CN101312219A - 太阳能电池 - Google Patents

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    • Y02E10/547Monocrystalline silicon PV cells

Abstract

一种太阳能电池,包括:基板,于基板之中具有p-n掺杂结构;缓冲层,形成于基板之上;凹槽图案,形成于缓冲层之中,缓冲层的材料包含但不限定为氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNX)、氮氧化硅层或其组合,缓冲层的优选厚度为50-70纳米,且以溅镀法形成所述缓冲层;金属层,形成于缓冲层之上,并填入凹槽图案。

Description

太阳能电池
技术领域
本发明有关于一种太阳能电池(Solar Cell),特别是有关于一种藉由于硅晶片背面形成缓冲层,以降低基于薄型化太阳能电池所产生的结构应力,进而有效地改善基板应力所导致的弯曲现象的太阳能电池。
背景技术
近来世界能源的短缺导致油价不断的飙涨,全球各个国家莫不积极地投入节能产品的开发,例如太阳能电池(Solar cell)便是这一趋势下的产物。在石油以及环保(全球温室效应)问题之下,使得全球的太阳能电池销售额成数倍的成长。太阳能电池是一种利用光能转换为电能的光电半导体组件,其转换机制为:太阳辐射照射于太阳能电池之上,使得电子与空穴分别移动至p-掺杂区(p-doped region)以及n-掺杂区,而造成二区域间产生电压差及电流。由于转换效率的快速,因此只要照射光于组件上,瞬间就可以输出电压与电流。此外,在太阳能电池的转换机制中,其转换效率取决于内部的电子、空穴移动速率以及外部的取光面积,其中内部的电子、空穴移动速率主要是由太阳能电池的组成材料来控制。换言之,太阳能电池的转换效率主要是由p-掺杂区以及n-掺杂区的结构以及质量来决定,当其中有缺陷存在时,太阳能电池的转换效率将会大幅度地降低。
目前最常用的太阳能电池原料以硅(silicon)为代表,而依照结构的不同,上述硅原料包括单结晶硅(Single-crystal)、多结晶硅(Poly-crystal)与非结晶硅(Amorphous),所形成的太阳能电池分别称之为单结晶硅太阳能电池、多结晶硅太阳能电池以及非结晶硅太阳能电池。其中单结晶硅的转换效率最高,多结晶硅的切割较不易,而非结晶硅价格便宜、无需封装并且形成最快。另外,非结晶硅的转换效率太低、产品寿命太短,因此,太阳能电池制造原料大半以单结晶硅与多结晶硅为主。
目前太阳光电产业的发展重点在于如何节省材料并提高转换效率。由于硅晶价格昂贵,并且目前全世界的太阳能电池有90%是由硅晶原料作为其基板。此外,太阳能收集板背面都贴附一金属片,以作为太阳能转为电能过程的连接电路。由于金属片造成电能的流失,该电路使得太阳能电池实际功率变低。因此,为了改良收集功率,必须减少太阳能板与导电金属板之间的接触面积。一种可行方式为在上述两层板之间加入绝缘板,再于需要通电的部位穿孔,使得导电接触面积变小。举例而言,德国Fraunhofer ISE研究所,已经制造出转换效率达20.2%的硅晶太阳能电池,其是采用激光烧结接点(Laser FiredContacts:LFC)工艺来减少接触面积,其步骤大略为:于太阳能电池的背表面之上蒸镀铝层与绝缘层(passivation layer),然后利用激光打穿铝层以形成导电接点。激光烧结方法可以有效地解决原先电能流失的问题,并且利用激光烧结接点技术,不需要利用传统昂贵的微影、蚀刻技术于硅晶板背面的绝缘层中形成洞(holes)图案,以容纳铝质电极。因此,激光烧结接点工艺成本低、节省材料并且速度快。每一单位太阳能板只需约一秒钟的时间,并且适用于每一种厚度的硅晶板,因此,非常适合工业大量生产的工艺。
利用激光烧结接点技术,可以在硅芯片制造出高转换效率的太阳能电池。高效率太阳能电池可以应用于太空工业。然而,超薄硅芯片制造的太阳能电池,由于厚度过于薄,因此容易出现受到外力而产生芯片弯曲的现象,结果间接影响整个太阳能电池的结构、转换效率以及可靠度。
因此,基于上述的问题,以及因应极薄硅芯片制造太阳能电池的需求,从制造过程技术来改善太阳能电池的转换效率已成为重要的发展方向,故此,本发明将提出一种防止极薄硅芯片弯曲的具有高转换效率的太阳能电池结构及其制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高转换效率、薄型化的太阳能电池。
本发明的再一目的在于提供一种防止极薄太阳能基板弯曲的结构及其制造方法。
本发明的又一目的在于提供一种可以简化工艺以适用于大面积的太阳能电池。
本发明提供了一种太阳能电池,其包括:基板,例如晶片,以利于在其中制作太阳能电池(solar cell),于基板中形成具有p-n掺杂结构,可通过离子注入技术注入离子于基板之中形成该p-n掺杂结构。缓冲层,形成于基板背面,其中该缓冲层具有凹槽图案(凹槽)形成于其中。金属层,形成于缓冲层之上,并填入凹槽图案。缓冲层的材料包含但不限定为氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNX)、氮氧化硅层或其组合。举例而言,缓冲层的优选厚度为50-70纳米。本发明是利用溅镀法形成上述缓冲层。
上述凹槽图案是藉由激光槽切工艺所完成。在一实施例中,其中凹槽图案的宽度为25-40纳米、深度为30-50纳米以及间距为320至400纳米。其中上述的金属层包括第一金属层与第二金属层,其可通过二阶段完成,第一阶段是利用蒸镀、溅镀或热浸镀的方法形成较薄的第一金属层填满凹槽图案,第二阶段是利用网印的方法于第一金属层之上形成较厚的第二金属层。其中第一金属层的厚度为1.5-3.0微米,第二金属层的厚度为25-40微米。
本发明的太阳能电池,还可进一步包括形成于金属层之上的抗反射层。
本发明的太阳能电池,藉由于硅晶片背面形成缓冲层,可降低基于薄型化太阳能电池所产生的结构应力,进而有效地改善基板应力所导致的弯曲现象。
附图说明
通过以下详细的描述并结合附图,将可轻易的了解上述内容及本发明的诸多优点,其中:
图1为根据本发明的于硅晶片之中形成p-n掺杂结构的截面示意图。
图2为根据本发明的于硅晶片之上沉积缓冲层的截面示意图。
图3为根据本发明的于缓冲层之中形成多个凹槽图案的截面示意图。
图4为根据本发明的于上述缓冲层与晶片之上沉积第一金属层的截面示意图。
图5为根据本发明的于第一金属层之上沉积第二金属层的截面示意图。
图6为根据本发明的于第二金属层之上形成抗反射层的截面示意图。
图中主要符号说明:
100硅晶片            101n-掺杂区      102p-掺杂区      103缓冲层
104凹槽(凹槽图案)    105第一金属层    106第二金属层    107抗反射层
具体实施方式
本发明的一些实施例详细描述如下。然而,除了详细描述的实施例外,本发明可广泛在其它的实施例中施行,且本发明的主张范围并不受限于下述的实施例。再者,为提供更清楚的描述及更易理解本发明,附图中各部分并没有依照其相对尺寸绘图,不相关的细节部分也未完全绘出,以求附图的简洁。
请参考附图,其中所显示仅仅是为了说明本发明的优选实施例,并非用以限制本发明。在小型化极薄硅芯片的太阳能电池结构中,为了不使超薄硅芯片形变,本发明经研究发展发现可以于硅芯片背面形成特殊材质缓冲层藉以改变结构应力,强化整体太阳能电池结构,改善太阳能电池结构抗应变或应力的能力。且本发明可进一步利用形成一抗反射层于硅晶片背面,此抗反射层得以有效的反射未被吸收的光,以增加内部转换效率。
举例而言,上述缓冲层材料层的主要组成成分包括二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
在一实施例中,藉由改变基板材料(例如:碲化镉、砷化镓、砷化镓铟等)以及利用非平面化的吸收光表面以增加有效吸光表面积,以增加太阳能电池的转换效率,这也为本发明的概念所涵盖。
本发明的太阳能电池,包括:基板100,例如硅晶片100,以利于于其中制作太阳能电池。其包含n-掺杂区101以及p-掺杂区102的p-n掺杂结构,形成于硅晶片100之中。缓冲层103,形成于硅晶片100背面,用以改善薄型化太阳能基板的结构应力。缓冲层103的材料经本发明的研究与发现,采用氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNX)、氮氧化硅层或其组合将有利于减缓结构应力防止基板变形。举例而言,缓冲层103的优选厚度为50-70纳米。本发明特征之一是利用溅镀法形成上述缓冲层。凹槽(凹槽图案)104,形成于缓冲层103之中。金属层包括第一金属层105与第二金属层106,贴附于缓冲层103。其中第一金属层105填入凹槽图案104,而第二金属层106形成于第一金属层105之上。此外,抗反射层107得以选择性地形成于第二金属层106之上,请参考图6。
本发明的太阳能电池制造包括以下的步骤。首先,预备一基板,例如晶片。举例而言,晶片为[100]结晶方向、电阻率为1.2欧姆-公分(ohm cm)的p-型基底硅晶片100。晶片100的尺寸大小可以依照实际应用来选定,例如为直径150mm、前缘127mm的硅晶片。而硅晶片100的厚度例如为80-180微米(micro-meter)。
然后,硅晶片100通过一非等向蚀刻,此为标准的光刻(photo-lithography)、蚀刻(etch texture)工艺,目的在于使得硅晶片100具有粗糙化组织结构(texture),以减少入射光的反射而提高太阳能电池的取光效率。其蚀刻溶液例如为氢氧化钠(NaOH)溶液,其环境温度可以大约为90℃。蚀刻结束后可以依序浸泡氢氟酸、氯化氢进一步清洗硅晶片,再以去离子水清洗晶片表面杂质。
接着,执行离子注入以注入n-型离子(例如磷离子)以及p-型离子(例如硼离子)以于晶片100之中分别形成n-掺杂区101以及p-掺杂区102,结果形成太阳能电池的p-n掺杂结构,请参考图1。上述形成n-型离子步骤可以利用通入磷酸蒸气(POCl3)、氧气(O2)气体于扩散炉管中进行,其环境温度可以利用石英管、镍铬丝三段加热至900-1100℃。
于形成p-n掺杂结构之后,利用一非等向蚀刻以去除形成于晶片100上的氧化层(native oxide layer),其蚀刻溶液可以利用氢氧化钠(NaOH)溶液,其环境温度可以大约为90℃。同样地,蚀刻后可以依序利用氢氟酸、氯化氢进一步清洗硅晶片100,然后再以去离子水清洗晶片100表面杂质。
接着,将晶片100置放于炉管(furnace)中进行退火(annealing)工艺,使得p-n掺杂结构中的p-型与n-型离子可以更均匀的分布于各自的掺杂区域中。同样地,其环境温度可以利用石英管、镍铬丝三段加热至900-1100℃。
之后,沉积一缓冲层(buffer layer)103,请参考图2。缓冲层103的材料包含但不限定为氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNX)、氮氧化硅层或其组合。举例而言,缓冲层103的优选厚度为50-70纳米。本发明是利用溅镀法形成缓冲层。缓冲层103也可利用传统方法利用通入氧气(O2)、氮气(N2)、或者是氧气和氮气于反应室(chamber)中,而通过化学气相沉积(CVD)、等离子体化学气相沉积(PECVD)方法,而于硅晶片100之上形成上述氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或其组合。但该方法比较昂贵,其中氮化硅层的反应气体(GasSource)包括SiH4(Silane)、NH3、N2、H2,其作为绝缘层及缓冲层,硬度与抗水气较佳,亦即其为优选的缓冲层,不过其具有较高的介电常数。
接着,于缓冲层103上表面进行一激光槽切(Laser Grooving)工艺,于缓冲层103之中形成多个凹槽图案104,请参考图3。换言之,通过激光装置切割缓冲层表面形成多个凹槽104,激光装置例如为氩激光(Ar Laser),功率例如为50瓦(W)。举例而言,每个凹槽图案的宽度为25-40纳米、深度为30-50纳米;此外,凹槽图案104包括第一部分凹槽,其间距为320至400纳米,平行分配于整个缓冲层的表面,以及第二部分凹槽,该第二部分凹槽垂直第一部分凹槽,其间距为320至400纳米。另外,激光剥离的方法也可以通过底下的几种激光种类来完成,例如:(1)Q-开关红宝石激光(Q-switchedruby laser):其可发出波长为694nm的红光,脉冲期间为20到50n-sec,输出能量可以达到10J/cm2;(2)Q-开关亚力山大激光(Q-switchedAlexandrite laser):其可发出波长为755nm的不可见光,脉冲期间为50到100n-sec,最大频率为1Hz;(3)Q-开关铷/雅各布激光(Q-switched Nd:YAGlaser):其可发出波长为1054nm波长的不可见光,脉冲频率为50kHz;(4)倍频Q-开关铷/雅各布激光(Frequency-doubled Q-switched Nd:YAG laser):将Q开关铷/雅各布激光束通过potassium titanyl phosphate(KTP)的晶体,激光的频率可以增为二倍,而波长则减半为532nm。
一般而言,激光槽切进行中会导致缓冲层/硅碎片(silicon debris)形成于晶片100表面以及凹槽侧壁,结果造成晶格缺陷或瑕疵。因此,激光槽切之后会进行一凹槽清洗工艺,其可以利用溶液侵蚀以溶解缓冲层/硅碎片,其蚀刻液例如为氢氧化钠和/或氢氧化钾(NaOH/KOH)溶液,环境温度约为45-60℃。此外,由于氢氧化钠/氢氧化钾(NaOH/KOH)溶液不会蚀刻缓冲层(例如SiNO4),若有需要,依此若欲蚀刻凹槽侧壁至某一深度,必须使用其它的蚀刻液。同样地,蚀刻结束后可以依序浸泡氢氟酸、氯化氢进一步清洗硅晶片,再以去离子水清洗晶片表面杂质。
然后,于上述缓冲层103与晶片100之上沉积第一金属层105,并填满凹槽104。所述第一金属层105的材料包含但不限定于铝(aluminium)或其合金,其沉积方法是利用蒸镀、溅镀(evaporation or sputtering)或热浸镀一较薄的铝金属层所完成,其厚度大约为1.5-3.0微米,请参考图4。接着,于第一金属层105之上沉积第二金属层106,其是利用网印(screen printing)一较厚的铝金属层所完成,其厚度大约25-40微米,请参考图5。一般而言,第二金属层106为一选择性步骤,其厚度远大于第一金属层105的厚度。若需要可以利用去离子水清洗或去除铝粉末(dust)。
然后,选择性地于第二金属层106之上形成一抗反射层107,请参考图6。举例而言,所述抗反射层包括氮化硅(SiO2)、氧化铈(CeO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)或氮化硅-氧化钛(SiO2-TiO2),其可以通过化学气相沉积(CVD)、等离子体化学气相沉积(PECVD)方式形成。上述抗反射层的厚度大约为0.06-0.1微米。
由前述可知,在小型化极薄硅芯片的太阳能电池结构中,硅晶片厚度约为80-180微米,因此,由于过薄的晶片厚度容易因外力而发生形变。本发明主要在于于晶片100背面形成一缓冲层103以改变薄型化硅基板的结构。
之后,进行一烧结工艺(aluminium sintering),其是为了提高太阳能电池p-n掺杂结构的致密度以减少晶片中硅的断键,亦即所谓的悬垂键(dangling bond)。实施上可以将硅晶片置入一石英管之上加热至某一温度,例如400-500℃,并通入氢气(H2)、氮气(N2)、或者是氢气和氮气,至少25分钟。上述悬垂键(dangling bond)的能阶位置刚好在能隙的中间。由于这些悬垂键只具一电子,可失去一电子或再容纳一电子,因此形成缺陷,提供电子-空穴做为复合中心,使得载体生命期缩短而材料特性变差。举例而言,掺杂的磷或硼原子所释出的电子或空穴,可能被这些缺陷捕捉,导电度无法改变,因而无法形成p-n接面。
同理,铝金属烧结工艺结束后可以依序浸泡氢氟酸、氯化氢进一步清洗晶片,再以去离子水清洗晶片表面杂质。
本发明以优选实施例说明如上,然其并非用以限定本发明所主张的保护范围。凡熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明的精神或范围内所作的更动或润饰,均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计,且应包含于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池,其特征在于,该太阳能电池包括:
基板,包含p-n掺杂结构形成于该基板中;
缓冲层,形成于所述基板的背面,且该缓冲层中具有凹槽;以及
金属层,附着于所述缓冲层,并填入所述凹槽。
2.权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述基板包括硅晶片。
3.权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述缓冲层的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或它们的组合。
4.权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述凹槽是藉由激光槽切工艺所完成。
5.权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述金属层为铝金属或铝合金。
6.权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述金属层包括第一金属层与第二金属层。
7.权利要求6所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述第一金属层是利用蒸镀、溅镀或热浸镀的方法所形成。
8.权利要求6所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述第二金属层是利用网印的方法形成于所述第一金属层之上。
9.权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,该太阳能电池还包括形成于所述金属层之上的抗反射层。
10.权利要求9所述的太阳能电池,其特征在于,其中所述抗反射层的材料包括氮化硅、氧化铈、氧化铝、氮化硅或氮化硅-氧化钛。
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