TWI594444B - 太陽能電池及背接觸式太陽能電池 - Google Patents
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Description
本發明之實施例係關於可再生能源之領域，特別是太陽能電池之導電接觸點及形成太陽能電池之導電接觸點之方法。
光伏電池，又常稱為太陽能電池，其為直接將太陽輻射轉換為電能之眾所皆知之裝置。通常而言，太陽能電池係製造於半導體晶圓或使用半導體製程技術之基板上以構成接近基板表面之P-N接面。撞擊並進入基板之表面之太陽輻射產生電子電洞對於塊狀基板中(the bulk of the substrate)。電子電洞對移動至基板中之P型摻雜及N型摻雜區，從而於摻雜區間產生電位差。摻雜區與太陽能電池之導電區連接以引導來自電池之電流至與其連結之外部電路。
效率為太陽能電池重要之特性，因其直接相關到太陽能電池產生電力之能力。同樣地，生產太陽能電池之效率直接相關於太陽能電池之成本效益。於是普遍需要用於增加太陽能電池效率之技術或增加生產太陽能電池之效率之技術。本發明之部份實施例允許藉由提供用於製造太陽能電池結構之新穎製程以增加太陽能電池之生產效率。本發明之部份實施例允許藉由提供新穎太陽能電池結構以增加太陽能電池之效率。
一種太陽能電池，其包含：基板；以及置於基板上之導電接觸點，該導電接觸點包含：包含具有複數個孔洞之第一金屬種類，以及置於複數個孔洞中之第二金屬種類之層，其中第一金屬種類及第二金屬種類之部份皆與基板接觸。
一種太陽能電池，其包含：矽基板；以及置於矽基板上之導電接觸點，該導電接觸點包含：包含具複數個孔洞之含鋁粒子，以及置於複數個孔洞中之鎳之第一導電層，其中含鋁粒子及鎳之部份皆與矽基板接觸。
一種背接觸式太陽能電池，其包含：塊狀N型矽基板；以及置於塊狀N型矽基板相對於塊狀N型矽基板之光接收層之表面上之導電接觸點，該導電接觸點包含：包含具有複數個孔洞之複數個鋁/矽合金粒子，以及置於複數個孔洞中之鎳之第一導電層，其中複數個鋁/矽合金粒子及鎳之部份皆與塊狀N型矽基板接觸，且其中一部份之鎳與一部份之該塊狀N型矽基板形成一矽化物；置於第一導電層上，實質上包含鎳而非鋁或銅之第二導電層；以及實質上包含銅並置於第二導電層上之第三導電層。
100‧‧‧橫截面掃描式電子顯微鏡(X-SEM)之影像
102、400‧‧‧基板
103、401‧‧‧光接收表面
104‧‧‧金屬堆疊
106‧‧‧第一金屬層
108‧‧‧第二金屬層
110‧‧‧第三金屬層
200‧‧‧接觸點結構之部份
300‧‧‧EXD測量之圖
302‧‧‧影像
402‧‧‧薄介電層
416‧‧‧溝槽
418‧‧‧紋理
420‧‧‧n型摻雜多晶矽區域
422‧‧‧p型摻雜多晶矽區域
424‧‧‧介電層
426‧‧‧接觸開口
428‧‧‧導電接觸點
第1圖係為根據本發明實施例之用於太陽能電池之接觸點之一部份之橫截面掃描式電子顯微鏡(X-SEM)影像。
第2圖係為描繪根據本發明實施例之第1圖之接觸點結構之一部份之橫截面圖。
第3圖係為根據本發明之實施例包含第1圖之金屬堆疊之一部份(包含作為第3圖中之橫截面掃描式電子顯微鏡影像)之EXD測量之圖表。
第4A圖至第4C圖係為描繪根據本發明實施例之具有導電接觸點之太陽能電池之製造方法中之各種處理操作之橫截面圖。
用於太陽能電池的導電接觸點和形成用於太陽能電池的導電接觸點之方法將於此處描述。於下面之描述中，闡述了許多如具體之處理流程操作之具體細節，以提供本發明的實施例之透徹理解。對於本領域之習知技術者顯而易見的是在沒有這些具體細節下，也可實施本發明的實施例。在其他情況下，已知之製造技術如光刻技術和圖案化技術將不詳述，以免造成本發明之實施例不必要之模糊。此外應當理解的是，圖中所示之各種實施例為說明性表示，且不一定按比例繪製。
此處揭露的係具導電接觸點之太陽能電池。一實施例中，太陽能電池包含基板。導電接觸點置於基板上。導電接觸點包含由具複數個孔之第一金屬種類構成之層。導電接觸點亦包含置於複數個孔中之第二金屬種類。第一與第二金屬種類之部份與基板接觸。另一實施例中，太陽能電池包含矽基板。導電接觸點置於矽基板上。導電接觸點包含由具複數個孔洞之含鋁粒子構成之第一導電層。第一導電層同樣包含置於複數個孔洞中之鎳。含鋁粒子及鎳之部份與矽基板接觸。另一實施例中，背接觸式太陽能電池包含塊狀N型矽基板。導電接觸點置於塊狀N型矽基板相對於於塊狀N型矽基板之光接收面之表面。導電接觸點包含由具複數
個孔洞之含鋁/矽合金粒子構成之第一導電層。鎳置於複數個孔洞中。鋁/矽合金粒子及鎳之部份與塊狀N型矽基板接觸。一部份之鎳與一部份之塊狀N型矽基板形成矽化物。實質上由鎳而非鋁或銅組成之第二導電層置於第一導電層上。實質上由銅組成之第三導電層置於第二導電層上。
此處亦揭露之具導電接觸點之太陽能電池之製造方法。一實施例中，背接觸式太陽能電池之製造方法包含構成導電接觸點於塊狀N型矽基板相對於塊狀N型矽基板之光接收面之表面上。其構成包含構成由具複數個孔洞之含鋁/矽合金粒子形成之第一導電層。鎳置於複數個孔洞中。鋁/矽合金粒子及鎳之部份與塊狀N型矽基板接觸。方法同樣包含於第一導電層上形成實質上由鎳而非鋁或銅組成之第二導電層。方法同樣包含於第二導電層上形成實質上由銅組成之第三導電層。
此處描述之一或多個實施例針對以結合無電鍍鎳於其中之方式減少形成於矽基板上之印刷鋁晶種之接觸阻抗之方法及其所造成之結構。舉例而言，於製造藉由掃描式電子顯微鏡影像實現之用於太陽能電池之太陽能階觸點期間，在印刷之鋁之頂部上藉由無電鍍沉積鎳後，形成鎳於鋁粒子之表面上。此構成伴隨填滿存在於鋁膠狀物內部之空洞或孔洞。產生之接觸點與一般接觸點，如僅含鋁之接觸點相比，出現減少接觸阻抗。此結果對於熱積存(thermal budget)之背接觸式太陽能電池中之製造中具相當之用處，且受限制矽之消耗可避免好的金屬於矽接觸點之形成。然而應理解的是，此處描述之實施例可同時用於背接觸及前接觸式太陽能電池。
上述之議題更進一步地，印刷接觸點之接觸點電阻傾向小於真空沉積金屬構成之接觸點。用於減少電阻之一種可能性為晶種膠狀物之多孔性限制金屬與矽間之實際接觸面積。有數種傳統方法常用於減少太陽能電池之接觸點電阻。第一種涉及調整接觸點之晶種層之配方設計。可添加不同之黏著劑(例如黏合劑/融塊)以改善膠狀物與矽基板間之黏著力。然而，於燒製(如退火)最終接觸金屬堆疊後，可能有多少金屬與矽接觸之實施限制。第二種傳統方法涉及調整燒製曲線。與第一種方法類似，其可降低接觸點電阻至一定程度，但膠狀物之多孔性仍為試圖減少接觸電阻值之限制因素。
更具體地，一或多個實施例係針對由鋁膠狀物晶種層開始之接觸點之構成。當印刷晶種以於前述之鋁與下方基板間構成接觸點後進行退火。接著藉由無電鍍於鋁膠狀物之頂部沉積鎳。因為膠狀物具多孔結構，鎳不只形成於鋁粒子上同時也形成於其外部，且填滿至少一部份之空間。鎳可為越多的鎳形成於越上部份之鋁(遠離矽)上之梯度。然而，鋁粒子外之鎳可用於減少最終自其形成之接觸點之接觸點電阻。特別是當鋁膠狀物之厚度減少時，更多的鎳可累積於鋁與矽基板之界面處。當於鎳之無電鍍後而非印刷晶種後進行退火時，矽化鎳接觸點可於鎳矽介面處形成。另外，鋁-矽接觸點可藉由使鎳填入鋁粒子之空洞及孔洞中，形成於鋁矽介面處。相較於傳統方法，於接觸點結構形成之給定區域中，形成之接觸點對於矽接觸點可具有較大之實際金屬表面面積。因此與傳統接觸點相比，可降低接觸點電阻。
作為上述概念之範例，第1圖係為根據本發明實施例之用於太陽能電池之接觸點之一部份之橫截面掃描式電子顯微鏡(X-SEM)之影像100。第2圖係為根據本發明實施例之第1圖中之接觸點結構之部份200之橫截面圖。
參考第1圖，用於太陽能電池之基板102之接觸點結構之金屬堆疊104包含三個可辨別之金屬層部份106、108及110。第一金屬層部份106為由多孔性鋁粒子之晶種層組成之晶種層。鋁粒子具有鎳形成於其空間及空洞內，例如，來自於鋁晶種層上方電鍍之鎳。第二金屬層部份108係由來自於相同或近似之鎳沉積製程，形成於鋁粒子上方而非其中之鎳構成，但與其不同，由而成。如第1圖所強調，相較於層之底部，較高濃度的鎳位於第一金屬層部份106之上部表面。第三金屬層部份110由形成於第二金屬層部份108上之銅所構成。
參考第2圖，雖然鎳之濃度於第一金屬層部份106之上部表面大於其底部表面，然而鎳仍可與矽基板表面接觸。於是基板102與第一金屬層部份106之介面處，鋁/矽及矽化鎳接觸點皆可構成，如第2圖所繪之。另外，於一實施例中，因為較高濃度之鎳可形成於頂部(遠離矽)，若鋁膠狀物之厚度減少，於矽介面處之最終存留之鎳含量將可定制。此外於實施例中，當進行退火時，高導電度之矽化鎳材料可形成於鎳-矽介面處下。
於是，參考第1圖及第2圖，於實施例中，太陽能電池包含基板102。作為導電接觸點之金屬堆疊104置於基板102上。作為導電接觸點之金屬堆疊104包含由具複數個孔洞之第一金屬種類組成之層106。
作為導電接觸點之金屬堆疊104亦包含設置於層106之複數個孔洞中之第二金屬種類。第一及第二金屬種類之部份皆與基板102接觸。
一實施例中，第一金屬種類為鋁(Al)而第二金屬種類為鎳(Ni)。在一此種實施例中，鋁係作為複數個鋁/矽(Al/Si)合金粒子而被包含。在特定之此種實施例中，大部份之鋁/矽金屬粒子具有約1至5微米範圍內之直徑，大部份之孔洞具有約在0.1至1微米範圍內之直徑。一實施例中，作為導電接觸點之金屬堆疊104為用於太陽能電池之背接觸點，然而於不同實施例中，作為接觸點之金屬堆疊104為用於太陽能電池之前接觸點。
一實施例中，第二金屬種類之濃度越遠離基板102則越高，越接近基板102則越低。然而於不同實施例中，第二金屬種類之濃度在第一金屬種類之複數個孔洞各處中為相同。一實施例中，基板102為塊狀矽基板，且部份第二金屬種類與部份塊狀矽基板形成矽化物。一實施例中，太陽能電池進一步包含實質上由第三金屬種類組成並置於包含第一金屬種類層及第二金屬種類之層106上之層110。於一此種實施例中，第三金屬種類為銅。於另一此種實施例中，實質上以第二金屬種類構成，而非第一或第二金屬種類之第三層108，置於層110及層106間。
再次參考第1圖及第2圖，另一實施例中，太陽能電池包含矽基板102。作為導電接觸點之金屬堆疊104置於矽基板102上。作為導電接觸點之金屬堆疊104包含由具複數個孔洞之含鋁粒子組成之作為第一導電層之第一金屬層106，其包含。作為第一導電層之第一金屬層106並包含置於複數個孔洞中之鎳。含鋁粒子及鎳之部份與矽基板102接觸。
一實施例中，鎳之濃度越遠離矽基板102則越高，越接近矽基板102則越低。然而於不同實施例中，鎳之濃度在含鋁粒子之複數個孔洞各處中為相同。一實施例中，含鋁粒子為鋁/矽合金粒子。一實施例中，一部份之鎳與一部份之矽基板102形成矽化物。一實施例中，太陽能電池進一步包含實質上以銅構成並置於上述之作為第一導電層第一金屬層106上之作為另一導電層之第三金屬層110。實質上以鎳而非鋁或銅組成之作為另一導電層之第二金屬層108係置於作為導電層之第一金屬層106及第三金屬層110間。
再次參考第1圖及第2圖，另一實施例中，背接觸式太陽能電池包含塊狀N型矽基板102。作為導電接觸點之金屬堆疊104置於塊狀N型矽基板102相對於塊狀N型矽基板102之光接收表面103之另一表面上。作為導電接觸點之金屬堆疊104包含由具複數個孔洞之鋁/矽合金粒子組成之作為第一導電層之第一金屬層106。鎳置於複數個孔洞中。鋁/矽合金粒子及鎳之部份皆與塊狀N型矽基板102接觸。一部份之鎳與一部份之塊狀N型矽基板102形成矽化物。實質上以鎳而非鋁或銅組成之作為第二導電層第二金屬層108係置於作為第一導電層之第一金屬層106上。實質上以銅構成之作為第三導電層之第三金屬層110係置於作為第二導電層之第二金屬層108上。一實施例中，鎳之濃度越遠離塊狀N型矽基板102則越高，越接近塊狀N型矽基板102則越低。於不同實施例中，鎳之濃度於鋁/矽合金粒子之複數個孔洞各處中為相同。
於可使用鎳以填滿來自鋁膠狀物之鋁粒子中孔洞之實驗驗證之範例中，第3圖根據本發明實施例包含第1圖之金屬堆疊之部份之
EXD測量之圖300(包含作為橫截面掃描式電子顯微鏡影像302)。參考圖300及影像302，實驗數據驗證環繞於鋁粒子形成之金屬種類為鎳。
雖然一些材料已具體描述於上，部份材料可由其他實施例中之其他材料替換，而仍保持於本發明之實施例之精神與範疇內。舉例而言，一實施例中，不同材料之基板，如III-V族材料之基板，可替換矽基板。另一實施例中，銀粒子可以用於晶種膠狀物中以替代鋁粒子。另一實施例中，可用電鍍或類沉積鈷或鎢替代上述之電鍍鎳或除了上述之電鍍鎳外可用電鍍或類沉積鈷或鎢。
進一步地，形成之接觸點需不直接形成於塊狀基板上。舉例而言，在一實施例中，如上所述之導電接觸點形成於塊狀基板上(如背面上)形成之半導體區域上。舉例而言，第4A圖至第4C圖係為描繪根據本發明之實施例之具有導電接觸點之太陽能電池之製造方法中之各種處理操作之橫截面圖。
參考第4A圖，形成背接觸式太陽能電池之接觸點之方法包含形成薄介電層402於基板400上。
一實施例中，薄介電層402由二氧化矽組成且具有約5至50埃範圍內之厚度。一實施例中，薄介電層402作為通道氧化層。一實施例中，基板400為塊狀單晶基板，如n型摻雜單晶矽基板。然而於不同實施例中，基板400包含設置於整體太陽能電池基板上之多晶矽層。
再次參考第4A圖，溝槽416構成於n型摻雜多晶矽區域420及P型摻雜多晶矽區域422間。溝槽416之部份可紋理化以具有紋理特徵418，如第4A圖所示。
再次參考第4A圖，介電層424形成於複數個n型摻雜多晶矽區域420、複數個P型摻雜多晶矽區域422及透過溝槽416露出之基板400之部份上。一實施例中，當介電層424之上部表面實質上平整時，介電層424之下部表面形成為與n型摻雜多晶矽區域420、複數個P型摻雜多晶矽區域422及透過溝槽416露出之基板400之部份共形，如第4A圖所示。特定實施例中，介電層424為抗反射塗佈(ARC)層。
參考第4B圖，複數個接觸開口426形成於介電層424中。複數個接觸開口426使n型摻雜多晶矽區域420及P型摻雜多晶矽區域422露出。一實施例中，複數個接觸開口426由雷射移除而成。一實施例中，n型摻雜多晶矽區域420之接觸開口426高度與p型摻雜多晶矽區域422之接觸開口高度實質上相同，如第4B圖所示。
參考第4C圖，形成背接觸式太陽能電池之接觸點之方法進一步包含形成導電接觸點428於複數個接觸開口426中並與複數個n型摻雜多晶矽區域420及複數個p型摻雜多晶矽區域422結合。一實施例中，導電接觸點428以金屬組成，並以沉積(於下方詳述)、光微影及蝕刻方法形成。
於是，於一實施例中，導電接觸點428形成於塊狀N型矽基板400相對於塊狀N型矽基板400之光接收表面401之另一表面上或上方。特定實施例中，導電接觸點形成於基板400表面上方之區域(422/420)上，如第4C圖所示。其形成可包含形成由具複數個孔洞之鋁/矽合金粒子組成之第一導電層，及設置於複數個孔洞中之鎳(Ni)。鋁/矽合金粒子及鎳之部份與塊狀N型矽基板400上方之區域420/422接觸(或於其他實施
例中，直接與塊狀N型矽基板400接觸)。形成於第一導電層上之第二導電層係實質上由鎳而非鋁或銅組成。其後形成於第二導電層上之第三導電層係實質上由銅組成。
一實施例中，形成第一導電層包含印刷膠狀物於塊狀N型矽基板上。膠狀物由溶劑及鋁/矽合金粒子組成。印刷包含之技術例如但不限於屏幕印刷或噴墨印刷。
一實施例中，形成第一導電層包含藉由無電鍍沉積技術沉積鎳。一實施例中，形成第一導電層包含加熱鋁/矽合金粒子但不加熱鎳，加熱至約攝氏500至600度之範圍內。一實施例中，形成第一導電層包含加熱鋁/矽合金粒子及鎳至約攝氏500至600度之範圍內。一實施例中，第一導電層之鎳之形成與第二導電層之形成係於相同處理操作中執行。一實施例中，形成第二導電層包含以電鍍沉積技術沉積銅。
因此，揭露太陽能電池之導電接觸點及太陽能電池之導電接觸點之製造方法。根據本發明之實施例，太陽能電池包含基板。導電接觸點置於基板上。導電接觸點包含由具複數個孔洞之第一金屬種類組成之層。導電接觸點同樣包含置於複數個孔洞內之第二金屬種類。第一及第二金屬種類之部份皆與基板接觸。一實施例中，第一金屬種類為鋁而第二金屬種類為鎳。
100‧‧‧橫截面掃描式電子顯微鏡(X-SEM)之影像
102‧‧‧基板
103‧‧‧光接收表面
104‧‧‧金屬堆疊
106‧‧‧第一金屬層
108‧‧‧第二金屬層
110‧‧‧第三金屬層
Claims (18)
- 一種太陽能電池，其包含：一基板；以及一導電接觸點，置於該基板上，該導電接觸點包含：一層，包含具有複數個孔洞之一第一金屬種類，以及置於該複數個孔洞中之一第二金屬種類，其中該第一金屬種類及該第二金屬種類之部份皆與該基板接觸，其中該第二金屬種類之濃度越遠離該基板則越高，越靠近該基板則越低。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該第一金屬種類為鋁，而該第二金屬種類為鎳。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該第二金屬種類之濃度於該第一金屬種類之該複數個孔洞各處中均相同。
- 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池，其中鋁係作為複數個鋁/矽合金粒子而被包含。
- 如申請專利範圍第4項所述之太陽能電池，其中大部份之該複數個鋁/矽合金粒子具約1至5微米範圍內之直徑，大部份之該複數個孔洞具約0.1至1微米範圍內之直徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該基板為一塊狀矽基板，以及其中一部份之該第二金屬種類與一部份之該塊狀矽基板構成一矽化物。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中進一步包含：一第二層，實質上包含第三金屬種類，並置於包含該第一金屬 種類及該第二金屬種類之該層上。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池，其中該第三金屬種類為銅。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池，進一步包含：一第三層實質上包含該第二金屬種類而非同時包含該第一金屬種類或該第二金屬種類，該第三層置於該第二層及包含該第一金屬種類及該第二金屬種類之該層間。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該導電接觸點為一背接觸點。
- 一種太陽能電池，其包含：一矽基板；以及一導電接觸點，置於該矽基板上，該導電接觸點包含：一第一導電層，包含具複數個孔洞之一含鋁粒子，以及置於該複數個孔洞中之鎳，其中該含鋁粒子及鎳之部份皆與該矽基板接觸，其中鎳之濃度越遠離該矽基板則越高，越靠近該矽基板則越低。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中鎳之濃度於含鋁粒子之複數個孔洞各處中均相同。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中該含鋁粒子為鋁/矽合金粒子。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中一部份之鎳與一部份之該矽基板形成一矽化物。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，進一步包含：一第二導電層，實質上包含銅並置於該第一導電層上；以及一第三導電層實質上包含鎳而非鋁或銅，該第三導電層置於該第二導電層與該第一導電層間。
- 一種背接觸式太陽能電池，其包含：一塊狀N型矽基板；以及一導電接觸點，置於該塊狀N型矽基板相對於該塊狀N型矽基板之一光接收層之一表面上，該導電接觸點包含：一第一導電層，包含具有複數個孔洞之複數個鋁/矽合金粒子，以及置於該複數個孔洞中之鎳，其中該複數個鋁/矽合金粒子及鎳之部份皆與該塊狀N型矽基板接觸，且其中一部份之鎳與一部份之該塊狀N型矽基板形成一矽化物；一第二導電層，實質上包含鎳而非鋁或銅，該第二導電層置於該第一導電層上；以及一第三導電層，實質上包含銅並置於該第二導電層上。
- 如申請專利範圍第16項所述之背接觸式太陽能電池，其中鎳之濃度越遠離該塊狀N型矽基板則越高，越靠近該塊狀N型矽基板則越低。
- 如申請專利範圍第16項所述之背接觸式太陽能電池，其中鎳之濃度於該複數個鋁/矽合金粒子之該複數個孔洞各處中均相同。
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