TW201310671A - 太陽能電池結構 - Google Patents

Abstract

一種太陽能電池結構，包含有一基材，包含有一受光正面以及一背面；一表面摻雜區，設於基材之受光正面；一保護介電層，覆蓋於表面摻雜區上；至少一匯流電極，設於基材之受光正面；一透明導電薄膜，覆蓋於保護介電層與匯流電極上；以及至少一奈米顆粒，穿過保護介電層，電連接透明導電薄膜與表面摻雜區。

Description

太陽能電池結構

本發明係關於一種太陽能電池結構，特別是指一種具有透明導電薄膜之太陽能電池結構。

隨著消耗性能源日益枯竭，太陽能等替代能源的開發早已成為重要之發展方向。太陽能電池(photovoltaic cell)的工作原理係利用太陽光之輻射能源與半導體材料作用來產生電能。太陽能電池的主要材料包括有半導體材料，如單晶矽、多晶矽、非晶矽之矽基板或III-V族化合物之半導體材料等，以及用來作為電極之導電膠，例如，銀膠或鋁膠等，其中銀膠主要用於形成太陽能電池之正面和背面電極，且背面電極結構通常還有數道鋁膠，設在半導體基板上。

於習知的太陽能電池結構中，指狀電極(finger)係位於受光正面(radiation-receiving front surface)，其目的係用以接收來自基板之光電流，並傳導光電流至與外部電路連接之匯流電極(bus bar)。然而，由於指狀電極並不透光，因此必然會遮蔽部分之受光正面，使得太陽能電池之受光面積降低，不利於光電流之產生。傳統採用指狀電極設計之正面遮蓋面積約為7~8%。並且，隨著銀膠價格日益攀升，指狀電極之製作必然造成太陽能電池生產成本增加。

因此，有必要提供一種太陽能電池結構，除了可增加光吸收之面積，進而提升光電流產生率，並可同時減少銀膠之使用量，以降低太陽能電池之生產成本。

本發明之目的在於提供一種太陽能電池結構，可增進光吸收之面積，進而提升光電流產生率。

為了達到上述目的，根據本發明之較佳實施例，提供一種太陽能電池結構，包含有一基材，包含有一受光正面以及一背面(back surface)；一表面摻雜區，設於基材之受光正面；一保護介電層，覆蓋於表面摻雜區上；至少一匯流電極，設於基材之受光正面；一透明導電薄膜，覆蓋於保護介電層與匯流電極上；以及至少一奈米顆粒，穿過保護介電層，電連接透明導電薄膜與表面摻雜區。

根據本發明之另一較佳實施例，提供一種太陽能電池結構，包含有一基材，包含有一受光正面以及一背面；一表面摻雜區，設於基材之受光正面；一保護介電層，覆蓋於表面摻雜區上；一第一匯流電極，設於基材之受光正面；一第二匯流電極，平行於第一匯流電極，設於基材之受光正面；一透明導電薄膜，覆蓋於保護介電層與匯流電極上；以及至少一奈米顆粒，穿過保護介電層，電連接透明導電薄膜與表面摻雜區；其中於基材之受光正面上，未設有任何垂直於第一匯流電極或垂直於第二匯流電極之指狀電極。

本發明提供一透明導電薄膜，其位於太陽能電池結構之受光正面，可增進光吸收之面積，進而提升光電流產生率。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

請參閱第8圖及第9圖，其為依據本發明較佳實施例所繪示的一種太陽能電池結構剖面圖及俯視圖，其中，相同的元件以相同的元件符號加以說明。需注意的是，圖式係以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。

請參閱第8圖，其為根據本發明較佳實施例所繪示之一種太陽能電池結構剖面圖。如第8圖所示，太陽能電池結構1包含有一基材101，且基材101包含有一受光正面101a以及一背面101b；至少一表面摻雜區105被設置於受光正面101a上；一保護介電層107，覆蓋於表面摻雜區105上；至少一匯流電極109，設於基材101之受光正面101a；一透明導電薄膜113，覆蓋於保護介電層107與匯流電極109上；以及至少一奈米顆粒115，穿過保護介電層107，電連接透明導電薄膜113與表面摻雜區105。其中，第9圖所示係根據本實施例太陽能電池結構1之俯視圖，可知有至少一指狀電極117電連接匯流電極109，且透明導電薄膜113係覆蓋於保護介電層107與匯流電極109上。在本實施例中，由於有透明導電薄膜113之存在，因此指狀電極117之數目、寬度可少於或細於習知技術中所使用之指狀電極，且一指狀電極117可以僅電連結於一匯流電極109，而不必同時電連接兩匯流電極109。

請參閱第10圖，第10圖為根據本發明另一實施例所繪示之一種太陽能電池結構俯視圖。類似如第8圖及第9圖所示，太陽能電池結構1包含有一基材101，且基材101包含有一受光正面101a以及一背面101b；至少一表面摻雜區105被設置於受光正面101a上；一保護介電層107，覆蓋於表面摻雜區105上；一第一匯流電極109a，設於基材101之受光正面101a；一第二匯流電極109b，平行於第一匯流電極109a，設於基材101之受光正面101a；一透明導電薄膜113，覆蓋於保護介電層107與匯流電極109；以及至少一奈米顆粒115，穿過保護介電層107，電連接透明導電薄膜113與表面摻雜區105；然而，與第8圖及第9圖不同之處在於，在第10圖中，基材101之受光正面101a上，未設有任何垂直於第一匯流電極109a或垂直於第二匯流電極109b之指狀電極。

以下配合圖式詳細說明製作本發明太陽能電池結構之方法步驟。雖然本發明以實施例揭露如下，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，且為了不致使本發明之精神晦澀難懂，部分習知製程步驟的細節將不在此揭露。

請參閱第1圖至第7圖，第1圖至第7圖所繪示的是根據本發明較佳實施例之製備太陽能電池結構之方法示意圖。如第1圖所示，在製程初始階段，提供一基材101，基材101具有一第一導電型，例如，P型，且基材101包含有一受光正面101 a以及一背面101b，受光正面101係用以接收輻射來源，例如，太陽光或其他可供半導體層吸收之電磁波段。其中，基材101可為單晶矽晶圓、多晶矽晶圓或其他習知的半導體基材。接著，由於矽晶圓是由矽鑄錠(ingot)經由線鋸切片而成，因此，必須進行一傳統之濕蝕刻製程，以去除位於基材101表面之線鋸缺陷。接著，對基材101之受光正面101 a以及一背面101b進行傳統之表面粗糙化(texture)程序，已知表面粗糙化之目的在於降低輻射源在受光正面101a的反射現象，俾以增加太陽能電池之光電流。

如第2圖所示，接著，利用一擴散爐提供三氯氧磷(Phosphorus chloride oxide,POCl₃)氣體，於受光正面101a以及背面101b形成一表面摻雜區105，其具有第二導電型，例如，N型。

如第3圖所示，利用氫氟酸(hydrofluoric acid,HF)或其他功能相似的濕式蝕刻方法，去除位於基材101表面之磷玻璃(phosphosilicate glass,PSG)(圖未示)，以降低後續製程表面摻雜區105表面與匯流電極109之電阻。

請參照第4圖，可於受光正面101 a選擇性地設置至少一奈米顆粒115，其中奈米顆粒115包含有金、銀、鈦、鎳、銅等金屬元素、導電氧化物、石墨烯或其組合。可藉由不同之方式設置奈米顆粒115於受光正面101 a，例如，噴灑、旋轉塗佈或其他習知塗佈奈米顆粒115之方式。接著，可形成一厚度介於5nm至10nm之保護介電層107，例如，氧化矽、氮化矽或二氧化鈦，覆蓋於表面摻雜區105上。已知，可透過不同之方式形成保護介電層107，例如，化學氣相沉積(CVD)、低壓化學蒸氣沉積(low pressure CVD,LPCVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced CVD,PECVD)、噴塗熱解、旋轉塗佈、網印或是其他在此領域中習知的技術。

保護介電層107之目的在於鈍化表面摻雜區105，以提升光電流之產生效率。此外，保護介電層107或許也具有抗反射塗層(anti-reflective coating,ARC)之功用。在此需注意的是，奈米顆粒115會與表面摻雜區105構成歐姆接觸。且由於保護介電層107之厚度僅介於5nm至10nm，因此奈米顆粒115足以穿過保護介電層107，以利於後續製程電連接透明導電薄膜113與表面摻雜區105。

如第5圖所示，形成至少一匯流電極109、指狀電極(圖未示)，設於受光正面101a上，並形成至少一接觸電極111，設於背面101b上。在本發明之另一實施例，匯流電極109可包含有一第一匯流電極109 a以及一平行於第一匯流電極109a之第二匯流電極109b。上述形成匯流電極109、指狀電極以及接觸電極111之方法可利用網印或是其它方法，例如，噴墨印刷、印花轉印(decal transfer)、電鍍(plating)、無電鍍(electroless plating)，但不限於此。並且，匯流電極109、指狀電極以及接觸電極111之金屬膏成分可包括銀、鋁或其他低阻值之化合物。其中，在本實施例中，由於有透明導電薄膜113之存在，因此指狀電極117之數目、寬度可少於或細於習知技術中所使用之指狀電極117，且一指狀電極117可以僅電連結於一匯流電極109，而不必同時電連接兩匯流電極109。

在此需注意的是，根據本發明之另一實施例，如第6圖所示之俯視圖，並未於受光正面101a上設有任何垂直於匯流電極108a、108b、108c、108d之指狀電極(圖未示)，因此，可增加受光正面101a之受光面積，且匯流電極108a、108b可分別與匯流電極108c、108d呈現分段排列，亦即，可只形成於需焊接外部線路之區域上，而不用為完整條狀。

如第7圖所示，經過一快速燒結爐(fast firing furnace,FFF)，使匯流電極109與表面摻雜區105構成歐姆接觸，並使接觸電極111以及鋁膠中的銀、鋁與位於鋁膠覆蓋區119內的矽產生一共晶合金(eutectic alloy)112，此共晶合金112可產生一背面電場(back surface field)，已知背面電場可降低電子-電洞對在基材101內的復合機率，因此可提升載子收集率。再利用雷射或切割製程形成絕緣區(圖未示)，將匯流電極109以及指狀電極(圖未示)電絕緣接觸電極111。

最後，如第8圖所示，形成一透明導電薄膜113，覆蓋於保護介電層107與匯流電極109上，其中，透明導電薄膜113包含有鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、氧化銻錫(ATO)、氧化錫(SnO₂)或石墨烯(graphene)。已知透明導電薄膜113具有導電特性，因此可取代習知技術中位於受光正面101a之指電極，或作為輔助載子流向指狀電極之薄膜。並可利用透明導電薄膜113具有透光之特性，以減少太陽能電池受光正面101a之遮光區域，例如7至8%。

此外，利用透明導電薄膜113可減少指狀電極117之使用量，進而節省生產成本。在此需特別強調，由於透明導電薄膜113之耐熱性較差，一般高溫燒結之情況，例如，攝氏600度，會破壞透明導電薄膜113之導電性，因此，根據本發明之所有實施例，於透明導電薄膜113形成後，皆不會再施行上述高溫燒結之程序。

根據本發明之另一實施例，另可分開製備匯流電極109以及接觸電極111，且在不同於上述的製程步驟下設置奈米顆粒115。根據此較佳實施例，延續第3圖，形成至少一接觸電極111，設於背面101b上。之後，再經由快速燒結爐(fast firing furnace,FFF)，使位於背面101b之接觸電極111以及鋁膠中的銀、鋁與位於鋁膠覆蓋區119內的矽產生一背面電場。繼以於受光正面101 a設置至少一奈米顆粒115，其中奈米顆粒115包含有金、銀、鈦、鎳、銅等金屬元素、導電氧化物、石墨烯或其組合。接著，可形成一厚度介於5nm至10nm之保護介電層107，例如，氧化矽、氮化矽或二氧化鈦，覆蓋於表面摻雜區105上。並接著形成一透明導電薄膜113，覆蓋於保護介電層107與匯流電極109上，其中，透明導電薄膜113包含有鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、氧化銻錫(ATO)、氧化錫(SnO₂)或石墨烯(graphene)。在此需注意的是，奈米顆粒115會與表面摻雜區105構成歐姆接觸。且由於保護介電層107之厚度僅介於5nm至10nm，因此奈米顆粒115足以穿過保護介電層107，以利於電連接透明導電薄膜113與表面摻雜區105。之後，利用例如，網印、噴墨印刷、印花轉印(decal transfer)、電鍍(plating)、無電鍍(electroless plating)等方式，製備至少一位於受光正面101a之匯流電極109，並經過一低溫快速燒結，俾使匯流電極109與表面摻雜區105形成歐姆接觸。在此需注意的是，於本發明之此實施例，於受光正面101a上未設有任何垂直於第一匯流電極101a或垂直於第二匯流電極101b之指狀電極117，因此，可增加受光正面101a之受光面積。

綜上所述，本發明提供一種太陽能電池結構1，如第8圖所示，其具有一透明導電薄膜113，覆蓋於保護介電層107與匯流電極109上。利用透明導電薄膜113具有透光以及導電之特性，可減少或取代習知技術中位於受光正面101a之指狀電極117，進而減少太陽能電池受光正面101a之遮光面積。此外，本發明採用透明導電薄膜113用以減少或完全取代指狀電極117，因此可節省指狀電極117原料之耗費成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1．．．太陽能電池結構

101．．．基材

101a．．．受光正面

101b．．．背面

105．．．表面摻雜區

107．．．保護介電層

108、108a、108b 108c、108d、109．．．匯流電極

109a．．．第一匯流電極

109b．．．第二匯流電極

111．．．接觸電極

112．．．共晶合金

113．．．透明導電薄膜

115．．．奈米顆粒

117．．．指狀電極

119．．．鋁膠覆蓋區

第1圖至第7圖所繪示的是根據本發明實施例之一種太陽能電池結構之製作方法示意圖。

第8圖所繪示的是根據本發明另一實施例之一種太陽能電池結構剖面圖。

第9圖所繪示的是根據本發明另一實施例之一種太陽能電池結構俯視圖。

第10圖所繪示的是根據本發明另一實施例之一種太陽能電池結構俯視圖。

1．．．太陽能電池結構

101．．．基材

101a．．．受光正面

101b．．．背面

105．．．表面摻雜區

107．．．保護介電層

109．．．匯流電極

109a．．．第一匯流電極

109b．．．第二匯流電極

111．．．接觸電極

112．．．共晶合金

113．．．透明導電薄膜

115．．．奈米顆粒

119．．．鋁膠覆蓋區

Claims (12)

1. 一種太陽能電池結構，包含有：一基材，包含有一受光正面以及一背面；一表面摻雜區，設於該基材之該受光正面；一保護介電層，覆蓋於該表面摻雜區上；至少一匯流電極(bus bar)，設於該基材之該受光正面；一透明導電薄膜，覆蓋於該保護介電層與該匯流電極上；以及至少一奈米顆粒，穿過該保護介電層，電連接該透明導電薄膜與該表面摻雜區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該保護介電層包含有氧化矽、氮化矽或二氧化鈦。
3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池結構，其中該保護介電層的厚度介於5奈米(nm)至10奈米(nm)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該透明導電薄膜包含有鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、氧化銻錫(ATO)、氧化錫(SnO₂)或石墨烯(graphene)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該奈米顆粒與該表面摻雜區構成歐姆接觸。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構，其中該奈米顆粒包含有金、銀、鈦、鎳、銅或其組合。
7. 一種太陽能電池結構，包含有：一基材，包含有一受光正面以及一背面；一表面摻雜區，設於該基材之該受光正面；一保護介電層，覆蓋於該表面摻雜區上；一第一匯流電極，設於該基材之該受光正面；一第二匯流電極，平行於該第一匯流電極，設於該基材之該受光正面；一透明導電薄膜，覆蓋於該保護介電層與該匯流電極上；以及至少一奈米顆粒，穿過該保護介電層，電連接該透明導電薄膜與該表面摻雜區；其中於該基材之該受光正面上，未設有任何垂直於該第一匯流電極或垂直於該第二匯流電極之指狀電極。
8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池結構，其中該保護介電層包含有氧化矽、氮化矽或二氧化鈦。
9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池結構，其中該保護介電層的厚度介於5奈米(nm)至10奈米(nm)。
10. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池結構，其中該透明導電薄膜包含有鋁摻雜氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、氧化銻錫(ATO)、氧化錫(SnO₂)或石墨烯(graphene)。
11. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池結構，其中該奈米顆粒與該表面摻雜區構成歐姆接觸。
12. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池結構，其中該奈米顆粒包含有金、銀、鈦、鎳、銅或其組合。