CN102315104A - 中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,属太阳能电池技术领域,利用中子嬗变掺杂,再经退火,实现受光面电极印刷区重掺杂(10~30ohm/sq),或者利用中子嬗变掺杂,同时实现发射极和电极印刷区的掺杂,再经退火,掩模区的发射极薄层电阻90~120ohm/sq,没有掩模区的电极印刷区薄层电阻10~30ohm/sq,一次性实现选择性发射极。本发明相比于工业化方法制作的晶体硅太阳能电池,蓝光响应增强,串联电阻减小,开路电压和短路电流增加,太阳能电池的光电转换效率增加。
Description
技术领域
本发明利用中子嬗变掺杂实现晶体硅太阳能电池选择性发射极,属太阳能电池技术领域。
背景技术
目前工业化制造晶体硅太阳能电池的方法包括如下步骤:⑴制绒;⑵ 扩散;⑶ 去边缘结,去磷硅玻璃;⑷ 镀SiNx薄膜;⑸ 丝网印刷,烧结。
步骤⑴、制绒
将硅表面由平面结构(与制绒后相比,粗糙度较小,称为平面结构)转变为能增加二次反射的“倒金字塔”结构。
步骤⑵、扩散
在800~900℃条件下,磷源(三氯氧磷)沉积在p型硅衬底上,并向内部扩散,在硅片表面形成50~60 ohm/sq的n型发射极。
步骤⑶、去边缘结,去磷硅玻璃
扩散时硅片的正面、背面和周边都形成了n型层,为了减少漏电,要把硅片周边的n型层去掉,即去掉周边的pn结。
去完周边结的硅片,需要在氢氟酸溶液中浸泡,以便将扩散过程中在硅表面形成的含有高浓度磷的二氧化硅层去掉。
步骤⑷、镀SiNx膜
PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积70~80 nm厚,折射率约2.1氮化硅层在硅片受光面,起到减反射和钝化的作用。
步骤⑸、丝网印刷和烧结
丝网印刷在太阳能电池正面和背面各印上一定图形的金属浆料,形成所需要的电极图形。
印刷好的电极图形,经过隧道炉烧炉即可实现背铝与硅合金化、正面银电极和背面银电极与硅合金化。实现了太阳能电池的欧姆接触。
上述方法主要存在以下不足:
1、现行的工业化生产晶体硅太阳能电池,存在着蓝光(太阳光中短波长光)响应差的问题,原因在于发射极的扩散薄层电阻达到50~60 ohm/sq,导致了大部分的短波长光在受光面被吸收后产生的电子-空穴对很快又被复合,改善电池的蓝色响应可以改善改池的开路电压,从而提高电池的光电转换效率。
2、现行的工业化大规模生产的晶体硅太阳能电池电极区的扩散薄层电阻50~60 ohm/sq,使太阳能电池电极的接触电阻偏大,降低了太阳能电池的短路电流和光电转换效率。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法。本发明相比于工业化方法制作的晶体硅太阳能电池,蓝光响应增强,串联电阻减小,开路电压和短路电流增加,太阳能电池的光电转换效率增加。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 轻扩散;
⑶ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,实现电极印刷区重掺杂;
⑷ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑸ 镀SiNx膜;
⑹ 丝网印刷,烧结。
作为上述方案的进一步设置,所述步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放入扩散炉,升高温度至800~900℃,通入磷源,经过40~60分钟扩散在硅片表面生成90~120 ohm/sq的轻扩散区。
所述步骤⑶具体包括,将轻扩散后的硅片放入中子辐照室,非电极印刷区通过掩模遮挡,没有中子透过;电极印刷区暴露在中子辐照区,经过1018~1020 neutrons/cm2剂量的中子辐照,将表面的30Si原子,嬗变为31P原子,再经过400~600℃退火2~3小时,实现电极印刷区的重掺杂。
所述电极印刷区暴露在中子辐照区,中子辐照剂量优选为5×1019 neutrons/cm2。
上述方法利用中子嬗变掺杂实现受光面电极印刷区重掺杂(10~30 ohm/sq)。
本方法将轻扩散后的硅片放入中子辐照室,在没有掩模的电极区,由于中子辐照,实现了部分的30Si原子转变为31P原子,从而实现了电极印刷区(10~30 ohm/sq)相对于发射极(90~120 ohm/sq)的重掺杂。
天然硅是由三种稳定同位素组成,其中30Si占3.1%。中子嬗变方法使30Si在热中子的照射下发生核反应,可以用下面的式子来表示:
30Si +n→31Si+γ
31Si→31P+β
在上面的式子中,n代表中子,γ代表γ粒子,β代表 β粒子。30Si俘获一个热中子后变成放射性同位素31Si,同时放出一个γ粒子。31Si的放射性半衰期为2.6小时,它释放出一个β粒子后就嬗变成稳定同位素31P,这就完成了中子嬗变磷掺杂。
这种独特的掺杂方法有以下几个优点:
(1)由于30Si在硅中的分布非常均匀和中子有比较大的射程,因此最终生成的稳定同位素31P的分布也就很均匀,即掺杂的均匀性很好,从而可以得到薄层电阻均匀的电极印刷区。
(2)通过控制中子通量(单位面积上的中子数)和照射时间,可以准确地控制核反应产物的数量,也就是说可以准确地控制掺杂量。
(3)掺杂的纯度高,不会产生有杂质元素的污染。
本发明的另一种制作方法,包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,同时实现发射极的轻掺杂和电极印刷区的重掺杂;
⑶ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑷ 镀SiNx膜;
⑸ 丝网印刷,烧结。
作为上述方案的进一步设置,所述步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放到中子辐照室,通过能减缓中子透过的掩模遮挡,实现有掩模区和没有掩模区中子辐照量的差异,经过1018~1020 neutrons/cm2剂量的中子辐照,再经过400~600℃退火2~3小时,掩模区的发射极薄层电阻90~120 ohm/sq,没有掩模区的电极印刷区薄层电阻10~30 ohm/sq,一次性实现选择性发射极。
所述中子辐照室的中子辐照剂量优选为5×1019 neutrons/cm2。
原理同第一个方法,中子辐照量的不同,造成硅转变成的磷原子浓度不同,从而薄层电阻不同。
本方法将制绒后的硅片放入中子辐照室,硅片受光面在特殊掩模的遮挡下,受到中子辐照,有掩模的发射极受到的中子辐照量小,由硅转变而成的磷原子少,薄层电阻大(90~120 ohm/sq);没有掩模的电极印刷区受到的中子辐照量大,由硅转变而成的磷原子多,薄层电阻小(10~30 ohm/sq)。一步实现选择性发射极的制作。
与工业化晶体硅太阳能电池相比,这两种方法生产的选择性发射极晶体硅太阳能电池具有如下优点:
1、本发明方法所制得的电池,扩散层非电极印刷区(发射极)薄层电阻为90~120 ohm/sq,提高了电池的蓝光响应能力。
薄层电阻是掺杂多少的一种衡量方法,掺杂越少薄层电阻越大。根据直接复合模型导出的公式 ,是复合几率的倒数,是非平衡少数载流子,是净直接复合率,代表不同热运动速度的电子和空穴复合几率的平均值,和分别表示平衡电子浓度和空穴浓度;为了提高电池的蓝光响应能力,需要增大光生少数载流子空穴的寿命,即增大上述公式中的,而、和都可以看作是定值,因此需要减小,即需要减少该区掺杂原子。所以发射极的薄层电阻达到90~120 ohm/sq。
2、本法所制得的选择性发射极电池,电极印刷区薄层电阻为10~30 ohm/sq降低了电极接触电阻。改善了电池的短路电流和填充因子。
根据金属与半导体接触隧道电流方程,如下方程1-1:
方程1.1和1.2中J是隧道电流密度, R c 是电极与硅之间的接触电阻, q是电子电量,h是普朗克常量,是电子有效质量,是相对介电常数,是真空介电常数,N D 是施主浓度,V D 是pn结接触电势差,V是结两端所加的电压。
根据方程1.1和1.2,可知增大N D 可以增大隧道电流密度J,减小电极与硅之间的接触电阻R c 。所以电极印刷区薄层电阻为10~30 ohm/sq。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明并不受以下实施例所限定。
实施例1:
一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 轻扩散;
⑶ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,实现电极印刷区重掺杂;
⑷ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑸ 镀SiNx膜;
⑹ 丝网印刷,烧结。
其中,步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放入扩散炉,升高温度至880℃,通入磷源,经过50分钟扩散在硅片表面生成90 ohm/sq的轻扩散区。
步骤⑶具体包括,将轻扩散后的硅片放入中子辐照室,非电极印刷区通过掩模遮挡,没有中子透过;电极印刷区暴露在中子辐照区,经过5×1019 neutrons/cm2剂量的中子辐照,将表面的30Si原子嬗变为31P原子,再经过400℃退火2小时,实现电极印刷区的30 ohm/sq重掺杂。
实施例2:
一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 轻扩散;
⑶ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,实现电极印刷区重掺杂;
⑷ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑸ 镀SiNx膜;
⑹ 丝网印刷,烧结。
其中,步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放入扩散炉,升高温度至870℃,通入磷源,经过55分钟扩散在硅片表面生成100 ohm/sq的轻扩散区。
步骤⑶具体包括,将轻扩散后的硅片放入中子辐照室,非电极印刷区通过掩模遮挡,没有中子透过;电极印刷区暴露在中子辐照区,经过7×1019 neutrons/cm2剂量的中子辐照,再经过450℃退火3小时,将表面的30Si原子嬗变为31P原子,实现电极印刷区的20 ohm/sq重掺杂。
实施例3:
一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,同时实现发射极的轻掺杂和电极印刷区的重掺杂;
⑶ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑷ 镀SiNx膜;
⑸ 丝网印刷,烧结。
其中,步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放到中子辐照室,通过能减缓中子透过的掩模遮挡,实现有掩模区和没有掩模区中子辐照量的差异,经过5×1019 neutrons/cm2剂量的中子辐照,再经过500℃退火2小时,掩模区的发射极薄层电阻100 ohm/sq,没有掩模区的电极印刷区薄层电阻30 ohm/sq,一次性实现选择性发射极。
实施例4:
一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,同时实现发射极的轻掺杂和电极印刷区的重掺杂;
⑶ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑷ 镀SiNx膜;
⑸ 丝网印刷,烧结。
其中,步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放到中子辐照室,通过能减缓中子透过的掩模遮挡,实现有掩模区和没有掩模区中子辐照量的差异,经过6.5×1019 neutrons/cm2剂量的中子辐照,再经过600℃退火3小时,掩模区的发射极薄层电阻90 ohm/sq,没有掩模区的电极印刷区薄层电阻20 ohm/sq,一次性实现选择性发射极。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思,而非对本发明权利保护的限定,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,其特征在于包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 轻扩散;
⑶ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,实现电极印刷区重掺杂;
⑷ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑸ 镀SiNx膜;
⑹ 丝网印刷,烧结。
2.如权利要求1所述的中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,其特征在于:所述步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放入扩散炉,升高温度至800~900℃,通入磷源,经过40~60分钟扩散在硅片表面生成90~120 ohm/sq的轻扩散区。
3.如权利要求1所述的中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,其特征在于:所述步骤⑶具体包括,将轻扩散后的硅片放入中子辐照室,非电极印刷区通过掩模遮挡,没有中子透过;电极印刷区暴露在中子辐照区,经过1018~1020 neutrons/cm2剂量的中子辐照,将表面的30Si原子,嬗变为31P原子,再经过400~600℃退火2~3小时,实现电极印刷区10~30 ohm/sq的重掺杂。
4.如权利要求3所述的中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,其特征在于:所述电极印刷区暴露在中子辐照区,中子辐照剂量为5×1019 neutrons/cm2。
5.一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,其特征在于包括以下工艺步骤:
⑴ 制绒;
⑵ 掩膜,中子嬗变掺杂,退火,同时实现发射极的轻掺杂和电极印刷区的重掺杂;
⑶ 去边缘结,去磷硅玻璃;
⑷ 镀SiNx膜;
⑸ 丝网印刷,烧结。
6.如权利要求5所述的一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,其特征在于:所述步骤⑵具体包括,将制绒后的硅片放到中子辐照室,通过能减缓中子透过的掩模遮挡,实现有掩模区和没有掩模区中子辐照量的差异,经过1018~1020 neutrons/cm2剂量的中子辐照,再经过400~600℃退火2~3小时,掩模区的发射极薄层电阻90~120 ohm/sq,没有掩模区的电极印刷区薄层电阻10~30 ohm/sq,一次性实现选择性发射极。
7.如权利要求6所述的一种中子嬗变掺杂实现选择性发射极晶体硅太阳能电池的制作方法,其特征在于:所述中子辐照室的中子辐照剂量为5×1019 neutrons/cm2。
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