CN102468369B - 在太阳能电池表面形成金属电极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种在太阳能电池表面形成金属电极的方法，包括：提供太阳能电池基板的半成品，半成品是指经过结构化、掺杂制程以形成含有第一型导电性杂质的掺杂层，并在掺杂层的上面形成抗反射层；将第一金属浆料网印在抗反射层的表面上，形成若干条栅线，第一金属浆料的成分至少包含用来穿透抗反射层的玻璃介质；将第二金属浆料网印在抗反射层的表面上，形成二条总线，其中第二金属浆料的成分排除用来穿透抗反射层的玻璃介质；进行烧结处理，使第一及第二金属浆料印制的栅线及二条总线固定在抗反射层上，而仅有第一金属浆料穿透抗反射层与掺杂层形成欧姆接触。相较现有技术，本发明提供的方法可以使太阳能电池制程成本降低。
Description
技术领域
本发明是关于一种在太阳能电池表面形成金属电极的方法，特别是指在太阳能电池吸光面形成电极的方法。
背景技术
近年来，由于环保意识的抬头和其它能源逐渐的枯竭，使得世界各国开始重视再生能源的利用。由于太阳光是取之不尽，用之不竭的天然能源，除了没有能源耗尽的问题之外，也可以避免能源被垄断的问题。
然而，目前太阳能电池的光电转换效率以及其制造成本，还未满足取代目前石化能源的条件，因此，如何增加太阳能源的收集与利用，以降低对石化能源的依赖，是目前最热门的研究课题之一。
图1A～1G为现有的太阳能电池吸光面制程的剖面示意图。首先提供半导体基材1，经过清洗后，将晶片表面的杂质及污染物去除，如图1A。接着，以酸液将基材1表面蚀刻成粗糙面，降低入射光的反射率，使入射光能得以充分利用，如图1B。
接着请参照图1C，P型半导体基材1，在含氧气氛导入含N型导电性杂质的气体，例如P2O5、PH3或PF3的退火炉管进行杂质扩散制程，以在P型半导体基材1上形成掺杂层10，产生光电转换效应所需的P-N接口。与此同时，在N型区域10表层也会同时形成磷的氧化层11(P2O5)，因此，在下一步骤中，需再以蚀刻移除。否则后续制程形成电极后，会增加电极与掺杂层10的串联电阻，如图1D所示。
接着，请参照图1E，为了提高光的转换效率，在掺杂层10上形成一层抗反射层13，紧接着在图1F中显示利用刮板16以网印方式将金属浆料14印制在预定位置。其中，太阳能电池吸光面的电极图案包括相互垂直的总线(busbar)及栅线(gridline)。
现有技术是利用网印方式，将总线(busbar)及栅线(gridline)图案一次印刷在太阳能电池吸光面上，最后，以烧结方式，使金属浆料14穿透正面抗反射层13并渗入半导体基材1表层的掺杂层10紧密结合，以形成电极来使电流导出，如图1G所示。
印刷电极所使用的金属浆料14必顸具有以下特点，包括：(1)需在烧结处理中能够穿透抗反射层13，和半导体形成欧姆接触；(2)除了金属本身需具有低电阻之外，和半导体基材形成欧姆接触后，也需要具有低电阻及良好的附着性；(3)由于栅线线宽仅有60至120μm，因此，金属浆料必需易于印刷，避免印刷时发生断线的情况；(4)当金属浆料被印刷于太阳能电池表面时，能够形成厚度(h)高但线宽(L)细的栅线电极，也就是高宽比(h/L)值较大的电极线，以降低遮光效应及金属本身的电阻值，所以，涂布的浆料需要具有足够的内聚力；(5)当太阳能芯片送到模块厂焊导线时，将导线点焊于总线，因此总线要求电阻值必顸要低。
目前所选用的金属浆料至少由三部份组成，包括银粉、硼硅酸铅玻璃介质(leadborosilicateglassfrit)及有机物。其中，硼硅酸铅玻璃介质(leadborosilicateglassfrit)就是在进行后续烧结处理时，用来穿透抗反射层，使银可以和硅形成良好的欧姆接触。
然而，此种含有硼硅酸铅玻璃介质成分的金属浆料的价格昂贵，增加成本上的负担。并且，由于总线的线宽大约2至3mm，所使用的金属浆料较多，导致在烧结过程中，金属浆料除了穿透抗反射层之外，也容易穿透太阳能电池内部P/N接口，造成短路，严重损害太阳能电池的光电转换效率。除此之外，总线本身的电阻值也会因为含有硼硅酸铅玻璃介质而增加，影响点焊导线效果。
请参照图2A至2I，在美国专利公告号第5726065号中，提供一种分两步骤形成太阳能电池吸光面电极的制程方法，在网印栅线及总线时，均不使用含玻璃介质成分的银胶。图2A至图2C中，形成掺杂层20及二氧化硅层21后，请参照图2D，先在预定形成栅线的位置，网印一主要由二氧化钛及丁基卡必醇(butylcarbitol)组成的罩幂胶22。接着，形成一抗反射层23于其上，如图2E。再将其浸泡于一有机溶剂中，使涂布罩幂胶22的部份连同抗反射层23一并被移除，在预定涂布栅线的部份形成栅线图案开口24，裸露出二氧化硅层21。之后，再以抗反射层23为罩幂，移除栅线图案开口24中的二氧化硅层21，如图2F。图2I，在太阳能电池基板2背面形成另一掺杂层8及背电极9之后烧结。
图2G的制程即表示以网印方式将银胶25涂布于栅线图案开口24内，以在后续制程中形成栅线电极线25，此后，图2H显示同样以网印方式涂布银胶26，以在后续烧结处理中形成总线电极线26。
现有技术所采用的方式，虽然可以不使用具有玻璃介质的金属浆料，但制程繁琐，包括需要先使用罩幂胶，再利用化学蚀刻液将罩幂胶及抗反射层同时移除，以创造出栅线图案开口。另外，将银胶涂布于栅线图案开口中时，也牵涉到网印过程中，银胶是否对准栅线图案开口的问题，增加整体制程的困难及复杂度。
因此，如何降低整体制程成本，并保证在烧结过程中，太阳能电池内部的P/N接口不会被金属浆料蚀穿，又能改善导线点焊于总线电极的状况，使导线和总线具有更好的电性接触，同时又不致增加制程的复杂程度及困难程度，为本发明所欲解决的问题。
发明内容
本发明提供一种制程简单、成本低的在太阳能电池表面形成金属电极的方法。
一种在太阳能电池表面形成金属电极的方法，包括：
提供太阳能电池基板的半成品，该半成品是指该掺杂第一型导电性杂质的太阳能电池基板已经过结构化、掺杂制程以形成掺杂层，并在该掺杂层的上面形成抗反射层；
将第一金属浆料以网印方式印制在该抗反射层的表面上，形成若干条栅线，该第一金属浆料的成分至少包含用来穿透该抗反射层的玻璃介质；
将第二金属浆料以网印方式印制在该抗反射层的表面上，形成二条总线，其中该第二金属浆料的成分排除用来穿透该抗反射层的玻璃介质；及
进行烧结处理，以使第一及第二金属浆料印制的栅线及二条总线固定在抗反射层上，其中仅有该第一金属浆料穿透该抗反射层与该掺杂层形成欧姆接触。
在本发明的一个实施例中，上述的第二金属浆料被网印于太阳能电池基板表面形成二条总线时，二条总线的厚度大约10至20μm。并且，第一及第二金属浆料的成分均包括导电金属粉末及有机物。
在本发明的一个实施例中，在太阳能电池基板吸光面形成二条总线后，在太阳能电池基板背面以网印方式形成背电极。
本发明提供的另一种在太阳能电池表面形成金属电极的方法，包括：
提供太阳能电池基板的半成品，该半成品是指该掺杂第一型导电性杂质的太阳能电池基板已经过结构化、掺杂制程以形成掺杂层，并在该掺杂层的上面形成抗反射层；
将第二金属浆料以网印方式印制在该抗反射层表面上，形成二条总线，其中该第二金属浆料的成分排除用来穿透该抗反射层的玻璃介质；
将第一金属浆料，以网印方式印制在该抗反射层表面上，形成若干条栅线，该第一金属浆料的成分至少包含用来穿透该抗反射层的玻璃介质；及
进行烧结处理，以使第一及第二金属浆料印制的栅线及二条总线固定在抗反射层上，其中仅有该第一金属浆料穿透抗反射层和掺杂层形成欧姆接触。
这些栅线及二条总线分两步骤印制在太阳能电池基板吸光面上时，需调整刮板行进的方向，使刮板行进的方向分别与这些栅线及二条总线平行。
由于印制总线可选用不含有玻璃介质成分的浆料，而选用导电性较好的金属浆料。因此，本发明所提供的方法可以使太阳能电池制程整体制程成本降低，同时，总线的导电性也能因此而提升。栅线的高宽比(h/L)也不需再因应总线而有所限制，仅需考虑其本身的光遮蔽效应及电阻损失以调整到最佳化，使太阳能电池光电转换效率提高。并且，制程简单，适于太阳能电池量产。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1A至1G为现有的太阳能电池制程的示意图。
图2A至图2I为现有太阳能电池制程的示意图。
图3A至图3I为本发明太阳能电池制程的示意图。
图4A及4B分别为本发明图3F及3G中所使用的网版的俯视图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的在太阳能电池表面形成金属电极的方法的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。
图3为本发明所提供的一种在太阳能电池表面形成金属电极的方法的流程图。首先，从图3A到3E显示了太阳能电池基板3已分别完成清洁及结构化(texturing)，并经过扩散制程，形成导电性杂质掺杂层30，移除表面的杂质氧化层31之后，在太阳能电池基板3的表面上形成抗反射层33的制程。
接着，以网印的方式在太阳能电池吸光面上形成若干条栅线(gridline)和二条总线(busbars)。为了节省成本，并考虑到对栅线和总线的需求不同，本发明所提供的方法中，除了将栅线和总线分成两步骤来印制之外，并选择使用不同的金属浆料。
请参照图3F，利用刮板36将第一金属浆料34以网印方式印制在太阳能电池基板3的吸光面，形成若干条栅线(gridlines)。为了在后续的制程中，第一金属浆料34要能够穿透抗反射层33，并和太阳能电池基板3的掺杂层30形成良好的欧姆接触。第一金属浆料34至少包括导电金属粉末、玻璃介质粉末、有机物、添加剂或溶剂混合而成，其中的玻璃介质粉末即是用来穿透抗反射膜33的主要成分。
由于第一金属浆料34会具有一定的流动性以利于网版印刷，为了避免印刷后图案被破坏，在印刷栅线后，透过干燥炉将太阳能电池基板烘干，以将有挥发性的添加剂及溶剂蒸发掉，让电极可凝固。本发明实施例中，第一金属浆料34的导电金属粉末是选自选自银、铝、铜、钛、金、镍及其任意混合所组成的群组其中的一种，玻璃介质粉末是选自硼硅酸铅玻璃介质，而烘干温度大约150至250℃。
接着，请参照图3G，同样以刮板36将第二金属浆料35以网印方式印制在该太阳能电池基板的吸光面上，形成二条总线(busbars)。在完成总线的印刷后，同样需要透过干燥炉，将太阳能电池基板烘干。
与前述的栅线不同的是，总线电极线不要求一定要和太阳能电池基板3的掺杂层30形成良好的欧姆接触，而是要求电阻值越低越好，以利于模块厂焊接导线。因此，在本发明中，用来印制总线的第二金属浆料35不包括用来穿透抗反射层33的玻璃介质成分，可以大幅降低总线电极线的电阻值。在本发明实施例中，第二金属浆料的成分包括导电金属粉末、有机物、添加剂和溶剂，其中导电金属粉末可选自银、铝、铜、钛、金、镍及其任意混合所组成的群组其中的一种。
另一方面，第二金属浆料35的成本会低于第一金属浆料34，且总线的面积总和及栅线的面积总和，比值大约是1：2，因此，至少有1/3的区域可以选用成本较低，但导电度较高的第二金属浆料来印制。相较于现有技术中，采用一次印刷的制程来说，针对每一片太阳能电池的制程，本发明可以节省超过10％的成本，更有利于大量生产太阳能电池。
此外，针对栅线来说，考虑到电极本身的电阻损失与光遮蔽损失的平衡，要求电极线的线宽要细，但厚度需相对提高，但针对总线而言，线宽细造成电阻增加，反而使模块厂在焊接导线时不易操作。然而，在现有的制程中，总线与电极印刷是一次完成，用来印刷总线电极线的金属浆料仍具有玻璃介质成分，因此无法依各自的特性要求与以优化。
而在本发明中，由于栅极及总线分成两次印刷，栅线和总线电极线的宽度(L)及厚度(h)可以各自选择。栅线电极线的高宽比(aspectratio)具有可以增加的空间；而总线电极可选择金属固含量更佳的金属浆料，且其厚度可以缩减为10至20μm，相较于现有的总线电极线而言，仍然具有较佳的电性。并且，总线电极线的厚度缩减后，可节省更多材料成本，连带的也使太阳能电池的制程成本降低更多。
本发明实施例中，栅线和总线是相互垂直的直线。图4A及图4B分别为图3F及3G中所使用的第一网版40及第二网版41的俯视图。图4A的第一网版40仅具有预定形成若干条栅线的图案400。图4B的第二网版41仅具有预定形成总线的图案410。在印刷栅线及总线时，刮板36的行进方向分别如图4A的箭头A及图4B的箭头B所示。
由于现有技术中，印刷电极线所使用的网版为耗材，在使用1至2万次之后，就必顸更换网版。而目前在业界200MW电池生产线为例，太阳能电池的生产量是每天拾数万片，每日即顸更换网版近十次。长久累积下来，网版所耗费的成本也非常大。因此，在本发明实施例中，印刷栅线时，刮板36的行进方向A和栅线图案开口400平行，而进行总线的印刷之前，需要先调整刮板36的行进方向或是使太阳能基板转动90度，使刮板行进方向B与总线图案开口410平行，可延长每一片网版的寿命，进而降低成本。
当然，在另一实施例中，也可以先将第二金属浆料35网印在太阳能电池基板3吸光面上，以形成二条总线，再将第一金属浆料34网印在太阳能电池基板吸光面上，以形成栅极。但是此种印刷方式，会使栅线重叠在总线上方，在烧结过程中，第一金属浆料内所含有的玻璃介质成分，可能会影响总线的导电度，所以，较佳的作法仍是先完成栅极的印刷之后，再印刷总线电极线。但上述两种制程方法相较于现有技术而言，都可以使制程成本大幅降低，并且，使太阳能电池电极线的电性更好，提升太阳能电池光电转换效率。
请参照图3H，太阳能电池基板3在总线印刷完成并经过干燥炉烘干后，同样以网印方式在太阳能电池基板背面上形成背电极37及涂布铝浆38。
最后，请参照图3I，进行烧结处理，以使第一及第二金属浆料35形成电极并固定在抗反射层33上，其中仅有第一金属浆料34穿透抗反射层33和太阳能电池基板3的掺杂层30形成欧姆接触。
本发明所提供的在太阳能电池表面形成电极的方法具有下列优点：
(1)制程方法简单，并且，降低整体制程成本。由于总线选择不含有玻璃介质成分的金属浆料，总线电极线的厚度也可以降低，从而可以节省材料。此外，再配合印刷时，使刮板行进方向与网版栅线或总线电极线的开口保持一致，可以延长网版使用寿命，减少网版的消耗，连带使制程成本降低。
(2)由于印刷总线的第二金属浆料不含有穿透抗反射层的玻璃介质，因此也降低总线区域蚀穿太阳能电池内部P/N接口的机率。
(3)总线的导电度提高，有利于后续外接导线的制程。
(4)栅线电极的线宽及厚度不需再和总线的线宽一起考虑，可以缩减线宽，增加厚度以使电阻损失及光遮蔽损失降至最低。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种在太阳能电池表面形成金属电极的方法，包括：
提供太阳能电池基板的半成品，该半成品是指掺杂第一型导电性杂质的太阳能电池基板已经过结构化、掺杂制程以形成掺杂层，并在该掺杂层的上面形成抗反射层；
将第一金属浆料以网印方式印制在该抗反射层的表面上，形成若干条栅线，该第一金属浆料的成分至少包含用来穿透该抗反射层的玻璃介质粉末、导电金属粉末、有机物、添加剂和溶剂，且第一金属浆料的导电金属粉末是选自银、铝、铜、钛、金、镍及其任意混合所组成的群组其中的一种，玻璃介质粉末是选自硼硅酸铅玻璃介质，而烘干温度为150至250℃；
将第二金属浆料以网印方式印制在该抗反射层的表面上，形成二条总线，其中该第二金属浆料的成分排除玻璃介质，而包括导电金属粉末、有机物、添加剂和溶剂，其中导电金属粉末选自银、铝、铜、钛、金、镍及其任意混合所组成的群组其中的一种；及
进行烧结处理，以使该第一及该第二金属浆料印制的该栅线及该二条总线固定在该抗反射层上，其中仅有该第一金属浆料穿透该抗反射层与该掺杂层形成欧姆接触。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该第二金属浆料被网印在该太阳能电池基板的表面上形成该二条总线时，该二条总线的厚度为10至20μm。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括在该太阳能电池基板吸光面形成该二条总线后，在该太阳能电池基板的背面以网印方式形成背电极。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将该第一金属浆料网印在该抗反射层表面上时，进一步包括调整刮板行进的方向与这些栅线平行，将该第二金属浆料网印在该抗反射层上时，调整该刮板行进方向与该二条总线平行。
5.一种在太阳能电池表面形成金属电极的方法，包括：
提供太阳能电池基板的半成品，该半成品是指掺杂第一型导电性杂质的太阳能电池基板已经过结构化、掺杂制程以形成掺杂层，并在该掺杂层的上面形成抗反射层；
将第二金属浆料以网印方式印制在该抗反射层表面上，形成二条总线，其中该第二金属浆料的成分排除玻璃介质，而包括导电金属粉末、有机物、添加剂和溶剂，其中导电金属粉末选自银、铝、铜、钛、金、镍及其任意混合所组成的群组其中的一种；
将第一金属浆料，以网印方式印制在该抗反射层表面上，形成若干条栅线，该第一金属浆料的成分至少包含用来穿透该抗反射层的玻璃介质粉末、导电金属粉末、有机物、添加剂和溶剂，且第一金属浆料的导电金属粉末是选自银、铝、铜、钛、金、镍及其任意混合所组成的群组其中的一种，玻璃介质粉末是选自硼硅酸铅玻璃介质，而烘干温度为150至250℃；及
进行烧结处理，以使该第一及该第二金属浆料印制的该栅线及该二条总线固定在该抗反射层上，其中仅有该第一金属浆料穿透该抗反射层和该掺杂层形成欧姆接触。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：该第二金属浆料被网印在该太阳能电池基板表面上形成该二条总线时，该二条总线的厚度为10至20μm。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：将该第一金属浆料网印在该抗反射层表面上时，进一步包括调整刮板行进的方向与这些栅线平行，将该第二金属浆料网印在该抗反射层上时，调整该刮板行进方向与该二条总线平行。
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