TWI459575B - 太陽能電池製造方法 - Google Patents

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Description

太陽能電池製造方法
本發明係有關於一種太陽能電池技術，特別是有關於一種使用奈米蝕刻(nanoetching)之太陽能電池製造方法。
儘管目前太陽能僅佔全世界電力的一小部分，然而由於有限的石化燃料以及石化燃料對於環境的負面影響，因此驅使太陽能科技向上發展，並使太陽能電池快速成為可行的化石化燃料替代品。
目前量產的太陽能電池主要可分為三類：以矽晶(crystalline silicon,c-Si)太陽能電池、聚光型太陽能電池(Concentrator Photovoltaic)以及薄膜太陽能太陽能電池(thin-film solar,TFS)。太陽能電池是目前的主流技術。通常矽晶太陽能電池以單晶(monocrystalline)或多晶(multicrystalline)矽晶圓製作且結構通常包括正面與背面金屬電極所包夾的p-n接面。
為了提高太陽能電池的能量轉換效率，晶片內部的金屬雜質含量必須低於一個標準值以下(例如，0.1 ppm/W)。目前降低晶片內部的金屬雜質含量的方法一般多使雜質吸雜(impurity gettering)方式來進行，而又以磷吸雜(phosphorus gettering)為最常用的一種吸雜方式。磷吸雜法是在矽晶表面先經由熱擴散而在矽晶表面形成高濃度的磷吸雜層，接著進行適當的熱處理，使矽晶內的金屬雜質移動至表面的磷吸雜層內。最後，移除矽晶表面的磷吸雜層而達到降低金屬雜質含量的目的。
然而，上述吸雜程序需要在高溫下進行且熱處理時間長，因而增加額外的製造成本。再者，上述吸雜程序也不適合多晶矽晶材料，這是因為多晶矽晶圓在長晶過程中，金屬雜質會在晶界處形成團狀物(cluster)。這些團狀物容易在進行高溫吸雜程序之後，再次分解出金屬離子，進而影響太陽能電池的能量轉換效率。
另外，對於n型太陽能電池而言，由於射極(emitter)層的製做是採用硼擴散，其製程溫度高達900℃以上，製程時間也比p型太陽能電池中採用磷擴散來的長，因此除了製造成本相對較高之外，在進行高溫吸雜程序之後，相對會分解更多的金屬離子而嚴重影響電池的能量轉換效率。
因此，有必要尋求一種新的太陽能電池製造方法，其能夠維持或提升電池的能量轉換效率，同時降低製造成本。
本發明一實施例提供一種太陽能電池製造方法，包括：提供一矽晶(crystalline silicon,c-Si)基底，其具有一第一表面及與第一表面相對的一第二表面；對矽晶基底的第一表面進行一奈米蝕刻，以在其上形成複數個奈米孔洞；對具有奈米孔洞的矽晶基底的第一表面進行一雜質吸雜處理，同時移除奈米孔洞；對吸雜後的矽晶基底的第一表面進行一表面粗化(texturing)處理；藉由熱擴散在矽晶基底的第一表面下方形成一射極層；在射極層上方形成一抗反射層；以及在抗反射層上形成一第一電極層且在矽晶基底的第二表面上形成一第二電極層。
本發明另一實施例提供一種太陽能電池製造方法，包括：提供一矽晶基底，其具有一第一表面及與第一表面相對的一第二表面；對矽晶基底的第一表面進行一表面粗化處理，以在其上形成複數個奈米孔洞；藉由熱擴散在矽晶基底的第一表面下方形成一射極層；在射極層上方形成一抗反射層；以及在抗反射層上形成一第一電極層且在矽晶基底的第二表面上形成一第二電極層。
以下說明本發明實施例之太陽能電池製造方法。然而，可輕易了解本發明所提供的實施例僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。
第1A至1H圖係繪示出根據本發明實施例之太陽能電池製造方法剖面示意圖。請參照第1A圖，提供一矽晶(c-Si)基底100，例如一單晶矽或多晶矽基底/晶圓。在本實施例中，矽晶基底100可為含有摻雜物的p型矽晶基底或n型矽晶基底。矽晶基底100具有一第一表面100a以及與第一表面100a相對的一第二表面100b。此處，第一表面100a為後續太陽能電池製造的一主動區(active area)。接著，可利用氫氟酸(HF)或氫氯酸(HCl)對矽晶基底100進行清洗。之後，將洗淨後的矽晶基底100的第一表面100a浸泡於硝酸銀水溶液(未繪示)中，使銀粒子101附著於矽晶基底100的第一表面100a上。在一實施例中，硝酸銀水溶液包括由硝酸銀(AgNO3 )、硝酸(HNO3 )及水(H2 O)所構成的混合液，且其體積比依序為1:160:10000。再者，硝酸銀水溶液的浸泡溫度及時間分別約為25℃及10分鐘。
請參照第1B圖，對第一表面100a附著銀粒子101的矽晶基底100(如第1A圖所示)進行奈米蝕刻(nanoetching)，以在矽晶基底100的第一表面100a上形成複數個奈米孔洞101a。在一實施例中，可將矽晶基底100浸泡於一酸性蝕刻溶液(未繪示)中以進行奈米蝕刻。舉例來說，酸性蝕刻溶液包括硝酸、氫氟酸、氫氯酸、氟氨酸(NH4 F)或其組合與雙氧水(H2 O2 )及水的混合物。在另一實施例中，可將矽晶基底100浸泡於一鹼性蝕刻溶液(未繪示)中以進行奈米蝕刻。舉例來說，鹼性蝕刻溶液包括氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)與水的混合物。在本實施例中，利用由氫氟酸與雙氧水(H2 O2 )及水所構成的酸性蝕刻溶液進行奈米蝕刻，且體積比依序為2:5:10。再者，酸性蝕刻溶液的浸泡溫度及時間分別約為25℃及10分鐘。之後，將矽晶基底100洗淨後浸泡於硝酸水溶液中，以移除銀粒子101(繪示於第1圖)。須注意的是，矽晶基底100也可直接浸泡於酸性或鹼性蝕刻溶液來進行奈米蝕刻，而無需額外浸泡於硝酸銀水溶液中。
請參照第1C至1D圖，在移除銀粒子101之後，對具有奈米孔洞101a的矽晶基底100的第一表面100a進行一雜質吸雜處理，同時移除第一表面100a上的奈米孔洞101a。舉例來說，對具有奈米孔洞101a的矽晶基底100的第一表面100a進行磷擴散102，製程溫度約為850℃並持溫1小時，以在其中形成一磷擴散區104(或稱為吸雜區或磷矽酸玻璃(phosphorous silicate glass,PSG)層)，如第1C圖所示。在本實施例中，由於奈米孔洞101a以及磷擴散102所產生的雙重應力驅使下，位於矽晶基底100內的雜質能快速向磷擴散區104內移動。相較於傳統的磷吸雜而言，有更多的雜質會被移入吸雜區內，進而降低矽晶基底100內的雜質。之後，可藉由濕蝕刻或乾蝕刻去除磷擴散區104而同時移除磷擴散區104上的奈米孔洞101a，以形成大體上平坦的第一表面100c，如第1D圖所示。
請參照第1E圖，對吸雜後的矽晶基底100的第一表面100c進行一表面粗化(texturing)處理(或稱為織構絨面/織質化)，以降低矽晶基底100對於太陽光的反射。之後，可利用氫氟酸或氫氯酸對矽晶基底100進行清洗。接著，進行射極(emitter)層(即，p/n接面)的製做。舉例來說，藉由熱擴散106在矽晶基底100的第一表面100c下方形成一射極層108。當矽晶基底100為p型時，可藉由三氯酸磷(POCl3 )進行熱擴散106，而製程溫度約在800℃至850℃的範圍。另外，當矽晶基底100為n型時，可藉由三溴化硼(BBr3 )進行熱擴散106，而製程溫度約在900℃至1000℃的範圍。
請參照第1G圖，在射極層108上形成一抗反射層110，例如，氮化矽、氧化矽或氧化鋁，以進一步降低矽晶基底100對於太陽光的反射。
請參照第1H圖，可藉由習知微影及蝕刻製程，對抗反射層110進行圖案化，以局部露出下方的射極層108，作為電極接觸區。之後，可藉由網版印刷(screen printing)在抗反射層110上形成與露出的射極層108接觸的第一電極層112，且可同時在矽晶基底100的第二表面100b上形成第二電極層114。第一電極層112及第二電極層114的材質可包括鋁或其他習用的電極材料。如此一來，可完成本實施例之太陽能電池200的製做，後續可依習知製程步驟，進行燒結製程(sintering)及封裝製程。
請參照第3圖，其繪示出不同吸雜方式中吸雜時間(min)與少數載子(minority carrier)壽命(μs)關係圖，其中圓點表示採用第1A至1D圖之吸雜方式，而方點表示採用習知磷吸雜方式。由圖式可知，在相同的吸雜時間下，相較於習知吸雜方式，採用本實施例之吸雜方式可具有較長的少數載子壽命。換句話說，可有效降低矽晶基底100內的雜質。另一方面，由圖式可知，採用本實施例之吸雜方式可縮短雜質吸雜處理的製程時間及/或降低雜質吸雜處理的製程溫度而達到相同或優於於習知吸雜方式所達到的吸雜效果，因此可降低熱製程所額外增加的製造成本，並減緩多晶矽晶的晶界處所形成團狀物因高溫而再次分解出金屬離子的情形。
第2A至2C圖係繪示出根據本發明另一實施例之太陽能電池製造方法剖面示意圖，其中相同於第1A至1H圖的部件係使用相同的標號並省略其說明。請參照第2A圖，提供一矽晶基底100，矽晶基底100具有一第一表面100a以及與第一表面100a相對的一第二表面100b。對矽晶基底100的第一表面100a進行一表面粗化處理(或稱為織構絨面/織質化)。在本實施例中，表面粗化處理可相同或類似於第1A至1B圖所示之奈米蝕刻步驟，以在矽晶基底100的第一表面100a上形成複數個奈米孔洞101a。奈米孔洞101a係用以降低矽晶基底100對於太陽光的反射。舉例來說，如第1A圖所示之步驟，將洗淨後的矽晶基底100的第一表面100a浸泡於硝酸銀水溶液中，使銀粒子101附著於矽晶基底100的第一表面100a上。接著，如第1B圖所示之步驟，對第一表面100a附著銀粒子101的矽晶基底100進行奈米蝕刻，以形成奈米孔洞101a。之後，將銀粒子101移除並對矽晶基底100進行清洗。
接著，進行射極層的製做。舉例來說，藉由熱擴散106在矽晶基底100的第一表面100a下方形成一射極層108。
由於奈米孔洞101a增加了矽晶基底100的第一表面100a的表面積，因此相較於沒有奈米孔洞101a的矽晶基底的表面而言，在進行熱擴散106期間，可有較多磷離子或硼離子進入矽晶基底100中。
請參照第2B圖，在射極層108上形成一抗反射層110，以進一步降低矽晶基底100對於太陽光的反射。
請參照第2C圖，對抗反射層110進行圖案化，以局部露出下方的射極層108，作為電極接觸區。之後，可藉由網版印刷在抗反射層110上形成與露出的射極層108接觸的第一電極層112，且可同時在矽晶基底100的第二表面100b上形成第二電極層114。如此一來，可完成本實施例之太陽能電池200的製做，後續可依習知製程步驟，進行燒結製程及封裝製程。
請參照第4圖，其繪示出不同射極層製做方式中熱擴散溫度(℃)與片電阻(Ω/□)關係圖，其中圓點表示採用第2A圖之射極層製做方式，而方點表示採用習知射極層製做方式。由圖式可知，在相同的熱擴散溫度下，相較於習知射極層製做方式，採用本實施例之吸雜方式可具有較低的片電阻值。也就是說，相較於習知射極層製做方式，採用本實施例之射極層製做方式可在較低的熱擴散溫度下達到元件製做所要求的片電阻值。因此，採用本實施例之射極層製做方式，除了可降低熱製程所額外增加的製造成本，並且可減緩多晶矽晶的晶界處所形成團狀物因高溫而再次分解出金屬離子的情形。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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，當可作更動與潤飾，因此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．．．矽晶基底
100a、100c．．．第一表面
100b．．．第二表面
101．．．銀粒子
101a．．．奈米孔洞
102．．．磷擴散
104．．．磷擴散區
106．．．熱擴散
108．．．射極層
110．．．抗反射層
112．．．第一電極層
114．．．第二電極層
200．．．太陽能電池
第1A至1H圖係繪示出根據本發明實施例之太陽能電池製造方法剖面示意圖；
第2A至2C圖係繪示出根據本發明另一實施例之太陽能電池製造方法剖面示意圖；
第3圖係繪示出吸雜時間與少數載子壽命之關係圖；及
第4圖係繪示出熱擴散溫度與片電阻之關係圖。
100．．．矽晶基底
100a．．．第一表面
100b．．．第二表面
101a．．．奈米孔洞
102．．．磷擴散
104．．．磷擴散區

Claims (9)

  1. 一種太陽能電池製造方法，包括：提供一矽晶基底，其具有一第一表面及與該第一表面相對的一第二表面；對該矽晶基底的該第一表面進行一奈米蝕刻，以在其上形成複數個奈米孔洞；對具有該等奈米孔洞的該矽晶基底的該第一表面進行一雜質吸雜處理，其中該雜質吸雜處理步驟包括：對該具有該等奈米孔洞的該矽晶基底的該第一表面進行磷擴散處理，以在其中形成一磷擴散區；以及去除該磷擴散區，而同時移除該等奈米孔洞；對吸雜後的該矽晶基底的該第一表面進行一表面粗化處理；藉由熱擴散在該矽晶基底的該第一表面下方形成一射極層；在該射極層上方形成一抗反射層；以及在該抗反射層上形成一第一電極層且在該矽晶基底的該第二表面上形成一第二電極層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池製造方法，其中該矽晶基底為單晶矽基底或多晶矽基底。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池製造方法，其中以一酸性或鹼性蝕刻溶液進行該奈米蝕刻。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池製造方法，其中該酸性蝕刻溶液包括硝酸、氫氟酸、氫氯酸、氟氨酸或其組合與雙氧水及水的混合物。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池製造方法，其中該鹼性蝕刻溶液包括氫氧化鈉或氫氧化鉀與水的混合物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池製造方法，更包括在進行該奈米蝕刻之前，將該矽晶基底浸泡於硝酸銀水溶液中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池製造方法，其中該射極層藉由以三氯酸磷或三溴化硼進行該熱擴散而形成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池製造方法，其中該抗反射層包括氮化矽、氧化矽或氧化鋁。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池製造方法，其中藉由網版印刷法形成該第一電極層及該第二電極層。
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