CN101404309A - 一种硅太阳电池发射极的扩散工艺 - Google Patents

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Abstract

一种硅太阳电池发射极的扩散工艺，其步骤包括：(1)进行低温预扩散：将硅片放入扩散炉中，通入保护氮气，携带POCl3源的氮气，氧气，扩散温度在800－840℃，时间为10－50分钟；(2)在较高温度下推进扩散：切断携带磷源的氮气，氧气，将扩散温度升至820－860℃之间，在升温及稳定温度的过程中进行磷原子的推进扩散10－40分钟；(3)扩散炉降温，并将硅片取出。本发明得到了表面中等掺杂浓度，较厚的发射极掺杂曲线，从而降低了发射极中高表面掺杂浓度所带来的复合效应，提高太阳电池的短路电流。本发明可得到较大范围内的方块电阻分布，并且能够获得满足与金属电极接触的方块电阻值。

Description

一种硅太阳电池发射极的扩散工艺
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晶体硅太阳电池的发射极扩散工艺。
背景技术
扩散是半导体制造过程中非常有用的步骤，是一种原子或者分子在高温下由高浓度区向低浓度区的移动过程，目的是控制杂质浓度、均匀性和重复性。通常杂质在半导体内高温扩散有两种方式：即恒定表面浓度和恒定总掺杂浓度。在第一种情况下，杂质通常为气相源，原子自源蒸气输送到硅表面，并扩散到硅片内。在整个扩散期间，由于一直有气相源，因此源蒸气保持恒定表面浓度；另外一种掺入杂质的方法是先在硅片表面产生一层薄的杂质层，然后再进行扩散，总的掺杂浓度是恒定的，这一步称为再分布扩散或者会为推进扩散的目的就是将杂质驱入更深达到预期的结面深度。
晶体硅太阳电池中，发射极的制备方法一般采用杂质扩散的方法，其目的是形成与衬底导电类型相反的发射极，从而形成器件中的PN结。晶体硅太阳电池通常采用P型衬底，在高温下POCl3液态源经过一系列的化学反应形成掺磷的发射极。发射极中的掺杂原子浓度曲线反应了掺杂原子在发射极中的深度分布，而发射极的载流子曲线描述了发射极中的载流子的深度分布情况，也就是具有电活性的掺杂原子的深度分布。以下描述中提到的“发射极中的掺杂曲线”指的是载流子的深度分布曲线。发射极中的掺杂程度一般通过方块电阻的值来反应。
对于晶体硅电池前表面，磷扩散形成的发射极具有高的表面掺杂浓度，高的表面掺杂浓度使丝网印刷的金属银栅线具有低的接触电阻。但是与此相反，为了得到较好的蓝光响应，必须具有低掺杂的发射极，而这种低掺杂的发射极又与丝网印刷的银金属化不兼容。因此，在常规的太阳电池制造过程中，为了能够在这两个方面达到平衡，一般采用恒定表面浓度掺杂法，在840-870℃左右的恒定温度下一直通入液态磷源，在此高温过程中，  POCl3通过氮气携带(携带磷源的氮气)进入扩散炉中，同时通入氮气(这部分氮气为保护性氮气)和氧气。通入保护性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。晶体硅太阳电池常规的发射极中的掺杂原子的深度分布曲线为余误差函数，发射极的方块电阻值为40-50Ω/□，结深在0.3-0.5微米之间，表面浓度较高。在发射极表面的掺杂原子浓度可以高达1021/cm3左右。在这么高的表面掺杂原子中，其中具有电活性的原子浓度(载流子浓度)大约为1020/cm3。由于表面的掺杂浓度较高，光生载流子在发射极中发生以俄歇复合为主的复合过程，造成太阳电池的短波相应变差，从而引起了太阳电池中的短路电流损失，使器件的效率降低。为了提高太阳电池的效率，在最近几年已经提出了对发射极的几个理论优化。研究表明最好与金属栅线接触的发射极应该是表面掺杂浓度的大小为中等掺杂浓度(1018-1019cm3)、发射极的厚度在1-2微米之间(N.Stem，M.Cid，studies of phosphorus Gaussian profile emitter silicon solar cells，Material research，Vol.4，No.2，143-148，2001)。在不与金属栅线接触的其他区域可以做成更低表面掺杂浓度(高方块电阻)的透明发射极。
发明内容
针对常规工艺中的发射极复合严重的问题，本发明通过一种改进的发射极扩散方法，优化了表面掺杂浓度以及结深，减低了发射极区的俄歇复合。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种应用于晶体硅太阳电池中的制备发射极的扩散工艺，其扩散步骤主要分为两步，具体包括：
(1)在780-820℃将硅片放入扩散炉中，通入保护氮气。
(2)扩散炉升温到800-840℃，通入氧气，  时间为5-10分钟。
(3)进行预扩散：在800-840℃的扩散温度下，通入携带POCl3源的氮气，时间为10-40分钟。
(4)进行推进扩散：切断氮气和氧气，将扩散温度升至820-860℃之间，然后稳定一定时间，升温加上稳定的时间为总的推进扩散时间，为10-40分钟。
(5)扩散过程结束，扩散炉降温，将硅片取出。
本发明采用的POCl3源为常用的POCl3液态扩散源。
本发明通过调节低温预扩散的温度和时间、调节高温推进扩散的温度和时间，控制发射极的表面掺杂浓度以及发射极的厚度，调节发射极的掺杂浓度以及发射极与金属栅线之间的接触电阻。
本发明由于采用了以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用了两步法的方法，能够得到表面掺杂浓度较低，发射极厚度可控的掺杂曲线，从而降低了发射极中表面高掺杂浓度引起的俄歇复合。2、采用本发明方法时，通过控制两步扩散过程中的扩散温度和时间，能够得到较大范围之内的方块电阻值，适应于与金属电极接触的发射极的要求，也适应于制备表面浓度低、发射极厚的透明发射极。3、本发明的所有扩散步骤都是在同一位置完成，工艺简单。
附图说明
图1是本发明的掺杂曲线与常规的掺杂曲线对比图；
图2是本发明的磷原子掺杂浓度曲线与常规的磷原子掺杂浓度曲线对比图；
图3是本发明中具有不同方块电阻值的发射极的掺杂曲线对比图。
具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明进行进一步描述。
本发明的目的在于通过本发明一种改进的扩散方法，使发射极的表面掺杂浓度和发射极的深度变得更为合理。减少发射极中的表面高掺杂区域从而减低发射极中的复合，提高了晶体硅太阳电池的性能。由于降低了发射极中的复合，因此电池的短路电流提高0.5％。
本发明将通常的一步恒定温度的扩散过程分为两步进行，第一步在较低的温度下进行一定时间的预扩散；第二步在温度较高，不再有扩散磷源通入的情况下使发射极中的掺杂原子浓度的深度分布发生变化，形成表面浓度较低但是杂质浓度分布较深的掺杂曲线。该方法具体包括以下步骤：
(1)在780-820℃下将硅片放入扩散炉中，通入保护性氮气。
(2)扩散炉升温到扩散温度800-840℃，通入氧气，  时间为5-10分钟。
(3)进行预扩散：在800-840℃的扩散温度下，通入携带POCl3(三氯氧磷)源的氮气，时间10-40分钟。
(4)进行推进扩散：将扩散温度升至820-860℃之间然后稳定，在升温的过程中切断携带POCl3源的氮气，氧气，升温加上稳定的时间为总的推进扩散时间，为10-40分钟。
(5)扩散过程结束，扩散炉降温，将硅片取出。
如图1所示，相比于常规工艺，本发明的表面掺杂浓度低，小于5×1019/cm3，发射极小于1微米。表面掺杂浓度随着深度缓慢降低，直至基体的载流子浓度。与常规工艺相比，发射极的方块电阻并没有发生较大的变化，较厚的发射极有利于防止在晶体硅太阳电池后期金属电极制备过程中的漏电问题。
如图2所示，相比于常规工艺，本发明的掺杂原子浓度的深度分布曲线整体低于常规工艺。与常规工艺相比，在相同的方块电阻情况下，发射极中的掺杂原子的浓度低于常规的发射极中的掺杂原子浓度。
如图3所示，本发明通过控制预扩散以及再分布的温度、时间，使发射极中的表面掺杂浓度和发射极的厚度得到变化，从而能够得到不同方块电阻的发射极。
下面通过实施案例来进行详细说明。
实施例1
使用P型的单晶硅或者多晶硅片，经过常规的表面织构、清洗、干燥等工艺，然后进行扩散。扩散步骤如下：
(1)温度为820℃，通入18升/分钟的保护性氮气，将放置硅片的石英舟缓慢推入扩散炉中。
(2)待石英舟推入合适位置之后，温度从820℃升高到840℃，通入4升/分钟的氧气，时间为5分钟。
(3)在840℃的温度下，进行预扩散：通入1.8升/分钟携带POCl3源的氮气，氧气流量变为3升/分钟，时间为45分钟。
(4)进行推进扩散：停止携带POCl3源的氮气以及氧气的通入，温度从840℃升到860℃，时间为8分钟，在860℃下稳定10分钟。总的推进扩散时间为18分钟。
(5)扩散结束之后，降温到初始炉温820℃，然后将石英舟推出。
扩散完毕后形成如下掺杂曲线：表面浓度约等于5×1019/cm3，然后缓慢降低下降到基体的掺杂浓度，约等于1×1015/cm3，发射极中的掺杂曲线为高斯函数分布。形成的发射极的厚度为0.7微米，方块电阻为40Ω/□。
扩散后的硅片经去除硅表面的磷硅玻璃、去边隔离、沉积减反射薄膜、丝网印刷电极、烧结等工艺制备成晶体硅太阳电池。
实施例2
使用P型的单晶硅或者多晶硅片，经过常规的表面织构、清洗、干燥等工艺，然后进行扩散。
(1)温度为800℃，通入18升/分钟的保护性氮气，将放置硅片的石英舟缓慢推入扩散炉中。
(2)在800℃，通入4升/分钟的氧气，时间为5分钟。
(3)在800℃的温度下，进行预扩散过程：通入1.8升/分钟携带POCl3源的氮气，氧气流量变为3.0升/分钟，时间为10分钟。
(4)进行推进扩散：停止携带POCl3源的氮气以及氧气的通入，温度从800℃升到830℃，时间为5分钟，在830℃下稳定35分钟。总的推进扩散时间为40分钟。
(5)扩散结束之后，降温到初始炉温800℃，然后将石英舟推出。
扩散完毕后形成如下掺杂曲线：表面浓度约等于2×1019/cm3，然后缓慢降低下降到基体的掺杂浓度，约等于1×1015/cm3，发射极中的掺杂曲线为高斯函数分布。形成的发射极的厚度为0.7微米，方块电阻为120Ω/□。
扩散得到的发射极的表面掺杂浓度低，结深，适合于用作不与金属接触的透明发射极。结合掩膜方法，刻槽工艺或者光刻工艺，形成选择性发射极的结构，最后进行沉积减反射薄膜、制备电极等工艺制备成太阳电池。
实施例3
使用P型的单晶硅或者多晶硅片，经过常规的表面织构、清洗、干燥等工艺，然后进行扩散。
(1)温度为800℃，通入18升/分钟的保护性氮气，将放置硅片的石英舟缓慢推入扩散炉中。
(2)在800℃，通入4升/分钟的氧气，时间为5分钟。
(3)在800℃的温度下，进行预扩散过程：通入0.8升/分钟携带POCl3源的氮气，氧气流量变为1.2升/分钟，时间为10分钟。
(4)进行推进扩散：停止携带POCl3源的氮气以及氧气的通入，温度从800℃升到830℃，时间为5分钟，在830℃下稳定15分钟。总的推进扩散时间为20分钟。
(5)扩散结束之后，降温到初始炉温800℃，然后将石英舟推出。
扩散完毕后形成如下掺杂曲线：表面浓度约等于2×1018/cm3，然后缓慢降低下降到基体的掺杂浓度，约等于1×1015/cm3，发射极中的掺杂曲线为高斯函数分布。形成的发射极的厚度为1.5微米，方块电阻为190Ω/□。
扩散得到的发射极的表面掺杂浓度低，结深，适合于用作不与金属接触的透明发射极。结合掩膜方法，刻槽工艺或者光刻工艺，形成选择性发射极的结构，最后进行沉积减反射薄膜、制备电极等工艺制备成太阳电池。

Claims (2)

1、一种硅太阳电池发射极的扩散工艺，其特征在于该扩散工艺采用低温预扩散、高温推进扩散两步骤，调节预扩散、推进扩散的温度和时间，控制发射极的表面掺杂浓度以及发射极的结深，调节发射极的掺杂浓度以及发射极与金属栅线之间的接触电阻。
2、如权利要求1所述的硅太阳电池发射极的扩散工艺，其特征在于：扩散工艺步骤为：
(1)使用常规工艺对硅片进行表面织构，清洗和干燥；
(2)在780-820℃下将步骤(1)所得之的硅片放入扩散炉中，通入保护氮气；
(3)扩散炉升温到800-840℃，通入氧气，时间为5-10分钟；
(4)在800-840℃的扩散温度下，通入携带POCl3的氮气，时间为10-40分钟，进行预扩散；
(5)切断氮气，氧气，将扩散温度升至820-860℃之间，然后稳定一定时间，升温加上稳定的时间为总的推进扩散时间，为10-40分钟；
(6)扩散过程结束，扩散炉降温，将硅片取出，完成制备。
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