CN102479825B - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池及其制造方法。太阳能电池包括：硅基材，在硅基材的表面形成金字塔结构。对金字塔结构进行激光处理，使金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角；以及第一半导体层，设置于硅基材的第一面上，其中第一半导体层的导电型态与硅基材相反。本发明在硅基材的表面形成金字塔结构，对金字塔结构进行激光处理，使金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角，因此后续所镀制的薄膜都具有均匀厚度，而可以提升太阳能电池转换效率。

Description

太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明是有关于一种光电元件，且特别是有关于一种可提升光电转换效率的太阳能电池及其制造方法。
背景技术
太阳能是一种具有永不耗尽且无污染的能源，在解决目前石化能源所面临的污染与短缺的问题时，一直是最受瞩目的焦点。太阳能电池(solar cell)可直接将太阳能转换为电能，而成为目前相当重要的研究课题。
硅基太阳能电池为业界常见的一种太阳能电池。硅基太阳能电池的原理是将高纯度的半导体材料(硅)加入一些不纯物使其呈现不同的性质，以形成p型半导体及n型半导体，并将pn两型半导体相接合，如此即可形成一p-n接面。而p-n接面是由带正电的施体离子与带负电的受体离子所组成，在所述正、负离子所在的区域内，存在着一个内建电位(built-in potential)。此内建电位可驱赶在此区域中的可移动载子，故此区域称之为空乏区(depletion region)。当太阳光照射到一个p-n结构的半导体时，光子所提供的能量可能会把半导体中的电子激发出来，产生电子-空穴对，电子与空穴均会受到内建电位的影响，空穴往电场的方向移动，而电子则往相反的方向移动。如果以导线将此太阳能电池与一负载(load)连接起来，形成一个回路(loop)就会有电流流过负载，这就是太阳能电池发电的原理。如果要对太阳能电池进行改良，最好是从提升其光电转换效率着手。
异质接面硅基太阳能电池的硅基板常具有锐利起伏的金字塔结构来降低反射率增加光电流。但是，金字塔结构的角度过小且棱角处太过尖锐等，容易影响后续的薄膜工艺，而使所形成的薄膜上容易产生厚薄不均匀的分布甚至击穿导致元件短路。
为解决上述问题，目前业界提出一种在硅基板表面形成金字塔结构后，进行后蚀刻(post-etching)工艺处理以除去金字塔底部的锐角，然后再进行后续的镀膜工艺(如美国专利US6380479号)的方法。然而，采用蚀刻工艺以除去金字塔底部的锐角，同时也会使金字塔结构顶部的角度变大，而造成反射率上升，进而使光电流下降。
发明内容
本发明提供一种太阳能电池及其制造方法，利用激光熔蚀法改变硅芯片的表面结构，提高镀膜沉积的均匀性，以提高元件转换效率。
本发明提出一种太阳能电池，包括硅基板与第一半导体层。硅基板的第一面呈现金字塔结构，且金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角。第一半导体层设置于硅基板的第一面上，其中第一半导体层的导电型态与硅基材相反。
在本发明的一实施例中，上述金字塔结构的顶端的曲率半径小于金字塔结构的底部的曲率半径。
在本发明的一实施例中，上述金字塔结构的顶端的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1，其棱线处外圆角的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
在本发明的一实施例中，上述的太阳能电池更包括第一本质层。第一本质层设置于第一半导体层与硅基材之间。
在本发明的一实施例中，上述半导体层的材质包括非晶硅或微晶硅。
在本发明的一实施例中，上述硅基材的第二面呈现金字塔结构，且金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角，第二面与第一面相对。
在本发明的一实施例中，上述金字塔结构的顶端的曲率半径小于金字塔结构的材部的曲率半径。
在本发明的一实施例中，上述金字塔结构的顶端的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1，其棱线处外圆角的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
在本发明的一实施例中，上述的太阳能电池更包括第二半导体层。第二半导体层设置于硅基材的第二面上，其中第二半导体层的导电型态与硅基材相反。
在本发明的一实施例中，上述的太阳能电池更包括第二本质层。第二本质层设置于第二半导体层与硅基材之间。
本发明提出一种太阳能电池的制造方法，包括下列步骤。提供硅基材，并于硅基材的第一面形成金字塔结构。进行激光处理工艺，使金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角。于硅基材的第一面上形成第一半导体层。
在本发明的一实施例中，上述金字塔结构的顶端的曲率半径小于金字塔结构的材部的曲率半径。
在本发明的一实施例中，上述金字塔结构的顶端的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1，其棱线处外圆角的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
在本发明的一实施例中，上述于硅基材的第一面形成金字塔结构的方法包括进行非等向性蚀刻工艺。
在本发明的一实施例中，上述太阳能电池的制造方法更包括于硅基材的第二面形成金字塔结构，第二面与第一面相对。
在本发明的一实施例中，上述激光处理工艺中，使用的激光的波长为355nm～532nm。
在本发明的一实施例中，上述激光处理工艺中，聚焦高度为-13.58mm～-14.6mm。
在本发明的一实施例中，上述激光处理工艺中，使用的激光的光束尺寸为20μm～60μm。
在本发明的一实施例中，上述激光处理工艺中，使用的激光的能量密度为0.1J/m2～5J/m2。
在本发明的一实施例中，上述激光处理工艺中，载台的速度为50mm/sec～300mm/sec。
基于上述，本发明的太阳能电池及其制造方法于硅基材的表面形成顶端呈现圆弧状且棱线处形成外圆角的金字塔结构，因此，可以在对光吸收影响最小的状态下，改善后续的镀膜问题。
而且，由于利用激光处理法形成上述金字塔结构，通过控制激光参数的聚焦位置、能量及照射时间，可改变金字塔结构的顶部或底部不同位置的结构形貌，而易于控制金字塔结构的轮廓，且不会失去光捕捉(light trapping)的能力。因此，本发明的制造方法简单，具有工艺可调性。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1所绘示为本发明的较佳实施例的一种太阳能电池的剖面图。
图2所绘示为本发明的较佳实施例的硅基材的剖面图。
图3A所绘示为本发明的较佳实施例的硅基材的俯视扫描电镜图。
图3B所绘示为本发明的较佳实施例的硅基材的剖面扫描电镜图。
图4所绘示为本发明的较佳实施例的一种太阳能电池的剖面图。
图5A至图5C所绘示为本发明的较佳实施例的一种太阳能电池的工艺剖面图。
图6A所绘示为未经激光处理的硅基材的俯视扫描电镜图。
图6B所绘示为未经激光处理的硅基材的剖面扫描电镜图。
图7是比较例与实验例1～3的波长对反射率的曲线图。
其中，附图标记：
100、102：太阳能电池
104、212：第一电极
106、214：第二电极
108、200：第一导电型硅基材
110、118、204、206：本质层
112、120、208、210：第二导电型半导体层
114：第一导电型高浓度掺杂层
116、122、216、218：梳状电极
202a、202b：金字塔结构
R：半径
具体实施方式
下文中参照随附附图来更充分地描述本发明。然而，本发明可以多种不同的形式来实践，并不限于文中所述的实施例。以下实施例中所提到的方向用语，例如“上”、“下”等，仅是参考附加附图的方向，因此使用的方向用语是用来详细说明，而非用来限制本发明。此外，在附图中为明确起见可能将各层的尺寸以及相对尺寸作夸张的描绘。
图1所绘示为本发明的较佳实施例的一种太阳能电池的剖面图。图2所绘示为本发明的较佳实施例的硅基材的剖面图。图3A所绘示为本发明的较佳实施例的硅基材的俯视扫描电镜图。图3B所绘示为本发明的较佳实施例的硅基材的剖面扫描电镜图。
请参照图1，此太阳能电池100例如是由第一电极104、第二电极106、第一导电型硅基材108、本质层110与第二导电型半导体层112构成。
第一导电型硅基材108、本质层110与第二导电型半导体层112的材质例如是硅或其合金堆栈的多层结构。上述硅包括单晶硅(single crystalsilicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon)、微晶硅(microcrystal silicon)。上述硅合金是指硅中加入氢原子(H)、氟原子(F)、氯原子(Cl)、锗原子(Ge)、氧原子(O)、碳原子(C)或氮原子(N)等原子。
在本实施例中，第二导电型半导体层112的导电型态与第一导电型硅基材108的导电型态相反。举例来说，当第一导电型为N型时，第二导电型为P型；当第二导电型为N型时，第一导电型为P型。在另一实施例中，太阳能电池100也可以不设置本质层110。P型半导体层掺杂有周期表第三族元素，例如硼(B)、镓(Ga)、铟(In)等等。N型半导体层掺杂有周期表第五族元素，例如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等等。
请参照图2、图3A与图3B，第一导电型硅基材108的表面呈现金字塔结构。详言之，具有金字塔结构的不平整表面可提高光线在太阳能电池中散射的机率，并减少入射光的反射，以增加入射光在光电转换层中的行进距离，进而增进光子吸收并提供更多的电子-空穴对的形成。在本实施例中，金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角。金字塔结构的顶端的曲率半径1/R小于金字塔结构的底部的曲率半径。金字塔结构的顶端的曲率半径1/R为0.01μm-1至1μm-1。第二导电型半导体层112设置于形成有金字塔结构的第一导电型硅基材108的表面上。
第一电极104例如设置于第二导电型半导体层112的整个表面上。第一电极104的材料可以是透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)，其例如是氧化锌(ZnO)、氧化铟(In2O3)、二氧化锡(SnO2)、铟锡氧化物(indium tinoxide，ITO)、铟锌氧化物(indium zinc oxide，IZO)、铝锡氧化物(aluminum tinoxide，ATO)、氧化铝锌(Al doped zinc oxide，AZO)、镉铟氧化物(cadmiumindium oxide，CIO)、镉锌氧化物(cadmium zinc oxide，CZO)、掺镓氧化锌(Gadoped zinc oxide，GZO)、铟锡锌氧化物(indium tin zinc oxide，ITZO)、铟镓锌氧化物(indium-gallium-zinc oxide，IGZO)、锌锡氧化物(zinc-tin oxide，ZTO)、锡氟氧化物(fluorine doped tin oxide，FTO)或上述材料的的组合。
在第一电极104上设置有梳状电极116。梳状电极116的材料例如是金属材料。上述金属材料例如是铝(Al)、银(Ag)、钼(Mo)、铜(Cu)等。
在第二电极106设置在第一导电型硅基材108的背面。第二电极106的材料例如是金属材料或透明导电氧化物。上述透明导电氧化物例如是氧化锌、氧化铟、二氧化锡、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、氧化铝锌、镉铟氧化物、镉锌氧化物、掺镓氧化锌、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、锌锡氧化物、锡氟氧化物或上述材料的的组合。上述金属材料例如是铝、银、钼、铜或是上述金属的合金。
此外，为了防止在接近第一导电型硅基材108背面的载流子再复合产生的效果，而在第一导电型硅基材108与第二电极106之间设置第一导电型高浓度掺杂层114，形成引入内部电场的所谓BSF(Back surface Field)型太阳能电池。第一导电型高浓度掺杂层114的掺质浓度高于第一导电型硅基材。
在本实施例中，由于第一导电型硅基材108的表面形成顶端呈现圆弧状、且棱线处形成外圆角的金字塔结构，因此可以在对光吸收影响最小的状态下，改善后续的镀膜问题。
图4所绘示为本发明的较佳实施例的一种太阳能电池的剖面图。在图4中，构件与图1相同者，给与相同的符号，并省略其说明。
请参照图4，此太阳能电池102例如是由第一电极104、第二电极106、第一导电型硅基材108、本质层110、第二导电型半导体层112、本质层118与第二导电型半导体层120构成。
第一导电型硅基材108、本质层110、第二导电型半导体层112、本质层118、第二导电型半导体层120的材质例如是硅及其合金堆栈之多层结构。上述硅包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅。上述硅合金是指硅中加入氢原子、氟原子、氯原子、锗原子、氧原子、碳原子或氮原子等原子。
在本实施例中，第二导电型半导体层112、第二导电型半导体层120的导电型态与第一导电型硅基材108相反。举例来说，当第一导电型为N型时，第二导电型为P型；当第二导电型为N型时，第一导电型为P型。P型半导体层掺杂有周期表第三族元素，例如硼(B)、镓(Ga)、铟(In)等等。N型半导体层掺杂有周期表第五族元素，例如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等等。在另一实施例中，太阳能电池100也可以不设置本质层110、本质层118。
第一导电型硅基材108的第一面与第二面(第一面与第二面相对)都呈现金字塔结构，且金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角。金字塔结构的顶端的曲率半径1/R小于该金字塔结构的底部的曲率半径。金字塔结构的顶端的曲率半径1/R为0.01μm-1至1μm-1，其棱线处外圆角的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。第二导电型半导体层112设置于第一导电型硅基材108的第一面上。第二导电型半导体层120设置于第一导电型硅基材108的第二面上。
第一电极104例如设置于第二导电型半导体层112的表面上。第一电极104的材料可以是透明导电氧化物，其例如是氧化锌、氧化铟、二氧化锡、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、氧化铝锌、镉铟氧化物、镉锌氧化物、掺镓氧化锌、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、锌锡氧化物、锡氟氧化物或上述材料的组合。
在第一电极104上设置有梳状电极116。梳状电极116的材料例如是金属材料。上述金属材料例如是铝、银、钼、铜等。
第二电极106例如设置于第二导电型半导体层120的表面上。第二电极106的材料可以是透明导电氧化物，其例如是氧化锌、氧化铟、二氧化锡、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、氧化铝锌、镉铟氧化物、镉锌氧化物、掺镓氧化锌、铟锡锌氧化物、铟镓锌氧化物、锌锡氧化物、锡氟氧化物或上述材料的组合。
在第二电极106上设置有梳状电极122。梳状电极122的材料例如是金属材料。上述金属材料例如是铝、银、钼、铜等。
在本实施例中，由于第一导电型硅基材108的第一面及第二面形成顶端呈现圆弧状、且棱线处形成外圆角的金字塔结构，因此，可以在对光吸收影响最小的状态下，改善后续的镀膜问题。
接着，说明本发明的太阳能电池的制造方法，在此以图4所示的太阳能电池为例做说明。
图5A至图5C所绘示为本发明的较佳实施例的一种太阳能电池的工艺剖面图。图6A所绘示为未经激光处理的硅基材的俯视扫描电镜图。图6B所绘示为未经激光处理的硅基材的剖面扫描电镜图。
请参照图5A，提供第一导电型硅基材20。然后，于第一导电型硅基材200的第一面形成金字塔结构202a，于第一导电型硅基材200的第二面形成金字塔结构202b(如图6A、图6B所示)。金字塔结构202a与金字塔结构202b的形成方法例如是进行非等向性蚀刻工艺。金字塔结构202a与金字塔结构202b的高度例如是5～15μm的范围内、且金字塔结构202a与金字塔结构202b的顶角例如是70～80度的范围内。非等向性蚀刻工艺中所使用的蚀刻剂例如是氢氧化钠(NaOH)和异丙醇的水溶液。
然后，进行激光处理工艺，使金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角(如图3A、图3B所示)。金字塔结构的顶端的曲率半径1/R小于金字塔结构的底部的曲率半径。金字塔结构的顶端的曲率半径1/R为0.01μm-1至1μm-1，其棱线处外圆角的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
在激光处理工艺中，操作条件如下：
激光的波长：200nm～1200nm
聚焦高度：-13.58mm～-14.6mm
激光的光束尺寸：20μm～60μm
激光的能量密度：0.1J/m2～5J/m2。
载台的速度：50mm/sec～300mm/sec。
请参照图5B，于基板200的第一面形成本质层204，于基板200的第二面形成本质层206。本质层204、本质层206的形成方法例如是等离子增强化学气相沉积法。在形成本质层204、本质层206的工艺中，使用硅烷气体(SiH4)做为反应气体源。
然后，于本质层204上形成第二导电型半导体层208，于本质层206上形成第二导电型半导体层210。第二导电型半导体层208、第二导电型半导体层210例如是采用临场(in-situ)植入掺质的方式，利用等离子增强化学气相沉积法而形成的。在形成第二导电型半导体层208、第二导电型半导体层210的工艺中，使用硅烷气体(SiH4)做为反应气体源，同时根据所要植入掺质的型态，选用含有该掺质的化合物作为掺杂气体源。
请参照图5C，于第二导电型半导体层208上形成第一电极212，于第二导电型半导体层210上形成第二电极214。第一电极212、第二电极214的材料可以是透明导电氧化物。在一实施例中，形成第一电极212、第二电极214的方法可以是采用溅镀法(sputtering)、金属有机化学气相沉积(metal organicchemical vapor deposition，MOCVD)法、蒸镀法(evaporation)或喷涂法来制备。
于第一电极212上形成梳型电极216；于第二电极214上分别形成梳型电极218。梳型电极216、梳型电极218的材料可以是金属、透明导电氧化物(TCO)、或是金属与透明导电氧化物的组合。
本发明的太阳能电池的制造方法，利用激光熔蚀法改变硅芯片的金字塔结构的轮廓，使金字塔结构的顶端呈现圆弧状，金字塔结构的棱线处形成外圆角，而可以提高后续镀膜沉积的均匀性，并提高元件转换效率。
而且，激光处理法比一般酸碱蚀刻或等离子蚀刻法更简易、并可降低污染。
此外，不同激光操作参数可改变硅芯片结构表面形貌。通过控制激光参数的聚焦位置、能量及照射时间，可改变金字塔结构的顶部或底部不同位置的结构形貌，而易于控制金字塔结构的轮廓。而且利用激光可调变焦聚及功率的特性，可以控制金字塔的圆滑程度，且不会失去光捕捉(light trapping)的能力。因此，本发明的制造方法简单，具有工艺可调性。
以下特举出实验例以进一步说明本发明。
实验例1～3
在硅基材上形成金字塔结构后，然后对硅基材进行激光处理工艺，激光处理工艺的参数如下：
激光波长：532nm
聚焦高度：-14.6mm
光束尺寸：50um
能量密度：2J/m2(实验例1)、2.25J/m2(实验例2)、2.5J/m2(实验例3)
载台速度：100_mm/sec
比较例
在硅基材上形成金字塔结构，不进行激光处理工艺。
然后，量测比较例与实验例1～3的金字塔结构顶端的曲率半径以及反射率。其中，比较例与实验例1～3的金字塔结构顶端的曲率半径分别为0.1um-1、0.4um-1、0.6um-1、0.8um-1。比较例与实验例1～3的反射率如图7所示。
根据图7的结果，比较例与实验例1～3于反射率量测上并无显著变差。因此，本发明的经激光处理的圆滑金字塔结构，可以不改变主体的角度，而能维持其捕捉光的能力并维持光电流的输出。
综上所述，本发明的太阳能电池，由于在基材上形成顶端呈现圆弧状且棱线处形成外圆角的金字塔结构，因此，可以在对光吸收影响最小的状态下，提高镀膜沉积的均匀性与元件转换效率。
本发明的太阳能电池的制造方法，利用激光熔蚀法改变硅芯片的金字塔结构的轮廓，激光处理法比一般酸碱蚀刻或等离子蚀刻法更简易、并可降低污染。而且，本发明的制造方法简单，具有工艺可调性。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
一硅基材，该硅基材的一第一面呈现一金字塔结构，且该金字塔结构的顶端呈现圆弧状，该金字塔结构的棱线处形成外圆角，该金字塔结构的顶端的曲率半径小于该金字塔结构的底部的曲率半径；以及
一第一半导体层，设置于该硅基材的该第一面上，其中该第一半导体层的导电型态与该硅基材相反，其中，该金字塔结构的棱线处外圆角的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该金字塔结构的顶端的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，更包括一第一本质层，设置于该第一半导体层与该硅基材之间。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该半导体层的材质包括非晶硅或微晶硅。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该硅基材的一第二面呈现该金字塔结构，且该金字塔结构的顶端呈现圆弧状，该金字塔结构的棱线处形成外圆角，该第二面与该第一面相对。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，该金字塔结构的顶端的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
7.根据权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，更包括一第二半导体层，设置于该硅基材的该第二面上，其中该第二半导体层的导电型态与该硅基材相反。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，更包括一第二本质层，设置于该第二半导体层与该硅基材之间。
9.一种太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括：
提供一硅基材；
于该硅基材的一第一面形成一金字塔结构；
进行一激光处理工艺，使该金字塔结构的顶端呈现圆弧状，该金字塔结构的棱线处形成外圆角，该金字塔结构的顶端的曲率半径小于该金字塔结构的底部的曲率半径；以及
于该硅基材的该第一面上形成一第一半导体层；
其中，该金字塔结构的棱线处外圆角的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该金字塔结构的顶端的曲率半径为0.01μm-1至1μm-1。
11.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，于该硅基材的至少该第一面形成该金字塔结构的方法包括进行非等向性蚀刻工艺。
12.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，更包括于该硅基材的一第二面形成该金字塔结构，该第二面与该第一面相对。
13.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，在该激光处理工艺中，使用的激光的波长为355nm～532nm。
14.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，在该激光处理工艺中，聚焦高度为-13.58mm～-14.6mm。
15.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，在该激光处理工艺中，使用的激光的光束尺寸为20μm～60μm。
16.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，在该激光处理工艺中，使用的激光的能量密度为0.1J/m2～5J/m2。
17.根据权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，在该激光处理工艺中，载台的速度为50mm/sec～300mm/sec。
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