TWI642200B - 太陽能電池晶片 - Google Patents
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Abstract
一種太陽能電池晶片，係一矽晶片，且所述矽晶片的表面具有多個孔洞，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，真圓度大於0.5的所述孔洞佔60%以上。因此，能有效降低所述太陽能電池晶片之反射率。
Description
本發明是有關於一種晶片結構，且特別是有關於一種具有特定表面構造之太陽能電池晶片。
矽晶片是目前用於各種技術的基板的主要材料之一，例如太陽能電池矽晶片。
矽晶片一般是以金剛線(diamond wire,DW)切割而成，但經DW切割的表面太過於光亮，相較傳統砂漿線(slurry wire,SW)切割有過高的反射率，意謂著入射光易於此表面被反射出去，導致太陽能電池之光電轉換效率變差。
本發明提供一種太陽能電池晶片，能有效降低表面的反射率，進而提升太陽能電池之光電轉換效率。
本發明的太陽能電池晶片，係一矽晶片。所述矽晶片的表面具有多個孔洞，其中基於所述孔洞的總數量為100%，真圓度(Circularity)大於0.5的所述孔洞佔60%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，上述真圓度大於0.6的所述孔洞佔40%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，上述真圓度大於0.7的所述孔洞佔20%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，孔徑小於2.0μm的所述孔洞佔70%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，孔徑小於1.5μm的所述孔洞佔50%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，孔徑小於1.0μm的所述孔洞佔25%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，長寬比小於2.5的所述孔洞佔90%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，長寬比小於2.0的所述孔洞佔80%以上。
在本發明的一實施例中，基於孔洞的總數量為100%，長寬比小於1.5的所述孔洞佔60%以上。
在本發明的一實施例中，上述孔洞的孔洞密度在6.5×106ea/cm2~6.5×107ea/cm2之間。
在本發明的一實施例中，上述孔洞的形貌是由Image J軟體分析得到的，且所述軟體Image J的操作被設定為：固定SEM拍攝倍率3000X得到原圖影像，Image J開啟所述原圖影像之大小為1280×960pxl；所述大小由1280×960pxl切為1280×850pxl；
分析所述原圖影像的原灰階分佈，校正成0~255分佈，新灰階=(原灰階-Min)×(255/(Max-Min))，Max是指所述原灰階的最大值、Min是指所述原灰階的最小值；設定影像灰階門檻，定義選取孔位置，所述灰階門檻=0~50；以預設功能調整黑白分界，去除黑點；以及剔除影像邊緣不完整孔，並限定孔尺寸下限，所述下限為0.1μm2。
在本發明的一實施例中，上述孔洞的深寬比在0.1~1.5之間。
在本發明的一實施例中，上述矽晶片的所述表面為受光面。
在本發明的一實施例中，上述矽晶片的所述表面具有25%以下的反射率。
基於上述，本發明藉由具特定形貌的矽晶片表面，所以能有效降低其反射率，進而提升太陽能電池的光電轉換效率。另外，本發明搭配特定操作設定的影像分析軟體(Image J軟體)，因而可精確地分析得到上述矽晶片表面的特定形貌。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧矽晶片
100a‧‧‧表面
110‧‧‧孔洞
s‧‧‧孔徑
d‧‧‧深度
l‧‧‧長度
w1、w2‧‧‧寬度
圖1A是依照本發明的一實施例的一種太陽能電池晶片的俯視示意圖。
圖1B是圖1A的太陽能電池晶片截面示意圖。
圖2A至圖2F是本發明中取得孔洞的形貌的Image J軟體操作示意圖。
圖3是對照例1之Image J軟體取得的影像。
圖4是實驗例1之Image J軟體取得的影像。
圖5是實驗例2之Image J軟體取得的影像。
圖6是對照例1之孔洞形貌的條形圖。
圖7是實驗例1之孔洞形貌的條形圖。
圖8是實驗例2之孔洞形貌的條形圖。
圖9是對照例1之太陽能電池晶片截面的SEM影像。
圖10是實驗例1之太陽能電池晶片截面的SEM影像。
圖11是實驗例2之太陽能電池晶片截面的SEM影像。
圖12是實驗例1~2以及對照例1~2在反射率與效率方面的比較圖。
圖13是實驗例1~2以及對照例1~2在反射率方面的曲線圖。
以下將參考圖式來全面地描述本發明的例示性實施例，但本發明還可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。在圖式中，為了清楚起見，各區域、部位及層的大小與厚度可不按實際比例繪製。
圖1A是依照本發明的一實施例的一種太陽能電池晶片
的俯視示意圖。圖1B是圖1A的太陽能電池晶片截面示意圖。
請參照圖1A與圖1B，本實施例的太陽能電池晶片係一矽晶片100。所述矽晶片100的表面100a具有多個孔洞110，其中所述表面100a可為受光面。基於所述孔洞110的總數量為100%，真圓度(Circularity)大於0.5的所述孔洞佔60%以上。因此，矽晶片100的表面100a具有25%以下的反射率(reflectance)。在另一實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，上述真圓度大於0.6的所述孔洞佔40%以上。在又一實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，上述真圓度大於0.7的所述孔洞佔20%以上。所謂的「真圓度」是以公式[4π(面積)÷(周長)2]計算得到，其中「周長」是所選擇的孔洞110邊界的長度。真圓度的值為1則表示是完美的圓。當真圓度的值越接近零時，表示越來越細長的形狀。
另外，在本實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，孔徑s小於2.0μm的所述孔洞佔70%以上。在另一實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，孔徑s小於1.5μm的所述孔洞佔50%以上。在又一實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，孔徑s小於1.0μm的所述孔洞佔20%以上。所謂的「孔徑」是指沿著所選擇的孔洞110邊界的任何兩個點之間的最長距離。
再者，在本實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，長寬比(l/w1)小於2.5的所述孔洞佔90%以上。在另一實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，長寬比(l/w1)小於2.0的所述孔洞佔80%以上。在又一實施例中，基於孔洞110的總數量為100%，
長寬比(l/w1)小於1.5的所述孔洞佔60%以上。所謂的「長寬比」是指孔洞110的擬合橢圓(fitted ellipse)的長寬比(aspect ratio)，即(長軸÷短軸)的數值。
請繼續參照圖1A，本實施例之孔洞110的孔洞密度約在6.5×106ea/cm2~6.5×107ea/cm2之間。所謂的「孔洞密度」是指所選孔洞110的計數(counts)除以影像面積(image area)的數值。
另外，請參照圖1B，本實施例之孔洞110的深度d與寬度w2之比例，即深寬比(d/w2)例如在0.1~1.5之間，其可自掃描式電子顯微鏡(SEM)照片直接觀察得到。所謂的「深寬比」是指所選孔洞110的(深度÷孔開口直徑)的數值。
在本實施例中，上述孔洞110的形貌(如真圓度、孔徑、長寬比、孔洞密度等)均可由Image J軟體分析得到的，且所述軟體Image J的操作如圖2A至圖2F所示。
首先，請參照圖2A，固定SEM拍攝倍率3000×得到原圖影像，Image J開啟所述原圖影像之大小為1280×960pxl。然後，將影像大小由1280×960pxl切為1280×850pxl，得到圖2B。
進行分析原圖影像的原灰階分佈，校正成0~255分佈，得到圖2C的灰階校正(gray scale calibration)曲線圖。新灰階=(原灰階-Min)×[255/(Max-Min)]，其中Max是指所述原灰階的最大值、Min是指所述原灰階的最小值。
然後，設定影像灰階門檻，定義選取孔位置，得到圖2D。所述灰階門檻=0~50。
接著，以預設功能調整黑白分界，去除黑點，得到圖2E。
最後，剔除影像邊緣不完整孔，並限定孔尺寸下限(尺寸限定為0.1μm2~∞，故下限為0.1μm2)，以得到圖2F。根據圖2F的孔洞邊緣即可運算得到上述孔洞110的形貌。
至於本發明的太陽能電池晶片的製備，可採用以下列舉的步驟進行，但本發明並不限於此。
在一實施例中，上述太陽能電池晶片的製備可先將矽晶片泡入混有高還原電位金屬的鹽類水溶液中，其溶解出來的金屬離子會附著於矽晶片表面。所述金屬離子例如Au+、Ag+、Pt2+、Pd2+、Cu2+等，其中以Ag+、Cu2+較佳。而金屬離子所附著區域的矽會發生氧化，使金屬離子下方形成氧化矽。然後，從前述鹽類水溶液中所取出之矽晶片，浸入次道含有能解離出氟離子溶液中，氟離子會和矽晶片表面的氧化矽反應而使其溶解，形成細緻的凹凸。上述能解離出氟離子溶液例如HF、NH4HF2、NH4F等，其中以HF較佳。接著，再放入第三道酸液進行蝕刻，使矽晶片表面本來的凹凸成為更大的凹凸，形成顯著孔洞，並同步溶解掉表面金屬離子。上述酸液例如HF/HNO3/CH3COOH、HF/HNO3/H2O、HF/HCl/H2O、HF/HNO3/H2SO4/H2O、HF/HNO3/H2SO4/CH3COOH等，其中以HF/HNO3/CH3COOH、HF/HNO3/H2O較佳。上述蝕刻方式可為整籃浸泡式或者履帶傳動晶片經過上述酸液。
在另一實施例中，上述太陽能電池晶片的製備可在含氟離子水溶液中如添加氧化劑，以便加快矽的氧化速度，其中所述
氧化劑例如H2O2、HNO3、HClO4、O3等，其中以H2O2或HNO3較佳。然後，待金屬離子下方形成氧化矽之後，以上一實施例的方式，先將矽晶片取出再浸入次道含有能解離出氟離子溶液，並待形成細緻的凹凸後，再放入第三道酸液進行蝕刻，以形成顯著孔洞，並同步溶解掉表面金屬離子。
在又一實施例中，上述太陽能電池晶片的製備可於前述鹽類水溶液中摻有上述氧化劑與上述能解離出氟離子溶液，因此可直接促使矽氧化以及同時溶解氧化矽，形成細緻的凹凸。
在經過以上各種製備方式之後，可選擇性地經過第四道鹼液，以清潔矽晶片表面酸氣髒汙，其中前述鹼液例如KOH、NaOH等。
在經過以上各種製備方式之後，可選擇性地經過第五道酸液清洗，以去除表面殘餘金屬，其中前述第五道酸液例如HF/HCl、HNO3/H2O、H2SO4/H2O等。而且，可不經過第四道鹼液，而直接進行第五道酸液清洗。
此外，以上各道流程之間還可穿插水洗過程。
以下列舉一些實驗來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。
〈實驗例1〉
將金剛線(diamond wire,DW)切割表面的矽晶片泡入混有高還原電位金屬的AgNO3水溶液中，Ag+離子於溶液內含量為1ppb~10%，浸泡5sec~60min，其溶解出來的金屬離子Ag+會附著
於矽晶片表面。而Ag+離子所附著區域的矽會發生氧化，使Ag+離子下方形成氧化矽。然後，從前述AgNO3水溶液中所取出之矽晶片，浸入次道含有H2O2與HF的溶液中，HF於該溶液總體積佔比為5%~50%，H2O2於該溶液總體積佔比為1%~35%，浸泡30sec~60min。解離出的氟離子會和矽晶片表面的氧化矽反應而使其溶解，形成細緻的凹凸。接著，再放入第三道含有HF/HNO3/H2O混酸進行履帶傳動晶片蝕刻，各種酸原液混合比例為1：1.70~1.80：1.6~1.65，蝕刻溫度為3℃~12℃，蝕刻時間為0.5min~3min，使矽晶片表面本來的凹凸成為更大的凹凸，形成顯著孔洞，並同步溶解掉表面金屬離子。然後，經過KOH鹼液，濃度1%~5%，以清潔矽晶片表面酸氣髒汙，再經過HF/HCl/H2O混酸清洗，各種酸原液混合比例為1：2.5~2.7：14~15，以去除表面殘餘金屬。
〈實驗例2〉
採用實驗例1的方式處理金剛線(DW)切割表面的矽晶片，但將第三道蝕刻溫度改為6℃~8℃，蝕刻時間為1min~2min。
〈對照例1〉
將傳統砂漿線(slurry wire,SW)切割表面的矽晶片放入與實驗例2相同的第三道混酸進行相同蝕刻，然後經與實驗例1相同的最後KOH浸泡和HF/HCl/H2O混酸清洗。
〈對照例2〉
將以金剛線(DW)切割的矽晶片經與對照例1相同製程處理。
〈分析〉
(1)取樣方法：表面處理過的每片矽晶片以9宮格等份畫分，從任兩處破裂或切割取出樣本。
(2)使用儀器：SEM。
(3)拍攝倍率：3000×~5000×。
(4)拍攝類別：矽晶片樣本俯視(主要用3000×拍攝)、矽晶片樣本截面(主要用5000×拍攝)。
(5)孔型態分析：矽晶片俯視拍攝影像，搭配公開軟體Image J分析下述項目。
a.孔徑；b.孔洞密度；c.真圓度；d.長寬比；e.孔洞面積比例。
(6)根據矽晶片樣本截面影像，直接觀察影像凹洞的深寬比，不需軟體分析。
(7)反射率量測方法：使用D8積分式反射儀，矽晶片樣本在波長650nm下的反射率。設定在每片以九宮格畫分的9點位置分佈進行量測。
(8)轉換效率量測方法：將矽晶片樣本投入太陽能電池製作，然後以照光功率為1000mW/cm2測量其光電轉換效率。
〈結果〉
圖3~5分別是對照例1和實驗例1~2之Image J軟體取得的影像。從圖3~5可知，對照例1的孔洞影像明顯不同於實驗例1~2所取得的影像。
然後，根據上述Image J軟體的操作設定，取得對照例1和實驗例1~2中的孔洞的形貌，並將結果示於下表一。
從表一明顯可見，孔洞密度於對照例1為每cm2為百萬個等級；實驗例1~2則為每cm2可達千萬個等級。另外，對照例1的真圓度最小，實驗例1~2的真圓度較大，真圓度的定義是「4π×孔洞面積/孔洞周長」，所以孔洞愈接近圓形，其真圓度愈接近1。此外，表一另可見孔洞面積比例，其定義為：以Image J軟體輔助計算晶片上所有孔洞面積/晶片面積。對照例1因為孔徑較大而有較高孔洞面積比例，實驗例1~2之孔徑較小，故孔洞面積比例低於對照例。
圖6~8分別是根據Image J軟體取得對照例1和實驗例1~2之孔洞形貌的條形圖。
從圖6~8可清楚得到，實驗例1之真圓度大於0.5的孔洞有65%、實驗例2之真圓度大於0.5的孔洞有85%，但是對照例1
之真圓度大於0.5的孔洞只有25%。按照圖7~8可進一步統計得到下表二的結果。
從上表2可清楚得知，對照例1的孔洞形貌與實驗例1~2的孔洞形貌相差很大。
圖9~11分別是對照例1和實驗例1~2之太陽能電池晶片截面的10000×的SEM影像。經過人工估算和統計，得到表三。
(定義：每片任取2點以上(含2點)之平均深寬比)
圖12是實驗例1~2以及對照例1~2在反射率與效率方面的比較圖。從圖12可知，實驗例1~2與對照例1~2比較，其轉換效率及反射率是有明顯改善的。整體而言，於650nm波長量測反射率能改善至4%。
圖13是實驗例1~2以及對照例1~2在反射率方面的曲線圖。從圖13之反射率曲線更能明顯得到，本發明之實驗例1~2的反射率在波長範圍300nm~1100nm內都低於對照例1~2的反射率的效果。
綜上所述，本發明的矽晶片表面具有特定形貌，所以能有效降低其反射率，進而提升太陽能電池的光電轉換效率。而且，上述矽晶片表面是搭配特定操作設定的影像分析軟體(Image J軟體)進行分析，因而可精確地得到能達到上述效果的特定形貌。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的
精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
Claims (14)
- 一種太陽能電池晶片，係一矽晶片，其特徵在於：所述矽晶片具有經酸液蝕刻而形成多個孔洞的表面，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，真圓度大於0.5的所述孔洞佔60%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，真圓度大於0.6的所述孔洞佔40%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，真圓度大於0.7的所述孔洞佔20%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，孔徑小於2.0μm的所述孔洞佔70%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，孔徑小於1.5μm的所述孔洞佔50%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，孔徑小於1.0μm的所述孔洞佔25%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，長寬比小於2.5的所述孔洞佔90%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，長寬比小於2.0的所述孔洞佔80%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中基於所述多個孔洞的總數量為100%，長寬比小於1.5的所述孔洞佔60%以上。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中所述多個孔洞的孔洞密度在6.5×106ea/cm2~6.5×107ea/cm2之間。
- 如申請專利範圍第1~10項任一項所述的太陽能電池晶片，其中所述多個孔洞的形貌是由Image J軟體分析得到的，且所述軟體Image J的操作被設定為：固定SEM拍攝倍率3000X得到原圖影像，Image J開啟所述原圖影像之大小為1280×960pxl；所述大小由1280×960pxl切為1280×850pxl；分析所述原圖影像的原灰階分佈，校正成0~255分佈，新灰階=(原灰階-Min)×[255/(Max-Min)]，Max是指所述原灰階的最大值、Min是指所述原灰階的最小值；設定影像灰階門檻，定義選取孔位置，所述灰階門檻=0~50；以預設功能調整黑白分界，去除黑點；以及 剔除影像邊緣不完整孔，並限定孔尺寸下限，所述下限為0.1μm2。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中所述孔洞的深寬比在0.1~1.5之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中所述矽晶片的所述表面為受光面。
- 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池晶片，其中所述矽晶片的所述表面具有25%以下的反射率。
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