TW200818527A - Solar cell - Google Patents
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200818527 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於一種太陽能電池(Solar Cell ),特別是 有關於一種藉由形成緩衝層於矽晶圓背面,以降低基於薄 型化太陽能電池所產生之結構應力,進而有效地改善基板 應力所導致之彎曲現象。 【先前技術】
近來世界能源的短缺導致油價不斷的飆漲,全球各個 國家莫不積極地投入節能產品的開發,例如太陽能電池 (Solar cell)便是此一趨勢下的產物。在石油以及環保(全球 溫室效應)問題之下,使得全球的太陽能電池銷售額成數倍 的成長。太陽能電池係一種利用光能轉換為電能的光電半 V體元件,其轉換機制為··太陽輻射照射於太陽能電池之 上,使得電洞與電子分別移動至參雜區(p_d〇ped regi〇n)
以及η-摻雜區,而造成二區域間產生電壓差及電流。由於 轉換效率的快速,因此只要照射光於元件上,瞬間就可以 輸出電壓與電流。此外,在太陽能電池的轉換機制中,盆 f奥效率取決於㈣的電子、電洞移動速細及外部的取 電'I::: f中内部的電子、電洞移動速率主要係由太陽能 成材料來控制。換言之,太陽能電池的轉換效率 者要係由Ρ_摻雜區以及η_摻雜區的結構以及品質來決定, 地降:有缺^在時’太陽能電池的轉換效率將會大幅度 目珂最常用的太陽能電池原料以矽卜川⑺旬為代表, 5 200818527 而依照結構之不同,上述矽原料包括單結晶矽 (Single-crystal)、多結晶石夕(Poly-crystal)與非結晶石夕 (Amorphous),所形成之太陽能電池分別稱之為單結晶石夕太 陽能電池、多結晶矽太陽能電池以及非結晶矽太陽能電 池。其中單結晶矽之轉換效率最高,多結晶矽的切割較不 易,而非結晶矽價格便宜、無需封裝並且形成最快。另外, 非結晶石夕之轉換效率太低、產品壽命太短,因此,太陽能 電池製造原料大半以早結晶砍與多結晶碎為主。 目前太陽光電產業的發展重點在於如何節省材料並提 高轉換效率。由於矽晶價格昂貴,並且目前全世界的太陽 能電池有90%是由矽晶原料作為其基板。此外,太陽能收 集板背面經網印後會有一金屬層,以作為太陽能轉為電能 過程的連接電路。由於網印金屬層會讓雜質進入到矽基板 產生再結合(recombination),導致電能的流失,故該電路 使得太陽能電池實際功率變低。因此,為了改良收集功率, 必須減少太陽能板與導電金屬板之間的接觸面積。一種可 行方式為在上述兩層板之間加入絕緣層(passivation layer),再於需要通電的部位穿孔,使得導電接觸面積變 小。舉例而言,德國Fraunhofer ISE研究所,已經製造出 轉換效率達20.2%的矽晶太陽能電池,其係採用雷射燒結 接點(Laser Fired Contacts : LFC)製程來減少接觸面積,其 步驟大略為:蒸鍍鋁層與絕緣層於太陽能電池之背表面之 上,然後利用雷射光打穿鋁層以形成導電接點。雷射燒結 方法可以有效地解決原先電能流失的問題,並且利用雷射 6 200818527 燒結接點技術,不需要利用主 矽晶板背面的絕緣層中m 貝的微影、1虫刻技術於 極。因此,雷射燒結接點f ^ 谷、、内鋁貝電 快。但是因雷射時間“、材料並且速度 身一勒严一 九' 且田射時易傷害矽晶圓以及雷 射向熱之巫屬瘵發問題’目前仍在開發階段。 n利用:ί燒結接點技術,可以在矽晶片製造出高轉換 效率的太陽能電池。高& _ γ 、 半太除此電池可以應用於太空工 f ^然而’(相晶^造之太陽能電池,由 缚,因此容易受到外力而產生晶片彎曲的現象,社=接 影響整個太陽能電池的結構、轉換效率以及可靠度。 口此基於上述之問題,以及因應極 陽能電池之需求,從f裎枯化办抖Μ丄 月表以太 桌P Am… 善太陽能電池之轉換效 成為重要的魚展方向,是故,本發明將提出-種防止 才^薄石夕晶片彎曲之具有高轉換效率之太陽能電 製造方法。 再,、,、 【發明内容】 本毛明之目的在於提供一種高轉換效率 陽能電池。 寸土儿炙太 本發明之再一目的在於提供一種防止極薄太陽能基板 青曲之結構與其製造方法。 ^基板 本發明之又一目的在於提供一種可以簡化製程以適用 於大面積之太陽能電池。 一種太陽能電池包括:基板,例如晶圓以利於製作太 陽能細胞(s〇lar cell)於其中;其具有p_n #雜結構形成於基 200818527 板中’可透過離子佈植技術植人離子於 衝層,形成於基板背面,盆中 中开v成。緩 於其中。金屬層,形成於緩:層亥::層 緩衝層的材料包含但不限定A、’亚填入凹槽圖案。 叫氮氧化繼其组合“舉 厚度為50〜1〇〇奈米。本發 $ ^ ^層的較佳 層。 T列用我鍍法形成上開緩衝 上述凹槽圖案係藉由雷射槽切製程 :种,其中凹槽圖案之寬度為1〇〜4〇微米、 〇貫广 嘁米以及間距為1〇〇至4〇〇 _ 又〜· 第-金屬層與第二金屬層二透Γ 金屬層包括 蜀日卉侍透過二階段完成,筮一你匕 =利用蒸鍍、濺鍵或熱浸鍵之方法形成較薄之第一全屬白 ;真:凹槽圖案,,第二階段係利用網印之方 屬層形成於第-金屬層之上。其中第-金屬層之厚 二為.5〜3.〇微米,第二金屬層之厚度為3〜40微米。本發 之场能電池,更包括抗反射層形成於金屬層之上。 【實施方式】 本發明的-些實施例詳細描述如下。然而,除了詳細 4田述的實施例外’本發明可廣泛在其它之實施例中施行, =本發明之主張範圍並不受限於下述之實施例,其係以後 二的申凊專利範圍為準。再者’為提供更清楚的描述及更 理解本發明’圖示中各部分並沒有依照其相對尺寸缚 回,不相關之細節部分也未完全繪出,以求圖示的簡潔。 請參考圖示,其中所顯示僅僅是為了說明本發明之較 200818527 佳實施例,並非用以限制本發明。在小型化極薄石夕晶片之 太陽能電池結構中,為了 Z^ 兩了不使超溥矽晶片形變,本發明經 研究發展發現可以於石夕晶片背面形成特殊材質緩衝層藉以 改變結構應力,強化整體太陽能電池結構,改善太陽能電 池結構抗應變或應力的能力。 在貝施例中,藉由改變基板材料(例如κ匕錦、石中 化鎵、石中化鎵銦..等)以及利用非平面化之吸收光表面以增 加有效吸光表面積,以增加太陽能電池之轉換效率,此亦 為本發明之概念所涵蓋。 本發明之太陽能電池’包括:基板1〇〇,例如矽晶圓 _以利於製作太陽能單體於其中。其包含“雜區⑻ :及Ρ·摻雜區1〇2之㈣摻雜結構,形成於石夕晶圓100之 緩衝層1〇3,形成於石夕晶圓⑽背面用以改善薄型 化太陽能基板之結構應力。緩衝層1〇3的材 研究與發現,採用氧切(⑽士氮化邦 層或其組合將有利於減緩結構應力防止基板變形。^而 言二緩衝層1〇3的較佳厚度為5〇〜1〇〇奈米。本發明特徵 形成上述緩衝層。凹槽1〇4,形成於緩 衝層103之中,金屬厣句括笛 λ ^ ^ 夂 萄層包祜弟一金屬層1〇5與第二今屬爲 106,貼附於緩衝層1〇3。其中第一 ^ 牵104,而楚人租 至屬層1〇5填入凹槽圖 ,〇4,而弟二金屬層106形成於第一金屬層ι〇5之上。 ^卜:抗反射層107形成於η_摻雜區1〇1之下,請參考第 本發明之太陽能電池製造包括底下之步驟。首先,預 9 200818527 備一基板,例如晶圓。舉例而言,晶圓為[1〇〇]結晶方向、 電阻率為1.2歐姆-公分(ohmcm)2p_型基底矽晶圓1〇〇。 晶圓100之尺寸大小可以依照實際應用來選定,例如其晶 圓之尺寸為5吋時,其邊長為125mm;其尺寸為6吋時, 其邊長為150mm或156mm。而矽晶圓1〇〇之厚度例如為 80〜180 微米(micro-meter)。 然後,矽晶圓100透過一非等向蝕刻,此為標準的微 , 影(Photo-Hthography)、蝕刻(etch texture)製程,目的在使 付石夕日b圓100具有粗链化組織結構(texture),以減少入射 光的反射而提高太陽能電池的取光效率。其蝕刻溶液例如 為氫氧化鈉(NaOH)溶液,其環境溫度可以約略為9(rc。餘 刻結束後可以依序浸泡氫氟酸、氣化氫進一步清洗石夕晶 圓,再以去離子水清洗晶圓表面雜質。 接著,執行離子佈植以植入η-型離子(例如磷離子)以 及Ρ·型離子(例如硼離子)以分別形成η-摻雜區1〇1以及ρ_ ( 摻雜區102於之晶圓1〇〇之中,結果形成太陽能電池之ρ_η 摻雜結構’請參考第一圖。上述形成η_型離子步驟可以利 用通入磷酸蒸氣(POCI3)、氧氣(〇2)氣體於擴散爐管中進 行’其壞境溫度可以利用石英管、錄絡絲三段加熱至 800〜900〇C。 於形成p-n摻雜結構之後,利用一非等向姓刻以去除 形成於晶圓1〇〇上的氧化層(native oxide layer),其蚀刻溶 液可以利用氫氧化鈉(NaOH)溶液,其環境溫度可以約略為 90°C。同樣地,蝕刻後可以依序利用氫氟酸、氯化氫進一 200818527 步清洗石夕晶圓1〇〇,然後再以去離子水清洗晶圓ι〇〇表面 雜質。 接著,將曰曰曰® 100置放於爐管(furnace)中進行退火 (麵ealing)製程,使得Η摻雜結構中的P-型與n_型離子 Z以更均勻的分佈於各自的摻雜區域中。同樣地,其環境 溫度可以利用石英管、鎳鉻絲三段加熱至6⑼〜綱。c。 之後,沉積一緩衝層(buffer layer) 1〇3,請參考第二 圖。緩衝層⑻"的材料包含但不限定為氧化石夕(Sl〇2)、^ 化石夕(SlNx)、鼠乳化石夕層或其組合。舉例 的較佳厚度為50〜100太半士政n ^ 係彻缝法形成緩 衝屬^衝層1G3也可湘傳統方法利料人氧氣/氮氣 Z〇r^Mt(Ch^ (CVD)、電漿化學氣相沉積(PEC VD)方 之上形成上述氧切層、氮切層、氮氧切層或=人 昂貴,#中氮化梦層之反應氣體(Gas :二) :=e)、NH3、N2、H2 ’其作為絕緣層及緩衝層, 更=水氣較佳,亦即其為較佳的緩衝 較咼的介電常數。 卜、/…、畀
Gr。。::)制:緩衝層103上表面進行-雷射槽切(Laser g)衣耘,於緩衝層〗〇3 ⑽,請參考第三圖。換成數細槽圖案 而苹氺 、。 透過田射裝置切割緩衝層表 ::成數個凹槽104,雷射裝置例如為氬雷射(a , :力率例如為50綱。舉例而言,每 10〜40微来、、、吳疮或日口茶之見度為 “度為〇.6〜6微米;此外,凹槽圖案104包 200818527 括第一部分凹槽,其間距為1〇〇至4〇〇微米,平行分配於 整個緩衝層之表面,以及第二部分凹槽垂直第一部分凹 槽,其間距為1〇〇至400微米。另外,雷射剝離之方法亦 可以透過底下之幾種雷射種類來完成,例如:(1)Q-開關紅 寶石雷射(Q-switched ruby laser):其可發出波長為694 nm 的紅光,脈衝期間為20到50 n-sec,輸出能量可以達到1〇 J/cm2 ; (2)Q-開關亞力山大雷射(Q switched AlexandHte ί laser) ·其可發出波長為755 nm的不可見光,脈衝期間為 5〇到100 n-sec ’最大頻率為ί Hz ; (3)Q-開關铷/雅鉻雷射 (Q-switched Nd: YAG laser):其可發出波長為 j 〇54 nm 波長 的不可見光,脈衝頻率為50kHz; (4)倍頻Q_開關铷/雅鉻 雷射(FreqUenCy_d〇ubled Nd:YAG 將 q 開關铷/雅鉻雷射光束通過ρ—出―ph — e (KTP) #晶體’雷射的頻率可以增為二倍,而波長 半為532 nm。 W射槽切進行中會導致緩衝層/矽碎片 (silicon debris)形成於晶圓} 〇〇表面以及凹槽側壁,結果造 成晶格缺陷或瑕疵。因此,雷射槽切之後會進行一凹槽清 洗製程,其可以利用溶液侵蝕以溶解緩衝層/矽碎片,其: 刻液例如為氫氧化鈉/氫氧化鉀(Na〇H/K〇H)溶液,产㈤ 度約為45-60°C。此外,由於氫氧化鈉/氣氧化^ (NaOH/KOH)溶液不會蝕刻緩衝層(例如SiN〇 # ^ / An >Ή[ 要,依此若欲蝕刻凹槽側壁至某一深度,必須使用其他 罐。同樣地,嫌束後可以依序浸J氫氟酸:、= 12 200818527 氮進-步清洗石夕晶圓,再以去離子水清洗晶圓表面雜質。 然後,沉積第一金屬層105於上述緩衝層1〇3鱼晶圓 100之上,並填滿凹槽104。上述第一金屬層1〇5之材料包 含但不限定於铭(aluminium)或其合金,其沉積方法係利用 蒸鍍(evaporation)、濺鍍(sputtenng)或熱浸鍍一較薄之鋁全 屬層所完成,其厚度大約為Μ〜3.〇微米,請參考第四圖。 接者,沉積第二金屬層1〇6於第一金屬層1〇5之上,1 利用網印(s⑽nprinting)—較厚之紹金屬層所完成,其尸 度大約3〜40微米,請參考第五圖。一般而言,第二金: 層106為一選擇性㈣,其厚度遠大於第一金屬層⑼之 厚度。若需要可以利用去離子水清洗或去除紹粉末(dust)。 然後,形成一抗反射層1〇7於n_摻雜區1〇1之下,浐 f考第六圖。舉例而言’此抗反射層包括氧化邦i〇2) ^ ^化鈽(Ce02)、氧化鋁(Al2〇3)、氮化矽(Μ#)、氮化矽_ 氧化鈦(SisNrTiO2) ’其可以透過化學氣相沉積(cv 漿化學氣相%積(PECVD)方式形成。上述抗反射層 大約為0.05〜〇·1微米。 又 :述可头纟小型化極薄矽晶片之太陽能電池結構 ’矽晶圓厚度約為80〜180微米,因此,由於過薄的曰 圓厚度容易因外力而發生形變。本發明主要在於形成; 衝層1〇3於晶圓100背面以改變薄型化矽基板之結構。 後進行一燒結製程(aluminium sintering),发传在 了太陽能電池p-n摻雜結構之緻密度以減少晶圓中ς的斷 鍵’亦即所謂的懸垂鍵(dangHngb〇nd)。實施上可以將矽 13 200818527 晶圓置入一石英管之上加熱至某一溫度,例如 400〜500°C,並通入氫氣/氮氣(h2/N2)氣體,至少25分鐘。 上述懸垂鍵(dangling bond)之能階位置剛好在能隙的中 間。由於這些懸垂鍵只具-電子,可失去一電子或再容納 一電子,因此形成缺陷,提供電子_電洞做為復合中心,使 得載體生命期縮短而材料特性變差。舉例而纟,換雜之石来 或硼原子所釋出之電子或電洞’可能被這些缺陷捕捉,: 電度無法改變,因而無法形成p_n接面。 "同理,铭金屬燒結製程結束後可以依序浸泡氯氣酸、 乳化虱進-步清洗晶圓,再以㈣子水清洗晶圓表面雜質。 本發明以較佳實施例說明如上,然其並非用以限定本 啦明所主張之專利權利範圍。並專 申钱裒刹r円好" “圍當視後附之 :彳利犯圍及其荨同領域而定。凡熟悉 麟本專神或範㈣,所作之更動或潤飾: 岸明所揭不精神下所完成之等效改變或設計,且 應匕3在下述之申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 猎由以下詳細之描述結合所附圖示, 上述:容及此項發明之諸多優點,其中:I易的了解 苐一圖為根據本發明之彡 中之截面圖。 月之士成㈣摻雜結構於石夕晶圓之 苐一圖為根據本發明之、4生 面圖 。 月之,儿積緩衝層於矽晶圓之上之截 第二圖為根據本發明 之 之形成數個凹槽圖案於緩衝層 200818527 中之截面圖。 第四圖為根據本發明 與晶圓之上之截面圖。 弟五圖為根據本發明 之上之截面圖。 第六圖為根據本發明 之截面圖。 之〉儿積第一金屬層於上述缓衝層 之沉積第二金屬層於第一金屬層 之幵> 成抗反射層於n_摻雜區之下 【主要元件符號說明】 矽晶圓100 η-摻雜區1〇1 Ρ-摻雜區102 緩衝層103 凹槽104 第一金屬層1〇5 第二金屬層106 抗反射層1〇7 15
Claims (1)
- 200818527 十、申請專利範圍: 1 · 一種太陽能電池,包括: 基板’包含p-n摻雜結構形成於該基板中; 緩衝層’形成於該基板之背面,其中該緩衝層具有凹槽 形成於其中;以及金屬層,附著於該緩衝層,並填入該 凹槽。 2·如申請專利範圍第1項之太陽能電池,其中該基板包括 秒晶圓。 3·如申請專利範圍第1項之太陽能電池,其中該緩衝層之 材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或上述之組合。 4·如申請專利範圍帛1項之太陽能電池,其中該緩衝層之 厚度為50〜1〇〇奈米。 5· 11 r專利粑圍帛1項之太陽能電池,其中該凹槽係藉 由运射槽切製程所完成。 6. i::專:耗圍第L項之太陽能電池,其中該雷射包括 Q-二開關紅寶石雷射、Q·開關亞力山大雷射、 *卜雅鉻雷射或倍頻Q_開關铷/雅鉻雷射。 7·如申請專利範圍第1項之 度為10〜40微米、^匕氣池,其中該凹槽之寬 、/又為〇·6〜6微米以及間距為1〇〇至 16 200818527 400微米 屬層為 δ.如申請專利範圍第i項之太陽能電池,其中該金 鋁金屬或鋁合金。 八^ I:;::::陽能電池’其中該金屬層包 10 ·如中請專利範圍第9項之太陽能電池, 層係利用蒸鍍、減鍍或熱浸鍍之方法所形中成该弟-金 11.如申請專利範圍第9項之太陽能電池 層係利用網印之方法形成於該第 屬 該第二金屬 金屬層 之上。 12·如申請專利範圍第9項之太陽能電池, 層之厚痄盏1c /、甲"哀第一金屬 微米為.5〜3.0微米’該第二金屬層之厚度為3〜40 更包括抗反射層 13,如申請專利範圍第1項之太陽能電池 形成於η-換雜區之下。 14·如申請專利範圍第 層之材料包括氧化 石夕-氧化鈦。 13項之太陽能電池, 矽、氧化鈽、氧化鋁、 其中該抗反射 氮化石夕或氮化 17
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