TWI447929B - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

Description

太陽能電池及其製造方法

本發明係關於一種太陽能電池及其製造方法。

近年來太陽能電池技術迅速發展，太陽能電池正逐漸成為石化燃料的替代能源。各式太陽能電池的種類非常多，主要可分為矽基太陽能電池、化合物半導體太陽能電池及有機太陽能電池等三種。其中，矽基太陽能電池的基本架構可分為P-N二極體(PN Diode)、抗反射層(Antifeflection layer)、和正面電極(Front contact electrode)、及背面電極(Back contact electrode)等四個部份。

在太陽能電池的發展過程中，為了降低太陽能電池的成本，矽基板厚度不斷薄化，但也因而產生了一些問題。其中一個問題為，對於較薄的太陽能電池而言，背面載子的複合現象對電池性能的影響變得十分重要。

在上述基本結構的基礎下，習知技術可藉由鈍化層(Passivation layer)及背面電場(Back surface field,BSF)的作用，避免電池背面載流電子的複合效應使得電池效率降低，進而提升太陽能電池的光電轉換效率。詳細而言，在太陽能電池的正面或背面設置鈍化層，可降低電池表面載子的複合速度，達到提高光電流的作用，甚至還具有保護太陽能電池，防刮傷、防濕氣等功效。而在電池背面塗上鋁膠，鋁膠除了可作為電池的背面電極外，高溫燒結後更可作為背面電場，以增加表面載子的收集效率。

另一種習知的、依據上述方式進行改良的習知技術包括雷射剝蝕法(Laser ablation)及雷射燒結電極法(Laser-fired contacts,LFC)。為了形成局部的背面電場(Local BSF)，上述方法係於電池背面設置一鈍化層或一鈍化層與一鋁金屬層，再利用雷射光於鈍化層或鈍化層與鋁金屬層上穿孔打洞，最後使鋁金屬穿過孔洞而與矽基板形成局部接觸。如此一來即可有效降低鋁背面電場與矽基板間的表面載子複合效應，同時局部的接觸還可避免鋁膠燒結後造成的翹曲及破片現象。

然而，雷射光機台設備的成本昂貴，且不利於大規模的量化生產，其雖提高了太陽能電池的光電轉換效率，但卻反而增加了太陽能電池的製造成本。

因此，如何提供一種太陽能電池及其製造方法，其在提升太陽能電池的光電轉換效率以及產品的可靠度與良率的同時，還可不需使用高成本的雷射機台設備，進而能達到降低生產成本，並提高生產效率的功效，已成為太陽能製造產業的焦點課題。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種太陽能電池及其製造方法，其在提升太陽能電池的光電轉換效率以及製程的可靠度與良率的同時，還可不需使用高成本的雷射機台設備，進而能達到降低生產成本，並提高生產效率的功效。

為達上述目的，依據本發明之一種太陽能電池的製造方法包括以下步驟：提供一基板；將一第一鈍化層形成於基板；將一第一導電材料間隔形成於第一鈍化層；將一第二鈍化層形成於第一鈍化層；以及將一第二導電材料形成於第一導電材料及第二鈍化層，以連接間隔的第一導電材料。

又，為達上述目的，本發明亦提供另一種太陽能電池的製造方法，其包括以下步驟：提供一基板；將一第一鈍化層形成於基板；將一第二鈍化層形成於第一鈍化層；將一第一導電材料間隔形成於第二鈍化層；以及將一第二導電材料形成於第一導電材料及第二鈍化層，以連接間隔的第一導電材料。

在一實施例中，第一鈍化層與第二鈍化層的材料成分相同。

在一實施例中，第一鈍化層的厚度小於第二鈍化層的厚度。

在一實施例中，第一鈍化層與第二鈍化層的材料成分不同。較佳地，第一鈍化層材料的抗穿透性低於第二鈍化層材料的抗穿透性。鈍化層可為介電質材料，例如矽氧化物、氮矽化物、非晶矽、碳化矽，以及氧化鋁等材料。較佳地，第一鈍化層的材料成分為矽氧化層，第二鈍化層的材料成分為氮矽化層。

在一實施例中，第一導電材料與第二導電材料的材料成分不同。當第一導電材料及第二導電材料為糊狀物或膠狀物時，係同時燒結第一導電材料及第二導電材料，使第一導電材料燒結後穿透第一鈍化層及第二鈍化層而同時與基板及第二導電材料連接，且第二導電材料燒結後不穿透第一鈍化層而不與基板連接；當第一導電材料為糊狀物或膠狀物，第二導電材料為金屬固狀物時，係於形成第一導電材料後，燒結第一導電材料，使第一導電材料燒結後穿透第一鈍化層及第二鈍化層而可同時與基板及第二導電材料連接。其中，當第一導電材料及第二導電材料為糊狀物或膠狀物時，第一導電材料的穿透性高於第二導電材料的穿透性。其中，當第一導電材料為糊狀物或膠狀物，第二導電材料為金屬固狀物時，第二導電材料係於第一導電材料金屬化後以濺鍍、蒸鍍或電鍍的方式形成於第一導電材料及第二鈍化層。

在一實施例中，第一鈍化層係設置於基板之一背面，且製造方法更包括以下步驟：於燒結步驟前，將一第三導電材料形成於基板之一正面，使燒結步驟同時燒結第一導電材料、第二導電材料及第三導電材料，或同時燒結第一導電材料及第三導電材料。

為達上述目的，依據本發明如上述任一項所載之製造方法所製成的太陽能電池亦一併揭露。

承上所述，本發明之太陽能電池及其製造方法，係藉由第一鈍化層、第一導電材料、第二鈍化層及第二導電材料的設置，使得第一導電材料及第二導電材料經高溫燒結後，僅有第一導電材料局部接觸基板，而達到形成局部背面電場的目的。與習知相較，本發明利用鈍化層及局部背面電場以提升太陽能電池的光電轉換效率及產品的可靠度與良率，同時可不需使用高成本的雷射機台設備，因而不具有雷射機台成本昂貴、不利於大量化的生產等缺點，進而能達到降低生產成本，並提高生產效率的功效。

此外，藉由第一鈍化層及第二鈍化層的成分、厚度，配合第一導電材料及第二導電材料的成分變化態樣，可使得製成之太陽能電池具有較佳的可靠度及良率，甚至還能提升太陽能電池的性能。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種太陽能電池及其製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為本發明第一較佳實施例之一種太陽能電池的製造方法的步驟流程圖，圖2為依據圖1之製造方法製作太陽能電池時的流程剖面示意圖。須特別說明的是，圖2中各結構的比例關係，為了方便顯示及說明，故可能於實際結構的比例不符，於此僅作為參考而非為限制性者。請同時參考圖1及圖2所示，太陽能電池的製造方法包括步驟S10～S18。

步驟S10係為提供一基板11。基板11的功用係作為太陽能電池中的PN二極體。其中，基板11可為非晶矽基板、單晶矽基板、多晶矽基板或砷化鎵基板等，較佳地N型半導體層與P型半導體層之間更包含I型半導體層(PIN)。

步驟S12為將一第一鈍化層12形成於基板11，形成第一鈍化層12的方式可例如但不限於為化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)等方式。第一鈍化層12可降低電池表面載子的複合速度，達到提高光電流的作用，同時還具有保護太陽能電池，防刮傷、防濕氣等功效。此外，於本實施例中，第一鈍化層12的設置還具有隔離基板11的作用，將於之後的步驟中說明。

步驟S14為將一第一導電材料13間隔形成於第一鈍化層12。第一導電材料13為含導電材質的材料，其可為導電的糊狀物或膠狀物，較佳地例如為一包含鋁金屬氧化物微粒、有機溶劑與有機結合劑以及玻璃粉的混合物，而玻璃粉的成分包含氧化物粉末(例如鉛、鉍、矽、鋅等)。換言之，第一導電材料13之材料可為一般俗稱之鋁膠，並可利用例如但不限於網版印刷(Screen printing)、塗佈等方式設置，在乾燥固化後形成於第一鈍化層12。於此，第一導電材料13係用以與基板11形成金屬接觸。

步驟S16為將一第二鈍化層14形成於第一鈍化層12。第二鈍化層14如同第一鈍化層12可例如但不限於以化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)等方式形成，其作用亦與第一鈍化層12相似。第一鈍化層12與第二鈍化層14的材料成分可為相同或不相同，其不同的變化態樣及功效，將於後續段落詳細說明。

步驟S18為將一第二導電材料15形成於第一導電材料13及第二鈍化層14，其乾燥固化後可連接間隔的第一導電材料13，而成為太陽能電池的背面電極，並且，第二導電材料15還可反射未被吸收的光子，故具有增進光源利用率的作用。第二導電材料15與第一導電材料13的材料成分可不相同，且可利用相同或不同的方式設置，其不同的變化態樣及功效，將於後續段落詳細說明。

在本實施例中，太陽能電池的製造方法可更包括一燒結步驟，用以燒結膠狀或糊狀的第一導電材料13及/或第二導電材料15。燒結步驟係去除材料中可揮發的溶劑，如圖4之步驟流程圖所示，本實施例中係以在步驟S18完成後始進行燒結步驟S19，於例如200～900℃的溫度下烘烤燒結，以使第一導電材料13或第二導電材料15金屬化。詳而言之，燒結步驟S19係同時燒結第一導電材料13及第二導電材料15，使第一導電材料13燒結後穿透第一鈍化層12而與基板11連接，且第二導電材料15燒結後不穿透第一鈍化層12而不與基板11連接。

圖3所示為依據包括燒結步驟之太陽能電池的製造方法，製作太陽能電池時的剖面示意圖。如圖3所示，於此，高溫燒結後之第一導電材料13穿透第一鈍化層12而與基板11部分接觸，而形成局部背面電場，第二導電材料15經燒結後雖可能穿透部份第二鈍化層14，但其不與基板11接觸，因此，第一鈍化層12與第二鈍化層14於此還具有隔離第二導電材料15與基板11的功用。另需注意的是，於步驟S16中，將第二鈍化層14形成於第一鈍化層12的同時，也會將部分第二鈍化層14形成於第一導電材料13，不過由於第二鈍化層14相較第一導電材料13及第二導電材料15而言較薄，且第一導電材料13的表面粗糙，故第二鈍化層14實質上並不會如圖3所示完全覆蓋住第一導電材料13，而不會造成第二導電材料15無法與第一導電材料13連接。再者，在後續燒結步驟S19中，實際上第一導電材料13不僅會穿透第一鈍化層12，也會穿透第二鈍化層14，因此，燒結後的第一導電材料13可同時與基板11及第二導電材料15部分接觸。

鈍化層通常由介電質材料構成，例如可為矽氧化物、氮矽化物、非晶矽、碳化矽，以及氧化鋁等材料。在本實施例中，第一鈍化層12與第二鈍化層14可由不同的介電質材料形成，並且第一鈍化層12材料的抗穿透性低於第二鈍化層材料14的抗穿透性，舉例而言，第一鈍化層12的材料成分可為矽氧化層，第二鈍化層14的材料成分可為氮矽化層。因此，雖第一鈍化層12與第二鈍化層14皆設置有燒結時具穿透性的導電材料，第二導電材料15卻不會穿透第二鈍化層14而僅有第一導電材料13可接觸基板11，進而達成能形成局部背面電場之結構。

另外，在其他實施態樣中，第一鈍化層12與第二鈍化層14也可由相同的介電質材料形成，惟為了同樣能形成局部背面電場，第一鈍化層12的厚度需小於第二鈍化層14的厚度，以避免第二導電材料15穿透而接觸到基板11。

當然，本實施例中之太陽能電池的製作方法，也可同時具有上述第一鈍化層12材料的抗穿透性低於第二鈍化層材料14的抗穿透性，以及第一鈍化層12的厚度小於第二鈍化層14的厚度的技術特徵，以提升太陽能電池的製造良率及可靠度。較佳地，以第一鈍化層12的材料成分為矽氧化層，第二鈍化層14的材料成分為氮矽化層為例，矽氧化層的厚度可例如為10nm～50 nm，氮矽化層的厚度可例如為70nm～140 nm。

第一導電材料13與第二導電材料15的材料成分可相同也可不相同，於本實施例中兩者的材料成分雖不相同但皆為一糊狀或膠狀物質，此物質為一包含導電金屬微粒、有機溶劑與有機結合劑以及玻璃粉的混合物。第一導電材料13及第二導電材料15皆需透過步驟S19進行燒結而金屬化。其中，第一導電材料13的穿透性可高於第二導電材料15的穿透性，使第二導電材料15更不易穿透第二鈍化層14，並且還可以用較低的溫度進行燒結，以避免造成對第二鈍化層14的破壞。配合上述第一鈍化層12及第二鈍化層14的材料或厚度設計，能較佳地完成如圖3所示之結構。具體而言，材料中若含有較多的玻璃粉成分，會使材料具有更強的穿透性，因此，第二導電材料15可摻雜比第一導電材料13較少的玻璃粉成分，而包含較多的導電金屬成分，以於降低第二導電材料15穿透性的同時，也能提升其作為背面電極的導電率。

在另外實施態樣中，第一導電材料13可同為糊狀物或膠狀物質，而第二導電材料15則可變更為金屬固狀物。意即，只有糊狀或膠狀的第一導電材料13需要經由燒結步驟而金屬化，第二導電材料15則否。如此一來，則可如圖5之步驟流程圖所示，燒結步驟S17可於形成第二導電材料的步驟S18之前即進行，其僅燒結第一導電材料13，俾使第一導電材料13燒結後穿透第一鈍化層12而與基板11連接。之後，再於已燒結而金屬化之第一導電材料13及第二鈍化層14形成第二導電材料15，形成後之第二導電材料15層可例如但不限於為一導電金屬層，連接間隔設置的第一導電材料13而形成太陽能電池的背面電極。值得強調的是，雖燒結步驟S17及S19在製造方法中的進行順序不同，但最後經燒結步驟後形成之結構仍相同，兩者同樣具有如圖3所示之剖面結構。

於此，第二導電材料15可以濺鍍、蒸鍍或電鍍等等的方式形成，本發明並不限其形成方式。形成固狀之第二導電材料15的用意在於，此種的第二導電材料15不須經固化燒結，因而不需考慮其燒結時會穿透鈍化層而造成鈍化層損壞的問題，故可達到提高製程良率的功效，同時，第二導電材料15為導電金屬時，其導電率係高於糊狀或膠狀的第二導電材料15，可提升太陽能電池的效率。

此外，如圖6所示，其為依據本發明第一較佳實施例之製作方法製成的太陽能電池1的剖面示意圖。上述之第一鈍化層12、第一導電材料13、第二鈍化層14及第二導電材料15係設置於基板11的背面，且於本實施例之另一實施態樣中，在步驟S19或S17進行前還可更包括以下步驟：將一第三導電材料16形成於基板11之一正面。接著，依據上述第一導電材料13及第二導電材料15成分的不同變化態樣，而可利用步驟S19同時燒結第一導電材料13、第二導電材料15及第三導電材料16，或者可利用步驟S17同時燒結第一導電材料13及第三導電材料16，以完成太陽能電池1的正面電極結構及背面電極結構的製作。於此，因燒結步驟僅需執行一次，故可簡化整體製程。其中，第三導電材料16可例如但不限於為銀膠等金屬膠狀物，其設置方式同樣可例如但不限於網版印刷或塗佈等方式。

圖7為本發明第二較佳實施例之一種太陽能電池的製造方法的步驟流程圖，圖8為依據圖7之製造方法製作太陽能電池時的流程剖面示意圖。如同圖2，圖8中各結構的比例關係，為了方便顯示及說明，故可能於實際結構的比例不符，於此僅作為參考而非為限制性者。請同時參考圖1、圖2、圖7及圖8所示，本實施例中之製造方法係包括步驟S20～S28，圖1與圖7之步驟差異在於，於第一較佳實施例中，係先進行形成第一導電材料13的步驟S14，再進行步驟S16以形成第二鈍化層14，故第一導電材料13係直接形成於第一鈍化層12；而本實施例中係如圖7所示，先形成第二鈍化層14於第一鈍化層12後(步驟24)，再將第一導電材料13形成於第二鈍化層14(步驟26)。

簡而言之，本實施例中之製造方法係為依序於基板11之背面形成第一鈍化層12(步驟22)及第二鈍化層14(步驟24)後，再依序形成第一導電材料13(步驟26)、第二導電材料15(步驟28)、以及較佳地，於基板11之正面形成第三導電材料16。也就是說，本實施例中太陽能電池2的結構依序為第三導電材料16、基板11、第一鈍化層12、第二鈍化層14、第一導電材料13、最後則是第二導電材料15。之後的燒結步驟中，第一導電材料13會穿入第一鈍化層12及第二鈍化層14至與基板11連接，而第二導電材料15不會穿入第一鈍化層12與第二鈍化層14，只與第一導電材料13連接。並如同第一實施例所述，第三導電材料16可與第一導電材料13及第二導電材料15同時燒結，燒結後即可完成如圖6中的太陽能電池結構。

與第一較佳實施例相較，雖本實施例的步驟進行順序與第一較佳實施例不同，但最後經燒結步驟後形成之太陽能電池皆係如圖6，其結構與元件的連接關係不變，因此，上述第一較佳實施例及其變化態樣同樣可適用於本實施例中。惟須注意的是，本實施例中之第一導電材料13及第二導電材料15的材料成分必不同，且在較佳實施態樣中，第一鈍化層12及第二鈍化層14的材料成分亦不同，第一鈍化層12之鈍化效果較好，而第二鈍化層14則需配合第一導電材料13及第二導電材料15的材料成分來設置，使其可被第一導電材料13穿透但無法被第二導電材料15穿透，以作為屏障層隔離第二導電材料15，避免第二導電材料15接觸到基板11。

本發明亦揭露一種利用上述之製造方法所製成的太陽能電池(如圖6之太陽能電池1)。因太陽能電池(如圖6之太陽能電池1)的詳細結構及設置關係皆已於上述實施例、圖式及實施態樣中詳細說明，故於此不再贅述。

綜上所述，本發明之太陽能電池及其製造方法，係藉由第一鈍化層、第一導電材料、第二鈍化層及第二導電材料的設置，使得第一導電材料及第二導電材料經高溫燒結後，僅有第一導電材料局部接觸基板，而達到形成局部背面電場的目的。與習知相較，本發明利用鈍化層及局部背面電場以提升太陽能電池的光電轉換效率及產品的可靠度與良率，同時可不需使用高成本的雷射機台設備，因而不具有雷射機台成本昂貴、不利於大量化的生產等缺點，進而能達到降低生產成本，並提高生產效率的功效。

此外，藉由第一鈍化層及第二鈍化層的成分、厚度，配合第一導電材料及第二導電材料的成分變化態樣，可使得製成之太陽能電池具有較佳的可靠度及良率，甚至還能提升太陽能電池的性能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．太陽能電池

11．．．基板

12．．．第一鈍化層

13．．．第一導電材料

14．．．第二鈍化層

15．．．第二導電材料

16．．．第三導電材料

S10～S18、S17、S19、S20～S28．．．步驟

圖1為依據本發明第一較佳實施例之一種太陽能電池的製造方法的步驟流程圖；

圖2為依據圖1之製造方法製作太陽能電池時的流程剖面示意圖；

圖3為依據包括燒結步驟之太陽能電池的製造方法，製作太陽能電池時的剖面示意圖；

圖4及圖5為本發明第一較佳實施例之不同實施態樣的製造方法的步驟流程圖；

圖6為依據本發明第一或第二較佳實施例之製作方法製成的太陽能電池的剖面示意圖；

圖7為依據本發明第二較佳實施例之一種太陽能電池的製造方法的步驟流程圖；以及

圖8為依據圖7之製造方法製作太陽能電池時的流程剖面示意圖。

S10～S18．．．步驟

Claims (12)

1. 一種太陽能電池的製造方法，包括以下步驟：提供一基板；將一第一鈍化層形成於該基板；將一第一導電材料間隔形成於該第一鈍化層；將一第二鈍化層形成於該第一鈍化層；以及將一第二導電材料形成於該第一導電材料及該第二鈍化層，以連接間隔的該第一導電材料，其中當該第一導電材料及該第二導電材料為糊狀物或膠狀物時，係同時燒結該第一導電材料及該第二導電材料，使該第一導電材料燒結後穿透該第一鈍化層及該第二鈍化層而同時與該基板及該第二導電材料連接，且該第二導電材料燒結後不穿透該第一鈍化層而不與該基板連接；當該第一導電材料為糊狀物或膠狀物，該第二導電材料為金屬固狀物時，係於形成該第二導電材料前，燒結該第一導電材料，使該第一導電材料燒結後穿透該第一鈍化層而與該基板連接。
2. 一種太陽能電池的製造方法，包括以下步驟：提供一基板；將一第一鈍化層形成於該基板；將一第二鈍化層形成於該第一鈍化層；將一第一導電材料間隔形成於該第二鈍化層；以及將一第二導電材料形成於該第一導電材料及該第二鈍 化層，以連接間隔的該第一導電材料，其中當該第一導電材料及該第二導電材料為糊狀物或膠狀物時，係同時燒結該第一導電材料及該第二導電材料，使該第一導電材料燒結後穿透該第一鈍化層及該第二鈍化層而同時與該基板及該第二導電材料連接，且該第二導電材料燒結後不穿透該第一鈍化層而不與該基板連接；當該第一導電材料為糊狀物或膠狀物，該第二導電材料為金屬固狀物時，係於形成該第二導電材料前，燒結該第一導電材料，使該第一導電材料燒結後穿透該第一鈍化層而與該基板連接。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造方法，其中該第一鈍化層與該第二鈍化層的材料成分相同。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造方法，其中該第一鈍化層的厚度小於該第二鈍化層的厚度。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造方法，其中該第一鈍化層與該第二鈍化層的材料成分不同。
6. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該第一鈍化層材料的抗穿透性低於該第二鈍化層材料的抗穿透性。
7. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該第一鈍化層的材料成分為矽氧化層，該第二鈍化層的材料成分為氮矽化層。
8. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造方法，其中該 第一導電材料與該第二導電材料的材料成分不同。
9. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造方法，其中當該第一導電材料及該第二導電材料為糊狀物或膠狀物時，該第一導電材料的穿透性高於該第二導電材料的穿透性。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造方法，其中當該第一導電材料為糊狀物或膠狀物，該第二導電材料為金屬固狀物時，該第二導電材料係於該第一導電材料金屬化後以濺鍍、蒸鍍或電鍍的方式形成於該第一導電材料及該第二鈍化層。
11. 如申請專利範圍第1或2項所述之製造方法，其中該第一鈍化層係設置於該基板之一背面，該製造方法更包括以下步驟：於該燒結步驟前，將一第三導電材料形成於該基板之一正面，使該步驟同時燒結該第一導電材料、該第二導電材料及該第三導電材料；或者使該燒結步驟同時燒結該第一導電材料及該第三導電材料。
12. 一種如申請專利範圍第1項至第11項任一項所述之製造方法所製成的太陽能電池。