CN105762213A - 一种集成旁路二极管的硅太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成旁路二极管的硅太阳电池及其制备方法。本发明属于物理电源技术领域。一种集成旁路二极管的硅太阳电池，其结构为太阳电池组件的正负极间并联旁路二极管，在电池主体和旁路二极管间设有硼扩隔离环，在硼扩隔离环上设有氧化环进行保护，在氧化保护层上实现电极互联。一种集成旁路二极管的硅太阳电池的制备方法，工艺步骤：1.硅片氧化；2.隔离槽光刻；3.硼扩散；4.划槽；5.硅片氧化；6.二极管发射区光刻；7.深磷扩散；8.电池发射区光刻；9.浅磷扩散；10.硅片氧化；11.电极开口光刻；12.上电极蒸镀；13.下电极蒸镀；14.划片。本发明具有电池主区和旁路二极管进行物理隔离，效果明显，工艺难度低，产品空间运用稳定性和可靠性高等优点。

Description

一种集成旁路二极管的硅太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于物理电源技术领域，特别是涉及一种集成旁路二极管的硅太阳电池及其制备方法。
背景技术
目前，太阳能电池为了防止热斑效应所造成损坏，需要在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。旁路二极管的作用是，当电池片出现热斑效应不能发电时，起旁路作用，让其它电池片所产生的电流从二极管流出，使太阳能发电系统继续发电，不会因为某一片电池片出现问题而产生发电电路不通的情况。
现有的空间用硅太阳电池阵均采用在电池片周围焊接和粘接旁路二极管的生产工艺，大大降低了生产的效率，同时也增加了脱焊的系统性风险。不能满足空间用对硅太阳能电池技术日益增长的需求。同时，专利CN1949525A和101752302A，均为针对GaAs材料电池集成旁路二极管的设计，其中主体电池与旁路二极管的分离技术是采用湿法化学腐蚀。在期刊《中国科学：技术科学》文献中《具有集成旁路二极管的晶体硅太阳电池研究》有关该同类电池设计中所采用的激光刻槽工艺是将二极管与主体电池隔离的技术工艺，存在工艺实现难度高且复杂等技术问题。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种集成旁路二极管的硅太阳电池及其制备方法。
本发明解决了背景技术中存在的生产工艺复杂、系统风险性高、隔离技术实施难等技术问题，提供了能够实现具有隔离工艺实施简单的集成旁路二极管的硅太阳电池结构设计及其工艺，其稳定性和高可靠性能够满足空间用太阳电池阵的需求。
本发明采取创新性特点：
一是在电池主体和旁路二极管间采用划槽工艺方法；二是在划槽上采用氧化环进行保护，三是在氧化保护层上实现电极互联。
本发明的目的之一是提供一种具有电池主区和旁路二极管进行物理隔离，相互隔离效果明显，而且大大降低了制造工艺的难度，大大增强了产品空间运用的稳定性和可靠性等特点的集成旁路二极管的硅太阳电池。
本发明集成旁路二极管的硅太阳电池所采取的技术方案是：
一种集成旁路二极管的硅太阳电池，其特点是：集成旁路二极管的硅太阳电池结构为太阳电池组件的正负极间并联旁路二极管，在电池主体和旁路二极管间设有硼扩隔离环，在硼扩隔离环上设有氧化环进行保护，在氧化保护层上实现电极互联。
本发明集成旁路二极管的硅太阳电池还可以采用如下技术方案：
所述的集成旁路二极管的硅太阳电池，其特点是：硼扩隔离环使得电池主区和旁路二极管通过环状中互反PN结隔离；硼扩散使隔离区成为P+区，该P+区一方面与旁路二极管N型材料形成P/N结，利用半导体的光生伏特效应产生光生电压；另一方面，P+又与电池主区的N型区域形成P/N结，两个PN结方向相反。
本发明的目的之二是提供一种具有工艺简单，制造工艺难度低，加工方便，电池主区和旁路二极管进行物理隔离，相互隔离效果明显，大大增强了产品空间运用的稳定性和可靠性等特点的集成旁路二极管的硅太阳电池的制备方法。
本发明集成旁路二极管的硅太阳电池的制备方法所采取的技术方案是：
一种集成旁路二极管的硅太阳电池的制备方法，其特点是：集成旁路二极管的硅太阳电池的制备过程包括以下工艺步骤：
(1)硅片氧化
将硅片放入氧化石英舟中，将氧化石英舟置于湿氧氧化炉口，预热5min～10min；再将氧化石英舟推入恒温区，先通干氧，然后通湿氧，最后开通干氧，氧化温度为1015℃～1025℃，氧气流量为1800mL/min～1850mL/min；
(2)隔离槽光刻
涂胶：将硅片放在匀胶机上，涂布BP218光刻胶；烘胶：烘干，曝光：接通光刻机，光强监测电流15mw/cm2～20mw/cm2，放置光刻版，将硅片装入光刻机的承片台上，曝光时间16s～20s；显影：将曝光后的硅片装入硅片承载器内，放入显影液中，显影时间为30s～40s；
(3)硼扩散
开启扩散炉加热电源，打开氮气并将流量控制在2000mL/min～2500mL/min，扩散温度控制在920℃～930℃，扩散时间40min～45min，然后关闭加热电源，将氮气改换为通氧气，并将氧气流量控制在1900mL/min～2100mL/min，待温度降至500℃后将硅片取出；
(4)划槽
将硅片放在自动砂轮划片机承片台上，真空条件下划片机进行划片工作；
(5)硅片氧化
将硅片逐片插入氧化石英舟中，将氧化石英舟置于氧化炉口，预热5min～10min，将氧化石英舟推入恒温区，氧化时间65-75min，氧化温度1015℃～1025℃，干氧流量800mL/min～1200mL/min；保持扩散炉温度，将干氧转换为氩气后通气10min～12min，氩气流量800mL/min～1200mL/min；关闭加热，继续通氩气，自然降温至700℃以下；
(6)二极管发射区光刻
同步骤(2)，进行二极管发射区光刻；
(7)深磷扩散
将硅片以两硅片非抛光面叠放在一起的方式装入扩散石英舟中；打开稀释氮气流量2000mL/min～3000mL/min，扩散温度控制在850-900℃，将扩散舟推入扩散炉恒温区中，在不通扩散源的状态下，预热15min～20min，然后打开携源氮气及反应氧气，携带氮气的流量调整为500ml/min～600mL/min，氧气流量调整为250ml/min～300mL/min；扩散时间为22min～30min；
(8)电池发射区光刻
同步骤(2)，进行电池发射区光刻；
(9)浅磷扩散
将硅片以两硅片非抛光面叠放在一起的方式装入扩散石英舟中；稀释氮气流量2000mL/min～3000mL/min，扩散温度控制在820℃；温度达到后，将扩散舟推入扩散炉恒温区中，在不通扩散源的状态下，预热15min～20min，然后打开携源氮气及反应氧气，携带氮气的流量调整为500ml/min～600mL/min，氧气的流量调整为250ml/min～300mL/min，扩散时间为22min～30min；
(10)硅片氧化
同步骤(4)进行硅片氧化；
(11)电极开口光刻
同步骤(2)，进行电极开口光刻；
(12)上电极蒸镀
将硅片放在模具上，磷扩面朝下，装入真空室中，将清洁处理好的钛、钯、银膜料分别放入对应坩埚内，真空条件下进行上电极蒸镀；钛膜层厚度钯膜层厚度银膜层厚度
(13)下电极蒸镀
将硅片装入模具盘上卡好，磷扩面朝上，装入真空室中，将清洁处理好的铝、钛、钯、银膜料分别放入对应坩埚内，真空条件下进行下电极蒸镀；铝膜层厚度钛膜层厚度钯膜层厚度银膜层银膜层
(14)划片
将硅片放在自动砂轮划片机承片台上，真空条件下，划片机自动进行划片工作；
本工艺步骤上电极蒸镀和下电极蒸镀工艺顺序可以颠倒。
本发明具有的优点和积极效果是：
集成旁路二极管的硅太阳电池及其制备方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明通过划片工艺，使得电池主区和旁路二极管进行物理隔离，从而达到相互隔离的目的。大大降低了制造工艺的难度。同时工艺的简便，也大大增强了产品空间运用的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明产品剖面结构示意图；
图1中，1-硅基区(p型)，2-硼重掺(p+)，3-发射区(n)，4-上电极，5-下电极，6-氧化层(SiO2)，7-磷重掺(n+)，8-硼隔离环(p+)，9-划槽，10-旁路二极管区。
图2是集成旁路二极管硅太阳电池俯视图。
图2中，4-上电极细栅，4＇-上电极主栅，9-划槽，10-旁路二极管区，A、B分别为划槽的两端点,C、D、E、F分别为集成旁路二极管的硅太阳电池的四个角。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并结合附图详细说明如下：
参阅附图1和图2。
实施例1
一种集成旁路二极管的硅太阳电池，太阳电池组件的正负极间并联旁路二极管，在电池主体和旁路二极管间设有硼扩隔离环，在硼扩隔离环上设有氧化环进行保护，在氧化保护层上实现电极互联。硼扩隔离环使得电池主区和旁路二极管通过环状中互反PN结隔离；硼扩散使隔离区成为P+区，该P+区一方面与旁路二极管N型材料形成P/N结，利用半导体的光生伏特效应产生光生电压；另一方面，P+又与电池主区的N型区域形成P/N结，两个PN结方向相反。
实施例2
一种集成旁路二极管的硅太阳电池的制备方法，包括以下工艺步骤：
首先，衬底采用P型单面抛光，晶向<100>，电阻率10Ω·cm±1Ω·cm，厚度0.16m±0.02mm型硅片；然后按以下工艺先后顺序进行产品制作。
1.硅片氧化1：
打开扩散炉，通干氧1900mL/min～2000mL/min，并升温至700℃。
将硅片放入氧化石英舟中，将氧化石英舟置于湿氧氧化炉口，预热5min～10min。再将氧化石英舟推入恒温区，升温至1020℃，开始计时，先通干氧10min，然后通湿氧58min，最后开通干氧，待通干氧10min后关闭扩散炉加热，在氧化时温度控制为1015℃～1025℃，氧气流量一直控制为1800mL/min～1850mL/min。
2.隔离槽光刻：
涂胶：将硅片放在匀胶机上，开始手动涂布BP218光刻胶，将匀胶机转速设定在3000rpm，匀胶时间为15s～20s；烘胶：90℃烘干，曝光：接通光刻机，光强监测电流应在15mw/cm2～20mw/cm2，放好光刻版，使光刻版图形在承片台中心位置，光刻版铬面朝向硅片匀胶面，曝光灯光强稳定后，将硅片装入光刻机的承片台上，设定曝光时间为16s～20s，然后开始曝光；显影：将曝光后的硅片装入硅片承载器内，放入显影液中，显影时间为30s～40s。
3.硼扩硼：
开启扩散炉加热电源，打开氮气并将流量控制在2000mL/min～2500mL/min，待温度升至925℃时开始计时。扩散温度控制在920℃～930℃，扩散时间40min～45min，然后关闭加热电源，将氮气改换为通氧气，并将氧气流量控制在1900mL/min～2100mL/min，待温度降至500℃后将硅片取出。
4.划槽：
将硅片放在自动砂轮划片机承片台上，开启真空，等待真空表的表针打到绿区且表针稳定后，进入划片状态。利用前后，左右，转角键，从控制屏幕上校准所划半成品的位置见图2的A点和B点，校准完毕后，设置沿A点到B点进行划线，按ENTER，再按START键，划片机自动进行划片工作。
5.硅片氧化2：
将硅片逐片插入氧化石英舟中，将氧化石英舟置于氧化炉口，预热5min～10min，将氧化石英舟推入恒温区，升温至1020℃，开始计时，氧化时间70min，氧化时温度控制为1015℃～1025℃，干氧流量控制为800mL/min～1200mL/min。保持扩散炉温度，将干氧转换为氩气后通气10min～12min，氩气流量控制为800mL/min～1200mL/min。关闭加热，继续通氩气，自然降温至700℃以下后，将氧化舟移至炉口。
6.二极管发射区光刻：
同2。
7.深磷扩散：
将硅片以背靠背的方式(即两硅片非抛光面叠放在一起)装入扩散石英舟中。打开大流量稀释氮气(N22)并将流量控制在2000mL/min～3000mL/min，扩散温度控制在870℃。温度达到后，将扩散舟推入扩散炉恒温区中，在不通扩散源的状态下，预热15min～20min，然后打开携源氮气(N21)及反应氧气(O2)，携带氮气(N21)的流量调整为500ml/min～600mL/min，氧气(O2)的流量调整为250ml/min～300mL/min。扩散时间为22min～30min。扩散时间到达后，关闭携带氮气及氧气，继续通稀释氮气，5min～10min内将硅片取出。
8.电池发射区光刻：
同2。
9.浅磷扩散：
将硅片以背靠背的方式(即两硅片非抛光面叠放在一起)装入扩散石英舟中。打开大流量稀释氮气(N22)并将流量控制在2000mL/min～3000mL/min，扩散温度控制在820℃。温度达到后，将扩散舟推入扩散炉恒温区中，在不通扩散源的状态下，预热15min～20min，然后打开携源氮气(N21)及反应氧气(O2)，携带氮气(N21)的流量调整为500ml/min～600mL/min，氧气(O2)的流量调整为250ml/min～300mL/min。扩散时间为22min～30min。扩散时间到达后，关闭携带氮气及氧气，继续通稀释氮气，5min～10min内将硅片取出。
10.硅片氧化3：
同4。
11.电极开口光刻；
同2。
12.上电极蒸镀
将硅片放在模具上，磷扩面朝下，装入真空室中，将清洁处理好的适量钛、钯、银膜料分别放入对应坩埚内，启动高真空镀膜机计算机的控制面板，执行抽真空操作，系统开始抽真空。调出上电极蒸镀程序，检查各参数设置。钛膜层厚度设定为速率设定为控制在钯膜层厚度设定为速率设定为控制在银膜层总厚度设定为速率设定为控制在启动程序进行自动蒸镀。工艺程序起始真空度不低于3×10-4Pa。上电极蒸镀完成。
13.下电极蒸镀
将硅片装入模具盘上卡好，磷扩面朝上，装入真空室中，将清洁处理好的适量铝、钛、钯、银膜料分别放入对应坩埚内，启动高真空镀膜机计算机的控制面板，启动电极蒸启动镀程序，关闭真空室，在计算机的控制面板上执行抽真空操作，系统开始抽真空。调出下电极蒸镀程序，检查各参数设置。铝膜层厚度设定为速率设定为控制在钛膜层厚度设定为速率设定为控制在钯膜层厚度设定为速率设定为控制在银膜层总厚度设定为速率设定为控制在工艺程序起始真空度不低于2×10-4Pa。启动程序进行自动蒸镀。
14.划片
将硅片放在自动砂轮划片机承片台上，开启真空，等待真空表的表针打到绿区且表针稳定后，表示已吸牢，进入划片状态。利用前后，左右，转角键，从控制屏幕上校准所划电池的位置见图2的C点、D点、E点、F点，校准完毕后，设置沿C到D，D到F,F到E,E到C的等方向，按ENTER，再按START键，划片机自动进行划片工作。
以上是各工艺顺序及参数，上下电极蒸镀工艺顺序可以颠倒，其余工艺顺序则不能变。划片后，集成旁路二极管的硅太阳电池整个工艺即完成。
经测试，在遮光的条件下，加4.5V的反向电压，其反向漏电流小于1μA。
本实施例通过划片工艺，使得电池主区和旁路二极管进行物理隔离，从而达到相互隔离的目的。大大降低了制造工艺的难度。同时具有工艺简便，也大大增强了产品空间运用的稳定性和可靠性等积极效果。

Claims (3)

1.一种集成旁路二极管的硅太阳电池，其特征是：集成旁路二极管的硅太阳电池结构为太阳电池组件的正负极间并联旁路二极管，在电池主体和旁路二极管间设有硼扩隔离环，在硼扩隔离环上设有氧化环进行保护，在氧化保护层上电极互联。
2.根据权利要求1所述的集成旁路二极管的硅太阳电池，其特征是:硼扩隔离环使得电池主区和旁路二极管通过环状中互反PN结隔离；硼扩散使隔离区成为P+区，该P+区一方面与旁路二极管N型材料形成P/N结，利用半导体的光生伏特效应产生光生电压；另一方面，P+又与电池主区的N型区域形成P/N结，两个PN结方向相反。
3.一种集成旁路二极管的硅太阳电池的制备方法，其特征是：集成旁路二极管的硅太阳电池的制备过程包括以下工艺步骤：
(1)硅片氧化
将硅片放入氧化石英舟中，将氧化石英舟置于湿氧氧化炉口，预热5min～10min；再将氧化石英舟推入恒温区，先通干氧，然后通湿氧，最后开通干氧，氧化温度为1015℃～1025℃，氧气流量为1800mL/min～1850mL/min；
(2)隔离槽光刻
涂胶：将硅片放在匀胶机上，涂布BP218光刻胶；烘胶：烘干，曝光：接通光刻机，光强监测电流15mw/cm2～20mw/cm2，放置光刻版，将硅片装入光刻机的承片台上，曝光时间16s～20s；显影：将曝光后的硅片装入硅片承载器内，放入显影液中，显影时间为30s～40s；
(3)硼扩散
开启扩散炉加热电源，打开氮气并将流量控制在2000mL/min～2500mL/min，扩散温度控制在920℃～930℃，扩散时间40min～45min，然后关闭加热电源，将氮气改换为通氧气，并将氧气流量控制在1900mL/min～2100mL/min，待温度降至500℃后将硅片取出；
(4)划槽
将硅片放在自动砂轮划片机承片台上，真空条件下划片机进行划片工作；
(5)硅片氧化
将硅片逐片插入氧化石英舟中，将氧化石英舟置于氧化炉口，预热5min～10min，将氧化石英舟推入恒温区，氧化时间65-75min，氧化温度1015℃～1025℃，干氧流量800mL/min～1200mL/min；保持扩散炉温度，将干氧转换为氩气后通气10min～12min，氩气流量800mL/min～1200mL/min；关闭加热，继续通氩气，自然降温至700℃以下；
(6)二极管发射区光刻
同步骤(2)，进行二极管发射区光刻；
(7)深磷扩散
将硅片以两硅片非抛光面叠放在一起的方式装入扩散石英舟中；打开稀释氮气流量2000mL/min～3000mL/min，扩散温度控制在850-900℃，将扩散舟推入扩散炉恒温区中，在不通扩散源的状态下，预热15min～20min，然后打开携源氮气及反应氧气，携源氮气的流量调整为500ml/min～600mL/min，氧气流量调整为250ml/min～300mL/min；扩散时间为22min～30min；
(8)电池发射区光刻
同步骤(2)，进行电池发射区光刻；
(9)浅磷扩散
将硅片以两硅片非抛光面叠放在一起的方式装入扩散石英舟中；稀释氮气流量2000mL/min～3000mL/min，扩散温度控制在820℃；温度达到后，将扩散舟推入扩散炉恒温区中，在不通扩散源的状态下，预热15min～20min，然后打开携源氮气及反应氧气，携源氮气的流量调整为500ml/min～600mL/min，氧气的流量调整为250ml/min～300mL/min，扩散时间为22min～30min；
(10)硅片氧化
同步骤(4)进行硅片氧化；
(11)电极开口光刻
同步骤(2)，进行电极开口光刻；
(12)上电极蒸镀
将硅片放在模具上，磷扩面朝下，装入真空室中，将清洁处理好的钛、钯、银膜料分别放入对应坩埚内，真空条件下进行上电极蒸镀；钛膜层厚度钯膜层厚度银膜层厚度
(13)下电极蒸镀
将硅片装入模具盘上卡好，磷扩面朝上，装入真空室中，将清洁处理好的铝、钛、钯、银膜料分别放入对应坩埚内，真空条件下进行下电极蒸镀；铝膜层厚度钛膜层厚度钯膜层厚度银膜层；
(14)划片
将硅片放在自动砂轮划片机承片台上，真空条件下，划片机自动进行划片工作；
本工艺步骤上电极蒸镀和下电极蒸镀工艺顺序可以颠倒。
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