CN101976711A - 一种采用离子注入法制作太阳电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用离子注入法制作太阳电池的方法，采用离子注入法实现在硅片上的杂质掺杂，该工艺热扩散掺杂工艺相比，其优势在于控制精确，杂质掺杂可以重复，处理过程为低温过程，能使晶体硅太阳电池达到更高的转换效率，实现功率输出的最大化。

Description

一种采用离子注入法制作太阳电池的方法
技术领域
本发明本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种采用离子注入法制作太阳电池的方法。
背景技术
光伏技术是一门利用大面积的p-n结二极管将太阳能转化为电能的技术，这个p-n结二极管叫做太阳电池。制作太阳电池的半导体材料都具有一定的禁带宽度，当太阳电池受到太阳辐射时，能量超过禁带宽度的光子在太阳电池中产生电子空穴对，p-n结将电子空穴对分离，p-n结的非对称性决定了不同类型的光生载流子的流动方向，通过外部电路连接可以向外输出功率。这跟普通的电化学电池原理类似。
由单一的p-n结形成的太阳电池的理论最高转换效率在30％左右[W.Shockley and H.J.Queisser，J.Appl.Phys.32，150(1961)]。在由各种不同材料制作的太阳电池中，昂贵的化合物半导体太阳电池主要应用于太空和聚光光伏系统，除此之外，单晶硅太阳电池转换效率最高。单晶硅片主要由采用Czochralski(CZ)法制作的掺硼的p型硅锭切割而成，工业上大量生产的p型单晶硅太阳电池的转换效率在17％左右，缺陷和杂质造成的光生载流子复合缩短了p型吸收区的少数载流子的寿命，基底前后表面存在着表面复合，n型重掺杂区存在着俄歇复合，这些因素限制了p型单晶硅太阳电池转换效率的提高。
n型硅已经被证明对普通的过渡金属杂质引起的复合不敏感，例如由石英和含碳器件带来的杂质(冶金法)，具有比p型硅更长的少子扩散长度[D.MacDonald，LJ.Geerligs，Applied Physics Letters，85，4061(2004)]。因此采用n型单晶硅片制作的太阳电池相对采用p型单晶硅片制作的太阳电池将具有更好的性能。另外，采用n型单晶硅片制作的太阳电池没有光致衰减的问题，而采用掺硼的p型单晶硅片制作的太阳电池光致衰减不可避免，这是因为在采用CZ法制作硅锭的过程中会混入氧元素，氧和掺杂的硼形成硼氧复合对，导致光致衰减。采用n型单晶硅片制作的太阳电池与采用p型单晶硅片制作的前发射极太阳电池结构类似，如图1所示，采用n型单晶硅片制作的太阳电池需要在前表面掺杂硼以形成p-n结，作为发射极；在背面掺杂磷以形成n-n+同质结，作为背表面场。实现在硅片上掺杂的标准的工业做法是利用管式炉或者带式炉进行热扩散。目前，还没有一种行之有效的扩散方法能实现在硅片的一个表面形成硼掺杂，同时在硅片的另外一个表面形成磷掺杂，而不造成任何的交叉污染，如果考虑到实现这两种不同类型的掺杂需要不同的温度，实现同时掺杂的难度将更大。因此，实现这两种不同类型的掺杂需要进行两步扩散，同时需要采用额外的保护措施以避免在硅片的一个表面扩散硼时，将硼扩散到硅片另外一个将要扩散磷的表面上，或者在磷扩散时将磷扩散至已经扩散好的硼扩散面，造成杂质补偿作用。此外硼扩散需要1000℃左右的高温，这容易造成硅片质量下降，导致制作的太阳电池性能恶化。
为了突破上述的限制，克服制作晶体硅太阳电池过程中扩散掺杂的缺点，进一步提高晶体硅太阳电池的转换效率，需要采用更为先进的掺杂方式。
众所周知，离子注入能在硅等半导体材料薄片上实现活性的、带电粒子的掺杂。在半导体技术中离子注入的实际用途主要是为了改变薄片的电学性质。为了活化注入的离子，并修复因为离子注入过程中带来的损伤和位错层等缺陷，薄片需要在合适的时间和温度下进行退火。离子注入和扩散掺杂相比，其优势在于控制精确，杂质掺杂可以重复，处理过程为低温过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用离子注入法制作太阳电池的方法，该方法控制精确，杂质掺杂可以重复，处理过程温度低。
为达到上述目的，本发明提供的一种采用离子注入法制作太阳电池的方法，所述的光伏电池由以下结构组成：一种导电类型的晶体硅基底，基底为单晶硅片或者多晶硅片，导电类型为n型或者p型；在基底的前表面上具有发射极结构，该结构包含有具有特定掺杂浓度的掺杂层，其中的掺杂剂与基底的导电类型相反，包含有一套接触栅线，还包含在掺杂层上的一层减反射膜；在基底的背面具有背表面场结构，该结构包含有具有一层重掺杂层，其中的掺杂剂与基底的导电类型相同，包含一层绝缘薄膜，还包含穿过薄膜与重掺杂层形成欧姆接触的金属导电电极；该工艺采用离子注入法部分或完全替代热扩散实现在硅片上的杂质掺杂形成发射极结构和背表面场结构。
其中p+或者n+掺杂层在晶体硅基底的前表面采用离子注入法形成，离子注入的温度为10～50℃，所述掺杂层的掺杂深度在100nm～5μm。
其中p+或者n+掺杂层在晶体硅基底的背面采用离子注入法形成，离子注入的温度为10～50℃，掺杂层的掺杂深度在100nm～5μm。
其中p++或者n++点状掺杂区在上述晶体硅基底的背面p+或者n+掺杂层中形成，p++或者n++点状掺杂区利用掩膜，采用离子注入法在温度为10～50℃条件下实现，所述的点状掺杂区具有与基底一样的导电类型，所述的点状为圆形、椭圆形、正方形或长方形，点的大小为10μm～5mm。
其中薄膜在利用管式炉或者带式炉在氧气环境下进行退火时，在离子注入的掺杂层上和点状区域上形成，退火的温度为200～950℃，时间为5min～300min。
其中一束活性的、电离的掺杂杂质原子束注入到晶体硅片中，在硅片表面形成掺杂层，形成n型掺杂的杂质种类为磷(P)、砷(As)、锑(Se)，形成p型掺杂的杂质种类为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，离子剂量范围为1013～1018离子/cm2，初始的离子能量范围为10KeV～5MeV。
本发明还提供了一种制作交替n型和p型导电类型掺杂带的方法，将n型和p型导电类型在晶体硅基底的同一个面上散布开来，并且不相互重叠，基底为单晶硅片或者多晶硅片，导电类型为n型或者p型。
其中交替导电类型掺杂带结构在晶体硅基底上采用离子注入法在掩膜掩护下形成，离子注入的温度为10～50℃，所述两种不同导电类型的掺杂带宽度不同或相同，宽度范围为100nm～10mm；所述掺杂层的掺杂深度为100nm～5μm。
其中离子注入法用来将活性的、电离的掺杂杂质原子注入到晶体硅片中，在硅片的同一个表面上形成交替导电类型的掺杂带结构，形成n型掺杂的杂质种类为磷(P)、砷(As)、锑(Se)，形成p型掺杂的杂质种类为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，离子剂量范围为1013～1018离子/cm2，初始的离子能量范围为10KeV～5MeV。
本发明的有益效果是：该工艺热扩散掺杂工艺相比，控制精确，杂质掺杂可以重复，处理过程为低温过程，能使晶体硅太阳电池达到更高的转换效率，实现功率输出的最大化。
附图说明
图1是本发明采用n型晶体硅制作的单一p-n结太阳电池简图；
图2是实施例1中采用离子注入法在n型晶体硅基底上形成p-n结以制作太阳电池的示意图；
图3a是实施例2中采用离子注入法在n型晶体硅基底上形成点状接触重掺杂区以制作高效太阳电池的示意图；
图3b是实施例2中采用离子注入法在p型晶体硅基底上形成点状接触重掺杂区以制作高效太阳电池的示意图；
图4a是实施例3中采用离子注入法在晶体硅基底背面形成p++重掺杂的示意图；
图4b是实施例3中采用离子注入法在晶体硅基底背面形成p++重掺杂后，在掩膜保护下注入杂质形成n++重掺杂的示意图；
图4c是实施例3中在晶体硅基底上形成p++和n++交替带状掺杂区以制作叉指状背接触太阳电池的示意图。
附图标记说明：
1、基区；2、发射极；3、背表面场；4、减反射/钝化层；5、背面钝化层；6、金属接触电极。
具体实施方式
实施例1
此处公开的是在n型晶体硅片上实现不牵涉到热扩散的掺杂方法和充分利用该掺杂方法设计的方案，该方案能使晶体硅太阳电池达到最高的转换效率，实现功率输出的最大化。
如附图1-2所示，本发明的一种体现方式是采用电阻率为0.5～15Ω·cm的n型晶体硅片制作高效太阳电池，这里所指的晶体硅片可能之前经过一些其它处理步骤，例如清洗和腐蚀，以去除硅片表面的污染物和切割损伤层，或者进行各向异性织构，以在硅片表面上形成金字塔结构，增加硅片的光吸收。
可以采用离子注入法在上述所指硅片的第一个表面上进行活性的、带电粒子的掺杂，以形成与晶体硅片导电类型相反的掺杂层作为发射极。以图1为例，p+层就在n型硅片的第一个表面上。形成p型掺杂的杂质种类可以包含但是不仅仅限定于硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)。离子注入的剂量和能量根据在上述所指的硅片上需要形成的掺杂浓度和掺杂分布进行选择。不同离子束能量的多重离子注入可以实现设计结深的n-p+突变结分布。
本实施例中离子注入的温度为10～50℃，离子剂量为1013～1018离子/cm2，初始的离子能量范围为1KeV～5MeV，掺杂深度为100nm-5μm。
为了活化注入的离子，并修复因为离子注入过程中带来的损伤和位错层等缺陷，薄片需要在合适的时间和温度下进行退火。热退火过程在管式炉或者带式炉中进行。此外这个热退火过程可能在氧气环境下进行，以形成薄的氧化层钝化离子注入层表面。本实施例中具体选择热退火的温度为200～950℃，时间为5～300min。
可以采用离子注入法在上述所指硅片的第二个表面上进行活性的、带电粒子的掺杂，以形成与晶体硅片导电类型相同的掺杂层。以图1为例，n+层就在n型硅片的第二个表面上。形成n型掺杂的杂质种类可以包含但是不仅仅限定于磷(P)、砷(As)、锑(Se)。离子注入的剂量和能量根据在上述所指的硅片上需要形成的掺杂浓度和掺杂分布进行选择。不同离子束能量的多重离子注入可以实现设计结深的n-p+突变结分布。为了活化注入的离子，并修复因为离子注入过程中带来的损伤和位错层等缺陷，薄片需要在合适的时间和温度下进行退火。热退火过程在管式炉或者带式炉中进行。
为了完成太阳电池的制作，需要一些其它的工艺步骤，例如采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在起钝化作用的氧化层上沉积SiNx，以在硅片前表面形成减反射层，随后采用标准的丝网印刷和共烧结过程实现接触电极的金属化。
实施例2
如附图3a-3b所示，在实施例1制作高效太阳电池的基础上，离子注入可以优化太阳电池的设计结构，在硅片的第二个表面的局部区域上进行重掺杂，掺入与硅片导电类型相同的杂质。如图3(a)所示，在已经存在的n+层上形成点状的n++掺杂区。在此之前已经存在的n+层可以由热扩散形成，也可以由前面所述的由离子注入法形成。为了形成点状掺杂，需要在欲掺杂的硅片前面放置掩膜以确保对目标区域精确地掺杂。形成n型掺杂的杂质种类可以包含但是不仅仅限定于磷(P)、砷(As)、锑(Se)。不同离子束能量的多重离子注入可以实现较深的掺杂分布。
本实施例中硅片为p型或n型的单晶或多晶硅片，其电阻率为0.5～15Ω·cm；形成n型掺杂的杂质为磷、砷或锑，形成p型掺杂的杂质为硼、铝、镓或铟。
本实施例中离子注入的温度为10～50℃，离子剂量为1013～1018离子/cm2，初始的离子能量范围为1KeV～5MeV，掺杂深度为100nm～5μm。
本实施例中掺杂区域的形状为圆形、椭圆形、正方形或长方形，点的大小为10μm～5mm。离子注入的温度为10～50℃，掺杂深度为100nm-5μm。
这种掺杂形式也可以在p型硅片上形成点状掺杂区，只是掺杂的导电类型换成了与之前n++相反的p++型。如图3(b)所示。形成p型掺杂的杂质种类可以包含但是不仅仅限定于硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)。
为了活化注入的离子，并修复因为离子注入过程中带来的损伤和位错层等缺陷，经过离子注入处理的薄片需要在合适的时间和温度下进行退火。热退火过程在管式炉或者带式炉中进行。此外这个热退火过程可能在氧气环境下进行，以形成薄的氧化层钝化离子注入层表面。本实施例中具体选择热退火的温度为200～950℃，时间为5～300min。
采用离子注入的掺杂方式可以形成不同形状的重掺杂区和掺杂分布，这种离子注入掺杂方式能使硅片背面基区上的接触只发生在重掺杂的n++或者p++点状区域，这取决于硅片的导电类型，这种接触是通过只在孔洞区域形成金属化实现的，而大部分中度掺杂的区域上面都由在氧气环境下进行离子注入热退火过程中生成的氧化层覆盖，这层氧化层起钝化作用。在接触区域以下的重掺杂n++或者p++点状区域起局部背表面场的作用，能抑制少数载流子，因为显著缩小了背表面金属接触的面积，所以能大大减少背表面的复合损失。
利用上述离子注入的掺杂方式制作太阳电池的工艺步骤包括：首先在硅片表面形成织构化结构；然后在硅片的第一个表面上形成与晶体硅片导电类型相反的掺杂层作为发射极，接着在硅片的第二个表面上形成与晶体硅片导电类型相同的掺杂层，再采用上述离子注入的掺杂方式在硅片的第二个表面的固定区域上重掺与硅片导电类型相同的杂质；接着进行热退火，形成氧化层；随后采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在起钝化作用的氧化层上沉积SiNx，以在硅片前表面形成减反射层，在硅片背表面形成钝化层；然后在硅片的第二个表面的膜层结构的重掺杂区域上开孔，以使金属电极与硅片有良好的欧姆接触；最后在硅片两个面上实现接触电极的金属化。
实施例3
如附图4a-4c所示，制作高效太阳电池的另外一种优选的体现方式是采用电阻率为0.5～15Ω·cm的晶体硅片，用离子注入掺杂方式使重掺杂的n++和p++区域都位于硅片的同一面上，利用一对掩膜按顺序注入n型和p型掺杂离子束。可以首先在n型晶体硅片的一个表面利用具有开孔槽的掩膜注入p型掺杂剂，开孔槽可以使离子束在硅片上实现带状掺杂，然后再注入n型杂质离子微粒，实现叉指形的掺杂式样，完成叉指形背面接触(IBC)[M.D.Lammert andR.J.Schwartz，IEEE Trans.Electron.Devices，ED-24，337(1975)]的全背面结构太阳电池的掺杂制作。采用同样的注入方法，这种掺杂方式也可以在p型晶体硅片实现一样的掺杂式样。同时掺杂的顺序也可以是先离子注入p型杂质，然后是n型杂质。
本实施例中硅片为p型或n型的单晶或多晶硅片，其电阻率为0.5～15Ω·cm；形成n型掺杂的杂质为磷、砷或锑，形成p型掺杂的杂质为硼、铝、镓或铟。
本实施例中离子注入的温度为10～50℃，离子剂量为1013～1018离子/cm2，初始的离子能量范围为1KeV～5MeV，掺杂深度为100nm～5μm。
本实施例中在硅片的同一面制成n型和p型不同导电类型的掺杂层时，两种导电类型的掺杂层不相互重叠，掺杂区域的形状为条形，条形的宽度为100nm～10mm。
为了活化注入的离子，并修复因为离子注入过程中带来的损伤和位错层等缺陷，这些薄片需要在合适的时间和温度下进行退火。热退火过程在管式炉或者带式炉中进行。此外这个热退火过程可能在氧气环境下进行，以形成薄的氧化层钝化离子注入层表面。本实施例中具体选择热退火的温度为200～950℃，时间为5～300min。
这种采用离子注入掺杂方式使重掺杂的n++和p++点状区域都位于硅片的同一面上的做法，能大大简化将相反的极性设计在电池背面的IBC太阳电池的掺杂过程。通过在优化设计，利用穿孔点接触，以最大程度的减小串联电阻来实现金属与硅片背面n++或者p++区域的接触。这消除了在传统太阳电池中因为n型和p型区的接触电极在电池的两个相反表面，从而造成电极遮挡损失，并且具有更大的从各个电极接触处引出电流的电池面积比例，同时，这种方法具有更大的接触面积，使电流流出的面积与电池面积的比例大大增加，这可以降低电池的串联电阻，提高填充因子。
利用上述离子注入的掺杂方式制作太阳电池的工艺步骤可包括，但并不局限于：首先在硅片表面形成织构化结构，然后在硅片的第一个表面(受光面)上形成与晶体硅片导电类型相同的掺杂层作为前表面场，接着采用上述离子注入的掺杂方式在硅片的第二个表面(背面)上形成n++和p++局部重掺杂区，使局部重掺杂的n++和p++区域都位于硅片的同一面上；接着进行热退火，形成氧化层；随后采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在起钝化作用的氧化层上沉积SiNx，以在硅片前表面形成减反射层，在硅片背表面形成钝化层；然后在硅片的背表面的膜层结构的固定区域上开孔，开孔的位置与硅片背表面的固定区域上的重掺区相对应；最后在硅片的背表面上实现接触电极的金属化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用离子注入法制作太阳电池的方法，其特征在于：所述的光伏电池由以下结构组成：一种导电类型的晶体硅基底，基底为单晶硅片或者多晶硅片，导电类型为n型或者p型；在基底的前表面上具有发射极结构，该结构包含有具有特定掺杂浓度的掺杂层，其中的掺杂剂与基底的导电类型相反，包含有一套接触栅线，还包含在掺杂层上的一层减反射膜；在基底的背面具有背表面场结构，该结构包含有具有一层重掺杂层，其中的掺杂剂与基底的导电类型相同，包含一层绝缘薄膜，还包含穿过薄膜与重掺杂层形成欧姆接触的金属导电电极；该工艺采用离子注入法部分或完全替代热扩散实现在硅片上的杂质掺杂形成发射极结构和背表面场结构。
2.根据权利要求1所述的采用离子注入法制作太阳电池的方法，其特征在于：其中p+或者n+掺杂层在晶体硅基底的前表面采用离子注入法形成，离子注入的温度为10～50℃，所述掺杂层的掺杂深度在100nm～5μm。
3.根据权利要求1所述的采用离子注入法制作太阳电池的方法，其特征在于：其中p+或者n+掺杂层在晶体硅基底的背面采用离子注入法形成，离子注入的温度为10～50℃，掺杂层的掺杂深度在100nm～5μm。
4.根据权利要求3所述的采用离子注入法制作太阳电池的方法，其特征在于：其中p++或者n++点状掺杂区在所述晶体硅基底的背面p+或者n+掺杂层中形成，p++或者n++点状掺杂区利用掩膜，采用离子注入法在温度为10～50℃条件下实现，所述的点状掺杂区具有与基底一样的导电类型，所述的点状为圆形、椭圆形、正方形或长方形，点的大小为10μm～5mm。
5.根据权利要求1所述的采用离子注入法制作太阳电池的方法，其特征在于：其中薄膜在利用管式炉或者带式炉在氧气环境下进行退火时，在离子注入的掺杂层上和点状区域上形成，退火的温度为200～950℃，时间为5min～300min。
6.根据权利要求2或4所述的采用离子注入法制作太阳电池的方法，其特征在于：其中一束活性的、电离的掺杂杂质原子束注入到晶体硅片中，在硅片表面形成掺杂层，形成n型掺杂的杂质种类为磷(P)、砷(As)、锑(Se)，形成p型掺杂的杂质种类为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，离子剂量范围为1013～1018离子/cm2，初始的离子能量范围为10KeV～5MeV。
7.一种制作交替n型和p型导电类型掺杂带的方法，其特征在于：将n型和p型导电类型在晶体硅基底的同一个面上散布开来，并且不相互重叠，基底为单晶硅片或者多晶硅片，导电类型为n型或者p型。
8.根据权利要求7所述的制作交替n型和p型导电类型掺杂带的方法，其特征在于：其中交替导电类型掺杂带结构在晶体硅基底上采用离子注入法在掩膜掩护下形成，离子注入的温度为10～50℃，所述两种不同导电类型的掺杂带宽度不同或相同，宽度范围为100nm～10mm；所述掺杂层的掺杂深度为100nm～5μm。
9.根据权利要求7所述的制作交替n型和p型导电类型掺杂带的方法，其特征在于：其中离子注入法用来将活性的、电离的掺杂杂质原子注入到晶体硅片中，在硅片的同一个表面上形成交替导电类型的掺杂带结构，形成n型掺杂的杂质种类为磷(P)、砷(As)、锑(Se)，形成p型掺杂的杂质种类为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，离子剂量范围为1013～1018离子/cm2，初始的离子能量范围为10KeV～5MeV。
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