CN103400904B - 一种制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，包括:在硅片背面整面硼离子注入形成背面发射区;背面沉积碱腐蚀阻挡层;在背面阻挡层上开出BSF窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层;碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层;在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层;双面磷扩散同时形成BSF和FSF；去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层;硼离子注入激活;制备前表面减反层和背面钝化层;制备背面发射区电极和BSF电极;烧结实现电极的欧姆接触。本发明在工艺上得到了简化，性能上也得到了提升，对于双发射极背结背接触电池的产业化前景具有很大的裨益。

Description

一种制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造技术领域，特别是涉及一种基于硼离子注入制备晶体硅双发射极背结背接触高效太阳能电池的方法。
背景技术
低成本、高效率一直是太阳能电池追求的方向。然而，常规的太阳能电池结构中，前表面银电极导致严重的遮光损失。在形成组件时电池片之间的焊接条上出现严重的串联电阻损失，从而导致组件的效率远低于单片电池片的效率。为此，双发射极背结背接触电池将正负极电极都转移到电池的背面，前表面的电极遮光损失为0。另外，双发射极背结背接触电池组件中电池片的相互连接都在电池片的背面完成，连接更方便且能使用更宽的焊接带，使得组件上的效率损失大大降低。Sunpower公司报道的双发射极背结背接触电池单片效率达到23%，而双发射极背结背接触电池组件的效率达到21.5%。
在双发射极背结背接触电池中，背面叉指状的N+背场，P+发射区以及前表面的前表面场的形成是一项非常关键的技术。现行工艺普遍采用硼扩散制备背面发射区，利用磷扩散制备前表面场和背表面场。然而，扩散存在均匀性较差、不能精确控制掺杂分布的特点，而且使用扩散工艺很难完成双发射极背结背接触电池所需的选择性掺杂需求，因此离子注入受到了人们的重视。离子注入能够精确控制掺杂分布，且离子注入方面使用硬掩膜等方式实现图案化的区域掺杂，对于双发射极背结背接触这种对区域掺杂要求很高的电池结构尤其适用。但是多步离子注入会导致成本的大幅增加，且硼磷注入的激活条件不一致。为此，本发明提出采用硼离子注入实现双发射极背结背接触电池的背面发射区的制备，而前表面发射区和背表面场通过一步磷扩散同时完成，大大降低了工艺复杂度，且保证了背面发射区的优良性能，有望以低廉的成本实现高效率的双发射极背结背接触电池结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种基于硼离子注入制备晶体硅双发射极背结背接触高效太阳能电池的方法，在与现有太阳能电池制备工艺部分兼容的基础上，提出了新的制备工序流程，以期以较简单的工艺实现高转换效率太阳能电池的制备，为双发射极背结背接触电池的产业化打下基础。
(二)技术方案
本发明是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括:
步骤101;在硅片背面整面硼离子注入形成背面发射区;
步骤102:背面沉积碱腐蚀阻挡层;
步骤103：在背面阻挡层上开出背表面场(Back Surface Field，BSF)窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层;
步骤104:碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层;
步骤105:在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层;
步骤106:双面磷扩散同时形成BSF和前表面场(Front Surface Field，FSF);
步骤107:去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层;
步骤108:硼离子注入激活;
步骤109:制备前表面减反层和背面钝化层;
步骤110:制备背面发射区电极和BSF电极;
步骤111:烧结实现电极的欧姆接触，完成晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的制备。
上述方案中，步骤101中所述硅片采用经过磷掺杂后的N型太阳能级硅片，电阻率为1～3Ω·cm，厚度200μm，体少子寿命大于1ms。
上述方案中，步骤101中所述在硅片背面整面硼离子注入形成背面发射区，是在N型硅衬底背面全表面离子注入形成背面发射区，离子注入在常温条件下完成，注入离子种类为硼，注入能量为50～100keV，注入剂量为0.5×E15cm-2～1×E15cm-2，束流为5μA。
上述方案中，步骤102中所述背面沉积碱腐蚀阻挡层，是在硅衬底背面离子注入层上沉积碱腐蚀阻挡层，碱腐蚀阻挡层使用等离子体增强型PECVD沉积的SiNx薄膜或SiOx薄膜，沉积温度为300℃，沉积速率为25nm/min，沉积真空度＜2mTorr，薄膜厚为200nm～500nm。
上述方案中，步骤103中所述在背面阻挡层上开出BSF窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层，开窗口使用波长为532的皮秒激光器完成，开出的窗口宽度误差不超过50μm，窗口的深度500nm～1000nm，保证窗口处的SiNx和离子注入层都被完全去除。如果采用光刻开出BSF窗口，则使用10%～40%的HF溶液去除腐蚀阻挡层，腐蚀直至BSF窗口处呈疏水性为止。如果采用激光烧蚀开出BSF窗口，则窗口处的阻挡层也被激光烧蚀掉，不需要额外的阻挡层去除工艺。
上述方案中，步骤104中所述碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层，使用20～60wt%的NaOH或KOH溶液在70℃～80℃腐蚀1min～3min，并利用陪片确认离子注入层被完全去除。
上述方案中，步骤103和步骤104在一步中同时完成。
上述方案中，步骤105中所述在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层，扩散过滤层使用增强型PECVD沉积的SiOx，沉积速率为60nm/min，沉积厚度为10～20nm。
上述方案中，步骤106中所述双面磷扩散同时形成BSF和FSF，扩散采用POCl3液态源扩散方式，扩散温度为820℃～860℃，扩散时间为40分钟～100分钟，扩散得到的方阻为30～40Ω/sq。
上述方案中，步骤107中所述去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层，采用10%～40%的HF酸溶液完成，采用的腐蚀方法为10%～40%的HF溶液在常温下腐蚀直至前后表面皆呈疏水性为止。
上述方案中，步骤108中所述硼离子注入激活采用快速热退火炉(Rapid Thermal Processing，RTP)或管式退火炉完成。硼离子注入激活如果采用RTP完成，则退火条件为950℃～1050℃，退火5秒～10秒，退火气氛为N2。硼离子注入激活如果采用管式炉完成，则退火条件为950℃～1000℃，退火10分钟～30分钟，退火气氛为N2或O2。
上述方案中，步骤109中所述制备前表面减反层和背面钝化层，前表面减反层为增强型PECVD沉积的SiNx膜，背面钝化层使用ALD沉积的Al2O3膜和PECVD沉积的SiNx的叠层。所述前表面减反层为使用等离子体增强型PECVD沉积的SiNx，沉积温度为300℃，厚度为80nm。所述背面钝化层使用ALD在200℃沉积的20nm的Al2O3和等离子体增强型PECVD沉积的80nm的SiNx叠层。
上述方案中，步骤110中所述制备背面发射区电极和BSF电极，背面发射区电极采用精密可对准的丝网印刷机丝网印刷的银铝浆完成，背面BSF电极采用精密可对准的丝网印刷机丝网印刷的银浆完成。
上述方案中，步骤111中所述烧结采用的链式烧结炉完成，烧结峰值温度为850℃～890℃，退火时间为3秒～5秒。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法具有下列优点:
1、本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，通过硼离子注入形成背面发射区，不需要去除硼硅玻璃，所形成的发射区具备更加优良的质量和性能，能够更好地分离光生载流子，具备更高的电流收集能力。
2、本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，前表面场和背表面场采用磷扩散同时完成，避免了前后表面磷扩散的相互影响，而且大大节约了扩散的时间和热损耗。
3、本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，硼离子注入与磷扩散的结合，使得背面的定域图案化处理变得简单，只需要一步图案化处理，即开出背表面场的窗口。
4、本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，离子注入的硼原子在随后的磷扩散中可以得到部分激活，这样在随后的硼离子激活过程所需要的热处理时间可以减少，激活率也能得到提高。
综上所述，本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，在工艺上得到了简化，性能上也得到了提升，对于双发射极背结背接触电池的产业化前景具有很大的裨益。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法流程图;
图2至图10是依照本发明实施例的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的工艺流程图，其中:
图2是在硅片背面整面硼离子注入形成背面发射区后的示意图;
图3是背面沉积碱腐蚀阻挡层后的示意图;
图4是在背面阻挡层上开出BSF窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层后的示意图;
图5是碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层后的示意图;
图6是在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层后的示意图;
图7是双面磷扩散同时形成BSF和FSF后的示意图;
图8是去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层后的示意图;
图9是制备前表面减反层和背面钝化层后的示意图;
图10是制备背面发射区和BSF电极后的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的硼离子注入制备双发射极背结背接触太阳能电池的方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，图1是本发明提供的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法流程图，该方法包括以下步骤:
步骤101:在硅片背面整面硼离子注入形成背面发射区;
步骤102:背面沉积碱腐蚀阻挡层;
步骤103:在背面阻挡层上开出BSF窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层;
步骤104:碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层;
步骤105:在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层;
步骤106:双面磷扩散同时形成BSF和FSF；
步骤107:去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层;
步骤108:硼离子注入激活;
步骤109:制备前表面减反层和背面钝化层;
步骤110:制备背面发射区电极和BSF电极;
步骤111:烧结实现电极的欧姆接触，完成晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的制备。
上述步骤101中所述的硅片采用经过磷掺杂后的N型太阳能级硅片，电阻率为1～3Ω·cm，厚度200μm，体少子寿命大于1ms。
如图2所示，在标记为201的N型硅衬底背面全表面离子注入形成背面发射区，标记为202。离子注入在常温条件下完成，注入离子种类为硼，注入能量为50～100keV，注入剂量为0.5×E15cm-2～1×E15cm-2，束流为5μA。
如图3所示，上述步骤102中所述，在硅衬底背面离子注入层上沉积碱腐蚀阻挡层，碱腐蚀阻挡层使用等离子体增强型PECVD沉积的SiNx薄膜或SiOx薄膜，沉积温度为300℃，沉积速率为25nm/min，沉积真空度＜2mTorr，薄膜厚为200nm～500nm。
如图4、5所示，在背面阻挡层203上开出BSF窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层。开窗口使用波长为532的皮秒激光器完成，开出的窗口宽度误差不超过50μm，窗口的深度500nm～1000nm，保证窗口处的SiNx和离子注入层都被完全去除。如果采用光刻开出BSF窗口，则使用10%～40%的HF溶液去除腐蚀阻挡层，腐蚀直至BSF窗口处呈疏水性为止。如果采用激光烧蚀开出BSF窗口，则窗口处的阻挡层也被激光烧蚀掉，不需要额外的阻挡层去除工艺。步骤104中所述碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层，使用20～60wt%的NaOH或KOH溶液在70℃～80℃腐蚀1min～3min，并利用陪片确认离子注入层被完全去除。步骤103、104在一步中同时完成。
如图6所示，上述步骤105中所述的在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层，标记为204。扩散过滤层使用增强型PECVD沉积的SiOx，沉积速率为60nm/min，沉积厚度为10～20nm。
如图7所示，上述步骤106中所述的双面磷扩散同时形成BSF和FSF，形成的前表面场标记为205，形成的背表面场标记为206。扩散采用POCl3液态源扩散方式，扩散温度为820℃～860℃，扩散时间为40分钟～100分钟，扩散得到的方阻(采用P型陪片标定)为30～40Ω/sq。
如图8所示，上述步骤107中所述的去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层采用10%～40%的HF酸溶液完成，完成后的示意图如图8所示。所采用的腐蚀方法为10%～40%的HF溶液在常温下腐蚀直至前后表面皆呈疏水性为止。
上述步骤108中所述的硼离子注入激活采用RTP或管式退火炉完成。硼离子注入激活如果采用RTP完成，则退火条件为950℃～1050℃，退火5秒～10秒，退火气氛为N2。硼离子注入激活如果采用管式炉完成，则退火条件为950℃～1000℃，退火10分钟～30分钟，退火气氛为N2或O2。
如图9所示，上述步骤109中所述的前表面减反层为增强型PECVD沉积的SiNx膜，标记为207。背面钝化层使用ALD沉积的Al2O3膜和PECVD沉积的SiNx的叠层，标记为208。前表面减反层为使用等离子体增强型PECVD沉积的SiNx，沉积温度为300℃，厚度为80nm。背面钝化层使用ALD在200℃沉积的20nm的Al2O3和等离子体增强型PECVD沉积的80nm的SiNx叠层。
如图10所示，上述步骤110中所述的背面发射区电极标记为209，BSF电极标记为210。背面发射区电极采用精密可对准的丝网印刷机丝网印刷的银铝浆完成，背面BSF电极采用精密可对准的丝网印刷机丝网印刷的银浆完成。
上述步骤111中所述的电极的烧结采用的链式烧结炉完成，烧结峰值温度为850℃～890℃，退火时间为3秒～5秒，以获取最佳电池性能为标准。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (20)

1.一种制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤101：在硅片背面整面硼离子注入形成背面发射区；
步骤102：背面沉积碱腐蚀阻挡层；
步骤103：在背面阻挡层上开出BSF窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层；
步骤104：碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层；
步骤105：在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层；
步骤106：双面磷扩散同时形成BSF和FSF；
步骤107：去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层；
步骤108：硼离子注入激活；
步骤109：制备前表面减反层和背面钝化层；
步骤110：制备背面发射区电极和BSF电极；
步骤111：烧结实现电极的欧姆接触，完成晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的制备。
2.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤101中所述硅片采用经过磷掺杂后的N型太阳能级硅片，电阻率为1～3Ω·cm，厚度200μm，体少子寿命大于1ms。
3.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤101中所述在硅片背面整面硼离子注入形成背面发射区，是在N型硅衬底背面全表面离子注入形成背面发射区，离子注入在常温条件下完成，注入离子种类为硼，注入能量为50～100keV，注入剂量为0.5×E15cm-2～1×E15cm-2，束流为5μA。
4.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤102中所述背面沉积碱腐蚀阻挡层，是在硅衬底背面离子注入层上沉积碱腐蚀阻挡层，碱腐蚀阻挡层使用等离子体增强型PECVD沉积的SiNx薄膜或SiOx薄膜，沉积温度为300℃，沉积速率为25nm/min，沉积真空度<2mTorr，薄膜厚为200nm～500nm。
5.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤103中所述在背面阻挡层上开出BSF窗口，腐蚀去除BSF窗口处的碱腐蚀阻挡层，开窗口使用波长为532nm的皮秒激光器完成，开出的窗口宽度误差不超过50μm，窗口的深度500nm～1000nm，保证窗口处的SiNx和离子注入层都被完全去除。
6.根据权利要求5所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，采用光刻开出BSF窗口，则使用10％～40％的HF溶液去除腐蚀阻挡层，腐蚀直至BSF窗口处呈疏水性为止。
7.根据权利要求5所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，采用激光烧蚀开出BSF窗口，则窗口处的阻挡层也被激光烧蚀掉，不需要额外的阻挡层去除工艺。
8.根据权利要求5所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤104中所述碱腐蚀去除背面BSF窗口处的硼注入层，使用20～60wt％的NaOH或KOH溶液在70℃～80℃腐蚀1min～3min，并利用陪片确认离子注入层被完全去除。
9.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤103和步骤104在一步中同时完成。
10.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤105中所述在硅片前表面沉积一层薄的扩散过滤层，扩散过滤层使用增强型PECVD沉积的SiOx，沉积速率为60nm/min，沉积厚度为10～20nm。
11.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤106中所述双面磷扩散同时形成BSF和FSF，扩散采用POCl3液态源扩散方式，扩散温度为820℃～860℃，扩散时间为40min～100min，扩散得到的方阻为30～40Ω/sq。
12.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤107中所述去除背面的碱腐蚀阻挡层和前表面的扩散过滤层，采用10％～40％的HF酸溶液完成，采用的腐蚀方法为10％～40％的HF溶液在常温下腐蚀直至前后表面皆呈疏水性为止。
13.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤108中所述硼离子注入激活采用RTP或管式退火炉完成。
14.根据权利要求13所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，硼离子注入激活采用RTP完成，则退火条件为950℃～1050℃，退火5秒～10秒，退火气氛为N2。
15.根据权利要求13所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，硼离子注入激活采用管式炉完成，则退火条件为950℃～1000℃，退火10分钟～30分钟，退火气氛为N2或O2。
16.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤109中所述制备前表面减反层和背面钝化层，前表面减反层为增强型PECVD沉积的SiNx膜，背面钝化层使用ALD沉积的Al2O3膜和PECVD沉积的SiNx的叠层。
17.根据权利要求16所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，所述前表面减反层为使用等离子体增强型PECVD沉积的SiNx，沉积温度为300℃，厚度为80nm。
18.根据权利要求16所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，所述背面钝化层使用ALD在200℃沉积的20nm的Al2O3和等离子体增强型PECVD沉积的80nm的SiNx叠层。
19.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤110中所述制备背面发射区电极和BSF电极，背面发射区电极采用精密可对准的丝网印刷机丝网印刷的银铝浆完成，背面BSF电极采用精密可对准的丝网印刷机丝网印刷的银浆完成。
20.根据权利要求1所述的制备晶体硅双发射极背结背接触太阳能电池的方法，其特征在于，步骤111中所述烧结采用的链式烧结炉完成，烧结峰值温度为850℃～890℃，退火时间为3秒～5秒。
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