TW200826310A - Thin-film solar module - Google Patents

Description

200826310 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明廣義地係關於一種將薄膜太陽能電池相互連接 起來之方法，且係關於一種薄膜太陽能電池模組。 I：先前技術3 發明背景 在一個支撐性異質介質（superstrate)(例如：玻璃）上的 薄膜太陽能電池具有一種急速降低太陽能光電(PV)模組的 10 製造成本之傾向，這是因為相較傳統運用晶圓的太陽能電 池來說，他們僅需要一部分的半導體材質即可。而且，薄 膜太陽能電池之優點在於·它可以在一個大面積的基底（接 近lm2)上製成，如此可簡化製程且降低製造成本。 雖然太陽能電池的輸出電流與裝置的尺寸成比例，但 15是輸出電壓並非如此，因此，大面積(接近lm2)的太陽能電 池具有很高的電流及很低的電壓。由於電阻損耗與電流平 方成正比，所以，大面積的太陽能電池具有很大的電阻損 耗（因此，具有很低的能量轉換效率），因而不適用於大部分 的應用情形中。欲解決此項問題的一種常見方法是將大面 °積太陽能電池分割成許多塊(例如：k塊)較小的電池，每小 塊電池均具有相同的大小，而且，將這些較小的電池電氣 式地串聯起來，如此一來，個別電池的電壓就可以加總起 來，而且，這些電池的電流僅為大面積電池的k分之一。 大部分的太陽能電池均是以p_n接面的半導體二極體 5 200826310 作為基礎。藉由運用矽晶圓的太陽能電池，此二極體結構 通常可利用均勻摻雜的P型晶圓且沿著此晶圓的表面形成 (例如，藉由擴散）一薄n+型層而實現。藉由薄膜太陽能電 池’當薄半導體膜沉殿時’通常可產生此二極體結構。典 5 型地，相較於矽晶圓太陽能電池的好幾百微米來說，所產 生的p-n接面二極體其厚度小於5微米。 太陽能電池的串聯式互連牽涉到將一個p-n接面二極 體（或電池）的η型側電氣式連接（透過例如金屬的適當傳導 媒介）到下一個電池的Ρ型側上等步驟。然後，藉由將第一 10 個電池的ρ型側與最後一個電池的η型連接到一負載，則可 以從此一連串電池中取出電流。假如在此串電池中的所有 個別電池均具有相等尺寸的話，則每個電池所產生的電流 均相等，且等於通過此串電池的電流。每個電池的輸出電 壓將會添加至此串電池中的其他電池上，致使，假如此串 15 電池中具有k個電池且每個電池的電壓為V的話，則整串電 池所產生的輸出電壓為kx V(忽略電阻損耗）。 藉由矽晶圓所製成的太陽能電池，此一連串互連結構 一般是由一個晶圓接著一個晶圓而製成的，使得這些晶圓 被建構成一模組。藉由薄膜太陽能電池，一般可使用不同 20 的方案，這是由於先前所提到的薄膜太陽能電池具有能夠 被放置在大面積基底上之優點。 將薄膜太陽能電池互相連接於玻璃介質上的一種典型 方法，是基於使用透明導電氧化物(TCO)，例如：銦錫氧化 物或氧化鋅。這些TCO基本上是高能帶間隙的半導體，其 6 200826310 不會吸收大量的太陽光’但由於他們被高度摻雜的緣故， 所以他們是良好的導電體。TC0*PV模組的一個重要成 分，此PV模組是由並未展現出令人滿意的側向傳導性之半 導體所製成（亦即，被摻雜的半導體層具有非常高的電氣薄 5 膜電阻）。由導電性很差的半導體(例如非晶矽或微晶石夕）所 製成的PV模組，通常在太陽能電池上使用兩個TCO薄膜。 其中一薄膜在前表面上’而另一薄膜則在後表面上。相鄰 電池的互連結構是由雷射刻劃及後續沉澱個別TCO與半導 體層之組合結果而實現出來。 10 假如半導體層具有足夠良好的側向電氣傳導性的話， 則可以免於使用TCO，反而，可以藉由格狀或條狀的金屬 接點，使得半導體可以被直接接觸。Basore的專利公告第 WO 03/019674 A1號揭示一種用於薄膜太陽能電池的可能 互連方式。Wenhan的美國專利第5,595,607號則揭示另一種 15可行的方式。此方式是以溝槽為基礎，這些溝槽的側壁在 一特殊製程中被高度摻雜，且隨後在溝槽中填滿金屬。 就製造環境的背景來說，上述用於具有充分良好側向 導電性的半導體層之互連方式，需要很多的製程步驟，以 達成此互連結構。因此，需要提供一種用以將薄膜太陽能 20電池互連於異質介質上之替代技術，以解決上述問題。 【發明内容】 發明概要 根據本發明第一型態，設有一種互連薄膜太陽能電池 之方法，該方法包含以下步驟：在一介質上的半導體薄膜 7 200826310 二極體結構㈣成-❹條賴，致使，該二極體結構被 分割成多數分離的太陽能電池，而且，_太陽能電池的 成對側壁之摻雜極性，係與該二極體結_介質側半導體 層之摻雜極性㈣；在該二極體結構上形成-非連續性絕 緣層則吏纟對側壁的其中一側壁被該絕緣層所覆蓋， 而各對的另—側㈣及各太陽能電池的-或多絲面接觸 區域則仍保持暴露；以另 如斗 ^ ，在遠_極體結構上形成一非連 續性導電層，致使，對於各對相鄰的第—與第二太陽能電 池來》兄帛1陽此電池的暴露側壁係電氣連接到第二太 10 陽能電池的表面賴區域，且㈣簡不會㈣連接至第 一太陽能電池的表面接觸區域。 可以藉由雷射刻劃而形成溝槽。 浴成非連績性絕緣層、導電層或此兩層包含喷墨印刷。 爪成非連績性絕緣層、導電層或此兩層包含網版印刷。 形成非連續性絕緣層、導電層或此兩層包含在沉殿個 別層所用的材f期間或之後實施烟層的圖案化。 在沉澱用於個別層的材質之後，使個別層產生圖案包 含喷墨印刷或微影技術。 非連續性絕緣層包含一聚合體。 非連續性導電層包含一金屬膏狀物。 二極體結構包含聚晶矽。 此方法另外包含在介質與二極體結構之間設置一抗反 射塗層。 根據本發明第二型態，設有一種薄膜太陽能模組，包 8 200826310 含· 一介質；_個形成該介質上的半導體薄膜二極體結構； 或夕個形成於該二極體結構内的溝槽，致使該二極體 結構被分割成多數分離的太陽能電池，而且，個別太陽能 電池的成對側壁之摻雜極性，係與該二極體結構的介質側 5半導體層之摻雜極性相同；一個在該二極體結構上所形成 的非連續性絕緣層，致使，各對側壁的其中一側壁被該絕 緣層所復盖，而各對的另一側壁以及各太陽能電池的一或 多個表面接觸區域則仍保持暴露；以及一個在該二極體結 冓上所$成的非連績性導電層，致使，對於各對相鄰的第 與第一太陽能電池來說，第一太陽能電池的暴露側壁係 電氣連接到第二太陽能電池的表面接觸區域，且仍舊保持 不會電氣連接至第一太陽能電池的表面接觸區域。 非連續性絕緣層包含一聚合體。 非連續性導電層包含一金屬膏狀物。 5 —極體結構包含聚晶石夕。 此模組以另外包含在介質與二極體結構之間的一抗反 射塗層。 圖式簡單說明 熟習此藝者由以下之文字描述（僅藉著實例）及結合 20圖式，將可更容易明瞭本發明之實施例，其中： 第1圖是一個非對稱摻雜的太陽能電池結構之剖面圖。 第2圖至第4H是齡—個用於互連薄膜太陽能電池之 方法的剖面圖。 9 200826310 第5圖是太陽能模組的平面圖。 第6圖是顯示一個用於互連薄膜太陽能電池的方法之 流程圖。 t實施方式3 5 較佳實施例之詳細說明 對於熟知此項技術者來說，從以下作為範例之用的說 明與附圖中，可以更加清楚了解本發明的實施例。 以下的實施例係提供一種用於將薄膜太陽能電池互連 於具有相當良好的側向導電性之玻璃（或其他絕緣、透明異 10貝材貝）上的方法。特別地，此方法是以具有p-n接面的太陽 月b電池作為内谷進行敘述’但是，對於熟知此項技術者來 說，本方法經由適當修改也可以被運用於多重接面的太陽 能電池上。 太1%肥電池疋由一個被夾在具有相反極性的兩個高度 15摻雜層之間的低摻雜（或本質性)吸收體區域所組成。因此， 太陽能電池為n+；rP+型，其中冗表示一層p(正）、n(負）或{(本 質性)型半導體材質。此方法可以被應用於n+7rp+型/玻璃及 Ρ+7Γ 11+型/玻璃結構，或者具有在可見光譜内為透明的絕緣 支撐介質之等效結構。7Γ層一般厚度小於10微米，因此相 20較於Ρ+層與η+層來說，具有可忽略的側向導電性。透明的介 貝在正對著太陽能電池的表面上也可以具有一抗反射性 層，此抗反射性層一般是由氮化石夕所製成。 此方法也可以應用於非對稱摻雜的太陽能電池上，其 中，在玻璃側高度摻雜層中的摻入劑量，是比空氣側高度 200826310 摻雜層中的摻入劑量大上至少好幾倍，致使，當半導體膜 被局部炫化(例如，藉由雷射）時，摻入劑物種將會擴散到整 個熔化的半導體區域内，而且，P型與n型摻入劑可局部互 相補償，致使，熔化區域的最終摻雜極性將會與玻璃側高 5 度摻雜層的極性相等。 第1圖顯示一個範例性非對稱摻雜的太陽能電池結構 100之剖面圖。此結構100包含一個玻璃支撐介質1〇2，雖然 在此圖形中被顯示成位於此結構的底部，但是，實際上是 位於面向太陽的表面上。玻璃介質102具有一個抗反射層或 10塗層103，在本實施例中是由氮化矽所製成。玻璃側高度摻 雜的n+層104被形成具有大約50至2〇〇nm的厚度，低摻雜的p 層106則具有大約1至1〇微米的厚度，而高度摻雜的p+層1〇8 具有大約50至200nm的厚度，如此完成了 p+pn+/玻璃之太陽 能電池結構1〇〇。半導體層1〇4、1〇6與1〇8是在薄膜半導體 15材質沉澱於玻璃介質1〇2上的期間利用摻入技術而形成 的。半導體材質可以包含使用例如電漿增強化學蒸鍍法 (PECVD)或電子光束蒸發法所沉澱的聚晶矽，且分別利用 例如硼與磷作為正負摻入劑。 在用於整個互連大面積太陽能電池結構100的較小電 2〇池之第一步驟中，使用雷射將一組平行的溝槽200刻劃於一 個含有這幾層104、106與108的半導體薄膜202内，以便將 大面積太陽能電池結構100分割成k個又長又窄的太陽能電 池206 ’如第2圖所示。在所示的實施例中，抗反射層1〇3並 未被雷射光束所刻劃，然而，假如抗反射層被雷射光束所 11 200826310 刻劃的話，本方法亦能同樣地產生效用。由於先驅物薄膜 太陽能電池100的非對稱摻雜結構之緣故，所以，長窄太陽 能電池206的經雷射刻劃過的側壁2〇4之摻雜極性，將會等 於電池206的介質側高度摻雜層1〇4之摻雜極性，也就是 5 說，在此範例中為η。 當來自雷射的一股光線撞擊半導體膜2〇2時，一部分的 入射光被吸收掉，導致此膜2〇2被加熱。由於此膜202的吸 收係數隨溫度而增加，所以，當薄膜2〇2變熱時，就會吸收 更多的雷射光束。如此，導致所謂的熱散逸(thermal mnaway) 10情形，其中，薄膜202很快地到達沸點溫度。在雷射光束中 心底下的此部分半導體膜2G2,由於在該處f射光束最為強 …、所以，匕首先到達彿點，而在雷射光束周圍底下的此 部分半導體膜202則僅到達炫點。在雷射光束的中心底下之 此部分半導體薄膜逝會蒸發而急速膨脹。半導體蒸氣的急 速膨脹會將雜的半導體推離開雷射處理㈣區域之中 心，因而形成溝槽200。 炼化的半導體材貝當它被推離開時會冷卻並重新凝 口致使，匕以波浪的形狀凝固，❿形成側壁刪。播入劑 原子在液態半導體材質中的擴散如此之快，使得這些掺入 加劑會均句地散佈於半導體薄膜202的整㈣化且 重新凝固 (M在單《田射的持~期間，此過程發生得非常快速。 藉由當雷射光束掃描過半導體薄臈202的表面而重疊連續 的雷射脈衝，可以在半導體薄獅2内刻劃出溝槽細。 其次，將-非連續性絕緣層3〇〇藉由例如喷墨印刷或網 12 200826310 版印刷等而塗抹於太陽能電池2〇6的表面上，致使，如第3 圖所示’各電池206的一側壁2〇4a及表面302的主要部分會 被絕緣層300所覆蓋，但是各電池2〇6的其他側壁2〇4b以及 各電池206的表面302上之好幾個「接觸區域」3〇4則不會被 5此絕緣層300所覆蓋。絕緣層300例如可以包含聚醯亞胺等 I合物。然後’絕緣層300可藉由例如在適當溫度烘培此裝 置306而產生乾燥。然後，例如在氫氟酸中蝕刻，而移除來 自暴露的雷射刻劃過側壁204b之熱氧化物，以及來自表面 接觸區域304的自然氧化物。 10 接著，如第4圖所示，藉由例如喷墨印刷或網版印刷， 而塗抹一個例如金屬的非連續性導電層400。應用此導電層 400，致使，對於各對相鄰電池206a、206b來說，在一個太 陽能電池206b的暴露側壁204b以及相鄰太陽能電池206a的 接觸區域304a之間，設有一導電路徑，但是，在同一個電 15 池206b的暴露側壁204b與接觸區域304b之間沒有導電路 徑。金屬層400在沿著長窄太陽能電池204a、206b的長度上 亦為非連續性，致使，沿著太陽能電池204a、206b的一個 可能局部分流器（hunt)將不會收集來自整個太陽能電池 206a、206b區域的電流，而僅收及來自此分流器周圍的區 20 域之電流。然後，此裝置402在一適當温度下進行烘培，以 增進金屬與半導體接點之電氣特性。 此裝置402提供一種薄膜太陽能電池模組，包含介質 102及一個形成於該介質上的半導體薄膜二極體結構，而 且，在該二極體結構内形成有一條或多條溝槽，致使，該 13 200826310 二極體結構被分割成多數分離的太陽能電池2〇6a、206b， 而且，個別太陽能電池的成對側壁2〇4a、204b之摻雜極性， 係與該二極體結構的介質側半導體層1〇4之摻雜極性相 同。此模組另外包含一個在該二極體結構上的非連續性絕 5 緣層300,致使，各對側壁的其中一側壁204a被該絕緣層300 所覆蓋，而各對的另一側壁204b以及各太陽能電池(例如： 206a)的一或多個表面接觸區域（例如：304a)則仍保持暴 露。此模組另外包含一個在該二極體結構上的非連續性導 電層400，致使，對於各對相鄰的第一與第二太陽能電池 10 206b、206a來說，第一太陽能電池206b的暴露側壁2〇牝係 電氣連接到第二太陽能電池2〇6a的表面接觸區域304a，且 仍舊保持不會電氣連接至第一太陽能電池206b的表面接觸 區域304b。 第5圖顯示依據上述第1圖至第4圖所示的方法所形成 15之裝置500的平面示意圖。外部金屬層502沿著溝槽506被形 成為非連續排504，且各排504亦沿著溝槽506的長度為非連 續，所以，沿著溝槽5〇6形成多數區段5〇如至5〇以。在絕緣 層510内形成開口 512,這些開口填滿了來自金屬層5〇4的材 質，以接觸各半導體電池514的表面。半導體層514内的破 2〇折線指出溝槽506的側壁518以及剩餘的太陽能電池部52〇 之間的邊界。 第6圖顯示一個用於互連薄膜太陽能電池的方法之流 程圖600。在步驟6〇2中，在一介質上的半導體薄膜二極體 結構内形成-或多條溝槽，致使，該二極體結構被分割成 200826310 多數分離的太陽能電池，而且，個別太陽能電池的成對側 壁之摻雜極性，係與該二極體結構的介質側半導體層之摻 雜極性相同。在步驟604中，在該二極體結構上形成一非連 續性絕緣層，致使，各對側壁的其中一側壁被該絕緣層所 5 覆蓋，而各對的另一側壁以及各太陽能電池的一或多個表 面接觸區域則仍保持暴露。在步驟606中，在該二極體結構 上形成一非連續性導電層，致使，對於各對相鄰的第一與 第二太陽能電池來說，第一太陽能電池的暴露側壁係電氣 連接到第二太陽能電池的表面接觸區域，且仍舊保持不會 10 電氣連接至第一太陽能電池的表面接觸區域。 要知道的是，對於熟知此項技術者來說，在不背離本 發明的精神與範圍之前提下，仍可以產生出許多變化及/或 修改。因此，這些實施例僅用以說明而非限制。 例如，雖然太陽能電池結構被描述成具有η型側壁的玻 15 璃/η+/ρΑρ+結構，但要知道的是，此種特殊摻雜結構僅作為 示範而非限制。而且，所顯示出來的表面接點之特殊配置 方式亦僅作為範例而已。 而且，可以明白非連續性絕緣層、導電層或兩層可以 被實施成一連續層，且接著利用例如喷墨印刷或微影技術 20 等產生圖案，以形成個別的非連續層。 在此，要知道的是第1圖至第5圖僅為示意圖，且並未 依照比例繪製。 I：闽式簡單說明3 第1圖是一個非對稱摻雜的太陽能電池結構之剖面圖。 15 200826310 第2圖至第4圖是顯示一個用於互連薄膜太陽能電池之 方法的剖面圖。 第5圖是太陽能模組的平面圖。 第6圖是顯示一個用於互連薄膜太陽能電池的方法之 5 流程圖。 【主要元件符號說明】 100...太陽能電池結構 304b...接觸區域 102...介質 400…金屬層 104··. n+層 402…裝置 106…p層 500...裝置 108…ρ+層 502...金屬層 200...溝槽 504...# 202…半導體薄膜 506…溝槽 204...側壁 508a...區段 204a...側壁 508b...區段 204b...側壁 508c...區段 206...太陽能電池 510...絕緣層 206a...電池 512…開口 206b...電池 514…半導體電池 300...絕緣層 518…側壁 302…表面 520...太陽能電池部 304a...接觸區域 16

Claims (1)

1. 200826310 十、申請專利範圍： 1. 一種用於互連薄膜太陽能電池之方法，該方法以下步 驟： 在一介質上的半導體薄膜二極體結構内形成一或 5 多條溝槽，致使，該二極體結構被分割成多數分離的太 陽能電池，而且，個別太陽能電池的成對側壁之摻雜極 性，係與該二極體結構的介質側半導體層之摻雜極性相 同； 在該二極體結構上形成一非連續性絕緣層，致使， 10 各對側壁的其中一側壁被該絕緣層所覆蓋，而各對的另 一側壁以及各太陽能電池的一或多個表面接觸區域則 仍保持暴露；以及 在該二極體結構上形成一非連續性導電層，致使， 對於各對相鄰的第一與第二太陽能電池來說，第一太陽 15 能電池的暴露側壁係電氣連接到第二太陽能電池的表 面接觸區域，且仍舊保持不會電氣連接至第一太陽能電 池的表面接觸區域。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，藉由雷射刻劃而 形成溝槽。 20 3.如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，形成非連續性 絕緣層、導電層或此兩層包含喷墨印刷。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中，形成 非連續性絕緣層、導電層或此兩層包含網版印刷。 5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中，形成 17 200826310 非連續性絕緣層、導電層或此兩層包含在沉澱用於個別 層的材質期間或之後實施個別層的圖案化。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中在沉澱用於個別層 的材質之後，使個別層產生圖案包含喷墨印刷或微影技 5 術。 7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中，該非 連續性絕緣層包含一聚合體。 8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法，其中，該非 連續性導電層包含一金屬膏狀物。 10 9.如申請專利範圍第1至8項中任一項之方法，其中，該二 極體結構包含聚晶矽。 10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之方法，另外包含在 介質與二極體結構之間設置一抗反射塗層。 11. 一種薄膜太陽能模組，包含： 15 一介質； 一個形成該介質上的半導體薄膜二極體結構； 一個或多個形成於該二極體結構内的溝槽，致使， 該二極體結構被分割成多數分離的太陽能電池，而且， 個別太陽能電池的成對側壁之摻雜極性，係與該二極體 20 結構的介質側半導體層之摻雜極性相同； 一個在該二極體結構上所形成的非連續性絕緣 層，致使，各對側壁的其中一側壁被該絕緣層所覆蓋， 而各對的另一側壁以及各太陽能電池的一或多個表面 接觸區域則仍保持暴露；以及 18 200826310 一個在該二極體結構上所形成的非連續性導電 層，致使，對於各對相鄰的第一與第二太陽能電池來 說，第一太陽能電池的暴露側壁係電氣連接到第二太陽 能電池的表面接觸區域，且仍舊保持不會電氣連接至第 一太陽能電池的表面接觸區域。 12,如申請專利範圍第u項之薄膜太陽能模組，其中，該非 連續性絕緣層包含一聚合體。 13·如申請專利範圍第11或12項之薄膜太陽能模組，其中， 該非連續性導電層包含一金屬膏狀物。 14·Τ申請專職圍第u至13項中任—項之薄膜太陽能模 、、且，其中，該二極體結構包含聚晶矽。 15· =申請專利範圍第11至14項中任—項之薄膜太陽能模 組’另外包含在介質與二極體結構之間的一抗反射塗 層。 19