CN102254991A - 一种晶体硅太阳能电池片及其扩散方法 - Google Patents

一种晶体硅太阳能电池片及其扩散方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶体硅太阳能电池片及其扩散方法，该方法包括：将硅片放入扩散炉中，升温至780℃～800℃；经扩散炉管向扩散炉通入预设含量的小氮、氧气和大氮，扩散炉内温度保持在780℃～800℃，时间为15min～20min；经扩散炉管向扩散炉通入预设含量的氧气和大氮，扩散炉内温度升至850℃～870℃，时间为10min～18min；扩散过程结束，在扩散炉降温后取出硅片；在整个扩散过程中，所述扩散炉管内的气体流量恒定。采用本发明的方法生产出的太阳能电池片的PN结结深较浅，方块电阻更为均匀，提高了太阳能电池的转换效率。

Description

一种晶体硅太阳能电池片及其扩散方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池的生产加工技术，更具体的说，涉及一种晶体硅太阳能电池片及其扩散方法。
背景技术
近年来，太阳能电池片生产技术不断进步，生产成本不断降低，转换效率不断提高，使得光伏发电的应用日益普及并迅猛发展，逐渐成为电力供应的重要来源。太阳能电池片可以在阳光的照射下，把光能转换为电能，实现光伏发电。
太阳能电池片的生产工艺比较复杂，简单说来，目前的太阳能电池片的生产过程可以分为一下几个主要步骤：
S11、超声清洗，利用超声波清洗硅片表面；
S12、制绒面，通过化学反应在原本光滑的硅片便面形成凹凸不平的结构，以增强光的吸收；
S13、扩散，将P型的硅片放入扩散炉内，通过硅原子之间的空隙使N型杂质原子由硅片表面层向硅片内部扩散，形成PN结，使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样便形成电流，也就使硅片具有光伏效应；
S14、等离子刻蚀，去除扩散过程中在硅片边缘形成的将PN结短路的导电层；
S15、去磷硅玻璃，化学清洗硅片表面，去掉反应形成的磷硅玻璃；
S16、PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子增强的化学气相沉积)，即沉积减反射膜，利用薄膜干涉原理，减少光的反射，起到钝化作用，增大电池的短路电流和输出功率，提高转换效率；
S17、丝网印刷烧，采用银浆印刷正电极和背电极，采用铝浆印刷背场，以收集电流并起到导电的作用，在高温下使印刷的电极与硅片之间形成欧姆接触；
S18、测试分选。
由于PN结是太阳能电池的核心结构，PN结的质量直接决定着天阳能电池的电性能参数。通过在P型硅片表面掺杂N型杂质，从而形成P-N结的过程，称之为扩散。所以上述扩散步骤是太阳能电池生产的关键环节。
现有技术采用的扩散方式为POCL3液态源扩散，如图2所示，硅片1位于石英管2内的承载台3上，1POCL3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，表示为N2)、携带气体(一般采用氮气，流量在2L/min以下，俗称小氮，表示为N2-POCl3)，通过氮气携带N2-POCl3并同时通入一定量的氧气，使加热炉管中的硅片表面生成含磷的氧化层，在高温下，磷从氧化层扩散到硅中，从而在P型硅片表面形成一层薄的重掺杂的N型区，即掺磷的发射区。
在实际生产过程中，采用现有技术中的扩散方法生产的太阳能电池的转换效率普遍偏低，发明人经过研究发现，太阳能电池片的转换效率还可以进一步改善。
发明内容
本发明实施例提供了一种晶体硅太阳能电池片及其扩散方法，以进一步改善太阳能电池片的电性能，尤其是改善晶体硅太阳能电池片的转换效率。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种扩散方法，包括：
A、将硅片放入扩散炉中，升温至780℃～800℃；
B、经扩散炉管向扩散炉通入预设含量的小氮、氧气和大氮，扩散炉内温度保持在780℃～800℃，时间为15min～20min；
C、经扩散炉管向扩散炉通入预设含量的氧气和大氮，扩散炉内温度升至850℃～870℃，时间为10min～18min；
D、扩散过程结束，在扩散炉降温后取出硅片。
在整个扩散过程中，所述扩散炉管内的气体流量恒定。
优选的，步骤B中，所述经过扩散炉管的小氮与氧气的体积流量比为4∶1～7∶1。
优选的，所述扩散炉管内的气体流量保持在7L/min。
优选的，所述小氮流量为1L/min～1.5L/min，所述氧气的流量为0.15L/min～0.42L/min，所述大氮的流量为5.08L/min～5.85L/min。
优选的，所述小氮流量为1.3L/min，所述氧气的流量为0.3L/min，所述大氮的流量为5.4L/min。
优选的，步骤C中，所述经过扩散炉管的氧气流量为2L/min～3L/min，所述大氮的流量为4L/min～5L/min。
一种采用上述方法生产的晶体硅太阳能电池片。
优选的，所述电池片的PN结的结深为0.18um～0.22um。
优选的，所述电池片方块电阻的不均匀度在4％以内。
优选的，所述电池片的转换效率为16.5％～17.5％。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明通过降低反应温度，使得扩散杂质的活性降低，减小所形成的PN结的扩散深度，即形成的PN结结深较浅，表面掺杂浓度较低，从而提高了电池片在短波段内的光谱响应度，提高了电池片对光的吸收率，在一定程度上为提高太阳能电池的转换效率做了良好的铺垫；通过恒流通气，扩散炉内在整个扩散过程中的气氛稳定，使得扩散过程中反应气体在扩散炉内的分布更加均匀，且整个扩散过程气体扰动较小，使得电池片的方块电阻更为均匀，同时，扩散炉内气氛的均匀在一定程度上也有利于浅结的形成。由于形成的PN结为浅结，且电池片的方块电阻的均匀性提高了，从而提高了太阳能电池的转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术晶体硅太阳能电池的制作方法流程图；
图2为晶体硅太阳能电池制作过程中扩散工艺的示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种晶体硅太阳能电池制作过程中扩散工艺的基本流程图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，在现有扩散技术下生产出来的晶体硅太阳能电池片的转换效率偏低，发明人研究发现，晶体硅太阳能电池片在实际应用过程中，对其转换效率的影响因素有很多，其中最主要的有太阳能电池方块电阻的不均匀度和电池PN结的结深两个因素，而扩散过程对电池方块电阻的不均匀度与PN结结深有较大的影响，所以通过改善现有的扩散技术，能使生产出来的太阳能电池片的转换效率提高。
以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例一
本实施例提供了一种扩散方法，主要应用于晶体硅太阳能电池的生产，其基本过程如图3所示，包括如下步骤：
步骤S31、将硅片放入扩散炉中，升温至780℃～800℃，
优选为790℃。
步骤S32、经扩散炉管向扩散炉通入体积流量比为4∶1～7∶1的小氮和氧气，同时通入5L/min～7L/min的大氮，扩散炉内温度保持780℃～800℃，时间为15min～20min，
小氮的流量优选为1.3L/min，氧气的流量优选为0.3L/min，大氮的流量优选为5.4L/min，时间优选为17min。
步骤S33、经扩散炉管向扩散炉通入2L/min～3L/min的氧气和4L/min～5L/minL大氮，扩散炉内温度升至850℃～870℃，时间为10min～18min，
氧气的流量优选为2.5L/min，大氮的流量优选为4.5L/min，温度优选为860℃，时间优选为15min。
该步骤是在升温的过程中进行推结，这样使得杂质在结区的扩散分布平缓，改变了硅片的表面态，从而在一定程度上提高了硅片表面的少子寿命，亦提高了晶体硅太阳能电池的使用寿命。
步骤S34、扩散过程结束，在扩散炉降温后取出硅片。
需要说明的是，在整个扩散过程中，主要是步骤S32和步骤S33中，所述扩散炉管内的气体流量恒定，优选的，所述扩散炉管内的气体流量为7L/min，举例来说，本实施例中步骤S32中小氮与氧气的流量可以在保持二者体积比为4∶1～7∶1的范围内变化，优选的小氮的流量为1.3L/min，氧气的流量为0.3L/min，随着小氮和氧气的流量的变化，适当的调整大氮的流量，如大氮的流量为5.4L/min，以保持总流量在7L/min；步骤S33中氧气的流量可以在2L/min～3L/min的范围内变化，随着氧气的流量的变化，适当的调整大氮的流量，如大氮的流量在4L/min～5L/min范围内变化，以保持总流量在7L/min。
如上所述，扩散炉管内的气体流量恒定，且扩散炉的进气与出气的量是相同的，如此，扩散炉内的气氛是稳定的，使得扩散过程中反应气体在扩散炉内的分布更加均匀，且整个扩散过程气体扰动较小，这样在扩散过程中，硅片的每个部分所处的环境是一样的，进而所形成的硅片的方块电阻更加均匀，方块电阻的不均匀性是由不均匀度来衡量的，应用此扩散方法生产出来的电池片的不均匀度较现有技术大大减小了，基本上可以控制在4％以内。
并且，从步骤S32和步骤S33中可知，本发明实施例的扩散过程中的反应温度较低，本领域技术人员可以理解，低温扩散过程中，扩散杂质的活性降低，使硅片PN结的扩散深度减小，即形成的PN结结深较浅，但是在现有技术中，采用低温扩散技术制作的浅结往往电性能不能满足需求，PN结的性能较差，发明人研究发现，低温制作的浅结的性能受其制作过程中气体氛围的影响较大，由于现有技术低温制浅结的过程中，扩散炉内的气体氛围不稳定，扩散过程中气体扰动明显，从而制作出的PN结深浅不一，方块电阻的不均匀度很高，严重影响浅结电池片的电性能。
基于以上原因，本实施例中通过采用较低的扩散温度，同时保持扩散炉管内的气体流量恒定，使扩散炉内气氛的稳定，同时合理的控制扩散温度，可以有效改善低温扩散技术制备的结深较浅的PN结的性能。采用本实施例中的扩散方法，最后由扩散炉中取出的硅片PN结的扩散深度可以达到0.2um左右，较现有技术下的0.4um要浅了一半。
因此，本实施例中由于成功的制备了浅结，使硅片表面掺杂浓度较低，从而提高了电池片在短波波段内的光谱响应度，提高了电池片对光的吸收率，在一定程度上为提高太阳能电池的转换效率做了良好的铺垫，同时由于方块电阻的不均匀度降低了，因此有效的提高了晶体硅太阳能电池片的转换效率。
另外，现有技术是两步通源，而本实施例是低温一步通源，如此，扩散的整个最少用时为25min，较现有扩散方法的33min要短；扩散过程中，本实施例的扩散炉管内的气体流量保持在7L/min，且只在步骤B中通入小氮，而现有扩散技术中每个环节里扩散炉管内的气体流量为8L/min或大于8L/min，在第一次通源和第二次通源两个步骤中通入小氮，所以在本实施例中，气体总量，尤其是小氮的量比现有技术使用的少，从而降低了生产成本。
下面以具体实验数据说明本发明实施例的效果。
采用20片同一批次的硅片，采用同样的技术得到清洗制绒后的硅片，本发明工艺与正常工艺做对比。
随机选取其中10片用本发明方案进行扩散。将剩下10片按照常规工艺进行扩散，之后都采用相同工艺完成后续工作。
其中，采用本发明方案进行扩散具体过程包括如下步骤：
步骤1、将硅片放入扩散炉中，升温至790℃；
步骤2、经扩散炉管向扩散炉通入1.3L/min小氮、0.3L/min氧气和5.4L/min大氮，扩散炉内温度保持在860℃，时间为17min；
步骤3、经扩散炉管向扩散炉通入2.5L/min的氧气和4.5L/min大氮，扩散炉内温度升至860℃，时间为15min；
步骤4、扩散过程结束，在扩散炉降温后取出硅片。
在整个扩散过程中，所述扩散炉内的气体流量恒定为7L/min。
表1采用本发明实施例的方法生产的太阳能电池片的各项电性参数
Figure BDA0000072765090000081
按照常规工艺进行扩散的具体过程包括如下步骤：
步骤1、将硅片放入扩散炉中，升温至工艺温度860℃；
步骤2、通源1：通以工艺气体大氮8L/min，小氮1L/min，氧气3L/min，时间为15min；
步骤3、通源2：工艺气体仍为大氮8L/min，小氮2L/min，氧气2L/min，时间为10min；
步骤4、恒温推结：工艺气体为大氮8L/min，时间为8min；
步骤5、扩散炉降温，取出硅片。
表2采用正常工艺实施例下生产的太阳能电池的各项电性参数
Figure BDA0000072765090000091
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、最大功率平均值均有了一定幅度的提高，转换效率平均值由16.57％提高到16.84％，提高了0.27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。
实施例二
本实施例提供了一种采用上一实施例所述的扩散方法制备的晶体硅太阳能电池。
所述太阳能电池的PN结结深在0.18um～0.22um之间，即0.2um左右；方块电阻的不均匀度控制在4％以内；转换效率在16.5％～17.5％之间，平均值可以达到16.84％。
所述太阳能电池的结深较现有扩散技术下的结深要浅了，方块电阻的不均匀度也减小了许多，较现有扩散技术下的转换效率平均值有所提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种扩散方法，其特征在于，包括：
A、将硅片放入扩散炉中，升温至780℃～800℃；
B、经扩散炉管向扩散炉通入预设含量的小氮、氧气和大氮，扩散炉内温度保持在780℃～800℃，时间为15min～20min；
C、经扩散炉管向扩散炉通入预设含量的氧气和大氮，扩散炉内温度升至850℃～870℃，时间为10min～18min；
D、扩散过程结束，在扩散炉降温后取出硅片；
在整个扩散过程中，所述扩散炉管内的气体流量恒定。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤B中，所述经过扩散炉管的小氮与氧气的体积流量比为4∶1～7∶1。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述扩散炉管内的气体流量保持在7L/min。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述小氮流量为1L/min～1.5L/min，所述氧气的流量为0.15L/min～0.42L/min，所述大氮的流量为5.08L/min～5.85L/min。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述小氮流量为1.3L/min，所述氧气的流量为0.3L/min，所述大氮的流量为5.4L/min。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，步骤C中，所述经过扩散炉管的氧气流量为2L/min～3L/min，所述大氮的流量为4L/min～5L/min。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的方法生产的晶体硅太阳能电池片。
8.根据权利要求7所述电池片，其特征在于，所述电池片的PN结的结深为0.18um～0.22um。
9.根据权利要求8所述电池片，其特征在于，所述电池片方块电阻的不均匀度在4％以内。
10.根据权利要求9所述电池片，其特征在于，所述电池片的转换效率为16.5％～17.5％。
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