专利名称：太阳能电池的制造方法
技术领域：
本发明有关于一种太阳能电池(Solar Cell)的制造方法，特别是有关于 一种藉由于硅晶片背面形成缓冲层，以降低基于薄型化太阳能电池所产生的 结构应力，进而有效地改善基板应力所导致的弯曲现象的太阳能电池的制造 方法。
背景技术：
近来世界能源的短缺导致油价不断的飙涨，全球各个国家莫不积极地投 入节能产品的开发，例如太阳能电池(Solar cell)便是这一趋势下的产物。 在石油以及环保(全球温室效应)问题之下，使得全球的太阳能电池销售额成 数倍的成长。太阳能电池是一种利用光能转换为电能的光电半导体组件，其 转换机制为太阳辐射照射于太阳能电池之上，使得电子与空穴分别移动至 p-掺杂区(p-cbped region)以及n-掺杂区，而造成二区域间产生电压差及电 流。由于转换效率的快速，因此只要照射光于组件上，瞬间就可以输出电压 与电流。此外，在太阳能电池的转换机制中，其转换效率取决于内部的电子、 空穴移动速率以及外部的取光面积，其中内部的电子、空穴移动速率主要是 由太阳能电池的组成材料来控制。换言之，太阳能电池的转换效率主要是由 p-掺杂区以及n-掺杂区的结构以及质量来决定，当其中有缺陷存在时，太阳 能电池的转换效率将会大幅度地降低。
目前最常用的太阳能电池原料以硅(silicon)为代表，而依照结构的不 同，上述硅原料包括单结晶硅(Single-crystal)、多结晶硅(Poly-crystal) 与非结晶硅(Amorphous)，所形成的太阳能电池分别称之为单结晶硅太阳能电 池、多结晶硅太阳能电池以及非结晶硅太阳能电池。其中单结晶硅的转换效率最高，多结晶硅的切割较不易，而非结晶硅价格便宜、无需封装并且形成 最快。另外，非结晶硅的转换效率太低、产品寿命太短，因此，太阳能电池 制造原料大半以单结晶硅与多结晶硅为主。
目前太阳光电产业的发展重点在于如何节省材料并提高转换效率。由于 硅晶价格昂贵，并且目前全世界的太阳能电池有90%是由硅晶原料作为其基 板。此外，太阳能收集板背面都贴附一金属片，以作为太阳能转为电能过程的 连接电路。由于金属片造成电能的流失，该电路使得太阳能电池实际功率变低。 因此，为了改良收集功率，必须减少太阳能板与导电金属板之间的接触面积。 一种可行方式为在上述两层板之间加入绝缘板，再于需要通电的部位穿孔，使
得导电接触面积变小。举例而言，德国Fraunhofer ISE研究所，已经制造出 转换效率达20.2%的硅晶太阳能电池，其是采用激光烧结接点(Laser Fired Contacts: LFC)工艺来减少接触面积，其步骤大略为于太阳能电池的背表面 之上蒸镀铝层与绝缘层(passivation layer),然后利用激光打穿铝层以形成 导电接点。激光烧结方法可以有效地解决原先电能流失的问题，并且利用激光 烧结接点技术，不需要利用传统昂贵的微影、蚀刻技术于硅晶板背面的绝缘层 中形成洞(holes)图案，以容纳铝质电极。因此，激光烧结接点工艺成本低、 节省材料并且速度快。每一单位太阳能板只需约一秒钟的时间，并且适用于每 一种厚度的硅晶板，因此，非常适合工业大量生产的工艺。
利用激光烧结接点技术，可以在硅芯片制造出高转换效率的太阳能电 池。高效率太阳能电池可以应用于太空工业。然而，超薄硅芯片制造的太阳 能电池，由于厚度过于薄，因此容易出现受到外力而产生芯片弯曲的现象， 结果间接影响整个太阳能电池的结构、转换效率以及可靠度。
因此，基于上述的问题，以及因应极薄硅芯片制造太阳能电池的需求， 从制造过程技术来改善太阳能电池的转换效率已成为重要的发展方向，故此， 本发明将提出一种防止极薄硅芯片弯曲的具有高转换效率的太阳能电池结构 及其制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高转换效率、薄型化的太阳能电池。 本发明的再一目的在于提供一种防止极薄硅芯片弯曲的具有高转换效率
的太阳能电池结构及其制造方法。
本发明的又一目的在于提供一种可以简化工艺以适用于大面积组件制造
的太阳能电池。
本发明提供了一种太阳能电池的制造方法，包括首先，备置基板，例
如晶片；之后，以离子注入技术于基板中注入离子以形成p-n掺杂结构；随 后，于基板背面形成缓冲层，再于缓冲层之中形成凹槽图案；然后，进行凹 槽蚀刻清洗工艺；之后，于缓冲层之上形成金属层，并填满凹槽图案。
上述凹槽图案是藉由激光槽切工艺所完成。在一实施例中，其中凹槽图
案的宽度为25-40纳米、深度为30-50纳米以及间距为320至400纳米。其 中上述的金属层可通过二阶段完成，第一阶段是利用蒸镀、溅镀或热浸镀的 方法形成较薄的第一金属层填满凹槽图案，第二阶段是利用网印的方法于第 一金属层之上形成较厚的第二金属层。其中第一金属层的厚度为1. 5-3. 0微 米，第二金属层的厚度为25-40微米。
本发明的太阳能电池的制造方法，还可进一步包括于形成凹槽图案之后 进行凹槽蚀刻清洗工艺。于形成金属层之后在金属层之上形成抗反射层，最 后于形成抗反射层之后进行烧结工艺。
本发明的太阳能电池的制造方法，藉由于硅晶片背面形成缓冲层，可降 低基于薄型化太阳能电池所产生的结构应力，进而有效地改善基板应力所导 致的弯曲现象。
通过以下详细的描述并结合附图，将可轻易的了解上述内容及本发明的诸多优点，其中-
图1为根据本发明的于硅晶片之中形成p-n掺杂结构的截面示意图。 图2为根据本发明的于硅晶片之上沉积缓冲层的截面示意图。 图3为根据本发明的于缓冲层之中形成多个凹槽图案的截面示意图。 图4为根据本发明的于上述缓冲层与晶片之上沉积第一金属层的截面示 意图。
图5为根据本发明的于第一金属层之上沉积第二金属层的截面示意图。 图6为根据本发明的于第二金属层之上形成抗反射层的截面示意图。
图中主要符号说明
100硅晶片 101 n-掺杂区 102 p-掺杂区 103缓冲层
104凹槽(凹槽图案)105第一金属层106第二金属层107抗反射层
具体实施例方式
本发明的一些实施例详细描述如下。然而，除了详细描述的实施例外，本 发明可广泛在其它的实施例中施行，且本发明的主张范围并不受限于下述的实 施例。再者，为提供更清楚的描述及更易理解本发明，附图中各部分并没有依 照其相对尺寸绘图，不相关的细节部分也未完全绘出，以求附图的简洁。
请参考附图，其中所显示仅仅是为了说明本发明的优选实施例，并非用 以限制本发明。在小型化极薄硅芯片的太阳能电池结构中，为了不使超薄硅 芯片形变，本发明经研究发展发现可以于硅芯片背面形成特殊材质缓冲层藉 以改变结构应力，强化整体太阳能电池结构，改善太阳能电池结构抗应变或 应力的能力。且本发明可进一步利用形成一抗反射层于硅晶片背面，此抗反 射层得以有效的反射未被吸收的光，以增加内部转换效率。
举例而言，上述缓冲层材料层的主要组成成分包括二氧化硅、氮化硅或 氮氧化硅。
在一实施例中，藉由改变基板材料(例如碲化镉、砷化镓、砷化镓铟等)以及利用非平面化的吸收光表面以增加有效吸光表面积，以增加太阳能电池 的转换效率，这也为本发明的概念所涵盖。
本发明的太阳能电池制造包括以下的步骤。首先，预备一基板，例如晶
片。举例而言，晶片为[100]结晶方向、电阻率为1.2欧姆-公分(ohm cm) 的p-型基底硅晶片100。晶片100的尺寸大小可以依照实际应用来选定，例 如为直径150mm、前缘127ram的硅晶片。而硅晶片100的厚度例如为80-180 微米(micro-meter)。
然后，硅晶片100通过 一 非等向蚀刻，此为标准的光刻 (photo-lithography)、蚀刻(etch texture)工艺，目的在于使得硅晶片100 具有粗糙化组织结构(texture)，以减少入射光的反射而提高太阳能电池的取 光效率。其蚀刻溶液例如为氢氧化钠(NaOH)溶液，其环境温度可以大约为 90°C。蚀刻结束后可以依序浸泡氢氟酸、氯化氢进一步清洗硅晶片，再以去 离子水清洗晶片表面杂质。
接着，执行离子注入以注入n-型离子(例如磷离子)以及p-型离子(例如 硼离子)以于晶片100之中分别形成n-掺杂区101以及p-掺杂区102，结果 形成太阳能电池的P-n掺杂结构，请参考图l。上述形成n-型离子步骤可以 利用通入磷酸蒸气(P0C1:,)、氧气(02)气体于扩散炉管中进行，其环境温度可 以利用石英管、镍铬丝三段加热至900-1 IO(TC。
于形成p-n掺杂结构之后，利用一非等向蚀刻以去除形成于晶片100上 的氧化层(native oxide layer)，其蚀刻溶液可以利用氢氧化钠(Na0H)溶液， 其环境温度可以大约为9(TC。同样地，蚀刻后可以依序利用氢氟酸、氯化氢 进一步清洗硅晶片100，然后再以去离子水清洗晶片100表面杂质。
接着，将晶片100置放于炉管(furnace)中进行退火(annealing)工艺， 使得p-n掺杂结构中的p-型与n-型离子可以更均匀的分布于各自的掺杂区域 中。同样地，其环境温度可以利用石英管、镍铬丝三段加热至900-IIO(TC。
之后，沉积一缓冲层(buffer layer) 103，请参考图2。缓冲层103的材料包含但不限定为氧化硅(Si02)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅层或其组合。举
例而言，缓冲层103的优选厚度为50-70纳米。本发明是利用溅镀法形成缓 冲层。缓冲层103也可利用传统方法利用通入氧气(02)、氮气(N》、或者是氧 气和氮气于反应室(chamber)中，而通过化学气相沉积(CVD)、等离子体化学 气相沉积(PECVD)方法，而于硅晶片IOO之上形成上述氧化硅层、氮化硅层、 氮氧化硅层或其组合。但该方法比较昂贵，其中氮化硅层的反应气体(Gas Source)包括SiH4 (Silane) 、 NH3、 N2、 H2,其作为绝缘层及缓冲层，硬度与抗 水气较佳，亦即其为优选的缓冲层，不过其具有较高的介电常数。
接着，于缓冲层103上表面进行一激光槽切(Laser Grooving)工艺，于 缓冲层103之中形成多个凹槽图案104，请参考图3。换言之，通过激光装置 切割缓冲层表面形成多个凹槽104，激光装置例如为氩激光(Ar Laser),功 率例如为50瓦(W)。举例而言，每个凹槽图案的宽度为25-40纳米、深度为 30-50纳米；此外，凹槽图案104包括第一部分凹槽，其间距为320至400 纳米，平行分配于整个缓冲层的表面，以及第二部分凹槽，该第二部分凹槽 垂直第一部分凹槽，其间距为320至400纳米。另外，激光剥离的方法也可 以通过底下的几种激光种类来完成，例如(l)Q-开关红宝石激光(Q-switchecl ruby laser):其可发出波长为694 nm的红光，脉冲期间为20到50 n-sec， 输出能量可以达到10 J/cm2; (2) Q-开关亚力山大激光(Q-switched Alexandrite laser):其可发出波长为755 nm的不可见光，脉冲期间为50 到100 n-sec，最大频率为1 Hz; (3) Q-开关铷/雅各布激光(Q-switched Nd: YAG laser):其可发出波长为1054 nm波长的不可见光，脉冲频率为50kHz; (4) 倍频Q-开关铷/雅各布激光(Frequency-doubled Q-switched Nd:YAG laser): 将Q开关铷/雅各布激光束通过potassium titanyl phosphate (KTP)的晶 体，激光的频率可以增为二倍，而波长则减半为532 mn。
-一般而言，激光槽切进行中会导致缓冲层/硅碎片(silicon debris)形成 于晶片100表面以及凹槽侧壁，结果造成晶格缺陷或瑕疵。因此，激光槽切
8之后会进行一凹槽清洗工艺，其可以利用溶液侵蚀以溶解缓冲层/硅碎片，其
蚀刻液例如为氢氧化钠和/或氢氧化钾(NaOH/KOH)溶液，环境温度约为 45-6(TC。此外，由于氢氧化钠/氢氧化钾(NaOH/KOH)溶液不会蚀刻缓冲层(例 如SiN0》，若有需要，依此若欲蚀刻凹槽侧壁至某一深度，必须使用其它的 蚀刻液。同样地，蚀刻结束后可以依序浸泡氢氟酸、氯化氢进一步清洗硅晶 片，再以去离子水清洗晶片表面杂质。
然后，于上述缓冲层103与晶片100之上沉积第一金属层105，并填满 凹槽104。所述第一金属层105的材料包含但不限定于铝(aluminium)或其合 金，其沉积方法是利用蒸镀、溅镀(evaporation or sputtering)或热浸镀--较薄的铝金属层所完成，其厚度大约为1.5-3.0微米，请参考图4。接着， 于第一金属层105之上沉积第二金属层106，其是利用网印(screen printing) 一较厚的铝金属层所完成，其厚度大约25-40微米，请参考图5。 一般而言， 第二金属层106为一选择性步骤，其厚度远大于第一金属层105的厚度。若 需要可以利用去离子水清洗或去除铝粉末(dust)。
然后，选择性地于第二金属层106之上形成一抗反射层107，请参考图6。 举例而言，所述抗反射层包括氮化硅(SiO》、氧化铈(Ce0》、氧化铝(A1必,)、 氮化硅(Si:,N》或氮化硅-氧化钛(Si02-Ti0》，其可以通过化学气相沉积(CVD)、 等离子体化学气相沉积(PECVD)方式形成。上述抗反射层的厚度大约为 0.06-0. 1微米。
由前述可知，在小型化极薄硅芯片的太阳能电池结构中，硅晶片厚度约 为80-180微米，因此，由于过薄的晶片厚度容易因外力而发生形变。本发明 主要在于于晶片100背面形成一缓冲层103以改变薄型化硅基板的结构。
之后，进行一烧结工艺(al咖inium sintering),其是为了提高太阳能电 池P-n掺杂结构的致密度以减少晶片中硅的断键，亦即所谓的悬垂键 (dangling bond)。实施上可以将硅晶片置入一石英管之上加热至某一温度， 例如400-500°C，并通入氢气(H》、氮气(N》、或者是氢气和氮气，至少25分钟。上述悬垂键(danglingbond)的能阶位置刚好在能隙的中间。由于这 些悬垂键只具一电子，可失去一电子或再容纳一电子，因此形成缺陷，提供 电子-空穴做为复合中心，使得载体生命期縮短而材料特性变差。举例而言， 掺杂的磷或硼原子所释出的电子或空穴，可能被这些缺陷捕捉，导电度无法 改变，因而无法形成p-n接面。
同理，铝金属烧结工艺结束后可以依序浸泡氢氟酸、氯化氢进一步清洗 晶片，再以去离子水清洗晶片表面杂质。
本发明以优选实施例说明如上，然其并非用以限定本发明所主张的保护 范围。凡熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明的精神或范围内所作的更动 或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含于 本发明的保护范围内。
权利要求
1. 一种太阳能电池的制造方法，该方法包括 备置基板；以离子注入技术于基板中注入离子以形成p_n掺杂结构； 于该基板之上形成缓冲层； 于该缓冲层之中形成凹槽；以及 于该缓冲层之上形成金属层，并填入所述凹槽。
2. 如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其中所述基板包括硅晶片。
3. 如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其中所述缓冲层的材料 包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或它们的组合。
4. 如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其中所述形成凹槽是藉 由激光槽切工艺所完成。
5. 如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其中所述金属层为铝金 属或铝合金。
6. 如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，其中所述金属层包括第 一金属层与第二金属层。
7. 如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，该方法还包括于所述离 子注入之前进行蚀刻所述晶片表面的步骤。
8，如权利要求1所述的太阳能电池的制造方法，该方法还包括于所述形 成金属层之后于该金属层之上形成抗反射层的步骤。
9. 如权利要求8所述的太阳能电池的制造方法，其中所述抗反射层的材 料包括氮化硅、氧化铈、氧化铝、氮化硅或氮化硅-氧化钛。
10. 如权利要求8所述的太阳能电池的制造方法，该方法还包括于所述 形成抗反射层后进行烧结工艺。
全文摘要
一种太阳能电池的制造方法，包括首先，备置基板；然后，以离子注入技术于基板中注入离子以形成p-n掺杂结构；之后，于基板之上形成缓冲层；于缓冲层之中形成凹槽图案；然后，再于缓冲层之上形成金属层，并填入凹槽图案。
文档编号H01L31/18GK101312222SQ20071010480
公开日2008年11月26日 申请日期2007年5月21日 优先权日2007年5月21日
发明者林进章, 黄文瑞 申请人:国硕科技工业股份有限公司