CN103199152B - 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
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10~30min;
所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0L/min,干氧的流量为0.5~2.0L/min,大氮的流量为10~30L/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5~30L/min,大氮的流量为0~30L/min,氧化推进时间为5~30min;
(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10~60min;
(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0.9L/min,大氮的流量为21L/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10L/min,大氮的流量为11L/min,高温氧化推进时间为15min;
(3)保持步骤(2)中的气体流量,降温至780℃,降温氧化时间为60min;
(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20min,源温恒定在20~23℃,所述携磷源氮气的流量为1.9L/min,干氧的流量为0.9L/min,大氮流量为21L/min;
(2)停止通入携磷源氮气,进行恒温推进,运行时间为10min;
(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60min。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:
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10~30min;
所述携磷源氮气的流量为0.6~2.0L/min,干氧的流量为0.5~2.0L/min,大氮的流量为10~30L/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5~30L/min,大氮的流量为0~30L/min,氧化推进时间为5~30min;
(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10~60min;
(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中任一项所述的磷扩散方法制得的晶体硅片。
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