TWI521724B - Solar cells and solar modules - Google Patents

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Description

太陽能電池及太陽能電池模組
本發明是有關便宜且高效率的太陽能電池及太陽能電池模組。
於第1圖表示使用單結晶和多結晶矽基板的一般量產型太陽能電池的概觀。該太陽能電池，是在矽基板101高濃度擴散雜質而形成擴散102，同時形成pn接合，作為受光面的電極，具有多數稱為取出電極104的數百~數十μm寬幅的電極，而且具有數條集電極105，作為集合取出電極，用以連結太陽能電池單元的電極。作為該電極的形成方法，由成本面廣泛採用將銀(Ag)等之金屬微粒子混合於有機黏著劑的金屬銲膏，利用網版等印刷，以數百度來進行熱處理，與基板接著的方法。而在受光面的相反面，與受光面相反極性的背面電極106是藉由使鋁(Al)等之金屬微粒子混合在有機黏著劑的金屬銲膏的網版印刷和在700~850℃左右的燒成形成。而在光射入到太陽能電池的領域，形成有為了更有效且良好封住光的反射防止膜103。反射防止膜是廣泛採用利用化學氣相堆積等形成的氮化矽膜等。
作為應用於反射防止膜之材料更重要的功能，具有矽表面的終端化。結晶內部的矽原子是在鄰接的原子彼此產生共有結合且安定的狀態。可是，在原子配列末端的表面 應該結合且鄰接原子不存在，卻出現所謂未結合鍵或懸鍵的不安定能階(energy level)。由於懸鍵會電性活性，捕捉在矽內部所光生成的電荷使其消滅，損壞太陽能電池的特性。為了抑制此損失，在太陽能電池形成任一種表面終端化處理來減低懸鍵。
一方面，據知在金屬與矽接觸的界面，懸鍵未終端化，載體的再結合速度非常大。亦即，需要有使得用來取出已光生成的載體的電極接觸到矽表面，但該矽/電極界面卻造成太陽能電池特性大為損失的要素。因此，高效率太陽能電池試著將矽與電極的接觸面積形成最小限的方式。具體就是窄帶(narrow)接觸型和點接觸型等的構造。製作該些構造的情形，利用光微影(例如非專利文獻1：J.Knobloch,A.Noel,E.Schaffer,U.Schubert,F.J.Kamerewerd,S.Klussmann,W.Wettling,Proc.the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference,p.271,1993.)或蝕刻銲膏印刷部分除去鈍化膜使矽露出，自其上施行金屬的蒸鍍或印刷等。而別的方法，是在鈍化膜上形成金屬膜，自其上點狀照射雷射光，藉此加熱金屬使鈍化膜貫通，形成矽/電極接觸(例如非專利文獻2：S.W.Glunz,R.Preu,S.Schaefer,E.Schneiderlochner,W.Pfleging,R.Ludemann,G.Willeke,Proc.the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,p.168,2000.)。
[先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]J.Knobloch,A.Noel,E.Schaffer,U.Schubert,F.J.Kamerewerd,S.Klussmann,W.Wettling,Proc.the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference,p.271,1993.
[非專利文獻2]S.W.Glunz,R.Preu,S.Schaefer,E.Schneiderlochner,W.Pfleging,R.Ludemann,G.Willeke,Proc.the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,p.168,2000.
可是，窄帶接觸型和點接觸型的形成不光是製程數，為了圖案化，光阻劑材料和蝕刻銲膏等都要換新，成本高，無法充分得到鈍化效果的利益。而使用雷射的方法，裝置價格高，還因金屬膜的形成需要蒸鍍等煩雜的製程，果真成本利益減低。
本發明是有鑑於上記事情的發明，目的在於提供一種可令電極/矽界面的電荷損失少，短路電流、開路電壓改善，太陽能電池特性提昇、製造成本便宜的太陽能電池及太陽能電池模組。
本發明為達成上記目的，提供一種下記太陽能電池及 太陽能電池模組。
申請專利範圍1：在至少具有pn接合的結晶矽基板上形成有鈍化膜，經過導電性銲膏的印刷和熱處理的製程而形成有電極的太陽能電池中，具有：從矽基板取出已光生成的載體的取出電極，形成接觸在矽基板的第一電極；和集中利用前記第一電極所收集之載體的集電極，形成接觸在前記第一電極的第二電極，前記第二電極和矽基板，至少在第一電極和第二電極的接觸點以外，僅部分或完全不接觸為其特徵的太陽能電池。
申請專利範圍第2項：除了前記第一電極和前記第二電極接觸的部分之面積以外的第二電極和矽基板的非接觸部的面積比例，是相對於由第二電極的寬度和總延長而定的面積扣除掉第一電極和該第二電極接觸的部分之面積的面積為20%以上之申請專利範圍第1項之太陽能電池。
申請專利範圍第3項：前記第一電極是部分與第二電極接觸，或者全體重疊之申請專利範圍第1項或第2項所記載的太陽能電池。
申請專利範圍第4項：前記第一電極，是以含有硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、磷(P)、砷(As)、銦(In)、銻(Sb)的單體或化合物的導電性銲膏形成，在前記矽基板的該電極下部分具有該元素被高濃度擴散的領域之申請專利範圍第1項至第3項之任一項所記載的太陽能電池。
申請專利範圍第5項：前記鈍化膜是由氧化矽、氮化 矽、碳化矽、氧化鋁、非晶質矽、微結晶矽、氧化鈦的任一種或其組合所成之申請專利範圍第1項至第4項之任一項所記載的太陽能電池。
申請專利範圍第6項：前記第一電極和前記第二電極的組合所成的集電極，是形成在太陽能電池的受光面或非受光面或其兩方之申請專利範圍第1項至第5項之任一項所記載之太陽能電池。
申請專利範圍第7項：電性連接申請專利範圍第1項至第6項之任一項所記載的太陽能電池為其特徵之太陽能電池模組。
集電極和矽之間完全或部分留著鈍化膜，藉此使得在電極/矽界面的電荷損失減低，就能改善短路電流、開路電壓，提昇太陽能電池特性。而製程還能以習知的網版印刷技術等實現，對成本削減極為有效。
第2圖表示本發明之一實施例的太陽能電池，該太陽電池，是在矽基板201以高濃度擴散雜質來形成擴散層202，同時形成有pn接合，藉此在至少具有pn接合的矽基板201上形成有鈍化膜203，經過導電性銲膏的印刷和熱處理的製程而形成有電極的太陽能電池中，具有：從矽基板取出已光生成的載體的取出電極，是形成接觸到矽基 板的第一電極204；和集中利用第一電極204所收集的載體的集電極是形成接觸到第一電極204的第二電極205；至少第二電極205和高濃度擴散層202，在第一電極204和第二電極205的接觸點以外，僅部分或完全不接觸，就能讓第二電極205下的矽表面鈍化。再者，206是背面電極。
此情形，除了前記第一電極和前記第二電極接觸的部分面積以外的第二電極和矽基板的非接觸部的面積比例，是相對於由第二電極的寬度和總延長而定的面積扣除掉第一電極和該第二電極接觸的部分之面積的面積為20%以上，尤以40~100%為佳。
而前記第二電極，比應用在前記第一電極之導電性銲膏的玻璃熔塊含有比例略少的玻璃熔塊含有量的導電性銲膏形成為佳，前記第二電極，玻璃熔塊含有量至少2質量%以下，理想是1質量%以下的導電性銲膏形成為佳，0質量%也可以。
此情形，應用於第一電極的導電性銲膏之玻璃熔塊含有量，8~20質量%，尤以8~10質量%為佳。少於8質量%的話，與高濃度擴散層的接觸不足，電阻增加，太陽能電池特性降低。而多於20質量%的話，電性絕緣物的玻璃成份過剩，電極本身的導電率下降，玻璃成份會過度進入到電極與高濃度擴散層之間，電阻增加，太陽能電池特性降低。
第2圖的太陽能電池，是第一電極204部分與第二電 極205接觸，但如第3圖所示，可將第一電極304全體形成與第二電極305重疊。再者，於第3圖中，301是矽基板，302是高濃度擴散層，303是鈍化膜，306是背面電極。
前記第一電極，是以含有硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、磷(P)、砷(As)、銦(In)、銻(Sb)的單體或化合物的導電性銲膏形成，在前記矽基板的該電極下部分具有該元素被高濃度擴散的領域為佳。
前記第二電極的導電率比前記第一電極的導電率略高為佳。
再者，前記鈍化膜是由氧化矽、氮化矽、碳化矽、氧化鋁、非晶質矽、微結晶矽、氧化鈦的任一種或其組合所成為佳。
前記第一電極和前記第二電極的組合所成的集電極，是形成在太陽能電池的受光面或非受光面或其兩方為佳。
於以下描述本發明之太陽能電池的製作方法之其中一例。但本發明並不限於利用此方法製成的太陽能電池。
於高純度矽摻雜B或Ga之類的III族元素，將電阻率為0.1~5Ω．cm的原切割(as-cut)單結晶{100}p型矽基板表面的切割損傷(slice damage)，使用濃度5~60質量%的氫氧化鈉或氫氧化鉀之類的高濃度之鹼，或是氟酸和硝酸的混酸等來蝕刻。單結晶矽基板也可以利用CZ法、FZ法之任一種方法製作。而使用在高純度矽摻雜像是磷(P)或銻(Sb)的V族元素，電阻率為0.1~5Ω．cm 的單結晶{100}n型矽基板亦可。更不限於單結晶矽，也可以使用以模鑄法和緞帶成長法等得到的多結晶矽基板。
接著，對基板表面進行被稱為結構(texture)的微小凹凸形成。結構是為了使太陽能電池之反射率下降的有效方法。結構是在加熱的氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氫氧化四甲基銨溶液(Tetramethylammonium hydroxide，簡稱TMAH)等之鹼性溶液(濃度1~10質量%、溫度60~100℃)中，浸漬10~30分鐘，很容易製作。於上記溶液中，使既定量的異丙醇(2-propanol)溶解，控制反應的情形具多。
結構形成後，在鹽酸、硫酸、硝酸、氟酸等，或該些的混合液的酸性水溶液中進行洗淨。由成本及特性的觀點來看，在鹽酸中的洗淨為佳。為了提昇清淨度，也可以在鹽酸溶液中，使0.5~5質量%的過氧化氫混合，加熱到60~90℃來洗淨。
在該基板上藉由使用氧氯化磷的氣相擴散法來形成高濃度擴散層。一方面，使用n型基板之情形的高濃度擴散層，是藉由溴化硼的氣相擴散等形成。一般的太陽能電池，必須只在受光面側形成pn接合，為了達成此目的，基板彼此以兩片重疊的狀態進行擴散，單面的擴散層以鹼性水溶液等進行蝕刻，還必須施行對背面無法pn接合的方式。擴散後，以氟酸等來除去形成在表面的玻璃。
其次，形成受光面之反射防止、鈍化膜。對於成膜是使用化學氣相堆積裝置將氮化矽膜等成膜約100nm左右。 反應氣體是混合矽烷(SiH4)及氨(NH3)使用的情形具多，但也可使用氮取代氨(NH3)，並且實現進行藉由氫氣(H2)之成膜種的稀釋和處理壓力的調整、反應氣體的稀釋之所要的折射率。不限於矽烷(SiHx)，也可以替換使用藉由熱處理和原子層堆積等之方法的氧化矽、碳化矽、氧化鋁、非晶質矽、微結晶矽、氧化鈦等。
鈍化膜不限於氮化矽膜，如上所述，也可以是氧化矽、碳化矽、氧化鋁、非晶質矽、微結晶矽、氧化鈦等或該些的組合，該些是利用常法成膜所得。
其次，在上記基板的受光面，僅將相當於第一電極的取出電極，利用如第4圖(a)所示的圖案化製版來網版印刷。將銀(Ag)粉末和玻璃熔塊與有機黏著劑混合的銀(Ag)銲膏予以印刷，之後，利用熱處理使銀(Ag)粉末貫通到氮化矽膜等的鈍化膜，使電極和矽導通。再者，第4圖中，401是第一電極印刷圖案，402是第二電極印刷圖案。
為了將第一電極和矽基板的歐姆接觸形成更低電阻，提高太陽能電池的曲線因子，也可以在第一電極下的矽基板形成高濃度的雜質擴散層。在第一電極用導電性銲膏事添加硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、磷(P)、砷(As)、銦(In)、銻(Sb)的單體或化合物，即可在電極印刷後之燒成的同時在矽基板形成高濃度擴散層。導電性銲膏的雜質添加量，因導電性銲膏的組合而異，但由金屬與矽的功函數關係來看，一般形成在矽基板之高濃度雜質擴 散層的最大雜質濃度為2×1019atoms/cm3以上，理想是調整成5×1019atoms/cm3以上。再者，其上限為2×1022atoms/cm3
在形成第一電極之上，以網版印刷相當於第二電極的集電極。第二電極的製版，也可以如第4圖(b)僅為集電極的圖案，如第4圖(c)，使用取出電極與集電極兩者的圖案，重新塗上第一電極亦可。在後者的情形下，將第二電極的導電率形成比第一電極的導電率還高，藉此使電極的電阻損失減低，就可進一步改善太陽能電池的特性。
由於在第二電極用銀(Ag)銲膏，會殘留下第一電極形成領域以外的鈍化膜，因此與第一電極用銀(Ag)銲膏相比，使用將添加物調整成鈍化膜之貫通性能低的物質。
導電性銲膏的鈍化膜貫通性能，可根據導電性銲膏中的玻璃熔塊含有量控制。在玻璃熔塊使用B-Pb-O系、B-Si-Pb-O系、B-Si-Pb-Al-O系、B-Si-Bi-Pb-O系、B-Si-Zn-O系等的玻璃材料為佳。
背面電極，是將利用有機物黏著劑混合鋁(Al)粉末的銲膏，予以網版印刷形成。印刷後，以5~30分鐘700~850℃的溫度予以燒成，形成背面電極和第二電極。背面電極及受光面電極的燒成也可一次進行。而形成各面之電極的順序也可變換。
又，電極的形成方法，並不限於網版印刷，也可利用分配塗佈法或氣霧(aerosol)堆積等之方法。
[實施例]
以下，表示實驗例與實施例及比較例，具體的說明本發明，但本發明並不受下記之實施例限制。
[實驗例] <第二電極下鈍化膜面積及導電性銲膏的玻璃熔塊含有量的檢討>
調查殘留在第二電極下的鈍化膜之面積(亦即，該電極與矽的非接觸面積)和太陽能電池特性的關係。
將混合銀(Ag)粉末與有機黏著劑和B-Pb-O系玻璃熔塊所製作的銲膏，印刷到高濃度擴散層和在其上形成100nm矽氮化膜(鈍化膜)的矽基板上，進行燒成。從依此完成的太陽能電池單元，以王水溶解所有的電極，利用切割切出電極形成領域，作為評估試料。將探針接觸到該試料兩面，對受光面照射AM(Air mass)1.5的擬似太陽光，測定開路電壓。
第5圖是表示殘留在電極下的鈍化膜之面積比例和開路電壓的關係。該鈍化膜面積比例是每個導電性銲膏條件為六個試料的平均值，開路電壓是繪製平均值及最大值與最小值。
如第5圖所示，電極下鈍化面積從20%附近開路電壓的上昇率開始鈍化，40%以上大致飽和。由該結果，第二電極下鈍化面積，對該電極面積為20%以上，理想以40% 以上為佳。
第6圖是於橫軸取得應用於上記檢討的銀(Ag)銲膏的玻璃熔塊含有量，於縱軸表示殘留在第二電極的鈍化膜之面積比例。第二電極下鈍化膜面積為20%及40%的銀(Ag)銲膏之玻璃熔塊含有量，分別約為2質量%及1質量%。
再者，上記第二電極下的鈍化面積，以第7圖說明。
第7圖是模式表示上記電極熔解後的太陽能電池單元的第二電極形成領域的試料表面。該鈍化面積，在第二電極形成領域701的內側中，從除了第一電極和第二電極重疊的部分704之面積(淨第二電極面積)加上第二電極貫通鈍化膜705的部分702的總面積之面積定義。
鈍化面積比例是鈍化面積和淨第二電極面積之比。鈍化面積的測定，可利用藉由數位攝影機的表面圖像取得和其圖像處理等。
[實施例、比較例]
為了確認本發明之有效性，作為比較例進行一般的電極構造之太陽能電池和本發明的電極構造之太陽能電池的發電性能比較。
對擴散厚度250μm、比電阻1Ω．cm的摻硼{100}p型原切割(as cut)矽基板100片，利用熱濃氫氧化鉀水溶液除去損傷層後，浸漬在氫氧化鉀/異丙醇水溶液中，進行結構(texture)形成，接著在鹽酸/過氧化氫混合溶液 中進行洗淨。其次，氧氯化磷環境氣下，以870℃使背面彼此重疊的狀態進行熱處理，形成pn接合。擴散後，利用氟酸除去磷玻璃，純水洗淨後，使其乾燥。
以上處理後，使用電漿CVD裝置，將氮化矽膜作為受光面反射防止/鈍化膜形成在試料全面。
在此，上記基板每五十片分成A和B進行受光面的電極印刷。A是使用第一電極和第二電極為同一網版圖案化的製版(第4圖(c))，同時一次印刷第一電極和第二電極，且加以乾燥。B是使用只有第一電極於網版圖案化的製版(第4圖(a))，只印刷第一電極，且加以乾燥。A和B使用的銀(Ag)銲膏是相同的，使用添加3質量%B-Si-Bi-Pb-O系玻璃熔塊，更為了形成高濃度擴散層，添加3質量%磷化合物。
其次，在全基板的裏側全面網版切刷鋁(Al)銲膏，且加以乾燥。
之後，在空氣環境下進行780℃的燒成，使矽氮化膜貫通銀(Ag)電極，與矽導通，同時使基板背面的Al電極與矽導通。A是電極全面與矽導通，電極與矽的非接觸面積為0%。一方面，B是為了形成第二電極，使用第4圖(c)的製版，形成與第一電極重疊。將玻璃熔塊添加量調整成第二電極和矽的非接觸面積為80%，將調合成具有比第一電極還高的導電率的銀(Ag)銲膏以網版印刷塗佈後，在空氣環境下進行750℃的熱處理使其硬化。
為了使A熱履歷與B相同，在與B相同的燒成爐中 ，在空氣環境下進行750℃的熱處理。
A、B兩者的太陽能電池單元，利用使用AM(Air mass)1.5的擬似太陽光的電流電壓測定機進行特性測定時，如表1所示，得到實施本發明之B的特性優於A的特性之結果。
101、201、301‧‧‧矽基板
102、202、302‧‧‧高濃度擴散層
103‧‧‧反射防止膜
203、303‧‧‧鈍化膜
104、204、304‧‧‧第一電極
105、205、305‧‧‧第二電極
106、206、306‧‧‧背面電極
401‧‧‧第一電極印刷圖案
402‧‧‧第二電極印刷圖案
701‧‧‧第二電極形成領域
702‧‧‧藉由第二電極的鈍化膜貫通領域
703‧‧‧藉由第一電極的鈍化膜貫通領域
704‧‧‧第一電極和第二電極的接觸領域
705‧‧‧鈍化膜
第1圖是表示藉由習知技術的一舨太陽能電池構造之概略立體圖。
第2圖是表示有關本發明的一般太陽能電池構造之一例的概略立體圖。
第3圖是表示有關本發明的一般太陽能電池構造之另一例的概略立體圖。
第4圖(a)~(c)是分別表示應用在本發明之電極形成的印刷製版之一例的俯視圖。
第5圖是表示有關本發明之對太陽能電池特性的影響之座標圖。
第6圖是表示有關本發明之玻璃熔塊添加量的影響之座標圖。
第7圖是說明有關本發明之電極下的鈍化面積之圖。
201‧‧‧矽基板
202‧‧‧擴散層
203‧‧‧鈍化膜
204‧‧‧第一電極
205‧‧‧第二電極
206‧‧‧背面電極

Claims (7)

  1. 一種太陽能電池，在至少具有pn接合的結晶矽基板上形成有鈍化膜，經過導電性銲膏的印刷和熱處理的製程而形成有電極的太陽能電池中，其特徵為：具有：從矽基板取出已光生成的載體的取出電極，形成接觸在矽基板的第一電極；和集中利用前記第一電極所收集之載體的集電極，形成接觸在前記第一電極的第二電極，前記第二電極和矽基板，至少在第一電極和第二電極的接觸點以外，僅部分或完全不接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的太陽能電池，其中，除了前記第一電極和前記第二電極接觸的部分面積以外的第二電極和矽基板的非接觸部的面積比例，是相對於從第二電極的寬度和總延長而定的面積，扣除掉第一電極和該第二電極接觸的部分之面積的面積為20%以上。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的太陽能電池，其中，前記第一電極是部分與第二電極接觸，或者全體重疊。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的太陽能電池，其中，前記第一電極，是以含有硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、磷(P)、砷(As)、銦(In)、銻(Sb)的單體或化合物的導電性銲膏形成，在前記矽基板的該電極下部分具有該元素被高濃度擴散的領域。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載的太陽能電池，其中，前記鈍化膜是由氧化矽、氮化矽、碳化矽、氧 化鋁、非晶質矽、微結晶矽、氧化鈦的任一種或其組合所成。
  6. 申請專利範圍第1項或第2項所記載之太陽能電池，其中，前記第一電極和前記第二電極的組合所成的集電極，是形成在太陽能電池的受光面或非受光面或其兩方。
  7. 太陽能電池模組，其特徵為：電性連接申請專利範圍第1項至第6項之任一項所記載的太陽能電池。
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