CN100530704C - 一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺，其扩散步骤主要分为两步，具体包括：(1)进行第一次扩散：将硅片放入扩散炉中，同时通入大氮、小氮、氧气，扩散温度在800～860℃，时间为15～30分钟；(2)将扩散炉温度升至870～920℃，并将硅片稳定放置10～30分钟进行再分布；(3)进行第二次扩散：扩散温度在870～920℃，时间为1～10分钟；(4)扩散过程结束，扩散炉降温，并将硅片取出。本发明基于以上方法，得到了更加优化的发射区掺杂曲线，从而降低了发射区中高掺杂带来的俄歇复合，可使电池的短路电流提高0.5～1mA/cm2。采用以上方法时发射区的薄层电阻以及发射区和栅线间的接触电阻都不会增加，并且所有扩散步骤仍在炉管中连续进行，并未增加工艺的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及一种扩散工艺，特别是关于一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺。
背景技术
扩散技术作为单晶硅和多晶硅太阳能电池最重要的工艺，其目的是形成与基底导电类型相反的发射区，从而形成PN结。通常单晶硅和多晶硅太阳能电池采用P型基底，三氯氧磷(POCl3)液态源扩散，通过一系列化学反应和磷原子扩散过程形成掺磷的N型发射区。一般情况下，扩散温度设为830～870℃，通源时间20～35分钟；在高温过程中，POCl3通过氮气(一般称这部分氮气为小氮)携带进入石英管，同时通入氮气(一般称这部分氮气为大氮)和氧气。通入氮气的目的是在炉管中形成正压而避免外界气体的进入，并且使扩散更为均匀；氧气则参与化学反应，也可避免扩散过程对硅片表面的损伤。扩散的效果可由发射区的掺杂曲线来描述，更简单情况下可用方块电阻来考察扩散的效果。
光照半导体时产生载流子，当过剩载流子浓度超过半导体中的平衡浓度时，过剩的电子和空穴会通过复合而消失。复合过程实际上是光吸收的逆过程，大致可分为带间复合、俄歇复合、复合中心复合。在半导体中，三种复合机制往往同时存在，相对而言，在重掺杂半导体中，俄歇复合占优势。俄歇复合是电子和空穴复合时将多余的能量传给另一电子或空穴，这种形式并不伴随发射光子，称为俄歇复合；获得能量的另一载流子再将能量以声子的形式释放出去，回到原来的能量水平。俄歇复合率大小与掺杂浓度的平方成正比。
太阳能电池对发射区有两个要求：首先，发射区的掺杂不能过高，即薄层电阻不能太小。如果掺杂浓度过高的话，发射区的俄歇复合会大大增加，在发射区中产生的电子空穴对很容易复合，从而造成电池的短波响应下降；如果掺杂过重的话，甚至会形成磷激活率降低、载流子迁移率很小的“死区”，同时由于带隙变窄造成电池开路电压下降，并增强了俄歇复合。其次，发射区特别是其表面的浓度也不能过低。如果发射区浓度较低，即薄层电阻较高，发射区的电阻必然加大，增加了在发射区中向栅线电极运动电流的电阻；而且由于电极与发射区间的导电依靠隧穿效应，电极与发射区的接触电阻也与掺杂量有关，掺杂越高，接触电阻越小；如果掺杂过低接触电阻就会迅速增加，甚至无法形成欧姆接触。
如上所述，发射区的掺杂浓度要兼顾以上两种要求。通常，发射区薄层电阻选择在40～50Ω/□就是这种折衷选择的结果。但是与100Ω/□以上轻扩散的电池相比，这种常规电池的发射区复合要更多一些，光电流也要更低一些。常规的扩散工艺通常选定在一种温度进行，扩散过程中温度不变。如图1所示，这样形成的扩散区表面浓度一般为1020cm-3左右，结深0.4～0.8微米，掺杂曲线通常按余误差分布。本发明通过一种改进的扩散方法，使掺杂曲线的分布更为合理，降低了发射区的俄歇复合。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺，其扩散步骤主要分为两步，具体包括：
(1)进行第一次扩散：将硅片放入扩散炉中，同时通入大氮、小氮、氧气，扩散温度在800～860℃，时间为15～30分钟；
(2)将扩散炉温度升至870～920℃，并将硅片放置10～30分钟进行再分布；
(3)进行第二次扩散：扩散温度在870～920℃，时间为1～10分钟；
(4)扩散过程结束。扩散炉降温，并将硅片取出。
上述发明的技术方案中，通过调节扩散浓度，调节横向电阻以及扩散区和栅线间的接触电阻。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于将通常的一步恒定温度扩散步骤分成了两步进行，得到了更加优化的发射区掺杂曲线，从而降低了发射区中高掺杂带来的俄歇复合，可使电池的短路电流提高0.5～1mA/cm2。2、采用本发明方法时，发射区的薄层电阻大小相比于常规方法并没有发生改变，因此发射区的横向电阻也不会增加；此外，还可以通过适当工艺进行调整来达到使接触电阻下降的目的，如适当增加表面掺杂浓度。3、本发明的所有扩散步骤仍是在炉管中连续进行，并未增加工艺的复杂性。
附图说明
图1是通常的扩散掺杂曲线
图2是本发明第一步扩散过程的扩散掺杂曲线同通常的扩散掺杂曲线对比图
图3是本发明第二步扩散过程的扩散掺杂曲线同通常的扩散掺杂曲线对比图
图4是本发明的扩散掺杂曲线同通常的扩散掺杂曲线对比图
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明的目的在于通过本发明通过一种改进的扩散方法，使掺杂曲线的分布状态更为合理，减少发射区中的高掺杂区域以降低发射区的俄歇复合，提高了太阳能电池的性能。由于发射区中的复合减小，因此电池的短路电流提高0.5～1mA/cm2。
本发明将通常的一步恒定温度的扩散过程分为两步进行，第一步在温度较低情况下进行时间较长的扩散，并进行再分布，来形成浓度较低、杂质分布较深的掺杂曲线；第二步在温度较高和携源气体流量较大的情况下进行短时间扩散，形成浓度较高但杂质分布很浅的掺杂曲线。最终得到的掺杂曲线为以上两个曲线的叠加。该方法具体包括以下步骤：
(1)进行第一次扩散，将硅片放入扩散炉中，进行第一次扩散，扩散时通入大氮、小氮、氧气，扩散温度在800～860℃，时间为15～30分钟。
(2)将扩散炉温度升至870～920℃，并将硅片放置10～30分钟进行再分布。
(3)进行第二次扩散。扩散温度在870～920℃，时间为1～10分钟。
(4)扩散过程结束。扩散炉降温，并将硅片取出。
如图2所示，相比于常规扩散，第一次扩散形成的掺杂曲线比较平缓，表面浓度小于5×1019cm-3，结深为0.6～2微米。
如图3所示，相比于常规扩散，第二次扩散形成的掺杂曲线比较陡峭，表面浓度为8×1019cm-3～8×1020cm-3，结深为0.1～0.4微米。
如图4所示，扩散完毕后形成的掺杂曲线表面浓度先是迅速下降，之后下降速度减缓，直至基体的载流子浓度。与常规扩散相比，发射区的薄层电阻并没有大的变化，因此横向电阻不会增加；发射区表面浓度也没有大的变化，因此发射区和栅线间的接触电阻不会增加。本发明还可以通过一些适当的工艺调整，达到降低上述电阻的目的，例如适当增加表面掺杂浓度。所有扩散步骤仍然在炉管中连续进行，并未增加工艺的复杂性。
下面通过实施例来进行详细说明。
使用P型的单晶硅或多晶硅片，经过常规的表面织构化、清洗、干燥等工艺，然后进行扩散。扩散步骤如下：
(1)设定扩散炉温度为820℃，通入20升/分钟(SLM)的氮气进行保护，将硅片放入石英舟中并缓慢进舟。
(2)进舟过程完成后，硅片在扩散炉中稳定10min。
(3)以3L/min的速度通入氧气。
(4)第一步扩散开始，以1.4L/min的流量通入携带POCl3的小氮，并持续20分钟。结束后关闭小氮。
(5)扩散炉按照5℃/min的速度升温至870℃后稳定15min。升温以及稳定的过程相当于再分布的过程，使磷进一步向硅中扩散，形成结深较深、但表面浓度较低的掺杂曲线。
(6)第二步扩散开始，以1.7L/min的流量通入携带POCl3的小氮，并持续3分钟，结束后关闭小氮。这一步扩散形成表面浓度较高、但扩散较浅的掺杂曲线。
(7)扩散炉按照10℃/min的速度降温至初始炉温820℃，然后出舟。
(8)扩散完毕后形成如下掺杂曲线：表面浓度约等于1020cm-3，之后迅速下降至1018cm-3，再缓慢下降至基体的载流子浓度，约等于1016cm-3。形成的发射区结深1微米，薄层电阻50欧姆厘米。
扩散后的硅片经去除表面磷硅玻璃、边缘刻蚀(或化学腐蚀，或激光去除边缘)、PECVD氮化硅沉积、电极印刷、烧结等工艺制备成单晶硅或多晶硅太阳能电池。
Claims (2)
1、一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺，其扩散步骤主要分为两步，具体包括：
(1)进行第一次扩散：将硅片放入扩散炉中，同时通入大氮、小氮、氧气，扩散温度在800～860℃，时间为15～30分钟；
(2)将扩散炉温度升至870～920℃，并将硅片放置10～30分钟进行再分布；
(3)进行第二次扩散：通入携带POCl3的小氮，扩散温度在870～920℃，时间为1～10分钟；
(4)扩散过程结束，扩散炉降温，并将硅片取出。
2、如权利要求1所述的一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺，其特征在于：通过调节扩散浓度，调节横向电阻以及扩散区和栅线间的接触电阻。
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Owner name: BEIJING SOLAR ENERGY RESEARCH INSTITUTE GROUP CO., Free format text: FORMER NAME: BEIJING SOLAR ENERGY INST. CO., LTD. |
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Address after: 100083 No. 3, Haidian District, Beijing, Huayuan Road Patentee after: Beijing Solar Energy Research Institute Co., Ltd. Address before: 100083 No. 3, Haidian District, Beijing, Huayuan Road Patentee before: Beijing Solar Energy Inst. Co., Ltd. |
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Owner name: INNER MONGOLIA ZHONGNENG KECHUANG OPTOTHERMAL EQUI Free format text: FORMER OWNER: BEIJING SOLAR ENERGY RESEARCH INSTITUTE GROUP CO., LTD. Effective date: 20131126 |
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Effective date of registration: 20131126 Address after: 010010, the Inner Mongolia Autonomous Region Hohhot Saihan District Xinhua East Street and Ruyi Development Zone Tengfei Avenue intersection, Zhongsheng building, room 141, room 6114 Patentee after: In Inner Mongolia branch thermal equipment Limited by Share Ltd Address before: 100083 No. 3, Haidian District, Beijing, Huayuan Road Patentee before: Beijing Solar Energy Research Institute Co., Ltd. |
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Effective date of registration: 20170502 Address after: 274000 Shandong city of Heze province Dingtao County ran Guzhen Street No. 1 Patentee after: Zhang Jing Address before: 010010, the Inner Mongolia Autonomous Region Hohhot Saihan District Xinhua East Street and Ruyi Development Zone Tengfei Avenue intersection, Zhongsheng building, room 141, room 6114 Patentee before: In Inner Mongolia branch thermal equipment Limited by Share Ltd |
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Granted publication date: 20090819 Termination date: 20181227 |
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