CN105161568B - 一种太阳能电池的选择性掺杂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池的选择性掺杂方法，步骤如下：在硅片上表面淀积磷硅玻璃；将淀积后的硅片进行高温扩散，使磷元素扩散入硅片，形成PN结；除去硅片上表面顶电极区以外的磷硅玻璃；在硅片上表面淀积本征非晶硅层；将硅片置于无氧环境中进行高温扩散，使非硅片顶电极区的磷元素扩散入非晶硅层，顶电极区磷硅玻璃中的磷元素进一步向顶电极区扩散；去除硅片表面的非晶硅层和磷硅玻璃，完成太阳能电池的逆扩散选择性掺杂。本发明采用逆扩散的方法，通过非晶硅吸收非顶电极区的杂质，使非顶电极区的掺杂浓度降低，同时顶电极区进行了二次掺杂，导致顶电极区与非顶电极区的掺杂浓度差进一步增大，提高了选择性掺杂的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池的选择性掺杂方法，属于太阳能电池制造技术领域。
背景技术
随着人们环保意识的提高，对于清洁能源的需求日益旺盛。在人们研究的新型清洁能源中，太阳能作为一种不受地域限制的清洁能源成为了未来新能源发展的主要方向。太阳能电池是人们利用太阳的光能转换为电能的主要装置。但是，目前太阳能电池的转换效率还不能达到人们的要求。提高太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池制造成本成为了人们研究的热点。
选择性掺杂太阳能电池是一种有效的低成本高效率的太阳能电池。选择性掺杂太阳能电池的结构特点在于在太阳能电池的上电极覆盖区域进行重掺杂降低电池的接触电阻，同时在非顶电极区进行轻掺杂，提高电池的光谱响应和降低电池中光生载流子的复合。目前进行太阳能电池选择性掺杂的方法主要有：两步扩散法、丝网印刷磷浆法、扩散掩膜法等。其中，两步扩散法是先对顶电极区重扩散，再对整个发射区轻扩散，其优点为制备工艺简单易行，但是，由于顶电极区先进行了扩散，杂质的二次分布较难控制；丝网磷浆法是用丝网在局部印刷高浓度磷浆，通过其扩散与挥发，一次扩散就能使顶电极区形成重掺杂，其他区域形成轻掺杂，但由于利用了局部的磷浆作为扩散源，必然导致表面扩散的不均匀性，这会降低电池的效率。扩散掩膜法就是先轻掺杂，再进行激光或者光刻掩膜，然后再对顶电极区进行二次重掺杂，该方法由于先进行了轻掺杂，降低了顶电极区进行选择性掺杂时与衬底的杂质浓度差，可以较好的控制电池的选择性掺杂区域，但需要用激光或光刻的方法，提高了成本，降低了生产效率。
综上所述，目前主要的选择性掺杂的方法都存在一定的缺陷，因此，必须寻找一种新型的选择性掺杂的太阳能电池生产工艺。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种太阳能电池的选择性掺杂方法，工艺实现简单，生产成本低，获得的太阳能电池性能良好。
为了达到上述目的，本发明提出的一种太阳能电池的选择性掺杂方法，包括如下步骤：
第1步、使用磁控溅射的方法在硅片上表面淀积一层厚度为0.05微米的含有掺杂元素的二氧化硅薄膜；
第2步、将淀积后的硅片进行高温扩散，使二氧化硅薄膜中的掺杂元素扩散入硅片，形成PN结；
第3步、除去硅片上表面顶电极区以外的氧化层；
第4步、在硅片上表面淀积本征非晶硅层；
第5步、将硅片置于无氧环境中进行高温扩散，使硅片非顶电极区的掺杂元素被扩散入非晶硅层，降低硅片非顶电极区掺杂元素浓度，实现掺杂元素的逆向扩散；顶电极区二氧化硅薄膜中的掺杂元素进一步向顶电极区扩散，实现顶电极区的重掺杂；
第6步、采用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液去除硅片表面的非晶硅层和二氧化硅，完成太阳能电池的逆扩散选择性掺杂。
本发明提出了一种选择性掺杂的逆扩散方法，通过非晶硅吸收非顶电极区的杂质，使非顶电极区的掺杂浓度降低，同时顶电极区进行了二次掺杂，导致顶电极区与非顶电极区的掺杂浓度差进一步增大，提高了选择性掺杂的效果；并且逆扩散工艺在无氧环境下进行，从而减少对硅片表面的破坏和损耗，更好的保护了电池表面结构。与热氧化去除非晶硅层的方法相比，电池中杂质浓度的分布更均匀，这更有利于减小电池中载流子的复合，提高电池电流；在去除非晶硅层时，通过混合溶液中的浓硝酸将非晶硅氧化为二氧化硅，同时利用氢氟酸去除二氧化硅，硅片中杂质分布稳定。
本发明进一步的改进在于：
1、所述硅片为P型单晶硅，掺杂元素为磷元素，第1步中，二氧化硅薄膜中的磷元素的浓度为1e19/cm3。
2、所述硅片为N型单晶硅，掺杂元素为硼元素，第1步中，二氧化硅薄膜中的硼元素的浓度为1e19/cm3。
3、所述第2步中，高温扩散的温度为900℃，高温扩散的时间为5分钟。
4、所述第3步中，采用丝网印刷的方法保留顶电极区域的二氧化硅，将硅片上其它区域的二氧化硅利用氢氟酸缓冲液去除掉。
5、所述第4步中，淀积的本征非晶硅层厚度为40-50nm。
6、所述第5步中，无氧环境下的高温扩散工艺温度为900℃-1100℃，持续时间为30-2分钟。
7、所述第6步中, 非晶硅薄膜的去除采用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液,其体积比为5:1。
本发明该工艺方法的特点在于：
1、不同于传统的选择性掺杂工艺，采用的是先全片重掺杂，后逆扩散出受光面杂质，降低受光面的杂质掺杂浓度的方法。
2、应用本征非晶硅薄膜吸收电池表面已掺杂区域的杂质，使得电池表面不会被其他不同元素污染。
3、保留顶电极区的磷硅玻璃作为高温杂质逆扩散工艺的电极杂质保护层，保证了顶电极区的重掺杂。
4、在杂质逆扩散过程中采用无氧环境，应用浓硝酸的氧化性氧化非晶硅层,采用氢氟酸去除氧化层，减小热氧化过程对硅片表面的破坏作用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明方法的工艺流程示意图。
图2是本发明实施例一方法所得到的硅片杂质分布仿真示意图。
图3是本发明实施例二方法所得到的硅片杂质分布仿真示意图。
图4是本发明实施例三方法所得到的硅片杂质分布仿真示意图。
图5是在湿氧环境中进行逆扩散后硅片杂质分布仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示为本发明太阳能电池的选择性掺杂方法的流程示意图，具体包括如下步骤：
1a、使用磁控溅射的方法在P型单晶硅上表面淀积一层厚度为0.05微米的磷硅玻璃1（含有磷元素的二氧化硅薄膜），磷硅玻璃1中磷元素的浓度为1e19/cm3；
2a、将淀积后的硅片进行高温扩散，使磷硅玻璃1中的磷杂元素扩散入硅片，形成PN结；高温扩散的温度为900℃，高温扩散的时间为5分钟；
3a、采用丝网印刷的方法保留顶电极区域的磷硅玻璃1，将硅片上其它区域的磷硅玻璃利用氢氟酸缓冲液去除掉；
4a、在硅片上表面淀积厚度为40nm的本征非晶硅层2；
5a、将硅片置于无氧环境中进行高温扩散，使非顶电极区的掺杂元素（磷）被逆扩散入非晶硅层2，降低硅片非顶电极区掺杂元素浓度，实现掺杂元素逆向扩散；顶电极区磷硅玻璃1中的掺杂元素（磷）进一步向顶电极区扩散，实现顶电极区的重掺杂，无氧环境下的高温扩散工艺温度为900℃，持续时间为30分钟；
6a、采用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液（体积比5:1）去除硅片表面的非晶硅层2和磷硅玻璃1，完成太阳能电池的逆扩散选择性掺杂。
利用仿真软件对本实施例一方法进行仿真后，硅片内杂质分见图2。仿真结果图中的曲线分别表示掺杂元素（磷）的浓度、以及PN结的位置。
实施例二
本实施例的步骤与实施例一相同，区别在于步骤5a（第五步）中干氧环境下高温扩散的工艺参数，本实施例中，高温扩散的工艺温度为1000℃，持续时间为5分钟。利用仿真软件对本实施例二方法进行仿真后，硅片内杂质分见图3。仿真结果图中的曲线分别表示掺杂元素（磷）的浓度、以及PN结的位置。
实施例三
本实施例的步骤与实施例一相同，区别在于步骤5a（第五步）中干氧环境下高温扩散的工艺参数，本实施例中，高温扩散的工艺温度为1100℃，持续时间为2分钟。利用仿真软件对本实施例三方法进行仿真后，硅片内杂质分见图4。仿真结果图中的曲线分别表示掺杂元素（磷）的浓度、以及PN结的位置。
对比本发明三个实施例，从仿真结果图中可以看出，随着逆向扩散工艺的高温扩散温度的升高，电池的PN结在不断的加深。电池的表面的杂质浓度先增加后减小，但顶电极区的杂质浓度随着温度的增加而逐步增加。顶电极区的重掺杂杂质主要向电池体内进行扩散，横向扩散较小，这与在电池表面淀积本征非晶硅层有关，过多的横向扩散杂质被非晶硅层吸收。这说明应用非晶硅层作为电池的逆扩散层，可以起到限制重掺杂区杂质横向扩散作用。轻掺杂区域的杂质浓度比较接近，较低的扩散温度可以有效地形成浅结，提高电池短波光谱响应，综合比较之后，可知步骤5a（第五步）中采用扩散温度900℃、扩散持续时间30分钟是较好的杂质逆扩散工艺条件。
图5为在湿氧环境中进行逆扩散后硅片杂质分布仿真示意图。该工艺与本发明的区别是第五步中，硅片在湿氧环境下进行高温扩散，非晶硅及硅片表面被氧化，因此第六步直接用氢氟酸去除磷硅玻璃即可。从图中可以看出，湿氧环境使得硅片表面产生了较大损耗（硅表面低于0刻度线），而无氧环境下进行逆扩散（见图2-4），则硅片表面与0刻度线齐平。可见本发明工艺生产的电池，其表面未发生氧化消耗,这更好的保护了电池表面结构；并且本发明工艺与热氧化逆扩散工艺相比，电池中杂质浓度的分布更均匀，这更有利于减小电池中载流子的复合，提高电池电流。
本发明实施例部分以P型单晶硅为例对本发明工艺进行了详细说明，对N型单晶硅进行选择性掺杂的工艺及条件与之类似，区别仅在于掺杂元素由磷换成了硼，本领域技术人员完全可以通过了解本实施例部分，举一反三来实现对N型单晶硅的逆扩散选择性掺杂。因此本文不再赘述。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1. 一种太阳能电池的选择性掺杂方法，包括如下步骤：
第1步、使用磁控溅射的方法在硅片上表面淀积一层厚度为0.05微米的含有掺杂元素的二氧化硅薄膜；
第2步、将淀积后的硅片进行高温扩散，使二氧化硅薄膜中的掺杂元素扩散入硅片，形成PN结；第2步中，高温扩散的温度为900℃，高温扩散的时间为5分钟；
第3步、除去硅片上表面顶电极区以外的二氧化硅薄膜；
第4步、在硅片上表面淀积非晶硅层；
第5步、将硅片置于无氧环境中进行高温扩散，使硅片非顶电极区的掺杂元素被扩散入非晶硅层，降低硅片非顶电极区掺杂元素浓度，实现掺杂元素的逆向扩散；顶电极区二氧化硅薄膜中的掺杂元素进一步向顶电极区扩散，实现顶电极区的重掺杂；无氧环境下的高温扩散工艺温度为1000℃，持续时间为5分钟；
第6步、采用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液去除硅片表面的非晶硅层和二氧化硅薄膜，完成太阳能电池的逆扩散选择性掺杂；所述第3步中，采用丝网印刷的方法保留顶电极区域的二氧化硅，将硅片上其它区域的二氧化硅利用氢氟酸缓冲液去除掉；非晶硅薄膜的去除采用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液,其体积比为5:1。
2. 根据权利要求1所述的太阳能电池的选择性掺杂方法，其特征在于：所述硅片为N型单晶硅，掺杂元素为硼元素，第1步中，二氧化硅薄膜中的硼元素的浓度为1e19/cm3。
3. 根据权利要求1所述的太阳能电池的选择性掺杂方法，其特征在于：所述硅片为P型单晶硅，掺杂元素为磷元素，第1步中，二氧化硅薄膜中的磷元素的浓度为1e19/cm3。
4. 根据权利要求1所述的太阳能电池的选择性掺杂方法，其特征在于：淀积的非晶硅层厚度为40-50nm。
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