TWI506807B - 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
本發明是有關於一種太陽能電池(Solar Cell)的製造方法，且特別是有關於一種在持續移動的輸送帶上製造太陽能電池的方法。
太陽能電池(或者稱為太陽能光伏電池，Solar Photovoltaic Cell)用於將太陽能轉換為電能。由於太陽能被視為乾淨、零污染且用之不竭的能源，故在利用太陽能上，太陽能電池也被視為重要的要素。基於前述情況，相當多的研發(Research and Development)工廠皆投入於研究並製造低價且相對高效能的太陽能電池。
大多數的太陽能電池是以半導體材料，例如為矽(Si)、銅銦鎵硒(CIGS)等製成。以成本最低的多晶矽太陽能電池為例，超過半數的太陽能電池生產成本是花費在多晶矽材料上。然而，在傳統的太陽能電池製程中，大部分的多晶矽材料又被浪費在從矽晶棒切割較薄的矽基板與拋光研磨等製程上。因此，如何充分地 利用多晶矽材料來生產太陽能電池對研發人員是一個顯著的課題，同時也是本揭露所致力於的目標。
本發明是關於一種太陽能電池的製造方法，藉由充分且有效地利用半導體材料來製造太陽能電池，以達到降低製造成本的功效。
本發明的一範例實施例包括一種於傳輸帶上製造太陽能電池的方法。於本方法中，於鋁箔(aluminum foil)的第一表面上塗佈混有大量細微石墨(Graphite)粉的磷(Phosphorous,P)層，且磷層特別是紅磷(red Phosphorous,rP)所組成。帶有紅磷與石墨粉的鋁箔被放置於輸送帶上。進行第一熱處理以活化紅磷並與部分的鋁箔反應以在鋁箔的第一表面上形成具自限性(self-limiting)的磷化鋁(Aluminum Phosphide,AlP)，並且於後續步驟中與作為摻質的活化矽(Si)形成n型的磷化鋁層。其中，部分未與磷層反應的鋁箔依舊遺留在輸送帶上。將包括硼(B)的熔融矽材料噴塗在剩餘鋁箔的第二表面上，其中第二表面相對於第一表面。噴塗於鋁上的熔融矽形成多晶矽(Poly-Si)層，且多晶矽層吸收未參與磷化鋁合成物的自限性結構的剩餘鋁元素。為了在n型磷化鋁層上的p型多晶矽層，對利用硼作為p型摻質與利用鋁作為額外的p型摻質的矽層進行第二熱處理，並且n型磷化鋁層以矽替代鋁作為n型摻質。換言之，藉由在第一熱處理活化紅磷以形成具自限性的磷化鋁基 板。藉由在鋁(Al)/磷化鋁(AlP)基板上噴塗熔融矽以作為另一道熱處理，而剩餘的鋁會融入矽材料，同時磷化鋁層利用矽作為n型摻質而形成n型磷化鋁層。在第二熱處理中，第二熱處理在惰性氣體中被執行來穩定在n型磷化鋁層上的p型多晶矽層的結構，並且p型多晶矽層在氫氣中執行退火以減少在多晶矽晶界的懸浮鍵(Dangling Bonds)。藉由上述，包含p型多晶矽層與具有寬能帶隙、超薄且均勻的n型磷化鋁層，並且具有抗反射性的石墨粉附著的太陽能電池被形成於傳送帶上。藉由將太陽能電池送入退火爐柱並且由退火爐柱中的第一垂直層疊將太陽能電池依序上移而逐漸上升，太陽能電池在氫氣中進行退火。而後，太陽能電池從退火爐柱被轉送到第二垂直層疊的頂部以進行冷卻，並且由其頂部下移至底部以便回到輸送帶。
根據本發明的一範例實施例，帶有紅磷與石墨粉的鋁箔被放置於傳送帶上的步驟與噴塗熔融矽材料在剩餘鋁箔的步驟中，更包括利用輸入托盤於輸送帶上承載鋁箔，其中太陽能電池是在輸入托盤中形成。
根據本發明的一範例實施例，輸入托盤被大量的石墨粉所覆蓋，並且塗佈混有石墨粉的紅磷層的表面是面向輸入托盤。
根據本發明的一範例實施例，第一熱處理包括於攝氏300度中加熱鋁箔與紅磷層。
根據本發明的一範例實施例，矽材料被加熱至攝氏1500度以作為熔融矽材料，並且熔融矽材料在進行第二熱處理前被塗 佈於鋁箔的第二表面上。第二熱處理包括以下步驟。於攝氏600度中，剩餘的鋁箔被熔解以融入矽材料中作為額外的p型摻質。於攝氏900度中，將鋁結合矽材料而形成於磷化鋁基板上的p型多晶矽層加熱以退火p型多晶矽層。
根據本發明的一範例實施例，利用矽作為n型摻質以形成n型磷化鋁層。
根據本發明的一範例實施例，形成磷化鋁基板層的材料包括鋁箔與紅磷粉。
根據本發明的一範例實施例，對太陽能電池進行退火的步驟是在攝氏900度到攝氏1000度的範圍間進行。
根據本發明的一範例實施例，在從退火爐柱轉送太陽能電池到第二垂直層疊的頂部的步驟後，製造太陽能電池的方法更包括下列步驟。多個指狀電極被貼附至n型磷化鋁層的曝露表面。使用接合玻璃封合所述指狀電極與n型磷化鋁層。
根據本發明的一範例實施例，指狀電極是被壓印於一可分離蠟質表面。
根據本發明的一範例實施例，指狀電極的材料包括鎳。
根據本發明的一範例實施例，指狀電極的形成是將噴墨印刷材料中的導電性墨水印於一可分離蠟質表面上。
根據本發明的一範例實施例，在封合指狀電極與n型磷化鋁層的步驟後，製造太陽能電池的方法更包括下列步驟。在p型多晶矽層的曝露表面添加反射金屬背層。
根據本發明的一範例實施例，反射金屬背層包括鋁層。
根據本發明的一範例實施例，太陽能電池封裝於不銹鋼或鋁合金井中並由平板接合玻璃所覆蓋。
基於上述，根據本發明多個範例實施例，太陽能電池是一層接一層所形成。藉由提供各種材料並且連續地執行第一熱處理與第二熱處理來形成n型磷化鋁層與p型多晶矽層，由於大部分功能性光伏材料皆可用於這個形成太陽能電池的製程中，所以這個方法可以充分地利用各種材料。更有甚者，所述製造方法皆執行於連續移動的傳送帶上，故能藉由避免停止輸送帶來移動部份完成或已完成的太陽能電池而得以提升有效的裝置生產率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
110‧‧‧鋁箔
120‧‧‧磷層
122‧‧‧石墨粉
130‧‧‧輸送帶
132‧‧‧輸入托盤
132a‧‧‧承載部
132b‧‧‧摺疊部
132c‧‧‧口緣部
140‧‧‧n型磷化鋁層
142‧‧‧矽材料
150‧‧‧矽層
152‧‧‧p型多晶矽層
154‧‧‧鋁
160‧‧‧太陽能電池
170‧‧‧退火爐柱
172‧‧‧第一垂直層疊
180‧‧‧第二垂直層疊
190‧‧‧可分離蠟質表面
192‧‧‧指狀電極
194‧‧‧接合玻璃
196‧‧‧反射金屬背層
H2‧‧‧氫氣
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧n型磷化鋁層的曝露表面
S4‧‧‧p型多晶矽層的曝露表面
構成本說明書一部分的圖示搭配以下說明以提供對本發明更進一步的理解。在此，所述圖示描繪了本發明的多個實施例，並且與以下說明一同用來解釋本發明的原理。
圖1A~1I是根據本發明範例實施例所繪示的一種太陽能電池的製造方法的示意圖。
圖2是根據本發明範例實施例所繪示的一種輸入托盤的上視示意圖。
以下將參照多個範例實施例與隨同的圖示提供本發明的詳細說明，其中相同與相似的部分將標註相同的參考標號。更進一步而言，只要情況允許，在範例實施例或圖示中，相同或相似的參考標號代表相同與相似的元件。
圖1A~1I是根據本發明範例實施例所繪示的一種太陽能電池160的製造方法的示意圖。太陽能電池的製造方法是在傳送帶130上持續地被執行。參照圖1A，鋁箔(Aluminum foil)110的第一表面S1被塗佈混雜大量細微石墨(Graphite)粉122的磷(Phosphorous,P)層120。磷層120的材料，舉例而言，包括紅磷(red Phosphorous,rP)粉，因而磷層120實質上含有紅磷與石墨粉。在本範例實施例中，鋁箔110例如為4微米厚(micron，即micrometer)。
參照圖1B，帶有磷層120與石墨粉122的鋁箔110被放置於輸送帶130上。輸送帶130可以由石墨纖維所製，並且於傳送帶130上設置多個輸入托盤132。在本範例實施例中，輸入托盤132用以承載帶有磷層120與石墨粉122的鋁箔110。
更詳細地說，在本範例實施例中，輸入托盤132可以由鉭(Ta)或鉬(Mo)所製，並且從25微米厚的薄片摺疊而成。圖2是根據本發明範例實施例所繪示的一種輸入托盤132的上視示意圖。參照圖2，輸入托盤132包括承載部132a，其長與寬分別為10公分(cm)。更進一步而言，承載部132a被摺疊部132b所環繞，且摺疊部132b是薄片的邊緣部份並且上摺以環繞承載部132a。在 承載部132三邊的摺疊部132b分別為2毫米高(millimeter)。位於承載部132a一邊的口緣部132c則朝向輸送帶130下摺使得輸送托盤132得以堆疊於其它輸送托盤132的上方。值得注意的是，於圖2中所示的的輸送托盤132僅為一個範例，並且輸入托盤132的設計並不以此為限。輸入托盤132被石墨粉所覆蓋。如圖1B所示，當帶有磷層120的鋁箔110被置入於輸入托盤132時，其塗佈有混雜石墨粉122的磷層120的第一表面S1是面向於輸送托盤132。
參照圖1C，進行第一熱處理以活化部分的鋁箔100並與圖1B中位於第一表面S1上的磷層120反應以形成磷化鋁(Aluminum Phosphide,AlP)層140，其中一部分的鋁箔100仍會殘留於輸送帶130上。在本範例實施例中，第一熱處理包括於攝氏300度加熱圖1B中所示的鋁箔110與磷層120。當紅磷於攝氏300度中加熱時，其轉變為具反應性的白磷蒸氣，並且與鋁反應而產生磷化鋁。由於磷化鋁是熔點為攝氏2500度的半導體材料，磷化鋁層140的結構也具有自限性以防止磷在溫度低於熔點相當多的情況下從磷化鋁140層中散失出來。在本範例實施例中，磷化鋁層140最多至1微米厚。更有甚者，於製造方法接下來的步驟中，矽材料在升高的溫度中被用作為n型摻質以形成n型磷化鋁層。具有n型摻質的磷化鋁層140為具寬能帶隙的半導體，其與p型多晶矽層間形成異質接面能障(hetero junction barrier)且有較低的漏電流，因而導致較高的光伏效率。
參照圖1D，在第一熱處理後，熔融矽(molten silicon)材料被噴塗於剩餘鋁箔110的第二表面S2以形成矽層150，其中第二表面S2是相對於圖1A中所示的第一表面S1。太陽能級(solar grade)熔融矽的材料例如是透過感應加熱的鉬噴嘴或鉭噴嘴於攝氏1500度時所輸送。於本範例實施例中，包含硼(boron,B)的熔融矽材料(為了形成矽層150)被噴塗以形成60微米厚層，但本發明並不限於此。
參照圖1E，第二熱處理被執行以減少在圖1D中的矽晶界(silicon grain boundaries)並且提升與n型寬能帶隙(wide bandgap)的磷化鋁層140一同的p型多晶矽層使其有較高的光伏效率，其中剩餘的鋁箔(圖1D)被用作為額外的p型摻質(p-dopant)，且硼(未繪示)被用作為矽層150的p型摻質使得包括p型多晶矽層152與n型磷化鋁層140的太陽能電池160形成於輸送帶130上。為了形成具有較強光伏效率的p型多晶矽層152，第二熱處理包括數個步驟。然而，在第二熱處理前，需要注意的是，高溫的熔融矽材料也是種熱處理，並且剩餘的鋁箔(圖1D)可能熔化且融入矽層150中。同樣地，一部分接觸磷化鋁層140(圖1D)的熔融矽材料產生如同摻雜矽材料142(圖1E)的n型磷化鋁層140。在第二熱處理中，剩餘的鋁箔110(未受熔融矽材料影響而熔解)會於攝氏660度中被熔解以融入如圖1D中的矽層150以作為額外的p型摻質(不會融入具自限性的磷化鋁層)，然後被加熱至攝氏1500度與塗佈於剩餘鋁箔110(圖1D)的矽材料(圖1D中的矽層150)會在攝氏900 度中被加熱以對p型多晶矽層152(圖1E)進行退火。
同時參照圖1D與1E，在進行第二熱處理時，加熱溫度會維持於攝氏900度。在本範例實施例中，快速熱脈衝(Rapid Thermal Pulse,RTP)方法若是必要可以被應用於此來對矽層150均勻的加熱，其中多個加熱燈被用於提供熱輻射。於第二熱處理中，在攝氏660度時，肇因於熔融矽材料或第二熱處理中提升的溫度，而使得剩餘的鋁箔110熔解或接近熔解。由於矽材料是塗佈於剩餘鋁箔110的第二表面S2(即矽層150)，鋁154會融入矽基材以作為矽層150中額外的p型摻質。在第二熱處理前，當噴嘴溫度是上升至攝氏1500度時，熔化的矽材料受擠壓而從噴嘴離開以形成矽層150，甚至是多晶矽層152，而熔融矽材料包括硼(未繪示)。值得注意的是，由於n型磷化鋁層140的熔點將近攝氏2500度，因此可作為穩定的基板來進行p型多晶矽層152的構成。部分的矽材料融入磷化鋁層140並且如同前述，矽材料142(圖1E)因攀升的溫度而被活化以作為磷化鋁層140中的n型摻質(n-dopant)。因此，包括p型多晶矽層152與n型磷化鋁層140的太陽能電池160被形成於輸送帶130上，並且為光伏裝置(PV device)形成異質接面能障(hetero junction barrier)且有較低的漏電流。
參照圖1F，太陽能電池160被退火以減少多晶缺陷中的懸浮鍵。舉例而言，太陽能電池160為了鈍化而於氫氣中進行退火處理。特別的是，藉由將太陽能電池160輸入退火爐柱(annealing column)170，並且於退火爐柱170中的第一垂直層疊172內將太陽能電池160升高至其它數以百計的托盤之上，使太陽能電池160於氫氣中退火。太陽能電池160於攝氏900度~攝氏1000度的範圍內被進行數分鐘的退火。每一個太陽能電池160皆是與一個輸入托盤132一同輸入至退火爐柱170，並且第一垂直層疊172是由下往上地被升高。因此，太陽能電池的持續且高產能的生產是藉由此退火步驟而完成。太陽能電池160是依序地被移動到退火爐柱170的頂端，並且從退火爐柱170的柱頂移出。
參照圖1G，於退火步驟後，太陽能電池160被從退火爐柱170轉移至第二垂直冷卻層疊180以從其頂佈下降至其底部。值得注意的是，冷卻用柱180由多個溫度區所構成，且太陽能電池160在每個溫度區中可以由輸入托盤132移出，以便於所需溫度下接受測試以作為完整製造過程的一部分。輸入托盤132是可以重複被利用的，因而輸入托盤132會被再次被石墨粉覆蓋並且被移到輸送帶130以生產另一個太陽能電池160。因於太陽能電池160是從退火爐柱180的頂部離開，因此由頂部往底部移動的第二垂直層疊180帶著太陽能電池160向下移動至較低的階層。當第二垂直層疊180下降時，太陽能電池160被冷卻，例如從攝氏500度降至攝氏200度，使得指狀電極可以被轉移至太陽能電池160、玻璃可以黏著且封合太陽能電池160，而金屬背層可以貼附至太陽能電池160。
PN異質接面(PN hetero-junction)形成在介於n型磷化鋁層140與p型多晶矽層152間的邊界上，且PN異質接面能障從能障產生正電場與負電場。當光被具有PN異質接面的半導體吸收時，產生電子與電洞。由光深入p型多晶矽層152所產生的自由電洞被能障場推向接觸多晶矽層152的金屬，同時電子被能障場推向n型磷化鋁層140上的指狀電極。就結果而言，太陽能電池160因而可提供電源。
然而，製造太陽能電池160的方法更包括多個步驟。參照圖1H，在將太陽能電池160從圖1G中的第二垂直層疊180移出後，多個指狀電極192被貼附至n型磷化鋁層140的曝露表面S3。指狀電極192可直接地接觸n型磷化鋁層140以使電子電荷被驅動至負極接觸端以及具有金屬背層的p型多晶矽以至正極接觸端並進入耦接至太陽能電池160的電路。指狀電極192的材料例如包括鎳或者具導電性的噴墨印刷材料，且指狀電極192可以為平行排列的條狀電極，但本發明並不以此為限。為了將指狀電極192貼附至n型磷化鋁層140，指狀電極192例如是被壓印在可分離蠟質表面190上。太陽能電池160在冷卻堆疊間是持續地從攝氏900度開始冷卻，而變化地溫度是可以被利用來，例如是從容易鬆開的可分離蠟質表面190貼附指狀電極192，並且隨後將玻璃接著至n型磷化鋁層140的曝露表面S3。帶有指狀電極192的可分離蠟質表面190可以被放置在傳送帶130上，且具有曝露表 面S3朝下的太陽能電池160被直接放置在可分離蠟質表面190上以貼附指狀電極192與接合玻璃194。
參照圖1I，指狀電極192與n型磷化鋁層140被接合玻璃194所封合。接合玻璃194是用於保護太陽能電池160與設計來收集光以產生電源。更進一步，反射金屬背層196被加至p型多晶矽層152的曝露表面S4。反射金屬背層196如同背層電極一般為了正電荷而被設置，且反射金屬背層196的材質包括如鋁層，其皆被藏於約0.1毫米(mm)深的不銹鋼或鋁合金井中，使其可以，例如是輕易地被耦接至平板接合玻璃以阻絕水氣。
儘管太陽能電池的製造方法已經詳列於前，詳細的實行方式仍作為範例實施例而列於下。10公分(cm)寬的輸送帶承載多個10公分寬與10公分長的輸入托盤。這些托盤藉由移動與停止輸送帶來重複地被向前移動0.5秒與停止1秒。前述多個製造太陽能電池的步驟會於輸送帶停止的時候被執行。理想地，前述每個步驟於一年內可執行最多2千1百萬次以製造2千1百萬個長10公分與寬10公分的太陽能電池。更有甚者，每個長10公分與寬10公分的太陽能電池可以是依據需求來進一步地被切割或被分為更小的部分。
綜上所述，本發明所提供的太陽能電池製造方法是在傳送帶上連續地被執行，並且太陽能電池是一層一層地於輸入托盤中形成。本發明中的方式相較於使用切割、削磨與植入摻質的方 式，更傾向於運用第一熱處理與第二熱處理來形成半導體層(n型磷化鋁層與p型多晶矽層)，以充分地在連續且整合的過程中利用材料，並節省時間、材料與器材使用上的成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
122‧‧‧石墨粉
130‧‧‧輸送帶
132‧‧‧輸入托盤
140‧‧‧n型磷化鋁層
142‧‧‧矽材料
152‧‧‧p型多晶矽層
154‧‧‧鋁
160‧‧‧太陽能電池

Claims (15)

  1. 一種太陽能電池(Solar Cell)製造方法，於輸送帶上製造該太陽能電池，包括：於鋁箔(Aluminum foil)的第一表面塗佈混有石墨(Graphite)粉的磷(Phosphorous,P)層；將帶有該磷層與該些石墨粉的該鋁箔放置於該輸送帶上；執行第一熱處理以活化部分的該鋁箔與該第一表面上的該磷層來形成磷化鋁(Aluminum Phosphide)層，其中部分的該鋁箔仍留在該輸送帶上；於剩餘的該鋁箔的第二表面上噴塗熔融矽(molten silicon)材料，其中該第二表面相對於該第一表面，且部分的該熔融矽材料接觸該磷化鋁層以形成n型磷化鋁層，其中該熔融矽材料包括硼(Boron,B)；執行第二熱處理以於該n型磷化鋁層上擴散該熔融矽材料為p型多晶矽(Poly-Si)層，其中剩餘的該鋁箔被用為一矽基材(matrix)的額外p型摻質(p-dopant)並且該些硼被用作為p型摻質，以於該輸送帶上形成包括該p型多晶矽層以及該n型磷化鋁層的太陽能電池；藉由將該太陽能電池輸入退火爐柱並且於該退火爐柱內的第一垂直層疊中升高該太陽能電池，以於氫氣中退火該太陽能電池；以及從該退火爐柱轉移該太陽能電池至第二垂直層疊，以將該太 陽能電池從該第二垂直層疊的頂部下降至底部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中將帶有該磷層與該些石墨粉的該鋁箔放置於該輸送帶上的步驟包括：利用輸入托盤於該輸送帶上承載該鋁箔，且該太陽能電池是形成於該輸入托盤中。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的太陽能電池製造方法，其中該輸入托盤被石墨粉所覆蓋，並且被混有該些石墨粉的該磷層所塗佈的該第一表面是朝向該輸入托盤。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中第一熱處理包括於攝氏300度加熱該鋁箔與該磷層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中加熱矽材料至攝氏1500度來作為該熔融矽材料，且於該第二熱處理之前，噴塗該熔融矽材料該鋁箔的該第二表面，該第二熱處理包括：於攝氏660度熔解剩餘的該鋁箔，使該鋁箔融入該矽基材以作為額外的該p型摻質；以及於攝氏900度加熱被噴塗的該矽材料，以退火該p型多晶矽層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中利用矽作為n型摻質(n-dopant)以形成該n型磷化鋁層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中該磷化鋁層的原料包括紅磷(red Phosphorous,rP)粉。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中退火該太陽能電池的步驟是於攝氏900度至攝氏1000的範圍間被執行。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池製造方法，其中從該退火爐柱轉移該太陽能電池至該第二垂直層疊的步驟更包括：貼附多個指狀電極至該n型磷化鋁層的曝露表面；以及藉由接合玻璃封合該些指狀電極與該n型磷化鋁層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池製造方法，其中該指狀電極被壓印於可分離蠟質表面。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的太陽能電池製造方法，其中該指狀電極是由印刷在該可分離蠟質表面上的噴墨印刷材料中的導電性墨水所形成。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池製造方法，其中該指狀電極的材料包括鎳。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池製造方法，其中在封合該些指狀電極與該n型磷化鋁層的步驟之後更包括添加反射金屬背層於該p型多晶矽層的曝露表面。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池製造方法，其中該反射金屬背層包括鋁層。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的太陽能電池製造方法，其 中該太陽能電池被封合於不銹鋼或鋁合金井中且由平板接合玻璃所覆蓋。
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