CN101414647A - 一种高效太阳能电池局域深浅结扩散方法 - Google Patents

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向小龙
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Abstract

本发明是一种晶体硅太阳电池片制造工艺，特别是一局域扩散新工艺，扩散后形成电极下具有较高的表面掺杂浓度，电极间具有相对较低的表面掺杂浓度的一种高效太阳能电池片的制造工艺，属于太阳能应用领域。本发明采用印刷电极的方法在硅片上的电极位置印刷磷浆料，放入高温炉中单次扩散形成电极下高掺杂深扩散，其他区域形成低掺杂浅扩散区，由于只有一次高温过程，工艺简单，生产效率高，能耗低，适于工业化大规模生产。

Description

一种高效太阳能电池局域深浅结扩散方法
技术领域：
本发明是一种晶体硅太阳电池片制造工艺，特别是一局域扩散新工艺，扩散后形成电极下具有较高的表面掺杂浓度，电极间具有相对较低的表面掺杂浓度的一种高效太阳能电池片的制造工艺，属于太阳能应用领域。
背景技术：
国内外的高效太阳电池局域扩散方法，如激光刻槽埋栅工艺，激光刻槽后用丝网印刷或涂布办法涂磷浆，刻槽内得到磷浆的量度高于槽外磷浆，扩散后刻槽附近就可以形成高掺杂深扩散区，在其他区域形成低掺杂浅扩散区，这样制成的局域扩散电池片效率可超过20％，但这种工艺过程复杂，设备昂贵，成本高，不符合制造太阳电池片高效和低成本的双重要求，无法在工业化生产中应用。
为解决上叙两方面的矛盾，本发明介绍一种制造太阳电池的采用印刷电极的方法在硅片上的电极位置印刷磷浆料，放入高温炉中单次扩散形成电极下高掺杂深扩散，其他区域形成低掺杂浅扩散区，由于只有一次高温过程，工艺简单，生产效率高，能耗低，适于工业化大规模生产。
专利内容
降低发射结的扩散浓度能提高电池在短波段的光谱响应、提高电池片效率，但是，由于接触电阻可能增大，从而导致电池转换效率一致性的下降，为此，局域扩散，即电池电极下的扩散浓度较高，电池片的其它区域扩散浓度较低，这样，与一般太阳电池不同之处在于：在电池交接面产生横向结N+-P和N+-N高低浓度结，电池的正面电极设计在重掺杂N+上方，这样的设计，能得到较好欧姆接触电阻，减小硅和金属的接触电阻，减小杂质进入空间电荷区的可能，而光照区是相对较的磷掺杂，这会使表面钝化效果更好，有效的解决了重掺杂产生死层，轻掺杂欧姆接触电阻大这两者间的矛盾。这种发射极结构有利于减小发射区少数载流子复合电流、提高短波响应、减小欧姆接触和提高太阳电池的开路电压，最终使使得太阳电池片的性能提高。
本发明通过以下技术方案实现：
选取直拉(CZ)法制成的太阳能级P型单晶硅，0.5-3Ω.cm，P型(100)晶向，整个硅片的制作过程由八步完成：去损伤及表面绒面化、丝网印刷磷浆并预烘干、扩散制结、等离子刻蚀去边、PSG去除、PECVD沉积Si3N4膜、丝网印刷正背面电极浆料和背场浆料、共烧形成欧姆接触。在硅片的扩散工艺过程，先预沉积一层薄的SiO2层，再通小氮携POCl3液态源扩散，在电池片的不同区域形成不同扩散浓度，得到电池片不同区域的深浅结。
以下对本实用新型的各工艺过程详细叙述如下：
1.损伤及表面绒面化
在国内外的研究和生产中单晶硅制绒工艺大部分采用碱和异丙醇的混合溶液，本工艺和传统工艺的不同在于，使用价格相对较低的乙醇代替异丙醇，与氢氧化钠的水溶液混合而成制绒液，降低了成本。采用0.5-3Ω.cm，P型(100)晶向，氢氧化钠的浓度：10g/L，乙醇的浓度5％-10％，在85℃下反应25分钟，就可以在单晶硅表面形成成核密度高、大小均匀的绒面。滴定技术的使用实现对溶液浓度较精确的控制上叙范围内，保证去损伤和制绒后的硅片减薄在20um-25um，兼顾了生产效率、反射率和后续加工过程等多方面的问题。
2.磷浆料印刷到硅片上的重掺杂区。
网板各栅线的宽度比正面电极宽度小20％，通过调节刮刀速度、高度，控制磷浆的堆积厚度，高度方向约10μm，浆料为掺磷的SiO2乳胶，作为掺杂的杂质源，浆料中磷的主要来源为P2O5。印刷后预烘干温度为：220℃、240℃、260℃。3.扩散制结：将上叙电极处印刷了磷浆的硅片放入石英舟，采用7N的POCl3液态源由N2携带方式进入扩散炉，扩散炉采用闭管扩散炉，炉膛有效内径φ300mm，适用于4″-8″硅片工艺，温控部分选用带有自整定PID调节系统、0.1级精度以及具有多项保护功能的进口高档温控仪，因而控温精度高，温度稳定性好，升、降温响应速度快，同时与计算机通讯实现升降温速率自动控制。工艺参数：扩散温度840℃-890℃，进炉：5-8min，大氮18L/min；回温：10-20min，大氮18L/min；预氧化：1-2min，干氧0.8-1.8L/min；扩散：30-40min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min，小氮0.5-1.5L/min；推进：8-10min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min；出炉：5-8min，大氮18L/min。
扩散后，电极下PN结的发射极重掺杂，浓度在1×1020cm-3以上，且结在衬底内部较深处，其他区域P-N结的发射结部分被轻掺杂，浓度在1×1019cm-3以下，且结在衬底内部较浅处。
4.离子刻蚀去边
以四氟化碳和氧气为工作气体，采用自主开发的M42200-1/UM适用于4-8″硅片工艺的等离子体刻蚀机。四氟化碳和氧气的体积比1：10，500W的高频功率，10分钟去除硅片周边的PN结。
5.PSG去除
二次清洗目的是去除扩散过程中所产生的磷硅玻璃，为后续的PECVD沉积氮化硅膜、丝网印刷、烧结做好准备。
6.PECVD沉积Si3N4膜过程：将清洁后的硅片插入石墨舟后，放入PECVD真空室内，抽真空，并开始升温至400℃，当反应室真空达到15Pa、温度达到400℃后，在反应室内通入流量3500ml/min NH3气体，使反应室真空保持在200Pa左右，将高频电源功率设置为1400w并开启，让硅片在反应室放电5分钟时间后关闭高频电源，切断NH3气体。钝化后，在反应室内通入流量245ml/min的Si H4气体和2800ml/min的NH3气体，并使反应室真空保持在265pa左右1~2分钟时间，目的是让气体在反应室内各处保持一致，然后将高频电源设置为1500w并开启，让硅片在反应室放电2分钟后，停止高频放电，切断气体通入，将反应室内残余气体抽干净，再充入氮气后抽空，反复3次后，便可将硅片从反应室取出，沉积步骤完成。
7丝网印刷
取决于硅片的电阻率，设计主栅线、细栅线尺寸和栅线间距使正面电极的理论覆盖面积4％-6％(实际的印刷覆盖面积为6％-8％)，减小了遮挡面积，提高了短路电流。
正面电极采用含银浆、背电极采用银铝浆。
背场采用混合铝浆，降低了成本。烧成厚度约25μm，通过精确控制丝网印刷的厚度，使薄片时的翘曲度指标在对角线1％以内。
8共烧形成欧姆接触
印刷过银浆、银铝浆、铝浆的硅片，通过烘干有机溶剂完全挥发，膜层收缩成为固状物紧密粘附在硅片上，这时，可视为金属电极材料层和硅片接触在一起。共烧工艺是采用银—硅、铝—硅的共晶温度，同时在几秒钟内单晶硅原子溶入到金属电极材料里，之后又几乎同时冷却形成再结晶层，这个再结晶层是较完美单晶硅的晶格点阵结构。只经过一次烧结钝化表面层的氢原子，逸失是有限的，共烧保障了氢原子大量存在，所烧结出来的电池片填充因子较高。
烧结温度：
1区：300℃，2区：300℃，3区：300℃，4区：450℃，5区：460℃，6区：480℃，7区：620℃，8区：800℃，9区：910℃。
具体实施例：
125X125硅片，采用上叙工艺过程1进行去损伤和绒面化过程，单晶硅：0.5-3Ω.cm，P型(100)晶向，氢氧化钠的浓度：10g/L，乙醇的浓度5％-10％，在85℃下反应25分钟，得到单晶硅表面形成成核密度高、大小均匀的绒面。多晶硅放入硝酸、氢氟酸的水溶液中，0-15℃反应10分钟，去损伤过程在绒面制作的过程中同时完成。
采用上叙扩散工艺，扩散温度840℃-890℃，进炉：5-8min，大氮18L/min；回温：10-20min，大氮18L/min；预氧化：1-2min，干氧0.8-1.8L/min；扩散：30-40min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min，小氮0.5-1.5L/min；推进：8-10min，大氮18L/min，干氧0.5-1.5L/min；出炉：5-8min，大氮18L/min。
等离子刻蚀按上叙工艺：500w，压力100pa，时间10min
二次清洗按上叙工艺，氢氟酸清洗2min，红外干燥
PECVD按上叙工艺，膜厚65-80nm，颜色为深蓝色
背面电极印刷银铝浆并烘干，背场印刷铝浆并烘干，正面印刷银浆
烧结温度：1区：300℃，2区：300℃，3区：300℃，4区：450℃，5区：460℃，6区：520℃，7区：680℃，8区：820℃，9区：900℃。带速：5.1m/min.
效率测试：单晶硅太阳电池片的效率达16.5％，多晶硅太阳电池的效率达15.0％

Claims (3)

1.一种高效太阳电池局域深浅结扩散方法，其特征在于：扩散后形成电极下具有较高的表面掺杂浓度，电极间具有相对较低的表面掺杂浓度
2.如权利要求1所述的一种高效太阳电池局域深浅结扩散方法，其特征在于：丝网印刷方式将磷浆印刷到清洗干净的硅片的表面。
3.如权利要求1所述的一种高效太阳电池局域深浅结扩散方法，其特征在于：将上叙电极处印刷了磷浆的硅片放入石英舟，采用7N的POCl3液态源由N2携带方式进入闭管扩散炉，扩散后，在某些区域PN结的发射极重掺杂，且结在衬底内部较深处，其他区域P-N结的发射结被轻掺杂，且结在衬底内部较浅处。
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