TW201312779A - 太陽能電池之製造方法及太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種製造太陽能電池的方法及太陽能電池。該太陽能電池包括矽基板，該矽基板包含朝向射線之正面、一背面、沿該背面延伸之第一介電層、沿該第一介電層之背離基板側延伸之第二介電層以及沿該第二介電層之背離基板側延伸之金屬層，該第二介電層由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽中的一材料構成。為利用較少處理步驟便能可重複製造具有極高功效的太陽能電池，本發明提出，該基板之背面在入射角為60°時的光澤值小於80GU，該第一介電層含有位置固定的負電荷。
Description
本發明係有關於一種太陽能電池，包括矽基板，該矽基板包含朝向射線之正面、具P型摻雜區域之背面、沿該背面延伸之第一介電層、沿該第一介電層之背離基板側延伸之第二介電層以及沿該第二介電層之背離基板側延伸之金屬層，該正面經組織化處理且具N型摻雜區域，該第二介電層由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽中的一材料構成或含有其中一材料。
近年來，在提高太陽能電池，特別是矽太陽能電池之功效方面進行過一系列試驗並研發了多項工藝。
WO 2009/071561 A提出一種MWT(金屬穿孔捲繞)-PERC(鈍化發射極背電池)，其背面鍍覆由氧化物(如氧化鋁)構成的第一層以及用作第二層之SiNx：H層。
為製出具穩定鈍化效果之太陽能電池，DE 10 2010 017 155 A在太陽能電池之基板背面設置至少一介電層，其由氧化鋁、氮化鋁或氮氧化鋁以及另一元素構成。
根據EP 1489667 A2及EP 1763086 A1所提出的方案，在基板背光側往矽基板與金屬化層之間鍍覆一介電層，如此便能使自由電荷載子發生複合的時間堆遲，從而提高複合率並提高電池功效。
EP 1763086 A1描述一種由SiO2及沉積於其上之SiN層所構成之介電層系統的應用，用於對太陽能電池背面進行電鈍化。
根據EP 1489667 A2所公開之原理的一種實施方式，採用含Al2O3及SiO2的化合物對太陽能電池背面進行介電鈍化。
DE 3815 512 A 1公開一種太陽能電池，由包含N+P接面之摻雜半導體主體構成，此半導體主體的背面被接觸層整面覆蓋。此半導體主體之背面上還整面鍍覆有氧化層。
在關於高效矽晶體太陽能電池結構的文獻中，提高功效之要點在於對表面進行介電鈍化處理，其中，僅在規定位置上為金屬接點與矽建立連接(參閱M.A.Green,Silicon Solar Cells,1995)。
正面上的金屬化層總是需要受到結構化處理，而工業太陽能電池的背面上通常需要為矽與金屬建立整面連接，以便透過產生背面場(back surface field,BSF)來降低複合。
在實施工業製程過程中，透過對電池背面進行介電鈍化處理來提高功效的主要障礙在於，為此而增設之製造步驟的成本較高，在工業製程中很難使所產生之層及接點達到必要的電子品質。
採取兩項措施來抑制矽太陽能電池中的表面複合現象。透過使矽的電子鍵達到化學飽和來實現鈍化，即使其無法電子複合。為此，可採用具電子帶隙的層，即半導體或介電體。
此外，鍍覆帶電層後可藉其場效應大幅降低電荷載子在表面上的濃度。此舉同樣可抑制複合現象(場效應鈍化)。根據以往文獻，多種介電體會在與矽發生接觸時形成表面電荷，此處尤指氧化矽(弱正)、氮化矽(正)及氧化鋁(負)。此種電荷在回火步驟完畢後才會形成，具體視所選沉積工藝而定。
為實施表面鈍化，首先需要去除晶圓製造過程所致表面損傷。為此，可在酸性或鹼性溶液中對晶圓表面進行蝕刻。
其中，蝕刻劑可相應具拋光或粗化效果，具體視工藝而定。特別光滑之蝕刻表面的優點在於降低複合，而太陽能電池正面上的粗表面則有利於降低反射。
就單晶矽而言，可對<100>取向的晶圓之表面實施鹼性蝕刻，以便形成<111>取向的棱面。從而產生金字塔狀表面結構。
上述舉措亦可適用於多晶矽，但晶粒會因其晶向不同而受到不均勻組織化處理。因此，一般採用酸性(所謂)“isotexture”(ISO紋理)以達成均勻粗化處理的目的。
將對正面進行組織化處理與對背面進行光滑蝕刻相結合可達到最佳太陽能電池功效。然而，此種結合要求該二製程中的至少一個必須單面實施。此點在設備技術方面的難度極高。一般而言，該二製程中僅有一個係單面實施；其中一個原因在於，若僅單面去除表面損傷所致應力，則會造成晶圓嚴重扭曲。
製造背面鈍化太陽能電池時，需要使發射極僅設置於其中一面(通常為正面)上。氣相鍍覆摻雜劑時先要進行雙面鍍覆。而採用固態或液態摻雜源時則進行單面鍍覆，但此過程中或有摻雜劑在某種程度上覆蓋晶圓背面。
為防止出現上述現象，可在實施摻雜前為晶圓背面設置防護層。然而在工業製程中，通常於摻雜結束後將晶圓背面上之厚度略大於摻雜劑滲透深度(一般為0.5 μm至數μm)的層去除。
對太陽能電池背面實施電子鈍化時，需要找到一種將場效應鈍化與鍵飽和加以有利結合的層。根據以往文獻，氧化矽的鈍化效果極佳，可透過對矽進行熱氧化抑或藉由CVD工藝進行沉積而產生氧化矽。
但在對產生接點而言必不可少的回火步驟中，SiOx在防止背面金屬層燒結透方面的耐受性較差。氮化矽結合金屬後的穩定性明顯增強，但其正電荷密度較高，會產生感應式N型(所謂)反轉層。此層中將會有相應少數電荷載子積聚於基底並傳導至此等少數電荷載子會因複合而消失的金屬接點上(參閱Dauwe的相關著述)。AlOx含負電荷，可作為不錯的選項，但其層厚之回火穩定性不足，無法實現節約型沉積。由於存在上述困難，採用此等材料之組合體似乎極為有利，其中，通常採用SiOx或AlOx為第一層，SiOx或SiN為第二層。
WO 2006/097303 A1提出，唯有採用極大厚度的層方可使表面鈍化達到足夠品質；此外，透過將孔洞局部置入層來形成接點，將導電材料鍍覆於背面。僅對晶圓正面進行組織化處理。
DE 100 46 170 A描述一種在金屬層鍍覆及(視情況)在金屬膏中實施燒結完畢後在背面金屬層與矽之間形成接點的方法，其中，(例如)透過雷射輻射對指定接點區實施局部加熱，使得此金屬穿透介電層並與矽相連。
工業實踐中，在Si與背面金屬層之間通常會無意中形成“寄生”接點，此等接點會增大電池背面上的電荷載子損失從而降低功效。上述情況主要因以下機制而產生：
1.塗佈過程中黏著或緊貼的顆粒在沉積層中形成孔洞(“Pinhole”)，
2.孔洞範圍以外的層厚因不平整的表面結構而有所波動，即使採用了選定沉積法、如定向沉積時亦難以避免出現厚度極小的位置。
3.層在沉積過程中或在此後之處理過程中(特別是在接點燒結等熱過程中)發生點脫層或面脫層(“Blistering”)。
當在電池背面對鍍覆於鈍化層上的金屬層實施燒結時，相應位置上會形成寄生接點。傳統理論採取以下措施來克服此等損失機制：
-對晶圓背面進行拋光或光滑蝕刻，具體方式為在晶圓之
組織化步驟完畢後實施單面蝕刻，抑或於雙面光滑蝕刻完畢後將背面遮蔽並僅對正面進行組織化處理。
-鍍覆厚度大於(例如)100 nm的大厚度層或鍍覆多個層所構成的層組。
可採用以下技術來曝露層，以便形成局部接點：-雷射燒蝕，-表面遮蔽及局部蝕刻，-局部鍍覆蝕刻劑並進行熱活化。
先前技術所提供方法的必要處理步驟較多。故而過程成本很高，且所製太陽能電池之產品功效的波動範圍(誤差傳播)較大。
有鑒於此，本發明之目的在於對太陽能電池之製造方法及太陽能電池進行改良，使得利用較少處理步驟便能可重複製造具有極高持續性功效的太陽能電池。
本發明用以達成上述目的之實質性但非限制性解決方案為，該基板之背面在入射角為60°時的光澤值小於80 GU(光澤度單位)，特定言之為2 GU至80 GU，較佳為20 GU至80 GU，該第一介電層含有位置固定的負電荷。
根據本發明，將雙面(大體)對稱的紋理相結合(特徵在於，保留背面上的粗糙度)，採用以下層沉積順序：{熱SiO2(可選)}、Al2O3、SiNx或SiOx。
實施例：A.不充分蝕刻與SiO/SiN層相結合時的損失，B. AlO未防止寄生接觸(電池未曝露)，C.與SiOx相比，AlO提高了粗糙表面上的功效。
AlOx實施為在此後之處理過程中不會發生“Blistering”(脫層)。
該製程實施為，表面增大基本不會提高複合。對整個背面面積的降低粗糙度蝕刻處理僅於擴散完畢後進行，與單面還是雙面實施擴散無關。該去除操作需要達到足以去除擴散而成之層的程度，亦即，通常去除大於0.5 μm但小於(例如)5 μm的層。所含負電荷將寄生接點所致損失降至最低。該層結構還有助於在粗糙表面上儘可能不形成寄生接點。
下面將列出較佳處理順序，其中，視情況可刪除、替換相應處理步驟抑或變更其順序。
方法I：
A.提供P型摻雜之多晶或單晶矽晶圓。
B.對兩表面進行蝕刻以去除鋸切損傷，以及/或者對背面進行組織化處理，但不進行專門的蝕刻(即光滑蝕刻)。
C.將N型摻雜成分至少擴散入正面表面。
D.較佳於步驟E前或步驟E後去除磷玻璃。
E.去除晶圓背面上的擴散層。其中，較佳去除0.5 μm至5 μm。採用某種蝕刻方式，使得當入射角為60°時的光澤值
為20%至80%。光澤值為直接擴散與漫射擴散之比。
F.將層厚較佳為5 nm至100 nm之含負電荷的介電層沉積於該背面上。
G.步驟F完畢後將層厚較佳為40 nm至400 nm的介電層(較佳氮化矽)沉積到該介電層。
H.局部曝露步驟F及步驟G所沉積之層。
I.藉由汽化滲鍍或網版印刷將鋁層鍍覆到該背面。
J.透過在較佳高於550℃的溫度條件下進行回火處理來製成金屬半導體接點。
方法II：處理步驟A.-F.依照方法I：
G.沉積層厚較佳為40 nm至400 nm的氮化矽或氧化矽
H.藉由汽化滲鍍或網版印刷將鋁層鍍覆到該背面
I.利用雷射輻射對該背面金屬進行局部加熱以製成局部金屬半導體接點，使得該金屬穿透該等介電層並與矽相連。
根據本發明的改良方案，該第一介電層由氧化鋁、摻雜氧化矽中的一材料構成或含有其中一材料。
根據本發明的較佳實施方案，該第一介電層的層厚D1為5 nmD1100 nm。
根據另一較佳實施方案，該第二介電層的層厚D2為40 nmD2400 nm。
根據本發明所提出的改良方案，該第一介電層與該基板之
間設有一由氧化矽構成或含氧化矽之層，其厚度D3較佳為1 nmD110 nm。
本發明之重要特徵在於一種製造太陽能電池的方法，包含以下處理步驟：
‧對該基板的兩表面進行蝕刻
‧將N型摻雜材料至少擴散入該矽基板之朝向射線的正面
‧以不進行光滑蝕刻的方式對該基板之背面進行蝕刻
‧基板背面沉積第一介電層，該第一介電層由沉積完畢後含位置固定之負電荷的材料構成
‧沿該第一介電層沉積第二介電層，該第二介電層由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽中的一材料構成或含有其中一材料
‧沿該第二介電層沉積金屬層。
特定言之，該金屬層與該基板發生局部接觸。
有利實施方式：
-該帶負電荷的層為AlOx
-採用ALD(原子層沉積)或PECVD(電漿增強化學蒸氣沉積)工藝沉積AlOx
-實施層沉積前、即在方法I及方法II之步驟E.與步驟F.之間對該晶圓表面實施熱氧化
-該等接點係線性接點
-沉積SiN時的基板溫度較佳>320℃
-層沉積(步驟G.)前對接點區實施硼摻雜
-採用選擇性發射極
特定言之，該基板之背面經組織化處理。
根據一種實施方案，該第一介電層與該基板之間設有一由氧化矽構成或含氧化矽之層，其厚度D3較佳為1 nmD310 nm。此層厚範圍不會對在該第一介電層中形成負電荷構成阻礙。例如可藉由熱氧化來產生該厚度為D3的層。
本發明其他技術細節、優點及特徵不僅可從申請專利範圍及其所包含之特徵(單項特徵及/或特徵組合)中獲得，亦可從下文有關較佳實施例之說明中獲得。
圖1為太陽能電池的實施方式，該太陽能電池的背面RS藉由至少雙層式介電層23、24受到鈍化處理，從而基本防止寄生接觸造成損失。透過將雙面(大體)對稱的紋理T相結合來實現此點，其中，保留背面RS上的粗糙性並採用以下層沉積順序：{熱SiO2(可選)}、Al2O3、SiNx或SiOx(以背面RS為出發點)。
換言之，在視情況沉積氧化矽層後，首先在背面RS上鍍覆厚度較佳為1 nm至10 nm的第一介電層23，該第一介電層於沉積完畢後含有位置固定的負電荷。
往該較佳由氧化鋁構成的第一層23抑或往另一於沉積完畢後含有位置固定之負電荷的層(例如，氟摻雜氧化矽層)鍍
覆第二介電層24，該第二介電層可由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽構成。隨後往該第二介電層24鍍覆背面金屬層25(特別是鋁層)，並在期望位置上穿透該第一及第二介電層23、24與該矽基板21接觸。
透過傳統方式為正面OS鍍覆正面接點27。
自原理圖還可看出，背面RS未經平滑蝕刻，稱作經組織化處理更為合適，因為背面RS在朝向射線之正面或頂面OS受到蝕刻的過程中亦受到蝕刻處理。
換言之，本發明並不實施先前技術中的光滑蝕刻。故而與習知太陽能電池相比，本實施方式中的背面表面更大。
AlOx層23實施為在此後之處理過程中不會發生“Blistering”(脫層)。
該製程實施為，背面RS表面的增大基本不會提高複合。對整個背面面積的降低粗糙度蝕刻處理僅於為在矽基板21中形成PN接面而實施的摻雜劑擴散完畢後進行，與單面還是雙面實施擴散無關。該去除操作需要達到足以去除摻雜劑擴散而產生之的層的程度，亦即，通常去除大於0.5 μm但小於(例如)5 μm的層。第一介電層23所含負電荷將寄生接點所致損失降至最低。該層結構還有助於在粗糙表面上儘可能不形成寄生接點。
下面對太陽能電池的製造過程進行詳細說明：圖1為採用前述方法II之方法所製太陽能電池的示意
圖，該太陽能電池之背面RS未經光滑蝕刻。該太陽能電池具有P型摻雜矽晶圓21，該矽晶圓可採用多晶或單晶實施方案。首先對各表面(即正面OS及背面RS)進行蝕刻，以便去除鋸切損傷或產生紋理T。並不實施先前技術中針對背面RS的光滑蝕刻。將N型摻雜成分(如磷)至少向內擴散到正面的表面18(層22)。
隨後去除所產生的磷矽玻璃(PSG)。最後對背面(RS)進行蝕刻以去除擴散而成的摻雜劑。較佳去除0.5 μm至5 μm。根據該實施例，再將層厚較佳為5 nm至100 nm的第一介電層23沉積到背面RS，該第一介電層於沉積完畢後含有負電荷。亦可於此前將厚度較佳為1 nm至10 nm的氧化矽層直接鍍覆到背面RS。隨後，往該第一介電層23上沉積由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽等材料構成的第二介電層24，其厚度較佳為40 nm至400 nm。第二介電層24亦可稱作罩蓋層。最後往該第二介電層24之曝露外表面鍍覆金屬層，特別是鋁層25。可藉由汽化滲鍍或網版印刷實施此項鍍覆。此後為金屬層25與基板21實現(較佳)點接觸。
其中，可利用雷射輻射對該背面金屬進行局部加熱以製成局部金屬半導體接點26，使得該金屬穿透介電層23、24並與矽相連。
與傳統方式相同，正面OS具有正面接點27。
本發明的方法除標準過程(1擴散步驟，網版接點)外利用
儘可能少的製造步驟製造一種改良型太陽能電池。
本發明的方法將多項習知技術(例如，修正發射極摻雜濃度分佈、選擇性發射極以及背面鈍化)結合在一起。背面上的表面粗糙性會造成寄生接觸，在應用傳統塗佈技術及接觸方法的情況下便會造成電損失。本發明毋需對背面進行光滑蝕刻便可避免此種損失。
10‧‧‧太陽能電池
18‧‧‧表面
21‧‧‧晶圓/基板
22‧‧‧層/N型摻雜區域
23‧‧‧介電層
24‧‧‧介電層
25‧‧‧鋁層/金屬層
26‧‧‧接點
27‧‧‧正面接點
OS‧‧‧正面
RS‧‧‧背面
T‧‧‧紋理
圖1為本發明之太陽能電池的實施方式。
10‧‧‧太陽能電池
18‧‧‧表面
21‧‧‧晶圓/基板
22‧‧‧層/N型摻雜區域
23‧‧‧介電層
24‧‧‧介電層
25‧‧‧鋁層/金屬層
26‧‧‧接點
27‧‧‧正面接點
OS‧‧‧正面
RS‧‧‧背面
T‧‧‧紋理
Claims (12)
- 一種太陽能電池(10)，包括矽基板(21)，該矽基板包含朝向射線之正面(OS)、具P型摻雜區域之背面(RS)、沿該背面延伸之第一介電層(23)、沿該第一介電層之背離基板側延伸之第二介電層(24)以及沿該第二介電層之背離基板側延伸之金屬層(25)，該正面(OS)經組織化處理且具N型摻雜區域(22)，該第二介電層由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽中的一材料構成或含有其中一材料，其特徵在於，該基板(21)之背面(RS)在入射角為60°時的光澤值小於80 GU，該第一介電層(23)含有位置固定的負電荷。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中，在入射角為60°時的該光澤值為2 GU至80 GU，特定言之為20GU至80GU。
- 如申請專利範圍第1或2項之太陽能電池，其中，該第一介電層(23)由氧化鋁、摻雜氧化矽中的一材料構成或含有其中一材料。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中，該第一介電層(23)的層厚D1為5 nmD1100 nm。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中，該第二介電層(24)的層厚D2為40 nmD2400 nm。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中，該基板(21)之背面(RS)經組織化處理。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中，該第一介電層(23)與該基板(21)之間設有一由氧化矽構成或含氧化矽之層，其厚度D3較佳為1 nmD310 nm。
- 一種製造特定言之申請專利範圍第1項之太陽能電池(10)的方法，包含以下處理步驟：對該基板(21)的兩表面進行蝕刻；將N型摻雜材料至少擴散入該矽基板之朝向射線的正面(OS)；以不進行光滑蝕刻的方式對該基板之背面(RS)進行蝕刻；基板背面沉積第一介電層(23)，該第一介電層由沉積完畢後含位置固定之負電荷的材料構成；沿該第一介電層沉積第二介電層(24)，該第二介電層由氮化矽、氧化矽或氮氧化矽中的一材料構成或含有其中一材料；沿該第二介電層沉積金屬層(25)。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其中，在該基板(21)與該第一介電層(23)之間沉積氧化矽層或含氧化矽之層。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其中，為獲得該位置固定的負電荷而往該第一介電層(如氧化矽層)摻雜氟及/或磷。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其中，該金屬層(25)與該基板發生局部接觸，如點接觸。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其中，利用第一蝕刻步驟對該基板(21)之正面(OS)與背面(RS)皆進行組織化處理。
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