TWI652832B - n型雙面太陽能電池 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種n型雙面太陽能電池,包含n型矽基板、p型正面射極層、n型背面電場層、正面及背面功能層、穿隧層、至少一正面電極及至少一背面電極。p型正面射極層及n型背面電場層分別設置於n型矽基板的上表面及下表面上;正面及背面功能層分別設置於p型正面射極層及n型背面電場層上。穿隧層設置於p型正面射極層與正面功能層之間以及設置於n型背面電場層與背面功能層之間兩種狀態之至少其中一種。正面及背面電極分別穿過正面及背面功能層,經由穿隧層分別電性連接於p型正面射極層及n型背面電場層。
Description
本發明涉及一種太陽能電池,特別是涉及一種n型雙面太陽能電池。
一般而言,現有的n型雙面太陽能電池的結構包括正面射極(通常為p型)、背面電場(通常為n型)、鈍化層結構以及電極結構。正面射極以及背面電場可透過對n型矽基板進行摻雜,或是沈積經摻雜的矽薄膜等方式來形成。鈍化層結構分別設置於n型雙面太陽能電池的正面以及背面,用以直接鈍化正面射極以及背面電場,且鈍化層結構可同時具有抗反射的功能。電極結構包括分別直接接觸正面射極以及背面電場的正面電極以及背面電極,其等藉由金屬膠燒結(metal paste fire through)或以介電層開孔等方式穿過鈍化層結構後進行電鍍。因此,位於電極下方的鈍化層結構被破壞,導致電極結構與矽材料之間發生金屬誘導再結合(metal induced recombination)現象,進而大幅限制了n型雙面太陽能電池的效能。
針對前述課題,業界已研發一種穿隧氧化物鈍化接觸型(Tunnel Oxide passivated contact,TOPCon)太陽能電池結構,其以由穿隧氧化物以及重摻雜矽薄膜所構成的鈍化接觸結構來取代原先的整面摻雜背表面區域(full area doped back surface region)。具體來說,在鈍化接觸結構中,穿隧氧化物層形成於矽基板的表面,而重摻雜矽薄膜(即背電場層)可透過電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)覆蓋於穿隧氧化物層的表面。藉此,TOPCon
太陽能電池結構可結合現有異質接面結構以及傳統多晶矽接面結構的優點,即,具有高載子選擇性以及高溫度穩定性。
然而,在前述TOPCon太陽能電池結構中,由於在背面電場層與矽基材之間設置有穿隧氧化物層,即,太陽能電池的背面結構由內向外依序包括矽基材、穿隧氧化物層以及重摻雜矽薄膜,相較於現有的n型雙面太陽能電池的製程,TOPCon太陽能電池的製程必須針對現有製程的順序作出調整。具體來說,必須先於矽基材表面形成穿隧氧化物層,再於穿隧氧化物層的表面透過沈積形成重摻雜矽薄膜。如此一來,為製造TOPCon太陽能電池,需要採用有別於現有的n型雙面太陽能電池的製程及設備,造成生產成本的上升。
再者,在TOPCon太陽能電池結構中,重摻雜矽薄膜是在穿隧氧化物層被形成後才被形成於穿隧氧化物層上。具體而言,重摻雜是在矽薄膜生成中以in-situ方式進行,或是在矽薄膜生成後以ex-situ方式藉由離子擴散或氣體擴散形成。然而,無論以何種方式進行重摻雜製程,在製程中必須精確控制重摻雜程序的條件及參數,以避免穿隧氧化物層受到破壞。舉例而言,需要避免摻雜物(Dopant)穿過穿隧氧化物層,或後續高溫擴散製程破壞穿隧氧化物層鈍化能力。因此,現有的TOPCon太陽能電池結構仍有製程難度高、製程可靠度低等缺點。另外,TOPCon太陽能電池結構中,重摻雜矽薄膜因具有吸光特性而將會阻擋光線進入太陽能電池本體,因此,實務上其僅適用於太陽能電池的背面結構。
因此,仍有需要提供一種的解決方案,以在未大幅增加製程複雜度的前提下降低由金屬誘導再結合現象對n型雙面太陽能電池的效能所造成的影響,藉此確保n型雙面太陽能電池的轉換效率。
為了解決上述技術問題,根據本發明之其中一種方案,提供
一種n型雙面太陽能電池,其包含一n型矽基板、一p型正面射極層、一n型背面電場層、一正面功能層、一背面功能層、至少一穿隧層、至少一正面電極以及至少一背面電極。矽基板具有一上表面以及一下表面,而p型正面射極層及n型背面電場層分別設置於n型矽基板的上表面上以及下表面上。正面功能層以及背面功能層分別設置於p型正面射極層以及所述n型背面電場層的表面上。至少一穿隧層設置於p型正面射極層與正面功能層之間以及設置於n型背面電場層與背面功能層之間兩種狀態之至少其中一種。正面電極穿過正面功能層,經由穿隧層以電性連接於p型正面射極層,背面電極穿過背面功能層,經由穿隧層以電性連接於n型背面電場層。
本發明的主要技術手段在於,透過“在p型正面射極層與正面功能層之間”,以及“在n型背面電場層與背面功能層之間”兩種狀態之至少其中一種的位置設置穿隧層,可以在不改變現有的n型雙面太陽能電池的製程順序上,達到避免電極結構金屬與形成正面射極層以及背面電場層直接接觸,因而避免金屬誘導再結合現象的發生,進而提升太陽能電池的壽命以及轉換效能。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容,請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖,然而所提供的附圖僅提供參考與說明用,並非用來對本發明加以限制者。
S‧‧‧雙面太陽能電池
1‧‧‧n型矽基板
11‧‧‧上表面
12‧‧‧下表面
2‧‧‧p型正面射極層
3‧‧‧n型背面電場層
4‧‧‧正面功能層
5‧‧‧背面功能層
6‧‧‧正面電極
7‧‧‧背面電極
8‧‧‧穿隧層
圖1為本發明其中一實施例所提供的n型雙面太陽能電池的剖面示意圖;圖2為發明另一實施例所提供的n型雙面太陽能電池的剖面示意圖;以及圖3為發明再一實施例所提供的n型雙面太陽能電池的剖面示意圖。
以下是通過特定的具體實例來說明本發明所公開有關“n型雙面太陽能電池”的實施方式,本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與功效。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用,本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用,在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外,本發明的附圖僅為簡單示意說明,並非依實際尺寸的描繪,先予敘明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容,但所公開的內容並非用以限制本發明的技術範疇。
首先,請參閱圖1。圖1為本發明其中一實施例所提供的n型雙面太陽能電池的剖面示意圖。本發明實施例所提供的n型雙面太陽能電池S包含n型矽基板1、p型正面射極層2、n型背面電場層3、正面功能層4、背面功能層5、正面電極6、背面電極7,以及穿隧層8。
再者,如圖1所示,n型矽基板1具有上表面11及下表面12。在本發明實施例中,上表面11的方向定義為n型雙面太陽能電池S的正面,而下表面12的方向定義為n型雙面太陽能電池S的背面。由於本發明實施例所提供的n型雙面太陽能電池S可雙面受光,其正面與背面皆為受光面。
另外,p型正面射極層2以及n型背面電場層3分別設置於n型矽基板1的上表面11以及下表面12上。p型正面射極層2可由多種方式形成。舉例而言,可透過擴散方式將p型正面射極層2形成於n型矽基板1的上表面11。藉由擴散方式(例如,高溫擴散製程)形成p型正面射極層2後,上表面11成為p型正面射極層2以及未被摻雜的n型矽基板1的介面。或是,p型正面射極層2是利用常壓式氣相沉積法(Atmospheric pressure chemical vapor deposition,APCVD)來形成。另外,p型正面射極層2亦可利用離子佈植來形成。舉例而言,p型正面射極層2是經硼摻雜的射極層。
此外,如同p型正面射極層2,n型背面電場層3可利用氣體擴散、離子佈植、氣相沉積法或是其他摻雜方式來形成。舉例而言,n型背面電場層3為摻雜磷的電場層。於本發明中,p型正面射極層2以及n型背面電場層3的形成方式不在此限制。
再者,正面功能層4設置於p型正面射極層2的表面上,而背面功能層5設置於n型背面電場層3的表面上。正面功能層4以及背面功能層5是由選自於由矽氧化物(SiOx)、氮氧化矽(SiON)、氧化鋁(AlOx)、氮化鋁(AlN)、氮化矽(SiNx)及其等的組合所組成之群組的材料所形成。於本發明中,形成正面功能層4以及背面功能層5的方式並未加以限制。在n型雙面太陽能電池S的正面及背面上分別設置功能層可以對p型正面射極層2及n型背面電場層3的材料進行鈍化,並發揮抗反射的效果。
具體而言,在其中一實施例中,正面功能層4以及背面功能層5可分別為同時發揮鈍化及抗反射功能的材料層。此時,正面功能層4及背面功能層5是由前述材料所製成,而正面功能層4為一正面材料層,而背面功能層5為一背面材料層,且正面材料層以及背面材料層都同時具有鈍化及抗反射的效果。或是,在其他的實施例中,正面功能層4包含一正面鈍化層(未繪示)以及一正面抗反射塗層(未繪示),而背面功能層5包含一背面鈍化層(未繪示)以及一背面抗反射塗層(未繪示)。在此情況下,正面及背面鈍化層與正面及背面抗反射塗層是分別發揮鈍化及抗反射的效果。綜上所述,正面功能層4以及背面功能層5可為單層材料結構,或是為包含不同材料層的疊層結構。
詳細而言,前述抗反射塗層以及鈍化層可在相同製程程序中使用不同材料依序形成。當太陽能電池S包含有第一抗反射塗層以及第二抗反射塗層時,第一抗反射塗層共形地形成於正面鈍化層上。相似地,第二抗反射塗層共形地形成於背面鈍化層上。第一及第二抗反射塗層是用於降低光子的反射量以增加太陽能電池
S的效能。或是,藉由選用抗反射塗層的材料,抗反射塗層亦可達到鈍化載子複合區的效果。
舉例而言,第一抗反射塗層及第二抗反射塗層可由選自於由下列所組成之群組的材料所形成:氮化矽(Silicon nitride)、二氧化鈦(TiO2)、氧化銦錫(ITO)、透明導電氧化物、二氧化矽(SiO2)、氮氧化矽(SiNx:H)及其等的組合。另外,第一及第二抗反射塗層可由,例如,常壓式氣相沉積法、熱氧化法(Thermal oxidation)而形成。然而,用於形成第一及第二抗反射塗層的材料及方法不在此限制。
另外,正面電極6以及背面電極7分別形成於正面功能層4以及背面功能層5上。正面電極6穿過正面功能層4,且經由穿隧層以電性連接於p型正面射極層2;而背面電極7穿過背面功能層5,且經由穿隧層以電性連接於n型背面電場層3。舉例而言,在形成正面電極7以及背面電極8之前,可透過開孔製程於正面功能層4及/或背面功能層5的表面上形成通孔,使得後續所形成的正面電極6以及背面電極7的材料可通過前述通孔而電性連接於p型正面射極層2及n型背面電場層3。開孔製程的技術手段包括雷射開孔、使用蝕刻膠(Etching paste)及形成蝕刻阻擋層(Etching mask)等,然而本發明並不在此限制。
承上述,舉例而言,正面電極6以及背面電極7可為柵狀電極結構並具有作為匯流排(Bus bar)的主電極結構及作為指狀電極(Finger)的次電極結構。正面電極6及背面電極7可透過網印、蒸鍍、濺鍍或者電鍍所形成。然而,本發明不在此限制。正面電極6及背面電極7可由網印金屬膠形成,舉例而言,用於形成正面電極6及背面電極7的金屬膠可包含銀、鋁、銅等及其混和物。正面電極6以及背面電極7可由電鍍形成,舉例而言,透過電鍍鈦/鈀/銀等金屬層或者電鍍鎳/銅/銀/錫等金屬層及其任意堆疊金屬層而形成。正面電極6及背面電極7可由蒸鍍或濺鍍形成,舉
例而言,形成銀、鋁等金屬層。值得注意的是,本發明實施例所提供的n型雙面太陽能電池S還包含穿隧層8。在圖1所示的實施例中,穿隧層8設置於n型背面電場層3與背面功能層5之間。因此,背面電極7是穿過背面功能層5,而受穿隧層8的阻隔,以與n型背面電場層3相互隔離。穿隧層8對本發明實施例所提供的n型雙面太陽能電池S有重要的效果。具體來說,穿隧層8可以避免穿過背面功能層5的背面電極7與n型背面電場層3直接接觸。然而,在利用太陽能電池進行光電轉換的過程中,電子或載子仍可穿越穿隧層8,因此,背面電極7與n型背面電場層3之間雖無直接地物理接觸,背面電極7仍然與n型背面電場層3以載子穿隧效應形成電性連接。
承上述,藉由穿隧層8的設計,本發明實施例所提供的n型雙面太陽能電池S的金屬製背面電極7與構成n型背面電場層3的以矽為主的材料(silicon-based material)之間因為沒有物理性接觸,不僅避免了發生金屬誘導再結合,同時穿隧層8亦提供電性連接及良好的鈍化效果。因此,本發明實施例所提供的n型雙面太陽能電池S可具有優異的轉換效能。
舉例而言,穿隧層8是由矽氧化物(SiOx)、鋁氧化物(AlOx)或其等的疊層結構所形成。穿隧層8的厚度亦須被控制,若其厚度過薄,其用以鈍化背面電極7與n型背面電場層3之間金屬誘導再結合現象的效能會被降低,而若其厚度過厚,將對載子穿隧效應造成不利的影響。因此,穿隧層8的厚度較佳為介於0.5至16奈米之間,最佳介於1至4奈米之間。其中穿隧層8可以為矽氧化物,且透過溼式化學法(Wet-chemical method)或紫外光/臭氧生長法(UV/O3 growth)來形成;或是,穿隧層8可以為鋁氧化物,且可以透過原子層化學氣相沉積(ALD method)來形成。然而,本發明並不在此限制。
接下來,將以由鋁氧化物(AlOx)所形成的穿隧層8為例,
說明由鋁氧化物對以n型矽為主的材料產生鈍化效果的機制。鋁氧化物對n型矽可產生場效鈍化(Field-effect passivation)效果。鋁氧化物層及其與n型矽的介面處的高密度負電荷(介於1012-1013cm-2)足以在接近n型矽表面處形成強烈的倒轉電場(Field Inversion)。此區的倒轉電場對於具有低摻雜濃度的n型矽有很好的表面鈍化效果。對於具有中度摻雜濃度的n型矽,帶負電荷的鋁氧化物層仍然可在接近n型矽表面處形成微弱的倒轉電場。因此,雖然對於具有中度摻雜濃度的n型矽,使用鋁氧化物層所獲致的鈍化效果未如對於具有低摻雜濃度的n型矽來得好,鋁氧化物仍是足以產生鈍化效果。
承上述,使用鋁氧化物所形成的穿隧層8對n型雙面太陽能電池S中載子的生命期(Lifetime)是有顯著的影響,卻不會影響射極結構或電場結構與電極之間的歐姆接觸(Ohmic Contact)。舉例而言,藉由使用鋁氧化物層作為穿隧層8,與未使用任何穿隧層的太陽能電池相比,n型雙面太陽能電池S中載子的生命期可增加大約3倍。
接下來,請參照圖2。圖2為本發明另一實施例所提供的n型雙面太陽能電池的剖面示意圖。將圖2與圖1比較可知,圖1與圖2之間的差別在於穿隧層8的設置位置不同。圖2中穿隧層8設置於p型正面射極層2與正面功能層4之間。因此,正面電極6是經由穿隧層8的阻隔,以與p型正面射極層相互隔離。具體來說,穿隧層8可以避免穿過正面功能層4的正面電極6與p型正面射極層2直接接觸。然而,在利用太陽能電池進行光電轉換的過程中,電子或載子仍可穿越穿隧層8,因此,正面電極6與p型正面射極層2之間雖無直接地物理接觸,正面電極6仍然與p型正面射極層2以載子穿隧效應形成電性連接。
圖2中所示的n型雙面太陽能電池S的結構中,穿隧層8以外的其他結構皆與圖1中所示相同。因此,針對其他結構,即n
型矽基板、p型正面射極層2、n型背面電場層3、正面功能層4、背面功能層5、正面電極6,以及背面電極7的詳細內容,在此不再次說明。
最後,請參閱圖3。圖3為發明再一實施例所提供的n型雙面太陽能電池的剖面示意圖。
將圖3與圖1以及圖2比較可知,圖3與圖1以及2之間的差別在於穿隧層8的設置位置。具體來說,圖1中穿隧層8設置於n型背面電場層3與背面功能層5之間,圖2中穿隧層8設置於p型正面射極層2與正面功能層4之間,而圖3的n型背面電場層3與背面功能層5之間,以及p型正面射極層2與正面功能層4之間各自設置有穿隧層8。換句話說,於圖3所示的實施例中,n型雙面太陽能電池S的正反面都設置有穿隧層8。圖3穿隧層8的製造方法、材料的選用以及其與其他結構的相互關係皆如針對圖1以及圖2所示者相同,再此不再次說明。另外,圖3中所示的n型雙面太陽能電池S的結構中,穿隧層8以外的其他結構皆與圖1以及圖2中所示相同。因此,針對其他結構,即n型矽基板、p型正面射極層2、n型背面電場層3、正面功能層4、背面功能層5、正面電極6,以及背面電極7的詳細內容,在此不再次說明。
綜上所述,本發明的有益效果在於,本發明實施例所提供的n型雙面太陽能電池,其可通過“在p型正面射極層與正面功能層之間”,以及“在n型背面電場層與背面功能層之間”兩種狀態之至少其中一種的位置設置穿隧層,可以在不改變現有的n型雙面太陽能電池的製程順序上,達到避免用於形成電極結構的金屬與形成正面射極層已及背面電場層的矽材料直接接觸而造成金屬誘導再結合現象,進而提升太陽能電池的壽命以及轉換效能。
具體來說,本發明實施例所提供的雙面太陽能電池可以利用各種現有的技術(即,不限於沈積技術)而在矽基材上方或矽基
材內形成經摻雜的射極結構或電場結構,再於前述射極結構或電場結構上形成氧化物層作為穿隧層。相較於現有的TOPCon太陽能電池結構的製程,本發明可以透過難度較低、可靠度較高的製程來形成雙面太陽能電池,亦可克服現有的TOPCon太陽能電池結構僅能用於太陽能電池背面的缺點。
以上所述僅為本發明的較佳可行實施例,非因此侷限本發明的專利範圍,故舉凡運用本發明說明書及附圖內容所做的等效技術變化,均包含於本發明的保護範圍內。
Claims (10)
- 一種n型雙面太陽能電池,其包含:一n型矽基板,其具有一上表面以及一下表面;一p型正面射極層,其設置於所述n型矽基板的所述上表面上;一n型背面電場層,其設置於所述n型矽基板的所述下表面上;一正面功能層,其設置於所述p型正面射極層的表面上;一背面功能層,其設置於所述n型背面電場層的表面上;至少一穿隧層,其設置於所述p型正面射極層與所述正面功能層之間以及設置於所述n型背面電場層與所述背面功能層之間兩種狀態之至少其中一種;至少一正面電極,至少一所述正面電極穿過所述正面功能層以電性連接於所述p型正面射極層;以及至少一背面電極,至少一所述背面電極穿過所述背面功能層以電性連接於所述n型背面電場層;其中,至少一所述穿隧層是使得至少一所述背面電極與所述n型背面電場層相互隔離、使得至少一所述正面電極與所述p型正面射極層相互隔離或是同時使得至少一所述背面電極與所述n型背面電場層相互隔離且至少一所述正面電極與所述p型正面射極層相互隔離;其中,所述穿隧層是由鋁氧化物或矽氧化物與鋁氧化物的疊層結構所形成;其中,當至少一所述穿隧層設置於所述p型正面射極層與所述正面功能層之間,所述正面電極不穿過所述穿隧層且通過載子穿遂效應以電性連接於所述p型正面射極層,並且所述穿隧層中的所述鋁氧化物與所述p型正面射極層接觸而在所述鋁氧化物與所述p型正面射極層的介面處產生場效鈍化效果; 其中,當至少一所述穿隧層設置於所述n型背面電場層與所述背面功能層之間,所述背面電極不穿過所述穿隧層且通過載子穿遂效應以電性連接於所述n型背面電場層,並且所述穿隧層中的所述鋁氧化物與所述n型背面電場層接觸而在所述鋁氧化物與所述n型背面電場層的介面處形成倒轉電場並產生場效鈍化效果。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,至少一所述穿隧層設置於所述n型背面電場層與所述背面功能層之間。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,至少一所述穿隧層設置於所述p型正面射極層與所述正面功能層之間。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,至少一所述穿隧層設置於所述p型正面射極層與所述正面功能層之間;其中,至少一所述穿隧層設置於所述n型背面電場層與所述背面功能層之間。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,所述正面功能層為一同時具有鈍化以及抗反射功能的正面材料層,而所述背面功能層為一同時具有鈍化以及抗反射功能的背面材料層。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,所述正面功能層包含一正面鈍化層以及形成於所述正面鈍化層上的一第一抗反射塗層,所述正面鈍化層以及所述第一抗反射塗層裸露至少一所述正面電極,所述背面功能層包含一背面鈍化層以及形成於所述背面鈍化層上的一第二抗反射塗層,所述背面鈍化層以及所述第二抗反射塗層裸露至少一所述背面電極。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,所述正面功能層以及所述背面功能層是由選自於由矽氧化物、氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氮化鋁及其等的組合所組成之群組的材料所形成。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,所述p型正面 射極層以及所述n型背面電場層是透過氣體擴散、離子佈植或者常壓式氣相沉積所形成。
- 如請求項1所述的n型雙面太陽能電池,其中,至少一所述正面電極以及至少一所述背面電極是由一金屬膠或一金屬層所形成,所述金屬膠包含銀、鋁、銅或及其等的混和物,而所述金屬層包含鈦、鈀、銀、鎳、銅、錫、鋁或其等的組合。
- 如請求項9所述的n型雙面太陽能電池,其中,多個所述正面電極以及多個所述背面電極是透過網印、蒸鍍、濺鍍或者電鍍所形成。
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