CN107093551B - 一种太阳能电池片的扩散方法及得到的太阳能电池片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池片的扩散方法，所述扩散方法包括渐变扩散步骤：在元素掺杂过程中，在硅表面的掺杂元素随时间具有梯度变化的浓度。本发明通过将扩散的掺杂金属的量调整为梯度，在初期采用较小的浓度进行高温扩散，能够让近表区氧沉淀充分溶解，过多的氧沉淀不利于退火步吸除杂质，增加太阳能电池板的开压；而随着工艺过程，在后期采用较大的掺杂浓度进行高温扩散，能够迅速弥补表区的P掺杂，增加掺杂金属的有效填充。本发明提供的扩散方法，能够减少死层，溅射形成的填隙原子、位错和缺陷。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池片制备领域，涉及一种太阳能电池片的扩散方法及得到的太阳能电池片。
背景技术
在P型衬底上扩散N型杂质形成P-N结，以达到合适的掺杂浓度和方块电阻。太阳能电池中，P-N结制作过程中的扩散工艺对电池的性能具有至关重要的影响，包括扩散死层的减少、接触电阻损失的降低，开路电压的提高，短路电流和填充因子的增加，都为最终获得高光电转换效率的电池发挥至关重要的作用。
现有的扩散工艺包括两步扩散法：第一步是采用恒定表面源扩散，将掺杂元素掺杂在衬底的一层较薄的表面上；第二步是进行主扩散或再分布，将掺杂元素在衬底的深层进行扩散。但是现有的扩散工艺过程中，在主扩散过程中过高的表面杂质浓度会造成“死层”，死层”中存在着大量的填隙原子、位错和缺陷，少子寿命很低，光在“死层”中发出的光生载流子都无谓地复合掉，导致效率下降。
本领域一般通过在保持掺杂浓度一定的前提下，降低结深，提高方阻。但是这种方法具有增加复合，降低效率的缺陷。
本领域需要开发一种新型的扩散工艺，其能够有效的提高P-N结区域的有效掺杂，提高光电转化效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能电池片的扩散方法，所述扩散方法包括渐变扩散步骤：在元素掺杂过程中，在硅表面的掺杂元素随时间具有梯度变化的浓度。
本发明将硅表面的掺杂元素的浓度设置成随时间进行梯度变化，能够将近表层的氧沉淀充分溶解，推进掺杂金属溶解在结区，增加结区的有效掺杂，逐渐增加的梯度变化，前期的浓度较小，能够避免重掺杂，减少死层的形成，随着梯度增加，掺杂浓度逐渐增加，电池体内掺杂形成梯度浓度，有利于漂移电子的运动，增加了内建电场，随着掺杂元素浓度的逐渐增加，最终浓度达到最大，能够迅速弥补表层区域掺杂，提高填充。
本发明所谓有效掺杂可以理解为扩散的磷能够被使用的部分。
优选地，所述扩散方法包括如下步骤：
(1)一次扩散：保护性气氛下，升温硅基底至一次扩散温度，通入氧气和携带掺杂元素的氮气，进行一次扩散；
(2)二次扩散：保护性气氛下，升温硅基底至二次扩散温度，通入氧气和携带掺杂元素的氮气；二次扩散过程中，所述携带掺杂元素的氮气的流量随时间梯度变化；
(3)保护性气氛下，低温退火。
一次扩散能够在硅基底表层形成二氧化硅层和浅掺杂，在二次掺杂过程中，更多的掺杂元素随着二氧化硅溶解并扩散，与浅掺杂的掺杂元素一起向更深的结区扩散。二次掺杂的渐变式掺杂金属元素的通入，降低了由于表层杂质浓度过高带来的死层，降低效率问题，避免了填隙原子、位错和缺陷的产生，提高了光电转化效率。
本发明所述携带掺杂元素的氮气可以理解为小氮，保护性气氛可以理解为大氮。
携带掺杂元素的氮气的流量是渐变的，前期流量小，能够避免重掺杂(扩散P不能够被利用的部分)，减少死层，随着携带掺杂元素的氮气的流量渐变流量增大，太阳能电池的PN结中的掺杂元素随着结深浓度梯度增大，有益于漂移电子的运动，增加内建电场，后期小氮大量通入是为了弥补表面的溶度，增高填充。
优选地，所述梯度变化优选梯度升高。采用梯度升高的携带掺杂元素的氮气的流量，能够实现在高温扩散条件下初期具有较小的流量，能够提高开压；后期具有较大的流量，能够增加填充。
优选地，所述携带掺杂元素的氮气流的流量随时间梯度变化的步幅为40～60sccm/50s，例如42sccm/50s、45sccm/50s、48sccm/50s、51sccm/50s、53sccm/50s、56sccm/50s、59sccm/50s等，优选50sccm/50s。
优选地，所述携带掺杂元素的氮气流的流量范围为40～3000sccm，例如40～2000sccm、60～2400sccm、100～2000sccm、70～2300sccm、60～3000sccm等。
优选地，所述携带掺杂元素的氮气和氧气的流量比在0.05～3.75:1范围内，例如0.06～3.75、0.08～3.00、0.10～3.68、0.18～3.70等。
如果氧气流量过大，导致硅片表面的氧化硅过厚，减少掺杂金属的附着。如果氧气流量过低会导致表面的含掺杂元素含量过高，形成死层。
优选地，所述二次扩散的温度为820～840℃，例如822℃、825℃、828℃、832℃、835℃、838℃等。
优选地，从一次扩散温度升温至二次扩散温度的时间为300～600s，例如320s、350s、380s、400s、410s、450s、480s、500s、520s、550s、580s等。
优选地，所述二次扩散的压力为50～200mba，例如55mba、60mba、65mba、70mba、75mba、80mba、85mba、90mba、95mba、100mba、105mba、110mba、115mba、120mba、125mba、130mba、135mba、140mba、145mba、150mba、155mba、160mba、165mba、170mba、175mba、180mba、185mba、190mba、195mba等。
优选地，所述二次扩散过程中，氧气流流量为500～1500sccm，例如550sccm、600sccm、650sccm、700sccm、750sccm、800sccm、850sccm、900sccm、950sccm、1000sccm、1050sccm、1100sccm、1150sccm、1200sccm、1250sccm、1300sccm、1350sccm、1400sccm、1450sccm等，优选800sccm。
优选地，所述一次扩散的温度为760～790℃，例如765℃、770℃、775℃、780℃、785℃等。
优选地，所述一次扩散的时间为600～900s，例如650s、700s、750s、800s、850s等。
优选地，所述一次扩散的压力为50～200mba，例如70mba、100mba、120mba、150mba、170mba等。
优选地，所述一次扩散的氧气流量为1000～2000sccm，例如1050sccm、1100sccm、1150sccm、1200sccm、1250sccm、1300sccm、1350sccm、1400sccm、1450sccm、1500sccm、1550sccm、1600sccm、1650sccm、1700sccm、1750sccm、1800sccm、1850sccm、1900sccm、1950sccm等。
优选地，所述一次扩散的携带掺杂元素的氮气流量为1000～2000sccm，例如1050sccm、1100sccm、1150sccm、1200sccm、1250sccm、1300sccm、1350sccm、1400sccm、1450sccm、1500sccm、1550sccm、1600sccm、1650sccm、1700sccm、1750sccm、1800sccm、1850sccm、1900sccm、1950sccm等。
优选地，所述低温退火温度为700～750℃，例如710℃、720℃、730℃、740℃等。
优选地，所述低温退火过程中氧气流量为500～2000sccm，例如550sccm、600sccm、650sccm、700sccm、750sccm、800sccm、850sccm、900sccm、950sccm、1000sccm、1050sccm、1100sccm、1150sccm、1200sccm、1250sccm、1300sccm、1350sccm、1400sccm、1450sccm、1500sccm、1550sccm、1600sccm、1650sccm、1700sccm、1750sccm、1800sccm、1850sccm、1900sccm、1950sccm等，所述携带三氯氧磷的氮气的流量为500～2000sccm，例如550sccm、600sccm、650sccm、700sccm、750sccm、800sccm、850sccm、900sccm、950sccm、1000sccm、1050sccm、1100sccm、1150sccm、1200sccm、1250sccm、1300sccm、1350sccm、1400sccm、1450sccm、1500sccm、1550sccm、1600sccm、1650sccm、1700sccm、1750sccm、1800sccm、1850sccm、1900sccm、1950sccm等。
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优选地，所述硅基底为P型硅，所述掺杂元素为磷。
优选地，当所述掺杂元素为磷式，所述携带掺杂元素的氮气为携带三氯氧磷的氮气，优选为掺杂有99％浓度的三氯氧磷的氮气。
优选地，所述保护性气氛为氮气气氛，所述氮气气氛优选通过以10000～30000sccm的流速通入氮气进行保护。
作为优选技术方案，所述扩散方法包括如下步骤：
(1)一次扩散：在10000～30000sccm氮气流速的保护性气氛下，升温硅基底至一次扩散温度760～790℃，通入1000～2000sccm的氧气流和1000～2000sccm的携带掺杂元素的氮气，在50～2000mba的压力下，进行一次扩散；
(2)二次扩散：在10000～30000sccm氮气流速的保护性气氛下，300～600s内升温硅基底至二次扩散温度820～840℃，通入500～1500sccm的氧气流和携带掺杂元素的氮气；所述携带掺杂元素的氮气的流量由50sccm渐变至2500sccm，每次渐变时间为50s，共49次，总时间2450s；
(3)保护性气氛下，低温退火。
本发明目的之二是提供一种如目的之一所述方法制备得到的太阳能电池骗片，所述太阳能电池片的PN结中，掺杂元素的随着结深浓度逐渐增加；
优选地，所述太阳能电池板片的开压为635～639mV。
优选地，所述太阳能电池片板的填充因子FF为80.15～80.3％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将扩散的掺杂金属的量调整为梯度，在初期采用较小的浓度进行高温扩散，能够让近表区氧沉淀充分溶解，过多的氧沉淀不利于退火步吸除杂质，增加太阳能电池板的开压；而随着工艺过程，在后期采用较大的掺杂浓度进行高温扩散，能够迅速弥补表区的P掺杂，增加掺杂金属的有效填充。本发明提供的扩散方法，能够减少死层，溅射形成的填隙原子、位错和缺陷。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例
一种太阳能电池片，通过如下方法制备：
步骤1：开始
准备工艺，将炉内温度设定为760-790℃，通入氮气流量控制在10000～30000sccm；
步骤2：进舟
时间控制在600-800s，将炉内温度设定为760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000～30000sccm；
步骤3：升温
时间控制在600-800s，将炉内温度升温稳定在760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤4：低温扩散
时间控制在600-900s，炉内温度在760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，氧气流量控制在1000-2000sccm，携带掺杂元素(三氯氧磷)的氮气流量控制在1000-2000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤5：升温推进
时间控制300-600s，在将炉内温度升高至820-840℃，开始推进，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤6：高温扩散
炉内温度稳定在820-840℃，进行推进，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，氧气流量控制在500-1500sccm，炉内压力控制在50-200mba，携带掺杂元素(三氯氧磷)的氮气流量由50sccm增加至2500sccm，增加步幅为50sccm/50s，共50次，总时间2500s；
步骤7：低温退火
时间控制1000-3000s，将扩散炉内温度降低到700-750℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，氧气流量控制在500-2000sccm，携带掺杂元素(三氯氧磷)的氮气流量控制在500-2000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤8：出舟
时间控制在600-800s，将炉内温度设定为760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm。
对比例1
一种太阳能电池片，通过如下方法制备：
步骤1：开始
准备工艺，将炉内温度设定为760-790℃，通入氮气流量控制在10000～30000sccm；
步骤2：进舟
时间控制在600-800s，将炉内温度设定为760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000～30000sccm；
步骤3：升温
时间控制在600-800s，将炉内温度升温稳定在760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤4：低温扩散
时间控制在600-900s，炉内温度在760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，氧气流量控制在1000-2000sccm，携带掺杂元素(三氯氧磷)的氮气流量控制在1000-2000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤5：升温推进
时间控制300-600s，在将炉内温度升高至820-840℃，开始推进，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤6：高温扩散2
炉内温度稳定在820-840℃，进行推进，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，氧气流量控制在500-1500sccm，炉内压力控制在50-200mba，携带掺杂元素(三氯氧磷)的氮气流量为1700sccm，时间为600s；
步骤7：低温退火
时间控制1000-3000s，将扩散炉内温度降低到700-750℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm，氧气流量控制在500-2000sccm，携带掺杂元素的氮气流量控制在500-2000sccm，炉内压力控制在50-200mba；
步骤8：出舟
时间控制在600-800s，将炉内温度设定为760-790℃，持续通入氮气流量控制在10000-30000sccm。
实施例1的具体条件见表1：
表1实施例1的工艺条件
表1中，n为大于等于0的整数。
对比例1的具体条件见表1：
表1对比例1的工艺条件
实施例2的具体条件见表1：
表2实施例2的工艺条件
表1中，n为大于等于0的整数。
实施例3的具体条件见表1：
表3实施例3的工艺条件
表1中，n为大于等于0的整数。
性能测试：
在校准正常后的HALM测试机进行测试，结果如下：
测试结果见表4。
表4实施例和对比例测试结果
从表4结果可以看出，相较于对比例，实施例的方法得到的太阳能电池片的开压增益，效率增益较大，填充和效率均有提高。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (24)
1.一种太阳能电池片的扩散方法，其特征在于，所述扩散方法包括如下步骤：
(1)一次扩散：保护性气氛下，升温硅基底至一次扩散温度，通入氧气和携带掺杂元素的氮气，进行一次扩散；
(2)二次扩散：保护性气氛下，升温硅基底至二次扩散温度，通入氧气和携带掺杂元素的氮气；二次扩散过程中，所述携带掺杂元素的氮气的流量随时间梯度变化，步幅为40～60sccm/50s；
(3)保护性气氛下，低温退火。
2.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散过程中，所述梯度变化为梯度升高。
3.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散过程中，所述携带掺杂元素的氮气流的流量随时间梯度变化的步幅为50sccm/50s。
4.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散过程中，所述携带掺杂元素的氮气流的流量范围为40～3000sccm。
5.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散过程中，所述携带掺杂元素的氮气和氧气的流量比为0.05～3.75:1。
6.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散的温度为820～840℃。
7.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，从一次扩散温度升温至二次扩散温度的时间为300～600s。
8.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散的压力为50～200mba。
9.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散过程中，氧气流流量为500～1500sccm。
10.如权利要求9所述的扩散方法，其特征在于，所述二次扩散过程中，氧气流流量为800sccm。
11.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述一次扩散的温度为760～790℃。
12.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述一次扩散的时间为600～900s。
13.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述一次扩散的压力为50～200mba。
14.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述一次扩散的氧气流量为1000～2000sccm。
15.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述一次扩散的携带掺杂元素的氮气流量为1000～2000sccm。
16.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述低温退火温度为700～750℃。
17.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述低温退火过程中氧气流量为500～2000sccm，所述携带三氯氧磷的氮气的流量为500～2000sccm。
18.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述低温退火的时间为1000～3000s。
19.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述硅基底为P型硅，所述掺杂元素为磷。
20.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述掺杂元素为磷，所述携带掺杂元素的氮气为携带三氯氧磷的氮气。
21.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述掺杂元素为磷，所述携带掺杂元素的氮气为掺杂有99v％浓度的三氯氧磷的氮气。
22.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述保护性气氛为氮气气氛。
23.如权利要求22所述的扩散方法，其特征在于，所述氮气气氛通过以10000～30000sccm的流速通入氮气进行保护。
24.如权利要求1所述的扩散方法，其特征在于，所述扩散方法包括如下步骤：
(1)一次扩散：在10000～30000sccm氮气流速的保护性气氛下，升温硅基底至一次扩散温度760～790℃，通入1000～2000sccm的氧气流和1000～2000sccm的携带掺杂元素的氮气，在50～2000mba的压力下，进行一次扩散；
(2)二次扩散：在10000～30000sccm氮气流速的保护性气氛下，300～600s内升温硅基底至二次扩散温度820～840℃，通入500～1500sccm的氧气流和携带掺杂元素的氮气；所述携带掺杂元素的氮气的流量由50sccm渐变至2500sccm，每次渐变时间为50s，共49次，总时间2450s；
(3)保护性气氛下，低温退火。
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