CN101866984A - 对晶体硅电池片表面选择性掺杂制发射级的方法 - Google Patents

Abstract

一种对晶体硅电池片表面选择性掺杂制发射级的方法，包括干法掩膜、湿法掩膜、激光刻浅槽、酸洗栅极浅槽、对栅极浅槽进行重掺杂、清磷去膜、表面轻掺杂和酸洗步骤，由于将现行的一步法制掩膜改为干法和湿法二步制掩膜，满足了后序重掺杂和轻掺杂的两个基本要求：掩膜与硅片界面处结合致密，能有效阻挡扩散以进行选择性掺杂；掩膜有足够的厚度，能承受酸洗的减薄效应。在同一氧化炉中，采用干法氧化和湿法氧化相结合的方法，保证了干法氧化掩膜和硅片接触界面的良好质量，而湿法氧化使掩膜生长速度提高10倍，可使掩膜在短时间内生长至1微米左右的厚度，避免干法氧化的外延生长慢的缺点，显著节省了生产流程时间，提高了产量。

Description

对晶体硅电池片表面选择性掺杂制发射级的方法

【技术领域】

本发明涉及晶体硅太阳能电池的制造工艺，尤其涉及晶体硅太阳能电池片的表面掺杂制选择性发射级的制造方法。

【背景技术】

随着对再生绿色能源的需求的增长，晶体硅的太阳能电池技术得到了极大的促进与发展。晶体硅太阳能电池片在制造过程中包括表面制绒、表面掺杂制结、减反射膜沉积、正负电极的形成等工序。在已产业化的制造方法中，硅片表面掺杂制结方案是限制电池片转换效率提高的主要步骤。目前，采用丝网印刷工艺的太阳能电池片其现行的表面掺杂制结工艺如下：

硅片在完成表面制绒后直接对电极表面进行掺杂，方块电阻一般控制在40Ω/□～60Ω/□之间。这种掺杂制结方法虽然使太阳能电池片能采用成熟的丝网印刷工艺技术，达到工业化大批量生产的要求，但是，由于表面掺杂制结后电池片栅极面不具备选择性发射级，因此电池片的转换效率受到限制，难以进一步提高。

随着太阳能电池的广泛应用，人们对太阳能电池的转换效率提出更高要求。要提高晶体硅电池片的转换效率，对电池片表面进行选择性掺杂是提高电池片的转换效率的一种有效方法。即在硅片的电极栅槽处要求重掺杂，为了使电极接触的地方形成良好的低欧姆接触，减小接触电阻引起的损耗；而在非电极接触的地方要求轻掺杂，其目的是为了避免电池片表面形成死层，从而减少光生电子空穴对的复合损耗。

如何改进现有硅片表面掺杂制结方法，使硅片既能满足对发射极栅槽进行重掺杂，对其它部位进行轻掺杂，后续又能延用传统的丝网印刷工艺形成正负电极的要求，这是晶体硅太阳能电池生产行业中迫切需要解决的问题。

【发明内容】

为了提高晶体硅电池片的光电转换效率，实现对电池片表面进行选择性掺杂，从而使电池片表面形成选择性发射级。本发明的目的是提供一种对晶体硅电池片表面选择性掺杂制发射级的方法。它不仅满足了晶体硅电池片表面的不同区域对掺杂浓度不同要求，而且很好地解决了太阳能电池片采用丝网印刷工艺中难以形成选择性发射级的技术瓶颈，为提高电池片光电效转换效率提供了一种技术支撑。同时采用这种方法能使太阳能电池保留现行生产工艺中表面制绒、减反射膜沉积、电极印刷等成熟工艺，能够满足太阳能电池大批量、低成本生产的要求。

本发明所述对晶体硅电池片表面选择性掺杂制发射级的方法，其工艺步骤如下：

第一步，干法掩膜：将制绒后硅片置入800℃-1100℃的氧化炉内，通入氧气进行干法氧化，氧化时间为5～20分钟，在硅片表面外延生成致密的二氧化硅掩膜，其厚度约为10～50纳米；

第二步，湿法掩膜：干法掩膜结束后向氧化炉内通入水蒸气，再对干法氧化后的硅片进行湿法氧化，氧化时间为25～30分钟，使得硅片表面的二氧化硅掩膜快速增厚，经湿法氧化后硅片表面的二氧化硅掩膜的厚度为500纳米左右；

第三步，激光刻浅槽：采用激光刻蚀方法对掩膜后的硅片表面进行刮刻，形成栅极浅槽，槽的刮刻深度控制在10微米以内，激光刻蚀所选用激光为波长532纳米的绿光；在本步骤中，栅极浅槽处覆盖的二氧化硅掩膜层会被刮除，但在激光刻蚀过程中，在栅极浅槽表面还会形成一层厚度极薄的氧化硅层，因此，在对栅极浅槽进行重掺杂前必须进行酸洗；

第四步，酸洗栅极浅槽：第三步结束后将硅片置入稀释的HF酸溶液槽内进行酸洗约30秒～60秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％(重量比)，以清除激光刻蚀时在槽内形成的氧化硅层及散落的灰尘颗，确保下步骤进行重掺杂的质量；

第五步，对栅极浅槽进行重掺杂：将酸洗后的硅片放入掺杂炉内，通入含POCl₃的气体对栅极浅槽进行重掺杂，在栅极浅槽处形成低欧姆区，栅极浅槽处的方块电阻控制在30Ω/□以下，硅片其它部位由于有二氧化硅掩膜的保护，不会受重掺杂的影响；

第六步：清磷去膜：将重掺杂后的硅片放入HF酸溶液槽内进行酸洗约300～600秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％，以清除硅片在重掺杂过程中在硅片表面所形成的磷硅玻璃和附着在硅片表面的氧化硅掩膜，为轻掺杂做好准备；

第七步：表面轻掺杂：将清磷去膜后对硅片放入掺杂炉内，通入含POCl₃的气体对栅极浅槽进行轻掺杂，轻掺杂后，使得硅片表面的方块电阻控制在100Ω/□以上；

第八步：酸洗：将轻掺杂后的硅片放入HF酸溶液槽内进行酸洗约60秒～120秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％，进行表面清洗，以清除硅片在轻掺杂过程中在硅片表面所形成的磷硅玻璃；

经上述掺杂制结处理后，在硅片栅极处形成方块电阻小于30Ω/□的低欧姆区，而硅片其它部位的方块电阻则达到100Ω/□以上，使晶体硅太阳能电池片具备选择性发射级。采用这种掺杂制结处理方法，其后道的减反射膜沉积可采用化学气相沉积工艺(PECVD)在硅片表面沉积氮化硅；正负电极的印刷及烧结工序可采用传统的印刷烧结工艺方法。

由于制掩膜工艺为干法和湿法相结合的二步制掩膜，满足了后序重掺杂和轻掺杂的两个基本要求：一是掩膜与硅片界面处有良好的致密质量，从而有效阻挡扩散以进行选择性掺杂；二是掩膜需有足够的厚度，从而能承受在对刻蚀槽进行酸清洗时的减薄效应。在同一氧化炉中，采用干法氧化和湿法氧化相结合的方法，保证了干法氧化掩膜和硅片接触界面的良好质量，而湿法氧化使掩膜生长速度提高10倍，可使掩膜在短时间内生长至500纳米左右的厚度，避免干法氧化的外延生长慢的缺点，显著节省了生产流程时间，提高了产量。

激光刻浅槽，在制膜后硅片表面刻蚀出栅槽，将表面的二氧化硅掩膜刮刻去除，从而可对栅极浅槽进行重掺杂，形成低欧姆条带。激光刻蚀中将栅槽控制在小于10微米的深度之内，这是本发明的关键技术要点之一，它决定能否在栅电极制作时应用成熟的丝网印刷工艺，使电极浆料能顺利填充入栅槽内。

采用对栅极浅槽进行重掺杂，对硅片的其它表面轻掺杂方法，使栅极浅槽处形成方块电阻控制在30Ω/□以下的低欧姆区，硅片的其它表面则形成方块电阻控制在100Ω/□以上的高欧姆区，使晶体硅太阳能电池片具备选择性发射级。

本发明不仅能使晶体硅太阳能电池片具备选择性发射级，提高了电池片的转换效率，而且硅片制绒、减反射膜沉积、正负电极的印刷及烧结工序都能延用现有的成熟工艺方法，它是对现行丝网印刷工艺的完善。它解决了晶体硅电池光电转化效率受限制的工艺瓶颈，同时保证了丝网印刷的高产量低成本的优势。采用此改进工艺后，可将现有丝网印刷电池片的平均转化效率水平提高8％-12％，使光伏产业给社会带来更大的收益。

【附图说明】

图1为制绒后硅片结构示意图；

图2为制氧化膜后硅片的结构示意图；

图3为激光刻浅槽后硅片的结构示意图；

图4为刻槽后经酸洗的硅片结构示意图；

图5为经重掺杂后硅片的结构示意图；

图6为洗磷去膜后后的硅片结构示意图；

图7为经轻掺杂后硅片的结构示意图；

图8为氮化硅沉积后硅片的结构示意图；

图9为背银电极印刷并烘干后硅片的结构示意图；

图10为铝背场印刷并烘后硅片的结构示意图；

图11为正银电极印刷、烘干并烧结后硅片的结构示意图；

图中：1-硅片；2-二氧化硅掩膜；3-栅极浅槽；4-氧化硅层；5-低欧姆区；6-高欧姆层；7-减反射膜；8-背银电极；9-铝背场；10-栅银电极。

【具体实施方式】

下面以单晶硅太阳能电池片为例来说明本发明的具体实施方式。

附图1～附图11为主要的生产工艺流程。

图1是p型单晶硅片1经过制绒处理后的结构示意图，在图1中，p型单晶硅片1的厚度为180-200微米，其电阻率介于1-5欧姆·厘米，经过制绒处理后，在p型单晶硅片1的上下表面形成深度d为3-5微米的绒面；

本发明从p型单晶硅片1经过制绒处理后开始，其具体步骤如下：

第一步，干法掩膜：将制绒后硅片1置入1000℃-1100℃的氧化炉内，通入氧气进行干法氧化，氧化时间为10分钟，在硅片1的上下表面外延生成致密的二氧化硅掩膜，其厚度约为15纳米；

第二步，湿法掩膜：干法掩膜结束后向氧化炉内通入水蒸气，再对干法氧化后的硅片1进行湿法氧化，氧化时间为30分钟，在p型单晶硅片1的上下表面形成二氧化硅掩膜2，其生长厚度T₁约为500-600纳米，如图2所示；

第三步，激光刻浅槽：采用波长为532nm的绿光激光源，调节波束和功率对硅片1的表面进行刻蚀，形成栅极浅槽3，栅极浅槽3的刻蚀深度D控制在10微米以内，槽宽W约在30-50微米范围之内；在本步骤中，栅极浅槽3处原先的二氧化硅掩膜层虽然会被划除，但在激光刻蚀过程中由于激光光束的热效应作用，在所形成的栅极浅槽表面还会形成一层厚度为极薄的氧化硅层4，氧化硅层4的厚度t_c为数十纳米，因此，在对栅极浅槽进行重掺杂前必须进行酸洗；图3为经过本步骤处理后硅片1的结构示意图；

第四步，酸洗栅极浅槽：第三步结束后将硅片1置入稀释的HF酸溶液槽内进行酸洗约30秒～60秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％，以清除激光刻蚀时在槽内形成的氧化硅层及散落的灰尘颗，确保下步骤进行重掺杂的质量；图4为经本步骤后硅片1的结构示意图，在对槽进行清洗的同时硅片表面的二氧化硅掩膜2厚度由T₁减薄至T₂，因T₁远远厚于t_c，可保证二氧化硅掩膜2的厚度T₂足够阻挡表面的掺杂效应。

第五步，对栅极浅槽进行重掺杂：将酸洗后的硅片1放入掺杂炉内，通入POCl₃对栅极槽进行重掺杂，在栅极浅槽3处形成低欧姆区5，低欧姆区5的方块电阻控制在30Ω/□以下，硅片其它部位由于有二氧化硅掩膜2的保护，不会受重掺杂的影响；图5为对栅极浅槽3进行磷扩散重掺杂后硅片的结构示意图，重掺杂后的栅线处的方块电阻大约为20Ω/□，可有效保证金属电极与硅片有良好的欧姆接触；

第六步：清磷去膜：将重掺杂后的硅片1放入HF酸溶液槽内进行酸洗约300～600秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％，以清除硅片1在重掺杂过程中在硅片表面所形成的磷硅玻璃和附着在硅片表面的二氧化硅掩膜2，为轻掺杂做好准备，经过本步骤处理过的硅片1的结构如图6所示；

第七步：表面轻掺杂：将清磷去膜后的硅片1放入掺杂炉内，通入POCl₃对栅极浅槽进行轻掺杂，经轻掺杂后，在硅片1的电极表面形成高欧姆层6，高欧姆层6的方块电阻控制在100Ω/□以上；经过本步骤处理过的硅片1结构如图7所示；

第八步：酸洗：将轻掺杂后的硅片1放入HF酸溶液槽内进行酸洗约60秒～120秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％，进行表面清洗，以清除硅片1在轻掺杂过程中在硅片表面所形成的磷硅玻璃；

图8为采用化学气相沉积工艺(PECVD)对硅片1表面沉积氮化硅形成减反射膜7后的结构示意图；减反射膜7厚度约80纳米，它能对硅片表面进行钝化的同时减少表面光反射。

图9-图11为利用传统丝网印刷工艺分别将背银电极，铝背场，以及栅银电极印制在硅片1上，烘干并烧结。

这种在利用传统丝网印刷工艺并具有选择性发射级结构的单晶硅电池片，可将光电转换效率从目前的16.5％的平均水平提高至18％以上。

Claims (1)

1.一种对晶体硅电池片表面选择性掺杂制发射级的方法，其特征是：它包括如下工艺步骤：

第一步，干法掩膜：将制绒后硅片(1)置入800℃-1100℃的氧化炉内，通入氧气进行干法氧化，氧化时间为10～20分钟，在硅片表面外延生成致密的二氧化硅掩膜(2)，其厚度约为5～50纳米；

第二步，湿法掩膜：干法掩膜结束后向氧化炉内通入水蒸气，再对干法氧化后的硅片(1)进行湿法氧化，氧化时间为25～30分钟，使得硅片表面的二氧化硅掩膜(2)快速增厚，经湿法氧化后硅片表面的二氧化硅掩膜(2)的厚度约为1微米左右；

第三步，激光刻浅槽：采用激光刻蚀方法对掩膜后的硅片(1)表面进行刮刻，形成栅极浅槽(3)，槽的刮刻深度控制在10微米以内，激光刻蚀所选用激光的波长为532纳米的绿光；在本步骤中，栅极浅槽(3)处原先的二氧化硅掩膜层虽然会被划除，但在激光刻蚀过程中，在栅极浅槽表面还会形成一层厚度极薄的氧化硅层(4)，因此，在对栅极浅槽(3)进行重掺杂时必须进行酸洗；

第四步，酸洗栅极浅槽：第三步结束后将硅片(1)置入稀释的HF酸溶液槽内进行酸洗约30秒～60秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％(重量比)，以清除激光刻蚀时在槽内形成的氧化硅层(4)及散落的灰尘颗，确保下步骤进行重掺杂的质量；

第五步，对栅极浅槽进行重掺杂：将酸洗后的硅片(1)放入掺杂炉内，通入POCl3对栅极浅槽(3)进行重掺杂，在栅极浅槽(3)处形成低欧姆区(5)，栅极浅槽(3)处的方块电阻控制在30Ω/□以下，硅片(1)其它部位由于有二氧化硅掩膜(2)的保护，不会受重掺杂的影响；

第六步：清磷去膜：将重掺杂后的硅片(1)放入HF酸溶液槽内进行酸洗约300～600秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％，以清除硅片(1)在重掺杂过程中在硅片表面所形成的磷硅玻璃和附着在硅片表面的二氧化硅掩膜(2)，为轻掺杂做好准备；

第七步：表面轻掺杂：将清磷去膜后对硅片(1)放入掺杂炉内，通POCl₃对栅极浅槽(3)进行轻掺杂，轻掺杂后，使得硅片表面的方块电阻控制在100Ω/□以上；

第八步：酸洗：将轻掺杂后的硅片(1)放入HF酸溶液槽内进行酸洗约60秒～120秒，HF酸溶液的浓度为1％～5％，进行表面清洗，以清除硅片(1)在轻掺杂过程中在硅片表面所形成的磷硅玻璃。

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