TWI455335B - 背接觸式太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

Description

背接觸式太陽能電池及其製造方法

本發明是有關於一種太陽能電池及其製造方法，特別是指一種背接觸式太陽能電池及其製造方法。

參閱圖1、2，已知的指叉型背接觸式(Interdigitated Back Contact，簡稱IBC)太陽能電池，主要包含：一基板11、位於該基板11正面的一重摻雜層12與一抗反射層13、位於該基板11背面處的數個第一摻雜區14與數個第二摻雜區15、一位於該基板11的背面上並具有數個穿孔161的鈍化層16、數個各別電連接該等第一摻雜區14的第一電極17，以及數個各別電連接該等第二摻雜區15的第二電極18。該等第一摻雜區14與第二摻雜區15分別為p型與n型半導體，相鄰的第一摻雜區14與第二摻雜區15間隔約數十微米(μm)。而該等第一電極17與第二電極18實際上是呈指叉狀地交錯配置。

該電池在製造上，主要是先利用擴散製程於該基板11上製作該等第一摻雜區14，再利用擴散製程製作該等第二摻雜區15，當然，在製作所述摻雜區時，還必須沉積圖未示出的阻障層以及配合蝕刻步驟，以達到局部摻雜的目的，但圖中省略示出這些過程。接著形成該鈍化層16，並在該鈍化層16上形成一連續的金屬層21，再進行金屬隔離製程以形成該等第一電極17與第二電極18，然而該製程有以下缺點：在形成該金屬層21後，還必須於該金屬層21上 沉積一阻擋層22，並配合光罩進行區域定位蝕刻，最後將該阻擋層22的殘餘區塊221移除，才能完成金屬隔離製程，所須步驟較多且複雜，使製造成本高，而且利用光罩進行蝕刻的製程穩定性不易控制。

因此，本發明之目的，即在提供一種製程步驟較少、較易於製作的背接觸式太陽能電池。

本發明之另一目的，即在提供一種製程步驟較少且較簡單的背接觸式太陽能電池的製造方法。

於是，本發明背接觸式太陽能電池，包含：一基板、一第一摻雜區、一第二摻雜區，以及一電連接於該第一摻雜區及該第二摻雜區的電極單元。該基板包括一第一面，該第一面具有一第一區域、一第二區域，以及一位於該第一區域與該第二區域之間的第三區域，該第一區域、該第二區域及該第三區域共同形成一個二階階梯結構。該第一摻雜區位於該第一面的第一區域。該第二摻雜區位於該第一面的第二區域，該電極單元位於該第一面上。

本發明背接觸式太陽能電池的製造方法，包含：

步驟A：在該基板的該第一面處形成一摻雜層。

步驟B：進行第一次蝕刻，使該第一面形成一個一階階梯結構，且該摻雜層之對應於該一階階梯結構的部位被移除，該摻雜層之未被移除的部位成為該第一摻雜區。

步驟C：進行第二次蝕刻，使該一階階梯結構形成該二階階梯結構。

步驟D：在該二階階梯結構上形成與該第一摻雜區分開設置的該第二摻雜區。

步驟E：形成該位於該第一面上且電連接於該第一摻雜區及該第二摻雜區的電極單元。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖3，本發明背接觸式太陽能電池之較佳實施例包含：一基板3、至少一第一摻雜區41、至少一第二摻雜區42、一鈍化層43、一電極單元44、一第一摻雜層45，以及一抗反射層46。該第一摻雜區41的「第一」與第二摻雜區42的「第二」，是指半導體材料的兩種不同的導電型式，在本實施例中分別為p型與n型，但實施時也可以相反。

該基板3具有彼此相對的一第一面31與一第二面32，本實施例的基板3為n型矽基板，該第一面31為背面，該第二面32為受光面，並可製作成粗糙表面以提高入光量。

而該第一面31具有一第一區域311、一第二區域312，以及一位於該第一區域311與該第二區域312之間的第三區域313，該第一區域311、該第二區域312及該第三區域313共同形成一個二階階梯結構314，該二階階梯結構314包括二個側面段315，該等側面段315大致呈上下延伸，並且接近90度為佳，實務上應使該等側面段315的其中至少一個的延伸角度θ為75度~90度，可以簡化形成該電極 單元44之製程。

所述延伸角度θ是指側面段315與鄰接階梯結構上表面之間的夾角，例如對於該第一區域311及該第三區域313之間的該側面段315而言，其延伸角度θ為該第一區域311與該側面段315的夾角。此外，該第一區域311為該二階階梯結構314之最遠離該第二面32的一階，該第二區域312為該二階階梯結構314之最靠近該第二面32的一階。

該第一摻雜區41為p型半導體，並位於該第一面31的第一區域311。該第二摻雜區42與該第一摻雜區41分開設置，並位於該第一面31的第二區域312，該第二摻雜區42為n型半導體，其載子濃度大於該基板3，藉此形成n⁺ 摻雜。

該鈍化層43位於該基板3的第一面31與該電極單元44之間，並具有數個可供該電極單元44分別電連接於該第一摻雜區41與該第二摻雜區42的穿孔431。實際上該鈍化層43在對應該第一摻雜區41的部位必須具有至少一穿孔431，在對應該第二摻雜區42的部位也必須具有至少一穿孔431，才能供該各個電極各別電連接各個摻雜區。該鈍化層43的材料為介電材料，可以為氧化物、氮化物或上述材料的組合，用於填補、降低表面缺陷或基板3內部缺陷，進而降低載子的表面複合速率(Surface Recombination Velocity，簡稱SRV)，提升電池的轉換效率。

該電極單元44沉積在該鈍化層43上，並包括至少一第一電極441與至少一第二電極442，其中該第一電極441 及該第二電極442經該複數個穿孔431分別電連接於該第一摻雜區41及該第二摻雜區42。在本實施例中，該鈍化層43之表面上至少有部分區域未形成有該電極單元44，藉此使該第一電極441與該第二電極442隔開，該電極單元44的形態與其製作過程有關，其製程容後說明。該電極單元44的材料不須限制，只要具有良好導電性即可，例如鋁、銀等等。

在此補充說明，本發明在實施時，該電極單元44位於該基板3的第一面31上，所述的「位於該第一面31上」，不以該電極單元44接觸該第一面31為必要，在該電極單元44與該第一面31之間也可以有其它層體的存在，例如該鈍化層43。本發明的電極單元44的p、n電極、該第一摻雜區41與該第二摻雜區42都位於該第一面31上，此即為背接觸式電池的結構。

需要說明的是，實際上在一電池中，該第一摻雜區41、第二摻雜區42、第一電極441與第二電極442的數量都可以為數個，上述結構在電池中重複排列，而本實施例的圖式僅是簡單示意，本發明不以圖式所示的形態為限。但須注意的是，一電池基本上只要包括至少一第一摻雜區41與一第二摻雜區42，以形成至少一p-n接面，即可達到太陽能電池的功能。

本實施例的第一摻雜層45設置在該基板3的第二面32處，其為n型半導體，且載子濃度大於該基板3，藉此形成正面電場結構(Front-Side Field，簡稱FSF)，能提升載子收 集率及光電轉換效率。該抗反射層46位於該第一摻雜層45的表面，其材料例如氮化矽(SiN_x )等，用於提升光線入射量以及降低載子表面複合速率，但本發明不以設置該抗反射層46為絕對之必要。由於本發明的改良不在於該第一摻雜層45與該抗反射層46，因此不再詳述。

參閱圖4，補充說明，已知的背接觸式太陽能電池有數種不同形態，包含指叉型背接觸式(Interdigitated Back Contact，簡稱IBC)太陽能電池、金屬環繞穿通式(Metal Wrap Through，簡稱MWT)太陽能電池，以及射極環繞穿通式(Emitter Wrap Through，簡稱EWT)太陽能電池。本實施例是以IBC電池為例，由該電池的仰視圖觀之，第一電極441及第二電極442呈指狀交叉配置。

參閱圖3、5、6，本發明背接觸式太陽能電池的製造方法的較佳實施例，包含：

(1)進行步驟51：首先提供該n型的矽基板3，利用氧化製程或薄膜沉積方式在該基板3的第二面32形成一個氧化隔絕層61，該氧化隔絕層61需可作為之後進行KOH等向性蝕刻時的阻擋層。接著再以擴散製程在該基板3的該第一面31處形成一p型的摻雜層62(圖6a)，p型摻雜的材料例如硼(B)。

(2)進行步驟52：進行第一次蝕刻，本步驟是先在該摻雜層62的表面上形成一第一阻擋層63(圖6a)，該第一阻擋層63可以利用氧化製程或薄膜沉積方式形成，其材料例如氧化矽(SiO_x )，並可作為之後進行KOH等向性蝕刻時的阻 擋層。接著利用雷射蝕刻方式移除該第一阻擋層63及該摻雜層62的局部部位，此雷射蝕刻步驟用於初步定義蝕刻區域，使該基板3的第一面31處形成一寬度約為500μm的第一開口317(圖6b)。

接著利用溼式蝕刻方式蝕刻該基板3，使該第一面31形成一個一階階梯結構316(圖6c)。本步驟的蝕刻液例如KOH但不限於此，KOH對於基板3的矽材料有良好的蝕刻性，且溼式蝕刻為均勻的等向性蝕刻，可以使該第一開口317的寬度擴大到520μm左右，其深度也會加深。此時該摻雜層62之對應於該一階階梯結構316的部位被移除，該摻雜層62之未被移除的部位進而形成該等第一摻雜區41。

補充說明的是，由於雷射蝕刻會對該基板3造成表面損傷，並使基板3的表面粗糙，而透過該溼式蝕刻能去除該基板3的表面損傷，並降低基板3在開口區域的表面粗糙度。此外，因為該第一阻擋層63受到該KOH蝕刻的程度遠小於該摻雜層62受到蝕刻的程度，因此在該第一開口317的寬度擴大時，該第一阻擋層63在對應於該第一開口317處的孔洞的尺寸改變量相對較小。

最後再進行一次溼式蝕刻，將該基板3浸泡HF溶液以移除該第一阻擋層63與該氧化隔絕層61，進而如圖6d所示。

(3)進行步驟53：進行第二次蝕刻，使該一階階梯結構316形成該二階階梯結構314。具體而言，本步驟是以化學氣相沉積(CVD)方式在該第一摻雜區41及該一階階梯結構 316的表面形成一第二阻擋層64(圖6e)，該第二阻擋層64的材料例如SiO_x ，此外，在該基板3的第二面32處也形成一第三阻擋層64’來作為保護，該第三阻擋層64’可與該第二阻擋層64同時形成。由於CVD製程的覆蓋率較佳，可避免階梯覆蓋(step coverage)不均勻之問題。

接著利用雷射蝕刻移除該第二阻擋層64之對應於該一階階梯結構316的部位，此雷射蝕刻步驟用於初步定義蝕刻區域，使該一階階梯結構316處形成一寬度約為380μm左右的第二開口318(圖6f)。

參閱圖3、5、7，接著以溼式蝕刻方式蝕刻該基板3，即可形成該二階階梯結構314(圖7a)。此時該第二開口318變深，且寬度擴大到400μm左右。

本步驟使用的蝕刻液例如KOH但不限於此，而且溼式蝕刻的同時還能去除前述雷射蝕刻對該基板3所造成的表面損傷，以降低基板3的表面粗糙度，有利於提升該基板3與後續形成的該鈍化層43之間的結合力。

(4)進行步驟54：在該第一面31之對應於該第二開口318處的裸露表面，藉由磷(P)擴散製程形成該n型的第二摻雜區42(圖7b)。由於進行第二摻雜區42的擴散製程時，該第二阻擋層64及該第三阻擋層64’尚未移除，藉此形成阻擋作用，避免n型載子擴散到p型的第一摻雜區41而造成污染。接著再透過溼式蝕刻方式，將該基板3浸泡HF溶液以移除該第二阻擋層64及該第三阻擋層64’，進而如圖7c所示。

需要說明的是，在進行接下來的步驟之前，可以先在該基板3的第二面32處形成該第一摻雜層45及該抗反射層46(圖7d)，但由於其形成方式非本發明的改良重點，所以不再說明。

(5)進行步驟55：形成該鈍化層43及該電極單元44，本步驟是先利用薄膜沉積方式，在該第一摻雜區41、該第二摻雜區42及該二階階梯結構314之裸露的表面上形成連續的鈍化層43膜層，再利用雷射或其它方式蝕刻該鈍化層43以形成該等穿孔431(圖7d)。

接著利用物理氣相沉積(PVD)方式在該電池的第一面31上進行整面的金屬沉積，進而形成一連續的導電層65(圖7e)，該導電層65的厚度約為數微米，其材料例如鋁，需要說明的是，所述「在第一面31上進行金屬沉積」，不以該導電層65接觸該第一面31為必要，該導電層65與該第一面31之間也可以隔著其它層體。本步驟使用非等向性的PVD製程，主要是因為此製程的階梯覆蓋率較差，可以使沉積而成的該導電層65的膜厚不均勻，在對應於該二階階梯結構314之側面段315與階梯轉角的部位上，該導電層65的厚度較薄，如此有利於後續製程的進行。

接著利用濕式蝕刻方式進行金屬蝕刻製程，藉由該導電層65之階梯式結構的金屬膜厚不均勻，因此進行金屬蝕刻時，該導電層65對應於該等側面段315的部位至少有部分可被移除而完成金屬斷線(圖7f)，進而完成p、n摻雜區之接觸金屬的隔離製程，也就是完成該電極單元44的製作 。

本發明使用兩次的階梯製程，相較於只設置一階階梯或者未形成階梯結構的一般電池而言，本發明的優點在於：每一次的階梯製程都可對階梯深度與寬度進行控制，因此兩次製程後所形成的最終階梯結構尺寸，可獲得較佳的調控，如此也較易於製作出被區隔開的該第一摻雜區41與該第二摻雜區42，而且階梯結構配合以非等向性的PVD沉積該導電層65，使該導電層65的膜厚不均勻，後續就可以透過簡單的蝕刻步驟使該導電層65的局部部位斷開，完成該電極單元44的製作，因此本發明在接觸金屬的隔離製程上，步驟較少且簡單、易於進行、製程成本較低，而且因為不需要配合光罩蝕刻，所以製程容易控制，製程穩定性高。

另一方面，本發明在形成該二階階梯結構314的過程中，主要是以雷射蝕刻配合等向性的溼式蝕刻，此兩種蝕刻方式的進行方式亦相當簡單且方便，而且在步驟53所形成的第二阻擋層64、第三阻擋層64’，可同時作為形成該二階階梯結構314時的蝕刻阻擋層與形成該第二摻雜區42時所須的摻雜阻擋層，因此第二阻擋層64及第三阻擋層64’兼具雙重阻擋功能。

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，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧基板

31‧‧‧第一面

311‧‧‧第一區域

312‧‧‧第二區域

313‧‧‧第三區域

314‧‧‧二階階梯結構

315‧‧‧側面段

316‧‧‧一階階梯結構

317‧‧‧第一開口

318‧‧‧第二開口

32‧‧‧第二面

41‧‧‧第一摻雜區

42‧‧‧第二摻雜區

43‧‧‧鈍化層

431‧‧‧穿孔

44‧‧‧電極單元

441‧‧‧第一電極

442‧‧‧第二電極

45‧‧‧第一摻雜層

46‧‧‧抗反射層

51~55‧‧‧步驟

61‧‧‧氧化隔絕層

62‧‧‧摻雜層

63‧‧‧第一阻擋層

64‧‧‧第二阻擋層

64’‧‧‧第三阻擋層

65‧‧‧導電層

θ‧‧‧延伸角度

圖1是一種已知的背接觸式太陽能電池的剖視示意圖；圖2是該已知的電池的製造流程示意圖；圖3是本發明背接觸式太陽能電池之一較佳實施例的剖視示意圖；圖4是一般的背接觸式太陽能電池的仰視示意圖，用於示意本發明該較佳實施例的一電極單元的配置方式；圖5是本發明背接觸式太陽能電池的製造方法之一較佳實施例的步驟流程圖；圖6是該製造方法的部分步驟的流程示意圖；及圖7是該製造方法的其它步驟的流程示意圖。

3‧‧‧基板

31‧‧‧第一面

311‧‧‧第一區域

312‧‧‧第二區域

313‧‧‧第三區域

314‧‧‧二階階梯結構

315‧‧‧側面段

32‧‧‧第二面

41‧‧‧第一摻雜區

42‧‧‧第二摻雜區

43‧‧‧鈍化層

431‧‧‧穿孔

44‧‧‧電極單元

441‧‧‧第一電極

442‧‧‧第二電極

45‧‧‧第一摻雜層

46‧‧‧抗反射層

θ‧‧‧延伸角度

Claims (12)

1. 一種背接觸式太陽能電池，包含：一基板，包括一第一面，該第一面具有一第一區域、一第二區域，以及一位於該第一區域與該第二區域之間的第三區域，該第一區域、該第二區域及該第三區域共同形成一個二階階梯結構；一第一摻雜區，位於該第一面的第一區域；一第二摻雜區，位於該第一面的第二區域；及一電極單元，位於該第一面上且電連接於該第一摻雜區及該第二摻雜區。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之背接觸式太陽能電池，其中，該電極單元包括一電連接該第一摻雜區的第一電極，以及一電連接該第二摻雜區的第二電極，所述第一摻雜區與第二摻雜區的其中一個為p型半導體，另一個為n型半導體。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之背接觸式太陽能電池，其中，該第一面的二階階梯結構包括二側面段，該等側面段的其中至少一個的延伸角度為75度~90度。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之背接觸式太陽能電池，其中，該基板還包括一與該第一面相對的第二面，該基板的第一區域為該二階階梯結構之最遠離該第二面的一階，該第二區域為該二階階梯結構之最靠近該第二面的一階。
5. 依據申請專利範圍第1至4項中任一項所述之背接觸式 太陽能電池，還包含一位於該基板的第一面與該電極單元之間的鈍化層，該鈍化層具有可供該電極單元分別電連接於該第一摻雜區與該第二摻雜區的穿孔。
6. 一種背接觸式太陽能電池的製造方法，包含：步驟A：在一基板的一第一面形成一摻雜層；步驟B：進行第一次蝕刻，使該第一面形成一個一階階梯結構，且該摻雜層之對應於該一階階梯結構的部位被移除，該摻雜層之未被移除的部位形成一第一摻雜區；步驟C：進行第二次蝕刻，使該一階階梯結構形成一個二階階梯結構；步驟D：在該二階階梯結構上形成一與該第一摻雜區分開設置的第二摻雜區；及步驟E：形成一位於該第一面上且電連接於該第一摻雜區及該第二摻雜區的電極單元。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之背接觸式太陽能電池的製造方法，其中，該步驟B是先在該摻雜層的表面上形成一第一阻擋層，再移除該第一阻擋層及該摻雜層的局部部位，接著蝕刻該基板而形成該一階階梯結構，並且移除該第一阻擋層。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之背接觸式太陽能電池的製造方法，其中，該步驟C是以化學氣相沉積方式在該第一摻雜區及該一階階梯結構的表面形成一第二阻擋層，再移除該第二阻擋層之對應於該一階階梯結構的部位 ，接著蝕刻該基板而形成該二階階梯結構。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之背接觸式太陽能電池的製造方法，其中，該步驟E的該電極單元是以非等向性的沉積方式形成。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之背接觸式太陽能電池的製造方法，其中，該步驟E是先在該第一摻雜區、該第二摻雜區及該二階階梯結構之裸露的表面上形成一包括複數個穿孔的鈍化層，該電極單元沉積在該鈍化層上，並包括一第一電極及一第二電極，其中該第一電極及該第二電極經該複數個穿孔分別電連接於該第一摻雜區及該第二摻雜區。
11. 依據申請專利範圍第8項所述之背接觸式太陽能電池的製造方法，其中，該步驟C是以雷射蝕刻方式移除該第二阻擋層之對應於該一階階梯結構的部位。
12. 依據申請專利範圍第8項所述之背接觸式太陽能電池的製造方法，其中，該第二阻擋層還可以作為形成該第二摻雜區時的摻雜阻擋層，以避免該第二摻雜區的載子擴散到該第一摻雜區。