CN106129177B - 一种太阳能电池硼扩散装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池硼扩散装置，属于太阳能电池制作技术领域。本发明包括以下步骤：将需要进行硼扩散的硅片放入扩散炉内，升温；通入硼源、二氯乙烯、氧气和氮气进行硼扩散；停止通硼源、氧气和二氯乙烯，在氮气氛围下保持温度在900℃‑960℃，持续时间15min‑40min，氮气流量为10‑20L/min；降温，取出硅片，完成扩散过程。本发明是在BBr3液态源高温扩散过程中引入二氯乙烯，能够提高硼扩散的片内均匀性及片间均匀性，减缓B2O3对炉内石英器件的腐蚀，延长石英器件的使用寿命，避免硅片在高温过程中受到金属污染。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制作技术领域，尤其涉及一种太阳能电池硼扩散装置。
背景技术
太阳能是一种清洁、高效和永不枯竭的新能源。在新世纪，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简单等优点。目前，由于硅材料在地壳中有着极其丰富的储量，同时硅太阳能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，所以硅太阳能电池在光伏领域占据着重要的地位，同时，硅太阳能电池的商业推广范围也最广泛。
在晶体硅太阳能电池的制备过程中，采用硼扩散制备pn结是关键步骤。现有的硼扩散方法为BBr3液态源高温扩散，该方法可以分为预沉积和再分布两步。预沉积过程中，共使用三路气体：携源小氮(小N2-BBr3)、大氮(大N2)和氧气(O2)，液态的扩散源由携源小氮携带进入扩散炉管内，同时从旁路中向进气管路内导入大氮及反应氧气，如图2所示，这三种气体在进气管路尾部混合后进入扩散炉，相互之间发生反应，反应形成液态B2O3，在大N2的携带下向炉门方向传输，同时沉积在衬底表面，与Si发生还原反应生成B单质，B单质作为扩散源在高温下会向硅片内部扩散。虽然大N2可以携带液态B2O3在衬底上沉积，但是液态物质的流动性差，同时受到重力的作用，在生成或者移动过程中，液态B2O3还会沉积在扩散炉壁上，而不会得到充分利用，同时造成沉积不均匀，在高温条件下BBr3与O2发生氧化还原反应：
4BBr3+3O2→2B2O3+6Br2
生成的B2O3沉积在硅片上，与硅片表面的Si发生氧化还原反应：
2B2O3+3Si→4B+3SiO2
生成的B原子成为向硅片内部扩散的杂质原子。
因此，预沉积过程实际就是在硅片表面沉积一层杂质源，所导入的O2除了与BBr3发生氧化还原反应，部分O2在扩散炉内与衬底发生反应，在衬底表面形成SiO2：
Si+O2→SiO2
再分布过程是把经过预沉积后在硅片表面沉积得到的杂质原子向硅片内部扩散，一般情况下，在再分布过程中是没有外来杂质补充的，完全由预沉积过程中得到的杂质总量决定再分布后的杂质扩散深度(结深)和扩散后的表面浓度。图2是现有技术中BBr3液态源高温扩散示意图。
上述方法的缺点是：
(1)BBr3作为扩散源实现B扩散的难点在于B2O3沸点温度高达1860℃，在一般扩散温度下为液态，造成B扩散均匀性差。在900℃-1050℃的扩散温度下，形成的B2O3由于受到重力的作用主要沉积在扩散炉反应区域的底部，即使有部分能够沉积在衬底上也是很少的部分，且衬底表面的沉积由于重力的作用也不会形成均匀的分布，这就造成B扩散层的掺杂不均匀。这种不均匀性的宏观表象为硅片表面扩散后的颜色不均匀，即形成花片，这主要是因为在硅片沉积的氧化层厚度不均匀而造成的颜色差别。对于放置在扩散炉不同位置的硅片，氧化硼在传送过程中由于重力作用，随着传送距离的增加，气体携带氧化硼含量减少，造成片间掺杂的不均匀。
(2)在扩散过程中形成的氧化硼B2O3由于其熔点很高，容易在炉口位置的尾气管沉积固化，堵塞排气管，不仅降低扩散层掺杂的均匀性，而且容易导致石英器件的破裂，严重时会造成炉管中有毒气体外泄，形成生产事故。
(3)硼物质的固化沉积，容易造成扩散炉器件之间(例如扩散进气管路、石英炉门、桨等)相互粘结在一起，在扩散进气管路管口与扩散炉门的接口处固化沉积，造成石英炉门与扩散炉之间粘连在一起，在扩散炉炉管打开时，容易造成石英炉门的损害，增加生产成本。
(4)工艺运行过程中生成的氧化硼，遇冷会在扩散炉门内壁凝结，氧化硼会与扩散炉门中物质反应，腐蚀扩散炉门，造成炉门内壁坑洼不平，无法确保炉管的密闭性，外部气体会进入炉管，污染片源。
硼扩散掺杂是实现n型太阳能电池高转换效率的关键，然而目前高温硼扩散均匀性差，影响了电池性能。硼扩散均匀性差的本质问题在于氧化硼沸点高，扩散温度下为液态，因此在硅片上沉积不均匀，对于放置在进气管路不同位置的硅片，氧化硼在传送过程中由于重力作用，随着传送距离的增加，气体携带氧化硼含量减少，造成片间掺杂的不均匀。
现有技术是通过外接纯水源瓶，通过小氮携带水蒸气进入路管内，与氧化硼结合成低沸点的亚硼酸，由此改善硼扩散的均匀性，减缓B2O3对炉管内石英器件的腐蚀，但是水蒸气无法去除硅片表面及炉管内可能存在的金属杂质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能电池硼扩散装置，是在BBr3液态源高温扩散过程中引入二氯乙烯，能够提高硼扩散的片内均匀性及片间均匀性，同时减缓B2O3对炉内石英器件的腐蚀，延长石英器件的使用寿命，避免硅片在高温过程中受到金属污染。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种太阳能电池硼扩散方法，包括以下步骤：
步骤一，将需要进行硼扩散的硅片放入扩散炉内，升温；
步骤二，通入硼源、二氯乙烯、氧气和氮气进行硼扩散；
步骤三，停止通硼源、氧气和二氯乙烯，在氮气氛围下保持温度在900℃-960℃，持续时间15min-40min，氮气流量为10-20L/min；
步骤四，降温，取出硅片，完成扩散过程。
进一步的技术方案，二氯乙烯为液态源，利用氮气作为气体载体。
进一步的技术方案，携带二氯乙烯的氮气流量为100ml/min-800ml/min；硼源为BBr3，携带硼源的氮气流量为100ml/min-800ml/min；通入的氮气流量为5L/min-20L/min，氧气流量为100ml/min-500ml/min，通入时间为15min-60min。
进一步的技术方案，步骤一中升温至850℃-960℃。
本发明还提供一种太阳能电池硼扩散方法所用的硼扩散装置，包括扩散炉和进气管路，进气管路与扩散炉连通，硅片置于扩散炉内，进气管路上连通有氮气通入的第一支管、氧气通入的第二支管、携带硼源的氮气通入的第三支管、携带二氯乙烯的氮气通入的第四支管，第三支管与BBr3储瓶连通，第四支管与二氯乙烯储瓶连通；二氯乙烯储瓶上还连通有氮气通入的第五支管，BBr3储瓶还连通有氮气通入的第六支管。
进一步的技术方案，第五支管的管口伸入到二氯乙烯储瓶的底部，第四支管的管口位于二氯乙烯储瓶的上部；第六支管的管口伸入到BBr3储瓶的底部，第三支管的管口位于BBr3储瓶的上部。
进一步的技术方案，第三支管、第四支管、第五支管、第六支管上均设有控制阀。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1)在传统BBr3高温扩散过程中引入了C2H2Cl2,携源小氮一(小N2-BBr3)、携源小氮二(小N2-C2H2Cl2)、大氮(大N2)和氧气(O2)四种气体会在高温炉管内发生反应，在炉管内反应生成的气态H2O会在N2的携带下在炉管内均匀分布，H2O还会与BBr3与O2反应生成的B2O3反应生成气态的HBO2，HBO2在高温下也会发生分解，生成B2O3，可以实现B2O3在硅片表面上的均匀分布，提高硼扩散的片内均匀性；
2)反应生成的气态HBO2会在N2的携带下在炉管内均匀分布，提高硼扩散的片间均匀性；
3)反应生成的气态H2O会在N2的携带下在炉管内均匀分布，H2O还会与炉管内沉积的B2O3发生反应，这样即避免了B2O3在炉管壁的沉积，延长了石英器件的使用寿命，同时增加有效的硼源；
4)反应生成的气态HCl还可以与硅片表面及炉管内的金属杂质反应，生成气态的金属氯化物，随尾气排出，可以避免金属杂质在高温过程中扩散入硅片内部。
附图说明
图1是本发明二氯乙烯参与预沉积的结构示意图；
图2是现有技术BBr3液态源高温扩散示意图；
图中：1、硅片；2、扩散炉；3、第二支管；4、第一支管；5、进气管路；6、第四支管；7、控制阀；8、第五支管；9、二氯乙烯储瓶；10、第六支管；11、BBr3储瓶；12、第三支管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的思路是在扩散过程中引入低沸点的硼化物质，在扩散温度下以气态形式分布，促使硼在硅片表面均匀沉积，提高扩散层掺杂的均匀性。氧化硼容易吸潮，形成硼酸或者偏硼酸，这两种物质在高温作用下容易分解成氧化硼，而硼酸或者偏硼酸的沸点较低，在扩散温度下为气态。也就是说，氧化硼和硼酸、偏硼酸能够实现相互转化，因此我们可以在扩散过程中引入一定的水，可以形成沸点低的硼酸或者偏硼酸。
本发明具体是在传统BBr3高温扩散过程中引入了C2H2Cl2,，如图1所示，在硼扩散装置中增加一路携源小氮二(小N2-C2H2Cl2)。通入炉管内携源小氮一(小N2-BBr3)、携源小氮二(小N2-C2H2Cl2)、大氮(大N2)和氧气(O2)四种气体会在高温扩散炉内发生反应，通入小N2携带的二氯乙烯液态源，二氯乙烯在高温下可以与氧气反应，生成水，同时可以生成氯离子，可以将炉管内的金属杂质去除，同时可以减缓B2O3对炉管内石英器件的腐蚀，延长石英器件的使用寿命。
为便于理解，对上述中的术语进行解释：其中携源小氮二(小N2-C2H2Cl2)为图1中通过第五支管进入的小N2，进入盛有液态二氯乙烯储瓶后，小N2携带液态二氯乙烯经第四支管进入炉管，由于此管路中的氮气流量较第一支管通入的氮气的流量小，因此称为小N2，因为携带C2H2Cl2，因此称为携源小氮二，记为小N2-C2H2Cl2；携源小氮一(小N2-BBr3)的解释与携源小氮二(小N2-C2H2Cl2)的解释原因相同；大氮(大N2)是为了与携源小氮1进行区分，大氮的流量大于小氮的流量，大氮有平衡气压的作用，同时需要大氮把反应气体向扩散炉内推送。
具体的反应过程如下所示：
C2H2Cl2+O2→HCl+H2O+CO2
HCl→H++Cl-
4BBr3+3O2→2B2O3+6Br2
B2O3+H2O→2HBO2
2HBO2+2Si→2SiO2+2B+H2
2B2O3+3Si→4B+3SiO2
在炉管内反应生成的气态的HCl和H2O会在N2的携带下在炉管内均匀分布，H2O还会与BBr3与O2反应生成的B2O3反应生成气态的HBO2，HBO2在高温下也会发生分解，生成B2O3，可以实现B2O3在硅片表面上的均匀分布；另一方面，H2O还会与炉管内沉积的B2O3发生反应，这样即避免了B2O3在扩散炉管壁的沉积，延长了石英器件的使用寿命，同时增加有效的硼源；HCl还可以与硅片表面及炉管内的金属杂质反应，生成气态的金属氯化物，随尾气排出，可以避免金属杂质在高温过程中扩散入硅片内部。
本发明的基本方案是：在扩散过程中首先通入由小氮携带的二氯乙烯，之后再通入由小氮携带的三溴化硼，同时缩短了三溴化硼的通源量及通源时间，新的工艺有效的改善了硼扩散的片内均匀性。
本发明的具体的工艺过程如下：
(1)将需要进行硼扩散的硅片放入扩散炉2内，温度升至850℃-960℃；
(2)通入携源小氮一(小N2-BBr3)、携源小氮二(小N2-C2H2Cl2)、大氮(大N2)和氧气(O2)，小N2-BBr3流量为100ml/min-800ml/min，N2-C2H2Cl2流量为100ml/min-800ml/min，大N2流量为5L/min-20L/min，O2流量为100ml/min-500ml/min，通源时间为15min-60min；
(3)停止通源，在氮气氛围下保持温度在900℃-960℃，15min-40min，氮气流量为10-20L/min；
(4)降温，取出硅片，完成扩散过程。
其中，C2H2Cl2与BBr3同时通入，或是C2H2Cl2和BBr3一先一后通入。
本发明还提供一种如图1所示的太阳能电池硼扩散方法所用的硼扩散装置，包括扩散炉2和进气管路5，进气管路5与扩散炉2连通，硅片1置于扩散炉2内，进气管路5上连通有氮气通入的第一支管4、氧气通入的第二支管3、携带硼源的氮气通入的第三支管12、携带二氯乙烯的氮气通入的第四支管6，第三支管12与BBr3储瓶11连通，第四支管6与二氯乙烯储瓶9连通；二氯乙烯储瓶9上还连通有氮气通入的第五支管8，BBr3储瓶11还连通有氮气通入的第六支管10。
为了使氮气充分携带二氯乙烯，第五支管8的管口伸入到二氯乙烯储瓶9的底部，第四支管6的管口位于二氯乙烯储瓶9的上部；为了使氮气充分携带硼源，则第六支管10的管口伸入到BBr3储瓶11的底部，第三支管12的管口位于BBr3储瓶的上部，利于硼源携带。
为便于控制各支管的流量，及能够随时关闭和开启，在第三支管12、第四支管6、第五支管8、第六支管10上均设有控制阀7。
本发明中，二氯乙烯与氧气反应生成H2O，H2O在扩散过程中与扩散炉内沉积的B2O3相遇，形成沸点偏低的偏硼酸HBO2，提高了硼在扩散炉内分布的均匀性，HBO2能够直接与衬底Si发生反应生成单质B作为掺杂源，提高硼在硅中的扩散程度，改善B扩散层掺杂的均匀性；此外，HBO2在高温下也会发生分解，生成B2O3，可以实现B2O3在硅片表面上的均匀分布，解决单纯BBr3扩散过程中B2O3液相分布不均匀的问题；同时，二氯乙烯与氧气反应生成的HCl，氯离子可以与硅片表面及扩散炉内的金属杂质反应，生成气态的金属氯化物，随尾气排出，可以避免金属杂质在高温过程中扩散入硅片内部。总之，将二氯乙烯引入到硼扩散过程中，既可以解决硼扩散均匀性问题，又可以避免硅片在高温过程中受到金属污染。
现有方法中较多的是增加一个可加热的水浴槽，将水蒸气与其它反应气体一起输送到扩散炉管内。本发明中用二氯乙烯液态源代替了水浴槽，在解决扩散均匀性问题的同时，二氯乙烯与氧气反应生成的HCl，氯离子可以与硅片表面及炉管内的金属杂质反应，生成气态的金属氯化物，随尾气排出，可以避免金属杂质在高温过程中扩散入硅片内部。总之，将二氯乙烯引入到硼扩散过程中，即可以解决硼扩散均匀性问题，又可以避免硅片在高温过程中受到金属污染。其中，扩散炉管的内部为石英管，外面有加热丝和保温层。
本方法的优点主要有以下几点：
(1)在扩散炉管内反应生成的气态H2O会在N2的携带下在扩散炉管内均匀分布，H2O还会与BBr3与O2反应生成的B2O3反应生成气态的HBO2，HBO2在高温下也会发生分解，生成B2O3，可以实现B2O3在硅片表面上的均匀分布，提高硼扩散的片内均匀性；
(2)反应生成的气态HBO2会在N2的携带下在扩散管内均匀分布，提高硼扩散的片间均匀性；
(3)反应生成的气态H2O会在N2的携带下在扩散炉管内均匀分布，H2O还会与扩散炉管内沉积的B2O3发生反应，这样即避免了B2O3在扩散炉管壁的沉积，延长了石英器件的使用寿命，同时增加有效的硼源；
(4)反应生成的气态HCl和可以与硅片表面及扩散炉管内的金属杂质反应，生成气态的金属氯化物，随尾气排出，可以避免金属杂质在高温过程中扩散入硅片内部。
本发明是在硼扩散过程中通入二氯乙烯，反应过程中生成气态的亚硼酸可以均匀的沉积在硅片表面，与硅发生反应生成的单质硼，在高温的作用下对硅片表面进行掺杂。
本发明的关键点是在硼扩散过程中引入了二氯乙烯，提高了硼扩散片内和片间均匀性，避免了B2O3在石英器件表面的沉积，延长了石英器件的使用寿命，反应生成的气态HCl还可以与硅片表面及炉管内的金属杂质反应，生成气态的金属氯化物，随尾气排出，可以避免金属杂质在高温过程中扩散入硅片内部。本发明的整个工艺过程简单，适用于大规模生产。
Claims (3)
1.一种太阳能电池硼扩散装置，其特征在于，包括扩散炉(2)和进气管路(5)，进气管路(5)与扩散炉(2)连通，硅片(1)置于扩散炉(2)内，进气管路(5)上连通有氮气通入的第一支管(4)、氧气通入的第二支管(3)、携带硼源的氮气通入的第三支管(12)、携带二氯乙烯的氮气通入的第四支管(6)，第三支管(12)与BBr3储瓶(11)连通，第四支管(6)与二氯乙烯储瓶(9)连通；二氯乙烯储瓶(9)上还连通有氮气通入的第五支管(8)，BBr3储瓶(11)还连通有氮气通入的第六支管(10)；所述第三支管(12)靠近所述扩散炉(2)连通，所述第四支管(6)远离所述扩散炉(2)连通，所述第四支管(6)到所述扩散炉(2)的距离大于所述第三支管(12)到所述扩散炉(2)的距离。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池硼扩散装置，其特征在于，第五支管(8)的管口伸入到二氯乙烯储瓶(9)的底部，第四支管(6)的管口位于二氯乙烯储瓶(9)的上部；第六支管(10)的管口伸入到BBr3储瓶(11)的底部，第三支管(12)的管口位于BBr3储瓶(11)的上部。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池硼扩散装置，其特征在于，第三支管(12)、第四支管(6)、第五支管(8)、第六支管(10)上均设有控制阀(7)。
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