TW201320364A - 矽基板、太陽能電池基板的製造方法及太陽能電池 - Google Patents

Abstract

一種矽基板、太陽能電池基板的製造方法及太陽能電池，所述矽基板包含：一第一區域以及一第二區域。該第一區域的表面具有數個第一突出結構，各該第一突出結構表面具有數個凸塊。該第二區域的表面具有數個第二突出結構，各該第一突出結構的平均厚度大於各該第二突出結構的平均厚度。本發明的方法是利用例如RIE或雷射等方式，蝕刻一塊半成品基板，以形成所述凸塊與第二突出結構，並透過第二突出結構提升第二區域的表面粗糙度、降低光反射率，以縮小該第二區域及該第一區域之間的反射率差異，使該矽基板及電池的表面顏色較均勻。

Description

矽基板、太陽能電池基板的製造方法及太陽能電池

本發明是有關於一種基板、其製造方法及太陽能電池，特別是指一種類單晶(mono-like)的矽基板、其製造方法，以及具有該矽基板的太陽能電池。

矽晶太陽能電池包含有單晶矽(single crystal silicon)電池及多晶矽(polycrystal silicon)電池。其中，單晶矽電池的基板是透過拉晶方式形成單晶矽錠，再將矽錠切割成數個片狀的單晶晶片；多晶矽電池的基板則是將矽原料置於熔煉爐中，經過高溫加熱並冷卻凝固以形成多晶矽錠，再切割出片狀的多晶晶片。單晶矽電池相對於多晶矽電池具有較高的光電轉換效率，但因為單晶矽錠必需透過拉晶方式形成、及價格較昂貴等因素，使單晶矽電池的製造成本較高。

為了能以較低的成本製作出高效率的電池，目前發展出一種類單晶(mono-like)晶片技術，其係透過多晶長晶爐並改良多晶晶錠(ingot)的製造方法，從中使晶錠中央與中央附近之區域形成純度甚高之單晶區域，並於晶錠較外圍處形成多晶成份較高之區域，而於內、外區域兩者之間則形成單、多晶並存之區域。一般而言，通常係將透過多晶長晶爐製得之晶片稱為類單晶晶片，其中純度較高之類單晶晶片之品質與效能係與傳統由單晶拉晶法所製得之單晶晶片相差無幾，甚至為佳。且因多晶長晶爐於長晶上的成本較單晶爐之拉晶法為低，因此以類單晶晶片作為電池的基板，能使電池製造成本低於單晶矽電池，但還能保有良好的光電轉換效率。

另言之，對於同時具有單晶結構及多晶結構之類單晶晶片，當單晶結構所佔的面積越大時，表示此類單晶晶片的品質越好。但由於單晶結構對於低波長(約為300奈米~600奈米)光線的反射率小於多晶結構的反射率，使晶片上的單晶區域的顏色深且暗，多晶區域的顏色較淺且較亮，導致晶片在不同區塊上呈現不同的色彩及亮度，影響電池外觀顏色的一致性，此問題也會影響電池本身的賣相，造成業者銷售上的困擾。當然，因單、多晶結構間雜之電池片本身，於單、多晶區域之發電效率亦不同，而若能進一步改善此問題，將有助於太陽能電池整體光電轉換效率之提升。

因此，本發明之目的主要在於解決單、多晶間雜型態之類單晶晶片的問題，並提供一種表面顏色均勻的類單晶的矽基板、太陽能電池基板的製造方法及太陽能電池，從而使電池整體外觀顏色具有一致性。進一步地，並可提高類單晶電池的光電轉換效率。

於是，本發明矽基板，包含：一第一區域以及一第二區域。該第一區域的表面具有數個第一突出結構，各該第一突出結構表面具有數個凸塊。該第二區域的表面具有數個第二突出結構。其中，各該第一突出結構的平均厚度大於各該第二突出結構的平均厚度。

本發明太陽能電池基板的製造方法，包含：提供一個半成品基板，該半成品基板具有一第一區域及一第二區域，該第一區域表面具有數個第一突出結構；及蝕刻該半成品基板，在各該第一突出結構的表面形成數個凸塊，並在該第二區域的表面形成數個第二突出結構，其中各該第一突出結構的平均厚度大於各該第二突出結構的平均厚度。

本發明太陽能電池，包含：一矽基板，以及一電極單元。該矽基板包括一第一區域與一第二區域，該第一區域表面具有數個第一突出結構，各該第一突出結構表面具有數個凸塊，且該第二區域表面具有數個第二突出結構；其中，各該第一突出結構的平均厚度大於各該第二突出結構的平均厚度。該電極單元位於該矽基板的表面，並用於傳輸該太陽能電池的電能。

本發明之功效：藉由在第二區域形成第二突出結構，提升第二區域的表面粗糙度並降低光反射率，以縮小該第二區域及該第一區域之間的反射率差異，使該矽基板及具有該基板的電池的表面顏色較均勻，具有較佳的顏色一致性。

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二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明太陽能電池之第一較佳實施例，包含：一個用於將光能轉換成電能的光電轉換單元1，以及一個位於該光電轉換單元1表面的電極單元2。其中，該光電轉換單元1包括一個類單晶的矽基板3、一個射極層11，以及一個抗反射層12。需要說明的是，圖1主要用於示意各層體的相對位置關係，因此並未明確繪出各層的具體結構。其中該矽基板3的具體結構是示意於圖2。

該矽基板3包括相鄰的一第一區域31與一第二區域32，該第一區域31及該第二區域32配合形成一個表面粗糙且朝上的入光面33，以及一個相反於該入光面33的背面34。

其中，所述第一區域31主要為單晶區域並包含(111)晶面，該第一區域31位於該入光面33上的表面為粗糙表面，其表面具有數個相鄰且為單晶結構的第一突出結構311。各該第一突出結構311之型態包含有金字塔結構之型態，也就是說，在所述第一突出結構311中的其中至少幾個可以為金字塔結構。

每一第一突出結構311本身的表面亦為粗糙表面，各該第一突出結構311表面具有數個相鄰且為單晶結構的凸塊312，各該凸塊312呈金字塔結構型態。所述第一突出結構311的厚度a為1~20μm、較佳地是1~10μm，更佳地是4~5μm，所述凸塊312的厚度b為200~600nm，較佳地是200~500nm。需要說明的是，本發明所述的第一突出結構311的厚度與凸塊312的厚度，是指第一突出結構311與凸塊312其本身最高點與最低點間的垂直距離。

該第二區域32主要為多晶區域，並包含(111)、(110)及(100)晶面。該第二區域32的表面為粗糙表面，並具有數個相鄰且為多晶結構的第二突出結構321。各該第二突出結構321的型態包含有突出弧形結構的型態，也就是說，在所述第二突出結構321中的其中至少幾個可以為突出弧形結構。第二突出結構321的突出弧形結構可以是指其外觀結構，也可以是指其剖面結構。

所述第二突出結構321的厚度c為300~700nm，較佳地是300~600nm，第二突出結構321的厚度c通常大於凸塊312的厚度b，但小於第一突出結構311的厚度a。換句話說，本發明各該第一突出結構311的平均厚度大於各該第二突出結構321的平均厚度；由於每個第一突出結構311的厚度可能不同，而每個第二突出結構321的厚度也可能不同，所以使用「平均厚度」的概念來表示。此外，本發明所述之第二突出結構321的厚度，是指該結構本身最高點與最低點間的垂直距離。

該射極層11位於該矽基板3的入光面33，該射極層11為半導體材料，其主要載子(carrier)的導電形式不限，只要該射極層11能與該基板形成p-n接面即可，因此當該基板為p型半導體時，該射極層11為n型半導體；當該基板為n型半導體時，該射極層11為p型半導體。

該抗反射層12位於該射極層11的表面，其材料例如氮化矽(SiN_x)，用於降低太陽光的反射、提升光線入射率並可降低電池的表面複合速率(surface recombination velocity,簡稱SRV)，但本發明不以設置該抗反射層12為必要。

所述電極單元2包括一個電連接該射極層11的第一電極21，以及一個電連接該矽基板3的第二電極22。該第一電極21及該第二電極22的結構型態不須限制，只要能互相配合地將該光電轉換單元1產生的電能傳輸到電池外部即可。

參閱圖2、3、4，本發明太陽能電池基板的製造方法，也就是該矽基板的製造方法之第一較佳實施例，包含：

(1)進行步驟41：提供一個半成品基板3’，該半成品基板3’具有相鄰的一第一區域31以及一第二區域32。在此說明：該半成品基板3’的具體結構當然與最後形成的矽基板3有所不同，但為了方便敘述，乃將該半成品基板3’的第一區域及第二區域同樣以31、32作為標號。

該半成品基板3’的第一區域31是以(111)晶面為主，並具有數個相鄰且呈金字塔狀的第一突出結構311。該半成品基板3’的第二區域32包含(111)、(110)及(100)晶面，雖然此三種晶面的排列方向各有不同，而且該第二區域32實際上也並非完全平整的表面，但由於該第二區域32的表面高低起伏程度小於該第一區域31，並且包含有許多呈平面狀的(100)晶面，加上為了方便與該第一區域31有所區分，因此圖3的半成品基板3’的第二區域32表面是以平面示意。

該半成品基板3’是改良傳統的多晶矽晶片的製造方法而製得，並且經過初步的清洗步驟(例如使用鹼性溶液)來蝕刻去除晶圓切晶時所遺留的傷痕等瑕疵，當然透過此步驟會同時於第一區域31上產生表面粗糙之效果，亦即使該第一區域31形成所述第一突出結構311，但由於其製造方法非本發明的改良重點，在此不詳細說明，而且實際上該半成品基板3’就是本說明書【先前技術】所述的傳統基板。

(2)進行步驟42：對該半成品基板3’進行表面處理，以在該第一區域31的表面形成一第一表層51，在該第二區域32的表面形成一個厚度小於該第一表層51的厚度的第二表層52。較佳地，該第一表層51的厚度d約為10~70nm，該第二表層52的厚度e約為5~20nm，厚度d與厚度e的差值較佳地為5~50nm。

本發明的半成品基板3’的表面處理方式不須限制，可以為熱氧化、碳化、氮化或硫化等方式，例如在爐管設備中通入C₂H₂進行碳化的表面處理，進而在基板3’上形成SiC薄膜，簡言之，只要能形成該第一表層51及該厚度較小的第二表層52即可。在本實施例中，是以熱氧化處理為例，因此該第一表層51及該第二表層52皆為氧化層，其材料皆為SiO_x。本步驟的具體方式是將該半成品基板3’置入一高溫爐中，並通入氧氣以氧化該半成品基板3’，由於(111)晶面上排列有較多的矽原子，而(100)晶面上的矽原子較少，使(111)晶面的表面氧化速率大於(100)晶面，也就是說，以(111)晶面為主的第一區域31的表面氧化速率將大於以(100)晶面為主的第二區域32的表面氧化速率，因此在相同氧化條件下所形成的該第一表層51的厚度會大於該第二表層52的厚度。

本步驟的熱氧化方式不須限制，例如也可以在一反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,簡稱RIE)設備中進行，若使用RIE設備來氧化，其優點是後續的蝕刻製程可以直接在RIE設備中進行。

(3)進行步驟43：蝕刻該氧化後的半成品基板3’，本實施例是使用RIE的蝕刻方式，在RIE設備的真空腔體中通入SF₆、Cl₂及O₂混合氣體作為反應氣體，以將所述第一表層51及第二表層52蝕刻移除，並且進而將該第一區域31的各該第一突出結構311的表面粗糙化而形成所述凸塊312，以及將第二區域32的表面粗糙化而形成所述第二突出結構321，如此就完成該矽基板3的製作。

接著說明該蝕刻步驟的反應過程：在蝕刻過程的前段，反應氣體與該第一表層51及該第二表層52反應，由於第二表層52的厚度較薄，所以會先被蝕刻移除，使該第二區域32的表面露出，該第一區域31仍被剩餘厚度的第一表層51覆蓋住(如圖3的第3道流程)。

在蝕刻過程的中段，由於該第二區域32表面已露出，反應氣體中的O₂作為nature mask，將該第二區域32表面的不特定區塊氧化成SiO_x，使該第二區域32表面同時存在著Si及SiO_x，而反應氣體中的SF₆、Cl₂對於Si及SiO_x的蝕刻速率不同，因此可將該第二區域32蝕刻成粗糙表面；此時該第一區域31上的第一表層51才被完全蝕刻移除，使該第一區域31的表面露出(如圖3的第4道流程)。

在後續的蝕刻過程，該第一區域31的第一突出結構311才開始與反應氣體反應而使表面粗糙化，而該第二區域32則繼續形成高低起伏更大的粗糙表面。因此，該第二區域32的表面受到較長時間的蝕刻，使成型出的第二突出結構321的厚度通常大於該第一區域31的凸塊312的厚度。當然，上述的蝕刻反應是一連串的連續反應，但為了方便理解，乃將其過程分步驟說明。

在此說明本發明的功效：在【先前技術】中提到的傳統類單晶基板即為本發明的半成品基板3’，會造成該半成品基板3’的第一區域31及第二區域32的反射率差異大的原因，主要在於該第一區域31相對於該第二區域32而言，具有尺寸較大的第一突出結構311並因此形成較明顯的粗糙表面，所以第一區域31的反射率較低、顏色較深。而本發明將該半成品基板3’進行後續的粗糙化製程，主要透過該表面處理步驟並配合單晶矽及多晶矽的特性，使第一區域31表面形成的氧化層較厚，因此後續的蝕刻過程中，該第二區域32比該第一區域31能更早受到蝕刻，因而使成型出的第二突出結構321的厚度大於該凸塊312的厚度。所述凸塊312及第二突出結構321分別有助於降低該第一區域31及該第二區域32的反射率，而且厚度大的第二突出結構321使該第二區域32的反射率降幅較大，進而能縮小兩區域之間的反射率差異，使該矽基板3的整體表面顏色較均勻，具有較佳的顏色一致性。

需注意的是：本發明不以第二突出結構321的厚度大於該凸塊312的厚度為必要限制。以下透過另一實施例詳細說明。

參閱圖5，本發明太陽能電池基板的製造方法之第二較佳實施例，與該第一較佳實施例不同的地方在於：本實施例省略該表面處理步驟，並且直接對該半成品基板3’進行蝕刻(例如RIE蝕刻)，使第一區域31的各該第一突出結構311的表面形成凸塊312，第二區域32的表面形成第二突出結構321。透過該蝕刻步驟，使該第二區域32的表面由原本較為平坦的狀態轉換成粗糙表面，相對於第一區域31是由原本就粗糙的表面轉變為更粗糙的表面而言，第二區域32的表面狀態變化較大，因此反射率降幅較大，進而能降低兩區域間的反射率差異及降低基板表面色差。需要說明的是，由於該第一區域31及該第二區域32的表面型態、原子排列方式不同，所以兩區域的蝕刻速率可能有所不同，但是本實施例的凸塊312與第二突出結構321的厚度大小關係沒有一定，也不須限制。本發明各圖式中的各個微結構的大小與形狀也只是示意，並非用於限制。

參閱圖6，為本發明第二較佳實施例之電池與一比較例的電池的正面照片。圖(a)為比較例的電池，其基板為傳統基板，未進行本發明的蝕刻步驟，其第一區域31及第二區域32呈現明顯色差。反觀圖(b)呈現的本發明電池，由於已經透過蝕刻步驟改良該基板的表面結構，進而降低不同區域的反射率差異，使該第二區域32的外觀顏色接近該第一區域31，因此本發明的整體表面顏色較均勻。

參閱圖7，為本發明第二較佳實施例與比較例的反射率對應於入射光波長的關係圖，顯示在380nm~600nm左右的低波長範圍內，比較例的第一區域及第二區域的反射率差異值較大，因此產生較大的表面色差。反觀本發明，在低波長範圍內，無論是第一區域或第二區域的反射率相對於比較例都有明顯下降，而且就本發明本身而言，該第一區域與第二區域的反射率變得相當接近，並且都在5%以下，因此本發明確實能縮小不同區域的反射率差異，使基板整體顏色均勻，並且因為反射率有效地降低，能提升入射光的利用率及光電轉換效率。

綜上所述，本發明的主要精神在於：在該第二區域32形成第二突出結構321，進而提升第二區域32的表面粗糙度及降低反射率，所以在本發明的製造方法中，只進行蝕刻步驟也能達到上述目的，該第一較佳實施例的表面處理步驟因此為非必要。而且該蝕刻步驟的方式也不須限制，除了RIE蝕刻之外，例如也可以為Laser texturing。

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。

1．．．光電轉換單元

11．．．射極層

12．．．抗反射層

2．．．電極單元

21．．．第一電極

22．．．第二電極

3．．．矽基板

31．．．第一區域

311．．．第一突出結構

312．．．凸塊

32．．．第二區域

321．．．第二突出結構

33．．．入光面

34．．．背面

3’．．．半成品基板

41~43．．．步驟

51．．．第一表層

52．．．第二表層

a．．．第一突出結構的厚度

b．．．凸塊的厚度

c．．．第二突出結構的厚度

d．．．第一表層的厚度

e．．．第二表層的厚度

圖1是本發明太陽能電池之一第一較佳實施例的示意圖；

圖2是該第一較佳實施例之一矽基板的示意圖；

圖3是一流程示意圖，顯示本發明太陽能電池基板的製造方法之一第一較佳實施例的各個步驟；

圖4是該製造方法的步驟流程方塊圖；

圖5是一流程示意圖，顯示本發明太陽能電池基板的製造方法之一第二較佳實施例；

圖6是一比較例的電池與本發明第二較佳實施例的電池的正面照片，圖(a)為比較例(使用傳統基板)的電池，圖(b)為本發明的電池；及

圖7是電池的光反射率對應於入射光波長的關係圖，顯示本發明第二較佳實施例及比較例的第一區域與第二區域在不同波長下的反射率。

3．．．矽基板

31．．．第一區域

311．．．第一突出結構

312．．．凸塊

32．．．第二區域

321．．．第二突出結構

33．．．入光面

34．．．背面

a．．．第一突出結構的厚度

b．．．凸塊的厚度

c．．．第二突出結構的厚度

Claims (13)

1. 一種矽基板，包含：一第一區域，其表面具有數個第一突出結構，各該第一突出結構表面具有數個凸塊；及一第二區域，其表面具有數個第二突出結構；其中，各該第一突出結構的平均厚度大於各該第二突出結構的平均厚度。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之矽基板，其中，各該第一突出結構與各該凸塊為單晶結構，各該第二突出結構為多晶結構。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之矽基板，其中，各該第一突出結構的厚度為1～20μm，各該凸塊的厚度為200～600nm，各該第二突出結構的厚度為300～700nm。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之矽基板，其中，各該第一突出結構之型態包含有金字塔結構之型態，各該第二突出結構之型態包含有突出弧形結構之型態。
5. 一種太陽能電池基板的製造方法，包含：提供一個半成品基板，該半成品基板具有一第一區域及一第二區域，該第一區域表面具有數個第一突出結構；及蝕刻該半成品基板，在各該第一突出結構的表面形成數個凸塊，並在該第二區域的表面形成數個第二突出結構，其中，各該第一突出結構的平均厚度大於各該第二突出結構的平均厚度。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之太陽能電池基板的製造方法，其中，各該第一突出結構與各該凸塊為單晶結構，各該第二突出結構為多晶結構。
7. 依據申請專利範圍第5項所述之太陽能電池基板的製造方法，於蝕刻該半成品基板前，先分別在該第一區域與該第二區域表面形成一第一表層與一第二表層，且該第一表層的厚度大於該第二表層的厚度。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之太陽能電池基板的製造方法，其中，該第一表層與該第二表層為氧化層，係將該半成品基板進行熱氧化處理而形成。
9. 依據申請專利範圍第5至8項中任一項所述之太陽能電池基板的製造方法，其中，蝕刻該半成品基板是利用反應式離子蝕刻方式來進行。
10. 一種太陽能電池，包含：一矽基板，包括一第一區域與一第二區域，該第一區域表面具有數個第一突出結構，各該第一突出結構表面具有數個凸塊，且該第二區域表面具有數個第二突出結構；其中，各該第一突出結構的平均厚度大於各該第二突出結構的平均厚度；及一電極單元，位於該矽基板的表面，用於傳輸該太陽能電池的電能。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之太陽能電池，其中，各該第一突出結構與各該凸塊為單晶結構，各該第二突出結構為多晶結構。
12. 依據申請專利範圍第10或11項所述之太陽能電池，其中，各該第一突出結構的厚度為1～20μm，各該凸塊的厚度為200～600nm，各該第二突出結構的厚度為300～700nm。
13. 依據申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中，各該第一突出結構之型態包含有金字塔結構之型態，各該第二突出結構之型態包含有突出弧形結構之型態。