TWI573286B

TWI573286B - 太陽能電池的製造方法

Info

Publication number: TWI573286B
Application number: TW103118621A
Authority: TW
Inventors: 張智偉
Original assignee: 茂迪股份有限公司
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2017-03-01
Also published as: CN105322047A; TW201545371A

Description

太陽能電池的製造方法

本發明是有關於一種太陽能電池的製造方法，特別是指一種矽晶太陽能電池的製造方法。

近年來由於高轉換效率的太陽能電池愈來愈受到重視，因此，如何製作出具高轉換效率且高能量產出之太陽能電池實為一重要課題。其中，Passivated Emitter and Rear Cell(簡稱PERC)之類型的太陽能電池在採用適當的背面鈍化技術後，其光電轉換效率能提升至20%以上。這是因為該PERC太陽能電池之一可產生光伏效應的矽基板(Silicon Substrate)的表面若經鈍化處理，例如形成一鈍化層配置於該基板之一背面上，即可透過該鈍化層修補、降低該基板表面或內部的缺陷，並能大幅減少載子複合(Recombination)的機會，從而達到高光電轉換效率之目的。

由此可知，如何有效減少該基板之背面處載子的複合機會，將決定該PERC太陽能電池的光電轉換效率。至於形成該鈍化層的方法，一般通常採用真空鍍膜方式，例如物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)。除此之外，也有業者採用原子層沉積法(ALD)的手段，以原子級尺度堆疊沉積以形成該鈍化層，並具有較優異的膜層品質。

不過，現有的PERC太陽能電池的製造過程中，特別是在對該基板形成一PN接面(此乃產生光伏效應之來源)之擴散摻雜製程的同時，該基板上會形成一氧化層。一般而言，都是以稀釋後的氫氟酸(HF)溶液來除去該氧化層，但同時氫氟酸溶液也會與該基板表面上的矽產生反應，進而在該基板之背面上形成矽氫基(Si-H)鍵結。由於矽氫基(Si-H)鍵結具疏水性，在原子層沉積法中矽氫基(Si-H)鍵不易與製程中通入的氣體反應，其反應效率低，導致鈍化層的成膜效果不佳。

關於前述原子層沉積法與基板之表面鍵結的問題，由於矽醇基(Si-OH)鍵結具親水性，故在原子層沉積法中矽醇基(Si-OH)鍵結會與氣體反應，如此將能有效利用原子層沉積法所帶來的好處，形成品質優良的鈍化層。基於上述的原因，本案提供一種處理基板表面產生矽醇基(Si-OH)鍵結的方法，藉此提升鈍化效果以增加太陽能電池的生命週期與開路電壓，進而提高太陽能電池的光電轉換效率。

因此，本發明之目的，即在提供一種可提供該基板較佳的鈍化保護，藉以提高太陽能電池的光電轉換效率的太陽能電池的製造方法。

於是，本發明太陽能電池的製造方法包含：提供一基板，該基板包括相對的一第一表面與一第二表面，並粗糙化該基板之第一表面；在該基板內形成一PN接面，且該基板上會形成一氧化層；對該基板進行濕式製程表面處理；在該基板上形成一鈍化層與一抗反射層；以及在該基板上形成一電極。其中，該濕式製程表面處理包括：利用一第一酸液使該基板之邊緣絕緣化；利用一第一鹼液中和化該基板；利用一第二酸液去除該基板上的該氧化層；以及利用一第二鹼液使該基板之第二表面形成矽醇基(Si-OH)鍵結。

本發明之功效在於：利用該第二鹼液使該第二表面形成矽醇基(Si-OH)鍵結，透過矽醇基(Si-OH)鍵結具親水性且較為穩定等特性，有助於形成品質優良的該鈍化層。該基板可透過該鈍化層修補、降低該基板表面或內部的缺陷，並能大幅減少載子複合的機會，從而提升鈍化效果以增加太陽能電池的生命週期與開路電壓，達到高光電轉換效率之目的。

1‧‧‧太陽能電池

11‧‧‧基板

110‧‧‧PN接面

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

113‧‧‧側環面

114‧‧‧射極層

12‧‧‧鈍化層

13‧‧‧抗反射層

14‧‧‧電極

141‧‧‧第一電極

142‧‧‧第二電極

5‧‧‧氧化物

6‧‧‧摻雜層

7‧‧‧氧化層

81~85‧‧‧步驟

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是一側視剖視圖，顯示本發明製造方法之一較佳實施例所製得之一太陽能電池的層體結構；圖2是該製造方法之一步驟流程示意圖；及圖3是該製造方法之一步驟流程方塊圖。

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1，本發明的製造方法之一較佳實施例用於製造一太陽能電池1，在本實施例中，該太陽能電池1舉Passivated Emitter and Rear Cell(簡稱PERC)之電池類型為例說明，但不以此為限。該太陽能電池1包含：一基板11、一鈍化層12、一抗反射層13，以及一電極14。

該基板11可為p型或n型的單晶或多晶矽基板，並包括一主要受光的第一表面111、一相對於該第一表面111的第二表面112、一連接於該第一表面111與該第二表面112之周緣且呈環繞狀的側環面113，以及一形成於該第一表面111處之內的射極層114。該第一表面111具有粗糙化結構，藉此降低入射光的反射率以提升入光量。該射極層114配合該第一表面111高低起伏之形貌而配置於該第一表面111內，並與該基板11形成一PN接面110，為產生光伏效應之來源。

該鈍化層12配置於該第二表面112上，可用於修補、降低該基板11表面或內部的缺陷，並能降低載子表面複合速率(Surface Recombination Velocity，簡稱SRV)，提升光電轉換效率。該抗反射層13配合該第一表面111高低起伏之形貌而配置於該第一表面111上，可用於提升光線入射量以及降低載子表面複合速率。

該電極14包括一第一電極141與一第二電極 142。該第一電極141位於該抗反射層13上，並穿過該抗反射層13而接觸該基板11的第一表面111；該第二電極142位於該鈍化層12上，並穿過該鈍化層12而接觸該基板11的第二表面112。

參閱圖1、2、3，本發明製造方法之較佳實施例，包含以下步驟：

步驟81：提供該基板11，並且粗糙化該基板11之第一表面111以使該第一表面111具有粗糙化結構。

步驟82：在該基板11內形成該PN接面110，且該基板11上會形成一氧化層7。在本實施例中，該基板11為p型的單晶矽基板，因此在步驟82中具體是利用高溫爐對該第一表面111進行磷擴散之摻雜製程，使該第一表面111處之內形成摻雜的n型半導體，即為本實施例的射極層114。在此同時，在該第二表面112與該側環面113(統稱為該基板11之邊緣)處之內也會因為該高溫爐內的磷擴散而形成一摻雜層6。此外，該基板11的四周圍(也就是該射極層114與該摻雜層6之外側)外側上同體形成一氧化層7，該氧化層7的材料為含有磷的矽玻璃(或稱磷矽玻璃，Phosphorus Silicon Glass，簡稱PSG)。

補充說明，在實施上該基板11也可選用n型的單晶矽基板，此時在步驟82中則對該第一表面111進行硼擴散之摻雜製程，使該第一表面111處之內形成摻雜的p型半導體，也就是該射極層114。而同體形成於該基板11的四周圍外側上的該氧化層7的材料則為含有硼的矽玻璃 (或稱硼矽玻璃，Boron Silicon Glass，簡稱BSG)。

步驟83：對該基板11進行濕式製程表面處理，包括以下的步驟：

步驟831：利用一第一酸液使該基板11之邊緣絕緣化。由於該摻雜層6可導電，容易導致該太陽能電池1產生短路或漏電流的問題，因此在本步驟831中，採用讓該第一酸液接觸該基板11之第二表面112與側環面113而不接觸該基板11的第一表面111的方式，藉此除去位於該第二表面112與該側環面113上的該摻雜層6與該氧化層7，並保留位於該第一表面111上的該氧化層7。本步驟一般可稱為基板11之邊緣(也就是該第二表面112與該側環面113)絕緣化(Edge Isolation)製程，可避免短路或漏電流發生。在實施上，該第一酸液具體可為氫氟酸(HF)溶液、硝酸(HNO₃)溶液、硫酸(H₂SO₄)溶液，或此等之任一組合。

步驟832：利用一第一鹼液中和化該基板11。在該第一酸液作用後，可能會在該第二表面112與該側環面113上產生黑點或棕斑等的氧化物5，或者餘留的少量該摻雜層6未被除去，因此在本步驟832中，利用該第一鹼液中和化該基板11以除去前述氧化物5，並確保完全除去位於該第二表面112與該側環面113上的該摻雜層6，以避免該太陽能電池1產生短路或漏電流的問題，使該基板11的第二表面112與側環面113變得較為平整。在實施上，該第一鹼液具體可為氫氧化鈉(NaOH)溶液，且該第一鹼液的pH值大於9。

補充說明的是，由於該第二鹼液蝕刻矽層與摻雜層6的速率比蝕刻氧化層7的速率來得快，因此在本步驟832中，可以將該基板11整個浸泡在該第一鹼液中，此時可透過該氧化層7保護，以避免第一表面111的粗糙化結構被破壞。

步驟833：於溫度為25~27℃的環境下，利用一第二酸液去除該基板11之第一表面111上的該氧化層7。在實施上，該第二酸液為氫氟酸溶液，並且該第二酸液的濃度約為5wt%。

步驟834：利用一第二鹼液使該基板11之第二表面112形成矽醇基(Si-OH)鍵結。由於該第二酸液是對該基板11的所有表面進行作用，因此該第二酸液去除該第一表面111上的該氧化層7的同時，該第二酸液也會使該第二表面112與該側環面113上的矽產生反應，使得該第二表面112與該側環面113上形成矽氫基(Si-H)鍵結。因此，在本步驟834中，於溫度為5~95℃的環境下，使該第二鹼液與前述矽氫基(Si-H)鍵結反應而蝕刻該基板11，並進而在該第二表面112與該側環面113上形成矽醇基(Si-OH)鍵結。在實施上，該第二鹼液具體可為氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀(KOH)溶液或四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液，並且該第二鹼液的濃度為5~60wt%。

進一步說明的是，該基板11被蝕刻且蝕刻深度小於5μm，前述蝕刻深度是利用基板11重量法計算得知。在本實施例中，蝕刻深度小於5μm為佳，也就是說，只要該第二鹼液有蝕刻該第二表面112與該側環面113，藉此在該第二表面112與該側環面113上形成矽醇基(Si-OH)鍵結，就能達成本發明的目的，當蝕刻深度高於5μm，該基板11被蝕刻消去的量過高，進而降低該基板11的體積而降低該太陽能電池1的光電流產量。

在本步驟834的作業溫度為5~95℃為佳，作業溫度低於5℃時，該第二鹼液的反應速度過慢而降低生產效率；作業溫度高於95℃時，該第二鹼液的反應速度過快而容易過度蝕刻該基板11，如此將過度降低該基板11的體積而降低該太陽能電池1的光電流產量。

該第二鹼液的濃度設定在5~60wt%為佳，該第二鹼液的濃度低於5wt%時，該第二鹼液的反應速度過慢而降低生產效率；該第二鹼液的濃度高於60wt%時，該第二鹼液的反應速度過快而容易過度蝕刻該基板11，導致該基板11的體積減少而降低該太陽能電池1的光電流產量。

步驟84：在該基板11上形成該鈍化層12與該抗反射層13。在本實施例中，在完成步驟834之後，隨即利用原子層沉積法(ALD)於該基板11之第二表面112沉積該鈍化層12，該鈍化層12的材料例如氧化鋁(AlO_X)；之後再利用電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)於該基板11之第一表面111沉積該抗反射層13，該抗反射層13的材料例如氮化矽(SiN_X)。

進一步說明的是，原子層沉積法沉積該鈍化層 12的過程中，本實施例具體是通入三甲基鋁(TMA)的氣體，使三甲基鋁與該基板11的矽醇基(Si-OH)鍵結反應，藉此以原子級尺度堆疊沉積鋁與氧，進而形成材料為氧化鋁的該鈍化層12。

步驟85：在該基板11上形成該電極14。具體可將導電漿料分別網印於該抗反射層13與該鈍化層12上，再透過熱處理將導電漿料分別燒結成該第一電極141與該第二電極142，此時該第一電極141會燒穿該抗反射層13而接觸該第一表面111，而該第二電極142會燒穿該鈍化層12而接觸該第二表面112。在實施上，不需限制該第一電極141與該第二電極142的具體結構，只要可用於將該基板11所產生之電能導出即可。

由以上說明可知，本發明製造方法在步驟834中，利用該第二鹼液使該第二表面112形成矽醇基(Si-OH)鍵結，透過矽醇基(Si-OH)鍵結具親水性且較為穩定等特性，在步驟84之原子層沉積法中，矽醇基(Si-OH)鍵結能與三甲基鋁(TMA)之氣體產生較高的反應效率，並能以原子級尺度堆疊沉積而形成品質優良的該鈍化層12。於是，本發明製造方法所製得之太陽能電池1的基板11的第二表面112可透過該鈍化層12修補、降低表面或內部的缺陷，並能大幅減少載子複合(Recombination)的機會，從而提升鈍化效果以增加該太陽能電池1的生命週期與開路電壓，達到高光電轉換效率之目的。

進一步說明的是，本發明製造方法在步驟834 中，是在溫度為5~95℃的環境下進行，前述低溫製程在流程上較簡易，可省略升溫與降溫等步驟，進而提升生產效率並減少設備成本。除此之外，相對於高溫製程容易使該基板11內形成缺陷而增加載子於該基板11中的複合機率，本發明透過前述低溫製程使該基板11能保持應有的材料品質，亦可避免在步驟82中所形成之該PN接面110的摻雜深度與範圍受到影響，藉此使該基板11保有較佳的使用壽命與穩定性。因此，以上關於該基板11之性質上的提升，配合該鈍化層12之優異的鈍化效果，從而能更進一步提升該太陽能電池1的光電轉換效率。

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。