TWI603495B - 太陽能電池結構及其製造方法 - Google Patents

Description

太陽能電池結構及其製造方法

本發明係關於一種太陽能電池結構及其製造方法，且特別是有關於一種太陽能電池背電場鈍化層結構及其製造方法。

隨著經濟發展，全球石化燃料存量迅速下降，永續、再生能源為目前主力開發的能源型態，如太陽能發電、風力發電、潮汐發電以及水力發電等。太陽能的應用受到廣泛研究且行之有年、不斷演進改良，許多區域已實施太陽能發電於日常生活中，主要原因不外乎相較於其他再生能源，太陽光之規律照射與普遍性。另外，太陽能在轉換過程中不會對環境造成汙染。舉例來說，在太陽能轉換為電能的過程中，無須藉由消耗其他能源而導致廢棄產物處理的問題，像是石化燃料產生之溫室氣體。但是，太陽能轉換為電能的效率卻受制於整個太陽能電池系統的機構設計與材料應用，製作太陽能電池的成本也因此居高不下。

為了提升太陽能電池效率並簡化製程條件，矽晶太陽能電池的背鈍化技術已發展許久。習知背鈍化太陽能電池背面利用原子層氣相沉積〈atomic layer deposition,ALD〉或 電漿化學氣相蒸鍍〈plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD〉並通入氣體三甲基鋁〈trimethylaluminum,TMA〉，使太陽能電池背面沉積Al₂O₃以形成一氧化鋁層，厚度約為6-12奈米。再進行第二次電漿化學氣相蒸鍍，沉積覆蓋層〈capping layer〉於鋁金屬層之上，覆蓋層係為一提高反射特性之絕緣層，常見覆蓋層材料為SiNx或SiOx。接下來，透過習知雷射剝蝕法〈laser ablation〉或雷射燒結電極法〈laser-fired contacts,LFC〉在絕緣層和鋁金屬層上穿孔打洞。之後，印上正電極、背電即以及鋁膠等，最後，鋁膠穿過雷射開孔區域與矽基板形成局部接觸背電場。由於鋁膠僅透過雷射開孔區域與矽基板接觸，燒結而產生的翹曲或破片現象大為降低。

然而，雷射剝蝕法或雷射燒結電極法皆需要特殊機台設備，雖然提升太陽光能轉換為電能的效率，同時也造成製作太陽能設備成本居高不下。因此，如何提供一種具有良好光電轉換效率且不需使用高成本器材的太陽能電池，已成為本產業的重要課題。

鑑於上述課題，本發明旨在提供一種太陽能電池及其製造方法，其具有高光電轉換效率且不需使用雷射機台設備形成鈍化層，進而達到降低生產成本。

根據本發明之上述目的，提出一種太陽能電池結構包含一晶片、一摻質層、一第一鈍化層、一含矽-氫鍵結鈍化層以及一金屬結構。該晶片具有一第一表面與一第二 表面。該摻質層設置於該第一表面上，該第一鈍化層設置於該摻質層上。該含矽-氫鍵結鈍化層設置於該第二表面上，並形成複數個開口暴露部分該第二表面。該金屬結構形成於該開口之壁面以提供一局部背面電場。

根據本發明之上述目的，更提出一種太陽能電池製造方法包含提供一晶片，以及形成一含矽-氫鍵結鈍化層。形成該含矽-氫鍵結鈍化層還包含製備一含矽烷溶膠，塗佈該含矽烷溶膠於該表面，最後加熱該晶片以固化該含矽烷溶膠。

S110-S126‧‧‧步驟

100‧‧‧矽基材

101‧‧‧第一表面

103‧‧‧第二表面

113‧‧‧摻質層

115‧‧‧第一鈍化層

117‧‧‧第一電極

120‧‧‧含矽-氫鍵結鈍化層

123‧‧‧開口

130‧‧‧金屬結構

本發明之上述和其他態樣、特徵及其他優點參照說明書內容並配合附加圖式得到更清楚的了解，其中：第1圖係繪示依照本發明隻一實施方式的一種太陽能背面電極的製作流程圖。

第2圖係繪示一種背面電極鈍化之太陽能電池剖面示意圖。

為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例，在有益的情形下可相互組合或取代，也可在一實施例中附加其他的實施例，而無須進一步的記載或說 明。在以下描述中，將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明之實施例。

各式太陽能電池種類繁多，主要可分為矽基太陽能電池、化合物半導體太陽能電池以及有機太陽能電池等。矽基太陽能電池主要包含P-N二極體、抗反射層、正面電極與背面電極。矽基板不斷演進為更加輕薄，同時卻也產生背面載子的複合現象，對電池性能影響甚鉅。習知技術藉由鈍化層以及背面電場的機制，在太陽能電池的正面或背面設置鈍化層，不僅降低電池表面載子複合速度，也提高光電轉換效率。

PERC〈Passivated emitter and rear cell〉太陽能電池代表一種特殊類型的矽基太陽能電池，其特徵在其正面和背面上具有介電質鈍化層。正面的鈍化層充當ARC層。背面介電質鈍化層有穿孔，作為延長電荷載子的壽命並因而改善光轉換效率。本發明主要提供一種太陽能電池及其製造方法，尤其是PERC矽基太陽能電池。

請參考第1圖。第1圖係根據本發明一實施例之太陽能電池製造方法流程圖。PERC矽基太陽能電池的製造以提供一矽基板開始，該矽基板可為P型矽晶片或N型矽晶片，此矽基板具有一平坦表面，基板之功用係作為太陽能電池中的PN二極體。

接著，進行步驟S120形成一含矽-氫鍵結鈍化層於該表面。步驟S120進一步包含步驟S122-S126。其中， 步驟S122，該含矽-氫鍵結鈍化層係透過化學方法，使一化學溶膠即具有矽-氫〈Si-H〉鍵結。該化學溶膠係一矽烷溶膠包含矽氧烷、飽和一元醇、聚環氧乙烷〈poly(ethylene oxide),PEO〉以及酸性催化劑。根據本發明一實施方式，該矽烷溶膠含有十六基三甲氧矽烷〈hexadecyl trimethoxsilane,HTMS〉、甲醇、聚環氧乙烷以及硝酸當作酸性催化劑，透過溶膠-凝膠法〈sol-gel〉製備。溶膠凝膠法係在低溫環境下摻雜大量的無機物和有機物，該矽烷溶膠進行水解、縮合、聚合化學反應形成穩定的溶膠體系。再來，進行步驟S124，由矽烷溶膠形成之溶膠可直接塗佈在晶片之表面。塗佈的方式可以為旋轉塗佈〈spin coating〉、浸塗法〈dip coating〉、噴塗法〈spray coating〉、印刷法〈printing〉、網印法〈screen printing〉等基礎轉印方式，均勻覆蓋在晶片表面。

下一步，進行步驟S126，加熱該晶片以固化溶膠。溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合，形成失去流動性的凝膠，凝膠再經過乾燥〈環境溫度約為60-500℃〉、熱處理等程序固化成膜，在晶片表面形成含矽-氫鍵結鈍化層。該含矽-氫鍵結鈍化層之厚度介於80-300奈米之間。

習知利用電漿化學氣相沉積，將覆蓋層塗佈在鋁化層，覆蓋層在沉積過程產生氫氣，氫氣擴散至鋁化層，並滲透到鋁化層與矽基板介面，甚至擴散至矽基板內，使鈍化效果達到最佳狀態。根據本發明之一實施例，由於該矽烷溶膠即具有矽-氫鍵結，熱處理之後能形成一含氫矽氧薄 膜。其鈍化效果藉由塗佈、熱處理該含矽-氫鍵結鈍化層即可達成，直接替代包含鋁化層以及覆蓋層的多層結構之鈍化層。因為該矽烷溶膠經即帶有矽-氫鍵結，無須覆蓋層沉積的程序以產生氫氣。另外，該含矽-氫鍵結鈍化層透過基礎轉印方法即可塗布於晶片表面，習知鋁化層、覆蓋層等須以化學氣相沉積或電漿化學氣相沉積法塗佈，因此本發明製造成本大為降低。

請參考第2圖。第2圖係根據本發明上述之方法製造之一太陽能電池示意圖。該太陽能電池包含一矽基板100、一摻質層113、一第一鈍化層115、複數個第一電極、一含矽-氫鍵結鈍化層120以及複數個金屬結構130。

該矽基板100具有第一表面101與第二表面103。矽基板100為太陽能電池中的PN二極體，矽基板100可為單晶矽基板或多晶矽基板。在部分實施例中，P型矽基板之第一表面101可經粗糙化而為粗糙表面，以提升光的入射量。摻質層113可透過離子擴散製程設置於矽基板100之第一表面101，所形成的摻質層113係作為射極，並與晶片200為摻雜的部分形成P-N介面。第一鈍化層115覆蓋在摻質層115上，以鈍化矽基板100之第一表面101。第一鈍化層115更可兼具抗反射特性，以提高第一表面101之入光量。第一鈍化層材質可隨通入的沉積氣體而不同，材質包含但不侷限於Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃。第一電極117設置於第一表面101，經由第一鈍化層115之孔洞與摻質層113接觸，進而與摻質層113形成金/半連接。

另一方面，矽基板100之第二表面103設置有含矽-氫鍵結鈍化層120，含矽-氫鍵結鈍化層120可透過，例如轉印、網印、噴塗或旋轉塗佈法等覆蓋矽基板100之第二表面103，含矽-氫鍵結鈍化層120之開口123圖案更可進一步經由圖案化的塗佈過程中直接產生，而省略濕式蝕刻、黃光蝕刻、研磨或雷射等開孔製程的成本。開口123暴露部分第二表面103，為形成背面電場預留電極通道。含矽-氫鍵結鈍化層120之材質係利用化學方法使一化學溶膠帶有矽-氫鍵結，並於乾燥後形成一含氫之氧化或氮化矽〈例如：SiO₂〉薄膜。此化學溶膠包含適當比例之矽氧烷〈例如氧化矽、氮化矽〉、飽和一元醇、聚環氧乙烷以及酸性催化劑。根據本發明一實施例，化學溶膠之組成為十六基三甲氧矽烷、甲醇、聚環氧乙烷以及硝酸。當化學溶膠固化於矽基板100之第二表面120時，含矽-氫鍵結鈍化層120不僅為一氧化矽薄膜，同時包含矽-氫鍵結〈Si-H〉。更詳細地說，請參考化學式〈I〉與化學式〈II〉。

化學式〈I〉除了常見之矽-氧結構，同時含有一矽-氫鍵結，化學式〈II〉同時包含矽-氧與矽-氫鍵結。簡單地說，透過溶膠凝膠法製備的含矽-氫鍵結鈍化層使得矽與氫原子結合成化學式〈I〉或〈II〉之型態。由上述化 學溶膠經過適當比例調配、製備的鈍化層，固化後直接形成含矽-氫鍵結之矽薄膜。換句話說，含矽-氫鍵結鈍化層120取代習知包含鋁化層以及覆蓋層的鈍化層，因為含矽-氫鍵結鈍化層120本身即為一含氫之氧化矽薄膜，矽-氫鍵結同時存在於含矽-氫鍵結鈍化層120，且其中之氫氣可擴散至矽基材100，以達到最佳鈍化效果。另外，含矽-氫鍵結鈍化層120可透過轉印法、印刷法、噴塗或旋轉塗佈法覆蓋於矽基材100之第二表面103。含矽-氫鍵結鈍化層厚度之一平均值係在80-300奈米〈nm〉之範圍內的值。習知含鋁層或覆蓋層必須透過原子層氣相沉積或電漿輔助化學氣相沉積等方式塗佈，相較之下，形成含矽-氫鍵結鈍化層120之設備條件相對簡單。

藉由含矽-氫鍵結鈍化層120的設置，除了可以鈍化矽基板100之第二表面103的懸浮鍵〈dangling bond〉，更可利用含矽-氫鍵結鈍化層120具有累積負電荷而可排斥電子能力來降低複合作用在矽基板100之第二表面103發生。

複數個金屬結構130設置於圖案化的含矽-氫鍵結鈍化層120之開口123之壁面。金屬結構130的材質可為例如鋁、氧化銦錫、鎳銅、鈦或錫，以形成太陽能電池的背面電極。無背電場的部分則形成良好的表面鈍化區域。

矽基板100之第一表面101可使用高溫擴散製程，進行離子擴散以形成摻質層113。當矽基板100為P型矽晶片時，此離子擴散製程可使用例如磷或是其他的V族元 素。當矽基板100為N型矽晶片時，此離子擴散製程可使用例如硼或是其他III族元素。離子擴散製程後，可進行邊緣蝕刻，移除矽基材100邊緣的佈植區域。摻質層113係做為射極，並與矽基材100未摻雜的部份形成P-N接面。第一鈍化層115設置於摻質層113之上，再將正面電極117設置於預先開口的第一鈍化層115上。

本發明之含矽-氫鍵結鈍化層可取代習知背面電場由鋁化層與覆蓋層形成之鈍化層。其含氫之氧化矽或氮化矽薄膜係透過化學溶膠製備，以轉印、印刷、旋轉塗佈等方法即可覆蓋在矽基材，亦可進型圖案化的塗佈。待薄膜乾燥之後，即可設置背面電極或進行其他步驟。本發明之方法省去習知背面鈍化層兩道覆膜程序〈鋁化層與覆蓋層〉的工時與繁複步驟，也可使用成本較為低廉的塗佈的方式例如旋轉塗佈等覆蓋矽基材。含矽-氫鍵結鈍化層的設置使得電池表面載子複合速度降低，也提高整體太陽能電池的光電轉換效率。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧矽基材

101‧‧‧第一表面

103‧‧‧第二表面

113‧‧‧摻質層

115‧‧‧第一鈍化層

117‧‧‧第一電極

120‧‧‧含矽-氫鍵結鈍化層

123‧‧‧開口

130‧‧‧金屬結構

Claims (9)

1. 一種太陽能電池結構，包含：一晶片，具有一第一表面與一第二表面；一摻質層，設置於該第一表面上；一第一鈍化層，設置於該摻質層上；複數個第一電極，設置於該第一鈍化層上；一第二鈍化層，設置於該第二表面上並形成複數個開口暴露部分該第二表面，其中該第二鈍化層由十六基三甲氧矽烷組成；以及複數個金屬結構，形成於該開口之壁面。
2. 如請求項1所述之太陽能電池結構，其中該含矽-氫鍵結鈍化層厚度之一平均值係在80-300奈米〈nm〉之範圍內的值。
3. 如請求項1所述之太陽能電池結構，其中該金屬結構之材質包含鋁、氧化銦錫、鎳銅、鈦或錫。
4. 如請求項1所述之太陽能電池結構，其中該含矽-氫鍵結鈍化層之材質包含氧化矽或氮化矽。
5. 一種太陽能電池製造方法，包含：提供一晶片，該晶片具有一表面；以及形成一含矽-氫鍵結鈍化層於該表面，包含：製備一含矽烷溶膠，其中該含矽烷溶膠含有十六基三甲氧矽烷；塗佈該含矽烷溶膠於該表面；以及加熱該晶片以固化該含矽烷溶膠。
6. 如請求項5所述之太陽能電池製造方法，其中該含矽-氫鍵結鈍化層以轉印、印刷、噴塗或旋轉塗佈形成於該表面。
7. 如請求項5所述之太陽能電池製造方法，其中該含矽烷溶膠含有矽氧烷、飽和一元醇、聚環氧乙烷以及酸性催化劑。
8. 如請求項5所述之太陽能電池製造方法，更包含以60-500℃加熱該晶片。
9. 如請求項5所述之太陽能電池製造方法，其中該含矽-氫鍵結鈍化層厚度之一平均值係在80-300奈米之範圍內的值。