CN107591461A - 一种制备太阳能电池的扩散工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备太阳能电池的扩散工艺，在不同压力状态下多次扩散，以制备多层PN结结构。通过控制压力的变化进行多次扩散，可以控制掺杂元素的掺杂浓度，制备多层PN结结构，该扩散工艺既可以增加PN结内建电场强度，提高开路电压，多层PN结结构的表层N++区或P++区还可以和正银栅线间形成很好的欧姆接触，从而提升电池转换效率。通过控制压力的方法制备多层PN结结构，可以避免扩散温度过高，从而避免掺杂元素的掺杂量过多、结深过深、硅片损坏等问题，提高太阳能电池的转换效率及质量。

Description

一种制备太阳能电池的扩散工艺

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种制备太阳能电池的扩散工艺。

背景技术

太阳能电池的制备过程中，硅片需要依次经过制绒、扩散、刻蚀、镀膜以及印刷等工序。扩散工艺即硅片以石英舟为载体放入扩散炉中，在一定温度下，向扩散炉内通入氮气和掺杂元素，以使硅片的表面扩散沉积PN结。根据硅片的类型不同，掺杂元素也不同。当硅片为P型硅片时，通入的掺杂元素为磷，磷源与P型硅片反应得到磷原子；当硅片为N型硅片时，通入的掺杂元素为硼，硼源与N型硅片反应得到硼原子。

在扩散过程中，可以通过控制PN结内掺杂元素浓度的变化，使硅片表面沉积成多层PN结结构，多层PN结结构形成较大的掺杂元素浓度差，有助于光生载流子的分离，提高PN结内建电压。

现有的扩散工艺中，一般通过控制温度梯度的方法制备多层PN结结构，在不同的温度条件下进行多次扩散，且扩散温度由低到高依次进行扩散。但这种扩散方法需要逐次提高扩散温度，由于扩散本身需要的温度较高，一般为780℃-800℃，进一步提高扩散温度后，容易造成扩散温度过高，从而导致掺杂元素的掺杂量过多和结深过深等问题，影响太阳能电池的转换效率；此外，过高的扩散温度也会对硅片造成损伤，影响扩散后硅片少子的寿命，不利于提高太阳能电池片的质量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备太阳能电池的扩散工艺，通过控制压力的变化进行多次扩散，制备多层PN结结构，避免扩散温度过高，提高太阳能电池的转换效率及质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种制备太阳能电池片的扩散工艺，在不同压力状态下多次扩散，以制备多层PN结结构。

其中，多次扩散过程中，扩散炉内的压力由常压起逐次降低。

其中，多次扩散过程中，通入的氮气和掺杂元素的流量均逐次减小，所述掺杂元素为磷或硼。

其中，扩散的次数为三次，且三次扩散过程中，扩散炉内的压力依次为900-1100mbar、400-600mbar、40-60mbar。

例如第一次扩散的压力可以选取为900mbar、910mbar、920mbar、930mbar、940mbar、950mbar、960mbar、970mbar、980mbar、990mbar、1000mbar、1010mbar、1020mbar、1030mbar、1040mbar、1050mbar、1060mbar、1070mbar、1080mbar、1090mbar、1100mbar；

第二次扩散的压力可以选取为400mbar、410mbar、420mbar、430mbar、440mbar、450mbar、460mbar、470mbar、480mbar、490mbar、500mbar、510mbar、520mbar、530mbar、540mbar、550mbar、560mbar、570mbar、580mbar、590mbar、600mbar；

第三次扩散的压力可以选取为40mbar、50mbar、60mbar等。

其中，三次扩散时，通入的氮气的流量依次为7000-9000sccm、1000-3000sccm、100-300sccm，通入的掺杂元素的流量依次为300-500sccm、100-300sccm、90-110sccm。

例如第一次扩散时通入的氮气的流量可以为7000sccm、7100sccm、7200sccm、7300sccm、7400sccm、7500sccm、7600sccm、7700sccm、7800sccm、7900sccm、8000sccm、8100sccm、8200sccm、8300sccm、8400sccm、8500sccm、8600sccm、8700sccm、8800sccm、8900sccm、9000sccm；

第二次扩散时通入的氮气的流量可以为1000sccm、1100sccm、1200sccm、1300sccm、1400sccm、1500sccm、1600sccm、1700sccm、1800sccm、1900sccm、2000sccm、2100sccm、2200sccm、2300sccm、2400sccm、2500sccm、2600sccm、2700sccm、2800sccm、2900sccm、3000sccm；

第三次扩散时通入的氮气的流量可以为100sccm、150sccm、200sccm、250sccm、300sccm。

第一次扩散时通入的掺杂元素的流量可以为300sccm、350sccm、400sccm、450sccm、500sccm；

第二次扩散时通入的掺杂元素的流量可以为100sccm、150sccm、200sccm、250sccm、300sccm；

第三次扩散时通入的掺杂元素的流量可以为90sccm、95sccm、100sccm、105sccm、110sccm。

其中，三次扩散时，通入的氧气的流量依次为300-500sccm、100-300sccm、90-110sccm。

例如第一次扩散时，通入氧气的流量可以为300sccm、350sccm、400sccm、450sccm、500sccm；

第二次扩散时通入的氧气的流量可以为100sccm、150sccm、200sccm、250sccm、300sccm；

第三次扩散时通入的氧气的流量可以为90sccm、95sccm、100sccm、105sccm、110sccm。

其中，每次扩散的时间为300-500s。例如，每次扩散的时间可以为300s、350s、400s、450s、500s。

其中，扩散前，将硅片放置于石英舟中，并将石英舟放入扩散炉内，升高扩散炉内的温度至扩散温度，通入氧气，以使硅片表面氧化。

其中，当通入的掺杂元素为磷时，所述扩散温度为780-800℃。例如，扩散温度可以选取为780℃、790℃、800℃；

当通入的掺杂元素为硼时，所述扩散温度为980-1000℃。例如，扩散温度可以选取为980℃、990℃、1000℃

其中，多次扩散完成后，硅片依次经过升温推结和降温退火工序。

有益效果：本发明提供了一种制备太阳能电池的扩散工艺，通过控制压力的变化进行多次扩散，可以控制掺杂元素掺杂的浓度，制备多层PN结结构。该扩散工艺既可以增加PN结内建电场强度，提高开路电压，多层PN结结构的表层N++区或P++区还可以和正银栅线间形成很好的欧姆接触，从而提升电池转换效率。通过控制压力的方法制备多层PN结结构，可以避免扩散温度过高，从而避免掺杂元素的掺杂量过多、结深过深、硅片损坏等问题，提高太阳能电池的转换效率及质量。

附图说明

图1是本发明提供的制备太阳能电池的扩散工艺的流程图；

图2是具备多层PN结结构的硅片(掺杂元素为磷)的结构示意图。

其中：

1、硅片；11、N区；12、N+区；13、N++区。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-图2所示，本发明提供了一种制备太阳能电池的扩散工艺，在不同压力状态下多次扩散，以制备多层PN结结构。通过控制压力的变化进行多次扩散，可以控制掺杂元素的掺杂的浓度，制备多层PN结结构，该扩散工艺既可以增加PN结内建电场强度，提高开路电压，多层PN结结构的表层N++区13或P++区还可以和正银栅线间形成很好的欧姆接触，从而提升电池转换效率。通过控制压力的方法制备多层PN结结构，可以避免扩散温度过高，从而避免掺杂元素的掺杂量过多、结深过深、硅片1损坏等问题，提高太阳能电池的转换效率及质量。

具体而言，本发明提供的扩散工艺包括升温、氧化、多次通源扩散、升温推结和降温退火等工序。硅片1的扩散在扩散炉内进行，一般以石英舟作为硅片1的载体，将硅片1插入石英舟后放入扩散炉内依次进行上述工序后，在将硅片1由石英舟中取出，完成扩散工艺。

扩散前，将硅片1放置于石英舟中，并将石英舟放入扩散炉内，升高扩散炉内的温度至扩散温度，通入氧气，以使硅片1表面形成一层氧化薄层，可以使通源扩散时，硅片表面的掺杂暗元素沉积的更加均匀。扩散温度一般为780-800℃，在升温氧化过程中，将扩散炉内的温度直接升到扩散温度，方便氧化完成后直接进入扩散工序，提高硅片1的加工效率。为更好的提高扩散效果，扩散温度可以设置为790℃。

升温氧化完成后进入扩散工序。目前，在扩散工艺中根据硅片的类型不同，掺杂元素可以为磷或硼。具体而言，当硅片为P型硅片时，扩散过程中通入氧气和三氯氧磷，以使硅片在反应过程中得到磷原子；当硅片为N型硅片时,扩散过程中通入氧气和三溴化硼，以使硅片在反应过程中得到硼原子。由于掺杂磷元素和掺杂硼元素的工艺过程及扩散原理相同，以下以掺杂元素为磷具体介绍。

多次扩散过程中，扩散炉内的压力由常压起逐次降低。不同的压力状态下，三氯氧磷分子的平均自由程相差很大，平均自由程是指在一定条件下，一个气体分子在连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值，微粒的平均自由程是指微粒与其他微粒碰撞所通过的平均距离。在常压状态下，三氯氧磷分子的平均自由程较小，扩散时在硅片1表面沉积的三氯氧磷分子较少，即形成的PN结的掺磷浓度较低；在低压状态下，三氯氧磷分子的平均自由程较大，扩散时在硅片1表面沉积的三氯氧磷分子较多，即形成的PN结的掺磷浓度高。通过设计扩散过程中的压力差，可以调整依次沉积在硅片1表面的PN层内的磷源浓度，从而使硅片1表面沉积的多层PN结由内到外磷源浓度逐层增大，磷源浓度逐层增大可以增加PN结内建电场的强度，从而为太阳能电池提供开路电压；且最外层的磷源浓度高可以与正银栅线间形成很好的欧姆接触，从而提升电池的转换效率。

多次扩散的压力逐次减低，三氯氧磷分子的平均自由程逐次增大，即扩散时发生的化学反应的几率逐次增大，使得通入的氮气和磷源的利用率逐次提高，因此，在多次扩散过程中，通入的氮气和磷源的流量均可以逐次减小，可以避免氮气和磷源资源的浪费，节约扩散工艺的成本。

扩散工序完成后，将扩散炉内的压力升高到常压状态后，硅片1在依次经过升温推结和降温退火工序后，完成硅片1的扩散工艺。升温推结使得硅片表面沉积的磷原子在高温作用下，向硅片内移动，使得磷原子深入硅片内部至适当的温度，从而形成PN结；硅片中含有氧，氧气有吸取杂质的作用，退火时可以将硅片表面附近的氧，从其表面挥发脱除，使表面附近的杂质数量减少，提高硅片的电阻率以及少子寿命。

本发明中的扩散次数可以为三次，且三次扩散过程中，扩散炉内的压力依次为900-1100mbar、400-600mbar、40-60mbar。为增加形成的多层PN结内建电场的强度，提高最外层PN结与正银栅线间的欧姆接触效果，扩散炉内的压力可以依次设置为1000mbar、500mbar、50mbar，每次扩散时的沉积时间均可以设置为400s，可以得到沉积厚度适当的PN结。

三次扩散将在硅片1的表面依次沉积形成N区11、N+区12和N++区13，其中，N区11是在常压(即1000mbar)进行通源扩散形成的，N区11内的磷源浓度最低；之后将扩散炉内的压力降低到500mbar，再次进行通源扩散，此压力状态下，沉积的磷源浓度较高，形成N+区12；最后，再次降低扩散炉内的压力至50mbar，进行高磷源浓度沉积，形成N++区13，由于每次扩散的时间设定在400s左右，N++区13的厚度将小于100mm，避免结深过深，高磷源浓度和适当的厚度，可以使N++区13与正银栅线形成良好的欧姆接触；N区11和N+区12的磷掺杂浓度相对较低，可以增加短波响应，并且N+区12和N区11之间存在的磷掺杂浓度差，有利于光生载流子的分离和收集。

在三次扩散过程中，综合考虑需要得到的各层PN结的厚度和磷掺杂浓度，通入的氮气的流量依次为7000-9000sccm、1000-3000sccm、100-300sccm，通入的磷源的流量依次为300-500sccm、100-300sccm、90-110sccm，通入的氧气的流量依次为300-500sccm、100-300sccm、90-110sccm。

实施例1

由表1所示，本实施例中为P型硅片，掺杂元素为磷，通过控制压力变化进行三次扩散，扩散温度选取为790℃，扩散过程中，扩散炉内的温度保持不变，三次扩散的压力分别选取为1000mbar、500mbar、50mbar，上述的压力变化可以使硅片1表面沉积的N区11和N+区内的磷源浓度相对较低，增加短波响应；第三次扩散时，压力大幅度降低，可以获得高磷源浓度的N++区，以便通过磷源浓度差增大PN结内建电场的强度，为太阳能电池提供开路电压。

表1

为避免硅片表面PN结结深过深，三次扩散时氮气和磷源的流量逐次降低，具体地，三次通入氮气的流量可以依次为8000sccm、2000sccm、200sccm，通入的磷源的流量可以依次为400sccm、200sccm、100sccm，通入的氧气的流量可以依次为400sccm、200sccm、100sccm，上述流量值可以在满足扩散沉积需求的基础上，避免资源浪费，得到设计需求的厚度和掺磷浓度的多层PN结结构。

实施例2

由表2所示，本实施例中通过控制压力变化进行三次扩散，扩散温度选取为780℃，扩散过程中，扩散炉内的温度保持不变，三次扩散的压力分别选取为900mbar、400mbar、40mbar，上述的压力变化可以使硅片1表面沉积的N区11和N+区内的磷源浓度相对较低，增加短波响应；第三次扩散时，压力大幅度降低，可以获得高磷源浓度的N++区，以便通过磷源浓度差增大PN结内建电场的强度，为太阳能电池提供开路电压。

为避免硅片表面PN结结深过深，三次扩散时氮气和磷源的流量逐次降低，具体地，三次通入氮气的流量可以依次为7000sccm、1000sccm、100sccm，通入的磷源的流量可以依次为300sccm、100sccm、90sccm，通入的氧气的流量可以依次为300sccm、100sccm、90sccm，上述流量值可以在满足扩散沉积需求的基础上，避免资源浪费，得到设计需求的厚度和掺磷浓度的多层PN结结构。

表2

实施例3

由表3所示，本实施例中通过控制压力变化进行三次扩散，扩散温度选取为800℃，扩散过程中，扩散炉内的温度保持不变，三次扩散的压力分别选取为1100mbar、600mbar、60mbar，上述的压力变化可以使硅片1表面沉积的N区11和N+区内的磷源浓度相对较低，增加短波响应；第三次扩散时，压力大幅度降低，可以获得高磷源浓度的N++区，以便通过磷源浓度差增大PN结内建电场的强度，为太阳能电池提供开路电压。

为避免硅片表面PN结结深过深，三次扩散时氮气和磷源的流量逐次降低，具体地，三次通入氮气的流量可以依次为9000sccm、3000sccm、300sccm，通入的磷源的流量可以依次为500sccm、300sccm、110sccm，通入的氧气的流量可以依次为500sccm、300sccm、110sccm，上述流量值可以在满足扩散沉积需求的基础上，避免资源浪费，得到设计需求的厚度和掺磷浓度的多层PN结结构。

表3

实施例4

表4

如表4所示，本实施例中为N型硅片，掺杂元素为硼，通过控制硼元素的扩散压力制备多层PN结的硅片。具体而言，本实施例中扩散温度选取为980℃，扩散过程中，扩散炉内的温度保持不变，三次扩散的压力分别选取为900mbar、400mbar、40mbar，上述的压力变化可以使硅片表面沉积的P区和P+区内的硼源浓度相对较低，增加短波响应；第三次扩散时，压力大幅度降低，可以获得高硼源浓度的P++区，以便通过硼源浓度差增大PN结内建电场的强度，为太阳能电池提供开路电压。

为避免硅片表面PN结结深过深，三次扩散时氮气和硼源的流量逐次降低，具体地，三次通入氮气的流量可以依次为7000sccm、1000sccm、100sccm，通入的硼源的流量可以依次为300sccm、100sccm、90sccm，通入的氧气的流量可以依次为300sccm、100sccm、90sccm，上述流量值可以在满足扩散沉积需求的基础上，避免资源浪费，得到设计需求的厚度和掺硼浓度的多层PN结结构。

实施例5

表5

由表5可知，本实施例中通过控制压力变化进行硼元素的三次扩散，扩散温度选取为990℃，扩散过程中，扩散炉内的温度保持不变，三次扩散的压力分别选取为1000mbar、500mbar、50mbar，上述的压力变化可以使硅片表面沉积的P区和P+区内的硼源浓度相对较低，增加短波响应；第三次扩散时，压力大幅度降低，可以获得高硼源浓度的P++区，以便通过硼源浓度差增大PN结内建电场的强度，为太阳能电池提供开路电压。

为避免硅片表面PN结结深过深，三次扩散时氮气和硼源的流量逐次降低，具体地，三次通入氮气的流量可以依次为8000sccm、2000sccm、200sccm，通入的硼源的流量可以依次为400sccm、200sccm、100sccm，通入的氧气的流量可以依次为400sccm、200sccm、100sccm，上述流量值可以在满足扩散沉积需求的基础上，避免资源浪费，得到设计需求的厚度和掺硼浓度的多层PN结结构。

实施例6

由表6可知，本实施例中通过控制压力变化进行硼元素的三次扩散，扩散温度选取为1000℃，扩散过程中，扩散炉内的温度保持不变，三次扩散的压力分别选取为1100mbar、600mbar、60mbar，上述的压力变化可以使硅片表面沉积的P区和P+区内的硼源浓度相对较低，增加短波响应；第三次扩散时，压力大幅度降低，可以获得高硼源浓度的P++区，以便通过硼源浓度差增大PN结内建电场的强度，为太阳能电池提供开路电压。

表6

为避免硅片表面PN结结深过深，三次扩散时氮气和硼源的流量逐次降低，具体地，三次通入氮气的流量可以依次为9000sccm、3000sccm、300sccm，通入的硼源的流量可以依次为500sccm、300sccm、110sccm，通入的氧气的流量可以依次为500sccm、300sccm、110sccm，上述流量值可以在满足扩散沉积需求的基础上，避免资源浪费，得到设计需求的厚度和掺硼浓度的多层PN结结构。

对比例1

表7为现有技术中掺杂元素为磷，且通过控制温度制备多层PN结结构的工艺参数，分别将表1、表2和表3与表7对比可以看出，本发明提供的扩散工艺中，扩散温度较低，避免扩散温度过高，从而避免磷掺杂量过多、结深过深、硅片1损坏等问题，提高太阳能电池的转换效率及质量。

表7

对比例2

表8为现有技术中掺杂元素为硼，且通过控制温度制备多层PN结结构的工艺参数，分别将表4、表5和表6与表8对比可以看出，本发明提供的扩散工艺中，扩散温度较低，避免扩散温度过高，从而避免硼掺杂量过多、结深过深、硅片损坏等问题，提高太阳能电池的转换效率及质量。

表8

本发明提供的扩散工艺在多次扩散过程中，通入的氮气、掺杂元素和氧气的流量均减小，可以避免资源浪费，降低扩散成本。通过控制压力的变化进行多次扩散，可以控制掺杂元素的掺杂浓度，制备多层PN结结构，该扩散工艺既可以增加PN结内建电场强度，提高开路电压，多层PN结结构的表层N++区或P++区还可以和正银栅线间形成很好的欧姆接触，从而提升电池转换效率。

表9为采用上述实施例进行扩散后制备的硅片与现有技术中的扩散工艺制备的硅片的主要参数的对比表。本发明中，将以磷为掺杂元素、以实施例1、实施例2和实施例3提供的扩散工艺参数进行扩散后得到的硅片，与以对比例1提供的扩散工艺参数进行扩散得到的硅片进行比较；将以硼为掺杂元素、以实施例4、实施例5和实施例6提供的扩散工艺参数进行扩散后得到的硅片，与以对比例2提供的扩散工艺参数进行扩散得到的硅片进行比较。

表9

由表9可知，相比现有扩散工艺制备的硅片，按本发明提供的扩散工艺制备的硅片的各项性能参数均得到相应的提高。开路电压即太阳能电池在开路状态下的端电压，短路电流即将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流，开路电压和短路电流的值越高，太阳能电池的性能越好；填充因子又称曲线因子，是指太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流乘机的比值，是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，填充因子的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋近于矩形，太阳能电池的光点转换效率越高。

综上，本发明提供的扩散工艺通过控制压力的变化进行多次扩散，可以控制掺杂元素的掺杂的浓度，制备多层PN结结构，该扩散工艺既可以增加PN结内建电场强度，提高开路电压和短路电流，多层PN结结构的表层N++区13或P++区还可以和正银栅线间形成很好的欧姆接触，从而提升电池的填充因子和转换效率。通过控制压力的方法制备多层PN结结构，可以避免扩散温度过高，从而避免掺杂元素的掺杂量过多、结深过深、硅片损坏等问题，提高太阳能电池的转换效率及质量。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种制备太阳能电池片的扩散工艺，其特征在于，在不同压力状态下多次扩散，以制备多层PN结结构。

2.如权利要求1所述的扩散工艺，其特征在于，多次扩散过程中，扩散炉内的压力由常压起逐次降低。

3.如权利要求2所述的扩散工艺，其特征在于，多次扩散过程中，通入的氮气和掺杂元素的流量均逐次减小。

4.如权利要求1-3任一项所述的扩散工艺，其特征在于，扩散的次数为三次，且三次扩散过程中，扩散炉内的压力依次为900-1100mbar、400-600mbar、40-60mbar。

5.如权利要求4所述的扩散工艺，其特征在于，三次扩散时，通入的氮气的流量依次为7000-9000sccm、1000-3000sccm、100-300sccm，通入的掺杂元素的流量依次为300-500sccm、100-300sccm、90-110sccm。

6.如权利要求5所述的扩散工艺，其特征在于，三次扩散时，通入的氧气的流量依次为300-500sccm、100-300sccm、90-110sccm。

7.如权利要求4所述的扩散工艺，其特征在于，每次扩散的时间为300-500s。

8.如权利要求1-3任一项所述的扩散工艺，其特征在于，扩散前，将硅片放置于石英舟中，并将石英舟放入扩散炉内，升高扩散炉内的温度至扩散温度，通入氧气，以使硅片表面氧化。

9.如权利要求8所述的扩散工艺，其特征在于，当通入的掺杂元素为磷时，所述扩散温度为780-800℃；当通入的掺杂元素为硼时，所述扩散温度为980-1000℃。

10.如权利要求1-3任一项所述的扩散工艺，其特征在于，多次扩散完成后，硅片依次经过升温推结和降温退火工序。