TW201709545A - 用於使異質接面光伏電池之邊緣絕緣的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明實質上有關於一種用於使異質接面光伏電池之邊緣電性絕緣的方法，光伏電池具有一預定被曝露於一入射輻射之正面(FS)，並且包括：-一半導體層堆疊(110)，具有一正表面、一相對於正表面之背表面、以及側表面；-一第一導電層(104)，設置於堆疊(110)之正表面以及堆疊(110)之側表面上，第一導電層(104)對於入射輻射係為可穿透的；以及-一第二導電層(105)，設置於堆疊(110)之背表面以及堆疊(110)之側表面上，第一導電層(104)以及第二導電層(105)在堆疊(110)之側表面上形成電性接點；絕緣方法之特徵在於其包括一機械磨蝕光伏電池之邊緣(E)之步驟，使得：-在堆疊(110)之側表面上之第一導電層(104)以及第二導電層(105)之間的電性接點被移除；以及-光伏電池之每一被磨蝕邊緣(E)與光伏電池之正面(FS)形成一銳角(α)。
Description
本發明之技術領域為光伏電池之技術領域，特別是使異質接面光伏電池之邊緣的電性絕緣之技術領域。
光伏電池係為一種藉由PN接面將入射之電磁輻射，典型為太陽輻射，轉換成電流之半導體裝置。PN接面係由被摻雜成典型為p或n的第一導電型之半導體層以及被摻雜成分別為n或p的第二導電型之半導體的層堆疊所形成。
有兩種不同技術特別被使用來製作光伏電池。第一種技術係所謂「同質接面」光伏電池的技術，其中形成PN接面的p以及n層包括具有相同結晶結構的單一半導體材料，例如，單晶矽。在這些光伏電池中，只有摻雜類型以及濃度每一層不同。
第二種技術係所謂「異質接面」光伏電池的技術，其中形成PN接面的p以及n層包括具有不同能帶隙的半導體材料。為此，PN接面的兩半導體層可包括具有不同物理性質的半導體材料，或是具有不同結晶結構的相同半導體材料，例如，單晶矽與非晶矽。
製造光伏電池時，亦稱作「分流」(shunt)的電性路徑，係形成於光伏電池之邊緣。這些分流電性連接光伏電池之兩面。產生於PN接面內的電荷載子可接著取道這些分流，而不是經過PN接面，其因而降低光伏電池所提供的電流密度。
因此，光伏電池之邊緣的電性絕緣對於消除分流並且因而改善光伏電池之效率是很重要的。目前，已發展出使光伏電池之邊緣絕緣的不同技術。
HAUSER et al.,“Comparison of different techniques for edge isolation”,17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and exhibition,Munich,2001此文件提出使同質接面光伏電池之邊緣電性絕緣的不同技術。同質接面光伏電池包括藉由p型摻雜之矽基板以及n型摻雜之射極所形成的PN接面，以及包括氮化矽(SiN)之抗反射層。n型射極負責此同質接面光伏電池之分流，因為其係藉由POCl3擴散遍及p型基板周圍而形成。
本文件特別描述在同質接面光伏電池之正面或背面形成絕緣溝渠的技術。此絕緣溝渠之深度至少等於形成射極之層的厚度。絕緣溝渠可藉由用來切割晶圓之雷射或機械鋸而形成。
本文件亦提到同質接面光伏電池之邊緣的剝除技術，使得位於電池邊緣上的氮化矽之抗反射層以及射極被移除。邊緣之剝除係藉由，例如，電漿蝕刻、磨蝕、或機械或雷射切割而完成。
至於異質接面光伏電池之邊緣的電性絕緣，EP2682990文件描述一種技術，其中光伏電池之邊緣由沈積一導電塗層於背面所遮罩。然而，背面周圍所遮罩之區域過大，導致電池所產生之電流增加。
此外，US 5935344(SANYO)24.10.1996之文件引介了一種使用雷射以進行異質接面光伏電池之邊緣的剝除之技術。
此技術之缺點特別在於減少光伏電池之主動表面，因此造成光伏電池所產生之電流的降低。此外，雷射的使用造成半導體基板在雷射製程之後的再結晶。此再結晶之結果在光伏電池之邊緣產生複合陷阱，最後導致光伏電池之填充因子的劣化。
根據本發明之方法之目的在於解決前述之問題，其係藉由提供一種用於使異質接面光伏電池之邊緣絕緣的方法，來限制光伏電池之主動區域的損失以及產生於半導體層內的缺陷。
因此，本發明之第一態樣係有關於一種用於使異質接面光伏電池之邊緣電性絕緣的方法，光伏電池具有一預定被曝露於一入射輻射之正面，並且包括：-一半導體層堆疊，具有一正表面、一相對於正表面之背表面、以及側表面；-一第一導電層，設置於堆疊之正表面以及堆疊之側表面上，第一導電層對於入射輻射係為可穿透的；
-一第二導電層，設置於堆疊之背表面以及堆疊之側表面上，第一導電層以及第二導電層在堆疊之側表面上形成電性接點；絕緣方法之特徵在於其包括一機械磨蝕光伏電池之邊緣之步驟，使得：-在堆疊之側表面上之第一導電層以及第二導電層之間的電性接點被移除；以及-光伏電池之每一被磨蝕邊緣與光伏電池之正面形成一銳角。
不像雷射絕緣技術，磨蝕技術使得光伏電池之邊緣上被移除之導電材料的量得以準確控制。此外，在相對於正面之銳角處磨蝕光伏電池之邊緣使得被移除之背面側的導電材料多於被移除之正面側的導電材料。因此，光伏電池之正面以及背面之間的電性接點被破壞，而保留光伏電池之主動區域，其為在電池正面之光子收集表面。
根據本發明之第一態樣的絕緣方法亦可包括以下之一或多個特徵，無論是單獨或根據任何技術上之可能組合而考慮：-光伏電池之正面以及光伏電池之每一被磨蝕邊緣之間的銳角係介於50°以及88.5°之間；-機械磨蝕光伏電池之邊緣之步驟係進行介於5μm以及50μm之間的厚度；-光伏電池之堆疊包括一半導體基板，其具有圖案構成之紋路表面，而且其中機械磨蝕光伏電池之邊緣之步
驟係藉由具有與半導體基板之圖案相同等級尺寸的晶粒的磨蝕劑而進行；以及-磨蝕劑晶粒係為碳化矽晶粒或鑽石晶粒。
本發明之第二態樣係有關於一種製造異質接面光伏電池之方法，包括以下步驟：-提供一半導體層堆疊，其具有一正表面以及一相對於正表面之背表面；-沈積一第一導電層於堆疊之正表面上，第一導電層對於入射輻射係為可穿透的；-沈積一第二導電層於堆疊之背表面上；製造方法之特徵在於其更包括如前所述之使光伏電池之邊緣電性絕緣的方法。
根據本發明之第二態樣的製造方法亦可包括以下之一或多個特徵，無論是單獨或根據任何技術上之可能組合而考慮：-製造方法更包括一清洗光伏電池之邊緣的步驟，清洗步驟係與使光伏電池之邊緣電性絕緣的方法同時進行或於使光伏電池之邊緣電性絕緣的方法之後進行；-清洗光伏電池之邊緣之步驟包括一藉由水及/或醇沖洗光伏電池之邊緣之操作；-其中清洗光伏電池之邊緣之步驟包括一吹動一壓縮氣體至光伏電池之邊緣之操作；-製造方法更包括一鈍化光伏電池之邊緣之步驟，鈍化步驟係於使光伏電池之邊緣電性絕緣的方法之後進行；以及
-第一導電層以及第二導電層係藉由化學氣相沈積技術而沈積。
FS‧‧‧正面
BS‧‧‧背面
E‧‧‧邊緣
α‧‧‧銳角
101‧‧‧基板
102‧‧‧第一半導體層
103‧‧‧第二半導體層
104‧‧‧第一導電層
105‧‧‧第二導電層
110‧‧‧堆疊
201‧‧‧曲線
202‧‧‧曲線
本發明之進一步目的、優點以及可能應用可從以下本發明示例性具體實施例配合圖式之說明而獲得，其中：-圖1A以及圖1B係為示範性異質接面光伏電池在根據本發明之製程實施之前以及之後的橫截面圖；以及-圖2顯示光伏電池在照光後因應照光而變化之填充因子(以相對之數值呈現)，其中光伏電池之邊緣已藉由根據本發明之方法以及藉由雷射而絕緣。
這些圖式僅用以示意而非限制本發明之目的。
為了清楚說明，相同或類似元件係以相同之參考符號標示於圖中。
根據本發明之絕緣方法的較佳實施例將在此說明。本方法係用於有效地使異質接面光伏電池之PN接面電性絕緣，而對於光伏電池之性能的影響有限。PN接面之電性絕緣的目的在於降低電性損失並且因而增加光伏電池之效率。
圖1A係為示範性異質接面光伏電池在根據本發明之製程實施之前的橫截面圖。光伏電池具有預定被曝露於典型為太陽輻射的入射輻射之正面FS、相對於正面FS的背面BS、以及圍繞光伏電池並且延伸於光伏電池正面FS以及背面BS之間的邊緣E。在上視圖中(圖
式中未示)，光伏電池係有利地呈現方形或是圓角的偽方形。因此，其具有四個相同長度的邊。
在以下說明中，術語「正面」將被使用來表示設置於光伏電池正面FS側的表面。同理，術語「背面」將被使用來表示設置於光伏電池背面BS側的表面。
光伏電池包括被摻雜成第一導電型，亦即n或p型，的半導體基板101。半導體基板101較佳為單晶矽。此外，半導體基板101較佳為n型摻雜。的確，具有n型摻雜之單晶矽基板的異質接面光伏電池比具有p型摻雜之單晶矽基板的異質接面光伏電池擁有更佳之效率。
半導體基板101係由至少一被摻雜成相對於基板之導電型的半導體層所覆蓋，因而形成半導體層堆疊110以及PN接面。在圖1A的例子中，除了基板101之外，堆疊110更包括第一半導體層102以及第二半導體層103。
第一半導體層102覆蓋基板101之正面，以及可能基板101之側面的一部分。第二半導體層103覆蓋基板101之背面，以及可能基板101之側面的一部分。
因此，堆疊110具有對應於第一半導體層102之正表面、對應於第二半導體層103之背表面、以及對應於基板101之側面、第一半導體層102之部分或第二半導體層103之部分之側表面。
第一半導體層102以及第二半導體層103係通常藉由非直接沈積技術，例如電漿加強化學氣相沈積
(PECVD)，而沈積於半導體基板101上，其解釋為何半導體層102、103亦沈積於基板101之側面上。
在異質接面光伏電池之第一構造中，第一半導體層102具有相對於半導體基板101之導電型的導電型，因而在正面形成PN接面之射極。第二半導體層103係與半導體基板101具有相同之導電型，因而形成背表面相斥電場，亦稱作背表面電場(BSF)。此構造通常稱作「標準射極」。
相反地，在第二構造中，第二半導體層103具有相對於半導體基板101的導電型，因而在背面形成PN接面之射極。第一半導體層102係與半導體基板101具有相同之導電型，因而形成正表面相斥電場，亦稱作正表面電場(FSF)。此構造通常稱作「反向射極」。
包括相斥電場之光伏電池的面，亦即PN接面之基極，係用以接收金屬接點，在該金屬接點處的電荷載子之複合率非常高。相斥電場的角色在於移動少數電荷載子，使其遠離PN接面之基極。因此，在金屬接點處之電荷載子複合的數量受到限制。形成相斥電場之半導體層係較佳為高摻雜，以最大化此效應。其具有，例如，至少1020cm-3之摻雜濃度。
半導體層102、103係在此由非晶矽所形成之示範性光伏電池中。半導體層102、103之厚度係，例如，分別為在反向射極構造中之約8nm以及14nm的等級。
在其他未示於圖式之實施例中，堆疊110可包括更多半導體層。例如，非晶矽半導體層102以及103
之每一者可被與本質矽層並列，本質矽層係設置於半導體基板101以及該非晶矽半導體層102、103之間。
非晶矽半導體層102、103之導電性太低，難以提供電荷之最佳傳導。因此，金屬接點無法直接設置於這些層上。導電層應該事先被沈積於堆疊110之正表面與背表面上，以收集PN接面所產生之電荷。
第一導電層104，對於入射輻射亦是可穿透的，係沈積於堆疊110之正面上。第一導電層104係通常藉由可穿透之導電氧化物，例如氧化銦錫(ITO)，而形成。
第二導電層105係沈積於堆疊110之背面上。當擴散性輻射即將由光伏電池之背面BS所吸收，第二導電層105亦可為可穿透的。第二導電層105接著通常藉由可穿透之導電氧化物所形成，較佳為相同於第一導電層104的可穿透之導電氧化物。此類型之光伏電池被稱作「雙面」電池。
如果光伏電池之背面BS並未預定被曝露於任何輻射，第二導電層105可由金屬，例如銀，所形成。此類型之光伏電池被稱作「單面」電池。
如同第一半導體層102以及第二半導體層103，第一導電層104以及第二導電層105係通常藉由非直接沈積技術，例如PVD，而被沈積。導電層104、105具有，例如，50nm以及300nm之間的厚度。
第一導電層104以及第二導電層105因此亦藉由形成電性接點而沈積於堆疊110之側表面上。因
此，光伏電池之正面FS與背面BS藉由位於光伏電池之邊緣E的導電路徑，稱作「分流」，而連接。
在沈積導電層104、105於堆疊110上之後，光伏電池使用令異質接面光伏電池之邊緣E電性絕緣之方法，以移除這些導電路徑。因此，稱作「分流電阻」的量化數值象徵光伏電池之兩面之間的分流增加。
為達此目的，絕緣方法包括機械磨蝕光伏電池之邊緣E之步驟。在進行磨蝕步驟時，藉由摩擦磨蝕劑於光伏電池之邊緣E上，將材料從光伏電池之邊緣E移除。
圖1B係為圖1A的示範性異質接面光伏電池在根據本發明之製程實施之後的橫截面圖。
機械磨蝕係進行以移除設置於半導體層堆疊110之側表面的第一導電層104以及第二導電層105，並且形成光伏電池之邊緣E。第一導電層104以及第二導電層105重合處的電性接點因此受到破壞。光伏電池之正面FS以及背面BS因此電性絕緣。
此外，磨蝕的進行，使得光伏電池之每一邊緣E在磨蝕後與光伏電池之正面FS形成銳角α。因此，曝露於入射輻射之光伏電池正面FS的主動區域保持最大。光伏電池之正面FS以及邊緣E之間的銳角α使得光伏電池之兩面之間的絕緣品質藉由增加其間之距離而獲得改善。銳角α較佳係為介於50°以及88.5°之間。磨蝕步驟較佳係以自動化的方式進行以確保銳角α之較佳控制。
光伏電池之邊緣E的磨蝕較佳為進行介於5μm以及50μm之間的厚度，亦即5μm至50μm的材料從光伏電池之邊緣E被移除。被移除之物質主要對應至導電層104、105之材料。
所移除之材料的厚度係與導電層104、105之厚度具有相同等級。因此，被磨蝕之材料的厚度係足以完全移除光伏電池之邊緣E上之第一導電層104以及第二導電層105，而最小化光伏電池之正面FS以及背面BS上的表面損失。藉由比較，使用雷射之先前技術可移除光伏電池之邊緣上之材料達1mm。
因此，在本較佳實施例中，位於單晶矽半導體基板101之側面的非晶矽半導體層102、103並未被完全移除，以保護基板101。如此並不會對絕緣品質產生不利的影響，因為這些層的導電性遠不如可穿透的氧化物導電層104、105。因此，不像先前技術之絕緣方法，機械磨蝕限制半導體基板101上結構缺陷的產生。
磨蝕步驟中所使用的磨蝕劑較佳為砂紙的形式。此外，半導體基板101上有紋路，亦即其具有表面圖案，以降低入射輻射。磨蝕劑包括具有與半導體基板表面之圖案相同等級尺寸的晶粒。因此，材料移除較好控制。
半導體基板101之表面的圖案通常為金字塔形狀。基板表面圖案的尺寸，以及磨蝕劑晶粒的尺寸係，例如，在10μm的等級。磨蝕劑晶粒係，例如，碳化矽晶粒或鑽石晶粒。
由於機械磨蝕會產生粒子且汙染光伏電池，製造異質接面光伏電池之方法有利地包括清洗光伏電池之邊緣E的步驟，以移除這些粒子。清洗光伏電池之邊緣E之步驟可進行於磨蝕步驟中或在磨蝕步驟之後。
清洗步驟包括，例如，藉由去離子水或醇，如異丙醇，沖洗光伏電池之邊緣E之操作。清洗光伏電池之邊緣E之步驟可更包括吹動壓縮氣體，例如空氣或惰性氣體，於磨蝕之(或正在進行磨蝕製程之)光伏電池之邊緣之步驟。
由於光伏電池之邊緣E的機械磨蝕可能會曝露半導體基板101之側表面，製造方法可更包括鈍化光伏電池之邊緣E之步驟，以限制電荷載子之表面複合機制。鈍化步驟係進行於光伏電池之邊緣E的絕緣步驟之後。其包括藉由在其中形成氧化物，以使得光伏電池之邊緣E電性怠惰。
反向射極構造之異質接面光伏電池的填充因子FF之曲線係說明於圖2中。曲線係以照光之函數呈現，並且對應至兩種不同之使光伏電池之邊緣絕緣的方法，其係進行於光伏電池之相同結構上。
事實上，圖2顯示第一曲線201，其對應於藉由先前技藝之技術所絕緣之光伏電池，使用雷射以在光伏電池背面之周圍畫出一道溝紋，圖2並且顯示第二曲線202，其對應於藉由根據本發明較佳實施例之機械磨蝕所絕緣之光伏電池。
這兩曲線201、202之填充因子FF的數值被正規化成光伏電池所獲得之填充因子的數值，該光伏電池之邊緣E已被照光強度為1000W/m2之雷射所絕緣。
光伏電池之填充因子FF代表從光伏電池所輸出之實際功率與光伏電池之理想功率之間的比例，可由以下方程式表示：
其中V max 係為光伏電池之最大電壓，I max 係為光伏電池之最大電流，V co 係為光伏電池之開路電壓，以及I cc 係為光伏電池之短路電流。
填充因子FF係受限於寄生電阻，其特別包括分流電阻。分流電阻越高，漏電流越低而且光伏電池所傳送之電流越高。因此，光伏電池之邊緣E之好的電性絕緣可以導致光伏電池之填充因子FF提高。
當光伏電池之邊緣E藉由機械磨蝕而非雷射所絕緣時，可觀察到填充因子FF大幅改善。對於低照光而言，超過三個百分比之填充因子FF的改善特別的大。
的確，照光強度以及所產生之光子數目減少，導致電流下降。寄生電阻，以及特別是分流電阻，因此變成主導者。光伏電池之邊緣之非常好的絕緣因此在低照光時顯得必要，以獲得好的填充因子FF。
由於磨蝕絕緣使得相對於使用雷射之習知技術可以保留較大之光伏電池主動區域，從電池輸出之電流明顯增加。此增加在圖1A以及圖1B之示範性電池中可高達100mA。
有關於填充因子FF之效率η係如以下關係式所示：
其中，P incident 係為入射功率(入射輻射)，本身即增加了0.15%。
因此，歸功於根據本發明之製程，光伏電池之邊緣的電性絕緣係以有效率之方式形成。光伏電池之面的表面損失以及結構上的損壞特別受到限制。
光伏電池之邊緣的電性絕緣對於轉換若干光伏電池成模組亦具有效益。光伏模組中，光伏電池係通常藉由電性膠帶而互連。光伏電池係，例如藉由連接一光伏電池之正面以及其背面連接至下一光伏電池而串連，依此類推。在此模組轉換時，光伏電池之邊緣可能會接觸互連光伏電池之膠帶之間的每一者。
在此移除光伏電池之邊緣上的導電層可以減少在互連模組的光伏電池以及光伏電池的邊緣之間之膠帶的短路風險。
當然，本發明並不限於參照圖式所述之實施例，而且其替代者可被思及而不脫離本發明之範圍。特別是，使光伏電池之邊緣絕緣之步驟可在金屬化步驟之後進行，其中金屬接點係沈積於導電層，或者甚至機械磨蝕可在光伏電池之堆疊上進行，以增加本方法之良率。
FS‧‧‧正面
BS‧‧‧背面
E‧‧‧邊緣
α‧‧‧銳角
101‧‧‧基板
102‧‧‧第一半導體層
103‧‧‧第二半導體層
104‧‧‧第一導電層
105‧‧‧第二導電層
110‧‧‧堆疊
Claims (10)
- 一種用於使異質接面光伏電池之邊緣電性絕緣的方法，該光伏電池具有一預定被曝露於一入射輻射之正面(FS)，並且包括：-一半導體層堆疊(110)，具有一正表面、一相對於該正表面之背表面、以及側表面；-一第一導電層(104)，設置於該堆疊(110)之該正表面以及該堆疊(110)之該側表面上，該第一導電層(104)對於該入射輻射係為可穿透的；以及-一第二導電層(105)，設置於該堆疊(110)之該背表面以及該堆疊(110)之該側表面上，該第一導電層(104)以及該第二導電層(105)在該堆疊(110)之該側表面上形成電性接點；該絕緣方法之特徵在於其包括一機械磨蝕該光伏電池之該邊緣(E)之步驟，使得：-在該堆疊(110)之該側表面上之該第一導電層(104)以及該第二導電層(105)之間的該電性接點被移除；以及-該光伏電池之每一被磨蝕邊緣(E)與該光伏電池之該正面(FS)形成一銳角(α)。
- 如請求項1之絕緣方法，其中該光伏電池之該正面(FS)以及該光伏電池之每一被磨蝕邊緣(E)之間的該銳角(α)係介於50°以及88.5°之間。
- 如請求項1或2之絕緣方法，其中機械磨蝕該光伏電池之該邊緣(E)之步驟係進行介於5μm以及50μm之間的厚度。
- 如請求項1至3中任一項之絕緣方法，其中該光伏電池之該堆疊(110)包括一半導體基板(101)，其具有圖案構成之紋路表面，而且其中該機械磨蝕該光伏電池之該邊緣(E)之步驟係藉由具有與該半導體基板(101)之該圖案相同等級尺寸的晶粒的磨蝕劑而進行。
- 一種製造異質接面光伏電池之方法，包括以下步驟：-提供一半導體層堆疊(110)，其具有一正表面以及一相對於該正表面之背表面；-沈積一第一導電層(104)於該堆疊(110)之該正表面上，該第一導電層對於入射輻射係為可穿透的；以及-沈積一第二導電層(105)於該堆疊(110)之該背表面上；該製造方法之特徵在於其更包括如請求項1至5中任一項之電性絕緣該光伏電池之該邊緣(E)之方法。
- 如請求項5之製造方法，其更包括一清洗該光伏電池之該邊緣(E)之步驟，該清洗步驟係與該電性絕緣該光伏電池之該邊緣(E)之方法同時進行或於該電性絕緣該光伏電池之該邊緣(E)之方法之後進行。
- 如請求項6之製造方法，其中該清洗該光伏電池之該邊緣(E)之步驟包括一藉由水及/或醇沖洗該光伏電池之該邊緣(E)之操作。
- 如請求項6或7之製造方法，其中該清洗該光伏電池之該邊緣(E)之步驟包括一吹動一壓縮氣體至該光伏電池之該邊緣(E)之操作。
- 如請求項5至8中任一項之製造方法，其更包括一鈍化該光伏電池之該邊緣(E)之步驟，該鈍化步驟係於該電性絕緣該光伏電池之該邊緣(E)之方法之後進行。
- 如請求項5至9中任一項之製造方法，其中該第一導電層(104)以及該第二導電層(105)係藉由化學氣相沈積技術而沈積。
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