TWI497743B - 使用物理性氧化物移除方式的矽太陽能電池製造方法與包含以上方法之教具 - Google Patents

使用物理性氧化物移除方式的矽太陽能電池製造方法與包含以上方法之教具 Download PDF

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Description

使用物理性氧化物移除方式的矽太陽能電池製造方法與包含以上方法之教 具
本發明涉及處理半導體元件的領域，特別涉及製作矽太陽能電池方法的領域。
一般人稱太陽能電池為綠色能源，因為經過光吸收和光電轉換後的電能即可使用。然而，以矽太陽能電池為例，製造矽太陽能電池的過程中卻使用了許多有毒或危險物質，以及產生須耗費許多能量處理的廢液。舉例來說，於晶圓製程中，一般氧化物移除步驟中，需使用氫氟酸移除原生氧化層或擴散後殘留或多餘的氧化層。氫氟酸為一種具有高腐蝕危險性的化學藥劑，如何能達到無氫氟酸製程是業界改善製程以降低危險及污染的難題之一。
美國專利公開號2011/294299揭露以替代性的化學品取代氫氟酸；另外，美國專利公告號7,799,141揭露一種移除基板上污染物的清洗組成，其中清洗組成包括具有固體化物的黏性液體，並配合機械力下壓清洗組成迫近基板，固體化物為不小於4個碳的羧酸。但此種替代下仍需使用化學藥劑。尤其，現實考量使用氫氟酸的另一因素係因購賣氫氟酸的價格低，因此，使用替代化學藥劑的方法並不普遍，且有提高製程成本之虞。
為解決上述問題，提供一種使用物理性氧化物移除方式的矽太陽能電池製造方法與包含以上方法之教具，引入低危險性、物理性的方式來移除矽基板上的氧化層，提高製程的安全性。
為解決上述問題，提供一種使用物理性氧化物移除方式的矽太陽能電池製造方法與包含以上方法之教具，其利用研磨或微粒撞擊矽基 板的方式來移除矽基板上的氧化層後，可以以低危險性的水、氮氣、空氣或具揮發性的流體來帶走已與矽基板分離的氧化層，減少廢液的產生。
為解決上述問題，提供一種使用物理性氧化物移除方式的矽太陽能電池製造方法與包含以上方法之教具，無須使用氫氟酸來清洗矽基板，因此適用於量產的矽太陽能電池，或基於該氧化物移除法所設計的教學應用與教具。
依據上述，一種使用物理性氧化物移除方式的矽太陽能電池製造方法與包含以上方法之教具，在需要氧化物移除的步驟中使用研磨或微粒撞擊的方式來移除氧化層。
依據上述，一種矽太陽能電池製造方法，包括：移除一矽基板上的一原生氧化矽；於該矽基板上塗布一擴散源並加熱該矽基板；移除該矽基板上的一玻璃狀殘留氧化物；於該矽基板上形成一鈍化層與一抗反射層兩者之一；於該矽基板上形成一上電極與一下電極；及加熱具有該上電極與該下電極的該矽基板，其中，該移除該矽基板上的該原生氧化矽的步驟及該移除該矽基板上的該玻璃狀殘留氧化物的步驟兩者至少之一包括：提供一研磨面；施壓該矽基板接觸該研磨面；使該矽基板沿著該研磨面進行相對於該研磨面的一相對摩擦運動；以及以一流體接觸該相對摩擦運動後的該基板。
較佳地，該流體是水、空氣、氮氣或具揮發性液體。
一種使用上述矽太陽能電池製造方法的太陽能電池教具，包括：至少一該矽基板，其中，該矽基板的阻抗介於1至10歐姆.公分(ohm.cm)；一第一容器，該第一容器內容置至少一液態擴散源；以及一第二容器，該第二容器內容置一金屬膠。
較佳地，該液態擴散源包括硼酸或磷酸和四乙氧基矽烷的混合物。
較佳地，更包括一文件，該文件記載上述之矽太陽能電池製造方法。
依據上述，一種矽太陽能電池製造方法，包括：提供一矽基板；於該矽基板上塗布一擴散源並擴散該矽基板上的該擴散源；處理擴散 後的該矽基板；於該矽基板上形成一上電極與一下電極；以及加熱具有該上電極與該下電極的該矽基板，其中，該提供該矽基板的步驟與該處理擴散後的該矽基板的步驟兩者至少之一包括一物理性氧化物移除步驟，該物理性氧化物移除步驟包括；提供一研磨面；施壓該矽基板接觸該研磨面；使該矽基板沿著該研磨面進行相對於該研磨面的一相對摩擦運動；以及以水、空氣、氮氣或具揮發性液體之一接觸該相對摩擦運動後的該基板。
一種使用上述矽太陽能電池製造方法的太陽能電池教具，包括：至少一該矽基板，其中，該矽基板的阻抗介於1至10歐姆.公分(ohm.cm)；提供該研磨面的一砂紙；一第一容器，該第一容器內容置至少一液態擴散源；以及一第二容器，該第二容器內容置一金屬膠。
較佳地，更包括，該液態擴散源包括硼酸或磷酸和四乙氧基矽烷的混合物。
較佳地，該太陽能電池教具更包括一文件，該文件記載上述之矽太陽能電池製造方法。
依據上述，一種太陽能電池教具，包括：至少一該矽基板，其中，該矽基板的阻抗介於1至10歐姆.公分(ohm.cm)；一第一容器，該第一容器內容置至少一液態擴散源；一第二容器，該第二容器內容置一金屬膠；以及一文件，該文件記載上述之任一種矽太陽能電池製造方法。
為了能進一步了解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明的詳細說明及附圖。本發明的目的、特徵或特點，當可由此得到一深入且具體的瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用以對本發明加以限制者。
2‧‧‧矽基板
22‧‧‧表面層
20‧‧‧本體
4‧‧‧研磨體
41‧‧‧研磨面
8‧‧‧研磨平台
6‧‧‧夾具
10‧‧‧步驟
12‧‧‧步驟
14‧‧‧步驟
20‧‧‧步驟
22‧‧‧步驟
24‧‧‧步驟
26‧‧‧步驟
30‧‧‧太陽能電池教具
32‧‧‧矽基板
34‧‧‧第一容器
36‧‧‧第二容器
38‧‧‧說明文件
31‧‧‧太陽能電池教具
33‧‧‧砂紙
圖1為本發明之一第一實施例的製作矽太陽能電池的氧化物移除方法的應用環境示意圖。
圖2為本發明之一第一實施例的製作矽太陽能電池的氧化物移除方法的步驟示意圖。
圖3為本發明的製作矽太陽能電池的氧化物移除方法應用於一製作矽太陽能電池中的步驟的方塊示意圖。
圖4為本發明之包括製作矽太陽能電池的方法的第一實施例教具的方塊示意圖。
圖5為本發明之包括製作矽太陽能電池的方法的第二實施例教具的方塊示意圖。
圖1為本發明之一第一實施例的製作矽太陽能電池的氧化物移除方法的應用環境示意圖。參照圖1，本發明提供的氧化物移除方法係應用於一用來作為矽太陽能電池的矽基板。一矽基板2包括一本體20以及位於本體20上的一表面層22。於第一實施例中，矽基板2可以為，舉例但不限地，單晶矽或多晶矽基板。一般來說，矽原子容易在含氧氣和水的環境下氧化形成氧化層，如此情況下形成的氧化層可稱為原生氧化層(native oxide)。此外，在矽太陽能電池製作的過程中，會利用擴散加熱的方式形成所需的摻雜結構，擴散高溫後，在矽基板上通常會有一層含擴散源的矽玻璃(擴散層)以及氧化層，一般將此情況下的氧化層稱為殘留氧化層。無論是原生氧化層或殘留氧化層都必須移除，以避免影響後續結構的品質或效能。依據上述，第一實施例中，表面層22可以是一原生氧化層、一殘留氧化層、擴散後多餘的氧化層，或是上述至少兩者的組合，此實施例中為氧化矽。
其次，一研磨體4，例如一研磨墊或一砂紙，其提供一粗糙度大於或遠大於矽基板2的表面的一研磨面41。其次，於第一實施例中，研磨體4可被設置於一研磨平台8上，研磨平台8可藉由任何適當的機構旋轉或上下振動，因此研磨體4可隨著研磨平台8旋轉或上下振動。再者，矽基板2亦可被設置於一夾具6上，藉由夾具6、矽基板2可被移近至研磨體4上，或是接觸研磨體4的研磨面41。又，夾具6亦可藉由任何適當的機構移動，因此，矽基板2可在研磨面41移動、轉動、或兼具兩者。
要說明的是，第一實施例的研磨平台8以及夾具6僅用以說明，實際運作中，可以兩者互換，其彼此配合的作用在於使矽基板2和研磨體4的研磨面41有接觸且有相對運動，因此習知適當的設計，例如旋轉台、機械手臂與夾具都可應用於本發明中。再者，本發明的氧化物移除方 法係捨棄習知於移除矽基板的氧化層時使用氫氟酸的化學移除方式，因此，甚至可以使用者的手持握研磨體4去接觸矽基板2或是手持握矽基板2去接觸研磨體4並進行兩者的相對運動，亦不脫離本發明的使用低危險性或低毒性氧化物移除方法的精神和範圍。
又，續參照圖1，本發明欲以物理性的方式，例如研磨或微粒撞擊表面的方式，將原本在矽基板2的表面層22剝離下來以與矽基板2分離。可以理解的，若干矽基板2上的污染物(圖上未繪)亦會隨著研磨或微粒撞擊表面而自矽基板2分離，但矽基板2上的污染物和矽基板2的表面層22不同之處在於，矽基板2的表面層22，基本上和矽基板2的本體20為化學鍵結合一起，而一般矽基板2上的污染物則大多以凡得瓦爾力的電性引力附著於矽基板2上。故第一實施例的氧化物移除方法可以移除矽基板2上以凡得瓦爾力附著的污染物，但主要係用來移除矽基板2上的化學鍵結氧化層。
圖2為本發明之一第一實施例的製作矽太陽能電池的氧化物移除方法的步驟示意圖。請參考圖2，步驟10：提供一矽基板以及一研磨體，矽基板和研磨體可依圖1的說明準備。步驟12：使該矽基板與該研磨體接觸產生一物理接觸力，其中，物理接觸力係分離該矽基板與該矽基板上的一表面層。於一實施例中，由研磨體提供一研磨面，施壓矽基板接觸一研磨面，使矽基板沿著研磨面進行相對研磨面的一相對摩擦運動，利用摩擦研磨以產生剪力或其他等效力的方式分離矽基板的表面層。其次，研磨劑可視需要而於研磨過程中添加，但本發明並非一定需要研磨劑。可以選擇的，亦可使研磨體與矽基板相互撞擊，利用研磨體較矽基板粗糙的表面特性，搭配重力/垂直撞擊力來撞擊研磨體和矽基板，藉以移除/剝離矽基板的表面層。可以理解的，對於矽太陽能電池而言，使用微粒撞擊的方式、在矽基板的表面可留下凹痕，此些凹痕有利於應用時的反射吸收。再者，研磨體可以使用不同號數的砂紙或研磨墊來調整研磨或撞擊的效果。
再者，步驟14：以水、氮氣、空氣或具揮發性的流體移除被分離的表面層。被研磨或撞擊出而與矽基板分離的表面層，或成乾燥微粒形式、或成乾燥微絮形式、粉塵形式時，可利用氮氣槍或其他高壓氣體 吹除。或是，飛離的表面層含有濕氣或含水，則可利用空氣移除，或是可於常壓下具揮發性的液體，例如甲醇、乙醇或丙酮等，上述流體(氣體或液體)皆屬於低危險性，達到本發明提供低危險性或低毒性的目的。可以理解的，視設計或所需而定，使用者欲得到一較平滑表面的矽太陽能電池時，亦可用鹼金屬的氫氧化物溶液，例如氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉水溶液(NaOH)接觸移除表面層後的矽基板，以移除矽基板的研磨損傷。依據上述，本發明的製作矽太陽能電池的氧化物移除方法，可應用於製作矽太陽能電池的過程中、任何欲移除氧化物的過程中。
圖3為本發明的製作矽太陽能電池的氧化物移除方法應用於一製作矽太陽能電池中的步驟的方塊示意圖。步驟20：執行步驟10、12、14的氧化物移除過程。步驟22：進行擴散。為貫徹以低毒甚至無毒的方法製作矽太陽能電池，使用旋塗擴散源(spin-on dopant)的方式塗布擴散源於矽基板上，再於高溫爐中加熱進行擴散。於一實施例中，例如使用磷酸或硼酸、四乙氧基矽烷(tetraethyl orthosilicate,TEOS)來取代腐蝕性的三氯氧磷(POCl3 )。要說明的是，擴散後的矽基板上會有一層含擴散源的殘留氧化層(矽玻璃)，此時即可於步驟22後再進行一氧化物移除步驟20。
接著，步驟24：視需要的，在矽基板上進行鈍化處理或沉積抗反射層。步驟26：製作電極，使用網印或金屬鍍膜方式，在矽基板上作出上電極與下電極，如此即完成矽太陽能電池的製作。
是以，本發明提供低危險性的氧化物移除方式，利用研磨或撞擊的物理力來使得氧化層自矽基板的表面剝離而移除，如此的氧化物移除方式，適合應用於矽太陽能電池的教學製作或使用者自行製作的過程中，教學者或使用者無須冒著使用具有腐蝕性的藥劑的風險，即可自行於製作的過程中進行氧化物移除的工作。又，利用研磨或撞擊的物理力處理後的矽基板表面可留下凹痕，有利於矽太陽能電池的多次反射吸收。
圖4為本發明之包括製作矽太陽能電池的方法的教具的方塊示意圖。上述的矽太陽能電池製造方法，因其捨棄具有腐蝕性的藥劑，因此可被應用於教具的設計上，藉以提供購買者學習並得到矽太陽能電池。依據上述，請參考圖4，一種可用以執行上述矽太陽能電池製造方法的 太陽能電池教具30，其包括至少一矽基板32、一第一容器34、一第二容器36以及一說明文件38。於此實施例中，矽基板32的大小與數量沒有限制，其阻抗可選擇介於1至10歐姆.公分(ohm.cm)者。其次，太陽能電池教具30包括兩個容器，第一容器34容置用以形成擴散源的物質，例如上述，可以用塗布的方式塗布的一磷酸或硼酸、以及四乙氧基矽烷的混合物。第二容器36則用以容置設置電極用的金屬膠。再者，太陽能電池教具30包括一說明文件38，其用以對一購買者或使用者提供應用此教具的指導，包括上述的矽太陽能電池製造方法。可以理解的，說明文件38不限於以引刷紙張的模式記載，亦可為電子檔型式隨著太陽能電池教具30販售，或是放置於網路上的一遠端伺服器上，或是太陽能電池教具30的適當之處，例如僅於包裝上留下下載資訊，藉以提供購買者或使用者一連結路徑下載或線上觀看。
圖5為本發明之包括製作矽太陽能電池的方法的第二實施例教具的方塊示意圖。圖5與圖4不同之處，在於太陽能電池教具31更包括一砂紙33等可提供研磨面之用的部件，方便購買者或使用者進行上述物理性氧化物移除步驟。是以，本發明提供的物理性氧化物移除方式，具有捨棄有毒或腐蝕性藥劑使用的優點，因此，可以製作成非專業從事此領域之人學習或是指導他人之用，並且使用後的廢液亦較降低對環境的汙染，可起環保之效。當然，此方法不限於教導使用者或教學者在低危險性環境下自行製作矽太陽能電池，亦可應用於太陽能電池大量生產中，成就低危險性的氧化物移除方式。
在本發明以部分實施例的方式討論之時，吾人應可了解本發明並非如此受限。此處的實施例是由實例進行解釋，而在本發明的範圍之內還有許多的修改、變化或是其他實施例，可增加、移除、及/或重組元件。此外，亦可增加、移除、或是重新排序處理步驟。許多不同的設計及方式亦為可行。
30‧‧‧太陽能電池教具
32‧‧‧矽基板
34‧‧‧第一容器
36‧‧‧第二容器
38‧‧‧說明文件

Claims (10)

  1. 一種矽太陽能電池製造方法，包括：移除一前電極矽基板上的一原生氧化矽；於該前電極矽基板上塗布一擴散源並加熱該前電極矽基板；移除該前電極矽基板上的一玻璃狀殘留氧化物；於該前電極矽基板上形成一鈍化層與一抗反射層兩者之一；於該前電極矽基板上形成一上電極與一下電極；及加熱具有該上電極與該下電極的該前電極矽基板，其中，該移除該前電極矽基板上的該原生氧化矽的步驟及該移除該前電極矽基板上的該玻璃狀殘留氧化物的步驟兩者至少之一包括：提供一研磨面；施壓該前電極矽基板接觸該研磨面；使該前電極矽基板沿著該研磨面進行相對於該研磨面的一相對摩擦運動；以及以一流體接觸該相對摩擦運動後的該基板。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之矽太陽能電池製造方法，其中，該流體是水、空氣、氮氣或具揮發性液體。
  3. 一種使用申請專利範圍第2項所述之矽太陽能電池製造方法的太陽能電池教具，包括：至少一該前電極矽基板，其中，該前電極矽基板的阻抗介於1至10歐姆.公分(ohm.cm)；一第一容器，該第一容器內容置至少一液態擴散源；以及一第二容器，該第二容器內容置一金屬膠。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池教具，其中，該液態擴散源包括磷酸或硼酸、以及四乙氧基矽烷的混合物。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池教具，更包括一文件，該文件 記載申請專利範圍第2項所述之矽太陽能電池製造方法。
  6. 一種矽太陽能電池製造方法，包括：提供一前電極矽基板；於該前電極矽基板上塗布一擴散源並擴散該前電極矽基板上的該擴散源；處理擴散後的該前電極矽基板；於該前電極矽基板上形成一上電極與一下電極；以及加熱具有該上電極與該下電極的該前電極矽基板，其中，該提供該前電極矽基板的步驟與該處理擴散後的該前電極矽基板的步驟兩者至少之一包括一物理性氧化物移除步驟，該物理性氧化物移除步驟包括；提供一研磨面；施壓該前電極矽基板接觸該研磨面；使該前電極矽基板沿著該研磨面進行相對於該研磨面的一相對摩擦運動；以及以水、空氣、氮氣、或可揮發液體之一接觸該相對摩擦運動後的該基板。
  7. 一種使用申請專利範圍第6項所述之矽太陽能電池製造方法的太陽能電池教具，包括：至少一該前電極矽基板，其中，該前電極矽基板的阻抗介於1至10歐姆.公分(ohm.cm)；提供該研磨面的一砂紙；一第一容器，該第一容器內容置至少一液態擴散源；以及一第二容器，該第二容器內容置一金屬膠。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池教具，其中，該液態擴散源包括磷酸或硼酸、以及四乙氧基矽烷的混合物。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池教具，更包括一文件，該文件 記載申請專利範圍第2項所述之矽太陽能電池製造方法。
  10. 一種太陽能電池教具，包括：至少一該前電極矽基板，其中，該前電極矽基板的阻抗介於1至10歐姆.公分(ohm.cm)；一第一容器，該第一容器內容置至少一液態擴散源；一第二容器，該第二容器內容置一金屬膠；以及一文件，該文件記載申請專利範圍第1或6項所述之矽太陽能電池製造方法。
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