CN106784153A - 太阳能电池片低压扩散工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池片制备技术领域，尤其是一种太阳能电池片低压扩散工艺，在低压状态下进行扩散工艺过程，使得炉腔中分布低的杂质源饱和蒸气压，提高了杂质的分子自由程，改善气流场稳定性，大大提高晶体硅片扩散的均匀性，改善方阻均匀性，加工制作的晶体硅太阳能电池片的转换效率高，操作简单，产量大，同时化学品和特气损耗成本大幅降低，多步扩散方法能减少表面死层、增加电活性磷掺杂量，与常规的扩散工艺相比，本工艺制备的太阳电池开路电压Voc升高3mV，光电转换效率Eff有0.1％的绝对提升，功率Pmpp提升0.026W。

Description

太阳能电池片低压扩散工艺
技术领域
本发明涉及太阳能电池片制备技术领域，尤其是一种太阳能电池片低压扩散工艺。
背景技术
太阳能电池片扩散是太阳能电池硅片制作的一个过程：P—N结扩散，扩散工序：将硅片放入高温扩散炉中,通以氮气和POCL3等气体,在高温下分解后在硅片表面形成P-N结，其扩散制结(p-n结)的目的：在P型硅表面,通过扩散P原子构成，现有的晶体硅片一般为放置在卧式扩散炉中，通入混合气体，混合气体由氮气和三氯氧磷按比例混合而成，在常压下对晶体硅片进行扩散，这种方式普遍存在炉口和炉尾的方阻差异较大，且特其损耗量大，在进行高表面方块电阻制作时，容易导致后续的生产过程出现低效率的晶体硅太阳能电池片。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中太阳能电池片扩散工艺的炉口和炉尾的方阻差异较大的问题，现提高一种太阳能电池片低压扩散工艺，该低压扩散工艺制备的太阳能电池片扩散均匀性好，转换效率高且成本低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太阳能电池片低压扩散工艺，包括以下步骤：
a、入炉抽真空：将晶体硅片放置在扩散炉内，通入大氮，关闭炉门，打开真空泵对炉内进行抽真空，使炉内压强维持在120±20mbar的真空状态；
b、第一次磷源扩散：首先，炉内温度温度在770±30℃，然后向炉内通入小氮和氧气进行扩散；其中小氮为携带磷源蒸汽的氮气，小氮的流量为0.15±0.05L/min，氧气的流量为0.35±0.1L/min，扩散时间为10±2min，炉内压强维持在120±20mbar；
c、第一次磷杂质推进：停止向炉内通入小氮，保持氧气流量为0.35±0.1L/min，使炉内温度升至830±20℃，对晶体硅片进行第一次磷杂质推进，磷杂质推进时间为5±2min，炉内的压强维持在120±20mbar；
d、降温：停止向炉内通入氧气，使炉内温度降至810±20℃，炉内压强维持在120±20mbar；
e、第二次磷源扩散：使炉内的温度温度在810±20℃，向炉内通入小氮和氧气进行扩散；其中，小氮的流量为0.13±0.05L/min，氧气的流量为0.42±0.1L/min，扩散时间为8±2min，炉内压强维持在120±20mbar；
f、第二次磷杂质推进：使炉内的稳定将至790±20℃，停止向炉内通入小氮，保持氧气的流量为0.6±0.3L/min，推进时间10±2min，炉内压强维持在120±20mbar；
g、后氧化：使炉内的温度将至770±20℃，氧气流量升至0.7±0.2L/min，在晶体硅片表面生长氧化层，炉内的压强维持在120±mbar；
h、降温出炉：停止向炉内通入氧气，使炉内的温度降至700±30℃，关闭真空泵，通入大氮，恢复炉内压强，打开炉门，取出晶体硅片。
进一步地，步骤a中，晶体硅片顺序放置在石英舟上，将装满晶体硅片的石英舟放置在石英舟托上，然后以200±20mm/min的速度从扩散炉的炉口匀速推送至炉内，在推送的过程中同时向炉内通入大氮，炉内初始温度为750±30℃，大氮流量为3±0.5L/min，压强为915±20mbar，关闭炉门，炉内温度升至760±30℃，大氮流量缩减至2.7±0.5L/min。
进一步地，步骤h中，打开炉门，承载晶体硅片的石英舟以200±20mm/min的速度从炉内退出，在出炉的过程中向炉内通入大氮，大氮流量为3±0.5L/min。
进一步地，步骤c中的升温速率为升温速率为8±0.2℃。
进一步地，步骤d中的降温速率2±0.1℃。
进一步地，步骤g中氧化时间为8±2min。
进一步地，步骤h中降温速率3±0.1℃。
本发明的有益效果是：本发明太阳能电池片低压扩散工艺具有如下优点：
1)多步扩散方法能减少表面死层、增加电活性磷掺杂量，与常规的扩散工艺相比，本工艺制备的太阳电池开路电压Voc升高3mV，光电转换效率Eff有0.1％的绝对提升，功率Pmpp提升0.026W。
2)在低压状态下进行扩散工艺过程，使得炉腔中分布低的杂质源饱和蒸气压，提高了杂质的分子自由程，改善气流场稳定性，大大提高晶体硅片扩散的均匀性，改善方阻均匀性，加工制作的晶体硅太阳能电池片的转换效率高，操作简单，产量大，同时化学品和特气损耗成本大幅降低。
3)通过后氧化过程中在大量氧气推进条件下，活性磷和磷元素掺杂浓度明显降低，即氧化增强扩散。但是深度加大时，SiO2-Si界面具有Si间隙陷阱的作用，向体内注入空位，伴随堆垛层错的收缩，通氧气起到延缓扩散的作用。两次扩散加推进完成后增加后氧化步骤起吸杂作用，延缓扩散，且在晶体硅片表面生长的氧化层能有效保护PN结，阻挡后续洗磷工序药液对PN结的损伤。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第一次实验档位分布柱状图；
图2是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第一次实验功率对比点状分布图；
图3是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第一次实验开路电压对比点状分布图；
图4是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第一次实验短路电流对比点状分布图；
图5是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第一次实验串阻对比点状分布图；
图6是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第一次实验填充因子对比点状分布图；
图7是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第二次实验硅片档位分布柱状图；
图8是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第二次实验功率对比点状分布图；
图9是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第二次实验开路电压对比点状分布图；
图10是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第二次实验短路电流对比点状分布图；
图11是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第二次实验串阻对比点状分布图；
图12是本发明低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline制备的2500片硅片第二次实验填充因子对比点状分布图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
实施例1
采用的扩散炉有五个加热区，具体的工艺流程如下：
入炉：将清洗制绒后的晶体硅片顺序放置在石英舟上，将装满晶体硅片的石英舟放置在石英舟托上，然后被SiC桨以200mm/min的速度从卧式扩散炉的炉口匀速推送至炉内，在推送过程中同时向炉内通入大氮，炉内初始温度为750℃，大氮流量为3L/min，压强为91mbar；
抽真空：将石英舟推送至炉内指定位置后，SiC桨以300mm/min的速度退回至炉外初始位置，关闭炉门，温度升至760℃，大氮流量减至2.7L/min，打开真空泵对炉内进行抽真空，抽真空的时间控制在9min内，使炉内的压强维持在120mbar范围内；
第一次磷源扩散：使炉内的温度稳定在770℃范围内，向炉内通入小氮和氧气，对晶体硅片进行第一次磷源扩散，所述的小氮是指携带磷源蒸汽的氮气，小氮流量为0.15L/min，氧气流量为0.35L/min，第一次磷源扩散时间为10min，炉内的压强维持在120mbar范围内；
第一次磷杂质推进：停止向炉内通入小氮，保持氧气流量为0.3L/min，使炉内的温度升温至830℃，升温速率为8℃/min，对晶体硅片进行第一次磷杂质推进，磷杂质推进时间为5min，炉内的压强维持在120mbar范围内；
降温：停止向炉内通入氧气，使炉内的温度降至810℃，降温速率为2±0.1℃/min，炉内的压强维持在120mbar范围内；
第二次磷源扩散：使炉内的温度稳定在810℃，向炉内通入小氮和氧气，对晶体硅片进行第二次磷源扩散，所述的小氮是指携带磷源蒸汽的氮气，小氮流量为0.13L/min，氧气流量为0.42L/min，第二次磷源扩散时间为8min，炉内的压强维持在120mbar范围内；
第二次磷杂质推进：使炉内的温度降至790℃，停止向炉内通入小氮，保持氧气流量为0.6L/min，对晶体硅片进行第二次磷杂质推进，杂质推进时间为10min，炉内的压强维持在120mbar范围内；
后氧化：使炉内的温度降至770℃，氧气流量升至0.7L/min，在晶体硅片表面生长良好的氧化层，氧化时间为8min，炉内的压强维持在120mbar范围内；
降温：停止向炉内通入氧气，使炉内的温度降温至700℃，降温速率为3℃/min，关闭真空泵，通入大氮，大氮流量为5L/min，炉内压强恢复至915±20mbar；
出炉：打开炉门，SiC桨以200mm/min的速度进入炉内，承载石英舟托后以300mm/min的速度从炉内退出，在出炉过程中向炉内通入大氮，大氮流量为3L/min。
一、采用上述低压扩散工艺制备的硅片PN结，第一次经相同工艺制备2500片硅片和常规方法制备的硅片性能对比如下表1：
表1：
Pmpp Uoc Isc Rs Rsh FF NCell
低压扩散 4.694 649.0 9.222 2.57 365 78.42％ 19.29％
Baseline 4.670 646.2 9.210 2.48 376 78.47％ 19.19％
△ 0.024 2.9 0.012 0.09 -10 -0.05％ 0.10％
其中：Pmpp表示功率；Uoc表示开路电压；Isc表示短路电流；Rs表示串阻；Rsh表示并阻；FF表示填充因子；NCell(Eff)表示光电转换效率；Baseline表示常规方法。
从表1中可以看出上述低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline，功率提高0.024W，Uoc提高2.9mV，Eff提高0.1％。
重复五轮实验，炉内五个温度区的方阻统计表格如下表2：
表2：
从表2中可以看出低压方阻轮次之间较为稳定。
上述低压扩散工艺制备的硅片和常规方法制备的硅片其档位对比表如表3：
档位：功率大于等于4.825W的为1档，2档为功率大于等于4.8W，3档为功率大于等于4.775W，以此类推；
表3：
结合表3及附图1可以看出，上述低压扩散工艺制备的硅片档位靠前且较为集中，后档位较少，其中，档位越高，功率越高。
结合附图2-6所示，上述低压扩散工艺制备的硅片电性能参数分布较为集中，一致性更好。
二、采用上述低压扩散工艺制备的硅片PN结，第二次经相同工艺制备2500片硅片和常规方法制备的硅片性能对比如下表4：
表4：
Pmpp Uoc Isc Rs Rsh FF NCell
低压扩散 4.693 648.4 9.261 2.76 275 78.15％ 19.28％
Baseline 4.664 644.9 9.237 2.66 342 78.31％ 19.17％
△ 0.029 3.5 0.024 0.1 -67 -0.15％ 0.12％
从表4中可以看出上述低压扩散工艺制备的硅片相对Baseline，功率提高0.029W，Uoc提高3.5mV，Eff提高0.12％。
重复五轮实验，炉内五个温度区的方阻统计表格如下表5：
表5：
从表5中可以看出低压方阻轮次之间较为稳定。
上述低压扩散工艺制备的硅片和常规方法制备的硅片其档位对比表如表6：
表6：
结合表6及附图7可以看出，上述低压扩散工艺制备的硅片档位靠前且较为集中，后档位较少，其中，档位越高，功率越高。
结合附图8-12所示，上述低压扩散工艺制备的硅片电性能参数分布较为集中，一致性更好。
上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种太阳能电池片低压扩散工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、入炉抽真空：将晶体硅片放置在扩散炉内，通入大氮，关闭炉门，打开真空泵对炉内进行抽真空，使炉内压强维持在120±20mbar的真空状态；
b、第一次磷源扩散：首先，炉内温度温度在770±30℃，然后向炉内通入小氮和氧气进行扩散；其中小氮为携带磷源蒸汽的氮气，小氮的流量为0.15±0.05L/min，氧气的流量为0.35±0.1L/min，扩散时间为10±2min，炉内压强维持在120±20mbar；
c、第一次磷杂质推进：停止向炉内通入小氮，保持氧气流量为0.35±0.1L/min，使炉内温度升至830±20℃，对晶体硅片进行第一次磷杂质推进，磷杂质推进时间为5±2min，炉内的压强维持在120±20mbar；
d、降温：停止向炉内通入氧气，使炉内温度降至810±20℃，炉内压强维持在120±20mbar；
e、第二次磷源扩散：使炉内的温度温度在810±20℃，向炉内通入小氮和氧气进行扩散；其中，小氮的流量为0.13±0.05L/min，氧气的流量为0.42±0.1L/min，扩散时间为8±2min，炉内压强维持在120±20mbar；
f、第二次磷杂质推进：使炉内的稳定将至790±20℃，停止向炉内通入小氮，保持氧气的流量为0.6±0.3L/min，推进时间10±2min，炉内压强维持在120±20mbar；
g、后氧化：使炉内的温度将至770±20℃，氧气流量升至0.7±0.2L/min，在晶体硅片表面生长氧化层，炉内的压强维持在120±mbar；
h、降温出炉：停止向炉内通入氧气，使炉内的温度降至700±30℃，关闭真空泵，通入大氮，恢复炉内压强，打开炉门，取出晶体硅片。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池低压扩散工艺，其特征在于：步骤a中，晶体硅片顺序放置在石英舟上，将装满晶体硅片的石英舟放置在石英舟托上，然后以200±20mm/min的速度从扩散炉的炉口匀速推送至炉内，在推送的过程中同时向炉内通入大氮，炉内初始温度为750±30℃，大氮流量为3±0.5L/min，压强为915±20mbar，关闭炉门，炉内温度升至760±30℃，大氮流量缩减至2.7±0.5L/min。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池低压扩散工艺，其特征在于：步骤h中，打开炉门，承载晶体硅片的石英舟以200±20mm/min的速度从炉内退出，在出炉的过程中向炉内通入大氮，大氮流量为3±0.5L/min。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池低压扩散工艺，其特征在于：步骤c中的升温速率为升温速率为8±0.2℃。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池低压扩散工艺，其特征在于：步骤d中的降温速率2±0.1℃。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池低压扩散工艺，其特征在于：步骤g中氧化时间为8±2min。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池低压扩散工艺，其特征在于：步骤h中降温速率3±0.1℃。
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