TWI392101B

TWI392101B - 具有抗反射表面的太陽電池及其製造方法

Info

Publication number: TWI392101B
Application number: TW097111793A
Authority: TW
Inventors: Chii Rong Yang; Shu Fang Chang; Hsing Shian Lee; Mao Jung Huang
Original assignee: Univ Nat Taiwan Normal
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-04-01
Also published as: TW200941740A

Description

具有抗反射表面的太陽電池及其製造方法

本發明係與太陽電池製作有關，尤指具有結合充放電功能於單一元件的太陽電池。

太陽能電池製作技術現在已大致完備，而為了追求更高的光電轉換效率，其中一種方法就是盡量避免光線被反射，而使表面粗糙化即為避免光線反射的其中一種方式，因此就發展出了將太陽電池的表面予以粗化的製造方法，以及具有粗糙表面的太陽電池。

這種傳統、典型的太陽電池的製造大致上就是在矽基板上進行粗糙化的製程，之後便是形成N型矽層，接著再上一層抗反射膜，然後再以如網版印刷的方式定義電極，如此太陽電池即告完成。然而，目前的在太陽電池表面(通常就是在矽基板上)所進行的粗糙化，其所達到的抗反射的效果有限，原因在於粗糙的程度不足，致使仍有大部分的光線被反射而離開太陽電池，因而造成浪費。

這個技術已行之有年，但是對於這個技術中關於抗反射的關鍵技術，即在矽基板表面作粗製化的動作，並無根本性的改革，也就是說習用技術的粗製化動作並不能達到高深寬比的需求，而也唯有高深寬比的表面才能夠使太陽電池具有較佳的抗反射性能。此夕卜，習用的太陽電池在低電量供電時，往往需要外加電容器與蓄電池導致成本上升，所以唯有在製作太陽能電池技術上作到重大的革新，才能在大幅提昇性能的同時，可以維持甚至是以更大規模的生產，產生以量制價避免成本過高的效果，並進而能薄利多銷。

因此，在現行的太陽電池技術領域中，迫切的需要一種可以解決表面粗糙程度不足，以及因應低電量負載需要二次電池作蓄電等問題的技術。

有鑑於以傳統的太陽電池的製作方法對於抗反射效能的提昇極為有限，並且為達到提升高電量的輸出效能，以及解決低電量負載所伴隨之蓄電池的增設問題而導致的成本增加問題。本發明在矽基表面上作高深寬比的結構，並更進一步的將結合太陽電池與電容器這兩者的製程，進而製作成一個能夠蓄電以及放電的功能的矽基光電容，故本發明可以大幅的降低製作成太陽電池模組的成本並以高深寬比結構提高光電轉換效率，進而完成高效率高容量的太陽電池。且本發明的電容器的製造方法可以應用在各種類型的太陽電池上，只要針對各種基材，修正電容電極製程的方式即可。

為了達到上述之目的，本發明提供一種具有抗反射表面的太陽電池之製造方法，包括下列步驟：(1)提供一P型矽基板；(2)形成一背表面電場於該P型矽基板上；(3)形成一蝕刻窗於該P型矽基板；(4)在該蝕刻窗下的該P型矽基板上蝕刻出複數個深凹型結構，而相鄰的二深凹型結構之間則成為一凸出部；(5)形成一N型矽層於該P型矽基板上；以及(6)於該凸出部上的該N型矽層上形成一正面電極；(7)於背表面電場上形成一電容器上電極；(8)於電容器上電極下方形成高介電材料作為介質層；(9)於電容器介質層下方形成下電極。

如上所述的方法，其中步驟(3)的該蝕刻窗是以微影蝕刻的方式製造。

如上所述的方法，其中所述微影蝕刻是黃光微影蝕刻。

如上所述的方法，其中步驟(3)更包括下列步驟，(3－1)形成一氮化矽層於該P型矽基板上；(3－2)以一光阻層於該氮化矽層上定義出一圖形；以及(3－3)蝕刻該氮化矽層以形成該蝕刻窗。

如上所述的方法，其中步驟(3－2)係以黃光微影來定義該圖形。

如上所述的方法，其中該光阻層係使用正光阻，故受到曝光的正光阻被顯影液洗去，未被曝光的正光阻即定義出該圖形。

如上所述的方法，其中步驟(4)更包括，(4－1)在該蝕刻窗下的該P型矽基板上，形成一呈漸縮狀的坑；以及(4－2)蝕刻出該深凹型結構。

如上所述的方法，其中該坑係呈逆金字塔形。

如上所述的方法，其中該坑具有一尖形凹點。

如上所述的方法，其中該坑係以氮氧化鉀(KOH)腐蝕該P型矽基板而成。

如上所述的方法，其中該蝕刻窗係以反應式離子蝕刻(RIE)形成。

如上所述的方法，其中步驟(4)是以電化學蝕刻的方式製造該深凹型結構。

如上所述的方法，其中所述電化學蝕刻是光輔助的電化學蝕刻。

如上所述的方法，其中該正面電極是以選自濺鍍與網印中的一種來形成。

為了達到上述之目的，本發明另提供一種具有抗反射表面的太陽電池，包括一P型矽基板，具有一深凹形結構；一N型矽層，位於該P型矽基板上；一正面電極，位於該N型矽層上；以及一背表面電極，位於該P型矽基板的背表面。

如前所述的太陽電池，其中該深凹形結構是一方形深孔，該方形深孔的邊長是四十微米以下。

如前所述的太陽電池，其中該深凹形結構是以光輔助電化學蝕刻製造而成。

如前所述的太陽電池，其中在該背表面電極上更具有一蝕刻導電層。

如前所述的太陽電池，其中該深凹形結構是以光輔助電化學蝕刻製造，且該P型矽基板上所具有一蝕刻導電層亦是一電容器的上電極。(如果蝕刻導電層可以這麼轉用)

如前所述的太陽電池，其中該深凹形結構是由複數個方形深孔所組成的陣列，各該方形深孔的間距是十微米。

如前所述的太陽電池，其中該深凹形結構的深度在一百微米至兩百微米之間。

如前所述的太陽電池，其中該N型矽層內摻雜有具五價原子的雜質。

如前所述的太陽電池，其中在該N型矽層上更具有一抗反射膜。

如前所述的太陽電池，其中該抗反射膜，包含ㄧ第一層抗反射膜，其材料選自二氧化矽(SiO₂ )、類鑽碳(DLC)、二氧化鈰(CeO₂ )、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、氟化鎂(MgF₂ )以及氮化矽(Si₃ N₄ )中的一種；以及一第二層抗反射膜，其材料選自硫化鋅(ZnS)、二氧化鈦(TiO₂ )及氧化鉭(TaO₅ )中的一種，其中該第二層所選的材料之折射率大於該第一層所選擇的材料。

如前所述的太陽電池，其中該正面電極與該背面電極是各自從金、銀、鋁中選擇一種作為材料。

如前所述的太陽電池，其中該正面電極與該背面電極是各自從濺鍍、蒸鍍、與網印中選擇一種方法來形成。

為了達到上述之目的，本發明又提供一種具有抗反射表面的太陽電池的製造方法，其特徵在於，在一P型矽基板上以電化學蝕刻技術蝕刻出複數個深凹型結構。

較佳者，其中兩個該深凹型結構之間是一凸出部。

較佳者，其中在蝕刻出該複數個深凹型結構後，更在該P型矽基板上形成一N型矽層，之後再於該N型矽層上位於該凸出部的部分，形成正面電極。

較佳者，其中該電化學蝕刻是光輔助電化學蝕刻。

較佳者，其中，於蝕刻出該複數個深凹型結構之後，更在該P型矽基板上以選自熱擴散法(Thermal diffusion)與離子佈植法(Ion implantation)中的一種方法，形成一N型矽層。

較佳者，其中在蝕刻出該複數個深凹型結構後，更在該P型矽基板上形成一N型矽層，之後於該N型矽層上更以選自物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、旋轉塗覆(spin－on deposition)、噴射沉積(spray deposition)與浸鍍(dip coating)中的一種方法，形成一抗反射膜於該N型矽層上。

請參見圖1，為本發明以LPCVD製程於P－type晶片上成長氮化矽薄膜之示意圖。其中揭示了一P型矽基板1上形成氮化矽層2。

請參見圖2，為本發明將背面氮化矽薄膜移除並擴散形成背表面電場(Back surface fiedld,BSF)之示意圖。其中，在形成背表面電場3之前，先將P型矽基板1背面的氮化矽層2予以去除，並在形成了背表面電場3之後，再於背表面電場3上濺鍍氮化矽層2。

請參見圖3，為本發明以黃光微影製程技術製作出氮化矽之蝕刻窗示意圖。其中揭示了一P型矽基板1，包含一個以氮化矽沉積材料形成的氮化矽層2，背表面電場3，黃光微影所使用的光罩4，以本實施例而言，黃光微影所使用的是S1813正光阻5。因此光阻可以透過光罩的遮蔽，讓照到光的光阻不能抵擋顯影液，而被清洗掉，而留下未被曝光的光阻5用以定義出圖案。因此，圖3所示的正光阻5是已經被清洗而後的狀態，亦即未受正光阻5所保護的氮化矽層2會被腐蝕。

請參見圖4，為本發明以反應式離子蝕刻(RIE)蝕刻氮化矽示意圖。其中揭示了一P型矽基板1，包含一氮化矽層2。由於被光阻5(請配合圖3)所覆蓋的氮化矽層2可以不被RIE蝕刻，如此便可得到蝕刻窗20，而矽基板1的蝕刻則由KOH或TMAH蝕刻液執行。

請參見圖5，為本發明以KOH蝕刻液蝕刻出預蝕坑示意圖。其中P型矽基板1上已形成有背表面電場3，而在背表面電場3與P型矽基板1的正面上均有氮化矽層2作為避免受侵蝕的保護層。再者，由於有蝕刻窗20，故而其下方的P型矽基板1則會被KOH所侵蝕而呈現漸縮狀的預蝕坑10’，以側剖面來看大致上呈現倒三角形，也可說是像逆金字塔形，係因KOH非等向性蝕刻的關係。當坑10’完成之後，便將P型矽基板1背面的氮化矽層2予以去除，再濺鍍上蝕刻導電層6(請配合圖6)，此蝕刻導電層6通常以鉻、銅為材料，並係用以產生光輔助電化學蝕刻所需的電場。

請參見圖6，為本發明以光輔助電化學蝕刻出高深寬比結構之示意圖。其中揭示了一P型矽基板1，上有一氮化矽層2，當圖5的預蝕坑10’完成後，接著便順著預蝕坑10’繼續向P型矽基板1內部蝕刻，並進而形成了多個深凹型結構10，而兩個深凹型結構10之間則相對地成為凸出部12

通常要蝕刻出深凹型結構10是有很多種方法，然而以目前的技術而言，光輔助電化學蝕刻可以說是在品質與價格方面均具有相當的優勢，可說是物美價廉，故若選用光輔助電化學蝕刻製造深凹型結構10，那麼蝕刻導電層6就顯得必要，而P型矽基板1上的預蝕坑10’也必須是呈漸縮狀，並且最好於預蝕坑10’底形成尖形凹點，若為逆金字塔形則最好，並利用其形狀在光輔助電化學蝕刻的作業中繼續的蝕刻下去得到高深寬比的結構。基本上，高深寬比的結構(深凹型結構)是為了防止光線自當中逃逸，因此深度要夠，本發明的深凹型結構10的深度則大約在一百至兩百微米，而相鄰的深凹型結構10的間隔約為十微米，而若深凹型結構為一深孔、或方形深孔，則其邊長為四十或四十微米以下。

請參見圖7，為本發明以熱擴散法定義出P－N接面之示意圖。其中是將P型矽基板1正面的氮化矽2以及其背面的蝕刻導電層6去除後，並以射頻濺鍍的方式在P型矽基板1背面定義出氮化矽2，接著以熱擴散法(Thermal diffusion)或離子佈植法(Ion implantation)在P型矽基板1的正面上形成一N型矽層7並定義出P－N接面。之後再將氮化矽2去除。

請參見圖8，為本發明以濺鍍製程於深凹形表面上成長氮化矽薄膜之示意圖。其中揭示了一P型矽基板1上形成氮化矽層(抗反射層)7a。為了盡可能的避免反光造成光能的損失，本發明亦為太陽電池提供一抗反射膜(請配合圖8)，而較佳的方式是以多層膜的方式設置抗反射膜，通常具有兩層，一個第一層抗反射膜、一個第二層抗反射膜。其中第一層抗反射膜，其材料選自二氧化矽(SiO₂ )、類鑽碳(DLC)、二氧化鈰(CeO₂ )、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、氟化鎂(MgF₂ )以及氮化矽(Si₃ N₄ )中的一種；而第二層抗反射膜，其材料選自硫化鋅(ZnS)、二氧化鈦(TiO₂ )及氧化鉭(TaO₅ )中的一種，且第二層所選的材料之折射率大於該第一層所選擇的材料。

至於上述的抗反射膜則以選自物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、旋轉塗覆(spin－on deposition)、噴射沉積(spray deposition)與浸鍍(dip coating)中的一種方法，形成於N型矽層7上。

請參見圖9，為本發明以網版印刷的方式定義出上電極之示意圖。其中揭示了一P型矽基板1，包含一N型矽層7，以網印後必須經過燒結製程，如此才能夠讓金屬部分與N型矽層導通。若以黃光微影蝕刻的方式去定義出正面電極5b，此電極通常係是金、銀或鋁製，並且透過蒸鍍、網印或是濺鍍的方式形成在N型矽層7上。如以黃光微影蝕刻製程(本圖未揭示)，係在濺鍍機沉積材料如銀之後，用黃光微影製程以S1813作為遮罩定義出銀的蝕刻窗，此銀蝕刻窗下的銀即是不需要的銀，之後就被蝕刻，而僅留下可以作為正面電極5b的銀。

請參見圖10，為本發明形成背面電極之示意圖。其中揭示了一P型矽基板1，而在P型矽基板1的上面(正面)形成了一N型矽層7，而P型矽基板1的下面(背面)則有一背表面電場3，而在N型矽層7上則形成有一正面電極5b。又，在背表面電場3上則還形成一背面電極5a。如有必要或材料合適，則原來的蝕刻導電層6亦可直接作為電容器上電極之用。

總體而言，本發明可透過圖11作一最簡單卻也清楚的說明。請參閱圖11，為本發明的深凹型結構的形成示意圖。其中顯示本發明實際上就是要在太陽電池的主要結構，P型矽基板(P型矽層)1上，想辦法產生出深凹形結構10，但是，所謂的深凹形與細長形凸出結構僅為一體的兩面，因此理論上凸出部12亦可以逐層累積的方式成形，然於此並不作深入討論。請繼續參閱圖11，本發明揭露的是利用蝕刻的方式製造深凹形結構10，除了之前所述的光輔助電化學蝕刻的方法之外，亦可以使用乾式蝕刻來製造之，如圖11所示在未有保護層2’的P型矽基板1受到蝕刻而凹陷。此外，由於是以乾式蝕刻製造深凹形結構10，故在深凹形結構10中沒有如前所顯示的逆金字塔形狀。

請參見圖12，為本發明形成電容器的介質層之示意圖。其中揭示了P型矽基板1亦具有深凹型結構10，而在P型矽基板1上則更形成了N型矽層7與抗反射膜7a，而在背表面電場3下形成有電容器上電極5a，另外，正面電極5b則設置於N型矽層7上並與之電連接，其中，在電容器上電極5a形成之後，於其上一部份位置貼設一真空膠帶5c，之後再於電容器上電極5a和真空膠帶5c下方形成一通常以二氧化鈦製造的介質層8。為了與積體電路製程整合，此介質層8通常以濺鍍的方式加以定義，然而亦不限於以濺鍍之方式形成。此處所述的電容器上電極5a其實就所在位置而言即是前述的背面電極5a，也就是說之前所述的背面電極5a在實際應用上可以作為電容器的上電極之用，因此若背面電極5a要作為電容器上電極，則材料的選擇上則以電容器上電極所需者為優先。

請參見圖13，為本發明形成電容器下電極之示意圖。其中揭示了P型矽基板1、N型矽層7、抗反射膜7a、電容器上電極5a、正面電極5b，以及介質層8。此外，尚有一電容器下電極5d形成於該介質層8的下方，如此一來，電容器上電極5a、介質層8、與電容器下電極5d三者就是一個完整的電容器，為了與積體電路製程整合，此電容器下電極5d通常以濺鍍的方式加以定義，然而亦不限於以濺鍍之方式形成。

請參閱圖14，為本發明旋轉塗佈方式定義絕緣層之示意圖。其中揭示了P型矽基板1、N型矽層7、抗反射膜7a、背表面電場3、電容器上電極5a、正面電極5b、介質層8以及電容器下電極5d。本發明之目的除了要在矽基表面上作高深寬比的結構之外，並更進一步的將結合太陽電池與電容器這兩者的製程，進而製作成一個能夠蓄電以及放電的功能的矽基光電容。因此在設置另一個電容器之前，在之前的電容器下電極5d上先貼設一真空膠帶5c，之後再以如旋轉塗佈的方式定義絕緣層5e，作為兩個電容器之間的絕緣之用。

請參閱圖15，為本發明第二個電容器之示意圖。承圖14，在絕緣層5e形成完畢之後，即形成第二個電容器的電容器上電極5a，之後黏貼真空膠帶5c，爾後再依序型成一介質層8與第二個電容器的電容器下電極5d

請參閱圖16，為本發明移除真空膠帶露出接線區之示意圖。承圖15，當第二個電容器完成之後，將各個真空膠帶5c移除，因此第一個電容器的電容器上電極5a、電容器下電極5d與第二個電容器的電容器上電極5a就可以裸露出來方便接線。

請參閱圖17，為本發明將電容器並聯之示意圖。本圖揭露了P型矽基板1、背表面電場3、N型矽層7、抗反射膜7a、正面電極5b、電容器上電極5a、真空膠帶5c、介質層8、以及電容器下電極5d。其中比較特別的是，由於電容器是可以並聯的，因此圖14至圖16的步驟即可在太陽電池上形成多個電容器，一如圖17所示，其中揭露了兩個電容器上電極5a、兩個介質層8、與兩個電容器下電極5c，因此圖17所示的太陽電池的實施例就有兩個電容器，其中兩個電容器下電極5d與正面電極5b透過一第一導線9a連接，同理，兩個電容器上電極5a則以一第二導線9b連接。此外，兩個電容器兩兩之間有一絕緣層5e以防止導電。至於最後，第一導線9a與第二導線9b則可以再電連接一負載，亦即太陽電池對該負載提供電力。

本發明遭熟習技術領域之人所任為匠思之修飾，皆不脫本發明申請專利範圍之保護。

1‧‧‧P型矽基板

10‧‧‧深凹形結構

10’‧‧‧預蝕坑

12‧‧‧凸出部

2‧‧‧氮化矽層

2’‧‧‧保護層

20‧‧‧蝕刻窗

3‧‧‧背表面電場

4‧‧‧光罩

5‧‧‧光阻

5a‧‧‧背面電極(電容器上電極)

5b‧‧‧正面電極

5c‧‧‧真空膠帶

5d‧‧‧電容器下電極

5e‧‧‧絕緣層

6‧‧‧蝕刻導電層

7‧‧‧N型矽層

7a‧‧‧抗反射層

8‧‧‧介質層

9a‧‧‧第一導線

9b‧‧‧第二導線

圖1，為本發明以LPCVD製程於P－type晶片上成長氮化矽薄膜之示意圖；圖2，本發明以去除氮化矽定義BSF並再次於背面濺鍍氮化矽示意圖；圖3，本發明以黃光微影製程技術製作出氮化矽之蝕刻窗示意圖；圖4，為本發明以反應式離子蝕刻(RIE)蝕刻氮化矽示意圖；圖5，為本發明以KOH蝕刻液蝕刻出逆金字塔形之示意圖；圖6，為本發明以光輔助電化學蝕刻出高深寬比結構之示意圖；圖7，為本發明以熱擴散法定義P－N接面之示意圖；圖8，為本發明以濺鍍製程於深凹形表面上成長氮化矽薄膜之示意圖圖9，為本發明以網印的方式定義出上電極之示意圖；圖10，為本發明形成電容器上電極之示意圖；圖11，為本發明深凹型結構的形成示意圖。

圖12，為本發明形成電容器的介質層之示意圖；圖13，為本發明形成電容器下電極之示意圖；圖14，為本發明旋轉塗佈方式定義絕緣層之示意圖；圖15，為本發明第二個電容器之示意圖；圖16，為本發明移除真空膠帶露出接線區之示意圖；圖17，為本發明將電容器並聯之示意圖；

1‧‧‧P－type矽基板