CN104505428A - 一种选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：在硅片正面形成绒面；在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层；印刷含氟的腐蚀浆料，放置1-10分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；在所述硅片正面进行磷扩散，在腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；去除磷硅玻璃和周边PN结；在硅片正面形成氮化硅减反膜；在硅片背面印刷背电极和铝背场；在腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料；烧结。采用本发明，可使硅片表面的磷掺杂浓度呈选择性分布，防止磷浆挥发物对硅片的影响，提高硅片的外观质量，提升电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种有效地吸收太阳辐射能，利用光生伏打效应把光能转换成电能的器件，当太阳光照在半导体P-N结(P-N Junction)上，形成新的空穴-电子对(V-E pair)，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。由于是利用各种势垒的光生伏特效应将太阳光能转换成电能的固体半导体器件，故又称太阳能电池或光伏电池，是太阳能电池阵电源系统的重要组件。太阳能电池主要有晶硅(Si)电池，三五族半导体电池(GaAs，Cds/Cu2S，Cds/CdTe， Cds/InP，CdTe/Cu2Te)，无机电池，有机电池等，其中晶硅太阳能电池居市场主流主导地位。晶硅太阳能电池的基本材料为纯度达0.999999、电阻率在10欧·厘米以上的P型单晶硅，包括正面绒面、正面p-n结、正面减反射膜、正背面电极等部分。
传统太阳能电池的PN结是采用一次磷扩散的方式制作，磷源掺杂浓度分布是均匀的，为了提高电池的开路电压和短路电流，只能采取整体提高扩散方阻，降低磷掺杂浓度的方式，但是这种方式使得银栅线以下区域的磷掺杂浓度也同时降低，银栅线与硅不能形成良好的欧姆接触，导致电池的填充因子较低，抑制了电池光电转换效率的提升。由此，现有技术出现了选择性发射极晶硅太阳能电池，即将磷浆印刷在栅线的位置，放入扩散炉管，通入POCl3进行热扩散；去磷硅玻璃；正面减反膜沉积；正背面金属电极的制备和烧结。这种选择性发射电极电池的优点是制备方法工艺简单，成本低，可大规模产业化。但是，由于印刷的磷浆含有很多杂质成分，在扩散炉管中会挥发出来，这些杂质会在硅片表面沉积或者和硅产生各种物理化学反应，使得硅片出现外观不良，如出现斑点，电池效率提升空间有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，可使硅片表面的磷掺杂浓度呈选择性分布，防止磷浆挥发物对硅片的影响，提高硅片的外观质量，提升电池的光电转换效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）在硅片正面形成绒面；
（2）在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层；
（3）按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，放置1-10分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；
（4）在所述硅片正面进行磷扩散，温度控制在810-900℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；
（5）去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结；
（6）在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜；
（7）在硅片背面印刷背电极和铝背场；
（8）在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料；
（9）烧结。
作为上述方案的改进，所述腐蚀浆料印刷区域的方阻为10-60欧/□，所述非腐蚀浆料印刷区域的方阻为100-150欧/□。
作为上述方案的改进，所述正电极浆料的印刷图案与所述栅线网版图案相同，且所述栅线网版图案的线宽比所述正电极浆料印刷图案宽5-10μm。
作为上述方案的改进，所述正电极浆料印刷图案的线宽为20-70μm。
作为上述方案的改进，步骤（2）臭氧氧化的过程中温度控制为30-80℃，以使硅片表面沉积0.5-3nm的二氧化硅层。
作为上述方案的改进，所述步骤（2）采用臭氧设备对所述硅片绒面进行臭氧氧化，所述臭氧设备与步骤（1）中的制绒设备连接。
作为上述方案的改进，所述臭氧设备将O2、O3和N2的混合气体通入所述制绒设备中。
作为上述方案的改进，所述O2和所述N2的流量分别为1-30L/min和5-20L/min，所述O2、O3和N2的混合气体的通气时间为5-50s。
作为上述方案的改进，所述臭氧设备中设有紫外灯，以使O2在所述紫外灯的照射下转化为O3。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，在现有技术的基础上改进了选择性发射电极的制备工序，首先向制绒后的硅片通过臭氧氧化形成一层很薄的二氧化硅层，然后印刷腐蚀浆料去除正电极栅线位置的二氧化硅，再在腐蚀槽中印刷磷浆进行磷扩散，从而形成选择性发射极。由于二氧化硅层一方面可以在高温下降低磷的扩散速度，在非磷浆区域形成轻掺杂，另一方面由于二氧化硅的缓冲作用，形成的p-n结很均匀，最重要的一点是，磷浆在高温下的挥发物被二氧化硅层阻隔在硅片外面，可以防止挥发物对硅片的影响，使得硅片不会出现外观不良，且电池效率也会得到保证。
附图说明
图1是本发明选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
为了解决磷浆的杂质挥发后沉积在硅片表面发生物理化学反应，导致影响整个硅片的性能的技术问题，结合图1，本发明提供一种选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S100在硅片正面形成绒面。
选用湿法或者干法刻蚀技术，通过制绒设备在硅片表面形成绒面。
S101在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层。
本发明通过臭氧设备与制绒设备连接，臭氧设备安装在制绒设备下料口上方。在完成步骤S100的制绒工序后，臭氧设备以O2和N2作为气源，通过紫外灯的照射使得O2转化为O3，从而形成O2、O3和N2的混合气体。将混合气体通入所述制绒设备中，O3与硅片正面的绒面接触，控制温度在30-80℃范围内，以N2作为保护气，氧化硅片正面以使硅片表面沉积0.5-3nm的二氧化硅层。二氧化硅层可以对硅片表面进行保护，使得磷浆的挥发物不能和硅片进行反应，杜绝硅片外观异常的出现。此外，O3氧化作用缓慢，0.5-3nm的二氧化硅层厚度足以达到隔绝硅片的效果。
所述O2和所述N2的流量分别为1-30L/min和5-20L/min，O2、O3和N2的混合气体的通气时间为5-50s。
优选地，O2的流量为10-22L/min，N2的流量为8-15L/min，O2、O3和N2的混合气体的通气时间为20-40s。为了能快速有效地氧化硅片表面以形成氧化膜，需要将气源O2转换成氧化性更强的O3。因此，在臭氧设备上设有紫外灯，O2在紫外线照射下生成O3。氧化温度需控制在30-80℃以适应氧化速度，生成致密的二氧化硅膜。若温度低于30℃，导致氧化反应的反应速率过慢，需要较长的时间才能形成本发明的规定厚度，影响生产效率；若温度高于80℃，导致氧化反应的反应速率过快，难以控制二氧化硅层的厚度，且生成的膜层均匀性和致密性不佳。
S102按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，放置1-10分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅。
本发明利用含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，腐蚀浆料与二氧化硅层反应1-10分钟后，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅层，形成腐蚀槽。优选地，腐蚀浆料与二氧化硅层反应时间为4-8分钟。
需要说明的是，正电极浆料印刷图案与腐蚀浆料印刷图案相同，位置也相同，且所述栅线网版图案的线宽比所述正电极浆料印刷图案宽5-10μm，以确保正电极浆料印刷在重掺杂区域。一般地，所述正电极浆料印刷图案的线宽为20-70μm。
优选地，所述栅线网版图案的线宽比所述正电极浆料印刷图案宽6-8μm，以确保正电极浆料印刷在重掺杂区域。
优选地，所述正电极浆料印刷图案的线宽为40-60μm。
S103在所述硅片正面进行磷扩散时填充磷浆至所述腐蚀槽中，温度控制在810-900℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域。
本发明对硅片正面磷扩散时通入POCl3气体，然后在810-900℃温度下进行扩散，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，方阻为10-60欧/□；在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域，方阻为100-150欧/□。
由于本发明通过生成的O3，将印刷磷浆的硅片表面进行氧化形成一层很薄的二氧化硅层；二氧化硅层一方面可以在高温下降低磷的扩散速度，在非磷浆区域形成轻掺杂，另一方面由于二氧化硅的缓冲作用，形成的p-n结很均匀，最重要的一点是，磷浆在高温下的挥发物被二氧化硅层阻隔在硅片外面，可以防止挥发物对硅片的影响，使得硅片不会出现外观不良，且电池效率也会得到保证。
同时，本发明在通入O3的同时通入N2，O3和N2先混合均匀后再通入扩散炉管，这样，一方面N2作为保护气，保证炉管内杂质气体含量很低，有利于二氧化硅的形成；另一方面， N2中携带O3，可以使得气流更加均匀，氧化反应可控。
S104去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结。
S105在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜。
需要说明的是，PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition )是指等离子体增强化学气相沉积。PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。
S106在硅片背面印刷背电极和铝背场。
S107在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料。
S108烧结。
在O2和N2体积比为3～15：80，750~850℃温度的气氛中进行烧结，得到所述选择性发射极晶硅太阳能电池。
本发明的选择性发射电极就是在硅片正面和金属栅线的接触位置进行重掺杂（所谓深扩散），在金属栅线电极之间的硅片区域进行轻掺杂（所谓浅扩散）。这种结构的电池的有益效果是：由于重掺杂区域表面浓度高，根据金属-半导体接触电阻理论，电池的接触电阻小；载流子的复合速率和掺杂浓度的平方成反比关系，轻掺杂区域可以减少载流子的复合，提高载流子的收集效率；20%能量的入射光（短波）的吸收发生在电池的扩散层，浅扩散有利于短波太阳光子的量子效率，有利于电池光电转换效率的提升。
现有的选择性发射极晶硅太阳能电池直接在硅片表面印刷磷浆然后再通入POCl3进行扩散，但由于印刷的磷浆含有很多杂质成分，在扩散炉管中会挥发出来，这些杂质会在硅片表面沉积或者和硅产生各种物理化学反应，使得硅片出现外观不良，如出现斑点，电池效率提升空间有限。
本发明制备方法制得的选择性发射极晶硅太阳能电池，在现有技术的基础上改进了选择性发射电极的制备工序，首先向制绒后的硅片通过臭氧氧化形成一层很薄的二氧化硅层，然后印刷腐蚀浆料去除正电极栅线位置的二氧化硅，再在腐蚀槽中印刷磷浆进行磷扩散，从而形成选择性发射极。由于二氧化硅层一方面可以在高温下降低磷的扩散速度，在非磷浆区域形成轻掺杂，另一方面由于二氧化硅的缓冲作用，形成的p-n结很均匀，最重要的一点是，磷浆在高温下的挥发物被二氧化硅层阻隔在硅片外面，可以防止挥发物对硅片的影响，使得硅片不会出现外观不良，且电池效率也会得到保证。
本发明由于采用先氧化后刷磷浆的工艺，可避免先刷磷浆后氧化的工艺，在臭氧氧化工序时磷浆的杂质在高温情况下已开始挥发，而二氧化硅层还未形成难以阻隔杂质的情况。而本发明采用先氧化在硅片表面形成完整的二氧化硅层后，再印刷磷浆于腐蚀槽中，磷浆的杂质在扩散工序中由于二氧化硅层的阻挡无法与硅片进行反应，从而保证硅片不受破坏。
以下通过具体实施方式进一步说明：
实施例1
（1）在硅片正面形成绒面；
（2）在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层，控制温度在45℃范围内，通入O2和N2的流量分别为15L/min和15L/min，所述O2、O3和N2混合气体的通气时间为20s；
（3）按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，所述栅线网版图案与所述正电极浆料印刷图案相同，所述栅线网版图案线宽为65μm，放置8分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；
（4）在所述硅片正面进行磷扩散，温度控制在840℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；
（5）去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结；
（6）在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜；
（7）在硅片背面印刷背电极和铝背场；
（8）在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料，所述正电极浆料印刷图案的线宽为60μm；
（9）在O2和N2体积比为5：80，750℃温度的气氛中进行烧结，得到所述选择性发射极晶硅太阳能电池。
实施例2
（1）在硅片正面形成绒面；
（2）在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层，控制温度在50℃范围内，通入O2和N2的流量分别为20L/min和12L/min，所述O2、O3和N2混合气体的通气时间为45s；
（3）按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，所述栅线网版图案与所述正电极浆料印刷图案相同，所述栅线网版图案线宽为60μm，放置7分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；
（4）在所述硅片正面进行磷扩散，温度控制在850℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；
（5）去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结；
（6）在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜；
（7）在硅片背面印刷背电极和铝背场；
（8）在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料，所述正电极浆料印刷图案的线宽为50μm；
（9）在O2和N2体积比为7：80，780℃温度的气氛中进行烧结，得到所述选择性发射极晶硅太阳能电池。
实施例3
（1）在硅片正面形成绒面；
（2）在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层，控制温度在60℃范围内，通入O2和N2的流量分别为10L/min和10L/min，所述O2、O3和N2混合气体的通气时间为35s；
（3）按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，所述栅线网版图案与所述正电极浆料印刷图案相同，所述栅线网版图案线宽为78μm，放置5分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；
（4）在所述硅片正面进行磷扩散，温度控制在880℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；
（5）去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结；
（6）在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜；
（7）在硅片背面印刷背电极和铝背场；
（8）在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料，所述正电极浆料印刷图案的线宽为70μm；
（9）在O2和N2体积比为1：10，800℃温度的气氛中进行烧结，得到所述选择性发射极晶硅太阳能电池。
实施例4
（1）在硅片正面形成绒面；
（2）在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层，控制温度在38℃范围内，通入O2和N2的流量分别为23L/min和17L/min，所述O2、O3和N2混合气体的通气时间为30s；
（3）按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，所述栅线网版图案与所述正电极浆料印刷图案相同，所述栅线网版图案线宽为51μm，放置9分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；
（4）在所述硅片正面进行磷扩散，温度控制在820℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；
（5）去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结；
（6）在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜；
（7）在硅片背面印刷背电极和铝背场；
（8）在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料，所述正电极浆料印刷图案的线宽为45μm；
（9）在O2和N2体积比为9：80，820℃温度的气氛中进行烧结，得到所述选择性发射极晶硅太阳能电池。
实施例5
（1）在硅片正面形成绒面；
（2）在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层，控制温度在70℃范围内，通入O2和N2的流量分别为25L/min和15L/min，所述O2、O3和N2混合气体的通气时间为25s；
（3）按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，所述栅线网版图案与所述正电极浆料印刷图案相同，所述栅线网版图案线宽为36μm，放置3分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；
（4）在所述硅片正面进行磷扩散，温度控制在860℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；
（5）去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结；
（6）在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜；
（7）在硅片背面印刷背电极和铝背场；
（8）在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料，所述正电极浆料印刷图案的线宽为30μm；
（9）在O2和N2体积比为13：80，850℃温度的气氛中进行烧结，得到所述选择性发射极晶硅太阳能电池。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在硅片正面形成绒面；
（2）在硅片绒面上进行臭氧氧化，形成二氧化硅层；
（3）按栅线网版图案将含氟的腐蚀浆料印刷在所述二氧化硅层上，放置1-10分钟后，清洗、吹干，除去腐蚀浆料印刷区域的二氧化硅；
（4）在所述硅片正面进行磷扩散，温度控制在810-900℃，在所述腐蚀浆料印刷区域形成重掺杂区域，在非腐蚀浆料印刷区域形成轻掺杂区域；
（5）去除所述磷扩散在所述硅片正面形成的磷硅玻璃和周边PN结；
（6）在所述硅片正面采用PECVD镀膜，形成氮化硅减反膜；
（7）在硅片背面印刷背电极和铝背场；
（8）在硅片正面的所述腐蚀浆料印刷区域印刷正电极浆料；
（9）烧结。
2.如权利要求1所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述腐蚀浆料印刷区域的方阻为10-60欧/□，所述非腐蚀浆料印刷区域的方阻为100-150欧/□。
3.如权利要求1所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述正电极浆料的印刷图案与所述栅线网版图案相同，且所述栅线网版图案的线宽比所述正电极浆料印刷图案宽5-10μm。
4.如权利要求3所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征于，所述正电极浆料印刷图案的线宽为20-70μm。
5.如权利要求1所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于， 步骤（2）臭氧氧化的过程中温度控制为30-80℃，以使硅片表面沉积0.5-3nm的二氧化硅层。
6.如权利要求1所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）采用臭氧设备对所述硅片绒面进行臭氧氧化，所述臭氧设备与步骤（1）中的制绒设备连接。
7.如权利要求6所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述臭氧设备将O2、O3和N2的混合气体通入所述制绒设备中。
8.如权利要求7所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述O2和所述N2的流量分别为1-30L/min和5-20L/min，所述O2、O3和N2的混合气体的通气时间为5-50s。
9.如权利要求7所述选择性发射极晶硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述臭氧设备中设有紫外灯，以使O2在所述紫外灯的照射下转化为O3。
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