TWI597855B

TWI597855B - 太陽能電池

Info

Publication number: TWI597855B
Application number: TW105134125A
Authority: TW
Inventors: 黃楓媚; 陳傳祺; 林奕君; 吳秀珠; 葉俊宏; 張傳志; 簡榮吾
Original assignee: 英穩達科技股份有限公司
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-09-01
Also published as: TW201817019A

Description

太陽能電池

本發明是關於一種太陽能電池，特別是關於一種射極鈍化及背電極太陽能電池(Passivated Emitter Rear Cell，PERC)。

在習知技術中已提出一種射極鈍化及背電極太陽能電池，其主要是在矽基板的背面形成鈍化層，而背面電極的一部分經由鈍化層的開口與矽基板形成共晶層，通過採用這種結構可以提高太陽能電池的電特性表現。

參照第1圖，其顯示一種傳統的射極鈍化及背電極太陽能電池10的剖面圖。該太陽能電池10主要包含一矽基板110。該矽基板110具有一受光面和一背面，並且在該矽基板110之該受光面上依序設置有射極層140、抗反射層130和正面電極120，以及在該矽基板110之該背面上依序設置有鈍化層150和背面電極層160。在設置該背面電極層160前會先在該鈍化層150上形成複數個開口170，接著再將該背面電極層160設置在該太陽能電池10之整個背表面上，因此該背面電極層160會覆蓋在該鈍化層150上，且填充於該等開口170內以與該矽基板110之該背面接觸。當將該太陽能電池10進行燒結步驟後，在等開口170內該背面電極層160與該矽基板110之該背面接觸的位置會共同反應形成局部背面電場180。因此，該背面電極層160可通過該局部背面電場180將該太陽能電池10生成的電荷載子收集至設置在該太陽能電池10之背表面的匯流排電極。該匯流排電極用於與另一太陽能電池連接，進而組成由多個太陽能電池串聯或並聯而構成的太陽能電池模組。

該太陽能電池10的背面電極層160的材料主要是採用鋁金屬。在進行燒結步驟時，矽傳遞至鋁的速度會明顯快於鋁傳遞至矽的速度，因此會有大量的矽擴散至該背面電極層160中，使得在該局部背面電場180生成的位置會形成空洞。再者，由於該背面電極層160是整面地覆蓋在該太陽能電池10的背面，因此矽主要是以橫向地擴散至該背面電極層160，使得形成的該局部背面電場180的深度較淺，導致該太陽能電池10的串聯電阻值較高。此外，由於該背面電極層160的鋁會與該鈍化層150產生反應，導致在燒結時在該鈍化層150相對較薄的區域容易發生鋁金屬燒穿該鈍化層150並且與該矽基板110直接接觸，進而在該位置產生非預期的局部背面電場。然而，在該非預期的局部背面電場中，電荷載子的複合率較高，不但無法對該太陽能電池10在電荷載子收集與傳遞上產生實質上的貢獻，還會導致該太陽能電池10整體的光電轉換效率變差。

因此，為了改善上述該太陽能電池10的缺點，在現有技術中還提出一種射極鈍化及背電極太陽能電池，其藉由只將背面電極層設置在鈍化層之開口的上方位置，非不是採用整面式的覆蓋在太陽能電池的背表面，以避免在燒結後在該局部背面電場生成的位置形成空洞，以及避免在該鈍化層相對較薄的區域發生背面電極層的金屬材料燒穿該鈍化層並且與該矽基板直接接觸的問題。具體而言，請參照第2圖，其顯示另一種傳統的射極鈍化及背電極太陽能電池20的剖面圖。該太陽能電池20主要包含一矽基板210。該矽基板210具有一受光面和一背面，並且在該矽基板210之該背面上依序設置有鈍化層250和背面電極層260。在製造上，該鈍化層250先被形成在該矽基板210之該背面，之後藉由物理或化學方法在該鈍化層250形成複數個開口，之後以網印等方法形成該背面電極層260，其中該背面電極層260只有設置在該鈍化層250之開口270的上方位置，非不是採用整面式的覆蓋在該太陽能電池20的背表面。因此，在將該太陽能電池20進行燒結步驟時，由於該開口270下方之該背面電極層260的寬度會限制住矽材料橫向擴散的寬度，進而避免在該局部背面電場270生成的位置形成空洞，並且還可獲得具有較深深度的該局部背面電場270。此外，由於該背面電極層260只有設置在該鈍化層250之開口270的上方位置，故可以避免該背面電極層260的金屬材料燒穿該鈍化層250與該矽基板210直接接觸的問題。

然而，經由實驗證實太陽能電池的電特性表現會與背面電極層的覆蓋面積相關。當該背面電極層的覆蓋面積過大時(例如上述之該太陽能電池10，其採用將該背面電極層以整面式覆蓋在該太陽能電池10的整個背表面)，容易因為在局部背面電場的位置形成空洞以及形成非預期的局部背面電場，導致該太陽能電池的串聯電阻值較高。另一方面，當該背面電極層的覆蓋面積過小時(例如上述之該太陽能電池20，其採用只將背面電極層260設置在該鈍化層250之開口的上方位置)，容易因為光電轉換後生成的電荷載子其側向傳遞效率較差，導致無法將電荷載子有效地收集至位在太陽能電池之背表面的匯流排電極，因而使得該太陽能電池的輸出電流較低。

有鑑於此，有必要提出一種太陽能電池，用以解決上述習知技術中存在的問題。

為解決上述習知技術之問題，本發明之目的在於提供一種太陽能電池，其以傳統採用只將背面電極層設置在鈍化層之開口的上方位置的太陽能電池之結構為基礎，在鈍化層上另外設置多條或多段互相連接的指狀電極，以增強電荷載子的收集與傳遞的能力，進而提高太陽能電池的輸出電流。

為達成上述目的，本發明提供一種太陽能電池，包含：一半導體基板，具有一受光面和一相對於該受光面之背面；一鈍化層，設置在該半導體基板之該背面上並形成有複數排朝第一方向延伸的開口，其中每兩排該開口之間具有一第一區域；複數個主要指狀電極，朝該第一方向延伸，每一該主要指狀電極設置在其中之一排該開口上，並且該主要指狀電極填充於該開口內，進而與該半導體基板電性接觸；複數個輔助指狀電極，設置在該鈍化層之該第一區域；以及至少一連接指狀電極，朝第二方向延伸，其中該至少一連接指狀電極分別與至少一該主要指狀電極和至少一該輔助指狀電極相交。

本發明其中之一較佳實施例當中，該複數個主要指狀電極、該複數個輔助指狀電極與該至少一連接指狀電極覆蓋住該太陽能電池之背表面的總面積占該太陽能電池之背表面之面積的百分比為小於或等於80%。

本發明其中之一較佳實施例當中，該鈍化層之該第一區域上設置有一至五個該輔助指狀電極。

本發明其中之一較佳實施例當中，兩個相鄰的該輔助指狀電極之間具有一至五個該主要指狀電極。

本發明其中之一較佳實施例當中，該太陽能電池還包含至少一次要指狀電極，設置在該主要指狀電極上，其中該至少一次要指狀電極的導電度等於或高於該主要指狀電極。

本發明其中之一較佳實施例當中，該太陽能電池還包含至少一匯流排電極，設置在該太陽能電池之該背面，用於與另一太陽能電池連接，其中該至少一匯流排電極與至少一該主要指狀電極相交。

本發明其中之一較佳實施例當中，每一該輔助指狀電極與該至少一連接指狀電極皆設置在該鈍化層上且不與該半導體基板之該背面直接接觸。

本發明其中之一較佳實施例當中，該複數個輔助指狀電極與該至少一連接指狀電極的材料選自於鋁、銀及其合金所組成的群組。

本發明其中之一較佳實施例當中，該主要指狀電極的寬度介於30微米至500微米之間。

本發明其中之一較佳實施例當中，該輔助指狀電極的寬度介於30微米至500微米之間。

本發明其中之一較佳實施例當中，該連接指狀電極的寬度介於30微米至500微米之間。

相較於習知技術，在本發明的太陽能電池的背面電極結構中，除了在該鈍化層上方設置與該半導體基板之該背面直接接觸的該主要指狀電極外，還增設了該複數個輔助指狀電極與該連接指狀電極以提高電荷載子側向傳遞的能力，進而提升該太陽能電池的輸出電流。此外，為了避免當該背面電極層相對於該太陽能電池之背表面的覆蓋率過大時，容易因為在局部背面電場的位置形成空洞和/或形成非預期的局部背面電場，導致該太陽能電池的串聯電阻值較高。因此，本發明將該背面電極層相對於該太陽能電池之背表面的覆蓋率控制在80%以下，使得該太陽能電池具有最佳的電特性表現。

10、20、30、40、50、60‧‧‧太陽能電池

110、210‧‧‧矽基板

310‧‧‧半導體基板

120、320‧‧‧正面電極

130、330‧‧‧抗反射層

140、340‧‧‧射極層

150、250、350‧‧‧鈍化層

160、260、360‧‧‧背面電極層

362、462、562、662‧‧‧主要指狀電極

364、464、564、664‧‧‧輔助指狀電極

366‧‧‧連接指狀電極

668‧‧‧次要指狀電極

170、270、370‧‧‧開口

180、280、380‧‧‧局部背面電場

390‧‧‧匯流排電極

R‧‧‧第一區域

W1、W2、W3‧‧‧寬度

A-A‧‧‧截線

X、Y‧‧‧方向

第1圖顯示一種傳統的射極鈍化及背電極太陽能電池的剖面圖；第2圖顯示另一種傳統的射極鈍化及背電極太陽能電池的剖面圖；第3圖顯示一種根據本發明之第一較佳實施例的太陽能電池之背面結構示意圖；第4圖顯示沿著第3圖之截線A-A之剖面示意圖；第5圖顯示一種根據本發明之第二較佳實施例的太陽能電池之剖面圖；第6圖顯示一種根據本發明之第三較佳實施例的太陽能電池之剖面圖；以及第7圖顯示一種根據本發明之第四較佳實施例的太陽能電池之剖面圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第3圖和第4圖，第3圖顯示一種根據本發明之第一較佳實施例的太陽能電池之背面結構示意圖，以及第4圖顯示沿著第3圖之截線A-A之剖面示意圖。該太陽能電池30包含一半導體基板310。該半導體基板310的主要材料包含矽，且具有一受光面和一背面。如第4圖所示，在該半導體基板310上依序設置有射極層340、抗反射層330和正面電極320。詳言之，在製造時，首先將該半導體基板310之該受光面進行粗糙化製程以形成絨面(texture)結構。藉由該絨面結構可有效地增加光的有效傳遞路徑並提升該太陽能電池30的光吸收率。接著，在該半導體基板310之該受光面進行擴散製程，以在該受光面形成p-n接面(即形成該射極層340)。接著，在該射極層340的上方沉積一層該抗反射層330，用於增加該太陽能電池30的光吸收效率。最後，藉由網印等方法將金屬膏塗佈在該抗反射層330上，並且經由高溫烘烤後形成該正面電極320。

如第3圖和第4圖所示，在該半導體基板310之該背面上依序設置有鈍化層350、背面電極層360和匯流排電極390。具體而言，在製造時，該鈍化層350是直接地設置在該半導體基板310之該背面上，且是整面的覆蓋住該背面。該鈍化層350的材料包含二氧化矽(SiO₂)、氮氧化矽(SiOxNy)、氮化矽(SixNy)、氧化鋁(Al₂O₃)等。接著，藉由物理或化學方法在該鈍化層350形成複數排朝第一方向(即X方向)延伸的開口370。在同一排上的該開口370可由複數個點狀開口、複數個短線狀開口或者是一條連續不間斷的長條狀開口所構成，不侷限於此。接著，藉由網印等方法將金屬膏塗佈在該鈍化層350上以形成圖案化的該背面電極層360，其中部分的該背面電極層360會填充在該開口370內與該半導體基板310之該背面接觸(該背面電極層360的具體結構詳述於後)，經由燒結後在該背面電極層360與該半導體基板310之接觸的位置會形成局部背面電場380。最後，藉由網印等方法將金屬膏塗佈在該太陽能電池30之背表面上，並且經由高溫烘烤後形成該匯流排電極390。該太陽能電池30可通過該局部背面電場380將生成的電荷載子收集至設置在該太陽能電池30之背表面的該匯流排電極390。該匯流排電極390用於與另一太陽能電池連接，進而組成由多個太陽能電池串聯或並聯而構成的太陽能電池模組。

如第3圖和第4圖所示，該背面電極層360具有複數個主要指狀電極362、複數個輔助指狀電極364和複數個連接指狀電極366。該複數個主要指狀電極362是設置在其中之一排該開口370上。也就是說，該複數個主要指狀電極362也是朝該第一方向延伸，並且在第二方向(即Y方向)上間隔排列。如第4圖所示，該主要指狀電極362會填充於該開口內，使得該主要指狀電極362在與該半導體基板310電性接觸的位置會形成該局部背面電場380。如第3圖所示，在兩個相鄰的該主要指狀電極362之間具有一第一區域R，且該複數個輔助指狀電極364設置在該第一區域R內並且與該匯流排電極390相交。應當注意的是該複數個輔助指狀電極364是設置在該鈍化層350的上方，且不會與該半導體基板310之該背面直接接觸。可選地，該輔助指狀電極364可與該主要指狀電極362平行並列，也可以與該主要指狀電極362之間夾有一角度。另一方面，在同一排上的該輔助指狀電極364可包含由多段的短截線組成的結構或者是單一條連續不間斷的結構，不侷限於此。如第3圖所示，該連接指狀電極366設置在該鈍化層350的上方，並且朝Y方向延伸，使得該連接指狀電極366分別會與至少一該主要指狀電極362和至少一該輔助指狀電極364相交。應當理解的是，在不同實施例中，該連接指狀電極366可與該主要指狀電極362互相垂直，也可以與該主要指狀電極362之間夾有一銳角。另一方面，在同一排上的該連接指狀電極366可包含由多段的短截線組成的結構或者是單一條連續不間斷的結構，不侷限於此。

在本實施例中，該複數個主要指狀電極362、該複數個輔助指狀電極364和該複數個連接指狀電極366的材料選自於鋁、銀及其合金所組成的群組，並且三者可採用相同或者是不同的導電材料。另一方面，在製造時，該複數個主要指狀電極362、該複數個輔助指狀電極364和該複數個連接指狀電極366可藉由同一道或不同道的網印製程或其他製程方式形成在該太陽能電池30之背面，不侷限於此。

在使用上，該半導體基板310經由光電轉換產生的電荷載子會經由該局部背面電場380傳遞至該主要指狀電極362，接著該主要指狀電極362會將部分的電荷載子分流至與之相交且電性連接的該連接指狀電極366上，之後該連接指狀電極366進一步將電荷載子再次分流至一個或多個該輔助指狀電極364，進而將電荷載子收集至該匯流排電極390。應當注意的是，該複數個主要指狀電極362、該複數個輔助指狀電極364與該連接指狀電極366覆蓋住該太陽能電池30之背表面的總面積占該太陽能電池30之背表面之面積的百分比為小於或等於80%。較佳地，該主要指狀電極362的寬度W1介於30微米至500微米之間，該輔助指狀電極364的寬度W2介於30微米至500微米之間，以及該連接指狀電極366的寬度W3介於30微米至500微米之間，進而可有效地將該背面電極層360相對於該太陽能電池30之背表面的覆蓋率控制在上述的較佳範圍中。然而，在不同尺寸的太陽能電池中，該主要指狀電極、該輔助指狀電極和該連接指狀電極的寬度會依照該太陽能電池的尺寸而有所改變，不侷限於此。

綜上所述，在本發明的該太陽能電池30的背面電極結構中，除了設置有位在該鈍化層350上方且與該半導體基板310之該背面直接接觸的該主要指狀電極362外，還增設了該複數個輔助指狀電極364與該連接指狀電極366以提高電荷載子側向傳遞的能力，進而提升該太陽能電池30的輸出電流。然而，由於已知當該背面電極層360相對於該太陽能電池30之背表面的覆蓋率過大時，容易因為在局部背面電場的位置形成空洞以及形成非預期的局部背面電場，導致該太陽能電池的串聯電阻值較高。因此，本發明將該背面電極層360相對於該太陽能電池30之背表面的覆蓋率控制在80%以下，使得該太陽能電池30具有最佳的電特性表現。

參照第5圖，其顯示一種根據本發明之第二較佳實施例的太陽能電池40之剖面圖。本發明之第二較佳實施例的太陽能電池40的結構相似於第一較佳實施例的太陽能電池30，重複的部分在此不加以贅述。此外，第一較佳實施例與第二較佳實施例之間的差別在於：在第一較佳實施例的太陽能電池30中兩個相鄰的該主要指狀電極362之間的第一區域R上僅設置單一個該輔助指狀電極364。在第二較佳實施例的太陽能電池40中兩個相鄰的主要指狀電極462之間的第一區域R上設置五個輔助指狀電極464。應當注意的是，在此該輔助指狀電極464的數量只是作為示例，較佳地，可以照實際需求在第一區域R上設置一至五個該輔助指狀電極464。可以理解的是，當在第一區域R上設置的該輔助指狀電極464的數量多於五個時，該輔助指狀電極464容易因為寬度過窄反而不利於電流的傳遞。

參照第6圖，其顯示一種根據本發明之第三較佳實施例的太陽能電池50之剖面圖。本發明之第三較佳實施例的太陽能電池40的結構相似於第一較佳實施例的太陽能電池30，重複的部分在此不加以贅述。此外，第一較佳實施例與第三較佳實施例之間的差別在於：在第一較佳實施例的太陽能電池30中兩個相鄰的該主要指狀電極362之間設置有一個該輔助指狀電極364。在第三較佳實施例的太陽能電池50中間隔四個主要指狀電極562才設置一個輔助指狀電極564。也就是說，兩個相鄰的該輔助指狀電極564之間具有四個該主要指狀電極562。應當注意的是，位在兩個相鄰的該輔助指狀電極564之間的該主要指狀電極562的數量只是作為示例，較佳地，可以照實際需求在間隔一至五個主要指狀電極562才設置一個輔助指狀電極564。可以理解的是，如果每隔六個以上的主要指狀電極562才設置輔助指狀電極，會導致背面電極層相對於該太陽能電池50之背表面的覆蓋率過低，無法提高電荷載子側向傳遞的能力，進而降低該太陽能電池30的輸出電流。

參照第7圖，其顯示一種根據本發明之第四較佳實施例的太陽能電池60之剖面圖。本發明之第四較佳實施例的太陽能電池60的結構相似於第一較佳實施例的太陽能電池30，重複的部分在此不加以贅述。此外，第一較佳實施例與第四較佳實施例之間的差別在於：在第四較佳實施例中，該太陽能電池60的背面電極層除了包含主要指狀電極662、輔助指狀電極664、連接指狀電極以外，還包含設置在該主要指狀電極662上的次要指狀電極668。可以理解的是，由於集膚效應(Skin effect)的影響，電流在導體上傳遞時容易集中在導體的表面。因此，為了提高電流的傳遞效率，在本發明中該次要指狀電極668係選用相對於該主要指狀電極662具有相等或較高導電度的材料。

綜上所述，在本發明的太陽能電池的背面電極結構中，除了在該鈍化層上方設置與該半導體基板之該背面直接接觸的該主要指狀電極外，還增設了該複數個輔助指狀電極與該連接指狀電極以提高電荷載子側向傳遞的能力，進而提升該太陽能電池的輸出電流。此外，為了避免當該背面電極層相對於該太陽能電池之背表面的覆蓋率過大時，容易因為在局部背面電場的位置形成空洞和/或形成非預期的局部背面電場，導致該太陽能電池的串聯電阻值較高。因此，本發明將該背面電極層相對於該太陽能電池之背表面的覆蓋率控制在80%以下，使得該太陽能電池具有最佳的電特性表現。

以上僅是本發明的較佳實施方式，應當指出，對於所屬領域技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

30‧‧‧太陽能電池

350‧‧‧鈍化層

360‧‧‧背面電極層

362‧‧‧主要指狀電極

364‧‧‧輔助指狀電極

366‧‧‧連接指狀電極

390‧‧‧匯流排電極

R‧‧‧第一區域

W3‧‧‧寬度

A-A‧‧‧截線

X、Y‧‧‧方向

Claims

一種太陽能電池，包含：一半導體基板，具有一受光面和一相對於該受光面之背面；一鈍化層，設置在該半導體基板之該背面上並形成有複數排朝第一方向延伸的開口，其中每兩排該開口之間具有一第一區域；複數個主要指狀電極，朝該第一方向延伸，每一該主要指狀電極設置在其中之一排該開口上，並且該主要指狀電極填充於該開口內，進而與該半導體基板電性接觸；複數個輔助指狀電極，設置在該鈍化層之該第一區域；以及至少一連接指狀電極，朝第二方向延伸，其中該至少一連接指狀電極分別與至少一該主要指狀電極和至少一該輔助指狀電極相交。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該複數個主要指狀電極、該複數個輔助指狀電極與該至少一連接指狀電極覆蓋住該太陽能電池之背表面的總面積占該太陽能電池之背表面之面積的百分比為小於或等於80%。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該鈍化層之該第一區域上設置有一至五個該輔助指狀電極。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中兩個相鄰的該輔助指狀電極之間具有一至五個該主要指狀電極。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，還包含至少一次要指狀電極，設置在該主要指狀電極上，其中該至少一次要指狀電極的導電度等於或高於該主要指狀電極。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，還包含至少一匯流排電極，設置在該太陽能電池之該背面，用於與另一太陽能電池連接，其中該至少一匯流排電極與至少一該主要指狀電極相交。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中每一該輔助指狀電極與該至少一連接指狀電極皆設置在該鈍化層上且不與該半導體基板之該背面直接接觸。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該複數個輔助指狀電極與該至少一連接指狀電極的材料選自於鋁、銀及其合金所組成的群組。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該主要指狀電極的寬度介於30微米至500微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該輔助指狀電極的寬度介於30微米至500微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該連接指狀電極的寬度介於30微米至500微米之間。