TWI475707B

TWI475707B - 在太陽能電池表面形成金屬電極的方法

Info

Publication number: TWI475707B
Application number: TW099138270A
Authority: TW
Inventors: Jui Hai Hsieh; Jung Wu Chien
Original assignee: Inventec Solar Energy Corp
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2015-03-01
Also published as: TW201220517A; CN102468369B; CN102468369A

Description

在太陽能電池表面形成金屬電極的方法

本發明係關於一種在太陽能電池表面形成金屬電極的方法，特別是指在太陽能電池吸光面形成電極的方法。

近年來，由於環保意識的抬頭和其他能源逐漸的枯竭，使得世界各國開始重視再生能源的利用。由於太陽光是取之不盡，用之不竭的天然能源，除了沒有能源耗盡的問題之外，也可以避免能源被壟斷的問題。

然而，目前太陽能電池的光電轉換效率以及其製造成本，還未滿足取代目前石化能源的條件，因此，如何增加太陽能源的收集與利用，以降低對石化能源的依賴，是目前最熱門的研究課題之一。

請參考圖1A~1G，為習知的太陽能電池吸光面製程的剖面示意圖。首先提供一半導體基材1，經過清洗後，將晶圓表面的雜質及污染物去除，如圖1A。接著，以酸液將基材1表面蝕刻成粗糙面，降低入射光之反射率，使入射光能得以充分利用，如圖1B。

接著請參照圖1C，一P型半導體基材1，在一含氧氣氛導入含N型導電性雜質的氣體，例如P₂ O₅ 、PH₃ 或PF₃ 之退火爐管進行雜質擴散製程，以形成一摻雜層10於P型半導體基材1上，產生光電轉換效應所需的P-N介面。與此同時，在N型區域10表層也會同時形成一磷的氧化層16(P₂ O₅ )，因此，在下一步驟中，需再以蝕刻移除。否則以後續製程形成電極後，會增加電極與摻雜層10的串聯電阻，如圖1D所示。

接著，請參照圖1E，為了提高光的轉換效率，一層抗反射層13被形成於摻雜層10上，緊接著在圖1F中顯示利用一刮板16以網印方式將金屬漿料14印製於預定位置。其中，太陽能電池吸光面的電極圖案包括相互垂直的匯流排(bus bar)及柵線(grid line)。

習知技術中是利用網印方式，將匯流排(bus bar)及柵線(grid line)圖案一次印刷於太陽能電池吸光面，最後，以燒結方式，使金屬漿料14穿透正面抗反射層13並滲入半導體基材1表層的摻雜層10緊密結合，以形成電極來使電流導出，如圖1G所示。

印刷電極所使用的金屬漿料14必須具有以下特點，包括：(1)需在燒結製程中能夠穿透抗反射層13，和半導體形成歐姆接觸；(2)除了金屬本身需具有低電阻之外，和半導體基材形成歐姆接觸後，也需要具有低電阻及良好的附著性；(3)由於柵線線寬僅有60至120μm，因此，金屬漿料必需易於印刷，避免印刷時發生斷線的情況；(4)當金屬漿料被印刷於太陽能電池表面時，能夠形成厚度(h)高但線寬(L)細的柵線電極，也就是高寬比(h/L)值較大的電極線，以降低遮光效應及金屬本身的電阻值，所以，塗佈的漿料需要具有足夠的內聚力；(5)當太陽能晶片送到模組廠焊導線時，係將導線點焊於匯流排，因此匯流排要求電阻值必須要低。

目前所選用的金屬漿料至少由三部份組成，包括銀粉、硼矽酸鉛玻璃介質(lead borosilicate glass frit)及有機物。其中，硼矽酸鉛玻璃介質(lead borosilicate glass frit)就是在進行後續燒結製程時，用來穿透抗反射層，使銀可以和矽形成良好的歐姆接觸。

然而，此種含有硼矽酸鉛玻璃介質成分的金屬漿料的價格昂貴，增加成本上的負擔。並且，由於匯流排的線寬大約2至3 mm，所使用的金屬漿料較多，導致在燒結過程中，金屬漿料除了穿透抗反射層之外，也容易穿透太陽能電池內部P/N介面，造成短路，嚴重損害太陽能電池的光電轉換效率。除此之外，匯流排本身的電阻值也會因為含有硼矽酸鉛玻璃介質而增加，影響點焊導線效果。

請參照圖2A至2I，在美國專利公告號第5726065號中，提供一種分兩步驟形成太陽能電池吸光面電極的製程方法，在網印柵線及匯流排時，皆不使用含玻璃介質成分的銀膠。圖2A至圖2C中，形成摻雜層20及二氧化矽層21後，請參照圖2D，先在預定形成柵線的位置，網印一主要由二氧化鈦及丁基卡必醇(butyl carbitol)組成的罩冪膠22。接著，形成一抗反射層23於其上，如圖2E。再將其浸泡於一有機溶劑中，使塗佈罩冪膠22的部份連同抗反射層23一併被移除，在預定塗佈柵線的部份形成柵線圖案開口24，裸露出二氧化矽層21。之後，再以抗反射層23為罩冪，移除柵線圖案開口24中的二氧化矽層21，如圖2F。圖2I，在太陽能電池基板2背面形成另一摻雜層8及背電極9之後燒結。

圖2G的製程即表示以網印方式將銀膠25塗佈於柵線圖案開口24內，以在後續製程中形成柵線電極線25，此後，圖2H顯示同樣以網印方式塗佈銀膠26，以在後續燒結製程中形成匯流排電極線26。

習知技術所採用的方式，雖然可以不使用具有玻璃介質的金屬漿料，但製程繁瑣，包括需要先使用罩冪膠，再利用化學蝕刻液將罩冪膠及抗反射層同時移除，以創造出柵線圖案開口。另外，將銀膠塗佈於柵線圖案開口中時，也牽涉到網印過程中，銀膠是否對準柵線圖案開口的問題，增加整體製程的困難及複雜度。

因此，如何降低整體製程成本，並保證在燒結過程中，太陽能電池內部的P/N介面不會被金屬漿料蝕穿，又能改善導線點焊於匯流排電極的狀況，使導線和匯流排具有更好的電性接觸，同時又不致增加製程的複雜度及困難度，為本發明所欲解決的問題。

有鑒於上述課題，本發明之目的係提供一種在太陽能電池表面形成金屬電極的方法，包括：一種在太陽能電池表面形成金屬電極的方法，包括：提供一太陽能電池基板的半成品，半成品是指摻雜第一型導電性雜質的太陽能電池基板已經過結構化(texturing)、摻雜製程以形成一摻雜層，並於摻雜層之上形成一抗反射層；將一第一金屬漿料，以網印方式印製於抗反射層表面，形成複數條柵線(grid lines)，第一金屬漿料的成分至少包含用來穿透該抗反射層的玻璃介質；將一第二金屬漿料以網印方式印製於抗反射層表面，形成二匯流排(bus bars)，其中第二金屬漿料的成分不包括用來穿透抗反射層的玻璃介質；及施以一燒結製程，以使第一及第二金屬漿料分別形成柵線及二匯流排，其中僅有第一金屬漿料穿透抗反射層，和摻雜層形成歐姆接觸。

其中，第二金屬漿料被網印於太陽能電池基板表面形成二匯流排時，二匯流排的厚度大約10至20μm。並且，第一及第二金屬漿料的成分皆包括導電金屬粉末及有機物。

另外，在太陽能電池基板吸光面形成二匯流排後，於太陽能電池基板背面以網印方式形成背電極。

本發明所提供的另一種方法是，係先將第二金屬漿料網印於太陽能電池基板吸光面，以形成二匯流排，再將第一金屬漿料網印於太陽能電池基板吸光面，以形成柵極。

該些柵線及二匯流排分兩步驟被印製於太陽能電池基板吸光面時，需調整刮板行進的方向，使刮板行進的方向分別與該些柵線及二匯流排平行。

由於印製匯流排可選用不含有玻璃介質成分的漿料，而選用導電性較好的金屬漿料。因此，本發明所提供的方法可以使太陽能電池製程整體製程成本降低，同時，匯流排的導電性也能因此而提升。柵線的高寬比(h/L)也不需再因應匯流排而有所限制，僅需考慮其本身的光遮蔽效應及電阻損失以調整到最佳化，使太陽能電池光電轉換效率提高。並且，製程簡便不複雜，適於太陽能電池量產。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明在太陽能電池吸光面形成電極的方法，特舉較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。

請參照圖3，為本發明所提供一種在太陽能電池表面形成金屬電極的方法之流程圖。首先從圖3A到3E中顯示太陽能電池基板3已分別完成清潔及結構化(texturing)，並經過擴散製程，形成一導電性雜質摻雜層30，移除表面的雜質氧化層31之後，於太陽能電池基板3的表面形成抗反射層33的製程。

接著，以網印方式在太陽能電池吸光面形成複數條柵線(grid line)和二匯流排(bus bars)。為了節省成本，並考慮到對柵線和匯流排的需求不同，本發明所提供的方法中，除了將柵線和匯流排分成兩步驟來印製之外，並選擇使用不同的金屬漿料。

請參照圖3F，利用一刮板36將一第一金屬漿料34以網印方式印製於太陽能電池基板3的吸光面，形成複數條柵線(grid lines)。為了在後續的製程中，第一金屬漿料34要能夠穿透抗反射層33，並和太陽能電池基板3的摻雜層30形成良好的歐姆接觸。第一金屬漿料34至少包括導電金屬粉末、玻璃介質粉末、有機物、添加劑或溶劑混合而成，其中的玻璃介質粉末即是用來穿透抗反射膜33的主要成分。

由於第一金屬漿料34會具有一定的流動性以利於網版印刷，為了避免印刷後圖案被破壞，在印刷柵線後，透過乾燥爐將太陽能電池基板烘乾，以將有揮發性的添加劑及溶劑蒸發掉，讓電極可凝固。本發明實施例中，第一金屬漿料34的導電金屬粉末是選自選自銀、鋁、銅、鈦、金、鎳及其任意混合所組成的群組其中之一種，玻璃介質粉末是選自硼矽酸鉛玻璃介質，而烘乾溫度大約150至250℃。

接著，請參照圖3G，同樣以刮板36將一第二金屬漿料35以網印方式印製於該太陽能電池基板的吸光面，形成二匯流排(bus bars)。在完成匯流排的印刷後，同樣需要透過乾燥爐，將太陽能電池基板烘乾。

與前述的柵線不同的是，匯流排電極線不要求一定要和太陽能電池基板3的摻雜層30形成良好的歐姆接觸，而是要求電阻值越低越好，以利於模組廠焊接導線。因此，在本發明中，用來印製匯流排的第二金屬漿料35不包括用來穿透抗反射層33的玻璃介質成分，可以大幅降低匯流排電極線的電阻值。在本發明實施例中，第二金屬漿料的成分包括導電金屬粉末、有機物、添加劑和溶劑，其中導電金屬粉末可選自銀、鋁、銅、鈦、金、鎳及其任意混合所組成的群組其中之一種。

另一方面，第二金屬漿料35的成本會低於第一金屬漿料34，且匯流排的面積總和及柵線的面積總和，比值大約是1：2，因此，至少有1/3的區域可以選用成本較低，但導電度較高的第二金屬漿料來印製。相較於習知技術中，採用一次印刷的製程來說，針對每一片太陽能電池的製程，本發明可以節省超過10%的成本，更有利於大量生產太陽能電池。

此外，針對柵線來說，考量到電極本身的電阻損失與光遮蔽損失的平衡，要求電極線的線寬要細，但厚度需相對提高，但針對匯流排而言，線寬細造成電阻增加，反而使模組廠在焊接導線時不易操作。然而，在習知的製程中，匯流排與電極印刷是一次完成，用來印刷匯流排電極線的金屬漿料仍具有玻璃介質成份，因此無法依各自的特性要求與以優化。

而在本發明中，由於柵極及匯流排分成兩次印刷，柵線和匯流排電極線的寬度(L)及厚度(h)可以各自選擇。柵線電極線的高寬比(aspect ratio)具有可以增加的空間；而匯流排電極可選擇金屬固含量更佳的金屬漿料，且其厚度可以縮減為10至20μm，相較於習知的匯流排電極線而言，仍然具有較佳的電性。並且，匯流排電極線的厚度縮減後，可節省更多材料成本，連帶的也使太陽能電池的製程成本降低更多。

本發明實施例中，柵線和匯流排是相互垂直的直線。請參照圖4A及圖4B，分別為圖3F及3G中所使用的第一網版40及第二網版41之上視圖。圖4A的第一網版40，僅具有預定形成複數條柵線之圖案400，圖4B的第二網版41，僅具有預定形成匯流排之圖案410。在印刷柵線及匯流排時，刮板36的行進方向分別如圖4A之箭頭A及圖4B之箭頭B所示。

由於習知技術中，印刷電極線所使用的網版為耗材，在使用1至2萬次之後，就必須更換網版。而目前在業界200MW電池生產線為例，太陽能電池的生產量是每天拾數萬片，每日即須更換網版近十次。長久累積下來，網版所耗費的成本也非常大。因此，在本發明實施例中，印刷柵線時，刮板36的行進方向A和柵線圖案開口400平行，而進行匯流排的印刷之前，需要先調整刮板36的行進方向或是使太陽能基板轉動90度，使刮板行進方向B與匯流排圖案開口410平行，可延長每一片網版的壽命，進而降低成本。

當然，在另一實施例中，也可以先將第二金屬漿料35網印於太陽能電池基板3吸光面，以形成二匯流排，再將第一金屬漿料34網印於太陽能電池基板吸光面，以形成柵極。但是此種印刷方式，會使柵線重疊於匯流排上方，在燒結過程中，第一金屬漿料內所含有的玻璃介質成分，可能會影響匯流排之導電度，所以，較佳的作法仍是先完成柵極的印刷之後，再印刷匯流排電極線。但上述兩種製程方法相較於習知技術而言，都可以使製程成本大幅降低，並且，使太陽能電池電極線的電性更好，提升太陽能電池光電轉換效率。

請參照圖3H，太陽能電池基板3在匯流排印刷完成並經過乾燥爐烘乾後，同樣以網印方式於太陽能電池基板背面形成背電極37及塗佈鋁漿38。

最後，請參照圖3I，施以一燒結製程，以使第一及第二金屬漿料35形成電極，其中僅有第一金屬漿料34穿透抗反射層33，和太陽能電池基板3的摻雜層30形成歐姆接觸。

本發明所提供之在太陽能電池表面形成電極的方法具有下列優點：

(1)　製程方法不複雜，並且，降低整體製程成本。由於匯流排選擇不含有玻璃介質成分的金屬漿料，匯流排電極線的厚度也可以降低，節省材料之使用。此外，再配合印刷時，使刮板行進方向與網版柵線或匯流排電極線的開口保持一致，可以延長網版使用壽命，減少網版的消耗，連帶使製程成本降低。

(2)　由於印刷匯流排的第二金屬漿料不含有穿透抗反射層的玻璃介質，因此也降低匯流排區域蝕穿太陽能電池內部P/N介面的機率。

(3)　匯流排之導電度提高，有利於後續外接導線的製程。

(4)　柵線電極的線寬及厚度不需再和匯流排的線寬一起考量，可以縮減線寬，增加厚度以使電阻損失及光遮蔽損失降至最低。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1、2、3．．．太陽能電池基板

8、10、20、30．．．摻雜層

21．．．二氧化矽層

22．．．罩冪膠

24．．．柵線圖案開口

25．．．柵線電極

26．．．匯流排電極

9、37．．．背電極

11、31．．．雜質氧化層

13、23、33．．．抗反射層

14．．．金屬漿料

16、36．．．刮板

34．．．第一金屬漿料

35．．．第二金屬漿料

38．．．鋁漿

40．．．第一網版

400．．．柵線圖案開口

41．．．第二網版

410．．．匯流排圖案開口

圖1A至1G顯示習知的太陽能電池製程的示意圖；

圖2A至圖2I顯示習知太陽能電池製程的示意圖

圖3A至圖3I顯示本發明太陽能電池製程的示意圖；及

圖4A及4B分別顯示本發明圖3F及3G中所使用的網版之上視圖。

3．．．太陽能電池基板

30．．．摻雜層

31．．．雜質氧化層

33．．．抗反射層

34．．．第一金屬漿料

35．．．第二金屬漿料

37．．．背電極

38．．．鋁漿

Claims

一種在太陽能電池表面形成金屬電極的方法，包括：提供一太陽能電池基板的半成品，該半成品是指該摻雜第一型導電性雜質的太陽能電池基板已經過結構化(texturing)、摻雜製程以形成一摻雜層，並於該摻雜層之上形成一抗反射層；將一第一金屬漿料，以網印方式印製於該抗反射層表面，形成複數條柵線(grid lines)，該第一金屬漿料的成分至少包含用來穿透該抗反射層的玻璃介質；將一第二金屬漿料以網印方式印製於該抗反射層表面，形成二匯流排(bus bars)，其中該第二金屬漿料的成分不包括用來穿透該抗反射層的玻璃介質；及施以一燒結製程，以使該第一及該第二金屬漿料分別形成該柵線及該二匯流排，其中僅有該第一金屬漿料穿透該抗反射層，和該摻雜層形成歐姆接觸。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第二金屬漿料被網印於該太陽能電池基板表面形成該二匯流排時，該二匯流排的厚度大約10至20μm。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第一金屬漿料及該第二金屬漿料的成分皆包括導電金屬粉末及有機物。
如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括在該太陽能電池基板吸光面形成該二匯流排後，於該太陽能電池基板背面以網印方式形成背電極。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，將該第一金屬漿料網印於該抗反射層表面時，更包括調整一刮板行進的方向與該些柵線平行，將該第二金屬漿料網印於該抗反射層上時，調整該刮板行進方向與該二匯流排平行。
一種在太陽能電池表面形成金屬電極的方法，包括：提供一太陽能電池基板的半成品，該半成品是指該摻雜第一型導電性雜質的太陽能電池基板已經過結構化(texturing)、摻雜製程以形成一摻雜層，並於該摻雜層之上形成一抗反射層；將一第二金屬漿料以網印方式印製於該抗反射層表面，形成二匯流排(bus bars)，其中該第二金屬漿料的成分不包括用來穿透該抗反射層的玻璃介質；將一第一金屬漿料，以網印方式印製於該抗反射層表面，形成複數條柵線(grid lines)，該第一金屬漿料的成分至少包含用來穿透該抗反射層的玻璃介質；及施以一燒結製程，以使該第一及該第二金屬漿料分別形成該柵線及該二匯流排，其中僅有該第一金屬漿料穿透該抗反射層，和該摻雜層形成歐姆接觸。
如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該第二金屬漿料被網印於該太陽能電池基板表面形成該二匯流排時，該二匯流排的厚度大約10至20μm。
如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該第一金屬漿料及該第二金屬漿料的成分皆包括導電金屬粉末及有機物。
如申請專利範圍第6項所述的方法，其中，將該第一金屬漿料網印於該抗反射層表面時，更包括調整一刮板行進的方向與該些柵線平行，將該第二金屬漿料網印於該抗反射層上時，調整該刮板行進方向與該二匯流排平行。