CN102925982A - 一种太阳能电池及其扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池及其扩散方法，该方法包括：将硅片放入扩散炉中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃，包括端点值，向扩散炉内通源进行磷扩散，向硅片中扩散磷的量基本为，在当前扩散炉内温度下的磷在硅片中的最大固溶度；将扩散炉内温度升温至810℃~820℃，包括端点值，使磷向硅片内部扩散；将扩散炉内温度升温至840℃~850℃，包括端点值，升温过程中通源，以进行变温扩散；保持升温后的温度，通入氧气以进行高温推进，直至磷在硅片中的扩散量达到目标值，对扩散炉内进行降温后，打开扩散炉取出硅片。采用本方法生产的电池片，表面磷杂质浓度低，“死层”厚度小，磷浓度分布梯度大，转换效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，涉及一种太阳能电池及其扩散方法。
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，太阳能电池的制作过程主要包括：制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷和烧结等。扩散制作PN结是晶硅太阳电池的核心，也是电池质量好坏的关键之一。以P型电池片为例，扩散原理为通过高温下三氯氧磷的热分解以及三氯氧磷和氧气的反应生成五氧化二磷，五氧化二磷再和二氧化硅反应生成磷，在高温下，磷扩散进入硅片当中形成一定结深和杂质梯度分布的N型层，从而和P型硅衬底在界面处形成PN结。磷扩散不仅起到形成PN结的作用，同时还能起到对硅片中金属杂质离子的吸杂作用。
目前，现有技术主要采用的扩散工艺为两步扩散工艺，包括恒定源扩散（沉积）和限定源扩散（推进）两步。推进是指在一定温度下不通入三氯氧磷的情况下使前一步沉积的磷进一步向硅片内扩散以便控制PN结的结深和磷杂质浓度梯度分布。这种扩散便于制作浅结，提高太阳电池短波响应。
两步扩散工艺主要过程如下：
S11：前净化过程，即将硅片放入扩散炉中，升温至750℃~800℃范围内，在扩散炉内通入的氧气，生长二氧化硅层；
S12：低温通源沉积过程，即在步骤S11温度下通源进行扩散，为了满足PN结结深和杂质浓度分布的要求需要在硅片表面沉积过量的磷；
S13：升温过程，即将扩散炉内温度升温至835℃~850℃范围内某一温度；
S14：高温推进过程，即保持步骤S13升温后的温度，通入氧气推进步骤S12中沉积的磷进一步向硅片内扩散。
但是，在实际生产过程中发现，采用上述扩散工艺制作出的太阳能电池的转换效率仍有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种太阳能电池及其扩散方法，通过低温下少量通源扩散和变温通源扩散两次扩散，降低了表面磷杂质浓度，减少了“死层”厚度，增加磷杂质浓度梯度分布，提高硅片转换效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种扩散方法，包括以下步骤：
A、将硅片放入扩散炉中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃，包括端点值，向扩散炉内通源进行磷扩散，向硅片中扩散磷的量基本为，在当前扩散炉内温度下的磷在硅片中的最大固溶度；
B、将扩散炉内温度升温至810℃~820℃，包括端点值，使磷向硅片内部扩散；
C、将扩散炉内温度升温至840℃~850℃，包括端点值，升温过程中通源，以进行变温扩散；
D、保持步骤C升温后的温度下，通入氧气以进行高温推进，直至磷在硅片中的扩散量达到目标值，对扩散炉内进行降温后，打开扩散炉取出硅片。
优选的，步骤B和步骤C中的升温速度相同，其升温速度为5℃/min~10℃/min。
优选的，所述源为氧气和带有三氯氧磷的氮气的混合气体，该混合气体中氧气和带有三氯氧磷的氮气的气体体积比为3:13。
优选的，步骤A和步骤C中所述源中带有三氯氧磷的氮气的气体流量为800sccm~1200sccm，其中步骤A中进行磷扩散的时间为5~10分钟。
优选的，所述步骤A和步骤C中，带有三氯氧磷的氮气气体流量为1000sccm，步骤A中进行磷扩散的时间为10分钟。
优选的，步骤D中通入氧气的流量为300sccm~800sccm，所述高温推进的时间为5~10分钟。
优选的，在步骤A中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃之后还包括：在扩散炉内通入氧气，在硅片表面形成二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度在50nm~60nm范围内。
优选的，在步骤A中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃之后还包括：在扩散炉内通入氧气的流量为500sccm~800sccm，时间为5~10分钟。
一种采用上述方法生产的晶体硅太阳能电池片。
优选的，所述电池片的转换效率为16.5%~17.5%。
优选的，所述电池片的磷杂质浓度在1021个/立方厘米以下。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明将两步扩散改为多次扩散与变温扩散结合，扩散过程中有两次通源，因此，在通源总量固定的情况下，每次通源的量都不会过多，即低温通源沉积过程中就不再需要在硅片表面沉积过量的磷原子，经过之后的升温推进过程，一部分磷会进入硅片中，从而进一步降低了表面的磷杂质浓度。
在后续的变温扩散过程中继续通源，且由于温度持续升高，硅片的最大固溶度也在不断增加，磷杂质不断的溶入硅片内部，并不沉积在表面，进一步降低了磷的表面浓度，从而避免了“死层”厚度过大，在一定程度上提升了电池片的整体性能。在其后的推进过程中不断的向硅片内部扩散，形成了具有较大尖锐度的磷浓度分布曲线，易于形成载流子输运的漂移场，增加了载流子寿命，进一步提高了电池片效率。
此外，本方法还有以下优点：
由一次扩散改为变温和多次扩散制备PN结，因为过程控制更精确更细化，避免了温度的剧烈变化引起的扩散不稳定性，增强了工艺的稳定性，提高了磷扩散的均匀性，所以最终扩散后的方块电阻均匀性较好。同时变温扩散过程中的变温过程增大了磷吸杂作用，减少了硅片的缺陷、损伤，提高了电池片的转换效率。
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扩散方法流程图；
图2为本发明实施例所提供扩散方法与现有技术方法生产的硅片的磷杂质浓度分布对比图；
图3为本发明实施例所提供的晶体硅太阳能电池扩散方法流程图。
具体实施方式
正如背景技术所述，采用现有的扩散工艺制作的太阳能电池的转换效率偏低，发明人研究发现，出现这一问题的原因包括以下几点：
现有技术中的两步扩散为了满足PN结结深和杂质浓度分布的要求，需要沉积大于磷在硅中固溶度的磷原子沉积在表面，使得硅片表面磷杂质浓度高，如图2距离表面20nm~50nm范围内含有高浓度磷的表面层，该层缺陷较多，会使载流子在此层产生大量的复合，也就是所谓的“死层”，“死层”的存在不利于太阳电池转换效率的提升。
同时，三氯氧磷和氧气反应出的磷原子除了沉积在硅表面，过量的磷原子还会和硅片表面的二氧化硅反应形成磷硅玻璃，此层在高温下会继续和硅片发生反应使部分P进入到硅片中，从而增加靠近表面部分的磷杂质浓度，使磷杂质浓度分布曲线相对平缓，不利于形成载流子输运的漂移场，造成载流子寿命相对较低，影响电池片的转换效率。
基于此，本发明提供了一种扩散方法及采用该扩散方法制得的太阳能电池，以克服现有技术存在的上述问题，该扩散方法包括：A、将硅片放入扩散炉中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃，包括端点值，向扩散炉内通源进行磷扩散，向硅片中扩散磷的量基本为，在当前扩散炉内温度下的磷在硅片中的最大固溶度；B、将扩散炉内温度升温至810℃~820℃，包括端点值，使磷向硅片内部扩散；C、将扩散炉内温度升温至840℃~850℃，包括端点值，升温过程中通源以进行变温扩散；Ｄ、保持步骤C升温后的温度下，通入氧气以进行高温推进，直至磷在硅片中的扩散量达到目标值，对扩散炉内进行降温后，打开扩散炉取出硅片。
本发明提供的太阳能电池及其扩散方法，硅片表面磷杂质浓度低，“死层”厚度小，磷浓度分布相对尖锐，增加了载流子寿命，提高了电池片效率。
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
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。
本实施例提供了一种扩散方法，其流程图如图3所示，该扩散方法应用于太阳能电池制作过程，该方法包括以下步骤：
S31：前净化过程，即将硅片放入扩散炉中，将扩散炉内的温度升温至750℃~800℃，包括端点值，向扩散炉内通入氧气，在硅片表面形成厚度在50nm~60nm范围内的二氧化硅层。
本实施例中在扩散炉内通入氧气的流量为500sccm~800sccm，时间为5~10分钟。
本步骤生长二氧化硅层的目的是使后续的磷沉积透过氧化层进行扩散以减少扩散对硅的损伤，提高扩散的均匀性。
S32：低温通源沉积过程，即保持步骤S31升温后的温度，向扩散炉内通源进行磷扩散，向硅片中扩散磷的量基本为，在当前扩散炉内温度下的磷在硅片中的最大固溶度。
本实施例中的源为氧气和带有三氯氧磷的氮气的混合气体，该混合气体中氧气和带有三氯氧磷的氮气的气体体积比为3:13，该步骤中带有三氯氧磷的氮气的气体流量为800sccm~1200sccm，进行磷扩散的时间为5~10分钟。
优选的，带有三氯氧磷的氮气气体流量为1000sccm，进行磷扩散的时间为8分钟。
该步骤通过控制工艺时间及其掺杂源的流量、浓度来控制掺杂引入磷杂质的总量。同现有技术中的步骤S12低温通入过量的源相比，该步骤通源并不过量，所以不会沉积过量的磷原子，从而避免了磷杂质表面浓度过大及“死层”厚度过大。
S33：升温推进过程，即将扩散炉内温度升温至810℃~820℃，包括端点值，使磷向硅片内部扩散，其升温速度为5℃/min~10℃/min。
该步骤的升温过程会使磷原子从硅片表面向硅片内部扩散，使得硅片表面的磷浓度降低。同时，该步骤同现有技术中的步骤S13相比，升温速度慢，升温幅度小，避免了温度的剧烈变化引起的扩散不稳定性，能够提高扩散的均匀性，减少不均匀扩散造成的缺陷。
S34：变温通源扩散过程，即将扩散炉内温度升温至840℃~850℃，包括端点值，升温过程中通源，以进行变温扩散。
该步骤扩散炉内的升温速度与步骤S33相同，即为5℃/min~10℃/min，所通的源和通源的流量与步骤S32相同，即源为氧气和带有三氯氧磷的氮气的混合气体，该混合气体中氧气和带有三氯氧磷的氮气的气体体积比为3:13。带有三氯氧磷的氮气的气体流量为800sccm~1200sccm，优选的，带有三氯氧磷的氮气气体流量为1000sccm。
该步骤在升温过程中通源，由于磷在Si中的固溶度随着温度升高不断变大，磷原子会随着固溶度的增大，不断地扩散进入硅片的内部，减少了过多的磷原子在硅表面的沉积，进一步减少了“死层”的厚度。同时，由于磷在Si中的固溶度不断提高，在一定程度上加强了磷扩散的吸杂作用，使磷可以吸收硅片中更多金属杂质。
在扩散过程中，当大量的磷原子扩散进硅片中难免会产生大量的位错，现有技术的扩散方法高低温变化较大，扩散过程不容易控制，导致扩散容易引入缺陷、损伤以及均匀性差。但是本实施例中的升温过程同现有技术的升温过程相比，升温速度慢，升温幅度小，过程控制更精确更细化，使扩散过程变得平稳，有利于磷原子找到合适的位置从而减少了缺陷的产生，提高了扩散的均匀性。
S35：高温推进过程，即保持在步骤S34升温后的温度下，通入氧气进行高温推进，直至磷在硅片中的扩散量达到目标值。
该步骤通入氧气的流量为300sccm~800sccm，所述高温推进的时间为5~10分钟。
本实施例中，经过以上步骤扩散后，硅片表面磷浓度相比现有技术已大幅降低，且在该步骤的推进过程中磷杂质在高温下不断的向硅片内部扩散，进一步降低了硅片表面的磷浓度。同时，由于本实施例过程控制比现有技术更细化，多次扩散、推进不仅降低了表面的磷浓度，还避免了靠近表面层的磷堆积，在磷浓度分布曲线上表现出较大尖锐度，即：增大了磷浓度梯度分布，这样易于形成载流子输运的漂移场，增加了载流子寿命，进一步提高了电池片效率。
S36：降温、开炉门过程，即对扩散炉内进行降温后，打开扩散炉取出硅片。
该降温过程为对扩散炉内以5℃/min~10℃/min的降温速度进行降温，在750℃~800℃范围内，打开扩散炉，在一定的速率下取出硅片。
需要说明的是，在整个扩散过程中，保持持续通入氮气对整个扩散过程进行保护。本实施例中的扩散工艺没有增加任何外加设备等，即没有增加任何生产成本。
本领域技术人员可以理解，在现有技术中的两步扩散工艺中，通过低温沉积控制掺杂的杂质总量，为了满足一定的结深，需要在表面沉积远大于磷在对应温度下的最大固溶度的磷原子，导致表面磷杂质浓度较高，过量的磷原子沉积形成了较厚的“死层”。
同时，过量的磷原子还会和硅片表面的一层二氧化硅反应形成一层磷硅玻璃。高温推进时表面沉积的一部分磷进入到了硅中，而在硅片表面的磷硅玻璃层中的磷在高温下也会和硅片发生反应使部分磷进入到硅片中，使靠近表面部分的磷杂质浓度继续增高，导致磷杂质分布曲线相对平缓，磷杂质浓度分布曲线不够尖锐，不利于形成载流子输运的漂移场，从而载流子寿命相对较低，造成了电池片效率低下。因此，若要提高转换效率，改进现有技术的扩散工艺，应减少硅片表面的磷沉积，促进磷杂质向硅片内部的扩散。
本实施例通过将现有技术中的两步扩散工艺改为多次扩散与变温扩散工艺相结合，在扩散过程中由一次通源改为两次通源，因此，低温通源过程中就不需要过量磷杂质的沉积，而之后的升温过程，推进一部分磷会进入硅片中，进一步降低了表面的磷杂质浓度。
在后续的变温扩散过程中继续通源，且由于温度持续升高，硅片的最大固溶度也在不断增加，磷杂质不断的溶入硅片内部，并不沉积大量磷杂质在表面，避免了“死层”厚度过大，从而在一定程度上提升了电池片的整体性能。在其后的推进过程中进一步的使磷杂质向硅片内部扩散，并不堆积在靠近硅片表面部分，因而能够形成具有较大的磷浓度梯度分布，易于形成载流子输运的漂移场，增加了载流子寿命，进一步提高了电池片效率。
同时，由于本实施例过程控制更细化，温度变化比现有技术更缓慢，使扩散过程更稳定，提高了扩散的均匀性。而变温扩散过程中由于磷吸杂作用的增强，使得硅片的缺陷、损伤减少，提高了了电池片的整体效率。
综上，由一次扩散改为变温和多次扩散制备PN结，因为“死层”厚度减小，磷浓度分布梯度增加，所以载流子寿命增加；同时过程控制更精确更细化所以扩散均匀性的提高、变温扩散使得磷吸杂作用加强等等众多因素的综合作用使太阳电池的转换效率提高。
下面以具体实验数据说明本发明实施例扩散方法的效果。
将同一批次的硅片分成两组，每组包括相同数量的硅片，采用同样的技术得到清洗制绒后的硅片，分别采用本发明扩散方法与现有技术中的扩散方法制作太阳能电池。
具体的，随机选取其中一组用本发明方案进行扩散。将剩下一组按照现有技术中的方法进行扩散，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780℃，在扩散炉内通入流量为600sccm的氧气，时间为8分钟；
步骤2：向扩散炉内通氧气和带有三氯氧磷的氮气的混合气体，该混合气体中氧气和带有三氯氧磷的氮气的气体体积比为3:13，带有三氯氧磷的氮气气体流量为1000sccm，进行磷扩散的时间为8分钟；
步骤3：将扩散炉内温度升温至815℃，使磷向硅片内部扩散，其升温速度为5℃/min；
步骤4：将扩散炉内以5℃/min升温速度升温至840℃，升温过程中通入气体和气体流量同步骤2相同，以进行变温扩散；
步骤5：保持在840℃温度下，通入流量为300sccm的氧气进行高温推进，时间为5分钟；
步骤6：对扩散炉内进行降温后，打开扩散炉取出硅片。
整个扩散过程中，保持持续通入氮气对整个扩散过程进行保护。
按照现有技术的扩散方法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780℃，在扩散炉内通入流量为600sccm的氧气，时间为8分钟；
步骤2：向扩散炉内通流量为1200sccm带有三氯氧磷的氮气和流量为500sccm的氧气，进行磷扩散的时间为15分钟；
步骤3：将扩散炉内温度升温至840℃，升温速度为10℃/min；
步骤4：保持在840℃，通入流量为500sccm的氧气进行高温推进，时间为5分钟。
整个扩散过程中，保持持续通入氮气对整个扩散过程进行保护。
图2为采用本发明实施例方法和现有技术扩散方法生产的太阳能电池片的磷杂质浓度分布图，其中，横坐标代表距离硅片表面的厚度，纵坐标代表磷杂质浓度，曲线1为现有技术扩散方法生产出的太阳能电池片的磷杂质浓度分布，曲线2为本发明实施例方法生产的太阳能电池片的磷杂质浓度分布。从图中可以看出，本发明方法有着较低的表面杂质浓度和较大的杂质浓度梯度分布。靠近硅片表面20~50nm的浓度较大的区域为“死层”，现有技术生产出的太阳能电池片的“死层”厚度明显高于本发明方法生产的太阳能电池片。表1采用本发明实施例方法和现有技术扩散方法生产的太阳能电池片的各
项参数平均值
对比两种方法生产的太阳能电池片的各项参数，可以明显看出采用本发明工艺的实施例中开路电压、短路电流、转换效率均有了一定幅度的提高，其中，转换效率值提高了0.09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。
本发明另一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。
所述太阳能电池的磷杂质浓度在1021个/立方厘米以下；转换效率在16.5%~17.5%之间。
所述太阳能电池的表面磷杂质浓度小，“死层”厚度小，较现有扩散技术下的转换效率平均值有所提高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种扩散方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将硅片放入扩散炉中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃，包括端点值，向扩散炉内通源进行磷扩散，向硅片中扩散磷的量基本为，在当前扩散炉内温度下的磷在硅片中的最大固溶度；
B、将扩散炉内温度升温至810℃~820℃，包括端点值，使磷向硅片内部扩散；
C、将扩散炉内温度升温至840℃~850℃，包括端点值，升温过程中通源，以进行变温扩散；
Ｄ、保持步骤C升温后的温度下，通入氧气以进行高温推进，直至磷在硅片中的扩散量达到目标值，对扩散炉内进行降温后，打开扩散炉取出硅片。
2.根据权利要求1所述的一种扩散方法，其特征在于，步骤B和步骤C中的升温速度相同，其升温速度为5℃/min~10℃/min。
3.根据权利要求2所述的一种扩散方法，其特征在于，所述源为氧气和带有三氯氧磷的氮气的混合气体，该混合气体中氧气和带有三氯氧磷的氮气的气体体积比为3:13。
4.根据权利要求3所述的一种扩散方法，其特征在于，步骤A和步骤C中所述源中带有三氯氧磷的氮气的气体流量为800sccm~1200sccm，其中步骤A中进行磷扩散的时间为5~10分钟。
5.根据权利要求4所述的一种扩散方法，其特征在于，所述步骤A和步骤C中，带有三氯氧磷的氮气气体流量为1000sccm，步骤A中进行磷扩散的时间为10分钟。
6.根据权利要求1所述的一种扩散方法，其特征在于，步骤D中通入氧气的流量为300sccm~800sccm，所述高温推进的时间为5~10分钟。
7.根据权利要求1所述的一种扩散方法，其特征在于，在步骤A中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃之后还包括：在扩散炉内通入氧气，在硅片表面形成二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度在50nm~60nm范围内。
8.根据权利要求7所述的一种扩散方法，其特征在于，在步骤A中，将扩散炉内温度升温至750℃~800℃之后还包括：在扩散炉内通入氧气的流量为500sccm~800sccm，时间为5~10分钟。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的方法生产的太阳能电池片，其特征在于，所述电池片的转换效率为16.5%~17.5%。
10.根据权利要求9所述电池片，其特征在于，所述电池片的磷杂质浓度在1021个/立方厘米以下。
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