TW201740574A - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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周仰皓
洪光輝
林綱正
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Abstract

一種太陽能電池，包含：半導體基板、入光面、射極層和電極。入光面具有多個金字塔形結構，各個金字塔形結構包含一頂端且任兩相鄰之金字塔形結構具有一谷部。谷部具有一曲率半徑介於25~500nm。射極層位於該半導體基板內且靠近入光面。電極位於半導體基板上。

Description

太陽能電池及其製造方法
本發明係有關一種太陽能電池及其製備方法。
選擇性射極(Selective Emitter)技術為一種發展已久的高效率太陽能電池技術，由於過去傳統的矽晶太陽能電池都經過高濃度的擴散摻雜，導致光線被吸收後並無法有效產生電，反而是以熱能形式消散掉，因此其運作原理為降低吸光面的摻雜程度，而加重在金屬電極下方之濃度，來達到電子傳遞低阻抗的效果，藉以提高轉換效率，其中尤其對波長不到400nm的光波有更敏銳的光電效果。
但隨著金屬電極的密度提高，選擇性射極的高濃度摻雜面積也隨之增加，使得表面更容易發生載子複合而造成光電流的損失。因此在金屬電極數量和密度越來越多的趨勢下，必須思考如何減少選擇性射極造成的光電流損失。
根據本發明之多個實施方式，係提供一種太陽能電池，一第一導電型半導體層；一第二導電型半導體層，位於第一導電型半導體層之上；一分段式選擇性射極(Segment Selective Emitter)，位於第二導電型半導體層中，分段式選擇性射極包含多個區段射極，且任兩相鄰之多個區段射極之間間隔一間距，其中多個區段射極的導電型與該第二導電型半導體層的導電型相同，多個區段射極之摻質濃度大於第二導電型半導體層之摻質濃度；以及一指狀電極，接觸且位於多個區段射極上，其中多個區段射極沿指狀電極的一延伸方向配置。
在某些實施方式中，第二導電型半導體層與分段式選擇性射極的厚度介於40~400nm。
在某些實施方式中，太陽能電池更包含一氮化矽抗反射層，位於第二導電型半導體層和分段式選擇性射極上。
在某些實施方式中，分段式選擇性射極的間隔為0.01~10.0mm。
在某些實施方式中，第二導電型半導體層之電阻介於100~300歐姆/平方。
在某些實施方式中，分段式選擇性射極之電阻介於20~100歐姆/平方。
本發明之多個實施方式，係提供一種製造太陽能電池之方法，製備方法包含：提供一第一導電型半導體 層；形成一第二導電型半導體層於第一導電型半導體層上，其中第二導電型半導體層具有一第一摻質濃度；摻雜一摻質至第二導電型半導體層中，以於第二導電型半導體層中形成彼此分離的多個摻雜區域，摻質之導電型和第二導電型半導體層相同，其中各摻雜區域具有一第二摻質濃度，且第二摻質濃度大於第一摻質濃度；以及形成一指狀電極接觸多個摻雜區域，其中多個摻雜區域沿指狀電極的一延伸方向配置。
在某些實施方式中，製造太陽能電池之方法更包含在摻雜該摻質至該第二導電型半導體層之後，蝕刻第二導電型半導體層和摻雜區域，以減少第二導電型半導體層及摻雜區域之厚度。
在某些實施方式中，在蝕刻第二導電型半導體層和摻雜區域之後，更包含形成一氮化矽抗反射層於第二導電型半導體層以及分段式選擇性射極上。
在某些實施方式中，蝕刻第二導電型半導體層和摻雜區域包含使用一蝕刻劑，且蝕刻的蝕刻劑是HF、KOH、HNO3或其組合。
為使本發明之上述及其他目的、特徵和優點更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖示詳細說明如下。
110‧‧‧第一導電型半導體層
120‧‧‧第二導電型半導體層
130‧‧‧分段式選擇性射極
131‧‧‧區段射極
140‧‧‧指狀電極
150‧‧‧氮化矽抗反射層
210‧‧‧第一導電型半導體層
220‧‧‧第二導電型半導體層
230‧‧‧分段式選擇性射極
240‧‧‧指狀電極
250‧‧‧氮化矽抗反射層
d‧‧‧分段式選擇性射極的間距
T1、T3‧‧‧分段式選擇性射極的厚度(或深度)
T2、T4‧‧‧第二導電型半導體層的厚度(或深度)
第1A圖係繪示根據本發明某些實施方式之一種太陽能電池之上視示意圖。
第1B圖係繪示沿第1A圖中A-A’線段之剖面示意圖。
第1C圖係繪示根據本發明某些實施方式之一種太陽能電池之剖面示意圖。
第2A-2E圖係繪示依照本發明一實施方式之一種太陽能電池之製造方法之各製程階段的示意圖。
以下將詳細討論本實施例的製造與使用，然而，應瞭解到，本發明提供實務的創新概念，其中可以用廣泛的各種特定內容呈現。下文敘述的實施方式或實施例僅為說明，並不能限制本發明的範圍。以下提供各種關於太陽能電池及其製作方法的實施例，其中詳細說明此太陽能電池的結構和性質以及此太陽能電池的製備步驟或操作。
本發明揭露一種太陽能電池。第1A圖繪示根據本發明之一實施方式的太陽能電池100上視示意圖，相對於傳統的選擇性射極為連續式，本發明的選擇性射極為分段式，分段式選擇性射極(Segment Selective Emitter)130包含多個區段射極131，在分段式選擇性射極130中任兩相鄰之區段射極131之間間隔一間距d，在一實施例中，間距d的長 度介於0.01-10.0mm。之後在分段式選擇性射極130上形成指狀電極140，指狀電極140與分段式選擇性射極130接觸，而多個區段射極131沿指狀電極140的延伸方向配置。在某些實施例中，太陽能電池具有多個分段式選擇性射極130以及相對應的多個指狀電極140。
第1B圖繪示沿第1A圖中A-A’線段之剖面示意圖，在此實施方式中，提供第一導電型半導體層110以及第二導電型半導體層120，第二導電型半導體層120位於第一導電型半導體層110之上。第一導電型半導體層110可為N型或P型，第二導電型半導體層120的導電型和第一導電型半導體層110不同。在一實施例中，第一導電型半導體層110為P型，第二導電型半導體層120為N型。在另一實施例中，第一導電型半導體層110為N型，第二導電型半導體層120為P型。第一導電型半導體層110可以使用非晶矽(amorphous silicon)、多晶矽(poly crystalline)、GaAs、InGaP等半導體或三五族半導體材料。
分段式選擇性射極130位於第二導電型半導體層120中。分段式選擇性射極130的導電型和第二導電型半導體層120相同。第二導電型半導體層120具有第一摻質濃度，而分段式選擇性射極130具有第二摻質濃度。分段式選擇性射極130的第二摻質濃度大於第二導電型半導體層120之第一摻質濃度。在一實施例中，分段式選擇性射極130的 電阻介於100-300歐姆/平方，例如為150、200或250歐姆/平方。第二導電型半導體層120的電阻介於20-100歐姆/平方，例如為30、50或80歐姆/平方。本說明書中，「電阻」一詞係指薄層電阻或薄膜電阻(Sheet Resistance,Rs)。分段式選擇性射極130的深度(或厚度)T1和第二導電型半導體層的深度(或厚度)T2各介於40-2000nm，例如為100、300、400、600、800、1000、1500nm或1800nm，最佳為100~1200nm。在一實施例中，如第1B圖所示，分段式選擇性射極130的深度(或厚度)T1小於第二導電型半導體層的深度(或厚度)T2。在另一實施例中，如第1C圖所示，分段式選擇性射極130的深度(或厚度)大於第二導電型半導體層120的深度(或厚度)。
指狀電極140位於分段式選擇性射極130上，並且接觸分段式選擇性射極130。請再參照第1A圖，分段式選擇性射極130沿指狀電極140的延伸方向配置。詳細的說，構成分段式選擇性射極130的這些區段射極131是沿著指狀電極140的延伸方向配置。
在某些實施例中，如第1B及1C圖所示，可以在第二導電型半導體層120和分段式選擇性射極130的上方形成氮化矽抗反射層150，而指狀電極140直接和分段式選擇性射極130接觸，因此指狀電極140下方不會形成氮化矽抗反射層150。氮化矽抗反射層的功用是降低光的反射，進而 增加太陽能電池的光吸收，而提高太陽能電池的轉換效率。
第2A圖至第2E圖繪示根據本發明實施例之太陽能電池100的製作方法流程。在第2A圖中，提供第一導電型半導體層210，第一導電型半導體層210可為矽基板，例如單晶矽基板、多晶矽基板或非晶矽基板。在不同的實施例中，第一導電型半導體層210可以是P型或N型的基板。在一實施例中，對第一導電型半導體層210的表面進行粗化製程，以降低入射光的反射率。例如可使用化學酸性蝕刻製程(蝕刻溶劑例如為氫氟酸或硝酸)或化學鹼性蝕刻製程(蝕刻溶劑例如為氫氧化鉀或異丙醇)對第一導電型半導體層210的表面進行粗化製程。接著摻雜摻質至第一導電型半導體層210中，以於第一導電型半導體層210之上方形成一第二導電型半導體層220，第二導電型半導體層220具有一第一摻質濃度。在一實施例中，摻質為N型摻質，如磷基酸(HPOX)。在另一實施例中，第一導電型半導體層210為N型基板，摻質為P型摻質，如硼酸(H3BO3)。
在第2B圖中，利用摻雜製程在第二導電型半導體層220中形成彼此分離的多個摻雜區域，這些摻雜區域即為區段射極並構成一分段式選擇性射極230，摻質之導電型和第二導電型半導體層220相同。摻雜製程可為雷射摻雜製程或任何習知之摻雜技術。雷射摻雜係為利用脈衝雷射在預定的摻雜區域上面進行加熱，使摻質可擴散進入第二導電型半導 體層220表面，而在此區域形成高濃度的摻雜區域。分段式選擇性射極230包含多個區段射極，區段射極具有一第二摻質濃度，且第二摻質濃度大於第二導電型半導體層220的第一摻質濃度。分段式選擇性射極230內任兩相鄰區段射極之間距d的長度介於0.01-10.0mm，例如0.05mm、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、5mm或7mm，較佳為0.05-7mm。若間距d的長度太短則高濃度摻雜區域愈多，載子容易發生複合進而降低光電轉換效率；若間距d長度太長則高濃度摻雜區域愈少，電阻值會提高。
在第2C圖中，蝕刻第二導電型層220以及分段式選擇性射極230以減少兩者的厚度，此蝕刻製程可為乾式蝕刻或反應式離子蝕刻，其中蝕刻氣體使用六氟化硫、四氯化矽、八氟環丁烷、甲烷、氫氣、氬或其他已知蝕刻氣體或其組合；或使用濕式蝕刻，蝕刻液使用氟化氫、氫氧化鉀、硝酸、其他類似化學品或其組合。透過蝕刻製程減少太陽能電池表面摻雜區域，可大幅減少表面載子的複合機率，進一步提升開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)。經蝕刻後之第二導電型層220的厚度T3以及分段式選擇性射極230的厚度T4介於40~2000nm，例如100、300、400、600、800、1000、1500nm或1800nm，最佳為100~1200nm。
在第2D圖中，於第二導電型層220以及分段式選擇性射極230上形成氮化矽抗反射層250，例如可利用電 漿化學氣相沉積法形成氮化矽抗反射層250。在某些實施例中，太陽能電池可不包含氮化矽抗反射層250。
在第2E圖中，形成一指狀電極240接觸摻雜區域(區段射極)和第二導電型半導體層220，其中這些摻雜區域沿指狀電極的一延伸方向配置。指狀電極240可利用任何習知的製程方法製得，例如利用銀膠網印與高溫製程形成指狀電極240於摻雜區域和第二導電型半導體層220的上方。
依據本發明的各種實施方式，提供一種太陽能電池，包含：一第一導電型半導體層；一第二導電型半導體層，位於第一導電型半導體層之上；一分段式選擇性射極，位於第二導電型半導體層中，分段式選擇性射極包含多個區段射極，且任兩相鄰之多個區段射極之間間隔一間距，其中多個區段射極的導電型與第二導電型半導體層的導電型相同，多個區段射極之摻質濃度大於第二導電型半導體層之摻質濃度；以及一指狀電極，接觸且位於多個區段射極上，其中多個區段射極沿指狀電極的一延伸方向配置。
依據本發明之多個實施方式，係提供一種製造太陽能電池之方法，製備方法包含：提供一第一導電型半導體層；形成一第二導電型半導體層於第一導電型半導體層上，其中第二導電型半導體層具有一第一摻質濃度；摻雜一摻質至第二導電型半導體層中，以於第二導電型半導體層中形成彼此分離的多個摻雜區域，該摻質之導電型和第二導電型半導體層 相同，其中各摻雜區域具有一第二摻質濃度，且第二摻質濃度大於第一摻質濃度；以及形成一指狀電極接觸多個摻雜區域，其中多個摻雜區域沿指狀電極的一延伸方向配置。
本發明之實施例的優點是一種具有分段式選擇性射極的太陽能電池，此種太陽能電池能減少選擇性射極的高摻雜區域以減少載子複合和避免光電流的損失。
以上概述數個實施例使熟悉此項技藝人士得以更加理解此揭露之各個部分。熟悉此項技藝人士應可理解並得以此為基礎據以設計或修正其他合成及結構以實施與此同樣之目的且/或具與此介紹相同優點之實施例。熟悉此項技藝人士者亦可理解在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之置換、替代及更動。
210‧‧‧第一導電型半導體層
220‧‧‧第二導電型半導體層
230‧‧‧分段式選擇性射極
240‧‧‧指狀電極
250‧‧‧氮化矽抗反射層

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池，包含：一第一導電型半導體層；一第二導電型半導體層，位於該第一導電型半導體層之上；一分段式選擇性射極，位於該第二導電型半導體層中，該分段式選擇性射極包含多個區段射極，且任兩相鄰之該些區段射極之間間隔一間距，其中該些區段射極的導電型與該第二導電型半導體層的導電型相同，該些區段射極之摻質濃度大於該第二導電型半導體層之摻質濃度；以及一指狀電極，接觸且位於該些區段射極上，其中該些區段射極沿該指狀電極的一延伸方向配置。
  2. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該第二導電型半導體層的厚度與該些選擇性射極的厚度介於40~2000nm。
  3. 如請求項1所述之太陽能電池，更包含一氮化矽抗反射層，位於該第二導電型半導體層和該分段式選擇性射極上。
  4. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該些分段式選擇性射極的該些間隔為0.01~10.0mm。
  5. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該第二導電型半導體層之電阻介於100~300歐姆/平方。
  6. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該分段式選擇性射極之電阻介於20~100歐姆/平方。
  7. 一種製造太陽能電池的方法，包含：提供一第一導電型半導體層；形成一第二導電型半導體層於該第一導電型半導體層上，其中該第二導電型半導體層具有一第一摻質濃度；摻雜一摻質至該第二導電型半導體層中，以於該第二導電型半導體層中形成彼此分離的多個摻雜區域，該摻質之導電型和第二導電型半導體層相同，其中各該摻雜區域具有一第二摻質濃度，且該第二摻質濃度大於該第一摻質濃度；以及形成一指狀電極接觸該些摻雜區域，其中該些摻雜區域沿該指狀電極的一延伸方向配置。
  8. 如請求項7所述之製造太陽能電池的方法，在摻雜該摻質至該第二導電型半導體層之後，更包含蝕刻該第二導電型半導體層和該些摻雜區域，以減少該第二導電型半導體層及該些摻雜區域之厚度。
  9. 如請求項8所述之製造太陽能電池的方法，在蝕刻該第二導電型半導體層和該些摻雜區域之後，更包含形成一氮化矽抗反射層於該第二導電型半導體層以及該分段式選擇性射極上。
  10. 如請求項8所述之製造太陽能電池的方法，其中蝕刻該第二導電型半導體層和該些摻雜區域包含使用一蝕刻劑，且該蝕刻劑包含HF、KOH、HNO3或其組合。
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