101的選擇性射極區域10S上覆蓋有摻雜膠12，且第二表面102覆蓋有粗糙化阻障層14，因此於粗糙化處理僅會使位於選擇性射極區域10S外未被摻雜膠12覆蓋之半導體基底10之第一表面101會形成一粗糙化表面，而位於選擇性射極區域10S內之第一表面101與第二表面102仍會具有一平坦表面。粗糙化處理並不限定為乾蝕刻製程，亦可為溼蝕刻製程，例如使用鹼性蝕刻液(例如：氫氧化納(NaOH)與異丙醇(isopropyl alcohol,IPA))或酸性蝕刻液(例如：氫氟酸與其它溶劑)之溶液進行溼蝕刻製程。本發明於選擇性射極區域10S內之第一表面101以及第二表面102形成非粗糙化表面的作法可保護選擇性射極區域10S之半導體基板10的第一表面101以及第二表面102免於在粗糙化製程中受到損傷，而可抑止接觸電阻(contact resistance)的升高。此外，非粗糙化表面更可增加第二表面102之光線的反射，而可提升太陽能電池的短路電流增益(Isc gain)。
如第4圖所示，接著進行一擴散製程，以使位於選擇性射極區域10S內之摻雜膠12之摻雜劑向下方擴散至第一表面101內而形成具有重摻雜之一選擇性射極16(或稱為重摻雜區)，且在擴散製程中通入一摻雜氣體以於位於選擇性射極區域10S外之第一表面101形成一輕摻雜區18。擴散製程的製程溫度大體上較佳可大於800℃，但不以此為限。選擇性射極16可降低阻抗，因此可有效提高太陽能電池的開路電壓(Voc)與填充係數(fill factor,FF)，而輕摻雜區18則可提升光電轉換效率。值得說明的是選擇性射極16與輕摻雜區18具有一第一摻雜類型。舉例而言，若第一摻雜類型為n型，則擴散製程中所使用的摻雜氣體可包括含n型摻雜物的氣體例如三氯氧磷(POCl3 )，而摻雜劑可使用n型摻雜物，藉此選擇性射極16可具有重度n型摻雜物摻雜，而輕摻雜區18則可具有輕度n型摻雜物摻雜。若第一摻雜類型為p型，則擴散製程中所使用的摻雜氣體可包括含p型摻雜物的氣體，而摻雜劑可使用p型摻雜物，藉此選擇性射極16可具有重度p型摻雜物摻雜，而輕摻雜區18則可具有輕度p型摻雜物摻雜。另外，半導體基底10之摻雜類型則可視太陽能電池的需要加以選擇。例如，半導體基底10可具有第二摻雜類型，且第二摻雜類型的極性不同於第一摻雜類型的極性。舉例而言，選擇性射極16與輕摻雜區18具有n摻雜類型，則半導體基底10可具有p型摻雜類型，反之亦然。然而，半導體基底10亦可與選擇性射極16以及輕摻雜區18具有相同的第一摻雜類型。舉例而言，半導體基底10、選擇性射極16與輕摻雜區18可同樣具有n摻雜類型或是p型摻雜類型。
如第5圖所示，移除摻雜膠12與粗糙化阻障層14。摻雜膠12與粗糙化阻障層14可利用一濕式製程同時加以移除，例如可使用一氫氟酸溶液同時移除位於第一表面101之摻雜膠12，以及位於第二表面之粗糙化阻障層14，但不以此為限。例如，亦可使用一乾式製程，或是混合使用一溼式製程與一溼式製程。隨後如第6圖所示，於半導體基底10之第一表面101上形成一抗反射層20。在本實施例中，抗反射層20係以共形(conformal)方式形成於半導體基板10之第一表面101上，因此抗反射層20在選擇性射極區域10S外會有粗糙化表面，而在選擇性射極區域10S內則具有非粗糙化表面。抗反射層20可增加太陽能電池的入光量，進而提升光利用率。抗反射層20可為單層或多層結構，且其材料可為例如氮化矽、氧化矽或氮氧化矽、或其它合適的材料，並可利用例如一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程形成，但不以此為限。
接著進行於第一表面101上形成第一電極22，以及於第二表面102形成摻雜區25與第二電極24的步驟。如第7圖所示，隨後於選擇性射極區域10S內之選擇性射極16上形成一第一電極22。第一電極22可為單層或多層結構且係作為太陽能電池的指狀(finger)電極，而其材料可為高導電性材料，例如銀(Ag)，但不以此為限而可為其它高導電性材料，例如：金、銅等等。此外，於半導體基底10之第二表面102更先形成一金屬層23，以及於半導體基底10之第二表面102上形成一第二電極24。在本實施例中，金屬層23可為一單層或多層結構之軟性金屬層，其材料可為例如鉛(Pb)、錫(Sn)、銻(Sn)、鋁(Al)或上述的合金，且較佳為鋁或鋁合金，但不以此為限。第二電極24可為單層或多層結構且係作為太陽能電池的背電極，而其材料可為高導電性材料，例如銀，但不以此為限而可為 其它高導電性材料，例如：金、銅等等。第一電極22、金屬層23與第二電極24的形成順序並不限定，且其較佳地可分別利用印刷製程加以形成，但不以此為限。第一電極22、金屬層23與第二電極24的形成亦可利用例如：沈積方式、噴墨方式、網版方式等。
如第8圖所示，進行一燒結(sintering)製程，以使第一電極22與選擇性射極16連接，並利用燒結製程使金屬層23與半導體基底10形成由金屬矽化物(metal silicide)所構成的一摻雜區25，作為太陽能電池的背表面電極場(back surface field,BSF)，即製作出本實施例之太陽能電池1。在本實施例中，當金屬層23之材料選用鋁或鋁合金為範例時，則形成的摻雜區25會由鋁矽化物所構成。此外，摻雜區25必須具有第二摻雜類型，也就是說，摻雜區25的摻雜類型必須與選擇性射極16以及輕摻雜區18的摻雜類型相反。例如，若選擇性射極16以及輕摻雜區18為n型摻雜類型，則摻雜區25需為p型摻雜類型；反之若選擇性射極16以及輕摻雜區18為p型摻雜類型，則摻雜區25需為n型摻雜類型。至於半導體基底10的摻雜類型則不限，而可視太陽能電池的設計而與選擇性射極16以及輕摻雜區18實質上相同，或是與摻雜區24實質上相同。
本發明之製作太陽能電池之方法並不以上述實施例為限。下文將依序介紹本發明之其它較佳實施例之製作太陽能電池之方法，且為了便於比較各實施例之相異處並簡化說明，在下文之實施例中使用相同的符號標注相同的元件，且主要針對各實施例之相異處進行說明，而不再對重覆部分進行贅述。
請參考第9圖與第10圖，並一併參考第1圖至第6圖。第9圖與第10圖繪示了本發明之另一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。本實施例之製作太陽能電池之方法與前述實施例之主要差異在於形成摻雜區之步驟。本實施例之製作太陽能電池之方法係接續第6圖之方法後進行。如第9圖所示，進行另一擴散製程，通入至少一摻雜氣體以於第二表面102形成一具有第二摻雜類型之摻雜區26。若第二摻雜類型為n型，則擴散製程中所使用的摻雜氣體可包括含n型摻雜物的氣體，若第二摻雜類型為p型，則擴散製程中所使用的摻雜氣體可包括含p型摻雜物的氣體。由上述可知，本實施例之製作太陽能電池之方法係利用擴散製程直接於第二表面102形成摻雜區26，而不同於前述實施例利用一金屬層形成摻雜區的作法。
如第10圖所示，於選擇性射極區域10S內之選擇性射極16上形成一第一電極22，以於半導體基底10之第二表面102上形成一第二電極24。最後，再進行一燒結製程，以使第一電極22與選擇性射極16連接，即製作出本實施例之太陽能電池2。
綜上所述，本發明之方法僅於半導體基底之第一表面的輕摻雜區形成粗糙化表面，藉此可增加入光量而提升光利用率，而於第一表面的選擇性射極區域與第二表面形成非粗糙化表面，藉此可避免半導體基底受損而使得阻值得以降低，並增加第二表面之光線的反射，而可提升太陽能電池的短路電流增益。此外，本發明之摻雜膠具有形成選擇性射極與避免選擇性射極區域於粗糙化處理中形成粗糙化表面的雙重作用，而粗糙化阻障層則具有避免第二表面於粗糙化處理中形成粗糙化表面的作用，且摻雜膠與粗糙化阻障層均可利用印刷製程加以形成，並可利用濕式製程輕易加以一併移除，因此本發明之製作太陽能電池之方法具有製程簡化與低製作成本之優點。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1．．．太陽能電池
10．．．半導體基底
101．．．第一表面
102．．．第二表面
10S．．．選擇性射極區域
12．．．摻雜膠
14．．．粗糙化阻障層
16．．．選擇性射極
18．．．輕摻雜區
20．．．抗反射層
22．．．第一電極
23．．．金屬層
24．．．第二電極
25．．．摻雜區
2．．．太陽能電池
26．．．摻雜區
第1圖至第8圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。
第9圖與第10圖繪示了本發明之另一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。
1．．．太陽能電池
10．．．半導體基底
101．．．第一表面
102．．．第二表面
10S．．．選擇性射極區域
16．．．選擇性射極
18．．．輕摻雜區
20．．．抗反射層
22．．．第一電極
23．．．金屬層
24．．．第二電極
25．．．摻雜區

Claims (13)

  1. 一種製作太陽能電池之方法，包括：提供一半導體基底，其中該半導體基底包括一第一表面與一第二表面，且該第一表面具有一選擇性射極(selective emitter)區域；於該半導體基底之該選擇性射極區域內之該第一表面上形成一摻雜膠(doping paste)，且該摻雜膠包括一摻雜劑(doping agent)、一耐高溫材料及一有機溶劑；於該半導體基底之該第二表面形成一粗糙化阻障層；對該半導體基底進行一粗糙化(texturing)處理，以使位於該選擇性射極區域外未被該摻雜膠覆蓋之該半導體基底之該第一表面形成一粗糙化表面，並使該半導體基底之該第二表面於該粗糙化處理之後具有一平坦表面；進行一擴散製程，以使位於該選擇性射極區域內之該摻雜膠之該摻雜劑向下方擴散至該第一表面內而形成具有重摻雜之一選擇性射極，以及於該擴散製程中通入一摻雜氣體以於位於該選擇性射極區域外之該第一表面形成一輕摻雜區，其中該選擇性射極與該輕摻雜區具有一第一摻雜類型；移除該摻雜膠與該粗糙化阻障層；於該半導體基底之該第一表面上形成一抗反射層；於該選擇性射極區域內之該選擇性射極上形成一第一電極；於該半導體基底之該第二表面形成一摻雜區，其中該摻雜區具有一第二摻雜類型，且該第一摻雜類型的極性不同於該第二摻雜類型的極性；以及於該半導體基底之該第二表面上形成一第二電極。
  2. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該摻雜劑包括一n型摻雜物或一p型摻雜物。
  3. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中耐高溫材料之成分包括氧化矽、氮氧化矽、金屬氧化物、氮化矽、或上述至少二種之混合物。
  4. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中位於該選擇性射極區域內之該抗反射層具有一平坦表面，且位於該選擇性射極區域外之該抗反射層具有一粗糙化表面。
  5. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該粗糙化阻障層與該摻雜膠係分別利用一印刷製程形成，且該粗糙化阻障層與該摻雜膠係利用一蝕刻製程加以移除。
  6. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該半導體基底具有該第一摻雜類型。
  7. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該半導體基底具有該第二摻雜類型。
  8. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該第一電極與該第二電極係分別以一印刷製程形成於該半導體基底之該第一表面與該第二表面。
  9. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，另包括於形成該第一電極之後，進行二燒結(sintering)製程，以使該第一電極與該選擇性射極連接。
  10. 如請求項9所述之製作太陽能電池之方法，其中於該半導體基底之該第二表面形成該摻雜區之步驟包括：於該半導體基底之該第二表面形成一金屬層；以及利用該燒結製程使該金屬層與該半導體基底形成由金屬矽化物(metal silicide)所構成的該摻雜區。
  11. 如請求項10所述之製作太陽能電池之方法，其中該金屬層包括一軟性金屬層。
  12. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中於該半導體基底之該第二表面形成該摻雜區之步驟包括通入另一摻雜氣體進行另一擴散製程。
  13. 如請求項1所述之製作太陽能電池之方法，其中該粗糙化阻障層不包含該摻雜劑。
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