TWI577034B

TWI577034B - 太陽能電池

Info

Publication number: TWI577034B
Application number: TW105101305A
Authority: TW
Inventors: 裴善莊; 黃紹瑋; 徐偉智
Original assignee: 新日光能源科技股份有限公司
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-04-01
Also published as: TW201725743A

Description

太陽能電池

本發明係關於一種太陽能電池，尤其是一種太陽能電池背面電極之結構。

太陽能電池是當前發展最成熟以及應用最廣泛的綠色能源技術，為了提高太陽能電池的發電效率以及降低發電成本，各種太陽能電池結構不斷被開發出來。太陽能電池大致可分為矽基太陽能電池、化合物半導體太陽能電池及有機太陽能電池等三種，其中又以矽基太陽能電池的技術最為成熟也最為普及，尤其矽單晶太陽能電池的轉換效率更是居所有太陽能電池之冠。

目前已發表之具高轉換效率的矽晶太陽能電池有異質接面結合本質矽薄膜太陽能電池(HIT,Hetero-junction with Intrinsic Thin Layer)、指叉式背電極太陽能電池(IBC,Interdigitated Back Contact)、雙面發電太陽能電池(Bifacial)、射極鈍化及背電極太陽能電池(PERC,Passivated Emitter Rear Locally Diffused Cell)。

在製造雙面發電太陽能電池或者是製造射極鈍化及背電極太陽能電池的時候，必須先透過雷射剝蝕(laser ablation)的方式來蝕穿位於背面的抗反射層和鈍化層，使位於鈍化層下方的半導體層裸露出來。其中雷射剝蝕出來的開口通常呈一連續直線，且彼此沿垂直於其長度方向以相同的間隔整齊排列。接著透過網印的方式將鋁漿刮入雷射剝蝕出來的開口中，再施加熱處理使鋁漿燒結就可以在太陽能電池的背面形成柵欄狀的背面指狀電極。

實驗發現，在製造雙面發電太陽能電池或者是製造射極鈍化及背電極太陽能電池時，於進行鋁漿燒結過程中，填充於雷射剝蝕出之開口中的鋁漿的鋁原子會擴散入半導體基板中，因而在太陽能電池的背面形成多個背電場區(back surface field,BSF)，其有助於提高自太陽能電池正面入射之太陽光的光電轉換效率。而影響太陽能電池背面之光電轉換效率的其中一個主要因素在於背面指狀電極的覆蓋面積，若是背面指狀電極的覆蓋面積愈大，則太陽能電池背面的光電轉換效率便愈低，成本也較高，因此需要一種在不增加電極覆蓋面積的狀況下仍能增加電極與背電場區接觸的太陽能電極結構。

有鑑於此，本發明提出一種太陽能電池，包含：一半導體基板，摻雜有一第一型摻質，具有一第一表面與相對於該第一表面之一第二表面，該第一表面具有一第一區域與一第二區域；一第一鈍化層，覆蓋該第一表面，具有複數第一開口區與第二開口區；一第一抗反射層，覆蓋該第一鈍化層，具有對應於該複數第一開口區之複數第三開口區以及對應於該複數第二開口區之複數第四開口區；複數背電場區，位於該第一表面，個別對應於該些第一開口區與該些第二開口區；複數第一背面指狀電極，分別對應設置於該第一區域上，且經由該第一開口區與該第三開口區而與該背電場區接觸；及複數第二背面指狀電極，分別對應設置於該第二區域上，且經由該第二開口區與該第四開口區而與該背電場區接觸；其中至少一對應該第一背面指狀電極之該第一開口區的總面積大於一對應該第二背面指狀電極之該第二開口區的總面積。

本發明之其中一概念係對應該第一背面指狀電極之該第一開口區的總面積大於一對應該第二背面指狀電極之該第二開口區的總面積的10倍以內。

本發明之其中一概念係對應該第一背面指狀電極之該第一開口區的總面積大於一對應該第二背面指狀電極之該第二開口區的總面積的5倍以內。

本發明之其中一概念係對應該第一背面指狀電極之該第一開口區的總面積大於一對應該第二背面指狀電極之該第二開口區的總面積的2倍以內。

本發明之其中一概念係該第一開口區包含至少一第一開口，進一步包含複數個該第一開口，其中複數該第一開口之間隔為5至300微米，且該第一開口之直徑為10至100微米。

本發明之其中一概念係該第二開口區包含至少一第二開口，進一步包含複數個該第二開口，其中複數該第二開口之間隔為5至300微米，且該第二開口之直徑為10至100微米。

本發明之其中一概念係位於該第一區域之任一該背面指狀電極沿垂直於該半導體基板之方向所對應之該第一開口係呈直線狀、虛線狀、點狀或其組合。

本發明之其中一概念係位於該第一區域之任一該背面指狀電極沿垂直於該半導體基板之方向所對應之該第二開口係呈直線狀、虛線狀、點狀或其組合。

本發明之其中一概念係位於第二區域之任一背面指狀電極沿垂直於半導體基板之方向所對應之第二開口係呈直線狀、虛線狀、點狀或其組合。

本發明之其中一概念係第一背面指狀電極及/或第二背面指狀電極寬度為50至1000微米。

本發明之其中一概念係還包括一匯流電極，且匯流電極與第一背面指狀電極及/或第二背面指狀電極相交。

本發明之其中一概念係還包括一匯流電極，且該匯流電極與該第一開口區及/或該第二開口區相交。

1‧‧‧太陽能電池

101‧‧‧半導體基板

1011‧‧‧第一表面

1011a‧‧‧第一區域

1011b‧‧‧第二區域

1012‧‧‧第二表面

102‧‧‧第一摻質層

103‧‧‧第一鈍化層

103a‧‧‧第一開口區

1031‧‧‧第一開口

103b‧‧‧第二開口區

1032‧‧‧第二開口

104‧‧‧第一抗反射層

104a‧‧‧第三開口區

1041‧‧‧第三開口

104b‧‧‧第四開口區

1042‧‧‧第四開口

105a‧‧‧第一背電場區

105b‧‧‧第二背電場區

1061‧‧‧第一背面指狀電極

1062‧‧‧第二背面指狀電極

107‧‧‧第二摻質層

108‧‧‧第二鈍化層

109‧‧‧第二抗反射層

110‧‧‧正面指狀電極

10a‧‧‧第一區域之雷射刻痕

10b‧‧‧第二區域之雷射刻痕

2‧‧‧太陽能電池

2011a‧‧‧第一區域

2011b‧‧‧第二區域

20a‧‧‧第一區域之雷射刻痕

20b‧‧‧第二區域之雷射刻痕

3‧‧‧太陽能電池

3011a‧‧‧第一區域

3011b‧‧‧第二區域

30a‧‧‧第一區域之雷射刻痕

30b‧‧‧第二區域之雷射刻痕

4‧‧‧太陽能電池

4011a‧‧‧第一區域

4011b‧‧‧第二區域

40a‧‧‧第一區域之雷射刻痕

40b‧‧‧第二區域之雷射刻痕

5‧‧‧太陽能電池

5011a‧‧‧第一區域

5011b‧‧‧第二區域

50a‧‧‧第一區域之雷射刻痕

50b‧‧‧第二區域之雷射刻痕

9‧‧‧太陽能電池

90a‧‧‧雷射刻痕

901‧‧‧半導體基板

9011‧‧‧第一表面

903‧‧‧鈍化層

903a‧‧‧開口

904‧‧‧抗反射層

904a‧‧‧開口

905‧‧‧背電場區

906‧‧‧背面指狀電極

W1‧‧‧背面指狀電極的寬度

[第1圖]為傳統太陽能電池之背面指狀電極示意圖。

[第2圖]為傳統太陽能電池之雷射刻痕示意圖。

[第3圖]為傳統太陽能電池之剖面示意圖。

[第4圖]為本發明第一實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖。

[第5圖]為本發明第一實施例之太陽能電池的剖面示意圖。

[第6圖]為本發明第二實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖。

[第7圖]為本發明第三實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖。

[第8圖]為本發明第四實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖。

[第9圖]為本發明第五實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖。

請參照第1圖至第3圖，分別為傳統太陽能電池之背面指狀電極示意圖、雷射刻痕示意圖以及太陽能電池之剖面示意圖，揭露一種二面均可發電之太陽能電池9，其中第1圖繪示了太陽能電池9的背面指狀電極906，第2圖繪示了位於太陽能電池9的背面指狀電極906下方的雷射刻痕90a。太陽能電池9之背面係形成有多個寬度均為W1的背面指狀電極906，每個背面指狀電極906的下方均有一道雷射刻痕90a，背面指狀電極906透過雷射刻痕90a電性連接於半導體基板901。

背面指狀電極906的形成方式係透過網板印刷方式將導電漿形成於太陽能電池9的背面，導電漿優選為含鋁成份之漿料，然後再透過熱處理使鋁漿燒結成背面指狀電極906。在燒結過程中，鋁原子會擴散入半導體基板901，而鋁和硼同屬於ⅢA族元素，因此鋁原子擴散入半導體基板901的局部區域(亦即半導體基板901的表面9011與各背面指狀電極906相互接觸的區域)會形成多個局部P型摻雜濃度較高的一個背電場區905(Local Back Surface Field)。背電場區905的存在有助於將太陽能電池9底部所產生的載子侷限在p-n接面，進而提高光電流。

習知雙面太陽能電池9的每一個背面指狀電極906均只覆蓋一道雷射刻痕90a，每道雷射刻痕90a係透過特定功率的雷射燒穿太陽能電池9背面之抗反射層904與鈍化層903所形成。如第3圖所示，雷射會在抗反射層904形成開口904a，以及在鈍化層903形成開口903a，開口904a與903a構成了雷射刻痕90a。每條雷射刻痕90a的長度與寬度均實質相同，也因此傳統太陽能電池9的每個背電場區905的面積均實質相同。

實驗數據又顯示，傳統太陽能電池9背面的發電效率會受到背面指狀電極906的覆蓋率以及雷射刻痕90a(開口903a、904a)的開口面積所影響。當太陽能電池9背面被背面指狀電極906所覆蓋的比率愈高，則太陽能電池9背面的入光量就會減少，進而導致太陽能電池9背面的發電效率下降。

雷射刻痕90a的開口面積變大固然會導致太陽能電池9之背面的發電效率下降，但是由於雷射刻痕90a在形成之後會被背面指狀電極906所完全覆蓋，而太陽能電池9之背面實際參與光電轉換的區域主要仍發生在沒有被背面指狀電極906所覆蓋之處。換言之，在不增加背面指狀電極906覆蓋率的前提下，僅僅增加雷射刻痕90a的開口面積並不會讓太陽能電池9之背面的發電效率發生顯著地下降。實驗也證實，增加雷射刻痕90a的開口面積所造成的正面發電效率的上升程度高於背面發電效率的下降程度。

有別於傳統太陽能電池9之每個背電場區905的面積均實質相同，本發明各實施例的太陽能電池的其中一個特點在於背面至少可區分成二個區域，其中一區域的背電場區面積係不同於位於其他區域的背電場區面積，茲詳細說明如下。

請參照第4圖與第5圖，分別為本發明第一實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖以及剖面示意圖，揭露太陽能電池1，其包含半導體基板101、第一摻質層102、第一鈍化層103、第一抗反射層104、複數第一背電場區105a、複數第二背電場區105b、複數第一背面指狀電極1061、複數第二背面指狀電極1062、第二摻質層107、第二鈍化層108、第二抗反射層109及複數正面指狀電極110。半導體基板101本身摻雜有第一型摻質，在本實施例中，第一型摻質係為P型摻質(例如ⅢA族元素之硼)。

本實施例之太陽能電池1的背面的結構特徵如下所述。半導體基板101具有一第一表面1011與相對於第一表面1011之一第二表面1012，第一表面1011具有一第一區域1011a與二第二區域1011b，其中二個第二區域1011b係分別位於第一區域1011a之二側。在此需特別說明，本實施例之第一區域1011a與第二區域1011b的數量僅為例示，並非用以限定本發明。例如可以是一個第一區域1011a和一個第二區域1011b；又或者可以是複數個第一區域1011a與複數個第二區域1011b，而且任二個第一區域1011a彼此不相鄰。

半導體基板101之第一表面1011形成有一第一摻質層102，第一摻質層102中摻雜有P型摻質，第一摻質層102之P型摻質的濃度大於半導體基板101之P型摻質的濃度。第一鈍化層103位於第一摻質層102上，具有複數第一開口區103a與複數第二開口區103b，其中第一開口區103a對應於第一區域1011a且具有至少一第一開口1031，第二開口區103b對應於第二區域1011b且具有至少一第二開口1032。第一抗反射層104位於第一鈍化層103上，具有個別對應於複數第一開口區103a之複數第三開口區104a以及個別對應於複數第二開口區103b之複數第四開口區104b，其中第三開口區104a具有至少一第三開口1041，第四開口區104b具有至少一第四開口1042。複數第一背電場區105a與複數第二背電場區105b位於第一摻質層102，複數第一背電場區105a個別對應於複數第一開口區103a，複數第二背電場區105b個別對應於複數第二開口區103b。複數第一背電場區105a與第二背電場區105b之P型摻質的濃度大於第一摻質層102之P型摻質的濃度。複數第一背面指狀電極1061彼此間隔排列且對應於第一區域1011a，個別經由複數第三開口區104a與複數第一開口區103a而與複數第一背電場區105a電接觸。每一個第一開口區103a不大於其所對應之第一背面指狀電極1061的面積，每一個第二開口區103b也不大於其所對應之第二背面指狀電極1062的面積。至少一對應第一背面指狀電極1061之第一開口區103a的總面積大於一對應第二背面指狀電極1062之第二開口區103b的總面積。舉例而言，第一開口區103a可以包含二個第一開口1031，第二開口區103b則只包含一個第二開口1032，其中二個第一開口1031的面積和係大於單一個第二開口1032的面積。此外，也可以是第一開口區103a僅包含單一個第一開口1031，第二開口區103b也僅包含單一個第二開口1032，但是單一個第一開口1031的開口面積大於單一個第二開口1032的開口面積。在其他實施例，可以是第一開口區103a包含複數個第一開口1031，第二開口區103b也包含複數個第二開口1032，但是單一個第一開口區103a之第一開口1031的總開口面積大於單一個第二開口區103b之第二開口1032的總開口面積。第4圖所示之雷射刻痕10a即相當於第5圖之第一開口區103a與第三開口區104a，雷射刻痕10b則相當於第5圖之第二開口區103b與第四開口區104b。

半導體基板101之第二表面1012形成有一第二摻質層107，第二摻質層107中摻雜有一第二型摻質，本實施例之第二型摻質係為N型摻質(例如VA族元素的磷)。第二鈍化層108位於第二摻質層107上，第二抗反射層109位於第二鈍化層108上，複數正面指狀電極110穿過第二抗反射層109與第二鈍化層108而與第二摻質層107電接觸。

在本實施例中，位於第一區域1011a的任一第一背面指狀電極1061沿垂直於半導體基板101之方向上係覆蓋雷射刻痕10a，每一雷射刻痕10a的開口面積相當於二道雷射刻痕10b的開口面積。位於第二區域1011b的任一第二背面指狀電極1062沿垂直於半導體基板101之方向上僅覆蓋有一道雷射刻痕10b。也就是說，位於第一區域1011a的第一背面指狀電極1061下方的雷射刻痕10a的總開口面積大約是位於第二區域1011b的第二背面指狀電極1062下方的雷射刻痕10b的開口面積的二倍。更進一步來說，在本實施例中，位於第一區域1011a之第一背面指狀電極1061沿垂直於半導體基板101之方向所對應之第一背電場區105a的總面積大於位於第二區域1011b之第二背面指狀電極106沿垂直於半導體基板101之方向所對應之第二背電場區105b的總面積。

在本實施例的其中一個實施態樣中，位於第一區域1011a之任一第一背面指狀電極1061沿垂直於半導體基板101之方向所對應之第一背電場區105a係包含有二個獨立的背電場區塊，所述獨立的二個背電場區塊係彼此平行且不位在同一直線上。

在本實施例的其中一個實施態樣中，第一背電場區105a的大小事實上係取決於雷射刻痕10a的開口大小，雷射刻痕10a的開口大小可依據第一背面指狀電極1061的尺寸而改變，為減少鋁漿網印時因對位誤差而導致第一背面指狀電極1061無法完整覆蓋雷射刻痕10a的現象，而使發電效率降低，可以採用較窄的雷射刻痕10a寬度，例如30微米寬的雷射刻痕10a，並使兩雷射刻痕10a邊緣以一預定間隔如70微米進行佈設。如此，當後續形成約280微米寬的第一背面指狀電極1061時，兩雷射刻痕10a邊緣與第一背面指狀電極1061邊緣仍能保持一定距離，可以確保兩相鄰的雷射刻痕10a完全地被第一背面指狀電極1061所覆蓋。在其他實施例中，雷射刻痕10a邊緣也可以重疊於第一背面指狀電極1061的邊緣。

本實施例之太陽能電池1在未改變第一背面指狀電極1061與第二背面電極1062的尺寸以及未改變第一背面指狀電極1061與第二背面指狀電極1062覆蓋太陽能電池1背面的比率的前提下，增加了位於第一區域1011a的第一背面指狀電極1061下方的雷射刻痕總開口率，進而增加了位於第一區域1011a的第一背面指狀電極1061下方的總背電場區面積。使太陽能電池1正面的發電效率獲得顯著地提升，同時太陽能電池1背面的發電效率也不致發生顯著地下降。

在本實施例之其中一個實施態樣中，位於第一區域1011a之所有第一背面指狀電極1061沿垂直於半導體基板101之方向所對應之第一背電場區105a的面積的總和係為位於第二區域1011b之所有第二背面指狀電極1062沿垂直於半導體基板101之方向所對應之第二背電場區105b的面積總和的5倍，實驗數據顯示可以在1.1倍至10倍之間，較佳為1.5倍至5倍。倘若大於10倍，則太陽能電池1背面受到雷射太多的破壞，將會讓太陽能電池1之背面鈍化效果變差，導致發電效率顯著下降。

請參照第6圖，為本發明第二實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖，本實施例相較於第一實施例的主要差異在於，位於太陽能電池2之第一區域2011a的雷射刻痕20a與位於第二區域2011b的雷射刻痕20h的圖案係成虛線狀。

請參照第7圖，為本發明第三實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖，本實施例相較於第一實施例的主要差異在於，位於太陽能電池3之第一區域3011a的雷射刻痕30a與位於第二區域3011b的雷射刻痕30b的圖案係成點狀。

請參照第8圖，為本發明第四實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖，本實施例相較於第一實施例的主要差異在於，位於太陽能電池4之第一區域4011a的雷射刻痕40a的圖案包含直線與虛線，位於太陽能電池4之第二區域4011b的雷射刻痕40b的圖案僅為單一直線。

請參照第9圖，為本發明第五實施例之太陽能電池的雷射刻痕示意圖，本實施例相較於第一實施例的主要差異在於，位於太陽能電池5之第一區域5011a的雷射刻痕50a的圖案包含直線與圓點，位於太陽能電池5之第二區域5011b的雷射刻痕50b的圖案僅為單一直線。

另外本發明背面電極除前述複數個指狀電極外，還具有與複數個指狀電極相交之匯流電極，以使太陽能電池所產生之電能被導引出而利用。由於匯流電極與指狀電極相交，且指狀電極與開口區及雷射刻痕之佈設方向相同，故匯流電極與開口區及雷射刻痕之佈設方向亦相交。因此太陽能電池照光後產生之電子，可透過位於第一區域與第二區域之雷射刻痕或開口內之背面指狀電極之接觸部進入背面指狀電極，然後再進入與指狀電極相交之匯流電極而被輸出。

本發明之技術內容已以數個實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所做些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明之範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。