TWI482294B - 製作背面具有介電質層以及分散式接觸電極之矽太陽能電池之方法及該元件 - Google Patents

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Description

製作背面具有介電質層以及分散式接觸電極之矽太陽能電池之方法及該元 件
本發明是關於高效率矽基板太陽能電池的領域，較具體來說，係關於一種能應用在工業量產製造背面具有介電質層和分散式接觸電極的矽太陽能電池的技術，以及依照此技術所製造之矽太陽能電池。
一般工業量產的矽基板太陽能電池(silicon wafer-based solar cell)基本結構係由P型半導體(P-type semiconductor)和N型半導體(N-type semiconductor)接面構成，以形成內建電力場(built-in electric field)，而驅動由光線照射產生的電子(electron)和電洞(hole)分別向N型層和P型層側的接觸電極(contact)聚集，因此產生輸出電流與端電壓，提供電力。該太陽能電池的製作，在工業量產線上係對摻雜特定元素形成之P型矽基板或N型矽基板加工，亦即主要經過清洗(cleaning)、粗紋化(texturing)、電性摻雜(doping)、抗反射膜塗佈(antireflection coating)，電極塗佈(contact formation)，燒結(sintering)與切邊(edge isolation)諸道製程程序完成。經照光後，此矽太陽能電池於是產生電力，達到一定的光電轉換效率。一般在工業上係以特定之光強度照射下太陽能電池產生之短路電流密度(Js )、開路電壓(Voc )與填充因子(fill factor;FF)來計算光電轉換效率(η)，亦即依照η=Js ×Voc ×FF÷I0 的數學式，其中I0 為照射之光強度，是以單位面積光之功率為單位。
當下一般工業製造之P型矽基板太陽能電池係以太陽能等級(solar grade)之單晶或多晶矽基板製作。舉一單晶矽太陽能電池為例，前述各參數之代表值為Js =37.5 mA/cm2 ，Voc =0.632 volt，FF=78%，在AM 1.5G之標準測試條件下，模擬光強度為100 mW/cm2 ，其光電轉換效率η為18.49%。
上述工業量產之矽太陽能電池，其前電極(front contact)是以含金屬之材料塗佈於受光側之表面，並呈現柵狀分布；背面則以含金屬之材料整體塗佈於其上。該前電極與背電極(back contact)之材料目前是以銀漿(silver paste)和鋁漿(aluminum paste)透過網版印刷(screen printing)而塗佈於矽太陽能電池之前表面與背表面而成。
為了提升上述太陽能電池的光電轉換效率，研究人員已提出一種在背表面具有鈍化層(passivating layer)和分散式接觸電極(local contacts)的結構，以增加Voc 和Jsc 為目的。其習用之結構如第一圖所示，乃是前、背面皆具備有鈍化層，以及背面具備有分散式接觸電極之結構10，具體來說係包含有受光線12照射之受光側結構11，矽基板13，背面介電質層14，與背面之金屬材料層15，並且含有背面介電質層開口區域16以作為金屬材料15與矽基板13接觸，以及金屬接觸所形成之背表面場(back surface field)區域17。
前述矽太陽能電池的受光側結構11一般含有粗紋化表面結構、掺雜與矽基板13電性相反元素之掺雜層、鈍化層、抗反射層以及前電極。而在背面部分，雖係以整面塗佈方式形成金屬電極，唯與矽基板接觸的部分乃為分散式區域。一般背面介電質層14係由單層材料構成[如參考文獻J. Zhao and et al,”19.8% efficient honeycomb textured multicrystalline and 24% monocrystalline silicon solar cells”Applied Physics Letters,vol. 73,pp. 1991-1993,1998，以及S. Dauwe and et al,”Experimental evidence of parasitic shunting in silicon nitride rear surface passivated solar cells,”Progress in Photovoltaics Research and Applications,vol.10,pp.271-278,2002.]，如二氧化矽、氧化矽、氮化矽,抑或含有雙層以上材料[如參考文獻”Method for formations of high quality back contact with screen-printedlocal back surface field,”USA patent,US 2009/0017617 A1,2009；O. Schultz and et al,”Silicon oxide/silicon nitride stack system for 20% efficient silicon solar cells,”Photovoltaic Specialists Conference 2005,pp.872-876,2005;M. Hofmann and et al,”21%-efficient silicon solar cells using amorphous silicon rear side passivation,”21st European Photovoltaic Solar Energy Conference 2006,pp.609-612,2006]，如二氧化矽、氮化矽、氧化矽的堆疊結構，或非晶矽和氧化矽堆疊結構。最內的一層大多為二氧化矽，作為矽基板背面之主要鈍化層，目前的技術係以高溫爐管在800℃至1050℃成長之[參考文獻如上述O. Schultz等人之著作，以及O. Schultz and et al,”Multicrystalline silicon solar cells exceeding 20% efficiency,” Progress in Photovoltaics Research and Applications,vol.12,pp.553-558,2004]。為達更佳鈍化效果，該最內層氧化物亦可以使用Al2 O3 取代二氧化矽，其原因為Al2 O3 成長在P型矽基板背面時可在矽與Al2 O3 介面形成負電荷層效應[如參考文獻J. Schmidt and et al,”Progress in the surface passivation of silicon solar cells,” 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Spain, Sept. 2008.]。
以二氧化矽為P型矽基板背面主要鈍化層，雖然在矽與二氧化矽介面形成正電荷層，而造成不利效果，然而其正電荷密度不高，相較於使用氮化矽直接作鈍化而產生的較高正電荷密度而言，是較佳之鈍化層選項。為形成保護該鈍化層以及製造背面反射效果，遂又塗佈較厚之氮化矽或氧化矽層於其上，一般係以電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)方式為之。
不論是以氧化物或是非晶矽做為主要鈍化層，金屬材料接觸矽基板之開口區域，係可使用黃光微影方式(photolithography)製成，亦可印刷一層具圖樣(pattern)之蝕刻膏(etch paste)以蝕刻介電質層(dielectric layer)形成開口區域，或可使用熱熔噴塗油墨(hot-melt inkjet ink)噴塗於介電質層上形成圖樣後以酸液蝕刻介電質層而形成上述開口區域[如參考文獻“A process for manufacturing solar cells,”International Patent WO 2008/021782 A2,2008]。另一較進步的方式是以雷射燒結方式將金屬材料層和介電質層共同燒熔以形成laser fired contact[參考文獻如上述M. Hofmann等人之著作，以及如上述O. Schultz等人之著作]。
依前述，背面經鈍化後可降低背表面載子之表面再結合速率(surface recombination velocity)，而增加開路電壓Voc值。又因背面除電極區外無高濃度掺雜，長波長光子(photon)的再結合率可降低，遂使短路電流Jsc增加。若背面因介電質層的反射而增加光子吸收率，亦可增加短路電流。
由於Voc與Jsc增加，光電轉換效率遂而提升。又依前述，習知之主要鈍化層，即二氧化矽層係在高溫800℃至1050℃之高溫爐管環境中生成於矽基板背表面。高溫環境對矽中的少數載子生命期(life time)非常不利，因此本發明改以化學生長法，同樣在矽基板表面生長鈍化所需的二氧化矽，其後再以PECVD方式塗佈一層介電質於其上以作為覆蓋保護或加強鈍化效果。本發明揭露之化學生長法，係以矽基板浸泡於較低溫之化學溶液中，以便在矽材料中生成二氧化矽，抑或氧化矽層，其厚度大約為0.2 nm至15 nm。之後以較高溫退火處理，使原生成之氧化矽更趨完美而無缺陷。較無缺陷的氧化矽層被用來修補矽基板表面的斷鍵(dangling bond)，此即為鈍化層之功能。
另一方面，本發明亦揭露一種形成分散式接觸電極的技術，亦即在背面塗佈金屬材料時，部分金屬材料經過介電質開口區域與矽基板接觸，而形成分散式接觸電極，更進而在矽基板中靠近接觸面之區域產生背表面場。本發明為達此目的，揭露一種以抗化學蝕刻液之材料(chemical-etchant-resistant material)，印刷塗佈於矽太陽能電池背面之介電質層上，形成具有開口之圖樣。然後，將矽基板以化學蝕刻液蝕刻，致使前述覆蓋有抗化學蝕刻液材料區域之介電質層不受蝕刻，反之，未覆蓋之開口區域的介電質層受蝕刻液侵蝕而形成介電質開口區域以及矽基板裸露區域。本發明所使用之印刷方式係以網版印刷(screen printing)或噴墨印刷(injet printing)，將非熱熔性油墨塗佈於目標物上。
本發明亦揭露一種無需造成介電質開口區域之矽基板裸露所形成之分散式接觸電極。於此技術中，在蝕刻矽基板背面介電質層時所形成之開口僅是該介電質層受蝕刻而形成之凹狀坑，且保持有一部分剩餘厚度，並未使矽基板在該開口區域裸露。背面電極金屬材料於高溫燒結時可貫穿該凹狀坑處之剩餘介電質層厚度而與矽基板接觸。若使用之背面電極金屬材料無法貫穿前述凹狀坑處之剩餘介電質層厚度，電子亦可經由穿隧效應而通過之；不論何種情況，該介電質層在該開口區域之剩餘厚度不宜超過一定數值。
由於抗化學蝕刻液之材料，可以使用量產式的網版印刷或噴墨印刷方式塗佈，而以化學蝕刻液蝕刻的方式亦容易量產化，故本項技術係一可實現於目前工業化量產製作的技術。而前述有關本發明揭露之以浸泡於低溫化學溶液中生長氧化矽層的方式亦相容於目前工業量產製程。總而言之，在矽太陽能電池背面形成氧化矽或二氧化矽之鈍化層，以及再塗佈介電質層，其後並產生分散式接觸電極之整套程序，皆可相容於一般量產化製作流程。
本發明旨在揭露一種製作背面具有鈍化層、介電質層，且具有分散式接觸電極之矽太陽能電池，其矽基板可為P型或N型矽半導體。然而，本發明實施方式的說明僅以P型的矽基板為例。爰此，本發明較佳實施例之一係使用經過清洗、粗紋化且具有P-N接面電性的P型矽基板為後續製程出發點，請參考第二圖瞭解本發明有關此例之製程程序。首先將該矽基板浸泡於重量百分比濃度至少為5%之化學溶液中至少2分鐘，其溶液溫度至少在4 ℃以上。據此，在矽基板前、背表面皆生長出氧化矽或二氧化矽層。在本發明之說明中皆以背表面生長之氧化矽或二氧化矽層稱作第一介電質層。其後置於高溫至少100℃環境中退火(annealing)至少3分鐘。接著，在矽基板背面塗佈第二介電質層，其係以PECVD方式沉積的氧化矽層，或者是氮化矽層。此第二介電質層塗佈之後亦可再塗佈，形成氧化矽和氮化矽的堆疊。本實施例之第二介電質層亦可以使用氧化鋁膏(alumina paste)或氧化矽膏(glass paste)以網版印刷或噴墨印刷方式塗佈並固化形成，它們係分別指含氧化鋁和氧化矽之膏狀材料。接著，以網版印刷或噴墨印刷方式將具有圖樣的抗化學蝕刻液材料印刷於矽基板背面之介電質層上，使介電質層的一部分區域為抗化學蝕刻液材料覆蓋，且另一部分區域未受覆蓋。該抗化學蝕刻液材料固化之後，置該矽基板於蝕刻液中進行介電質層的蝕刻，而造成前述未覆蓋抗化學蝕刻液材料之介電質層受蝕刻液侵蝕而形成介電質開口區域以及矽基板裸露區域，且覆蓋抗化學蝕刻液材料之矽基板區域之介電質層保留。前述蝕刻液可為酸性或是鹼性蝕刻液。其後，進行矽基板受光側，亦即前表面之抗反射膜塗佈，以及前、背面之金屬電極塗佈。前表面電極以銀漿印刷製成，背表面電極則大致以鋁漿進行整面印刷塗佈製成。據此，前述矽基板裸露之區域與鋁金屬材料接觸，且矽基板其餘未裸露之區域則受前述介電質層覆蓋保護而未與鋁金屬材料接觸，因此在背表面形成分散式接觸電極的情況。然後進行前、背表面電極的燒結。
本發明另一較佳實施例係以含矽酸鹽、氧化鋁或氧化矽成份之材料以網版印刷或噴墨印刷方式塗佈於背面鈍化層之上，並形成具有開口之圖樣，其後經過燒烤固化形成絕緣保護且具有開口之介電質層。並且經過前述之後續製程製得背面具有介電質層與分散式接觸電極之矽太陽能電池。前述含矽酸鹽成份之材料係至少含矽、氧和鹼金屬之元素。此實施例之部分製程程序，請參考第三圖。
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。
10．．．習知較進步之矽太陽能電池
11．．．受光側結構
12．．．光線
13．．．矽基板
14．．．背面介電質層
15．．．金屬材料層
16．．．背面介電質層之開口區域
17．．．背表面場區域
第一圖　係習知一種較進步之矽太陽能電池，亦即一種在背面具有鈍化層和分散式接觸電極結構之矽基板太陽能電池示意圖。
第二圖　係本發明第一較佳實施例之方塊圖，以說明本發明揭露技術之主要製程流程之一例。
第三圖　係本發明另一較佳實施例之方塊圖，以說明本發明揭露技術之主要製程流程之另一例。

Claims (41)

  1. 一種背面具有介電質層以及分散式接觸電極之矽基板太陽能電池，其特徵至少包含下列：其矽基板為單晶矽或多晶矽之一；具粗紋化之表面；其背面含有介電質層；背面之一部分分散之區域具有介電質層之開口；該介電質層之開口係首先在介電質層上以網版印刷或噴墨印刷之方式塗佈具有開口圖樣之抗化學蝕刻液材料，然後以化學蝕刻液蝕刻介電質層而得；該抗化學蝕刻液材料係一種熱固性抗酸鹼性溶液之水性或油性材料，且其背面介電質層之開口僅是該介電質層受蝕刻後形成之凹狀坑，且保持有一部分剩餘厚度，並未使矽基板在該開口區域裸露；該介電質層之剩餘厚度於背面金屬材料燒結後變小或不變，而該背面金屬材料於燒結時係與該矽基板產生電連結。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其矽基板背面在該開口區域受化學蝕刻液蝕刻形成裸露之坑洞。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之元件，該矽基板背面在該開口區域裸露之坑洞深度小於矽基板厚度之五分之三。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之元件，該矽基板背面在該開口區域裸露之坑洞在矽基板背表面之最大徑長不大於矽基板面積尺寸之最大徑長。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層在該開口區域之剩餘厚度於背面金屬材料燒結後不超過20nm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其矽基板為掺雜週期表中IIIA族元素而具P型矽電性，且N型矽形成於元件之受光側表面；該N型矽含有週 期表中V A族元素。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其矽基板為掺雜週期表中V A族元素而具N型矽電性，且P型矽形成於元件之受光側表面；該P型矽含有週期表中IIIA族元素。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之元件，矽基板背面與金屬接觸之區域具有背表面場區域。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層包含第一與第二介電質層，該第一介電質層具有鈍化功能。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之元件，該第一介電質層係以浸泡矽基板於化學溶液中而生成之氧化矽層，該氧化矽為SiO2 或SiOx(x≠2)。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之元件，該第一介電質層係以浸泡矽基板於化學溶液中而生成，且具有因浸泡而產生之矽氫鍵。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之元件，其浸泡之化學溶液至少含有硝酸、硫酸、鹽酸、雙氧水、氨水以及磷酸之一，且其重量百分比濃度至少為5%，其溶液溫度至少在4℃以上，其浸泡之時間至少2分鐘。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之元件，係浸泡矽基板生成第一介電質層完畢後，經過至少100℃溫度退火且至少達3分鐘。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其背面第一介電質層於一部分區域之厚度在0.2nm到300nm之間。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第一介電質層至少含有氮化矽。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第一介電質層至少含有非晶矽，且非晶矽厚度不超過200nm。
  17. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第一介電質層至少含有氧化鋁，該氧化鋁為Al2 O3 或AlOx(x≠3/2)。
  18. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第二介電質層至少含有氧化矽，該氧化矽為SiO2或SiOx(x≠2)。
  19. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第二介電質層至少含有非晶矽。
  20. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第二介電質層至少含有氮化矽。
  21. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第二介電質層至少含有矽酸鹽，該矽酸鹽成分至少包含矽、氧和鹼金屬元素。
  22. 如申請專利範圍第9項所述之元件，其第二介電質層的形成係以網版印刷或噴墨印刷方式於背面第一介電質層之上塗佈至少含有氧化鋁或氧化矽的膏狀材料，並經過固化，形成覆蓋背面第一介電質層之第二介電質層。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層至少含有氧化矽，該氧化矽為SiO2 或SiOx(x≠2)。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層至少含有氮化矽。
  25. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層至少含有非晶矽。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層至少含有氧化鋁，該氧化鋁為Al2 O3 或AlOx(x≠3/2)。
  27. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層至少含有矽酸鹽，該矽酸鹽成分至少包含矽、氧和鹼金屬元素。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層之開口形狀可為規則幾何形狀，或不規則幾何形狀。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其背面介電質層開口區域之分佈可 為規則排列，或不規則排列。
  30. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其受光側表面塗佈之金屬電極材料種類至少包含銀，且其背面塗佈之金屬電極材料種類至少包含鋁。
  31. 一種背面具有介電質層以及分散式接觸電極之矽基板太陽能電池，其特徵至少包含下列：其矽基板為單晶矽或多晶矽之一；具粗紋化之表面；其背面含有第一介電質層以及第二介電質層，且該第一介電質層具有鈍化功能；背面之一部分分散之區域具有第二介電質層之開口；該第二介電質層之開口係以網版印刷或噴墨印刷方式，在第一介電質層上塗佈具有開口圖樣之該第二介電質層材料而得，且其背面第一介電質層於該第二介電質層之開口區域之厚度於背面金屬材料燒結後不超過20nm，而該背面金屬材料於燒結時係與該矽基板產生電連結。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之元件，其背面第一介電質層至少含有氧化矽，該氧化矽為SiO2 或SiOx(x≠2)。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之元件，其背面第一介電質層至少含有氮化矽。
  34. 如申請專利範圍第31項所述之元件，其背面第一介電質層至少含有氧化鋁，該氧化鋁為Al2 O3 或AlOx(x≠3/2)。
  35. 如申請專利範圍第31項所述之元件，其背面第一介電質層至少含有非晶矽。
  36. 如申請專利範圍第31項所述之元件，其背面第一介電質層係以浸泡矽基板於化學溶液中而生成之氧化矽層，該氧化矽為SiO2 或SiOx(x≠2)。
  37. 如申請專利範圍第31項所述之元件，該第一介電質層係以浸泡矽基板於化學溶液中而生成，且具有因浸泡而產生之矽氫鍵。
  38. 如申請專利範圍第36項所述之元件，其浸泡之化學溶液至少含有硝酸、硫酸、鹽酸、雙氧水、氨水以及磷酸之一，且其重量百分比濃度至少為5%，其溶液溫度至少在4℃以上。其浸泡之時間至少2分鐘。
  39. 如申請專利範圍第36項所述之元件，係浸泡矽基板生成背面第一介電質層完畢後，經過至少100℃溫度退火且至少達3分鐘。
  40. 如申請專利範圍第31項所述之元件，其背面第二介電質層成份至少包含矽酸鹽，且該矽酸鹽成分至少包含矽、氧和鹼金屬元素。
  41. 如申請專利範圍第31項所述之元件，其第二介電質層的形成係以網版印刷或噴墨印刷方式於背面第一介電質層之上塗佈至少含有氧化鋁或氧化矽的膏狀材料，並經過固化，形成覆蓋背面第一介電質層一部份區域之第二介電質層。
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