CN101552308B - 一种应用于硅太阳电池的恒温扩散工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于硅太阳电池的恒温扩散工艺。本发明的恒温扩散工艺包含以下步骤：第一步、采用0.2～0.5的小氮/氧气比在单/多晶硅片上进行扩散；第二步、以850℃的工艺温度进行恒温推结5～15分钟；第三步、采用0.9～1.2的小氮/氧气比再次进行扩散；所述的比例为体积比。本发明可以在恒温的基础上，在不增加硅太阳电池生产步骤的前提下，最大限度地提高硅太阳电池的电性能，提高硅太阳电池的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，具体地说，本发明是一种应用于硅太阳电池的恒温扩散工艺。
背景技术
目前，单、多晶硅太阳电池的主要制造工艺已经标准化，其主要步骤如下：
a.化学清洗及表面织构化处理：通过化学反应使原本光亮的硅片表面形成凸凹不平的结构以增加光的吸收。
b.扩散：P型硅片在扩散后表面变成N型，形成PN结，使得硅片具有光伏效应。扩散的浓度、深度以及均匀性直接影响太阳电池的电性能，扩散进杂质的总量用方块电阻来衡量，杂质总量越小，方块电阻越大。
c.周边刻蚀：该步骤的目的在于去掉扩散时在硅片边缘形成的将PN结两端短路的导电层。
d.沉积减反射膜：目前主要有两类减反射膜，氮化硅膜和氧化钛膜，主要起减反射和钝化的作用。
e.印刷电极。
f.烧结：使印刷的电极与硅片之间形成合金的过程。
PN结是太阳电池的核心结构，PN结的好坏直接决定着太阳电池的电性能。因此扩散制结是硅太阳电池生产的关键环节。现在各硅太阳电池生产商多采用的扩散方式为POCl3液态源扩散。
POCl3液态源扩散用到的工艺气体为氧气(O2)、氮气(该氮气一般流量较大，在5L/min以上，俗称大氮，表示方法N2)、携带气体(一般采用氮气，流量在2L/min以下，俗称小氮，表示方法N2-POCl3)。(这些气体通入石英管后在高温下经过一系列的化学反应最终磷原子扩散进入硅基底形成掺磷的发射区。
中国发明专利申请第200710304344.1号(申请日2007年12月27日，公开日2008年7月9日，公开号CN101217170A)公开了一种应用于硅太阳能电池的扩散工艺，其扩散步骤主要分为两步，具体包括：(1)进行第一次扩散：将硅片放入扩散炉中，同时通入大氮、小氮、氧气，扩散温度在800～860℃，时间为15～30分钟；(2)将扩散炉温度升至870～920℃，并将硅片稳定放置10～30分钟进行再分布；(3)进行第二次扩散：扩散温度在870～920℃，时间为1～10分钟；(4)扩散过程结束，扩散炉降温，并将硅片取出。发明人通过以上方法，得到了更加优化的发射区掺杂曲线，从而降低了发射区中高掺杂带来的俄歇复合，可使电池的短路电流提高0.5～1mA/cm2。采用以上方法时发射区的薄层电阻以及发射区和栅线间的接触电阻都不会增加，并且所有扩散步骤仍在炉管中连续进行，并未增加工艺的复杂性。
发明内容
现有技术中，恒温一次通源工艺简单，但是由此生产的硅太阳电池电性能有限，不能满足光伏行业对高效太阳电池的需求。变温两次通源工艺涉及到升温过程，稍显复杂且工艺时间长。
本发明旨在提供一种应用于硅太阳电池的扩散工艺，此工艺可以在恒温的基础上提高硅太阳电池的电性能。
为了实现上述的发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种应用于硅太阳电池的恒温扩散工艺，包含以下步骤：
第一步、采用0.2～0.5的小氮/氧气比在单/多晶硅片上进行扩散；
第二步、以850℃的工艺温度进行恒温推结5～15分钟，杂质向深处推动，降低表面杂质浓度；
第三步、采用0.9～1.2的小氮/氧气比再次进行扩散；
所述的比例为体积比。
其中通入大氮的目的是在炉管内形成正压而避免外界气体的进入，并且使得扩散的均匀性更好；小氮用来携带POCl3，其流量大小直接决定了进入石英管内POCl3量的多少，从而进一步影响扩散进入硅片内部磷原子的多少；氧气则参与化学反应，同时避免扩散过程对硅片表面的损伤。
本发明具体可采用由以下顺序的步骤组成的技术方案：
a.将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度830～900℃；
b.通源1：采用较小的小氮/氧气比0.2～0.5，通以工艺气体大氮，小氮，氧气，时间为15～25分钟；
c.恒温推结：工艺气体为大氮，时间为5～15分钟；
d.通源2：工艺气体仍为大氮、小氮和氧气，小氮/氧气比为0.9～1.2，时间为8～15分钟；
e.扩散炉降温，取出硅片。
其中步骤c和d是可以交换顺序的，即以下方案也可以实现本发明的目的：
a.将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度830～900℃；
b.通源1：采用较小的小氮/氧气比0.2～0.5，通以工艺气体大氮，小氮，氧气，时间为15～25分钟；
c.通源2：工艺气体仍为大氮、小氮和氧气，小氮/氧气比为0.9～1.2，时间为8～15分钟；
d.恒温推结：工艺气体为大氮，时间为5～15分钟；
e.扩散炉降温，取出硅片。
本发明是针对硅太阳电池领域的扩散工艺。变温扩散需要在扩散过程中升降温，耗时较长；普通的一步恒温扩散又难于提高太阳电池的电性能。本发明采用恒温两步扩散，既使得扩散在恒定的温度下进行同时又提高了硅太阳电池的电性能。
本发明的主要优点：
本发明可以在恒温的基础上，在不增加硅太阳电池生产步骤的前提下，最大限度地提高硅太阳电池的电性能。即：不增加工艺时间，不影响企业的产量，提高电池片性能。
具体实施方式
采用相同的硅片原材料：P型单晶硅片，电阻率0.5～3Ω·cm，经过常规的清洗、表面织构化、甩干后分别用本发明工艺与常规工艺进行对比。
编号为奇数的实施例采用的具体步骤是：
a.将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度850℃。
b.通源1：通以工艺气体大氮10L/min，小氮1L/min，氧气3L/min，时间为15min。
c.恒温推结：工艺气体为大氮10L/min，时间为8min。
d.通源2：工艺气体仍为大氮10L/min，小氮2L/min，氧气2.2L/min，时间为10min。
e.扩散炉降温，取出硅片。
编号为偶数的实施例采用的具体步骤是：
a.将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度850℃。
b.通源1：通以工艺气体大氮10L/min，小氮1L/min，氧气3L/min，时间为15min。
c.通源2：工艺气体仍为大氮10L/min，小氮2L/min，氧气2.2L/min，时间为10min。
d.恒温推结：工艺气体为大氮10L/min，时间为8min。
e.扩散炉降温，取出硅片。
所得电池片的电性能见说明书第6页的表1。
各对比例采用常规的一步通源扩散工艺，具体步骤是：
a.将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度850℃。
b.通源：温度工艺气体大氮10L/min，小氮2.5L/min，氧气1.5L/min，时间为18min。
c.恒温推结：工艺气体为大氮10L/min，氧气2.2L/min，时间为16min。
d.扩散炉降温，取出硅片。
所得电池片的电性能见说明书第7页的表2。
对比表1和表2，可以明显看出采用发明工艺的实施例中开路电压、短路电流均有了一定幅度的提高，从而使得电池片功率平均值由2.53瓦提高到了2.61瓦，转换效率平均值由17.03％提高到17.54％，提高了0.5个百分点。由此可见采用本发明的技术方案可以有效地提高硅太阳电池的转换效率，增大电池片的最大功率，最终提高太阳电池的生产效率。
表1实施例1～19的性能表
| 实施例编号 | 最大功率(瓦) | 工作电压(伏) | 工作电流(安) | 开路电压(伏) | 短路电流(安) | 填充因子(％) | 转换效率 |
| 1 | 2.63 | 0.526 | 5.00 | 0.629 | 5.42 | 77 | 17.71％ |
| 2 | 2.63 | 0.529 | 4.97 | 0.630 | 5.37 | 78 | 17.69％ |
| 3 | 2.62 | 0.509 | 5.16 | 0.630 | 5.36 | 78 | 17.67％ |
| 4 | 2.63 | 0.550 | 4.77 | 0.629 | 5.35 | 78 | 17.68％ |
| 5 | 2.62 | 0.526 | 4.98 | 0.631 | 5.39 | 77 | 17.63％ |
| 6 | 2.62 | 0.522 | 5.01 | 0.631 | 5.34 | 78 | 17.61％ |
| 7 | 2.61 | 0.515 | 5.07 | 0.628 | 5.35 | 78 | 17.58％ |
| 8 | 2.61 | 0.524 | 4.98 | 0.630 | 5.36 | 77 | 17.57％ |
| 9 | 2.61 | 0.529 | 4.93 | 0.629 | 5.35 | 78 | 17.57％ |
| 10 | 2.60 | 0.519 | 5.02 | 0.628 | 5.37 | 77 | 17.52％ |
| 11 | 2.60 | 0.520 | 5.00 | 0.628 | 5.34 | 78 | 17.50％ |
| 12 | 2.60 | 0.526 | 4.94 | 0.629 | 5.36 | 77 | 17.49％ |
| 13 | 2.60 | 0.512 | 5.07 | 0.625 | 5.37 | 77 | 17.48％ |
| 14 | 2.60 | 0.518 | 5.01 | 0.628 | 5.33 | 78 | 17.47％ |
| 15 | 2.60 | 0.518 | 5.01 | 0.628 | 5.32 | 78 | 17.47％ |
| 16 | 2.59 | 0.514 | 5.03 | 0.627 | 5.33 | 77 | 17.42％ |
| 17 | 2.59 | 0.527 | 4.91 | 0.627 | 5.30 | 78 | 17.40％ |
| 18 | 2.58 | 0.525 | 4.91 | 0.627 | 5.35 | 77 | 17.37％ |
| 19 | 2.58 | 0.514 | 5.02 | 0.627 | 5.33 | 77 | 17.36％ |
| 平均值 | 2.61 | 0.522 | 4.99 | 0.628 | 5.35 | 77 | 17.54％ |
表2对比例1～19的性能表
| 对比例编号 | 最大功率(瓦) | 工作电压(伏) | 工作电流(安) | 开路电压(伏) | 短路电流(安) | 填充因子(％) | 转换效率 |
| 1 | 2.58 | 0.521 | 4.95 | 0.628 | 5.31 | 77 | 17.35％ |
| 2 | 2.57 | 0.523 | 4.92 | 0.626 | 5.31 | 77 | 17.32％ |
| 3 | 2.57 | 0.516 | 4.97 | 0.626 | 5.32 | 77 | 17.28％ |
| 4 | 2.55 | 0.526 | 4.85 | 0.628 | 5.29 | 77 | 17.17％ |
| 5 | 2.54 | 0.523 | 4.86 | 0.625 | 5.24 | 78 | 17.13％ |
| 6 | 2.54 | 0.510 | 4.98 | 0.624 | 5.28 | 77 | 17.10％ |
| 7 | 2.54 | 0.510 | 4.97 | 0.626 | 5.31 | 76 | 17.08％ |
| 8 | 2.53 | 0.508 | 4.98 | 0.624 | 5.26 | 77 | 17.02％ |
| 9 | 2.53 | 0.502 | 5.03 | 0.624 | 5.27 | 77 | 17.01％ |
| 10 | 2.51 | 0.511 | 4.91 | 0.619 | 5.25 | 77 | 16.88％ |
| 11 | 2.51 | 0.511 | 4.92 | 0.624 | 5.19 | 78 | 16.92％ |
| 12 | 2.52 | 0.518 | 4.86 | 0.626 | 5.12 | 79 | 16.96％ |
| 13 | 2.51 | 0.506 | 4.96 | 0.620 | 5.19 | 78 | 16.88％ |
| 14 | 2.51 | 0.527 | 4.77 | 0.624 | 5.18 | 78 | 16.90％ |
| 15 | 2.48 | 0.508 | 4.88 | 0.618 | 5.18 | 77 | 16.70％ |
| 16 | 2.50 | 0.518 | 4.82 | 0.625 | 5.33 | 75 | 16.82％ |
| 17 | 2.52 | 0.510 | 4.95 | 0.624 | 5.25 | 77 | 16.99％ |
| 18 | 2.54 | 0.511 | 4.97 | 0.625 | 5.23 | 78 | 17.10％ |
| 19 | 2.52 | 0.508 | 4.96 | 0.624 | 5.25 | 77 | 16.93％ |
| 平均值 | 2.53 | 0.51 | 4.92 | 0.62 | 5.25 | 77 | 17.03％ |
以上对本发明所提供的应用于硅太阳电池的恒温扩散工艺进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种应用于硅太阳电池的恒温扩散工艺，其特征在于，包含以下步骤：
a.将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度850℃；
b.通源1：通以工艺气体大氮10L/min，小氮1L/min，氧气3L/min，时间为15min；
c.恒温推结：工艺气体为大氮10L/min，时间为8min；
d.通源2：工艺气体仍为大氮10L/min，小氮2L/min，氧气2.2L/min，时间为10min；
e.扩散炉降温，取出硅片；
所述大氮流量在5L/min以上，表示方法N2，所述小氮流量在2L/min以下，表示方法N2-POCl3。
2.一种应用于硅太阳电池的恒温扩散工艺，其特征在于，包含以下步骤：
a.将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度850℃；
b.通源1：通以工艺气体大氮10L/min，小氮1L/min，氧气3L/min，时间为15min；
c.通源2：工艺气体仍为大氮10L/min，小氮2L/min，氧气2.2L/min，时间为10min；
d.恒温推结：工艺气体为大氮10L/min，时间为8min；
e.扩散炉降温，取出硅片；
所述大氮流量在5L/min以上，表示方法N2，所述小氮流量在2L/min以下，表示方法N2-POCl3。
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