TWI578549B

TWI578549B - 光電元件、包含其之太陽能電池

Info

Publication number: TWI578549B
Application number: TW104100907A
Authority: TW
Inventors: 厲文中
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2017-04-11
Also published as: CN105990457B; CN105990457A; TW201626587A

Description

光電元件、包含其之太陽能電池

本發明係關於一種光電元件及包含其之太陽能電池。

由於全球能源的持續短缺且對於能源的需求與日俱增，因此如何提供環保且乾淨的能源便成為目前最迫切需要研究的議題。在各種替代性能源的研究當中，利用自然的太陽光經由光電能量轉換產生電能的太陽能電池，為目前所廣泛應用且積極研發之技術。

太陽能電池係利用具有PN接面(PN-Junction)的矽半導體基材，當照射太陽光後造成光伏效應(Photovoltaics)激發出游離電子。然而，在傳統太陽能電池中，激發所產生的游離電子係無特定的傳輸方向(係以類似擴散的方式傳輸)，因此當電子傳輸至射極層時，已因半導體材料的阻抗而造成能量的部分損耗。

基於上述，發展出一種可改善上述習知技術缺失之太陽能電池，實為目前太陽能電池技術所迫切需要的。

本發明提供一種光電元件及包含其之太陽能電池。由於該光電元件(或是太陽能電池)的表面具有一阻值較低的電流通道網，可在不減少發電面積的前提下，將照光所產生的電流，有方向性的由矽晶基材傳輸至電極，提升電流的收集效率及降低電流的傳導損耗，提高太陽能電池的整體發電效能。

根據本發明一實施例，本發明提供一種光電元件，包含：一矽晶基材，其中該矽晶基材具有一上表面、一下表面。其中，該上表面具有一第一粗化結構(textured structure)。該第一粗化結構由複數個角錐(pyramid)所組成，每一角錐有二個以上之側面(side face)，且每一側面具有二側邊及一底邊，其中每一側面係由一低摻雜區域及一高摻雜區域所組成，且該高摻雜區域與該側邊緊密相鄰，其中該複數個角錐之高摻雜區域係相互接觸並構成一電流通道網。

根據本發明另一實施例，本發明提供一種太陽能電池，包含：一矽晶基材，其中該矽晶基材具有一上表面、一下表面。該上表面具有一第一粗化結構(textured structure)，其中該第一粗化結構由複數個角錐(pyramid)所組成，每一角錐有二個以上之側面(side face)，且每一側面具有二側邊及一底邊，其中每一側面係由一低摻雜區域及一高摻雜區域所組成，且該高摻雜區域與該側邊緊密相鄰，其中該複數個角錐之高摻雜區域係相互接觸並構成一電流通道網。一第一電極，設置於該矽晶基材之上表面，與該第一粗化結構接觸。以及，一第二電極，設置於該矽晶基材之下表面。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧光電元件

11‧‧‧上表面

12‧‧‧矽晶基材

13‧‧‧下表面

16、16A、16B‧‧‧角錐

21‧‧‧頂角

23‧‧‧側邊

24‧‧‧側面

24A‧‧‧高摻雜區域

24B‧‧‧低摻雜區域

25‧‧‧底邊

28‧‧‧金屬線

40、40A‧‧‧罩幕層

50-54‧‧‧深度

60-64‧‧‧深度

41‧‧‧等向性蝕刻

100‧‧‧太陽能電池

101‧‧‧第一電極

103‧‧‧第二電極

111‧‧‧第一粗化結構

131‧‧‧第二粗化結構

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之光電元件的示意圖。

第2圖係顯示第1圖所述之光電元件其粗化結構之角錐的放大示意圖。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之光電元件的上視示意圖。

第4圖係顯示本發明另一實施例所述之光電元件其粗化結構之角錐的放大示意圖。

第5圖係顯示根據本發明其他實施例所述之光電元件的上視示意圖。

第6圖係顯示根據本發明一實施例所述之光電元件的剖面示意圖。

第7圖係顯示根據本發明一實施例所述之太陽能電池的示意圖。

第8A至8G圖係顯示根據本發明一實施例所述之光電元件的製造流程圖。

第9A至9B圖係第8D圖所述之角錐16A沿方向X的剖面結構示意圖。

第10A至10B圖係顯示根據本發明一實施例所述之太陽能電池的製造流程圖。

第11及12圖係顯示以二次離子質譜儀(SIMS)對實施例1所得之矽晶太陽能電池在不同深度進行量測的結果。

第13圖係顯示不同濃度摻質對矽基材電阻率的影響。

在不同的特徵中所對應之數字和符號，除非另有註記，一般而言視為對應部份。所繪示的特徵清楚地標明了具體實施方式的相關態樣，且其並不一定依比例繪製。

本發明係揭露一種光電元件及包含其之太陽能電池。該光電元件可包含：一矽晶基材，其中該矽晶基材具有一上表面、及一下表面。該矽晶基材可為一單晶矽基材、或一多晶矽基材。其中，該上表面具有一第一粗化結構(textured structure)。該第一粗化結構由複數個角錐(pyramid)所組成。該複數個角錐可獨立為三角錐(triangular pyramid)、四角錐(quadrangular pyramid)、五角錐(pentagonal pyramid)、或六角錐(hexagonal pyramid)，但並不以此為限，且該複數個角錐可具有相同或不同尺寸。值得注意的是，該角錐每一側面係由一低摻雜區域及一高摻雜區域所組成，而該複數個角錐之高摻雜區域係相互接觸並構成一電流通道網。

請參照第1圖，係顯示本發明一實施例所述之光電元件10。該光電元件10具有一矽晶基材12，該矽晶基材12具有一上表面11、及一下表面13。該矽晶基材12具有第一導電性(可為n型或p型導電性，例如p型導電性)，可具有一厚度介於約50μm至500μm之間。其中，該上表面11具有一第一粗化結構(textured structure)111。在此實施例中，該第一粗化結構(textured structure)111可由複數個四角錐16所組成，其中該複數個四角錐16的尺寸可為相同或不同。請參照第2圖，係為第1圖所述之四角錐16的放大示意圖。該四角錐16係具有一個頂角(top vertex)21、及四個側面24，每一個側面具有二個側邊23以及一個底邊25，其中每一側面24係由一高摻雜區域24A及一低摻雜區域24B所組成，而任兩相鄰的四角錐16係以底邊25相疊的方式相互接觸。其中，該側邊23及該底邊25的長度可介於約3μm至20μm之間。值得注意的是，在每一個側面24的該高摻雜區域24A，係與該側面的該側邊23緊密相鄰；而且，該四角錐16每一側面的該高摻雜區域係相交於該頂角(top vertex)21。該高摻雜區域24A之面積可佔該側面24總面積約5%至25%，若低於下限值，因為高摻雜區24A串接形成的低電阻發電流通道網面積太小或不連續，無法達到提升導電效果太小；反之，若高於上限值，則高摻雜區24A的面積占比例太高，高摻雜相對會降低光伏發電壓，犧牲過多的可做為低摻雜的高發電電壓的面積。

該高摻雜區域24A及該低摻雜區域24B具有一第二導電性(可為p型或n型導電性，例如n型導電性)。舉例來說，若該矽晶基材係為p型導電性，則該高摻雜區域24A及該低摻雜區域24B係為n型導電性(例如以磷滲入矽晶層)；另一方面，若該矽晶基材係為n型導電性，則該高摻雜區域24A及該低摻雜區域24B係為p型導電性(例如以硼滲入矽晶層)。如此一來，當該光電元件照光後，該矽晶基材與該第一粗化結構之低摻雜區域24B(或該高摻雜區域24A)間產生P-N接面(P-N junction)，因此產生一第一驅力，將一載子(例如電子)由該矽晶基材傳輸至該低摻雜區域24B(或該高摻雜區域24A)。

該高摻雜區域之表面摻雜濃度可介於約5E+20 atoms/cm³至8E+22 atoms/cm³，且該低摻雜區域之表面摻雜濃度可介於約1E+19 atoms/cm³至5E+21 atoms/cm³。此外，該高摻雜區域24A之摻雜濃度與該低摻雜區域24B之表面摻雜濃度比可介於5倍至1000倍之間。由於高摻雜區域24A之表面摻雜濃度係為該低摻雜區域24B的約5倍至1000倍。因此該高摻雜區域24A相對於該低摻雜區域24B具有降低的電阻，可使得該四角錐16之高摻雜區域24A能與該低摻雜區域24B間產生一第二驅力，導致照光後藉由第一驅力從矽晶基材所導引出的載子(例如電子)可進一步快速由該低摻雜區域24B傳輸至該高摻雜區域24A。如此一來，該複數之四角錐16相互接觸之高摻雜區域24A可構成一電流通道網，用來快速傳遞載子(例如電子)，請參照第3圖(係為本發明一實施例所述光電元件10的上視示意圖)。

根據本發明另一實施例，在該四角錐16的每一側邊23上，可進一步配置一金屬線28，並與該高摻雜區域24A直接接觸，請參照第4圖。該金屬線28之材質可為鎳、鈷、或銅，形成方式可有兩種，第一種是技術成熟的IC半導體之多晶矽閘極(gate)的金屬化製程，第二種技術是矽晶太陽電池的電鍍電極技術，前者成本較高，後者成本較低。由於金屬線28與該高摻雜區域24B相比，具有更低的電阻，可使得該四角錐16之高摻雜區域24A能與該金屬線28產生一第三驅力，導致藉由第二驅力由低摻雜區域24B傳輸至該高摻雜區域24A的載子(例如電子)可進一步快速由該高摻雜區域24A傳輸至該金屬線28。如此一來，該複數之四角錐16相互接觸之金屬線28可構成一金屬網，用來快速收集載子(例如電子)，請參照第5圖(係為本發明一實施例所述光電元件10的上視示意圖)。該高摻雜區域24A可部份被該金屬線28所覆蓋(如第5圖所示)，亦可完全被該金屬線28所覆蓋。根據本發明某些實施例，該高摻雜區域24A被該金屬線28所覆蓋的區域佔該高摻雜區域24A面積的50-100%。若該高摻雜區域24A被該金屬線28所覆蓋的區域小於高摻雜區域24A面積的50%，則所形成的金屬線28有可能會因為過細而形成非連續的金屬線；若該高摻雜區域24A係部份被該金屬線28所覆蓋，則金屬線可提供更低的電流通道，提高電流傳導效率。

根據本發明其他實施例，本發明所述之光電元件10，除了該上表面11可具有一第一粗化結構(textured structure)111外，該下表面13亦可具有一第二粗化結構(textured structure)131，請參照第6圖(係為本發明一實施例所述光電元件10的剖面視示意圖)。該第二粗化結構(textured structure)131的定義與該第一粗化結構(textured structure)111相同，且可與該第一粗化結構(textured structure)111在相同步驟中同時形成，或是與該第一粗化結構(textured structure)111在不同步驟中先後形成。

根據本發明某些實施例，本發明亦提供一種包含上述光電元件之矽晶太陽能電池。請參照第7圖，該矽晶太陽能電池100可包含第1圖所示之光電元件、一第一電極101設置於該光電元件10之矽晶基材12的上表面11上、以及一第二電極 103設置於該光電元件10之矽晶基材12的下表面13上(可部份或完全設置於該下表面13上)。由於該第一電極101係與該第一粗化結構(textured structure)111直接接觸，因此由該高摻雜區域24A所可構成的電流通道網亦與該第一電極101直接接觸。如此一來，當矽晶太陽能電池100照光後，藉由第一驅力(由該矽晶基材12與該第一粗化結構之低摻雜區域24B(或該高摻雜區域24A)間P-N接面(P-N junction)所產生)、及第二驅力(高摻雜區域24A能與該低摻雜區域24B間電阻差異所產生)導入至該電流通道網的電流，可進一步被該第一電極101所收集。由於該電流通道網，可更有效率的收集藉由P-N接面所產生之載子，而該載子可再透過電流微米通道的連接傳輸到第一電極101。與傳統矽晶太陽能電池相比，所產生的電流不會無系統方向的四處逸散，而是有系統性進入具有更低阻抗的電流通道網(這是因為高摻雜區域24A的阻抗較該低摻雜區域24B低)，因此可並避免照光所產生的電流因為半導體材料的阻抗而造成損耗。此外，由於該電流通道網可大幅增加電流的收集效率，因此本發明所述之矽晶太陽能電池100其第一電極101之間的間隔可適需要調整至較傳統矽晶太陽能電池更長的間隔，因此可減少該第一電極101配置於該上表面11的數量，增加矽晶太陽能電池100的照光面積。

根據本發明其他實施例，該矽晶太陽能電池之該第一粗化結構(textured structure)可更包含第5圖所述之金屬網，即在第一粗化結構的四角錐(pyramid)的每一側邊上，可進一步配置一金屬線，並與該高摻雜區域直接接觸。如此一來，當矽晶太陽能電池照光後，藉由第一驅力(由該矽晶基材與該第一粗化結構之低摻雜區域(或該高摻雜區域)間P-N接面(P-N junction)所產生)、第二驅力(由高摻雜區域與低摻雜區域間之電壓差梯度所產生)、及第三驅力(由高摻雜區域與該金屬線間電阻差異所產生)導入至該金屬網的電流，可進一步被該第一電極101所收集。

此外，根據本發明其他實施例，該矽晶太陽能電池之矽晶基材之下表面可更具有一第二粗化結構(textured structure)(即該矽晶太陽能電池具有第7圖所述之矽晶基材12)，而該第二電極係與該第二粗化結構直接接觸。如此一來，該矽晶太陽能電池可具有強化第二粗糙化結構的第二電極之局部背電場。在此，該第二電極可部份配置於該第二粗化結構(即非完全覆蓋該第二粗化結構)，但本發明不以此為限。

第8A至8G圖係為一系列示意圖，用以說明本發明一實施例所述之光電元件10其製造流程。

首先，提供一矽晶基材12，該矽晶基材12可為一單晶矽基材、或一多晶矽基材，請參照第8A圖。該矽晶基材12可具有一厚度介於50μm至500μm之間。

接著，對矽晶基材12之一表面進行一粗糙化製程，以形成複數個角錐(例如四角錐)16A於該表面上，請參照第8B圖。該粗糙化製程可為將矽晶基材12的一表面浸漬於經加熱的鹼液中(例如含氫氧化鉀或氫氧化鈉的溶液)中，但本發明不以此為限。本發明採用的是將矽晶太陽電池晶片浸泡於攝氏80度的高溫KOH-IPA混合溶液之鹼蝕刻製程30分鐘，濃度比例為氫氧化鉀KOH(45%)：異丙醇(IPA)：超純水(DIW)=1：2.2：36.7，因為該鹼蝕刻溶液對於矽晶片表面晶格方向(100)的單晶矽面上進行異向性的化學蝕刻產生晶格方向(111)面的微米金字塔角錐結構。

接著，坦覆性形成一遮罩層40於該基材12的上表面，以覆蓋該複數個角錐(例如四角錐)16A的所有側面，請參照第8C圖。該遮罩層40之材質可例如氮化矽層、二氧化矽層或是二氧化矽層與氮化矽層之複合結構層，遮罩層厚度需搭配濕蝕刻作用的反應時間與後續高溫摻雜擴散製程。本發明採用遮罩層40的測試材料為氮化矽層，形成方式可例如為：物理蒸氣沈積(PVD)、化學蒸氣沈積(CVD)、電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)。

接著，對該罩幕層40進行等向性(isotropic)蝕刻(例如為一濕蝕刻，濕蝕刻液可例如為氫氟酸溶液HF(酸蝕刻溶液)或氫氧化鈉溶液NaOH(鹼蝕刻溶液)。請參照第9A圖，係為第8C圖所述角錐16A沿方向X的剖面結構圖，由於該角錐16A係具有折角(即角錐兩個相鄰側面的夾角小於180度)的幾何結構，因此當對該罩幕層40進行等向性(isotropic)蝕刻41時，由於蝕刻的加乘效應，位於側邊(角錐兩個相鄰側面共用的邊)上的罩幕層40其蝕刻速率明顯大於側面上平坦區域，且蝕刻的加乘效應當兩個側面的夾角(即折角)愈小愈明顯。值得注意的是，該等向性(isotropic)蝕刻並不會完全移除該罩幕層40，而是用來將位於側邊(或位於側面但接近側邊)的罩幕層40移除，因此位於該角錐16A側邊及頂角的罩幕層40，在蝕刻後會裸露出來，請參照第8B圖及第8D圖。換言之，當該等向性(isotropic)蝕刻將相鄰於側邊(或位於側面但接近側邊)的罩幕層40移除後，則停止該等向性蝕刻。由於蝕刻的加乘效應，可使得位於側邊(或位於側面但接近側邊)的罩幕層40加速被蝕刻移除(露出部份矽晶基材12)，而保留位於側面但較遠離側邊的罩幕層40A(矽晶基材12仍被罩幕層40所覆蓋)，得到如第8D圖所示結構。

接著，對第8D圖所述結構進行一第一次摻雜物製程，使得摻雜物進入未被罩幕層40覆蓋的矽晶基材12(即該側面與該側邊相鄰的部份)，得到一第一摻雜區域24A，如第8E圖所示。該第一次摻雜物製程實施的方式，如發明內容【0012】之說明，第一摻雜區域24A為高濃度摻雜區域，若該矽晶基材係為p型導電性，則第一摻雜區域24A係進行第一次n型導電性之高溫擴散摻雜(例如以磷滲入矽晶層)；另一方面，若該矽晶基材係為n型導電性，則第一摻雜區域24A係進行第一次p型導電性之高溫擴散摻雜(例如以硼滲入矽晶層)。本發明採用的是矽晶基材係為p型導電性，第一摻雜區域24A係進行第一次高溫磷擴散摻雜，攝氏800度POCl₃擴散製程，第1次摻表面雜濃度可約為1E+20 atoms/cm³至5E+21 atoms/cm³。

接著，移除該罩幕層40A，露出角錐16B側面的矽晶基材，如第8F圖所示。移除該遮罩層40A的方式可例如為浸泡氫氟酸HF溶液，因為氫氟酸HF溶液對於本發明採用的氮化矽遮罩層有良好的蝕刻去除反應速率，對矽基材有非常高的選擇比，僅蝕刻去除遮罩層不蝕刻矽晶材料。HF溶液濃度為HF(49%)：DIW=1：20，浸泡時間約10~20分鐘，浸泡時間須配合去除遮罩層厚度調整完全去除遮罩層40A。

最後，對第8F圖所述結構進行一第二次摻雜物製程，得到一第二摻雜區域24B(即一低摻雜區域)，並使得該第一摻雜區域24A成為一高摻雜區域，至此得到本發明所述的光電元件10。該第二次摻雜物製程實施的方式，如發明內容之說明，若該矽晶基材係為p型導電性，則該高摻雜區域24A及該低摻雜區域24B係為n型導電性(例如以磷滲入矽晶層)；另一方面，若該矽晶基材係為n型導電性，則該高摻雜區域24A及該低摻雜區域24B係為p型導電性(例如以硼滲入矽晶層)。本發明採用的是矽晶基材係為p型導電性，第二摻雜係進行低摻雜濃度之高溫磷擴散摻雜，攝氏800度POCl₃擴散製程，使得低摻雜區域24B之摻雜濃度介於1E+19至5E+21[atoms/cm³]；使得高摻雜區域24A經兩次的高溫磷擴散形成高摻雜濃度介於約5E+20 atoms/cm³至8E+22 atoms/cm³。

本發明一實施例亦提供第4圖所述具有金屬網的光電元件之製造方法。矽半導體材料的角椎體邊角側邊的金屬導線之製造方法可以採用兩種方法，第一種是技術成熟的IC半導體之多晶矽閘極(gate)的金屬化製程，第二種技術是矽晶太陽電池的電鍍電極技術，前者成本較高，後者成本較低。本發明實施例採用矽晶太陽電池電鍍電極技術，進行角椎體邊角側邊金屬導線的製造方法，(1)首先要先完成矽晶光電元件的前半段製程，到完成矽基材的複合式擴散摻雜PN-Junction結構；(2)接下步驟是製作僅在角錐邊角側邊裸露的遮罩(mask)，遮罩(mask)製程與材料類同於第8C圖至第8D圖，讓角錐平面區域被絕緣層薄膜覆蓋保護與絕緣，遮罩(mask)的材料可為二氧化矽(SiO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、或兩者之複合材料；(3)接下步驟是將完成遮罩(mask)的光電元件半成品置入電鍍溶液中，利用光伏發電原理產生自發生電鍍的現象，裸露的角錐邊角側邊的電鍍出金屬導線。

根據本發明實施例，矽晶基材背面的第二粗糙化結構，與第一粗糙化結構可利用晶片粗糙化(texturing)處理一次完成的，矽晶基材(例如具有p型導電性、厚度為200um)之下表粗糙面以KOH-IPA溶液之濕式鹼蝕刻製程，氫氧化鉀KOH(45%)：異丙醇(IPA)：超純水(DIW)=1：2.2：36.7，反應溫度攝氏80度，反應時間30分鐘。

此外，根據本發明另一實施例，本發明亦提供一種太陽能電池100的製造方法。首先，請參照第10A圖，在完成本發明所述之光電元件(例如第8G圖所示之光電元件，但此僅為舉例，本發明並不以此為限，亦可為具有金屬網、或是第二粗化結構的光電元件)後，形成一第一電極101於部份該矽晶基材12之上表面11，與該具有複數個角錐16之第一粗化結構接觸(即與高摻雜區域所構成之電流通道網接觸)。該第一電極101之材質可例如為銀、鋁、銅、或其合金，其形成方式可例如為摻有銀粉或鋁粉之合金膠料的電極網印燒結製程，或是電鍍電極製程。

接著，請參照第10B圖，於該矽晶基材12之下表面13上形成一第二電極，該等二電極可部份或完全覆蓋該下表面13，至此得到本發明所述的太陽能電池100。該第二電極103之材質可例如為鋁-矽合金，其形成方式可例如為摻有銀粉或鋁粉之合金膠料的電極網印燒結製程，或是電鍍電極製程。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例，來說明本發明所述之矽晶太陽能電池及其製造方法。

矽晶太陽能電池之製備

實施例1

首先，將一矽晶片(具有p型導電性、厚度為200um)之上表面以KOH-IPA溶液之濕式鹼蝕刻製程，氫氧化鉀KOH(45%)：異丙醇(IPA)：超純水(DIW)=1：2.2：36.7，反應溫度攝氏80度，反應時間30分鐘，進行表面粗糙化(texturing)處理，使該矽晶片具有一第一粗化結構。其中，該第一粗化結構具有複數個角錐。接著，坦覆性形成一氮化矽層(Si₃N₄)(作為遮罩層)於該矽晶片的上表面，以完全覆蓋該複數個角錐的所有側面。該氮化矽層(Si₃N₄)厚度係為120nm，形成方式係為PECVD之氮化矽層(Si₃N₄)。接著，對覆蓋該第一粗化結構的氮化矽層(Si₃N₄)進行一氫氟酸濕蝕刻製程(HF(49%)：DIW=1：20，室溫)，時間700秒。由於蝕刻的加乘效應，使得位於角錐側邊(角錐兩個相鄰側面共用的邊)上的氮化矽層(Si₃N₄)蝕刻速率明顯大於側面上平坦區域氮化矽層(Si₃N₄)的蝕刻速率，以將位於側邊(或位於側面但接近側邊)的氮化矽層(Si₃N₄)移除，露出位於角錐側邊或接近角錐側邊附近的些許側面之矽晶片表面，保留位於角錐側面但較遠離側邊的氮化矽層(Si₃N₄)；亦即形成僅於角錐邊角裸露的遮罩層(mask)。請參照附件1，係為經蝕刻後的矽晶片之掃描式電子顯微鏡(SEM)圖譜。由附件1可知，位於角錐邊角的氮化矽層(作為遮罩)係被該蝕刻所移除，露出矽基材。接著，將對覆被該氮化矽層(Si3N4)遮罩層(Mask)矽晶片進行一第一摻雜物製程，本發明矽晶太陽電池實施例採用的是矽晶基材係為p型導電性，第一摻雜物製程係進行角錐邊角的第一次高溫磷擴散摻雜，攝氏800度POCL3擴散製程。接著，移除氮化矽層(Si3N4)遮罩層(Mask)，露出角錐側面的矽晶片表面，使用氫氟酸溶液室溫浸泡20分鐘，HF溶液濃度為HF(49%)：DIW=1：20。接著，對該矽晶片進行一第二次摻雜物製程，使得角錐之平面區域形成低摻雜濃度之高溫磷擴散摻雜，使得角錐之側邊區域經第二次的高溫磷擴散形成高摻雜濃。角錐體形成具有複合式摻雜濃度的角椎體，角椎體之側面為具有一低摻雜區域，角椎體之側邊區域為一高摻雜區域；該複數個角錐之高摻雜區域係相互接觸並構成一電流通道網。接著，去除矽晶片表面磷玻璃層(PSG)與在矽晶片表面覆被氮化矽層(Si₃N₄)之抗反射薄膜。接著，矽晶片的上表面以網印方式塗佈含銀、或/及鋁之上電極膠料，在矽晶片的下表面以網印方式塗佈下電極鋁膠。最後，對矽晶片進行一燒結(sintering)製程，以在矽晶片的上表面形成一圖形化第一電極(與電流通道網接觸)，並在矽晶片的下表面形成一第二電極(鋁-矽合金)與矽晶片直接接觸。請參照附件2，係為實施例1所述之矽晶太陽能電池其剖面掃描式電子顯微鏡(SEM)圖譜。

比較實施例1

首先，將一矽晶片(p-type)之上表面以KOH-IPA溶液之濕式鹼蝕刻進行表面粗糙化(texturing)處理製程。接著，將晶片置於一高溫爐中並通入含磷氣體，使磷滲入矽晶片表層。接著，去除矽晶片表面磷玻璃層(PSG)與在矽晶片表面覆被氮化矽層(Si₃N₄)之抗反射薄膜。接著，在矽晶片的上表面以網印方式塗佈含銀、或/及鋁之漿料，在矽晶片的下表面以網印方式塗佈鋁漿。最後，對矽晶片進行一燒結(sintering)製程，以在矽晶片的上表面形成一第一電極(穿過抗反射層與與摻雜層接觸)，並在矽晶片的下表面形成一第二電極(鋁-矽合金)與矽晶片直接接觸。

矽晶太陽能電池之電性量測

對實施例1及比較實施例1所得之太陽能電池進行電性測試，結果如表1所示。

由以上量測可知，本發明所述之太陽能電池，由於該光電元件(或是太陽能電池)的射極層(emitter)是利用高濃度與低濃度之複合式擴散摻雜製程形成，射極層(Emitter)內具有一利用高濃度摻雜串連而成的低電阻值之電流通道網，可在不減少發電面積的前提下，將矽晶太陽能電池照光所產生的光伏發電流，更有系統性的提升矽晶電池之射極層(emitter)內部之光伏發電流之傳輸效率。分析實施例1與比較實施例1的IV電性測試的太陽能電池參數資料，具有射極層電流通道網的實施例1雖然開路電壓Voc減少0.6%，卻可以讓發電流密度增加1.7%與發電效率增加2.0%，證明了實施例1的電流通道網可以提升矽晶太陽電池射極層(Emitter)的電流傳輸能力。與比較實施例1相比，本發明實施例1所述的光電元件具有以下優點：(1)電流通道網因為高濃度摻雜具有較低的光伏發電壓，與相鄰低濃度摻雜區較高的光伏發電壓，在幾微米的距離內形成良好的電壓差梯度，驅動射極層(emitter)內的發電流匯集進入電流通道網，(2)電流通道網的高濃度摻雜擴散製程，使得電流通道網具有更低的電阻率與更深的摻雜分佈深度的通電截面積。基於上述功效，本發明所述光電元件的射極層其電流通道網雖然犧牲了局部面積成為較低的光伏發電壓區域，但由於光電元件射極層的電流傳輸效能被提升，因此可達到增加發電流密度(Jsc)與提高光電轉換效率(Eff)的目標。

由以上量測可知，本發明所述之太陽能電池，由於該光電元件(或是太陽能電池)的表面具有一阻值較低的電流通道網，可在不減少發電面積的前提下，將照光所產生的電流，有方向性的由矽晶基材傳輸至電極，提升電流的收集效率及降低電流的傳導損耗，提高太陽能電池的整體發電效能。

高摻雜濃度與低摻雜濃度矽晶太陽電池元件的開路電壓驗證

以下為對標準太陽電池的製程進行驗證之對照實驗。低濃度摻雜電池元件製程：以70ohm表面電阻值為擴散條件進行一次擴散的製程，電池元件的開路電壓(Voc)為0.630V；高濃度摻雜電池元件製程：以50ohm的表面電阻值的擴散條件進行二次擴散的製程，電池元件的開路電壓(Voc)為0.626V。接著，將上述兩種摻雜條件的電池元件進行電性量測，結果如如表2。

由表2可知，二次擴散摻雜的高濃度摻雜電池元件的開路電壓相對低了-4mV。

高摻雜濃度與低重摻雜濃度太陽電池元件的二次離子質譜儀(SIMS)摻雜剖面縱深分析

以二次離子質譜儀(SIMS)對低濃度摻雜電池元件進行二次離子質譜儀(SIMS)摻雜剖面縱深分析，結果如第11圖所示：在深度50(10nm)測得P型載子濃度為1E21、電阻率0.0001ohm-cm(關於電阻率係依據第12圖計算之)；在深度51(42nm)測得P型載子濃度為1E22、電阻率0.001ohm-cm；在深度52(90nm)測得P型載子濃度為1E23、電阻率0.006ohm-cm；在深度53(200nm)測得P型載子濃度為1E23、電阻率0.02ohm-cm；以及，在深度54(260nm)測得P型載子濃度為1E24、電阻率0.1ohm-cm，結果如表3所示。以二次離子質譜儀(SIMS)對高濃度摻雜電池元件進行二次離子質譜儀(SIMS)摻雜剖面縱深分析，結果如第12圖所示：在深度60(25nm)測得P型載子濃度為1E21、電阻率0.0001ohm-cm；在深度61(100nm)測得P型載子濃度為1E20、電阻率0.001ohm-cm；在深度62(200nm)測得P型載子濃度為1E19、電阻率0.006ohm-cm；在深度63(385nm)測得P型載子濃度為1E18、電阻率0.02ohm-cm；以及，在深度64(480nm)測得P型載子濃度為1E17、電阻率0.1ohm-cm，結果如表3所示。

由表3以及第11及12圖可知，二次擴散的高濃度摻雜的摻雜濃度分佈是一次擴散的低濃度摻雜的摻雜深度的兩倍以上。

矽半導體材料摻雜濃度與電阻值的關係分析

矽半導體摻雜濃度與電阻率研究成果如第13圖所示(資料來源PVeducation)。請參照表4，係為矽半導體摻雜濃度與電阻率之對應關係資料。

由表3-4及第11-13圖可知，二次擴散的高濃度摻雜製程比起一次擴散的低濃度摻雜製程，最重要的導電率提升關鍵是在二次擴散摻雜製程增加了摻雜濃度大於1E20[atoms/cm³]的低電阻區域的分佈深度。以n-Si的磷(P)摻雜的矽材料而言，摻雜濃度1E21[atoms/cm³]電阻率為0.0001ohm-cm，摻雜濃度1E20[atoms/cm³]的電阻率為0.001ohm-cm。二次擴散的高濃度摻雜的SIMS分析圖(如第12圖)與一次擴散的低濃度摻雜的SIMS分析圖(如第11圖)的分佈深度對導電能力變化的分析如下：(1)摻雜濃度1E21[atoms/cm³](電阻率0.0001ohm-cm)的分佈深度由10nm延伸到25nm，雖只增加15nm的分佈深度，導電能力提升的效果是摻雜濃度1E19[atoms/cm³](電阻率0.006ohm-cm)的分佈深度要增加60x15nm=900nm的分佈深度；電導率是電阻率的倒數(電導率=1/電阻率)，1E21[atoms/cm³]摻雜濃度導電率是1E19[atoms/cm³]摻雜濃度導電率的60倍。(2)同理，摻雜濃度1E20(電阻率0.001ohm-cm)的深度由42nm延伸到100nm，雖然只增加58nm的分布深度，導電能力提升的效果是相當於是摻雜濃度1E19[atoms/cm³](電阻率0.006ohm-cm)的分佈深度要增加6x58nm=348nm的分佈深度。(3)摻雜濃度1E19[atoms/cm³](電阻率0.006ohm-cm)的深度由90nm延伸到200nm，增加110nm的分布深度。由上述結果可知，二次擴散摻雜製程對於導電率提升的貢獻效果依序為(1)>(2)>(3)。本發明具有電流通道網的矽晶太陽電池之擴散摻雜製程，要提高矽基材的導電能力，關鍵因素在於摻雜濃度大於1E20[atoms/cm³]的高摻雜濃度分佈深度增加量，其中又以大於1E21[atoms/cm³]的高摻雜濃度分佈深度增加量對提高導電率效果最好。

本發明目的之一係提高矽晶太陽電池的射極層(emitter)電流傳輸效率，由第6圖所述之矽晶太陽電池的示意圖可知，矽晶太陽能電池係利用具有PN接面(PN-Junction)的矽半導體基材照射太陽光後造成光電效應(Photovoltaics)激發出游離電子，PN接面(PN-Junction)上層的射極層(Emitter)除了發電的功能，也必須要具有傳輸電流到上電極(第一電極101)的功能。由上述摻雜分佈深度與電阻率的分析可知，增加大於1E20的高摻雜濃度分佈深度可提高射極層的導電率(導電率=1/電阻率)，但是由高摻雜濃度與低摻雜濃度矽晶太陽電池元件的開路電壓驗證可知，較高摻雜濃度與較深分佈的摻雜擴散反而會降低矽晶太陽電池的開路電壓。單一化擴散摻雜的製程無法兼顧導電率與開路電壓，已讓矽晶太陽電池面臨矽半導體材料帶來的射極層摻雜擴散的限制瓶頸。因此，本發明利用抗反射結構中的微米尺寸角錐體形成具有複合式摻雜濃度的角椎體(如第2圖)(角椎體之側面為具有一低摻雜區域，角椎體之側邊區域為一高摻雜區域)，而該複數個角錐之高摻雜區域係相互接觸並構成一電流通道網(如第3圖)。由高摻雜濃度與低摻雜濃度矽晶太陽電池元件的開路電壓驗證分析可知，雖然高濃度與低濃度摻雜的電池元件之開路電壓(Voc)雖然只相差-4mV，但是將此種高濃度摻雜PN-Junction與低濃度摻雜PN-Junction縮小成結合在具有複合式摻雜濃度的微米尺寸的角椎體中。高濃度與低摻雜濃度兩種PN-Juntion的光伏電壓差雖然很小(-4mV)，因為角錐體的大小尺寸僅介於3um~20um。以能量理論的觀點，高濃度與低摻雜濃度兩種PN-Juntion將形成良好電壓差梯度。換言之，射極層中多了第二驅動力驅動發電流往電流通道網進行匯集傳輸，電流通道網設計上是具有較深分佈的高摻雜濃度(>1E20[atoms/cm³])之低電阻傳導通道。另一方面，本發明的矽晶太陽電池射極層利用電池元件表面的抗反射微米角椎體的幾何結構，成功的製造成複合式的高濃度與低濃度並存的複合式摻雜擴散之射極層，大幅提升矽晶太陽電池的射極層(emitter)之電流傳導效率，達到提高矽晶太陽電池發電效率與發電流密度的目標。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。

10‧‧‧光電元件

11‧‧‧上表面

12‧‧‧矽晶基材

13‧‧‧下表面

16‧‧‧角錐

111‧‧‧第一粗化結構

Claims

一種光電元件，包含：一矽晶基材，其中該矽晶基材具有一上表面、以及一下表面，其中該上表面具有一第一粗化結構(textured structure)，該第一粗化結構由複數個角錐(pyramid)所組成，每一角錐有二個以上之側面(side face)，且每一側面具有二側邊及一底邊，其中每一側面係由一低摻雜區域及一高摻雜區域所組成，且該高摻雜區域與該側邊緊密相鄰，其中該複數個角錐之高摻雜區域係相互接觸並構成一電流通道網，其中該高摻雜區域之表面摻雜濃度與該低摻雜區域之表面摻雜濃度比介於5倍至1000倍之間。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該矽晶基材具有一第一導電性，而該低摻雜區域及該高摻雜區域具有一第二導電性。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該複數個角錐擇自由三角錐(triangular pyramid)、四角錐(quadrangular pyramid)、五角錐(pentagonal pyramid)、及六角錐(hexagonal pyramid)所組成之族群。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該矽晶基材係為一單晶矽基材、或一多晶矽基材。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該高摻雜區域之表面摻雜濃度係介於5E+20 atoms/cm³至8E+22 atoms/cm³之間。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該低摻雜區域之表面摻雜濃度係介於1E+19 atoms/cm³至5E+21 atoms/cm³之間。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該高摻雜區域的摻雜剖面縱深分析，摻雜濃度1E+21 atoms/cm³之摻雜分佈深度係介於20nm至100nm。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該高摻雜區域的摻雜剖面縱深分析，摻雜濃度1E+20 atoms/cm³之摻雜分佈深度係介於80nm至200nm。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該高摻雜區域之面積佔該側面總面積的5%至25%。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該角錐具有一頂角(top vertex)，且該角錐每一側面的該高摻雜區域係相交於該頂角。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中當該光電元件照光後，該矽晶基材與該第一粗化結構之低摻雜區域間產生一第一驅力，將一載子由該矽晶基材傳輸至該低摻雜區域。
如申請專利範圍第10項所述之光電元件，其中當該光電元件照光後，該低摻雜區域及該高摻雜區域間產生一第二驅力，將一載子由該低摻雜區域傳輸至該高摻雜區域。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，更包含：一金屬網，包含複數之金屬線，每一金屬線係形成於每一角錐的該側邊上，並與該高摻雜區域直接接觸。
如申請專利範圍第13項所述之光電元件，其中當該光電元件照光後，該高摻雜區域與該金屬線間產生一第三驅力，將一載子由該高摻雜區域傳輸至該金屬線。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，更包含：一第二粗化結構(textured structure)配置於該下表面。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該側邊及該底邊的長度係介於3μm至20μm之間。
如申請專利範圍第1項所述之光電元件，其中該矽晶基材的厚度係介於50μm至500μm之間。
一種太陽能電池，包含：一矽晶基材，其中該矽晶基材具有一上表面、一下表面，其中該上表面具有一粗化結構(textured structure)，該粗化結構由複數個角錐(pyramid)所組成，每一角錐有二個以上之側面(side face)，且每一側面具有二側邊，其中每一側面係由一低摻雜區域及一高摻雜區域所組成，且該高摻雜區域與該側邊緊密相鄰，其中該複數個角錐之高摻雜區域係相互接觸並構成一電流通道網，其中該高摻雜區域之表面摻雜濃度與該低摻雜區域之表面摻雜濃度比介於5倍至1000倍之間；一第一電極，設置於該矽晶基材之上表面，與該第一粗化結構接觸；以及一第二電極，設置於該矽晶基材之下表面。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該矽晶基材具有一第一導電性，而該低摻雜區域及該高摻雜區域具有一第二導電性。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該複數個角錐擇自由三角錐(triangular pyramid)、四角錐(quadrangular pyramid)、五角錐(pentagonal pyramid)、及六角錐(hexagonal pyramid)所組成之族群。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該矽晶基材係為一單晶矽基材、或一多晶矽基材。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該高摻雜區域的射極層之表面摻雜濃度係介於5E+20 atoms/cm³至8E+22 atoms/cm³之間。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該低摻雜區域的射極層之表面摻雜濃度係介於1E+19 atoms/cm³至5E+21 atoms/cm³之間。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該高摻雜區域的摻雜剖面縱深分析，摻雜濃度1E+21 atoms/cm³之摻雜分佈深度係介於20nm至100nm。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該高摻雜區域的摻雜剖面縱深分析，摻雜濃度1E+20 atoms/cm³之的係介於80nm至200nm。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該高摻雜區域之面積佔該側面總面積的5%至25%。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該角錐具有一頂角(top vertex)，且該角錐每一側面的該高摻雜區域係相交於該頂角。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中當該太陽能電池照光後，該矽晶基材與該第一粗化結構之低摻雜區域間產生一第一驅力，將一載子由該矽晶基材傳輸至該低摻雜區域。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中當該太陽能電池照光後，該低摻雜區域及該高摻雜區域間產生一第二驅力，將一載子由該低摻雜區域傳輸至該高摻雜區域。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，更包含：一金屬網，包含複數之金屬線，每一金屬線係形成於每一角錐的該側邊上，並與該高摻雜區域直接接觸。
如申請專利範圍第30項所述之太陽能電池，其中當該光電元件照光後，該高摻雜區域與該金屬線間產生一第三驅力，將一載子由該高摻雜區域傳輸至該金屬線。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，更包含：一第二粗化結構(textured structure)配置於該下表面。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該側邊及該底邊的長度係介於3μm至20μm之間。
如申請專利範圍第18項所述之太陽能電池，其中該矽晶基材的厚度係介於50μm至500μm之間。