TW201131791A - Solar cell and method for fabricating the same - Google Patents

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201131791 六、發明說明： c發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關於一種太陽能電池及其製造方法，更詳 細言之，其係有關於一種藉將下部電極與光電元件（半導體 層）一併圖形化（例如雷射雕繪），可獲得優異之光電轉換效 率之太陽能電池及其製造方法。 【先前技術3 發明背景 習知之薄膜型太陽能電池之光電轉換效率僅約10%不 到，而在實際之商用化有各種困難。為解決此，開發了藉 使複數個光電元件電性連接成串聯，實現優異之光電轉換 效率之技術。 第1圖係顯示習知_聯連接式太陽能電池之結構之圖。 如第1圖所示，在習知之太陽能電池中，提供具有複數 個單位電池區域a’及位於單位電池區域a’間之配線區域b’ 之基板10。此時，於基板10之單位電池區域a’形成下部電 極11，於下部電極11上形成層疊有半導體層之光電元件 20，於光電元件20上形成上部電極30，藉此，可構成1個太 陽能電池之單位電池。上部電極30連接在相鄰之另一單位 電池a’之上部電極11之上部及配線區域b’上，而電性連接成 串聯。 在習知之太陽能電池中，對下部電極11以雷射雕繪進 行第1圖形化後，形成光電元件20,僅對光電元件20以雷射 201131791 雕繪進行第2圖形化後，形成上部電極3〇，進一步，對上部 電極30以諸_進行第3圖形化。亦即，太陽能電 池係進行了至少3次圖形化製程，方可實現。此種製造製 程，製程時間及製程費用增加，而與太陽能電池之製造成 本之上升相關，太陽能電池之單位電池區域之面積比減少 (即，太陽能t池之死區域增加），而有太陽能電池之光電轉 換效率降低之問題。 又，習知之太陽能電池在配線區域b，進行太陽能電池 之單位電池間之連接之際，有在光電元件2〇之側面與上部 電極30間或與下部電極11間產生短路(Sh〇rt Circuit : sc)之 可此性。此種短路現象在太陽能電池内，產生不必要之漏 流’而有太陽能之光電轉換效率降低之問題。 【明内】 發明概要 發明欲解決之課題 是故，本發明係為解決上述習知技術之諸問題而發明 者，其目的在於提供藉將下部電極與光電元件（半導體層） 一併圖形化(例如雷射雕繪），可使圖形化製程數減少之太陽 能電池及其製造方法。 又本發明之目的係提供可使單位電池區域(在太陽能 電池中進仃光電轉換之區域）之面積增加之太陽能 電池及 其製造方法。 再者，本發明之目的係提供藉防止於_聯連接時產生 之短路現象，可使光電轉換效率提高之太陽能電池及其製 4 201131791 造方法。 用以欲解決課題之手段 本為明之上述目的可藉下述太陽能電池來達成，前述 太陽能電池特徵在於包含有基板、下部電極、下部連接= 極、先電70件部、假光電元件 '上部電極及側壁絕緣声， :板係具有複數個單位電池區域及位於前述單位電池區 -曰之複數個配線區域者；該下部電姆形成於前述基板 =述單:電池區域上者;該下部連接電極係形成於前 2上之則述配線區域上，與前述下部電極之—側連接 …層者；《電元件部卿纽㈣ :::!電元件或多晶光電一個者;該假光電： 中係與别述光電元件部在同—層隔著_ :下:連接電極之緣部上者;該上部電極係形成二 位元件上’並電性連接於與相鄰之單 -域之下。卩電極連接之下料接 :::r係位於前述基板上之前述配線區二： 間者^下#電極及前述光電元件部之側面與前述上部電極 =，本發明之上述目的亦可藉下述太陽能電池之製造 下1驟達成’前述太陽能電池之製造方法特徵在於具有以 :·⑴提供具有複數個單位電池區域及位於前述單位 盡區域間之複數個配線區域之基板；⑺將下部導電層及 體層依序形成於前述基板上之全面；（3)將前述基板上 月,J返配線區域上之前述下部導電層與前述半導體層一併 201131791 進行第1圖形化；（4)將與前述業經圖形化之下部導電層及前 述業經圖形化之半導體層之側面接觸的側壁絕緣層形成於 前述基板上之前述配線區域上；（5)將上部導電層形成於前 述基板上之全面；（6)將前述基板上之前述配線區域上之前 述上部導電層與前述業經圖形化之半導體層一併進行第2 圖形化。 發明效果 根據本發明，藉將下部電極與光電元件（半導體層）一併 圖形化（例如雷射雕繪），可縮減圖形化製程數、圖形化製程 時間及圖形化製程費用，藉此，可減低太陽能電池之製造 成本。 又，根據本發明，藉將下部電極與光電元件一併圖形 化，而使太陽能電池之單位電池區域之面積增加，可使太 陽能電池之光電轉換效率提高。 再者，根據本發明，藉於下部電極及光電元件之側面 形成另一個絕緣層，防止串聯連接時產生之短路現象，可 使太陽能電池之可靠度及光電轉換效率提高。 圖式簡單說明 第1圖係顯示習知太陽能電池之結構之圖。 第2圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第3圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第4圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 201131791 製造過程的圖。 第5圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第6圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第7圖係顯示本發明一實施形態之光電元件部之結構 的圖。 第8圖係顯示本發明一實施形態之另一光電元件部之 結構的圖。 I：實施方式3 用以實施發明之形態 以下，關於本發明之上述目的與技術性結構及伴隨其 之作用效率之詳細事項，為更明確地理解，乃參照顯示本 發明較佳實施形態之圖式，來詳細說明。 實施形態 在本說明書中，太陽能電池之單位電池區域a係指太陽 能電池中’光電元件（半導體層）所在’進行光電轉換之區域。 又，在本說明書中，太陽能電池之配線區域b係指位於 單位電池區域a間，可發揮將太陽能電池之諸單位電池分 離，並且電性連接（例如串聯連接方式）之區域，可理解為實 質上不進行光電轉換之死區域。 在以下本發明一實施形態之詳細說明中，以最常使用 作為半導體層之原材料之矽（Si)為例來說明，本發明不限於 此，可無限制地使用具有可適用於太陽能電池之半導體特 7 201131791 性之眾所皆知之物質。 第2圖~第6圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能 電池之製造過程的圖。 首先，如第2圖所示，可提供具有複數個單位電池區域 a及位於單位電池區域a間之複數個配線區域b之基板100。 基板100之材質可使用透明之玻璃基板，但不限於此，按太 陽能電池接收光之方向，諸如玻璃、塑膠之透明材質或諸 如矽、金屬（例如SUS(不鏽鋼）)之不透明材質皆可使用。 此時，雖圖中未示，但可於基板1〇〇之表面進行粗化 (texturing)。在本發明中，粗化係指用以防止因入射至太陽 能電池之基板表面之光反射，在光學上損失，光電轉換效 率因而降低之現象者。即，粗化係指使基板表面粗縫者， 係指於基板表面形成凹凸圖形（圖中未示）。舉例言之，由於 當基板表面藉粗化而變粗糙時’從表面反射一次之光再往 太陽能電池之方向反射’故可減少光之損失，光之取入量 增加，而可使太陽能電池之光電轉換效率提高。 此時，代表性之粗化方法可使用噴砂法。在本發明中， 喷砂法係包含以壓縮空氣喷射蝕刻粒子來蝕刻之乾喷砂 法、及將蝕刻粒子與液體一同喷射來蝕刻之濕喷砂法者。 另一方面，用於本發明喷砂法之蝕刻粒子係可無限制地使 用如砂、稀有金屬般，可以物理性撞擊，於基板形成凹凸 之粒子。 接著，可將反射防止層（圖中未示）形成於基板100上。 反射防止層可發揮下述作用，前述作用係防止因經由基板 8 201131791 100入射之太陽光不為光電元件吸收而直接反射至外部而 使太陽能電池之效率降低的現象。反射防止層之原材料可 為氧化矽物（SiOx)、氮化矽物（siNx)，但未必限於該等。 反射防止層之形成方法可包含諸如低壓化學氣相沉積 法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD)或電 聚化學氣相沉積法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD)等。 然後’可將導電性材質之下部導電層200形成於基板 1〇〇上之全面。下部導電層200之原材料可使用接觸電阻 低’且具透明性質之透明電極（Transparent Conductive Oxide ; TCO)。透明電極可為諸如AZO(ZnO : Al)、 ITO(Indium-Tin-Oxide)、GZO(ZnO : Ga)、BZO(ZnO : B)、 及FT0(Sn02 : F)任一個。 下部導電層200之形成方法可包含諸如熱蒸鍍法 (Thermal Evaporation)、電子束蒸鍍法（E-beam Evaporation)、錢鑛(sputtering)之物理氣相沉積法（Physical Vapor Deposition : PVD)及諸如LPCVD、PECVD、金屬有 機化學氣相沉積法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)之化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition : CVD)。 接著，可於下部導電層200上之全面層疊p型及n型之半 導體層或層疊ρ型、i型、η型之半導體層。在本發明一實施 形態中，可依序形成ρ型、i型、η型之半導體層。半導體層 之材質可為一般使用之矽，以下，以矽層300來說明。矽層 201131791 300可以諸如PECVD或LPCVD之化學氣相沉積法形成，可 以之後之製程，在單位電池區域a，發揮作為接收光，而可 產生電力之光電元件之功能。關於此，參照後述第7圖及第 8圖，詳細說明。 然後，如第3圖所示，在配線區域b，將下部導電層2〇〇 及矽層3 00 —併進行第1圖形化10 ’可形成分離（絕緣)之—定 單位圖形。 此種第1圖形化10可使用為利用雷射光源之蝕刻方法 之雷射雕繪來進行。雷射可使用IR-ns(Inffai_ed ray-nanosecond)或IR-ps(Infrared ray-picosecond)雷射。於以 雷射照射進行下部導電層200之衝散(blow-up)時，石夕層可以 喷出設備(popping mechanism)同時圖形化。惟，在本發明 中，第1圖形化10之方法不限於雷射雕繪。 以下，為與太陽能電池之驅動電路等效地說明，將業 經圖形化之下部導電層200在單位電池區域a上分為下部電 極200a，在配線區域b上分為下部連接電極2〇〇b來說明。與 此同樣地，將業經圖形化之矽層3〇〇在單位電池區域a上分為 光電元件部300a，在配線區域b上分為光電元件3〇〇b來說明。 光電元件部300a接收光而產生之電子與電洞移動至下 部電極200a及之後形成，為業經圖形化之上部導電層5〇〇之 上部電極500,而產生光電動勢（電力）。然而，光電元件遞 以之後之製程（參照第6圖）與光電元件部3〇〇a分離，實質上 無法產生電力。又，下料接電極聽可發揮使在光電元 件部20Ga所^成之魏與其他單㈣池之上部電極$⑻良 201131791 好地連接’而實現串聯連接式太陽能電池之功能。 然後，如第4圖所示，可於光電元件部3〇〇a及下部電極 200a之側面與配線區域b上形成側壁絕緣層4〇〇。側壁絕緣 層400可為氮化矽膜（SiNx)或氧化矽膜（Si〇x)之任一個、或者 s亥等之積層膜。藉此側壁絕緣層4〇〇，可獲得太陽能電池之 單位電池間之良好之電絕緣特性。 側壁絕緣層400之形成方法可使用藉由以喷嘴構成之 喷頭，喷射墨水之喷墨印刷法。惟，在本發明中，側壁絕 緣層400之形成方法不限於噴墨印刷法。 然後，如第5圖所示，可將導電性材質之上部導電層5〇〇 形成於基板100上之全面。上部導電層5〇〇之原材料可按接 收光之方向，無限制地使用透明或不透明之導電性材質。 舉例s之，可使用為透明導電性原材料之透明電極(TC〇)、 為導電性原材料之銅(Cu)、鈀(A1)、鈦(Ti)、銀(Ag)等金屬、 及忒等之合金。又，上部導電層5〇〇亦可形成為使透明電極 與金屬膜層®之積層膜構造。上部導f層5GG之形成方法可 包έ諸如濺鍵之物理氣相沉積法或諸如LPCVD、PECVD、 MOCVD之化學氣相沉積法等。 接著，如第6圖所示，在配線區域b，將上部導電層500 及業經圖形化之矽層3〇〇 一併進行第2圖形化20，而可分別 形成業經圖形化之上部導電層500之上部電極5〇〇及假光電 元件30〇b。 :此種第2圖形化2〇可使用為利用雷射光源之蝕刻方法 之田射雕績來進行。惟，在本發日月中，第2圖形化20之方法 201131791 不限於雷射雕繪。 更詳細言之，,假光電元件魁可與光電元件30〇a在同 一層隔者«’形成於下部連接電極薦之緣部上。上: 電極獨在單位電池區如上，可發揮作為光電元件部3%Pa 之電極之功能，而在配線區_上，則可發揮作為連接與光a 電兀件部300a相鄰之其他光電元件部3〇〇a(即，將太陽能電 池之諸單位電池連接成串聯）之配線之功能。此時，在本發 明，藉由上部電極500，單位電池區域a之光電元件部3〇如 之上面與配線區域b之下部連接電極2〇〇b之側面可電性連接。 以上所述之本發明一實施形態之太陽能電池藉僅進行 共2次之圖形化製程1〇、20，相較於至少進行了 3次圖形化 製程之習知技術’可縮減圖形化製程數、圖形化製程時間 及圖形化製程費用，而可減低太陽能電池之製造成本。又， 由於本發明之太陽能電池將下部導電層200與矽層300—併 圖形化，故單位電池區域a之面積相對地增加（即，死區域b 之面積減少），而可獲得優異之光電轉換效率。又，本發明 之太陽能電池藉於光電元件部300a及下部電極200a之側面 形成另一個絕緣層400,防止太陽能電池之單位電池間之串 聯連接時產生的短路現象’可使太陽能電池之可靠度及光 電轉換效率提高。 本發明一實施形態之光電元件部300a可具有非晶光電 元件或多晶光電元件之至少1個。 第7圖係顯示本發明一實施形態之光電元件部之詳細 結構的圖。 12 201131791 如第7圖所示’形成於基板100之單位電池區域3上之光 電元件部300a可為多晶光電元件。更詳細言之，雖圖中未 示’藉於基板100上之下部電極200a上形成第1非晶矽層， 於第1非晶矽層上形成第2非晶矽層，於第2非晶矽層上形成 第3非晶矽層，可構成1個光電元件。此時，第1非晶矽層、 第2非晶矽層、第3非晶矽層之形成方法可使用諸如pECVD 或LPCVD之CVD法形成。 接著’可進行將第1非晶矽層、第2非晶矽層、第3非晶 碎層南溫熱處理而結晶化之過程。即，第1非晶石夕層可结晶 化成第1多晶矽層311，第2非晶矽層可結晶化成第2多晶石夕 層312 ’第3非晶矽層可結晶化成第3多晶矽層313。亦即， 可形成由第1多晶矽層311、第2多晶矽層312、第3多晶矽層 313構成之多晶光電元件300a。 第1非晶矽層、第2非晶矽層、第3非晶矽層之結晶化方 法可使用 SPC(Solid Phase Crystallization)、ELA(Excimer

Laser Annealing) ' SLS(Sequential Lateral Solidification) ' MIC(Metal Induced Crystallization)、及MILC(Metal Induced

Lateral Crystallization)之任一個方法。由於此種非晶石夕之結 晶化方法為眾所皆知之技術’故在本說明書中，可省略關 於此之詳細說明。 另一方面，在上述，說明了將第晶矽層、第2非晶 矽層、第3非晶矽層皆形成後，使該等層同時結晶化者，但 未必限於此，舉例言之，亦可各非晶矽層個別進行結晶化 製程，亦可2個非晶矽層同時進行結晶化製程，剩餘之“固 13 201131791 非B曰石夕層進行另—種結晶化製程。 勢，：=Γ電元件可為可以藉光之接收產生之光電動

Pin二極體構」、在依b序層疊知型、i型、η型之多晶石夕層之 H 在此，1型係指未掺雜雜質之本質。又，η 方ϋ之摻雜宜於形成非晶碎層時，將雜f以原位(insitU) 之般摻胸時之雜㈣使制⑻，摻雜㈣時 用眾:知:：物 p+、f:面:多晶：元件除了… 是〇+支η”，特別是奸、卜州、Ρ、η、n型（特別 此，「/、叫或11、Π、Ρ型（特別是η+、η· ' Ρ+)之矽層。在 」及-」之意思係表示摻雜濃度之相對之差，「+ =濃度較％高之濃度。舉例言之…係指換 制。又η备無+或-之顯示時，係指摻雜濃度無特別之限 (例二Sr—間之半導體層可發揮作為光吸收層 β =圖中未示’為可使多晶石夕層祀、312、313之性質 ’可進一步進行缺陷去除製程。在本發明中，藉將 :曰曰石夕層進行高溫熱處理或氫電漿處理，可去除存在於多 >層缺陷(例如雜質及懸鍵等）。 立另方面，於第6圖之太陽能電池應用第7圖之光電元 ^M30〇a時，在本發明，可實現下述單位電池間之電性連 任::引述單位電池間之電性連接關係為太陽能電池之 單位電池之第1多晶矽層311與下部電極20〇a連接，下 201131791 部電獅〇a與下部連接電極2 與上部電極500_，#下料接電極2_ 。電極500與相鄰於前述任一單位 電池之電池的第3多晶妙層313連接者。因而 晶矽層直接電性連接之串 :=具有層疊有。”，多晶一時 早位電池間Ρ型多晶石夕層與η型多 聯連接式太陽能電池。 第8圖係顯不本發明_實施形態之另一光電元件部之 詳細結構的圖。 如第8圖所示’可進—步於由以上所述之W多晶石夕層 311、第2多晶發層312、第3多晶”313構成之多晶光電元 件310上形成另_光電元件。前述另—光電元件可為層叠有 為非sa矽層之上部第1非晶矽層321、第^非晶矽層Μ]、第3 非曰曰石夕層323之非晶光電元件伽。如此，在本發明一實施 形態中’可實現光電元件31〇、320由串接構造構成之光電 7L件部300a。另-方面，此_接構造可指包括光電元件層 疊三重以上之多重接合構造。 另一方面，雖圖中未示，但可於多晶光電元件31〇與非 晶光電元件320間進一步形成為透明導電體之連接層（圖中 未示）。前述連接層可發揮藉於多晶光電元件31〇與非晶光 電元件320間進行歐姆接觸’而使太陽能電池之光電轉換效 率提高之作用。前述連接層宜為於ZnO添加少量A1之 AZO(ZnO : A1)，但未必限於此，可無限制地使用一般之 ITO ' ZnO、IZO、FT0(Sn02 : F)、BZO等之透明導電性原 材料。 15 201131791 本發明舉了上述之較佳實施形態為例，顯示圖式及說 明，但不限於上述實施形態，在不脫離本發明之精神之範 圍内，具有該發明所屬之技術領域之一般知識者可進行多 種變形及變更。此種變形例及變更例必須皆視為屬於本發 明及附加之申請專利範圍内。 I：圖式簡單說明3 第1圖係顯示習知太陽能電池之結構之圖。 第2圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第3圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第4圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第5圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第6圖係依序顯示本發明一實施形態之太陽能電池之 製造過程的圖。 第7圖係顯示本發明一實施形態之光電元件部之結構 的圖。 第8圖係顯示本發明一實施形態之另一光電元件部之 結構的圖。 【主要元件符號說明】 10，100...基板 11...下部電極 10...第1圖形化 20...光電元件 16 201131791 20...第2圖形化 312…第2多晶矽層 30...上部電極 313...第3多晶矽層 200...下部導電層 320...非晶光電元件 200a...下部電極 321...上部第1非晶矽層 200b...下部連接電極 322…第2非晶矽層 300···半導體層(梦層） 323...第3非晶矽層 300a...光電元件部(光電元件） 400...側壁絕緣層 300b...假光電元件 500·.·上部導電層(上部電極） 310...多晶光電元件 a，a’...單位電池區域 311...第1多晶矽層 b，b’.·.配線區域 ,¾ 17

Claims (1)

1. 201131791 七、申請專利範圍： 1. 一種太陽能電池，其特徵在於包含有： 基板，係具有複數個單位電池區域及位於前述單位 電池區域間之複數個配線區域者； 下部電極，係形成於前述基板上之前述單位電池區 域上者； 下部連接電極，係形成於前述基板上之前述配線區 域上，與前述下部電極之一側連接在同一層者； 光電元件部，係形成於前述下部電極上，具有非晶 光電元件或多晶光電元件之至少1個者； 假光電元件，係與前述光電元件部在同一層隔著一 定間隔，形成於前述下部連接電極之緣部上者； 上部電極，係形成於前述光電元件部及前述假光電 元件上，並電性連接於與相鄰之單位電池區域之下部電 極連接之下部連接電極的側面者；及 側壁絕緣層，係位於前述基板上之前述配線區域 上，並形成於前述下部電極及前述光電元件部之側面與 前述上部電極間者。 2. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中前述下部電 極與前述光電元件部一併圖形化。 3. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中前述側壁絕 緣層為氮化矽膜(SiNx)或氧化矽膜(SiOx)之任一個、或者 該等之積層膜。 4. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中前述光電元 18 201131791 件部具有： 第1多晶半導體層’係形成於前述下部電極上者： 第2多晶半導體層，係形成於前述第1多晶半導體層 上者；及 第3多晶半導體層，係形成於前述第2多晶半導體層 上者。 5. 如申請專利範圍第㈣之太陽能電池，其中前述光電元 件部具有： 第1多晶半導體層，係形成於前述下部電極上者； 第2多晶半導體層，係形成於前述第i多晶半導體層 上者； 第3多晶半導體層，係形成於前述第2多晶半導體層 上者； 第1非晶半導體層，係形成於前述第3多晶半導體層 上者； 曰 第2非晶半導體層，係形成於前述第1非晶半導體層 上者，及 第3非晶半導體層，係形成於前述第2非晶半導體層 上者。 6. 如申請專利範圍第4或5項之太陽能電池，其中前述第1 多晶半導體層、前述第2多晶半導體層、及前述第3多晶 半導體層分別為p型、i型、n型之多晶半導體層或分別 為η型、i型、ρ型之多晶半導體層。 .如申請專利範圍第5項之太陽能電池，其中前述第i非晶 201131791 半導體層、前述第2非晶半導體層、及前述第3非晶半導 體層分別為p型、i型、η型之非晶半導體層或分別為η 型、i型、ρ型之非晶半導體層。 8_如申請專利範圍第4或5項之太陽能電池，其中前述多晶 半導體層以 SPC(Solid Phase Crystallization)、 ELA(Excimer Laser Annealing) ' SLS(Sequential Lateral Solidification)、MIC(Metal Induced Crystallization)、及 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization)之任一個方 法結晶化。 9. 一種太陽能電池之製造方法，其特徵在於具有以下步驟： 提供具有複數個單位電池區域及位於前述單位電 池區域間之複數個配線區域之基板； 將下部導電層及半導體層依序形成於前述基板上 之全面； 將前述基板上之前述配線區域上之前述下部導電 層與前述半導體層一併進行第1圖形化； 將與前述業經圖形化之下部導電層及前述業經圖 形化之半導體層之側面接觸的側壁絕緣層形成於前述 基板上之前述配線區域上； 將上部導電層形成於前述基板上之全面；及 將前述基板上之前述配線區域上之前述上部導電 層與前述業經圖形化之半導體層一併進行第2圖形化。 10. 如申請專利範圍第9項之太陽能電池之製造方法，其中 前述第1圖形化及前述第2圖形化使用雷射雕繪進行。 20