CN102758256A - 一种晶体硅片的磷扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅片的磷扩散方法，包括如下步骤：(1)第一次恒定源扩散：升温至700~820℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散；(2)高温推进：以10~25℃/min的升温速率升温至860~1000℃，进行推进；(3)第二次恒定源扩散：降温至830~860℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散；(4)扩散结束，降温出舟。实验证明：相对于现有的磷扩散工艺，采用本发明的磷扩散方法制备的电池片的开路电压得到7mV左右的显著提升，制得的电池片的填充因子可以提升0.9，使组件损耗降低了0.97%，取得了意想不到的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体硅片的磷扩散方法，该晶体硅片可用来制备太阳能电池片，属于太阳电池领域。
背景技术
常规的化石燃料日益消耗殆尽，在现有的可持续能源中，太阳能无疑是一种最清洁、最普遍和最有潜力的替代能源。目前，在所有的太阳能电池中，晶体硅太阳能电池是得到大范围商业推广的太阳能电池之一，这是由于硅材料在地壳中有着极为丰富的储量，同时硅太阳能电池相比其他类型的太阳能电池，有着优异的电学性能和机械性能。因此，晶体硅太阳电池在光伏领域占据着重要的地位。
目前，常规的晶体硅太阳电池的生产工艺是从晶体硅片出发，进行制绒，扩散，刻蚀清洗，镀膜，丝印烧结。晶体硅片的扩散（通常是管式磷扩散制结）步骤是制备太阳电池的一个关键步骤，它决定了硅片的表面掺杂浓度、结深和有效掺杂量，从而对电池的电性能产生重要影响。其中，表面掺杂浓度的大小直接会影响硅与金属电极间的接触，从而影响填充因子；有效体掺杂量越大，电池的开路电压越大。
提高组件输出功率是优化整个电池工艺的最终目的。对太阳电池组件而言，电池片的电压和电流是影响功率大小的最直接参量。由于组件中电池片为串联连接，电流受到水桶效应的影响，损耗较大，而电压基本无损失。因此提高开路电压对降低组件损失、提高组件输出功率具有最明显的促进作用。
常规的磷扩散方法主要包括如下步骤：(1) 高温磷扩散，其扩散温度通常为840~860℃；(2) 恒温推进，推进温度通常为840~860℃。该方法形成的磷杂质分布的特征为：在一定的横向电阻范围内，表面掺杂浓度与体掺杂量反相关。由此产生的直接后果是对填充因子和开路电压的优化会相互制约，使通过调整掺杂量改善电池片整体电性能的研究遇到瓶颈。
对此，目前的研究大多数是通过增加工序、改变电池结构来同时提高输出电压和填充因子，进而提高转换效率。但是，制备此类高效电池都不可避免地要面对提高工艺条件、增加成本、需验证工业化可行性等一系列问题。
发明内容
本发明目的是提供一种晶体硅片的磷扩散方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种晶体硅片的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1) 第一次恒定源扩散：将待处理的晶体硅片放于扩散炉中，升温至700~820℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为10~18 min；所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0 L/min，干氧的流量为0.6~2.0 L/min，大氮的流量为8~16 L/min；
(2) 高温推进：停止通入携磷源氮气，以10~25℃/min的升温速率升温至860~1000℃，同时通入干氧和大氮，进行推进，干氧的流量为0.5~3 L/min，大氮的流量为8~16 L/min，扩散时间为20~30 min；
(3) 第二次恒定源扩散：降温至830~860℃，待温度稳定后，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为10~15 min；所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0 L/min，干氧的流量为0.6~2.0 L/min，大氮的流量为8~16 L/min；
(4) 扩散结束，降温至600~820℃，出舟。
本发明的步骤(1)的第一次恒定源扩散是低温扩散，因而本发明采用的是“先低温扩散，后高温推进，再二次扩散”的方法。
步骤(2)中的高温推进为固定升温速率的限定源扩散，目标温度较高，升温速率较大。
上述技术方案中，所述步骤(1)和(3)中，所述磷源为三氯氧磷，源温恒定在18~25℃。
本发明同时请求保护由上述扩散方法制得的晶体硅片。
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，采用了“先低温扩散，后高温推进”的扩散方式，其中，低温扩散有利于稳定方块电阻的均匀性、降低表面掺杂量、减少死层；快速高温推进可以促进有效体掺杂量的提高，从而提高电池的开路电压；实验证明：相对于现有的磷扩散工艺，采用本发明的方法制备的电池片的开路电压得到7mV左右的显著提升，使组件损耗降低了0.97%，取得了意想不到的技术效果。
2．本发明采用了第一次恒定源扩散和第二次恒定源扩散二次恒定源扩散，可以较好地控制表面掺杂浓度；由于二次恒定源的工艺条件决定了其主要影响表面掺杂，而对首次扩散形成的硅片内部杂质分布影响很小，因此可以实现对填充因子的单独控制；实验证明：相对于现有的扩散工艺，采用本发明的方法制备的电池片的填充因子可以提升0.9，取得了意想不到的技术效果。
3．本发明采用了二次恒定源扩散，在不影响体掺杂分布的前提下，其表面掺杂浓度在3×1020 ~1.7×1021 atom/cm3范围内大小可控；从而放宽了后序金属化的匹配条件，如可适用于不同的浆料、烧结温度等。
4．本发明的方法适用于单晶、多晶等多种类型硅片，便于推广。
5．本发明的扩散方法简单易行，操作简单，不增加任何其它设备、工序和附加成本，因而具有良好的可行性和适应性。
附图说明
图1是本发明实施例一和对比例一中硅片的表面掺杂浓度对比图。
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
一种晶体硅片的磷扩散方法，其步骤包括：
(1) 将制绒后的常规单晶125硅片放于扩散炉中，升温至800℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行第一次恒定源扩散，扩散时间为15 min；携磷源氮气的流量为1.2L/min，干氧的流量为0.9 L/min，大氮的流量为10 L/min；
(2) 停止通入携磷源氮气，以15℃/min的升温速率升温至900℃，同时通入干氧和大氮，进行推进，通入干氧的流量为1 L/min，大氮的流量为10 L/min，扩散时间为26 min；
(3) 降温至830℃，待温度稳定后，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行第二次恒定源扩散，扩散时间为10 min，携磷源氮气的流量为1.8 L/min，干氧的流量为1.6 L/min，大氮的流量为10 L/min；
(4) 降温至800℃，出舟，完成扩散过程。
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8.7×1020 atom/cm3。
对比例一
与实施例一相比，与对比例采用相同的扩散管位置，不同工艺步骤，制备出掺磷硅片，具体如下：
一种晶体硅片的磷扩散方法，其步骤包括：
(1) 将制绒后的常规单晶125硅片放于扩散炉中，升温至840℃，炉内环境为氮气气氛；通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，扩散时间为20 min，源温恒定在20~23℃，所述携磷源氮气的流量为1 L/min，干氧的流量为0.6 L/min，大氮流量为10 L/min；
(2) 停止通入携磷源氮气，进行恒温推进，运行时间为10 min；
(5) 降温至800℃，出舟，完成扩散过程。
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1.3×1021 atom/cm3。
上述实施例和对比例中的硅片PN结的磷杂质表面浓度是通过电化学电容-电压测试得到的。
然后将上述实施例一和对比例一的硅片进行了掺杂浓度的测试对比。用电化学微分电容电压法测得硅片PN结的磷杂质表面掺杂浓度，如图1所示；图中，横坐标为硅片扩散面的深度，纵坐标为硅片中杂质浓度的对数值；由图可见：实施例一所得硅片的表面浓度明显低于对比例一，且深于0.1微米的有磷掺杂区的有效掺杂量得到明显提高。
在AM1.5、光强1000W、温度25℃的条件下，测得实施例一和对比例一的电性能参数，如下表所示：
其中，Voc为开路电压，Isc为短路电流，FF为填充因子，EFF为光电转换效率，CTM为组件转换效率。从测试所得电性能参数可见，相对于对比例一，实施例一所制备的电池片开压高7mV，填充因子高0.9，转换效率高0.4%，组件损耗降低了0.97％。
综上所述，利用本发明对体掺杂量和表面掺杂浓度均可独立控制的特点，通过最佳优化，使开路电压和填充因子同时得到显著的提升，最终明显地提高了光电转换效率、降低了组件损耗，具有意想不到的技术效果。
Claims (3)
1.一种晶体硅片的磷扩散方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 第一次恒定源扩散：将待处理的晶体硅片放于扩散炉中，升温至700~820℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为10~18 min；所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0 L/min，干氧的流量为0.6~2.0 L/min，大氮的流量为8~16 L/min；
(2) 高温推进：停止通入携磷源氮气，以10~25℃/min的升温速率升温至860~1000℃，同时通入干氧和大氮，进行推进，干氧的流量为0.5~3 L/min，大氮的流量为8~16 L/min，扩散时间为20~30 min；
(3) 第二次恒定源扩散：降温至830~860℃，待温度稳定后，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为10~15 min；所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0 L/min，干氧的流量为0.6~2.0 L/min，大氮的流量为8~16 L/min；
(4) 扩散结束，降温至600~820℃，出舟。
2.根据权利要求1所述的晶体硅片的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(1)和(3)中，所述磷源为三氯氧磷，源温恒定在18~25℃。
3.由权利要求1至2中任一项所述的扩散方法制得的晶体硅片。
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