CN103560179B - 具有se功能的水平辊道式连续扩散设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备。该设备设置有至少一个制备含有掺杂物质涂层的装置，通过该涂层制备装置可以在被扩散物表面PN结区域和SE区域分别制备出密度或浓度或组分不同的含有掺杂物质的涂层，表面附着了上述涂层的被扩散物，始终保持其扩散面朝上，在水平辊道的传输下水平移动，依次连续通过高温处理装置，不间断、一次性完成PN结和SE的掺杂。该设备由上片区、含有掺杂物质的涂层区、预热烘干区、高温扩散区、冷却区和出片区六个基本单元组成。该设备不仅有效解决了PN结和选择发射区掺杂一次完成、连续化生产的问题，而且解决了连续化扩散设备炉内环境气氛的洁净度问题。<pb pnum="1" />

Description

具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备
技术领域
本发明涉及一种具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，用于太阳电池片等半导体器件的SE制备和扩散处理。
背景技术
选择性发射极(selective emitter简称SE)就是在发射极电极下硅表面上制作一个高掺杂浓度区域，金属电极制作在高浓度区域上，其他区域为低浓度区。高掺杂区使金属和半导体的接触电阻下降，低掺杂区有利于提高光生载流子的数量、可提高短路电流，因而可以提高电池的转换效率，比无SE电池的转化效率高1%以上，用这种结构制作的硅太阳电池就是选择发射区电池。新南威尔士大学转换效率世界第一的PERL电池就是一种SE结构的电池，它采用的是实验室光刻工艺，经过了数次氧化、扩散、对准过程，在大规模太阳电池工业生产中很难推广。还有一种SE制备工艺是将高浓度磷浆如电极栅线状印刷到硅片表面，然后将硅片放入常规管式扩散炉中进行扩散，高浓度磷浆在扩散过程中从印刷区挥发沉积到非印刷区，但这样挥发沉积得到的磷浓度过低，为弥补其不足，需要在扩散时通入氮气和三氯氧磷气体作为磷源的补充，因为使用了三氯氧磷，所以只能在密闭的管式扩散炉中完成。这种SE的制备技术需要在常规扩散之前增加一道磷浆印刷工序、并且不能实现连续化生产。
管式扩散炉是目前最常用的扩散设备之一，它是将硅片站立放入装载架、推进扩散炉中，通以氮气和三氯氧磷（POCl3）气体，在800℃～1000℃之间高温处理使磷扩散进硅片内部，在硅片表面形成PN结。管式扩散是双面、批次扩散，以间歇方式运行，即每管扩散数百片、循环反复操作。管式扩散的优点是密闭操作，扩散环境洁净度高，电池转换效率高；缺点是需要通过人工或特殊的工具将部件放在支架上，不能连续化作业，产能低、扩散成本高。同时由于掺杂物质扩散以气态方式预制在部件表面，扩散结果与炉子的热场分布、部件在炉中的位置、进气方式和炉中气流分布等有关，而造成PN结方块电阻在同一部件表面均匀分布存在差异，通常每个部件四周方块电阻低于中间的方块电阻，不均匀性在5%以上。另外，掺杂物质源三氯氧磷为危险物品，在使用过程中一旦发生纰漏，可能会造成人生安全伤害。专利CN202465967U指出目前管式扩散方块电阻的不均匀性5%的原因是进气方式不合理、反应气体没有充分混合造成的，该专利提出在扩散管前端增加混气装置。该装置需要在原有设备上进行改造，在实际应用中很难实施。
作为一种连续扩散设备，链式连续扩散炉已经问世很多年，它是使用金属网带循环进出炉子传输硅片，并且用一定浓度的磷酸溶液（廉价安全）作为磷源替代了危险的三氯氧磷，将磷酸均匀喷涂到硅片上，将硅片在链式扩散炉中高温处理生成PN结。金属网带在使用过程中容易受应力的影响发生跑偏等问题，易污染扩散物，还由于这种连续化设备炉内环境气氛洁净度不容易保证等原因，采用链式扩散炉制备的太阳电池效率比管式扩散炉制备的太阳电池的效率低0.1-0.2%。且金属网带需要经常维护，更换起来也非常困难；当传送带离开炉体时，还会将热量带走，设备耗能高。
专利EP1010960A1涉及一个用于制备太阳电池的扩散炉,加热方式是红外加热，磷酸也是被预制在硅片表面，指明硅片可以采用金属网带被传送，也可高纯陶瓷辊道代替镍铬合金金属网带传输电池片。金属网带式炉的缺点前面已有描述。该专利也介绍了一种用高纯陶瓷辊道代替镍铬合金金属网带传输电池片的方法，其描述的辊轴至少一部分由一系列透明辊轴连续排列组成，辊轴带有驱动可自行旋转，并按部件行进方向同步转动，部件可通过辊轴的摩擦力从一个辊轴运动到另一个辊轴。但该专利没有涉及如何保持炉内环境气氛的洁净度来保证扩散效果的问题，并且该设备没有SE功能。
专利CN1936474A中阐述了一种辊道炉床热处理炉中的防尘装置，在该炉体侧壁上、比辊子管穿孔高的上方位置，安装着设有开口的清洁空气管道，防止炉体以外的尘埃进入炉体，该专利通入的洁净气体仅仅在炉体二侧起到防止外部灰尘进入炉内的保护作用，并不能从根本上改善炉内气氛和环境。
专利CN1602554A阐述了一种烘箱，用于由半导体材料制成的光电装置，其特点是半导体材料的传输通过一系列陶瓷材料制成的辊子实现且辊子绕其自身的轴线旋转，作为一个对半导体材料进行热处理的连续化生产设备，该专利同样没有涉及如何保持炉内环境气氛的洁净度来保证使用效果的问题，该设备也没有SE功能。
目前，现有技术存在PN结和选择发射区（简称SE）掺杂不能一次完成、连续化扩散设备生产的产品转换效率低、以及连续化扩散设备难以保证扩散环境气氛的洁净度等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，不仅有效解决了PN结和SE掺杂一次完成、连续化生产的问题，而且解决了连续化扩散设备炉内环境气氛的洁净度问题。
本发明所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备是：在所述扩散设备中，设置有至少一个制备含有掺杂物质涂层的装置，通过该涂层制备装置可以在被扩散物表面PN结区域和SE区域分别制备出密度或浓度或组分不同的含有掺杂物质的涂层，表面附着了上述涂层的被扩散物，始终保持其扩散面朝上，在水平辊道的传输下水平移动，依次连续通过高温处理装置，不间断、一次性完成PN结和SE的掺杂。
优选的是，在所述扩散设备中，通过设置的涂层制备装置可以在被扩散物表面PN结区域和SE区域分别制备出密度或浓度或组分不同的含有掺杂物质的涂层，表面附着了上述涂层的被扩散物，始终保持其扩散面朝上，通过由若干条水平排列、可以沿轴线方向往复转动的辊轴的摩擦力的作用下依次从上一个辊轴水平移动至下一个辊轴，被扩散物通过水平移动、依次连续通过高温处理装置，不间断、一次性完成PN结和SE的掺杂。辊轴间距设计要能够实现被扩散物在摩擦力的作用下依次从上一个辊轴水平移动至下一个辊轴。
该设备由上片区、含有掺杂物质的涂层区、预热烘干区、高温扩散区、冷却区和出片区等多个基本单元组成，必要时可增加一个含有掺杂物质的涂层区，在各个单元之间可设立缓冲区，各个单元的排列顺序可以根据需要前后调整。即含有掺杂物质的涂层区可以为一个或者两个。
优选的是，所述涂层的制备装置，为丝网印刷装置或雾化喷涂装置或激光喷涂装置或旋涂装置；所述含有掺杂物质的涂层区为一个或两个，其中，涂层区为一个时（以A涂层区表示），通过丝网印刷装置或激光喷涂装置中的任意一种涂层制备装置在被扩散物表面PN结区域和SE区域一次分别制备出密度或浓度不同的含有掺杂物质的涂层；涂层区为两个时（以A涂层区、B涂层区表示），前一涂层区采用丝网印刷装置或激光喷涂装置制备含有掺杂物质的SE图形，然后在，后一涂层区通过丝网印刷装置、雾化喷涂装置、激光喷涂装置或旋涂装置中的任意一种涂层制备装置制备PN结涂层，二步操作在被扩散物表面PN结区域和SE区域分别制备出密度或浓度或组分不同的含有掺杂物质的涂层。
优选的是，所述A涂层区的制备装置，可以是丝网印刷装置或激光喷涂装置；所述B涂层区的制备装置，可以是丝网印刷装置或雾化喷涂装置或激光喷涂装置或旋涂装置。其中，在A涂层区的丝网印刷装置中，用来进行丝网印刷的网版针对SE区域和PN结区域有不同的印刷特性，即SE区域印刷的涂层密度或浓度高于PN结区域印刷的涂层密度或浓度，实现一次印刷分别在SE区域和PN结区域形成不同密度或浓度的涂层；这种印刷效果是通过一种特殊的丝网印刷网版来实现的，即SE区域由互相贯通的镂空图案组成，PN结区域由若干不连通的图案组成，该不连通的图案包括圆形（点状）、或线性、或方形、或三角形、或菱形或其他任何不连通的图形；或者，所述丝网印刷装置中的丝网印刷网版，SE区域刻蚀程度高于PN结区域刻蚀程度。在B涂层区中，雾化喷涂装置或激光喷涂装置设置在水平辊道的上方，被扩散物在水平辊道的传输下水平移动过程中，依次经过雾化喷涂装置或激光喷涂装置的下方时，完成所述涂层的喷涂作业。
优选的是，本发明中传输被扩散物的辊道至少一部分尤其是在炉膛内部的辊道由空心辊轴组成，在空心辊轴上被扩散物经过的部位沿径向方向设置有若干通气孔，在空心辊轴的至少一端通过旋转接头与进气管连接，从进气管可以通入洁净的氮气、压缩空气或为了改善扩散效果而添加的其他必要的气体，通过空心辊轴上的通气孔进入到被扩散物经过的炉膛部位，由于始终有新鲜洁净的气体从空心辊轴的通气孔中喷出，而被扩散物一直从空心辊轴的通气孔上部经过，因而不断喷出的洁净气体将被扩散物包围、阻止了外来气体接近被扩散物，从而在被扩散物周围形成了局部非常洁净的小环境，因此，不会因为扩散炉炉体密封不严、外来杂质气体进入炉膛而影响热处理工作环境的洁净度，因此，可对扩散环境起到保护作用。其中，在空心辊轴上被扩散物经过的设置有若干通气孔的部位，还可以设置有至少一个中间凹、两边凸的台阶，被扩散物在两边凸起台阶的支撑和摩擦力作用下水平移动，被扩散物与通气孔之间离开一定距离，气体可以无障碍地从被扩散物下面进入炉膛，以便于气体均匀地到达被扩散物周围；在空心辊轴上沿径向方向设置的若干通气孔，可以是同种孔径和不同孔径、可以是均匀间距或不均匀间距，以达到气体的均匀分布。作为空心辊轴的材质可以是石英玻璃管、石英陶瓷管、氧化铝陶瓷管、氮化硅陶瓷管等对被扩散物或扩散工艺不造成污染的材料。
本发明的有益效果如下：
通过本发明提供的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，在水平辊道式连续扩散炉中引入了SE工艺，有效解决了PN结和SE掺杂一次完成、并且连续化生产的问题；通过空心传输辊轴向炉内通入洁净气体，解决了连续化扩散设备炉内环境气氛的洁净度问题。扩散效果大幅度提高，以晶硅电池为例，单晶电池效率可提高0.8%、多晶电池效率可提高0.4%；因为实现了扩散工艺在洁净气氛下的连续化生产，不但可大大提高产量、降低生产成本，而且保证了扩散工艺的稳定性和可靠性。本发明对优化太阳电池工艺流程、提高电池效率、降低生产成本都具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为B涂层区和涂层装置结构示意图；
图3为通气空心辊轴的结构示意图；
图4为PN结和SE掺杂涂层的涂层区图形；
图5为被扩散物在通气台阶空心辊轴上传输的示意图；
图中：1、上料区；2、传输辊轴；3、被扩散物；4、涂层区；4-1、A涂层区；4-2、B涂层区；5、缓冲区；6、预热烘干区；7、A涂层区的涂层装置；8、B涂层区的涂层装置；9、高温扩散区；10、保温层；11、排风管；12、加热灯管；13、冷却区；14、冷却风机；15、下料区；16、SE区域；17、PN结区域；18、不连通的图案；201、轴头；202、空心辊轴；203、通气孔；204、通气轴头；205、旋转接头；206、进气管；207台阶。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1-5所示，本实施例为具有SE功能的硅太阳电池用水平辊道式连续扩散设备，其结构示意图见图1，包括上料区1、传输辊轴2、被扩散物3、A涂层区4-1、缓冲区5、预热烘干区6、A涂层区4-1的涂层装置7、高温扩散区9、保温层10、排风管11、加热灯管12、冷却区13、冷却风机14、下料区15等。该实施例只有一个涂层区。
以硅片作为被扩散物3为例，A涂层区4-1的涂层装置7为丝网印刷机或激光喷涂装置，当使用丝网印刷机作为涂层装置时，使用一种含磷浆料进行印刷，采用一种特殊结构的网版在硅片上一次印刷出不同浓度或密度的SE图形和PN结图形磷浆，其网版结构如图4所示。16实线部分为SE区域，该区图形为直线，包括毫米量级以上的粗线条和垂直于粗线条的几微米到数十微米量级的细线条和边框，粗线可以设计为连续、部分间断计（中间是串联的）、镂空等，条数为二至多条，细线条部分必须为连续，条数为数十到几百条。边框可以为连续或蛇形，宽度与细线条一致；17是PN结区，由空白或若干不连通的图案组成，该不连通的图案包括圆形（点状）、或线性、或方形、或三角形或菱形或其他任何不连通的图形，图案尺寸在微米量级，间距为零到数微米。由于这种网版结构对同一种浆料有不同的透过特性，因此，一次印刷就可以分别在SE区域和PN结区域制备出浓度或密度不同的图形，将这种印刷完磷浆涂层的硅片，在水平辊轴的传输下送入高温扩散区，在700-1000℃下进行高温处理，就形成了具有SE功能的扩散片。辊道运行速度可在12m/min以内任意可调，必要时可以往复转动、使硅片在扩散炉内停留足够的时间，以达到扩散效果。
当使用激光喷涂装置作为涂层装置时，在激光喷涂装置中按照图4所示图案设置好喷涂的图形，一次喷涂就可以分别在SE区域和PN结区域制备出浓度或密度不同的图形，然后在水平辊轴的传输下送入高温扩散区，在700-1000℃下进行高温处理，就形成了具有SE功能的扩散片。
实施例2
该实施例为具有SE功能的硅太阳电池用水平辊道式连续扩散设备，在实施例1基础上增加了1个B涂层区4-2和涂层装置8，以硅片作为被扩散物3为例，通过二次喷涂分别在SE区域和PN结区域制备出浓度或密度或组分不同的含磷图形。
涂层装置7为丝网印刷机，涂层装置8为雾化喷涂装置或激光喷涂装置。硅片先经过涂层装置7的丝网印刷机印刷了图4中SE图形的磷浆，在水平辊道的传输下依次经过雾化喷涂装置或激光喷涂装置8的下方，雾化喷涂装置或激光喷涂装置8再在硅片上部喷涂一层浓度低于SE区域的磷浆、或者喷涂一层与SE区域组分不同的磷浆，在同等工艺条件下，喷涂装置8喷涂的磷浆其掺杂效果比SE区域的磷浆差，将其送入高温扩散区在700-1000℃下进行高温处理，就形成了具有SE功能的扩散片。
实施例3
本实施例为半导体用水平辊道连续扩散设备，与实施例1不同的是，该设备只有1个B涂层区4-2和涂层装置8。
本设备中，被扩散物3可以是锗片、硅片和砷化镓片，涂层装置8为雾化喷涂装置或激光喷涂装置。被扩散物经过涂层装置8时上表面全部被喷涂了掺杂物质，再依次进入烘干区、高温扩散区进行后续处理，最终成为一般扩散片。
实施例4
在实施例1-3的基础上，上表面附着了掺杂物质的被扩散物3，都是始终保持其扩散面朝上，通过由若干条水平排列、可以沿轴线方向往复转动的辊轴2的摩擦力的作用下依次从上一个辊轴水平移动至下一个辊轴，被扩散物3通过水平移动、依次连续通过高温处理装置，不间断、一次性连续完成PN结和SE的掺杂。
其中高温扩散区的温度在700-1000℃，辊道运行速度可在12m/min以内任意可调。辊轴2可以是实心轴，也可以是带有通气孔203的空心辊轴202，在设备的炉膛内一般采用空心辊轴202，其结构如图3所示，201是轴头，用于固定空心辊轴；202是空心辊轴；203是空心轴的通气孔；205是旋转接头，一端与通气轴头204相接，另一端与进气管205相接，从进气管205可以通入洁净的氮气、压缩空气或其他必要的气体，该气体通过空心辊轴202上的通气孔203进入被扩散物3下部和周围，由于始终有新鲜洁净的气体从空心辊轴202的通气孔203中喷出，而被扩散物3一直从空心辊轴202的通气孔203上部经过，因而不断喷出的洁净气体将被扩散物3包围、阻止了外来气体接近被扩散物3，从而在被扩散物3周围形成了局部非常洁净的小环境，因此，不会因为扩散炉炉体密封不严、外来杂质气体进入炉膛而影响热处理工作环境的洁净度，因此，可对扩散环境起到保护作用。
其中，在空心辊轴202上被扩散物3经过的设置有若干通气孔203的部位，还可以设置有至少一个中间凹、两边凸的台阶207，被扩散物3在两边凸起台阶的支撑和摩擦力作用下下水平移动，被扩散物3与凸起台阶的支撑接触的部位一般以1-2mm为宜，被扩散物3与通气孔203之间离开一定距离，较适宜的距离是0.5-2mm，这样气体可以无障碍地从被扩散物3下面进入炉膛，以便于气体均匀地到达被扩散物3周围；在空心辊轴上沿径向方向设置的若干通气孔，可以是同种孔径和不同孔径、可以是均匀间距或不均匀间距，以达到气体的均匀分布。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：在所述扩散设备中，设置有至少一个制备含有掺杂物质涂层的涂层制备装置，通过该涂层制备装置可以在被扩散物表面PN结区域和SE区域分别制备出密度或浓度或组分不同的含有掺杂物质的涂层，表面附着了上述涂层的被扩散物，始终保持其扩散面朝上，在水平辊道的传输下水平移动，依次连续通过高温处理装置，不间断、一次性完成PN结和SE的掺杂；
该设备由上片区、含有掺杂物质的涂层区、预热烘干区、高温扩散区、冷却区和出片区六个基本单元组成；
所述涂层制备装置，为丝网印刷装置或雾化喷涂装置或激光喷涂装置或旋涂装置；所述含有掺杂物质的涂层区为一个或两个，其中，涂层区为一个时，通过丝网印刷装置或激光喷涂装置中的任意一种涂层制备装置在被扩散物表面PN结区域和SE区域一次分别制备出密度或浓度不同的含有掺杂物质的涂层；涂层区为两个时，前一涂层区采用丝网印刷装置或激光喷涂装置制备含有掺杂物质的SE图形，然后在后一涂层区通过丝网印刷装置、雾化喷涂装置、激光喷涂装置或旋涂装置中的任意一种涂层制备装置制备PN结涂层，二步操作在被扩散物表面PN结区域和SE区域分别制备出密度或浓度或组分不同的含有掺杂物质的涂层。
2.根据权利要求1所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：在所述丝网印刷装置中，用来进行丝网印刷的网版针对SE区域和PN结区域有不同的印刷特性，即SE区域印刷的涂层密度或浓度高于PN结区域印刷的涂层密度或浓度，实现一次印刷分别在SE区域和PN结区域形成不同密度或浓度的涂层。
3.根据权利要求2所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：所述丝网印刷装置中的丝网印刷网版，SE区域由互相贯通的镂空图案组成，PN结区域由若干不连通的图案组成，该不连通的图案包括圆形、线性、三角形或菱形。
4.根据权利要求2所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：所述丝网印刷装置中的丝网印刷网版，SE区域刻蚀程度比PN结区域刻蚀程度高。
5.根据权利要求1所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：雾化喷涂装置或激光喷涂装置设置在水平辊道的上方，被扩散物在水平辊道的传输下水平移动过程中，依次经过雾化喷涂装置或激光喷涂装置的下方时，完成所述涂层的喷涂作业。
6.根据权利要求1所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：传输被扩散物的辊道由若干条水平排列、沿轴线方向往复转动的辊轴组成，传输被扩散物的辊道至少一部分是由空心辊轴组成，在空心辊轴上被扩散物经过的部位沿径向方向设置有若干通气孔，在空心辊轴的至少一端通过旋转接头与进气管连接，从进气管通入洁净的氮气、压缩空气，通入的气体通过空心辊轴上的通气孔进入到被扩散物经过的炉膛部位。
7.根据权利要求6所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：在空心辊轴上被扩散物经过的设置有若干通气孔的部位，设置有至少一个中间凹、两边凸的台阶，被扩散物在两边凸起台阶的支撑和摩擦力作用下水平移动，被扩散物与通气孔之间离开一定距离，气体无障碍地从被扩散物下面进入炉膛。
8.根据权利要求6所述的具有SE功能的水平辊道式连续扩散设备，其特征在于：在空心辊轴上沿径向方向设置的若干通气孔，其孔径相同或不同，其间距为均匀间距或不均匀间距。
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