CN105990457A - 光电元件、包含其的太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种光电元件及包含其的太阳能电池。该光电元件，包含：硅晶基材，其中该硅晶基材具有上表面、以及下表面，其中该上表面具有第一粗化结构(textured structure)，该第一粗化结构由多个角锥(pyramid)组成，每一角锥有二个以上的侧面(side face)，且每一侧面具有二侧边及一底边，其中每一侧面由低掺杂区域及高掺杂区域组成，且该高掺杂区域与该侧边紧密相邻，其中该多个角锥的高掺杂区域相互接触并构成电流通道网，以提升光电元件射极层的电流传输效能，达到增加发电流密度与提高光电转换效率的目标。
Description
技术领域
本发明关于一种光电元件及包含其的太阳能电池。
背景技术
由于全球能源的持续短缺且对于能源的需求与日俱增，因此如何提供环保且干净的能源便成为目前最迫切需要研究的议题。在各种替代性能源的研究当中，利用自然的太阳光经由光电能量转换产生电能的太阳能电池，为目前所广泛应用且积极研发的技术。
太阳能电池利用具有PN接面(PN-Junction)的硅半导体基材，当照射太阳光后造成光伏效应(Photovoltaics)激发出游离电子。然而，在传统太阳能电池中，激发所产生的游离电子无特定的传输方向(以类似扩散的方式传输)，因此当电子传输至射极层时，已因半导体材料的阻抗而造成能量的部分损耗。
基于上述，提供一种可改善上述现有技术缺点的太阳能电池，实为目前太阳能电池技术所迫切需要的。
发明内容
本发明提供一种光电元件及包含其的太阳能电池。由于该光电元件(或是太阳能电池)的表面具有一阻值较低的电流通道网，可在不减少发电面积的前提下，将照光所产生的电流，有方向性的由硅晶基材传输至电极，提升电流的收集效率及降低电流的传导损耗，提高太阳能电池的整体发电效能。
根据本发明一实施例，本发明提供一种光电元件，包含：硅晶基材，其中该硅晶基材具有上表面、下表面。其中，该上表面具有第一粗化结构(textured structure)。该第一粗化结构由多个角锥(pyramid)组成，每一角锥有二个以上的侧面(side face)，且每一侧面具有二侧边及一底边，其中每一侧面由低掺杂区域及高掺杂区域组成，且该高掺杂区域与该侧边紧密相邻，其中该多个角锥的高掺杂区域相互接触并构成电流通道网。
根据本发明另一实施例，本发明提供一种太阳能电池，包含：硅晶基材，其中该硅晶基材具有上表面、下表面。该上表面具有第一粗化结构(textured structure)，其中该第一粗化结构由多个角锥(pyramid)组成，每一角锥有二个以上的侧面(side face)，且每一侧面具有二侧边及一底边，其中每一侧面由低掺杂区域及高掺杂区域组成，且该高掺杂区域与该侧边紧密相邻，其中该多个角锥的高掺杂区域相互接触并构成电流通道网。第一电极，设置于该硅晶基材的上表面，与该第一粗化结构接触。以及，第二电极，设置于该硅晶基材的下表面。
附图说明
图1是根据本发明一实施例所述的光电元件的示意图。
图2是图1所述的光电元件的粗化结构的角锥的放大示意图。
图3是根据本发明一实施例所述的光电元件的仰视图。
图4是本发明另一实施例所述的光电元件的粗化结构的角锥的放大示意图。
图5是根据本发明其他实施例所述的光电元件的仰视图。
图6是根据本发明一实施例所述的光电元件的剖面示意图。
图7是根据本发明一实施例所述的太阳能电池的示意图。
图8A至8G是根据本发明一实施例所述的光电元件的制造流程图。
图9A至9B是图8D所述的角锥16A沿方向X的剖面结构示意图。
图10A至10B是根据本发明一实施例所述的太阳能电池的制造流程图。
图11及12是以二次离子质谱仪(SIMS)对实施例1所得的硅晶太阳能电池在不同深度进行测量的结果。
图13是不同浓度掺质对硅基材电阻率的影响。
图14为经蚀刻后的硅芯片的扫描式电子显微镜(SEM)图谱。
图15为实施例1所述的硅晶太阳能电池其剖面扫描式电子显微镜(SEM)图谱。
需要说明的是，在不同的特征中所对应的数字和符号，除非另有注记，一般而言视为对应部分。所绘示的特征清楚地标明了具体实施方式的相关态样，且其并不一定依比例绘制。
【附图标记说明】
10 光电元件；
11 上表面；
12 硅晶基材；
13 下表面；
16、16A、16B 角锥；
21 顶角；
23 侧边；
24 侧面；
24A 高掺杂区域；
24B 低掺杂区域；
25 底边；
28 金属线；
40、40A 掩膜层；
50-54 深度；
60-64 深度；
41 等向性蚀刻；
100 太阳能电池；
101 第一电极；
103 第二电极；
111 第一粗化结构；
131 第二粗化结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明揭露一种光电元件及包含其的太阳能电池。该光电元件可包含：硅晶基材，其中该硅晶基材具有上表面及下表面。该硅晶基材可为单晶硅基材或多晶硅基材。其中，该上表面具有第一粗化结构(textured structure)。该第一粗化结构由多个角锥(pyramid)组成。该多个角锥可独立为三角锥(triangular pyramid)、四角锥(quadrangular pyramid)、五角锥(pentagonalpyramid)、或六角锥(hexagonal pyramid)，但并不以此为限，且该多个角锥可具有相同或不同尺寸。值得注意的是，该角锥每一侧面由低掺杂区域及高掺杂区域组成，而该多个角锥的高掺杂区域相互接触并构成电流通道网。
请参照图1，显示本发明一实施例所述的光电元件10。该光电元件10具有硅晶基材12，该硅晶基材12具有上表面11及下表面13。该硅晶基材12具有第一导电性(可为n型或p型导电性，例如p型导电性)，厚度介于约50μm至500μm之间。其中，该上表面11具有第一粗化结构(texturedstructure)111。在此实施例中，该第一粗化结构(textured structure)111可由多个四角锥16组成，其中该多个四角锥16的尺寸可为相同或不同。请参照图2，为图1所述的四角锥16的放大示意图。该四角锥16具有一个顶角(top vertex)21及四个侧面24，每一个侧面具有二个侧边23以及一个底边25，其中每一侧面24由高掺杂区域24A及低掺杂区域24B组成，而任两相邻的四角锥16以底边25相迭的方式相互接触。其中，该侧边23及该底边25的长度可介于约3μm至20μm之间。值得注意的是，在每一个侧面24的该高掺杂区域24A，与该侧面的该侧边23紧密相邻；而且，该四角锥16每一侧面的该高掺杂区域相交于该顶角(top vertex)21。该高掺杂区域24A的面积可占该侧面24总面积约5％至25％，若低于下限值，因为高掺杂区24A串接形成的低电阻发电流通道网面积太小或不连续，无法达到提升导电的效果；反之，若高于上限值，则高掺杂区24A的面积占比太高，高掺杂相对会降低光伏发电压，过多的牺牲可作为低掺杂的高发电电压的面积。
该高掺杂区域24A及该低掺杂区域24B具有第二导电性(可为p型或n型导电性，例如n型导电性)。举例来说，若该硅晶基材为p型导电性，则该高掺杂区域24A及该低掺杂区域24B为n型导电性(例如以磷渗入硅晶层)；另一方面，若该硅晶基材为n型导电性，则该高掺杂区域24A及该低掺杂区域24B为p型导电性(例如以硼渗入硅晶层)。如此一来，当该光电元件照光后，该硅晶基材与该第一粗化结构的低掺杂区域24B(或该高掺杂区域24A)间产生P-N接面(P-N junction)，因此产生第一驱力，将载子(例如电子)由该硅晶基材传输至该低掺杂区域24B(或该高掺杂区域24A)。
该高掺杂区域的表面掺杂浓度可介于约5E+20atoms/cm3至8E+22atoms/cm3，且该低掺杂区域的表面掺杂浓度可介于约1E+19atoms/cm3至5E+21atoms/cm3。此外，该高掺杂区域24A的掺杂浓度与该低掺杂区域24B的表面掺杂浓度比可介于5倍至1000倍之间。由于高掺杂区域24A的表面掺杂浓度为该低掺杂区域24B的约5倍至1000倍。因此该高掺杂区域24A相对于该低掺杂区域24B具有降低的电阻，可使得该四角锥16的高掺杂区域24A能与该低掺杂区域24B间产生第二驱力，导致照光后借助第一驱力从硅晶基材所导引出的载子(例如电子)可进一步快速由该低掺杂区域24B传输至该高掺杂区域24A。如此一来，该多个四角锥16相互接触的高掺杂区域24A可构成电流通道网，用来快速传递载子(例如电子)，请参照图3(为本发明一实施例所述光电元件10的仰视图)。
根据本发明另一实施例，在该四角锥16的每一侧边23上，可进一步配置一金属线28，并与该高掺杂区域24A直接接触，请参照图4。该金属线28的材质可为镍、钴或铜，形成方式可有两种，第一种是技术成熟的IC半导体的多晶硅栅极(gate)的金属化制程，第二种技术是硅晶太阳电池的电镀电极技术，前者成本较高，后者成本较低。由于金属线28与该高掺杂区域24B相比，具有更低的电阻，可使得该四角锥16的高掺杂区域24A能与该金属线28产生第三驱力，导致借助第二驱力由低掺杂区域24B传输至该高掺杂区域24A的载子(例如电子)可进一步快速由该高掺杂区域24A传输至该金属线28。如此一来，该多个四角锥16相互接触的金属线28可构成金属网，用来快速收集载子(例如电子)，请参照图5(为本发明一实施例所述光电元件10的仰视图)。该高掺杂区域24A可部分被该金属线28所覆盖(如图5所示)，亦可完全被该金属线28所覆盖。根据本发明某些实施例，该高掺杂区域24A被该金属线28所覆盖的区域占该高掺杂区域24A面积的50-100％。若该高掺杂区域24A被该金属线28所覆盖的区域小于高掺杂区域24A面积的50％，则所形成的金属线28有可能会因为过细而形成非连续的金属线；若该高掺杂区域24A部分被该金属线28所覆盖，则金属线可提供更低的电流通道，提高电流传导效率。
根据本发明其他实施例，本发明所述的光电元件10，除了该上表面11可具有第一粗化结构(textured structure)111外，该下表面13亦可具有第二粗化结构(textured structure)131，请参照图6(为本发明一实施例所述光电元件10的剖视图)。该第二粗化结构(textured structure)131的定义与该第一粗化结构(textured structure)111相同，且可与该第一粗化结构(texturedstructure)111在相同步骤中同时形成，或是与该第一粗化结构(texturedstructure)111在不同步骤中先后形成。
根据本发明某些实施例，本发明亦提供一种包含上述光电元件的硅晶太阳能电池。请参照图7，该硅晶太阳能电池100可包含图1所示的光电元件、第一电极101设置于该光电元件10的硅晶基材12的上表面11上、以及第二电极103设置于该光电元件10的硅晶基材12的下表面13上(可部分或完全设置于该下表面13上)。由于该第一电极101与该第一粗化结构(textured structure)111直接接触，因此由该高掺杂区域24A所构成的电流通道网亦与该第一电极101直接接触。如此一来，当硅晶太阳能电池100照光后，借助第一驱力(由该硅晶基材12与该第一粗化结构的低掺杂区域24B(或该高掺杂区域24A)间P-N接面(P-N junction)所产生)、及第二驱力(高掺杂区域24A能与该低掺杂区域24B间电阻差异所产生)导入至该电流通道网的电流，可进一步被该第一电极101所收集。由于该电流通道网，可更有效率的收集借助P-N接面所产生的载子，而该载子可再通过电流微米通道的连接传输到第一电极101。与传统硅晶太阳能电池相比，所产生的电流不会无系统方向的四处逸散，而是有系统性进入具有更低阻抗的电流通道网(这是因为高掺杂区域24A的阻抗较该低掺杂区域24B低)，因此可并避免照光所产生的电流因为半导体材料的阻抗而造成损耗。此外，由于该电流通道网可大幅增加电流的收集效率，因此本发明所述的硅晶太阳能电池100的第一电极101之间的间隔可适当需要调整至较传统硅晶太阳能电池更长的间隔，因此可减少该第一电极101配置于该上表面11的数量，增加硅晶太阳能电池100的照光面积。
根据本发明其他实施例，该硅晶太阳能电池的该第一粗化结构(textured structure)可还包含图5所述的金属网，即在第一粗化结构的四角锥(pyramid)的每一侧边上，可进一步配置一金属线，并与该高掺杂区域直接接触。如此一来，当硅晶太阳能电池照光后，借助第一驱力(由该硅晶基材与该第一粗化结构的低掺杂区域(或该高掺杂区域)间P-N接面(P-Njunction)所产生)、第二驱力(由高掺杂区域与低掺杂区域间的电压差梯度所产生)及第三驱力(由高掺杂区域与该金属线间电阻差异所产生)导入至该金属网的电流，可进一步被该第一电极101所收集。
此外，根据本发明其他实施例，该硅晶太阳能电池的硅晶基材的下表面可还具有第二粗化结构(textured structure)(即该硅晶太阳能电池具有图7所述的硅晶基材12)，而该第二电极与该第二粗化结构直接接触。如此一来，该硅晶太阳能电池可具有强化第二粗糙化结构的第二电极的局部背电场。在此，该第二电极可部分配置于该第二粗化结构(即非完全覆盖该第二粗化结构)，但本发明不以此为限。
图8A至8G为一系列示意图，用以说明本发明一实施例所述的光电元件10的制造流程。
首先，提供硅晶基材12，该硅晶基材12可为单晶硅基材或多晶硅基材，请参照图8A。该硅晶基材12可具有一介于50μm至500μm之间的厚度。
接着，对硅晶基材12的一表面进行粗糙化制程，以形成多个角锥(例如四角锥)16A于该表面上，请参照图8B。该粗糙化制程可为将硅晶基材12的一表面浸渍于经加热的碱液中(例如含氢氧化钾或氢氧化钠的溶液)中，但本发明不以此为限。本发明采用的是将硅晶太阳电池芯片浸泡于摄氏80度的高温KOH-IPA混合溶液的碱蚀刻制程30分钟，浓度比例为氢氧化钾KOH(45％)∶异丙醇(IPA)∶超纯水(DIW)＝1∶2.2∶36.7，因为该碱蚀刻溶液对于硅芯片表面晶格方向(100)的单晶硅面上进行异向性的化学蚀刻产生晶格方向(111)面的微米金字塔角锥结构。
接着，坦覆性形成一掩膜层40于该基材12的上表面，以覆盖该多个角锥(例如四角锥)16A的所有侧面，请参照图8C。该掩膜层40的材质可例如氮化硅层、二氧化硅层或是二氧化硅层与氮化硅层的复合结构层，掩膜层厚度需搭配湿蚀刻作用的反应时间与后续高温掺杂扩散制程。本发明采用掩膜层40的测试材料为氮化硅层，形成方式可例如为：物理蒸气沉积(PVD)、化学蒸气沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
接着，对该掩膜层40进行等向性(isotropic)蚀刻(例如为湿蚀刻，湿蚀刻液可例如为氢氟酸溶液HF(酸蚀刻溶液)或氢氧化钠溶液NaOH(碱蚀刻溶液)。请参照图9A，为图8C所述角锥16A沿方向X的剖面结构图，由于该角锥16A具有折角(即角锥两个相邻侧面的夹角小于180度)的几何结构，因此当对该掩膜层40进行等向性(isotropic)蚀刻41时，由于蚀刻的加乘效应，位于侧边(角锥两个相邻侧面共享的边)上的掩膜层40的蚀刻速率明显大于侧面上平坦区域，且蚀刻的加乘效应当两个侧面的夹角(即折角)愈小愈明显。值得注意的是，该等向性(isotropic)蚀刻并不会完全移除该掩膜层40，而是用来将位于侧边(或位于侧面但接近侧边)的掩膜层40移除，因此位于该角锥16A侧边及顶角的掩膜层40，在蚀刻后会裸露出来，请参照图8B及图8D。换言之，当该等向性(isotropic)蚀刻将相邻于侧边(或位于侧面但接近侧边)的掩膜层40移除后，则停止该等向性蚀刻。由于蚀刻的加乘效应，可使得位于侧边(或位于侧面但接近侧边)的掩膜层40加速被蚀刻移除(露出部分硅晶基材12)，而保留位于侧面但较远离侧边的掩膜层40A(硅晶基材12仍被掩膜层40所覆盖)，得到如图8D所示结构。
接着，对图8D所述结构进行第一次掺杂物制程，使得掺杂物进入未被掩膜层40覆盖的硅晶基材12(即该侧面与该侧边相邻的部分)，得到第一掺杂区域24A，如图8E所示。该第一次掺杂物制程实施的方式，如发明内容的说明，第一掺杂区域24A为高浓度掺杂区域，若该硅晶基材为p型导电性，则第一掺杂区域24A进行第一次n型导电性的高温扩散掺杂(例如以磷渗入硅晶层)；另一方面，若该硅晶基材为n型导电性，则第一掺杂区域24A进行第一次p型导电性的高温扩散掺杂(例如以硼渗入硅晶层)。本发明采用的硅晶基材为p型导电性，第一掺杂区域24A进行第一次高温磷扩散掺杂，摄氏800度POCl3扩散制程，第1次掺表面杂浓度可约为1E+20atoms/cm3至5E+21atoms/cm3。
接着，移除该掩膜层40A，露出角锥16B侧面的硅晶基材，如图8F所示。移除该掩膜层40A的方式可例如为浸泡氢氟酸HF溶液，因为氢氟酸HF溶液对于本发明采用的氮化硅掩膜层有良好的蚀刻去除反应速率，对硅基材有非常高的选择比，仅蚀刻去除掩膜层不蚀刻硅晶材料。HF溶液浓度为HF(49％)∶DIW＝1∶20，浸泡时间约10～20分钟，浸泡时间须配合去除掩膜层厚度调整完全去除掩膜层40A。
最后，对图8F所述结构进行第二次掺杂物制程，得到第二掺杂区域24B(即低掺杂区域)，并使得该第一掺杂区域24A成为高掺杂区域，至此得到本发明所述的光电元件10。该第二次掺杂物制程实施的方式，如发明内容的说明，若该硅晶基材为p型导电性，则该高掺杂区域24A及该低掺杂区域24B为n型导电性(例如以磷渗入硅晶层)；另一方面，若该硅晶基材为n型导电性，则该高掺杂区域24A及该低掺杂区域24B为p型导电性(例如以硼渗入硅晶层)。本发明采用的硅晶基材为p型导电性，第二掺杂进行低掺杂浓度的高温磷扩散掺杂，摄氏800度POCl3扩散制程，使得低掺杂区域24B的掺杂浓度介于1E+19至5E+21[atoms/cm3]；使得高掺杂区域24A经两次的高温磷扩散形成高掺杂浓度介于约5E+20atoms/cm3至8E+22atoms/cm3。
本发明一实施例亦提供图4所述具有金属网的光电元件的制造方法。硅半导体材料的角椎体边角侧边的金属导线的制造方法可以采用两种方法，第一种是技术成熟的IC半导体的多晶硅栅极(gate)的金属化制程，第二种技术是硅晶太阳电池的电镀电极技术，前者成本较高，后者成本较低。本发明实施例采用硅晶太阳电池电镀电极技术，进行角椎体边角侧边金属导线的制造方法，(1)首先要先完成硅晶光电元件的前半段制程，到完成硅基材的复合式扩散掺杂PN-Junction结构；(2)接下步骤是制作仅在角锥边角侧边裸露的掩膜(mask)，掩膜(mask)制程与材料类同于图8C至图8D，让角锥平面区域被绝缘层薄膜覆盖保护与绝缘，掩膜(mask)的材料可为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或两者的复合材料；(3)接下步骤是将完成掩膜(mask)的光电元件半成品置入电镀溶液中，利用光伏发电原理产生自发生电镀的现象，将裸露的角锥边角侧边电镀出金属导线。
根据本发明实施例，硅晶基材背面的第二粗糙化结构，与第一粗糙化结构可利用芯片粗糙化(texturing)处理一次完成，硅晶基材(例如具有p型导电性、厚度为200um)的下表粗糙面以KOH-IPA溶液的湿式碱蚀刻制程，氢氧化钾KOH(45％)∶异丙醇(IPA)∶超纯水(DIW)＝1∶2.2∶36.7，反应温度摄氏80度，反应时间30分钟。
此外，根据本发明另一实施例，本发明亦提供一种太阳能电池100的制造方法。首先，请参照图10A，在完成本发明所述的光电元件(例如图8G所示的光电元件，但此仅为举例，本发明并不以此为限，亦可为具有金属网、或是第二粗化结构的光电元件)后，形成第一电极101于部分该硅晶基材12的上表面11，与该具有多个角锥16的第一粗化结构接触(即与高掺杂区域所构成的电流通道网接触)。该第一电极101的材质可例如为银、铝、铜、或其合金，其形成方式可例如为掺有银粉或铝粉的合金胶料的电极网印烧结制程，或是电镀电极制程。
接着，请参照图10B，于该硅晶基材12的下表面13上形成一第二电极，该二电极可部分或完全覆盖该下表面13，至此得到本发明所述的太阳能电池100。该第二电极103的材质可例如为铝-硅合金，其形成方式可例如为掺有银粉或铝粉的合金胶料的电极网印烧结制程，或是电镀电极制程。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例，来说明本发明所述的硅晶太阳能电池及其制造方法。
硅晶太阳能电池的制备
实施例1
首先，将一硅芯片(具有p型导电性、厚度为200um)的上表面以KOH-IPA溶液的湿式碱蚀刻制程，氢氧化钾KOH(45％)∶异丙醇(IPA)∶超纯水(DIW)＝1∶2.2∶36.7，反应温度摄氏80度，反应时间30分钟，进行表面粗糙化(texturing)处理，使该硅芯片具有第一粗化结构。其中，该第一粗化结构具有多个角锥。接着，坦覆性形成氮化硅层(Si3N4)(作为掩膜层)于该硅芯片的上表面，以完全覆盖该多个角锥的所有侧面。该氮化硅层(Si3N4)厚度为120nm，形成方式为PECVD的氮化硅层(Si3N4)。接着，对覆盖该第一粗化结构的氮化硅层(Si3N4)进行一氢氟酸湿蚀刻制程(HF(49％)∶DIW＝1∶20，室温)，时间700秒。由于蚀刻的加乘效应，使得位于角锥侧边(角锥两个相邻侧面共享的边)上的氮化硅层(Si3N4)蚀刻速率明显大于侧面上平坦区域氮化硅层(Si3N4)的蚀刻速率，以将位于侧边(或位于侧面但接近侧边)的氮化硅层(Si3N4)移除，露出位于角锥侧边或接近角锥侧边附近的些许侧面的硅芯片表面，保留位于角锥侧面但较远离侧边的氮化硅层(Si3N4)；亦即形成仅于角锥边角裸露的掩膜层(mask)。请参照图14，为经蚀刻后的硅芯片的扫描式电子显微镜(SEM)图谱。由图14可知，位于角锥边角的氮化硅层(作为掩膜)被该蚀刻所移除，露出硅基材。接着，将对覆被该氮化硅层(Si3N4)掩膜层(Mask)硅芯片进行第一掺杂物制程，本发明硅晶太阳电池实施例采用的硅晶基材为p型导电性，第一掺杂物制程进行角锥边角的第一次高温磷扩散掺杂，摄氏800度POCL3扩散制程。接着，移除氮化硅层(Si3N4)掩膜层(Mask)，露出角锥侧面的硅芯片表面，使用氢氟酸溶液室温浸泡20分钟，HF溶液浓度为HF(49％)∶DIW＝1∶20。接着，对该硅芯片进行第二次掺杂物制程，使得角锥的平面区域形成低掺杂浓度的高温磷扩散掺杂，使得角锥的侧边区域经第二次的高温磷扩散形成高掺杂浓。角锥体形成具有复合式掺杂浓度的角椎体，角椎体的侧面为具有低掺杂区域，角椎体的侧边区域为高掺杂区域；该多个角锥的高掺杂区域相互接触并构成电流通道网。接着，去除硅芯片表面磷玻璃层(PSG)与在硅芯片表面覆被氮化硅层(Si3N4)的抗反射薄膜。接着，硅芯片的上表面以网印方式涂布含银、或/及铝的上电极胶料，在硅芯片的下表面以网印方式涂布下电极铝胶。最后，对硅芯片进行烧结(sintering)制程，以在硅芯片的上表面形成图形化第一电极(与电流信道网接触)，并在硅芯片的下表面形成第二电极(铝-硅合金)与硅芯片直接接触。请参照图15，为实施例1所述的硅晶太阳能电池其剖面扫描式电子显微镜(SEM)图谱。
比较实施例1
首先，将硅芯片(p-type)的上表面以KOH-IPA溶液的湿式碱蚀刻进行表面粗糙化(texturing)处理制程。接着，将芯片置于高温炉中并通入含磷气体，使磷渗入硅芯片表层。接着，去除硅芯片表面磷玻璃层(PSG)与在硅芯片表面覆被氮化硅层(Si3N4)的抗反射薄膜。接着，在硅芯片的上表面以网印方式涂布含银、或/及铝的浆料，在硅芯片的下表面以网印方式涂布铝浆。最后，对硅芯片进行烧结(sintering)制程，以在硅芯片的上表面形成第一电极(穿过抗反射层与掺杂层接触)，并在硅芯片的下表面形成第二电极(铝-硅合金)与硅芯片直接接触。
硅晶太阳能电池的电性测量
对实施例1及比较实施例1所得的太阳能电池进行电性测试，结果如表1所示。
表1
由以上测量可知，本发明所述的太阳能电池，由于该光电元件(或是太阳能电池)的射极层(emitter)是利用高浓度与低浓度的复合式扩散掺杂制程形成，射极层(Emitter)内具有一利用高浓度掺杂串连而成的低电阻值的电流通道网，可在不减少发电面积的前提下，将硅晶太阳能电池照光所产生的光伏发电流，更有系统性的提升硅晶电池的射极层(emitter)内部的光伏发电流的传输效率。分析实施例1与比较实施例1的IV电性测试的太阳能电池参数数据，具有射极层电流通道网的实施例1虽然开路电压Voc减少0.6％，却可以让发电流密度增加1.7％与发电效率增加2.0％，证明了实施例1的电流通道网可以提升硅晶太阳电池射极层(Emitter)的电流传输能力。与比较实施例1相比，本发明实施例1所述的光电元件具有以下优点：(1)电流通道网因为高浓度掺杂具有较低的光伏发电压，与相邻低浓度掺杂区较高的光伏发电压，在几微米的距离内形成良好的电压差梯度，驱动射极层(emitter)内的发电流汇集进入电流通道网，(2)电流通道网的高浓度掺杂扩散制程，使得电流通道网具有更低的电阻率与更深的掺杂分布深度的通电截面积。基于上述功效，本发明所述光电元件的射极层其电流通道网虽然牺牲了局部面积成为较低的光伏发电压区域，但由于光电元件射极层的电流传输效能被提升，因此可达到增加发电流密度(Jsc)与提高光电转换效率(Eff)的目标。
由以上测量可知，本发明所述的太阳能电池，由于该光电元件(或是太阳能电池)的表面具有一阻值较低的电流通道网，可在不减少发电面积的前提下，将照光所产生的电流，有方向性的由硅晶基材传输至电极，提升电流的收集效率及降低电流的传导损耗，提高太阳能电池的整体发电效能。
高掺杂浓度与低掺杂浓度硅晶太阳电池元件的开路电压验证
以下为对标准太阳电池的制程进行验证的对照实验。低浓度掺杂电池元件制程：以70ohm表面电阻值为扩散条件进行一次扩散的制程，电池元件的开路电压(Voc)为0.630V；高浓度掺杂电池元件制程：以50ohm的表面电阻值的扩散条件进行二次扩散的制程，电池元件的开路电压(Voc)为0.626V。接着，将上述两种掺杂条件的电池元件进行电性测量，结果如表2。
表2
| 高浓度掺杂电池元件 | 低浓度掺杂电池元件 | |
| 断路电流(A) | 5.801 | 5.390 |
| 发电流(A) | 5.503 | 5.123 |
| 开路电压(V) | 0.630 | 0.626 |
| 发电压(V) | 0.538 | 0.538 |
| 发电功率(W) | 2.960 | 2.754 |
| 填满因子(％) | 80.964 | 81.643 |
| 发电效率(％) | 18.973 | 17.655 |
| 并联电阻(ohm) | 75.686 | 100.000 |
| 串联电阻(ohm) | 0.001 | 0.001 |
| 发电流密度(mA) | 37.187 | 35.929 |
由表2可知，二次扩散掺杂的高浓度掺杂电池元件的开路电压相对低了-4mV。
高掺杂浓度与低重掺杂浓度太阳电池元件的二次离子质谱仪(SIMS)掺杂剖面纵深分析
以二次离子质谱仪(SIMS)对低浓度掺杂电池元件进行二次离子质谱仪(SIMS)掺杂剖面纵深分析，结果如图11所示：在深度50(10nm)测得P型载子浓度为1E21、电阻率0.0001ohm-cm(关于电阻率是依据图12计算的)；在深度51(42nm)测得P型载子浓度为1E22、电阻率0.001ohm-cm；在深度52(90nm)测得P型载子浓度为1E23、电阻率0.006ohm-cm；在深度53(200nm)测得P型载子浓度为1E23、电阻率0.02ohm-cm；以及，在深度54(260nm)测得P型载子浓度为1E24、电阻率0.1ohm-cm，结果如表3所示。以二次离子质谱仪(SIMS)对高浓度掺杂电池元件进行二次离子质谱仪(SIMS)掺杂剖面纵深分析，结果如图12所示：在深度60(25nm)测得P型载子浓度为1E21、电阻率0.0001ohm-cm；在深度61(100nm)测得P型载子浓度为1E20、电阻率0.001ohm-cm；在深度62(200nm)测得P型载子浓度为1E19、电阻率0.006ohm-cm；在深度63(385nm)测得P型载子浓度为1E18、电阻率0.02ohm-cm；以及，在深度64(480nm)测得P型载子浓度为1E17、电阻率0.1ohm-cm，结果如表3所示。
表3
由表3以及图11及12可知，二次扩散的高浓度掺杂的掺杂浓度分布是一次扩散的低浓度掺杂的掺杂深度的两倍以上。
硅半导体材料掺杂浓度与电阻值的关系分析
硅半导体掺杂浓度与电阻率研究成果如图13所示(数据源PVeducation)。请参照表4，为硅半导体掺杂浓度与电阻率的对应关系数据。
表4
由表3-4及图11-13可知，二次扩散的高浓度掺杂制程比起一次扩散的低浓度掺杂制程，最重要的导电率提升关键是在二次扩散掺杂制程增加了掺杂浓度大于1E20[atoms/cm3]的低电阻区域的分布深度。以n-Si的磷(P)掺杂的硅材料而言，掺杂浓度1E21[atoms/cm3]电阻率为0.0001ohm-cm，掺杂浓度1E20[atoms/cm3]的电阻率为0.001ohm-cm。二次扩散的高浓度掺杂的SIMS分析图(如图12)与一次扩散的低浓度掺杂的SIMS分析图(如图11)的分布深度对导电能力变化的分析如下：(1)掺杂浓度1E21[atoms/cm3](电阻率0.0001ohm-cm)的分布深度由10nm延伸到25nm，虽只增加15nm的分布深度，导电能力提升的效果是掺杂浓度1E19[atoms/cm3](电阻率0.006ohm-cm)的分布深度要增加60x15nm＝900nm的分布深度；电导率是电阻率的倒数(电导率＝1/电阻率)，1E21[atoms/cm3]掺杂浓度导电率是1E19[atoms/cm3]掺杂浓度导电率的60倍。(2)同理，掺杂浓度1E20(电阻率0.001ohm-cm)的深度由42nm延伸到100nm，虽然只增加58nm的分布深度，导电能力提升的效果是相当于是掺杂浓度1E19[atoms/cm3](电阻率0.006ohm-cm)的分布深度要增加6x58nm＝348nm的分布深度。(3)掺杂浓度1E19[atoms/cm3](电阻率0.006ohm-cm)的深度由90nm延伸到200nm，增加110nm的分布深度。由上述结果可知，二次扩散掺杂制程对于导电率提升的贡献效果依序为(1)>(2)>(3)。本发明具有电流通道网的硅晶太阳电池的扩散掺杂制程，要提高硅基材的导电能力，关键因素在于掺杂浓度大于1E20[atoms/cm3]的高掺杂浓度分布深度增加量，其中又以大于1E21[atoms/cm3]的高掺杂浓度分布深度增加量对提高导电率效果最好。
本发明目的之一是提高硅晶太阳电池的射极层(emitter)电流传输效率，由图6所述的硅晶太阳电池的示意图可知，硅晶太阳能电池是利用具有PN接面(PN-Junction)的硅半导体基材照射太阳光后造成光电效应(Photovoltaics)激发出游离电子，PN接面(PN-Junction)上层的射极层(Emitter)除了发电的功能，也必须要具有传输电流到上电极(第一电极101)的功能。由上述掺杂分布深度与电阻率的分析可知，增加大于1E20的高掺杂浓度分布深度可提高射极层的导电率(导电率＝1/电阻率)，但是由高掺杂浓度与低掺杂浓度硅晶太阳电池元件的开路电压验证可知，较高掺杂浓度与较深分布的掺杂扩散反而会降低硅晶太阳电池的开路电压。单一化扩散掺杂的制程无法兼顾导电率与开路电压，已让硅晶太阳电池面临硅半导体材料带来的射极层掺杂扩散的限制瓶颈。因此，本发明利用抗反射结构中的微米尺寸角锥体形成具有复合式掺杂浓度的角椎体(如图2)(角椎体的侧面为具有一低掺杂区域，角椎体的侧边区域为一高掺杂区域)，而该多个角锥的高掺杂区域系相互接触并构成一电流通道网(如图3)。由高掺杂浓度与低掺杂浓度硅晶太阳电池元件的开路电压验证分析可知，虽然高浓度与低浓度掺杂的电池元件的开路电压(Voc)虽然只相差-4mV，但是将此种高浓度掺杂PN-Junction与低浓度掺杂PN-Junction缩小成结合在具有复合式掺杂浓度的微米尺寸的角椎体中。高浓度与低掺杂浓度两种PN-Juntion的光伏电压差虽然很小(-4mV)，因为角锥体的大小尺寸仅介于3um～20um。以能量理论的观点，高浓度与低掺杂浓度两种PN-Juntion将形成良好电压差梯度。换言之，射极层中多了第二驱动力驱动发电流往电流信道网进行汇集传输，电流通道网设计上是具有较深分布的高掺杂浓度(>1E20[atoms/cm3])的低电阻传导通道。另一方面，本发明的硅晶太阳电池射极层利用电池元件表面的抗反射微米角椎体的几何结构，成功的制造成复合式的高浓度与低浓度并存的复合式掺杂扩散的射极层，大幅提升硅晶太阳电池的射极层(emitter)的电流传导效率，达到提高硅晶太阳电池发电效率与发电流密度的目标。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (36)
1.一种光电元件，其特征在于，包含：
硅晶基材，其中该硅晶基材具有上表面、以及下表面，其中该上表面具有第一粗化结构(textured structure)，该第一粗化结构由多个角锥(pyramid)组成，每一角锥有二个以上的侧面(side face)，且每一侧面具有二侧边及一底边，其中每一侧面由低掺杂区域及高掺杂区域组成，且该高掺杂区域与该侧边紧密相邻，其中该多个角锥的高掺杂区域相互接触并构成电流通道网。
2.如权利要求1所述的光电元件，其中该硅晶基材具有第一导电性，而该低掺杂区域及该高掺杂区域具有第二导电性。
3.如权利要求1所述的光电元件，其中该多个角锥择自由三角锥(triangular pyramid)、四角锥(quadrangular pyramid)、五角锥(pentagonalpyramid)、及六角锥(hexagonal pyramid)所组成的族群。
4.如权利要求1所述的光电元件，其中该硅晶基材为单晶硅基材或多晶硅基材。
5.如权利要求1所述的光电元件，其中该高掺杂区域的表面掺杂浓度介于5E+20atoms/cm3至8E+22atoms/cm3之间。
6.如权利要求1所述的光电元件，其中该低掺杂区域的表面掺杂浓度介于1E+19atoms/cm3至5E+21atoms/cm3之间。
7.如权利要求1所述的光电元件，其中该高掺杂区域的表面掺杂浓度与该低掺杂区域的表面掺杂浓度比介于5倍至1000倍之间。
8.如权利要求1所述的光电元件，其中该高掺杂区域的掺杂剖面纵深分析，掺杂浓度1E+21atoms/cm3的掺杂分布深度介于20nm至100nm。
9.如权利要求1所述的光电元件，其中该高掺杂区域的掺杂剖面纵深分析，掺杂浓度1E+20atoms/cm3的掺杂分布深度介于80nm至200nm。
10.如权利要求1所述的光电元件，其中该高掺杂区域的面积占该侧面总面积的5％至25％。
11.如权利要求1所述的光电元件，其中该角锥具有顶角(top vertex)，且该角锥每一侧面的该高掺杂区域相交于该顶角。
12.如权利要求1所述的光电元件，其中当该光电元件照光后，该硅晶基材与该第一粗化结构的低掺杂区域间产生第一驱力，将载子由该硅晶基材传输至该低掺杂区域。
13.如权利要求11所述的光电元件，其中当该光电元件照光后，该低掺杂区域及该高掺杂区域间产生第二驱力，将载子由该低掺杂区域传送至该高掺杂区域。
14.如权利要求1所述的光电元件，还包含：
金属网，包含多条金属线，每一金属线形成于每一角锥的该侧边上，并与该高掺杂区域直接接触。
15.如权利要求13所述的光电元件，其中当该光电元件照光后，该高掺杂区域与该金属线间产生第三驱力，将载子由该高掺杂区域传送至该金属线。
16.如权利要求1所述的光电元件，还包含：
第二粗化结构(textured structure)配置于该下表面。
17.如权利要求1所述的光电元件，其中该侧边及该底边的长度介于3μm至20μm之间。
18.如权利要求1所述的光电元件，其中该硅晶基材的厚度介于50μm至500μm之间。
19.一种太阳能电池，其特征在于，包含：
硅晶基材，其中该硅晶基材具有上表面、下表面，其中该上表面具有粗化结构(textured structure)，该粗化结构由多个角锥(pyramid)组成，每一角锥有二个以上的侧面(side face)，且每一侧面具有二侧边，其中每一侧面由低掺杂区域及高掺杂区域组成，且该高掺杂区域与该侧边紧密相邻，其中该多个角锥的高掺杂区域相互接触并构成电流通道网；
第一电极，设置于该硅晶基材的上表面，与该第一粗化结构接触；以及
第二电极，设置于该硅晶基材的下表面。
20.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该硅晶基材具有第一导电性，而该低掺杂区域及该高掺杂区域具有第二导电性。
21.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该多个角锥择自由三角锥(triangular pyramid)、四角锥(quadrangular pyramid)、五角锥(pentagonalpyramid)、及六角锥(hexagonal pyramid)所组成的族群。
22.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该硅晶基材为单晶硅基材或多晶硅基材。
23.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该高掺杂区域的射极层的表面掺杂浓度介于5E+20atoms/cm3至8E+22atoms/cm3之间。
24.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该低掺杂区域的射极层的表面掺杂浓度介于1E+19atoms/cm3至5E+21atoms/cm3之间。
25.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该高掺杂区域的掺杂剖面纵深分析，掺杂浓度1E+21atoms/cm3的掺杂分布深度介于20nm至100nm。
26.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该高掺杂区域的掺杂剖面纵深分析，掺杂浓度1E+20atoms/cm3的掺杂分布深度介于80nm至200nm。
27.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该高掺杂区域的掺杂浓度与该低掺杂区域的掺杂浓度比介于5倍至1000倍之间。
28.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该高掺杂区域的面积占该侧面总面积的5％至25％。
29.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该角锥具有顶角(topvertex)，且该角锥每一侧面的该高掺杂区域相交于该顶角。
30.如权利要求19所述的太阳能电池，其中当该太阳能电池照光后，该硅晶基材与该第一粗化结构的低掺杂区域间产生第一驱力，将载子由该硅晶基材传输至该低掺杂区域。
31.如权利要求19所述的太阳能电池，其中当该太阳能电池照光后，该低掺杂区域及该高掺杂区域间产生第二驱力，将载子由该低掺杂区域传送至该高掺杂区域。
32.如权利要求19所述的太阳能电池，还包含：
金属网，包含多条金属线，每一金属线形成于每一角锥的该侧边上，并与该高掺杂区域直接接触。
33.如权利要求32所述的太阳能电池，其中当该光电元件照光后，该高掺杂区域与该金属线间产生第三驱力，将载子由该高掺杂区域传送至该金属线。
34.如权利要求19所述的太阳能电池，还包含：
第二粗化结构(textured structure)配置于该下表面。
35.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该侧边及该底边的长度介于3μm至20μm之间。
36.如权利要求19所述的太阳能电池，其中该硅晶基材的厚度介于50μm至500μm之间。
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