CN102522449B - 一种制备硅太阳能电池的磷扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：(1)将待处理硅片放于扩散炉中，升温至780~810℃；(2)升温至810~870℃，待温度稳定后，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，携磷源氮气的流量为1~1.7L/min，干氧流量为0.4~0.7L/min；磷源为三氯氧磷，源温恒定在12~20℃，使硅片表面的磷杂质表面浓度为1.0e+21~1.3e+21cm-3；(3)保持扩散炉温度和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散；(4)降温，出舟完成扩散过程。本发明的磷扩散方法降低了硅片表面的磷杂质表面浓度，降低了表面少子复合率，提高光电转换效率；相比现有的磷扩散工艺，采用本发明的方法获得的太阳能电池的光电转换效率约有0.1%的绝对值提升，具有意想不到的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备硅太阳能电池的扩散制结工艺，具体涉及一种制备硅太阳能电池的磷扩散方法。
背景技术
太阳能电池是一种将光能直接转化为电能的器件，由于其清洁、无污染，取之不尽，用之不竭，逐渐成为一种重要的发电方式。其原理是利用PN结的光生伏特效应将光能转化成电能。
目前广泛采用的是硅太阳能电池，其制造工艺也已经标准化，主要步骤为：化学清洗及表面结构化处理（制绒）—扩散制结—刻蚀清洗—沉积减反射膜—印刷电极—烧结。其中，扩散制结（通常是磷扩散制结）步骤是一个关键步骤，制结工艺对电池的性能具有至关重要的影响，包括扩散死层的减少、接触电阻损失的降低，开路电压的提高，短路电流和填充因子的增加，都为最终获得高光电转换效率发挥着至关重要的作用。
目前，硅太阳能电池最常用的制结方法是液态源磷扩散，该方法是以氮气为载气，采用鼓泡的方式通过恒温的三氯氧磷源瓶，携带源蒸汽进入高温扩散炉中，受热分解还原出磷原子同硅片表面反应，并向硅片内扩散。扩散工艺决定了杂质的分布，若表面杂质浓度过高，则会形成扩散“死层”；死层中由于存在大量填隙原子和缺陷，光生载流子极易发生复合，少子寿命很低，会导致光电转换效率的下降。因此，为了避免上述问题，提高光电转换效率，必须降低表面杂质浓度。而欲降低PN结的表面浓度，通常最直接的方法是减小携源氮气的流量。然而，携源气体比例过小会使扩散气氛混合不充分、不均匀，从而导致方块电阻均匀性变差、工艺可控性变差。
此外，针对目前广泛应用于生产的管式扩散炉，影响片间不均匀性的主要因素有：轴向温度分布不均衡、进出气量不匹配及炉口散热较严重等；影响片内不均匀性的主要原因是气氛环境和温度场沿径向存在差异。因此，对于扩散气氛混合不充分、不均匀的情况，若只靠不同温区温度补偿的方法，显然远无法达到较理想的均匀扩散状态，最终将影响后续工艺参数的可控性和太阳电池的电性能。
发明内容
本发明目的是提供一种制备硅太阳能电池的磷扩散方法，以提高太阳能电池的光电转换效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制备硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1) 将待处理硅片放于扩散炉中，升温至780~810℃，炉内环境为氮气气氛，氮气流量10~20 L/min；
(2) 升温至810~870℃，待温度稳定后，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，扩散时间为15~25 min，所述携磷源氮气的流量为1~1.7 L/min，干氧的流量为0.4~0.7 L/min；
所述磷源为三氯氧磷，源温恒定在12~20℃，使硅片表面的磷杂质表面浓度为1.0e+21~1.3e+21 cm-3；
(3) 保持扩散炉温度和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散，扩散时间10~20 min；
(4) 降温至780~810℃，出舟，完成扩散过程。
相对于传统扩散工艺，本发明采用降低源温的方法，减小三氯氧磷的饱和蒸气压，以降低源浓度，得到低表面浓度的PN结。在降低源浓度的同时，相应增大携源氮气的流量，促进扩散气氛混合充分、均匀，并保证达到方块电阻的控制点。减小整体气体流量，合理调整炉内气体比例、压强及尾排量，有利于充分均匀炉内气氛和形成低表面浓度结。
上文中，源温决定了源瓶内的饱和蒸气压，进而决定携源量，是影响扩散的重要因素之一。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明开发了一种新的磷扩散方法，在降低三氯氧磷源温的同时，相应增大了携源氮气的流量，从而降低了硅片表面的磷杂质表面浓度，因而降低了表面少子复合率，提高光电转换效率；试验证明，相比现有的磷扩散工艺，采用本发明的方法获得的太阳能电池的光电转换效率约有0.1%的绝对值提升，具有意想不到的技术效果。
2、本发明在降低三氯氧磷源温的同时，相应增大了携源氮气的流量，使扩散气氛混合充分、均匀，可以将片内及片间的方块电阻的不均匀度控制在较理想的范围，扩散均匀性得到明显的改善，进而提高后续工艺参数的可控性，最终改善太阳电池的电性能。
3、本发明的制备方法简单，在不增加设备工装和工艺时间的同时，还能够减少气体的用量，降低了成本。
4、本发明适用范围广，不仅可用于多种扩散设备，还适用于单晶、多晶及类单晶等多种硅片，适于推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例一和对比例一的杂质浓度对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种制备硅太阳能电池的磷扩散方法，其步骤包括：
（1）将制绒后常规多晶掺硼P156硅片放入氮气流量为14~16 L/min、温度为800℃的扩散炉管内；
（2）升温至830℃左右，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，扩散时间为15~25 min，干氧流量为0.4~0.5 L/min，所述磷源为三氯氧磷，源温恒定在15~18℃，携源氮气流量为1.3~1.6L/min，使硅片表面的磷杂质表面浓度为1.2e+21 cm-3；
（3）炉管温度及干氧流量保持不变，停止通入携源氮气，进行有氧限定源扩散14~16min；
（4）降温至800℃后出舟，扩散完成。
其中，在扩散管固定位置，放置确定晶向的P156硅片，以便进行表面浓度测试对比。用电化学微分电容电压法测得硅片PN结的磷杂质表面浓度为1.2e+21cm-3，参见附图1所示。
从整管实验片中，等距抽取8片，采用五点法测量其方块电阻，结果如下表所示：
在AM1.5、光强1000W、温度25℃的条件下，测得电性能参数如下表所示：
对比例一
对常规多晶掺硼P156硅片运行传统磷扩散工艺。其中，在与实施例相同的位置，放置相同晶向的P156硅片，测得PN结的表面浓度高于2.5e+21cm-3，参见附图1所示。
从整管实验片中，等距抽取8片，测量其方块电阻，结果如下表所示：
在AM1.5、光强1000W、温度25℃的条件下，测得电性能参数如下表所示：
图1中，横坐标为硅片扩散面深度，纵坐标为硅片中杂质浓度的对数值，可见，相比对比例一，实施例一的硅片表面的磷杂质表面浓度较低。从上面2个方块电阻测定表可见，实施例一中硅片片间的方块电阻的不均匀度较小，扩散均匀性得到明显的改善。从上面2个电性能参数表格中可见，实施例一的光电转换效率有0.11%的绝对值提升，具有意想不到的技术效果。
综上所述，采用本发明的扩散工艺，在有效降低硅片PN结表面浓度的同时，可以改善扩散的均匀性，最终能够实现太阳电池光电转换效率的提升。
Claims (1)
1.一种制备硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 将待处理硅片放于扩散炉中，升温至780~810℃，炉内环境为氮气气氛，氮气流量10~20 L/min；
(2) 升温至810~870℃，待温度稳定后，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，扩散时间为15~25 min，所述携磷源氮气的流量为1~1.7 L/min，干氧的流量为0.4~0.7 L/min；
所述磷源为三氯氧磷，源温恒定在12~20℃，使硅片表面的磷杂质表面浓度为1.0e+21~1.3e+21 cm-3；
(3) 保持扩散炉温度和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散，扩散时间10~20 min；
(4) 降温至780~810℃，出舟，完成扩散过程。
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