CN106057980A - 一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：(1)进舟；(2)调温至800℃以下，通入携磷源氮气及干氧，形成含磷的二氧化硅层；(3)进行低温扩散；(4)将炉内温度升高，边升温边推进；(5)进行第一次高温扩散，(6)将炉内温度升高，边升温边推进；(7)进行第二次高温扩散，(8)将炉内温度降低，边降温边推进；(9)降温出舟，完成扩散过程。本发明增强了氧化吸杂效果并控制磷掺杂的浓度梯度，利于载流子的分离与收集，提高开路电压，控制降温过程中的温度差，提高晶界吸杂效果。

Description

一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法
技术领域
本发明涉及一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，属于一种制造太阳能电池的扩散制结工艺，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
常规的化石燃料日益消耗殆尽，在所有的可持续能源中，太阳能无疑是一种最清洁、最普遍和最有潜力的替代能源。目前，在所有的太阳电池中，晶体硅太阳电池是得到大范围商业推广的太阳能电池之一，这是由于硅材料在地壳中有着极为丰富的储量，同时晶体硅太阳电池相比其他类型的太阳能电池有着优异的电学性能和机械性能，因此，晶体硅太阳电池在光伏领域占据着重要的地位。
目前广泛采用的晶体硅太阳能电池的制造工艺也已经标准化，主要步骤为：化学清洗及表面结构化处理(制绒)-扩散制结-周边刻蚀-沉积减反射膜-印刷电极-烧结。其中，扩散制结分为磷扩散与硼扩散，在使用P型硅片制备太阳能电池的情况下，需要在硅片表面进行磷扩散形成N层，最终形成PN结，相反，若使用N型硅片制备时，则需要在硅片表面进行硼扩散来形成PN结。现有技术中，通常采用磷扩散制结，该步骤是整个制备过程中的一个关键步骤，其质量会直接影响到电池的光电转换效率。
现有的磷扩散方法主要包括如下步骤：进舟、低温通氧形成二氧化硅层、低温通源沉积、升温、高温同源沉积、高温推进、降温出管。
然而，实际应用发现，上述工艺存在如下问题：(1) 在低温通氧形成二氧化硅层的步骤中，低温情况下通入氧气和氮气在硅片表面形成二氧化硅层，具有改善扩散均匀性与降低表面浓度的作用，但是，氧气在低温条件下与P型硅反应生长形成二氧化硅的速率较慢，导致二氧化硅层较薄（目前一般只有60 nm左右），导致扩散后的少子寿命较低，太阳能电池转换效率较低；(2) 现有工艺采用低温通源沉积、高温推进扩散的方式，分凝吸杂效果差，不利于光生载流子的收集，太阳能电池片的开路电压较低。
因此，开发一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，既能提升扩散后的少子寿命，又能提高分凝吸杂效果，最终提高开路电压和光电转化效率，显然具有积极的现实意义。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1) 在氮气气氛下将扩散炉升温，进舟；
(2) 控温至800℃以下，通入携磷源氮气及干氧，形成含磷的二氧化硅层；
(3) 保持温度、干氧流量不变，增大通入携磷源氮气，进行低温扩散；
(4) 停止通入携磷源氮气，降低干氧的流量，将炉内温度升高，边升温边推进；
(5) 保持温度不变，通入携磷源氮气和干氧，进行第一次高温扩散；
(6) 停止通入携磷源氮气，降低干氧的流量，将炉内温度升高，边升温边推进；
(7) 保持上述温度不变，通入携磷源氮气和干氧，进行第二次高温扩散；
(8) 停止通入携磷源氮气，提升干氧的流量，将炉内温度降低，边降温边推进；
(9) 降温出舟，完成扩散过程。
上述技术方案中，所述步骤(1)中，升温至780~800℃，通入大氮流量为10000~40000 sccm。
步骤(1)中，进舟时间控制在900~1100秒。
上述技术方案中，所述步骤(2)中，所述携磷源氮气的流量为100~500 sccm，干氧的流量为500~1000 sccm，控温时间控制在500~800秒；
形成的含磷二氧化硅层的厚度为75~90 nm。优选的，含磷的二氧化硅层的厚度为78~85nm。
通小氮的目的是在氧化前将硅片表面形成N型硅，有助于氧化层生长。
上述技术方案中，所述携磷源氮气为氮气和POCl3。
上述技术方案中，所述步骤(2)、(4)、(6)和(8)中，大氮流量控制在10000~20000sccm，炉内压力控制在50~150 Pa。
上述技术方案中，所述步骤(3)中，所述携磷源氮气的流量为1000~2000 sccm，扩散时间为600~900秒。
上述技术方案中，所述步骤(4)中，炉内温度升高至810~830℃，降低干氧的流量至0~500 sccm，推进时间控制在600~800秒。
上述技术方案中，所述步骤(5)和(7)中，所述携磷源氮气的流量为1000~2000sccm，干氧的流量为500~1000 sccm，扩散时间为300~600秒。
上述技术方案中，所述步骤(6)中，将炉内温度升高至830~860℃，降低干氧的流量至0~500 sccm，推进时间控制在500~800秒。
上述技术方案中，所述步骤(8)中，将炉内温度降低至800~830℃，提升干氧的流量至2000~8000 sccm，边降温边推进，推进时间控制在400~700秒。
优选的，所述步骤(4)中，降低干氧的流量至100~200 sccm。优选的，所述步骤(6)中，降低干氧的流量至300~400 sccm。
本发明在低温-中温-高温的升温推进过程中，逐渐通入氧气，并且氧气流量各不相同，由于氧气可以稀释表里磷浓度，但不影响掺杂到体内的磷浓度；本发明在形成梯度PN结的过程中，通过不断通入氧气，使扩散管在工艺过程中形成有效的高氧氛围，高氧氛围可改善硅片表面的二氧化硅层均匀性，这就避免了因多次通源造成表面浓度偏高和方阻均匀性变差的问题；本发明可以很好的控制体内磷掺杂的浓度梯度的同时减少了表面的磷浓度，提高了短波响应，效果较常规工艺更好。
上述技术方案中，在低温通源扩散步后衔接两步高温通源扩散，能达到增强氧化吸杂效果并控制磷掺杂的浓度梯度。
本发明同时请求保护根据上述磷扩散方法获得的晶体硅太阳能电池。
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：
1、本发明开发了一种新的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，先在前氧化工艺时（即步骤(2)）通入携源小氮增加SiO2膜层生长的速率，得到厚度较大的含磷的二氧化硅层，增加分凝效果；再配合后续的低温通源扩散、两步高温通源扩散，增强氧化吸杂效果并控制磷掺杂的浓度梯度，利于载流子的分离与收集，提高开路电压，控制降温过程中的温度差，提高晶界吸杂效果；试验证明：采用本申请的方法，可以大大提高扩散后的少子寿命，提高太阳能电池片的开路电压，取得了意想不到的效果；
2、本发明先在前氧化工艺时（即步骤(2)）通入携源小氮增加SiO2膜层生长的速率，得到厚度较大的含磷的二氧化硅层，增加分凝效果；又在最后的推进步骤（即步骤(8)）中通入大量氧气，起到退火吸杂的效果，最终取得了良好的分凝吸杂效果，有利于光生载流子的收集，提高了光电转化效率，取得了显著的效果；
3、本发明的方法简单可行，成本较低，适于推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述。
实施例一：
一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，包括如下步骤：
(1) 将扩散炉升温至760℃，大氮流量为10000~40000 sccm；进舟；
(2) 调温至780~800℃，大氮流量为10000~20000 sccm，通入携磷源氮气及干氧，形成含磷的二氧化硅层；该含磷的二氧化硅层的厚度为80 nm；
所述携磷源氮气的流量为100~500 sccm，干氧的流量为500~1000 sccm；
炉内压力控制在100 Pa；调温时间控制在500~800秒；
(3) 保持上述温度、压力、干氧和大氮流量不变，增大通入携磷源氮气，进行低温扩散，扩散时间为600~900秒；
所述携磷源氮气的流量为1000~2000 sccm；
(4) 停止通入携磷源氮气，降低干氧的流量至100 sccm，将炉内温度升高至810~830℃，边升温边推进，大氮流量控制在10000~20000 sccm，炉内压力控制在100 Pa，推进时间控制在600~800秒；
(5) 保持上述温度、压力和大氮流量不变，通入携磷源氮气和干氧，进行第一次高温扩散，扩散时间为300~600秒；
所述携磷源氮气的流量为1000~2000 sccm，干氧的流量为500~1000 sccm；
(6) 停止通入携磷源氮气，降低干氧的流量至300 sccm，将炉内温度升高至830~860℃，边升温边推进，大氮流量控制在10000~20000 sccm，炉内压力控制在100 Pa，推进时间控制在500~800秒；
(7) 保持上述温度、压力和大氮流量不变，通入携磷源氮气和干氧，进行第二次高温扩散，扩散时间为300~600秒；
所述携磷源氮气的流量为1000~2000 sccm，干氧的流量为500~1000 sccm；
(8) 停止通入携磷源氮气，提升干氧的流量至6000~7000 sccm，将炉内温度降低至800~810℃，边降温边推进，大氮流量控制在10000~20000 sccm，炉内压力控制在100 Pa，推进时间控制在400~700秒；
(9) 降温出舟，完成扩散过程。
上述步骤中的携磷源氮气为氮气和POCl3。
对比例一
(1) 将扩散炉升温至760℃，大氮流量为10000~40000 sccm；进舟；
(2) 调温至780~800℃，大氮流量为10000~20000 sccm，通入干氧，形成二氧化硅层；该二氧化硅层的厚度为60 nm；
所述干氧的流量为500~3000 sccm；
炉内压力控制在100 Pa；调温时间控制在500~800秒；
(3) 调温至800~830℃，保持上述压力、干氧不变，通入携磷源氮气，进行扩散，扩散时间为500~900秒；
所述携磷源氮气的流量为1000~3000 sccm；大氮流量为10000~20000 sccm；
(4) 停止通入携磷源氮气和干氧，将炉内温度升高至830~850℃，边升温边推进，大氮流量控制在10000~20000 sccm，炉内压力控制在100 Pa，推进时间控制在600~800秒；
(5) 保持上述温度、压力和大氮流量不变，通入携磷源氮气和干氧，进行二次扩散，扩散时间为500~800秒；
所述携磷源氮气的流量为1000~3000 sccm；大氮流量为10000~20000 sccm，干氧的流量为500~1000 sccm；
(6) 停止通入携磷源氮气和干氧，保持上述温度、压力和大氮流量不变，进行推进，推进时间控制在600~800秒；
(7) 降温出舟，完成扩散过程。
上述步骤中的携磷源氮气为氮气和POCl3。
一、分别测试实施例和对比例的方阻，结果如下表：
实施例的方阻
对比例的方阻
从表格中的数据对比可见：实施例的扩散工艺片内、片间均匀性均好于对比例工艺。
二、分别测试实施例和对比例的少子寿命，测试仪器使用美国Sinton WCT-120少子寿命测试仪，测试片使用同组清洗干净的FZ片（区熔法生产的单晶片），结果如下表：
从表格中的数据对比可见：较常规工艺（对比例），实施例的少子寿命高107微秒，即扩散后的少子寿命大大提高了。
三、测试实施例和对比例的电性能，结果如下：
EFF Voc Isc FF Rs Rsh
实施例一 18.55% 640.2 8.878 79.47 1.86 245.8
对比例一 18.48% 638.0 8.876 79.41 1.7 353.5
由实施例和对比例可见，相比现有工艺，本发明的工艺大大提高了开压，开压提高了2.2mV；光电转换效率EFF亦有提升（有0.07%的提升），填充因子FF亦有提升。
综上所述，相比现有工艺，本发明可以大大提高了扩散后的少子寿命，大大提高了太阳能电池片的开路电压，提高了光电转化效率和填充因子，说明采用本发明的方法后，电池片具有良好的分凝吸杂效果，有利于光生载流子的收集。

Claims (10)

1.一种晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 在氮气气氛下将扩散炉升温，进舟； (2) 控温至800℃以下，通入携磷源氮气及干氧，形成含磷的二氧化硅层； (3) 保持温度、干氧流量不变，增大通入携磷源氮气，进行低温扩散； (4) 停止通入携磷源氮气，降低干氧的流量，将炉内温度升高，边升温边推进； (5) 保持温度不变，通入携磷源氮气和干氧，进行第一次高温扩散； (6) 停止通入携磷源氮气，降低干氧的流量，将炉内温度升高，边升温边推进； (7) 保持上述温度不变，通入携磷源氮气和干氧，进行第二次高温扩散； (8) 停止通入携磷源氮气，提升干氧的流量，将炉内温度降低，边降温边推进； (9) 降温出舟，完成扩散过程。
2.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(1)中，升温至780~800℃，通入大氮流量为10000~40000 sccm。
3.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述携磷源氮气的流量为100~500 sccm，干氧的流量为500~1000 sccm，控温时间控制在500~800秒； 形成的含磷二氧化硅层的厚度为75~90 nm。
4.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(2)、(4)、(6)和(8)中，大氮流量控制在10000~20000 sccm，炉内压力控制在50~150 Pa。
5.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述携磷源氮气的流量为1000~2000 sccm，扩散时间为600~900秒。
6.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(4)中，炉内温度升高至810~830℃，降低干氧的流量至0~500 sccm，推进时间控制在600~800秒。
7.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(5)和(7)中，所述携磷源氮气的流量为1000~2000 sccm，干氧的流量为500~1000 sccm，扩散时间为300~600秒。
8.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(6)中，将炉内温度升高至830~860℃，降低干氧的流量至0~500 sccm，推进时间控制在500~800秒。
9.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的磷扩散方法，其特征在于：所述步骤(8)中，将炉内温度降低至800~830℃，提升干氧的流量至2000~8000 sccm，边降温边推进，推进时间控制在400~700秒。
10.根据权利要求1至9任一项所述的磷扩散方法获得的晶体硅太阳能电池。
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