CN103199146A - 太阳能电池制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池制造方法，包含准备步骤，准备具有方向相反的第一表面及第二表面的第一型掺杂半导体基板；第一扩散层形成步骤，于该半导体基板中形成具有第二型掺杂的第一扩散层；及电极单元形成步骤，形成与该第一扩散层电连接的电极单元；其中，该第一扩散层形成步骤是先于该半导体基板的第一表面或第二表面形成主成份为氧化硅的第一凝胶层，并将该第一凝胶层热硬化形成第一掩膜层，然后对该半导体基板进行第二型掺杂以形成该第一扩散层，最后将该第一掩膜层移除，而得到该第一扩散层。本发明有益效果在于制程简便，且可有效降低制程成本。

Description

太阳能电池制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池的制造方法，特别是涉及一种利用热硬化形成的氧化硅为扩散掩膜的太阳能电池制造方法。
背景技术
参阅图1，现有的硅晶太阳能电池包含硅晶基材11、抗反射层12、顶电极13及背电极14，该硅晶基材11具有p型半导体层111、与该p型半导体层111连接的n型半导体层112及形成于该n型半导体层112表面的凹凸结构113，该抗反射层12形成于该凹凸结构113表面，该顶电极13穿过该抗反射层12与该n型半导体层112电连接，该背电极14与该p型半导体层111远离该顶电极13的表面连接，且该n型半导体层112(也称为射极层)具有凹凸结构113的表面即为该太阳能电池的收光面。当太阳光自该收光面入射至该硅晶基材11后，会通过该抗反射层12与该凹凸结构113减低对入射光的反射，而该硅晶基材11照光后产生的电子会扩散至该n型半导体层112，再经由与该n型半导体层112电连接的顶电极13收集后，而与该背电极14配合向外输出。
前述该硅晶基材11的n型半导体层112，一般是将p型硅晶片通过热扩散制程，将高浓度的磷掺杂至该p型硅晶片后而制得。然而，因为该n型半导体层112的掺杂浓度过高，因此容易导致太阳光被吸收后大多是以热能形式消散，并无法有效产生光电流。
而为了改善以往硅晶太阳能电池的缺点，则发展出具有选择性射极(Selective Emitter)的硅晶太阳能电池，这种硅晶太阳能电池的n型半导体层112具有掺杂浓度较高的重掺杂区及掺杂浓度较低的轻掺杂区，而且顶电极13覆盖于该重掺杂区所在区域的表面。通过提高该硅晶基材11收光面与该顶电极13接触区域的掺杂浓度，并同时降低收光面有效收光区域(即未被该顶电极13覆盖的区域)的掺杂浓度，达到降低电子传递阻抗的效果，以提高该太阳能电池的光电转换效率。
前述该具有选择性射极的硅晶太阳能电池一般利用回蚀方式形成该轻、重掺杂区，也就是先将该具有凹凸结构113的p型硅晶片进行高浓度的磷掺杂，形成n型半导体层112后，再于该n型半导体层112表面预定形成该顶电极13的位置，以丝网印刷或喷墨方式形成一层保护膜，接着再以蚀刻方式移除未被该保护膜保护的n型半导体层112，最后再将该保护膜移除，即可得到该具有轻、重掺杂区的n型半导体层。
然而，前述无论是进行p型硅晶片掺杂而得到的该n型半导体层112，或是利用不同方式而得到具有不同掺杂浓度的n型半导体层112，其制程均较为繁琐，而且都会有成本提升的问题，因此，如何提供一个更为简便且可有效降低制程成本的方法，一直是本技术领域技术人员改善发展的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用热硬化形成的氧化硅为扩散掩膜的太阳能电池制造方法。
于是，本发明太阳能电池的制造方法，包含准备步骤、第一扩散层形成步骤及电极单元形成步骤。
该准备步骤是先准备具有第一型掺杂的半导体基板，该半导体基板具有方向相反的第一表面及第二表面。
该第一扩散层形成步骤是于该半导体基板中形成具有第二型掺杂的第一扩散层。
该电极单元形成步骤是形成与该第一扩散层电连接的电极单元。
其中，该第一扩散层形成步骤是先于该半导体基板的第一、二表面的其中任一表面形成主成份为氧化硅的第一凝胶层，并将该第一凝胶层热硬化形成第一掩膜层，然后对该半导体基板进行第二型掺杂以形成该第一扩散层，最后将该第一掩膜层移除。
较佳地，前述该太阳能电池的制造方法，其中该第一凝胶层完全遮覆该第二表面，且该第一扩散层为靠近该第一表面的一侧。
较佳地，前述该太阳能电池的制造方法，还包含第二扩散层形成步骤，于该半导体基板中邻近该第二表面的一侧形成第二扩散层，该第二扩散层形成步骤包括于该第一表面形成主成份为氧化硅的第二凝胶层，并将该第二凝胶层热硬化形成第二掩膜层，接着自该第二表面对该半导体基板进行第一型杂质掺杂以形成第二扩散层，最后移除该第二掩膜层。
较佳地，前述该太阳能电池的制造方法，其中该第一凝胶层为形成于该第一表面的部分区域，该第一扩散层位于该半导体基板位于靠近该第一表面的一侧，并因为该第一掩膜层的阻挡效果使该第一扩散层具有重掺杂区及掺杂浓度低于该重掺杂区的轻掺杂区。
较佳地，前述该太阳能电池制造方法，其中该电极单元还包含覆盖于该第一表面的主电极和多条自该主电极向外延伸的指叉电极，且该重掺杂区被所述指叉电极遮覆。
较佳地，前述该太阳能电池制造方法，其中该第一凝胶层是先在80～300℃的温度条件进行第一阶段热处理，接着再于300～900℃的温度条件进行第二阶段热处理，令该第一凝胶层热硬化以形成该第一掩膜层。
较佳地，前述该太阳能电池制造方法，其中该第一凝胶层是以超声波喷雾、丝网印刷、喷墨印刷、或旋转涂布方式形成于该第一表面。
较佳地，前述该太阳能电池制造方法，其中该第二凝胶层是先在80～300℃的温度条件下进行第一阶段热处理，接着再于300～900℃的温度条件下进行第二阶段热处理，令该第二凝胶层热硬化以形成该第二掩膜层。
较佳地，前述该太阳能电池制造方法，其中该第一凝胶层与第二凝胶层分别以超声波喷雾、丝网印刷、喷墨印刷、或旋转涂布方式形成于该第一表面与第二表面，且该第一、二掩膜层利用氢氟酸溶液移除。
较佳地，前述该太阳能电池制造方法，其中该第一掩膜厚度介于10-200nm之间。
本发明的有益效果在于：利用主要由氧化硅构成的凝胶层热硬化后形成的掩膜层作为扩散阻挡掩膜，不仅制程简便，且利用单次热扩散制程即可完成具有不同掺杂浓度的硅晶基材，此外，因氧化硅原料便宜容易取得，因此还可有效降低制程成本。
附图说明
图1是以往硅晶太阳能电池的结构示意图；
图2是说明本发明太阳能电池制造方法的第一较佳实施例所制造出的太阳能电池；
图3是说明本发明太阳能电池制造方法的第一较佳实施例的流程图；
图4是说明本发明太阳能电池制造方法的第二较佳实施例所制造出的太阳能电池；
图5是图4的局部放大图，辅助说明图4；
图6是说明本发明太阳能电池制造方法的第二较佳实施例的流程图；
图7是说明重掺杂区及轻掺杂区的掺杂浓度相对掺杂深度的掺杂浓度分析结果。
具体实施方式
下面结合附图、实施例对本发明进行详细说明。
参阅图2，本发明太阳能电池制作方法的第一较佳实施例是可用以制作如图2所示的太阳能电池，该太阳能电池包含半导体单元2、抗反射层3及电极单元4。
该半导体单元2具有第一表面21、形成于该第一表面21的凹凸结构211、第二表面22、第一型掺杂的第一型半导体层23、与该第一型半导体23连接并具有第二型掺杂的第一扩散层24及与该第一型半导体层23远离该第一扩散层24的一侧连接，具有第一型掺杂且掺杂浓度高于该第一型半导体层23的第二扩散层25；该第一扩散层24即为一般所指的射极层，且其表面即为该第一表面21，该第二扩散层25为一般所指的背电场(back-surface field，BSF)层，且其表面即为该第二表面22。
要说明的是，该第一型掺杂与第二型掺杂的电性为彼此相反，例如当该第一型掺杂为p型掺杂时，则该第二型掺杂为n型掺杂，反过来说，当该第一型掺杂为n型掺杂时，则该第二型掺杂为p型掺杂，于本实施例中该第一型掺杂为p型掺杂，第二型掺杂为n型掺杂，且该第一表面21即为该太阳能电池的收光面。
该抗反射层3形成于该第一表面21，由透光材料构成，例如氮化硅(SiNx)，可用以减少入射光的反射、降低载流子在该第一扩散层24表面的复合率，并保护该半导体单元2。
该电极单元4用以将该半导体单元2吸收光线后产生的电流向外输出，具有顶电极41及背电极42，该顶电极41穿过该抗反射层3与该第一扩散层24连接，具有主电极(busbar)411及多条自该主电极411向外延伸的指叉电极(finger)412，该背电极42为形成于该第二表面22并完全覆盖该第二表面22。
参阅图3，本发明该太阳能电池制作方法的第一较佳实施例，包含准备步骤51、第一扩散层形成步骤52、抗反射层形成步骤53及电极单元形成步骤54。
该准备步骤51是准备第一型掺杂的半导体基板，该半导体基材具有方向相反的第一表面21及第二表面22，且该第一表面21具有该凹凸结构211。于本实施例中该第一型掺杂为p型掺杂，该步骤51利用湿式或干式蚀刻方式蚀刻p型硅晶基材的其中一表面，令该表面形成具有高低起伏的凹凸结构211而得到该具有p型掺杂的半导体基板。
该第一扩散层形成步骤52是于该半导体基板邻近该第一表面21的一侧，形成具有第二型掺杂的第一扩散层24，于本实施例中该第二型掺杂为n型掺杂。
详细的说，该步骤52是先于该第二表面22形成主成份为氧化硅的第一凝胶层，并将该第一凝胶层热硬化形成第一掩膜层后，再自该半导体基板的第一表面21利用热扩散制程进行第二型掺杂，于该半导体基板邻近该第一表面21的一侧形成该具有第二型掺杂的第一扩散层24，最后移除该第一掩膜层；较佳地，为了控制扩散阻挡效果，该第一掩膜层的厚度介于10-200nm之间。
于本实施例中，该步骤52是先将氧化硅溶于溶剂中而制得氧化硅溶液，该溶剂为选自高极性溶剂，例如水、甲醇、乙醇、正丁醇、乙酸乙酯等，用以调整该氧化硅溶液的粘度、固含量等特性。要说明的是该氧化硅溶液还可包括硅氧烷(siloxane)化合物，或是硼、磷、锌等元素，以利后续热硬化制程的交联硬化，或是作为后续热扩散过程的另一掺杂源；接着将该氧化硅溶液以超声波喷墨、丝网印刷、喷墨印刷等方式，于该半导体基板的第二表面22，形成一层由该氧化硅溶液构成的第一凝胶层，接着将该形成第一凝胶层的半导体基板进行热处理：先在80～300℃、3分钟的条件，让该溶剂挥发，接着再于300～900℃、30分钟的条件，令该第一凝胶层硬化，以形成该第一掩膜。接着，将该形成第一掩膜层的半导体基板置入高温炉管，炉管内的温度约为750℃～800℃，并且在炉管内通入反应气体，于本实施例中该反应气体为N2-POCl3(氮气与三氯氧磷的混合)、O2及N2的混合气体，但不限于此，于该半导体基板的第一表面沉积磷(P)。接着将炉管温度升高到800℃～950℃并维持数十分钟，使磷(P)自该第一表面21扩散进入该半导体基板的表层，最后再将该经热扩散制程的半导体基板置入氢氟酸溶液约50～500秒，移除该第一掩膜层，即完成该步骤52。
接着，进行该抗反射层形成步骤53，利用溅镀(Sputtering)或等离子辅助化学气相沉积(PECVD)等方式于该第一表面21形成由氮化硅(SiNx)为材料构成的抗反射层3。
要说明的是，该抗反射层3并非太阳能电池的必要结构，也就是说太阳能电池也可以不包含该抗反射层3，因此，本发明该太阳能电池的制作方法也可以不包含该抗反射层形成步骤53。
最后，进行该电极单元形成步骤54，于该抗反射层3及该第二表面22形成该具有顶电极41及背电极42的电极单元4。
具体的说，该步骤54是将第一导电银浆以丝网印刷方式，于该抗反射层3的预定表面形成第一导电层及多条自该第一导电层延伸的导线，再利用含铝的第二导电银浆以丝网印刷方式形成覆盖该第二表面22的第二导电层。接着将上述样品置于高温烧结炉中，令该第一导电层及所述导线于烧结后转变成该主电极411及所述指叉电极412；而该第二导电层于烧结后会转变为该背电极42，且该第二导电层于烧结的过程中，该第二导电层的铝会同时经由该第二表面22扩散进入该半导体基板100，而于形成该背电极42的同时会在邻近该第二表面22的一侧形成该第二扩散层25，令该p型硅晶片转变成该半导体单元2，即可完成太阳能电池的制作，得到如图2所示的太阳能电池。
此外，要说明的是，当该半导体基板选自n型硅晶基板且为使用传统p-型硅晶基板制程的背面射极太阳能电池时，则可在形成铝射极时同时形成该具有p型掺杂的第一扩散层24。
而当该半导体基板是选自n型硅晶片且该太阳能电池为双面结构(Bi-facial)电池时，由于该第二扩散层25通常无法利用形成该背电极42的过程同时形成，则该太阳能电池的制作方法还需进一步包含第二扩散层形成步骤，该第二扩散层形成步骤可于该第一扩散层形成步骤52前或后实施，利用与前述该第一凝胶层组成材料相同的第二凝胶层，先于该第一表面21形成第二凝胶层，并将该第二凝胶层热硬化形成第二掩膜层后，再利用热扩散制程自该第二表面22进行n型掺杂，而于该n型硅晶片邻近该第二表面22的一侧形成该第二扩散层25，再进行后续该步骤53、54即可。
又要说明的是，该电极单元4的形态仅为示意而非限定，亦可为其他设计的态样，例如，该背电极42的结构也可与该顶电极41相似，具有多条间隔设置的主电极。
以往是先利用PECVD形成以氧化硅为材料构成的掩膜层作为扩散阻挡层，再进行热扩散制程以形成该第一、二扩散层24、25，然而，利用PECVD形成掩膜层的制程效果较差，而且有难以去除和背镀的问题：例如，为了要达到较佳的扩散阻挡效果而要将掩膜层的厚度提升时，其造成的背镀问题也会随着掩膜层的厚度变厚而更为严重；而本申请利用喷墨或丝网印刷等方式于该半导体基板表面形成由氧化硅构成的凝胶层，再直接利用热硬化令凝胶层硬化成为掩膜层，不仅制程简单，且该掩膜层的厚度不会受到制程限制，可轻易控制，除了可达到更佳的阻挡效果以外，也不会有已知因为掩膜层厚度增加时所产生的背镀问题；此外，由于氧化硅凝胶原料便宜容易取得，因此，还可有效降低制程成本。
参阅图4、图5，图4是利用本发明太阳能电池制作方法的一第二较佳实施例制得的具有选择性射极的太阳能电池，图5则是图4的局部放大图。该太阳能电池的结构与该第一较佳实施例大致相同，因此不再多加叙述，其不同处在于该半导体单元2的第一扩散层24具有对应所述指叉电极412形成位置的重掺杂区241及未被所述指叉电极412遮覆的轻掺杂区242，其中，该重掺杂区241是指具有高浓度掺杂(heavy dopant)的区域，该轻掺杂区242则是指具有低浓度掺杂(light dopant)的区域。
参阅图6，本发明太阳能电池制作方法的该第二较佳实施例包含准备步骤61、第一扩散层形成步骤62、抗反射层形成步骤63及电极单元形成步骤64。
首先进行该准备步骤61，准备具有凹凸结构211的半导体基板。
该半导体基板100是由具有第一型掺杂的半导体材料构成，具有方向相反的第一表面21及第二表面22，且该第一表面21具有该凹凸结构211。该第一型掺杂与后续制程的第二型掺杂的电性彼此相反，于本实施例中该第一型掺杂为p型掺杂，该半导体基板是以具有p型掺杂的p型硅晶片为例说明。
具体的说，该步骤61是先准备该半导体基板，接着利用湿式或干式蚀刻方式蚀刻该半导体基板的第一表面21，令该第一表面21形成具有高低起伏的凹凸结构211。
接着进行该第一扩散层形成步骤62，于该半导体基板邻近该第一表面21的一侧形成该具有重掺杂区241及轻掺杂区242的第一扩散层24。
具体的说，该步骤62是先以丝网印刷或喷墨印刷方式于该第一表面22预定不形成所述指叉电极412的位置形成主成份与前述该第一凝胶层相同的第三凝胶层，并令该第三凝胶层经过与该步骤52相同的热硬化处理过程后形成第三掩膜层，接着利用与该步骤52相同的热扩散制程自该第一表面21及该第三掩膜层表面对该p型硅晶片进行第二型掺杂(n型掺杂)，于该p型硅晶片邻近该第一表面21的一侧形成该具有第二型掺杂的第一扩散层24，且该第一扩散层24在对应该第三掩膜层的区域会形成具有低掺杂浓度的轻掺杂区242，而在没有该第三掩膜层阻挡的区域则形成具有高掺杂浓度的重掺杂区241，接着将该p型硅晶片置入氢氟酸溶液约50～500秒移除该第三掩膜层；而由于前述该p型硅晶片的侧面及第二表面22也会在热扩散制程中形成一层与该第一扩散层24相同材料的半导体层，因此，在热扩散制程后须再利用湿式蚀刻方式将该半导体层移除，完成该步骤62。
通过热硬化后的氧化硅作为扩散掩膜(该第三掩膜层)，利用原子在不同材料的扩散速度差，而在有掩膜及没有掩膜的位置形成掺杂浓度差，即可简单利用一次重掺杂制程而得到该具有不同掺杂浓度的第一扩散层24(即所述的选择性射极)。
另外，也可先利用胶带将该第一表面21预定形成所述指叉电极412的位置遮覆，然后利用超声波喷雾或旋转涂布方式将该氧化硅溶液喷印在该第一表面21后再将该胶带撕除，即可在该第一半导体层21预定形成该指叉电极412的位置形成该第三凝胶层。
接着，进行该抗反射层形成步骤63及电极单元形成步骤64，即可完成该太阳能电池制作，得到如图5所示的太阳能电池。由于该步骤63及步骤64与该第一较佳实施例该步骤53及54相同，因此不再重复说明。
参阅图7，图7是利用厚度为150nm的该第一掩膜层作为掺杂掩膜对前述该p型半导体基材进行磷掺杂，所得的掺杂浓度相对掺杂深度的结果。其掺杂条件是将预定表面形成该第一掩膜层的p型半导体基材放入高温炉管中，通入N2-POCl3(氮气与三氯氧磷的混合)、O2及N2的混合气体，先以800℃持续25分钟，再以868℃持续12.5分钟。图7中虚线(---)及实线(-)分别代表轻掺杂区242及重掺杂区241的掺杂浓度对掺杂深度的结果。
由图7可知，轻掺杂区242因为有该第一掩膜层24阻挡所以掺杂原子的扩散速度较慢，因此掺杂浓度低且掺杂深度较浅，而重掺杂区241则因为没有第一掩膜层的阻挡，因此掺杂浓度较高且掺杂深度较深，即，通过本发明的掺杂掩膜，利用单次扩散制程就可将该重掺杂区241与轻掺杂区242的掺杂浓度有效区隔。
由以上说明可知，本发明利用热硬化后的氧化硅作为扩散掩膜，利用原子在不同材料(扩散掩膜(SiO2)及硅基材(Si))的扩散速度差，而在有掩膜及没有掩膜的位置形成掺杂浓度差，如此即可利用硬化后的氧化硅作为硅晶片的掺杂扩散掩膜，或是作为制备选择性射极用的掺杂扩散掩膜，而可以利用单一制程制得该具有重掺杂区241及轻掺杂区242的第一扩散层24，此外，由于氧化硅原料便宜容易取得，因此还可有效降低成本，故确实可达成本发明的目的。

Claims (10)

1.一种太阳能电池制造方法，其特征在于，该方法包含：准备步骤，准备具有第一型掺杂的半导体基板，该半导体基板具有方向相反的第一表面及第二表面；
第一扩散层形成步骤，于该半导体基板中形成具有第二型掺杂的第一扩散层；
及电极单元形成步骤，形成与该第一扩散层电连接的电极单元，
其中，该第一扩散层形成步骤包括先于该半导体基板的第一表面或第二表面，形成主成份为氧化硅的第一凝胶层，并将该第一凝胶层热硬化形成第一掩膜层，然后对该半导体基板进行第二型掺杂以形成该第一扩散层，最后将该第一掩膜层移除。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该第一凝胶层完全遮覆该第二表面，且该第一扩散层靠近该第一表面的一侧。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该方法还包含第二扩散层形成步骤，于该半导体基板中邻近该第二表面的一侧形成第二扩散层，该第二扩散层形成步骤包括于该第一表面形成主成份为氧化硅的第二凝胶层，并将该第二凝胶层热硬化形成第二掩膜层，接着自该第二表面对该半导体基板进行第一型杂质掺杂以形成该第二扩散层，最后移除该第二掩膜层。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该第一凝胶层形成于该第一表面的部分区域，该第一扩散层位于该半导体基板靠近该第一表面的一侧，并因为该第一掩膜层的阻挡效果使该第一扩散层具有重掺杂区及掺杂浓度低于该重掺杂区的轻掺杂区。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该电极单元还包含覆盖于该第一表面的主电极和多条自该主电极向外延伸的指叉电极，且该重掺杂区被所述指叉电极遮覆。
6.根据权利要求1至4任一项所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该第一凝胶层先在80℃～300℃的温度条件进行第一阶段热处理，接着再于300℃～900℃的温度条件进行第二阶段热处理，令该第一凝胶层热硬化以形成该第一掩膜层。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该第一凝胶层以超声波喷雾、丝网印刷、喷墨印刷、或旋转涂布方式形成于该第一表面。
8.根据权利要求3所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该第二凝胶层先在80℃～300℃的温度条件下进行第一阶段热处理，接着再于300℃～900℃的温度条件下进行第二阶段热处理，令该第二凝胶层热硬化以形成该第二掩膜层。
9.根据权利要求3所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该第一凝胶层与该第二凝胶层分别以超声波喷雾、丝网印刷、喷墨印刷、或旋转涂布方式形成于该第一表面与该第二表面，且该第一掩膜层与该第二掩膜层利用氢氟酸溶液移除。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池制造方法，其特征在于，该第一掩膜厚度介于10-200nm之间。
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