CN100573928C - 一种制造太阳能电池的磷扩散方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制造太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将待处理的单晶硅片在900～950℃氮气气氛下进行退火处理20～30分钟；(2)将上述处理后的硅片在850～1050℃氯化氢气氛下进行氧化处理，使其表面生成厚度为10至30纳米的氧化层；(3)再在850～900℃下通磷源扩散，使得表面方块电阻控制在40～50欧姆，结深0.2～1.0微米；(4)最后在700～750℃氮气气氛下退火处理30～60分钟，完成单晶硅片的磷扩散处理。本发明可以采用纯度为4、5N的单晶硅作为制造太阳能电池的材料，因而，可以利用冶金硅等纯度较低的材料，极大地降低了材料成本，有利于单晶硅太阳能电池的普及应用。

Description

一种制造太阳能电池的磷扩散方法
技术领域
本发明涉及一种制造太阳能电池的扩散制结工艺，具体涉及一种制造太阳能电池的磷扩散方法。
背景技术
太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，使用太阳能可有效减轻环境污染。大阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域之一。太阳能电池主要以半导体材料为基础制作，其工作原理是光电材料吸收光能后发生光电子转换反应而产生电流，目前广泛采用的是硅太阳能电池。硅太阳能电池又分为单晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池等。其中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。
现有技术中，单晶硅大阳能电池的制造主要包括如下步骤：去损伤层-制绒-扩散制结-等离子刻蚀去边-去磷硅玻璃-减反射膜-丝网印刷-烧结。其中，扩散制结(通常是磷扩散制结)是一个关键步骤，制结质量会影响最终的光电转换效率。在工业化生产中，典型的结制备分为两步：第一步用氮气通过液态的POCl3，将所需的杂质用载流气体输运至高温半导体表面，杂质扩散深度约几百个纳米；第二步是高温处理，使预沉积在表面的杂质原子继续向基体深处扩散，这样就形成了一个N+/N层，这样的结构有利于后续电极的制备。这种发射区结构也可以用一步扩散法制得，但是需要增加一个腐蚀过程；快热法也可以用于上述制结步骤，可大大简化上述过程，但这种工艺还只处于初期研究阶段。
然而，上述扩散制结工艺都是建立在高质量单晶硅材料的基础上的，一般都要求硅材料的纯度在6N以上，而纯度越高，其材料成本也就越高，使得单晶硅大阳能电池的价格居高不下，难以实现普及应用。同时，利用原料纯度低的金属硅作为起始原料，经过熔融精炼、单向凝固精制等工序后，可得到纯度为4N～5N的硅材料，如果进一步提纯以得到6N以上的高纯度硅，则会大大增加成本，还会降低硅的利用率。因此，开发一种直接利用4N～5N的低纯度硅材料来制备具有较好的转换效率的单晶硅太阳能电池的磷扩散方法必将具有很大的意义。
发明内容
本发明目的是提供一种制造太阳能电池的磷扩散工艺，以便可以采用较低纯度的硅材料来制备太阳能电池。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制造太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的单晶硅片在900～950℃氮气气氛下进行退火处理20～30分钟；
(2)将上述处理后的硅片在850～1050℃氯化氢气氛下进行氧化处理，使其表面生成厚度为10至30纳米的氧化层；
(3)再在850～900℃下通磷源扩散，使得表面方块电阻控制在40～50欧姆，结深0.2～1.0微米；
(4)最后在700～750℃氮气气氛下退火处理30～60分钟，完成单晶硅片的磷扩散处理。
上述技术方案中，所述步骤(2)的氧化处理时间为20～30分钟。
所述步骤(3)的磷扩散时间为25～60分钟。
在单晶硅片中，因杂质和杂质、缺陷与杂质之间的相互作用，重金属或微缺陷在一定的温度下会发生迁移和再凝集。因而，通过退火可以使晶片中含杂聚成纳米级的小团，从而降低复合中心密度，提高少子寿命。然而，传统的方案中，退火处理通常需要进行4、5个小时，其扩散温度是从低到高再到低的，当用于处理纯度为4、5N的单晶硅时，难以获得良好的除杂和制结效果。本发明在退火和磷扩散之间加入了氯化氢气氛下的氧化处理，即采用含氯氧化法制作了氧化层，因而，整个过程中，温度变化是从高到低再高再到低呈梯度变化的，实际试验表明，采用上述方法后，获得了良好的效果。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明在通磷源扩散前后进行退火，使晶片中含杂聚成纳米级的小团，从而降低复合中心密度，提高少子寿命；并且在退火和磷扩散之间加入了氯化氢气氛下的氧化处理步骤。经过上述处理，本发明可以采用纯度为4、5N的单晶硅作为制造太阳能电池的材料，因而，可以利用冶金硅等纯度较低的材料，极大地降低了材料成本，有利于单晶硅太阳能电池的普及应用。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明作进一步描述：
实施例一：
将一组纯度为5N的硅片用如下磷扩散工艺处理：步骤1，在950℃氮气气氛下保持20分钟；步骤2，在850℃氯化氢气氛下保持20分钟；步骤3，在900℃通磷源扩散50分钟；步骤4，在750℃氮气气氛下保持30分钟。然后采用常规工艺方法进一步处理，得到一组太阳能电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度27℃条件下测定其短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光电转换效率EF，结果如下表所示：
序号   Isc(A)     Voc(mV)   Pmax(W)    FF(％)    EF(％)
1      4.46644    610.52    1.73559    63.648    11.68116
2      4.54678    613.26    2.17556    77.882    14.61594
3      4.53085    613.22    2.09676    78.303    14.64234
4      4.49747    610.76    1.85691    76.332    14.11197
5      4.38281    607.12    2.07611    69.785    12.49769
6      4.44712    609.22    2.05781    76.629    13.97298
7      4.42516    608.7     2.09916    76.396    13.84986
8      4.43123    608.15    2.09444    77.895    14.12916
9      4.46954    608.6     2.09446    76.994    14.09635
10     4.50129    612.25    2.10562    76.404    14.17161
平均值 4.469869   610.18    2.039242   75.0268   13.77691
实施例二：
将另外一组纯度为5N的硅片用如下磷扩散工艺处理：步骤1，在900℃氮气气氛下保持25分钟；步骤2，在1000氯化氢气氛下保持25分钟；步骤3，在900℃通磷源扩散30分钟；步骤4，在700℃氮气气氛下保持50分钟。然后采用常规工艺方法进一步处理，得到一组太阳能电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度27℃条件下测定其短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光电转换效率EF，结果如下表所示：
序号   Isc(A)     Voc(mV)   Pmax(W)    FF(％)    EF(％)
1      4.35766    609.14    2.04992    77.226    13.79673
2      4.4196     610.17    2.09707    77.773    14.11409
3      4.39372    607.99    2.07775    77.78     13.98408
4      4.3689     608.53    2.06782    77.778    13.91723
5      4.37946    608.45    2.05224    77.017    13.81236
6      4.44184    612.49    2.13835    78.599    14.39191
7      4.40191    608.81    1.71494    63.991    11.54202
8      4.45567    612.57    2.10022    76.947    14.13526
9      4.42383    613.46    2.10247    77.472    14.15045
10     4.27499    605.99    1.78353    68.847    12.00382
平均值 4.391758   609.76    2.044531   75.343    13.5848
实施例三：
将另外一组纯度为5N的硅片用如下磷扩散工艺处理：步骤1，在920℃氮气气氛下保持30分钟；步骤2，在950℃氯化氢气氛下保持30分钟；步骤3，在850℃通磷源扩散60分钟；步骤4，在700℃氮气气氛下保持40分钟。然后采用常规工艺方法进一步处理，得到一组太阳能电池片。
随机选取16片，在AM1.5，温度28℃条件下测定其短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光电转换效率EF，结果如下表所示：
序号 Isc(A)     Voc(mV)   Pmax(W)    FF(％)    EF(％)
1    4.40454    607.89    2.00977    75.063    13.52651
2    4.43724    609.05    2.04521    75.678    13.76501
3    4.42288    609.12    2.09828    77.885    14.12223
4    4.4701     609.89    2.08441    76.456    14.0289
5      4.46758    609.76    2.08204    76.428    14.0129
6      4.51984    611.04    2.10364    76.169    14.15827
7      4.43159    606.86    2.07638    77.207    13.97485
8      4.54037    609.98    2.12963    76.895    14.3332
9      4.49947    608.79    2.0755     75.769    13.96892
10     4.52432    610.23    2.11063    76.449    14.20537
11     4.4557     609.58    2.02947    74.719    13.65908
12     4.50928    607.72    2.01459    73.515    13.55895
13     4.55504    610.54    2.14621    77.173    14.44481
14     4.51071    610.46    2.08132    75.585    14.00807
15     4.51885    611.89    2.0619     74.571    13.87738
16     4.49353    609.17    2.07788    75.909    13.98492
平均值 4.485065   609.4981  2.076679   75.96694  13.97684
对比例一
将一组纯度为5N的硅片用传统磷扩散工艺处理，得到一组太阳能电池片。
随机选取12片，在AM1.5，温度27℃条件下测定其短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光电转换效率EF，结果如下表所示：
序号 Isc(A)     Voc(mV)    Pmax(W)    FF(％)     EF(％)
1    3.92058    0.60462    0.84076    0.35468    5.65863
2    3.98012    0.61667    0.92812    0.37815    6.24662
3    3.97738    0.61748    0.97356    0.39641    6.55244
4    4.04155    0.61912    1.05359    0.42107    7.09106
5    4.23414    0.61565    1.13905    0.43696    7.66626
6    4.24061    0.62082    1.20179    0.45649    8.08848
7    4.38697    0.61601    1.31707    0.48737    8.86438
8    4.57012    0.61332    1.41021    0.50312    9.49122
9    4.62997    0.61498    1.49039    0.52343    10.03087
10   4.64822    0.61207    1.63927    0.57619    11.03289
11   4.59806    0.61483    1.79448    0.63476    12.07754
12     4.70738    0.6133    1.93556    0.67043    13.02708
平均值 4.327925   0.614906  1.310321   0.486588   8.818956
从上述实施例和对比例可以看出，三个实施例中，获得的太阳能电池的性能均匀性好，三批太阳能电池的转换效率平均值分别为13.77691％、13.5848％和13.97684％，而对比例的电池性能上下波动极大，并且其转换效率平均值仅为8.818956％，由于对比例电池的一致性太差，转换效率过低，不能进入商业化应用。
可见，采用本发明的技术方案，可以有效地利用较低纯度的单晶硅片制作太阳能电池，从而大大降低了太阳能电池的制造成本。

Claims (3)

1.一种制造太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待处理的单晶硅片在900～950℃氮气气氛下进行退火处理20～30分钟；
(2)将上述处理后的硅片在850～1050℃氯化氢气氛下进行氧化处理，使其表面生成厚度为10至30纳米的氧化层；
(3)再在850～900℃下通磷源扩散，使得表面方块电阻控制在40～50欧姆，结深0.2～1.0微米；
(4)最后在700～750℃氮气气氛下退火处理30～60分钟，完成单晶硅片的磷扩散处理。
2.根据权利要求1所述的制造太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(2)的氧化处理时间为20～30分钟。
3.根据权利要求1所述的制造太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(3)的磷扩散时间为25～60分钟。
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