TWI390755B - 太陽能電池的製造方法 - Google Patents

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Description

太陽能電池的製造方法
本發明是有關於一種太陽能電池的製造方法，特別是有關於一種能提高太陽能電池轉換效率的製造方法。
近年來環保意識高漲，為了因應石化能源的短缺與減低使用石化能源對環境帶來的衝擊，替代能源與再生能源的研發便成了熱門的議題，其中又以太陽能電池(solar cells)最受矚目。太陽能電池可將太陽能直接轉換成電能，且發電過程中不會產生二氧化碳或氮化物等有害物質，不會對環境造成污染。
矽晶(crystalline silicon)太陽能電池是常見的一種太陽能電池，其原理是將高純度的半導體基材，例如矽(Si)，加入一些不純物使其呈現不同的性質，以形成p型半導體及n型半導體。接著將p型半導體與n型半導體相接合，形成一pn接面(pn junction)，而在pn接面上便存在著一個內建電位(built-in potential)，此內建電位可驅動在此區域中的可移動載子。當太陽光照射到一個pn結構的半導體時，光子所提供的能量可能會把半導體中的電子激發出來並產生電子-電洞對，被激發出來的自由電子與電洞均會受到內建電位的影響，使電洞往p型半導體方向移動，而自由電子則往n型半導體方向移動。若將兩電極分別連接p型與n型半導體，並連接至外部電路及負載，便會有電流通過可供使用者利用。
在矽晶太陽能電池的製程中，大多使用後表面110b點接觸(Backside Point Contact)製程在電池後表面110b產生鈍化層(passivation layer)且使電極產生後表面110b電場(Back Surface Field,BSF)效果，增加電池內載子的收集，並可回收未被吸收的光子，藉此提升太陽能電池轉換效能。但習知利用熱擴散在p型半導體基材正面形成n型摻質層(n+ 層)時，在半導體基材的後表面110b同時也會溢鍍不均勻的n + 層。溢鍍至半導體基材後表面110b的n+ 層會降低點接觸電極的BSF效果，且使半導體基材後表面110b的片阻值分佈不均，使太陽能電池的轉換效能提升不如預期。
本發明提供一種太陽能電池的製造方法，其可提高太陽能電池的轉換效能。
本發明提出一種太陽能電池的製造方法，其步驟包括提供一半導體基材，其具有一前表面以及一後表面。接著，在半導體基材的前表面沈積一摻質材料層，且在此同時半導體基材的後表面會被沈積上一摻質溢鍍層，其中於沈積摻質材料層的過程中，摻質材料層的摻質擴散至半導體基材的前表面內以形成一摻質層，且摻質溢鍍層的摻質擴散至半導體基材的後表面內以形成一摻質殘留層。之後，移除摻質材料層與摻質溢鍍層，並於半導體基材上的摻質層上形成一抗反射層。移除半導體基材上的摻質殘留層，以暴露出半導體基材的表面，並於暴露的半導體基材的表面上形成一鈍化層。最後於抗反射層上形成一第一電極，且於鈍化層上形成一第二電極。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中移除半導體基材上的摻質殘留層的方法包括進行一電漿處理步驟。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中電漿處理步驟是使用氫氣電漿。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中該電漿處理的一負脈衝電壓是在-500V和-5kV之間，且供應該負脈衝電壓的時間是在1μ sec與20μ sec之間，該脈衝頻率是在100Hz與20kHz之間，且處理時間是在1分鐘與100分鐘之間。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中電漿處理步驟是使用氬氣電漿。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中移除半導體基材上的摻質殘留層的方法包括進行一濕式蝕刻。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中濕式蝕刻是使用氫氟酸蝕刻液。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中摻質層為n型(n+)摻質層。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中摻質材料層包括POCl3 。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中所述兩片半導體基材為p型半導體基材。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中摻質殘留層為n型(n+)殘留層。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中抗反射層與鈍化層之材質分別包括氧化矽、氮化矽、氧化鋁或碳化矽。
在本發明之一實施例中，上述之太陽能電池的製造方法，其中第一電極與第二電極的材料包括金屬材料或透明導電氧化物。
基於上述，本發明為太陽能電池製程中，在製作半導體基材後表面的鈍化層前，利用例如電漿處理步驟或濕式蝕刻的方式，先去除半導體基材後表面的n+ 殘留層。如此可利於第二電極產生BSF效果，且使半導體基材的後表面片阻值分佈均勻，進而提升太陽能電池的轉換效能。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例之太陽能電池的剖面圖，太陽能電池100包括一半導體基材110、一摻質層120a、一抗反射層130、一鈍化層140、一第一電極150及一第二電極160。而以下將針對本發明之太陽能電池100的製造方法作詳細介紹。
圖2A至圖2E為依照本發明之實施例之形成太陽能電池之流程剖面示意圖。請參照圖2A，在本實施例中，首先提供一半導體基材110，其具有一前表面110a以及一後表面110b。在本實施例中，半導體基材110主要是在高純度的矽晶基板中，添加週期表第三族元素，例如硼(B)、鎵(Ga)或銦(In)等，形成p型半導體基材。
接著，將對半導體基材110進行一摻質擴散程序。在本實施例中，對半導體基材110進行摻質擴散程序的方式是將半導體基材110直立於一沈積腔室內，然後半導體基材110的表面沈積一摻質材料層，並且利用沈積程序的高溫作用，使摻質材料層內的摻質擴散至半導體基材110的內部。
詳細而言，請參照圖2B，將半導體基材110移至於一沈積腔室內之後，即進行一沈積程序，以在半導體基材110的前表面110a上形成一摻質材料層121a，此摻質材料層121a包括一含有n型摻質的材料層，其例如是POCl3 。值得一提的是，當在沈積腔室內對半導體基材110之前表面110a沈積摻質材料層121a時，摻質材料層同時也會溢鍍至半導體基材110之後表面110b而形成一摻質溢鍍層121b。
特別是，當於進行上述之沈積程序時，沈積腔室內的高溫會使摻質材料層121a內的摻質(例如是磷離子)擴散至半導體基材110的前表面110a的內部而形成一摻質層120a。此摻質層120a便為n型(n+ )摻質層，而半導體基材110與摻質層120間便形成一pn接面110a。然而，在上述之沈積程序中，摻質溢鍍層121b內的摻質(例如是磷離子)也會擴散至半導體基材110的後表面110b的內部而形成一摻質殘留層120b，所述摻質殘留層120b為帶有n型摻質(例如是磷離子)的n+ 殘留層。
當完成上述之摻質擴散程序後，移除半導體基材110上的摻質材料層121a以及摻質溢鍍層121b，如圖2C所示。接著，在半導體基材110上的摻質層120a上形成抗反射層130。抗反射層130例如可利用電漿增強化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)來形成，其材質包括氧化矽、氮化矽、氧化鋁或碳化矽。抗反射層130可減少太陽光的反射，以提高太陽光的吸收率。同時，抗反射層130還兼具鈍化(passivation)的作用，以降低電池中電荷載子在半導體基材110表面上再結合損失。
然而，此時半導體基材110的後表面110會有一層不均勻的摻質殘留層120b存在。
接著，請參照圖2D，移除位於半導體基材110的後表面110的摻質殘留層120b，以使半導體基材110暴露出來。在本實施例中，移除摻質殘留層120b的方法主要是利用氫氣電漿來進行電漿離子佈植(Plasma Immersion Ion Implantation,PIII)。此方法不但可以快速均勻地去除半導體基材110後表面110b的摻質殘留層120b，且可同時在半導體基材110後表面110b佈植氫離子。上述之電漿處理的一負脈衝電壓是在-500V和-5kV之間，且供應該負脈衝電壓的時間是在1μ sec與20μ sec之間，脈衝頻率是在100Hz與20kHz之間，且處理時間是在1分鐘與100分鐘之間。若是以氫氣電漿來進行電漿離子佈植，較佳的製程參數包括：負脈衝電壓是在-4KV，負脈衝電壓的時間是在1μ sec，脈衝頻率是300Hz，處理時間是在10分鐘。透過改變電漿製程中的參數控制，可達成氫離子之佈植深度的要求。特別值得一提的是，上述所佈植的氫離子在後續的電池熱處理製程中，可擴散至半導體基材110內部，而產生體鈍化(bulk passivation)的效果，以降低電荷載子在晶格缺陷上的再結合損失。
上述實施例是以氫氣電漿來移除半導體基材110上的摻質殘留層120b，但本發明不限於此。在其它實施例中，還可利用氬氣電漿來移除摻質殘留層120b。另外，除了利用電漿處理步驟來移除導體基材110上的摻質殘留層120b之外，還可濕式蝕刻來移除，其例如是使用氫氟酸等蝕刻液。
接著，請參考圖2E，在移除半導體基材110後表面110b的摻質殘留層120b以使半導體基材110暴露出來之後，緊接著於暴露的半導體基材110後表面110b上形成鈍化層140，其材質可為氧化矽、氮化矽、氧化鋁或碳化矽。
之後，分別於抗反射層130與鈍化層140上形成第一電極150與第二電極160，如圖1所示。第一電極150與第二電極160的材料可包括金屬材料或透明導電物。而形成第一電極150與第二電極160例如是採用已知的網印、蒸鍍或濺鍍等等程序而形成。
值得一提的是，上述太陽能電池是採用背面點接觸製程來形成，因而其可使第二電極160產生BSF效果，以增加電池內載子的收集，並可回收未被吸收的光子，如此可提升太陽能電池的轉換效能。但是在形成鈍化層140前，若沒有移除如圖2D所示的摻質殘留層120b，上述BSF效果便會降低，而不利於太陽能電池轉換效能的提升。以下特舉出實驗例以及比較例以進一步說明以本發明之方法所製造的太陽能電池相較於一般採用背面點接觸製程的太陽能電池確實具有較佳的效能。
實驗例
利用本發明之方法所製作的太陽能電池，在半導體基材的後表面形成鈍化層之前，會先利用氫氣電漿移除半導體基材的後表面的摻質殘留層。
比較例
製程或材料皆與實驗例相同，差別在於在半導體基材的後表面形成鈍化層前，半導體基材的後表面未經處理，因而在半導體基材的後表面110b仍留有摻質殘留層。
在相同條件下，量測兩電池的電池特性，結果如表一所示。
由表一可知，實驗例的電池開路電壓(open-circuit voltage)為0.622V，較比較例的開路電壓高(0.613V)；而短路電流密度(short-circuit current density)也因鈍化效果提升的關係，從35.78mA/cm2 提升至36.122mA/cm2 。其它如填充因子(filling factor)和光電轉換效率等特性，實驗例的表現也都較比較例表現佳。
綜上所述，本發明之太陽能電池的製造方法在製作鈍化層前，先利用電漿氣體或是蝕刻等等方式，將半導體基材的後表面的摻質殘留層移除。將摻質殘留層移除有利於以背面點接觸電極所製出的太陽能電池產生較佳的BSF效應。另外，將半導體基材的後表面的摻質殘留層移除之後，其片阻值較未經處理過的基材後表面的片阻值分佈較為均勻，可有效提升太陽能電池的轉換效率。特別是，若是以氫氣電漿來移除摻質殘留層還可同時將氫離子佈植於半導體基材的後表面，因而可達到去除摻質殘留層與體鈍化的雙重作用，既可節省製程時間與成本，還提高本發明的實用性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．太陽能電池
110．．．半導體基材
110a．．．前表面
110b．．．後表面
120a．．．摻質層
120b．．．摻質殘留層
121a．．．摻質材料層
121b．．．摻質溢鍍層
130．．．抗反射層
140．．．鈍化層
150．．．第一電極
160．．．第二電極
圖1是本發明之一實施例之太陽能電池的剖面圖。
圖2A至圖2E是根據本發明之實施例之太陽能電池的製造流程剖面示意圖。
100．．．太陽能電池
110．．．半導體基材
120a．．．摻質層
130．．．抗反射層
140．．．鈍化層
150．．．第一電極
160．．．第二電極

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池的製造方法，包括：提供一半導體基材，其具有一前表面以及一後表面；在該半導體基材的前表面沈積一摻質材料層，且在此同時該半導體基材的後表面會被沈積上一摻質溢鍍層，其中於沈積該摻質材料層的過程中，該摻質材料層的摻質擴散至該半導體基材的該前表面內以形成一摻質層，且摻質溢鍍層的摻質擴散至該半導體基材的該後表面內以形成一摻質殘留層；移除該摻質材料層與該摻質溢鍍層；於該半導體基材上的該摻質層上形成一抗反射層；移除該半導體基材上的該摻質殘留層，以暴露出該半導體基材的表面；於暴露的該半導體基材的表面上形成一鈍化層；以及於該抗反射層上形成一第一電極，且於該鈍化層上形成一第二電極，其中移除該半導體基材上的該摻質殘留層的方法包括進行一電漿處理步驟，該電漿處理步驟是使用氫氣電漿，且該電漿處理步驟的一負脈衝電壓是在-500 V和-5 kV之間，供應該負脈衝電壓的時間是在1μsec與20μsec之間，該脈衝頻率是在100 Hz與20 kHz之間，且處理時間是在1分鐘與100分鐘之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中該電漿處理步驟是使用氬氣電漿。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中移除該半導體基材上的該摻質殘留層的方法包括進行一濕式蝕刻。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中該濕式蝕刻是使用氫氟酸蝕刻液。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中該摻質層為n型摻質層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中該摻質材料層包括POCl3 。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中所述半導體基材為p型半導體基材。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中該摻質殘留層為n型殘留層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中該抗反射層與該鈍化層之材質分別包括氧化矽、氮化矽、氧化鋁或碳化矽。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的製造方法，其中該第一電極與第二電極的材料包括金屬材料或透明導電氧化物。
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