CN102064239B - 一种多晶硅厚膜太阳能电池生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，步骤是：1.高温下，在装载有液态Sn的耐高温槽内，采用化学气相沉积工艺，以SiH4或者SiHCl3为硅源、以O2气为氧源在液态Sn表面沉积一层SiO2过渡层；2.在该过渡层上采用化学气相沉积法沉积一层厚度为10-150微米厚的硼掺杂P型或磷掺杂N型多晶硅；3.对该P型或N型多晶硅层通过原位磷或硼扩散在表面形成PN结；4.适当降低衬底温度，从液态Sn表面分离多晶硅厚膜PN结；5.采用常规工艺完成多晶硅厚膜电池制作。通过本发明制作的多晶硅厚膜太阳能电池光电转换效率可以超过16％，且省去了铸锭、切片等繁琐环节，能耗低、成本低，具有巨大的产业化价值。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池生产方法，进一步是指多晶硅厚膜太阳能电池生产方法。
背景技术
常规多晶硅太阳能电池是以高纯多晶硅为原料，先通过铸锭、线切割等工艺得到厚度为300～200μm的多晶硅片，再采用半导体加工工艺制作成太阳能电池片。一方面多晶硅经高温还原得到后需冷却，冷却后需要重新加热铸锭，能耗很大，另外采用线切割工艺会造成30％-50％的硅浪费，很难获得厚度小于100μm的硅片。实际上对于硅基太阳能电池而言，吸收太阳光能量所需要的硅厚度可以很薄。如果选择合适的器件结构，15微米的薄膜晶体硅电池的理论效率可以达到27％，接近单晶硅电池的理论极限。实验室也已经获得了转换效率超过18％的晶体硅薄膜电池。太阳能电池的薄膜化是以降低太阳能电池制作成本和节省昂贵的半导体材料为目的的。多晶硅薄膜太阳能电池是将多晶硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳能电池的激活层，不仅保持了晶体硅太阳能电池的高性能和稳定性，而且材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。
为了节省硅材料，研究人员从70年代中期就试图在玻璃等廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的多晶硅太阳能电池。由于受到廉价衬底和生长温度的制约，一般采用PECVD、磁控溅射等技术只能生长出晶粒极小、载流子迁移率很低的非晶硅、微晶硅薄膜。虽然非晶硅薄膜电池成本低，制备方便，但也存在严重的缺点，即非晶硅电池的不稳定性，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，另外非晶硅薄膜太阳电池的效率也较低，一般只有5％到7％。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远少于切片工艺的多晶硅衬底，又无效率衷减等问题，其理论成本要远低于多晶硅片电池。因此，多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳电池，现在已经成为国际太阳能领域的研究热点。
要制备多晶硅薄膜和厚膜太阳能电池，首先需要选择合适的衬底材料，衬底材料必须满足如下条件：价格低廉，具有好的化学和机械稳定性，与硅的热膨胀系数匹配，耐高温且不会引入明显杂质污染。目前见报道的生长多晶硅薄膜的衬底有：冶金级多晶硅，石墨或者SiC，陶瓷，石英，玻璃，不锈钢等衬底。但可惜的是，没有一种衬底能满足上述全部要求。所以低成本地制作具有高光电转换效率的多晶硅薄膜太阳能电池依然是摆在各国研究人员面前的巨大难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，采用低熔点、低蒸汽压、高密度金属锡作为可分离的液态“衬底”，解决多晶硅厚膜太阳能电池和锡的界面反应问题和分离问题，实现低成本制作具有高光电转换效率的多晶硅薄膜太阳能电池
由于大晶粒多晶硅属于间接带隙半导体，一般制作太阳能电池所需厚度为5微米-100微米，本发明定义该厚度的多晶硅膜为“厚膜”。
本发明的技术方案之一是，所述多晶硅厚膜太阳能电池生产方法的工艺步骤为：
(1)在800℃-1400℃温度下，在承载有液态金属Sn的耐高温槽内，先采用化学气相沉积工艺，以SiH4或SiHCl3为硅源、以O2气为氧源，在液态Sn表面沉积一层SiO2过渡层；
(2)继续保持锡槽所述高温，并且在该过渡层上，以硼烷掺杂的硅烷为反应气体，采用化学气相沉积工艺沉积一层厚度为5微米-100微米厚的P型多晶硅厚膜；
(3)通入磷烷对P型多晶硅厚膜进行掺杂形成PN结；PN结的发射极方块电阻范围为40Ω/□-120Ω/□；
(4)降低锡槽温度到250℃-500℃，利用SiO2过渡层和液态金属Sn的不浸润特性，从液态Sn表面分离多晶硅厚膜PN结，最后结合常规工艺制多晶硅厚膜太阳能电池。
进一步地，对于步骤(1)，本底真空优于10帕斯卡，耐高温槽为石英槽或石墨槽，硅源与氧源的体积比为1∶1-5；SiO2过渡层沉积速率为1纳米/秒-10纳米/秒，沉积厚度为0.5微米-5微米。
对于步骤(2)，本底真空优于1帕斯卡，多晶硅沉积速率为5纳米/秒-100纳米/秒，所沉积的多晶硅薄膜电阻率为1Ω.cm-100Ω.cm；
本发明的技术方案之二是，所述多晶硅厚膜太阳能电池生产方法的工艺步骤为：
(1)在800℃-1400℃温度下，在承载有液态金属Sn的耐高温槽内，先采用化学气相沉积工艺，以SiH4或SiHCl3为硅源、以O2气为氧源，在液态Sn表面沉积一层SiO2过渡层；
(2)继续保持锡槽所述高温，并且，在该过渡层上，以磷烷掺杂的硅烷为反应气体，采用化学气相沉积工艺沉积一层厚度为5微米-100微米厚的N型多晶硅厚膜；
(3)通入硼烷对N型多晶硅厚膜进行扩散掺杂形成PN结；PN结的发射极方块电阻范围为40Ω/□-120Ω/□；
(4)降低锡槽温度到250℃-500℃，利用SiO2过渡层和液态金属Sn的不浸润特性，从液态Sn表面分离多晶硅厚膜PN结，最后结合常规工艺制多晶硅厚膜太阳能电池。
进一步地，对于步骤(1)，本底真空优于10帕斯卡，耐高温槽为石英槽或石墨槽，硅源与氧源的体积比为1∶1-5；SiO2过渡层沉积速率为1纳米/秒-10纳米/秒，沉积厚度为0.5微米-5微米。
对于步骤(2)，本底真空优于1帕斯卡，多晶硅沉积速率为5纳米/秒-100纳米/秒，所沉积的多晶硅薄膜电阻率为1Ω.cm-100Ω.cm。
由以上可知，本发明为一种多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，它巧妙地解决了高温生长多晶硅膜的衬底问题，使得大面积、低成本多晶硅厚膜太阳能电池制作成为可能。采用本发明工艺制作的多晶硅厚膜太阳能电池转换效率可以超过16％，而且所需硅源料少，省去了铸锭、切片等繁琐环节，具有低成本、低能耗、高效率等优点，具有巨大的产业化价值。
具体实施方式
实施例1：多晶硅厚膜太阳能电池生产方法的工艺步骤为：
(1)将装载有高纯金属Sn的石英槽放入化学气相沉积的腔室，抽真空到本底真空低于10帕斯卡后加热衬底，保持衬底温度为1000℃，通入SiH4和O2，SiH4与O2的体积比为1∶2，在液态Sn表面沉积一层厚度为0.5微米的SiO2过渡层；SiO2过渡层沉积速率为5纳米/秒；
(2)接着继续采用化学气相沉积技术，以SiH4和BH3为反应气体在SiO2表面上沉积一层厚度为50微米，电阻率为2Ω.cm的P型多晶硅厚膜；多晶硅沉积速率为50纳米/秒；
(3)以磷烷为掺杂源，对该P型多晶硅层通过原位磷扩散在表面形成PN结，N新型发射极方块电阻为60Ω/□；
(4)降低锡槽温度到300℃，利用SiO2过渡层和液态金属Sn的不浸润特性，从液态Sn表面分离多晶硅厚膜PN结；
(5)最后去除SiO2过渡层，沉积SiNx钝化层，并用丝网印刷、烧结等金属化工艺完成多晶硅厚膜电池制作。
实施例2：多晶硅厚膜太阳能电池生产方法的工艺步骤为：
(1)将装载有高纯金属Sn的石英槽放入化学气相沉积的腔室，抽真空到本底真空低于10帕斯卡后加热衬底，保持衬底温度为1100℃，通入SiHCl3和O2，SiHCl3与O2的体积比为1∶3，在液态Sn表面沉积一层厚度为10微米的SiO2过渡层；SiO2过渡层沉积速率为7纳米/秒；
(2)接着继续采用化学气相沉积技术，以SiHCl3和BH3为反应气体在SiO2表面上沉积一层厚度为10微米，电阻率为10Ω.cm的P型多晶硅厚膜；多晶硅沉积速率为20纳米/秒；
(3)以磷烷为掺杂源，对该P型多晶硅层通过原位磷扩散在表面形成PN结，N新型发射极方块电阻为60Ω/□；
(4)其余步骤同实施例1。
实施例3：多晶硅厚膜太阳能电池生产方法的工艺步骤为：
(1)将装载有高纯金属Sn的石墨槽放入化学气相沉积的腔室，抽真空到本底真空低于10帕斯卡后加热衬底，保持衬底温度为1100℃，通入SiH4和O2，SiH4与O2的体积比为1∶4；在液态Sn表面沉积一层厚度为5微米的SiO2过渡层，SiO2过渡层沉积速率为8纳米/秒；
(2)接着继续采用化学气相沉积技术，以SiHCl3和PH3为反应气体在SiO2表面上沉积一层厚度为100微米，电阻率为1Ω.cm的N型多晶硅厚膜；多晶硅沉积速率为100纳米/秒；
(3)以硼烷为掺杂气体，对该N型多晶硅层通过原位硼扩散在表面形成PN结，N型发射极方块电阻为50Ω/□；
(4)其余步骤同实施实例1。
Claims (6)
1.一种多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，其特征是，它的工艺步骤为：
(1)在800℃-1400℃温度下，在承载有液态金属Sn的耐高温槽内，先采用化学气相沉积工艺，以SiH4或SiHCl3为硅源、以O2气为氧源，在液态Sn表面沉积一层SiO2过渡层；
(2)继续保持锡槽所述高温，并且：
在该过渡层上，以硼烷掺杂的硅烷为反应气体，采用化学气相沉积工艺沉积一层厚度为5微米-100微米厚的P型多晶硅厚膜；
(3)通入磷烷对P型多晶硅厚膜进行掺杂形成PN结；PN结的发射极方块电阻范围为40Ω/□-120Ω/□；
(4)降低锡槽温度到250℃-500℃，利用SiO2过渡层和液态金属Sn的不浸润特性，从液态Sn表面分离多晶硅厚膜PN结，最后结合常规工艺制取多晶硅厚膜太阳能电池。
2.根据权利要求1所述多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，其特征是，对于步骤(1)，本底真空优于10帕斯卡，耐高温槽为石英槽或石墨槽，硅源与氧源的体积比为1∶1-5；SiO2过渡层沉积速率为1纳米/秒-10纳米/秒，沉积厚度为0.5微米-5微米。
3.根据权利要求1所述多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，其特征是，对于步骤(2)，本底真空优于1帕斯卡，多晶硅沉积速率为5纳米/秒-100纳米/秒，所沉积的多晶硅薄膜电阻率为1Ω.cm-100Ω.cm。
4.一种多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，其特征是，它的工艺步骤为：
(1)在800℃-1400℃温度下，在承载有液态金属Sn的耐高温槽内，先采用化学气相沉积工艺，以SiH4或SiHCl3为硅源、以O2气为氧源，在液态Sn表面沉积一层SiO2过渡层；
(2)继续保持锡槽所述高温，并且，在该过渡层上，以磷烷掺杂的硅烷为反应气体，采用化学气相沉积工艺沉积一层厚度为5微米-100微米厚的N型多晶硅厚膜；
(3)通入硼烷对N型多晶硅厚膜进行扩散掺杂形成PN结；PN结的发射极方块电阻范围为40Ω/□-120Ω/□；
(4)降低锡槽温度到250℃-500℃，利用SiO2过渡层和液态金属Sn的不浸润特性，从液态Sn表面分离多晶硅厚膜PN结，最后结合常规工艺制取多晶硅厚膜太阳能电池。
5.根据权利要求4多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，其特征是，对于步骤(1)，本底真空优于10帕斯卡，耐高温槽为石英槽或石墨槽，硅源与氧源的体积比为1∶1-5；SiO2过渡层沉积速率为1纳米/秒-10纳米/秒，沉积厚度为0.5微米-5微米。
6.根据权利要求4多晶硅厚膜太阳能电池生产方法，其特征是，对于步骤(2)，本底真空优于1帕斯卡，多晶硅沉积速率为5纳米/秒-100纳米/秒，所沉积的多晶硅薄膜电阻率为1Ω.cm-100Ω.cm。
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