CN101055904A - 蘸取式多晶硅太阳能电池p－n结的制作方法 - Google Patents

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Abstract

蘸取式多晶硅太阳能电池p－n结的制作方法，是在高纯氩气保护气氛中，夹持多晶硅衬底的一面，使多晶硅衬底的另一面先蘸取p型或者n型液态硅，然后对其进行冷却和后处理，在多晶硅衬底上形成一层p型或者n型硅层；再把多晶硅具有p型硅层或者n型硅层的一面蘸取n型或者p型液态硅，冷却处理后在原有p型硅层上形成一层n型硅层或者在原有n型硅层上形成一层p型硅层，冷却处理后的衬底片经退火处理，在p型和n型层界面即形成太阳能电池的p－n结。液态硅具有良好的流动性的特点，可以形成几十微米甚至几微米的薄层，利用本特性可以形成非常好的几何薄层以大大节省原材料，大幅缩短工艺流程，环保效益好，并可降低太阳能电池的生产制作成本。

Description

蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法。
背景技术
p-n结是多晶硅太阳能电池的核心，p-n结的制作质量将直接影响到太阳能电池的转换效率。由于太阳能电池是浅结结构，与其它半导体器件的差别较大。传统工艺制作硅太阳能电池的p-n结一般采用扩散技术，即将掺杂源涂在衬底表面，经过高温扩散形成，或者通过携带有掺杂源的气体经过化学气相沉积形成p-n结。以上传统工艺存在以下诸多问题：工艺设备要求复杂，工艺环节多，工艺耗时较长，制作过程中会产生对环境污染和对人体的伤害；在形成p-n时，不但硅片正面形成p-n结，同时硅片的背面也形成p-n结，硅片周围有扩散层，使耗费材料成本高；为去除背面p-n结和扩散层，使太阳能电池工艺复杂化，制作的p-n结不易精确控制且其均匀性常不理想，扩散结表面电阻不均匀等；扩散工艺稳定性和重复性不高，生产效率较低。
发明内容
本发明目的在于提供一种工艺简单、材料消耗少、生产效率高的蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，在高纯氩气保护气氛中，夹持多晶硅衬底的一面，使多晶硅衬底的另一面先蘸取n型液态硅或p型液态硅，然后对其进行冷却和后处理，在多晶硅衬底上形成一层n型硅层或p型硅层；再把多晶硅具有n型硅层或p型硅层的一面蘸取p型液态硅或n型液态硅，冷却处理后在原有n型硅层上形成一层p型硅层或者在原有p型硅层上形成一层n型硅层，冷却处理后的带n型硅层和p型硅层的衬底经退火处理，在p型和n型硅层界面形成太阳能电池的p-n结。
先蘸取n型液态硅，后蘸取p型液态硅，形成n型硅层厚度为50-200μm，p型硅层厚度为5-40μm。
n型液态硅的温度保持在1450-1500℃范围内，p型液态硅的温度保持在1500-1550℃范围内。
多晶硅衬底在蘸取n型液态硅之前，先预热到950-1050℃；在已形成n型硅层的衬底蘸取p型液态硅之前，先预热至1050-1150℃。
蘸取n型液态硅过程中，多晶硅衬底进入液面的深度为0.4-0.8mm，蘸取时间为0.3-0.6秒；蘸取p型液态硅过程中，多晶硅衬底的n型层进入p型液态硅的深度为20-100μm，蘸取时间为0.1-0.3秒。
蘸取n型液态硅后的多晶硅衬底先以12-16℃/s冷却速度冷至1300℃，在多晶硅衬底上形成n型多晶硅层，再以5℃/s冷却速度冷至800℃；蘸取p型液态硅后的多晶硅衬底先以15-20℃/s冷却速度冷至1300℃，在多晶硅衬底上形成p型多晶硅层，再以8℃/s冷却速度冷至800℃。
衬底蘸取n型和p型液态硅并经冷却形成p型和n型硅层后，在退火炉中氩气保护下于1200-1350℃进行退火处理。
蘸取n型液态硅并经冷却形成n型硅层后，在退火炉中氩气保护下于1200-1350℃进行退火处理。
蘸取顺序为先蘸取p型液态硅，后蘸取n型液态硅，p型液态硅的温度保持在1450-1500℃范围内，n型液态硅的温度保持在1500-1550℃范围内；多晶硅衬底在蘸取p型液态硅之前预热到950-1050℃；在已形成p型硅层的衬底蘸取n型液态硅之前预热至1050-1150℃。
蘸取p型液态硅过程中，多晶硅衬底进入液面的深度为0.4-0.8mm，蘸取时间为0.3-0.6秒，形成p型硅层厚度为50-200μm；蘸取n型液态硅过程中，多晶硅衬底的p型层进入n型液态硅的深度为20-140μm，蘸取时间为0.1-0.3秒，形成n型硅层厚度为5-40μm。
在完成蘸取液态硅后形成的p型层固态硅和n型层固态硅经退火，使获得的p型硅层和前一道工序获得的n型硅层形成良好的p-n结。通过此方法获得的p-n结厚度一致、电阻均匀，p型硅层表面形成良好的绒面结构。若在第一次蘸取液态硅并冷却形成n型或p型层固态硅步骤后增加退火处理步骤，则效果更好。
本发明蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结制作方法，所用设备为本领域普通技术人员熟知的耐高温控温锅、可控制升降速度的机械夹持器和流动式高纯氩气的冷却系统等。耐高温控温锅加热p型硅和n型硅，并使熔化后的液态硅保持在一定的温度范围之内；机械夹持器用来固定多晶硅衬底，即把衬底的一面固定在机械夹持器上，另一面用来蘸取n型和p型液态硅，蘸取p型或n型液态硅的速度和方式通过对夹持器的自动控制来完成；当蘸取p型液态硅或n型液态硅后，需要进行冷却，本发明采用流动式高纯氩气的冷却系统进行冷却，使之在衬底上形成一层固态硅层。
本发明蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结制作方法，可以先蘸取n型液态硅、再蘸取p型液态硅，也可以先蘸取p型液态硅、再蘸取n型液态硅，只是工艺参数将发生相对应的变化，均可以得到多晶硅太阳能电池的p-n结。
附图说明
图1为多晶硅衬底固定在机械夹持器上蘸取n型液态硅的示意图；
图2为已形成n型层的多晶硅衬底蘸取p型液态硅的示意图；
图3为蘸取p型液态硅后在衬底片上形成p-n结示意图；
图4为测量p-n结电流电压的特性曲线。
其中1-机械夹持器，2-旋转装置，3-多晶硅衬底，4、7-保温层，5-n型液态硅，6-n型液态硅控温锅，8-氩气充气孔，9-出气孔，10-n型多晶硅层，11-p型液态硅，12-p型液态硅控温锅，13-p型多晶硅层。
具体实施方式
蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，先蘸取n型液态硅，后蘸取p型液态硅，包括以下步骤：
1、由于制作p-n结的整个系统是封闭式，用真空泵对整个系统进行抽真空，然后充入高纯度氩气；再进行抽真空、充高纯度氩气，如此反复多次清洗系统，并使整个系统保持在高纯氩气气氛中。
2、在不同的控温锅内分别熔化p型多晶硅、n型多晶硅；把多晶硅衬底的一面固定在机械夹持器上，另一面用来蘸取液态硅；同时对多晶硅衬底进行预加热处理，加热到蘸取n型液态硅所需要的温度；
3、根据工艺过程中设置好的蘸取n型液态硅的速度和蘸取方式，使多晶硅衬底的一面接触n型液态硅，完成蘸取n型液态硅；
4、对蘸取n型液态硅的多晶硅衬底进行冷却处理，使多晶硅衬底上形成一层n型固态多晶硅；
5、对已形成n型固态硅层的多晶硅衬底进行预加热，加热到蘸取p型液态硅所需要的温度；
6、根据工艺过程中设置好的蘸取p型液态硅的速度和蘸取方式，使已形成n型硅层的一面接触p型液态硅，完成蘸取p型液态硅；
7、对蘸取p型液态硅后的硅片进行冷却和退火等处理，形成符合太阳能电池需要的p-n结。
上述实施步骤中，首先将整个系统经过出气孔9抽真空、氩气充气孔8充高纯氩气的多次清洗，并使整个系统保持在高纯氩气气氛中。然后将清洗后的控温锅6、12分别加入n型多晶硅、p型多晶硅，并加热熔化成n型液态硅、p型液态硅，同时通过保温层4、7进行保温，使n型液态硅和p型液态硅的温度分别控制在1450-1500℃和1500-1550℃范围内。
上述实施步骤中，参阅图1所示，将清洗处理后的多晶硅衬底3的一面固定在机械夹持器1上并预热使其温度达到1000℃，通过自动传动装置将机械夹持器移动至n型液态硅液面5以上；自动控制装置和液面探测器相连，液面探测器将探测n型液态硅面的高度，把探测的数据信号传送给自动控制仪，自动控制仪控制传动部件，确定多晶硅衬底进入液面的深度。机械夹持器使多晶硅衬底的另一面进入n型液态硅，均匀蘸取一层n型液态硅，本实施例中液态硅的温度为1500℃，进入液面的深度控制在0.3mm，蘸取时间为0.3秒(蘸取时间是指多晶硅衬底和n型液态硅的接触时间)。
为保证在多晶硅衬底上形成的n型层不被钝化，将蘸取n型液态硅的多晶硅衬底迅速移到流动式高纯氩气冷却系统中进行冷却。此冷却系统根据氩气的不同流速分为快速冷却和慢速冷却两个部分，首先将蘸取n型液态硅的多晶硅衬底放入快速冷却系统，冷却速度为：12-16℃/s，使温度降到1300℃，在多晶硅衬底上形成n型多晶硅层；再将其移至慢速冷却系统，冷却速度为：5℃/s，冷却至800℃。经冷却处理后形成厚度为50μm的n型固态多晶硅层。
若将清洗处理后的多晶硅衬底预热使其温度达到1000℃，n型液态硅温度控制在1470℃，多晶硅衬底快速蘸取n型液态硅，进入液面的深度控制在0.6mm，蘸取时间为0.4秒，然后放入快速冷却系统，冷却速度同样为：12-16℃/s，使温度降到1300℃，在多晶硅衬底上形成n型固态多晶硅层；再将其移至慢速冷却系统，冷却速度同样为：5℃/s，冷却至800℃。经冷却处理后形成厚度为135μm的n型固态多晶硅层。
上述实施步骤中，参阅图2所示，将前道已形成n型硅层10的多晶硅衬底片进行预热，使其温度达到1150℃，p型液态硅的温度控制在1550℃，通过自动传动装置将机械夹持器移动至p型液态硅11液面以上。通过液面探测器探测p型液态硅面的高度，把所得数据信号传递给自动控制装置，通过控制机械夹持器使多晶硅衬底的n型层进入p型液态硅的深度约为20μm，均匀蘸取一层p型液态硅，此蘸取时间为0.1秒(蘸取时间是指多晶硅衬底上的n型层和p液态硅的接触时间)。蘸取p型液态硅后，自动控制系统启动旋转装置2，将蘸取p型液态硅的多晶硅衬底以一定的速度匀速旋转，使n型层表面形成一薄层液态硅；同时，将其迅速移入流动式高纯氩气冷却系统，此冷却系统和n型冷却系统一样，根据氩气的流速的不同分为快速冷却和慢速冷却两个部分，首先将蘸取p型液态硅的多晶硅衬底放入快速冷却系统，冷却速度为：15-20℃/s，使温度降为1300℃，在多晶硅衬底上形成p型固态多晶硅层；再将其移至慢速冷却系统，冷却速度为：8℃/s左右，冷却至800℃。经冷却处理后形成厚度为5μm的p型固态多晶硅层。
上述实施步骤中，若将前道工序已形成n型硅层的多晶硅衬底预热使其温度达到1080℃，加热使p型液态硅温度达到1520℃，然后多晶硅衬底快速蘸取p型液态硅，探测器控制进入液态硅液面的深度在60μm，蘸取时间为0.2秒，最后放入快速冷却系统，冷却速度同样为：15-20℃/s，使温度降到1300℃，在多晶硅衬底上形成n型多晶硅层；再将其移至慢速冷却系统，冷却速度同样为：8℃/s，冷却至800℃。经冷却处理后形成厚度为22μm的p型固态多晶硅层。
最后，参阅图3所示，将形成n型层10和p型层13的多晶硅片置于氩气保护下、温度为1200-1350℃的退火炉中进行退火，退火后将在n型层10和p型层13界面形成p-n结。p型层的表面呈绒面结构。
用银浆在p型层厚度为18μm和n型层厚度为117μm形成的p-n结两端制作电极，在两个电极之间外加电压，p型一端接“正”，n型一端接“负”，随着电压的增大，通过电流逐渐上升，当电压上升至0.6-0.7V时，电流迅速上升；当p型一端接“负”，n型一端接“正”时，在一定电压的范围内，随着电压的增大，电流变化微小，并且通过的电流值很小，参阅图4所示。从测量结果可以看出，由蘸取式制作的多晶硅太阳能电池p-n结具有良好的伏安特性。
本发明过程中工艺时间短，可以大幅度提高生产率，同时工艺稳定，重复性好，对大规模生产具有重要的意义；多晶硅衬底蘸取的是液态硅，蘸取p、n型液态硅后进行凝固，p、n型材料直接凝固在多晶硅衬底上，无p、n型材料浪费的现象，可以节省p、n型材料；多晶硅衬底的一面固定在机械夹持器上，不和p、n型液态硅接触，保证了衬底硅片不蘸取液态硅的一面不被污染，减少了制作太阳能电池的工艺；同时在蘸取液态硅时，液态硅在高浓度氩气气氛中，对外界环境形成屏蔽作用，因此可以最大程度的利用p、n型液态硅材料，控制有害物质的释放，减少其对环境的污染。
本发明和传统工艺相比，不但节约能源，工艺稳定，而且使产品的重复性、一致性好，成品率高。同时提高了太阳能电池p-n结表面的电阻均匀度和光电转化效率，对大规模生产有重要意义。

Claims (10)

1、蘸取式多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，在高纯氩气保护气氛中，夹持多晶硅衬底的一面，使多晶硅衬底的另一面先蘸取n型液态硅或p型液态硅，然后对其进行冷却和后处理，在多晶硅衬底上形成一层n型硅层或p型硅层；再把多晶硅具有n型硅层或p型硅层的一面蘸取p型液态硅或n型液态硅，冷却处理后在原有n型硅层上形成一层p型硅层或者在原有p型硅层上形成一层n型硅层，冷却处理后的带n型硅层和p型硅层的衬底经退火处理，在p型和n型硅层界面形成太阳能电池的p-n结。
2、根据权利要求1所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，先蘸取n型液态硅，后蘸取p型液态硅，形成n型硅层厚度为50-200μm，p型硅层厚度为5-40μm。
3、根据权利要求2所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，n型液态硅的温度保持在1450-1500℃范围内，p型液态硅的温度保持在1500-1550℃范围内。
4、根据权利要求3所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，多晶硅衬底在蘸取n型液态硅之前，先预热到950-1050℃；在已形成n型硅层的衬底蘸取p型液态硅之前，先预热至1050-1150℃。
5、根据权利要求4所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，蘸取n型液态硅过程中，多晶硅衬底进入液面的深度为0.4-0.8mm，蘸取时间为0.3-0.6秒；蘸取p型液态硅过程中，多晶硅衬底的n型层进入p型液态硅的深度为20-100μm，蘸取时间为0.1-0.3秒。
6、根据权利要求5所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，蘸取n型液态硅后的多晶硅衬底先以12-16℃/s冷却速度冷至1300℃，在多晶硅衬底上形成n型多晶硅层，再以5℃/s冷却速度冷至800℃；蘸取p型液态硅后的多晶硅衬底先以15-20℃/s冷却速度冷至1300℃，在多晶硅衬底上形成p型多晶硅层，再以8℃/s冷却速度冷至800℃。
7、根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，衬底蘸取n型和p型液态硅并经冷却形成p型和n型硅层后，在退火炉中氩气保护下于1200-1350℃进行退火处理。
8、根据权利要求7所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，蘸取n型液态硅并经冷却形成n型硅层后，在退火炉中氩气保护下于1200-1350℃进行退火处理。
9、根据权利要求1所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，蘸取顺序为先蘸取p型液态硅，后蘸取n型液态硅，p型液态硅的温度保持在1450-1500℃范围内，n型液态硅的温度保持在1500-1550℃范围内；多晶硅衬底在蘸取p型液态硅之前预热到950-1050℃；在已形成p型硅层的衬底蘸取n型液态硅之前预热至1050-1150℃。
10、根据权利要求9所述的多晶硅太阳能电池p-n结的制作方法，其特征在于，蘸取p型液态硅过程中，多晶硅衬底进入液面的深度为0.4-0.8mm，蘸取时间为0.3-0.6秒，形成p型硅层厚度为50-200μm；蘸取n型液态硅过程中，多晶硅衬底的p型层进入n型液态硅的深度为20-140μm，蘸取时间为0.1-0.3秒，形成n型硅层厚度为5-40μm。
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