TWI610455B - 異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種異質接面薄本質層太陽能電池，包括矽晶基板、本質非晶矽層、摻雜非晶矽層、透明導電層以及兩電極層。本質非晶矽層接觸摻雜非晶矽層與矽晶基板，並位於摻雜非晶矽層與矽晶基板之間。本質非晶矽層與摻雜非晶矽層兩者個別的厚度低於50奈米，且本質非晶矽層與摻雜非晶矽層皆由電子束蒸鍍而形成。透明導電層形成於摻雜非晶矽層上。兩電極層分別形成在透明導電層上與矽晶基板上，其中矽晶基板位於這兩層電極層之間。
Description
本發明是有關於一種太陽能電池（solar cell）的製造方法，且特別是有關於一種異質接面薄本質層太陽能電池（Heterojunction with Intrinsic Thin layer solar cell，HIT solar cell）的製造方法。
矽基太陽能電池（silicon based solar cell）是目前常見的太陽能電池，其利用光伏效應（photovoltaic effect）來產生電能。當光線照射矽基太陽能電池時，矽基太陽能電池會吸收光線中的部分光子（photon）來產生多個電子與電洞，而PN接面（PN junction）所產生的內電場（built-in electric field）會導引這些電子與電洞分別往N型區與P型區飄移（drift），以產生開路電壓（open-circuit voltage），即光電壓（photovoltage）。
開路電壓越高，矽基太陽能電池的能量轉換效率（energy conversion efficiency）也越高，因此如何提高矽基太陽能電池的效率是許多製造公司（manufacturer）的主要研究課題。
本發明提供一種異質接面薄本質層太陽能電池（HIT solar cell）的製造方法，以幫助提高開路電壓。
本發明提出一種異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法。在這製造方法中，首先，提供矽晶基板，其具有第一平面與一相對第一平面的第二平面。接著，利用酸液來清潔第一平面。之後，進行電子束蒸鍍，在第一平面上依序形成本質非晶矽層與摻雜非晶矽層，其中本質非晶矽層接觸摻雜非晶矽層與矽晶基板，並位於摻雜非晶矽層與矽晶基板之間。本質非晶矽層的厚度介於5奈米至50奈米之間，而摻雜非晶矽層的厚度介於10奈米至100奈米之間。之後，形成透明導電層於摻雜非晶矽層上。接著，在透明導電層上形成第一電極層，其中第一電極層暴露透明導電層的至少一部分。在第二平面上形成第二電極層，其中矽晶基板位於第一電極層與第二電極層之間。在第一電極層與第二電極層形成之後，將本質非晶矽層、摻雜非晶矽層與矽晶基板置於氛圍氣體中進行快速退火，其中氛圍氣體包括氫氣。
依據上述技術特徵，其中該酸液是由硝酸、醋酸以及氫氟酸所構成。
依據上述技術特徵，其中該酸液中的硝酸、醋酸以及氫氟酸的重量比例是23：14：4.5。
依據上述技術特徵，其中利用該酸液來清潔該第一平面係將該矽晶基板浸泡於該酸液，該矽晶基板浸泡於該酸液的時間介於2分鐘至5分鐘之間。
依據上述技術特徵，其中該快速退火的溫度介於200℃至400℃之間。
依據上述技術特徵，其中該快速退火的溫度介於400℃至600℃之間。
依據上述技術特徵，其中該透明導電層是經由一物理氣相沉積而形成。
依據上述技術特徵，其中該物理氣相沉積是一濺鍍，而該濺鍍的背景壓力介於10-5托爾至10-6托爾之間。
依據上述技術特徵，其中該電子束蒸鍍的背景壓力低於5×10-6托爾。
依據上述技術特徵，其中該第一電極層與該第二電極層兩者是由電子束蒸鍍而形成。
依據上述技術特徵，其中該氛圍氣體還包括氮氣，而在該氛圍氣體中，氮氣的濃度大於氫氣的濃度。
基於上述，本質非晶矽層與矽晶基板之間的界面（interface）能形成單晶與非晶之間不同能帶（energy band）的接合（junction），並減少電荷載子被捕捉（trapping）的機率，從而提高開路電壓。
請同時參閱圖1至圖4，為本發明異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法中之矽晶基板結構示意圖、三層堆疊結構示意圖、四層堆疊結構示意圖及多層堆疊結構示意圖。首先請參閱圖1，在本實施例的異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法中，首先，提供一矽晶基板110，其可以是切割後或未切割的矽晶圓（wafer），其中此矽晶圓的組成可為單晶矽（monocrystalline silicon）。所以，矽晶基板110可為單晶矽基板。此外，矽晶基板110也可以是摻雜的矽晶圓，例如是N型摻雜（N-type doped）的矽晶圓或P型摻雜（P-type doped）的矽晶圓。
接著，利用酸液來清潔矽晶基板110。矽晶基板110具有一第一平面111與一第二平面112，其中該第二平面112是相對於該第一平面111，而酸液主要是用來清潔該第一平面111。上述酸液可包括硝酸、醋酸以及氫氟酸。或者，酸液可由硝酸、醋酸以及氫氟酸所構成，其中酸液中的硝酸、醋酸以及氫氟酸的重量比例依序可以是23：14：4.5。利用酸液來清潔該第一平面111的方法可包括將該矽晶基板110浸泡於酸液。該矽晶基板110浸泡於酸液的時間可介於2分鐘至5分鐘之間，例如浸泡於酸液約2分鐘或5分鐘。
請再參閱圖2，在清潔完該第一平面111之後，進行電子束蒸鍍（Electron Beam Evaporation，E-Beam Evaporation），在該第一平面111上依序形成一本質非晶矽層（intrinsic amorphous Si layer，i-a-Si layer）124與一摻雜非晶矽層（doped amorphous Si layer）122。所以，該本質非晶矽層124形成在該第一平面111上，而該摻雜非晶矽層122形成在該本質非晶矽層124上。也就是說，該本質非晶矽層124會在該摻雜非晶矽層122與該矽晶基板110之間，並接觸該摻雜非晶矽層122與該矽晶基板110。
其中，該本質非晶矽層124與該摻雜非晶矽層122兩者個別的厚度低於50奈米（nm）。舉例而言，該本質非晶矽層124的厚度可介於5奈米至50奈米之間，例如是10奈米。該摻雜非晶矽層122的厚度可介於10奈米至100奈米之間，例如是20奈米。而與矽晶基板110的厚度（例如是200微米μｍ）相比，該本質非晶矽層124與該摻雜非晶矽層122兩者的厚度相當薄。此外，該矽晶基板110的摻雜類型不同於該摻雜非晶矽層122的摻雜類型。詳細而言，當該矽晶基板110為N型摻雜時，該摻雜非晶矽層122為Ｐ型摻雜。或者，當該矽晶基板110為Ｐ型摻雜時，該摻雜非晶矽層122為Ｎ型摻雜。
電子束蒸鍍的背景壓力（base pressure）可低於5×10
-6托爾（torr），所以此背景壓力處於高真空（high vacuum）或超高真空（ultra-high vacuum）。此外，在形成該摻雜非晶矽層122與該本質非晶矽層124期間，該摻雜非晶矽層122、該本質非晶矽層124及該矽晶基板110皆保持在真空環境中而不接觸空氣（air）或大氣（atmosphere）。例如，該摻雜非晶矽層122與該本質非晶矽層124可在同一個腔體（chamber）內形成，即該本質非晶矽層124與該矽晶基板110兩者的形成可為原位（in situ）。如此，厚度薄的該摻雜非晶矽層122與該本質非晶矽層124不因暴露於空氣或大氣而氧化（oxidation）。
由於該本質非晶矽層124與該摻雜非晶矽層122兩者皆採用電子束蒸鍍來形成，所以相較於傳統太陽能電池常用的化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD），該本質非晶矽層124以及該摻雜非晶矽層122兩者的製造成本較低，從而有利於降低異質接面薄本質層太陽能電池（HIT solar cell）的生產成本。
請再參閱圖3，接著，形成一透明導電層（transparent conductive layer）130於該摻雜非晶矽層122上，其中該透明導電層130可為銦錫氧化物層（Indium Tin Oxide layer，ITO layer）或銦鋅氧化物層（Indium Zinc Oxide，IZO layer）。該透明導電層130的厚度可介於30奈米至200奈米之間，例如80奈米。該透明導電層130可經由物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）而形成，例如濺鍍（sputtering）或蒸鍍（evaporation），其中此蒸鍍也可以是電子蒸鍍，而上述濺鍍的背景壓力可介於10
-5托爾至10
-6托爾之間，相當於高真空。
另外，在形成該摻雜非晶矽層122、該本質非晶矽層124與該透明導電層130的期間，該摻雜非晶矽層122、該本質非晶矽層124與該透明導電層130可皆保持在真空環境中而不接觸空氣或大氣。甚至，該摻雜非晶矽層122、該本質非晶矽層124與該透明導電層130可在同一個腔體內形成，即三者的形成可為原位（in situ）。
請再參閱圖4，之後，在該透明導電層130上形成一第一電極層141，以及在該第二平面112上形成一第二電極層142，其中該矽晶基板110位於該第一電極層141與該第二電極層142之間，而該第二電極層142可在該第一電極層141完成之後而形成。該第一電極層141暴露部分該透明導電層130。例如，該第一電極層141可具有至少一開口（opening）而暴露該透明導電層130。或者，該第一電極層141的形狀為網狀（mesh），從而能暴露該透明導電層130。
在該第一電極層141與該第二電極層142形成之後，該異質接面薄本質層太陽能電池100的層狀結構（layer structure）已大致形成，其中異質接面薄本質層太陽能電池100包括該矽晶基板110、該本質非晶矽層124、該摻雜非晶矽層122、該透明導電層130、該第一電極層141以及該第二電極層142。
其中，該第一電極層141與該第二電極層142皆可由電子束蒸鍍而形成。該異質接面薄本質層太陽能電池100所包括的膜層：該本質非晶矽層124、該摻雜非晶矽層122、該透明導電層130、該第一電極層141以及該第二電極層142，在完成以前都可以保持在真空環境中而不接觸空氣與大氣。例如，這些膜層都在同一個腔體內形成，即這些膜層的形成都是原位（in situ）。或者，這些膜層分別在兩個以上的腔體內形成，而這些腔體之間可利用法蘭（flange）而彼此相通，所以這些膜層在沒有形成以前是不會接觸空氣或大氣。
在該第一電極層141與該第二電極層142形成後，將該本質非晶矽層124、該摻雜非晶矽層122與該矽晶基板110置於氛圍氣體（ambient atmosphere）中進行快速退火（Rapid Thermal Annealing，RTA）。快速退火的溫度可介於200℃至400℃之間，例如220℃。或是，快速退火的溫度也可介於400℃至600℃之間，例如450℃。快速退火後，該異質接面薄本質層太陽能電池100基本上已完成。
氛圍氣體包括氫氣，而氫氣是用來減少該本質非晶矽層124與該摻雜非晶矽層122中的缺陷（defeat），例如懸浮鍵（dangling bond），以減少電荷載子（charge carrier）被捕捉的機率。在本實施例中，氛圍氣體還可包括氮氣。在氛圍氣體中，氮氣的濃度大於氫氣的濃度。在其他實施例中，氛圍氣體也可只包括氫氣。
須說明的是，在進行快速退火後，該本質非晶矽層124與該摻雜非晶矽層122兩者的晶粒大小（grain size）仍小於5奈米，所以上述退火後的本質非晶矽層124與摻雜非晶矽層122仍然保持非晶矽，而不會變成單晶矽或多晶矽（polycrystalline silicon）。
綜上所述，本質非晶矽層與矽晶基板之間的界面能形成單晶與非晶之間不同能帶的接合，並減少自由的電荷載子被捕捉的機率，從而提高開路電壓。此外，由於本質非晶矽層與摻雜非晶矽層是採用電子束蒸鍍來形成，因此相較於傳統太陽能電池所採用的化學氣相沉積，電子束蒸鍍的成本較低，從而有利於降低異質接面薄本質層太陽能電池的生產成本。
雖然本發明以前述實施例揭露如上，然並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明專利保護範圍內。
100‧‧‧異質接面薄本質層太陽能電池
110‧‧‧矽晶基板
111‧‧‧第一平面
112‧‧‧第二平面
122‧‧‧摻雜非晶矽層
124‧‧‧本質非晶矽層
130‧‧‧透明導電層
141‧‧‧第一電極層
142‧‧‧第二電極層
110‧‧‧矽晶基板
111‧‧‧第一平面
112‧‧‧第二平面
122‧‧‧摻雜非晶矽層
124‧‧‧本質非晶矽層
130‧‧‧透明導電層
141‧‧‧第一電極層
142‧‧‧第二電極層
圖1係為本發明異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法中之矽晶基板結構示意圖。 圖2係為本發明異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法中之三層堆疊結構示意圖。 圖3係為本發明異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法中之四層堆疊結構示意圖。 圖4係為本發明異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法中之多層堆疊結構示意圖。
100‧‧‧異質接面薄本質層太陽能電池
110‧‧‧矽晶基板
111‧‧‧第一平面
112‧‧‧第二平面
122‧‧‧摻雜非晶矽層
124‧‧‧本質非晶矽層
130‧‧‧透明導電層
141‧‧‧第一電極層
142‧‧‧第二電極層
Claims (11)
- 一種異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，至少包括： 提供一矽晶基板，其具有一第一平面與一相對該第一平面的第二平面； 利用一酸液來清潔該第一平面； 進行一電子束蒸鍍，在該第一平面上依序形成一本質非晶矽層與一摻雜非晶矽層，其中該本質非晶矽層接觸該摻雜非晶矽層與該矽晶基板，並位於該摻雜非晶矽層與該矽晶基板之間，且該本質非晶矽層的厚度介於5奈米至50奈米之間，該摻雜非晶矽層的厚度介於10奈米至100奈米之間； 形成一透明導電層於該摻雜非晶矽層上； 在該透明導電層上形成一第一電極層，其中該第一電極層暴露該透明導電層的至少一部分； 在該第二平面上形成一第二電極層，其中該矽晶基板位於該第一電極層與該第二電極層之間；以及 在該第一電極層與該第二電極層形成之後，將該本質非晶矽層、該摻雜非晶矽層與該矽晶基板置於一氛圍氣體中進行一快速退火，其中該氛圍氣體包括氫氣。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該酸液是由硝酸、醋酸以及氫氟酸所構成。
- 如申請專利範圍第2項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該酸液中的硝酸、醋酸以及氫氟酸的重量比例是23：14：4.5。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中利用該酸液來清潔該第一平面係將該矽晶基板浸泡於該酸液，該矽晶基板浸泡於該酸液的時間介於2分鐘至5分鐘之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該快速退火的溫度介於200℃至400℃之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該快速退火的溫度介於400℃至600℃之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該透明導電層是經由一物理氣相沉積而形成。
- 如申請專利範圍第7項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該物理氣相沉積是一濺鍍，而該濺鍍的背景壓力介於10 -5托爾至10 -6托爾之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該電子束蒸鍍的背景壓力低於5×10 -6托爾。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該第一電極層與該第二電極層兩者是由電子束蒸鍍而形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之異質接面薄本質層太陽能電池的製造方法，其中該氛圍氣體還包括氮氣，而在該氛圍氣體中，氮氣的濃度大於氫氣的濃度。
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