CN107331731A - 一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，包括以下步骤：1)将待处理的晶体硅片置于扩散炉中，升温通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散；2)停止通入携磷源氮气，升温通入干氧和大氮进行推进；3)通入携磷源氮气及干氧，进行低温扩散；4)停止通入携磷源氮气，恒温推进；5)升温通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散；6)停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散；7)降温通入携磷源氮气、干氧及大氮，进行降温扩散；8)降温出舟即可。该种磷扩散方法简单易行，应用广泛，采用该种方法能有效提高硅片光电转换效率，改善太阳电池的电性能，适于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的扩散制结工艺领域，具体涉及一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法。
背景技术
太阳能电池是一种将光能直接转化为电能的器件，由于其清洁、无污染，取之不尽，用之不竭，逐渐成为一种重要的发电方式。其原理是利用PN结的光生伏特效应将光能转化成电能。目前广泛采用的是硅太阳能电池，其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—刻蚀清洗—沉积减反射膜—印刷电极—烧结。其中，扩散制结(通常是磷扩散制结)步骤是一个关键步骤，制结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发挥着至关重要的作用。
目前，硅太阳能电池最常用的制结方法是液态源磷扩散，该方法是以氮气为载气，采用鼓泡的方式通过恒温的三氯氧磷源瓶，携带源蒸汽进入高温扩散炉中，受热分解还原出磷原子同硅片表面反应，并向硅片内扩散。扩散工艺决定了杂质的分布，若表面杂质浓度过高，则会形成扩散“死层”；死层中由于存在大量填隙原子和缺陷，光生载流子极易发生复合，少子寿命很低，会导致光电转换效率的下降。因此，为了避免上述问题，提高光电转换效率，必须降低表面杂质浓度。而欲降低PN结的表面浓度，通常最直接的方法是减小携源氮气的流量。然而，携源气体比例过小会使扩散气氛混合不充分、不均匀，从而导致方块电阻均匀性变差、工艺可控性变差。
此外，针对目前广泛应用于生产的管式扩散炉，影响片间不均匀性的主要因素有：轴向温度分布不均衡、进出气量不匹配及炉口散热较严重等；影响片内不均匀性的主要原因是气氛环境和温度场沿径向存在差异。因此，对于扩散气氛混合不充分、不均匀的情况，若只靠不同温区温度补偿的方法，显然远无法达到较理想的均匀扩散状态，最终将影响后续工艺参数的可控性和太阳电池的电性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，该种磷扩散方法简单易行，应用广泛，采用该种方法能有效提高硅片光电转换效率，改善太阳电池的电性能，适于推广应用。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，按照以下步骤进行：
(1)将待处理的晶体硅片置于扩散炉中，先以10-20℃/min的升温速率升温至380-420℃，保持15-25min，再以15-25℃/min的升温速率升温至740-780℃，并通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为12-16min，控制炉内压力为80-120MPa；
(2)停止通入携磷源氮气，以4-8℃/min的升温速率升温至880-920℃，同时通入干氧和大氮进行推进，控制炉内压力为100-150MPa；
(3)保持步骤(2)中的温度、压力和大氮流量不变，同时通入携磷源氮气及干氧，进行低温扩散，扩散时间为15-25min，控制炉内压力为80-120MPa；
(4)待炉内温度稳定在780-820℃时，停止通入携磷源氮气，恒温推进10-20min，控制炉内压力为80-120MPa；
(5)保持步骤(4)中的压力不变，将炉内温度以4-8℃/min的升温速率升高至860-880℃，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，扩散时间为20-30min；
(6)保持步骤(5)中的扩散炉温度、压力和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散，扩散时间25-35min；
(7)控制炉内压力在60-80MPa，将扩散炉内温度降低到680-720℃，同时通入携磷源氮气、干氧及大氮，进行降温扩散，在降温的同时进行退火吸杂，且降温速率为6-10℃/min，扩散时间为15-25min；
(8)待炉内温度温低至520-540℃，出舟完成扩散过程。
进一步地，在步骤(1)中，所述携磷源氮气的流量为0.8-1.6L/min，干氧的流量为0.8-1.6L/min，大氮的流量为10-14L/min。
进一步地，在步骤(2)中，所述干氧的流量为1.0-2.0L/min，大氮的流量为10-15L/min，扩散时间为35-45min。
进一步地，在步骤(3)中，所述干氧的流量为1.5-2.5L/min；所述携磷源氮气的流量为0.8-1.2L/min。
进一步地，在步骤(4)中，所述干氧的流量为0.5-1.5L/min，大氮的流量为8-12L/min。
进一步地，在步骤(5)中，所述携磷源氮气的流量为1.2-1.6L/min，干氧的流量为0.5-0.8L/min。
进一步地，在步骤(7)中，所述携磷源氮气的流量为0.8-1.6L/min，干氧的流量为0.8-1.6L/min，大氮的流量为10-15L/min。
优选地，所述磷源为三氯氧磷，源温恒定在4-8℃。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的太阳能电池晶体硅片磷扩散方法简单易行，在不增加设备工装和工艺时间的同时，相对减少气体的用量及扩散炉内的炉温，降低了生产成本，并且本发明适用范围广，不仅可用于多种扩散设备，还适用于单晶、多晶及类单晶等多种硅片，适于推广应用；
(2)本发明采用分阶段性的升温推进、恒温推进及降温推进，采取这样的实施方式有益于方阻的均匀性；使得到的硅片方阻的片内、片间均匀性均有较大提升，复合中心减少，从而增加了开压和效率；
(3)本发明在降低三氯氧磷源温及炉温的同时，相应增大了携源氮气及干氧的流量，并且随时控制炉内压力，进而带来了以下意想不到的效果：a、降低了硅片表面的磷杂质表面浓度，因而降低了表面少子复合率，提高光电转换效率；b、使扩散气氛混合充分、均匀，可以将片内及片间的方块电阻的不均匀度控制在较理想的范围，扩散均匀性得到明显的改善，进而提高后续工艺参数的可控性，最终改善太阳电池的电性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，按照以下步骤进行：
(1)将待处理的单晶硅片置于扩散炉中，先以10℃/min的升温速率升温至380℃，保持15min，再以15℃/min的升温速率升温至740℃，并通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，其中，所述携磷源氮气的流量为0.8L/min，干氧的流量为0.8L/min，大氮的流量为10L/min，扩散时间为12min，控制炉内压力为80MPa；
(2)停止通入携磷源氮气，以4℃/min的升温速率升温至880℃，同时通入干氧和大氮进行推进，干氧的流量为1.0L/min，大氮的流量为10L/min，扩散时间为35min，控制炉内压力为100MPa；
(3)保持步骤(2)中的温度、压力和大氮流量不变，同时通入携磷源氮气及干氧，进行低温扩散，干氧的流量为1.5L/min；携磷源氮气的流量为0.8L/min，扩散时间为15min，控制炉内压力为80MPa；
(4)待炉内温度稳定在780℃时，停止通入携磷源氮气，恒温推进10min，干氧的流量为0.5L/min，大氮的流量为8L/min，控制炉内压力为80MPa；
(5)保持步骤(4)中的压力不变，将炉内温度以4℃/min的升温速率升高至860℃，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，携磷源氮气的流量为1.2L/min，干氧的流量为0.5L/min，扩散时间为20min；
(6)保持步骤(5)中的扩散炉温度、压力和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散，扩散时间25min；
(7)控制炉内压力在60MPa，将扩散炉内温度降低到680℃，同时通入携磷源氮气、干氧及大氮，进行降温扩散，携磷源氮气的流量为0.8L/min，干氧的流量为0.8L/min，大氮的流量为10L/min，且在降温的同时进行退火吸杂，降温速率为6℃/min，扩散时间为15min；
(8)待炉内温度温低至520℃，出舟完成扩散过程。
其中，上述的磷源采用三氯氧磷，其源温恒定在4℃。
实施例2
一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，按照以下步骤进行：
(1)将待处理的多晶硅片置于扩散炉中，先以15℃/min的升温速率升温至400℃，保持20min，再以20℃/min的升温速率升温至760℃，并通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，其中，所述携磷源氮气的流量为1.2L/min，干氧的流量为1.2L/min，大氮的流量为12L/min，扩散时间为14min，控制炉内压力为100MPa；
(2)停止通入携磷源氮气，以6℃/min的升温速率升温至900℃，同时通入干氧和大氮进行推进，干氧的流量为1.5L/min，大氮的流量为15L/min，扩散时间为40min，控制炉内压力为120MPa；
(3)保持步骤(2)中的温度、压力和大氮流量不变，同时通入携磷源氮气及干氧，进行低温扩散，干氧的流量为2.0L/min；携磷源氮气的流量为1.0L/min，扩散时间为20min，控制炉内压力为100MPa；
(4)待炉内温度稳定在800℃时，停止通入携磷源氮气，恒温推进15min，干氧的流量为1.0L/min，大氮的流量为10L/min，控制炉内压力为100MPa；
(5)保持步骤(4)中的压力不变，将炉内温度以6℃/min的升温速率升高至870℃，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，携磷源氮气的流量为1.4L/min，干氧的流量为0.6L/min，扩散时间为25min；
(6)保持步骤(5)中的扩散炉温度、压力和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散，扩散时间30min；
(7)控制炉内压力在70MPa，将扩散炉内温度降低到700℃，同时通入携磷源氮气、干氧及大氮，进行降温扩散，携磷源氮气的流量为1.2L/min，干氧的流量为1.2L/min，大氮的流量为13L/min，且在降温的同时进行退火吸杂，降温速率为8℃/min，扩散时间为20min；
(8)待炉内温度温低至530℃，出舟完成扩散过程。
其中，上述的磷源采用三氯氧磷，其源温恒定在6℃。
实施例3
一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，按照以下步骤进行：
(1)将待处理的单晶硅片置于扩散炉中，先以20℃/min的升温速率升温至420℃，保持25min，再以25℃/min的升温速率升温至780℃，并通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，其中，所述携磷源氮气的流量为1.6L/min，干氧的流量为1.6L/min，大氮的流量为14L/min，扩散时间为16min，控制炉内压力为120MPa；
(2)停止通入携磷源氮气，以8℃/min的升温速率升温至920℃，同时通入干氧和大氮进行推进，干氧的流量为2.0L/min，大氮的流量为15L/min，扩散时间为45min，控制炉内压力为150MPa；
(3)保持步骤(2)中的温度、压力和大氮流量不变，同时通入携磷源氮气及干氧，进行低温扩散，干氧的流量为2.5L/min；携磷源氮气的流量为1.2L/min，扩散时间为25min，控制炉内压力为120MPa；
(4)待炉内温度稳定在820℃时，停止通入携磷源氮气，恒温推进20min，干氧的流量为1.5L/min，大氮的流量为12L/min，控制炉内压力为120MPa；
(5)保持步骤(4)中的压力不变，将炉内温度以8℃/min的升温速率升高至880℃，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，携磷源氮气的流量为1.6L/min，干氧的流量为0.8L/min，扩散时间为30min；
(6)保持步骤(5)中的扩散炉温度、压力和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散，扩散时间35min；
(7)控制炉内压力在80MPa，将扩散炉内温度降低到720℃，同时通入携磷源氮气、干氧及大氮，进行降温扩散，携磷源氮气的流量为1.6L/min，干氧的流量为1.6L/min，大氮的流量为15L/min，且在降温的同时进行退火吸杂，降温速率为10℃/min，扩散时间为25min；
(8)待炉内温度温低至540℃，出舟完成扩散过程。
其中，上述的磷源采用三氯氧磷，其源温恒定在8℃。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待处理的晶体硅片置于扩散炉中，先以10-20℃/min的升温速率升温至380-420℃，保持15-25min，再以15-25℃/min的升温速率升温至740-780℃，并通入携磷源氮气、干氧和大氮进行恒定源扩散，扩散时间为12-16min，控制炉内压力为80-120MPa；
(2)停止通入携磷源氮气，以4-8℃/min的升温速率升温至880-920℃，同时通入干氧和大氮进行推进，控制炉内压力为100-150MPa；
(3)保持步骤(2)中的温度、压力和大氮流量不变，同时通入携磷源氮气及干氧，进行低温扩散，扩散时间为15-25min，控制炉内压力为80-120MPa；
(4)待炉内温度稳定在780-820℃时，停止通入携磷源氮气，恒温推进10-20min，控制炉内压力为80-120MPa；
(5)保持步骤(4)中的压力不变，将炉内温度以4-8℃/min的升温速率升高至860-880℃，同时通入携磷源氮气和干氧进行恒定源扩散，扩散时间为20-30min；
(6)保持步骤(5)中的扩散炉温度、压力和干氧流量不变，停止通入携磷源氮气，进行有氧限定源扩散，扩散时间25-35min；
(7)控制炉内压力在60-80MPa，将扩散炉内温度降低到680-720℃，同时通入携磷源氮气、干氧及大氮，进行降温扩散，在降温的同时进行退火吸杂，且降温速率为6-10℃/min，扩散时间为15-25min；
(8)待炉内温度温低至520-540℃，出舟完成扩散过程。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述携磷源氮气的流量为0.8-1.6L/min，干氧的流量为0.8-1.6L/min，大氮的流量为10-14L/min。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述干氧的流量为1.0-2.0L/min，大氮的流量为10-15L/min，扩散时间为35-45min。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述干氧的流量为1.5-2.5L/min；所述携磷源氮气的流量为0.8-1.2L/min。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述干氧的流量为0.5-1.5L/min，大氮的流量为8-12L/min。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述携磷源氮气的流量为1.2-1.6L/min，干氧的流量为0.5-0.8L/min。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，在步骤(7)中，所述携磷源氮气的流量为0.8-1.6L/min，干氧的流量为0.8-1.6L/min，大氮的流量为10-15L/min。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种太阳能电池晶体硅片磷扩散方法，其特征在于，所述磷源为三氯氧磷，源温恒定在4-8℃。
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