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TWI433341B - 太陽電池的製造方法 - Google Patents

太陽電池的製造方法 Download PDF

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TWI433341B
TWI433341B TW099146614A TW99146614A TWI433341B TW I433341 B TWI433341 B TW I433341B TW 099146614 A TW099146614 A TW 099146614A TW 99146614 A TW99146614 A TW 99146614A TW I433341 B TWI433341 B TW I433341B
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Cheng Chang Kuo
Jun Wei Chen
Hsin Feng Li
Jen Chieh Chen
Zhen Cheng Wu
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    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
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    • H—ELECTRICITY
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Description

太陽電池的製造方法
本發明是有關於一種太陽電池的製造方法，且特別是有關於一種成本低廉且控制容易之太陽電池的製造方法。
太陽能是一種乾淨無污染且取之不盡、用之不竭的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，太陽能一直是最受矚目的焦點。由於太陽電池可直接將太陽能轉換為電能，因此已成為目前產業界相當重要的研究課題之一。
矽基太陽電池(silicon-based solar cell)為業界常見的一種太陽電池。矽基太陽電池的原理是將二個不同摻雜型態之(即P型與N型摻雜型態)的半導體層相接合，以形成P-N接面。當太陽光照射到具有此P-N結構的半導體時，光子所提供的能量可把半導體價帶中的電子激發至導帶而產生電子-電洞對(electron-hole pairs)。電子與電洞均會受到電場的影響，使得電洞沿著電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果以導線將此太陽電池與負載(load)連接起來，則可形成一個迴路(loop)，並可使太陽電池所產生的電流流過負載，此即為太陽電池發電的原理。
在太陽電池中，接觸導體與N型摻雜型態半導體層之間通常會需要形成N型重摻雜(N+ doped)型態之摻雜區，以使接觸導體與N型摻雜型態半導體層之間具有良好的歐姆接觸(Ohmic contact)。目前用以製作N型重摻雜區的習知技術包括傳統的微影製程(photo-lithography)、雷射圖案化製程(laser patterning)、回蝕刻製程(etch-back process)等。很明顯地，製作N型重摻雜區需要額外的製程，導致太陽電池的製造成本增加。此外，前述之微影製程、雷射圖案化製程以及回蝕刻製程製程不易控制，且微影製程、雷射圖案化製程以及回蝕刻製程製程在進行時，常會造成缺陷(defects)，導致太陽電池的良率下降。承上述，如何在不大幅增加製造成本的情況下，提昇太陽電池之製造良率，實為目前亟欲解決的課題之一。
本發明提供一種太陽電池的製造方法，其使太陽電池的製造簡易，進而可有效地降低製造成本。
本發明提供一種太陽電池的製造方法，其包括：提供一第一型摻雜半導體基材，此第一型摻雜半導體基材具有一第一表面以及一與第一表面相對之第二表面；於部分的第一型摻雜半導體基材中形成一第二型摻雜擴散區，第二型摻雜擴散區自第一表面延伸至第一型摻雜半導體基材中；於基材之第一表面上形成一與第二型擴散層接觸之抗反射層；於抗反射層上形成導電膠(conductive paste)，此導電膠包括導電粒子(conductive particles)、摻質(dopants)、基質(matrix)以及黏結劑(binder)；進行一共燒結製程(co-firing process)，以使導電膠穿過抗反射層而形成一嵌於抗反射層之第一接觸導體，在共燒結製程中，摻質係擴散至第二型摻雜擴散區以形成一第二型重摻雜區；以及於第一型摻雜半導體基材之第二表面上形成一第二接觸導體。
本發明另提供一種太陽電池的製造方法，其包括：提供一第一型摻雜半導體基材，此第一型摻雜半導體基材具有一第一表面以及一與第一表面相對之第二表面；於部分的第一型摻雜半導體基材中形成一第二型摻雜擴散區，第二型摻雜擴散區自第一表面延伸至第一型摻雜半導體基材中；於基材之第一表面上形成一與第二型擴散層接觸之抗反射層；以及於抗反射層上形成一導電膠，此導電膠包括導電粒子以及摻質，並進行一共燒結製程，以使導電膠穿過抗反射層而形成一嵌於抗反射層之第一接觸導體，在共燒結製程中，摻質係擴散至第二型摻雜擴散區以形成一第二型重摻雜區。
在本發明之一實施例中，前述之第一型摻雜半導體基材例如為一P型摻雜的基材，而第二型摻雜擴散區例如為一N型擴散區。
在本發明之一實施例中，前述之第一型摻雜半導體基材的厚度大於第二型摻雜區的深度。
在本發明之一實施例中，前述之導電粒子包括銀粒子或鋁粒子。
在本發明之一實施例中，前述之摻質包括磷酸(H3 PO4 )或五氧化二磷(P2 O5 )。
在本發明之一實施例中，前述之摻質包括三氧化二硼(B2 O3 )或鋁鹽(Aluminum salt)。
在本發明之一實施例中，前述之基質包括氧化矽基質或矽基質。
在本發明之一實施例中，前述之黏結劑包括稠化劑(thickening agent)或濕潤劑(wetting agent)。
在本發明之一實施例中，前述之導電膠可進一步包括添加劑(additive)。
在本發明之一實施例中，前述之導電膠可進一步包括溶劑(solvent)。
在本發明之一實施例中，前述之導電膠係透過網板印刷的方式形成於抗反射層上。
在本發明之一實施例中，前述之抗反射層係藉由化學氣相沈積方式形成於第一型摻雜半導體基材之第一表面上。
由於本發明採用包括導電粒子以及摻質之導電膠，並透過共燒結製程使摻質擴散至第二型摻雜擴散區中以形成第二型重摻雜區，因此本發明之太陽電池的製造方法具有製造成本低廉、控制容易以及良率高等優勢。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1A至圖1E為本發明一實施例之太陽電池的製造流程示意圖。請參照圖1A，提供一第一型摻雜半導體基材100，此第一型摻雜半導體基材100例如為P型摻雜的基材。舉例而言，前述之第一型摻雜半導體基材100為一具有P型摻質(dopants)的矽晶圓(silicon wafer)，例如是硼摻雜矽晶圓。第一型摻雜半導體基材100具有一第一表面100a以及一與第一表面100a相對之第二表面100b。
接著請參照圖1B，於第一型摻雜半導體基材100之第一表面100a上進行一摻質擴散製程(dopants diffusion process)，以於部分的第一型摻雜半導體基材100中形成一第二型摻雜擴散區110，此第二型摻雜擴散區110係自第一表面100a延伸至第一型摻雜半導體基材100中。詳言之，第一型摻雜半導體基材100之厚度例如是介於50微米至250微米之間，而第二型摻雜擴散區110的深度例如係介於0.01微米至5.0微米之間。在其他實施例中，第二型摻雜擴散區110的深度例如係介於0.05微米至2.0微米之間。在一較佳實施例中，第二型摻雜擴散區110的深度例如係介於0.1微米至0.5微米之間。
前述之摻質擴散製程係用以於第一型摻雜半導體基材100中形成P-N接面。此摻質擴散製程例如是先在第一型摻雜半導體基材100的第一表面100a上形成磷矽玻璃層(PSG)，再將第一型摻雜半導體基材100送入擴散爐中加熱以使磷矽玻璃層中的摻質擴散至第一型摻雜半導體基材100中以形成第二型摻雜擴散區110(即N型擴散區)，並在摻質擴散完成之後移除前述之磷矽玻璃層。在本實施例中，摻質例如是三氯氧化磷(POCl3 )或其他適於在第一型摻雜半導體基材100中形成P-N接面的摻質。特別注意是，上述方法為多種摻質擴散製程中的其中一種。也就是說，此領域具有通常知識者可採用其他摻質擴散製程來進行第二型摻雜擴散區110的製作。
承上述，本實施例係以P型摻雜的基材(100)以及N型擴散區(110)為例進行說明，在其他實施例中，此領域具有通常知識者當可使用N型摻雜的基材或是I型未摻雜的基材，並於N型摻雜的基材上製作P型擴散區，或者是在I型未摻雜的基材上製作P型擴散區或N型擴散區。
請參照圖1C，在完成第二型摻雜擴散區110的製作之後，接著於第一型摻雜半導體基材100的第一表面100a上形成一與第二型擴散層110接觸之抗反射層120。在本實施例中，抗反射層120的材料例如是氮化矽或是氮氧化矽等，且抗反射層120例如是以化學氣相沉積製程形成，如電漿化學氣相沉積製程(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)。
接著請參照圖1D，於抗反射層120上形成一導電膠130，此導電膠130例如係透過網板印刷的方式形成於抗反射層120上。導電膠130至少包括導電粒子以及摻質。在本實施例中，為了使導電粒子與摻質能夠均勻地混合，導電膠130還可進一步包括基質、黏結劑等輔助成份。除此之外，導電膠130還可選擇性添加溶劑、添加劑、軟化劑，以使導電膠130中的導電粒子與摻質能夠混合的更為均勻。舉例而言，導電膠130中的導電粒子例如為銀粒子或鋁粒子，其粒徑例如係介於10奈米(nm)至5微米(μm)之間；導電膠130中的基質例如為氧化矽基質或矽基質。當製作N型擴散區時，導電膠130中的摻質可以使用第二型摻質例如為磷酸(H3 PO4 )、五氧化二磷(P2 O5 )、三氯氧化磷(POCl3 )或其他型近似的摻質。在其他可行之實施例中，當製作P型擴散區時，導電膠130中可使用第一型摻質例如是三氧化二硼(B2 O3 )、鋁鹽(Aluminum salt)或其他型近似的摻質。其中摻質的濃度足以形成重摻雜區140即可。
在本實施例中，導電膠130中的黏結劑例如為稠化劑或濕潤劑。前述之稠化劑或濕潤劑例如為蓖麻油Thixoton(ricinus oil)、潤濕分散劑Borchigen TS(通常為矽酸添加劑)、各種矽酸鹽類(通常具有不同極性混合溶劑之無機流體添加劑、硝基纖維素(nitrocellulose)、乙基纖維素(ethylcellulose)、其他纖維化合物、多功能聚氯乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidones)、澱粉體(starch(+NH4OH))、明膠(gelatine)、海藻酸(alginic acid)、合成鎂-鈉-鋰矽酸(synthetic Mg-Na-Li silicate(Laponite))、高分散性矽酸(high disperse amorphous silicic acid(Aerosil))、聚乙烯丁醛(polyvinylbutyral(Mowital))、羧甲基纖維素鈉(sodium carboxymethylcellulose(vivistar))等。
在本實施例中，添加劑例如為抗發泡劑(antifoaming agents)、黏著緩化劑(adhesion moderators)、均染劑(levelling agents)，或膠滯劑(thixotropic agents)。
在本實施例中，軟化劑例如為氧化鉛(PbO)、氧化鋅(ZnO)、三氧化二鉍(Bi2 O3 )。
在本實施例中，溶劑例如為乙二醇(ethylene glycol)、乙二醇一丁基醚(ethylene glycol monobutyl ether)、乙二醇一苯基醚(ethylene glycol monophenyl ether)、甲基醇(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)、二乙二醇單甲醚(diethylene glycol monomethyl ether)、二乙二醇單甲醚(diethylene glycol monoethyl ether acetate)、單丁醚一縮貳[乙二醇](diethylene glycol monobutyl ether)、二乙二醇單丁醚(diethylene glycol monobutyl ether acetate)、二乙二醇二甲醚(diethylene glycol dimethyl ether)、二乙二醇甲乙醚(diethylene glycol methylethyl ether)、二乙二醇二乙醚(diethylene glycol diethyl ether)、二乙二醇乙酸酯(diethylene glycol acetate)、三甘醇(triethylglycol)、三甘醇單甲醚(triethylene glycol monomethyl ether)、三甘醇單乙醚(triethylene glycol monoethyl ether)、四乙烯基乙二醇二丙烯酸酯(tetraethylene glycol)、聚乙二醇(polyethylene glycols)、丙二醇(propylene glycol)、丙二醇甲醚(propylene glycol monomethyl ether)、丙二醇單乙醚(propylene glycol monoethyl ether)、丙二醇單丁醚(propylene glycol monobutyl ether)、1-丁氧基乙氧基丙醇(1-butoxyethoxypropanol)、一縮二丙二醇(dipropylglycol)、二丙二醇單甲醚(dipropylene glycol monomethyl ether)、二丙二醇單乙醚(dipropylene glycol monoethyl ether)、三丙二醇單甲醚(tripropylene glycol monomethyl ether)、聚丙二醇(polypropylene glycols)、丙二醇(trimethylene glycol)、丁二醇(butanediol)、1,5-戊二醇(1,5-pentanediol)、己二醇(hexylene glycol)、甘油(glycerine)、甘油單乙酸酯(glyceryl acetate)、甘油二乙酸酯(glyceryl diacetate)、甘油三乙酸酯(glyceryl triacetate)、三羥甲基丙烷(trimethylolpropyne)、1,2,6-己三醇(1,2,6-haxanetriol)、二氧雜環己烷(dioxane)、三氧陸圜(trioxane)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、甲縮醛(methylal)、乙縮醛(diethylacetal)、丁酮(methyl ethyl ketone)、丙酮與甲基異丁酮(methyl isobutyl ketone)、二乙基甲酮(diethyl ketone)、丙酮基丙酮(acetonylacetone)、二丙酮醇(diacetone alcohol)、甲酸甲酯(methyl formate)、甲酸乙酯(ethyl formate)、甲酸丙酯(propyl formate)、乙酸甲酯(methyl acetate)，或乙酸乙酯(ethyl acetate)。
接著請參照圖1E，進行一共燒結製程，以使導電膠130穿過抗反射層120而形成一嵌於抗反射層120中之第一接觸導體130’，在共燒結製程中，原本存在於導電膠130(繪示於圖1D)中的第二型摻質係擴散至第一型摻雜半導體基材100之第二型摻雜擴散區110以形成一第二型重摻雜區140。詳言之，共燒結製程會使第一型摻雜半導體基材100的局部區域被熔融，而被熔融後的基材材料會與導電膠130(繪示於圖1D)形成共熔層，進而使導電膠130(繪示於圖1D)中的摻質與導電粒子擴散到第一型摻雜半導體基材100中。值得注意的是，前述選擇性添加於導電膠130(繪示於圖1D)中的軟化劑(如氧化鉛(PbO)、氧化鋅(ZnO)、三氧化二鉍(Bi2 O3 ))可以降低形成共熔層所需的溫度，增進摻質與導電粒子之擴散效果。此外，在完成共燒結製程之後，仍有少量的基質、添加劑、稠化劑以及濕潤劑會存在於導電膠130(繪示於圖1D)中，而溶劑則會被揮發。
接著請參照圖1F，在形成第二型重摻雜區140之後，接著選擇性地於第一型摻雜半導體基材100之第二表面100b上形成一第二接觸導體150，如此即初步完成太陽電池之製作。在變化實施例中，第二接觸導體亦可製作在第一表面100a上，形成背接觸結構(Back contact structure)。
在本實施例中，第二型重摻雜區140的深度例如是大於第二型摻雜擴散區110的深度。舉例而言，第二型重摻雜區140的的深度例如係介於0.01微米至10.0微米之間。在其他實施例中，第二型重摻雜區140的的深度例如係介於0.05微米至3.0微米之間。在一較佳實施例中，第二型重摻雜區140的的深度例如係介於0.1微米至1.0微米之間。值得注意的是，依據不同的設計需求，第二型重摻雜區140的深度亦可以是小於或等於第二型摻雜擴散區110的深度，本發明不限定第二型摻雜擴散區110與第二型重摻雜區140之間的深度關係。
承上述，本實施例前述之太陽電池的製造方法可應用於單面太陽電池或雙面太陽電池(bifacial solar cell)的製程中。
由於本發明採用包括導電粒子以及第二型摻質之導電膠，並透過共燒結製程使第二型摻質擴散至第二型摻雜擴散區中以形成第二型重摻雜區，因此本發明之太陽電池的製造方法具有製造成本低廉、控制容易以及良率高等優勢。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，當可作些許之更動與潤飾，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．．．第一型摻雜半導體基材
100a．．．第一表面
100b．．．第二表面
110．．．第二型摻雜擴散區
120．．．抗反射層
130．．．導電膠
130’．．．接觸導體
140．．．第二型重摻雜區
150．．．第二接觸導體
圖1A至圖1F為本發明一實施例之太陽電池的製造流程示意圖。
100．．．第一型摻雜半導體基材
100a．．．第一表面
100b．．．第二表面
110．．．第二型摻雜擴散區
120．．．抗反射層
130’．．．第一接觸導體
140．．．第二型重摻雜區
150．．．第二接觸導體

Claims (21)

  1. 一種太陽電池的製造方法，包括：提供一第一型摻雜半導體基材，該第一型摻雜半導體基材具有一第一表面以及一與該第一表面相對之第二表面；於部分該第一型摻雜半導體基材中形成一第二型摻雜擴散區，該第二型摻雜擴散區自該第一表面延伸至該第一型摻雜半導體基材中；於該基材之該第一表面上形成一與該第二型擴散層接觸之抗反射層；於該抗反射層上形成導電膠，該導電膠包括一導電粒子、一摻質、基質以及黏結劑；進行一共燒結製程，以使該導電膠穿過該抗反射層而形成一嵌於該抗反射層之第一接觸導體，在該共燒結製程中，該些摻質係擴散至該第二型摻雜擴散區以形成一第二型重摻雜區；以及於該第一型掺雜半導體基材之該第二表面上形成一第二接觸導體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該第一型摻雜半導體基材為一P型摻雜的基材，而該第二型摻雜擴散區為一N型擴散區。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該第一型摻雜半導體基材的厚度大於該第二型摻雜區的深度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該些導電粒子包括銀粒子。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該些導電粒子包括鋁粒子。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該摻質包括三氧化二硼(B2 O3 )、磷酸(H3 PO4 )、五氧化二磷(P2 O5 )或鋁鹽。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該基質包括氧化矽基質或矽基質。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該黏結劑包括稠化劑或濕潤劑。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該導電膠更包括添加劑。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該導電膠更包括溶劑。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該導電膠係透過網板印刷的方式形成於該抗反射層上。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該抗反射層係藉由化學氣相沈積方式形成於該第一型摻雜半導體基材之該第一表面上。
  13. 一種太陽電池的製造方法，包括：提供一第一型摻雜半導體基材，該第一型摻雜半導體基材具有一第一表面以及一與該第一表面相對之第二表面；於部分該第一型摻雜半導體基材中形成一第二型摻雜擴散區，該第二型摻雜擴散區自該第一表面延伸至該第一型摻雜半導體基材中；於該基材之該第一表面上形成一與該第二型擴散層接觸之抗反射層；以及於該抗反射層上形成一導電膠，該導電膠包括導電粒子以及摻質，並進行一共燒結製程，以使該導電膠穿過該抗反射層而形成一嵌於該抗反射層之第一接觸導體，在該共燒結製程中，該些摻質係擴散至該第二型摻雜擴散區以形成一第二型重摻雜區。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，其中該第一型摻雜半導體基材為一P型摻雜的基材，而該第二型摻雜擴散區為一N型擴散區。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，其中該第一型摻雜半導體基材的厚度大於該第二型摻雜區的深度。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，其中該些導電粒子包括銀粒子。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，其中該些導電粒子包括鋁粒子。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，其中該摻質包括三氧化二硼(B2 O3 )、磷酸(H3 PO4 )、五氧化二磷(P2 O5 )或鋁鹽。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，其中該導電膠係透過網板印刷的方式形成於該抗反射層上。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，其中該抗反射層係藉由化學氣相沈積方式形成於該第一型摻雜半導體基材之該第一表面上。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之太陽電池的製造方法，更包括於該第一型摻雜半導體基材之該第二表面上形成一第二接觸導體。
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