CN101494251B - 一种制造精炼冶金多晶硅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精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下5个步骤：热处理、氧化处理、磷扩散、驱入处理和保温，从而完成精炼冶金多晶硅片的磷扩散处理。本发明的磷扩散方法可以降低太阳能电池的漏电流，提高电池的可靠性。

Description

一种制造精炼冶金多晶硅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，具体涉及一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法。
背景技术
太阳能电池是一种半导体器件，其能够将太阳光的光能转换成电能。由于其工作时无需水、油、气或燃料，只要有光就能发电，堪称当代清洁、无污染的可再生能源，备受人们的青睐。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，常规的硅电池片是在P型硅半导体衬底上制成的，这种P型晶片是在超纯硅材料(优于8N)中掺微量硼，使其长晶后电阻率控制在0.5～5欧姆厘米范围内。这样制作的晶片纯度高，其他杂质元素含量可以忽略不计。但是采用这种超纯硅材料制作硅电池片，材料价格非常昂贵，这是影响太阳能电池普及应用的一大问题。
精炼冶金硅是一种廉价的硅太阳能电池材料，但其纯度比太阳能级硅材料低2～3N，其磷硼杂质含量相对较高。精炼冶金硅包括单晶硅和多晶硅，现有技术中大都是采用单晶硅为原料制作电池片，这是因为单晶硅纯度相对较高的缘故。对于精炼冶金多晶硅，由于其中含有大量的金属杂质和晶体缺陷，现有技术中一般均是作为拉制单晶硅的原料。
另一方面，目前硅太阳能电池的主要制造工艺已经标准化，其主要步骤为：化学清洗及表面结构化处理(制绒)-扩散制结-周边刻蚀-沉积减反射膜-印刷电极-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，典型的扩散制结工艺分为2步：第一步，用氮气通过POCl3，将所需的杂质用载流气体输送至高温半导体表面，杂质扩散深度约几百个纳米；第二步是驱入处理(drive in)，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，有利于后续电极的制备。
然而，实际应用表明，采用上述传统工艺处理精炼冶金多晶硅时，一方面，得到的太阳能电池的光电转换效率较低；另一方面，得到的太阳能电池的漏电流较大，电池可靠性差。因此，开发一种专用于精炼冶金多晶硅的磷扩散方法，以降低漏电流，提高电池的可靠性，具有现实的积极意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，以降低太阳能电池的漏电流，提高电池的可靠性。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1)将待处理的精炼冶金多晶硅片在700～800℃氮气气氛中进行热处理20～40分钟；
(2)将上述处理后的硅片在850～1050℃氮气和氧气混合气氛中进行氧化处理，使其表面形成5～10纳米的氧化层；
(3)在850～900℃下通磷源进行扩散，使得表面方块电阻在30～40欧姆/口，结深0.4～0.9微米；
(4)再在800～900℃氮气和氧气混合气氛中进行驱入处理10～120分钟；
(5)最后在750～800℃氮气气氛中保温10～60分钟，完成精炼冶金多晶硅片的磷扩散处理。
上文中，所述精炼冶金多晶硅片的导电类型为P型。所述步骤(4)所述的驱入处理是现有技术，英文名为drive in，一般在相当高的温度下进行，一方面将杂质扩散到较深的区域，使杂质原子占据硅原子位置，产生所要的电性，另外也可将植入时产生的缺陷消除。
上述技术方案中，所述步骤(1)中的氮气流量为5～18L/min。
上述技术方案中，所述步骤(2)中的氮气流量为5～18L/min，氧气流量为0.05～10L/min。
上述技术方案中，所述步骤(2)的氧化处理时间为10～30分钟。
上述技术方案中，所述步骤(3)的磷扩散时间为15～60分钟。
上述技术方案中，所述步骤(4)中的氮气流量为5～18L/min，氧气流量为0.05～10L/min。
上述技术方案中，所述步骤(5)中的氮气流量为5～18L/min。
在精炼冶金级多晶硅材料中，存在有大量的过渡族金属杂质和高密度的晶体缺陷，这些金属杂质和晶体缺陷相互作用形成深能级复合中心。本发明的步骤(1)采用了低温热处理，大大消除了硅片内部的残余应力，降低了微裂纹的产生，从而减小了漏电流的产生；步骤(2)的氧化处理得到的氧化层厚度较小，有利于步骤(3)的磷扩散过程中磷原子在硅片的扩散，从而增加了耗尽层的宽度，减小了漏电流的产生；在扩散前添加氧化处理以及在扩散后的驱入处理降低了复合中心的密度同时大大增加了PN结耗尽层的宽度，降低了漏电流，提高了电池的可靠性。
由于上述技术方案的采用，与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明的磷扩散方法降低了复合中心的密度，同时大大增加了PN结耗尽层的宽度，降低了漏电流，提高了电池的可靠性。
2.本发明的磷扩散方法还可提高电池片的光电转换效率。
3.本发明的方法简单易行，具有良好的应用前景，适于大规模工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围：
实施例一：
一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1)将一组制绒清洗过后的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在800℃氮气气氛中进行热处理25分钟；氮气流量为9L/min；
(2)将上述处理后的硅片在900℃氮气和氧气混合气氛中进行氧化处理20分钟，使其表面形成5纳米的氧化层；氮气流量为8L/min，氧气流量为0.2L/min；
(3)在850℃下通磷源进行扩散25分钟，使得表面方块电阻在40欧姆/口，结深0.4微米；
(4)再在880℃氮气和氧气混合气氛中进行驱入处理40分钟；氮气流量为8L/min，氧气流量为0.1L/min；
(5)最后在800℃氮气气氛中保温20分钟，完成精炼冶金多晶硅片的磷扩散处理，氮气流量为8L/min。
后续工序按常规处理，得到一组电池片。即经过周边刻蚀-沉积减反射膜-印刷电极-烧结，得到一组太阳能电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，结果如表1所示。
对比例一：
将另一组相同的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在制绒清洗过后进行如下常规扩散处理：
(1)通氮气9L/min，氧气0.3L/min，850℃通磷扩散30分钟；
(2)850℃通氮气9L/min，氧气0.3L/min处理20min；
(3)通氮气9L/min，降温至800℃完成扩散过程。
后续工序和上述硅片一样，得到一组电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，结果如表1所示。
表1实施例一和对比例一的对比表
  方案   Voc(V)   Isc(A)   FF(％)   EFF(％)   Rs(Ω)   Rsh(Ω)   Irev(A)
  实施例一   0.625   7.392   77.478   14.72   0.0029   45.074   0.649
  对比例一   0.624   7.301   76.42   14.30   0.0030   33.388   1.318
从表1可以看出，相对于采用常规磷扩散工艺的对比例一，本实施例一得到的电池片的并联电阻Rsh大大提高，反向电流Irev明显减小，可见，本发明的磷扩散方法可以有效地降低精炼冶金级多晶硅太阳电池的漏电流，提高并联电阻，从而提高电池的可靠性。此外，本发明的磷扩散方法还可提高电池片的光电转换效率，从14.30％提高到14.72％。
实施例二：
一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1)将一组制绒清洗过后的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在750℃氮气气氛中进行热处理30分钟；氮气流量为6L/min；
(2)将上述处理后的硅片在920℃氮气和氧气混合气氛中进行氧化处理15分钟，使其表面形成5纳米的氧化层；氮气流量为6L/min，氧气流量为0.3L/min；
(3)在850℃下通磷源进行扩散30分钟，使得表面方块电阻在35欧姆/口，结深0.4微米；
(4)再在800℃氮气和氧气混合气氛中进行驱入处理90分钟；氮气流量为6L/min，氧气流量为0.2L/min；
(5)最后在750℃氮气气氛中保温20分钟，完成精炼冶金多晶硅片的磷扩散处理，氮气流量为6L/min。
后续工序按常规处理，得到一组电池片。即经过周边刻蚀-沉积减反射膜-印刷电极-烧结，得到一组太阳能电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，结果如表2所示。
对比例二：
将另一组相同的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在制绒清洗过后进行如下常规扩散处理：
(1)通氮气9L/min，氧气0.3L/min，850℃通磷扩散30分钟；
(2)850℃通氮气9L/min，氧气0.3L/min处理20min；
(3)通氮气9L/min，降温至800℃完成扩散过程。
后续工序和上述硅片一样，得到一组电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，结果如表2所示。
表2实施例二和对比例二的对比表
  方案   Voc(V)   Isc(A)   FF(％)   EFF(％)   Rs(Ω)   Rsh(Ω)   Irev(A)
  实施例一   0.625   7.354   77.979   14.730％   0.0030   39.419   0.607
  对比例一   0.623   7.283   77.074   14.37％   0.0030   30.795   1.15
从表2可以看出，相对于采用常规磷扩散工艺的对比例二，本实施例二得到的电池片的并联电阻Rsh大大提高，反向电流Irev明显减小，可见，本发明的磷扩散方法可以有效地降低精炼冶金级多晶硅太阳电池的漏电流，提高并联电阻，从而提高电池的可靠性。此外，本发明的磷扩散方法还可提高电池片的光电转换效率，从14.37％提高到14.730％。
实施例三：
一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1)将一组制绒清洗过后的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在700℃氮气气氛中进行热处理40分钟；氮气流量为12L/min；
(2)将上述处理后的硅片在1000℃氮气和氧气混合气氛中进行氧化处理15分钟，使其表面形成10纳米的氧化层；氮气流量为6L/min，氧气流量为0.05L/min；
(3)在900℃下通磷源进行扩散18分钟，使得表面方块电阻在32欧姆/口，结深0.6微米；
(4)再在800℃氮气和氧气混合气氛中进行驱入处理100分钟；氮气流量为9L/min，氧气流量为0.2L/min；
(5)最后在750℃氮气气氛中保温20分钟，完成精炼冶金多晶硅片的磷扩散处理，氮气流量为6L/min。
后续工序按常规处理，得到一组电池片。即经过周边刻蚀-沉积减反射膜-印刷电极-烧结，得到一组太阳能电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，平均结果如表3所示。
对比例三：
将另一组相同的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在制绒清洗过后进行如下常规扩散处理：
(1)通氮气9L/min，氧气0.3L/min，850℃通磷扩散30分钟；
(2)850℃通氮气9L/min，氧气0.3L/min处理20min；
(3)通氮气9L/min，降温至800℃完成扩散过程。
后续工序和上述硅片一样，得到一组电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，平均结果如表3所示。
表3实施例三和对比例三的对比表
  方案   Voc(V)   Isc(A)   FF(％)   EFF(％)   Rs(Ω)   Rsh(Ω)   Irev(A)
  实施例三   0.625   7.394   77.65％   14.74％   0.0032   30.71   0.578
  对比例三   0.622   7.367   76.58％   14.43％   0.0033   24.91   1.201
从表3可以看出，相对于采用常规磷扩散工艺的对比例三，本实施例三得到的电池片的并联电阻Rsh大大提高，反向电流Irev明显减小，可见，本发明的磷扩散方法可以有效地降低精炼冶金级多晶硅太阳电池的漏电流，提高并联电阻，从而提高电池的可靠性。此外，本发明的磷扩散方法还可提高电池片的光电转换效率，从14.43％提高到14.74％。
实施例四：
一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1)将一组制绒清洗过后的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在770℃氮气气氛中进行热处理30分钟；氮气流量为18L/min；
(2)将上述处理后的硅片在850℃氮气和氧气混合气氛中进行氧化处理30分钟，使其表面形成8纳米的氧化层；氮气流量为6L/min，氧气流量为10L/min；
(3)在850℃下通磷源进行扩散45分钟，使得表面方块电阻在30欧姆/口，结深0.9微米；
(4)再在800℃氮气和氧气混合气氛中进行驱入处理20分钟；氮气流量为5L/min，氧气流量为10L/min；
(5)最后在760℃氮气气氛中保温20分钟，完成精炼冶金多晶硅片的磷扩散处理，氮气流量为6L/min。
后续工序按常规处理，得到一组电池片。即经过周边刻蚀-沉积减反射膜-印刷电极-烧结，得到一组太阳能电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，平均结果如表4所示。
对比例四：
将另一组相同的P型精炼冶金级多晶硅片(400片)在制绒清洗过后进行如下常规扩散处理：
(1)通氮气9L/min，氧气0.3L/min，850℃通磷扩散30分钟；
(2)850℃通氮气9L/min，氧气0.3L/min处理20min；
(3)通氮气9L/min，降温至800℃完成扩散过程。
后续工序和上述硅片一样，得到一组电池片。
随机选取10片，在AM1.5，温度25℃条件下测定其开路电压Voc，短路电流Isc，填充因子FF，光电转换效率EFF，串联电阻Rs，并联电阻Rsh，反向电流Irev，平均结果如表4所示。
表4实施例四和对比例四的对比表
  方案   Voc(V)   Isc(A)   FF(％)   EFF(％)   Rs(Ω)   Rsh(Ω)   Irev(A)
  实施例四   0.627   7.46   76.7％   14.77％   0.0034   40.55   0.488
  对比例四   0.626   7.419   76.0％   14.51％   0.0041   16.13   1.323
从表4可以看出，相对于采用常规磷扩散工艺的对比例四，本实施例四得到的电池片的并联电阻Rsh大大提高，反向电流Irev明显减小，可见，本发明的磷扩散方法可以有效地降低精炼冶金级多晶硅太阳电池的漏电流，提高并联电阻，从而提高电池的可靠性。此外，本发明的磷扩散方法还可提高电池片的光电转换效率，从14.51％提高到14.77％。

Claims (7)

1.一种制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待处理的精炼冶金多晶硅片在700～800℃氮气气氛中进行热处理20～40分钟；
(2)将上述处理后的硅片在850～1050℃氮气和氧气混合气氛中进行氧化处理，使其表面形成5～10纳米的氧化层；
(3)在850～900℃下通磷源进行扩散，使得表面方块电阻在30～40欧姆/□，结深0.4～0.9微米；
(4)再在800～900℃氮气和氧气混合气氛中进行驱入处理10～120分钟；
(5)最后在750～800℃氮气气氛中保温10～60分钟，完成精炼冶金多晶硅片的磷扩散处理。
2.根据权利要求1所述的制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(1)中的氮气流量为5～18L/min。
3.根据权利要求1所述的制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(2)中的氮气流量为5～18L/min，氧气流量为0.05～10L/min。
4.根据权利要求1所述的制造精炼冶金多晶硅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10～30分钟。
5.根据权利要求1所述的制造精炼冶金多晶硅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15～60分钟。
6.根据权利要求1所述的制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(4)中的氮气流量为5～18L/min，氧气流量为0.05～10L/min。
7.根据权利要求1所述的制造精炼冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(5)中的氮气流量为5～18L/min。
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JP特开2000-36467A 2000.02.02

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