TWI535040B

TWI535040B - 太陽能電池

Info

Publication number: TWI535040B
Application number: TW104115179A
Authority: TW
Inventors: 嚴國藝; 鄭韋志; 陳懷宗; 黃俊瑞
Original assignee: 茂迪股份有限公司
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-05-21
Also published as: TW201640688A

Description

太陽能電池

本發明是有關於一種太陽能電池，且特別是有關於一種射極鈍化及背電極太陽能電池(PERC)。

在石化能源短缺以及能源需求量與日俱增的情況下，再生能源(Renewable energy)的開發成為近年來非常重要的課題之一。再生能源泛指永續且無污染的天然能源，例如太陽能、風能、水利能、潮汐能或是生質能等，其中太陽能的開發更是近幾年來在能源開發的研究上相當重要且受歡迎的一環。

太陽能電池是一種能量轉換的光電元件(photovoltaic device)，其中射極鈍化及背電極太陽能電池以其高轉換效率而備受關注。射極鈍化及背電極太陽能電池相較於傳統太陽能電池的主要差異在於：射極鈍化及背電極太陽能電池係利用鈍化技術將正面的射極與背面鈍化，以減少表面缺陷。正面射極一般是選擇氧化矽(SiO₂)作為鈍化層，而背面一般是選擇氧化矽或氧化鋁(Al₂O₃)作為鈍化層。

詳細而言，射極鈍化及背電極太陽能電池的背電極形成的方式，通常是先以雷射等方式對鈍化層開孔以形成電極接觸位置，再於背面網印非穿透性鋁膠或者是透過物理氣相沉積(PVD)鍍上鋁，最後與正面網印銀膠共燒結後形成電極，其與傳統太陽能電池於背面以鋁漿整面印刷並燒結，從而形成全面的背面電場(BSF)有所不同。由於射極鈍化及背電極太陽能電池的製作僅是於背面進行局部開孔，因此最終能形成局部背電場(Local BSF)並保留大面積的鈍化層。另一方面，相較於傳統電池而言，射極鈍化及背電極太陽能電池增加了其背面的鈍化層鈍化的面積，因此可有效減少載子在背面再複合的速率。

由於射極鈍化及背電極太陽能電池的背面的鈍化層為局部開孔之設計，且背電極通過這些開孔與基板背面接觸，因此可達到傳導電流之目的。雖然背電極與基板的背面的局部接觸之設計可使鈍化層之鈍化面積增加、減少載子之複合，但也同時衍生出背電極與基板的背面接觸面積減少，進而造成電阻增加之問題。因此，如何取得一較佳的平衡點，以有效地提升光電轉換效率，便成為當前亟待解決的問題之一。

本發明提供一種太陽能電池，其能有效地提高光電轉換效率。

本發明提出一種太陽能電池，其包括矽基材、射極層、多個第一電極、鈍化層以及多個第二電極。矽基材具有受光面以及相對於受光面的背面。射極層形成於受光面處。這些第一電極位於受光面上。鈍化層位於背面上，並具有多個線狀開孔。這些第二電極分別位於這些線狀開孔中，並接觸背面。各個第二電極具有一延伸方向。這些第二電極沿著延伸方向排列成多列，並沿著垂直於延伸方向的排列方向排列成多行。各個第二電極在延伸方向上的一長度為A。同一行的任兩相鄰的這些第二電極之間維持一第一間距為B，其中200微米≦B≦1400微米，且2≦A/B≦5。任兩行相鄰的這些第二電極之間維持一第二間距為P，其中P≦1000微米。

在本發明的一實施例中，A：B=4：1，且800微米≦B≦1000微米，P≦800微米。

在本發明的一實施例中，上述的任兩行相鄰的這些第二電極與這些第一間距於排列方向上彼此互為交錯。

在本發明的一實施例中，上述的太陽能電池更包括形成於背面處的多個重摻雜區域。這些重摻雜區域與這些第二電極的位置分別一一對應。

在本發明的一實施例中，上述的太陽能電池更包括形成於鈍化層上的連接電極。連接電極電性連接這些第二電極。。

本發明另提出一種太陽能電池，其包括矽基材、射極層、多個第一電極、鈍化層以及背電極。矽基材具有受光面以及相對於受光面的背面。射極層形成於受光面處。這些第一電極位於受光面上。鈍化層位於背面上，並具有多個線狀開孔。各個線狀開孔具有一延伸方向。這些線狀開孔沿著延伸方向排列成多列，並沿著垂直於延伸方向的排列方向排列成多行。各個線狀開孔在延伸方向上的一長度為A。同一行的任兩相鄰的這些線狀開孔之間維持一第一間距為B，其中200微米≦B≦1400微米，且2≦A/B≦5。任兩行相鄰的這些線狀開孔之間維持一第二間距為P，其中P≦1000微米。背電極位於鈍化層上，並延伸到這些線狀開孔中與該背面接觸。

在本發明的一實施例中，上述的任兩行相鄰的這些線狀開孔與這些第一間距於排列方向上彼此互為交錯。

在本發明的一實施例中，上述的太陽能電池更包括形成於背面的多個重摻雜區域。這些重摻雜區域與這些線狀開孔之位置分別一一對應。

基於上述，本發明的太陽能電池的第二電極係採用虛線局部電極的配置方式，其中第二電極具有一延伸方向。第二電極沿著前述延伸方向排列成多列並沿著垂直於前述延伸方向的排列方向排列成多行，其中各個第二電極在前述延伸方向上的長度為A。同一行的任兩相鄰的第二電極之間維持一第一間距為B，任兩行相鄰的第二電極之間維持一第二間距為P。

詳細而言，200微米≦B≦1400微米，且長度A與第一間距B符合關係式：2≦A/B≦5。另一方面，P≦1000微米，因此藉由調整第一間距B的大小來決定長度A的數值範圍，並且在藉由調整第一間距B的大小來決定長度A的數值範圍的同時，改變第二間距P的大小，藉以得到長度A、第一間距B以及第二間距P等參數設計的較佳範圍，便能有效地提升太陽能電池的光電轉換效率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、100A‧‧‧太陽能電池

110‧‧‧光電轉換層

111‧‧‧矽基材

111a‧‧‧受光面

111b‧‧‧背面

112‧‧‧射極層

120‧‧‧第一電極

130‧‧‧第二電極

140‧‧‧抗反射層

150‧‧‧鈍化層

151‧‧‧線狀開孔

160‧‧‧連接電極

170‧‧‧重摻雜區域

180‧‧‧背電極

A‧‧‧長度

B‧‧‧第一間距

D1‧‧‧延伸方向

D2‧‧‧排列方向

P‧‧‧第二間距

圖1是本發明一實施例的太陽能電池的局部底視圖。

圖2是圖1的太陽能電池沿I-I剖線的剖面示意圖。

圖3是本發明另一實施例的太陽能電池的局部剖面示意圖。

圖1是本發明一實施例的太陽能電池的局部底視圖。圖2是圖1的太陽能電池沿I-I剖線的剖面示意圖。請參考圖1與圖2，在本實施例中，太陽能電池100例如是射極鈍化及背電極太陽能電池，其可包括光電轉換層110、多個第一電極120以及多個第二電極130。光電轉換層110可以是由P型半導體層及N型半導體層堆疊形成的PN接面的半導體堆疊結構，或是由P型半導體層、本質層、N型半導體層堆疊形成的PIN接面的半導體堆疊結構。

詳細而言，光電轉換層110可包括矽基材111以及射極層112。矽基材111具有受光面111a以及相對於受光面111a的背面111b。第一電極120位於受光面111a上，且第二電極130位於背面111b上。另一方面，射極層112形成於受光面111a處。矽基材111例如是由P型矽晶所構成，並且在受光面111a對矽基材111摻雜有磷擴散摻雜層以作為射極層112。於本實施例中，射極層112位於矽基材111內，且靠近受光面111a的所在處。意即，射極層112位於矽基材111的受光面111a之下，但本發明不以此為限。舉例來說，在其他實施例中，射極層亦可採用沈積之方式形成於矽基材之上。意即，射極層位於矽基材的受光面之上。在另一實施例中，矽基材也可以是由N型矽晶所構成，並且在矽基材的受光面上摻雜有硼擴散摻雜層以作為射極層。

在本實施例中，太陽能電池100更包括抗反射層140。抗反射層140位於受光面111a的上方，並連接射極層112。抗反射層140的材料可包括氮化矽、氧化矽、二氧化鈦、氟化鎂或上述材料的組合，且透過例如物理氣相沉積、化學氣相沉積或其他適當的製程而形成於射極層112上。

在抗反射層140形成於射極層112上之後，可透過例如電鍍、網印或物理氣相沉積等方式形成第一電極120。以採用電鍍或物理氣相沉積等方式來製作第一電極120為例，為使第一電極120接觸射極層112，則於製作第一電極120之前，需預先透過例如雷射等方式於抗反射層140形成可供第一電極120穿過且容納的開口。另以採用網印方式來製作第一電極120為例，則形成於抗反射層140上的導電漿(可用以形成第一電極120之材料)可於高溫燒結時燒穿抗反射層140。最後，固化成型的第一電極120便能與射極層112接觸。一般而言，第一電極120的材質可為銀、鋁或銀鋁混合物，而本實施例的第一電極120例如是由導電銀漿所構成。

如圖2所示，太陽能電池100更包括鈍化層150。鈍化層150位於背面111b上。意即，鈍化層150與抗反射層140位於光電轉換層110的相對兩側。在本實施例中，鈍化層150可以是非晶矽層或至少一層以上的介電層所組成。以多層介電層構成鈍化層150為例，這些介電層所選用的材料可各不相同、部分相同或完全相同。通常而言，介電層之材料可為二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、二氧化鈦或上述材料的組合。鈍化層150之形成可採用例如是物理氣相沉積、化學氣相沉積或其他適當的製程而形成於矽基材111的背面111b上。在鈍化層150形成於矽基材111上後，可透過雷射開孔或畫線在鈍化層150上形成多個平行排列線狀開孔151，而這些線狀開孔151會暴露出部分的背面111b。之後，例如是透過電鍍、網印或物理氣相沉積等方式在線狀開孔151所暴露出的背面111b上形成第二電極130。換個角度來說，第二電極130會對應設置於線狀開孔151內，並接觸矽基材111之背面111b，其中第二電極130的材質可為銀、鋁或銀鋁混合物。在本實施例中，當矽基材111例如是由P型矽晶所構成時，用以製作第二電極130的材質例如是鋁漿。因此，在進行完燒結製程後，對應這些線狀開孔151之矽基材111的背面111b處可同步形成有多個鋁矽合金的P型的重摻雜區域170，藉由該些重摻雜區域170與矽基材111之間產生電位差，從而可形成多個局部背電場(LBSF)之效果。其中這些重摻雜區域170和局部背電場之位置皆與這些第二電極130之位置分別一一對應，如圖2所示。而在另一實施例中，當矽基材111例如是由N型矽晶所構成時，可先以擴散摻雜製程並採用例如磷等其他相關材質來摻雜，於矽基材111的背面111b形成多個間隔分佈的N型的重摻雜區域，而該些磷摻雜的N型的重摻雜區域會與矽基材之間產生電位差，從而形成多個局部背電場之效果，此時第二電極130的材質可為銀、鋁或銀鋁混合物或其他材質。上述第一電極120或第二電極130可使用網版印刷或CVD、PVD等沈積技術來完成。

如圖1所示，各個第二電極130例如是條狀電極，且具有延伸方向D1。這些第二電極130沿著延伸方向D1排列成多列，並沿著垂直於延伸方向D1的排列方向D2排列成多行。各個第二電極130在延伸方向D1上的長度為A。同一行的任兩相鄰的第二電極130之間維持第一間距為B。在本實施例中，200微米≦B≦1400微米，且2≦A/B≦5。另一方面，任兩行相鄰的第二電極130之間維持第二間距為P，其中P≦1000微米。

具體來說，任兩行相鄰的這些第二電極130與這些第一間距B於排列方向D2上彼此互為交錯。意即，其中一行中的一個第二電極130與相鄰的另一行中的一個第一間距B的位置對應到。如此一來，相鄰的不同行中的兩個第一間距B的位置將不會直接對應緊鄰，藉以避免造成矽基材111內靠近第一間距B處的載子要移動到第二電極130的距離過遠而衍生電流收集不順之問題，因而有利於發電效率之提昇。

簡言之，第二電極130例如是採用虛線局部電極的配置方式。由於長度A與第一間距B符合關係式：2≦A/B≦5，因此可藉由調整第一間距B的大小來決定長度A的數值範圍。此外，本實施例也可在藉由調整第一間距B的大小來決定長度A的數值範圍的同時改變第二間距P的大小，藉以得到長度A、第一間距B以及第二間距P等參數設計的較佳範圍。如此一來，便能有效地提升太陽能電池100的光電轉換效率。

為更加明確地闡述本發明之意涵，本發明所提出的參數設計亦可以形成於鈍化層150上的多個線狀開孔151來定義，這是由於第二電極130分別填充於線狀開孔151中，因此前述兩者的形狀與輪廓實質上是相吻合的。

如圖1所示，各個線狀開孔151具有延伸方向D1。這些線狀開孔151沿著延伸方向D1排列成多列，並沿著垂直於延伸方向D1的排列方向D2排列成多行。各個線狀開孔151在延伸方向D1上的長度為A。同一行的任兩相鄰的線狀開孔151之間維持第一間距為B。200微米≦B≦1400微米，且2≦A/B≦5。任兩行相鄰的線狀開孔151之間維持第二間距為P，其中P≦1000微米。

具體而言，任兩行相鄰的這些線狀開孔151與這些第一間距B於排列方向D2上彼此互為交錯。意即，其中一行中的一個線狀開孔151與相鄰的另一行中的一個第一間距B的位置對應到，藉以提升填充於這些線狀開孔151中的這些第二電極130的電流收集之效果。在前述線狀開孔151的佈局下，相鄰的不同行中的兩個第一間距B的位置將不會直接對應緊鄰，藉以避免造成矽基材111內靠近第一間距B處的載子要移動到第二電極130的距離過遠而衍生電流收集不順之問題，因而有利於發電效率之提昇。

以下將列舉數個實驗例來驗證本發明的功效。下列實驗數據之比較基礎是以傳統上非虛線形式的電極(意即，於延伸方向上為純粹直線的電極或於延伸方向上為單一直線的線狀開孔之形式的電極)，且第二間距P分別設計為1000微米以及800微米來進行。

實驗例一：在第二間距P等於1000微米，且長度A與第一間距B之間的比例分別為2：1、4：1以及5：1等參數設計條件下，太陽能電池100的光電轉換效率，其結果如下表一所示。

實驗例二：在第二間距P等於800微米，且長度A與第一間距B之間的比例分別為2：1、4：1以及5：1等參數設計條件下，太陽能電池100的光電轉換效率，其結果如下表二所示。

由表一與表二可得知，當長度A與第一間距B之間的比例(即A：B)由2：1增加到4：1時，太陽能電池100的光電轉換效率可獲得明顯地提升。然而，當長度A與第一間距B之間的比例(即A：B)持續增加到5：1時，太陽能電池100的光電轉換效率便約略回復到A：B=2：1時的水準。此外，當第一間距B自200微米增加至1600微米時，實驗例一之太陽能電池100的光電轉換效率可在第一間距B大於等於400微米且小於等於1200微米的區間範圍內逼近峰值，而實驗例二之太陽能電池100的光電轉換效率可在第一間距B大於等於400微米且小於等於1000微米的區間範圍內逼近峰值，在第一間距B大於1400微米後，長度A與第一間距B之間的比例分別為2：1、4：1以及5：1的太陽能電池100的光電轉換效率便約略回復到第一間距B等於200微米時的水準。因此，藉由將第二電極130的配置的參數設計制訂為P≦1000微米、200微米≦B≦1400微米以及2≦A/B≦5，可有效地提升太陽能電池100的光電轉換效率。

以下將列舉其他實施例以作為說明。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖3是本發明另一實施例的太陽能電池的局部剖面示意圖。請參考圖3，圖3的太陽能電池100A與圖2的太陽能電池100大致相似，前述兩者的主要差異在於：本實施例的太陽能電池100A更包括形成於鈍化層150上的連接電極160。連接電極160電性連接這些第二電極130，其中連接電極160與這些第二電極130可構成背電極180。此圖3係為說明一般於圖2之背面仍是會有設置連接電極160，從而構成可將電力全面地向外傳輸之背電極180。

由於連接電極160例如是全面覆蓋於鈍化層150上以與各個線狀開孔151內的第二電極130接觸，因此各個線狀開孔151內的第二電極130可透過連接電極160而彼此電性連接，藉以從矽基材111內收集光生載子並向外傳遞。一般而言，連接電極160的材質可為銀、鋁或銀鋁混合物，而本實施例的連接電極160的材質例如是選用鋁漿。

在另一實施例中，連接電極160並未全面覆蓋於鈍化層 150上，進而可暴露出鈍化層150的一部分。換言之，只要能使各個第二電極130彼此電性連接，連接電極160亦可採用帶狀、條狀或樹枝狀等態樣形成於鈍化層150上，藉以節省製作連接電極160的材料成本。在又一實施例中，亦可於矽基材111之背面111b形成有背銀電極(圖中未示)，背銀電極之數量視實際需求而定。背銀電極的配置可採用僅位於鈍化層150之上的完全浮接(floating)形式。意即，背銀電極未接觸到矽基材111之背面111b，或者是有接觸到矽基材111之背面111b之形式，其中背銀電極主要作為供焊帶焊接所用。

綜上所述，本發明的太陽能電池的第二電極係採用虛線局部電極的配置方式，其中第二電極具有一延伸方向。第二電極沿著前述延伸方向排列成多列並沿著垂直於前述延伸方向的排列方向排列成多行，其中各個第二電極在前述延伸方向上的長度為A。同一行的任兩相鄰的第二電極之間維持一第一間距為B，任兩行相鄰的第二電極之間維持一第二間距為P。

詳細而言，200微米≦B≦1400微米，且長度A與第一間距B符合關係式：2≦A/B≦5。另一方面，P≦1000微米。因此，藉由調整第一間距B的大小來決定長度A的數值範圍，並且在藉由調整第一間距B的大小來決定長度A的數值範圍的同時改變第二間距P的大小，藉以得到長度A、第一間距B以及第二間距P等參數設計的較佳範圍，便能有效地提升太陽能電池的光電轉換效率。較佳的，當P≦800微米時，其各組參數下之結果通常都優於P≦1000。此外，當A：B=4：1，且第一間距B分別等於800微米和1000微米時，於實驗上分別有次高0.16%和最高0.2%之效率提昇。因此，當滿足A：B=4：1、800微米≦B≦1000微米以及P≦800微米等條件時，太陽能電池能具有良好之發電效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧太陽能電池