TWI581442B - 太陽能電池之製造方法 - Google Patents

Description

太陽能電池之製造方法

本發明係關於一種太陽能電池之製造方法，特別是關於一種包含雷射摻雜選擇性射極製程的太陽能電池之製造方法。

在傳統太陽能電池的製程中，一般可歸納成下列步驟。首先，提供一矽基板，並且進行表面粗糙化。接著在磷擴散爐管中，在粗糙化表面上形成磷玻璃層及在矽基板的背面形成溢鍍層，且藉由擴散作用於矽基板的粗糙化表面形成射極。在連續式洗滌槽中移除溢鍍層及磷玻璃層。利用化學氣相沉積法，在矽基板的粗糙化表面上形成一抗反射層。最後利用網印法，在抗反射層中形成電極。

在上述移除溢鍍層及磷玻璃層的步驟中，一般係讓矽基板通過三階段連續式洗滌槽，依序移除矽基板上的溢鍍層及磷玻璃層。三階段連續式洗滌槽主要係由三個酸鹼槽體串接構成，並且在二槽體之間設置一純水槽，藉以移除殘留於矽基板表面的酸鹼液及避免槽體之間的汙染。

在三階段連續式洗滌槽中，第一槽體係為混合酸 液，其係由硫酸、硝酸和氫氟酸混合而成。由於硫酸比重大，因此矽基板不會沉入混合酸液中，只會浮在混合酸液的液面，藉以移除位於矽基板背面的溢鍍層。

第二槽體係為氫氧化鉀水溶液。氫氧化鉀一方面可以中和第一槽的混合酸液，另一方面會和矽基板背面少量的磷摻雜層作用，藉以在第三槽體中移除矽基板背面的磷摻雜層。

第三槽體係為氫氟酸水溶液。承上所述，氫氟酸可用以移除矽基板背面已和氫氧化鉀作用的矽摻雜層，同時可與粗糙化表面上的磷玻璃層作用，移除磷玻璃層，以暴露矽基板的粗糙化表面和射極。

然而，藉由傳統太陽能電池製造方法所製成之太陽能電池，常出現蝕刻痕跡(etching mark)，以及產生太陽能電池的電位誘發衰減(PID,potential induced degradation)效應。所謂PID效應係指當太陽能模組長期與地面形成高強度電位差，其除了對太陽能電池或模組造成損害外，還容易引發發電效能衰減的問題，進而導致整個發電系統的輸出功率下降。

因此，目前亟需一種新的太陽能電池的製造方法，以解決傳統製造方法所產生的缺失。

本發明係提供一種太陽能電池的製造方法，用以解決傳統製造方法的缺失，並且提升太陽能電池的光電轉換 效率。

本發明之一態樣在於提供一種太陽能電池的製造方法。其製造方法包含以下步驟，首先(1)提供一半導體基板，其係為一第一導電型半導體，且具有一第一表面及一第二表面。接著(2)利用一摻質材料於半導體基板之第一表面上形成一摻質材料層，令使在半導體基板之第一表面內形成一第二型半導體層，且摻質材料在半導體基板之第二表面內形成一摻質溢鍍層，摻質溢鍍層之摻質材料於半導體基板之第二表面內形成一摻質殘留層。

接續上述步驟，(3)進行一雷射摻雜製程於摻質材料層，形成複數個選擇性射極於第二型半導體層中。(4)移除摻質材料層及摻質溢鍍層，以暴露具有選擇性射極的第二型半導體層及摻質殘留層。(5)移除摻質殘留層，以暴露半導體基板之第二表面。(6)形成一抗反射層於第二型半導體層上。接著(7)形成一電極於抗反射層中，且電極係接觸第二型半導體層。

根據本發明之一實施例，上述第一導電型半導體係為一P型半導體。

根據本發明之一實施例，上述步驟(1)更包含粗糙化半導體基板之第一表面。

根據本發明之一實施例，上述第二型半導體層係為一N型半導體層。根據本發明之另一實施例，上述摻質材料係為三氯氧磷(POCl₃)。根據本發明之又一實施例，上述摻質材料層係為一磷玻璃層(PSG)。

根據本發明之一實施例，上述步驟(4)之方法包含一濕式蝕刻法。根據本發明之另一實施例，上述濕式蝕刻法係使用氫氟酸移除該摻質材料層及該摻質溢鍍層。

根據本發明之一實施例，上述步驟(5)之方法包含至少一酸蝕刻法、至少一鹼蝕刻法或其組合。根據本發明之另一實施例，上述步驟(5)係先利用一酸溶液酸化該摻質殘留層，接著利用一鹼溶液移除酸化的該摻質殘留層，再利用氫氟酸中和該鹼溶液。根據本發明之又一實施例，上述酸溶液包含硫酸、硝酸、氫氟酸或其組合。根據本發明之再一實施例，上述鹼溶液包含氫氧化鉀、氫氧化鈉或其組合。 根據本發明之一實施例，上述步驟(5)包含一表面處理步驟，利用該鹼溶液令使該第二型半導體層的金字塔微結構具有光滑表面。

根據本發明之一實施例，上述步驟(6)之方法包含物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)。

根據本發明之一實施例，上述抗反射層之材料包含矽氧化合物(SiOx)、矽氮化合物(SiNx)、氧化鋁(Al₂O₃)或碳化矽(SiC)。

根據本發明之一實施例，上述步驟(7)之方法包含網印法。

根據本發明之一實施例，上述電極之材料包含金屬或透明導電材料。

110~170‧‧‧步驟

210、300‧‧‧半導體基板

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

220‧‧‧爐管

230‧‧‧摻質材料層

231‧‧‧第二型半導體層

232‧‧‧摻質溢鍍層

233‧‧‧摻質殘留層

234‧‧‧射極

240‧‧‧抗反射層

250‧‧‧電極

310‧‧‧第一槽體

311‧‧‧第一蝕刻槽

312‧‧‧第一純水槽

320‧‧‧第二槽體

321‧‧‧第二蝕刻槽

322‧‧‧第二純水槽

330‧‧‧第三槽體

331‧‧‧第三蝕刻槽

332‧‧‧第三純水槽

340‧‧‧第四槽體

341‧‧‧第四蝕刻槽

342‧‧‧第四純水槽

A‧‧‧摻質材料

D₁‧‧‧電極寬度

D₂‧‧‧射極寬度

第1圖係根據本發明之一實施例所繪示之太陽能電池之製造方法流程圖；第2A圖至第2H圖係根據本發明之實施例所繪示之製造太陽能電池之結構剖面圖；第3圖係根據本發明之一實施例所繪示之四階段連續式洗滌槽；第4圖係根據本發明之一實施例所提供之部分太陽能電池影像；第5A圖係一傳統太陽能電池之粗糙表面影像，其中箭頭指出粗糙表面之孔洞；以及第5B圖係根據本發明之一實施例所提供之太陽能電池之粗糙表面影像。

接著以實施例並配合圖式以詳細說明本發明，在圖式或描述中，相似或相同的部分係使用相同之符號或編號。在圖式中，實施例之形狀或厚度可能擴大，以簡化或方便標示，而圖式中元件之部分將以文字描述之。可瞭解的是，未繪示或未描述之元件可為熟習該項技藝者所知之各種樣式。

第1圖係根據本發明之一實施例所繪示之太陽能電池之製造方法流程圖；而第2A圖至第2H圖係根據本發明之實施例所繪示之製造太陽能電池之結構剖面圖。以下將配合第2A圖至第2H之示範例，詳細說明第1圖所述之 製造流程。

在第1圖之步驟110及第2A圖中，首先提供一半導體基板210，其具有第一表面211及第二表面212。根據本發明之一實施例，半導體基板210係為一第一導電型半導體，例如可為N型半導體或P型半導體。根據本發明之另一實施例，半導體基板210係為一P型半導體之矽基板。

根據本發明之一實施例，第1圖之步驟110更包含粗糙化半導體基板之第一表面，使第2A圖的半導體基板210具有一粗糙的第一表面211。其中，粗糙化步驟包含利用一鹼性濕式蝕刻法，在半導體基板210的第一表面211形成具有複數個微金字塔的粗糙結構。

在第1圖之步驟120中，利用一摻質材料於半導體基板之第一表面上形成一摻質材料層，令使在半導體基板之第一表面內形成一第二型半導體層。同時，摻質材料在半導體基板之第二表面內形成一摻質溢鍍層，摻質溢鍍層之摻質材料於半導體基板之第二表面內形成一摻質殘留層。

請參考第2B圖及第2C圖。在第2B圖中，將半導體基板210置於一爐管220中，並且於爐管220中通入摻質材料A。根據本發明之一實施例，爐管220係為一磷擴散爐管，藉以在半導體基板210之表面形成含磷摻質層。根據本發明之另一實施例，摻質材料A係為三氯氧磷(POCl₃)。

接著在第2C圖中，摻質材料A於半導體基板210 之第一表面211上形成一摻質材料層230，且在半導體基板210之第一表面211內擴散形成一第二型半導體層231。根據本發明之一實施例，摻質材料層230係為一磷玻璃層(PSG)。根據本發明之另一實施例，第二型半導體層231係為一N型半導體層，其中摻雜有磷元素(P)。

同時，摻質材料A亦於半導體基板210之第二表面212上形成一摻質溢鍍層232，且擴散形成一摻質殘留層233於半導體基板210之第二表面212內。

在第1圖之步驟130及第2D圖中，進行一雷射摻雜製程於摻質材料層230，形成複數個選擇性射極234於第二型半導體層231中。根據本發明之一實施例，雷射摻雜製程係對於摻質材料層提供能量，令使摻雜材料在半導體基板中產生重摻雜，形成摻雜深度較深的選擇性射極。根據本發明之一實施例，雷射摻雜製程之雷射功率為5~40瓦。

在第1圖之步驟140及第2E圖中，移除第2D圖中的摻質材料層230及摻質溢鍍層232，以暴露具有選擇性射極234的第二型半導體層231及摻質殘留層233。根據本發明之一實施例，第1圖之步驟140係利用一濕式蝕刻法移除摻質材料層及摻質溢鍍層。在本發明之一實施例中，由於摻雜材料層及摻雜溢鍍層皆為磷玻璃層，且氫氟酸會溶蝕磷玻璃，因此可利用氫氟酸蝕刻移除摻雜材料層及摻雜溢鍍層。

如前所述，摻質材料會擴散且在半導體基板的第二表面形成摻質殘留層。然而摻質殘留層會在半導體基板產 生漏電流，並且長時間使用下容易造成太陽能電池的耗損及降低光電轉換效率，因此必須移除摻質殘留層，以避免產生漏電流。

在第1圖之步驟150及第2F圖中，移除第2E圖中的摻質殘留層233，以暴露半導體基板210之第二表面212。根據本發明之一實施例，第1圖之步驟150包含至少一酸蝕刻法、至少一鹼蝕刻法或其組合。在本發明之一實施例中，第1圖之步驟150係先利用一酸溶液酸化摻質殘留層，接著利用一鹼溶液移除酸化的摻質殘留層，最後再利用氫氟酸中和鹼溶液。

根據本發明之一實施例，第1圖之步驟140及步驟150可於一四階段連續式洗滌槽中進行，如第3圖所示。第3圖係根據本發明之一實施例所繪示之四階段連續式洗滌槽，其包含第一槽體310、第二槽體320、第三槽體330及第四槽體340。

第一槽體310係盛裝一氫氟酸溶液於第一蝕刻槽311中，其係用於移除半導體基板300上的摻質材料層及摻質溢鍍層。根據本發明之一實施例，第一蝕刻槽311中的氫氟酸溶液之濃度係約為6 wt%~12 wt%。接著於第一蝕刻槽311後，半導體基板300需經過第一純水槽312清洗，以避免污染後續之蝕刻液。

第二槽體320係盛裝一酸溶液於第二蝕刻槽321中，其係用於酸化半導體基板300上的摻質殘留層。在本發明之一實施例中，酸溶液包含硫酸、硝酸、氫氟酸或其 組合。由於硫酸比重較大，因此半導體基板300會漂浮在第二蝕刻槽321之酸溶液表面，且只會酸化半導體基板300的第二表面，而不會損害第一表面的第二型半導體層或射極。根據本發明之一實施例，第二蝕刻槽321中的酸溶液之硫酸濃度係約為15 wt%~30 wt%、硝酸濃度係約為15 wt%~30 wt%、氫氟酸濃度係約為1 wt%~5 wt%。接著於第二蝕刻槽321後，半導體基板300需經過第二純水槽322清洗，以避免污染後續之蝕刻液。

半導體基板300係先利用第一蝕刻槽311的氫氟酸移除摻質材料層及摻質溢鍍層，且暴露第二型半導體層及摻質殘留層。值得注意的是，由於位於半導體基板第二表面的摻質殘留層具有較大的疏水性，因此可以輕易地漂浮於第二蝕刻槽321的酸溶液表面。如此一來，便無需特別調控酸溶液中硫酸的濃度，以達到使半導體基板300漂浮於液面的目的。

第三槽體330係盛裝一鹼溶液於第三蝕刻槽331中，其係用於移除半導體基板300上酸化的摻質殘留層。在本發明之一實施例中，鹼溶液包含氫氧化鉀、氫氧化鈉或其組合。第三蝕刻槽331之鹼溶液一方面係用以移除半導體基板300上的摻質殘留層，另一方面可使第二型半導體層之金字塔微結構具有光滑表面。根據本發明之一實施例，第三蝕刻槽331中的鹼溶液之氫氧化鉀濃度係約為6 wt%~12 wt%。接著於第三蝕刻槽331後，半導體基板300需經過第三純水槽332清洗，以避免污染後續之蝕刻液。

第四槽體340係盛裝一氫氟酸溶液於第四蝕刻槽341中，其係用於中和半導體基板300上殘留的鹼溶液，因此第四蝕刻槽的氫氟酸溶液濃度係低於第一蝕刻槽的氫氟酸溶液濃度。根據本發明之一實施例，第四蝕刻槽341中的氫氟酸溶液之濃度係約為6 wt%~12 wt%。接著於第四蝕刻槽341後，半導體基板300需經過第四純水槽342清洗。

在第1圖之步驟160及第2G圖中，形成一抗反射層240於第二型半導體層231上。根據本發明之一實施例，第1圖之步驟160包含物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)。根據本發明之另一實施例，抗反射層之材料包含矽氧化合物(SiOx)、矽氮化合物(SiNx)、氧化鋁(Al₂O₃)或碳化矽(SiC)。

在第1圖之步驟170及第2H圖中，形成一電極250於抗反射層240中，電極250係接觸第二型半導體層231。根據本發明之一實施例，第1圖之步驟170包含網印法。根據本發明之另一實施例，電極之材料包含金屬或透明導電材料，例如可為銀膠。

第4圖係根據本發明之一實施例所提供之部分太陽能電池影像。在第4圖中，利用雷射摻雜所形成的射極寬度(D₂)明顯大於電極寬度(D₁)，如此可降低太陽能電池本身的電阻，提升太陽能電池效能。根據本發明之一實施例，電極寬度(D₁)為40 μm~75 μm；而射極寬度(D₂)為80 μm~400 μm。

第5A圖係一傳統太陽能電池之粗糙表面影像，其 中箭頭指出粗糙表面之孔洞；而第5B圖係根據本發明之一實施例所提供之太陽能電池之粗糙表面影像。

在第5A圖中，由於傳統製程係先移除摻質溢鍍層及摻質殘留層，再移除摻質材料層，因此傳統的太陽能電池之粗糙表面會產生表面具有許多孔洞的金字塔微結構。這些孔洞可能會造成光散射，甚至降低太陽能電池的光電轉換效率。

在第5B圖中，本發明之一實施例係先移除摻質材料層，暴露太陽能電池的粗糙表面。接著移除摻質殘留層的同時，鹼溶液會與太陽能電池的粗糙表面反應，使粗糙表面上的金字塔微結構具有光滑表面。如此便可提升光能量的吸收，增進太陽能電池的光電轉換效率。

表1係比較本發明之一實施例所提供之製造方法及傳統製造方法所製成的太陽能電池之光電轉換效率。

本發明所提供之製造方法可用於大量生產太陽能電池，且在10000片太陽能電池中光電轉換效率誤差小於0.03%。由此可知，本發明所提供的太陽能電池製造方法具有極高的產品良率及製程穩定性。並且有效解決傳統太陽能電池的製造方法常發生的蝕刻痕跡以及電位誘發衰減(PID)效應，並且提高太陽能電池的光電轉換效率。

雖然本發明之實施例已揭露如上，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和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定為準。

110~170‧‧‧步驟

Claims (17)

1. 一種太陽能電池的製造方法，包含下列步驟：(1)提供一半導體基板，其係為一第一導電型半導體，且具有一第一表面及一第二表面，其中該第一表面具有一金字塔微結構；(2)利用一摻質材料於該半導體基板之該第一表面上形成一摻質材料層，令使在該半導體基板之該第一表面內形成一第二型半導體層，該第二型半導體層具有一表面包含該金字塔微結構，且該摻質材料在該半導體基板之該第二表面內形成一摻質溢鍍層，該摻質溢鍍層之該摻質材料於該半導體基板之該第二表面內形成一摻質殘留層；(3)進行一雷射摻雜製程於該摻質材料層，形成複數個選擇性射極於該第二型半導體層中；(4)移除該摻質材料層及該摻質溢鍍層，以暴露具有該些選擇性射極的該第二型半導體層之該金字塔微結構及該摻質殘留層；(5)移除該摻質殘留層以暴露該半導體基板之該第二表面，並使該第二型半導體層之該金字塔微結構具有一光滑表面；(6)形成一抗反射層於該第二型半導體層上；以及(7)形成一電極於該抗反射層中，該電極係接觸該第二型半導體層。
2. 如請求項1所述之製造方法，其中該第一導電型半導體係為一P型半導體。
3. 如請求項1所述之製造方法，在該步驟(1)更包含粗糙化該半導體基板之該第一表面。
4. 如請求項1所述之製造方法，其中該第二型半導體層係為一N型半導體層。
5. 如請求項4所述之製造方法，其中該摻質材料係為三氯氧磷(POCl₃)。
6. 如請求項5所述之製造方法，其中該摻質材料層係為一磷玻璃層(PSG)。
7. 如請求項1所述之製造方法，其中該步驟(4)之方法包含一濕式蝕刻法。
8. 如請求項7所述之製造方法，其中該濕式蝕刻法係使用氫氟酸移除該摻質材料層及該摻質溢鍍層。
9. 如請求項1所述之製造方法，其中該步驟(5)之方法包含至少一酸蝕刻法、至少一鹼蝕刻法或其組合。
10. 如請求項9所述之製造方法，其中該步驟(5)係先利用一酸溶液酸化該摻質殘留層，接著利用一鹼溶液移除酸化的該摻質殘留層，再利用氫氟酸中和該鹼溶液。
11. 如請求項10所述之製造方法，其中該酸溶液包含硫酸、硝酸、氫氟酸或其組合。
12. 如請求項10所述之製造方法，其中該鹼溶液包含氫氧化鉀、氫氧化鈉或其組合。
13. 如請求項10所述之製造方法，其中該步驟(5)包含一表面處理步驟，利用該鹼溶液令使該第二型半導體層之該金字塔微結構具有該光滑表面。
14. 如請求項1所述之製造方法，其中該步驟(6)之方法包含物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)。
15. 如請求項1所述之製造方法，其中該抗反射層之材料包含矽氧化合物(SiOx)、矽氮化合物(SiNx)、氧化鋁(Al₂O₃)或碳化矽(SiC)。
16. 如請求項1所述之製造方法，其中該步驟(7)之方法包含網印法。
17. 如請求項1所述之製造方法，其中該電極之材料包含金屬或透明導電材料。