TW201511300A - 具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法 - Google Patents

具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法 Download PDF

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Abstract

    本發明係關於一種具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法，其透過同時或選擇性摻雜矽原子與硼原子而製備經摻雜之鋁靶材或鋁膠後，將其以物理沉積或網印的方法設置於具有鈍化層之矽晶片上，再以點狀或線狀熔融之方式讓摻雜之鋁金屬層穿透鈍化層而接觸矽晶片，其能降低矽晶太陽電池之鋁背電極與矽晶片間的接觸電阻，以及增加在矽晶片表層之受體摻雜濃度，進而提升製程速度與太陽電池的能量轉換效率。

Description

具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法
本發明係關於一種鋁金屬電極之製備方法，尤指一種應用於太陽電池，以摻有矽原子或硼原子之鋁金屬電極與矽晶片形成局部接觸之鋁金屬電極之製備方法。
太陽能電池的研究是再生能源中受眾人期待的一個方向，其發電過程中不會伴隨產生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等溫室效應氣體及污染性氣體，而是利用光電效應直接將太陽能轉換為電能之非消耗非再生資源的技術優勢，在資源逐漸耗竭、能源價格水漲船高的近代受到相當程度的重視。
然而，如何穩定的讓太陽能成為真正可長期運用的能源，仍然相當多技術瓶頸尚待突破，因為現今所使用的太陽能發電的技術仍然存在諸多需要改進以提升其穩定性、壽命，或是降低成本的地方。
以矽晶太陽電池而言，在其在矽晶片表面進行鈍化(passivation)處理是必要的製程，這是由於矽晶片表面之矽原子含有許多未填滿的懸掛鍵，會促使少數載子在表面發生再結合現象而降低光電轉換效率，因此可在矽晶太陽電池表面沉積一層鈍化材料作為鈍化層，藉其填補缺陷而減少發生載子再結合機率，進而提高轉換效率。不過，由於鈍化層大多為不導電之介電材料，所以在製作接觸電極時，需要讓覆蓋在鈍化層表面之金屬層能穿透該鈍化層，才能和矽晶片形成歐姆接觸而獲得可導通迴路。
目前所使用的方法大致有三種，其一為利用光阻微影製程在鈍化層上面開孔，再沉積鋁金屬電極或網印鋁膠。這種方法雖是目前最成熟的製程方法，但是其製程複雜度高，且不適合量產，多是用於實驗室階段作驗證時才採用。
其二為雷射開孔法(Laser ablation)，其利用雷射製程在鈍化層上面開孔，再沉積鋁金屬電極或網印鋁膠。不過此方法容易在鋁與矽間形成孔洞，影響電極接觸之性能。另外，開孔過程中為了避免對矽晶片過度傷害，通常會採用極短波長之雷射進行此加工，例如使用準分子雷射(Excimer laser)產生紫外光波長範圍的雷射，在此短波長範圍之雷射功率偏低而且其雷射售價昂貴。
其三則為雷射燒結電極法(Laser firing contact)沉積鋁金屬層於鈍化層上，再利用雷射同時打穿鋁金屬層以及鈍化層，讓鋁與矽形成歐姆接觸。此方法存在之兩個缺點係在於：(1)由於需利用雷射之高溫來完成鋁矽合金之電極接觸，因此除了會影響雷射製程之速度外，矽晶片在被雷射加工點附近容易造成損傷；(2)因為鋁在矽的固態溶解度低，所以鋁電極附近之表面電場形成不易，因此無法有效降低少數載子在鋁電極附近之複合機率，進而影響電池轉換效率。
有鑑於矽晶太陽電池在製備方法上仍有改進的空間存在，本發明即提出一種新穎的製備方法，以在鋁金屬電極的製作上能夠兼具提供成本以及效能之優勢。
本發明之主要目的，係提供一種具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法，其使用具有矽原子、硼原子或兩者同時摻入之鋁金屬層，再此鋁金屬層與矽晶片局部接觸而形成歐姆接觸，其可降低矽晶太陽電池之鋁背電極與矽晶片間的接觸電阻，以及增加在矽晶片表層之受體摻雜濃度，進而提升製程速度與電池轉換效率。
本發明之次要目的，係提供一種具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法，其使用點狀或線狀熔融之方式讓鋁金屬層穿透鈍化層而接觸到矽晶片，並且在點狀處理之下以實現局部接觸，產生局部的表面場效應。
本發明之另一目的，係提供一種具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法，其與矽晶片接觸的掺矽/硼鋁金屬已具有鋁矽合金之成分，所以可直接和矽晶片形成歐姆接觸，不須再經過鋁與矽晶片形成鋁矽合金之退火製程，可以降低雷射的功率及減少雷射加工之時間，並且亦可降低矽晶片被雷射加工後，在加工區域附近之傷害。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法，該鋁金屬電極係用於太陽電池，其係包含步驟：摻雜複數個摻雜原子於一鋁材，該些摻雜原子係選自於硼及矽所組成之群組至少之一者；設置該鋁材於一矽晶片之上，該矽晶片之表面係具有至少一鈍化層，形成一鋁金屬層於該鈍化層之上，該鋁金屬層含該些摻雜原子；以及點狀或線狀熔融該鋁金屬層及該鈍化層，形成複數個鋁合金柱，該些鋁合金柱熔融向下並穿過該鈍化層而與該矽晶片形成歐姆接觸。經過如此步驟之操作，即可在變更原有傳統製程或新增額外製程之下，低成本地生產高效率之矽晶太陽電池。
1‧‧‧未摻雜之鋁材
2‧‧‧鋁材
3‧‧‧矽晶片
4‧‧‧鈍化層
41‧‧‧開孔
5‧‧‧鋁金屬層
51‧‧‧鋁合金柱
6‧‧‧雷射模組
S1~S3‧‧‧步驟

第一圖：其係為本發明一較佳實施例之步驟流程圖；
第二圖：其係為本發明中，將鋁靶材進行摻雜處理之示意圖；
第三圖：其係為本發明中，沉積上鋁金屬層之半成品結構示意圖；
第四圖：其係為本發明中，透過點狀或線狀熔融含摻雜原子之鋁金屬層以形成穿透鈍化層之鋁合金柱之結構示意圖；以及
第五圖：其係為本發明中，均勻進行點狀熔融之結構示意圖。
為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
首先，請參考第一圖，其係揭示了本發明在操作上之步驟流程，其係包含步驟：
步驟S1：摻雜複數個摻雜原子於一鋁材，該些摻雜原子係選自於硼及矽所組成之群組至少之一者；
步驟S2：設置該鋁材於一矽晶片之上，該矽晶片之表面係具有至少一鈍化層，形成一鋁金屬層於該鈍化層之上，該鋁金屬層含該些摻雜原子；以及
步驟S3：點狀或線狀熔融該鋁金屬層及該鈍化層，形成複數個鋁合金柱，該些鋁合金柱熔融向下並穿過該鈍化層而與該矽晶片形成歐姆接觸。
本發明於步驟S1中，如第二圖所示，係先將鋁材進行摻雜處理，使未摻雜之鋁材1成為摻雜矽或硼之鋁材2。鋁係為太陽電池背電極的普遍材料，不過本發明並不使用純鋁來製作太陽電池之鋁背電極，而是使用摻有矽原子或是硼原子之鋁材，因此會先作摻雜處理以為後續製程之利用。
經摻雜矽原子或是硼原子的鋁材2，即可做為物理氣相沉積法所用之鋁靶材。本發明在此係透過蒸鍍機或是濺鍍機而將摻雜有矽原子或是硼原子的鋁靶材透過物理氣相沉積法，沉積在矽晶片之上，而其沉積時間係為30秒~30分鐘。請參考第三圖，其係為經沉積處理後所形成的半成品；如圖所示，此矽晶片3之上原本即已具備了一鈍化層4，因此當鋁靶材蒸鍍、濺鍍於矽晶片3之上時，係形成含摻雜原子之鋁金屬層5於鈍化層4之上。
除了物理沉積以外，本發明也可以將矽原子或是硼原子摻入膠體之鋁材，形成含矽原子或或含硼原子之鋁膠，然後透過網印等方式設置於鈍化層4之上，同樣地會形成含摻雜原子之鋁金屬層5。
本發明當中的矽晶片3係為矽晶太陽電池的基材，可為單晶矽(c-Si)或是多晶矽(poly-Si)基板，其係將高純度之矽晶棒經過切片、清洗等一般工藝程序處理後製備為可運用於太陽電池領域。如前所述，基於矽晶片3表面的矽原子含有許多未填滿的懸掛鍵，會促使少數載子(minority carrier)在表面發生再結合現象而降低光電轉換效率，因此會在此矽晶片3的表面沉積上一層鈍化材料作為優化處理，它可填補矽晶片3表面缺陷而減少發生載子再結合機率，進而提高轉換效率。本發明所沉積的鈍化層4所使用的材料可為Al2 O3 、Si3 N4 或SiO2 等，其中以Al2 O3 在應用於目前業界較常使用的p型矽晶片3上時，具有較佳的鈍化效果，本發明即係使用p型之矽晶片3作為一個較佳實施例，但並不限定於使用p型。
如步驟S2所進行的處理後，含有矽、硼等摻雜原子之鋁材2即以物理沉積或是網印之方式而於鈍化層4之上形成鋁金屬層5，此鋁金屬層5仍是已摻雜矽原子、硼原子，或是兩者皆有之狀態。而有鑑於鈍化層4所使用的鈍化材料並不導電，因此鋁金屬層5在絕緣之鈍化層4之上並不能與矽晶片3發生導通的效果而實現太陽電池的運作；換句話說，鋁金屬層5於此階段並未接觸矽晶片3。
於是，本發明於步驟S3當中，請參考第四圖，其透過高溫加熱的方式，點狀或線狀熔融含摻雜原子之鋁金屬層5而形成複數個鋁合金柱51，該些鋁合金柱51向下與矽晶片3形成歐姆接觸。於此，點狀或線狀熔融的較佳選擇係使用雷射模組6，其能量充足、集中且功率穩定，並且較好控制為點狀或線狀處理，兩者之差異係在於操作雷射模組6時是否有做進一步之線性移動。在雷射模組6向鋁金屬層5投射出雷射光源進行點狀圖案雷射熔融製程時，其可同時發揮兩種功能：其一為使用高能量而將鈍化層4開孔；其二則是讓摻雜矽原子或硼原子之鋁材融熔進入鈍化層4的開孔41而向下延伸，進而與矽晶片3形成鋁矽合金歐姆接觸，同時產生局部的表面場效應。
由於與矽晶片3接觸的掺有矽原子與/或硼原子之鋁金屬5已具有鋁矽合金之成分，所以可直接和矽晶片3形成歐姆接觸，不須再經過鋁金屬與矽晶片3形成鋁矽合金之退火製程，因此可以降低雷射的功率以及減少雷射加工之時間，並且亦可降低矽晶片被雷射加工後，在加工區域附近之傷害。另外，當摻有硼原子時，打入矽晶片3內的鋁金屬會因含有硼原子，且因為硼在矽的固態溶解度比鋁在矽的固態溶解度高很多，因此可以在矽晶片3內增加受體(如鋁、硼等)之濃度，在加工區域形成局部高摻雜濃度，利於歐姆接觸的形成，而且同時產生局部的表面場效應。
以點狀熔融含摻雜原子之鋁金屬層5而形成複數個鋁合金柱51的操作程序為例，點狀熔融的比例係控制在每平方公分4~411點，如第五圖所示地均勻分布。目前業界所常用的矽晶片3之規格大小矽為156mm見方，因此在此種規格的矽晶片3上，係具有1000~10000個鋁合金柱51分佈。
待此摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極製備完成後，接著就可以進行太陽電池其他膜層之設置，本發明並不限定太陽電池其他膜層的結構排列或是製備方法，而僅著重於其背電極之製備及效能的提升。
配合透過上述所揭示之步驟，本發明在製作鋁材時，透過同時或選擇性摻雜矽原子與硼原子，能降低矽晶太陽電池之鋁背電極與矽晶片間的接觸電阻，以及增加在矽晶片表層之受體摻雜濃度，進而提升製程速度與太陽電池的能量轉換效率。由於不需變更原有傳統製程，亦不需新增額外製程，因此完全符合目前生產高效率矽晶太陽電池時，需能有效降低每瓦生產成本之經濟效益，並且可直接產業化；在兼具有效能提升和低成本等多樣性發展前景之下，總結而言，本發明無疑提供了一種充分展現商業和實用價值之具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
 
S1~S3‧‧‧步驟

Claims (9)

  1. 一種具有摻雜矽或硼原子之鋁金屬電極之製備方法，該鋁金屬電極係用於太陽電池，其係包含步驟：
    摻雜複數個摻雜原子於一鋁材，該些摻雜原子係選自於硼及矽所組成之群組至少之一者；
    設置該鋁材於一矽晶片之上，該矽晶片之表面係具有至少一鈍化層，形成一鋁金屬層於該鈍化層之上，該鋁金屬層含該些摻雜原子；以及
    點狀或線狀熔融該鋁金屬層及該鈍化層，形成複數個鋁合金柱，該些鋁合金柱熔融向下並穿過該鈍化層而與該矽晶片形成歐姆接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中於設置該鋁材於該矽晶片之上之步驟中，該鋁材係為鋁靶材，其係使用物理氣相沉積法沉積於該鈍化層之上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之製備方法，其中該物理氣相沉積法係為蒸鍍法或濺鍍法。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之製備方法，其中物理氣相沉積法之沉積時間係為30秒~30分鐘。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中於設置該鋁材於該矽晶片之上之步驟中，該鋁材係為鋁膠，其係使用網印法設置於該鈍化層之上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該鈍化層係為絕緣。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中該鈍化層之材質係選自於氧化鋁(Al2 O3 )、氮化矽(Si3 N4 )以及二氧化矽(SiO2 )所組成之群組其中之一者。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中於點狀或線狀熔融該鋁金屬層之步驟中，係使用雷射光束熔融該鋁金屬層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之製備方法，其中於點狀或線狀熔融該鋁金屬層之步驟中，使用點狀熔融之比例為每平方公分4~411點。
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