CN103199152A - 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：一种晶体硅片的磷扩散方法，包括如下步骤：(1)恒定源扩散：将待处理的晶体硅片放于扩散炉中，以1~10℃/min的升温速率升温至805~850℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散；(2)氧化推进：保持上述温度，停止通入携磷源氮气，同时通入干氧和大氮，进行推进；(3)降温氧化；(4)扩散结束，出舟。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开路电压可以提高7mV，短路电流提高70mA，同时填充因子无明显变化，最终的光电转换效率提高了0.3%左右，取得了意想不到的技术效果。

Description

一种晶体硅片的磷扩散方法
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) 恒定源扩散：将待处理的晶体硅片放于扩散炉中，以1~10℃/min的升温速率升温至805~850℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为10~30 min；
所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0 L/min，干氧的流量为0.5~2.0 L/min，大氮的流量为10~30 L/min；
(2) 氧化推进：保持上述温度，停止通入携磷源氮气，同时通入干氧和大氮，进行推进；
干氧的流量为5~30 L/min，大氮的流量为0~30 L/min，氧化推进时间为5~30 min；
(3) 降温氧化：保持上述步骤(2)中的气体流量，以1~10℃/min的降温速率降温至500~800℃，降温氧化时间为10~60 min；
(4) 扩散结束，出舟。
上述技术方案中，所述步骤(1)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。 
本发明的工作机理是：在恒定源扩散之后进行氧化推进，然后降温，在大流量的干氧和大氮下进行降温氧化及推进，使电活化率最低的最外层富磷层与氧气反应生成二氧化硅层，从而降低死层的厚度，提高了磷掺杂的电活化率，从而既提高了硅片的开路电压和短路电流，同时保持了欧姆接触的效果。 
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“扩散、氧化推进、降温氧化”的扩散方式；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开路电压可以提高7mV，短路电流提高70mA，同时填充因子无明显变化，最终的光电转换效率提高了0.3%左右，取得了意想不到的技术效果。
2．本发明的工艺容差范围大，可在较高方阻下实现良好的欧姆接触，即使扩散后方阻高达100欧姆/sq，仍然可以得到很好的电性能结果。 
3．本发明的方法适用于单晶、多晶等多种类型硅片，便于推广。 
4．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) 将制绒后的常规多晶156硅片放于扩散炉中，升温至825℃，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20min；源温恒定在20~23℃，携磷源氮气的流量为1.9L/min，干氧的流量为0.9 L/min，大氮的流量为21 L/min；
(2) 保持步骤(1)中的温度，停止通入携磷源氮气，同时通入大量氧气和大氮，进行推进，干氧的流量为10 L/min，大氮的流量为11 L/min，高温氧化推进时间为15 min；
(3) 保持步骤(2)中的气体流量，降温至780℃，降温氧化时间为60 min；
(4) 扩散结束，出舟。
对比例一 
与实施例一相比，对比例采用相同的硅片，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：
(1)将制绒后的常规多晶156硅片放于扩散炉中，升温至830℃，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1.9 L/min，干氧的流量为0.9 L/min，大氮流量为21 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；
(3) 降温至800℃，出舟，完成扩散过程。
  
扩散后硅片内的磷掺杂只有部分电活性的。电活化率=电活性磷含量/总磷含量。为了证明本申请的磷掺杂电活化率高，先将上述实施例和对比例得到的电池片清洗后进行扩散方阻测试。测得的方块电阻与电活性磷含量成反比。为了测得总磷含量再将上述两种清洗后的硅片放入900℃炉管内保温60 min。可以认为通过这样处理后硅片内的磷原子大部分已经电活化了。此时测得的方块电阻与总磷含量成反比。计算得到实施例一的磷掺杂电活化率是74%，高于对比例一的磷掺杂电活化率51%。
将上述实施例和对比例中的硅片通过电化学电容-电压测试硅片PN结的磷杂质表面浓度，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略低于对比例一，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：
Figure 319683DEST_PATH_IMAGE002
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。从测试所得的电性能参数可见，相对于对比例一，实施例一所制备的电池片开压高7mV，短路电流高70mA，填充因子无明显变化，转换效率高0.29%。
综上所述，利用本发明减少非电活性磷的含量，同时使电活性磷含量基本不变，使开路电压和短路电流同时提升，同时填充因子无明显降低，最终明显地提高了光电转换效率，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) 恒定源扩散：将待处理的晶体硅片放于扩散炉中，以1~10℃/min的升温速率升温至805~850℃，通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为10~30 min；
所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0 L/min，干氧的流量为0.5~2.0 L/min，大氮的流量为10~30 L/min；
(2) 氧化推进：保持上述温度，停止通入携磷源氮气，同时通入干氧和大氮，进行推进；
干氧的流量为5~30 L/min，大氮的流量为0~30 L/min，氧化推进时间为5~30 min；
(3) 降温氧化：保持上述步骤(2)中的气体流量，以1~10℃/min的降温速率降温至500~800℃，降温氧化时间为10~60 min；
(4) 扩散结束，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)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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