TWI590473B

TWI590473B - 太陽能電池及其製造方法

Info

Publication number: TWI590473B
Application number: TW103136817A
Authority: TW
Inventors: 吳中瀚; 陳奎伯; 吳興華; 林信成; 歐乃天; 黃桂武
Original assignee: 昱晶能源科技股份有限公司
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2017-07-01
Also published as: TW201616662A; EP3012871A1; JP2016086149A; US20160118510A1

Description

太陽能電池及其製造方法

本發明是有關於一種矽基太陽能電池及其製造方法。

太陽能電池是一種環保能源，可直接將太陽能轉換為電能。由於在發電過程中不產生二氧化碳等溫室氣體，因此不會對環境造成污染。當光照射在太陽能電池上時，利用其光電半導體的特性，使光子與導體或半導體中的自由電子作用而產生電流。目前現有的太陽能電池依據主體材料的不同可分為矽基半導體太陽能電池、染料敏化太陽能電池及有機材料太陽能電池。其中又以矽基半導體太陽能電池的光電轉換效率較佳，但仍有改善的空間。

矽基半導體太陽能電池通常具有全面的鋁背面場(back surface field,BSF)層。但此類矽基太陽能電池的鋁背面場層的複合速度太快，導致電池轉換效率下降。為了解決此問題，發展出一種具有局部背面場層的矽基太陽能電池。但此類矽基太陽能電池的背面導電度較差。因此，目前亟需一種新穎的太陽能電池及其製造方法，以期能夠改善上述問題。

本發明之目的在於提供一種太陽能電池，包括硼背面場層、鋁局部背面場層以及鈍化層。硼背面場層及鋁局部背面場層可提昇背面導電度及有效增加載子的收集效率；鈍化層可提昇背面鈍化效果，進而提昇太陽能電池的電池轉換效率，而可全面解決先前技術所面臨的問題。

本發明提供一種太陽能電池，包含半導體基材、硼背面場層、鈍化層、背面電極層及鋁局部背面場層。半導體基材具有一正面及一背面相對設置。硼背面場層位於背面下方之半導體基材內。鈍化層位於硼背面場層的上方，鈍化層具有一開口貫穿鈍化層。背面電極層位於開口內。鋁局部背面場層位於開口下方之半導體基材內，並接觸硼背面場層及背面電極層。

根據本發明一實施例，背面電極層更覆蓋鈍化層。

根據本發明一實施例，鈍化層未被背面電極層完全覆蓋。

根據本發明一實施例，硼背面場層具有一開口，硼背面場層之開口大致對準鈍化層之開口。

根據本發明一實施例，鈍化層包含第一鈍化層及第二鈍化層。第一鈍化層接觸硼背面場層，第一鈍化層包含氧化鋁、氧化矽、氮氧化矽或其組合。第二鈍化層位於第一鈍化層的上方，第二鈍化層包含氮化矽。

根據本發明一實施例，太陽能電池更包含第一摻雜層、第二摻雜層及正面電極層。第一摻雜層位於正面下方之半導體基材內。第二摻雜層位於正面下方之半導體基材內，並鄰接第一摻雜層。第一摻雜層及第二摻雜層之導電型相同，且第二摻雜層之摻質濃度大於第一摻雜層之摻質濃度。正面電極層接觸第二摻雜層。

本發明另提供一種太陽能電池的製造方法，包含：提供一半導體基材，半導體基材具有一正面及一背面相對設置；形成一硼背面場層於背面下方之半導體基材內；形成一鈍化層於硼背面場層之上方；形成一開口貫穿鈍化層；設置鋁膠於開口內；以及燒結鋁膠，以形成一鋁局部背面場層於開口下方之半導體基材內。

根據本發明一實施例，形成硼背面場層於背面下方之半導體基材內步驟係透過擴散或離子佈植硼至背面下方之半導體基材內。

根據本發明一實施例，形成硼背面場層於背面下方之半導體基材內步驟包含：形成一含硼鈍化材料層於半導體基材之背面的上方，含硼鈍化材料層包含硼及鈍化材料；擴散含硼鈍化材料層之硼至背面下方之半導體基材內，以形成硼背面場層。

根據本發明一實施例，擴散含硼鈍化材料層之硼至背面下方之半導體基材內步驟與燒結鋁膠步驟係同時進行。

根據本發明一實施例，形成硼背面場層於背面下方之半導體基材內步驟包含：形成一硼來源層於半導體基材之背面的上方；擴散硼來源層之硼至背面下方之半導體基材內，以形成硼背面場層；以及去除硼來源層。

根據本發明一實施例，硼來源層包含硼膠、硼矽玻璃或其組合。

根據本發明一實施例，製造方法更包含擴散磷至正面下方之半導體基材內。

根據本發明一實施例，擴散硼來源層之硼至背面下方之半導體基材內步驟及擴散磷至正面下方之半導體基材內步驟係於同一次熱處理程序中進行。

110‧‧‧半導體基材

110a‧‧‧正面

110b‧‧‧背面

120‧‧‧硼背面場層

120a‧‧‧開口

130‧‧‧鈍化層

130a‧‧‧開口

132‧‧‧第一鈍化層

132a‧‧‧開口

134‧‧‧第二鈍化層

134a‧‧‧開口

140‧‧‧背面電極層

142‧‧‧鋁膠

150‧‧‧鋁局部背面場層

160‧‧‧摻雜層

162‧‧‧第一摻雜層

164‧‧‧第二摻雜層

170‧‧‧正面電極層

172‧‧‧銀膠

180‧‧‧抗反射層

BPL‧‧‧含硼鈍化材料層

BSL‧‧‧硼來源層

O‧‧‧開口

第1圖係依照本發明一實施例之一種太陽能電池的剖面示意圖。

第2圖係依照本發明另一實施例之一種太陽能電池的剖面示意圖。

第3A-3F圖係繪示依照本發明一實施例之一種太陽能電池之製造方法之各製程階段的示意圖。

第4A-4F圖係繪示依照本發明另一實施例之一種太陽能電池之製造方法之各製程階段的示意圖。

第5A-5F圖係繪示依照本發明又一實施例之一種太陽能電池之製造方法之各製程階段的示意圖。

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。

本文中所使用之「約」、「大約」或「大致」係用以修飾任何可些微變化的數量，但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明，則代表以「約」、「大約」或「大致」所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分五之以內。

如先前技術所述，具有全面鋁背面場層的矽基太陽能電池因複合速度太快，導致電池轉換效率低，而具有局部背面場層的矽基太陽能電池的背面導電度較差。因此本發明提供一種太陽能電池，包括硼背面場層、鋁局部背面場層以及鈍化層。硼背面場層以及鋁局部背面場層可提昇背面導電度及有效增加載子的收集效率；鈍化層可提昇背面鈍化效果，進而提昇太陽能電池的電池轉換效率，從而全面解決先前技術所面臨的問題。

第1圖係依照本發明一實施例之一種太陽能電池之剖面示意圖。太陽能電池包含半導體基材110、硼背面場層120、鈍化層130、背面電極層140以及鋁局部背面場層150。

半導體基材110具有一正面110a及一背面110b相對設置。在本文中，第1圖所示之背面110b的下方定義為朝向半導體基材110的一側，背面110b的上方定義為背對半導體基材110的一側，以後續清楚定義硼背面場層120、鈍化層130、背面電極層140及鋁局部背面場層150的相對位置。

半導體基材110可為矽基材，例如單晶矽基材、多晶矽基材或非晶矽基材。在一實施例中，半導體基材110是P型矽基材。在一實施例中，半導體基材110的正面110a為粗化表面，以降低入射光的反射率。

硼背面場層120位於背面110b下方的半導體基材110內。在本實施例中，硼背面場層120具有開口120a貫穿硼背面場層120。當然，硼背面場層120可具有多個開口120a彼此分離並貫穿硼背面場層120。在一實施例中，硼背面場層120係利用高溫擴散或離子佈植方式形成。在一實施例中，硼背面場層120的摻質濃度為約10¹⁵原子/cm³至約5×10²²原子/cm³。在一實施例中，硼背面場層120的電阻為約10歐姆/平方至約200歐姆/平方。

鈍化層130位於硼背面場層120的上方。鈍化層130具有開口130a貫穿鈍化層130。當然，鈍化層130亦可具有多個開口130a彼此分離並貫穿鈍化層130。在本實施例中，鈍化層130的開口130a大致對準硼背面場層120 的開口120a。在一實施例中，鈍化層130的材料包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、其他適合的材料或上述之組合。

在一實施例中，鈍化層130包含第一鈍化層132及第二鈍化層134。第一鈍化層132接觸硼背面場層120，第一鈍化層132包含氧化鋁、氧化矽或其組合。第二鈍化層134位於第一鈍化層132的上方，第二鈍化層134包含氮化矽。第一鈍化層132及第二鈍化層134可分別具有開口132a及開口134a，開口132a及開口134a構成開口130a。第二鈍化層134可用以保護第一鈍化層132，避免第一鈍化層132因接觸背面電極層140而變質或被腐蝕。此外，第二鈍化層134可具有光學反射的功能，例如可將長波長的光線反射回去。

背面電極層140位於開口130a內。在本實施例中，背面電極層140位於開口130a及開口120a內。在一實施例中，背面電極層140包含任何合適的金屬材料，例如鋁。在一實施例中，背面電極層140由鋁膠燒結而得。值得注意的是，在本實施例中，鈍化層130未被背面電極層140完全覆蓋，而使太陽能電池具有較大的受光面積，可增加光線的吸收。

鋁局部背面場層150位於開口120a下方的半導體基材110內，並接觸硼背面場層120及背面電極層140。在一實施例中，背面電極層140含鋁，而鋁離子在高溫下可與半導體基材110中的矽形成鋁矽合金，而形成鋁局部背面場層150。在一實施例中，鋁局部背面場層150的摻質濃度大於硼背面場層120的摻質濃度。在一實施例中，鋁局部背面場層150的摻質濃度為約10¹⁵原子/cm³至約5×10²²原子/cm³。

在本文中，半導體基材110之正面110a的下方定義為朝向半導體基材110的一側，半導體基材110之正面110a的上方定義為背對半導體基材110的一側。在一實施例中，太陽能電池更包含第一摻雜層162、第二摻雜層164及正面電極層170。第一摻雜層162位於正面110a下方的半導體基材110內。第二摻雜層164位於正面110a下方的半導體基材110內，並鄰接第一摻雜層162。第一摻雜層162及第二摻雜層164之導電型相同。在一實施例中，第一摻雜層162及第二摻雜層164的導電型與半導體基材110的導電型相反。在一實施例中，正面電極層170包含任何合適的金屬材料，例如銀。在一實施例中，正面電極層170由銀膠燒結而得。

在一實施例中，第二摻雜層164之摻質濃度大於第一摻雜層162之摻質濃度。在一實施例中，第一摻雜層162的摻質濃度為約10¹⁵原子/cm³至約5×10²²原子/cm³。在一實施例中，第二摻雜層164的摻質濃度為約10¹⁵原子/cm³至約5×10²²原子/cm³。在一實施例中，第一摻雜層162的電阻為約10歐姆/平方至約200歐姆/平方。在一實施例中，第二摻雜層164的電阻為約10歐姆/平方至約200歐姆/平方。也就是說，第二摻雜層164的電阻低於第一摻雜層 162，因此正面電極層170可接觸第二摻雜層164，以降低接觸電阻。

在一實施例中，太陽能電池更包含抗反射層180設置於第一摻雜層162及第二摻雜層164的上方，以降低入射光的反射率。在一實施例中，抗反射層180的材料包含氮化矽。

第2圖係依照本發明另一實施例之一種太陽能電池之剖面示意圖。第2圖與第1圖的差異在於，第2圖之太陽能電池的背面電極層140更覆蓋鈍化層130。換言之，背面電極層140全面覆蓋鈍化層130。

以下將說明製造上述太陽能電池的數種方法。第3A-3F圖係繪示依照本發明一實施例之一種太陽能電池之製造方法之各製程階段的示意圖。首先，如第3A圖所示，提供一半導體基材110，半導體基材110具有一正面110a及一背面110b相對設置。

然後，如第3B圖所示，將硼利用擴散或離子佈植方式驅入至背面110b下方的半導體基材110內，以形成硼背面場層120。在擴散或離子佈植硼之前，可先形成遮罩(未繪示)覆蓋正面110a，以避免硼進入正面110a下方的半導體基材110內。在形成硼背面場層120之後，可將伴隨形成的硼矽玻璃(未繪示)及遮罩移除。

如第3C圖所示，對正面110a進行粗化製程，然後形成摻雜層160於正面110a下方的半導體基材110內。詳細而言，在進行粗化製程之前，可先形成遮罩(未繪示)覆蓋背面110b，以保護硼背面場層120。隨後進行粗化製程，以形成粗糙的正面110a。再將摻質擴散至正面110a下方的半導體基材110內而形成摻雜層160。摻質可例如為磷或其他合適的摻質。

如第3D圖所示，形成鈍化層130於硼背面場層120的上方。在本實施例中，依序形成第一鈍化層132及第二鈍化層134於硼背面場層120的上方。在一實施例中，第一鈍化層132包含氧化鋁、氧化矽或其組合，第二鈍化層134包含氮化矽，但不限於此。第一鈍化層132及第二鈍化層134可利用化學氣相沉積方式形成。另外，可形成抗反射層180於摻雜層160的上方，以降低入射光的反射率。在一實施例中，抗反射層180的材料包含氮化矽。

如第3E圖所示，形成開口O貫穿鈍化層130。詳細而言，開口O貫穿第一鈍化層132、第二鈍化層134及硼背面場層120。例如可利用雷射或其他合適的方式形成開口O。

如第3F圖所示，設置鋁膠142於開口O內。亦可在形成鋁膠142之前或之後，形成銀膠172於抗反射層180上。最後，進行燒結步驟，燒結鋁膠142與銀膠172，以形成如第2圖所示之鋁局部背面場層150、背面電極層140與正面電極層170，而鋁局部背面場層150位於開口130a、120a下方的半導體基材110內。

第4A-4F圖係繪示依照本發明一實施例之一種太陽能電池之製造方法之各製程階段的示意圖。首先，如第 4A圖所示，提供一半導體基材110，半導體基材110具有一正面110a及一背面110b相對設置。

然後，如第4B圖所示，對正面110a進行粗化製程，再形成硼來源層(boron source layer)BSL於半導體基材110之背面110b的上方。在一實施例中，硼來源層BSL包含硼膠、硼矽玻璃或其組合。硼膠可利用塗佈或印刷方式形成。硼矽玻璃可利用化學氣相沉積方式形成，例如常壓化學氣相沉積(APCVD)。

接著，如第4B-4C圖所示，擴散硼來源層BSL的硼至背面110b下方的半導體基材110內，以形成硼背面場層120於背面110b下方的半導體基材110內。在形成硼背面場層120之後，移除硼來源層BSL。在一實施例中，擴散硼來源層BSL的硼至背面110b下方的半導體基材110內步驟與擴散磷至正面110a下方的半導體基材110內以形成摻雜層160步驟係於同一次熱處理程序中進行。如此一來，可減少製程步驟。具體而言，可將如第4B圖所示的結構置入高溫爐管中，再通入三氯氧磷(POCl₃)與氧氣，以於正面110a下方的半導體基材110內形成摻雜層160，於背面110b下方的半導體基材110內形成硼背面場層120。最後，移除硼來源層BSL，以及擴散磷時所產生的磷矽玻璃(未繪示)。

如第4D圖所示，形成鈍化層130於硼背面場層120的上方。在本實施例中，依序形成第一鈍化層132及第二鈍化層134於硼背面場層120的上方。另外，可形成抗反射層180於摻雜層160的上方，以降低入射光的反射率。在一實施例中，抗反射層180包含氮化矽。

如第4E圖所示，形成開口O貫穿鈍化層130。詳細而言，開口O貫穿第一鈍化層132、第二鈍化層134及硼背面場層120。例如可利用雷射或其他合適的方式形成開口O。

如第4F圖所示，設置鋁膠142於開口O內。亦可形成銀膠172於抗反射層180上。最後，進行燒結步驟，燒結鋁膠142與銀膠172，以形成如第2圖所示之鋁局部背面場層150、背面電極層140與正面電極層170，而鋁局部背面場層150位於開口130a、120a下方的半導體基材110內。

第5A-5F圖係繪示依照本發明一實施例之一種太陽能電池之製造方法之各製程階段的示意圖。首先，如第5A圖所示，提供一半導體基材110，半導體基材110具有一正面110a及一背面110b相對設置。

然後，如第5B圖所示，對正面110a進行粗化製程，再形成摻雜層160於正面110a下方的半導體基材110內。例如可利用高溫擴散，將摻質擴散至正面110a下方的半導體基材110內，而形成摻雜層160。

如第5C圖所示，形成含硼鈍化材料層(boron-contained passivation layer)BPL於半導體基材110之背面110b的上方，然後形成第二鈍化層134於含硼鈍化材料層BPL的上方。含硼鈍化材料層BPL包含硼及鈍化材料。在一實施例中，利用塗佈製程，如噴塗(spray coating)方式，形成含硼鈍化材料層BPL於背面110b的上方。在一實施例中，鈍化材料包含氧化鋁、氧化矽、氮氧化矽或其組合，但不限於此。在一實施例中，第二鈍化層134包含氮化矽。另外，可形成抗反射層180於摻雜層160的上方，以降低入射光的反射率。

如第5D圖所示，形成開口O貫穿第二鈍化層134及含硼鈍化材料層BPL。例如可利用雷射或其他合適的方式形成開口O。

如第5E圖所示，設置鋁膠142於開口O內。亦可形成銀膠172於抗反射層180上。然後，進行燒結步驟，燒結鋁膠142與銀膠172，以形成如第5F圖所示之鋁局部背面場層150、背面電極層140與正面電極層170，而鋁局部背面場層150位於開口O下方的半導體基材110內。值得注意的是，在燒結鋁膠142與銀膠172的時候，如第5E圖所示的含硼鈍化材料層BPL的硼會擴散至背面110b下方的半導體基材110內，而形成如第5F圖所示的硼背面場層120。在含硼鈍化材料層BPL的硼釋出之後，也就形成了如第5F圖所示的第一鈍化層132。也就是說，在本實施例中，不需另移除含硼鈍化材料層BPL，故可減少製程步驟。

根據上述可知，本發明之製造方法皆不需運用到半導體製程的微影蝕刻技術，即可製作出硼背面場層及鋁局部背面場層。因此相對於需運用到微影蝕刻技術形成太陽能電池的製造方法，本發明的製造方法可大幅降低製程成本，極具有實用性。

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。