TWI513024B

TWI513024B - 太陽能電池、其製造方法及其模組

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Publication number: TWI513024B
Application number: TW102144209A
Authority: TW
Inventors: Liang Pin Chen
Original assignee: Motech Ind Inc
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-12-11
Also published as: TW201523902A

Description

太陽能電池、其製造方法及其模組

本發明是有關於一種太陽能電池、其製造方法及其模組，特別是指一種背接觸式太陽能電池、其製造方法及其模組。

參閱圖1，為一種已知的指叉式背接觸(Interdigitated Back Contact，簡稱IBC)太陽能電池，通常包含：一n型的基板91、分別位於該基板91的一背面911處之內的一p⁺⁺ 型摻雜區92與一n⁺⁺ 型摻雜區93、一位於該背面911上的鈍化層94、一電連接該p⁺⁺ 型摻雜區92的第一電極95，以及一電連接該n⁺⁺ 型摻雜區93的第二電極96。其特色在於：該第一電極95與該第二電極96都位於該基板91的背面911的一側，該基板91的一正面912未設置電極，從而可避免受光的該正面912被遮擋，因此可以提升該正面912的入光量。

由於該基板91是透過光電效應而產生載子，前述產生於基板91內部的載子往往需要傳輸至該p⁺⁺ 型摻雜區92或該n⁺⁺ 型摻雜區93之後，才能被該第一電極95與該第二電極96導出以供使用。因此，如何增加該p⁺⁺ 型摻雜區92與該n⁺⁺ 型摻雜區93的收集載子的效率，以增進光電轉換效率、開路電壓(Voc)與短路電流(Isc)，並降低串聯電阻，是一重要的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種可增加載子收集效率、光電轉換效率、短路電流與開路電壓，並降低串聯電阻的太陽能電池、其製造方法及其模組。

於是，本發明太陽能電池，包含：一為第二導電型的基板、一為第一導電型的第一摻雜區、一為第二導電型的第二摻雜區、一第一電極，以及一第二電極。

該基板包括彼此相對的一第一面與一第二面，該第二面具有至少一朝該第一面內凹的第一孔洞，以及數個分別位於該第一孔洞的兩側且內凹的第二孔洞，該數個第二孔洞中的至少一個的孔徑大於該第一孔洞的孔徑。該第一摻雜區位於該第二面處之內，該第二摻雜區位於該第二面處之內且沿著該第一孔洞與該數個第二孔洞的表面延伸。該第一電極位於該第二面上並接觸該第一摻雜區，該第二電極位於該第二面上並伸入該第一孔洞與該數個第二孔洞而接觸該第二摻雜區。

本發明太陽能電池模組，包含：一第一板材與一第二板材、至少一個如前述且設置於該第一板材與該第二板材間的太陽能電池，以及一位於該第一板材與該第二板材間並接觸該太陽能電池的封裝材。

本發明太陽能電池的製造方法，包含：提供一第二導電型的基板，該基板包括彼此相對的一第一面與一第二面；在該第二面之內形成一第一導電型的第一摻雜區；在該第二面形成朝該第一面內凹的至少一第一孔洞與數個第二孔洞，該數個第二孔洞分別位於該第一孔洞之兩側，且該數個第二孔洞中的至少一個的孔徑大於該第一孔洞的孔徑；在該第二面之內形成一第二導電型的第二摻雜區，該第二摻雜區沿著該第一孔洞與該數個第二孔洞的表面延伸；形成一位於該第二面上並接觸該第一摻雜區的第一電極；及形成一位於該第二面上並伸入該第一孔洞與該數個第二孔洞而接觸該第二摻雜區的第二電極。

本發明之功效在於：本發明令該數個第二孔洞的孔徑大於該數個第一孔洞的設計，有利於該第一摻雜區收集電洞，亦有利於該第二摻雜區收集電子，藉由提升載子收集效率，使該太陽能電池的光電轉換效率、開路電壓與短路電流能有效地得到提升，同時也能降低串聯電阻。

11‧‧‧第一板材

12‧‧‧第二板材

13‧‧‧太陽能電池

14‧‧‧封裝材

15‧‧‧焊帶導線

21‧‧‧基板

211‧‧‧第一面

212‧‧‧第二面

213‧‧‧第一孔洞

214‧‧‧第二孔洞

22‧‧‧第一摻雜區

23‧‧‧第二摻雜區

24‧‧‧間隔區

25‧‧‧前表面電場區

31‧‧‧鈍化層

311‧‧‧第一開孔

312‧‧‧第二開孔

32‧‧‧抗反射層

41‧‧‧第一電極

42‧‧‧第二電極

r1‧‧‧孔徑

r2‧‧‧孔徑

d1‧‧‧深度

d2‧‧‧深度

S01~S08‧‧‧步驟

a‧‧‧第一方向

b‧‧‧第二方向

c‧‧‧第三方向

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一種已知的指叉式背接觸太陽能電池的局部剖視示意圖；圖2是本發明太陽能電池模組之一第一較佳實施例之一局部剖視示意圖；圖3是該第一較佳實施例之一太陽能電池之一局部剖視示意圖；圖4是一未完整的立體示意圖，主要顯示該太陽能電池之一基板之一第二面的局部結構，且為了便於理解，將該第二面朝上繪製；圖5是一步驟流程方塊圖，顯示本發明太陽能電池的製造方法之一第一較佳實施例；圖6是一步驟流程示意圖，顯示該製造方法的第一較佳實施例的前半段步驟；圖7是一步驟流程示意圖，顯示該製造方法的第一較佳實施例的後半段步驟；圖8是一局部剖視示意圖，單獨顯示本發明太陽能電池模組之一第二較佳實施例之一太陽能電池；及圖9是一步驟流程示意圖，顯示本發明太陽能電池的製造方法之一第二較佳實施例的後半段步驟。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明太陽能電池模組之一第一較佳實施例包含：上下相對間隔設置的一第一板材11與一第二板材12、數個陣列式地排列於該第一板材11與該第二板材12之間的太陽能電池13，以及一位於該第一板材11與該第二板材12之間且接觸該數個太陽能電池13的封裝材14。當然在實施上，該太陽能電池模組可以僅包含一太陽能電池13。

在本實施例中，該第一板材11與該第二板材12的材料在實施上沒有特殊限制，可使用玻璃或塑膠板材，而且位於該太陽能電池13之受光側的板材必須可透光。該封裝材14的材質例如可透光的乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)，或其他可用於太陽能電池模組封裝的相關材料，並不限於本實施例的舉例。此外，該數個太陽能電池13彼此之間可透過數個焊帶導線(Ribbon)15電連接。此外，由於該數個太陽能電池13的結構都相同，以下僅以其中一個為例進行說明。當然，在一模組中的該數個太陽能電池13的結構不以相同為絕對之必要。

參閱圖3、4，本實施例的太陽能電池13為背接觸太陽能電池，並包含：一為第二導電型的基板21、一為第一導電型的第一摻雜區22、一為第二導電型的第二摻雜區23、一間隔區24、一為第二導電型的前表面電場區25、一鈍化層31、一抗反射層32、一第一電極41，以及一第二電極42。本實施例所述之第一導電型與第二導電型分別為p型與n型，但實施時也可以相反。

本實施例的基板21為可n型的單晶矽基板或多晶矽基板。該基板21包括彼此相對的一第一面211與一第二面212。該第一面211可受光，並具有凹凸狀結構。該第二面212具有數個朝該第一面211內凹的第一孔洞213，以及數個分別位於該數個第一孔洞213的兩側且內凹的第二孔洞214。在實施上，該第二面212的第一孔洞213的數量也可僅為一個。

該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214分別沿一垂直該第二面212之第一方向a延伸，該數個第二孔洞214分別沿一平行該第二面212之第二方向b而間隔排列於該數個第一孔洞213的兩側，並且該數個第一孔洞213分成兩排排列，每一排中的該數個第一孔洞213分別沿一平行該第二面212的第三方向c間隔排列，而該數個第二孔洞214分成四排排列，每一排中的該數個第二孔洞214亦分別沿該第三方向c間隔排列。在本實施例中，該第二方向b垂直該第三方向c，但不以此為必要。除此之外，該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214所構成的排數可以更多，而不限於本實施例的舉例。

該數個第二孔洞214中的至少一個的孔徑r2大於該數個第一孔洞213的孔徑r1。該數個第一孔洞213的深度d1與該數個第二孔洞214中的至少一個的深度d2的比值小於或等於1。在實施上，每一第一孔洞213的孔徑r1可為10~490μm，其深度d1可為10~100μm；每一第二孔洞214的孔徑r2可為15~500μm，其深度d2可為10~100μm。在本實施例中，孔徑r1為20μm而深度d1為50μm；孔徑r2為30μm而深度d2為50μm。

需要說明的是，在本實施例中，該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214為圓柱狀凹孔的形式，並且陣列式排列配置於該第二面212上。不過在實施上，位於同一排的該數個第一孔洞213與位於同一排的該數個第二孔洞214其各自也可為長條狀凹溝的形式，並且分別沿該第三方向c長向延伸並且彼此分別沿該第二方向b間隔排列。換句話說，只要該數個第一孔洞213的孔徑r1小於該數個第二孔洞214的孔徑r2，就能達成本發明改良的目的，該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214的數量與結構不限於本實施例以上的舉例。此外，上述之第一孔洞213與第二孔洞214其彼此間也可以柱狀凹孔及/或長條狀凹溝的形式來相互搭配。

除此之外，在本實施例中，該數個第一孔洞213的深度d1與該數個第二孔洞214的深度d2相同，也就是深度d1與深度d2的比值等於1，不過在實施上，深度d1也可以小於或大於深度d2。

本實施例的第一摻雜區22位於該第二面212處之內，該第一摻雜區22是藉由擴散製程(例如硼擴散)或其他的摻雜方式使該基板21的內部局部形成重摻雜的p⁺ 型半導體。

本實施例的第二摻雜區23位於該第二面212處之內，並且沿著該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214的表面延伸配置。該第二摻雜區23是藉由擴散製程(例如磷擴散)或其他的摻雜方式使該基板21的內部局部形成重摻雜的n⁺⁺ 型半導體，且其摻雜濃度大於該基板21 的摻雜濃度。

本實施例的間隔區24位於該第二面212處且位於該第一摻雜區22與該第二摻雜區23之間，用於隔開該第一摻雜區22與該第二摻雜區23，以避免寄生分流(Parasitic Shunting)現象而產生漏電流(Leakage Current)。實際上，利用擴散製程製作該第一摻雜區22與該第二摻雜區23時，可透過適當的製程控制，使該第一摻雜區22與該第二摻雜區23間隔，則該第一摻雜區22與該第二摻雜區23之間未額外進行擴散製程的區域就成為該間隔區24。當然，該間隔區24亦可透過雷射製程剝蝕而形成明確內凹狀之分隔結構(圖未示)，以避免擴散製程中於該第一摻雜區22與該第二摻雜區23之交界地帶可能餘留之摻雜雜質，從而防止漏電流之產生。

本實施例的前表面電場區25位於該第一面211處之內，並且沿著該第一面211之凹凸起伏而延伸配置。該前表面電場區25為n⁺ 型半導體，且其摻雜濃度大於該基板21之摻雜濃度，藉此形成正面電場(Front-Side Field，簡稱FSF)以提升載子收集效率及光電轉換效率。在實施上，可利用擴散製程(例如磷擴散)或摻雜膠，使該第一面211處的摻雜濃度高於該基板21內部，進而形成n⁺ 型半導體。

進一步說明的是，若該基板21使用p型半導體基板21時，該前表面電場區25就會製作成摻雜濃度大於前述基板21的p⁺ 型半導體，該第二摻雜區23就會製作成摻雜濃度大於前述基板21之p⁺⁺ 型半導體，而該第一摻雜區22則製作成n⁺ 型半導體。

本實施例的鈍化層31位於該第二面212，並且覆蓋於該第一摻雜區22、該第二摻雜區23與該間隔區24上。該鈍化層31的材料可為氧化物、氮化物或上述材料的組合，並用於鈍化、修補該基板21的表面以減少表面之懸鍵(Dangling Bond)與缺陷，從而可減少載子陷阱(Trap)及降低載子的表面複合速率(Surface Recombination Velocity，簡稱SRV)，以提升該太陽能電池13的光電轉換效率。該鈍化層31具有至少一個對應該第一摻雜區22的第一開孔311，以及數個對應該第二摻雜區23且分別位於該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214內的第二開孔312。

本實施例的抗反射層32位於該第一面211，並且覆蓋於該前表面電場區25上，其材料例如氮化矽(SiN_x )等，用於提升光線入射量以及降低載子的表面複合速率。

本實施例的第一電極41位於該第二面212上，並穿過該鈍化層31的第一開孔311而接觸該數個第一摻雜區22。本實施例的第二電極42位於該第二面212上，並伸入該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214而穿過該鈍化層31的第二開孔312，進而接觸該第二摻雜區23。換句話說，該第二電極42經該數個第二開孔312，而分別與對應之第一孔洞213與第二孔洞214處之第二摻雜區23相接觸。

該第二電極42沿該第三方向c延伸而呈長條狀，其中，該第一電極41與該第二電極42呈長條狀，並進一步分別連接到p型與n型之匯流電極(圖未示)，以供載子收集後之匯出。

需要說明的是，本實施例雖然以一個第一摻雜區22、一個第二摻雜區23及一個間隔區24為例進行說明，但實際上在一太陽能電池13中，第一摻雜區22、第二摻雜區23及間隔區24的數量可以為更多個，並以p-n-p-n之交錯方式重複排列配置，任一組相鄰的第一摻雜區22與第二摻雜區23之間即形成一個間隔區24，此時，第一電極41對應第一摻雜區22的數量與位置，而第二電極42則對應第二摻雜區23的數量與位置。

參閱圖3、5、6、7，本發明太陽能電池13的製造方法之一第一較佳實施例，包含：步驟S01：提供該基板21，並對該基板21的第一面211進行粗糙化處理而使該第一面211成為具有凹凸狀結構的粗糙面，又對該基板21的第二面212進行拋光而使該第二面212成為光滑的平面，當然此拋光製程可視情況而為省略。

步驟S02：利用擴散製程在該基板21的第二面212之內形成該第一摻雜區22。

步驟S03：在該第二面212形成朝該第一面211內凹的該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214。

步驟S04：利用擴散製程在該第二面212之內形成該第二摻雜區23，並且該第二摻雜區23沿著該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214的表面延伸。

步驟S05：在該第二面212上形成該鈍化層31，並利用擴散製程先在該第一面211處之內側形成該前表面電場25，再於該第一面211上形成該抗反射層32，並且該抗反射層32覆蓋於該前表面電場25上。

此時形成的該鈍化層31呈連續膜狀，而該第一開孔311與該數個第二開孔312尚未形成。本實施例是利用例如真空鍍膜方式形成該鈍化層31與該抗反射層32，其中，所述的真空鍍膜方式可包含物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)等方式。

步驟S06：在該鈍化層31上形成該第一開孔311與該數個第二開孔312。具體可透過光微影技術(Photolithography)、乾蝕刻例如雷射蝕刻、溼蝕刻或以蝕刻膠(Etching Paste)等方式，形成該第一開孔311與該數個第二開孔312。

步驟S07：於該第二面212上形成該第一電極41。該第一電極41位於該鈍化層31的表面，並穿過該鈍化層31的第一開孔311而接觸該第一摻雜區22。

步驟S08：於該第二面212上形成該第二電極42。該第二電極42位於該鈍化層31的表面，並伸入該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214而穿過該鈍化層31的第二開孔312，進而接觸該第二摻雜區23。

於實施上，可透過網版印刷電極漿料、蒸鍍、濺鍍、化學電鍍、噴印鍍膜，或者透過化學氣相沉積法(CVD)等方式形成該第一電極41與該第二電極42，但不須限定該第一電極41與該第二電極42的製作順序，而且實際上兩者可以透過一次的網印、噴印或鍍膜方式同時製作完成。需要說明的是，本實施例是使用不會燒穿(Fire Through)該鈍化層31的導電漿料來製作該第一電極41與該第二電極42，因此需要先透過步驟S06在該鈍化層31上形成該第一開孔311與該數個第二開孔312，才能使後續形成該第一電極41與該第二電極42分別接觸該第一摻雜區22與該第二摻雜區23。

參閱圖3，本實施例的太陽能電池13在使用時，可透過該前表面電場區25將該基板21內部所生成的載子朝該第二面212推送，使電洞與電子能分別被該第一摻雜區22與該第二摻雜區23收集利用。透過該第二摻雜區23沿著該數個第一孔洞213與該數個第二孔洞214的表面內設置之設計，可增加該第二摻雜區23的表面積(Junction Area)，也有助於提升電子的收集效率。又因為前述設計使該第二摻雜區23延伸入該基板21的內部，所以產生於該基板21的內部的電子能傳輸較短的路徑長度(Travelling Length)就進入該第二摻雜區23，因而更進一步地增加收集載子的能力。

值得一提的是，由於該第二摻雜區23與該前表面電場區25之間的區域同時會生成電子與電洞，此時，電子受到該前表面電場區25之推送與該第二摻雜區23的吸引，因此能順利地進入該第二摻雜區23內而被收集利用。另一方面，電洞雖然會受到該前表面電場區25朝該第二面212的向下推送力，但電洞同時也會受到該第二摻雜區23朝該第一面211的向上推送力，兩者相互影響所產生電遮蔽效應(Electrical Shading Effect)，將會使該第二摻雜區23與該前表面電場區25之間的區域所生成的電洞無法順利地進入該第一摻雜區22而被收集利用，並降低載子收集效率。為了避免前述的問題，在本實施例中，位於中央該數個第一孔洞213的孔徑r1較小而位於外側的該數個第二孔洞214的孔徑r2較大，前述創新的設計可降低該第二摻雜區23中央位置處的電遮蔽效應，因而可減少該第二摻雜區23之對應該數個第一孔洞213的部位對電洞的向上推送力，故可使電洞可順著該前表面電場區25的推送力而順利地被該第一摻雜區22收集。

在此同時，由於該間隔區24與該前表面電場區25之間的區域所生成的載子密度較高，而且該第一摻雜區22與該前表面電場區25之間的區域也同時會生成電子與電洞。因此，前述區域的電洞受到該前表面電場區25之推送與該第一摻雜區22的吸引，能順利地進入該第一摻雜區22而被收集利用。另一方面，位於外側該數個第二孔洞214的孔徑r2較大的設計，可增加該第二摻雜區23之對應該數個第二孔洞214部位的對電子的吸引力，故前述區域的電子可順利地被該第二摻雜區23收集。

總而言之，本實施例令該數個第二孔洞214的孔徑r2大於該數個第一孔洞213的孔徑r1的設計，將有利於該第一摻雜區22收集電洞，亦有利於該第二摻雜區23收集電子，並藉由提升載子收集效率，使該太陽能電池13的光電轉換效率、開路電壓與短路電流能有效地得到提升，同時也能降低串聯電阻。

較佳地，該數個第一孔洞213的孔徑r1為10~490μm，其深度d1為10~100μm；該數個第二孔洞214的孔徑r2可為15~500μm，其深度d2可為10~100μm。

當該數個第一孔洞213的孔徑r1小於10μm或時，該鈍化層31及該第二電極42不易製作於其內，對應該數個第一孔洞213的第二開孔312也不易形成；又當該數個第一孔洞213的孔徑r1大於490μm時，該第二摻雜區23的對應該數個第一孔洞213的部位過大，前述部位對電洞的向上推送力也會隨之過大，如此將會增強電遮蔽效應的影響，使該第二摻雜區23與該前表面電場區25之間的區域所生成的電洞無法順利地進入該第一摻雜區22而被收集利用，並降低該第一摻雜區22的電洞收集效率，且孔徑r1過大還會降低該基板21的結構強度。

當該數個第一孔洞213的深度d1小於10μm時，又會使該第二摻雜區23與該前表面電場區25之間的區域所生成的電子，需要傳輸較長的路徑長度才進入該第二摻雜區23，導致電子被複合的機會增加而降低該第二摻雜區23的電子收集效率；又當該數個第一孔洞213的深度d1大於100μm時，又會導致該鈍化層31及該第二電極42 不易製作於其內，對應該數個第一孔洞213的第二開孔312也不易形成，且因為該數個第一孔洞213過深還會降低該基板21整體之結構強度，導致該基板21局部區域的厚度過薄而容易發生應力集中，反而增加該基板21之破片率。

當該數個第二孔洞214的孔徑r2小於15μm時，該鈍化層31及該第二電極42不易製作於其內，對應該數個第二孔洞214的第二開孔312也不易形成，且該第二摻雜區23之對應該數個第二孔洞214部位也會變少，進而降低前述部位的對電子的吸引力而降低電子收集效率；又當該數個第二孔洞214的孔徑r2大於500μm時，該第二摻雜區23的對應該數個第二孔洞214的部位過大，因此前述部位對電洞的向上推送力也會隨之過大，導致電洞無法順利地進入該第一摻雜區22而降低電洞收集效率，且孔徑r2過大還會降低該基板21的結構強度。

當該數個第二孔洞214的深度d2小於10μm時，同樣因為電子需要傳輸較長的路徑長度才進入該第二摻雜區23而降低電子收集效率；又當該數個第二孔洞214的深度d2大於100μm時，又會導致該鈍化層31及該第二電極42不易製作於其內，對應該數個第二孔洞214的第二開孔312也不易形成，此外還會因為該數個第二孔洞214過深而降低該基板21整體之結構強度。

參閱圖8，本發明太陽能電池模組之一第二較佳實施例大致與該第一較佳實施例相同，兩者之間的差別在於：本實施例的該數個第一孔洞213的深度d1與該數個第二孔洞214中的至少一個的深度d2的比值小於1，換句話說，深度d1小於深度d2。在本實施例中，深度d1為45μm，而深度d2為55μm。

此外，本實施例的第二電極42大致呈整面式地位於該第二面212上，進而接觸該第二摻雜區23。

參閱圖8、9，本發明太陽能電池13的製造方法之一第二較佳實施例的步驟S01~S05及S07皆與該第一較佳實施例相同，兩者之間差別在於：步驟S06、S08。

步驟S06：僅在該鈍化層31上形成該第一開孔311。

步驟S08：於該第二面212上形成該第二電極42，由於本實施例是選用會燒穿該鈍化層31的導電漿料來製作該第二電極42，因此，原本覆蓋於該第二摻雜區23上的鈍化層31會因為前述導電漿料的燒穿而消失，進而使該第二電極42是整面地披覆於該第二面212上而接觸該第二摻雜區23。

需要說明的是，當然在實施上，也可同時選用會燒穿該鈍化層31的導電漿料來製造該第一電極41與該第二電極42，此時該製造方法就不需要實施步驟S06，在該鈍化層31上形成開孔之工序。此外，該第一電極41與該第二電極42可以其中一個使用會燒穿的導電漿料，而另一個使用不燒穿的導電漿料。

綜上所述，本發明令該數個第二孔洞214的孔徑r2大於該數個第一孔洞213的孔徑r1的設計，將有利於該第一摻雜區22收集電洞，亦有利於該第二摻雜區23收集電子，藉由提升載子收集效率，使該太陽能電池13的光電轉換效率、開路電壓與短路電流能有效地得到提升，同時也能降低串聯電阻，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，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，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。