CN102148284B - 制备多晶硅太阳能电池发射极的扩散方法 - Google Patents

制备多晶硅太阳能电池发射极的扩散方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备多晶硅太阳能电池发射极的扩散方法。主要采用液态POCl3磷源，使用高浓度掺杂扩散工艺，通过改善发射极磷分布曲线，达到提高硅电池性能的目的。其采用了多次通源扩散的方法：对硅片进行预氧化后，先在较低温度下，对硅片进行第一次有源扩散；然后升到较高的温度进行第二次有源扩散；或升高到更高的温度进行第三次有源扩散。此种方法相比一次有源扩散可以在不增加成本的情况下获得的效率提升。

Description

制备多晶硅太阳能电池发射极的扩散方法
技术领域
本发明属于多晶硅太阳能电池技术领域，特别是涉及多晶硅太阳能电池发射极的制备方法。
背景技术
晶体硅电池利用P-N结的光生伏特效应实现光→电转换。由于其使用寿命长，具有低碳和绿色环保等优点，将成为将来代表性新能源。目前商业化的晶体硅电池主要工艺流程为：硅片表面清洗和损伤层去除，表面减反射绒面的形成→利用扩散的方法形成P-N结→边结和PSG的去除→表面减反射膜的沉积和钝化作用→背电极、铝背场和正面电极的印刷→利用烧结使得电极和硅片之间形成良好的欧姆接触→测试分检。这种常规电池由于其工艺简单和便于大规模生产，从而具有较低的成本，成为现在主流的商业化电池。
P-N结被认为是太阳能电池的“心脏”。P-N结形成质量对硅电池性能有重要影响。现在一些高效电池（如SE电池）也主要是改进发射极来提高效率。有研究表明：P-N结对电池效率的影响最大。在现有热扩散工艺下，P-N结的形成质量主要受扩散温度、时间、磷源浓度等因素的影响。当这些因素之间的关系达到最优值，才能够提供良好的电性能参数。因此，在常规工艺的基础上通过优化发射极磷杂质的分布曲线，可以在不增加成本的前提下获得硅电池效率的提升，具有重要的意义。
目前硅电池行业使用热扩散法制备P-N结，按照扩散过程中温度来看：有恒温工艺（图1）和变温工艺（图2）之分。恒温工艺指一次升高到某个温度，进行扩散。而变温工艺主要指在扩散过程中使用不同的温度，目前主要使用低温预沉积和升温扩散的过程。但无论是恒温工艺还是变温工艺，其都是基于一次通源。一次通源扩散过程，磷杂质在硅体内的分布一般符合高斯分布和余误差分布。单纯的通过变化温度，浓度或者时间都很难改变其在硅片内部的掺杂曲线，优化程度有限。
发明内容
本发明的目的是提供多晶硅太阳能电池发射极制备方法，采用多次通源扩散来达到改善其杂质分布曲线；以便在现有生产线条件下，提高多晶硅太阳能电池的效率。
本发明实现上述目的所采取的技术方案是，制备多晶硅太阳能电池发射极的扩散方法，包括两次有源扩散或者三次有源扩散。
第一个方面，所述的扩散方法包括两次有源扩散，第二次扩散相对第一次扩散温度高10-60℃，升温速率为0.67℃/min-12℃/min；步骤如下：
⑴ 预氧化：在800-840℃对硅片表面进行预氧化处理，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑵ 一次扩散：在800-840℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第一次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%； 
⑶ 升温并一次杂质再分布：在不通源且在氧气保护下，将温度升高到850-900℃，进行第一次杂质的再分布，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑷ 二次扩散：在850-900℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第二次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑸ 二次杂质再分布：在850-900℃、不通源且在氧气保护下，进行第二次杂质再分布，控制时间为0-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑹ 冷却：在氧气保护下降温冷却，控制氧气比例以体积百分计为3%-25%，然后取出硅片；
所述的大N为用于稀释和推进混合气体，使得混合气体快速充满炉管的大宗N2，所述的小N为用于携带POCl3进入炉管的小宗N2。
第二个方面，所述的扩散方法包括三次有源扩散，第二次扩散温度相对第一次扩散温度高10-40℃，升温速率为0.67℃/min-8℃/min；第三次扩散温度相对第二次扩散温度高10-40℃，升温速率为0.67℃/min-8℃/min；步骤如下：
⑴ 预氧化：在800-830℃对硅片表面进行预氧化处理，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑵ 一次扩散：在800-830℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第一次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑶ 升温并一次杂质再分布：在不通源且在氧气保护下，将温度升高到840-870℃，进行第一次杂质的再分布，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑷ 二次扩散：在840-870℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第二次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑸ 升温并二次杂质再分布：在不通源且在氧气保护下，将温度升高到880-910℃，进行第二次杂质的再分布，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑹ 三次扩散：在880-910℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第二次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑺ 三次杂质再分布：在880-910℃、不通源且在氧气保护下，进行第三次杂质再分布，控制时间为0-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑻ 冷却：在氧气保护下降温冷却，控制氧气比例以体积百分计为3%-25%，然后取出硅片；
所述的大N为用于稀释和推进混合气体，使得混合气体快速充满炉管的大宗N2，所述的小N为用于携带POCl3进入炉管的小宗N2。
目前根据P-N结掺杂的类型，有均匀掺杂和非均匀掺杂两种类型。对于均匀掺杂的P-N结晶体硅电池，由于异型载流子的扩散，只在P区和N区的界面处形成很小的线度的耗尽层内部存在电场，其他区域电场强度为零。当光入射到电池内部时，只有在耗尽层及其附近的光生电子-空穴对受电场力的驱使是电极所收集形成光生电流，其他区域因没有电场的存在，光生-电子空穴对不能被有效的分离，复合率较大，因此这部分光生载流子不能够有效的产生光生电流，如果在N区和P区进行有效的梯度掺杂，由于同型区域内载流子的扩散，在无光照平衡条件下形成一定的电荷分布，从而产生电场，最大限度的收集各处的光生载流子，以增大闭路电流提高效率。
本发明通过多步扩散的程序，利用温度作为梯度掺杂的条件，相比一步扩散工艺，在发射极内部形成更大的一个磷杂质浓度梯度。对发射极内的光生少子-空穴形成一个更大的势垒，阻挡其向硅片表面的迁移而导致的表面复合损失，驱使其迁移到P-N结区而被分离。由于其表面复合的减小，能够提高少子寿命，从而获得开路电压和短路电流的提高，最终获得电池效率的提升。
附图说明
图1为一次扩散恒温工艺曲线示意图。
图2为一次扩散变温工艺曲线示意图。
图3为本发明一种实施方式两次扩散变温工艺曲线示意图。
图4为本发明另一种实施方式三次扩散变温工艺曲线示意图。
图5为本发明一种实施方式两次扩散工艺与一次扩散工艺（恒温）少子寿命对比情况图。
具体实施方式
实施例1：一种两次扩散制备多晶硅太阳能电池发射极的方法。
经过清洗和制绒后的多晶156×156硅片，使用管式扩散炉进行扩散。在830℃的温度下，首先进行10min的预氧化，氧气比例为10%。然后进行10min的第一次有源扩散，小N比例为10%。升温到860度，升温速率为5℃/min，升温过程同时也为第一次杂质再分布。进行20min的第二次有源扩散，小N比例为10%。最后进行5min的第二次杂质再分布过程，氧气比例为10%。最后降温取出扩散好的硅片。具体过程如图3所示。使用本实施例两次扩散工艺，并经后道工序做成电池片后，测试其电性能参数如表1所示；与一次扩散工艺（恒温）少子寿命对比情况如图5所示，测试仪器为WT-2000。
实施例2：一种三次扩散制备多晶硅太阳能电池发射极的方法。
经过清洗和制绒后的多晶156×156硅片，使用管式扩散炉进行扩散。在820℃温度下，首先进行5min的预氧化过程，氧气比例为10%。然后进行10min的第一次有源扩散，小N比例为10%。升高温度到840℃，升温速率为5℃/min，升温过程同时也为第一次杂质再分布。进行10min的第二次有源扩散，小N比例为10%。然后升高到860℃，升温速率为5℃/min，升温过程同时也为第二次杂质再分布。进行10min的第三次有源扩散，小N比例为10%。再在860度下进行5min的第三次杂质再分布过程，氧气比例为10%。最后降温取出扩散好的硅片。具体过程如图4所示。使用本实施例三次扩散工艺，并经后道工序做成电池片后，测试其电性能参数如表1所示。
表1 电性能参数
试验类型 Ncell Uoc(V) Isc(A) FF Rs(ohm)
一次扩散 16.52% 0.6171 8.4571 77.05 0.0039
两次扩散 16.70% 0.6180 8.5383 77.01 0.0039
三次扩散 16.61% 0.6200 8.4903 76.77 0.0039

Claims (2)

1.制备多晶硅太阳能电池发射极的扩散方法，包括两次有源扩散，第二次扩散相对第一次扩散温度高10-60℃，升温速率为0.67℃/min-12℃/min；其特征在于：
步骤如下：
⑴ 预氧化：在800-840℃对硅片表面进行预氧化处理，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑵ 一次扩散：在800-840℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第一次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑶ 升温并一次杂质再分布：在不通源且在氧气保护下，将温度升高到850-900℃，进行第一次杂质的再分布，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%； 
⑷ 二次扩散：在850-900℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第二次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑸ 二次杂质再分布：在850-900℃、不通源且在氧气保护下，进行第二次杂质再分布，控制时间为0-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑹ 冷却：在氧气保护下降温冷却，控制氧气比例以体积百分计为3%-25%，然后取出硅片；
所述的大N为用于稀释和推进混合气体，使得混合气体快速充满炉管的大宗N2，所述的小N为用于携带POCl3进入炉管的小宗N2。
2.制备多晶硅太阳能电池发射极的扩散方法，包括三次有源扩散，第二次扩散温度相对第一次扩散温度高10-40℃，升温速率为0.67℃/min-8℃/min；第三次扩散温度相对第二次扩散温度高10-40℃，升温速率为0.67℃/min-8℃/min；其特征在于，步骤如下：
⑴ 预氧化：在800-830℃对硅片表面进行预氧化处理，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑵ 一次扩散：在800-830℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第一次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑶ 升温并一次杂质再分布：在不通源且在氧气保护下，将温度升高到840-870℃，进行第一次杂质的再分布，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑷ 二次扩散：在840-870℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第二次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑸ 升温并二次杂质再分布：在不通源且在氧气保护下，将温度升高到880-910℃，进行第二次杂质的再分布，控制时间为5-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑹ 三次扩散：在880-910℃，使用液态POCl3磷源，通入大N、氧气和小N的混合气体，对硅片进行第二次有源扩散，控制时间为10-30min，小N比例以体积百分计为5%-15%；
⑺ 三次杂质再分布：在880-910℃、不通源且在氧气保护下，进行第三次杂质再分布，控制时间为0-15min，氧气比例以体积百分计为3%-25%；
⑻ 冷却：在氧气保护下降温冷却，控制氧气比例以体积百分计为3%-25%，然后取出硅片；
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