CN103730537A - 一种多晶硅太阳能电池扩散工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，属于太阳能电池制备技术领域。本发明将现有的由沉积和推进组成的扩散工艺改为由预沉积、沉积、氧化和推进四步组成。本发明在沉积步骤前增加预沉积步骤，并在步骤时通入携带三氯氧磷，在高温条件下，三氯氧磷经过两次分解生成氯，氯可以和金属离子反应生成金属络合物并随扩散炉管内的气体带出扩散炉，有利于提升硅片表面的扩散吸杂效果，提高了硅片的少子寿命，改善了太阳能电池的扩散质量；同时，氯的存在可以有效的阻碍堆垛层错的产生，减小高温过程带来的晶格损伤，进而提高硅片的光电转换效率。

Description

一种多晶硅太阳能电池扩散工艺
技术领域
本发明涉及多晶硅太阳能电池制备技术领域。
背景技术
多晶硅太阳电池的制作过程主要包括：制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷和烧结等。而PN结是多晶硅太阳电池的心脏，也是电池质量好坏的关键之一。对于n＋/p常规硅太阳能电池的发射区一般是通过磷扩散形成的浅结区域，由于在扩散区P处于晶格间隙位置，容易引起晶格畸变，而且由于磷与硅的原子半径不匹配，也容易出现失配，因此该区域活性比较大，容易吸引杂质，会成为少数载流子的复合中心，从而降低少子寿命。
目前采用太阳能行业普遍采用的扩散工艺为沉积加推进的两步扩散方法：恒定源扩散（沉积）和限定源扩散（推进）。两步扩散指在一定温度下通入磷源（即三氯氧磷）和氧气，通过控制工艺时间及其掺杂源的流量、浓度来控制掺杂引入杂质的总量。但在高温的氧气氛围中，由于多晶硅自身的材料缺陷，容易发生氧化堆垛层错缺陷，这种缺陷极易形成复合中心，使得光生载流子都无谓地复合掉，导致效率下降。
接下来在不通杂质源的情况下进行推进，目的是获得一定的PN结结深和杂质浓度分布，完成PN结的制备。
发明内容
针对现有扩散工艺中容易引起氧化堆垛层错的缺陷，本发明提供一种可有效的阻碍堆垛层错的产生、延长太阳能硅片少子寿命、减小高温过程带来的晶格损伤、改善太阳能电池的扩散质量、提高光电转换效率的多晶硅太阳能电池扩散工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在预定温度时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为5-10min，氮气的流量为500-2000sccm；
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为10-20min，氮气的流量为500-2000sccm，氧气的流量为400-2000sccm；
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为5-10min，氮气的流量为5-10slm，氧气的流量为1500-2000sccm；
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为10-15min，流量为5-10slm，使沉积的磷向硅片内部进行扩散。
所述预定温度为800-900℃。
预沉积和沉积步骤中氮气的流量为1000sccm。
沉积步骤中氧气的流量为800sccm。
氧化步骤中氮气的流量为7-7.5slm。
氧化步骤中氧气的流量为1700-2000sccm。
推进步骤中氮气的流量为7slm。
采用上述技术方案取得的技术进步为：本发明在沉积步骤前增加预沉积步骤，并在步骤时通入携带三氯氧磷，在高温条件下，三氯氧磷经过两次分解生成氯，氯的存在可以有效的阻碍堆垛层错的产生，改善太阳能电池的扩散质量；同时，氯可以和金属离子反应生成金属络合物并随扩散炉管内的气体带出扩散炉，有利于提升硅片表面的扩散吸杂效果，提高硅片的少子寿命，同时减小高温过程带来的晶格损伤，进而提高硅片的光电转换效率。
具体实施方式
现有的常规扩散工艺为沉积加推进的两步扩散方法：恒定源扩散（相当于本发明的沉积步骤）和限定源扩散（相当于本发明的推进步骤）。首先在高温下通入磷源和氧气，即三氯氧磷和氧气，通过控制工艺时间及其掺杂源的流量、浓度来控制掺杂引入杂质的总量。整个工艺的持续时间较长，硅片表面会不断有磷元素扩散进入；而在高温情况下，磷元素又不断被推入硅片表层以下，硅片表面作为一个过渡层，会有大量磷元素富集在此，由于在扩散区磷处于晶格间隙位置，容易引起晶格畸变，而且由于磷与硅的原子半径不匹配，也容易出现失配，发生氧化堆垛层错缺陷，导致该处会产生一些晶格的畸变和错位，从而产生高复合区；高复合区活性比较大，容易吸引杂质，杂质浓度高，使得光生载流子都无谓地复合掉，成为少数载流子的复合中心，从而降低少子寿命，导致光电转换效率下降。
本发明的一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在预定温度时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为5-10min，氮气的流量为500-2000sccm；在高温下，三氯氧磷会分解为五氯化磷和五氧化二磷，五氯化磷进而分解为三氯化磷和氯气，由于没有氧气的存在，氯气就可以和扩散炉中存在的活跃的金属离子结合形成金属络合物，这些金属络合物在以后的步骤中可以随着气体被带出炉外，这样就大大减少了金属离子对硅片中少子寿命的影响。 
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为10-20min，氮气的流量为500-2000sccm，氧气的流量为400-2000sccm；在高温条件下，三氯氧磷与氧气反应生成五氧化二磷，五氧化二磷与硅反应生成磷和二氧化硅；由于在硅表面存在浓度差，磷原子在浓度梯度作用下进行扩散运动，硅片表层的磷扩散到其内部的低浓度区。
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为5-10min，氮气的流量为5-10slm，氧气的流量为1500-2000sccm；此步骤的目的是利用硅和氧气反应生成的二氧化硅氧化层促进磷原子的扩散。
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为10-15min，流量为5-10slm，使沉积的磷向硅片内部扩散，最终形成PN结。
本发明的扩散方法在沉积步骤前增加预沉积步骤，在预沉积步骤时通入携带三氯氧磷的氮气，在扩散炉的高温条件下，三氯氧磷会分解为五氯化磷和五氧化二磷，五氯化磷进而分解为三氯化磷和氯气，氯气和炉中活跃的金属离子结合形成金属络合物，这些金属络合物在以后的步骤中可以随着气体被带出炉外，这样就大大减少了金属离子对硅片中少子寿命的影响；同时，氯气的存在可以有效的阻碍堆垛层错的产生，大大改善硅片表面的扩散质量；与此同时，氯气还可以和金属离子反应生成金属络合物，金属络化物随扩散炉管内的气体被带出扩散炉，这就提高了硅片的少子寿命，有利于提升扩散的吸杂效果，减小高温过程带来的晶格损伤，进而提高光电转换效率。
下面以几个具体的实施例详细介绍本发明的扩散工艺。
实施例1
一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在800℃时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为5min，氮气的流量为500sccm；
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为10min，氮气的流量为500sccm，氧气的流量为400sccm；
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为5min，氮气的流量为5slm，氧气的流量为1500sccm；
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为10min，流量为5slm，使沉积的磷向硅片内部进行扩散。
经过准稳态光电导法测试，常规扩散工艺下，硅片的少子寿命为8微秒，在本实施例工艺下硅片的少子寿命为10微秒，少子的寿命提高了25%。电池转换效率从17.4%提升至17.45%。
实施例2
一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在820℃时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为7min，氮气的流量为1000sccm；
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为12min，氮气的流量1000sccm，氧气的流量为800sccm；
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为8min，氮气的流量为7.3slm，氧气的流量为1700sccm；
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为13min，流量为7slm，使沉积的磷向硅片内部进行扩散。
经过准稳态光电导法测试，常规扩散工艺下，硅片的少子寿命为9.3微秒，在本实施例工艺下硅片的少子寿命为12微秒，少子的寿命提高了29%。电池转换效率从17.41%提升至17.47%。
实施例3
一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在预定温度时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为8min，氮气的流量为1500sccm；
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为18min，氮气的流量1500sccm，氧气的流量为1600sccm；
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为9min，氮气的流量为8slm，氧气的流量为1800sccm；
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为12min，流量为7.5slm，使沉积的磷向硅片内部进行扩散。
经过准稳态光电导法测试，常规扩散工艺下，硅片的少子寿命为6.8微秒，在本实施例工艺下硅片的少子寿命为8.2微秒，少子的寿命提高了20%。电池转换效率从17.38%提升至17.42%。
实施例4
一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在预定温度时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为9min，氮气的流量为1850sccm；
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为18min，氮气的流量1900sccm，氧气的流量为1950sccm；
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为8.5min，氮气的流量为8.5slm，氧气的流量为1900sccm；
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为14min，流量为8.8slm，使沉积的磷向硅片内部进行扩散。
经过准稳态光电导法测试，常规扩散工艺下，硅片的少子寿命为7.3微秒，在本实施例工艺下硅片的少子寿命为9微秒，少子的寿命提高了23%。电池转换效率从17.41%提升至17.45%。
实施例5
一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在900℃时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为10min，氮气的流量为2000sccm；
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为20min，氮气的流量为2000sccm，氧气的流量为2000sccm；
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为10min，氮气的流量为10slm，氧气的流量为2000sccm；
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为15min，流量为10slm，使沉积的磷向硅片内部进行扩散。
经过准稳态光电导法测试，常规扩散工艺下，硅片的少子寿命为8.6微秒，在本实施例工艺下硅片的少子寿命为10.5微秒，少子的寿命提高了22%。电池转换效率从17.45%提升至17.51%。
通过上述实施例的可知，本发明的扩散工艺与现有技术相比，可以带来明显的技术进步，预沉积步骤中产生的氯气带走扩散炉管内的杂质金属离子，提升了硅片表面的吸杂效果，降低了硅片表面的杂质浓度，提高了硅片的少子寿命，提高的幅度约为15%-30%，本发明减小了高温过程带来的晶格损伤，同时有效的阻碍了硅片表层上堆垛层错的产生，大大提高了硅片的光电转换效率，本领域技术人员都知道将光电转换效率提高0.01%都是很困难的事情，但是利用本工艺便可将光电转换效率提高约0.05%左右，可见本发明的技术进步是较为明显的。 

Claims (7)

1.一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，其特征在于包括如下步骤：
一、预沉积：当石英管扩散炉内温度稳定在预定温度时，通入携带三氯氧磷的氮气，持续时间为5-10min，氮气的流量为500-2000sccm；
二、沉积：继续通入携带三氯氧磷的氮气和氧气，持续时间为10-20min，氮气的流量为500-2000sccm，氧气的流量为400-2000sccm；
三、氧化：停止通入三氯氧磷，继续通入氧气和氮气，持续时间为5-10min，氮气的流量为5-10slm，氧气的流量为1500-2000sccm；
四、推进：停止通入氧气，仅通入氮气，持续时间为10-15min，流量为5-10slm，使沉积的磷向硅片内部进行扩散。
2.根据权利要求1所述的一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，其特征在于所述预定温度为800-900℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，其特征在于预沉积和沉积步骤中氮气的流量为1000sccm。
4.根据权利要求1或2所述的一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，其特征在于沉积步骤中氧气的流量为800sccm。
5.根据权利要求1或2所述的一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，其特征在于氧化步骤中氮气的流量为7-7.5slm。
6.根据权利要求1或2所述的一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，其特征在于氧化步骤中氧气的流量为1700-2000sccm。
7.根据权利要求1或2所述的一种多晶硅太阳能电池扩散工艺，其特征在于推进步骤中氮气的流量为7slm。
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