TWI400352B - 提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法 - Google Patents

提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法 Download PDF

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Description

提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法
本發明係有關於一種提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，尤指涉及一種可簡化太陽電池元件製程，特別係指利用常壓式化學氣相沉積設備方法(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition,APCVD)，直接將矽奈米線(Silicon Nanowires,SiNWs)成長在非西門子法冶金級矽材料基板上，俾以製作與獲得一種能更易於被廣泛推廣應用之低成本之矽基太陽電池元件者。
由於全球人口之快速成長，為追求文明之進步及生活品質之提昇，結果不僅係對能源之需求呈現快速成長，亦導致主要產生能源之石化原料儲藏量快速減少，於形成能源價格高漲之同時，更造成地球暖化、氣候變遷及環境污染等問題，對人類未來生存環境形成潛在之危機。
太陽能係綠色與永續之能源，其照射至地球一天之能量，相當於全世界人口一年之能源需求量，因此，如何以低廉之價格使用太陽能及推廣使用，已為全球各國努力之目標。
迄今至2009年底為止，結晶矽太陽電池之市場佔有率仍為全球太陽電池市場之80%以上，至少未來十年間，其仍為全球太陽電池市場之主流。其中薄膜太陽電池之市場佔有率約為10～20%左右，主要係以銅銦硒化鎵(Copper Indium Gallium Diselenide,CIGS)與非晶矽薄膜太陽電池為主。因此，為期能廣泛地推廣使用太陽能，太陽電池製作成本係重要之關鍵因素，針對此議題，如何發展出一種低成本矽基太陽電池之製備方法為首要研究方向。
傳統或市場上之結晶矽太陽電池產品，主要係採用西門子法製作之矽晶片，缺點係技術門檻高，包含設備投資與生產成本皆高，其在2008～2009年間，西門子法矽材料價格曾高達約500美元/公斤(USD/kg)高價位水準，目前雖已跌落至50～60USD/kg左右，惟其太陽電池產品之發電成本仍高傳統石化原料之發電成本達數倍，甚至於高達10倍水準。
此外，薄膜太陽電池雖聲稱其生產成本能降低至可接受之程度，惟其主要之缺點有初期設備投資甚高，及較低轉換效率與不穩定性等問題。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可簡化太陽電池元件製程，係利用常壓式化學氣相沉積設備方法，直接將矽奈米線成長在非西門子法冶金級矽材料基板上，俾以製作與獲得一種能更易於被廣泛推廣應用之低成本之矽基太陽電池元件者。
為達以上之目的，本發明係一種提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，係利用常壓式化學氣相沉積設備方法，於純度小於5N(99.999%)之低成本P-型(或N-型)提純冶金級矽基板材料上，以金屬鎳薄膜為催化劑材料，成長N-型(或P-型)之矽奈米線，形成太陽電池之P-N結構；最後再利用網版印刷設備方法，及銀膠與鋁膠等材料，分別製作正面與背面電極，以獲得一提純冶金級矽為基板矽奈米線太陽電池元件。
請參閱『第1圖～第8圖』所示，係分別為本發明之製備流程示意圖、本發明選擇之基板示意圖、本發明之覆膜製程示意圖、本發明之升溫製程示意圖、本發明之矽奈米線製程示意圖、本發明之P-N接面結構示意圖、本發明之透明導電電極與網版印刷製程示意圖、及本發明之銀膠正面電極之上視圖案示意圖。如圖所示：本發明係一種提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，係至少包含下列步驟：
(A)基板選取製程11：如第2圖所示，選取一純度小於5N(99.999%)，及厚度小於或等於200微米(μm)之提純冶金級矽塊材1作為基板用，其中，該提純冶金級矽塊材1係為P-型或N-型之提純冶金級矽基板，本實施例係以P-型提純冶金級矽塊材1為例；
(B)覆膜製程12：如第3圖所示，將該提純冶金級矽塊材1經標準之矽材料表面清潔程序後，置入一電子槍蒸鍍設備中，於該P-型提純冶金級矽塊材1之上表面被覆一金屬鎳薄膜2，該金屬鎳薄膜2厚度係介於30～100奈米(nm)範圍，係作為下一步驟生長矽奈米線(Silicon Nanowires,SiNWs)之催化劑材料；
(C)升溫製程13：如第4圖所示，將完成被覆金屬鎳薄膜2之P-型提純冶金級矽塊材1，置入一常壓式化學氣相沉積設備(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition,APCVD)之反應室3內石墨盤31上面進行升溫處理，利用該APCVD反應室3外盤繞之射頻線圈32加熱該APCVD反應室3內之石墨盤31，使該金屬鎳薄膜與該提純冶金級矽塊材1形成水滴狀鎳-矽(Ni-Si)液態合金4，其中，該水滴狀Ni-Si液態合金4係以奈米尺寸分佈在該提純冶金級矽塊材1之上表面，且每一水滴狀Ni-Si液態合金4，係作為下一步驟矽奈米線成長之起始點，即類似化學製程中之催化劑功能；
(D)矽奈米線製程14：如第5圖所示，在矽奈米線製程溫度介於650～700℃範圍下，以二矽乙烷(Disilane,Si2H6)氣體作為矽奈米線之製程氣體，氫氣(H2)氣體作為該Si2H6氣體之載運氣體，並提供一乙硼烷(Diborane,B2H6)氣體作為摻雜氣體，經過1～10分鐘(mins)之製程時間後，將由該P-型提純冶金級矽塊材1上表面每一水滴狀Ni-Si液態合金4為起始點，成長出一至少大於10μm長度之P-型矽奈米線5，其中，上述矽奈米線主要之成長機制係1960年代中期，Wagner and Ellis(Appl.phys.lett.,1964,4,89)所提出之氣-液-固(Vapor-Liquid-Solid,VLS)機制(Mechanism)，故在此不多作贅述；
(E)P-N接面結構製程15：如第6圖所示，提供一磷化氫(Phosphine,PH3)氣體作為另一摻雜氣體，在擴散溫度約為800℃下，俾使每一根P-型矽奈米線5外表面形成一N-型薄層結構6，構成P-N接面；以及
(F)透明導電電極與網版印刷製程16：如第7圖所示，依序先進行透明導電電極離子濺射被覆處理，形成一透明導電電極7，接著進行一銀膠正面電極8與鋁膠背面電極9之網版印刷處理，俾利於完成一低製作成本之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件，其中，該銀膠正面電極8上視圖案如第8圖所示。
若上述提純冶金級矽塊材為N-型形式，則步驟(D)將改以磷化氫作為摻雜氣體，進而成長出一N-型矽奈米線，並在步驟(E)P-N接面結構製程中，改以乙硼烷為摻雜氣體，進而使每一根N-型矽奈米線外表面形成一P-型薄層結構。
本發明主要之技術特徵係採用常壓式化學氣相沉積及網版印刷設備方法，使用較傳統太陽電池更少之製程，與較低之設備投資成本，且使用極少量之矽材料，如矽奈米線，以及較低成本之冶金級矽基板材料，可在冶金級矽基板材料上，成功成長矽奈米線，進而製作與獲得一低成本之矽基太陽電池元件。當運用時，係利用常壓式化學氣相沉積設備方法，於純度小於5N(99.999%)之低成本P-型(或N-型)提純冶金級矽基板材料上，以金屬鎳薄膜為催化劑材料，成長N-型(或P-型)之矽奈米線，形成太陽電池之P-N結構；最後再利用網版印刷設備方法，及銀膠與鋁膠等材料，分別製作正面與背面電極，以獲得一提純冶金級矽為基板矽奈米線太陽電池元件。
藉此，本發明之主要特色為：採用無需真空系統之常壓式化學氣相沉積設備方法，直接成長矽奈米線；使用極少量之矽材料，即矽奈米線作為太陽光吸收層；以低成本之非西門子法冶金級矽材料作為基板材料，其製作成本約為西門子法結晶矽材料之1/10左右；本發明之技術重點，係結合上述1、2、3點等三項技術，成功利用常壓式化學氣相沉積設備方法，將矽奈米線成長在非西門子法冶金級矽材料基板上；以及簡化太陽電池元件製程，製作提純冶金級矽為基板矽奈米線太陽電池元件，可省略傳統太陽電池元件製程中化學溶液之表面粗糙化製程與氮化矽抗反射薄膜(SiNx)製程等，進一步降低初期設備廠房投資成本，與太陽電池元件生產成本。
因此，使用本發明技術係可獲得一種低成本之矽基太陽電池，能更易於被廣泛推廣應用。
綜上所述，本發明係一種提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，可有效改善習用之種種缺點，係利用常壓式化學氣相沉積設備方法，於純度小於5N(99.999%)之低成本P-型(或N-型)提純冶金級矽基板材料上，以金屬鎳薄膜為催化劑材料，成長N-型(或P-型)之矽奈米線，形成太陽電池之P-N結構，最後再利用網版印刷設備方法，及銀膠與鋁膠等材料，分別製作正面與背面電極，以獲得一低成本之提純冶金級矽為基板矽奈米線太陽電池元件，藉此能更易於被廣泛推廣應用，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
11．．．步驟(A)基板選取製程
12．．．步驟(B)覆膜製程
13．．．步驟(C)升溫製程
14．．．步驟(D)矽奈米線製程
15．．．步驟(E)P-N接面結構製程
16．．．步驟(F)透明導電電極與網版印刷製程
1．．．提純冶金級矽塊材
2．．．金屬鎳薄膜
3．．．APCVD反應室
31．．．石墨盤
32．．．射頻線圈
4．．．鎳-矽液態合金
5．．．矽奈米線
6．．．薄層結構
7．．．透明導電電極
8．．．銀膠正面電極
9．．．鋁膠背面電極
第1圖，係本發明之製備流程示意圖。
第2圖，係本發明選擇之基板示意圖。
第3圖，係本發明之覆膜製程示意圖。
第4圖，係本發明之升溫製程示意圖。
第5圖，係本發明之矽奈米線製程示意圖。
第6圖，係本發明之P-N接面結構示意圖。
第7圖，係本發明之透明導電電極與網版印刷製程示意圖。
第8圖，係本發明之銀膠正面電極之上視圖案示意圖。
11-16．．．步驟

Claims (10)

  1. 一種提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，係至少包含下列步驟：(A)基板選取製程：選取一純度小於5N(99.999%)，及厚度小於或等於200微米(μm)之提純冶金級矽塊材作為基板用；(B)覆膜製程：將該提純冶金級矽塊材經標準之矽材料表面清潔程序後，置入一電子槍蒸鍍設備中，於該提純冶金級矽塊材之上表面被覆一金屬鎳薄膜；(C)升溫製程：將完成被覆金屬鎳薄膜之提純冶金級矽塊材，置入一常壓式化學氣相沉積設備(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition,APCVD)之反應室內進行升溫處理，使該金屬鎳薄膜與該提純冶金級矽塊材形成鎳-矽(Ni-Si)液態合金並呈水滴狀，其中，該水滴狀Ni-Si液態合金係以奈米尺寸分佈在該提純冶金級矽塊材之上表面；(D)矽奈米線製程：以二矽乙烷(Disilane,Si2H6)氣體作為矽奈米線之製程氣體，氫氣(H2)氣體作為該Si2H6氣體之載運氣體，並提供一摻雜氣體，由該提純冶金級矽塊材上表面每一Ni-Si液態合金水滴為起始點，成長出一至少大於10μm長度之矽奈米線(Silicon Nanowires,SiNWs)；(E)P-N接面結構製程：提供另一摻雜氣體，使每一根矽奈米線外表面形成一薄層結構，構成P-N接面；以及(F)透明導電電極與網版印刷製程：依序先進行透明導電電極離子濺射被覆處理，接著進行銀膠正面電極與鋁膠背面電極之網版印刷處理，俾利於完成一提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該提純冶金級矽塊材係為P-型或N-型之提純冶金級矽基板。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該金屬鎳薄膜厚度係介於30～100奈米(nm)範圍。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該金屬鎳薄膜係為生長矽奈米線之催化劑材料。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該步驟(D)矽奈米線製程溫度係介於650～700℃範圍。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該步驟(D)摻雜氣體係可為乙硼烷(Diborane,B2H6)或磷化氫(Phosphine,PH3)中擇其一。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該步驟(D)矽奈米線製程時間係介於1～10分鐘(mins)範圍。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該矽奈米線係為P-型或N-型之太陽光吸收層。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該步驟(E)摻雜氣體係可為磷化氫或乙硼烷中擇其一。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之提純冶金級矽基板矽奈米線太陽電池元件之製備方法，其中，該步驟(E)P-N接面結構製程擴散溫度係為800±10℃。
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