TWI496299B - 電極結構與使用電極結構的太陽能電池 - Google Patents

電極結構與使用電極結構的太陽能電池 Download PDF

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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Description

電極結構與使用電極結構的太陽能電池
本發明是有關於一種背接觸電極式太陽能電池，特別是具有可降低電性屏蔽效應之電極結構的太陽能電池。
在結合N型基板的背接觸電極式太陽能電池操作中，藉由P極擴散區收集少數載子(電洞)，再透過P極導電電極將所收集到的少數載子傳導至正端子，藉由N極擴散區域收集多數載子(電子)，再透過N極導電電極將所收集到的多數載子傳導至負端子。然而，在N型基板的N極擴散區域收集多數載子時，此區域的高參雜以及多數載子(電子)的聚集使得少數載子(電洞)在N極擴散區域更容易發生複合而無法轉換為電流，此效應稱為電性屏蔽效應(electrical shading effect)。電性屏蔽效應會導致太陽能電池的轉換效率的降低，因此如何降低電性遮蔽效應是目前需要解決的問題之一。一般的做法為盡量降低N極擴散區域的面積比例，然而降低N極擴散區域的 面積比例又會影響多數載子(電子)的傳導阻值，僅能在兩者效應間盡量做到最佳化設計。
第1圖係顯示傳統的背接觸電極式太陽能電池的平面圖。如第1圖所示，傳統太陽能電池10主要包含N極擴散區101、P極擴散區102、N極接觸點103、P極接觸點104、N極導電電極105與P極導電電極106。N極擴散區域101為梳狀排列，而P極擴散區域102則環繞於N極擴散區域101。N極導電電極105僅疊設於N極擴散區域101上，P極導電電極106僅疊設於P極擴散區域102上。另外，N極導電電極105進一步包含複數個N極指狀電極1052與N極匯流電極1054疊設於N極擴散區域101上，P極導電電極106進一步包含複數P極指狀電極1062與P極匯流電極1064疊設於P極擴散區域102上。透過N極接觸點103讓N極擴散區域101可以與N極導電電極105電性接觸，透過P極接觸點104讓P極擴散區域102可以與P極導電電極106電性接觸。
由第1圖可以看出N極擴散區域101為電性遮蔽效應的發生區域，特別是N極匯流電極1054下方的N極擴散區域相對較大的面積產生的轉換效率的影響更為顯著。另外P極匯流電極1064下方的大面積P極擴散區域也不利於多數載子(電子)在這個區域的傳導，導致串聯電阻的增加也進一步損傷了電池片的轉換效率。可見如何改善N極與P極匯流電極下方擴散區域的不利影響，有其價值與必要性。
第2A圖、第2B圖與第2C圖分別顯示傳統廠商為解決電性遮蔽效應所設計之太陽能電池的電極結構的示意圖。如第2A圖所示，在此太陽能電池20A中，匯流電極202A為三角弧形條狀圖案設置在太陽能電池20A的邊緣區域，另外包含數個加大面積的方形焊接點作為電池片串接時的焊帶接觸位置。而指狀電極204A的中間區域並沒有任何匯流電極202A的存在。這樣的設計雖然初步減少了匯流電極202A的面積(也就是減少了匯流電極下方的擴散區域面積)，改善了電性遮蔽效應，但是由於指狀電極204A到匯流電極202A的距離變長，會增加電子電洞對所產生之電流的傳遞電阻。第2B圖為另一個背接觸電極式太陽能電池的電極結構的示意圖。如第2B圖所示，SUNPOWER公司揭露一種太陽能電池之電極結構(美國專利7,804,022公告號)，在此太陽能電池的電極結構20B中，將匯流電極202B縮小為方形圖案且設置在太陽能電池20B的邊緣區域，而在指狀電極204B的中間區域並沒有任何匯流電極202B的存在。同時又修改指狀電極204B的安排，讓其直接連接至方形匯流電極202B一邊。這樣的設計雖然盡量縮小了匯流電極202B的面積，也就是縮小了匯流電極202B下方擴散區域的面積，能夠降低電性屏蔽效應的影響。然而由於指狀電極204B到匯流電極202B的距離變長，會增加電子電洞對所產生之電流的傳遞電阻。而且其縮小的匯流電極設置在太陽能電池20B的邊緣區域，這樣的安排除了增加效率量測的困 難(匯流電極202B同時也是效率量測的探針點測位置)，也產生電池片串接組件時的技術限制。如第2C圖所示(美國專利7,390,961公告號)之太陽能電池的電極結構20C，這樣設計的電池片匯流電極202C無法採用傳統的串焊技術而必須搭配特別的焊帶204C設計與焊接技術來實現電池片的串接。僅焊接在電池片匯流電極202C邊緣的焊帶設計無法如傳統的串焊技術延伸焊帶進入電池片以內，因此也無法利用焊帶204C的延伸來進一步降低串接電阻。
因此存在一種需求設計太陽能電池的電極結構，可以在不縮小匯流電極面積的情況下，改善背接觸電極式太陽能電池的電性屏蔽效應，提升太陽能電池的性能。而且可以沿用傳統的焊帶串焊技術近一步降低串接電阻提升太陽能電池組件效能。
本發明之目的在提出一種電極結構，可改善太陽能電池的電性屏蔽效應，提升太陽能電池的性能。
根據上述之目的，在此揭露一種電極結構，該電極結構係用於一背接觸電極式太陽能電池上，而該太陽能電池包含至少一第一擴散區域、第二擴散區域、複數個第一接觸點與複數個第二接觸點，該電極結構包含一第一導電電極與一第二導電電極。該第一導電電極包含一第一匯流電極， 該第一匯流電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第一擴散區域上方的該第一匯流電極透過該複數個第一接觸點與該第一擴散區域電性接觸，在該第二擴散區域上方的該第一匯流電極與該第二擴散區域電性絕緣；以及複數個第一指狀電極，該第一指狀電極設置於該第一擴散區域上方，並與該第一匯流電極電性連接，透過該複數個第一接觸點使該第一指狀電極與該第一擴散區域電性接觸。該第二導電電極包含一第二匯流電極，該第二匯流電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第二擴散區域上方的該第二匯流電極透過該複數個第二接觸點與該第二擴散區域電性接觸，在該第一擴散區域上方的該第二匯流電極與該第一擴散區域電性絕緣；以及複數個第二指狀電極，該第二指狀電極設置於該第二擴散區域上方，並與該第二匯流電極電性連接，透過該複數個第二接觸點使該第二指狀電極與該第二擴散區域電性接觸。
本發明之另一目的在提出一種使用此電極結構的太陽能電池，透過此電極結構，在不改變太陽能電池的製程步驟下，可以達到改善太陽能電池的電性屏蔽效應，並進一步降低傳導電阻以提升太陽能電池的性能。
根據上述之目的，在此揭露一種背接觸電極式太陽能電池包含至少一第一擴散區域、第二擴散區域、一絕緣層、複數個第一接觸點、複數個第二接觸點、一第一導電電 極與一第二導電電極。第二擴散區域環繞該至少一第一擴散區域。絕緣層設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，且包含複數個第一穿孔與複數個第二穿孔，該複數個第一穿孔暴露該第一擴散區域，該複數個第二穿孔暴露第二擴散區域。複數個第一接觸點設置於該複數個第一穿孔中，複數個第二接觸點設置於該複數個第二穿孔中。第一導電電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第一擴散區域上方的該第一導電電極透過該複數個第一接觸點與該第一擴散區域電性接觸，在該第二擴散區域上方的該第一導電電極藉由該絕緣層與該第二擴散區域電性絕緣。第二導電電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第二擴散區域上方的該第二導電電極透過該複數個第二接觸點與該第二擴散區域電性接觸，該第一擴散區域上方的該第二匯流電極藉由該絕緣層與該第一擴散區域電性絕緣。
10‧‧‧太陽能電池
101‧‧‧N極擴散區
102‧‧‧P極擴散區
103‧‧‧N極接觸點
104‧‧‧P極接處點
105‧‧‧N極導電電極
1052‧‧‧N極指狀電極
1054‧‧‧N極匯流電極
106‧‧‧P極導電電極
1062‧‧‧P極指狀電極
1064‧‧‧P極匯流電極
20A‧‧‧電極結構
202A‧‧‧匯流電極
204A‧‧‧指狀電極
20B‧‧‧電極結構
202B‧‧‧匯流電極
204B‧‧‧指狀電極
20C‧‧‧電極結構
202C‧‧‧電池片
204C‧‧‧焊帶
30‧‧‧太陽能電池
301‧‧‧第一擴散區域
302‧‧‧第二擴散區域
303‧‧‧第一接觸點
304‧‧‧第二接觸點
305‧‧‧第一導電電極
3052‧‧‧第一匯流電極
3054‧‧‧第一指狀電極
306‧‧‧第二導電電極
3062‧‧‧第二匯流電極
3064‧‧‧第二指狀電極
307‧‧‧絕緣層
3072‧‧‧第一穿孔
3074‧‧‧第二穿孔
第1圖係顯示傳統背接觸電極太陽能電池的平面圖；第2A圖係顯示傳統背接觸電極太陽能電池的平面圖；第2B圖係顯示另一傳統背接觸電極太陽能電池的平面圖；第2C圖係顯示傳統參考例之背接觸電極太陽能電池串接 與特殊設計串接焊帶的示意圖；第3圖係顯示本發明較佳實施例之背接觸電極太陽能的示意圖；第4A圖顯示沿第3圖的太陽能電池的AA’線所取的剖面圖；第4B圖顯示沿第3圖的太陽能電池的BB’線所取的剖面圖；以及第5圖係顯示本發明之太陽能電池的電極結構與傳統太陽能電池的電極結構的實驗結果的電性比較圖。
以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。在圖中，結構相似的單元是以相同標號表示。
第3圖係顯示本發明實施例之太陽能電池的示意圖。如第3圖所示，太陽能電池30主要包含第一擴散區域301、第二擴散區域302、第一接觸點303與第二接觸點304。第一擴散區域301為N極擴散區域，又可稱為基極擴散區域。第二擴散區域302環繞第一擴散區域301，第二擴散區域302為P極擴 散區域，又可成為射極擴散區域。在本發明的實施例中第一擴散區域301較佳為長條狀，而第二擴散區域302環繞於第一擴散區域301。然而，在不同實施例中，第一擴散區域301可以為不同的塊狀形狀，在此並不侷限。另外，第一擴散區域301的數量在本發明的實施例中可以為一個或一個以上，在此並不侷限，而且第一擴散區域301在此實施例為縱向依序排列，在不同實施例中可以為橫向依序排列或交錯排列，第一擴散區域301甚至可以為不規則排列，在此並不侷限。第一接觸點303與第二接觸點304分別設置於第一擴散區域301與第二擴散區域302的上方，同樣第一接觸點303與第二接觸點304分別可成為N極接觸點與P極接觸點，或基極接觸點與射極接觸點。
依舊參閱第3圖，太陽能電池30的電極結構可包含第一導電電極305與第二導電電極306。一部分的第一導電電極305疊置於該第一擴散區域301上方，一部分的第一導電電極305疊置於該第二擴散區域302上方，一部分的第二導電電極306疊置於該第一擴散區域301上方，一部分的第二導電電極306疊置於該第二擴散區域302上方。第一導電電極305與第二導電電極306分別為N極導電電極與P極導電電極，或基極導電電極與射極導電電極。在第一擴散區域301上方的第一導電電極305透過第一接觸點303與第一擴散區域301電性接觸，而在第二擴散區域302上方的第一導電電極305，因為沒 有設置第一接觸點303或第二接觸點304，在第二擴散區域302上方的第一導電電極305不會與第二擴散區域302電性接觸。同樣，在第二擴散區域302上方的第二導電電極306透過第二接觸點304與第二擴散區域302電性接觸，而在第一擴散區域301上方的第二導電電極306，因為沒有設置第一接觸點303或第二接觸點304，在第一擴散區域301上方的第二導電電極306不會與第一擴散區域301電性接觸。
另外，第一導電電極305進一步可分為第一匯流電極(busbar electrode)3052與複數個第一指狀電極(finger electrode)3054，第二導電電極306進一步可分為第二匯流電極3062與複數個第二指狀電極3064。由第3圖的實施例可以明顯看出，由於第一擴散區域301為縱向依序排列，第一指狀電極3054也為縱向依序排列且疊置於第一擴散區域301上方。而第二指狀電極3064與第一指狀電極3054為縱向交錯排列，在不同實施例中第二指狀電極3064與第一指狀電極3054也可以為非交錯排列，在此並不侷限。第一匯流電極3052與第二匯流電極3062為平行排列，分別設置於第一擴散區域301的兩端，且分別橫向跨越至少一第一擴散區域301。進一步來說，第一指狀電極3054與第二指狀電極3064分別設置於第一擴散區域301與第二擴散區域302的上方，且透過第一接觸點303讓第一指狀電極3054與第一擴散區域301電性接觸，透過第二接觸點304讓第二指狀電極3064與第二擴散區域302電性接觸。而第 一匯流電極3052設置於第一擴散區域301與第二擴散區域302上方，第二匯流電極3062也設置於第一擴散區域301與第二擴散區域302上方。在第一擴散區域301上方的第一匯流電極3052透過第一接觸點303與第一擴散區域301電性接觸，而第一匯流電極3052與第二擴散區域301重疊的區域，因為在第一匯流電極3052與第二擴散區域302之間設置絕緣層(未圖示)，且在第一匯流電極3052與第二擴散區域302之間並沒有第一接觸點303或第二接觸點304的設置，因此第一匯流電極3052與第二擴散區域302的重疊區域不會做電性接觸。同理，在該第二擴散區域302上方的第二匯流電極3062透過第二接觸點304與第二擴散區域302電性接觸，而第二匯流電極3062與第一擴散區域301重疊的區域，因為在第二匯流電極3062與第一擴散區域301之間設置絕緣層(未圖示)，且在第二匯流電極3062與第一擴散區域301之間並沒有第一接觸點303或第二接觸點304的設置，因此第二匯流電極3062與第一擴散區域301的重疊區域不會做電性接觸。相較於第1圖所示的傳統太陽能電池，第一匯流電極3052下方的第一擴散區域301的面積得以大幅減少，因此改善了電性屏蔽效應，提升太陽能電池的轉換效能。而第二匯流電極3062下方也因為穿插了第一擴散區域301而縮短了多數載子(電子)在這個區域的運動距離而降低傳導電阻，更進一步提升太陽能電池的效能。本發明實施例中的太陽能電池30的結構與傳統的太陽能電池的結構差異不 大，藉由上述的電極結構設計，無須大幅度改變太陽能電池的製程即可完成本發明的太陽能電池的結構。，第4A圖與第4B圖分別顯示沿第3圖的太陽能電池的AA’線與BB’線所取的剖面圖。如第4A圖所示，先在太陽能電池上形成第一擴散區域301與第二擴散區域302，藉由先形成第二擴散區域302，再將第二擴散區域302的部分區域挖空成複數個開口，再形成第一擴散區域301。然後，在第一擴散區域301與第二擴散區域302上方形成絕緣層307，絕緣層307上具有複數個第一穿孔3072，該複數個第一穿孔3072可暴露部分的第一擴散區域301，然後再於複數個第一穿孔3072中填充金屬導電材料以形成複數個第一接觸點303。最後在絕緣層307與複數個第一接觸點303上方形成第一導電電極305，完成本發明在AA’線的太陽能電池結構。而且，由第4A圖中可以明顯看出，因為第一擴散區域301上方設置第一接觸點303，讓第一擴散區域301可與第一導電電極305電性接觸，而第二擴散區域302上方並沒有設置第一接觸點303或第二接觸點304，僅具有絕緣層307，使第二擴散區域302與第一導電電極305不會做電性接觸。
同理，如第4B圖所示，在太陽能電池上形成第一擴散區域301與第二擴散區域302之後，在第一擴散區域301與第二擴散區域302上方形成絕緣層307。絕緣層307同樣具有複數個第二穿孔3074，該複數個第二穿孔3074暴露部分的第二 擴散區域302，再於複數個第二穿孔3074中填充金屬導電材料以形成複數個第二接觸點304。最後在絕緣層307與複數個第二接觸點304上方形成第二導電電極306，完成本發明在BB’線的太陽能電池結構。由第4B圖中可以明顯看出，因為第二擴散區域302上方設置第二接觸點304，讓第二擴散區域302可與第二導電電極306電性接觸，而第一擴散區域301上方並沒有設置第一接觸點303或第二接觸點304，僅具有絕緣層307，使第一擴散區域301與第二導電電極306不會做電性接觸。
另外，在此需要說明的是，上述的太陽能電池製作步驟可以藉由沉積、塗佈、光罩、雷射或蝕刻等半導體製程來完成，而此半導體製程為本領域技術人員所熟知，在此不再贅述。而在本發明的實施例中的太陽能電池較佳為背接觸電極式太陽能電池，但在此並不侷限。第5圖係顯示本發明之太陽能電池的電極結構與傳統太陽能電池的電極結構的實驗結果的電性比較圖。由第5圖可以明顯看出，本發明之太陽能電池的電極結構所獲得的轉換電流高於傳統的太陽能電池的電極結構，可見本發明實施例中所述的電極結構，可以降低太陽能電池的電性屏蔽效應，且無須變更原本的太陽能電池的製造流程，同樣可以達到改善太陽能電池的轉換效率。
雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明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，當可作各種之更動與潤 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。
30‧‧‧太陽能電池
301‧‧‧第一擴散區域
302‧‧‧第二擴散區域
303‧‧‧第一接觸點
304‧‧‧第二接觸點
305‧‧‧第一導電電極
3052‧‧‧第一匯流電極
3054‧‧‧第一指狀電極
306‧‧‧第二導電電極
3062‧‧‧第二匯流電極
3064‧‧‧第二指狀電極

Claims (10)

  1. 一種電極結構，該電極結構係用於一太陽能電池上，而該太陽能電池包含至少一第一擴散區域、一第二擴散區域、複數個第一接觸點與複數個第二接觸點，其中該電極結構包含：一第一導電電極，包含：一第一匯流電極，該第一匯流電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第一擴散區域上方的該第一匯流電極透過該複數個第一接觸點與該第一擴散區域電性接觸，在該第二擴散區域上方的該第一匯流電極與該第二擴散區域電性絕緣；以及複數個第一指狀電極，該複數個第一指狀電極設置於該第一擴散區域上方，並與該第一匯流電極電性連接，透過該複數個第一接觸點使該複數個第一指狀電極與該第一擴散區域電性接觸；以及一第二導電電極，包含：一第二匯流電極，該第二匯流電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第二擴散區域上方的該第二匯流電極透過該複數個第二接觸點與該第二擴散區域電性接觸，在該第一擴散區域上方的該第二匯流電極與該第一擴散區域電性絕緣；以及複數個第二指狀電極，該複數個第二指狀電極設置於該第二擴散區域上方，並與該第二匯流電極電性連接，透過該複數個第二接觸點使該複數個第二指狀電極與該第二擴散區域電性接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電極結構，其中該第一擴散區域為N極擴散 區域，該第二擴散區域為P極擴散區域。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電極結構，更包含一絕緣層，該絕緣層設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，以隔絕該第一擴散區域與該第二擴散區域和該第一導電電極與該第二導電電極做電性接觸。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電極結構，其中該電極結構是用於一背接觸電極式太陽能電池上。
  5. 一種太陽能電池，包含：至少一第一擴散區域；一第二擴散區域，環繞該至少一第一擴散區域；一絕緣層，該絕緣層設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，且包含複數個第一穿孔與複數個第二穿孔，該複數個第一穿孔暴露該第一擴散區域，該複數個第二穿孔暴露該第二擴散區域；複數個第一接觸點，設置於該複數個第一穿孔中；複數個第二接觸點，設置於該複數個第二穿孔中；一第一導電電極，設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第一擴散區域上方的該第一導電電極透過該複數個第一接觸點與該第一擴散區域電性接觸，在該第二擴散區域上方的該第一導電電極藉由該絕緣層與該第二擴散區域電性絕緣；以及一第二導電電極，設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該 第二擴散區域上方的該第二導電電極透過該複數個第二接觸點與該第二擴散區域電性接觸，該第一擴散區域上方的該第二匯流電極藉由該絕緣層與該第一擴散區域電性絕緣。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該第一導電電極包含：一第一匯流電極，該第一匯流電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第一擴散區域上方的該第一匯流電極透過該複數個第一接觸點與該第一擴散區域電性接觸，在該第二擴散區域上方的該第一匯流電極與該第二擴散區域電性絕緣；以及複數個第一指狀電極，該複數個第一指狀電極設置於該第一擴散區域上方，並與該第一匯流電極電性連接，透過該複數個第一接觸點使該複數個第一指狀電極與該第一擴散區域電性接觸。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該第二導電電極包含：一第二匯流電極，該第二匯流電極設置於該第一擴散區域與該第二擴散區域上方，在該第二擴散區域上方的該第二匯流電極透過該複數個第二接觸點與該第二擴散區域電性接觸，在該第一擴散區域上方的該第二匯流電極與該第一擴散區域電性絕緣；以及複數個第二指狀電極，該複數個第二指狀電極設置於該第二擴散區域上方，並與該第二匯流電極電性連接，透過該複數個第二接觸點使該複數個第二指狀電極與該第二擴散區域電性接觸。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該太陽能電池為一背接觸電極式太陽能電池。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該第一擴散區域為N極擴散區域，該第二擴散區域為P極擴散區域。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該複數個第一接觸點為複數個N極接觸點，該複數個第二接觸點為複數個P極接觸點，該第一導電電極為N極導電電極，該第二導電電極為P極導電電極。
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