TWI647861B - 單面受光式太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種單面太陽能電池包括一光電轉換基板、一穿隧氧化層、一背電場層、一透明導電層及一金屬層。該光電轉換基板具有一非受光面及一受光面，該非受光面為一拋光面。該穿隧氧化層設置於該非受光面上。該背電場層設置於該穿隧氧化層上。該透明導電層設置於該背電場層上，並具有第一及第二表面分別為遠離及靠近該光電轉換基板之表面。該金屬層設置於該透明導電層之該第一表面上，使該透明導電層位於該背電場層與該金屬層之間，其中該金屬層大致完全覆蓋該非受光面。該透明導電層之該第一表面的粗糙度大於該透明導電層之該第二表面的粗糙度。

Description

單面受光式太陽能電池及其製造方法
本發明是有關於一種單面受光式太陽能電池，且特別是有關於一種單面受光式太陽能電池之製造方法，使其透明導電層之表面粗糙化，以提高入射光到達該透明導電層之該表面時的散射率。
太陽能電池是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接面的半導體基板時，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。
穿隧氧化層鈍化接觸式(Tunnel Oxide Passivated Contact；TOPCON)太陽能電池是由異質接面的電池結構開發出高效能太陽能電池。請參考圖1，其顯示一種習知穿隧氧化層鈍化接觸式(TOPCON)之太陽能電池9，在半導體基板91和背面電極96之間設置厚度1~2奈米(nm)的二氧化矽(穿隧氧化層94)以及厚度20奈米(nm)的非晶矽或微晶矽(背電場層95)。該穿隧氧化層鈍化接觸式(TOPCON)太陽能電池9具有全面接觸鈍化結合全面金屬背面電極，可實現最短電流傳輸路徑，並消除電流橫向損失。
然而，為了形成品質良好的二氧化矽(穿隧氧化層94)以及非晶矽或微晶矽(背電場層95)，通常需將半導體基板91之背面拋光，但半導體基板91之背面拋光後，對於進入半導體基板91之入射光99而言，背面反射之長波段光線的散射效果不佳。
因此，便有需要一種單面受光式太陽能電池及其製造方法，能克服上述問題。
本發明之一目的是提供一種單面受光式太陽能電池，使其透明導電層之表面粗糙化，以提高入射光到達該透明導電層之該表面時的散射率。
依據上述之目的，本發明提供一種單面受光式太陽能電池，包括：一光電轉換基板，具有一非受光面及一受光面，該非受光面為一拋光面；一穿隧氧化層，設置於該非受光面上；一背電場層，設置於該穿隧氧化層上；一透明導電層，設置於該背電場層上，並具有一第一表面及一相對於該第一表面之第二表面，其中該第一及第二表面分別為遠離及靠近該光電轉換基板之表面；以及一金屬層，設置於該透明導電層之該第一表面上，使該透明導電層位於該背電場層與該金屬層之間，其中該金屬層大致完全覆蓋該非受光面；其中該透明導電層之該第一表面的粗糙度大於該透明導電層之該第二表面的粗糙度。
根據本發明之單面受光式太陽能電池，利用蝕刻製程使該透明導電層之第一表面粗糙化，提高入射光到達該透明導電層之該第一表面時的散射率，以增加電池內部光吸收效率，進而達成提高效率的目標。另外，本發明之透明導電層設置於該背電場層與該金屬層之間，利用該透明導電層改善金屬與矽之間的接面附著力，並避免金屬化製程造成的金屬擴散。
1‧‧‧太陽能電池
10‧‧‧光電轉換基板
101‧‧‧受光面
102‧‧‧非受光面
11‧‧‧半導體基板
12‧‧‧射極層
13‧‧‧抗反射層
131‧‧‧接觸開口
14‧‧‧穿隧氧化層
15‧‧‧背電場層
16‧‧‧背面電極
160‧‧‧透明導電層
1601‧‧‧第一表面
1602‧‧‧第二表面
161‧‧‧金屬層
1613‧‧‧第三表面
162‧‧‧導電層
163‧‧‧錫層
17‧‧‧正面電極
171‧‧‧鎳層
172‧‧‧銅層
173‧‧‧錫層
174‧‧‧鎳化矽層
19‧‧‧入射光
9‧‧‧太陽能電池
91‧‧‧半導體基板
94‧‧‧穿隧氧化層
95‧‧‧背電場層
96‧‧‧背面電極
99‧‧‧入射光
S100~S190‧‧‧步驟
圖1為習知穿隧氧化層鈍化接觸式太陽能電池的剖面示意圖。
圖2為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的流程圖。
圖3a為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示提供一光電轉換基板。
圖3b為本發明之另一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示提供一光電轉換基板。
圖4為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一穿隧氧化層。
圖5為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一背電場層。
圖6為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一透明導電層。
圖7為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示對該透明導電層進行一蝕刻製程。
圖8為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示形成一金屬層。
圖9為本發明之一實施例之單面受光式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單面受光式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。
圖11為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示對該正面電極之鎳層進行退火。
圖12為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的剖面示意圖，其顯示分別形成錫層(或銀層)於該正面電極及該背面電極上。
圖13為本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池的剖面示意圖，其顯示入射光到達一透明導電層之第一表面時的散射現象。
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2，其顯示本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池之製造方法的流程圖。該單面受光式太陽能電池之製造方法包括下列步驟：請參考圖3a，在步驟S100中，提供一光電轉換基板10，其中該光電轉換基板10具有一非受光面102及一受光面101，該非受光面102為一拋光面。該光電轉換基板10是指可以光伏(photovoltaic)效應將光能轉換成電能的基板，例如具有PN接面(P/N junction)或PIN接面(PIN junction)的半導體矽基板。舉例，一塊矽晶體一側摻雜成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。
請參考圖3b，在另一實施例中，該光電轉換基板10可先形成有一半導體基板11及一射極層12。該半導體基板11為第一導電型。該射極層12為第二導電型，並位於該半導體基板11內靠近該受光面101處。在其他實施例中，該光電轉換基板10可將該射極層12之形成步驟安排在其他步驟(例如穿隧氧化層或背電場層之形成步驟)之後再進行。
另外，請再參考圖3b，該光電轉換基板10可更形成有一抗反射層13，其覆蓋該射極層12。該抗反射層13可形成有多個接觸開口131，用以裸露出該射極層12。
請參考圖4，在步驟S110中，形成一穿隧氧化層14於該光電轉換基板10之非受光面102上。該穿隧氧化層14之材質可為二氧化矽，厚度可為1~2nm。舉例，利用化學氣相沉積法(CVD)沉積該穿隧氧化層14於該非受光面102上。
請參考圖5，在步驟S120中，形成一背電場層15於該穿隧氧化層14上。該背電場層15可為第一導電型。該背電場層15之材質可為非晶矽或微晶矽。舉例，利用化學氣相沉積 法(CVD)沉積該背電場層15於該穿隧氧化層14上。
請參考圖6，在步驟S130中，形成一透明導電層160於該背電場層15上。該透明導電層160之材質為透明導電氧化物(Transparent Conducting Oxides；TCO)，其可選自氟氧化錫(Fluorine-doped Tin Oxide；FTO)、氧化鋅鋁(Al-doped Zinc Oxide；AZO)、氧化鋅鎵(Ga-doped Zinc Oxide；GZO)、氧化鋅鎵鋁(Ga/Al-doped Zinc Oxide；GAZO)、氧化錫(SnO2)為基材的金屬氧化物、及氧化鋅(No)為基材的金屬氧化物所構成之群組。舉例，利用化學氣相沉積法(CVD)沉積該透明導電層160於該背電場層15上。
請參考圖7，在步驟S140中，對該透明導電層160進行一蝕刻製程，其中蝕刻後之該透明導電層160具有一第一表面1601及一相對於該第一表面1601之第二表面1602，該第一及第二表面1601、1602分別為遠離及靠近該光電轉換基板10之表面。該蝕刻製程使該透明導電層160之第一表面1601粗糙化而具有一粗糙度(例如粗糙度介於0.5~1.5μm)，亦即使該第一表面1601的粗糙度大於該第二表面1602的粗糙度。該蝕刻製程所使用之蝕刻液選自氫氟酸(HF acid)、磷酸(phosphoric acid)及草酸(oxalic acid)所構成之群組。不同蝕刻液可使該透明導電層160之第一表面1601形成不同的粗糙化圖案。
請參考圖8，在步驟S150中，形成一金屬層161於該透明導電層160之第一表面1601上，使該透明導電層160位於該背電場層15與該金屬層161之間，其中該金屬層161大致完全覆蓋該非受光面102。上述「大致完全覆蓋」之意是指，包括：(1)覆蓋整個非受光面102，或(2)覆蓋非受光面102的大部分區域，但有小部分未被該金屬層161覆蓋之處，例如靠近該光電轉換基板10之邊緣處，或者因例如對位而留有的標記區。該金屬層161具有一第三表面1613，該第三表面1613連接於該透明導電層160之第一表面1601，且該第三表面1613的粗糙度等於該透明導電層160 之第一表面1601的粗糙度。在本實施例中，該金屬層161可為鎳層。舉例，利用電鍍製程或物理氣相沈積法(PVD)將該金屬層161直接電鍍或沉積在該透明導電層160上。
請參考圖9，在步驟S160中，形成一導電層162於該金屬層161上，其中該透明導電層160、該金屬層161及該導電層162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，利用電鍍製程或物理氣相沈積法(PVD)將該導電層162直接電鍍或沉積在該金屬層161上。
請參考圖10及圖3b，在另一實施例中，在步驟S170中，形成一正面電極17，其位於該光電轉換基板10之受光面101上，並經由該接觸開口131連接於該射極層12。舉例，以多個電鍍製程順向偏壓電鍍的方式依序電鍍一鎳層171及一銅層172而組合成為該正面電極17。
請參考圖11，在步驟S180中，對該正面電極17之鎳層171進行退火。該鎳層171經退火後，該鎳層171之一部份會與矽形成鎳化矽層174而和該受光面101電性接觸，即此時該鎳層174和該受光面101的介面有部分區域之主成分已變為鎳化矽。
請參考圖12，最後在步驟S190中，分別形成錫層173、163(或銀層)於該正面電極17及該背面電極16上，以完成單面(mono-facial)受光式太陽能電池1。
請參考圖13，該透明導電層160之第一表面1601及該金屬層161之第三表面1601的粗糙化接面結構可成為一種散射反射鏡面之光學結構，藉此提高由該透明導電層160之該第二表面1602進入之入射光19(特別是針對未被第一次入光吸收之長波長光能)於到達該透明導電層160之該第一表面1601時的散射率。
請再參考圖13，其顯示本發明之一實施例之單面受光式太陽能電池1，包括：一光電轉換基板10、一穿隧氧化層14、 一背電場層15、一透明導電層160及一金屬層161。該光電轉換基板10具有一非受光面102及一受光面101，該非受光面102為一拋光面。該穿隧氧化層14於該非受光面102上。該背電場層15設置於該穿隧氧化層14上。該透明導電層160設置於該背電場層15上，並具有一第一表面1601及一相對於該第一表面1601之第二表面1602，其中該第一及第二表面1601、1602分別為遠離及靠近該光電轉換基板10之表面。該金屬層161設置於該透明導電層160之該第一表面1601上，使該透明導電層160位於該背電場層15與該金屬層161之間，其中該金屬層161大致完全覆蓋該非受光面102。該透明導電層160之該第一表面1601的粗糙度大於該透明導電層160之該第二表面1602的粗糙度。該光電轉換基板10包括一射極層12，其靠近該受光面處101。
該光電轉換基板10可包括一半導體基板11及一射極層12。該射極層12位於該半導體基板11內靠近該受光面101處。該光電轉換基板10可更包括一抗反射層13，其覆蓋該射極層12。該抗反射層13可形成有多個接觸開口131，用以裸露出該射極層12。
該單面受光式太陽能電池1可更包括：一導電層162於該金屬層161上，其中該透明導電層160、該金屬層161及該導電層162組合成一背面電極16。該單面受光式太陽能電池1可更包括：一鎳層171及一銅層172而組合成為一正面電極17。該正面電極17位於該光電轉換基板10之受光面101上，並經由該接觸開口131連接於該射極層12。該單面受光式太陽能電池1可更包括：一鎳化矽層174，其位於該鎳層171及該射極層12之間。該單面受光式太陽能電池1可更包括：錫層173、163(或銀層)，其分別位於該正面電極17及該背面電極16上。
根據本發明之單面受光式太陽能電池，利用蝕刻製程使該透明導電層之第一表面粗糙化，提高入射光到達該透明導電層之該第一表面時的散射率，以增加電池內部光吸收效率，進而 達成提高效率的目標。另外，本發明之透明導電層設置於該背電場層與該金屬層之間，利用該透明導電層改善金屬與矽之間的接面附著力，並避免金屬化製程造成的金屬擴散。
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. 一種單面受光式太陽能電池，包括：一光電轉換基板，具有一非受光面及一受光面，該非受光面為一拋光面；一穿隧氧化層，設置於該非受光面上；一背電場層，設置於該穿隧氧化層上；一透明導電層，設置於該背電場層上，並具有一第一表面及一相對於該第一表面之第二表面，其中該第一及第二表面分別為遠離及靠近該光電轉換基板之表面；以及一金屬層，設置於該透明導電層之該第一表面上，使該透明導電層位於該背電場層與該金屬層之間，其中該金屬層大致完全覆蓋該非受光面；其中該透明導電層之該第一表面的粗糙度大於該透明導電層之該第二表面的粗糙度，且該透明導電層之該第一表面的粗糙度介於0.5~1.5μm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單面受光式太陽能電池，其中該透明導電層之材質選自氟氧化錫、氧化鋅鋁、氧化鋅鎵、氧化鋅鎵鋁、氧化錫為基材的金屬氧化物、及氧化鋅為基材的金屬氧化物所構成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之單面受光式太陽能電池，其中該光電轉換基板包括一射極層，其靠近該受光面處。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之單面受光式太陽能電池，其中該金屬層具有一第三表面，該第三表面連接於該透明導電層之該 第一表面，且該第三表面的粗糙度等於該透明導電層之該第一表面的粗糙度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之單面受光式太陽能電池，其中該背電場層之材質為非晶矽或微晶矽，且該穿隧氧化層之材質為二氧化矽。
  6. 一種單面受光式太陽能電池之製造方法，包括：提供一光電轉換基板，其中該光電轉換基板具有一非受光面及一受光面，該非受光面為一拋光面；形成一穿隧氧化層於該非受光面上；形成一背電場層於該穿隧氧化層上；形成一透明導電層於該背電場層上；對該透明導電層進行一蝕刻製程，其中蝕刻後之該透明導電層具有一第一表面及一相對於該第一表面之第二表面，該第一及第二表面分別為遠離及靠近該光電轉換基板之表面；以及形成一金屬層於該透明導電層之該第一表面上，使該透明導電層位於該背電場層與該金屬層之間，其中該金屬層大致完全覆蓋該非受光面；其中該蝕刻製程使該透明導電層之該第一表面粗糙化，且該透明導電層之該第一表面的粗糙度介於0.5~1.5μm，藉此提高由該透明導電層之該第二表面進入之入射光於到達該透明導電層之該第一表面時的散射率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，其中該光電轉換基板包括一射極層，其靠近該受光面處。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，其中該透明導電層之該第一表面的粗糙度大於該透明導電層之該第二表面的粗糙度。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，其中該透明導電層之材質選自氟氧化錫、氧化鋅鋁、氧化鋅鎵、氧化鋅鎵鋁、氧化錫為基材的金屬氧化物、及氧化鋅為基材的金屬氧化物所構成之群組。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之單面受光式太陽能電池之製造方法，其中該蝕刻製程所使用之蝕刻液選自氫氟酸、磷酸及草酸所構成之群組。
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