CN107403852A - 硅基异质接面太阳能电池及其制程方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基异质接面太阳能电池及其制程方法。硅基异质接面太阳能电池，包含：一硅基PN接面结构，具有两个相对表面，其中硅基PN接面结构是由一P型半导体层与一N型半导体基板所组成，N型半导体基板具有一第一糙化表面以及一第二糙化表面，且P型半导体层的能隙不同于N型半导体基板的能隙；其中，第一糙化表面以及第二糙化表面以经由一异向性蚀刻，以形成具有凹凸的一金字塔纹理化结构，金字塔纹理化结构的金字塔宽度在5微米至15微米之间，且金字塔锥顶高度在于4微米至10微米之间。借由无异丙醇的变温纹理化碱蚀刻，该硅基异质接面太阳能电池能具有高质量的纹理结构，改善其电流特性及提升光电转换效率的特性。

Description

硅基异质接面太阳能电池及其制程方法
技术领域
本发明有关于一种硅基异质接面太阳能电池，特别有关于一种无异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)的变温纹理化碱蚀刻的硅基异质接面太阳能电池及其制程方法。
背景技术
按，目前由于国际能源短缺，世界各国一直持续研发各种可行的替代能源，其中又以太阳能发电的太阳电池最受到瞩目。目前，以硅晶做成的太阳能电池的转换效率，因其仅能吸收1.1 电子伏特以上的太阳光能的限制、反射光造成的损失、材料对太阳光的吸收能力不足、载子在尚未被导出之前就被材料中的缺陷捕捉而失效，或是载子受到材料表面的悬浮键结捕捉产生复合等诸多因素，皆使其效率下降。因此，现在市售硅晶太阳能电池的转换效率仅约15 ％，即表示硅晶太阳能电池的高效率化其实还有相当大的空间。其中，太阳能电池高效率化的基本原理就是结合不同能隙的发电层材质，把它们做成叠层结构。
参照美国公告专利第5,213,628号，标题为：光伏组件 (Photovoltaic device)，其主要揭示一种结合不同能隙的太阳能电池，借由加入非晶硅本质半导体，增加太阳能电池的载子寿命，减少电子电洞复合机率，提高光电流转换效率。
参照美国公告专利第6,878,921号，标题为：光伏组件与其制作方法(Photovoltaic device and manufacturing method thereof )。如图1所示，其主要揭示一种硅基异质接面太阳能电池，使用铟锡氧化物(In2O3:SnO2，ITO)透明导电膜作为电流分散层，以提升其电流特性及提升光电转换效率的特性。
参照美国公告专利第6,207,890号，标题为：光伏组件与其制作方法(Photovoltaic element and method for manufacture thereof)，其主要揭示一种光伏组件结构与制作方式。该专利揭示一异向蚀刻溶液，在N型单晶硅基版制作出金字塔型结构，并使得金字塔底部呈现圆弧形状，以提高其开路电压及短路电流。其利用碱性溶液加上接口活性剂IPA(isopropyl alcohol)作为异向蚀刻液，可以防止气泡产生于N型半导体层，IPA的浓度将影响液体的表面张力，当表面张力小于47 dyn/cm 时，气泡将将会存留在半导体表面上造成效率的降低。
参照美国公告专利第8,835,210号，标题为：光伏组件制作方法(Method of manufacturing solar cell)，其主要揭示一种制造太阳能电池的方法，其包括形成一个主要表面具有纹理结构的结晶硅基板。其特征在于: 使用蚀刻液对结晶硅基板的主要表面进行第一次蚀刻，之后，使用蚀刻成分的浓度更高的蚀刻液进行第二次蚀刻，从而在结晶硅基板的主要表面形成纹理结构。
然而，上述专利揭示的蚀刻法，在单晶硅N型半导体制作出金字塔型结构。但由于金字塔底部出现深V凹槽，将导致电子电洞产生复合现象。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提出一种硅基异质接面太阳能电池，借由无异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)的变温纹理化碱蚀刻制备出的高质量纹理结构，借此改善电池整体的光电转换效率。
本发明的另一目的在于提出一种硅基异质接面太阳能电池的制程方式，借由无异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)的变温纹理化碱蚀刻制备出的高质量纹理结构，借此改善电池整体的光电转换效率。
本发明提供的硅基异质接面太阳能电池，包含：
一硅基PN接面结构，具有两个相对表面，其中该硅基PN接面结构是由一P型半导体层与一N型半导体基板所组成，该N型半导体基板具有一第一糙化表面以及一第二糙化表面，且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体基板的能隙；
其中，该第一糙化表面以及该第二糙化表面以经由一异向性蚀刻，以形成具有凹凸的一金字塔纹理化结构，该金字塔纹理化结构的金字塔宽度在 5 微米至15 微米之间，且金字塔锥顶高度在于4微米至10微米之间。
优选地，该金字塔宽度与金字塔锥顶高度的比值在2到0.8之间。
其中，该异向性蚀刻是借由将该N型半导体基板浸渍于一碱性混合液，其中该异向性蚀刻的蚀刻温度是由第一温度变化到第二温度，其中第一温度大于等于该第二温度。
优选地，该第一温度在80℃至95℃之间，且该第二温度在70℃至80℃之间。
优选地，该碱性混合液包括：0.5质量%至3质量%的氢氧化钠或氢氧化钾，0.05质量%至0.1质量%的添加剂，其余为水。
本发明还提供了一种硅基异质接面太阳能电池的制程方法，包含下列步骤：
经由一异向性蚀刻在一N型半导体基板上，以形成一第一糙化表面以及一第二糙化表面；以及
沉积一P型半导体层于该N型半导体基板的该第一糙化表面，形成一硅基PN接面结构且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体基板的能隙；
其中，该第一糙化表面以及该第二糙化表面以经由一异向性蚀刻，以形成具有凹凸的一金字塔纹理化结构，该金字塔纹理化结构的金字塔宽度在 5 微米至15 微米之间，且金字塔锥顶高度在于4微米至10微米。
优选地，该金字塔宽度与金字塔锥顶高度的比值在2到0.8之间。
优选地，该异向性蚀刻借由将该N型半导体基板浸渍于一碱性混合液，其中该异向性蚀刻的蚀刻温度是由第一温度变化到第二温度，其中第一温度大于等于该第二温度。
优选地，该该第一温度在80℃至95℃之间，且该第二温度在70℃至80℃之间。
优选地，该该碱性混合液包括：0.5质量%至3质量%氢氧化钠或氢氧化钾，0.05质量%至0.1质量%的添加剂，其余为水。
本发明借由无异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)的变温纹理化碱蚀刻制备出之高质量纹理结构，可为太阳能电池所使用。
因此，本发明能够达到的效果，包含：
1、使用无异丙醇(isopropyl alcohol，IPA)的碱蚀刻，防止因异丙醇挥发而造成的作业环境恶化。
2、使用变温的纹理化碱蚀刻制程，可以制备出呈现比较圆弧形状的高质量纹理结构，减少载子复合速度；
3、高质量纹理结构增加光的吸收，提升输出电流密度，进而提高光电转换效率；
4、提供商业化量产速度，降低量产制程成本。
附图说明
图1显示为硅基异质接面太阳能电池的先前技术剖面示意图；
图2显示为本发明异质接面太阳能电池的第一实施例剖面示意图；
图3显示为所揭示的该第一糙化表面以及第二糙化表面的金字塔纹理化结构；以及
图4显示为本发明异质接面太阳能电池的第二实施例剖面示意图。
【符号说明】
100 硅基异质接面太阳能电池；
110 基板；
111 第一糙化表面；
112 第二糙化表面；
120 第一本质非晶硅层；
130 P型半导体层；
140 第二本质非晶硅层；
150 N型半导体层；
160 第一电极；
170 第二电极；
180 第一透明导电膜；
190 第二透明导电膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
现请参照图2，其显示为根据本发明的第一实施例中，所揭示的一种硅基异质接面太阳能电池 100结构，其包含：一基板 110；一半导体层 130；一第一透明导电膜180；一第一电极 160；一第二透明导电膜190；以及一第二电极 170。该基板 110更具有一第一糙化表面111以及一第二糙化表面112。
该种硅基异质接面太阳能电池 100结构主要由一硅基PN接面结构，具有两个相对表面，其中该硅基PN接面结构由该基板 110与该半导体层130所组成，且该基板的能隙不同于该半导体层的能隙。
该基板 110选自P型半导性单晶基板、N型半导性单晶基板、P型单晶硅基板以及N型单晶硅基板之一。较佳地，该基板 110选自(100)面N型半导性硅基单晶基板，但并不限于此。
该基板 110较佳地选自(100)面N型半导性硅基单晶基板，在进行蚀刻之前，切片损伤层需先使用碱浓度超过2质量%碱性混合液进行等向性蚀刻去除。特定物的质量%定义为在整体溶液中，特定物的质量的百分比。
该基板 110蚀刻前的厚度为180微米(μm)至200微米(μm)之间，蚀刻后的厚度为160微米(μm)至180微米(μm)之间。另外，蚀刻将硅基板的厚度变薄，并令完工后的该基板 110的平均厚度为70微米(μm)至120微米(μm)之间。借此可提供更薄且高经济性的硅基异质接面太阳能电池 100。
该基板 110的该第一糙化表面111以及该第二糙化表面112经由一异向性蚀刻，以形成具有凹凸的金字塔纹理化结构，以使光漫反射所致的光局限更为有效。要形成该具有凹凸的金字塔纹理化结构的第一糙化表面111以及第二糙化表面112，主要的蚀刻条件包含：蚀刻液浓度、蚀刻温度与蚀刻时间，来使得具有凹凸的金字塔纹理化结构可以呈现比较圆弧形状，以提高其开路电压及短路电流。
现请参照图3，其显示为所揭示的该第一糙化表面以及第二糙化表面的金字塔纹理化结构。借此蚀刻制程，该第一糙化表面111以及第二糙化表面112的金字塔纹理化结构可以呈现比较圆弧形状。参照图3，其中，在该金字塔纹理化结构中的金字塔宽度(W)在 5 微米(μm)至15 微米(μm)之间，而在该金字塔纹理化结构中的金字塔锥顶高度(H)在于4微米(μm)至10微米(μm)之间。较佳地，该金字塔宽度在8微米(μm)至12微米(μm)之间，而金字塔锥顶高度在于5 微米(μm)至10微米(μm)。较佳地特征是，该金字塔宽度与金字塔锥顶高度的比值(W/H)约在2到0.8之间。
该异向性蚀刻借由沿(100)晶面切片的该基板 110，浸渍于一碱性混合液，其中，该基板 110浸渍于该碱性混合液的蚀刻时间在10分钟到20分钟之间，且蚀刻温度由第一温度变化到第二温度，其中第一温度大于等于该第二温度，第一温度在80℃至95℃之间，第二温度在70℃至80℃之间。较佳地，第一温度在82℃至87℃之间，第二温度在76℃至80℃之间。借由蚀刻温度由开始时的较高温的第一温度，逐渐变化降低到结束时的较低温的第二温度，蚀刻速度也会由较快的速度变慢。
本发明的特征在于，该异向性蚀刻过程是在于一个由高温到低温的变温过程中进行。该碱性混合液主要0.5质量%至3质量%氢氧化钠(NaOH)或0.5质量%至3质量%氢氧化钾(KOH)，添加一0.05质量%至0.1质量%的添加剂，该碱性混合液其余的质量部分为水。需注意的是，在蚀刻时间开始时，该碱性混合液中的碱性质量%高于蚀刻时间结束时该碱性混合液中的碱性质量%，举例来说，在蚀刻时间一开始时，该碱性混合液主要0.8质量%氢氧化钠(NaOH)，添加一0.06质量%的添加剂，其余的质量部分为水；在蚀刻时间结束时，该碱性混合液主要2质量%氢氧化钠(NaOH)，添加一0.1质量%的添加剂，其余的质量部分为水。
该金字塔纹理化结构因(111)晶面的蚀刻速度明显小于其它结晶方位而产生。在此，特定物的质量%定义为在整体溶液中，特定物的质量的百分比。需注意，若该碱性混合液的碱浓度例如超过2质量%时，会形成等向性蚀刻，而难以形成多数具有凹凸的金字塔纹理化结构。
需注意，本发明的特征在于添加剂不使用异丙醇水溶液。因为，若于蚀刻混合液使用异丙醇水溶液，会因异丙醇挥发而使作业环境恶化。本发明的特征在于该添加剂是醇衍生物的界面活性剂。该添加剂可使用例如市售的GP solar GmbH之「ALKA-TEX」系列，日本林纯药的「Etch TAD74 」与「Etch TAD72 」。
该半导体层 130的导电性是相对于该基板 110的导电性。举例来说，若该基板 110选自N型半导性基板，则该半导体层 130的导电性则为P型半导体层，且该半导体层 130的厚度在8微米(μm)至20微米(μm)之间。
在一实施例中，该半导体层 130的导电性则为P型半导体层，配置于具有N型半导性的该基板 110上。于本发明实施例中，该半导体层 130掺杂浓度在1018至1020 原子/立方公分之间。该半导体层 130其氧含量介于5×1018至1×1017原子/立方公分之间。其中，在原本质材料中加入杂质（Impurities）用以产生多余的电洞，以电洞构成多数载子的半导体，则称之为P型半导体层。例：就硅或锗半导体而言，在其本质半导体中，掺入3价原子的杂质时，即形成多余的电洞，且该电洞系为电流的运作方式。
其中，该半导体层 130的制程可选用电浆增强型化学式气相沉积制程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)、热丝化学气相沉积法(Hot-wire chemical vapor deposition, HW-CVD)或特高频电浆增强型化学式气相沉积（Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition, VHF-PECVD）制程作为主要制程方式，并通入硅化合物（Silicide）气体如硅烷（silane, SH4）并混和氢气（Hydrogen, H）、氩气（Argon,Ar）等气体作为制程气体。
该半导体层 130的掺杂方式于本发明中采用可选用气体掺杂、热扩散法（Thermal diffusion）、固相结晶化（Solid phase crystalline, SPC）或准分子激光退火（Excimer laser anneal, ELA）等制程作为主要的制程方式。此外，该半导体层 130选自非晶硅、非晶硅锗、非晶碳化硅以及纳米晶硅之一。
在一实施例中，该半导体层 130的导电性则为P型非晶硅半导体层，配置于具有N型半导性单晶硅的该基板 110上，以形成一PN接面结构。该第一电极180，设置位于该PN接面结构的一表面；以及该第二电极190，设置位于该PN接面结构且相对于该第一电极的另一表面。
该第一透明导电膜180，设置位于该PN接面结构的一表面，且该第二透明导电膜190，设置位于该PN接面结构且相对于该第一电极的另一表面。参见图2的实施例，该第一透明导电膜180，设置位于该该半导体层 130的表面，且该第二透明导电膜190，设置位于该具有N型半导性单晶硅的该基板 110的表面。
第一透明导电膜180与第二透明导电膜190的制作材料可选用氧化铟、氧化锡、氧化锌、含杂质的氧化铟、含杂质的氧化锡以及含杂质的氧化锌。例如，但不限，掺杂铝的氧化锌(ZnO:Al)、掺杂镓的氧化锌(ZnO:Ga)、掺杂硼的氧化锌(ZnO:B)、掺杂锌的氧化铟(In2O3:Zn)、掺杂硼的氧化铟(In2O3:B)、掺杂氢的氧化铟(In2O3:H)或其组成。
需注意的是，本发明的技术特征在于使用离子电浆沉积该第一透明导电膜180与该第二透明导电膜190，其镀率大于1.5 nm/s，较佳的镀率度介于1.6 nm/s至5 nm/s 之间；且制程温度低于200 ℃，较佳的制程温度介于50 ℃至150 ℃之间。
该第一透明导电膜180的折射率介于1.90至1.94之间，厚度介于50nm至90nm之间，可以得到比较好的抗反射作用。该第二透明导电膜190的折射率介于1.90至1.94之间，厚度介于50nm至90nm之间，可以得到比较好的抗反射作用。
该第一透明导电膜180与该第二透明导电膜190的晶粒尺寸介于20纳米至30纳米之间，亦可以得到比较好的抗反射作用。该第一透明导电膜180与该第二透明导电膜190的的片电阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之间。较佳地，该第一透明导电膜180与该第二透明导电膜190的的片电阻率介于1Ω/□至8Ω/□之间。
第一透明导电膜180与第二透明导电膜190的制程方式可选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法、湿式化学法、化学气相沉积法、印刷法与电弧放电沉积法中的任何一种制程，其中较佳是离子电浆沉积法。
第一电极 160配置于第一透明导电膜180上，第二电极 170配置于第二透明导电膜190上，用以取出电能与提升光电转换的效率。其中，第一电极 160以及第二电极 170的材料可选用镍、金、银、钛、铜、钯、及铝。在一较佳实施例中，第一电极 160以及第二电极 170的材料选用银。于本实施例中，其厚度介于100纳米至900纳米之间。
该第一电极 160与该第二电极 170的电极线宽介于100微米至2000微米之间。图中，虽然仅显示两条第一电极 160，与两条该第二电极170，但实施时，并不限于两条，较佳地，该第一电极 160与该第二电极 170具有至少两条以上的电极线，电极线的数量介于2条至20条以间。该第一电极 160与该第二电极 170的电极线宽越小时，电极线的数量越多；反之，当该第一电极 160与该第二电极 170的电极线宽越大时，电极线的数量越少。借此，未被该第一电极 160与该第二电极 170遮蔽的光可穿透的开放面积至少具有95%以上。
该第一电极 160与该第二电极 170的材料为可选用纯金属与金属化合物。金属可包含金、银、铜、镍、铝及其合金，制程方式可选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法、电弧电浆沉积法、湿式化学法以及印刷法中的任何一种制程。第一电极 160以及第二电极 170的厚度介于100纳米至900纳米之间，电阻值介于0.1Ω至5Ω之间。较佳地，第一电极 160以及第二电极 170的材料为银。
现请参照图4，其显示为根据本发明的第二实施例中，所揭示的一种异质接面太阳能电池100，其包含：一基板 110；一第一本质非晶硅层120；一第一半导体层 130；一第一透明导电膜180；一第二本质非晶硅层140；一第二半导体层150；以及一第二透明导电膜190；以及一第二电极 170。该基板 110更具有一第一糙化表面111以及一第二糙化表面112。
该第二实施例大致相似于第一实施例，其主要差异在于，该异质接面太阳能电池100更包含：一第一本质非晶硅层120；一第二本质非晶硅层140以及一第二半导体层150。亦即是，在该基板 110与该第一半导体层 130之间，更包含一第一本质非晶硅层120。该基板 110与该第二透明导电膜190之间，更依序包含一第二本质非晶硅层140；一第二半导体层150。亦即是，该基板 110与该第二半导体层150之间，包含该第二本质非晶硅层140。该第一半导体层 130的厚度在8微米(μm)至20微米(μm)之间。该第二半导体层 150的厚度在8微米(μm)至20微米(μm)之间。该第一第一本质非晶硅层120的厚度在4微米(μm)至10微米(μm)之间。该第二本质非晶硅层140的厚度在4微米(μm)至10微米(μm)之间。
该第二实施例的该基板 110、该第一糙化表面111、该第二糙化表面112、该第一透明导电膜180与该第二透明导电膜190相同于该第一实施例的该基板 110、该第一透明导电膜180与该第二透明导电膜190，且该第二实施例的该第一半导体层 130相同于该第一实施例的该半导体层 130。亦即特征相同于上揭第一实施例所述，因此在此不再赘述。
第一本质非晶硅层120配置于该基板 110的第一糙化表面111上，设置于该基板 110与该第一半导体层 130之间，其氢含量介于3%至10%之间。第二本质非晶硅层140配置于该基板 110之第二糙化表面112上，是相对于在该基板 110上相对该第一本质非晶硅层120之另一面，特别是设置于该基板 110与该第二半导体层 150之间，其氢含量介于3%至10%之间。
其中，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140的制作材料可选用非晶硅、非晶硅锗、纳米晶硅、微晶硅、微晶硅锗、多晶硅与多晶硅锗之一。此外，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140可用以形成量子局限效应，借以改良电特性，以增加可吸收的入射光能谱范围。
第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140选用电浆增强型化学式气相沉积制程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)、热丝化学气相沉积法(Hot-wire chemical vapor deposition, HW-CVD)或特高频电浆增强型化学式气相沉积（Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition, VHF-PECVD）制程作为主要制程方式，并通入硅化合物（Silicide）气体如硅烷（silane, SH4）并混和氢气（Hydrogen, H）、氩气（Argon, Ar）等气体作为制程气体。于本发明的较佳实施例中，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140的厚度介于5纳米至20纳米之间，且氢含量皆介于3%至7%之间。需注意，氢含量的不同将影响光电转换特性。此外，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140亦可用以填补P型半导体层 130与基板 110接面处或N型半导体层 150与基板 110接面处发生的缺陷，以增加转换效率。
第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140实行电浆CVD法时，频率譬如约为13.56MHz或40.68MHz，且约为40.68MHz较佳，而反应压力为5Pa以上且小于300Pa，并以50Pa以上且小于200Pa较佳，RF或VHF功率譬如约为1mW/cm2 以上且小于500mW/cm2 ，并以约5mW/cm2 以上且小于100mW/cm2 较佳。
沉积第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140时，该基板110的温度可设为超过180℃且220℃以下。将形成温度设为较高的温度范围，可得到能抑制结晶化且降低缺陷产生的本质非晶硅薄膜。
在该第二实施例中，该第一半导体层 130的导电性则为P型非晶硅半导体层，配置于具有N型半导性单晶硅的该基板 110上，以形成一PN接面结构。
因此，该第二半导体层 150为N型半导体层，配置于该第二本质非晶硅层140上。该第二半导体层 150的掺杂浓度在1018至1020 原子/立方公分之间，且其氧含量介于5×1018至1×1017原子/立方公分之间。其中，该第二半导体层 150是指在本质材料中加入的杂质可产生多余的电子，以电子构成多数载子的半导体。例如，就硅和锗半导体而言，若在其本质半导体中掺入5价原子的杂质时，即形成多余的电子。其中，电子流以电子为主来运作。
该第二半导体层 150的掺杂方式可选用于气体掺杂热、准分子激光退火、固相结晶化、扩散法或离子布植法作为主要制程方式。在一实施例中，该第二半导体层 150选自非晶硅、非晶硅锗、非晶碳化硅以及纳米晶硅之一。
需注意，当基板为N型硅基板时，则照光面为P型半导体层，且N型半导体层与第二本质非晶硅层则可形成背向表面电场(Back Surface Field，BSF)的效果。反之，当基板为P型硅基板时，则照光面为N型半导体层 ，且P型半导体层与第一本质非晶硅层则可形成背向表面电场的效果。
本发明的硅基异质接面太阳能电池 100的制程，其包含以下步骤：
步骤一为：经由一异向性蚀刻在一N型半导体基板上，以形成一第一糙化表面以及一第二糙化表面；
步骤二为：沉积一P型半导体层于该N型半导体基板的该第一糙化表面，形成一硅基PN接面结构且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体基板的能隙；
步骤三为：沉积一第一透明导电膜于该P型半导体层之上；
步骤四为：沉积一第二透明导电膜于该N型半导体基板的该第二糙化表面；以及
步骤五为：形成一第一电极于该第一透明导电膜之上且形成一第二电极于该第二透明导电膜之上，用于取出该硅基PN接面结构的电流。
于步骤一中，因该基板 110表面容易残留微粒子、有机物、金属残留物、化合物…等污染。所以必须先将该基板 110经过清洗以得干净的表面。此外，异向性蚀刻该基板 110的目的在于使其形成该第一糙化表面111以及该第二糙化表面112，用以增加入射光的散射率，借由增加入射光的散射率，可增加光补限 (light-trapping) 的效率，改良电特性。
本发明的特征在于，该第一糙化表面111以及一第二糙化表面112经由异向性蚀刻，以形成具有凹凸的一金字塔纹理化结构，该金字塔纹理化结构的金字塔宽度在 5 微米(μm)至15 微米(μm)之间，且金字塔锥顶高度在于4微米(μm)至10微米(μm)。
该异向性蚀刻借由沿(100)晶面切片的该基板 110，浸渍于一碱性混合液，其中，该基板 110浸渍于该碱性混合液的蚀刻时间在10分钟到20分钟之间，且蚀刻温度由第一温度变化到第二温度，其中第一温度大于等于该第二温度，第一温度在80℃至95℃之间，第二温度在70℃至80℃之间。较佳地，第一温度在82℃至87℃之间，第二温度在76℃至80℃之间。借由蚀刻温度由开始时的较高温的第一温度，逐渐变化降低到结束时的较低温的第二温度，蚀刻速度也会由较快的速度变慢。
本发明的特征在于，该异向性蚀刻过程在于一个由高温到低温的变温过程中进行。该碱性混合液主要0.5质量%至3质量%氢氧化钠(NaOH)或0.5质量%至3质量%氢氧化钾(KOH)，添加一0.05质量%至0.1质量%的添加剂，该碱性混合液其余的质量部分为水。需注意的是，在蚀刻时间开始时，该碱性混合液中的碱性质量%高于蚀刻时间结束时该碱性混合液中的碱性质量%，举例来说，在蚀刻时间一开始时，该碱性混合液主要0.8质量%氢氧化钠(NaOH)，添加一0.06质量%的添加剂，其余的质量部分为水；在蚀刻时间结束时，该碱性混合液系主要2质量%氢氧化钠(NaOH)，添加一0.1质量%的添加剂，其余的质量部分为水。
该金字塔纹理化结构因(111)晶面的蚀刻速度明显小于其它结晶方位而产生。在此，特定物的质量%定义为在整体溶液中，特定物的质量的百分比。需注意，若该碱性混合液的碱浓度例如超过2质量%时，会形成等向性蚀刻，而难以形成多个具有凹凸的金字塔纹理化结构。
需注意，本发明的特征在于添加剂不使用异丙醇水溶液。因为，若于蚀刻混合液使用异丙醇水溶液，会因异丙醇挥发而使作业环境恶化。本发明的特征在于该添加剂系醇衍生物的界面活性剂。该添加剂可使用例如市售的GP solar GmbH的「ALKA-TEX」系列，日本林纯药的「Etch TAD74 」与「Etch TAD72 」。
在一实施例中，该碱性混合液包含0.2~2质量%(较佳为0.5~1.5质量%，小于1质量%更佳)的氢氧化钠与0.05~0.1质量%的「ALKA-TEX」添加剂。该碱性混合液可使得(100)晶面切片的该基板 110形成多个具有凹凸的金字塔纹理化结构。其中，该基板 110浸渍于该碱性混合液的蚀刻时间是15分钟，且在该蚀刻时间内，蚀刻温度由第一温度90℃均于地降温到第二温度70℃。
要形成该具有凹凸的金字塔纹理化结构的第一糙化表面111以及第二糙化表面112的具体顺序为 (1) H2O冲洗(室温)、(2)NaOH/添加剂、(3) H2O冲洗(室温)、(4)HCl/H2O2 /H2O(体积比1：1：5、80℃)、(5) H2O冲洗(室温)、(6)HF/H2O(5质量%、室温)、(7) H2O冲洗(室温)。其中，在步骤(2)时，该基板 110浸渍于该碱性混合液的蚀刻时间是15分钟，且在蚀刻一开始时，蚀刻温度为90℃，在蚀刻过程中，蚀刻温度渐渐地降温，在蚀刻时间结束时，蚀刻温度到70℃。降温的过程是渐渐地由设定的高温降到设定的低温，只要是渐渐地降温，不一定是要线性地降温。
于步骤二中，该硅基PN接面结构是由一P型半导体层与一N型半导体层所组成。举例来说，在第一实施例中，该半导体层 130的导电性则为P型非晶硅半导体层，配置于具有N型半导性单晶硅的该基板 110上，以形成一PN接面结构。
举例来说，在该第二实施例中，第一本质非晶硅层120配置于第一糙化表面111上，设置于该基板 110与该第一半导体层 130之间，其氢含量介于3%至10%之间。该基板 110与该第一半导体层 130形成PN接面结构。第二本质非晶硅层140配置于第二糙化表面112上，设置于该基板 110与该第二半导体层 150之间，其氢含量介于3%至10%之间。
第一本质非晶硅层120、第二本质非晶硅层140、P型半导体层与N型半导体层的制程是电浆增强型化学式气相沉积制程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)、热丝化学气相沉积法(Hot-wire chemical vapor deposition, HW-CVD)与特高频电浆增强型化学式气相沉积（Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition, VHF-PECVD）的其中之一。
在上述化学式气相沉积系统中，至少通入氢气以及硅烷气体，使第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140分别沉积于第一糙化表面111上以及第二糙化表面112上，且借由通入的氢气流量与硅烷气体流量的比例在1倍至100倍之间，使第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140的氢含量介于3%至10%之间。
在P型半导体层的制程中，其氧含量是介于5×1018至1×1017原子/立方公分之间，其选用电浆增强型化学式气相沉积制程、热丝化学气相沉积法或特高频电浆增强型化学式气相沉积制程作为主要制程方式，并借由通入硅化合物（Silicide）气体如硅烷（silane, SH4）并混和氢气（Hydrogen, H）、氩气（Argon, Ar）等气体作为制程气体。如：搭配以硅烷气体与氢气混合；硅烷气体、氢气与氩气混合；硅烷气体、锗烷气体与氢气混合；硅烷气体、锗烷气体、氢气与氩气混合所组成族群中之任何一种制程完成。借由改变硅烷及氢气混和比例及通入的气体，可使P型半导体层 130为非晶硅、非晶硅锗、非晶碳化硅以及纳米晶硅之一。于本发明实施例中， P型半导体层的掺杂浓度在1018至1020 原子/立方公分之间。
在N型半导体层的制程中，其氧含量介于5×1018至1×1017原子/立方公分之间，其选用电浆增强型化学式气相沉积制程、热丝化学气相沉积法或特高频电浆增强型化学式气相沉积制程作为主要制程方式，并借由通入硅化合物（Silicide）气体如硅烷（silane, SH4）并混和氢气（Hydrogen, H）、氩气（Argon, Ar）等气体作为制程气体。如：搭配以硅烷气体与氢气混合；硅烷气体、氢气与氩气混合；硅烷气体、锗烷气体与氢气混合；硅烷气体、锗烷气体、氢气与氩气混合所组成族群中的任何一种。借由改变硅烷及氢气混和比例及通入之气体，可使N型半导体层 150为非晶硅、非晶硅锗、非晶碳化硅以及纳米晶硅之一。于本发明实施例中， N型半导体层的掺杂浓度在1018至1020 原子/立方公分之间。
于步骤三与步骤四中，第一透明导电膜180与第二透明导电膜190分别配置于该第一半导体层130与该第二半导体层 150上。其中，第一透明导电膜180与第二透明导电膜190的制程方式选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法、湿式化学法、化学气相沉积法、印刷法与离子电浆沉积法所组成族群中的任何一种制程。
然而为了得到一较佳的表面纹理度，第一透明导电膜180与第二透明导电膜190以离子电浆沉积法形成，而后不需要再进行蚀刻步骤即可得具纹理纹理结构的透明导电单元。
需注意，本发明的技术特征在于使用离子电浆沉积该第一透明导电膜180与该第二透明导电膜190，其镀率大于1.5 nm/s，较佳的镀率度介于1.6 nm/s至5 nm/s 之间；且制程温度低于200 ℃，较佳的制程温度介于50 ℃至150 ℃之间。透明导电膜使用低温制程具有特别的功能，亦即是不会对先前制程的薄膜产生加热退火的效果。
需注意的是，该第一透明导电膜180的折射率介于1.90至1.94之间，厚度介于50nm至90nm之间，可以得到比较好的抗反射作用。该第二透明导电膜190的折射率介于1.90至1.94之间，厚度介于50nm至90nm之间，可以得到比较好的抗反射作用。
于步骤五中，第一电极 160以及第二电极 170采用蒸镀法、溅镀法、化学气相沉积法、电镀法、湿式化学法、印刷法与阴极阳极电弧直流放电沉积法所组成族群中的任何一种制程制成，且第一电极 160以及第二电极 170的材料可选用镍、金、银、钛、铜、钯及铝中的一种或其组合。第一电极 160以及第二电极 170的厚度介于100纳米至900纳米之间，电阻值介于0.1Ω至5Ω之间。较佳地，第一电极 160以及第二电极 170的材料为银。需注意的是，不同的第一电极 160以及第二电极 170制备方式亦会影响其所具有的光电特性的质量。
本发明的实施例中，采用离子电浆沉积法以制备氧化锌做为第一透明导电膜180与第二透明导电膜190，且配合不同的第一本质非晶硅层 120、P型半导体层 130、第二本质非晶硅层140以及N型半导体层 150的制程方式亦会影响硅基异质接面太阳能电池 100的光电特性的质量。透明导电膜使用低温制程具有特别的功能，亦即是不会对先前制程的薄膜产生加热退火的效果。
为了达到低温下能有高的镀率，离子电浆沉积法主要是控制其它的制程参数，包含：气体流量、气体压力比与离子电浆电流。在一较佳实施例中，第一透明导电膜180与第二透明导电膜190所采用的阳极离子电浆沉积的制程参数。其气体流量比(氩气:氧气)介于1:4至1:12之间，且一较佳的气体流量比介于1:6至1:10之间；其中，氧气流量速度系介于5 sccm至 30 sccm之间。其锌靶材的离子电浆电流介于20A至150A之间，且一较佳的锌靶材的阳极电弧直流放电电流介于50A至100A之间；其腔体压力介于10-3 托耳 (torr)至 10-4 torr 之间。
本发明的一较佳实施例中至少有一制程气体经过纯化步骤，以减少该制程气体中氧气含量。制程气体中氧气含量过多将会在沉积之薄膜结构中产生过多氧空缺，造成太阳能电池中的载子移动率降低，进而使发电效率降低。借由进行纯化气体的步骤，该较佳实施例中成长的薄膜的氧气浓度低于5×1018原子/立方公分。需注意的是，本发明所揭示的结构与方法，不仅适用于单一单元电池，更可实施于模块化的太阳能电池制程。
相较于传统硅基异质接面硅太阳能电池，本发明提出的硅基异质接面太阳能电池 100具有的优点如下所示：
采用低成本的透明导电膜，可降低生产成本。
透明导电膜不需额外加入蚀刻程序，可缩短制程时间。
可有效增加紫外光的利用，以提升效能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种硅基异质接面太阳能电池，其特征在于，包含：
一硅基PN接面结构，具有两个相对表面，其中该硅基PN接面结构是由一P型半导体层与一N型半导体基板所组成，该N型半导体基板具有一第一糙化表面以及一第二糙化表面，且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体基板的能隙；
其中，该第一糙化表面以及该第二糙化表面以经由一异向性蚀刻，以形成具有凹凸的一金字塔纹理化结构，该金字塔纹理化结构的金字塔宽度在 5 微米至15 微米之间，且金字塔锥顶高度在于4微米至10微米之间。
2.如权利要求1所述的硅基异质接面太阳能电池，其特征在于，该金字塔宽度与金字塔锥顶高度的比值在2到0.8之间。
3.如权利要求1所述的硅基异质接面太阳能电池，其特征在于，该异向性蚀刻是借由将该N型半导体基板浸渍于一碱性混合液，其中该异向性蚀刻的蚀刻温度是由第一温度变化到第二温度，其中第一温度大于等于该第二温度。
4.如权利要求3所述的硅基异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一温度在80℃至95℃之间，且该第二温度在70℃至80℃之间。
5.如权利要求3所述的硅基异质接面太阳能电池，其特征在于，该碱性混合液包括：0.5质量%至3质量%的氢氧化钠或氢氧化钾，0.05质量%至0.1质量%的添加剂，其余为水。
6.一种硅基异质接面太阳能电池的制程方法，其特征在于，包含下列步骤：
经由一异向性蚀刻在一N型半导体基板上，以形成一第一糙化表面以及一第二糙化表面；以及
沉积一P型半导体层于该N型半导体基板的该第一糙化表面，形成一硅基PN接面结构且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体基板的能隙；
其中，该第一糙化表面以及该第二糙化表面以经由一异向性蚀刻，以形成具有凹凸的一金字塔纹理化结构，该金字塔纹理化结构的金字塔宽度在 5 微米至15 微米之间，且金字塔锥顶高度在于4微米至10微米。
7.如权利要求6所述的硅基异质接面太阳能电池的制程方法，其特征在于，该金字塔宽度与金字塔锥顶高度的比值在2到0.8之间。
8.如权利要求6所述的硅基异质接面太阳能电池的制程方法，其特征在于，该异向性蚀刻借由将该N型半导体基板浸渍于一碱性混合液，其中该异向性蚀刻的蚀刻温度是由第一温度变化到第二温度，其中第一温度大于等于该第二温度。
9.如权利要求8所述的硅基异质接面太阳能电池的制程方法，其特征在于，该该第一温度在80℃至95℃之间，且该第二温度在70℃至80℃之间。
10.如权利要求8所述的硅基异质接面太阳能电池的制程方法，其特征在于，该该碱性混合液包括：0.5质量%至3质量%氢氧化钠或氢氧化钾，0.05质量%至0.1质量%的添加剂，其余为水。
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Application publication date: 20171128