CN104157723B - 太阳能电池的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是提供一种太阳能电池的制造方法，其包含进行一激光掺杂选择性射极(LDSE)制程，以及先移除磷玻璃层(PSG)，再移除掺质残留层。借以改善传统太阳能电池的制造方法的缺失，及达到提升太阳能电池光电转换效率的目的。
Description
技术领域
本发明是关于一种太阳能电池的制造方法，特别是关于一种包含激光掺杂选择性电极制程的太阳能电池的制造方法。
背景技术
在传统太阳能电池的制程中，一般可归纳成下列步骤。首先，提供一硅基板，并且进行表面粗糙化。接着在磷扩散炉管中，在粗糙化表面上形成磷玻璃层及在硅基板的背面形成溢镀层，且通过扩散作用于硅基板的粗糙化表面形成射极。在连续式洗涤槽中移除溢镀层及磷玻璃层。利用化学气相沉积法，在硅基板的粗糙化表面上形成一抗反射层。最后利用网印法，在抗反射层中形成电极。
在上述移除溢镀层及磷玻璃层的步骤中，一般是让硅基板通过三阶段连续式洗涤槽，依序移除硅基板上的溢镀层及磷玻璃层。三阶段连续式洗涤槽主要是由三个酸碱槽体串接构成，并且在二槽体之间设置一纯水槽，借以移除残留于硅基板表面的酸碱液及避免槽体之间的污染。
在三阶段连续式洗涤槽中，第一槽体为混合酸液，其是由硫酸、硝酸和氢氟酸混合而成。由于硫酸比重大，因此硅基板不会沉入混合酸液中，只会浮在混合酸液的液面，借以移除位于硅基板背面的溢镀层。
第二槽体为氢氧化钾水溶液。氢氧化钾一方面可以中和第一槽的混合酸液，另一方面会和硅基板背面少量的磷掺杂层作用，借以在第三槽体中移除硅基板背面的磷掺杂层。
第三槽体为氢氟酸水溶液。承上所述，氢氟酸可用以移除硅基板背面已和氢氧化钾作用的硅掺杂层，同时可与粗糙化表面上的磷玻璃层作用，移除磷玻璃层，以暴露硅基板的粗糙化表面和射极。
然而，通过传统太阳能电池制造方法所制成的太阳能电池，常出现蚀刻痕迹(etching mark)，以及产生太阳能电池的电位诱发衰减(PID,potential induceddegradation)效应。所谓PID效应是指当太阳能模块长期与地面形成高强度电位差，其除了对太阳能电池或模块造成损害外，还容易引发发电效能衰减的问题，进而导致整个发电系统的输出功率下降。
因此，目前亟需一种新的太阳能电池的制造方法，以解决传统制造方法所产生的缺失。
发明内容
本发明是提供一种太阳能电池的制造方法，用以解决传统制造方法的缺失，并且提升太阳能电池的光电转换效率。
本发明的一方面在于提供一种太阳能电池的制造方法。其制造方法包含以下步骤，首先(1)提供一半导体基板，其为一第一导电型半导体，且具有一第一表面及一第二表面。接着(2)利用一掺质材料于半导体基板的第一表面上形成一掺质材料层，令使在半导体基板的第一表面内形成一第二型半导体层，且掺质材料在半导体基板的第二表面内形成一掺质溢镀层，掺质溢镀层的掺质材料于半导体基板的第二表面内形成一掺质残留层。
接续上述步骤，(3)进行一激光掺杂制程于掺质材料层，形成多个选择性射极于第二型半导体层中。(4)移除掺质材料层及掺质溢镀层，以暴露具有选择性射极的第二型半导体层及掺质残留层。(5)移除掺质残留层，以暴露半导体基板的第二表面。(6)形成一抗反射层于第二型半导体层上。接着(7)形成一电极于抗反射层中，且电极是接触第二型半导体层。
根据本发明的一实施例，上述第一型半导体为一P型半导体。
根据本发明的一实施例，上述步骤(1)还包含粗糙化半导体基板的第一表面。
根据本发明的一实施例，上述第二型半导体层为一N型半导体层。根据本发明的另一实施例，上述掺质材料为三氯氧磷(POCl3)。根据本发明的又一实施例，上述掺质材料层为一磷玻璃层(PSG)。
根据本发明的一实施例，上述步骤(4)的方法包含一湿式蚀刻法。根据本发明的另一实施例，上述湿式蚀刻法是使用氢氟酸移除该掺质材料层及该掺质溢镀层。
根据本发明的一实施例，上述步骤(5)的方法包含至少一酸蚀刻法、至少一碱蚀刻法或其组合。根据本发明的另一实施例，上述步骤(5)是先利用一酸溶液酸化该掺质残留层，接着利用一碱溶液移除酸化的该掺质残留层，再利用氢氟酸中和该碱溶液。根据本发明的又一实施例，上述酸溶液包含硫酸、硝酸、氢氟酸或其组合。根据本发明的再一实施例，上述碱溶液包含氢氧化钾、氢氧化钠或其组合。根据本发明的一实施例，上述步骤(5)包含一表面处理步骤，利用该碱溶液令使该第二型半导体层的金字塔微结构具有光滑表面。
根据本发明的一实施例，上述步骤(6)的方法包含物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。
根据本发明的一实施例，上述抗反射层的材料包含硅氧化合物(SiOx)、硅氮化合物(SiNx)、氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
根据本发明的一实施例，上述步骤(7)的方法包含网印法。
根据本发明的一实施例，上述电极的材料包含金属或透明导电材料。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例所绘示的太阳能电池的制造方法流程图；
图2A至图2H是根据本发明的实施例所绘示的制造太阳能电池的结构剖面图；
图3是根据本发明的一实施例所绘示的四阶段连续式洗涤槽；
图4是根据本发明的一实施例所提供的部分太阳能电池影像；
图5A是一传统太阳能电池的粗糙表面影像，其中箭头指出粗糙表面的孔洞；以及
图5B是根据本发明的一实施例所提供的太阳能电池的粗糙表面影像。
具体实施方式
接着以实施例并配合附图以详细说明本发明，在附图或描述中，相似或相同的部分是使用相同的符号或编号。在附图中，实施例的形状或厚度可能扩大，以简化或方便标示，而附图中元件的部分将以文字描述。可了解的是，未绘示或未描述的元件可为熟悉该项技艺者所知的各种样式。
图1是根据本发明的一实施例所绘示的太阳能电池的制造方法流程图；而图2A至图2H是根据本发明的实施例所绘示的制造太阳能电池的结构剖面图。以下将配合图2A至第2H的示范例，详细说明图1所述的制造流程。
在图1的步骤110及图2A中，首先提供一半导体基板210，其具有第一表面211及第二表面212。根据本发明的一实施例，半导体基板210为一第一导电型半导体，例如可为N型半导体或P型半导体。根据本发明的另一实施例，半导体基板210为一P型半导体的硅基板。
根据本发明的一实施例，图1的步骤110还包含粗糙化半导体基板的第一表面，使图2A的半导体基板210具有一粗糙的第一表面211。其中，粗糙化步骤包含利用一碱性湿式蚀刻法，在半导体基板210的第一表面211形成具有多个微金字塔的粗糙结构。
在图1的步骤120中，利用一掺质材料于半导体基板的第一表面上形成一掺质材料层，令使在半导体基板的第一表面内形成一第二型半导体层。同时，掺质材料在半导体基板的第二表面内形成一掺质溢镀层，掺质溢镀层的掺质材料于半导体基板的第二表面内形成一掺质残留层。
请参考图2B及图2C。在图2B中，将半导体基板210置于一炉管220中，并且于炉管220中通入掺质材料A。根据本发明的一实施例，炉管220为一磷扩散炉管，借以在半导体基板210的表面形成含磷掺质层。根据本发明的另一实施例，掺质材料A为三氯氧磷(POCl3)。
接着在图2C中，掺质材料A于半导体基板210的第一表面211上形成一掺质材料层230，且在半导体基板210的第一表面211内扩散形成一第二型半导体层231。根据本发明的一实施例，掺质材料层230为一磷玻璃层(PSG)。根据本发明的另一实施例，第二型半导体层231为一N型半导体层，其中掺杂有磷元素(P)。
同时，掺质材料A亦于半导体基板210的第二表面212上形成一掺质溢镀层232，且扩散形成一掺质残留层233于半导体基板210的第二表面212内。
在图1的步骤130及图2D中，进行一激光掺杂制程于掺质材料层230，形成多个选择性射极234于第二型半导体层231中。根据本发明的一实施例，激光掺杂制程是对于掺质材料层提供能量，令使掺杂材料在半导体基板中产生重掺杂，形成掺杂深度较深的选择性射极。根据本发明的一实施例，激光掺杂制程的激光功率为5～40瓦。
在图1的步骤140及图2E中，移除图2D中的掺质材料层230及掺质溢镀层232，以暴露具有选择性射极234的第二型半导体层231及掺质残留层233。根据本发明的一实施例，图1的步骤140是利用一湿式蚀刻法移除掺质材料层及掺质溢镀层。在本发明的一实施例中，由于掺杂材料层及掺杂溢镀层皆为磷玻璃层，且氢氟酸会溶蚀磷玻璃，因此可利用氢氟酸蚀刻移除掺杂材料层及掺杂溢镀层。
如前所述，掺质材料会扩散且在半导体基板的第二表面形成掺质残留层。然而掺质残留层会在半导体基板产生漏电流，并且长时间使用下容易造成太阳能电池的耗损及降低光电转换效率，因此必须移除掺质残留层，以避免产生漏电流。
在图1的步骤150及图2F中，移除图2E中的掺质残留层233，以暴露半导体基板210的第二表面212。根据本发明的一实施例，图1的步骤150包含至少一酸蚀刻法、至少一碱蚀刻法或其组合。在本发明的一实施例中，图1的步骤150是先利用一酸溶液酸化掺质残留层，接着利用一碱溶液移除酸化的掺质残留层，最后再利用氢氟酸中和碱溶液。
根据本发明的一实施例，图1的步骤140及步骤150可于一四阶段连续式洗涤槽中进行，如图3所示。图3是根据本发明的一实施例所绘示的四阶段连续式洗涤槽，其包含第一槽体310、第二槽体320、第三槽体330及第四槽体340。
第一槽体310是盛装一氢氟酸溶液于第一蚀刻槽311中，其是用于移除半导体基板300上的掺质材料层及掺质溢镀层。根据本发明的一实施例，第一蚀刻槽311中的氢氟酸溶液的浓度是约为6wt%～12wt%。接着于第一蚀刻槽311后，半导体基板300需经过第一纯水槽312清洗，以避免污染后续的蚀刻液。
第二槽体320是盛装一酸溶液于第二蚀刻槽321中，其是用于酸化半导体基板300上的掺质残留层。在本发明的一实施例中，酸溶液包含硫酸、硝酸、氢氟酸或其组合。由于硫酸比重较大，因此半导体基板300会漂浮在第二蚀刻槽321的酸溶液表面，且只会酸化半导体基板300的第二表面，而不会损害第一表面的第二型半导体层或射极。根据本发明的一实施例，第二蚀刻槽321中的酸溶液的硫酸浓度是约为15wt%～30wt%、硝酸浓度是约为15wt%～30wt%、氢氟酸浓度是约为1wt%～5wt%。接着于第二蚀刻槽321后，半导体基板300需经过第二纯水槽322清洗，以避免污染后续的蚀刻液。
半导体基板300是先利用第一蚀刻槽311的氢氟酸移除掺质材料层及掺质溢镀层，且暴露第二型半导体层及掺质残留层。值得注意的是，由于位于半导体基板第二表面的掺质残留层具有较大的疏水性，因此可以轻易地漂浮于第二蚀刻槽321的酸溶液表面。如此一来，便无需特别调控酸溶液中硫酸的浓度，以达到使半导体基板300漂浮于液面的目的。
第三槽体330是盛装一碱溶液于第三蚀刻槽331中，其是用于移除半导体基板300上酸化的掺质残留层。在本发明的一实施例中，碱溶液包含氢氧化钾、氢氧化钠或其组合。第三蚀刻槽331的碱溶液一方面是用以移除半导体基板300上的掺质残留层，另一方面可使第二型半导体层的金字塔微结构具有光滑表面。根据本发明的一实施例，第三蚀刻槽331中的碱溶液的氢氧化钾浓度是约为6wt%～12wt%。接着于第三蚀刻槽331后，半导体基板300需经过第三纯水槽332清洗，以避免污染后续的蚀刻液。
第四槽体340是盛装一氢氟酸溶液于第四蚀刻槽341中，其是用于中和半导体基板300上残留的碱溶液，因此第四蚀刻槽的氢氟酸溶液浓度是低于第一蚀刻槽的氢氟酸溶液浓度。根据本发明的一实施例，第四蚀刻槽341中的氢氟酸溶液的浓度是约为6wt%～12wt%。接着于第四蚀刻槽341后，半导体基板300需经过第四纯水槽342清洗。
在图1的步骤160及图2G中，形成一抗反射层240于第二型半导体层231上。根据本发明的一实施例，图1的步骤160包含物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。根据本发明的另一实施例，抗反射层的材料包含硅氧化合物(SiOx)、硅氮化合物(SiNx)、氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)。
在图1的步骤170及图2H中，形成一电极250于抗反射层240中，电极250是接触第二型半导体层231。根据本发明的一实施例，图1的步骤170包含网印法。根据本发明的另一实施例，电极的材料包含金属或透明导电材料，例如可为银胶。
图4是根据本发明的一实施例所提供的部分太阳能电池影像。在图4中，利用激光掺杂所形成的射极宽度(D2)明显大于电极宽度(D1)，如此可降低太阳能电池本身的电阻，提升太阳能电池效能。根据本发明的一实施例，电极宽度(D1)为40μm～75μm；而射极宽度(D2)为80μm～400μm。
图5A是一传统太阳能电池的粗糙表面影像，其中箭头指出粗糙表面的孔洞；而图5B是根据本发明的一实施例所提供的太阳能电池的粗糙表面影像。
在图5A中，由于传统制程是先移除掺质溢镀层及掺质残留层，再移除掺质材料层，因此传统的太阳能电池的粗糙表面会产生表面具有许多孔洞的金字塔微结构。这些孔洞可能会造成光散射，甚至降低太阳能电池的光电转换效率。
在图5B中，本发明的一实施例是先移除掺质材料层，暴露太阳能电池的粗糙表面。接着移除掺质残留层的同时，碱溶液会与太阳能电池的粗糙表面反应，使粗糙表面上的金字塔微结构具有光滑表面。如此便可提升光能量的吸收，增进太阳能电池的光电转换效率。
表1是比较本发明的一实施例所提供的制造方法及传统制造方法所制成的太阳能电池的光电转换效率。
| 光电转换效率(%) | |
| 实施例 | 19.33 |
| 比较例 | 19.16 |
本发明所提供的制造方法可用于大量生产太阳能电池，且在10000片太阳能电池中光电转换效率误差小于0.03%。由此可知，本发明所提供的太阳能电池制造方法具有极高的产品良率及制程稳定性。并且有效解决传统太阳能电池的制造方法常发生的蚀刻痕迹以及电位诱发衰减(PID)效应，并且提高太阳能电池的光电转换效率。
虽然本发明的实施例已揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (15)
1.一种太阳能电池的制造方法，其特征在于，包含下列步骤：
(1)提供一半导体基板，其为一第一型半导体，且具有一第一表面及一第二表面，其中该第一表面具有一金字塔微结构；
(2)利用一掺质材料于该半导体基板的该第一表面上形成一掺质材料层，令使在该半导体基板的该第一表面内形成一第二型半导体层，该第二型半导体层具有一表面包含该金字塔微结构，且该掺质材料在该半导体基板的该第二表面内形成一掺质溢镀层，该掺质溢镀层的该掺质材料于该半导体基板的该第二表面内形成一掺质残留层；
(3)进行一激光掺杂制程于该掺质材料层，形成多个选择性射极于该第二型半导体层中；
(4)移除该掺质材料层及该掺质溢镀层，以暴露具有该些选择性射极的该第二型半导体层的该金字塔微结构及该掺质残留层；
(5)利用一酸溶液酸化该掺质残留层，接着利用一碱溶液移除酸化的该掺质残留层，以暴露该半导体基板的该第二表面，同时利用该碱溶液使该第二型半导体层的该金字塔微结构具有一光滑表面，其中该酸溶液包含硫酸；
(6)形成一抗反射层于该第二型半导体层上；以及
(7)形成一电极于该抗反射层中，该电极是接触该第二型半导体层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该第一型半导体为一P型半导体。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，在该步骤(1)还包含粗糙化该半导体基板的该第一表面。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该第二型半导体层为一N型半导体层。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该掺质材料为三氯氧磷。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该掺质材料层为一磷玻璃层。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该步骤(4)的方法包含一湿式蚀刻法。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该湿式蚀刻法是使用氢氟酸移除该掺质材料层及该掺质溢镀层。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该步骤(5)更包含利用氢氟酸中和该碱溶液。
10.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该酸溶液更包含硝酸、氢氟酸或其组合。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该碱溶液包含氢氧化钾、氢氧化钠或其组合。
12.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该步骤(6)的方法包含物理气相沉积或化学气相沉积。
13.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该抗反射层的材料包含硅氧化合物、硅氮化合物、氧化铝或碳化硅。
14.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该步骤(7)的方法包含网印法。
15.根据权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于，该电极的材料包含金属或透明导电材料。
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