TWI517429B - 太陽能電池結構、製造方法及其製程載具 - Google Patents

Description

太陽能電池結構、製造方法及其製程載具

本發明是有關於一種太陽能電池技術，且特別是有關於一種太陽能電池結構、製造方法及其製程載具。

由於目前全球的石油化燃料逐漸枯竭，因此人們積極尋找及開發替代的能源，如太陽能發電、風力發電及水力發電…等，而其中係以太陽能的利用為最主要的技術發展方向，其因在於太陽光可照射在全球各個地區，且太陽能在進行轉換的過程係不會對環境造成汙染，舉例來說，在太陽光能轉換為電能的過程中，無須藉由消耗其他能源而導致溫室效應的問題。但是，太陽能轉換為電能的轉換效率卻容易受限於整個太陽能電池系統的機構設計。

在太陽能電池的結構中，為減少表面缺陷，會進行表面鈍化，以延長少數載子復合的時間。然而通常表面鈍化主要以具有射極層的迎光面為主。近來雖有區域背表面電場(Local back surface field；LBSF)的技術形成背面的鈍化層，但需要額外的開孔工具及材料，如雷射、蝕刻膠 或蝕刻性鋁膠等，將使太陽能電池整體的製造成本上升，造成大幅度的影響。

因此，如何設計一個新的太陽能電池結構、製造方法及其製程載具，以解決上述的問題，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本發明之一態樣是在提供一種太陽能電池製造方法，包含：提供晶片，晶片具有第一表面以及第二表面；於第一表面進行離子擴散製程，以形成掺質層；提供與平板載台電性連接之圖樣電極；將晶片之第二表面置於圖樣電極上，以使第二表面被圖樣電極接觸遮蔽處形成圖樣區域，以及使第二表面未被圖樣電極接觸遮蔽處形成非圖樣區域；使晶片藉由距晶片之第一表面特定距離處之第一電極以及平板載台及圖樣電極形成之第二電極施加之電場，通入沉積氣體以產生電漿進行化學氣相沉積製程，以同時於第一表面形成第一鈍化薄膜以及於第二表面之非圖樣區域形成第二鈍化薄膜；移除圖樣電極；以及於圖樣區域填入金屬結構，以提供局部背電場。

依據本發明一實施例，其中電場使第一表面受到電漿之衝擊力大於第二表面受到電漿之衝擊力。

依據本發明另一實施例，其中晶片係與平板載台平行，第二表面未被圖樣電極遮蔽處係與平板載台間具有空隙，以形成非圖樣區域。

依據本發明又一實施例，其中更包含由第一電壓源提供電壓至第一電極，以及由第二電壓源提供電壓至第二電極。其中第一電壓源及第二電壓源其中之一者為正電位，另一者為接地電位。

依據本發明再一實施例，其中金屬結構之材質包含鋁、氧化銦錫、鎳銅、鈦或錫。沉積氣體包含SiH₄及NH₃、SiH₄及N₂O、Al(CH₃)₃及N₂O或Al(CH₃)₃及CO₂。第一鈍化薄膜以及第二鈍化薄膜之材質包含Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃。

本發明之另一態樣是在提供一種太陽能電池結構，包含：晶片、第一鈍化薄膜、第二鈍化薄膜以及金屬結構。晶片具有第一表面以及第二表面，其中第一表面具有掺質層。第一鈍化薄膜形成於第一表面上。第二鈍化薄膜與第一鈍化薄膜同時形成，並形成於第二表面之非圖樣區域，其中第二鈍化薄膜之少數載子復合時間大於第一鈍化薄膜。金屬結構形成於第二表面之非圖樣區域外之圖樣區域，以提供局部背電場。

依據本發明一實施例，其中金屬結構之材質包含鋁、氧化銦錫、鎳銅、鈦或錫。

依據本發明另一實施例，其中第一鈍化薄膜及第二鈍化薄膜之材質包含Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃。

本發明之又一態樣是在提供一種製程載具，應用於太陽能電池之化學氣相沉積製程中，製程載具包含：複數平板載台以及複數圖樣電極。平板載台相互平行且分別間隔特定距離設置。圖樣電極分別電性連接於平板載台其中 之一之一側，用以承載晶片之第二表面，以使第二表面被圖樣電極接觸遮蔽處形成圖樣區域，以及使第二表面未被圖樣電極遮蔽處形成非圖樣區域，其中晶片具有第一表面以及第二表面，且第一表面具有掺質層。其中第2n-1個平板載台耦接第一電壓源形成第一電極，第2n個平板載台耦接第二電壓源形成第二電極，俾導電至對應之圖樣電極及晶片，俾施加電場於該晶片。

依據本發明一實施例，其中平板載台及圖樣電極之材質包含石墨、不鏽鋼、銅或其組合。

依據本發明另一實施例，其中圖樣電極係與對應之平板載台一體成形。

依據本發明又一實施例，其中圖樣電極係可由對應之平板載台獨立拆卸。

依據本發明再一實施例，其中第一電壓源及第二電壓源其中之一者為正電位，另一者為接地電位。

應用本發明之優點在於藉由本發明的太陽能電池製造方法，利用圖樣電極達到做為電極及遮罩的功效，不需額外的開孔工具及材料來形成金屬結構提供局部背電場，又可達到在少數載子復合時間上表現較佳的第二表面的鈍化薄膜結構，可達到降低成本及提升電池效率的功效，而輕易地達到上述之目的。

100‧‧‧太陽能電池製造方法

101-107‧‧‧步驟

200‧‧‧晶片

201‧‧‧第一表面

202‧‧‧掺質層

203‧‧‧第二表面

204‧‧‧圖樣電極

206‧‧‧平板載台

208‧‧‧第一電極

210‧‧‧第一鈍化薄膜

212‧‧‧第二鈍化薄膜

214‧‧‧金屬結構

3‧‧‧製程載具

30‧‧‧平板載台

32‧‧‧圖樣電極

34‧‧‧晶片

340‧‧‧第一表面

342‧‧‧第二表面

第1圖為本發明一實施例中，一種太陽能電池製造方法之流程圖；第2A圖至第2D圖分別為本發明一實施例中，第1圖所繪示的太陽能電池製造方法中，各步驟之元件結構剖面圖；第3圖為本揭示內容一實施例中，一種製程載具之立體圖；第4圖為本發明一實施例中，第3圖中的框示部份的放大立體圖；以及第5圖為本發明一實施例中，第3圖之製程載具沿A方向之俯視圖。

請同時參照第1圖以及第2A圖至第2D圖。第1圖為本發明一實施例中，一種太陽能電池製造方法100之流程圖。第2A圖至第2D圖分別為本發明一實施例中，第1圖所繪示的太陽能電池製造方法100中，各步驟之元件結構剖面圖。

請同時參照第1圖及第2A圖。於步驟101，係先提供晶片200，晶片200具有第一表面201以及第二表面203。晶片200於本實施例中為矽晶片，可選擇性地為P型矽晶片或N型矽晶片。此晶片200可選擇性地進行清洗及表面粗糙化(texture)的製程。其中纖質化的製程可利用例如但不限於KOH蝕刻液進行異向性蝕刻以將其表面蝕刻 成例如但不限於逆金字塔結構或其他可能的結構，以增加日光入射率。

接著，於步驟102，使用高溫擴散製程，例如1000度左右的高溫，於晶片200的第一表面201進行離子擴散製程，以形成掺質層202。當晶片200為P型矽晶片時，此離子擴散製程可為例如磷或是其他的V族元素進行擴散掺雜。而當晶片200為N型矽晶片時，此離子擴散製程可為例如硼或是其他III族元素進行擴散掺雜。離子擴散製程後，產生佈植後的掺質層202的晶片200可進行邊緣蝕刻(edge etching)的製程，以將邊緣的佈植區域去除。所形成的掺質層202係做為射極(emitter)，並與晶片200未掺雜的部份形成P-N接面。

請同時參照第1圖及第2B圖。於步驟103，提供圖樣電極204，並將晶片200之第二表面203置於圖樣電極204上，以使第二表面203被圖樣電極204接觸遮蔽處形成圖樣區域(以粗線標記)，以及使第二表面203未被圖樣電極204接觸遮蔽處形成非圖樣區域。

於一實施例中，實際上晶片200是藉由圖樣電極204而平行置於平板載台206上。需注意的是，晶片200實際上與平板載台206間容許於合理的誤差範圍內大致成平行即可，並非限定兩者間需完全平行。圖樣電極204與平板載台206電性相連接。第二表面203未被圖樣電極204遮蔽處，係與平板載台206間具有空隙，以形成非圖樣區域。

接著於步驟104，使晶片200進行化學氣相沉積製程。於本實施例中，距晶片200之第一表面201的一特定距離實際上具有第一電極208，其係由第一電壓源V1供應電壓。而平板載台206則與圖樣電極204形成第二電極，其中平板載台206電性連接至一個第二電壓源V2，以導電至圖樣電極204及晶片200，形成上述的第二電極。於一實施例中，平板載台206及圖樣電極204之材質可為石墨，以提供良好的導電率。於一實施例中，第一電壓源V1及第二電壓源V2中，其中之一可為正電壓，另一者則為接地電位，以形成一個電場。藉由在第一電極208及第二電極所形成的電場通入沉積氣體，並產生電漿後，晶片200即可進行化學氣相沉積製程。沉積氣體可為例如但不限於由SiH₄搭配NH₃、由SiH₄搭配N₂O、由Al(CH₃)₃搭配N₂O或由Al(CH₃)₃搭配CO₂的沉積氣體。於不同實施例中，化學氣相沉積製程實施的電場強度與環境溫度可依實際情形進行調整，並不限制本發明之範圍。

請同時參照第1圖及第2C圖。於步驟105，經由化學氣相沉積製程，同時於晶片200的第一表面201形成第一鈍化薄膜210以及於第二表面203之非圖樣區域形成第二鈍化薄膜212，並於步驟106移除圖樣電極204。第一鈍化薄膜210及第二鈍化薄膜212之材質，可隨通入的沉積氣體之不同，而包含例如但不限於Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃。需注意的是，由於晶片200的第一表面201是接收電漿的正面撞擊，而第二表面203則是同時由電漿繞過晶片200 進行沉積，因此第一表面201受到電漿之衝擊力大於第二表面203受到電漿之衝擊力。第二鈍化薄膜212的結構將較第一鈍化薄膜210的結構緻密，且其第二鈍化薄膜212之少數載子復合時間將大於第一鈍化薄膜210。

在前一步驟移除圖樣電極204後，原先為圖樣電極204遮蔽的圖樣區域將曝露出晶片200之第二表面203。請同時參照第1圖及第2D圖。因此於步驟107，於曝露出晶片200之第二表面203的圖樣區域填入金屬結構214，以使金屬結構214提供局部背電場。金屬結構214之材質可包含例如但不限於鋁、氧化銦錫、鎳銅、鈦或錫。於不同實施例中，金屬結構214可以例如但不限於濺鍍、熱蒸鍍、電鍍或網印退火製程等技術填入圖樣區域。

其中，由於圖樣電極204可做為電極與遮罩的功用，因此圖樣電極204可依不同的需求而有不同的形狀設計，例如但不限於線條狀、虛線狀、斜線條紋狀、圓點狀或孔狀等。並且，圖樣電極204在第二表面203上的分佈可為等距間隔設置，亦可為不等距間隔設置。設置於同一直線的圖樣電極204亦可能使曝露出的圖樣區域為連續或不連續。分段區隔的間距可因設計或需求不同，而設計為不同長度或態樣。於本實施例中，圖樣電極204是以等距間隔設置，且為條狀。

圖樣電極204的佈局並可依使用者需求的金屬結構214佈局預先設計成形，而在完成化學氣相沉積製程移除圖樣電極204後，受遮蔽的圖樣區域露出，金屬結構214 即可直接形成於該露出之圖樣區域中，提供局部背電場，完成主要太陽能電池結構之製造。在步驟107完成後，可視情形在第一表面201及/或第二表面203繼續進行網印製程以鍍上背銀，並進行燒結製程完成金屬電極之製作，以在太陽能電池受照光時，將產生的電子電洞引出電流。

因此，本發明的太陽能電池製造方法可利用圖樣電極達到做為電極及遮罩的功效，且以不同的電漿衝擊力同時在晶片的第一表面及第二表面形成鈍化薄膜。圖樣電極在移除後，其對應的圖樣將可形成金屬結構提供局部背電場。其完成的太陽能電池結構，其第二表面的鈍化薄膜將具有較第一表面之鈍化薄膜為緻密的結構，因此第二表面的鈍化薄膜，其少數載子復合時間將較第一表面之鈍化薄膜為長。並且，在習知的電漿化學製程中，第二表面容易因電漿直接的轟擊形成較嚴重的缺陷，本發明的製程則可將第二表面所受之電漿轟擊控制至最小程度。

另一方面，相較於習知的區域背表面電場結構，本發明的太陽能電池製造方法可不需額外的開孔工具及材料來形成金屬結構提供局部背電場，又可達到在少數載子復合時間上表現較佳的第二表面的鈍化薄膜結構，可達到降低成本及提升電池效率的功效。於一實施例中，本發明第二表面的少數載子壽命超過傳統沉積方式約161%以上。因而可取代較昂貴製程或材料，達到相當長的少數載子壽命。

需瞭解到，在上述實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚 至可同時或部分同時執行。

請同時參照第3圖及第4圖。第3圖為本揭示內容一實施例中，一種製程載具3之立體圖。其中，製程載具3應用於如第1圖所示之太陽能電池製造方法100中的化學氣相沉積製程的步驟中，並包含：複數平板載台30以及複數圖樣電極32。第4圖為本發明一實施例中，第3圖中的框示部份的放大立體圖。亦即單一平板載台30、圖樣電極32以及晶片34的立體圖。

平板載台30相互平行且分別間隔特定距離設置。於一實施例中，平板載台30間是藉由其他連接結構相互連接，以形成晶舟。圖樣電極32分別電性連接於平板載台30其中之一之一側，用以承載晶片34之第二表面342。其相反側之第一表面340則朝向另一平板載台30。於一實施例中，平板載台30及圖樣電極32之材質包含石墨、不鏽鋼、銅等導電材料或其組合。於一實施例中，圖樣電極32可與對應之平板載台30一體成形，亦或設計為可由對應之平板載台30獨立拆卸。更進一步地，如前所述，圖樣電極32可做為電極及遮罩之功效，因此可依不同的需求而有不同的形狀設計，例如但不限於線條狀、虛線狀、斜線條紋狀、圓點狀或孔狀等。並且，圖樣電極32在第二表面342上的分佈可為等距間隔設置，亦可為不等距間隔設置。設置於同一直線的圖樣電極32亦可能使曝露出的圖樣區域為連續或不連續。分段區隔的間距可因設計或需求不同，而設計為不同長度或態樣。

請參照第5圖。第5圖為本發明一實施例中，第3圖之製程載具3沿A方向之俯視圖。於一實施例中，各個平板載台30的兩側均有圖樣電極32連接，並分別承載晶片34。因此，對應於同一平板載台30的兩個圖樣電極32，將承載著以第二表面342相對的兩個晶片34。而兩個相鄰的平板載台30，其相對的兩個圖樣電極32將承載兩個以第一表面340相對的兩個晶片34。

平板載台30中，第2n-1個平板載台30可耦接第一電壓源(未繪示於第3圖及第4圖)形成第一電極，第2n個平板載台30則可耦接第二電壓源(未繪示於第3圖及第4圖)形成第二電極。因此，兩個相鄰的平板載台30及其圖樣電極32可彼此成為電場的兩電極端，以在例如分別耦接至正電壓源及接地電位時，提供電場使通入的沉積氣體進行化學氣相沉積。

因此，本發明的製程載具3可利用圖樣電極32，在化學氣相沉積製程做為電極及遮罩之功效，有效地使太陽能電池製造成本下降，以及達到使其效能提升的功效。

100‧‧‧太陽能電池製造方法

101-107‧‧‧步驟

Claims (15)

1. 一種太陽能電池製造方法，包含：提供一晶片，該晶片具有一第一表面以及一第二表面；於該第一表面進行一離子擴散製程，以形成一掺質層；提供與一平板載台電性連接之一圖樣電極；將該晶片之該第二表面置於該圖樣電極上，以使該第二表面被該圖樣電極接觸遮蔽處形成一圖樣區域，以及使該第二表面未被該圖樣電極接觸遮蔽處形成一非圖樣區域，其中該非圖樣區域和該平板載台間具有一空隙；於距該晶片之該第一表面一特定距離處之一第一電極施加一第一電壓，以及於該平板載台上施加一第二電壓，其中該第一電壓和該第二電壓間形成一電場；於該電場通入一沉積氣體以產生一電漿進行一化學氣相沉積製程，以同時於該第一表面形成一第一鈍化薄膜以及於該第二表面之該非圖樣區域形成一第二鈍化薄膜，其中係以該圖樣電極為遮罩於該第二表面之該非圖樣區域形成該第二鈍化薄膜；移除該圖樣電極；以及於該圖樣區域填入一金屬結構，以提供一局部背電場。
2. 如請求項1所述之太陽能電池製造方法，其中該晶片係與該平板載台平行，該第二表面未被該圖樣電極接觸遮蔽處係與該平板載台間具有一空隙，以形成該非圖樣區 域。
3. 如請求項1所述之太陽能電池製造方法，其中更包含由一第一電壓源提供電壓至該第一電極，以及由一第二電壓源提供電壓至該第二電極。
4. 如請求項3所述之太陽能電池製造方法，其中該第一電壓源及該第二電壓源其中之一者為一正電壓，另一者為一接地電位。
5. 如請求項1所述之太陽能電池製造方法，其中該金屬結構之材質包含鋁、氧化銦錫、鎳銅、鈦或錫。
6. 如請求項1所述之太陽能電池製造方法，其中該沉積氣體包含SiH₄及NH₃、SiH₄及N₂O、Al(CH₃)₃及N₂O或Al(CH₃)₃及CO₂。
7. 如請求項6所述之太陽能電池製造方法，其中該第一鈍化薄膜以及該第二鈍化薄膜之材質包含Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃。
8. 一種太陽能電池結構，包含：一晶片，具有一第一表面以及一第二表面，其中該第一表面具有一掺質層，該第二表面置於一圖樣電極上，以 於該第二表面上形成被該圖樣電極遮蔽的一圖樣區域，以及未被該圖樣電極遮蔽的一非圖樣區域；一第一鈍化薄膜，形成於該第一表面上；一第二鈍化薄膜，與該第一鈍化薄膜同時形成，並形成於該第二表面之一非圖樣區域，其中係以該圖樣電極為遮罩於該第二表面之該非圖樣區域形成該第二鈍化薄膜；以及一金屬結構，形成於該第二表面之該非圖樣區域外之一圖樣區域，以提供一局部背電場。
9. 如請求項8所述之太陽能電池結構，其中該金屬結構之材質包含鋁、氧化銦錫、鎳銅、鈦或錫。
10. 如請求項8所述之太陽能電池結構，其中該第一鈍化薄膜及該第二鈍化薄膜之材質包含Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃。
11. 一種製程載具，應用於一太陽能電池之一化學氣相沉積製程中，該製程載具包含：複數平板載台，以相互平行且分別間隔一特定距離依序設置；以及複數圖樣電極，分別電性連接於該等平板載台其中之一之一側，用以承載一晶片之一第二表面，以使該晶片與對應之一該等平板載台平行，且該第二表面被該圖樣電極 接觸遮蔽處形成一圖樣區域，以及使該第二表面未被該圖樣電極接觸遮蔽處形成一非圖樣區域，其中該晶片具有一第一表面以及該第二表面，且該第一表面具有一掺質層；其中第奇數個該等平板載台耦接一第一電壓源形成一第一電極，第偶數個該等平板載台耦接一第二電壓源形成一第二電極，俾導電至對應之該等圖樣電極及該晶片，俾施加一電場於該晶片，使通入的沉積氣體進行化學氣相沉積，以同時於該第一表面形成一第一鈍化薄膜以及於該第二表面之該非圖樣區域形成一第二鈍化薄膜，其中係以該些圖樣電極為遮罩於該第二表面之該非圖樣區域形成該第二鈍化薄膜。
12. 如請求項11所述之製程載具，其中該等平板載台及該等圖樣電極之材質包含石墨、不鏽鋼、銅或其組合。
13. 如請求項11所述之製程載具，其中該等圖樣電極係與對應之該等平板載台一體成形。
14. 如請求項11所述之製程載具，其中該等圖樣電極係可由對應之該等平板載台獨立拆卸。
15. 如請求項12所述之製程載具，其中該第一電壓源及該第二電壓源其中之一者為一正電壓，另一者為一接地電位。