TWI565085B - 背接觸太陽能電池的製造方法 - Google Patents

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Description

背接觸太陽能電池的製造方法
本發明是有關於一種背接觸太陽能電池(back contact solar cell)的製造方法，特別是指一種晶體矽(crystalline silicon)背接觸太陽能電池的製造方法。
如第1圖所示，其為習知背接觸太陽能電池90的局部剖面結構，包含一n型晶體矽半導體基板91，一p型射極區921(emitter)和一n型背表面電場區922(back surface field)，以及分別與該射極區921及該背表面電場區922連接之一第一電極931及一第二電極932。由於背接觸太陽能電池90的電極皆設置於半導體基板91的背表面911上，其受光面912並無電極遮蔽，此結構有利於光線吸收及轉換效率的提高。為進一步提高效能，背表面911之上設有鈍化層941，第一電極931及第二電極932透過鈍化層941的開孔分別連接於射極區921及背表面電場區922，並且受光面912之表面為粗糙結構，且設有抗反射層942，抗反射層942之下則設有n型前表面電場區923(front surface field)。
若對於前述p型、n型摻雜區都以熱擴散法(diffusion)形成的背接觸太陽能電池來說，因於製程中需額外形成遮罩層以定義摻雜區域，製程步驟較多且不易降低成本。而另一種形成摻雜區的方式則是採取離子佈植 法，可以直接對基板表面之局部形成摻雜，不需要於基板表面上先形成用於定義圖形的遮罩層，因此可減少製程步驟。
然而，在減少製程步驟的同時，如何維持受光面的抗反射率不受影響，以及減少矽基板中的雜質影響，仍是待改進的問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種背接觸太陽能電池的製造方法，兼採熱擴散法及離子佈植法對該背接觸太陽能電池的基板進行摻雜，並搭配適合的製程順序，在簡化製程步驟的同時，又可使該太陽能電池的轉換效率不因受光面粗糙結構受損以及基板內部雜質過多而受影響。
本發明的背接觸太陽能電池的製造方法，包含以一熱擴散製程同時於一半導體基板之一背表面形成一第一摻雜區以及於該半導體基板之一受光面形成一第二摻雜區；以一第一蝕刻製程移除該第二摻雜區；以一第一離子佈植製程對該背表面之一第一子區域進行摻雜以形成一射極區；於該第一蝕刻製程後以一第二蝕刻製程對已移除該第二摻雜區的該受光面進行再蝕刻以提高該受光面的抗反射率；以及以一金屬化製程於該背表面上形成互相分離的一第一電極及一第二電極，其中該第一子區域之外的該第一摻雜區形成一背表面電場區，且該第一電極與該第二電極分別於該射極區與該背表面電場區連接。
本發明之功效在於：以一較簡單的製程完成一背接觸太陽能電池，且確保其受光面粗糙結構的完整以提高抗反射率，除此之外，該製程同時可達減少基板中雜質之效果，使電池效率進一步提升。
10‧‧‧背接觸太陽能電池
11‧‧‧半導體基板
111‧‧‧背表面
112‧‧‧受光面
121‧‧‧射極區
122‧‧‧背表面電場區
123‧‧‧前表面電場區
131‧‧‧第一電極
132‧‧‧第二電極
141‧‧‧鈍化層
142‧‧‧抗反射層
1411‧‧‧第一鈍化層開口
1412‧‧‧第二鈍化層開口
211‧‧‧第一摻雜區
212‧‧‧第二摻雜區
22‧‧‧離子佈植遮罩
23‧‧‧蝕刻遮罩層
111a‧‧‧第一子區域
10’‧‧‧背接觸太陽能電池
121’‧‧‧射極區
122’‧‧‧背表面電場區
111a’‧‧‧第一子區域
111b‧‧‧第一凹陷區
111b1‧‧‧底面區
111b2‧‧‧側壁區
23a‧‧‧第一子蝕刻遮罩層
23b‧‧‧第二子蝕刻遮罩層
90‧‧‧背接觸太陽能電池
91‧‧‧n型晶體矽半導體基板
911‧‧‧背表面
912‧‧‧受光面
921‧‧‧p型射極區
922‧‧‧n型背表面電場區
923‧‧‧n型前表面電場區
931‧‧‧第一電極
932‧‧‧第二電極
941‧‧‧鈍化層
942‧‧‧抗反射層
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：第1圖是一習知背接觸太陽能電池的局部剖面結構；第2圖是本發明的第一較佳實施例之背接觸太陽能電池的製造方法；第3圖(a)~(h)是本發明的第一較佳實施例之背接觸太陽能電池的製造方法於製造流程中所對應的背接觸太陽能電池的局部剖面結構；第4圖是本發明的第二較佳實施例之背接觸太陽能電池的製造方法；以及第5圖(a)~(j)是本發明的第二較佳實施例之背接觸太陽能電池的製造方法於製造流程中所對應的背接觸太陽能電池的局部剖面結構。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
請參閱第2圖及第3圖(a)~(h)，其為本發明之的第一較佳實施例之背接觸太陽能電池10的製造方法及相關製造過程中所對應的背接觸太陽能電池的局部剖面結構，本實施例的背接觸太陽能電池製造方法包含以下步驟：基板清潔製程(步驟S1)，包含準備一半導體基板11，其具有受光面112與背表面111(如第3圖(a)所示)，以及以化學濕蝕刻方式去除半導體基板11表面上的線痕及污垢，本實施例中，該半導體基板11為一n型晶體矽基板。
熱擴散製程(步驟S2)，對半導體基板11進行雙 面熱擴散，即對半導體基板11的背表面111及受光面112皆進行摻雜而分別形成整面性的一第一摻雜區211及一第二摻雜區212(如第3圖(b)所示)，具體來說，本實施例為將半導體基板11置於一加熱爐管中，並以三溴化硼(BBr3)作為摻雜源，使半導體基板11的兩表面分別形成硼摻雜區211、212。此時，於兩硼摻雜區之上並會同時形成圖上未繪出的硼矽玻璃層(BSG layer,Boron Silica Glass layer)，基板中的金屬雜質(如鐵原子等)會於此熱擴散過程中移動到硼摻雜區中。
第一蝕刻製程(步驟S3)，移除位於受光面112一側的硼摻雜區212，以及位於兩表面上的硼矽玻璃層以形成單面摻雜的半導體基板(如第3圖(c)所示)，實際作法可使用適當比例的氫氟酸/硝酸(HF/HNO3)混合溶液去除第二摻雜區(硼摻雜區)212及其表面上的硼矽玻璃層，在移除硼摻雜區212之時，該摻雜區內的金屬雜質(如鐵原子等)會隨之被移除，此一方式稱為擴散吸雜法(Diffusion Gettering)。和以離子佈植方法對基板進行單面摻雜的方式相比，本方法去除了原始存在基板中的金屬雜質，可提高太陽能電池的轉換效率，然而，為有效去除受光面的硼摻雜區，本蝕刻步驟通常難以兼顧高抗反射率的受光面的粗糙結構的形成，因此本實施例的製造方法中，在第一蝕刻製程後更包括一第二蝕刻製程(後述)。
另外，為確保後續離子佈植步驟於背表面111的摻雜效果，第一蝕刻製程S3中亦可包含一去除位於背表面上硼矽玻璃之子步驟，例如以適當濃度的氫氟酸水溶液去除第一摻雜區(硼摻雜區)211上的硼矽玻璃層。
第一離子佈植製程(步驟S4)，以離子佈植製程對半導體基板11的背表面111的一第一子區域111a進行區域性摻雜(第3圖(d)箭頭處)，且以高摻雜劑量使該第一子 區域111a的電性反轉以形成背表面電場區122，第一子區域以外的硼摻雜區之電性則仍然維持為不變，藉此定義出太陽能電池的射極區121(如第3圖(d)所示)。本實施例中，該半導體基板11為一n型晶體矽基板，第一摻雜區211的電性為p型，可以用離子佈植法對該第一子區域111a摻雜高濃度的磷，使該區域電性反轉為n型區，且該區的n型載子濃度大於矽基板本體的n型載子濃度，藉以形成n型背表面電場區122，而第一子區域111a外其他第一摻雜區則形成p型射極區121。而於此離子佈植製程中，可使用一圖案化的離子佈植遮罩22協助定義第一子區域111a。
第二蝕刻製程(步驟S5)，對以前述第一蝕刻製程移除第二摻雜區212後的受光面112進行進一步蝕刻，以形成抗反射率更高的受光面粗糙結構(如第3圖(f)所示)。具體而言，可先在半導體基板11的背表面111上形成以氮化矽為材質的一蝕刻遮罩層23(如第3圖(e)所示)，再將半導體基板11浸入氫氧化鉀(KOH)水溶液中，以調整受光面112的表面粗糙結構及抗反射效果，之後，再移除該蝕刻遮罩層23。
第二離子佈植製程(步驟S6)，以離子佈植製程對經第二蝕刻製程所處理過的受光面112進行全面性的摻雜，於矽基板的受光面形成一前表面電場區123(如第3圖(g)所示)。在本實施中，可對n型半導體基板11摻雜磷，以形成一n型前表面電場區123。
退火製程(步驟S7)，將經前述兩次離子佈植而被摻雜入半導體基板11的磷原子活化，即以適當溫度、加熱時間對半導體基板11進行熱處理，以同時活化背表面電場區122及前表面電場區123中的磷原子，在此製程步驟中，並會在受光面112及背表面111上各自形成有助於表 面鈍化效果的氧化矽層(未顯示於圖中)。
覆蓋(Capping)製程(步驟S8)，於背表面111上形成一鈍化層141以及於受光面112上形成一抗反射層142。實際作法可以兩次電漿輔助化學氣相沈積法(PECVD)分別於受光面112及背表面111上各形成一氮化矽(SiNx)層而達成。
金屬化製程(步驟S9)，於背表面111上形成一第一電極131，第一電極131透過一第一鈍化層開口1411與射極區121連接，以及於背表面111上形成一第二電極132，第二電極132透過一第二鈍化層開口1412與背表面電場區122連接(如第3圖(h)所示)。實際作法例如：以雷射分別對射極區121及背表面電場區122之上的背鈍化層141的進行區域性開孔以分別形成至少一第一鈍化層開口1411及至少一鈍化層開口1412，再以網印導電漿料合併燒結，亦或是電鍍的方式形成圖案化的第一電極131及第二電極132。
需說明的是，雖然第3圖(h)中只畫出一個第一鈍化層開口以及一個第二背鈍化層開口，但於其他實施例變形中，可設置多個第一背鈍化層開口以及多個第二背鈍化層開口。
請參閱第4圖及第5圖(a)~(j)，其為本發明的第二較佳實施例之背接觸太陽能電池10’製造方法及相關製造過程中所對應的背接觸太陽能電池的局部剖面結構。本實施例之製造方法亦包含基板清潔製程(步驟S1)、熱擴散製程(步驟S2)以及第一蝕刻製程(步驟S3)，其實施方式和功用與第一較佳實施例中所述相似，在此不再贅述。
和第一較佳實施例不同的是，第二較佳實施例更包含於第一蝕刻製程之後進行的一第三蝕刻製程(步驟S3A)，將位於半導體基板11的背表面111的第一摻雜區 211移除一部分，該移除的區域相對於背表面111的其他區域形成一第一凹陷區(recess region)111b，未被移除的第一摻雜區211，即位於該第一凹陷區111b之外第一摻雜區211，之後將作為該背接觸太陽能電池的射極區121’。實際作法例如：先於半導體基板11的背表面上111上形成以氮化矽為材質的一第一子蝕刻遮罩層23a(如第5圖(c)所示)，再以雷射將該第一摻雜區211與該第一子蝕刻遮罩層23a移除一部分，接下來可以用該第一子蝕刻遮罩層23a之殘留部分作遮罩層，以氫氧化鉀水溶液去除雷射對半導體基板造成的損傷而形成該第一凹陷區111b(如第5圖(d)所示)。
在進行前述第三蝕刻製程之後，再進行第一離子佈植製程(步驟S4A)，對該第一凹陷區111b之全部或局部性之一第一子區域111a’進行摻雜(如第5圖(e)箭頭處)，藉此定義出太陽能電池的背表面電場區122’。如第5圖(e)所示，只對第一凹陷區111b的局部(第一子區域111a’)進行摻雜時，可使該第一子區域111a’包含該第一凹陷區之底面區111b1但不包含側壁區111b2，使太陽能電池的射極區121’和背表面電極區122’有空間上的區隔(如第5圖(f)所示)，有助於太陽能電池的電性表現；或者，另一個較佳的方式為，該第一子區域111a’只包含底面區111b1的中心區域，而不包含側壁區111b2，以及不包含底面區111b1與側壁區鄰接的外圍區域，可在側壁較陡峭的情形下，提高製程的容錯率。
在進行前述第一離子佈植製程之後，再進行一第二蝕刻製程(步驟S5A)以形成半導體基板11的受光面112的粗糙結構。具體作法例如：於半導體基板11的背表面111上形成以氮化矽為材質的一第二子蝕刻遮罩層23b，該第二子蝕刻遮罩層23b與殘留的第一子蝕刻遮罩層23a 共同作為蝕刻遮罩層23(如第5圖(g)所示)，再將半導體基板11浸入氫氧化鉀水溶液中，以調整受光面112的表面粗糙結構及抗反射效果(如第5圖(h)所示)，之後，再移除該蝕刻遮罩層23。
之後，類似第一較佳實施例的情形，會再依序進行第二離子佈植製程(步驟S6)、退火製程(步驟S7)、覆蓋(Capping)製程(步驟S8)、金屬化製程(步驟S9)，以形成抗反射層142、前表面電場區123(如第5圖(i)所示)、鈍化層141、以及分別和射極區121’、背表面電場區122’連接的一第一電極131及一第二電極132。
以上所揭露的背接觸太陽能電池的製造方法，是以n型晶體矽基板所形成的背接觸太陽能電池為例，但亦可適用於製造以p型晶體矽基板所形成的背接觸太陽能電池，此時射極區的電性為n型，而背表面電場區及前表面電場區的電性則為p型。
綜上所述，本案所提出的背接觸太陽能電池製造方法，使用熱擴散法及離子佈植法以對太陽能電池基板的不同區域進行摻雜，並配合適當的蝕刻步驟順序，使製程步驟不致過多，同時確保背接觸太陽能電池受光面之抗反射效果，並達到減少基板內雜質的效果，可有助於提高太陽能電池的效率並降低生產成本。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10‧‧‧背接觸太陽能電池
11‧‧‧半導體基板
111‧‧‧背表面
112‧‧‧受光面
121‧‧‧射極區
122‧‧‧背表面電場區
123‧‧‧前表面電場區
131‧‧‧第一電極
132‧‧‧第二電極
141‧‧‧鈍化層
1411‧‧‧第一鈍化層開口
1412‧‧‧第二鈍化層開口
142‧‧‧抗反射層
211‧‧‧第一摻雜區
212‧‧‧第二摻雜區
22‧‧‧離子佈植遮罩
23‧‧‧蝕刻遮罩層
111a‧‧‧第一子區域

Claims (10)

  1. 一種背接觸太陽能電池的製造方法，包含：以一熱擴散製程同時於一半導體基板之一背表面形成一第一摻雜區以及於該半導體基板之一受光面形成一第二摻雜區；以一第一蝕刻製程移除該第二摻雜區；以一第一離子佈植製程對該背表面之一第一子區域進行摻雜以形成一射極區；於該第一蝕刻製程後以一第二蝕刻製程對已移除該第二摻雜區的該受光面進行再蝕刻以提高該受光面的抗反射率；以及以一金屬化製程於該背表面上形成互相分離的一第一電極及一第二電極，其中該第一子區域之外的該第一摻雜區形成一背表面電場區，且該第一電極與該第二電極分別於該射極區與該背表面電場區連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中，該第一離子佈植製程為對該第一子區域內的該第一摻雜區進行高濃度摻雜，使該第一子區域的電性反轉而形成該射極區。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的製造方法，於該第二蝕刻製程之後更包含一步驟：進行的一第二離子佈植製程，於該半導體基板的該受光面形成一前表面電場區。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的製造方法，於該第一離子佈植製程之前更包含一步驟：以一第三蝕刻製程移除該第一子區域內的第一摻雜區。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的製造方法，其中該第三蝕刻製程包含以雷射移除至少該第一子區域內的該第一摻雜區而形成一第一凹陷區。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的製造方法，其中該射極區包含該第一凹陷區的一底面區但不包含該第一凹陷區的一側壁區。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的製造方法，其中該第三蝕刻製程的雷射移除區域大於該第一子區域。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的製造方法，其中該射極區包含該第一凹陷區的一底面區的中心區域但不包含該第一凹陷區的一側壁區且不包含與該底面區與該側壁區鄰接之外圍區域。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的製造方法，於該第二蝕刻製程之後更包含一步驟：進行一第二離子佈植製程於該半導體基板的受光面形成一前表面電場區。
  10. 如申請專利範圍第4項所述的製造方法，其中，該第三蝕刻製程更包含形成一第一子遮罩層於該背表面上，並移除該第一子蝕刻遮罩層之一部分，該第二蝕刻製程更包含形成一第二子蝕刻遮罩層於該背表面上，而且以殘留之該第一子蝕刻遮罩層和該第二子蝕刻遮罩層共同作為蝕刻該受光面時的蝕刻遮罩層。
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