CN103633188A - 形成太阳电池掺杂区的方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成太阳电池掺杂区的方法，包括以下步骤:(1)在一半导体基片的表面形成一钝化层;(2)采用离子注入的方法，穿过所述钝化层在所述半导体基片上形成杂质源区;(3)采用激光照射所述杂质源区使其活化以得到太阳电池掺杂区c本发明采用激光对掺杂区进行活化，由于激光的速度、功率调节方便快捷，口间应速度快，从而可以实现对掺杂浓度、掺杂深度、掺杂区宽度的精确控制，使得工艺条件简化。
Description
技术领域
本发明涉及一种形成太阳电池掺杂区的方法，特别涉及一种激光活化离子注入的杂质源形成太阳电池掺杂区或者选择性掺杂区的方法，该方法包括在太阳电池上形成N型掺杂(n++)区或者形成P型掺杂(p++)区，属于光伏掺杂技术领域。
背景技术
由于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，目前世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮，太阳能利用技术得到了快速的发展，其中利用半导体的光生伏特效应将太阳能转变为电能的应用越来越广泛。而太阳电池就是其中最为普遍的被用来将太阳能转换为电能的器件。在实际应用中，一般是以由多个太阳电池串联(以互连条焊接串联连接)而成的电池组件作为基本的应用单元。
掺杂是太阳电池制备过程中的基本工艺，是指人为地将所需要的杂质以一定的方式(热扩散、离子注入)掺入到硅片表面薄层，并使其达到规定的数量和符合要求的分布形式。掺杂不仅可以制造pn结，还可以制造电阻、欧姆接触、互连线等。其中，离子注入是指将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅片(称为“革巴”)中而实现掺杂质。
离子注入到硅片中的杂质源大部分都停留在硅原子的间隙位置处，而处在这个位置上的杂质原子是不会释放出载流子的，也就不会改变半导体的电特性，从而达不到掺杂的目的。离子注入掺杂后必须经过适当的退火处理(又称为活化，annealing)，使得注入的杂质原子与晶格中的硅原子键合而释放出载流子，从而改变导体的电特性，这个过程称为杂质原子的电激活，退火处理也可以减少注入损伤。合适的退火工艺可以将注入杂质激活，将二次缺陷降低到最小。
目前在太阳电池领域中，离子注入掺杂剂形成的发射极主要利用高温活化形成，而离子注入形成的选择性发射极需要在重掺杂区域加大注入剂量，然后利用高温活化形成，此活化工艺所需温度一般在900一1100℃左右，一般利用快速热处理(Rapid ThermalProcessing,RTP)与管式退火炉进行。虽然能够满足掺杂要求，但是所需活化工艺温度太高，而且工艺比较复杂，特别是活化的高温工艺会使得硅片的本体少子寿命大幅下降，因此工艺适应性比较差，不适用于硅片质量较差的硅片，特别是目前需求量最大的多晶硅片。另外高温工艺是高能耗工艺，活化成本较高，而且高温活化工艺只能在电池工艺的前端工序中进行，不适用在后端工序中进行，工艺灵活性较小。
发明内容
本发明提供一种形成太阳电池掺杂区的方法，目的是解决高温活化存在的对硅片质量要求高、工艺复杂以及活化成本高的问题。
为达到上述目的，本发明采用的第一种技术方案是:一种形成太阳电池掺杂区的方法，包括以下步骤:
(1)在一半导体基片的表面形成一钝化层;
(2)采用离子注入的方法，穿过所述钝化层在所述半导体基片上形成杂质源区;
(3)采用激光照射所述杂质源区使其活化以得到太阳电池掺杂区。
在一较佳实施例中，所述钝化层的厚度为lOnm一500nm。优选的范围为60nm一300nm。
在一较佳实施例中，所述激光的发生器为脉冲激光器或者连续波激光器;所述激光的波长范围为从紫外波段到红外波段;所述激光的功率为2W一lOW;所述激光的速度为lmm/s一6000mm/s。
在一较佳实施例中，所述钝化层也为减反层。
在一较佳实施例中，所述钝化层为氮化硅钝化层、二氧化硅钝化层或者三氧化二铝钝化层。
为达到上述目的，本发明采用的第二种技术方案是:一种形成太阳电池掺杂区的方法，包括以下步骤:
(1)采用离子注入的方法，在一半导体基片上形成杂质源区;
(2)在所述半导体基片上具有所述杂质源区的那一侧表面形成一钝化层;
(3)采用激光照射所述杂质源区使其活化以得到太阳电池掺杂区。
在一较佳实施例中，所述钝化层的厚度为lOnm一500nm。优选的范围为60nm一300nm。
在一较佳实施例中，所述激光的发生器为脉冲激光器或者连续波激光器;所述激光的波长范围为从紫外波段到红外波段;所述激光的功率为2W一lOW;所述激光的速度为lmm/s一6000mm/s。
在一较佳实施例中，所述钝化层也为减反层。
在一较佳实施例中，所述钝化层为氮化硅钝化层、二氧化硅钝化层或者三氧化二铝钝化层。
上述技术方案中的有关内容解释如下:
1、上述方案中，所述钝化层形成于半导体基片(硅片)的整个表面。但是，所述杂质源区可以形成于半导体基片(硅片)的整个表面(例如在均匀结太阳能电池的制结步骤中，需要在半导体基片的一侧整个表面形成掺杂区)或者局部表面(如在制作选择性发射极太阳电池时，半导体基片表面指的是电极栅线下及其附近形成重掺杂深扩散区)。
2、上述方案中，所述半导体基片可以为N型单晶硅片、N型多晶硅片、P型单晶硅片或者P型多晶硅片。
3、上述方案中，所述激光发生器可以采用常见的激光器如:氢氟激光(紫外光、波长193纳米)、氛氟激光(紫外光、波长248纳米)、氨氯激光(紫外光、波长308纳米)、氮激光(紫外光、波长337纳米)、氢激光(蓝光、波长488纳米)、氢激光(绿光、波长514纳米)、氦氖激光(绿光、波长543纳米)、氦氖激光(红光、波长633纳米)、罗丹明6G染料(可调光、波长57。一650纳米)、红宝石(CrA103)红光、波长694纳米)、钱一忆铝石榴石(近红外光、波长1064纳米)以及二氧化碳(远红外光、波长10600纳米)。波长范围可以在20纳米一10600纳米选择。
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和效果:
1、本发明采用激光对掺杂区进行活化，由于激光的速度、功率调节方便快捷，响应速度快，从而可以实现对掺杂浓度、掺杂深度、掺杂区宽度的精确控制，使得工艺条件简化。
2、本发明可在室温下进行，所需温度低，从而可以适应质量较差的单晶硅片以及普通的多晶硅片。
附图说明
附图1为p型硅片离子注入五价元素后示意图;
附图2为p型硅片离子注入五价元素后，使用激光对离子注入区特定部位进行照射示意图;
附图3为p型硅片离子注入五价元素后，使用激光对离子注入区特定部位进行照射后形成区域性的n++示意图;
附图4为p型硅片离子注入三价元素后示意图;
附图5为p型硅片离子注入三价元素后，使用激光对离子注入区特定部位进行照射示意图;
附图6为p型硅片离子注入三价元素后，使用激光对离子注入区特定部位进行照射后形成区域性的p++示意图;
附图7为p型硅片采用离子注入和激光活化工艺在两个表面分别形成区域性的n++和p++示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例一:形成太阳电池掺杂区的方法
参见附图1、附图2和附图3所示，一种形成太阳电池掺杂区的方法，以该方法制备选择性发射极太阳电池，具体操作步骤为:
①、选取电阻率在0. 5-3 } " cm的P型单晶硅片1，在NaOH和异丙醇的混合溶液中，在90℃的温度下，对硅片表面进行绒面腐蚀，得到大小均匀的绒面后，再在稀盐酸和氢氟酸溶液中浸泡5分钟，最后用去离子水漂洗干净后甩干。
②、使用常规扩散炉(常规热扩散工艺)，采用三氯氧磷(POC13)对硅片表面进行磷扩散，扩散时硅片在石英舟上背对背放置，扩散炉恒温区为800-10000C，扩散时间为10-50分钟，扩散后在硅片表面形成一层n型发射结2。
③、扩散后硅片表面会形成一层磷硅玻璃(含有五氧化二磷的二氧化硅)，由于其稳定性和光学匹配性不良，将影响电池的性能而必须将其去除，采用氢氟酸能够溶解二氧化硅，因为氢氟酸能与二氧化硅作用生成易挥发的四氟化硅气体。另外，扩散后的硅片四周有一层较薄的pn结，使得硅片正面和背面直接导通产生漏电，采用湿法刻蚀机，使用氢氟酸和硝酸的混合液对硅片四周的pn结进行腐蚀。
④、在硅片的n型发射结表面的局部区域进行离子注入磷(P)掺杂剂，掺杂剂也可以是磷同族的砷(As) ,锑(Sb)或秘(Bi)。该步骤即为采用离子注入的方法，在一半导体基片(硅片)上的局部区域形成杂质源区。注入剂量在lEl5cm2-lEl6cm2，注入深度在0. gum-1 Oum。
⑤、在离子注入后的硅片表面采用PECVD形成一层氮化硅作为钝化层3，其厚度为60一70纳米，其同时也是太阳电池的减反层。如附图1所示，该步骤即为在所述半导体基片(硅片)上具有所述杂质源区的那一侧表面形成一钝化层(钝化层形成于硅片的整个表面，而不是仅仅局限于杂质源区)。
⑥、为得到期望的器件特性，根据掺杂剂的扩散深度和激活比例按需要选择激光照射条件，本实施例的具体条件为:激光4束源使用了调Q Nd:YVO、激光器，其通过使频率加倍而发射具有波长为入= 532nm。脉冲频率在lOkHz一100KHz，最佳脉冲能量密度在2一6J/cm 2的范围内。通过圆柱透镜引导激光束以产生线性焦点，圆柱透镜具有f = 200mm的焦距。通过物镜将激光束成像在硅晶片上，该物镜具有f = 50mm的焦距。使用激光对太阳电池正面栅线下方区域照射进行活化，如附图2所示，经过激光照射后会在氮化硅表面进行开槽，并且在开槽的区域形成n++重掺杂区5，如附图3所示，该区域的掺杂浓度和深度可以通过改变激光器的发射能量来进行调节，该重掺杂区作为太阳能电池的选择性发射极，与后面将要提到的金属化工艺形成良好的欧姆接触。该步骤即为激光活化杂质源区以得到选择性深扩散重掺杂区。所述激光的功率为7W;所述激光的速度为2500mm/s。
⑦、采用丝网印刷的方法在硅片背面形成银电极和一层铝膜，然后进行烘干。
⑧、采用丝网印刷的方法在上述经过激光活化所形成的n++重掺杂区5域印刷一层银浆，然后进行烘干。
⑨、将硅片放置于烧结炉中，在氮气气氛中加热到所需温度进行快速烧结。经过烧结后，硅片背面形成一个铝背场，硅片正面的银和n++重掺杂区5形成良好的欧姆接触，而没有形成n++重掺杂区5的发射极可以为扩散浓度低、扩散深度小的结构，从而有效提高蓝光响应。现在电池完成，并可进行测试。
该方法制备的太阳电池为选择性发射极太阳电池，当然利用本发明的技术也可以制作均匀结太阳能电池和背面局部接触电池，从而有效提高太阳电池的电性能。
针对现有技术(高温活化)存在工艺温度高，工艺条件复杂等缺点，本发明使用激光对掺杂区域进行活化，工艺在室温下进行，所需工艺温度低，完全适用于质量较差的单晶硅片以及普通的多晶硅片。另外，活化工艺简单，工艺控制精确，结合离子注入与激光参数的控制，可以实现对掺杂浓度、掺杂深度、掺杂区宽度的精确控制。重要的是该方法可以在硅片表面轻松实现选择性活化，在需要进行金属接触的高浓度掺杂区，通过控制激光参数可以进行重掺杂，降低接触电阻，从而降低太阳电池的串联电阻，提高太阳电池的填充因子。更重要的是，该工艺还可以完美配合背面钝化结构，在背面形成局部高浓度掺杂区，制作背面局部接触电池。
所述钝化层也可以为下例技术方案:1、氧化铝(A1203)层和氮化硅(SiNX)层构成的叠层结构;2、二氧化硅(Si02)层和氮化硅(SiNX)层构成的叠层结构。
所述钝化层的作用:(1)减反射作用，能够减少激光活化时激光的反射，增加硅片表面的激光能量。(2)缓冲作用，能够减少激光对硅片表面造成的损伤，提升活化后硅片的品质。(这一点对于活化工艺比较重要，从表面上看是活化后的槽比较窄。如果没有这一层膜(钝化层)，硅片损伤比较大，槽比较宽，氧化硅在这方面的作用比氮化硅要好，但是氧化硅的折射率比较低，不适合做减反射层，还有一点是氧化硅是高温工艺)。(3)钝化作用，比如采用氮化硅，PECVD沉积氮化硅能对硅片表面以及硅体进行有效的钝化，提高少子寿命，增加太阳能电池的光电转化效率。当先形成钝化层再离子注入掺杂剂时还能够降低离子注入对硅片表面的损伤。
实施例二、形成太阳电池掺杂区的方法
参见附图4、附图5和附图6所示，一种形成太阳电池掺杂区的方法，以该方法制备得到的太阳电池的背面接触结构，具体操作步骤为:
①、按照实施例一中的步骤①、②、③进行硅片的制备。
②、如附图4所示，在P型单晶硅片1的背表面形成一层二氧化硅作为钝化层3。该步骤即为在一半导体基片(硅片)的表面(整个表面)形成一钝化层。
③、在硅片的背表面进行离子注入硼(B)掺杂剂，掺杂剂也可以是硼同族的铝(A1) ,稼(Ga) ,锢(工n)。该步骤即为采用离子注入的方法，穿过所述钝化层(二氧化硅钝化层)在所述半导体基片上形成杂质源区。
④、为得到期望的器件特性，根据掺杂剂的扩散深度和激活比例按需要选择激光照射条件。使用激光4对太阳电池背部区域照射进行活化，照射区域的图形可以为点，也可以为线，如附图5所示，经过激光照射后会在二氧化硅表面进行开槽，并且在开槽的区域形成p++重掺杂区6，如附图6所示，该区域的掺杂浓度和深度可以通过改变激光器的发射能量来进行调节，该重掺杂区可以作为太阳能电池的局部接触点或局部接触线，与后面将要提到的金属化工艺形成良好的欧姆接触。
⑤、采用丝网印刷或者热蒸发或者溅射的方法在硅片背表面形成一层铝膜和银电极，并进行烘干。
⑥、采用丝网印刷的方法在硅片正表面印刷具有一定栅线结构的银浆，并进行烘干。
⑦、将硅片放置于烧结炉中，在氮气气氛中加热到所需温度进行快速烧结。经过烧结后，硅片正面的银和扩散区域形成欧姆接触，硅片背面的铝和经激光活化后形成的p++重掺杂区6形成良好的欧姆接触，而未形成p++区域的地方则被氮化硅进行钝化，有效的减小了表面复合。现在电池完成，并可进行测试。
采用的激光的功率为5W;所述激光的速度为500mm/s。
实施例三、形成太阳电池掺杂区的方法
采用激光活化同时进行选择性发射极(该方法同实例一)和背面局部接触(该方法同实施例二)的制备。
在上述两个实施例的基础上可以在硅片上形成既具有正面选择性发射极，也具有背面局部接触结构的太阳电池，其结构示意图如附图7所示。
采用的激光的功率为3W;所述激光的速度为5000mm/s。
实施例四、形成太阳电池掺杂区的方法
采用离子注入和激光活化代替高温扩散磷(或硼)形成pn结。
在p (n)型硅片表面，采用离子注入磷源(或硼源)，再沉积一层钝化层，然后使用激光扫描硅片表面进行活化，形成pn结。对于p型电池，可以用此方法代替丝网印刷形成的铝背场或者高温扩硼工艺形成的B背场。对于n型太阳能电池，可以用此方法快速形成较好的B发射结，取代常规的高温扩硼工艺形成的B发射结或者丝网印刷形成的Al背结，在此基础上可以制作太阳能电池。
采用的激光的功率为9W;所述激光的速度为80mm/s。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:包括以下步骤:
(1)在一半导体基片的表面形成一钝化层;
(2)采用离子注入的方法，穿过所述钝化层在所述半导体基片上形成杂质源区;
(3)采用激光照射所述杂质源区使其活化以得到太阳电池掺杂区。
2.根据权利要求1所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述钝化层的厚度为lOnm一500nm。
3.根据权利要求1所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述激光的发生器为脉冲激光器或者连续波激光器;所述激光的波长范围为从紫外波段到红外波段;所述激光的功率为2W一lOW;所述激光的速度为lmm/s一6000mm/s。
4.根据权利要求1所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述钝化层也为减反层。
5.根据权利要求1所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述钝化层为氮化硅钝化层、二氧化硅钝化层或者三氧化二铝钝化层。
6.一种形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:包括以下步骤:
(1)采用离子注入的方法，在一半导体基片上形成杂质源区;
(2)在所述半导体基片上具有所述杂质源区的那一侧表面形成一钝化层;
(3)采用激光照射所述杂质源区使其活化以得到太阳电池掺杂区。
7.根据权利要求6所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述钝化层的厚度为lOnm一500nm。
8.根据权利要求6所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述激光的发生器为脉冲激光器或者连续波激光器;所述激光的波长范围为从紫外波段到红外波段;所述激光的功率为2W一lOW;所述激光的速度为lmm/s一6000mm/s。
9.根据权利要求6所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述钝化层也为减反层。
10.根据权利要求6所述的形成太阳电池掺杂区的方法，其特征在于:所述钝化层为氮化硅钝化层、二氧化硅钝化层或者三氧化二铝钝化层。
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