TWI720959B - 太陽能電池及其製造方法、用以形成太陽能電池的非導電性區域的漿料 - Google Patents

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Abstract

描述了一種太陽能電池的薄膜類金屬化方法以及所得的太陽能電池。舉例而言，太陽能電池的製造方法涉及了形成交替的複數個N型與P型半導體區域於基板中或基板上方。方法亦涉及形成漿料於交替的N型與P型半導體區域之相鄰者之間。方法亦涉及固化漿料以形成非導電性材料區域對準交替的N型與P型半導體區域之間的位置。方法亦包含黏著金屬薄膜至交替的N型與P型半導體區域。方法亦包含雷射剝蝕對準介於交替的N型與P型半導體區域之間的位置之金屬薄膜，以隔離對準交替的N型與P型半導體區域的剩餘金屬薄膜的區域。非導電性材料區域在雷射剝蝕期間作用為雷射終止。

Description

太陽能電池及其製造方法、用以形成太陽能電池的非導電性 區域的漿料
本揭露的實施例係為可再生能源之領域，且特別是，包含用於太陽能電池的薄膜類金屬化(foil-based metallization)之方法及所得到的太陽能電池。
一般稱為太陽能電池之光伏電池係為習知用以直接轉換太陽輻射為電能的裝置。通常，太陽能電池利用半導體處理技術形成靠近基板表面的p-n接面而製備在半導體晶圓或基板上。照射在基板表面上並且進入基板的太陽能輻射在塊狀(bulk)基板中產生電子及電洞對。電子及電洞對遷移至基板中的p-摻雜區域及n-摻雜區域，從而在摻雜區域之間產生電壓差。摻雜區域連接至太陽能電池上的導電區域，以從電池引導電流至連接至其的外部電路。
效率係為太陽能電池的重要特性，因為其直接關係到太陽能電池發電的能力。同樣地，在生產太陽能電池中的效率係直接關於這 種太陽能電池的成本效益。據此，用於增加太陽能電池效率的技術，或用於增加太陽能電池製造中的效率的技術係為一般所期望的。本揭露的一些實施例藉由提供用於製造太陽能電池結構的新穎製程而允許增加太陽能電池的製造效率。本揭露的一些實施例藉由提供新穎的太陽能電池結構而允許增加太陽能電池的效率。
根據本發明的一實施例，揭示一種製造太陽能電池的方法，該方法包含：形成交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域在基板中或基板上方；形成漿料於交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域的相鄰者之間；固化漿料以形成非導電性材料區域對準交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域之間的位置；黏著金屬薄膜至交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域；及雷射剝蝕對準交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域之間的位置的金屬薄膜，以隔離對準交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域的金屬薄膜的剩餘區域，其中非導電性材料區域在雷射剝蝕過程期間作為雷射終止。
根據本發明的一實施例，揭示一種如上所述之方法所製造的太陽能電池。
根據本發明的一實施例，揭示一種太陽能電池。該太陽能電池包含：基板；設置於基板中或基板上方之交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域；對準交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域之間的位置之複數個非導電性材料區域，複數個非導電性材料區域包含接合劑與非透明顏料，其中非透明顏料的量大於複數個非導 電性材料區域的成分總重的約50%；以及電性連接至交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域之複數個導電性接觸結構，導電性接觸結構之每一個包含金屬薄膜之部分設置於上方，且對準交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域的其中之對應一者。
根據本發明的一實施例，揭示一種用以形成太陽能電池的非導電性區域的漿料。該漿料包含：接合劑；非透明顏料；以及與該接合劑以及該非透明顏料混合之有機介質，其中大於漿料的成分總重的大約25%為非透明顏料，且其中少於漿料的成分總重的大約50%為有機介質。
100:基板
101:光接收面
102:薄介電層
104、106:區域
108:溝槽
112:層
120:漿料材料
122:非導電性材料區域
124:金屬層
126:金屬薄膜
128:焊接區域
130:雷射剝蝕
200:流程圖
202、204、206、208、210、212:操作
第1A圖至第1F圖為根據本揭露的一實施例，利用薄膜類金屬化製造太陽能電池的各階段的剖面圖，其中：第1A圖為太陽能電池製造中，接續太陽能電池基板的背面一部分的上方所形成之交替的N型與P型半導體區域(發射區域)之形成的階段；第1B圖為接續第1A圖的結構形成漿料於交替的N型與P型半導體區域之相鄰者之間；第1C圖為接續第1B圖的結構固化漿料以形成非導電性材料區域對準交替的N型與P型半導體區域之間的位置；第1D圖為接續第1C圖的結構選擇性的形成複數個金屬晶種材料區域以提供金屬晶種材料區域於各個交替的N型與P型半導體區域上；第1E圖為接續第1D圖的結構黏著金屬薄膜至交替的N 型與P型半導體區域；及第1F圖為接續第1E圖之結構而雷射剝蝕對準交替的N型與P型半導體區域之間的位置的金屬薄膜，以隔離剩餘的金屬薄膜對準交替的N型與P型半導體區域之區域；第2圖為根據本揭露之一實施例，列出對應第1A圖至第1F圖的製造太陽能電池之方法的操作之流程圖；第3圖為根據本揭露之其他實施方式，具有薄膜類金屬化的其他太陽能電池之剖面圖。
下列實施方式在本質上僅為說明性質，且並非旨在限制專利標的之實施例，或此實施例的應用及用途。如用於本文中，文字「例示性的(exemplary)」表示「作為一個實施例(example)、實例(instance)或說明(illustration)」。在本文中被描述為例示性的任何實施方式並不必然被詮釋為較佳於或優於其他實施方式。此外，並不意圖被先前技術領域、背景、發明內容或下列實施方式中提出的任何明示或暗示的理論所束縛。
此說明書包含參照「一個實施例(one embodiment)」或「一實施例(an embodiment)」。慣用語「在一個實施例」或「在一實施例」的出現並不必然表示相同實施例。特定的特徵、結構或性質可以與本揭露相符的任何合適之方式結合。
用語。下列段落提供在本揭露(包含所附的申請專利範圍)中發現的用語之定義及/或語境。
「包含(Comprising)」。此用語為開放式的。當用於所附的申請專利範圍中時，此用語並不排除其他結構或步驟。
「配置以(Configured To)」。各種單元或組成可描述或主張為「配置以」進行一個工作或多個工作。在這樣的語境中，使用「配置以」以藉由指出單元/組成包含在操作期間進行那些工作或那些多個工作的結構而暗示結構。因此，縱使當特定單元/組成並不是目前正在運作的(例如，非導通/啟動的)，單元/組成仍可被稱之為被配置以進行工作。將單元/電路/組成描述成被「配置以」進行一個或多個工作係明確地旨在對於所述單元/組成不援引美國專利法，第112條，第六項(35 U.S.C.§112,sixth paragraph)。
「第一(First)」、「第二(Second)」等。如本文所用，這些用語被用作為其所前綴之名詞的標籤，而不意味著任何類型的順序(例如，空間、時間、邏輯等)。例如，參照「第一」太陽能電池並不必然意味者此太陽能電池在順序上為第一太陽能電池，而是用語「第一」用於區分此太陽能電池與另一個太陽能電池(例如，「第二」太陽能電池)。
「耦接(Coupled)」-下列描述表示元件或節點或特徵被「耦接」在一起。如用於本文中，除非另有明確指出，否則「耦接」表示的是，一個元件/節點/特徵直接地或間接地連接至(或直接地或間接地相通於)另一個元件/節點/特徵，且不必然為機械性的。
此外，某些用語亦可僅為了參考之目的而使用在下列描述中，且因此不意圖為限制。例如，用語如「上(upper)」、「下(lower)」、「之上(above)」及「之下(below)」表示進行參照之圖式中的方向。用語如「前(front)」、「後(back)」、「背(rear)」、「側(side)」、「外側(outboard)」及「內側(inboard)」描述在討論下參照描述組成的說明 及相關圖式而臻至明確之進行參照的一致但任意框架中之組成的部分之定向及/或位置。這樣的用語可包含上面具體地提到的文字、其衍生物及類似含意的文字。
「抑制」-如本文所用，抑制用於描述減小影響或使影響最小化。當部件或特徵被描述為抑制一種作動、運動或條件時，其可以完全防止某種結果或後果或完整的未來狀態。另外，「抑制」還可以指減少或減小可能會發生的某種後果、表現和/或效應。因此，當部件、元件或結構被稱為抑制一種結果或狀態時，其不一定完全防止或消除某種結果或狀態。
用於太陽能電池的薄膜類金屬化之方法及所得到的太陽能電池被描述於本文中。在下列描述中，為了提供本揭露的實施例之徹底理解而闡述了許多具體細節，如具體的漿料組成及製程流程操作。對所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見的是，本揭露的實施例可在沒有這些具體細節下實施。在其他實例中，為了避免不必要地模糊本揭露的實施例，而不詳細描述習知的製造技術，如微影法(lithography)及圖案化技術。此外，要理解的是，在圖式中所示出的各種實施例為說明性的表示，且不需要按比例繪製。
在本文中揭露了製造太陽能電池的方法。在一個實施例中，製造太陽能電池的方法包含在基板中或上方形成交替的複數個N型與P型半導體區域。此方法亦包含在交替的N型與P型半導體區域的相鄰者之間形成漿料(paste)。此方法亦包含固化漿料以形成非導電性材料區域對準交替的N型與P型半導體區域之間的位置。此方法亦包含黏著金屬薄膜至交替的N型與P型半導體區域。此方法亦包含雷射剝蝕金屬薄膜對準交替的N型與P型半導體區域之間的位置，以隔離剩餘金屬薄 膜對準交替的N型與P型半導體區域的區域。非導電性材料區域在雷射剝蝕期間作用為雷射終止。
在本文中亦揭露太陽能電池。在一實施例中，太陽能電池包含基板。交替的複數個N型與P型半導體區域設置於基板中或上方。複數個非導電性材料區域對準交替的N型與P型半導體區域之間的位置。複數個非導電性材料區域包含接合劑與非透明顏料，其中非透明顏料的量大於複數個非導電性材料區域的成分總重的大約50%。複數個導電性接觸結構電性連接交替的複數個N型與P型半導體區域。各個半導體接觸結構包含金屬薄膜部分設置於上方且對準交替的N型與P型半導體區域的對應者。
在本文中亦揭露了用以製造太陽能電池的漿料與漿料配方。在一實施例中，用以形成太陽能電池的非導電性區域之漿料包含接合劑、非透明顏料以及與接合劑和非透明顏料混合的有機介質。非透明顏料的組成大於漿料的成分總重的約25%，而有機介質的組成小於漿料的成分總重的約50%。
本文中所描述的一或多個實施例係針對用於太陽能電池的金屬(例如鋁)基底的金屬化。以一般考量而言，背接觸型太陽能電池通常需要圖案化兩種極性的金屬於太陽能電池的背面。其中預圖案化金屬因為成本、複雜度或效能的緣故是不可得的，低成本、低材料製程的毯覆金屬(blanket metal)往往有利於雷射類的圖案化方法。在一實施例中，揭露了用於叉指式背部接觸(interdigitated back contact,IBC)太陽能電池之鋁的金屬化製程。在一實施例中，參照M2-M1製程，其中M2層可從金屬薄膜製造，而M1層為形成於部分之太陽能電池的金屬層(其可稱作為晶種層)。
對於高效能的電池，在電池的背面的金屬圖案化製程通常必須滿足兩個要求：(1)金屬的完全隔離，以及(2)無傷害製程(damage free-processing)。為了大量生產，所述製程亦需要是高產量製程，如大於每小時500片晶圓的產量。對於複雜的圖案化，利用雷射以圖案化厚的(例如大於1微米)或高反射性的金屬(例如鋁)於矽材之上可能在製造中造成大量的產量問題。因為在高效率下剝離厚的及/或高反射性金屬所需要的能量需要雷射能量大於底層射極的損害門檻(例如大於1焦耳/平方公分(J/cm2))，產量的問題可能會出現。因為具有完全隔離金屬的需求以及金屬厚度和雷射能量的變化，在金屬圖案化的實現中經常會過蝕刻。特別是，似乎沒有單一雷射窗口(laser-energy window)在高產量/低成本下可完全的除去金屬且不會暴露射極至有害的雷射光。
更確切而言，在一些實施例中，描述了具有無機(或其他)接合劑的介電雷射終止材料層。例如，可網版印刷的漿料可適合用以作為介電雷射終止層(或損害緩衝層)。在一實施例中，漿料採用非透明顏料、有機載體以及無機接合材料以改善雷射剝蝕抵抗性和材料黏著性。在一實施例中，參照之漿料可另外地或替代地用以指油墨、膠體材料或凝膠。
為提供進一步的脈絡，下一代太陽能電池面對的主要問題為雷射對光伏電池性能的損害，其在利用雷射圖案化電池上之金屬結構時可能會發生。當雷射用以完全地電性隔離金屬結構時，所述金屬需完全切割，而一些雷射能量可能會到達底層結構，導致傷害。在本文所描述的一或多個實施例係設計以提供一種材料，其可作為損傷緩衝材料，以防止雷射能量損害重要的電池部件，而同時允許完全地金屬隔離。先前解決這種問題的嘗試包含使用聚合雷射終止層，其包含非透明顏料。然而，此嘗試並沒有非常的成功，因為聚合樹脂的低雷射剝離抗性。其 他潛在的解決方案可使用燒結溫度高的玻璃料或陶瓷類接合劑，但這些材料所需的燒結溫度超過攝氏500度，為其中電池效能可能受到不利影響的溫度。最後，金屬性的雷射終止層被頻繁地使用，特別是在印刷電路板產業上，但因為電性隔離的需求而不適合用在太陽能產業中。
在一實施例中，漿料應用至太陽能電池的表面，以作為形成非導電性緩衝區域的前驅物。在一個這樣的實施例中，漿料包含非透明顏料、接合劑以及印刷載體(print vehicle)。在印刷且乾化/固化之後，印刷薄膜用以阻擋雷射製程期間對底層裝置的傷害。在一特定的實施例中，漿料利用下列成份構成：(1)非透明性顏料(例如TiO2、BaSO4、ZnS、ZrO2、Al2O3)，(2)用於漿料配方的有機載體(例如乙基纖維素(ethyl cellulose)、松脂醇(terpineol)、甘醇醚(glycol ether))，以及(3)具有固化溫度低於約攝氏450度的無機接合劑(例如矽氧烷(siloxane)、倍半矽氧烷(silsesquioxane)，其他醇鹽(alkoxides))。
在一實施例中，顏料包含在漿料中(且保留在固化的非導電性材料區域)，作為光散射物以最小化穿射進入底層的雷射且亦減少雷射終止層吸收的雷射能量。非透明顏料可被使用，以用來反射、散射及/或吸收入射的雷射能量，最小化穿射進入底層的雷射。適合的顏料可具有高溫穩定性，以在雷射入射下最小化熱衰退。顏料的高折射係數在最大化光的散射下是有用的。在雷射波長中，所包含的顏料可為吸收或透明的。因為最後薄膜是絕緣的需求，電性絕緣顏料可為較佳的。然而，輕度導電性顏料在足夠低的負荷下可被使用。如以下所詳細描述，可能的非透明顏料包含，但不限於TiO2、BaSO4、ZnS、ZrO2、Al2O3、碳黑、碳奈米管、及其他。
在一實施例中，漿料之接合劑材料可以是有機或無機的， 但高溫中接合劑材料應具高穩定性，特別是長脈衝雷射(奈秒及以上)，其中主要剝離機制為熱剝離。在一實施例中，接合劑可用以黏著底層電池而沒有在熱應力下裂解。有機接合劑包含聚醯亞胺(polyimides)以及纖維素(cellulose)化合物，而無機接合劑包含矽氧烷(siloxane)、倍半矽氧烷(silsesquioxane)或其他非矽醇鹽。印刷載體可包含溶劑、黏度調節劑、分散劑及其他常用的網版印刷漿料成分。
在一實施例中，以上描述之成分的適當調配組合允許用於圖案化網版印刷的漿料至晶圓上，隨著乾化/燒結化操作以(1)移除有機載體，以及(2)固化無機(或適當的有機)接合劑為剛性的無機(或有機)基質，其將顏料顆粒保持定位。在一實施例中，所得的無機網絡具有較聚合性接合劑高的剝離抗性，但亦具有較玻璃料(glass frit)接合劑低的燒結溫度，而玻璃料接合劑用在較高溫的網版印刷應用中。應理解到，因為對電池性能負面的影響，高溫可能是非期望的。
本文中所描述實施例的另一方法可包含玻璃料接合劑的使用。然而，大部分低溫的玻璃料接合劑包含有毒化合物，例如鉛和鎘。無鉛、無鎘的玻璃可被使用，但所需的高燒結溫度可能導致之後的電池性能下降。本文所描述的實施例允許完全地乾化製程以沉積和圖案化用於接觸太陽能電池的金屬手指。相關於另外之電鍍及/或濕蝕刻沉積金屬的圖案化，可包含減少操作支出的優點。此結果可允許雷射製程，其中對底層的傷害是高度非期望的，且其中金屬結構的絕緣是必須的。
在本揭露之實施例的另一態樣中，「黏性」損傷緩衝層包含在太陽能電池中。提供脈絡，導電性薄膜的黏性在製程操作期間對太陽能電池可為關鍵的問題，其可為機械性地或熱性地位移薄膜的位置。作為一例示，如果雷射焊接期間，薄膜沒有適當地黏著至太陽能電池， 則薄膜可能會位移而導致雷射與薄膜的錯位。另一例示性製程為雷射圖案化：如果焊接處不夠堅固或不夠緻密，圖案化的熱能可能會導致薄膜在製程期間偏移，導致圖案化雷射與薄膜間劣質的對準。此外，沒有黏著劑的使用，薄膜可能會「自由的」移動於薄膜-晶種(M1-M2)接觸區域之間的區域中，造成潛在地可靠性問題。在其他實施例中，可分別地應用黏著劑，或增加M1-M2焊接處之密度。熱壓縮接合亦可用以解決黏著解決方案，但無論是熱壓縮或高密度焊接皆無法導致M2黏著至沒有M1的區域。在一實施例中，因為緩衝層的損傷位於M1手指間，薄膜可能黏著至M1手指區域(經由TC或焊接)以及至中間區域(例如經由「黏性」損傷緩衝層)。
在一實施例中，黏性損傷緩衝層於雷射焊接或熱壓縮操作之前沉積。緩衝層可藉由網版印刷沉積。在一特定的實施例中，黏著劑緩衝層對導電性薄膜以及對底層的矽發射區域皆呈現強烈的黏著特性。舉例而言，在涉及鋁薄膜的實施例中，皆包含矽醇鹽(例如聚苯基倍半矽氧烷(polyphenylsilsesquioxane))以及鋁醇鹽的漿料係用以對矽以及鋁薄膜兩者形成強的接合。黏著劑或「黏性」緩衝材料亦可包含雷射反射性及/或材料成分的吸收性，以避免雷射傷害底層的矽。在緩衝層前驅物漿料的沉積以及部分固化後，薄膜可「佈置(fit-up)」或位於用於刮刀(squeegee)方法的晶圓上。配對的組合物可接著固化以固定黏著劑。接著，薄膜電池可經受M1-M2接觸形成(例如通過熱壓縮或雷射焊接)以接續雷射薄膜圖案化。一替代方案可涉及損傷雙層緩衝層的使用，例如利用印刷損傷緩衝層材料以及接著印刷黏著劑於其上所製造的緩衝層。然而，如此的替代方案可能會另外增加製程時間。
在製程的說明性例示中，其可受益於上述描述的漿料以及所得的非導電性材料區域，基於鋁(Al)薄膜的雷射圖案化以形成接觸手 指的叉指式圖案(例如，其可利用一些其他的方式雷射焊接或接合至電池)，雷射刻槽方式為叉指式背部接觸太陽能電池提供新的電極圖案化方法。如此方式的實施例可實施以提供無損傷方法來圖案化鋁薄膜於晶圓上，避免複雜的對準及/或遮罩製程。作為一舉例，第1A圖至第1F圖為根據本發明之實施例利用薄膜類金屬化來製造太陽能電池的各階段的剖面圖。第2圖為根據本揭露之一實施例列出對應第1A圖至第1F圖的製造太陽能電池之方法的操作之流程圖。
第1A圖為太陽能電池製造中接續太陽能電池基板的背面一部分的上方所形成的發射區域之形成的階段。參考第1A圖以及流程圖200對應之操作202，交替的複數個N型與P型半導體區域形成於基板上方。具體而言，基板100上方設置有N型半導體區域104以及P型半導體區域106設置於薄介電層102之材料上，薄介電層102之材料分別作為N型半導體區域104或P型半導體區域106與基板100之間的中介材料。基板100具有光接收面101相對N型半導體區域104以及P型半導體區域106所形成的背面上。
在一實施例中，基板100為單晶矽基板，如塊狀單晶N型摻雜矽基板。然而，應了解的是，基板100可為一層，如多晶矽層，設置於整個太陽能電池基板上。在一實施例中，薄介電層102為具有大約2奈米或更小厚度的穿隧矽氧化層。在如此的一個實施例中，用語「穿隧介電層」指的是非常薄的介電層，藉以可達到電性傳導。所述傳導可由量子穿隧及/或介電層中通過微小點所存在之小區域的直接物理接觸。在一實施例中，穿隧介電層係為薄矽氧化層或包含薄矽氧化層。在另外實施例中，N型與P型發射區域形成於基板本身中，在此情形中，不同的半導體區域(如區域104以及106)以及薄介電層102不包括在內。
在一實施例中，交替的N型與P型半導體區域104與106分別形成多晶矽，如利用電漿輔助化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)製程形成。在如此的實施例中，N型多晶矽發射區域104摻雜N型雜質，如磷。P型多晶矽發射區域106摻雜P型雜質，如硼。如第1A圖所繪示，交替的N型與P型半導體區域104與106可具有溝槽108形成於其間，溝槽108部分地延伸入基板100中。此外，雖未繪示，在一實施例中，底部抗反射塗佈(bottom anti-reflective coating,BARC)材料或其他保護層(如非晶矽層)形成於交替的N型與P型半導體區域104與106上。
在一實施例中，光接收面101為紋理化的光接收面，如第1A圖所繪示。在一實施例中，使用氫氧基濕蝕刻劑以紋理化基板100的光接收面101，且有可能的，繪示於第1A圖中溝槽108之表面亦如是。應了解的是，光接收面之紋理化的時間可能有所不同。舉例而言，紋理化可在薄介電層102的形成之前或之後執行。在一實施例中，紋理化表面可為一個具有規則或不規則形狀的表面，以散射入射光，減少太陽能電池之光接收面101的光反射的量。再次參考第1A圖，其他實施例可包含保護層及/或抗反射塗佈(anti-reflective coating,ARC)層(以層112統一示之)的形成在光接收面101上。應了解到，保護層及/或ARC層所形成的時間亦可有所不同。
第1B圖為太陽能電池製造中接續於交替的N型與P型半導體區域之相鄰者之間的漿料的形成的階段。參考第1B圖與流程圖200對應之操作204，漿料材料120之區域形成於交替的N型與P型半導體區域104與106之相鄰者之間。在實施例中，其中溝槽108已經形成，漿料120形成於溝槽108內，如第1B圖所示。
在一實施例中，漿料材料120的區域可利用網版印刷漿料而形成。在如此的一個實施例中，網版印刷容許漿料材料120的區域形成在圖案中，其留下交替的N型與P型半導體區域104與106之暴露表面，如第1B圖所繪示。
在一實施例中，漿料材料120之區域從適於形成太陽能電池的非導電性區域的漿料所形成。在如此的一個實施例中，漿料包含接合劑、非透明顏料以及混合接合劑與非透明顏料的有機介質。在特定的實施例中，非透明顏料組成大於漿料的成分總重的大約25%，而有機介質組成少於漿料的成分總重的大約50%。
在一實施例中，再度參考漿料材料120，非透明顏料例如為，但不限於，二氧化鈦(TiO2)、硫酸鋇(BaSO4)、硫化鋅(ZnS)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、碳黑或碳奈米管。其他非透明顏料可包含氧化鋅、碳酸鈣以及矽酸鹽。上述非透明顏料可視為針對一般白色以及黑色顏料。然而，應了解的是，針對特定波長光線的顏料可用於取代上述所列的顏料或上述所列的顏料之外。舉例而言，氧化鉻可用以作為綠光，如綠雷射光的非透明顏料。
在一實施例中，再度參考漿料材料120，接合劑為無機接合劑如，但不限於，矽氧烷、倍半矽氧烷或非矽醇鹽。在如此的一個實施例中，無機接合劑在有機介質中溶解。應理解到，所參考的接合劑可以是接合劑本身或由固化漿料而成的最終接合劑材料的前驅物。在另一實施例中，接合劑為有機接合劑例如，但不限於，聚醯亞胺(polyimides)或纖維素(cellulose)。在一實施例中，用語「纖維素」的使用，通篇中可指的是纖維素或纖維素衍生物或纖維素衍生化合物。在一實施例中，接合劑組成大於漿料的成分總重的大約20%。然而，在另外一實施例中， 漿料配方可包含少到只有5%的接合劑。
在一實施例中，再度參考漿料材料120，有機介質可例如，但不限於，乙基纖維素(ethyl cellulose)、松脂醇(terpineol)、甘醇醚(glycol ether)以及乙酸丁氧基乙酯(2-butoxyethyl acetate)。應了解的是，除了非透明顏料、接合劑以及有機介質之外，漿料120可亦包含一或多個添加劑，如分散劑、黏度調節劑、稀釋劑、黏結促進劑、濕潤劑、消泡劑等。
在一實施例中，再度參考漿料材料120，漿料具有少於大約攝氏450度的固化溫度。在如此的一個實施例中，實質上所有的有機介質在此固化溫度下是可移除的，但實質上沒有任何的接合劑以及非透明顏料在此固化溫度下被移除。在一實施例中，漿料不具有玻璃料材料。然而，在其他實施例中，玻璃料材料包含在內。在一實施例中，漿料更包含黏著劑。
第1C圖為太陽能電池製造中接續漿料固化的階段。參考第1C圖及流程圖200對應之操作206，固化漿料材料120之區域以形成非導電性材料區域122，對準交替的N型與P型半導體區域之間的位置。
在一實施例中，固化漿料材料120以形成非導電性材料區域122，其涉及了漿料加熱但局限於小於約攝氏450度的溫度。如此低的燒結溫度可能對太陽能電池的傷害很小甚至沒有。然而，在其他實施例中，漿料利用高至攝氏800-900度的溫度燒結來固化，例如，以電池架構而言會在此燒結期間僅經歷最小的傷害。在其他實施例中，固化漿料材料120以形成非導電性材料區域122涉及紫外線(UV)輻射的暴露，或熱與UV輻射暴露的組合。在一實施例中，在固化後，移除漿料實質上所有的有機介質，而保留漿料實質上所有的接合劑以及非透明顏料。 在如此的一個實施例中，漿料的接合劑為無機接合劑，且固化涉及轉換無機接合劑為非導電性材料區域122的剛性無機基質(rigid inorganic matrix)。
第1D圖為太陽能電池製造中接續第1C圖的結構上的金屬層形成的階段。參考第1D圖以及流程圖200對應的選擇性操作208，金屬層(其可能為金屬晶種層，或太陽能電池的M1層)係形成且繪示為金屬層124。在一實施例中，伴隨金屬晶種材料區域在各個交替的N型與P型半導體區域104與106上，金屬層124可視為設置複數個金屬晶種材料區域。亦即，即使一個單一的、不間斷的層可形成於非導電性材料區域122以及交替的N型與P型半導體區域104與106上，金屬層124接觸交替的N型與P型半導體區域104與106的區域可視為對應的金屬晶種區域。在替代性實施例中，形成圖案化金屬層以提供對應的金屬晶種區域。在任何情況下，於一實施例中，金屬層124為鋁層。在如此具體的實施例中，鋁層係藉由物理氣相沉積形成為至少約1微米的厚度。在其他實施例中，金屬層124包含金屬，例如但不限於，鎳、銀、鈷或鎢。
第1E圖為太陽能電池製造中接續配置(或定位或佈置)以及黏合金屬薄膜在第1D圖之結構上的階段。參考第1E圖以及流程圖200對應之操作210，金屬薄膜126黏著至交替的N型與P型半導體區域104與106。如實施例所示，金屬薄膜126位於金屬層124上及在焊接區域128焊接或以另外方式連接至金屬層124。在如此的實施方式中，焊接區域128形成於交替的N型與P型半導體區域104與106上方的位置，如第1D圖所繪示。
在一實施例中，如第1D圖所示，金屬晶種材料區域(如金屬層124)提供於各個交替的N型與P型半導體區域104與106上。在此 實施例中，藉由將金屬薄膜126黏著至複數個金屬晶種材料區域，金屬薄膜126黏著至交替的N型與P型半導體區域104與106。在如此特定的實施例中，可使用技術，例如但不限於，雷射焊接製程、熱壓縮製程或超音波接合製程。
在一實施例中，金屬薄膜126為具有大約5-100微米之厚度範圍的鋁(Al)薄膜，且更佳地，為少於約50微米範圍的厚度。在一實施例中，Al薄膜為鋁合金薄膜，其包含鋁與第二元素，例如但不限於銅、錳、矽、鎂、鋅、錫、鋰或其組合。在一實施例中，Al薄膜為平整度(temper grade)薄膜，例如但不限於，F級(如所製(as fabricated))、O級(完全軟性(full soft))、H級(應變硬化(strain hardened))或T級(熱處理(heat treated))。
應了解的是，根據其他實施例，可實施無晶種(無金屬層(metal layer-free)124)方式。在此方式中，金屬薄膜126直接地黏著至交替的N型與P型半導體區域104與106的材料，以下將搭配第3圖更詳細的介紹。例如，在一實施例中，金屬薄膜126直接地黏著至交替的N型與P型多晶矽區域。
在其他實施例中，替代金屬薄膜，此處所述的方法可適於其他毯覆塊狀金屬化製程(例如毯覆金屬漿料、毯覆電鍍等)。此處所描述的漿料亦有助於基於毯覆或圖案化金屬晶種或毯覆濺鍍金屬的製造方法。此外，應了解到，描述金屬薄膜之實施例可指的是M1或M2層。因此，此處所描述的方式可涉及毯覆沉積金屬，以晶種形式或塊狀形式，如毯覆金屬漿料、電鍍金屬、蒸鍍、濺鍍等。
第1F圖為太陽能電池製造中接續圖案化第1E圖的金屬薄膜結構的階段。參考第1F圖以及流程圖200對應之操作212，雷射剝蝕 130之製程在金屬薄膜126對準交替的N型與P型半導體區域104與106之間的位置處執行，以隔離剩餘的金屬薄膜126之區域對準交替的N型與P型半導體區域104與106。非導電性材料區域122在雷射剝蝕130期間作為雷射終止。
在一實施例中，通過金屬薄膜126的雷射剝蝕130涉及利用具有一波長的雷射。漿料材料120以及所得的非導電性材料區域122包含用以散射或吸收所述雷射波長之光線的非透明顏料。在一實施例中，雷射剝蝕130以無遮罩執行；然而，在其他實施例中，遮罩層在雷射剝蝕之前形成於金屬薄膜126之一部分上，且在隨後雷射剝蝕中移除。
如上所述，在其他實施例中，並未形成金屬層124(亦即，金屬晶種)。舉例而言，第3圖為根據本揭露之其他實施方式，具有薄膜類金屬化的其他太陽能電池之剖面圖。參考第3圖，金屬薄膜126直接地黏著(如藉由焊接區域128)至交替的N型與P型半導體區域104與106。在此實施例中，金屬薄膜與非導電性材料區域122直接連接。在一個實施例中，漿料材料120與所得之非導電性材料區域122包含黏著劑。在一個這樣的實施例中，金屬薄膜126利用刮刀直接地黏著至交替的N型與P型半導體區域104與106的暴露部分，以及直接地黏著至非導電性材料區域122，以將金屬薄膜126佈置(fit-up)在交替的N型與P型半導體區域104與106以及非導電性材料區域122的暴露部分。
根據上述一或多個所描述的方式，此處所描述的實施例包含太陽能電池的製造。參考第1F圖與第3圖，在一實施例中，太陽能電池包含基板100。交替的複數個N型半導體區域104與P型半導體區域106設置於基板100中(未繪示)或上方(如繪示)。複數個非導電性材料區域122對準介於交替的N型與P型半導體區域104與106之間的位置。 在一實施例中，複數個非導電性材料區域122包含接合劑以及非透明顏料，其中非透明顏料的量大於複數個非導電性材料區域的成分總重的約50%。複數個導電性接觸結構電性連接至交替的複數個N型與P型半導體區域104與106。各個導電性接觸結構包含金屬薄膜126之部分設置於上方，且對準交替的N型與P型半導體區域104與106的其中之對應一者。在特定的實施例中，具體地參考第1F圖，各個導電性接觸結構更包含金屬層124之晶種層直接地設置於交替的N型與P型半導體區域104與106的對應一者以及金屬薄膜126之部分之間。
在一實施例中，非導電性材料區域122的非透明顏料可例如為但不限於，二氧化鈦(TiO2)、硫酸鋇(BaSO4)、硫化鋅(ZnS)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、碳黑以及碳奈米管。在一實施例中，非導電性材料122的接合劑為無機接合劑，例如但不限於，矽氧烷(siloxane)、倍半矽氧烷(silsesquioxane)以及非矽醇鹽(non-silicon alkoxide)。在另一實施例中，非導電性材料區域122的接合劑為有機接合劑，例如但不限於，聚醯亞胺(polyimide)或纖維素(cellulose)。
在一實施例中，複數個非導電性材料區域122增加太陽能電池的太陽能吸收效率。在如此的一個實施例中，實現了紅外波段光線的背側反射的改善。亦即，傳統IR傳輸的損失，特別是具有紋理溝槽的黑色背板應用，可利用背側的漿料設計以反射更長波長於電池內而回收。
具體地參考第3圖，在一實施例中，複數個非導電性材料區域122更包含黏著劑。針對各個導電性接觸，金屬薄膜126之部分可直接地設置於交替的N型與P型半導體區域104或106之對應一者，以及直接地位於複數個非導電性材料區域122之其中一者的一部分上。在如此的一實施例中，複數個非導電性材料區域122包含矽醇鹽、或鋁醇 鹽，或兩者。
儘管已參考上述實施例具體地描述特定材料，於本揭露的實施方式的精神與範圍內，有些材料可輕易地以其他這樣的實施例所替換。舉例而言，在一實施例中，不同材料的基板，如III-V族材料基板，可用以替代矽基板。此外，儘管主要是參考背接觸太陽能電池的架構，應了解的是，本文所述的方式也可具有前接觸太陽能電池的應用。在其他實施方式中，上述描述的方式可應用於其他太陽能電池的製造。舉例而言，發光二極體(LEDs)的製造可受益於本文描述的方式。
因此，太陽能電池的薄膜類金屬化方法以及所得的太陽能電池已揭露。
儘管已在上面描述了具體的實施例，然而即使相對於特定的特徵僅描述單一實施例，這些實施例並不意圖限制本揭露的範疇。除非另有說明，否則在揭露中所提供的特徵之示例係意圖為說明性的而非限制性的。上面的描述係意在涵蓋具有本揭露的利益的此類替代物、修改物及等效物，其對所屬技術領域中具有通常知識者而言係為顯而易見。
本揭露的範疇包含在本文中所揭露的任何特徵或特徵的組合(明顯地或隱含地)，或者其任何概括，而不論其是否減輕了本文中所解決的任何問題或所有問題。因此，在本申請(或主張優先權的本申請)的審查期間，可制定新的申請專利範圍成任何這樣的特徵組合。特別是，參照所附的申請專利範圍，來自附屬項的特徵可與獨立項的特徵組合，而來自各獨立項的特徵可以任何適當的方式組合，且不僅為所附的申請專利範圍中所列舉的特定組合。
200:流程圖
202、204、206、208、210、212:操作

Claims (29)

  1. 一種製造太陽能電池的方法，該方法包含：形成交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域在一基板中或該基板上方；形成一漿料於交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的相鄰者之間；固化該漿料以形成一非導電性材料區域對準交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域之間的位置；黏著一金屬薄膜至交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域；及雷射剝蝕對準交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域之間的位置的該金屬薄膜，以隔離對準交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的該金屬薄膜的一剩餘區域，其中該非導電性材料區域在一雷射剝蝕過程期間作為一雷射終止。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中形成該漿料於交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的相鄰者之間包含網版印刷該漿料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中固化該漿料以形成該非導電性材料區域包含加熱該漿料至低於大約攝氏450度的溫度，或暴露至紫外線(UV)輻射，或兩者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中固化該漿料以形成該非導電性材料區域包含實質地移除該漿料的全部有機介質且 實質上地保留該漿料之所有接合劑與所有非透明顏料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該接合劑為一無機接合劑，且其中固化該漿料以形成該非導電性材料區域包含轉換該無機接合劑為該非導電性材料區域的一剛性無機基質。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中雷射剝蝕該金屬薄膜包含利用具有一波長的一雷射，且其中該漿料與所得的該非導電性材料區域包含一非透明顏料，以散射或吸收該波長的光。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包含：黏著該金屬薄膜之前，形成複數個金屬晶種材料區域以提供該金屬晶種材料區域於交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域之每一個，其中黏著該金屬薄膜至交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域包含黏著該金屬薄膜至該複數個金屬晶種材料區域。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中黏著該金屬薄膜至該複數個金屬晶種材料區域包含利用選自由一雷射焊接製程、一熱壓縮製程以及一超聲波接合製程所組成的群組的技術。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中黏著該金屬薄膜至交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域包含黏著該金屬薄膜直接地至交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的一暴露部分，並直接地至該複數個非導電性材料區域。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該漿料以及所得的該非導電性材料區域包含一黏著劑，且其中黏著該金屬薄膜直接地至交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體 區域的一暴露部分並直接地至該非導電性材料區域包含利用刮刀以佈置該金屬薄膜與交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的暴露部分和該非導電性材料區域。
  11. 一種如申請專利範圍第1項所述之方法所製造的太陽能電池。
  12. 一種太陽能電池，其包含：一基板；交替的複數個N型半導體區域與複數個P型半導體區域，設置於該基板中或該基板上方；複數個非導電性材料區域，對準交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域之間的位置，該複數個非導電性材料區域包含一接合劑與一非透明顏料，其中該非透明顏料的量大於該複數個非導電性材料區域的成分總重的約50%；以及複數個導電性接觸結構，電性連接至交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域，該導電性接觸結構之每一個包含一金屬薄膜之部分設置於上方，且對準交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的其中之對應一者；其中該金屬薄膜係設置以受雷射剝蝕而對準交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域之間的位置，以隔離對準交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的該金屬薄膜的一剩餘區域。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該非透明 顏料選自由二氧化鈦(TiO2)、硫酸鋇(BaSO4)、硫化鋅(ZnS)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、碳黑以及碳奈米管所組成的群組。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該接合劑為選自由矽氧烷、倍半矽氧烷以及非矽醇鹽所組成的群組的一無機接合劑。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該接合劑為選自聚醯亞胺以及纖維素所組成的群組的一有機接合劑。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該導電性接觸結構之每一個更包含一金屬晶種層直接地設置於交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域的對應一者與該金屬薄膜之部分之間。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該複數個非導電性材料區域更包含一黏著劑，且其中針對各導電性接觸，該金屬薄膜之部分直接地設置於交替的該複數個N型半導體區域與該複數個P型半導體區域之對應一者，且直接地設置於該複數個非導電性材料區域之其中一者的一部分上。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之太陽能電池，其中該複數個非導電性材料區域包含矽醇鹽、或鋁醇鹽、或兩者。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能電池，其中該複數個非導電性材料區域增加該太陽能電池的太陽能吸收效率。
  20. 一種用以形成太陽能電池的非導電性區域的漿料，該漿料包含：一接合劑； 一非透明顏料；以及一有機介質，與該接合劑以及該非透明顏料混合，其中大於該漿料的成分總重的大約25%為該非透明顏料，且其中少於該漿料的成分總重的大約50%為該有機介質。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其中該非透明顏料選自由二氧化鈦(TiO2)、硫酸鋇(BaSO4)、硫化鋅(ZnS)、二氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、碳黑以及碳奈米管所組成的群組。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其中該接合劑為選自由矽氧烷、倍半矽氧烷以及非矽醇鹽所組成的群組的一無機接合劑。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之漿料，其中該無機接合劑在該有機介質中溶解。
  24. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其中該接合劑為選自聚醯亞胺以及纖維素所組成的群組的一有機接合劑。
  25. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其中大於該漿料之成分總重的約20%為該接合劑。
  26. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其中該有機介質係選自由乙基纖維素、松脂醇、甘醇醚以及乙酸丁氧基乙酯所所組成的群組。
  27. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其中該漿料具有一固化溫度為約攝氏450度或低於約攝氏450度，且其中實質上所有的該有機介質於該固化溫度為可移除的，而實質上無該接合劑與該非透明顏料在該固化溫度是可移除的。
  28. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其中該漿料不含玻璃料(glass frit)材料。
  29. 如申請專利範圍第20項所述之漿料，其更包含一黏著劑。
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