TWI508311B - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

Description

太陽能電池及其製造方法

本發明是有關於一種光電轉換元件及其製造方法，且特別是有關於一種太陽能電池及其製造方法。

在石化能源短缺以及能源需求量與日俱增的情況下，再生能源(Renewable energy)的開發成為當今非常重要的課題之一。再生能源泛指永續且無污染的天然能源，例如太陽能、風能、水利能、潮汐能或是生質能等，其中，太陽能的利用更是近幾年來在能源開發的研究上相當重要且受歡迎的一環。

太陽能電池是一種能量轉換的光電元件(photovoltaic device)，其透過太陽光的照射，將光的能量轉換成電能。圖1是習知的一種太陽能電池的剖面示意圖。請參照圖1，太陽能電池100包括光電轉換層110、透明導電層120a、120b及電極層130a、130b。電極層130a、130b分別配置於光電轉換層110的第一表面S1與第二表面S2上，其中第一表面S1相對於第二表面S2，且透明導電層120a配置於光電轉換層110與電極層130a之間，而透 明導電層120b配置於光電轉換層110與電極層130b之間。

一般而言，配置於光電轉換層110的受光面(指第一表面S1)上的電極層130a除了要能有效地收集載子，還要儘量減少電極層130a遮蔽入射光的比例。因此，位於受光面的電極層130a一般會設計成具有特殊圖案的結構，例如是從匯流電極(busbar)延伸出多條很細的指狀(finger)電極。習知欲形成所述電極圖案(指匯流電極與指狀電極)，通常是藉由網版印刷將銀膠(未繪示)塗佈於透明導電層120a上。此外，需搭配共同燒結製程，以將銀膠固化成電極層130a。然而，共同燒結製程屬高溫製程(超過攝氏700度)，其容易損害太陽能電池100內的膜層，特別是異質接面(Hetero-junction)矽基太陽能電池中的非晶矽半導體層。此外，電極層130a中指狀電極或匯流電極的寬度亦會受限於高溫製程，而無法進一步地減縮，進而侷限了太陽能電池的光電轉換效率。另一方面，倘若降低共同燒結製程的溫度，則會影響電極層130a的品質。是以，如何提升太陽能電池的信賴性(亦即如何降低電極層的製程對於太陽能電池內的膜層的損害)，並進一步地提升太陽能電池的光電轉換效率，實為未來的趨勢。

本發明提供一種太陽能電池的製造方法，其可製作出信賴性高且光電轉換效率佳的太陽能電池。

本發明提供一種太陽能電池，其具有高信賴性及良好的 光電轉換效率。

本發明的一種太陽能電池的製造方法，包括以下步驟。提供光電轉換層。於光電轉換層相對的第一表面與第二表面上分別形成透明導電層。於各透明導電層上形成覆蓋層。於各覆蓋層上形成種子層。於各種子層上形成電極層，其中各覆蓋層的厚度介於50至850埃之間，而使得各電極層得以分別透過擴散至覆蓋層中的種子層而與對應的透明導電層電性連接。

在本發明的一實施例中，上述的光電轉換層是由P型半導體層及N型半導體層堆疊形成的PN接面結構，或由P型半導體層、本質層、N型半導體層堆疊形成的PIN接面結構。

在本發明的一實施例中，上述的透明導電層的材料包括金屬氧化物。

在本發明的一實施例中，上述的覆蓋層的材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、矽鋁氧化物或上述至少二種材料的堆疊層。

在本發明的一實施例中，上述的種子層的材料包括銀，且形成種子層的方法包括噴灑(spray)、塗佈(inject)或網版印刷(screen printing)。

在本發明的一實施例中，上述的各種子層為疊層結構，且種子層的材料還包括鎳、銅、鋁、鈷、鈦、或上述至少兩者的混合物、金屬矽化物(如矽化鎳、矽化鈷、矽化鈦等)或上述至少兩種材料的堆疊層，而形成種子層的方法還包括無電鍍 (electroless)、電鍍(electroplating)、物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)或化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)。

在本發明的一實施例中，上述的電極層包括第一電極層以及第二電極層。第一電極層覆蓋於種子層上，且第二電極層覆蓋於第一電極層上。第一電極層的材料包括導電金屬(如銀、鎳、銅、鋁、鈦、鈷或上述至少兩者的混合物)及金屬矽化物(如矽化鎳、矽化鈷或矽化鈦)，而第二電極層的材料包括錫、銀或鎳。

本發明的一種太陽能電池，包括光電轉換層、透明導電層、覆蓋層、種子層、電極層、另一透明導電層、另一覆蓋層、另一種子層以及另一電極層。透明導電層配置於光電轉換層的第一表面上。覆蓋層配置於透明導電層上，其中覆蓋層的厚度介於50至850埃之間。種子層配置於透明導電層上，且種子層與透明導電層電性連接。電極層配置於種子層上。另一透明導電層配置於光電轉換層的第二表面上，其中第一表面與第二表面彼此相對。另一覆蓋層配置於另一透明導電層上，其中另一覆蓋層的厚度介於50至850埃之間。另一種子層配置於另一透明導電層上，且與另一透明導電層電性連接。另一電極層配置於另一種子層上。

在本發明的一實施例中，上述的光電轉換層是由P型半導體層及N型半導體層堆疊形成的PN接面結構，或由P型半導體層、本質層、N型半導體層堆疊形成的PIN接面結構。

在本發明的一實施例中，上述的透明導電層以及另一透 明導電層的材料包括金屬氧化物。

在本發明的一實施例中，上述的覆蓋層以及另一覆蓋層的材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、矽鋁氧化物或上述至少二種材料的堆疊層。

在本發明的一實施例中，上述的種子層以及另一種子層的材料包括銀。

在本發明的一實施例中，上述的種子層以及另一種子層分別為疊層結構，且種子層以及另一種子層的材料還包括銀以外的導電金屬(如鎳、銅、鋁、鈷、鈦或上述至少兩者的混合物)及金屬矽化物(如矽化鎳、矽化鈷、矽化鈦)或上述至少兩種材料的堆疊層。

在本發明的一實施例中，上述的電極層包括第一電極層以及第二電極層。第一電極層覆蓋於種子層上，且第二電極層覆蓋於第一電極層上。第一電極層的材料包括銀、鎳、銅、鋁、鈷、鈦或上述至少兩者的混合物、金屬矽化物(如矽化鎳、矽化鈷或矽化鈦)，而第二電極層的材料包括錫、銀或鎳。

基於上述，本發明在透明導電層上形成覆蓋層及種子層，藉以使電極層的材料選擇性地成長於種子層上。如此，本發明可透過種子層的圖案設計去調變電極圖案(指電極層的匯流電極與指狀電極)，而可以不用藉由網版印刷及共同燒結製程去形成電極圖案。因此，可避免因共同燒結製程而對太陽能電池造成損害，進而使太陽能電池具有高信賴性。此外，本發明可藉由種子 層的設置，增加電極層與透明導電層的附著力(adhesion)，並降低電極層與透明導電層的接觸阻值，進而使太陽能電池具有良好的光電轉換效率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200‧‧‧太陽能電池

110、210‧‧‧光電轉換層

120a、120b、220A、220B‧‧‧透明導電層

130a、130b、250A、250B‧‧‧電極層

212‧‧‧矽基材

214A、214B‧‧‧鈍化層

216A‧‧‧第一型半導體層

216B‧‧‧第二型半導體層

230A、230B‧‧‧覆蓋層

240A、240B‧‧‧種子層

242、246‧‧‧第一子種子層

244、248‧‧‧第二子種子層

252、256‧‧‧第一電極層

254、258‧‧‧第二電極層

A1、A2‧‧‧區域

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

T‧‧‧厚度

圖1是習知的一種太陽能電池的剖面示意圖。

圖2A至圖2F是依照本發明一實施例的一種太陽能電池的製作流程的剖面示意圖。

圖2A至圖2F是依照本發明一實施例的一種太陽能電池的製作流程的剖面示意圖。請參照圖2A，提供光電轉換層210，其中光電轉換層210具有相對的第一表面S1與第二表面S2。第一表面S1例如是受光面，亦即是，面向外界光線(未繪示，例如太陽光)以吸收光子的表面，而第二表面S2例如是非受光面，亦即是背對外界光線的表面。

光電轉換層210可以是由P型半導體層及N型半導體層堆疊形成的PN接面結構，或是由P型半導體層、本質層、N型半導體層堆疊形成的PIN接面結構。

舉例而言，光電轉換層210例如是包括矽基材212、鈍化層214A、214B、第一型半導體層216A及第二型半導體層216B，其中第一型半導體層216A及第二型半導體層216B分別位於矽基材212的相對兩表面，且鈍化層214A位於第一型半導體層216A與矽基材212之間，而鈍化層214B位於第二型半導體層216B與矽基材212之間。在本實施例中，第一型半導體層216A與鈍化層214A具有一接觸面，且第一型半導體層216A相對於接觸面的表面為光電轉換層210的第一表面S1。另一方面，第二型半導體層216B與鈍化層214B也具有一接觸面，且第二型半導體層216B相對於接觸面的表面為光電轉換層210的第二表面S2。

在本實施例中，矽基材212例如是P型矽基材或N型矽基材。鈍化層214A、214B、第一型半導體層216A及第二型半導體層216B例如是非晶矽半導體層，且例如是以電漿增益化學氣相沈積的方法製成。第一型半導體層216A及第二型半導體層216B其中一者為N型半導體層，且第一型半導體層216A及第二型半導體層216B其中另一者為P型半導體層。

需說明的是，本實施例雖以矽基太陽能電池(Si based solar cell)的光電轉換層作為舉例說明，但光電轉換層的類型端視太陽能電池的種類而定，因此本發明並不限定光電轉換層的類型。

另外，為了提高吸收光子的能力，並降低外界光線的反射，本實施例還可選擇性地對矽基材212的受光面(例如是矽基材212與鈍化層214A接觸的表面)進行表面織化製程，而形成織化表 面。所述表面織化製程例如是，但不限於，使用氫氧化鉀(KOH)溶液來進行之。

請參照圖2B，於光電轉換層210的第一表面S1上形成透明導電層220A，且於光電轉換層210的第二表面S2上形成另一透明導電層220B。此處透明導電層220A、220B可作為窗戶層，其可用以調變光電轉換效率、光穿透率(light transmittance)、載子收集效率等。在本實施例中，透明透明導電層220A、220B的材料例如是金屬氧化物，如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鍺鋅氧化物、或其它合適的氧化物、或者是上述至少二者之堆疊層。此外，形成透明透明導電層220A、220B的方法例如是蒸鍍(evaporation)法、濺鍍(sputtering)法或其他適於沉積金屬氧化物的方法。

請參照圖2C，於透明導電層220A上形成覆蓋層230A。在本實施例中，覆蓋層230A的材料例如是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、矽鋁氧化物或上述至少二種材料的堆疊層，且覆蓋層230A例如是以物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition,PVD)、化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition,CVD)或電鍍的方法在低溫(溫度範圍介於攝氏150度至250度之間)下製成，藉以避免對太陽能電池中已成型的其他膜層造成損害。

詳言之，本實施例的覆蓋層230A的厚度T介於50至850埃之間，且折射率例如介於1.7至3.5之間(上述“介於”皆包含端點值)，因此，覆蓋層230A除了具有低導電率(即高阻值)外，還具有 高穿透率，並可降低外界光線的反射。此外，覆蓋層230A的製程與現有的太陽能電池的製程相容，且形成後即毋需移除。因此，本實施例的覆蓋層230A除了可保護太陽能電池(例如避免太陽能電池刮傷或受潮等)以及降低外界光線反射之外，還具有製程簡易的優點。

請參照圖2D，於覆蓋層230A上形成種子層240A。在本實施例中，種子層240A除了適於將欲形成的電極層(繪示於後)與透明導電層220A電性連接外，還可作為電極層之晶種用。換言之，本實施例可透過種子層240A的圖案設計去調變電極層的電極圖案(指電極層的匯流電極與指狀電極)。由於種子層240A與欲形成的電極層是位於太陽能電池的受光面，因此，考量到欲形成的電極層遮蔽入射光的比例，種子層240A的圖案(即欲形成的電極層)不會完全覆蓋於透明導電層220A上。亦即是，種子層240A覆蓋覆蓋層230A部份的區域A1，且曝露出覆蓋層230A其餘的區域A2。

在本實施例中，種子層240A以疊層結構作為舉例說明。具體而言，本實施例的種子層240A包括第一子種子層242以及第二子種子層244，其中第一子種子層242介於透明導電層220A與第二子種子層244之間。

在形成第一子種子層242時，第一子種子層242的材料適於擴散至覆蓋層230A中，亦即是，第一子種子層242的材料需具備適當的擴散性，如此一來，透過第一子種子層242的材料的 選擇及覆蓋層230A的厚度T(繪示於圖2C)的設計，在未移除欲形成第一子種子層242處的覆蓋層230A下(亦即是在未移除區域A1的覆蓋層230A下)，第一子種子層242亦可與透明導電層220A電性連接。在本實施例中，第一子種子層242的材料例如是銀，而形成第一子種子層242的方法可以是噴灑或網版印刷。

第二子種子層244適於作為欲成長之電極層的晶種，因此，第二子種子層244的材料端視電極層的材料而定。舉例而言，當選擇銅為電極層的材料時，則第二子種子層244的材料可選擇與銅匹配的材料。在其他實施例中，第二子種子層244的材料也可以是鎳、銅、鋁、鈷、鈦或上述至少兩者的混合物、金屬矽化物(如矽化鎳、矽化鈷、矽化鈦)或上述至少兩種材料的堆疊層，而形成種子層的方法可以是無電鍍、電鍍、物理氣相沉積或化學氣相沉積等方法。在本實施例中，若使用鎳、銅、鋁、鈷、鈦或上述至少兩者的混合物、金屬矽化物(如矽化鎳、矽化鈷、矽化鈦)或上述至少兩種材料的堆疊層等材料取代銀的使用或降低銀的使用量，可進一步地減少製程成本。

需說明的是，本實施例雖以疊層結構作為舉例說明，但在其他未繪示的實施例中，種子層也可以是單層的結構。舉例而言，當選擇銀為電極層的材料時，種子層的材料可選擇以銀同時作為擴散層及晶種的材料。因此，於覆蓋層230A上形成單層的種子層後，可直接製作電極層。

請參照圖2E，於種子層240A上形成電極層250A。電極 層250A位於太陽能電池的受光面，且適於匯集由光電轉換層210射出的載子。此外，電極層250A可以是單層或疊層結構。在本實施例中，電極層250A以疊層結構作為舉例說明。

詳細而言，本實施例的電極層250A包括第一電極層252以及第二電極層254，其中第一電極層252覆蓋於種子層240A上，而第二電極層254覆蓋於第一電極層252上。第二電極層254的設置除了可避免第一電極層252氧化之外，還可作為後續太陽能電池模組組裝時的中介層(inter-layer)，藉以提升附著力。

在本實施例中，第一電極層252的材料可以是銀、鎳、銅、鋁、鈷、鈦或上述至少兩者的混合物、金屬矽化物(如矽化鎳、矽化鈷或矽化鈦)等具有良好導電率的材料，而第二電極層254的材料可以是錫、銀或鎳等較不易氧化的材料。此外，形成第一電極層252與第二電極層254的方法可以是無電鍍或電鍍等方法。由於銅的導電性高於銀的導電性，因此，若以銅作為第一電極層252的材料，除了可減少製程成本之外，還可進一步地提升太陽能電池的光電轉換效率及填充因子(fill factor)。

在本實施例中，利用覆蓋層230A及種子層240A具有不同的無電鍍率或電鍍率，而於形成電極層250A之前，先形成覆蓋層230A及種子層240A於透明導電層220A上。因此，在形成電極層250A的過程中，電極層250A的材料會選擇性地成長於種子層240A上。如此一來，本實施例可透過種子層240A的圖案設計去調變電極層250A的電極圖案(指電極層的匯流電極與指狀電 極)，而可以不用藉由網版印刷及共同燒結製程去形成電極圖案。因此，本實施例可避免因共同燒結製程(高溫製程)而對太陽能電池造成損害，進而使太陽能電池具有高信賴性。此外，本實施例還可藉由種子層240A的設置，增加電極層250A與透明導電層220A的附著力，並降低電極層250A與透明導電層220A的接觸阻值，進而使太陽能電池具有良好的光電轉換效率。

請參照圖2F，於光電轉換層210的第二表面S2上形成另一覆蓋層230B、另一種子層240B(包括第一子種子層246及第二子種子層248)以及另一電極層250B(包括第一電極層256及第二電極層258)，其中形成此些膜層的方法可參照圖2C至圖2E及其對應的敘述，於此便不再贅述。於此，太陽能電池200即初步完成。

需說明的是，由於電極層250B位於太陽能電池200的非受光面，因此，電極層250B不會遮蔽到入射光。換言之，電極層250B的圖案設計可以具有更大的設計彈性，而種子層240B的圖案設計也可具有更大的設計彈性。在其他未繪示的實施例中，位於非受光面的種子層240B以及電極層250B的圖案設計與位於受光面的種子層240A以及電極層250A的圖案設計可以不相同，又或者，種子層240B以及電極層250B可以是全面地覆蓋於透明導電層220B上，亦即是，種子層240B直接接觸於透明導電層220B上不需要另外生成覆蓋層230B。

綜上所述，本發明在透明導電層上形成覆蓋層及種子 層，藉以使電極層的材料選擇性地成長於種子層上。如此，本發明可透過種子層的圖案設計去調變電極層的電極圖案(指電極層的匯流電極與指狀電極)，而可以不用藉由網版印刷及共同燒結製程去形成電極圖案。因此，可避免因共同燒結製程而對太陽能電池造成損害，進而使太陽能電池具有高信賴性。此外，本發明可藉由種子層的設置，增加電極層與透明導電層的附著力(adhesion)，並降低電極層與透明導電層的接觸阻值，進而使太陽能電池具有良好的光電轉換效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，例如是將上述電極圖案的形成方法(包括覆蓋層及種子層的製作)應用於薄膜太陽能電池或III-V族太陽能電池中，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧太陽能電池

210‧‧‧光電轉換層

212‧‧‧矽基材

214A、214B‧‧‧鈍化層

216A‧‧‧第一型半導體層

216B‧‧‧第二型半導體層

220A、220B‧‧‧透明導電層

230A、230B‧‧‧覆蓋層

240A、240B‧‧‧種子層

242、246‧‧‧第一子種子層

244、248‧‧‧第二子種子層

250A、250B‧‧‧電極層

252、256‧‧‧第一電極層

254、258‧‧‧第二電極層

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

Claims (14)

1. 一種太陽能電池的製造方法，包括：提供一光電轉換層；於該光電轉換層相對的一第一表面與一第二表面上分別形成一透明導電層；於各該透明導電層上形成一覆蓋層；於各該覆蓋層上形成一種子層；以及於各該種子層上形成一電極層，其中各該覆蓋層的厚度介於50至850埃之間，而使得各該電極層得以分別透過擴散至該覆蓋層中的該種子層而與對應的該透明導電層電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的製造方法，其中該光電轉換層是由P型半導體層及N型半導體層堆疊形成的PN接面結構，或由P型半導體層、本質層、N型半導體層堆疊形成的PIN接面結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的製造方法，其中該透明導電層的材料包括金屬氧化物。
4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的製造方法，其中該覆蓋層的材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、矽鋁氧化物或上述至少二種材料的堆疊層。
5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的製造方法，其中該種子層的材料包括銀，且形成該種子層的方法包括噴灑、噴射或網版印刷。
6. 如申請專利範圍第5項所述的太陽能電池的製造方法，其中各該種子層為一疊層結構，且該種子層的材料還包括鎳、鋁、鈷、鈦、或上述至少兩者的混合物、矽化鎳、矽化鈷、矽化鈦或上述至少兩種材料的堆疊層，且形成該種子層的方法還包括無電鍍、電鍍、物理氣相沉積或化學氣相沉積。
7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池的製造方法，其中該電極層包括一第一電極層以及一第二電極層，該第一電極層覆蓋於該種子層上，且該第二電極層覆蓋於該第一電極層上，該第一電極層的材料包括銀、鎳、銅、鋁、鈦、鈷或上述至少兩者的混合物、矽化鎳、、矽化鈷或矽化鈦，而該第二電極層的材料包括錫、銀或鎳。
8. 一種太陽能電池，包括：一光電轉換層；一透明導電層，配置於該光電轉換層的一第一表面上；一覆蓋層，配置於該透明導電層上，其中該覆蓋層的厚度介於50至850埃之間；一種子層，配置於該透明導電層上，且與該透明導電層電性連接；一電極層，配置於該種子層上；另一透明導電層，配置於該光電轉換層的一第二表面上，其中該第一表面與該第二表面彼此相對；另一覆蓋層，配置於該另一透明導電層上，其中該另一覆蓋 層的厚度介於50至850埃之間；另一種子層，配置於該另一透明導電層上，且與該另一透明導電層電性連接；以及另一電極層，配置於該另一種子層上。
9. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該光電轉換層是由P型半導體層及N型半導體層堆疊形成的PN接面結構，或由P型半導體層、本質層、N型半導體層堆疊形成的PIN接面結構。
10. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該透明導電層以及該另一透明導電層的材料包括金屬氧化物。
11. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該覆蓋層以及該另一覆蓋層的材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、矽鋁氧化物或上述至少二種材料的堆疊層。
12. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該種子層以及該另一種子層的材料包括銀。
13. 如申請專利範圍第12項所述的太陽能電池，其中該種子層以及該另一種子層分別為一疊層結構，且該種子層以及該另一種子層的材料還包括鎳、銅、鋁、鈷、鈦或上述至少兩者的混合物、矽化鎳、矽化鈷、矽化鈦或上述至少兩種材料的堆疊層。
14. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該電極層包括第一電極層以及第二電極層，該第一電極層覆蓋於該種子層上，且該第二電極層覆蓋於該第一電極層上，該第一電極層的 材料包括銀、鎳、銅、鋁、鈷、鈦或上述至少兩者的混合物、矽化鎳、矽化鈷或矽化鈦，而該第二電極層的材料包括錫、銀或鎳。