TWI552372B - 製作太陽能電池的方法 - Google Patents

Description

製作太陽能電池的方法

本發明係關於一種製作太陽能電池的方法，尤指一種製作太陽能電池的電極結構的方法。

隨著消耗性能源日益枯竭，近年來對於替代能源的需求與日俱增，而在各式替代能源中又以太陽能最具發展潛力。太陽能電池(solar cell)的工作原理係利用太陽光之輻射能源與半導體材料作用來產生電能。太陽能電池的主要材料包括有半導體材料，如單晶矽、多晶矽或非晶矽之矽基板等，以及用來作為電極之導電膠，例如，銀膠等。

網版印刷(Screen printing)技術常用於製作太陽能電池的電極結構，以降低太陽能電池的製作成本與製作時間。製造商需將預定圖案製作於一網板(Frame)上，再依據網板將預定圖案印刷在基板上，舉例來說，先形成一由氮化矽組成的抗反射層位於導電膠與基板之間，然後，將導電膠透過網板塗佈於基板上。隨後，進行一製程溫度約攝氏700度的高溫燒結製程，使導電膠透過被燒穿的抗反射層與晶圓之對應表面產生歐姆接面(ohmic contact)，以完成所需的電極結構例如匯流電極(bus bar electrode)結構與指狀電極(finger electrode)結構。指狀電極結構係位於受光正面(radiation-receiving front surface)，其目的係用以接收來自基板之光電流，並傳導光電流至與外部電路連接之匯流電極。然而，由於指狀電極並不透光，因此必然會遮蔽部分之受光正面，使得太陽能電池之受光面積降低，不利於光電流之產生。傳統採用指狀電極結構設計之太陽能電池的正面遮蓋面積約為7~8%。並且，隨著銀膠價格日益攀升，電極結構之製作必然造成太陽能電池生產成本增加。此外，網版印刷技術通常需藉由大量生產以攤平製作成本。

因此，如何改善太陽能電池的電極結構之製程，以增加太陽能電池之受光面積且降低少量產品或客製化產品的單位價格實為相關技術者所欲改進之課題。

本發明之目的之一在於提供一種製作太陽能電池的方法，以增加太陽能電池之受光面積且降低少量產品或客製化產品的單位價格。

本發明之另一較佳實施例是提供一種製作太陽能電池的方法，包括下列步驟。首先，提供一包括一摻雜層的基底，接著，形成一圖案化材料層於基底上，且圖案化材料層係部分重疊摻雜層。隨後，全面性形成一第一金屬層於圖案化材料層以及摻雜層上，且形成一圖案化遮罩層於第一金屬層上，其中圖案化遮罩層係完全重疊圖案化材料層。然後，形成一第二金屬層，且第二金屬層位於未與圖案化材料層重疊的摻雜層上。最後，去除圖案化遮罩層、圖案化遮罩 層與圖案化材料層之間的第一金屬層以及部分圖案化材料層。

本發明藉由微影製程形成的圖案化遮罩層取代網版印刷技術使用的網版以定義太陽能電池的電極結構之圖案，可得到線寬較小的圖案，而增加太陽能電池之受光面積，提升其光電轉換效率。另外，本發明形成的太陽能電池具有以金屬矽化物層與摻雜層形成的歐姆接面，亦有助於改善光電轉換效率。此外，第二金屬層(電極結構的主要部分)之材料係採用銅(例如以電鍍製程形成銅金屬層)取代傳統銀膠，也可有效降低太陽能電池的生產成本。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

請參考第1圖至第6圖。第1圖至第6圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作太陽能電池的方法之示意圖。如第1圖所示，首先提供一基底10，基底10可包括單晶矽、多晶矽、非晶矽或其他適合的半導體材料，且基底可為晶圓(wafer)、晶方(die)或其它各種型式之基底。基底10包含有一第一表面12以及一相對之第二表面14，第一表面12可作為受光面係用以接收輻射來源，例如，太陽光或其他可供基底10之材料所吸收的電磁波段。由於基底10例如矽晶圓是由矽鑄錠(ingot)經由線鋸切片而成，因此，必須先進行一濕蝕刻 製程，以去除位於基底10表面之線鋸缺陷，或者是先氧化基底10之表面再進行濕蝕刻去除氧化層。

接著，對基底10之第一表面12進行表面粗糙化(texture)製程，以降低輻射源在第一表面12的反射現象，增加受光面的吸光能力。粗糙化製程並不限定為乾蝕刻製程例如一電漿蝕刻製程，亦可為溼蝕刻製程，例如使用鹼性蝕刻液(例如：氫氧化納(sodium hydroxide,NaOH)與異丙醇(isopropyl alcohol,IPA))或酸性蝕刻液(例如：氫氟酸(hydrofluoric acid,HF)與其它溶劑)之溶液進行溼蝕刻製程。還有，為形成品質較佳的第一表面12，可另進行一清洗(clean)步驟，例如利用稀釋氫氟酸(dilute hydrofluoric acid,DHF)水溶液、或含有硫酸、過氧化氫、與去離子水的SPM混合溶液等清洗液以去除第一表面12之不純物質例如原生氧化物(native oxide)層或粗糙化製程的殘留物。

之後，對基底10進行一摻雜製程，以形成一摻雜層18設置於基底10之第一表面12，其中基底10具有一第一導電型，摻雜層18具有一第二導電型，第一導電型係為P型或N型之一者，且第二導電型係為N型或P型之另一者。在本實施例中，利用一擴散爐提供三氯氧磷(phosphorus chloride oxide，POCl₃)氣體，以形成N型摻雜層18於P型基底10的第一表面12。；而第二表面14係為後續形成的太陽能電池的背面，可選擇性設置一背面接觸層(Rear contact layer)16例如一背面表面電場(back side field,BSF)結構於第二表面 14上。

接著，如第2圖所示，形成一圖案化材料層24於基底上，形成圖案化材料層24的方法包括下列步驟。首先，請再參考第1圖，全面性形成一抗反射(anti-reflective coating，ARC)層20於基底10上，例如進行一電漿增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced chmical vapor dsposition，PECVD)製程形成氮化矽層以作為抗反射層20，但不以此為限，抗反射層20也可包括氮化物、氧化物或其他材料組成的單層結構或多層結構例如氧化鈦(TiO)/氧化鋁(AlO)等。然後，如第2圖所示，形成一圖案化光阻層22於抗反射層20上，圖案化光阻層22的材料可包括聚亞醯胺(Polyimide，PI)，並以圖案化光阻層22作為一遮罩，進行一乾蝕刻製程以去除部分抗反射層20，也就是說圖案化此抗反射層20，而形成圖案化抗反射層20’。在本實施例中，圖案化材料層24係由彼此重疊的圖案化抗反射層20’以及圖案化光阻層22共同組成，且圖案化材料層24係部分重疊摻雜層18。未被圖案化材料層24覆蓋的摻雜層18具有一斜面或鋸齒狀表面，但不以此為限。在其他實施例中，未被圖案化材料層覆蓋的摻雜層也可具有一平坦表面，而被圖案化材料層覆蓋的摻雜層係仍具有鋸齒狀表面，其中可對具有平坦表面的摻雜層額外進行一摻雜製程，使具有平坦表面的摻雜層之摻雜濃度實質上大於具有鋸齒狀表面的摻雜層之摻雜濃度，據此，具有平坦表面的摻雜層可作為後續形成的太陽能電池的選擇性射極(selective emitter)區域。

如第3圖所示，全面性形成一第一金屬層26於基底10上並覆蓋圖案化材料層24以及摻雜層18，第一金屬層26可由金屬材料，較佳為可與基底反應形成金屬矽化物層者，例如鎳(Ni)、鈷(Co)或鈦(Ti)所組成，而形成第一金屬層26的方法可包括藉由物理氣相沉積例如濺鍍(sputtering)、蒸鍍(evaporation)，或化學氣相沉積或其他薄膜沈積技術。更詳細地說，第一金屬層26將覆蓋圖案化材料層24以及直接接觸圖案化材料層24所暴露的摻雜層18。隨後，形成一圖案化遮罩層28於第一金屬層26上，圖案化遮罩層28可為包括至少一開口O的光阻層。圖案化遮罩層28之厚度係實質上大於圖案化光阻層22之厚度，且圖案化遮罩層28之厚度正相關於後續所欲形成的電極結構之預定高度。

值得注意的是，圖案化遮罩層28係完全重疊圖案化材料層24，也就是說，圖案化遮罩層28可完全覆蓋圖案化材料層24，用於共同定義後續形成的太陽能電池之電極結構的圖案，且圖案化遮罩層28所暴露的第一金屬層26係完全覆蓋且直接接觸先前圖案化材料層24所暴露的摻雜層18(如第2圖所示)。另外，由於圖案化遮罩層28與圖案化材料層24中的圖案化光阻層22可分別透過微影製程形成，因此，圖案化遮罩層28與圖案化光阻層22所包括的圖案的最小寬度，均係實質上與微影製程的最小曝光極限相關。在本實施例中，圖案化遮罩層28與圖案化光阻層22所包括的圖案之最小線寬均係實質上可小於由網印技術形成的圖案的最小線寬80微米(micrometer，μm)，因此，有利於增加第一表面12亦即受光面的 吸光面積。還有，當部分電極結構的圖案需要修正或生產小量產品時，只需修改微影製程所使用的遮罩之相對應的圖案，或將已有的遮罩進行搭配，而不需重新製作對應相關圖形的網板，可節省網板的生產時間及成本。

接下來，如第4圖所示，形成一第二金屬層30於未與圖案化材料層24重疊的摻雜層18上方。第二金屬層30之材料可包括鋁(Al)、銀(Ag)、鉑(Pt)、金(Au)、銅(Cu)，或是上述材料之合金，或是其它合適的材料等具低電阻值之導體材料。形成第二金屬層30的方法包括進行電鍍製程(Electro plating)、無電電鍍製程(Electroless plating)、化學鍍製程(Chemical plating)或自催化鍍製程(Auto-catalytic plating)。在本實施例中，係透過進行一電化學沉積(Electrochemical deposition)製程例如銅電鍍製程以形成第二金屬層30填入圖案化遮罩層28的開口O，其中全面性覆蓋基底10之第一金屬層26可作為電鍍製程中的導電電極，再藉由圖案化遮罩層28的選擇性定義，而使第二金屬層30僅形成於圖案化遮罩層28暴露的第一金屬層26上方亦即圖案化遮罩層28的各開口O中以分別形成一電極，但未完全填滿開口O，也就是說，形成的第二金屬層30係未重疊圖案化遮罩層28之頂面。此時，形成的電極之高度與寬度的比例係實質上大於1。

第一金屬層26之材料與第二金屬層30之材料不同，在本實施例中，第一金屬層26為鎳(Ni)金屬層，第二金屬層30之材料為銅(Cu) 金屬層，但不以此為限，第一金屬層26之設置可改善第二金屬層30與基底10的附著效果，且第一金屬層26可作為第二金屬層30的阻障層，避免第二金屬層30的金屬原子例如銅原子擴散至摻雜層18。值得注意的是，為降低第一金屬層26與基底10之間的接面電阻(contact resistance)，可對第一金屬層26進行一熱處理製程，使第一金屬層26例如鎳(Ni)金屬層部分轉換成一金屬矽化物層26’例如矽化鎳(NiSi)層，其中金屬矽化物層26’將形成於未被圖案化材料層24覆蓋的摻雜層18上方，且直接接觸基底10。更詳細地說，金屬矽化物層26’將直接覆蓋且接觸摻雜層18(基底10)以形成歐姆接面(Ohmic contact)，與網印技術中銀膠需穿過部分非導電材質組成的抗反射層與基底形成歐姆接面的方式相比，由於金屬矽化物層26’的導電性優於抗反射層的導電性，因此有助於降低接面電阻。在本實施例中，為避免影響第二金屬層30的性質，較佳係在形成第二金屬層30之前，對第一金屬層26進行此熱處理製程，之後第二金屬層30將形成於金屬矽化物層26’與圖案化遮罩層28之間，且金屬矽化物層26’會位於第二金屬層30與摻雜層18之間。在其他實施例中，例如第二金屬層30的材質之熔點實質上高於熱處理製程的製程溫度，也可在第二金屬層30形成於第一金屬層26與圖案化遮罩層28之間後，再對第一金屬層26進行熱處理製程，同樣地，金屬矽化物層26’將形成於第二金屬層30與摻雜層18之間。此時，部分第一金屬層26仍位於圖案化遮罩層28與圖案化材料層24之間。

另外，可進一步形成一第三金屬層32覆蓋第二金屬層30。其中 第三金屬層32之材料的導電性較佳係大於第二金屬層30之材料的導電性，以增加後續形成的電極結構的表面導電效果，且第三金屬層32之材料的活性係小於第二金屬層30之材料的活性，以避免第二金屬層30的氧化。第三金屬層32之材料可包括各式導電性佳之金屬例如鋁(Al)、銀(Ag)、鉑(Pt)、金(Au)，或是上述材料之合金，或是其它合適的材料，可依製程需求進行選擇。在本實施例中，第三金屬層32之材料係銀(Ag)，用於覆蓋第二金屬層30的頂面。形成第三金屬層32的方法可包括藉由物理氣相沉積例如濺鍍(sputtering)、蒸鍍(evaporation)，或化學氣相沉積或其他薄膜沈積技術，例如進行一電鍍製程，使第三金屬層32僅形成於第二金屬層30上，但未填滿圖案化遮罩層28的開口O，或是進行濺鍍製程，全面性形成一金屬層於圖案化遮罩層28與第二金屬層30上後，再進行一回蝕刻製程，去除圖案化遮罩層28上的金屬層，使剩餘的金屬層僅位於第二金屬層30上且填滿圖案化遮罩層28的開口O，作為第三金屬層。在其他實施例中，也可在去除圖案化遮罩層28後，再進行另一電鍍製程，使第三金屬層32’可額外覆蓋第二金屬層30形成的電極之側面，加強對第二金屬層30的抗氧化效果，如第5圖所示，透過多次電鍍製程形成的第三金屬層32’可包覆由第二金屬層30組成的電極。

如第6圖所示，去除圖案化遮罩層28、圖案化遮罩層28與圖案化材料層24之間的第一金屬層26以及部分圖案化材料層24，以形成至少一電極結構34，至此完成太陽能電池36的結構。各電極結 構34包括彼此重疊的金屬矽化物層26’、第二金屬層30以及第三金屬層32依序直接設置於部分摻雜層18上，而位於電極結構34之間的圖案化抗反射層20’則係覆蓋位於電極結構34之間的摻雜層18。為增加第一表面12的吸光面積，可適度縮減電極結構34的寬度(最小寬度係取決於微影製程的最小曝光極限)，然而，為避免電阻值的過度上升，造成太陽能電池36的光電轉換效率(power conversion efficiency)下降，電極結構34的高度亦需隨之增加，也就是說，與電極結構34之寬度相關的圖案化遮罩層28的開口O之寬度，將與電極結構34之高度相關的第二金屬層30之厚度(亦即在相同的其他製程條件下的第二金屬層之銅電鍍製程的電鍍時間)，呈現反比的關係。在本實施中，各電極結構34的第三金屬層32的側邊與第二金屬層30的側邊切齊，形成一突出於基底10之第一表面12具有類矩形剖面之電極結構，且各電極結構34的高度實質上約接近33微米。

綜上所述，本發明藉由微影製程形成的圖案化遮罩層取代網版印刷技術使用的網版以定義太陽能電池的電極結構之圖案，可得到線寬較小的圖案，而增加太陽能電池之受光面積，提升其光電轉換效率。另外，本發明形成的太陽能電池具有以金屬矽化物層與摻雜層形成的歐姆接面，亦有助於改善光電轉換效率。此外，第二金屬層(電極結構的主要部分)之材料係採用銅(例如以電鍍製程形成銅金屬層)取代傳統銀膠，也可有效降低太陽能電池的生產成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧基底

12‧‧‧第一表面

14‧‧‧第二表面

16‧‧‧背面接觸層

18‧‧‧摻雜層

20‧‧‧抗反射層

20’‧‧‧圖案化抗反射層

22‧‧‧圖案化光阻層

24‧‧‧圖案化材料層

26‧‧‧第一金屬層

26’‧‧‧金屬矽化物層

28‧‧‧圖案化遮罩層

30‧‧‧第二金屬層

32，32’‧‧‧第三金屬層

34‧‧‧電極結構

36‧‧‧太陽能電池

O‧‧‧開口

第1圖至第6圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作太陽能電池的方法之示意圖。

10‧‧‧基底

12‧‧‧第一表面

14‧‧‧第二表面

16‧‧‧背面接觸層

18‧‧‧摻雜層

20’‧‧‧圖案化抗反射層

22‧‧‧圖案化光阻層

24‧‧‧圖案化材料層

26‧‧‧第一金屬層

26’‧‧‧金屬矽化物層

28‧‧‧圖案化遮罩層

30‧‧‧第二金屬層

32‧‧‧第三金屬層

Claims (20)

1. 一種製作太陽能電池的方法，包括：提供一基底，其中該基底包括一摻雜層；形成一圖案化材料層於該基底上，且該圖案化材料層係部分重疊該摻雜層；全面性形成一第一金屬層於該圖案化材料層以及該摻雜層上；形成一圖案化遮罩層於該第一金屬層上，其中該圖案化遮罩層完全重疊該圖案化材料層；形成一第二金屬層，且該第二金屬層位於未與該圖案化材料層重疊的該摻雜層上；以及去除該圖案化遮罩層、該圖案化遮罩層與該圖案化材料層之間的該第一金屬層以及部分該圖案化材料層。
2. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中該摻雜層設置於該基底之一表面，該基底具有一第一導電型，且該摻雜層具有一第二導電型。
3. 如請求項2所述之製作太陽能電池的方法，其中該第一導電型係為P型或N型之一者，且該第二導電型係為N型或P型之另一者。
4. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中形成該圖案化材料層的方法包括： 依序全面性形成一抗反射層以及一圖案化光阻層於該基底上；以及以圖案化光阻層作為一遮罩，圖案化該抗反射層。
5. 如請求項4所述之製作太陽能電池的方法，其中去除部分該圖案化材料層包括去除該圖案化光阻層。
6. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中該第一金屬層接觸且覆蓋該圖案化材料層所暴露的該摻雜層。
7. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中該第一金屬層之材料與該第二金屬層之材料不同。
8. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中該第一金屬層之材料可與該基底反應形成一金屬矽化物層。
9. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中該第二金屬層之材料包括銅(Cu)。
10. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中形成該第二金屬層的方法包括進行電鍍製程(Electro plating)、無電電鍍製程(Electroless plating)、化學鍍製程(Chemical plating)或自催化鍍製程(Auto-catalytic plating)。
11. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中形成的該第二金屬層未重疊該圖案化遮罩層之一頂面。
12. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，另包括對該第一金屬層進行一熱處理製程，使該第一金屬層部分轉換成一金屬矽化物層。
13. 如請求項12所述之製作太陽能電池的方法，其中該金屬矽化物層位於該第二金屬層與該摻雜層之間。
14. 如請求項12所述之製作太陽能電池的方法，其中在形成該第二金屬層之前對該第一金屬層進行該熱處理製程，且該第二金屬層係形成於該金屬矽化物層與該圖案化遮罩層之間。
15. 如請求項12所述之製作太陽能電池的方法，其中該第二金屬層係形成於該第一金屬層與該圖案化遮罩層之間，且在形成該第二金屬層之後對該第一金屬層進行該熱處理製程。
16. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，其中該圖案化遮罩層包括至少一開口，且形成的該第二金屬層填入該開口以形成一電極。
17. 如請求項1所述之製作太陽能電池的方法，另包括形成一第三金屬層覆蓋該第二金屬層。
18. 如請求項17所述之製作太陽能電池的方法，其中該第三金屬層之材料的活性係小於該第二金屬層之材料的活性。
19. 如請求項17所述之製作太陽能電池的方法，其中該第三金屬層之材料包括銀(Ag)。
20. 如請求項17所述之製作太陽能電池的方法，其中該第三金屬層的側邊與該第二金屬層的側邊切齊。