TWI552360B - 太陽能電池 - Google Patents

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背接觸式太陽能電池。

參閱圖1和圖2，為一種習知的背接觸式(Back Contact)太陽能電池，包含：一基板91、一位於該基板91的一正面911處且摻雜濃度大於該基板91的前表面電場層913、一位於該前表面電場層913上的抗反射層92、位於該基板91的一背面912處的一射極區914與一背表面電場區915、一位於該背面912上的介電層93、一穿過該介電層93而接觸該射極區914的第一電極94，以及一穿過該介電層93而接觸該背表面電場區915的第二電極95，其中該第一電極94包括一第一主電極941和複數個第一細電極942，該第二電極95包括一第二主電極951和複數個第二細電極952。

該背接觸式太陽能電池的主要特色在於該第一電極94與該第二電極95位於該基板91之背面912側，並分別透過該複數個第一細電極942和第二細電極952收集電流後，再分別傳遞到第一主電極941和第二主電極951，以完成光電效應後之電流收集工作。至於該電池的正面911則未設置電極，可讓正面的受光面積最大化，改善傳統太陽能電池之正面受到電極遮擋而衍生之入光量較低之缺點。

然而，若太陽能電池的尺寸從5吋增加6吋時，其用於 收集電流之第一細電極942和第二細電極952的電極長度會變長，而長度變長將會影響電池的串聯電阻(Rs)和填充因子(Fill Factor)，並進而影響了最終太陽能電池之效率。

除上述之問題外，習知背接觸式太陽能電池其背面電極的設計僅是由一個正電極和一個負電極所構成，正電極例如第一電極94，負電極例如第二電極95，其中並分別在第一主電極941和第二主電極951上焊接了焊帶(圖中未示)來向外傳送電流，但如此之設計並無考量到如何讓電池的短路電流Isc和開路電壓Voc達到最佳化。

因此，便有需要提供一種太陽能電池，能夠解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種背接觸式太陽能電池，係於太陽能電池上形成多個電池單元，並使每一電池單元的電極長度能縮短填充因子(Fill Factor)表現不佳之問題。

本發明之另一目的是在於使背接觸式太陽能電池上形成多個電池單元，該些電池單元之間的連接方式為並聯與串聯同時兼具之設計，從而可提昇太陽能電池的開路電壓(Voc)和填充因子(Fill Factor)等，而進一步提升發電效率，最終能提昇電池整體之效率。

依據上述之目的，本發明提供一種太陽能電池，該電池包括一基板、多個電池單元、至少一並聯電極以及至少一串聯電極，其中該基板包括一正面及一背面，該背面相對於該正面。該多個電池單元配置於該背面，而每一電池單元包括一第一摻雜區、一第二摻雜區、一第一電極以及一第二電極，其中該第一摻雜區為第一導電型，該第二摻雜區為第二導電型，該第一電極連接於該第一摻雜區，以及該第二電極連接於該第二摻雜區。 該至少一並聯電極用以將該些電池單元中的一個電池單元的該第一摻雜區或該第二摻雜區，電性連接於另一個電池單元中相同導電型的該第一摻雜區或該第二摻雜區。該至少一串聯電極用以將該些電池單元中的一個電池單元的該第一摻雜區，電性連接於另一個電池單元的該第二摻雜區。

依據本發明之一實施例，上述各該電池單元的該第一摻雜區還包括一第一主摻雜區和多個第一細線摻雜區，該些第一細線摻雜區連接該第一主摻雜區，以及該第二摻雜區還包括一第二主摻雜區和多個第二細線摻雜區，該些第二細線摻雜區連接該第二主摻雜區，其中該些第一、第二細線摻雜區間隔地交替排列。

依據本發明之一實施例，其中每一電池單元的該第一、第二摻雜區與其他電池單元的該第一、第二摻雜區互不接觸。

依據本發明之一實施例，其中更包括一配置於該背面上之介電層，該第一電極和該第二電極穿過該介電層而分別連接該第一摻雜區和該第二摻雜區。

依據本發明之一實施例，其中該基板為結晶矽基板。

依據本發明之一實施例，其中該些電池單元以陣列式排列於該基板之該背面。

依據本發明之一實施例，其中該第一摻雜區為正型半導體及負型半導體的其中一者，且該第二摻雜區為正型半導體及負型半導體的其中另一者。

依據本發明之一實施例，其中該至少一並聯電極連接於不同的電池單元中的兩個第一電極或兩個第二電極。

依據本發明之一實施例，其中該至少一串聯電極連接於不同的電池單元中的該第一電極與該第二電極。

依據本發明之一實施例，其中更包括一連接電極，該連接電極位於該些電池單元中的四個電池單元的中央處，並分別連接了位於此中央處的不同電池單元的第一主電極和第二主電極。

本發明提供一種具有多個電池單元的太陽能電池，藉此可有效縮短細線電極的長度，而可改善填充因子(Fill Factor)，同時本發明的太陽能電池兼具有串聯和並聯的設計，故可有效提昇太陽能電池的開路電壓(Voc)和填充因子(Fill Factor)等電性效果，進一步提昇發電效率。

1‧‧‧基板

11‧‧‧正面

111‧‧‧前表面電場層

112‧‧‧抗反射層

12‧‧‧背面

2‧‧‧電池單元

21‧‧‧第一摻雜區

211‧‧‧第一主摻雜區

212‧‧‧第一細線摻雜區

22‧‧‧第二摻雜區

221‧‧‧第二主摻雜區

222‧‧‧第二細線摻雜區

23‧‧‧第一電極

231‧‧‧第一主電極

232‧‧‧第一細線電極

24‧‧‧第二電極

241‧‧‧第二主電極

242‧‧‧第二細線電極

31‧‧‧並聯電極

32‧‧‧串聯電極

4‧‧‧介電層

41‧‧‧第一開孔

42‧‧‧第二開孔

5‧‧‧連接電極

91‧‧‧基板

911‧‧‧正面

912‧‧‧背面

913‧‧‧前表面電場層

914‧‧‧射極區

915‧‧‧背表面電場區

92‧‧‧抗反射層

93‧‧‧介電層

94‧‧‧第一電極

941‧‧‧第一主電極

942‧‧‧第一細電極

95‧‧‧第二電極

951‧‧‧第二主電極

952‧‧‧第二細電極

圖1為一習知的背接觸式太陽能電池之背面俯視圖。

圖2為圖1背接觸式太陽能電池於A-A剖線位置處之剖面示意圖。

圖3為本發明太陽能電池之一實施例之背面摻雜區域之示意圖。

圖4為圖3之太陽能電池之背面設置有電極之示意圖。

圖5為圖4之太陽能電池於B-B剖線位置處之剖面示意圖。

圖6為圖4之太陽能電池於C-C剖線位置處之剖面示意圖。

圖7為圖4之太陽能電池再增設一連接電極之示意圖。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易 懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

請先參閱圖3~圖6，係本發明太陽能電池之一實施例，於本實施例中，圖3呈現太陽能電池之背面形成有摻雜區域之示意圖，圖4呈現太陽能電池之背面形成有電極之示意圖，至於圖5~圖6則分別呈現圖4之太陽能電池於B-B和C-C位置處之剖面示意圖。

該太陽能電池包括一基板1、多個電池單元2、至少一並聯電極31以及至少一串聯電極32，於本實施例中，該基板1為n型的單晶矽或多晶矽之結晶矽半導體基板。該基板1包括一正面11以及與該正面11彼此相對的一背面12，其中該正面11為該基板1的入光面，因此該正面11通常會製作成粗糙面來增加入光量，從而提昇電池的光電轉換效率。

在該基板1的正面11處之內可設置一前表面電場層111，該前表面電場層111可利用擴散製程或其他的摻雜方式製作成n⁺型半導體，且其摻雜濃度大於該基板1內部的摻雜濃度，藉此形成前表面電場(Front-Side Field，簡稱FSF)，如此能增加載子的傳輸能力以提升載子收集效率，進而確保電池的光電轉換效率。需要說明的是，若該基板1使用p型半導體基板時，則該前表面電場層111為摻雜濃度大於該基板1的p⁺型半導體。

在該前表面電場層111上方的該正面外側還可選擇性地設置一抗反射層112，其材料例如氮化矽(SiN_x)、氧化矽(SiO_x)或其他具有降低光線反射功能之材料，從而來提升光線入射量。同時該抗反射層通常還用作為該正面處的表面鈍化與修補，藉以降低載子於表面附近的載子複合速率，從而可確保電池的光電轉換效率。

該些電池單元2分別配置於該基板1之該背面12之處，其中每一個電池單元2包括一第一摻雜區21、一第二摻雜區 22、一第一電極23以及一第二電極24，而且該第一摻雜區21為第一導電型，該第二摻雜區22為第二導電型，該第一電極23連接於該第一摻雜區21，該第二電極24連接於該第二摻雜區22。

於本實施例中，每一電池單元2的該第一摻雜區21和該第二摻雜區22與其他電池單元2的該第一摻雜區21和該第二摻雜區22彼此之間互不接觸，亦即該第一摻雜區21和該第二摻雜區22的摻雜區域沒有接觸或重疊，以使不同的電池單元2之間保持各自獨立，如圖3所示。

於本實施例中，各該電池單元2的該第一摻雜區21還包括一第一主摻雜區211和多個第一細線摻雜區212，該些第一細線摻雜區212連接該第一主摻雜區211，以及該第二摻雜區22還包括一第二主摻雜區221和多個第二細線摻雜區222，該些第二細線摻雜區222連接該第二主摻雜區221，其中該些第一、第二細線摻雜區212、222呈現指叉式地間隔交替排列。

於另一實施例中，上述的該些第一細線摻雜區212與該第一主摻雜區211之間也可以是沒有連接，或/及該些第二細線摻雜區222與該第二主摻雜區221之間也可以沒有連接。於另一實施例中，甚至可僅設置有該些第一細線摻雜區212和該些第二細線摻雜區222而已，而無設置有該第一主摻雜區211和該第二主摻雜區221。此外，不論於本實施例或是另一實施例中，上述之各該第一細線摻雜區212或/及第二細線摻雜區222其細線之形貌，可透過由多個點狀摻雜且間隔排列而成為外貌形似一條細線狀之樣子，亦即本發明各實施例中的第一、第二細線摻雜區之細線的實施並不限於是連續式的細線形貌。

於本實施例中，該第一電極23之材質可例如為銅，或其他可導電的材料如銅、銀、鋁等材料之組合。該第二電極24之材質也可例如為銅，或其他可導電的材料如銅、銀、鋁等材料 之組合。

於本實施例中，該第一電極23包括一第一主電極231和第一細線電極232，該第二電極24包括一第二主電極241和第二細線電極242，其中該第一電極23與該第二電極24之間透過該第一細線電極232和第二細線電極242呈現指叉式的間隔排列，如圖4所示。

於本實施例中，該第一電極23與該第二電極24的形狀大體上和該第一摻雜區21和該第二摻雜區22的形狀一致，其中，該第一主電極231和該第二主電極241分別對應該第一主摻雜區211和該第二主摻雜區221，而該第一細線電極232和該第二細線電極242分別對應該第一細線摻雜區212和該第二細線摻雜區222，如圖3及圖4所示。

於本實施例中，形成第一電極23或/及第二電極24之方式可使用網版印刷、噴塗或電鍍等方式來執行。於本實施例中，該第一電極23和該第二電極24的形狀個別皆形似梳子的形狀，但不以此為限。

本發明實施例中的該第一摻雜區21為正型半導體及負型半導體的其中一者，且該第二摻雜區22為正型半導體及負型半導體的其中另一者，而於本實施例中，該第一摻雜區21為p⁺型摻雜，即採用3A族元素例如硼等材質所摻雜形成的，而該第二摻雜區22為n⁺⁺型摻雜，即採用5A族元素例如磷等材質所摻雜形成的，而其摻雜之方式可採用擴散摻雜、離子植入等方式來進行，其中如此之形成方式會使該第一摻雜區21和該第二摻雜區22分別位於該基板1之內部且靠近該背面12之處。

於本實施例中，該第二摻雜區22的摻雜濃度會大於該基板1的摻雜濃度，藉此作為一背表面電場(Back-Side Field，簡稱BSF)，而能提升載子收集效率及光電轉換效率。

其中，本實施例的第一導電型是指半導體導電型之p型，該第二導電型則為n型。而且該基板1與該前表面電場層111亦為第二導電型。但須注意的是，本發明實施時，該第一導電型也可以是指n型，當然此時該第二導電性則為p型。

本發明的太陽能電池於實施時還可包括一介電層4，該介電層4配置於該背面12之上並覆蓋於該第一摻雜區21和該第二摻雜區22之上，而該第一電極23和該第二電極24穿過該介電層4而分別連接該第一摻雜區21和該第二摻雜區22，如圖5所示。具體而言，於實施時，可利用例如電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)等真空鍍膜方式於形成電極之前，先形成一層連續的介電層4薄膜於該背面12上。

在形成該介電層4之後，可先使用雷射或蝕刻膠(Etching Paste)等相關方式於該介電層4上形成多個第一開孔41和多個第二開孔42，該些第一開孔41和該些第二開孔42之位置則分別對應該第一摻雜區21和該第二摻雜區22，如此該第一電極23和該第二電極24可分別穿過該些第一開孔41和該些第二開孔42而與該第一摻雜區21和該第二摻雜區22連接，藉此可將來自該第一摻雜區21和該第二摻雜區22的光生載子分別經該第一電極23和該第二電極24收集並進一步向外傳輸，如圖5所示。

於本實施例中，該介電層4位於該基板1的背面12上並接觸該背面12而有著覆蓋該第一摻雜區21和該第二摻雜區22之樣子。該介電層4的材料可為氧化物、氮化物或上述材料的組合，並用於鈍化、修補該基板1的背面12以減少表面之懸鍵(Dangling Bond)與缺陷，從而可減少載子陷阱(Trap)及降低載子的表面複合速率，以提升電池的光電轉換效率，此時介電層4亦可稱之為鈍化層。

請再參閱圖3~圖4，於本實施例中，該些電池單元 2彼此之間係以陣列式來排列，例如採田字形排列配置於該基板1之該背面12處，並以四個電池單元來舉例說明。當然，本發明之該些電池單元2之排列方式並不以田字形為限，亦可採其他種形式來排列設置。

請再參閱圖4~圖6，本發明於實施時，係透過該至少一並聯電極31來將該些電池單元2中的一個電池單元2的該第一摻雜區21或該第二摻雜區22，電性連接於另一個電池單元2中相同導電型的該第一摻雜區21或該第二摻雜區22，以及透過該至少一串聯電極32來將該些電池單元2中的一個電池單元2的該第一摻雜區21，電性連接於另一個電池單元2的該第二摻雜區22。其中，係透過該並聯電極31連接兩個相同導電型的該第一摻雜區21或連接兩個相同導電型的該第二摻雜區22，以達到並聯的效果。以及透過該串聯電極32連接不同導電型的該第一摻雜區21與該第二摻雜區22，以達到串聯的效果。

於本實施例中，該並聯電極31係用以連接兩個不同的電池單元2中的兩個該第一主電極231或是兩個該第二主電極241，其中因為該第一主電極231和該第二主電極241分別連接於所對應的該第一摻雜區21或該第二摻雜區22，因此，透過該並聯電極31連接兩個該第一主電極231或是兩個該第二主電極241之設計，可使分屬於不同電池單元但導電型相同的兩個第一摻雜區21或是兩個第二摻雜區22各自產生並聯的電性連接效果。

同理，透過該串聯電極32之設計來連接兩個電池單元2中的該第一主電極231和該第二主電極241，可使分屬於不同電池單元2中導電型不同的該第一摻雜區21和該第二摻雜區22之間產生串聯的電性連接效果。

於本實施例中，如圖4所示，其中係使用了兩個並聯電極31和兩個串聯電極32。其中位於圖4的圖面右上方和右下 方的兩個電池單元2之間，係透過上述其中的一個串聯電極32的連接而形成串聯。而位於圖4的圖面左上方和左下方的兩個電池單元之間，係透過上述其中的另一個串聯電極32的連接而形成串聯。

位於圖4的圖面右上方和左上方的兩個電池單元2之間，係透過其中一個並聯電極31的連接而為形成並聯。位於圖4的圖面右下方和左下方的兩個電池單元2之間，係透過上述其中的另一個並聯電極31的連接而形成並聯。藉此，使本實施例中的太陽能電池的四個電池單元彼此之間形成同時具有並聯和串聯之設計，從而提昇整體的光電轉換效率。

本發明於實施時，各該並聯電極31或/及各該串聯電極32可於形成該第一電極23和該第二電極24時一併製作，不論是採用網版印刷、噴印或是電鍍等方式。因此，該第一電極23、該第二電極24、該並聯電極31和該串聯電極32之間的連接處結構並無明顯分界。

於另一實施例中，如圖7所示，可再設置一個連接電極5將彼此相鄰的四個電池單元2之間連接起來，從而可再提昇電性收集與傳輸之效果。其中，該連接電極5位於該四個電池單元的田字形中央處，並分別連接了位於此中央處的不同電池單元的第一主電極231和第二主電極241，以使該四個電池單元透過該連接電極5之連接，而更於該基板1中央位置處形成串聯和並聯兼具之設計。

參閱表1，以下透過電腦數值模擬之方式來證明本發明兼具有串聯和並聯設計的太陽能電池，其相較於傳統背接觸式太陽能電池所具有之優勢，其中傳統背接觸式太陽能電池於其背面只有單一個正極和單一個負極，以此作為比較例，如圖1所示，且比較例是採用6吋太陽能電池來進行模擬的。而本發明也是採 用6吋大小且如圖7的具有四個電池單元之實施例來模擬，所得到的模擬結果如下表1所示。其中為便於比較和說明，在相對於本發明實施例之各個參數的數值，係將比較例的各個參數之數值做了處理而成為1的比較值。換言之，本發明實施例之各個參數的數值，在比較例的比較值皆為1的基礎上以百分比%的形式來表現，其中在輸出功率增加率這一項，本發明實施例相較於比較例有1.81%的增加，因此可證明本發明之設計較傳統之設計具有電性和發電效率上提昇之優勢。

如上述，本發明提供一種具有多個電池單元的太陽能電池，藉此可有效縮短細線電極的長度，而可改善填充因子(Fill Factor)，同時本發明的太陽能電池兼具有串聯和並聯的設計，故可有效提昇太陽能電池的開路電壓(Voc)和填充因子(Fill Factor)等而進一步提升發電效率。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明 專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧基板

2‧‧‧電池單元

23‧‧‧第一電極

231‧‧‧第一主電極

232‧‧‧第一細線電極

24‧‧‧第二電極

241‧‧‧第二主電極

242‧‧‧第二細線電極

31‧‧‧並聯電極

32‧‧‧串聯電極

4‧‧‧介電層

Claims (10)

1. 一種太陽能電池，包括：一基板，包括一正面及一背面，其中該背面相對於該正面；多個電池單元，配置於該基板的該背面，其中每一電池單元包括：一第一摻雜區，為第一導電型；一第二摻雜區，為第二導電型；一第一電極，連接於該第一摻雜區；以及一第二電極，連接於該第二摻雜區；至少一並聯電極，用以將該些電池單元中的一個電池單元的該第一摻雜區或該第二摻雜區，電性連接於另一個電池單元中相同導電型的該第一摻雜區或該第二摻雜區；以及至少一串聯電極，用以將該些電池單元中的一個電池單元的該第一摻雜區，電性連接於另一個電池單元的該第二摻雜區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中各該電池單元的該第一摻雜區還包括一第一主摻雜區和多個第一細線摻雜區，該些第一細線摻雜區連接該第一主摻雜區，以及該第二摻雜區還包括一第二主摻雜區和多個第二細線摻雜區，該些第二細線摻雜區連接該第二主摻雜區，其中該些第一、第二細線摻雜區間隔地交替排列。
3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池，其中每一電池單元的該第一、第二摻雜區與其他電池單元的該第一、第二摻雜區 互不接觸。
4. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池，更包括一配置於該背面上之介電層，該第一電極和該第二電極穿過該介電層而分別連接該第一摻雜區和該第二摻雜區。
5. 如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之太陽能電池，其中該基板為結晶矽基板。
6. 如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之太陽能電池，其中該些電池單元以陣列式排列於該基板之該背面。
7. 如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之太陽能電池，其中該第一摻雜區為正型半導體及負型半導體的其中一者，且該第二摻雜區為正型半導體及負型半導體的其中另一者。
8. 如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之太陽能電池，其中該至少一並聯電極連接於不同的電池單元中的兩個第一電極或兩個第二電極。
9. 如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之太陽能電池，其中該至少一串聯電極連接於不同的電池單元中的該第一電極與該第二電極。
10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，更包括一連接電極，該連接電極位於該些電池單元中的四個電池單元的中央處，並分別連接了位於此中央處的不同電池單元的第一主電極和第二主電極。