TWI531077B - 光伏電池及其製造方法 - Google Patents

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Description

光伏電池及其製造方法
本發明是關於製造太陽能電池的方法，特別是關於具有漸變型摻雜區的太陽能電池，以及製造具有漸變型摻雜區的太陽能電池的方法。該摻雜區可包括射極與表面場。
太陽能電池又稱為光伏(photovoltaic-PV)電池。是將太陽的輻射轉化成電能的裝置。太陽能電池是使用半導體製程技術製作，因而製程典型上包括例如各種材料與材料層的沉積、摻雜與蝕刻。通常太陽能電池是製作在半導體晶圓或基板上，將晶圓或基板摻雜，以在晶圓或基板內形成p-n接面。太陽輻射(亦即光子)照射到基板表面後，使得基板表面上的電子-電洞對產生破壞，導致電子由n型摻雜區移動至p型摻雜區，因而產生電流。如此會在該基板的相反兩面之間產生電壓。耦接到電路的金屬接點即可收集基板內產生的電能。第1圖即顯示這種太陽能電池的實例。
在太陽能電池內部，以光產生的電流流到該金屬接點區域。該金屬接點區域可以形成線狀或點狀或其他特定形狀。典型的正面電極太陽能電池是將前方的接點形成線狀。電流經由射極，達到收集電流的接點線，如第2圖所示。在第2圖中顯示，金屬線間的距離為2mm，兩線的中 點為1mm。在工業上，金屬線的線距通常在1到3mm之間。
在太陽能電池內部，以光產生的電流流到該金屬接點區域。該金屬接點區域可以形成線狀或點狀或其他特定形狀。典型的正面電極太陽能電池是將前方的接點形成線狀。電流經由射極，達到收集電流的接點線，如第2圖所示。在第2圖中顯示，金屬線間的距離為2mm，兩線的中點為1mm。在工業上，金屬線的線距通常在1到3mm之間。
由於電流是從該電池的各區域產生，在該金屬接點區域會發生「電流群聚」(current crowding)的現象。射極的電流量從兩支電極的中點向兩支電極以近於線性的比例提高，如第3圖所示。
阻抗功率損失隨射極的電流的平方提高。第3圖顯示以電腦模擬(PC2D)60Ω/□的射極的電流變化結果。相同的射極的I2R功率損失則顯示於第4圖。第4圖同時也顯示在射極因開路而導致的載子復合損失。該電腦模擬的結果顯示，電池的效率只有17.8%。由於其功率損失為P=I2R，在接近金屬接點處的電流上升會使導致阻抗功率損失提高，其比例為電流值平方。
降低上述阻抗功率損失的一種簡單的方式，乃是降低射極的薄片電阻(sheet resistance)。但是其結果將會提高射極處的復合損失與光學耗損。如此一來如果要提高電壓與電流，就必須提高薄片電阻。不過，金屬電極線通常都是以銀為主的膏劑製成。其金屬化需要較低的薄片電阻，才能與矽基板產生良好的電性接觸。
由以上說明可知，薄片電阻低(高摻雜濃度)可以改善I2R損失，並形成連好的金屬化接點。但是低的薄片電阻卻會提高復合損失，使Voc降低，並提高光學耗損，使Jsc降低。業者致力於研發能在上述互相衝突的限制下，找到最佳搭配的作法。其中一種方式稱為選擇性射極(Selective emitter)技術。選擇性射極技術在金屬電極下方可提供較低的薄片電阻，用來解決射極與銀膏之間會產生接觸電阻的技術難題。
第5圖即顯示具有選擇性射極的太陽能電池的薄片電阻與功率耗損。圖中顯示，在其金屬電極下方部分的薄片電阻為60Ω/□，而在離開該金屬電極處的薄片電阻則是90Ω/□。選擇性射極在金屬電極之間的區域呈現一致的薄片電阻，因此在該區域產生較高的I2R功率損失，故而抵銷了在高薄片電阻區域降低復合損失所帶來的正面效果。
以下對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍。其唯一目的是以簡明的方式呈現本發明的數種概念，作為以下詳細說明的前言。
根據本發明的一種面向，乃在提供一種光伏電池，該光伏電池包括一基板，基板包括一漸變型摻雜區；以及多數的金屬接點，與該漸變型摻雜區的至少一部份接觸。
該基板可包括矽。該光伏電池可另外包括多數的匯電條，而與該多數金屬接點接觸。
該漸變型摻雜區可包括一漸變型射極。該漸變型摻雜區可包括濃度有變化的摻雜在該基板中。該漸變型摻雜區可包括在該多數金屬接點中兩個接點間，薄片電阻隨距離的逐漸變化。在該基板中發生電流群聚的區域，該漸變型摻雜區的摻雜物的量可為較高。該漸變型摻雜區的摻雜物的量可設定成：從該多數金屬接點中一接點到鄰近的另一金屬接點之間，使薄片電阻呈逐漸變化。該漸變型摻雜區的摻雜物的濃度分布可設定成：使該基板靠近該多數金屬接點中各接點部分的薄片電阻，低於該基板位於該多數金屬接點中任二接點的中點部分的薄片電阻。該漸變型摻雜區可包括一隨位置變化的薄片電阻與一不變化的薄片電阻。
根據本發明另一面向，本發明乃是提供一種製作光伏電池的方法，該方法包括：在一基板內形成一漸變型摻雜區；及在該基板上形成多數接點。
形成該漸變型摻雜區的步驟可包括對該基板做摻雜。該摻雜可包括離子植入。該摻雜可包括電漿沉浸摻雜。該摻雜可包括電漿柵極植入。
該摻雜步驟可包括以離子植入一摻雜物於一基板，形成漸變的濃度分布；及活化該摻雜物之步驟。
該摻雜物可為植入的離子，並在該金屬接點之間呈現漸變的濃度變化。該漸變的濃度變化可設定成可在接近該金屬導線處，提供較低的薄片電阻，而在該金屬導線之間，提供較高的薄片電阻。
根據本發明的其他面向，本發明提供一種製作光伏電池的方法，該方法包括：以離子植入一摻雜物至一基板內，形成多數漸變型的摻雜區；在該基板上形成多數金屬導線，其中該漸變型摻雜區包括在該多數金屬導線中相鄰導線間所形成的有變化的濃度分布。
該植入可包括離子植入。該植入可包括電漿沉浸摻雜。該植入可包括電漿柵極植入。
100‧‧‧光伏電池
104‧‧‧基極
108‧‧‧導線
112‧‧‧匯電條
116‧‧‧基板
120‧‧‧鈍化層
124‧‧‧接點
128‧‧‧漸變型摻雜區
所附的圖式納入本件專利說明書中，並成為其一部份，是用來例示本發明的實施例，並與本案的說明內容共同用來說明及展示本發明的原理。圖式的目的只在以圖型方式例示本發明實施例的主要特徵。圖式並不是用來顯示實際上的範例的全部特徵，也不是用來表示其中各元件之相對尺寸，或其比例。
第1圖顯示一種光伏電池的示意圖。
第2圖一種先前技術光伏電池的電流流動示意圖。
第3圖顯示先前技術光伏電池的金屬接點區域的電流群聚示意圖。
第4圖顯示在先前技術光伏電池中，阻抗功率損失隨射極的電流值平方提高之示意圖。
第5圖顯示在先前技術光伏電池中，選擇性射極的薄片電阻與功率耗損 關係圖。
第6圖顯示根據本發明漸變型射極一種實施例的特性示意圖。
第7圖顯示根據本發明一種實施例的漸變型射極的摻雜濃度分布示意圖。
第8圖顯示根據本發明一種實施例的漸變型射極與習知技術的選擇性射極的特性比較圖。
第9圖顯示根據本發明一種實施例製作光伏電池的方法流程圖。
第10圖顯示根據本發明一種實施例，供以形成具有第7圖所示漸變型摻雜的陰影遮罩範例示意圖。
第11圖顯示根據本發明一種實施例的製作光伏電池的方法流程圖。
第12圖顯示根據本發明一實施例的漸變型射極與習知選擇性射極特性比較圖。
本發明的實施例都指向光伏電池(太陽能電池)，該電池具有漸變型摻雜區(graded doping regions)，例如漸變型射極(graded emitters)。由於在該漸變型摻雜區內的功率耗損並非一致，要降低如上所述的功率耗損，較優化的解決方法即是在電流量最大的區域降低其薄片電阻。
使用濃度漸變的摻雜可以用來降低電流量最大的區域的薄片電阻，其幅度與I2R損失成比例。濃度漸變的摻雜可以使用在任何收集電流及/或呈現電流群聚的區域。本發明的實施例也指向漸變的背面表面場或基極接點處的漸變型摻雜。漸變型射極或其他漸變型摻雜區可以透過摻雜濃度的變化而達成。薄片電阻通常是與摻雜濃度成比例。該漸變型摻雜區 的摻雜濃度分布可以設定成：可在接近金屬接點處，提供較低的薄片電阻，而在離開該金屬導線之處，提供較高的薄片電阻。在本發明的某些實施例中，該摻雜濃度變化達成在一金屬接點與另一鄰近的金屬接點之間，薄片電阻成逐漸變化。在本發明的某些實施例中，該摻雜濃度變化形成：在金屬接點處及/或在金屬接點之間的中間部分處，使薄片電阻無起落變化，但在接近金屬接點之處，使薄片電阻成逐漸變化。
第6圖顯示本發明的漸變型射極的一種實例，顯示在接近金屬接點處，因I2R損失較低，其薄片電阻較低，而在接近兩金屬接點的中點處，其薄片電阻較高。該漸變型射極預期可以達成18.5%的電池效率，比起傳統選擇性射極，提供些微改善。
對應於第6圖的漸變型射極的摻雜濃度變化，顯示於第7圖，所示的方式可用來形成4支指狀電極。第8圖則顯示選擇性射極與本發明漸變型射極的薄片電阻的比較圖。在第8圖中顯示有4支金屬電極，並顯示介於金屬電極之間的射極處的薄片電阻值。兩種技術都在金屬電極下方處提供較低的薄片電阻，以改善對金屬的接觸電阻。第8圖顯示，在金屬電極下方處的薄片電阻為60Ω/□。此行業人士均知，可以選擇或使用不同的電極膏劑，以產生較高的薄片電阻。如果使用選擇性射極技術，該薄片電阻為60Ω/□的區域，線寬小於200微米，而金屬電極需符合該線寬，要滿足這種需求極為困難。與此相反，在本發明的漸變型射極技術下，金屬電極所要符合的線寬放大到500微米或以上，因為其薄片電阻的變化較為緩和。
該細指狀電極可以使用燒穿膏劑(fire-through-paste)，以網 印技術印製。該膏劑蝕穿該電池頂層的鈍化層，以與矽材質形成接觸。匯電條與指狀電極垂直，穿過該漸變型摻雜的高薄片電阻區。如果該匯電條是以相同的網印步驟，以相同的燒穿膏劑形成，該匯電條的金屬會使該太陽能電池產生分流。因此，匯電條可以非燒穿膏劑，分別印製，以避免在該高薄片電阻區域與矽材質形成接觸。
現請參考第1圖。圖中顯示根據本發明一實施例的光伏電池100。該光伏電池100包括一基極104，多數導線108以及一匯電條112。但應可理解，該光伏電池100可包括比第1圖所示較少或較多的導線108。該基極104包括一基板116及形成在該基板116上的一鈍化層120。該導線108形成在該鈍化層120之內。該匯電條112則形成在該導線108與該鈍化層120之上。有一接點124形成在該基板與該導線108及該匯電條112相反的一側。
該導線108為該電池正面表面上的線狀接點。該導線108為金屬指狀電極，通常為大約100μm寬，並以1.5到2.5mm的距離，分布在該電池表面。該導線108收集在各導線之間的區域所產生的電流。雖然在第1圖與第2圖中顯示，接點形成金屬線108(即線狀接點)，但此行業人士皆可理解，該接點也可以形成其他形狀，包括例如點狀、小點狀、圓圈、星形、雪花形，以及其他形狀。
漸變型摻雜區128形成在該基板104內。在本發明一實施例中，該漸變型摻雜區128為漸變型射極。該漸變型摻雜區128在各導線108之間的整個區域內，提供逐漸變化的薄片電阻。在本發明一些實施例中，該漸變型摻雜區的濃度變化為：在接近該金屬導線處，表現較低的薄片電 阻，而在離開該金屬導線邊緣處(亦即各導線108的中點)，表現較高的薄片電阻。
該漸變型摻雜區128是以對該基板104作摻雜而形成。任何已知的摻雜物均可應用在本發明，包括例如硼、磷、砷、銻等等。在本發明的一種實施例中，該等植入物的濃度低於1E15cm-2。第7圖顯示本發明的漸變型射極128一種例示性摻雜濃度變化。但此行業人士也可理解，所使用的摻雜濃度變化也可異於第7圖所示。
第8圖顯示本發明一種例示的漸變型射極與先前技術中典型的選擇性射極特性比較圖。在此實例中，該金屬導線或指狀導線是以2mm的距離排列，原點為0mm。在使用漸變型射極的電池中，在各指狀電極之間的區域，薄片電阻呈逐漸變化。反之，使用選擇性射極時，在各指狀電極之間的區域，薄片電阻的變化形成方波。在本發明一些實施例中，該漸變型射極也可以在高薄片電阻區域形成平坦的薄片電阻分布。但該平坦狀分布與選擇性射極的方波並不相同，因為在接近該金屬導線之處，薄片電阻是呈逐漸變化。
第9圖顯示根據本發明數種實施例，製作具有漸變型射極的光伏電池的方法流程圖。如第9圖所示，該方法900包括：在該基板中形成一漸變型射極(漸變型摻雜區)的步驟(方塊904)，以及在該漸變型射極(漸變型摻雜區)至少一部分上形成金屬接點的步驟(步驟908)。
在本發明的一些實施例中，該漸變型摻雜區是使用離子植入技術，以變化的摻雜濃度形成。根據本發明的實施例，所能應用的離子植入工具有多種。
一種例示的，可用來形成該漸變型射極的植入工具為點波束(spot beam)技術。所使用的點波束可為任何尺寸或尺寸範圍，直徑在幾公厘到幾公分之間。以點波束照射該基板的全部表面。典型的技術是將該照射軌跡圖案最佳化，以在植入的物件全部表面產生一致的摻雜濃度。不過，該照射軌跡圖案也可經過修改，以在該基板上選擇性的形成漸變型的摻雜濃度變化。
另一種例示的植入工具為細長形的方形波束，也可用來照射基板。如果光點夠細，則可調製該光束或晶圓的移動速度，或該波束電流(或兩者皆調製)，以在該基板上選擇性的形成漸變型的摻雜濃度變化。
另一種例示的植入工具為光束較粗的植入工具。使用光束較粗的植入工具好處在於可以提高生產效率。電漿沉浸植入是一種通常用來提供粗光束的植入工具。使用電漿沉浸植入時，是對基板施加偏壓，以將瀰漫的摻雜離子吸引到該基板。以這類系統進行的植入濃度分布並不一致，因為這種系統通常只提供極有限的離子光學元件，因此無法以光學方式調製離子特性。不過，在執行漸變型的摻雜時可以使用陰影遮罩，以在基板上提供邊界明顯的摻雜區域。將陰影遮罩與粗光束植入工具併用，以提供邊界明顯的摻雜區域的技術，可參考申請人另案申請的美國專利申請案，案號13/024,251，申請日2011年2月9日。該案說明書全部內容可作為本案參考。
在本發明一些實施例中，可將天線配置在該晶圓下方，以對該晶圓的選擇性區域提供偏壓，而產生對摻雜物離子的局部吸引。該天線可以製成的形狀有多種，以在該基板整體或在一批基板中得到所要的漸變 型摻雜物分布。在本發明一些實施例中，各個天線可具有複數元件，各以不同的電壓以及時間順序提供偏壓，以提供有變化的離子劑量、離子能量與離子物種。某些天線元件可以用來阻止離子摻雜在特定區域內發生，並因此達成使摻雜區域在劑量與深度上產生較大的變化。只要對於面向該電漿摻雜物的正面表面上的吸引電位形狀加以調製，即幾乎可提供任何形狀的摻雜濃度分布或其他物質的植入圖案。這種天線可以形成任何形狀，且可具有其他獨特的圖案，以符合所要達成的漸變型摻雜所需。
電漿柵極植入(Plasma Grid Implantation-PGI)技術是另一種粗光束植入技術，可用來從電漿中提取多數的離子束，其方式是使用具有多數開口的柵極，以將離子朝向一基板加速。電漿柵極植入技術已經揭示在例如本申請人所申請的美國專利申請案，案號12/821,053，申請日2010年6月22日，發明名稱「具有柵極組件的離子植入系統」的說明書中。其全部內容可以納入本案做為參考。任何上述的方法或上述方法的組合，都可以與該電漿柵極植入法結合，以產生漸變型的摻雜或植入。
該柵極中的開口也可以用來控制離子植入到晶圓表面後的圖案形狀。由該具有多數開口的柵極所發出的多數小離子束，可以光學方式調製成所需的形狀。離子束可以形成線狀、點狀或其他獨特的形狀。可以使用多數的元件或柵極，以進一步規範該小離子束的形狀，而達成所需的物種分布與大小。經過離子光學模擬的結果顯示，所需的離子化電流，可以利用多數的離子光學元件，將其大小規制成小到幾微米，大到幾公分。在各小離子束內的離子分布可以透過空間電荷加以規範，一如Child Langmuir原理所述，而由所使用的電壓與電流決定，
如果製程中是使晶圓通過一粗離子束，則可使用一陰影遮罩來產生該漸變型摻雜與漸變型薄片電阻。一種用來產生如第7圖所示的漸變型摻雜的陰影遮罩的範例，即顯示在第10圖。該粗離子束會涵蓋該遮罩整面，而該晶圓則在該遮罩垂直下方通過。最高的累積劑量會發生在該遮罩的開口最寬的部分，而最低的摻雜濃度則發生在該開口最窄的部分。
這種物理現象可以透過對該多數柵極開口的形狀、大小及距離，以及基板的位置的調整，善加利用。在本發明一些實施例中，結合配置在該基板下方的單一或多數天線，以及該柵極對離子束光學的規制，可以用來形成本發明的漸變型射極。在某些實施例中，可以使用一陰影遮罩來形成該漸變型射極，其方式為改變該陰影遮罩位在該晶圓表面上方的高度。
在該摻雜物植入之後，將該基板退火，並使摻雜物活化。該嗣後的退火與摻雜物活化方法也可以用來進一步規制該漸變型的選擇性的形狀，加入摻雜物與其他物種。業界有多種方法可以用來退火及活化摻雜物，包括例如在退火爐與烤箱中對整個基板作包裹式一致性加熱(blanket uniform heating)。在本發明的一些實施例中，是併合使用對基板最上層表面層作局部加熱，或以此步驟代替。而在本發明的某些實例中，則可以使用快速加熱退火法。在使用快速加熱退火法時，是使用一組的高熱度燈，將最上層表面加熱到一極高溫度，但只維持極短暫時間。所用的燈可以形成獨特的形狀，以使該表面選擇性的局部升溫，並以此在該基板上產生沿 橫向或沿深度變化的漸變型摻雜。
第11圖顯示根據本發明數種實施例的另一種製作具有漸變型摻雜區，例如漸變型射極的光伏電池的方法流程圖。如第11圖所示，該方法1100包括：以離子植入技術植入一摻雜物到一基板，以形成多數漸變型摻雜區(漸變型射極)(步驟1104)，以及在該基板上形成多數金屬導線，其中該漸變型摻雜區(漸變型射極)包括形成在該多數金屬導線中相鄰導線間逐漸變化的濃度分布(步驟1108)。
需理解的是，該漸變型摻雜區可以用來加大該指狀電極的可使用間距，同時達成給定的阻抗功率耗損目標、縮小暈影，及節省銀膏耗損。
如果要使用圓點狀的接點，該電流群聚現象將更影響電池的效率。由於電流是迅速的集結，在靠近該圓形金屬接點處，電流密度將會飆高，而使其I2R功率損失更形惡化，如第12圖所示。如果能形成變化較大的漸變型摻雜，將可改善圓點狀接點的性能，也如第12圖所示。如圖中顯示，兩種射極技術都呈現相近的總復合損失，但漸變型射極的I2R功率損失只有一致型射極的半數。
必須說明的是，本案所揭示的方法步驟與技術並不限於應用在任何特定的裝置，且可以任何適用的元件組合加以達成。此外，各種態樣之泛用性裝置也可適用在所述之發明中。本發明既已利用特定之實施例說明如上，上述之說明目的僅在例示本發明，而非用以限制本發明。於此行業具有普通知識、技術之人士，不難由以上之說明，衍伸出其他不同組合，而實現本發明之內容。
此外，其他實現本發明的方法對於習於斯藝之人士，也可從本案的專利說明書進行考慮，並實施所述的本發明內容，而加以達成。本發明所述的實施例所使用的數種面向及/或元件，都可以單獨使用，也可以任何方式結合。本說明書及其圖式都只能作為例示之用，本發明真正的範圍與精神，只能由以下的申請專利範圍所規範。

Claims (21)

  1. 一種光伏電池，包括：一基板，包括一漸變型摻雜區；以及多數的金屬接點，與該漸變型摻雜區的至少一部份接觸；其中該漸變型摻雜區包括在該多數金屬接點中兩個接點間，薄片電阻隨距離的逐漸變化。
  2. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該基板包括矽。
  3. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該漸變型摻雜區包括一漸變型射極。
  4. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該漸變型摻雜區包括濃度有變化的摻雜在該基板中。
  5. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，另包括多數的匯電條，而與該多數金屬接點接觸。
  6. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中在該基板中發生電流群聚的區域，該漸變型摻雜區的摻雜物的量較高。
  7. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該漸變型摻雜區的摻雜物的量設定成：從該多數金屬接點中一接點到鄰近的另一金屬接點之間，使薄片電阻為逐漸變化。
  8. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該漸變型摻雜區的摻雜物的濃度分布設定成：使該基板靠近該多數金屬接點中各接點部分的薄片電阻，低於該基板位於該多數金屬接點中任二接點的中點部分的薄片電阻。
  9. 如申請專利範圍第1項之光伏電池，其中該漸變型摻雜區包括一隨位置變化的薄片電阻與一不變化的薄片電阻。
  10. 一種製作光伏電池的方法，包括：在一基板內形成一漸變型摻雜區；及在該基板上形成多數接點；其中該漸變型摻雜區包括在該多數金屬接點中兩固接點間，薄片電阻隨距離的逐漸變化。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該形成該漸變型摻雜區的步驟包括對該基板做摻雜的步驟。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該摻雜包括離子植入。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該摻雜包括電漿沉浸摻雜。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該摻雜包括電漿柵極植入。
  15. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該摻雜步驟包括：以離子植入一摻雜物於一基板，形成漸變的濃度分布；及活化該摻雜物之步驟。
  16. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該摻雜物為植入的離子，並在該金屬接點之間呈現漸變的濃度變化。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該漸變的濃度變化設定成可在接近該金屬導線處，提供較低的薄片電阻，而在該金屬導線之間，提供較高的薄片電阻。
  18. 一種製作光伏電池的方法，包括：以離子植入一摻雜物至一基板內，形成多數漸變型的摻雜區； 在該基板上形成多數金屬導線，其中該漸變型摻雜區包括在該多數金屬導線中相鄰導線間所形成的有變化的濃度分布。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該植入包括離子植入。
  20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該植入包括電漿沉浸摻雜。
  21. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該植入包括電漿柵極植入。
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