TWM518399U - 具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片 - Google Patents

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Description

具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片
本創作係有關於一種具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，尤指涉及一種利用雷射於矽晶片上製作孔狀表面排列結構，特別係指可改變多晶、類單晶晶片表面形貌，使其呈現均質化外觀，能有效降低太陽光譜300～1100 nm波段之波長反射率，達到增加正面銀電極與矽晶片接觸面積，以降低電池接觸阻抗之功效者。
目前商用太陽能電池主流為結晶矽太陽能電池，分為單晶矽（c-Si）、類單晶（mono-like c-Si）以及多晶（m-Si）結晶矽太陽能電池，其中由多晶矽晶圓製成之多晶矽太陽能電池，其晶圓以及電池製作程序快速，成本相較於單晶結晶矽太陽能電池低廉，截至目前為止為商業用太陽能電池市占最高之產品。而類單晶結晶矽太陽能電池，雖然已被證實相對於多晶太陽能電池有較高之光電轉換效率，惟其表面外觀不均一直是限制其發展之主要原因之一。
多晶矽太陽能電池，目前商業大量生產習用濕式酸蝕刻（硝酸與氫氟酸的混合酸）製作表面粗糙化結構，在製程時間成本上具有極高之競爭優勢；然而，利用濕式酸蝕刻方式製作表面織絨結構時，其絨面為無序結構、呈現白灰色小晶粒（grain），且外觀肉眼可見晶格排列形狀，再者，對於部分表面過於平整之多晶片（例如：金剛石樹酯線切削完成之片子）將無法有效降低光反射率，為限制其效率進一步提升之最主要原因。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本創作之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種利用雷射於矽晶片上製作孔狀表面排列結構，可改變多晶、類單晶晶片表面形貌，使其呈現均質化外觀，能有效降低太陽光譜300～1100 nm波段之波長反射率，達到增加正面銀電極與矽晶片接觸面積，進而降低電池接觸阻抗之功效者。
為達以上之目的，本創作係一種具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，係包括：一晶片本體；以及複數孔洞，係藉由一粗糙化處理使該複數孔洞呈列狀分佈於該晶片本體表面構成一孔狀結構，且該孔狀結構係具有一凹槽部及一突出部。
於本創作上述實施例中，該晶片本體係為多晶矽（m-Si）或類單晶（mono-like c-Si）材料。
於本創作上述實施例中，該粗糙化處理係為雷射、同調性高之光源、物理蝕刻或化學蝕刻。
於本創作上述實施例中，該粗糙化處理係為雷射搭配乾蝕刻製程。
於本創作上述實施例中，該粗糙化處理係為雷射搭配濕蝕刻製程。
於本創作上述實施例中，該孔狀結構上之孔洞，其形狀可為圓形、多邊形、同心圓、幾何圖形、或以上各種不同圖形之組合。
於本創作上述實施例中，該複數孔洞於每一列中相鄰孔洞之幾何中心間距係小於200微米（μm）。
於本創作上述實施例中，該複數孔洞於列與列之間係為直行排列、規則重複排列、交錯排列、或呈均勻梅花狀排列。
於本創作上述實施例中，該複數孔洞係為半凹孔，每一孔洞之直徑係介於5～100 μm，且每一孔洞之垂直深度係介於3～30 μm。
於本創作上述實施例中，該複數孔洞排列所成之孔狀結構係佔該晶片本體表面面積50%以上。
１‧‧‧晶片本體
２‧‧‧孔洞
２１‧‧‧孔狀結構
２１１‧‧‧凹槽部
２１２‧‧‧突出部
第１圖，係本創作之結構剖面示意圖。
第２Ａ圖，係本創作第一實施例之結構俯視示意圖。
第２Ｂ圖，係本創作第二實施例之結構俯視示意圖。
第３圖，係本創作以 雷射處理多晶矽晶片表面前後對照圖。
第４圖，係本創作以 雷射處理多晶矽晶片表面圖。
第５圖，係本創作之 不同孔洞深度下之 反射率曲線示意圖。
第６圖，係本創作之 不同幾何中心間距之 反射率曲線示意圖。
請參閱『第１圖～第６圖』所示，係分別為本創作之結構剖面示意圖、本創作第一實施例之結構俯視示意圖、本創作第二實施例之結構俯視示意圖、本創作以雷射處理多晶矽晶片表面前後對照圖、本創作以雷射處理多晶矽晶片表面圖、本創作之不同孔洞深度下之反射率曲線示意圖、及本創作之不同幾何中心間距之反射率曲線示意圖。如圖所示：本創作係一種具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，係包括一晶片本體１、以及複數孔洞２所構成。
上述所提之晶片本體１係可為多晶矽（m-Si）或類單晶（mono-like c-Si）材料。
該複數孔洞２係為半凹孔，其形狀可為圓形、多邊形、同心圓、幾何圖形、或以上各種不同圖形之組合，每一孔洞２之直徑係介於5～100 μm，且每一孔洞２之垂直深度係介於3～30 μm。該複數孔洞２係藉由一粗糙化處理，如雷射、同調性高之光源、物理蝕刻或化學蝕刻等，亦可以雷射搭配乾蝕刻或以雷射搭配濕蝕刻之製程，使該複數孔洞２呈列狀分佈於該晶片本體１表面，且每一列中相鄰孔洞２之幾何中心間距係小於200微米（μm），藉此構成一佔該晶片本體１表面面積50%以上之孔狀結構２１，該孔狀結構２１並具有一凹槽部２１１及一突出部２１２。如是，藉由上述揭露之裝置構成一全新之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片。
上述複數孔洞於列與列之間係為直行排列（如第２Ａ圖所示）、規則重複排列、交錯排列、或呈均勻梅花狀排列（如第２Ｂ圖所示）。
當運用時，本創作係以雷射對多晶矽晶片表面進行粗糙化處理，如第３圖所示，其中(a)為處理前，(b)為處理後。由結果顯示，本創作利用微米數量級以下雷射孔洞排列，可有效將多晶矽晶片表面做均質化處理，藉以改變多晶矽晶片表面外觀。
於一具體實施例中，如第４圖所示，本創作以A～E為5組均由孔徑約20 μm所構成之粗糙化圖形，但每一組具有不同之幾何中心間距，其中A組粗糙化圖形係由孔狀結構堆疊而成，B～E平均孔狀結構之幾何中心間距分別為23、50、70、及90^!F06D#μm，編號1～5則代表隨數字增加，孔狀結構深度增加，詳細測量數據參表1。由第４圖中每一個小正方形對應到不同孔洞參數所得外觀可知，隨著平均幾何中心距離之縮短，其外觀愈呈現無晶格紋路，而愈顯現均質化外觀。
表1
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><TR><TD><br/></TD><TD>孔徑(μm)<br/></TD><TD>深度(μm)<br/></TD><TD>幾何中心間距(μm)<br/></TD></TR><TR><TD>B1<br/></TD><TD>23.7<br/></TD><TD>2.5<br/></TD><TD>22.8<br/></TD></TR><TR><TD>B2<br/></TD><TD>23.7<br/></TD><TD>5.0<br/></TD><TD>25.7<br/></TD></TR><TR><TD>B3<br/></TD><TD>24.3<br/></TD><TD>6.9<br/></TD><TD>24.0<br/></TD></TR><TR><TD>B4<br/></TD><TD>21.1<br/></TD><TD>6.5<br/></TD><TD>23.4<br/></TD></TR><TR><TD>B5<br/></TD><TD>21.7<br/></TD><TD>13.2<br/></TD><TD>25.4<br/></TD></TR><TR><TD><br/></TD><TD/><TD/><TD/></TR><TR><TD>C1<br/></TD><TD>22.0<br/></TD><TD>3.1<br/></TD><TD>46.2<br/></TD></TR><TR><TD>C2<br/></TD><TD>24.5<br/></TD><TD>6.7<br/></TD><TD>48.5<br/></TD></TR><TR><TD>C3<br/></TD><TD>27.1<br/></TD><TD>10.5<br/></TD><TD>49.4<br/></TD></TR><TR><TD>C4<br/></TD><TD>26.3<br/></TD><TD>14.3<br/></TD><TD>49.1<br/></TD></TR><TR><TD>C5<br/></TD><TD>25.7<br/></TD><TD>25.8<br/></TD><TD>49.1<br/></TD></TR><TR><TD><br/></TD><TD/><TD/><TD/></TR><TR><TD>D1<br/></TD><TD>23.7<br/></TD><TD>2.5<br/></TD><TD>69.9<br/></TD></TR><TR><TD>D2<br/></TD><TD>26.3<br/></TD><TD>6.9<br/></TD><TD>69.1<br/></TD></TR><TR><TD>D3<br/></TD><TD>26.3<br/></TD><TD>7.3<br/></TD><TD>66.8<br/></TD></TR><TR><TD>D4<br/></TD><TD>27.1<br/></TD><TD>13.5<br/></TD><TD>69.1<br/></TD></TR><TR><TD>D5<br/></TD><TD>27.4<br/></TD><TD>15.8<br/></TD><TD>67.9<br/></TD></TR><TR><TD><br/></TD><TD/><TD/><TD/></TR><TR><TD>E1<br/></TD><TD>22.3<br/></TD><TD>0.4<br/></TD><TD>86.5<br/></TD></TR><TR><TD>E2<br/></TD><TD>19.4<br/></TD><TD>2.6<br/></TD><TD>88.8<br/></TD></TR><TR><TD>E3<br/></TD><TD>21.4<br/></TD><TD>5.6<br/></TD><TD>90.5<br/></TD></TR><TR><TD>E4<br/></TD><TD>24.8<br/></TD><TD>8.4<br/></TD><TD>88.8<br/></TD></TR><TR><TD>E5<br/></TD><TD>25.7<br/></TD><TD>12.3<br/></TD><TD>89.6<br/></TD></TR></TBODY></TABLE>上述多晶矽晶片表面為約20 μm孔徑之孔狀結構排列，取幾何中心間距約23μ μm為例。如第５圖所示，以表面無任何孔洞結構之實驗組Ref.為對照組，B1～B4為孔洞深度分別為3、6、9、及12 μm。由圖可知，反射率係隨孔洞結構深度逐漸降低而降低。
上述多晶矽晶片表面為約20 μm孔徑之孔狀結構排列，孔洞深度約15 μm，取B5～E5每一組分別為不同幾何中心間距為例。如第６圖所示，隨著幾何中心間距之下降，平均反射率也逐漸下降。
表2係本創作分別將上述對照組（Ref.）與B1～B4製作成電池之電性測試數據，由數據結果明顯發現光短路電流（I SC）係隨孔洞深度增加而增加，串聯電阻（R S）則隨孔洞深度增加而有降低之趨勢。
表2
<TABLE style="WIDTH: 398.8pt; BORDER-COLLAPSE: collapse; mso-yfti-tbllook: 1184; mso-padding-alt: 0cm 1.4pt 0cm 1.4pt" class="MsoNormalTable" border="0" cellSpacing="0" cellPadding="0" width="532"><TBODY><TR><TD>Group<br/></TD><TD>U<sub>oc</sub>(V)<br/></TD><TD>I<sub>sc</sub>(A)<br/></TD><TD>R<sub>s</sub>(ohm)<br/></TD><TD>R<sub>sh</sub>(ohm)<br/></TD><TD>FF<br/></TD><TD>N<sub>Cell</sub>(%)<br/></TD></TR><TR><TD>REF.<br/></TD><TD>0.6315<br/></TD><TD>8.385<br/></TD><TD>0.00260<br/></TD><TD>99.41<br/></TD><TD>79.10<br/></TD><TD>17.21<br/></TD></TR><TR><TD>B1<br/></TD><TD>0.6291<br/></TD><TD>8.408<br/></TD><TD>0.00241<br/></TD><TD>54.93<br/></TD><TD>78.88<br/></TD><TD>17.14<br/></TD></TR><TR><TD>B2<br/></TD><TD>0.6290<br/></TD><TD>8.525<br/></TD><TD>0.00235<br/></TD><TD>62.81<br/></TD><TD>78.87<br/></TD><TD>17.38<br/></TD></TR><TR><TD>B3<br/></TD><TD>0.6254<br/></TD><TD>8.666<br/></TD><TD>0.00238<br/></TD><TD>43.37<br/></TD><TD>78.79<br/></TD><TD>17.54<br/></TD></TR><TR><TD>B4<br/></TD><TD>0.6233<br/></TD><TD>8.786<br/></TD><TD>0.00222<br/></TD><TD>36.45<br/></TD><TD>78.43<br/></TD><TD>17.65<br/></TD></TR></TBODY></TABLE>藉此，本創作利用雷射製作孔狀表面排列結構，係具有如下優點：
(1) 可改變多晶、類單晶晶片表面形貌，使其呈現均質化外觀。
(2) 可有效降低太陽光譜300～1100 nm波段之波長反射率。
(3) 可增加正面銀電極與矽晶片接觸面積，以降低電池接觸阻抗。
綜上所述，本創作係一種具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，可有效改善習用之種種缺點，利用雷射於矽晶片上製作孔狀表面排列結構，可改變多晶、類單晶晶片表面形貌，使其呈現均質化外觀，能有效降低太陽光譜300～1100 nm波段之波長反射率，達到增加正面銀電極與矽晶片接觸面積，以降低電池接觸阻抗，進而使本創作之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合新型專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍；故，凡依本創作申請專利範圍及新型說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧晶片本體
2‧‧‧孔洞
21‧‧‧孔狀結構
211‧‧‧凹槽部
212‧‧‧突出部

Claims (10)

  1. 【第１項】
    一種具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，係包括：
    一晶片本體；以及
    複數孔洞，係藉由一粗糙化處理使該複數孔洞 呈列狀分佈於該晶片本體表面構成一孔狀結構，且該孔狀結構係具有一凹槽部及一突出部。
  2. 【第２項】
    依申請專利範圍第１項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中， 該晶片本體係為多晶矽（m-Si）或類單晶（mono-like c-Si）材料。
  3. 【第３項】
    依申請專利範圍第１項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中， 該粗糙化處理係為雷射、同調性高之光源、物理蝕刻或化學蝕刻。
  4. 【第４項】
    依申請專利範圍第１項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中，該粗糙化處理係為雷射搭配乾蝕刻製程。
  5. 【第５項】
    依申請專利範圍第１項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中，該粗糙化處理係為雷射搭配濕蝕刻製程。
  6. 【第６項】
    依申請專利範圍第１項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中，該孔狀結構上之孔洞，其形狀可為圓形、多邊形、同心圓、幾何圖形、或以上各種不同圖形之組合。
  7. 【第７項】
    依申請專利範圍第１項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中，該複數孔洞於列與列之間係為直行排列、規則重複排列、交錯排列、或呈均勻梅花狀排列。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中，該複數孔洞於每一列中相鄰孔洞之幾何中心間距係小於200微米(μm)。
  9. 依申請專利範圍第1項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中，該複數孔洞係為半凹孔，每一孔洞之直徑係介於5~100μm，且每一孔洞之垂直深度係介於3~30μm。
  10. 依申請專利範圍第1項所述之具微孔形結構之表面無晶格紋路結晶矽晶片，其中，該複數孔洞排列所成之孔狀結構係佔該晶片本體表面面積50%以上。
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