TW201304157A - 太陽能電池的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種太陽能電池的製造方法，包含：(A)利用乾式蝕刻方式蝕刻一第一導電型基板，使其一入光面成為高低起伏狀，且該入光面還形成一個電漿破壞層；(B)氧化該電漿破壞層以轉變成一個氧化層；(C)利用溼式蝕刻方式移除該氧化層；(D)熱擴散處理以形成一個第二導電型射極層。藉由該氧化製程將該電漿破壞層氧化，使本發明在熱擴散處理前可以省略已知方法中的KOH蝕刻步驟，並且只需要一次的溼式蝕刻即可移除該氧化層，大幅縮短製程時間、提升產能，可兼顧量產的可行性及太陽能電池的轉換效率。

Description

太陽能電池的製造方法
本發明是有關於一種太陽能電池的製造方法，特別是指一種以反應式離子蝕刻(RIE)技術進行表面粗糙化後的製程改良的太陽能電池的製造方法。
一般矽晶太陽能電池的製程，是將一塊p型的矽基板進行熱擴散(thermal diffusion)處理，使該基板表面形成一個n型的射極層，進而形成p-n接面。但研究發現當該電池的入光面為上下凹凸的粗糙表面時，能降低光線反射，提升光線入射到電池內部的比例，並提升轉換效率。因此目前有一種改良製程，是在擴散製程之前利用反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,簡稱RIE)方式，蝕刻基板表面而形成粗糙表面。
參閱圖1，雖然RIE製程能蝕刻基板11而達到基板11表面凹凸的需求，但此製程中的帶電粒子(電漿)也會因此與基板11材料反應，使基板11表面形成一電漿破壞層12，該電漿破壞層12的存在將增加載子的再結合率(Recombination)，因而會降低太陽能電池的光電轉換效率，所以在RIE製程之後，必需再透過溼式蝕刻方式移除該電漿破壞層12，由於電漿破壞層12的材料是以矽(Si)、矽的氧化物(SiOx)為主，通常必需進行兩次蝕刻才能移除，分別是以氫氟酸(HF)蝕刻液蝕刻SiOx，以及以氫氧化鉀(KOH)蝕刻液蝕刻Si。當該電漿破壞層12移除後，再進行熱擴散處理以形成p-n接面。
而上述製程的缺點在於：使用KOH蝕刻Si時，由於Si本身的特性所致，在蝕刻時的溫度及KOH濃度都要精準控制，才能將預定厚度的Si移除，但是關於Si的厚度與蝕刻溫度、濃度之間的控制，並不容易掌控。此外，進行溼式蝕刻時，要先將基板11移到充滿KOH溶液的蝕刻槽中蝕刻，接著再將基板11移到另一個充滿HF溶液的蝕刻槽蝕刻，由於將基板11移到蝕刻槽需要耗費時間，更何況上述製程是在兩個不同的蝕刻槽中進行兩次溼式蝕刻，所以移動基板11所耗費的時間將增為兩倍，因此其製程時間長、生產效率低，不利於工業量產。另言之，上述為進行KOH與HF之蝕刻，需採用兩部蝕刻設備才能進行，如此機台設備之成本會大幅增加，將造成量產上成本控制之問題。並且兩部設備於廠區生產線上亦有佔據較多空間之問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種縮短製程時間，並且能兼顧電池轉換效率及量產需求的太陽能電池的製造方法。從而可降低設備採購之成本以及避免佔據過多廠區生產線空間之問題。
於是，本發明太陽能電池的製造方法，包含：步驟A：利用乾式蝕刻方式蝕刻一第一導電型基板，使該第一導電型基板的一入光面成為高低起伏狀，且該入光面還形成一個電漿破壞層；步驟B：氧化該電漿破壞層，使該電漿破壞層轉變成一個氧化層；步驟C：利用溼式蝕刻方式移除該氧化層；步驟D：對該第一導電型基板進行熱擴散處理，使該第一導電型基板的入光面形成一個第二導電型射極層，完成製作該太陽能電池的半成品；及步驟E：在該太陽能電池的半成品上形成電極。
所述第一導電型基板及該第二導電型射極層的主要載子不須限制，只要能形成p-n接面即可，因此當該第一導電型基板為p型半導體時，該第二導電型射極層為n型半導體；當該第一導電型基板為n型半導體時，該第二導電型射極層為p型半導體。
所述用於氧化該電漿破壞層的氧化溫度為300℃～500℃，氧化時間為1～25分鐘，使所形成的氧化層厚度為5奈米(nm)～10奈米。其中，氧化溫度必需限定下限值，是因為當溫度太低時，由於溫度不足，無法使反應氣體分子產生足夠的移動動能，將導致該反應氣體無法與該電漿破壞層充分反應而氧化；而氧化溫度在500℃內就能達到充分氧化效果，不需再將溫度升高，因為再提高溫度也只是造成能源浪費。另外，由於該氧化製程是接續該步驟A的乾式蝕刻而進行，而且兩步驟是在同一個真空腔體中進行，腔體溫度大致都維持在300℃～500℃，因此氧化溫度不須再額外改變，製作上相當方便。
本發明對於氧化時間的限定，也是為了使該電漿破壞層能充分反應氧化，需要說明的是，該電漿破壞層的氧化速率隨著氧化時間的增加將逐漸變慢，因此在初期的氧化時間內能發揮最高的氧化效率，氧化時間不需要太長。
本發明之功效：藉由在RIE製程後進行氧化製程，將電漿破壞層氧化成氧化層，使本發明在熱擴散處理前可以省略KOH蝕刻步驟，並且只需要一次的溼式蝕刻即可移除該氧化層，大幅降低製程時間、提升產能，可兼顧量產的可行性及太陽能電池的轉換效率。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例及數個實驗例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖2，本發明製造方法之較佳實施例，用於製造一太陽能電池，所述太陽能電池包括一第一導電型基板2、一個位於該第一導電型基板2的一入光面21上的第二導電型射極層4、一個位於該第二導電型射極層4上的抗反射層5，以及二個各別位於該第一導電型基板2的下表面及抗反射層5的表面的電極6，所述電極6用於將電池產生的電能傳輸到外部。
參閱圖3、4，本發明太陽能電池的製造方法包含：
(1)進行步驟71：準備該第一導電型基板2，本實施例為p型半導體矽(Si)基板。
(2)進行步驟72：利用乾式蝕刻方式蝕刻該第一導電型基板2的表面，本實施例是使用反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching，簡稱RIE)方式，其具體方法是在一個RIE設備的真空腔體中，腔體溫度約為300℃～500℃，並通入SF6、Cl2及O2混合氣體作為反應氣體，使第一導電型基板2的入光面21形成高低起伏狀，也就是形成凹凸狀的粗糙微結構(Texturing)。而且因為該第一導電型基板2的表面會與電漿產生反應，因此該入光面21上還會形成一個電漿破壞層3，該電漿破壞層3材料主要為矽(Si)及矽的氧化物(SiOx)。
(3)進行步驟73：將前述SF6及Cl2的氣流源關閉，在真空腔體中只通入O2氣體，O2在腔體中被激發成為氧電漿並持續與該電漿破壞層3反應，進而將該電漿破壞層3氧化而轉變成為一個氧化層5’，其材料主要為SiOx。在此氧化過程中，該腔體溫度也就是氧化溫度約為300℃～500℃，本實施例的氧化時間為5分鐘，但不限於此，所形成的氧化層3’厚度為5奈米(nm)～10奈米。
(4)進行步驟74：利用溼式蝕刻方式移除該氧化層3’，使該第一導電型基板2的入光面21露出。本實施例使用氫氟酸(HF)等溶液作為蝕刻液，對於該氧化層3’的SiOx材料有良好的蝕刻效果。
(5)進行步驟75：對該第一導電型基板2進行熱擴散處理，所述熱擴散處理是先將該第一導電型基板2置入一高溫爐管，爐管內的溫度約為750℃～800℃，並且在爐管內通入一反應氣體，本實施例為N2-POCl3(氮氣與三氯氧磷的混合)、O2及N2的混合氣體，但不限於此，並進一步於該第一導電型基板2表面沉積磷(P)。接著將爐管溫度升高到800℃～950℃並維持數十分鐘，使磷(P)擴散進入該第一導電型基板2的表層，進而在該入光面21上形成該n型的第二導電型射極層4，其材料主要為磷玻璃(PSG)。
需要說明的是，熱擴散過程也會使該第一導電型基板2的一個連接在該入光面21周緣的側面22與反應氣體反應，進而形成一個半導體層40，該半導體層40的材料通常與該第二導電型射極層4相同。
(6)進行步驟76：利用溼式蝕刻方式移除該多餘的半導體層40，使該第一導電型基板2的側面22露出。本實施例使用HF等溶液作為蝕刻液。本步驟也稱為隔離絕緣(isolation)步驟。
(7)進行步驟77：在該第二導電型射極層4的表面形成氮化矽(SiNx)之抗反射層5，用於降低太陽光反射，提升光線入射比例。於實施上，可以利用濺鍍(Sputtering)或電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)等技術進行。
此時已完成製作該太陽能電池的半成品，但須注意的是，形成抗反射層5並非必要步驟，因此太陽能電池的半成品中，也可以不包含該抗反射層5。
(8)進行步驟78：在該太陽能電池的半成品上形成電極6，電極6主要是透過網印的方式，形成於該抗反射層5的上表面及該第一導電型基板2的下表面。接著將上述樣品置於高溫的燒結爐中，燒結爐內有數個溫度不同的高溫區域，爐內的滾輪帶動樣品持續前進並且受到不同高溫的燒結，電極6因此能牢固地附著，如此即完成太陽能電池的製作。須注意的是，圖2、3的電極6形態僅為示意而非限定，亦可為其他設計之態樣。
本發明的改良主要為：在RIE蝕刻製程之後，馬上在RIE設備中繼續進行氧化製程，所以該氧化製程與原本的電池生產方式相容，且其方式簡單，只要在RIE設備中通入氧氣即可，而且氧化溫度與原先RIE製程的溫度相同，大約為300℃～500℃，不需要再另外升溫而浪費能源及時間。此外，因為該電漿破壞層3被氧化成為氧化層3’，因此可以利用HF蝕刻液蝕刻移除，省略已知製程中使用KOH蝕刻的步驟。所以本發明是透過增加氧化製程而可省去一次溼式蝕刻，由於氧化製程直接在RIE設備中進行，而且氧化時間不需要太長，因此氧化製程比溼式蝕刻所需的時間(包含將基板移到蝕刻槽以及蝕刻過程的時間)少很多，能大幅縮短生產時間、提升生產效率，同時免除已知方法中，利用KOH蝕刻時的溫度及濃度難以控制的缺失。當然，亦省下了購置KOH蝕刻設備之費用，並節省了原有此KOH蝕刻設備所佔據之產線空間。
參閱表1，為本發明及3個比較例的電性測試結果，比較例1是指最傳統的製程，在擴散製程之前沒有RIE製程及溼式蝕刻。比較例2、3是另一種已知製程，在擴散製程前有KOH及HF總共兩次的溼式蝕刻，表中的速率一欄是指樣品在KOH蝕刻槽中移動前進的速率，樣品移動愈慢表示蝕刻過程愈充分。表1的Voc代表開路電壓，Jsc代表短路電流，F.F值(fill factor)代表填充因子，Eff.為轉換效率，電池生產片數是指相同時間內(例如1小時)，本發明與各個比較例所生產的電池數量。
由表1結果可知，比較例1的生產速度雖然快，在單位時間內的電池生產片數最高，但其短路電流及轉換效率都較低，而比較例2、3相對於比較例1而言，雖然能提升短路電流及轉換效率，但生產速度太慢，不利於量產。反觀本發明，相對於比較例1而言，本發明的短路電流及轉換效率分別提升0.59 mA/cm2及0.2%，此為相當大幅的提升，雖然本發明的產能略微下降，但此降幅微小，而且本發明的產能相對於比較例2、3仍是較高，本發明的生產速度已適合量產，因此本發明是在電池效率及生產效率之間取得平衡。
綜上所述，藉由氧化製程將電漿破壞層3氧化成為該氧化層3’，使本發明在熱擴散處理前只需要一次溼式蝕刻即可移除該氧化層3’，大幅降低製程時間、提升產能，可兼顧量產的可行性及太陽能電池的轉換效率。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2．．．第一導電型基板
21．．．入光面
22．．．側面
3．．．電漿破壞層
3’．．．氧化層
4．．．第二導電型射極層
40．．．半導體層
5．．．抗反射層
6．．．電極
71～78．．．步驟
圖1是一種已知太陽能電池的部分結構的示意圖；
圖2是一示意圖，顯示本發明太陽能電池的製造方法之較佳實施例所製造出的太陽能電池；
圖3是該較佳實施例各步驟進行時的示意圖；及
圖4是該較佳實施例的步驟流程方塊圖。
71～78．．．步驟

Claims (9)

  1. 一種太陽能電池的製造方法，包含：步驟A：利用乾式蝕刻方式蝕刻一第一導電型基板，使該第一導電型基板的一入光面成為高低起伏狀，且該入光面還形成一個電漿破壞層；步驟B：氧化該電漿破壞層，使該電漿破壞層轉變成一個氧化層；步驟C：利用溼式蝕刻方式移除該氧化層；步驟D：對該第一導電型基板進行熱擴散處理，使該第一導電型基板的入光面形成一個第二導電型射極層，完成製作該太陽能電池的半成品；及步驟E：在該太陽能電池的半成品上形成電極。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中，步驟B的氧化溫度為300℃～500℃。
  3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之太陽能電池的製造方法，其中，該氧化層的厚度為5奈米～10奈米。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之太陽能電池的製造方法，其中，步驟B的氧化時間為1分鐘～25分鐘。
  5. 依據申請專利範圍第1或2項所述之太陽能電池的製造方法，其中，步驟A的乾式蝕刻是利用反應式離子蝕刻方式。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之太陽能電池的製造方法，其中，該氧化層的材料包含矽的氧化物，步驟C溼式蝕刻的蝕刻液為氫氟酸溶液。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，還包含一個位在步驟D之後的步驟F，在該第二導電型射極層上形成一個抗反射層，步驟E是在該抗反射層的表面及該第一導電型基板的表面形成所述電極。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中，步驟D的熱擴散處理還會使該第一導電型基板的一個側面形成一個半導體層，接著再利用溼式蝕刻方式移除該半導體層。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之太陽能電池的製造方法，其中，用於移除該半導體層的蝕刻液為氫氟酸溶液。
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