TWI525162B - 摻雜擴散溶液，使用摻雜擴散溶液於作為太陽能電池電極之漿料組成物和形成太陽能電池摻雜區之方法 - Google Patents

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Description

摻雜擴散溶液，使用摻雜擴散溶液於作為太陽能電池電極之漿料組成物和形成太陽能電池摻雜區之方法
本發明係主張關於2009年09月02日申請之韓國專利案號10-2009-0082712之優先權，藉以引用的方式併入本文用作參考。
本發明係關於一種摻雜擴散溶液，使用摻雜擴散溶液於作為太陽能電池電極之漿料組成物和形成太陽能電池摻雜區之方法。
近來，肇始於化石燃料之缺乏，因而次世代潔淨能源之開發已變得更為重要。於眾多的次世代潔淨能源之中，作為解決未來能源問題之能源來源的太陽能電池成為眾所矚目之焦點，因為其鮮少對環境造成污染及具有準永久性壽命，並且對太陽能電池而言存有著無限的資源。
經由具有N型半導體(射極)以及P型半導體(背表面場(BSF)層)的矽基板上形成上(top)電極和背(rear)電極而製作出太陽能電池。在太陽能電池中，藉由透過簡單製程而形成射極、BSF層、以及電極使其具有優秀的特性來提昇光電轉化效率是非常重要。
本實施例提供能夠改善太陽能電池的效率且簡化形成太陽能電池製程的一種摻雜擴散溶液、使用該摻雜擴散溶液於作為太陽能電池電極之漿料組成物和形成太陽能電池摻雜區之方法根據本發明實施例，一種摻雜擴散溶液包括一有機溶劑；以及包括III族摻雜或V族摻雜的一化合物。
III族摻雜可包括選自由硼、鋁、鎵、銦及鉈所組成之群組。V族摻雜可以包括選磷、氮、砷、銻及鉍所組成之群組。有機溶劑可包括一揮發性溶劑。
摻雜擴散溶液可被用於作為太陽能電池電極之漿料組成物。此外，包含V族摻雜之摻雜擴散溶液可被用以形成一太陽能電池的射極以及包含III族摻雜之摻雜擴散溶液可被用以形成一太陽能電池的BSF(背表面場)層。
根據實施例之用於太陽能電池電極之漿料組成物包括金屬粉末；以及一摻雜擴散溶液。該摻雜擴散溶液包括一有機溶劑及包括III族摻雜或V族摻雜的一化合物。
摻雜擴散溶液的量依據漿料組成物總量大約為2至12 Wt%(重量百分比%)；最好摻雜擴散溶液的量，依據漿料組成物總量大約為4至6 Wt%。
III族摻雜可以包括選自由硼、鋁、鎵、銦及鉈所組成之群組。V族摻雜可以包括選自由磷、氮、砷、銻及鉍所組成之群組。有機溶劑可以包括一揮發性溶劑。
漿料組成物更包括一有機載體(organic vehicle)，且該摻雜擴散溶液係包含在有機載體之中。漿料組成物更包括一有機載體和一添加劑，且摻雜擴散溶液係包含在添加劑之中。
根據實施例一種形成太陽能電池摻雜區的方法之步驟包括製備包含有機溶劑的摻雜擴散溶液和具有III族摻雜或V族摻雜之化合物於基板上；以及熱傳(thermally)III族摻雜或V族摻雜至基板中。
摻雜擴散溶液可藉由浸漬基板於摻雜擴散溶液之中而在基板上加以製備或塗覆摻雜擴散溶液於基板上。
包含V族摻雜之摻雜擴散溶液可被用以形成一太陽能電池的射極。包含III族摻雜之摻雜擴散溶液可被用以形成一太陽能電池的BSF(背表面場)層。
於基板上製備摻雜擴散溶液的步驟可包括塗覆包含V族摻雜之N型擴散溶液於基板之第一表面上的步驟、塗覆包含III族摻雜之P型擴散溶液於基板之第二表面上的步驟、以及熱傳該III族摻雜及該V族摻雜到基板之中，從而個別地形成射極和BSF層。
根據實施例之摻雜擴散溶液包括一有機溶劑和一III族摻雜或一V族摻雜，所以摻雜擴散溶液可以有疏水性。因此，於摻雜擴散溶液中之摻雜能夠容易地在疏水性矽基板中擴散。
根據實施例，當使用摻雜擴散溶液以形成太陽能電池的射極時，該製程可以被簡化並且摻雜可透過浸漬和塗覆而能夠均勻地擴散。
此外，根據實施例，當使用摻雜擴散溶液以初步地形成太陽能電池的BSF層時，背電極厚度得以減少，並且可以防止太陽能電池的翹曲(bowing)。因此，太陽能電池的壽命得以延長。
可藉由乾燥塗覆於矽基板之一表面上的N型擴散溶液而同時形成射極和BSF層，藉由乾燥塗覆於矽基板之另一表面上的P型擴散溶液，然後實施熱擴散製程。因此，製程得以簡化且射極和BSF層可以有優越之特性。
根據實施例，當包括摻雜擴散溶液之漿料組成物被用於形成太陽能電池的電極時，能夠形成高濃度摻雜區，使得在太陽能電池中的電位差(potential difference)得以改善。因此，太陽能電池的開路電壓(Voc)可以被提昇，所以太陽能電池的效率能夠被強化。
以下，將詳細描述根據實施例之一種摻雜擴散溶液，使用摻雜擴散溶液於作為太陽能電池電極之漿料組成物和形成太陽能電池摻雜區之方法。
根據實施例之摻雜擴散溶液包括具有III族摻雜或V族摻雜之一化合物和具有有機溶劑之一化合物。
如果摻雜擴散溶液包括具有III族摻雜的化合物，該摻雜擴散溶液可作為一種P型擴散溶液。這類的化合物可以是氧化物或氮化物，其包括至少一或兩個選自由硼、鋁、鎵、銦及鉈所構成之III族摻雜的群組。
包含III族摻雜之化合物的量，依據摻雜擴散溶液總量可為0.1至5 Wt%。如果化合物的量超過5Wt%時，則導電性下降。相反地，如果化合物的量少於0.1Wt%時，擴散特性呈現劣化。
如果摻雜擴散溶液包括具有V族摻雜的化合物，該摻雜擴散溶液可作為一種N型擴散溶液。這類的化合物可以是氧化物或氮化物包括至少一或兩個選自由磷、氮、砷、銻及鉍所構成之V族摻雜的群組。
包含V族摻雜之化合物的量，依據摻雜擴散溶液總量可為0.1至5 Wt%。如果化合物的量超過5Wt%時，則導電性下降。相反地，如果化合物的量少於0.1Wt%時，擴散特性呈現劣化。
有機溶劑在隨後的製程中會揮發，使得摻雜能夠被均勻地顯現。關於這點，有機溶劑可包括一揮發性溶劑。最好有機溶劑可包括具有低沸點之一揮發性溶劑。這樣的揮發性溶劑可以包括酒精(alcohol)或丙酮(acetone)。
N型擴散溶液可包括胺類(amine-based)溶液，如油醇胺(oleyl amine)、三乙醇(triethanol amine)或三辛胺(trioctyl amine)。
根據實施例之摻雜擴散溶液可被用於形成太陽能電池電極或摻雜區。以下，根據實施例，將說明採用摻雜擴散溶液的太陽能電池之範例。圖1係為太陽能電池之剖視圖。
請參閱圖1，太陽能電池包括一P型矽基板10，其上具有一N型半導體11(以下簡稱為“射極”)，一上(top)電極12電性連接到射極11以及一背(rear)電極13電性連接到P型矽基板10。一抗反射層14可被形成於射極11的上表面，除了形成上電極12以外的區域。此外，一BSF層15形成於矽基板10的背電極13上。
根據實施例之摻雜擴散溶液可用以形成摻雜區域，例如太陽能電池的射極11及/或BSF層15，或者是電極，例如上電極12或背電極13。
以下，將詳細說明藉由使用摻雜擴散溶液形成摻雜區域的方法。
如上所述，摻雜擴散溶液可包括有機溶劑和包含III族摻雜或V族摻雜的化合物。此外，一無機添加劑可被添加到摻雜溶液以改善摻雜的擴散特性，以這種方式可以容易地實施擴散，即便是進行低溫度的熱處理或短時間的熱處理。像這類的無機添加劑可包括氧化鈧(Sc2O3)、三氧化二鈦(Ti2O3)、鎳、銅、ScO5，及類似物質。
如果摻雜擴散溶液是包括具有V族摻雜之化合物的N型擴散溶液，射極11可經由使用摻雜擴散溶液而形成。亦即，矽基板10被浸漬於N型擴散溶液或者是N型擴散溶液被塗覆在矽基板的一表面上，然後實施乾燥製程和熱擴散製程以形成射極11。
N型擴散溶液能夠經由旋轉塗覆、蒸鍍、平版印刷(offset printing)、網印或移印(pad printing)而得以塗覆在矽基板10的一表面上。
此外，可使用各種乾燥方法。例如，可利用帶式熱烘箱、紅外線烘箱，或箱式烘箱。乾燥溫度約為150至250℃，烘乾時間為2至3分鐘，但實施例並非用以限定本發明。
再者，各種熱擴散製程可用來擴散包含在N型擴散溶液中的摻雜到矽基板10中。
舉例而言，熱擴散製程能夠在溫度800至1000℃，持續50秒至3分鐘之條件下實施。如果製程條件超出上述範圍，將對矽基板10的表面造成不良影響。此外，如果製程條件低於上述範圍內，摻雜可能擴散不足，但實施例並非用以限定本發明。
根據實施例，射極11可透過浸漬或塗覆製程而形成。因此，當與使用含磷氣體的傳統方法相比較時，製程時間可被縮短，且因利用帶式設備而使製程可被簡化。此外，與使用含磷氣體的傳統方法相比較時，摻雜能夠被均勻地擴散。
根據實施例，摻雜擴散溶液包括有機溶劑，所以摻雜擴散具有疏水性。因此，摻雜擴散溶液可以很容易地形成在疏水矽基板10上。根據先前技術，起因於含磷化合物的親水性，當含磷化合物注入矽基板10時，一多孔層被形成在矽基板10上。就此觀之，相較於先前技術該實施例可以簡化製程。此外，根據先前技術，矽基板10的硬度由於多孔層而可以降低，所以矽基板10在此製程中可能被破壞，而該實施例可以防止上述問題。
此外，當摻雜擴散溶液是包括具有III族摻雜之化合物的P型擴散溶液時，BSF層15可藉由使用摻雜擴散溶液而形成。亦即，矽基板10被浸漬在P型擴散溶液或者P型擴散溶液被塗覆在矽基板10的一表面上。然後，實施乾燥製程和熱擴散製程以形成BSF層15。較佳作法是塗覆P型擴散溶液在矽基板10的一表面上。
P型擴散溶液的塗覆、乾燥和熱擴散過程是類似於N型擴散溶液的製程，所以其詳細說明將省略以避免贅述。P型擴散溶液的熱擴散溫度約850至1100℃，略高於N型擴散溶液的熱擴散溫度。
根據實施例，當藉由使用摻雜擴散溶液所形成的BSF層15比背電極13之前被形成，背電極13的厚度得以減少並且可以預防太陽能電池的翹曲問題。更詳言之，根據先前技術，由於用於背電極13材料與矽基板10材料之間的熱膨脹係數差異，太陽能電池的翹曲會發生在用於形成背電極13之烘烤和冷卻製程期間。當背電極13的厚度增加時，這樣的翹曲會更加嚴重。根據實施例，背電極13的厚度得以減少，所以可預防太陽能電池的翹曲。因此，由於翹曲現象所造成的裂縫不會出現在太陽能電池中，從而使太陽能電池的壽命可以延長。
藉由乾燥塗覆在矽基板10之一表面的N型擴散溶液、乾燥塗覆在矽基板10之另一表面的P型擴散溶液、以及執行熱擴散製程，射極11和BSF層15可同時被形成。因此，製程可被簡化並且射極11和BSF層15可具有優良的特性。
然而，實施例並非侷限於以上所述。如果有必要加厚BSF層15且大於射極11的厚度，於N型擴散溶液的熱擴散製程業已實施之後，再實施P型擴散溶液的熱擴散製程。
以下，將根據實施例詳細描述使用摻雜擴散溶液於作為太陽能電池電極之漿料組成物的方法。
漿料組成物包括金屬粉末和摻雜擴散溶液。漿料組成物可包括一有機載體、一有機或無機添加劑、以及一玻璃料(glass frit)。此外，摻雜擴散溶液可包含在一有機載體或添加劑。
金屬粉末可包括銀粉末或具有重量輕和優越導電性的鋁粉末。如果金屬粉末包含銀粉末，漿料組成物用來形成上電極12。此外，如果金屬粉末包含鋁粉末，漿料組成物用來形成背電極13，但實施例並非用以限定本發明。
金屬粉末可具有球狀、板狀、鐘形或薄片狀。金屬粉末可由具有相同形狀或不同形狀的粒子所構成。
金屬粉末的平均粒徑(means grain size)約1.5至10μm。如果平均粒徑小於1.5μm，有機物質由於金屬粉末的凝聚力而無法滲透到金屬粉末，使得金屬粉末不能容易地分散。此外，如果平均粒徑超過10μm，金屬粉末中將形成許多的小孔，所以金屬粉末的密度降低且電極的電阻將因而增加。
有機載體使得漿料組成物具有適合於塗覆在矽基板上的粘度及流變特性(Rheological property)。
有機載體可包括一溶劑和溶解於該溶劑之一聚合物。此外，有機載體可包括一觸變劑(thixotropic agent)、一均染劑(leveling agent)，以及一抗發泡劑(anti-foaming agent)。該有機載體亦可以包括摻雜擴散溶液。
聚合物可包括丙烯酸樹脂(acrylate resin)、乙基纖維素(ethylcellulous)、硝基纖維素(nitrocellulous)、乙基纖維素(ethylcellulous)和酚醛樹脂(phenol)之聚合物、木松香(wood rosin)以及酒精(alcohol)之聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)。
該溶劑可以包括選自由乙酸丁基二甘醇酯(butylcarbitolacetate)、丁基卡必醇(butylcarbitol)、丁基溶纖劑(butylcellosolve)、醋酸丁酯纖維素溶劑(butylcellosolveacetate)、丙二醇單甲(基)醚薄荷酯(propyleneglycolmonomethylether)、二丙二醇單甲(基)醚薄荷酯(dipropyleneglycolmonomethylether)、丙二醇單甲(基)丙酸(propyleneglycolmonomethylpropionate)、乙醚丙酸(ethyletherpropionate)、松油醇(terpineol)、丙二醇單乙醚醋酸薄荷酯(propyleneglycolmonomethyletheracetate)、二甲胺基(dimethylamino)、甲醛(formaldehyde)、甲乙酮(methylethylketone)、γ-丁內酯(gamma-butyrolactone)、乳酸乙酯(ethyllactate)、2,3,4-三甲基-1,3-戊二醇單異丁酸酯(texanol)所組成的群組。
觸變劑可包括尿素類(urea type)、酰胺類(amide type)或聚氨酯類(urethane type)聚合物/有機物質或無機(二氧化)矽。
各種材料可被用於玻璃料。舉例而言，具有400至600℃軟化點的硼矽酸鹽玻璃(borosilicate glass)、矽酸鉛玻璃(lead silicate glass)、鉍玻璃(bismuth glass)或鋰玻璃可用作為玻璃料。更詳而言之，玻璃料可以包括至少一個或兩個選自由氧化鉍(Bi2O3)、氧化硼(B2O3)、二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎘(CdO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋇(BaO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈉(Na2O)、氧化鋰(Li2O)、氧化鉛(PbO)及氧化鋯(ZrO)所組成的群組。此外，玻璃料具有的粒徑約1至10μm。
根據實施例之漿料組成物更可包括各種添加劑以改善其所需之特性。舉例而言，漿料組成物更可括燒結添加劑(sintering additive)、增稠劑(thicker)、穩定劑(stabilizer)或表面活性劑(surfactant)。此外，漿料組成物可包括摻雜擴散溶液。
例如，太陽能電池可以包括60至95Wt%之金屬粉末，0.3至15Wt%的玻璃料，4至39Wt%的有機載體，以及0.1至12Wt%的添加劑。
如果金屬粉末量超過95Wt%時，該化合物可能無法製備成漿料形態。如果金屬粉末量少於60Wt%時，由於導電材料的量降低，使得背電極的電阻會增加。亦即，當太陽能電池具有上述成分比例時，漿料組成物的燒結性得以改善因而提昇太陽能電池的效率。
如果玻璃料的量其範圍在0.3至15Wt%時，附著性、燒結性及太陽能電池的後製程處理特性可得到改善。
如果有機載體的量超過39Wt%時，由於金屬粉末的量減少，使得電極的電阻會增加，因此降低太陽能電池的效率。此外，如果有機載體的量少於4Wt%時，金屬粉末可能無法容易地混合和分佈。在這種情況下，金屬粉末可能無法塗覆在基板上。因此，藉由使用該種漿料組成物所形成電極之圖案精密度將會降低。
如果添加劑的量超過12Wt%時，由於金屬粉末的量減少，使得背電極的電阻會增加，從而降低太陽能電池的效率。此外，如果添加劑的量少於0.1Wt%時，從添加劑所衍生的效果將會降低。
根據實施例，摻雜擴散溶液被包含在有機載體及/或漿料組成物的添加劑中。亦即，摻雜擴散溶液能夠被包含在漿料組成物的有機載體及/或摻雜擴散溶液能夠被包含在漿料組成物而與有機載體分開。
在這種情況下，摻雜擴散溶液量，依據漿料組成物之總量大約2至12Wt%。如果摻雜擴散溶液的量超過12Wt%時，由於金屬粉末的量減少，使得電極電阻會降低，從而降低太陽能電池的效率。此外，如果摻雜擴散溶液量少於2Wt%時，由於摻雜量不足，使得太陽能電池效率會下降。
為了進一步改善藉由使用漿料組成物所形成電極的電阻特性，依據漿料組成物的總量添加4至6Wt%的摻雜擴散溶液。
根據實施例，如果藉由使用包括N型擴散溶液的漿料組成物所形成的上電極12，V族摻雜的含量增加，使得重度摻雜的N++區域可形成在上電極12的週圍區域。因此，太陽能電池的電位差得以改善，使得開路電壓Voc得以改善並且太陽能電池的效率可得到增強。
此外，根據實施例，如果藉由使用包括P型擴散溶液的漿料組成物所形成的背電極13，III族摻雜的含量增加，使得BSF層15的厚度可以變大。再者，III族摻雜以液相(liquid phase)添加，而不是固相(solid phase)，使得漿料組成物的分佈得以改善。所以，BSF層15能夠被均勻地形成。按照前述，太陽能電池的電位差可得到改善，使得開路電壓Voc得以改善並且太陽能電池的效率可得到增強。
以下例子僅用於提供解說之目的，實施例並非侷限所述之實施例。
<實施例1>
漿料組成物藉由添加P型擴散溶液到含有70Wt%鋁粉末、3Wt%的玻璃料和27Wt%的有機載體之化合物而加以製備。依據該漿料組成物總量，P型擴散溶液為2 Wt%。該P型擴散溶液經由在丙酮(acetone)中溶解硼酸(boric acid)而被製備。硼酸和丙酮的比例為30:70 Wt%。
<實施例2>
實施例2類似於實施例1，除了根據該漿料組成物總量之P型擴散溶液為4 Wt%。
<實施例3>
實施例3類似於實施例1，除了根據該漿料組成物總量之P型擴散溶液為6 Wt%。
<實施例4>
實施例4類似於實施例1，除了根據該漿料組成物總量之P型擴散溶液為8 Wt%。
<實施例5>
實施例5類似於實施例1，除了根據該漿料組成物總量之P型擴散溶液為10 Wt%。
<實施例6>
實施例6類似於實施例1，除了根據該漿料組成物總量之P型擴散溶液為12 Wt%。
<比較實施例>
漿料組成物藉由添加固相B2O3到含有70 Wt%鋁粉末、3 Wt%的玻璃料和27 Wt%有機載體之化合物而加以製備。依據該漿料組成物總量，固相B2O3的量為2 Wt%。
藉由塗覆實施例1至6與比較實施例所述的漿料組成物於矽基板上的所形成的背電極，然後乾燥該漿料組成物。在這種狀態下，針對BSF層的厚度、背電極的表面電阻、背電極的厚度、BSF比例(BSF厚度/電極厚度)及表面電阻率(表面電阻/背電極厚度)進行測量。為了實驗的精確性，經由使用相同的漿料組成物製備電極3次。其結果請見表1所載。根據擴散溶液含量的BSF比例如圖2所示，而根據擴散溶液含量的BSF厚度如圖3所示。
參閱表1，實施例1至6與比較實施例相比較下，實施例1至6的BSF比例和表面電阻比例顯示出卓越特性。作為參考，如果背電極的厚度增加時，BSF厚度增加而表面電阻降低。所以，最好是依據BSF比例和表面電阻比例來比較特性。尤其是，就實施例2及3而言(即，4至6Wt%的擴散溶液量)，BFS比例和表面電阻比例的特性是被改善。此外，參閱圖2和3，如果擴散溶液量約6Wt%或以上時，BFS比例和表面電阻比例的特性就不再有改善，但維持穩定。
10．．．P型矽基板
11．．．N型半導體
12．．．上電極
13．．．背電極
14．．．抗反射層
15．．．BSF層
圖1係為太陽能電池之剖視圖。
圖2係為依據擴散溶液含量所顯示之BSF比例曲線圖形。
圖3係為依據擴散溶液含量所顯示之BSF厚度曲線圖形。
10．．．P型矽基板
11．．．N型半導體
12．．．上電極
13．．．背電極
14．．．抗反射層
15．．．BSF層

Claims (6)

  1. 一種用於太陽能電池電極之漿料組成物，該漿料組成物包括：金屬粉末；以及一摻雜擴散溶液包含一有機溶劑和一化合物，該化合物包含一III族摻雜或一V族摻雜，其中該金屬粉末包括銀粉末或鋁銀末至少其中一者，其中該金屬粉末的平均粒徑為1.5至10μm，其中該有機溶劑是丙酮以及酒精(alcohol)至少其中一者，其中該摻雜擴散溶液為該漿料組成物的總量的2至12Wt%，其中依據該摻雜擴散溶液總量，包含III族摻雜之該化合物的量為0.1至5Wt%，其中依據該摻雜擴散溶液總量，包含V族摻雜之該化合物的量為0.1至5Wt%，其中該有機溶劑包括低沸點之一揮發性溶劑，以及其中該摻雜擴散溶液具有疏水性，且該摻雜擴散溶液形成在一疏水性基板上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該摻雜擴散溶液的量依據該漿料組成物的總量為4至6Wt%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該III族 摻雜包含選自由硼、鋁、鎵、銦及鉈所組成之群組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，其中該V族摻雜包含選自由磷、氮、砷、銻及鉍所組成之群組。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，更包括一有機載體，其中該摻雜擴散溶液被包含於該有機載體之中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之漿料組成物，更包括一有機載體及一添加劑，其中該摻雜擴散溶液被包含於該添加物之中。
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