TWI573284B - 太陽能電池、其模組及其製造方法 - Google Patents

Description

太陽能電池、其模組及其製造方法

本發明是有關於一種太陽能電池、其模組及其製造方法，特別是指一種矽晶太陽能電池、其模組及其製造方法。

參閱圖1，為一種已知的背接觸式(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。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，該電池的正面911未設置電極，可避免受光面積被遮擋，因此可以提升電池正面的入光量。

其中，製作該介電層93時，可利用雷射的方式 於該介電層93形成數個開口931，使後續形成的該第一電極94與第二電極95可經由開口931分別接觸該射極區914與背表面電場區915。但由於雷射能量亦會通過該介電層93而被該基板91吸收，導致對應開口931處的射極區914與背表面電場區915易受到雷射破壞而產生過蝕的情形，這會影響其電性效果，並對太陽能電池的轉換效率造成影響。

因此，本發明之目的，即在提供一種能避免雷射形成開孔時過蝕，而可確保元件品質、提升光電轉換效率的太陽能電池、其模組及其製造方法。

於是，本發明太陽能電池，包含：一具有彼此相對的一正面與一背面的基板、一第一摻雜區、數個第二摻雜區、一緩衝層、一介電層、一第一金屬層、一第二金屬層、一連接該第一金屬層的第一電極，及一連接該第二金屬層的第二電極。

該第一摻雜區為第一導電型，並位於該背面處，其中該第一摻雜區大致對應該背面的形狀而形成。該數個第二摻雜區為第二導電型，並分別位於該背面之處且各別被該第一摻雜區包圍。該緩衝層位於該背面上並覆蓋該第一摻雜區和該數個第二摻雜區。該介電層位於該緩衝層上，其中該基板、該緩衝層及該介電層的能隙是由低到高。該第一金屬層位於該背面上，並穿過該介電層及該緩衝層而接觸該第一摻雜區。該第二金屬層位於該背面上，並 穿過該介電層及該緩衝層而接觸該數個第二摻雜區中的至少一些第二摻雜區。

本發明太陽能電池模組，包含：相對設置的一 第一板材與一第二板材、至少一個如上述且設置於該第一板材與該第二板材間的太陽能電池，及一位於該第一板材與該第二板材間並接觸該太陽能電池的封裝材。

本發明太陽能電池的製造方法，包含：提供一 基板，該基板具有一背面；於該背面處形成不同導電型的一第一摻雜區與數個第二摻雜區，其中該第一摻雜區大致對應該背面的形狀而形成，且該數個第二摻雜區各別被該第一摻雜區包圍；形成一緩衝層於該背面上並覆蓋該第一摻雜區和該數個第二摻雜區；形成一介電層於該緩衝層上，其中該基板、該緩衝層與該介電層的能隙是由低到高；於該背面上形成一第一金屬層，其中該第一金屬層穿過該介電層及該緩衝層而接觸該第一摻雜區；於該背面上形成一第二金屬層，其中該第二金屬層穿過該介電層及該緩衝層而接觸該數個第二摻雜區；利用電鍍方式於該第一金屬層上形成一第一電極；利用電鍍方式於該第二金屬層上形成一第二電極。

本發明之功效：藉由在該基板與該介電層間增 加設置該緩衝層，可多一層體阻擋在該基板之前，可於雷射開口製程中先吸收雷射能量，避免雷射能量影響到該基板，從而確保元件品質，提升光電轉換效率。此外，設置該第一金屬層與該第二金屬層，使該第一電極與該第二電 極可以利用電鍍方式形成，如此亦可維持該基板、第一摻雜區與第二摻雜區之良好品質，同樣有助於提升光電轉換效率。

1‧‧‧第一板材

2‧‧‧第二板材

3‧‧‧太陽能電池

301‧‧‧第一穿孔

302‧‧‧第二穿孔

31‧‧‧基板

311‧‧‧正面

312‧‧‧背面

313‧‧‧前表面電場層

32‧‧‧第一摻雜區

33‧‧‧第二摻雜區

34‧‧‧緩衝層

35‧‧‧介電層

36‧‧‧第一金屬層

361‧‧‧第一延伸部

362‧‧‧第一接觸部

37‧‧‧第二金屬層

371‧‧‧第二延伸部

372‧‧‧第二接觸部

38‧‧‧第一電極

381‧‧‧第一電極部

39‧‧‧第二電極

391‧‧‧第二電極部

4‧‧‧封裝材

5‧‧‧焊帶導線

6‧‧‧金屬薄膜

7‧‧‧遮擋塊

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：圖1是一種已知太陽能電池的剖視示意圖；圖2是本發明太陽能電池模組之一較佳實施例的局部剖視示意圖；圖3是該較佳實施例的一太陽能電池的剖視示意圖，圖中為方便示意，將該較佳實施例之一基板的背面朝上繪製；圖4是一俯視示意圖，顯示該較佳實施例之一第一摻雜區與數個第二摻雜區的配置關係；圖5是一俯視示意圖，顯示該較佳實施例之一第一金屬層與一第二金屬層的配置關係；圖6是圖5之一圈選區域的放大圖；及圖7是本發明太陽能電池的製造方法之一較佳實施例的流程示意圖。

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。

參閱圖2、3，本發明太陽能電池模組之一較佳 實施例包含：上下相對設置的一第一板材1與一第二板材2、數個陣列式排列於該第一板材1與該第二板材2間的太陽能電池3、至少一位於該第一板材1及該第二板材2間並接觸該數個太陽能電池3的封裝材4，以及數條用於串接該數個太陽能電池3的焊帶導線(ribbon)5。

該第一板材1與該第二板材2在實施上沒有特 殊限制，可以使用玻璃或塑膠板材，而且位於電池受光面的一側的板材必須為可透光。該封裝材4的材質例如可透光的乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)，或其他可用於太陽能電池模組封裝的相關材料。

本實施例的該數個太陽能電池3的結構可以相 同，也可以不同，以下以其中一個為例進行說明。

參閱圖3、4、5、6，該太陽能電池3包含：一 基板31、一第一摻雜區32、數個第二摻雜區33、一緩衝層34、一介電層35、一第一金屬層36、一第二金屬層37、一第一電極38，以及一第二電極39。

本實施例之基板31為n型的半導體矽基板31， 並具有相對的一正面311與一背面312，其中該正面311為該基板31的入光面，並可製作成粗糙面以提升入光量。在該基板31的正面311處之內可設置一前表面電場層313，該前表面電場層313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31內部，藉此形成前表面電場(Front-Side Field，簡稱FSF)，能降低少數載子的表面複合速率(Surface Recombination Velocity, 簡稱SRV)及增加多數載子的橫向傳輸能力以提升載子收集效率，進而提升電池的光電轉換效率。需要說明的是，若該基板31使用p型半導體基板31時，則該前表面電場層313為摻雜濃度大於該基板31的p⁺型半導體。在該前表面電場層313上還可選擇性地設置一圖未示的抗反射層，其材料例如氮化矽(SiN_x)或其他具有降低光線反射功能的材料，用於提升光線入射量以及降低載子表面複合速率。

於本實施例中，該第一摻雜區32為第一導電型 ，並位於該基板31內靠近該背面312處，該第一摻雜區32幾乎呈整面地位於該背面312處，換言之該第一摻雜區32大致對應該背面312之形狀而形成，其中該背面312僅局部位置處未形成有該第一摻雜區32。本實施例的第一摻雜區32為p⁺型半導體，其摻雜電性與該基板31不同，以形成p-n接面，為光電效應的來源。在實施上，該第一摻雜區32可藉由擴散製程(例如硼擴散)或其他的摻雜方式，此其他的摻雜方式例如局部塗布鋁膠而以高溫處理後擴散進入背面312，使該基板31的背面312內部局部形成重摻雜的p⁺型半導體。

該數個第二摻雜區33為第二導電型，並分別位 於該基板31內靠近該背面312未形成有該第一摻雜區32之處，其中該數個第二摻雜區33各別被該第一摻雜區32包圍。本實施例的第二摻雜區33為間隔的點狀分布(如圖4)，其為n⁺⁺型半導體，可藉由擴散製程(例如磷擴散)或 離子植入等其他的摻雜方式使該基板31的背面312內部局部形成重摻雜的該數個第二摻雜區33，其摻雜濃度大於該基板31的摻雜濃度，藉此形成背表面電場(Back-Side Field，簡稱BSF)，能提升載子收集效率及光電轉換效率。

於實施上，若先形成該第一摻雜區32，後以離 子植入方式形成該數個第二摻雜區33時，該數個第二摻雜區33與該第一摻雜區32之間通常是沒有間隔分隔的，如圖4所示。然而，若該第一摻雜區32與該數個第二摻雜區33皆以擴散方式來形成時，其製程中透過光阻等相關材質遮擋的方式，通常可使該第一摻雜區32與該數個第二摻雜區33之間設計成具有間隔分隔的形式。

其中，本實施例的第一導電型是指半導體導電 型的p型，該第二導電型為n型。而且該基板31與該前表面電場層313也是第二導電型。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，此時該第二導電性則為p型。

於實施上，該緩衝層34位於該基板31的背面 312上並接觸該背面312。該緩衝層34覆蓋該第一摻雜區32和該數個第二摻雜區33。該緩衝層34的材料可為非晶矽材料(a-Si)、多晶矽、微晶矽(μc-Si)，或是能隙介於用來開孔之雷射波長能量到單晶矽能量之間的材料。於本實施例中，該緩衝層34採用無摻雜的非晶矽材料(Intrinsic a-Si)。

於本實施例中，如圖3所示的方位，該介電層 35位於該緩衝層34上，且該基板31、該緩衝層34及該介電層35的能隙是由低到高。於實施上，該介電層35可為氧化物、氮化物或上述材料的組合。且該介電層35與該緩衝層34共同形成數個分別對應該第一摻雜區32的第一穿孔301，以及數個分別對應該數個第二摻雜區33的第二穿孔302。於本實施例中，該數個第一穿孔301的直徑是50μm~70μm，且該數個第一穿孔301佔該背面312的面積為4.3%~8.1%。該數個第二穿孔302的直徑是50μm~70μm，且該數個第二穿孔302佔該背面312的面積為1.6%~3.1%。其中，於單位面積上，第一穿孔301的排列密度大於第二穿孔302的排列密度，該數個第一穿孔301於單位面積中的數量與所佔有的面積是大於該數個第二穿孔302的，而且透過上述適當的面積比例，藉此方有利於後續少數載子在透過位於該數個第一穿孔301中的第一電極38之收集，以確保電性效果。於實施上，該基板31可以選用五吋或是六吋的半導體基板。

該第一金屬層36位於該背面312的該介電層35 上，並具有數個第一延伸部361，以及數個自該第一延伸部361分別穿過該數個第一穿孔301而延伸接觸該第一摻雜區32的第一接觸部362。該數個第一延伸部361的一側連接在一起，其他部位則彼此間隔地延伸呈長條狀。該數個第一接觸部362呈點狀間隔分布。該第一金屬層36可為選自由鎳、鈦、銅、錫、銀、鋁和透明導電氧化物材料(TCO)所組成之群組中之一者。其中於實施上，該第一金屬層36 也可以是由上述材料所構成之疊層的形式。

該第二金屬層37位於該背面312之該介電層35 上，並具有數個分別位於該數個第一延伸部361間的第二延伸部371，以及數個分別自第二延伸部371穿過該數個第二穿孔302而延伸接觸該數個第二摻雜區33的第二接觸部372。該數個第二延伸部371的一側連接在一起，其他部位則與該數個第一延伸部361呈指叉式地交叉間隔排列。該第二金屬層37可為選自由鎳、鈦、銅、錫、銀、鋁和透明導電材料(TCO)所組成之群組中之一者。其中於實施上，該第二金屬層37也可以是由上述材料所構成之疊層的形式。

在本實施例中，連接同一個第一延伸部361的 該數個第一接觸部362的排列緊密程度，大於連接同一個第二延伸部371的該數個第二接觸部372的排列緊密程度，因此，於單位面積上，該數個第一接觸部362的排列密度大於該數個第二接觸部372的排列密度。由於本實施例的基板31為n型半導體，故電子為多數載子，電洞為少數載子，該p型的第一摻雜區32可收集少數載子，而該第一金屬層36接觸該第一摻雜區32，故上述排列密度設計是為了提高該第一金屬層36與該第一摻雜區32的導電接觸面積，以因應少數載子於收集上的可能需求，從而達到更佳的載子收集效果。

該第一電極38位於該第一金屬層36上，其分 布位置大致對應於該第一金屬層36，並具有數個第一電極部381。該第一電極38例如銅、銀、鋁，或其他可導電的 材料。

該第二電極39位於該第二金屬層37上，其分 布位置大致對應於該第二金屬層37，並具有數個第二電極部391，故第二電極39與第一電極38間亦呈指叉式間隔排列。該第二電極39例如銅、銀、鋁，或其他可導電的材料。

參閱圖3、6、7，本發明太陽能電池的製造方法的一較佳實施例，包含以下步驟：提供該基板31，並利用擴散製程或其他的摻雜方式，於該基板31的正面311製作該前表面電場層313。

藉由擴散製程或其他的摻雜方式，於該基板31的背面312處形成彼此為不同導電型的該第一摻雜區32與該數個第二摻雜區33。

形成該緩衝層34於該背面312上，再形成該介電層35於該緩衝層34上。具體而言，可利用例如PVD或CVD等真空鍍膜方式先形成一層連續的緩衝層34薄膜，再利用例如PECVD之真空鍍膜方式形成一層連續的介電層35薄膜。接著進行雷射開孔製程，對該介電層35於遠離該基板31的表面且欲形成孔洞的部位施打雷射光，該緩衝層34會吸收雷射光能量，使該緩衝層34中的價帶電子被雷射能量激發到導帶，且當電子躍遷回到穩態時就會釋放熱能，進而可將位於其上的該介電層35之對應照光部位的材料移除，以於該介電層35與該緩衝層34形成該數個第一穿孔301與該數個第二穿孔302。

值得一提的是，由於該緩衝層34於該雷射開孔 製程中可作為緩衝、保護之用的層體，可避免雷射能量直接影響該基板31。且本發明中的該基板31、該緩衝層34及該介電層35的能隙是由低到高，更可確保於雷射開孔過程中，較精確地控制層體之雷射光吸收量而可達到剝除層體之開孔效果，避免傳統方式中基板31直接受到雷射影響而損害該第一摻雜區32與該數個第二摻雜區33。其中，本實施例採用的a-Si之緩衝層34能隙通常約為1.7eV，大於採用結晶矽材料的基板31能隙。而且用於開孔的是波長532nm的綠光雷射。

接著於該介電層35上形成該第一金屬層36， 該第一金屬層36延伸接觸該第一摻雜區32；於該介電層35上形成該第二金屬層37，該第二金屬層37延伸接觸該數個第二摻雜區33。在本步驟中，主要是先於該介電層35表面形成一連續的金屬薄膜6，該金屬薄膜6有局部部位穿過該數個第一穿孔301與該數個第二穿孔302，以分別接觸該第一摻雜區32與該數個第二摻雜區33。由於此時該金屬薄膜6仍呈連續狀，因此該第一金屬層36與該第二金屬層37尚連接在一起。

在該金屬薄膜6上形成數個間隔的遮擋塊7。該數個遮擋塊7為對於該金屬薄膜6具有蝕刻效果的材料，並可利用例如網印、噴印等印刷方式，形成於該金屬薄膜6之預定移除部位的表面上。

利用電鍍方式於該第一金屬層36上形成該第一 電極38；利用電鍍方式於該第二金屬層37上形成該第二電極39。具體而言，本實施例是於該金屬薄膜6上電鍍銅，由於該金屬薄膜6上設有該數個遮擋塊7，因此電鍍銅薄膜僅會形成於該金屬薄膜6上未設有該數個遮擋塊7的部位上，如此即形成該第一電極38與該第二電極39。之後將該數個遮擋塊7移除(例如以液體清洗移除)，該金屬薄膜6對應於該數個遮擋塊7的部位也會因為遮擋塊7的蝕刻作用而可跟著被移除，如此則可使該第一金屬層36與該第二金屬層37間隔開。

綜上所述，藉由在該基板31與該介電層35間 增加設置該緩衝層34，可多一層體阻擋在該基板31之前，可於雷射開口製程中先吸收雷射能量，避免雷射能量影響到該基板31，故本發明可避免一般電池製法中，雷射對基板31造成的損傷，可減少第一摻雜區32與第二摻雜區33表面因吸收雷射能量而造成的熱效應破壞，故本發明的第一摻雜區32與第二摻雜區33的品質良好，能提高電池的光電轉換效率。另外，將雷射開孔技術應用於本發明此種局部摻雜第二摻雜區33的結構，有助於使第一穿孔301間的間距與第二穿孔302間的間距縮小，達到開孔精度佳的優點。

更進一步地，本發明設有該第一金屬層36與該 第二金屬層37，使該第一電極38與該第二電極39可以利用電鍍方式形成，此相較於以網印方式形成電極的好處在於，由於網印用的導電漿料對於該介電層35、緩衝層34 與基板31具有侵蝕性，而且網印製程必須結合高溫燒結步驟使導電漿料燒穿該介電層35與緩衝層34以接觸第一摻雜區32與第二摻雜區33，如此容易造成基板31損傷，影響第一摻雜區32與第二摻雜區33的品質，並導致易發生載子複合現象，電池轉換效率降低。而本發明電鍍法形成的第一電極38與第二電極39之金屬鍍膜，對該基板31不會有侵蝕問題，加上電鍍屬於較低溫的製程，從而可確保基板31良好品質。

故本發明的創新結構與製法，可減少以往開孔製程與電極製程技術造成的效率減損，從而達到確保元件品質，提升電池轉換效率之優異功效。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，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。

3‧‧‧太陽能電池

301‧‧‧第一穿孔

302‧‧‧第二穿孔

31‧‧‧基板

311‧‧‧正面

312‧‧‧背面

313‧‧‧前表面電場層

32‧‧‧第一摻雜區

33‧‧‧第二摻雜區

34‧‧‧緩衝層

35‧‧‧介電層

36‧‧‧第一金屬層

361‧‧‧第一延伸部

362‧‧‧第一接觸部

37‧‧‧第二金屬層

371‧‧‧第二延伸部

372‧‧‧第二接觸部

38‧‧‧第一電極

381‧‧‧第一電極部

39‧‧‧第二電極

391‧‧‧第二電極部

Claims (10)

1. 一種太陽能電池，包含：一基板，具有彼此相對的一正面與一背面；一第一摻雜區，為第一導電型，並位於該背面處，其中該第一摻雜區大致對應該背面的形狀而形成；數個第二摻雜區，為第二導電型，並分別位於該背面之處且各別被該第一摻雜區包圍；一緩衝層，位於該背面上並覆蓋該第一摻雜區和該數個第二摻雜區；一介電層，位於該緩衝層上，其中該基板、該緩衝層及該介電層的能隙是由低到高；一第一金屬層，位於該背面上，並穿過該介電層及該緩衝層而接觸該第一摻雜區；一第二金屬層，位於該背面上，並穿過該介電層及該緩衝層而接觸該數個第二摻雜區中的至少一些第二摻雜區；一第一電極，連接該第一金屬層；及一第二電極，連接該第二金屬層。
2. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，該緩衝層為非晶矽、多晶矽或微晶矽之材料。
3. 如請求項1或2所述的太陽能電池，其中，該第一金屬層或該第二金屬層為選自由鎳、鈦、銅、錫、銀、鋁和透明導電氧化物材料所組成之群組中之一者。
4. 如請求項1或2所述的太陽能電池，其中，該第一金屬 層具有接觸該第一摻雜區的數個第一接觸部，該第二金屬層具有接觸該數個第二摻雜區的數個第二接觸部，於單位面積上，該數個第一接觸部的排列密度大於該數個第二接觸部的排列密度。
5. 如請求項4所述的太陽能電池，其中，該介電層和該緩衝層具有數個供該第一金屬層穿過以接觸該第一摻雜區的第一穿孔，以及數個供該第二金屬層穿過以接觸該數個第二摻雜區的第二穿孔，其中該數個第一穿孔佔該背面的面積為4.3%~8.1%，該數個第二穿孔佔該背面的面積為1.6%~3.1%。
6. 一種太陽能電池模組，包含：相對設置的一第一板材與一第二板材；至少一個如請求項1或2所述的太陽能電池，設置於該第一板材與該第二板材間；及一封裝材，位於該第一板材與該第二板材之間，並接觸該太陽能電池。
7. 一種太陽能電池的製造方法，包含：提供一基板，該基板具有一背面；於該背面處形成不同導電型的一第一摻雜區與數個第二摻雜區，其中該第一摻雜區大致對應該背面的形狀而形成，且該數個第二摻雜區各別被該第一摻雜區包圍；形成一緩衝層於該背面上並覆蓋該第一摻雜區和該數個第二摻雜區； 形成一介電層於該緩衝層上，其中該基板、該緩衝層與該介電層的能隙是由低到高；於該背面上形成一第一金屬層，其中該第一金屬層穿過該介電層及該緩衝層而接觸該第一摻雜區；於該背面上形成一第二金屬層，其中該第二金屬層穿過該介電層及該緩衝層而接觸該數個第二摻雜區；利用電鍍方式於該第一金屬層上形成一第一電極；及利用電鍍方式於該第二金屬層上形成一第二電極。
8. 如請求項7所述的太陽能電池的製造方法，其中，該緩衝層為非晶矽、多晶矽或微晶矽之材料。
9. 如請求項7或8所述的太陽能電池的製造方法，其中，該第一金屬層或該第二金屬層為選自由鎳、鈦、銅、錫、銀、鋁和透明導電氧化物材料所組成之群組中之一者。
10. 如請求項7或8所述的太陽能電池的製造方法，其中，利用雷射於該介電層和該緩衝層形成數個第一穿孔與數個第二穿孔，該數個第一穿孔供該第一金屬層穿過以接觸該第一摻雜區，該數個第二穿孔供該第二金屬層穿過以接觸該數個第二摻雜區，其中，於單位面積上，第一穿孔的排列密度大於第二穿孔的排列密度。