CN103346212A - 一种磷扩散方法、p型电池制备方法及n型电池制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磷扩散方法、P型电池制备方法以及N型电池制备方法，所述磷扩散方法包括：对扩散炉进行加热；当加热至三氯氧磷与氧气反应的温度后，通入设定流量的小氮以及氧气，并持续加热，其中，所述小氮为携带三氯氧磷的氮气，所述小氮的流量小于氧气的流量；当扩散内温度稳定在磷扩散要求的工艺温度后，使小氮的流量大于氧气的流量，开始磷扩散；预设时间的磷扩散后，进行退火处理。所述磷扩散方法在进行加热以及稳定炉温阶段，可去除硅片表面的金属离子，从而避免了进行磷扩散时，金属离子扩散入硅片内形成复合中心，采用所述磷扩散方法制备的P型电池以及N型电池具有较高的转换效率。

Description

一种磷扩散方法、P型电池制备方法及N型电池制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，涉及一种磷扩散方法、P型电池制备方法以及N型电池制备方法。

背景技术

随着科技的发展，人们对能源的需求也越来越大，而大多矿物质能源都是非可再生能源，因此，开发利用新能源是解决当前能源危机的最主要途径。而太阳能以其无地域性限制、无污染以及取之不竭等特点成为新能源领域研究的主要课题。

利用半导体的光生伏特效应制备而成的太阳能电池，能够吸收太阳光进行发电，是目前人类利用太阳能的一种主要方式。目前，太阳能电池一般采用晶体硅制备而成，包括：N型电池以及P型电池。

磷扩散时制备太阳能电池的一个重要环节，在制备P型电池时，需要在P型硅片正面通过磷扩散形成PN结。在制备N型电池时，由于N型电池背面是栅线结构，而非P型电池的铝背场，所以需要在N型硅片背面通过磷扩散形成N+/N高低结，即在所述N型硅片背面形成一层高掺杂浓度的N型扩散层，以降低背面栅线与所述N型硅片的接触电阻。

发明人发现，采用现有的磷扩散工艺制备太阳能电池，在进行高温磷扩散时，将导致硅片表面残留的金属离子扩散如硅片内部，形成复合中心，严重影响太阳能电池的转换效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种磷扩散方法、P型电池制备方法以及N型电池制备方法，采用所述磷扩散方法制备的P型电池以及N型电池具有较高的转换效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磷扩散方法，该方法包括：

对扩散炉进行加热；

当加热至三氯氧磷与氧气反应的温度后，通入设定流量的小氮以及氧气，并持续加热，其中，所述小氮为携带三氯氧磷的氮气，所述小氮的流量小于氧气的流量；

当扩散炉内温度稳定在磷扩散要求的工艺温度后，使小氮的流量大于氧气的流量，开始磷扩散；

预设时间的磷扩散后，进行退火处理。

优选的，上述磷扩散方法中，当所述小氮的流量小于氧气的流量时，所述氧气的流量范围为100sccm-1500sccm，包括端点值，所述小氮的流量范围为30sccm-200sccm，包括端点值。

优选的，上述磷扩散方法中，当所述小氮的流量小于氧气的流量时，所述氧气的流量与所述小氮的流量比为3～7：1。

优选的，上述磷扩散方法中，当所述小氮的流量小于氧气的流量时，所述氧气的流量为500sccm，所述小氮的流量为100sccm。

优选的，上述磷扩散方法中，当小氮的流量大于氧气的流量时，所述氧气的流量范围为150sccm-250sccm，包括端点值，所述小氮的流量为600sccm-700sccm，包括端点值。

本发明还提供了一种P型电池制备方法，该方法包括：

将经过正面制绒的P型硅片放入扩散炉内；

采用权利要求1-5任一项所述磷扩散方法，对所述P型硅片进行磷扩散，在所述P型硅片正面形成PN结；

对磷扩散后的所述P型硅片进行边缘刻蚀处理以及去磷硅玻璃处理；

在所述P型硅片正面沉积减反膜；

在所述P型硅片正面形成正面电极，在所述P型硅片背面形成背面电极；

对所述P型硅片进行烧结，使所述正面电极以及所述背面电极均与所述P型硅片形成欧姆接触。

本发明还提供了一种N型电池制备方法，该方法包括：

将经过表面制绒的N型硅片放入扩散炉内；

采用权利要求1-5任一项所述磷扩散方法，对所述N型硅片进行磷扩散，在所述N型硅片的背面形成一层N型扩散层；

对磷扩散后的所述N型硅片进行去磷硅玻璃处理；

在所述N型硅片的正面进行硼扩散形成PN结；

对硼扩散后的所述N型硅片进行边缘刻蚀处理以及去硼硅玻璃处理；

在所述N型硅片表面沉积减反膜；

在所述N型硅片正面形成正面电极，在所述N型硅片背面形成背面电极；

对所述N型硅片进行烧结，使所述正面电极与所述N型硅片形成欧姆接触，使所述背面电极与所述N型扩散层形成欧姆接触。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的磷扩散方法在进行磷扩散之前，在加热至三氯氧磷与氧气反应的温度后，通入设定流量的小氮以及氧气，并持续加热，在此过程中，小氮中的三氯氧磷将会与氧气反应生成五氧化二磷以及氯离子。由于小氮的流量小于氧气的流量，氧气比五氧化二磷更容易与硅片反应，即生成的五氧化二磷不会对后续的磷扩散造成太大影响。而生成的氯离子能够与硅片表面的金属离子反应生成多种金属氯化物，所述金属氯化物将会被氮气携带排出扩散炉。可见，所述磷扩散方法，对硅片进行磷扩散前，能够有效去除硅片表面的金属离子，有效的保证了太阳电池的转换效率。

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为本发明实施例提供的一种磷扩散方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种P型电池的制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种N型电池的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，采用现有的磷扩散工艺制备太阳能电池，在进行高温磷扩散时，将导致硅片表面残留的金属离子扩散如硅片内部，形成复合中心，所述复合中心将会降低载流子的寿命，影响电池的开路电压、短路电流，从而严重影响太阳能电池的转换效率。

发明人研究发现，为了去除硅片表面的金属离子，可以在进行磷扩散前，通入氧气以及二氯乙烯，在设定温度下会发生如下反应：

C₂H₂Cl₂+O₂→CO₂+HCl+Cl^-

其中，氯离子能够与硅片表面残留的各种金属离子生成多种金属氯化物，所述金属氯化物能够被氮气携带出扩散炉。

上述方法虽然能够去除硅片表面的金属离子，但是，二氯乙烯并不是制备太阳能电池使用的扩散试剂，其只是用于去除硅片表面残留的金属离子，需要采用附加的工艺过程去除金属离子，需要用装有二氯乙烯试剂的瓶子去替换太阳能电池使用的扩散试剂瓶，严重的影响了扩散效率。且二氯乙烯试剂价格较为昂贵，增加了制备成本。

在实施本发明创造时，发明人发现，在制备太阳能电池时，均需采用三氯氧磷试剂进行磷扩散，以在硅片表面形成一层N型层，通过磷扩散可以在P型硅片正面形成PN结，或在N型硅片背面形成一层高掺杂浓度的N型扩散层（N+扩散层）。在设定温度下，磷扩散的原理如下反应：

POCl₃+O₂→P₂O₅+Cl^-

P₂O₅+Si→SiO₂+P

通过上述两个反应方程式可知，在磷扩散工艺中，同样会生成氯离子，所以如果扩散炉内仅发生如下反应：

POCl₃+O₂→P₂O₅+Cl^-

Cl^-+Aⁿ⁺→ACl_n

而采用现有的磷扩散装置，通过控制工艺参数即可实现避免五氧化二磷与硅片的反应，仅使得氯离子与硅片表面残留的金属离子Aⁿ⁺反应。

具体的，在进行磷扩散时，如果加热至三氯氧磷与氧气的反应温度后，在扩散炉内通入设定流量的小氮（携带三氯氧磷的氮气）以及氧气，并使所述小氮的流量小于氧气的流量。这样，当三氯氧磷与氧气反应生成五氧化二磷以及氯离子后，生成的氯离子会与硅片表面残留的金属离子Aⁿ⁺反应生成金属氯化物ACl_n。而由于氧气的流量大于小氮的流量，即扩散炉内氧气的含量要大于五氧化二磷的含量，且氧气相对于五氧化二磷更容易与硅片反应，故在该过程中，不会发生五氧化二磷与硅的反应，或是二者反应的很少，可忽略不计。

当扩散炉内温度稳定到磷扩散要求的工艺温度后，使小氮的流量大于氧气的流量，开始磷扩散。此时，五氧化二磷的含量大于氧气的含量，五氧化二磷将会与硅反应生成磷，磷在高温下扩散到硅片的内部形成一层N型扩散层。经过设定时间的磷扩散后，再通过设定时间的退火处理，即可完成磷扩散。

通过上述描述可知，上述方法在原有的磷扩散加热环节通过控制小氮与氧气的流量，即可取出硅片表面残留的金属离子，而在炉温稳定在磷扩散要求的工艺温度后，只需再次该氧气与小氮的流量比即可进行磷扩散。无需额外的工艺流程即可取出硅片表面的金属离子，工作效率高，且三氯氧磷为常规的太阳能电池磷扩散用试剂，价格便宜，成本较低。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

实施例一

本实施例提供了一种磷扩散方法，参考图1，该方法包括：

步骤S11：对扩散炉进行加热。

待扩散硅片是多片成批次的放入扩散炉内进行扩散处理。将多片待处理硅片放入载扁舟固定后，将装载有所述多片待处理硅片的载扁舟放入扩散炉内，对扩散炉进行加热。

步骤S12：当加热至三氯氧磷与氧气反应的温度后，通入设定流量的小氮以及氧气，并持续加热，其中，所述小氮为携带三氯氧磷的氮气，所述小氮的流量小于氧气的流量。

传统的磷扩散工艺仅在磷扩散时通入氧气以及携源气体小氮，并且小氮的流量要大于氧气的流量，此前阶段均通入大量纯净氮气。而本实施例所述技术方案在该步骤即通入设定流量的小氮以及氧气，且为避免五氧化二磷与待处理硅片反应，使小氮的流量小于氧气的流量。优选的，所述氧气的流量范围为100sccm-1500sccm，包括端点值，所述小氮的流量为30sccm-200sccm，包括端点值。

一般的，所述氧气的流量与所述小氮的流量比为3～7：1。即氧气的流量是小氮流量的3～7倍。在本实施例中，所述氧气的流量为500sccm，所述小氮的流量为100sccm。

三氯氧磷与氧气反应的温度反应温度要低于磷扩散工艺要求的温度，当扩散炉内温度首先达到三氯氧磷与氧气的反应温度后，通入按照上述数据值通入小氮与氧气，进行去除金属离子的操作。

步骤S13：当扩散炉内温度稳定在磷扩散工艺要求的温度后，使小氮的流量大于氧气的流量，开始磷扩散。

当扩散炉内温度加热至磷扩散工艺要求的温度后，对扩散炉进行稳定炉温度处理，使炉温稳定在磷扩散工艺要求的温度后。在扩散炉内温度稳定在磷扩散工艺要求的温度之前，不改变小氮以及氧气的流量，当扩散炉内温度稳定在磷扩散工艺要求的温度后，使小氮的流量大于氧气的流量，开始磷扩散。

本实施例中，磷扩散的工艺温度范围为840℃～910℃，包括端点值。本实施例中，磷扩散的最佳温度应该在870℃，但是由于在扩散炉中是一个持续散热以及需要持续加热的过程，故炉内温度不能够非常精确的稳定在最佳温度，所以磷扩散的工艺温度在所述最佳温度左右波动的一个范围值。

在进行磷扩散时，所述氧气的流量范围为150sccm-250sccm，包括端点值，所述小氮的流量为600sccm-700sccm，包括端点值。此时，一方面，由于小氮的流量大于氧气的流量，由于小氮中主要含量为三氯氧磷，氮气只是作为一个携带三氯氧磷的媒介，小氮的流量即可使等同为三氯氧磷的流量，即三氯氧磷的流量大于氧气的流量，所以反应生成的五氧化二磷的含量将大于氧气的含量，硅片将优先与五氧化二磷发生反应，生成二氧化硅与磷。另一方面，由于炉内温度处于磷的扩散温度，生成的磷将会扩散到硅片内部，形成已成N型扩散层。

步骤S14：预设时间的磷扩散后，进行退火处理。

根据不同的扩散工艺要求控制扩散时间。磷扩散的时间越长，生成的N型扩散层的扩散深度越大。当设定时间的磷扩散后进行退火处理，使得扩散进硅片的磷分布均匀。

通过上述工艺过程描述可知，本实施例所述的磷扩散方法，在加热至三氯氧磷与氧气反应的温度后，到扩散炉内温度稳定在磷扩散工艺要求的温度之间的过程中，持续为扩散炉内通入设定流量的小氮与氧气，通过控制小氮与氧气的流量，采用三氯氧磷与氧气反应后生成的氯离子与硅片表面残留的金属离子反应，生成金属氯化物，且生成的金属氯化物被扩散炉中不断通入的纯净氮气带出炉外，避免了硅片表面的金属离子扩散入硅片内形成复合中心，保证了电池的转换效率。

同时，本实施例利用传统磷扩散的加热与稳定炉温的阶段进行去除金属离子，不需额外的工艺阶段，节省了时间，提高了工作效率。采用与磷扩散相同的试剂三氯氧磷进行去除金属离子操作，无需更换盛装试剂的源瓶，进一步保证了工作效率。且三氯氧磷为常规的扩散试剂，价格便宜，制作成本较低。

实施例二

上述实施例中所述磷扩散方法应用于制备P型电池时，用于在P型硅片正面形成PN结。

参考图2，图2为本实施例提供的一种P型电池的制备方法的工艺流程图，该方法包括：

步骤S21：将经过正面制绒的P型硅片放入扩散炉内。

P型硅片在制备PN结前，首先要经过正面制绒，在受光的正面形成绒面，以降低对光的反射，增加对光的利用率。

步骤S22：对所述P型硅片进行磷扩散，在所述P型硅片正面形成PN结。

采用上述实施例所述的磷扩散方法，对所述P型硅片进行磷扩散。所述P型硅片为上述实施例所述待扩散硅片。采用上述实施例中步骤S11-S14中所述磷扩散方法，在所述P型硅片正面形成一层N型扩散层，该N型扩散层与P型硅片形成PN结。

步骤S23：对磷扩散后的所述P型硅片进行边缘刻蚀处理以及去磷硅玻璃处理。

在上述步骤中形成PN结时，所述P型硅片的所有表面包括边缘（侧面）将不可避免的扩散上磷，PN结的正面收集到的载流子沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成断路。所以，通过边缘刻蚀去除边缘PN结，防止断路。

同时，在扩散过程中，硅片表面会形成一层包含有磷的二氧化硅，成为磷硅玻璃。所述磷硅玻璃在印刷电极时会影响电极与硅片的欧姆接触，进而降低电池的转换效率。所以，需要通过化学试剂腐蚀等方法去除磷硅玻璃层。

步骤S24：在所述P型硅片正面沉积减反膜。

在所述P型硅片上表面内形成PN结后，可通过PECVD工艺，在硅片上表面上沉积减反膜，以进一步减少对太阳光的反射，增加对光的利用率，提高电池的转换效率。

步骤S25：在所述P型硅片正面形成正面电极，在所述P型硅片背面形成背面电极。

对于P型电池，其正面电极包括：主栅线与细栅线，其背面电极时覆盖整个P型硅片表面的铝背场。所述正面电极以及背面电极均可通过丝网印刷工艺形成。

步骤S26：对所述P型硅片进行烧结，使所述正面电极以及所述背面电极均与所述P型硅片形成欧姆接触。

上述背面电极以及正面电极通过丝网印刷工艺印刷而成，通过烧结工艺，使得正面电极与背面电极固化定型，并与硅片形成良好的欧姆接触。

通过上述描述可知，本实施例所述P型电池的制备方法，在进行磷扩散制备PN结时，采用实施例所述磷扩散方法形成PN结，在形成进行磷扩散前，去除了硅片表面的金属离子，进而避免了在进行磷扩散时金属离子扩散到P型硅片内部形成复合中心，保证了电池的开路电压以及短路电流，具有较高的转换效率。

实施例二

实施例一中所述磷扩散方法应用于制备N型电池时，用于在N型硅片背面形成N+/N高低结。

参考图3，图3为本实施例提供的一种N型电池的制备方法的工艺流程图，该方法包括：

步骤S31：将经过表面制绒的N型硅片放入扩散炉内。

N型硅片制备成电池时，一般要经过双面制绒，即在所述N型硅片的正面以及背面均形成绒面。

步骤S32：对所述N型硅片进行磷扩散，在所述N型硅片的背面形成一层N型扩散层。

采用实施例一所述的磷扩散方法，对所述N型硅片进行磷扩散，所述N型硅片为实施例一中所述待扩散硅片。在N型硅片背面进行磷扩散，形成的N型扩散层为高掺杂浓度的N型扩散层N+，从而可以在所述N型硅片背面形成N+/N高低结。

N型硅片制备为N型太阳电池时需要进行一次磷扩散，在其背面形成一层高掺杂浓度的N型扩散层N+，以形成背面的N+/N高低结；还需要进行一次硼扩散，在其正面形成一层P型层，以形成正面PN结。由于硼元素在高温下容易发生再次扩散，所以首先进行磷扩散，避免高温对硼元素的分布造成影响。

步骤S33：对磷扩散后的所述N型硅片进行去磷硅玻璃处理。

去除上一步骤中磷扩散在所述N型硅片表面形成的磷硅玻璃，避免其对后续工序造成影响。而由于还需要进行硼扩散形成PN结，可在硼扩散后统一进行边缘刻蚀。

步骤S34：在所述N型硅片的正面进行硼扩散形成PN结。

正如上面所述，在进行磷扩散后再进行硼扩散，可以避免进行磷扩散时高温使对硼元素的分布造成影响。硼扩散采用的试剂为三溴化硼，同样可采用扩散炉进行该步骤。

步骤S35：对硼扩散后的所述N型硅片进行边缘刻蚀处理以及去硼硅玻璃处理。

硼扩散会导致硅片表面形成一层含有硼的二氧化硅层，成为硼硅玻璃层，所述硼硅玻璃层会影响电极与硅片表面的欧姆接触，进而降低电池的转换效率。所以，需要通过化学试剂腐蚀等方法去除所述硼硅玻璃层。

在该步骤中进行边缘刻蚀，磷扩散以及硼扩散在硅片侧面形成的扩散层导致电池短路。

步骤S36：在所述N型硅片表面沉积减反膜。

N型硅片制备为N型电池时需要经过双面沉积减反膜，即在所述N型硅片的正面以及背面均形成减反膜。同上述实施例相同，通过PECVD工艺，分别在所述N型硅片的背面以及正面沉积减反膜，以进一步减少对太阳光的反射，增加对光的利用率，提高电池的转换效率。

步骤S37：在所述N型硅片正面形成正面电极，在所述N型硅片背面形成背面电极。

与P型电池不同，N型电池背面电极是与正面电极相同的栅线结构，所以同过上述磷扩散在硅片背面形成一层N型扩散层N+以降低背面与背面电极之间的接触电阻。

本实施例采用丝网印刷工艺形成所述正面电极以及背面电极。

步骤S38：对所述N型硅片进行烧结，使所述正面电极与所述N型硅片形成欧姆接触，使所述背面电极与所述N型扩散层形成欧姆接触。

通过烧结工艺，使得正面电极与背面电极固化定型，并与硅片形成良好的欧姆接触。

通过上述N型电池的制备方法描述可知，本实施例在制备N型电池时，通过实施例一中所述磷扩散方法形成N型电池背面的N型扩散层N+，在形成所述N型扩散层N+的加热及稳定炉温阶段，去除了硅片表面的金属离子，避免了硅片表面残留的金属离子扩散到硅片内部形成复合中心，保证了N型电池的转换效率。

需要说明的是，实施例二以及实施例三所述方法，具体工艺参数，如时间、各种气体流量以及温度可根据生产需求设定，并不限定本申请技术方案的保护范围。

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 (7)

1.一种磷扩散方法，其特征在于，包括：

对扩散炉进行加热；

当加热至三氯氧磷与氧气反应的温度后，通入设定流量的小氮以及氧气，并持续加热，其中，所述小氮为携带三氯氧磷的氮气，所述小氮的流量小于氧气的流量；

当扩散炉内温度稳定在磷扩散要求的工艺温度后，使小氮的流量大于氧气的流量，开始磷扩散；

预设时间的磷扩散后，进行退火处理。

2.根据权利要求1所述的磷扩散方法，其特征在于，当所述小氮的流量小于氧气的流量时，所述氧气的流量范围为100sccm-1500sccm，包括端点值，所述小氮的流量范围为30sccm-200sccm，包括端点值。

3.根据权利要求2所述的磷扩散方法，其特征在于，当所述小氮的流量小于氧气的流量时，所述氧气的流量与所述小氮的流量比为3～7：1。

4.根据权利要求3所述的磷扩散方法，其特征在于，当所述小氮的流量小于氧气的流量时，所述氧气的流量为500sccm，所述小氮的流量为100sccm。

5.根据权利要求1所述的磷扩散方法，其特征在于，当小氮的流量大于氧气的流量时，所述氧气的流量范围为150sccm-250sccm，包括端点值，所述小氮的流量为600sccm-700sccm，包括端点值。

6.一种P型电池制备方法，其特征在于，包括：

将经过正面制绒的P型硅片放入扩散炉内；

采用权利要求1-5任一项所述磷扩散方法，对所述P型硅片进行磷扩散，在所述P型硅片正面形成PN结；

对磷扩散后的所述P型硅片进行边缘刻蚀处理以及去磷硅玻璃处理；

在所述P型硅片正面沉积减反膜；

在所述P型硅片正面形成正面电极，在所述P型硅片背面形成背面电极；

对所述P型硅片进行烧结，使所述正面电极以及所述背面电极均与所述P型硅片形成欧姆接触。

7.一种N型电池的制备方法，其特征在于，包括：

将经过表面制绒的N型硅片放入扩散炉内；

采用权利要求1-5任一项所述磷扩散方法，对所述N型硅片进行磷扩散，在所述N型硅片的背面形成一层N型扩散层；

对磷扩散后的所述N型硅片进行去磷硅玻璃处理；

在所述N型硅片的正面进行硼扩散形成PN结；

对硼扩散后的所述N型硅片进行边缘刻蚀处理以及去硼硅玻璃处理；

在所述N型硅片表面沉积减反膜；

在所述N型硅片正面形成正面电极，在所述N型硅片背面形成背面电极；

对所述N型硅片进行烧结，使所述正面电极与所述N型硅片形成欧姆接触，使所述背面电极与所述N型扩散层形成欧姆接触。

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