CN103137448A - 掺杂方法、pn结构、太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掺杂方法包括以下步骤：在一N型基底的表面和背面形成绒面；通过离子注入的方式在该N型基底的背面中形成N型重掺杂区域和N型轻掺杂区域，其中该N型轻掺杂区域为与该N型重掺杂区域接触的、且N型离子的掺杂浓度小于该N型重掺杂区域的区域；通过热扩散的方式在该N型基底的表面中形成一P型掺杂层。本发明还公开了一种PN结构、太阳能电池及其制作方法。本发明采用离子注入进行掺杂形成该N型轻掺杂区域与该N型重掺杂区域，掺杂离子的浓度和掺杂的均匀性得到了精确的控制。

Description

掺杂方法、PN结构、太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种掺杂方法、PN结构、太阳能电池及其制作方法，特别是涉及一种形成选择性发射极的掺杂方法、PN结构、太阳能电池及其制作方法。
背景技术
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点。
近几年，国际光伏发电迅猛发展，太阳能晶片供不应求，于是提高太阳能晶片的光电转化效率和太阳能晶片的生产能力成为重要的课题。太阳能电池受光照后，电池吸收一个能量大于带隙宽度的入射光子后产生电子-空穴对，电子和空穴分别激发到导带与价带的高能态。在激发后的瞬间，电子和空穴在激发态的能量位置取决于入射光子的能量。处于高能态的光生载流子很快与晶格相互作用，将能量交给声子而回落到导带底与价带顶，这过程也称作热化过程，热化过程使高能光子的能量损失了一部分。热化过程后，光生载流子的输运过程(势垒区或扩散区)中将有复合损失。最后的电压输出又有一次压降，压降来源于与电极材料的功函数的差异。由上述分析，太阳能电池效率受材料、器件结构及制备工艺的影响，包括电池的光损失、材料的有限迁移率、复合损失、串联电阻和旁路电阻损失等。对于一定的材料，电池结构与制备工艺的改进对提高光电转换效率而言是十分重要的。
在太阳能晶片领域，由于P型基底晶片少数载流子的自由程小于N型基底晶片，所以也有人采用N型基底晶片热扩散方法掺杂制作太阳能晶片。这种方法太阳能转换效率相较采用P型基底晶片热扩散方法掺杂有所提高，但由于热扩散方法掺杂的固溶度的限制以及掺杂均匀性和剂量难以得到精确控制，所以实际产品难以达到实验室理论的太阳能转换效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中采用热扩散方法难以精确控制掺杂均匀性和掺杂剂量致使太阳能转换效率较低的缺陷，提供一种制程步骤少、成本较低、得以精确控制掺杂均匀性和掺杂剂量、光电转换效率较高的掺杂方法、PN结构、太阳能电池及其制作方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种掺杂方法，其特点在于，包括以下步骤：
步骤S1、在一N型基底的表面和背面形成绒面；
步骤S2、通过离子注入的方式在该N型基底的背面中形成N型重掺杂区域和N型轻掺杂区域，其中该N型轻掺杂区域为与该N型重掺杂区域接触的、且N型离子的掺杂浓度小于该N型重掺杂区域的区域；
步骤S3、通过热扩散的方式在该N型基底的表面中形成一P型掺杂层。
优选地，步骤S2包括以下步骤：
步骤S21、在该N型基底的背面上形成一掩膜，未被该掩膜覆盖的区域为开放区域；
步骤S22、加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子从该开放区域注入至该N型基底的背面中；
步骤S23、去除该掩膜，加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子注入至该N型基底的背面中；或者，
步骤S21’、加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子注入至该N型基底的背面中；
步骤S22’、在该N型基底的背面上形成一掩膜，未被该掩膜覆盖的区域为开放区域；
步骤S23’、加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子从该开放区域注入至该N型基底的背面中，之后去除该掩膜；
其中，经过一次离子注入的区域形成该N型轻掺杂区域，经过两次离子注入的区域形成该N型重掺杂区域。也就是说，形成局部重掺杂和形成全部轻掺杂的顺序不限。
优选地，步骤S2中通过加速N型离子至500eV-50keV并通过离子注入的方式形成该N型重掺杂区域和该N型轻掺杂区域，使该N型重掺杂区域的方块电阻为10-50Ω/□，该N型轻掺杂区域的方块电阻为60-120Ω/□。
优选地，该N型重掺杂区域的宽度为50-500μm，该N型轻掺杂区域的宽度为500-3000μm。
本发明还提供一种PN结构，其特点在于，其包括：
一N型基底，该N型基底的表面和背面为绒面；
形成于该N型基底的背面中的N型重掺杂区域和N型轻掺杂区域，其中该N型轻掺杂区域为与该N型重掺杂区域接触的、且N型离子的掺杂浓度小于该N型重掺杂区域的区域；
形成于该N型基底的表面中的一P型掺杂层。
优选地，其中该N型重掺杂区域的方块电阻为10-50Ω/□，该N型轻掺杂区域的方块电阻为60-120Ω/□。
优选地，其中该N型重掺杂区域的宽度为50-500μm，该N型轻掺杂区域的宽度为500-3000μm。
优选地，该PN结构通过如上所述的掺杂方法得到。
本发明还提供一种太阳能电池的制作方法，其特点在于，按照如上所述的掺杂方法获得一PN结构之后，还包括以下步骤：
在该PN结构的表面和背面分别形成一表面钝化层和一背面钝化层；
在该表面钝化层上形成一表面减反射层，在该背面钝化层上形成一背面减反射层；
在该表面减反射层上形成阳电极，在该背面减反射层上与该N型重掺杂区域相对应的区域形成阴电极；
烧结该阳电极和该阴电极，使该阳电极和该阴电极与该PN结构共晶复合。
优选地，通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)形成该表面钝化层和/或该背面钝化层，该表面钝化层和/或该背面钝化层为氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化硅和非晶硅薄膜中的一种或多种的叠层；或者，通过硝酸氧化的方法形成该表面钝化层和/或该背面钝化层，该表面钝化层和/或该背面钝化层为二氧化硅薄膜。
优选地，通过PECVD形成该表面减反射层和/或该背面减反射层，该表面减反射层和/或该背面减反射层为氮化硅薄膜。
优选地，通过丝网印刷的方法形成该阳电极和/或该阴电极。
本发明还提供一种太阳能电池，其特点在于，其包括如上所述的PN结构，其中，该太阳能电池还包括：
分别形成于该PN结构的表面和背面的一表面钝化层和一背面钝化层；
形成于该表面钝化层上的一表面减反射层，形成于该背面钝化层上的一背面减反射层；
形成于该表面减反射层上的阳电极，形成于该背面减反射层上与该N型重掺杂区域相对应的区域的阴电极。
优选地，该表面钝化层和/或该背面钝化层为氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化硅和非晶硅薄膜中的一种或多种的叠层。
优选地，该表面减反射层和/或该背面减反射层为氮化硅薄膜。
优选地，该太阳能电池通过如上所述的太阳能电池的制作方法制得。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明中P型掺杂层与N型重掺杂区域之间具有N型基底材料作为缓冲层，使得PN结之间不会因为耗尽层太薄而导致被击穿，使得载流子的迁移更均匀，速率更稳定，由此提高了该PN结构的寿命，并且制得的太阳能电池的性能更稳定。同时本发明还提供一种具有选择性发射极的PN结构，提高太阳电池的开路电压Voc，短路电流Isc和填充因子F.F.，从而使电池获得高的光电转换效率。
2、本发明简化了工艺步骤，制作成本大大降低。
3、采用离子注入进行掺杂形成该N型轻掺杂区域与该N型重掺杂区域，掺杂离子的浓度和掺杂的均匀性得到了精确的控制，比起热扩散工艺的掺杂而言对提高光电转换的效率更有利。
附图说明
图1a、图1b和图2为本发明的实施例1-3的掺杂方法的分解步骤示意图。
图1a’、图1b’、图1c’和图2为本发明的实施例4-5的掺杂方法的分解步骤示意图。
图1a、图1b和图2-6为本发明的实施例6-7的太阳能电池制作方法的分解步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
实施例1
参考图1a、图1b和图2，介绍本实施例所述的PN结构的制作流程。
参考图1a，步骤S1，在一N型基底1的表面和背面形成绒面；
步骤S2，在该N型基底1的背面上形成一掩膜，未被该掩膜覆盖的区域为开放区域，加速磷离子(P31)至500eV通过离子注入的方式将该磷离子从该开放区域注入至该N型基底1的背面中；
参考图1b，去除该掩膜，加速磷离子至500eV并通过离子注入的方式将该磷离子注入至该N型基底1的背面中，其中，经过一次离子注入的区域形成该N型轻掺杂区域22，经过两次离子注入的区域形成该N型重掺杂区域21，该N型轻掺杂区域22为与该N型重掺杂区域21接触的、且N型离子的掺杂浓度小于该N型重掺杂区域21的区域。在本实施例中，该N型重掺杂区域21的方块电阻为10Ω/□，该N型轻掺杂区域22的方块电阻为60Ω/□；并且，该N型重掺杂区域21的宽度为50μm，该N型轻掺杂区域22的宽度为500μm。
参考图2，步骤S3，通过热扩散的方式在该N型基底的表面中形成一P型掺杂层3，例如采用BBr3作为扩散源，热扩散的同时还能修复离子注入之后的损伤，即热扩散步骤还作为离子注入之后的退火步骤。由此，得到如图2所示的PN结构。
实施例2
实施例2的原理和步骤均与实施例1相同，不同之处仅在于：
步骤S2中进行离子注入时该磷离子被加速至50keV，其中，该N型重掺杂区域21的方块电阻为50Ω/□，该N型轻掺杂区域22的方块电阻为120Ω/□，另外，该N型重掺杂区域21的宽度为500μm，该N型轻掺杂区域22的宽度为3000μm。
其余未提及之处均与实施例1相同。
实施例3
实施例3的原理和步骤均与实施例1相同，不同之处仅在于：
步骤S2中进行离子注入时该磷离子被加速至40keV，其中，该N型重掺杂区域21的方块电阻为30Ω/□，该N型轻掺杂区域22的方块电阻为100Ω/□，另外，该N型重掺杂区域21的宽度为300μm，该N型轻掺杂区域22的宽度为2000μm。
其余未提及之处均与实施例1相同。
实施例4
参考图1a’、图1b’、图1c’和图2，介绍本实施例所述的PN结构的制作流程。
参考图1a’，步骤S1，在一N型基底1的表面和背面形成绒面；
步骤S2，加速磷离子至30keV并通过离子注入的方式将该磷离子注入至该N型基底1的背面中，进行至该步骤时以附图标记2表示该N型基底1的整个背面的磷离子掺杂；
参考图1b’，在该N型基底1的背面上形成一掩膜，未被该掩膜覆盖的区域为开放区域，接着加速磷离子至30keV并通过离子注入的方式将该磷离子从该开放区域注入至该N型基底的背面中；
参考图1c’，去除该掩膜，由此，经过一次离子注入的区域形成该N型轻掺杂区域22，经过两次离子注入的区域形成该N型重掺杂区域21。在本实施例中，该N型重掺杂区域21的方块电阻为30Ω/□，该N型轻掺杂区域22的方块电阻为80Ω/□，该N型重掺杂区域21的宽度为100μm，该N型轻掺杂区域22的宽度为1000μm。
参考图2，步骤S3，通过热扩散的方式在该N型基底的表面中形成一P型掺杂层3，例如采用BBr3作为扩散源，热扩散的同时还能修复离子注入之后的损伤，即热扩散步骤还作为离子注入之后的退火步骤。由此，得到如图2所示的PN结构。也就是说，在本实施例中，先在该N型基底1的背面整体轻掺杂，再在该N型基底1的背面形成局部重掺杂。
实施例5
实施例5的原理和步骤均与实施例4相同，不同之处仅在于：
该N型重掺杂区域21的方块电阻为25Ω/□，该N型轻掺杂区域22的方块电阻为110Ω/□。优选地，该N型重掺杂区域21的宽度为400μm，该N型轻掺杂区域22的宽度为1500μm。
其余未提及之处均与实施例4相同。
实施例6
参考图1a、图1b和图2-6，介绍本实施例的太阳能电池的制作流程。
首先，按照实施例所述的掺杂方法获得如图2所示的PN结构，接着，
参考图3，在该PN结构的表面和背面分别形成一表面钝化层和一背面钝化层，该表面钝化层和该背面钝化层均以附图标记4表示。其中，通过PECVD形成该表面钝化层和该背面钝化层，该表面钝化层和该背面钝化层为氮化硅薄膜。
参考图4，在该表面钝化层上形成一表面减反射层，在该背面钝化层上形成一背面减反射层，该表面减反射层和该背面减反射层均以附图标记5表示。其中，通过PECVD形成该表面减反射层和该背面减反射层，该表面减反射层和/或该背面减反射层为氮化硅薄膜。
参考图5，在该表面减反射层上形成阳电极61，在该背面减反射层上与该N型重掺杂区域21相对应的区域形成阴电极62。其中，通过丝网印刷的方法形成该阳电极61和该阴电极62。
参考图6，烧结该阳电极61和该阴电极62，使该阳电极61和该阴电极62与该PN结构共晶复合。
实施例7
实施例7的原理和步骤均与实施例6相同，不同之处仅在于：
通过硝酸氧化的方法形成该表面钝化层和该背面钝化层，该表面钝化层和该背面钝化层为二氧化硅薄膜。
其余未提及之处均与实施例6相同。
为了清楚地显示各个掺杂区域，附图中各个掺杂区域的大小并非按比例描绘，本领域技术人员应当理解附图中的比例并非对本发明的限制。另外，上述的表面和背面也都是相对而言的，这样的表述是为了描述的方便，也不应当理解为对本发明的限制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种掺杂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在一N型基底的表面和背面形成绒面；
步骤S2、通过离子注入的方式在该N型基底的背面中形成N型重掺杂区域和N型轻掺杂区域，其中该N型轻掺杂区域为与该N型重掺杂区域接触的、且N型离子的掺杂浓度小于该N型重掺杂区域的区域；
步骤S3、通过热扩散的方式在该N型基底的表面中形成一P型掺杂层。
2.如权利要求1所述的掺杂方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
步骤S21、在该N型基底的背面上形成一掩膜，未被该掩膜覆盖的区域为开放区域；
步骤S22、加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子从该开放区域注入至该N型基底的背面中；
步骤S23、去除该掩膜，加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子注入至该N型基底的背面中；或者，
步骤S21’、加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子注入至该N型基底的背面中；
步骤S22’、在该N型基底的背面上形成一掩膜，未被该掩膜覆盖的区域为开放区域；
步骤S23’、加速N型离子并通过离子注入的方式将该N型离子从该开放区域注入至该N型基底的背面中，之后去除该掩膜；
其中，经过一次离子注入的区域形成该N型轻掺杂区域，经过两次离子注入的区域形成该N型重掺杂区域。
3.如权利要求1或2所述的掺杂方法，其特征在于，
步骤S2中通过加速N型离子至500eV-50keV并通过离子注入的方式形成该N型重掺杂区域和该N型轻掺杂区域，使该N型重掺杂区域的方块电阻为10-50Ω/□，该N型轻掺杂区域的方块电阻为60-120/□。
4.如权利要求1或2所述的掺杂方法，其特征在于，
该N型重掺杂区域的宽度为50-500μm，该N型轻掺杂区域的宽度为500-3000μm。
5.一种PN结构，其特征在于，其包括：
一N型基底，该N型基底的表面和背面为绒面；
形成于该N型基底的背面中的N型重掺杂区域和N型轻掺杂区域，其中该N型轻掺杂区域为与该N型重掺杂区域接触的、且N型离子的掺杂浓度小于该N型重掺杂区域的区域；
形成于该N型基底的表面中的一P型掺杂层。
6.如权利要求5所述的PN结构，其特征在于，
其中该N型重掺杂区域的方块电阻为10-50Ω/□，该N型轻掺杂区域的方块电阻为60-120Ω/□。
7.如权利要求5所述的PN结构，其特征在于，
其中该N型重掺杂区域的宽度为50-500μm，该N型轻掺杂区域的宽度为500-3000μm。
8.如权利要求5-7中任意一项所述的PN结构，其特征在于，该PN结构通过如权利要求1-4中任意一项所述的掺杂方法得到。
9.一种太阳能电池的制作方法，其特征在于，按照权利要求1-4中任意一项所述的掺杂方法获得一PN结构之后，还包括以下步骤：
在该PN结构的表面和背面分别形成一表面钝化层和一背面钝化层；
在该表面钝化层上形成一表面减反射层，在该背面钝化层上形成一背面减反射层；
在该表面减反射层上形成阳电极，在该背面减反射层上与该N型重掺杂区域相对应的区域形成阴电极；
烧结该阳电极和该阴电极，使该阳电极和该阴电极与该PN结构共晶复合。
10.如权利要求9所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，通过PECVD形成该表面钝化层和/或该背面钝化层，该表面钝化层和/或该背面钝化层为氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化硅和非晶硅薄膜中的一种或多种的叠层；或者，通过硝酸氧化的方法形成该表面钝化层和/或该背面钝化层，该表面钝化层和/或该背面钝化层为二氧化硅薄膜。
11.如权利要求9所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，通过PECVD形成该表面减反射层和/或该背面减反射层，该表面减反射层和/或该背面减反射层为氮化硅薄膜。
12.如权利要求9-11中任意一项所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，通过丝网印刷的方法形成该阳电极和/或该阴电极。
13.一种太阳能电池，其特征在于，其包括如权利要求5-8中任意一项所述的PN结构，其中，该太阳能电池还包括：
分别形成于该PN结构的表面和背面的一表面钝化层和一背面钝化层；
形成于该表面钝化层上的一表面减反射层，形成于该背面钝化层上的一背面减反射层；
形成于该表面减反射层上的阳电极，形成于该背面减反射层上与该N型重掺杂区域相对应的区域的阴电极。
14.如权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，该表面钝化层和/或该背面钝化层为氧化硅、碳化硅、氧化铝、氮化硅和非晶硅薄膜中的一种或多种的叠层。
15.如权利要求13所述的太阳能电池，其特征在于，该表面减反射层和/或该背面减反射层为氮化硅薄膜。
16.如权利要求13-15中任意一项所述的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池通过如权利要求9-12中任意一项所述的太阳能电池的制作方法制得。
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