CN101312223A

CN101312223A - 应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法

Info

Publication number: CN101312223A
Application number: CNA2007101048084A
Authority: CN
Inventors: 黄文瑞; 林进章
Original assignee: Guoshuo Science & Technology Industrial Co Ltd
Current assignee: Guoshuo Science & Technology Industrial Co Ltd; Gigastorage Corp
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-26

Abstract

本发明揭露了一种薄型化太阳能电池的方法，可减低太阳能电池制作成本。本发明具体涉及应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其采用溅镀工艺于太阳能电池基板上形成缓冲层以降低或消除其应力。

Description

应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池的制造工艺，特别关于制造薄形化太阳能电池的方法。

背景技术

近年基于工业高度发展，使得地球上化石能源快速枯竭，且导致环境污染日趋严重。因此，世界各国基于能源需求与环保压力，皆致力于发展替代能源。太阳能对现今人类而言为可利用之最丰富资源，且具有不需运输成本，清洁环保以及对地球不增加热负载等优点。基于上述优点，太阳能为现今最具开发潜力之清洁再生能源之一。

太阳能电池(solar cell)是利用光伏效应(photovoltaic effect)，将太阳光能转换为电能的半导体组件。基本上任何半导体的二极管皆可将光能转换成电能，而太阳能电池产生电能是基于光导效应(photoconductive effect)与内部电场两因素。因此，选择太阳能电池的材料时，必须考虑其材料的光导效应及如何产生内部电场。

如人们所熟知的，光照射于物质上时，一部光将为物质吸收，其他部分则经由反射或穿透而离开物质。基于此原理，选取太阳能电池的材质考虑之一为吸光效果较佳的材质，如此能使输出功率增加。太阳电池性能的高低主要以光电之间的转换效率来评断，而影响转换效率的因子包含太阳光强度、温度，材料的阻值与基质的质量、缺陷密度，PN接面(PN Junction)的浓度、深度，表面对光反射率的大小，金属电极的线宽、线高、接触电阻等。故对各种影响因子须严密控制才得以制造具高转换效率的太阳电池。

转换效率与成本为现今制造太阳能电池所选用半导体材料的主要考虑因素。纵观目前市场上的太阳能电池，以硅为原料的太阳能电池市占率为大宗。依晶体结构分类，分别为单晶太阳能电池、复晶太阳能电池以及非晶型太阳能电池等三种。以转换效率而言，目前仍以单晶硅太阳能电池为较高，约为25％的转换效率，复晶硅则近似次之约为20％，非晶型硅则大约为15％左右。使用其它化合物半导体来做为光电转换基板，例如III-V族的砷化镓(GaAs)，转换效率则可高达26％以上。

太阳能电池的转换效率与制作成本依照其结构及制程步骤之不同而有所显著差异，高效率的太阳能电池通常结构复杂，制程步骤繁复，需要使用多道光罩及多道高温制程，而且使用载子生命期长但是价格昂贵的FZ(Floating zone)级硅芯片，制作成本也就相对提升，较不适用于量产。目前晶片大多由拉伸法(Czochralski Method)所制造，而后将所制成的硅晶棒切片(slice)成晶片，成为硅太阳能电池的基板。成本仍为硅太阳能电池工业最主要的考虑因素。现今硅太阳能电池典型厚度为200至300微米，若能减低其硅基板厚度，则于量产上可降低其成本。

虽减少硅基板厚度得以降低制造成本，然，厚度太薄则容易产生弯曲形变，变形程度会随尺寸上升而扩大翘曲的程度。但是目前尚未有任何有效方法解决上述问题。是以，克服基板变薄所导致的形变，为当务之急。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一制作薄形化太阳能电池的方法，利用溅镀法在太阳能电池基板上形成作为缓冲层的薄膜，达到减少基板厚度同时消除或降低基板翘曲的目的。

根据本发明的方法，由于使用溅镀法形成氧化硅层(Si_XO_Y)或氮化硅层(Si_XN_Y)或氮氧化硅层(Si_XO_YN_Z)或上述之堆栈结构组合于太阳能电池基板背面，改变了太阳能电池基板的结构应力，可提供厚度在200微米以下太阳能电池基板。

所以，本发明提供了一种应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，该方法包括：

使用溅镀法于太阳能电池基板上形成氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氮氧化硅薄膜或上述的组合。

根据本发明的方法，于溅镀过程中导入氩气作为载气，并利用氧气或氮气作为反应气体。而所述的溅镀工艺包括直流溅镀法或其他可行方法。

根据本发明的方法，所述溅镀工艺使用的标靶材质包含硅，且该硅标靶的纯度约为95.0％至99.999999％，该标靶的颗粒粒径约为0.05微米至1.0微米。

根据本发明的方法，优选地，溅镀过程中控制太阳能电池基板的温度为摄氏250至350度。所述的溅镀方法的沉积速率可为1至10nm/sec。

根据本发明的方法，所述的形成薄膜的厚度可至少为50nm。

根据本发明的方法，溅镀过程中反应气体与载气气体的比例约为5∶1至1∶1。

可以看到，本发明的一优点为藉由上述的方法，于太阳能电池基板上可生成缓冲层，改变太阳能电池基板应力结构，而可利于制作薄形化太阳能电池。于制作太阳能电池基板时将消除或降低基板翘曲现象。再者，降低太阳能电池基板厚度，更可减少硅材的成本。

本发明另一优点为可减低制造成本。基于一般的习知技术可知，半导体制造中，化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)为典型的沉积薄膜技术，更为主要沉积薄膜技术，举凡半导体组件中所需的薄膜，不论为导体、半导体、或是介电材质(Dielectrics)，通常使用化学气相沉积法沉积薄膜。而化学气相沉积法的设备成本上亿，不利于太阳能电池的制造，且违反成本降低的指导原则。

而溅镀法(Sputtering Deposition)典型仅为用于沉积某些金属材质的薄膜，且其材质均匀度特性较比化学气相沉积法所制作的薄膜差。然，尚未有人采用溅镀法制作非导电薄膜于太阳能基板上，而本发明是于制造工艺中采用溅镀技术制作缓冲层以改善基板应力。该缓冲层的结构由氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或上述之堆栈结构所组合，位于太阳能电池基板上，不须使用化学气相沉积法生长薄膜，便可达到更佳之功效。因化学气相沉积法或热氧化法于制程的成本皆比溅镀法高。因此，本发明更可显着降低制造之成本。

附图说明

图1为用于说明本发明制作的太阳能电池结构的结构图。

图2至图4显示本发明的实施例中制作薄形化太阳能电池的方法的示意图。

主要组件符号说明：

100太阳能电池 102表面电极 104抗反射层

108背面电极 200太阳能电池 202表面电极

204抗反射层 206缓冲层 208背面电极

具体实施方式

本发明将配合其较佳实施例与随附图示对发明内容详述于下，但应理解，发明中所有的较佳实施例仅为例示之用，除文中的较佳实施例外，本发明亦可广泛地应用在其它实施例中，且本发明并不受限于任何实施例。

贯穿本专利说明书中，『较佳实施例』意指描述关于较佳实施例的特殊特征、结构或特性，在本发明中，其较佳实施例数目，至少为一个。因此，本说明书中出现『较佳实施例中』，不必完全参照同一实施例。再者，其特殊特征、结构或特性可使用任何适当方法混合于较佳实施例中。

参照图1，为一具有背面场效应(Back Surface Field，BSF)结构的太阳能电池100概要图。一般而言，太阳能电池所使用的基板，可为N型或P型半导体，然而因为P型半导体中的少数载体扩散距离比N型中少数载体空穴要长，故为了加大太阳能电池的短路电流(即为光电流)，一般皆使用P型半导体。以上所描述内容为一例示，非用以限定本发明。

太阳能电池100表面因为减少其串联电阻，一般参杂杂质为N⁺层，作为PN⁺接合面。为增加其短路电流，须增强短波长的应答性，减低PN接合面深度，并使太阳能电池表面再结合速度减小，使其短波长领域感度增加，则N⁺层须变薄。为避免少数载体在表面电极102处再结合，使转换效率变低，通常于背面电极108形成一P⁺层，成一N⁺PP⁺构造，使背面PP⁺层增加能阶差，增大扩散距离。此时表面电极102上不再发生再结合，改善长波长领域的感度，增大光电流，且PP⁺层间的能量差也使其开路电压增大。而此P⁺层为一选择性结构，非用以限定本发明。

抗反射层(Anti-Reflection Coating)104为用于封存光的构造。因硅在波长四百至一千一百纳米的区域内有6.00至3.50的折射率，因此，于短波长区域有54％，而长波长区域内有34％的反射损失。为减少反射损失，通常使用折射率不同的材质作为防反射层。

参照图2，为根据本发明较佳实施例，提供背面场效应结构的太阳能电池200概要之结构。其太阳能电池的基板为P型半导体，抗反射层204形成于N⁺层上，且表面电极202局部形成于N⁺层上。此太阳能电池200的基板厚度约为200微米以下。应用于本发明的太阳能电池基板材质可为任何合适的材质，包含但不限于硅、玻璃或不锈钢……以及上述材质的组合。

经本案发明人的研究结果，采用氧化硅层(Si_XO_Y)、氮化硅层(Si_XN_Y)、氮氧化硅层(Si_XO_YN_Z)或其组合涂布于基板背面作为缓冲层将有效抑制结构应力而减缓甚至消除基板翘曲现象。这对于薄形化基板的量产性而言为一道曙光，而此缓冲层的厚度端视基板厚度而定。传统半导体技术通常采用化学气相沉积法制作上述材质，然此化学气相沉积法所费不赀，因此对于太阳能电池而言不具量产性。溅镀法(Sputtering)通常仅用于沉积金属材质薄膜。然，对于太阳能薄膜而言，均匀度并非主要的考虑因子。所以，本发明特征之一是采用溅镀法于太阳能电池基板上制作氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层，而不须使用化学气相沉积法生长薄膜便可达消除变形目的且具量产效果。化学气相沉积法或热氧化法在制作过程的成本皆比溅镀法高，因此，本发明更可显着降低制造成本。

参照图3和图4，就一较佳实施例而言，所说的缓冲层206可以溅镀法形成于P⁺层下方。于较佳实施例中，可使用直流溅镀法，选择由硅块材所组成的标靶(target)进行溅镀。硅标靶的形状可为圆盘、方形、或管状。此硅标靶的纯度约为95.0％至99.999999％。而硅标靶的颗粒粒径一般为0.05至1.0微米。当颗粒粒径大太或不均匀时，所生成的薄膜将不具有所需均匀纹理或薄膜厚度。本发明的标靶的颗粒粒径可为任何值或介于以上所示例值间之任意值。

于过程中通入载气气体，于此较佳实施例中依据所要沉积的材质，导入使用氩气(Ar)作为载气气体，以及氧气或氮气等溅镀反应气体(Sputtering Gas)，于太阳能电池基板背面溅镀膜层，且控制太阳能电池200的基板温度约为300℃。根据较佳实施例，溅镀反应气体与载气气体的比例约为5∶1。其溅镀反应气体的流量可从50到200sccm，而载气气体的流量可从10到40sccm，以5nm/sec的沉积速率沉积薄膜。如图3所示，于太阳能电池200的基板背面形成氧化硅层，作为一缓冲层206。亦可形成氮化硅层或氮氧化硅层，视其需求而定。缓冲层206的厚度约为100nm。以本发明的方法所形成的薄膜可具有任何所需的厚度，视其应用而定。

而后，于该太阳能电池200的基板背面形成电极208。在典型的太阳能电池制造过程中，一般使用蒸镀法(Evaporation)、电镀法(Electroplating)或网版印刷法(Screen printing)等。如众所了解，制作太阳能电池的典型工艺中，也应包括清洗(Cleaning)、Texture、扩散(Diffusion)、光罩(photo-mask)以及抗反射层制作等等若干步骤。此为制造太阳能电池所需的工艺，但为避免模糊本发明焦点故不赘述，此应为了解该项技艺者所应了解。

除较佳实施例或另有他指，应可了解本专利说明书与权利要求书所用的相关参数，于所有实施例中皆以约略值表示。于本发明所揭露的各种数字范围是连续的，其包括介于最小值与最大值间任一值。除另有陈述，在本发明中所列各种数字范围均可为近似值。

本发明以较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明所主张的专利权利范围。凡熟悉此领域的人士，在不脱离本专利精神或范围内，所作任何更动或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims

1、一种应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，该方法包括：

2、如权利要求1所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，于溅镀过程中导入氩气作为载气，并利用氧气或氮气作为反应气体。

3、如权利要求1所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，所述的溅镀工艺包括直流溅镀法。

4、如权利要求1所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，所述溅镀工艺使用的标靶材质包含硅，且该硅标靶的纯度为95.0％至99.999999％，该标靶的颗粒粒径为0.05微米至1.0微米。

5、如权利要求1所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，溅镀过程中控制太阳能电池基板的温度为摄氏250至350度。

6、如权利要求1所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，所述的溅镀方法的沉积速率为1至10nm/sec。

7、如权利要求1所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，所述形成薄膜的厚度可至少为50nm。

8、如权利要求1或2所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，溅镀过程中反应气体与载气气体的比例为5∶1至1∶1。

9、如权利要求1或2所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，溅镀反应气体的流量为从50到200sccm。

10、如权利要求1所述的应用溅镀工艺在太阳能电池基板上制作薄膜的方法，其特征在于，载气气体的流量为从10到40sccm。