TWI626760B - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種太陽能電池之製造方法包括：準備一光電轉換基板；形成一鈍化層位於該光電轉換基板的一背面上；形成一圖形化開槽於該鈍化層中；形成一第一鎳層於該鈍化層及該背面之表面區域上；進行退火以使該第一鎳層之一部分與該光電轉換基板之間形成一鎳化矽層；將該第一鎳層之殘餘部分去除；形成一第二鎳層於該鈍化層及該鎳化矽層上，其中該第二鎳層之晶粒尺寸大於該第一鎳層之晶粒尺寸；形成一導電層於該第二鎳層上，其中該鎳化矽層、該第二鎳層及該導電層組合成一背面電極；以及形成一正面電極於該光電轉換基板之一正面上。

Description

太陽能電池及其製造方法
本發明是有關於一種太陽能電池，且特別是有關於一種太陽能電池之製造方法，其利用一晶粒尺寸較小的第一鎳層及一晶粒尺寸較大的第二鎳層。
太陽能電池一種將光能轉換為電能的光電元件，其由於低污染、低成本加上可利用源源不絕之太陽能作為能量來源，而成為重要的替代能源之一。太陽能電池之基本構造是運用P型半導體與N型半導體接合而成，當陽光照射至具有此P-N接面的太陽能基板時，光能激發出矽原子中之電子而產生電子和電洞的對流，且這些電子及電洞受P-N接面處構成的內建電場影響而分別聚集在負極及正極兩端，使太陽能電池的兩端產生電壓。此時可使用電極連接太陽能電池的兩端於一外部電路，以形成迴路，進而產生電流，此過程即為太陽電池發電的原理。
在太陽能電池的製程中，背面金屬化製程通常是以網版印刷電極，或以濺鍍/蒸鍍等物理氣相沉積(PVD)技術，形成背面金屬電極。傳統式網印金屬漿料的材料價格過高，而物理氣相沉積方式的真空設備成本也太高。因此，近期業者期望先以雷射在鈍化層上進行線狀式開槽，再以電鍍(Electro plating)技術形成金屬電極來取而代之。然而，電鍍技術無法直接於絕緣層表面上沉積金屬薄膜，還需要憑藉一層晶種層(seed layer)來外加偏壓提供電子，以形成金屬電極。再者，形成金屬電極之製程中，將鎳層退火的步驟，使該鎳層之一部分與矽產生鎳矽合晶。然而，退火後的該鎳層之殘餘部分會出現孔隙，進而導致電極的附著力不足。
因此，便有需要一種太陽能電池及其製造方法，其以無電鍍(Electroless plating)技術來形成金屬電極之鎳層，以克服上述問題。
本發明之一目的是提供一種太陽能電池之製造方法，其利用一晶粒尺寸較小的第一鎳層及一晶粒尺寸較大的第二鎳層。
依據上述之目的，本發明提供一種太陽能電池之製造方法，包括：準備一光電轉換基板；形成一鈍化層位於該光電轉換基板的一背面上；形成一圖形化開槽於該鈍化層中，以裸露出該背面之一表面區域；形成一第一鎳層於該鈍化層及該背面之表面區域上；進行退火以使該第一鎳層之一部分與該光電轉換基板之間形成一鎳化矽層；將該第一鎳層之殘餘部分去除；形成一第二鎳層於該鈍化層及該鎳化矽層上，其中該第二鎳層之晶粒尺寸大於該第一鎳層之晶粒尺寸；形成一導電層於該第二鎳層上，其中該鎳化矽層、該第二鎳層及該導電層組合成一背面電極；以及形成一正面電極於該光電轉換基板之一正面上。
根據本發明之太陽能電池，當該鎳化矽層伸入該光電轉換基板之背電場層時，不會刺穿該背電場層。再者，由於該第二鎳層為未經高溫退火步驟之鎳層，因此不會因為孔隙而造成附著力不足的情形。如上述步驟，移除該第一鎳層後再鍍上該第二鎳層，可消除該第一鎳層因高溫退火後產生之孔隙，可改善該第二鎳層與該鎳化矽層之間的附著力，進而改善電極附著力並形成低的接觸電阻特性，藉以提升太陽能電池本身的穩定性及效率。
1‧‧‧太陽能電池
10‧‧‧光電轉換基板
11‧‧‧矽基板
111‧‧‧正面
112‧‧‧背面
12‧‧‧射極層
13‧‧‧背電場層
14‧‧‧抗反射層
15‧‧‧鈍化層
150‧‧‧圖形化開槽
151‧‧‧表面區域
16‧‧‧背面電極
160‧‧‧鎳化矽層
162a‧‧‧第一鎳層
162b‧‧‧第二鎳層
163‧‧‧導電層
17‧‧‧正面電極
S100~S900‧‧‧步驟
圖1為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的流程圖。
圖2為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示準備一光電轉換基板。
圖3為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一鈍化層。
圖4為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成形成一圖形化開槽。
圖5為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一第一鎳層。
圖6為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一鎳化矽層。
圖7為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示將該第一鎳層之殘餘部分去除。
圖8為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一第二鎳層。
圖9為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一導電層。
圖10為本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一正面電極。
為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。
請參考圖1，其顯示本發明之一實施例之太陽能電池之製造方法的流程圖。該太陽能電池之製造方法包括下列步驟：請參考圖2，在步驟S100中，準備一光電轉換基板10。該光電轉換基板10是指例如具有PN接面(P/N junction)或PIN接面(PIN junction)的半導體矽基板，其可將入射光轉換成電流。舉例，一塊半導體晶體一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，中間二者相連的接觸面稱為PN接面。請再參考圖2，在本實施例中，該光電轉換基板10包括一矽基板11、一射極層 12及一背電場層13。該矽基板11為第一導電型，並具有一正面111(即為受光面)和一與該正面111相對的背面112。該射極層12為第二導電型，並位於該矽基板11內靠近該正面111處。該背電場層13為第一導電型，並位於該矽基板11內靠近該背面112處。需要說明的是，圖2為本發明實施例之一，僅為方便說明，在其它實施例中，該射極層與電場層之位置也可交換，亦即由背面射極層與表面電場層組成之電池結構(圖未示)。另外，該光電轉換基板10可更包括一抗反射層14，其設置在該正面111處。
請參考圖3，在步驟S200中，形成一鈍化層15位於該光電轉換基板10的一背面112上。該鈍化層15可為氮化矽、二氧化矽材料所製。
請參考圖4，在步驟S300中，形成一圖形化開槽150於該鈍化層15中，以裸露出該背面112之一表面區域151。
請參考圖5，在步驟S400中，形成一第一鎳層162a於該鈍化層15及該背面112之表面區域151上。該第一鎳層162a的厚度可介於50~200nm(奈米)，且該第一鎳層162a的晶粒尺寸介於50~100nm(奈米)。在本實施例中，以一第一無電鍍製程形成一第一鎳層162a，該第一鎳層162a覆蓋該鈍化層15並透過該圖形化開槽150與該背面112電性接觸。該第一無電鍍製程於60~70℃之操作溫度中進行，且該第一無電鍍製程之鍍液的PH值在介於PH 9~11，較佳地PH值介於PH 10~11，且鍍液主成分包括NiSO4(硫酸鎳)/NaH2PO2(次磷酸鈉)/Na2H4C4O4(丁二酸鈉)/H2O。舉例，無電鍍法亦可稱為自身催化鍍法(Autocatalytic Plating)，先在工作物表面形成具有催化力的金屬面，或是利用工作物表面本身的催化作用，以化學還原方法，使金屬離子成金屬狀態析出。首先次磷酸根(還原劑)被氧化成亞磷酸根離子，釋出的電荷，可使鎳離子還原，金屬鎳沉積在具催化作用的活化表面上，而析出的鎳，又繼續催化反應的進行，所以析出反應連鎖進行，鍍層呈層狀結構，厚度可任意控制。
在形成該第一鎳層162a之步驟S400前，該太陽能電池之製造方法可更包括步驟S350(圖1未示)：以一無電鍍前處理製程之敏化及活化步驟形成一晶種粒子層(圖未示)，其中該晶種粒子層使用下列材料其中之一為晶種粒子：Sn/Pd(錫/鈀)、Sn/Ag(錫/銀)、Ni(鎳)、Co(鈷)或Fe(鐵)。該第一鎳層162a透過該晶種粒子層而貼附該背面112與該鈍化層15。舉例，敏化及活化步驟使錫及鈀晶種粒子得以吸附於該背面112。
請參考圖6，在步驟S500中，進行退火以使該第一鎳層162a之一部分與該光電轉換基板10之間形成一鎳化矽層160。舉例，對該第一鎳層162a進行退火，其退火溫度介於約250~400℃，且時間介於3~10min(分)。需要說明的是其中大於300℃的退火會稱為高溫退火，易使該第一鎳層162a產生孔隙。在本實施例中，該第一鎳層162a經退火後，該第一鎳層162a之一部份會與該背電場層13的矽形成該鎳化矽層160並伸入該背電場層13內。由於該第一鎳層162a的厚度被控制在約50~200nm(奈米)，且該第一鎳層162a的晶粒尺寸介於約50~100nm(奈米)，因此該鎳化矽層160的厚度可被控制在約100~400nm(奈米)。舉例，該背電場層13厚度為400nm(奈米)，當該鎳化矽層160伸入該背電場層13時，不會刺穿該背電場層13。
請參考圖7，在步驟S600中，將該第一鎳層162a之殘餘部分去除。退火後的該第一鎳層162a之殘餘部分會出現孔隙，為了避免因為孔隙而造成附著力不足的情形，因此將該第一鎳層162a之殘餘部分去除。
請參考圖8，在步驟S700中，形成一第二鎳層162b於該鈍化層15及該鎳化矽層160上，其中該第二鎳層162b之晶粒尺寸(grain size)大於該第一鎳層162a之晶粒尺寸(grain size)。在本實施例中，以一第二無電鍍製程形成一第二鎳層162b，該第二鎳層162b覆蓋該鈍化層15並透過該圖形化開槽150與該鎳化矽層160電性接觸。該第一及第二無電鍍製程使用不同之製程參 數。該第二無電鍍製程於60~70℃之操作溫度中進行，且該第二無電鍍製程之鍍液的PH值介於PH 9~11，較佳地PH值介於PH 9~10，且鍍液主成分包括NiSO4(硫酸鎳)/NaH2PO2(次磷酸鈉)/Na2H4C4O4(丁二酸鈉)/H2O。由製程參數控制高鍍率及低電阻的第二鎳層162b作為後續電鍍導電層(例如銅層)之晶種層(該第二鎳層162b也做為阻擋層)。該第二鎳層162b的厚度沒有限制，其可大於1μm(微米)，且該第二鎳層162b的晶粒尺寸大於100nm(奈米)及小於等於200nm(奈米)。
請參考圖9，在步驟S800中，形成一導電層163於該第二鎳層162b上，其中該鎳化矽層160、該第二鎳層162b及該導電層163組合成一背面電極16。在本實施例中，該導電層162可為銅層。舉例，藉由將該第二鎳層162b作為背面金屬晶種層，利用一電鍍製程將銅層直接電鍍在該第二鎳層162b上。在一些實施例中，可再形成一錫層於該銅層上，以避免銅層氧化。由於該第二鎳層162b為未經高溫退火步驟之鎳層，因此不會因為孔隙而造成附著力不足的情形，進而改善電極附著力並形成低的接觸電阻特性，藉以提升太陽能電池本身的穩定性及效率。
請參考圖10，在步驟S900中，形成一正面電極17於該光電轉換基板10之該正面111(即為受光面)上。舉例，以多個電鍍製程順向偏壓電鍍、光誘導電鍍或直接電鍍的方式(例如：當欲電鍍區域為P型擴散層時，則適合光誘導電鍍，或當欲電鍍區域為N型擴散層時，則適合順向偏壓電鍍)依序電鍍鎳層/銅層/錫層成為該正面電極17，即完成該太陽能電池1。此外在一些實施例中，於該步驟S900之後，該太陽能電池之製造方法可更包括步驟S950(圖1未示)：將該太陽能電池1進行低溫退火，該低溫退火的溫度不大於300℃，以使金屬電極更緻密，可有效改善電阻值。
請再參考圖10，其顯示本發明之一實施例之太陽能電池。一種太陽能電池1包括：一光電轉換基板10、一正面電極17、一 鈍化層15及一背面電極16。該光電轉換基板10可包括一矽基板11、一射極層12及一背電場層13。該矽基板11為第一導電型，並具有一正面111和一與該正面111相對的背面112。該射極層12為第二導電型，並位於該矽基板11內靠近該正面111處。該背電場層13為第一導電型，並位於該矽基板11內靠近該背面112處。該光電轉換基板1可更包括一抗反射層14，其設置在該正面111處。該太陽能電池1可為鈍化射極背部全擴散式(PERT)之太陽能電池。
該正面電極17設置於該光電轉換基板10之一正面111上。該鈍化層15設置於該光電轉換基板1之一背面112上，並包括一圖形化開槽150，該圖形化開槽150裸露出該背面之一表面區域151。該背面電極16設置於該鈍化層15及該背面112之表面區域151上，並包括依序堆疊之一鎳化矽層160、一未經高溫退火步驟之鎳層(亦即第二鎳層162b)及一導電層163，其中該未經高溫退火步驟之鎳層(亦即第二鎳層162b)設置於該鈍化層15及該表面區域151上，該導電層163設置於該未經高溫退火步驟之鎳層(亦即第二鎳層162b)上，且該鎳化矽層160位於該光電轉換基板1與該未經高溫退火步驟之鎳層(亦即第二鎳層162b)之間。該未經高溫退火步驟之鎳層(亦即第二鎳層162b)是指退火溫度不超過300℃，且該未經高溫退火步驟之鎳層(亦即第二鎳層162b)的厚度大於1μm及晶粒尺寸大於100nm及小於等於200nm。
根據本發明之太陽能電池，當該鎳化矽層伸入該光電轉換基板之背電場層時，不會刺穿該背電場層。再者，由於該鎳層為未經高溫退火步驟之鎳層，因此不會因為孔隙而造成附著力不足的情形。如上述步驟，移除該第一鎳層後再鍍上該第二鎳層，可消除該第一鎳層因高溫退火後產生之孔隙，可改善該第二鎳層與鎳該化矽層之間的附著力，進而改善電極附著力並形成低的接觸電阻特性，藉以提升太陽能電池本身的穩定性及效率。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用 的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池之製造方法，包括：準備一光電轉換基板；形成一鈍化層位於該光電轉換基板的一背面上；形成一圖形化開槽於該鈍化層中，以裸露出該背面之一表面區域；形成一第一鎳層於該鈍化層及該表面區域上；進行退火以使該第一鎳層之一部分與該光電轉換基板之間形成一鎳化矽層；將該第一鎳層之殘餘部分去除；以及形成一第二鎳層於該鈍化層及該鎳化矽層上，其中該第二鎳層之晶粒尺寸大於該第一鎳層之晶粒尺寸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之製造方法，其中藉由一第一無電鍍製程，形成該第一鎳層於該鈍化層及該表面區域上；以及，藉由一第二無電鍍製程，形成該第二鎳層於該鈍化層及該鎳化矽層上；其中該第一及第二無電鍍製程使用不同之製程參數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池之製造方法，其中該第一無電鍍製程所使用之鍍液PH值介於PH 10~11，且該第二無電鍍製程所使用之鍍液PH值介於PH 9~10。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池之製造方法，其中該第一及第二無電鍍製程之操作溫度介於60~70℃。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之製造方法，其中該該第一鎳層的晶粒尺寸介於50~100nm，且該第二鎳層的晶粒 尺寸大於100nm及小於等於200nm。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池之製造方法，其中第一鎳層的厚度介於50~200nm，且該第二鎳層的厚度大於1μm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之製造方法，其中該鎳化矽層的厚度為100~400nm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之製造方法，更包括：形成一導電層於該第二鎳層上，其中該鎳化矽層、該第二鎳層及該導電層組合成一背面電極；以及形成一正面電極於該光電轉換基板之一正面上，其中該光電轉換基板包括一矽基板。
  9. 一種太陽能電池，包括：一光電轉換基板；一正面電極，設置於該光電轉換基板之一正面上；一鈍化層，設置於該光電轉換基板之一背面上，並包括一圖形化開槽，該圖形化開槽裸露出該背面之一表面區域；一未經高溫退火步驟之鎳層，設置於該鈍化層及該表面區域上；一導電層，設置於該未經高溫退火步驟之鎳層上；以及一鎳化矽層，位於該未經高溫退火步驟之鎳層與該光電轉換基板之間，其中該鎳化矽層、該未經高溫退火步驟之鎳層及該導電層組合成一背面電極。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池，其中該未經高溫退 火步驟之鎳層是指退火溫度不超過300℃，且該未經高溫退火步驟之鎳層的厚度大於1μm及晶粒尺寸大於100nm及小於等於200nm。
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