CN108110088B - 太阳能电池的低压扩散工艺及利用其制备得到的太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能电池的低压扩散工艺及利用其制备得到的太阳能电池，涉及太阳能电池技术领域，该太阳能电池的低压扩散工艺，扩散过程完成后采用氧气进行回压然后再进行氧化处理。利用该低压扩散工艺能够缓解现有技术的低压扩散工艺造成的氧化层形成速度慢、厚度薄以及由此导致的太阳能电池效率低的技术问题，达到了提高电池片转换效率的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种太阳能电池的低压扩散工艺及利用其制备得到的太阳能电池。
背景技术
随着人类对气候问题的关注，可再生能源迅速发展。其中光伏作为重要的可再生能源，近十年得到跨越式的发展，是目前发达国家积极开发的新能源，具有无尽的发展潜力。
生产太阳能电池的核心步骤是制备PN结，而目前工业规模化生产太阳电池仍然是用热扩散法来制结的。热扩散制PN结法是采用加热方法使V族杂质掺入P型硅或Ⅲ族杂质掺入N型硅中。杂质元素在高温时由于热扩散运动进入基体，它在基体中的分布视杂质元素种类、初始浓度及扩散温度而异，这种分布方式对电池的电性能影响很大。目前硅太阳电池中最常用的V族杂质元素为磷，III族杂质元素为硼。
扩散工艺一般分为常压扩散工艺和低压扩散工艺，对于低压扩散工艺，目前通用的方法是在扩散过程完成后用氮气进行回压，然后压力回复为正常大气压后再通入氧气进行氧化以在硅片表面形成氧化层。此过程中由于通入氮气会带走扩散装置内的一部分热量，使扩散装置内的温度降低，之后再通入氧气进行氧化。温度降低会降低氧化层的形成速度，影响氧化层的形成厚度，进而降低太阳能电池的电性能。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种太阳能电池的低压扩散工艺，以缓解现有技术的低压扩散工艺造成的氧化层形成速度慢、厚度薄以及由此导致的太阳能电池效率低的技术问题。
本发明的第二目的在于提供太阳能电池，该太阳能电池利用上述太阳能电池的低压扩散工艺制备得到，具有转换效率高的优点。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种太阳能电池的低压扩散工艺，扩散过程完成后采用氧气进行回压然后再进行氧化处理，前述采用氧气进行回压是指在扩散完成后，通入氧气使得扩散装置内回压至500～700mbar或正常大气压。
进一步的，扩散过程中的压力为150～200mbar；
优选地，回压过程中氧气的通入量为12000～15000sccm/min。
进一步的，所述氧化处理过程采用阶梯分段氧化的方法进行；
优选地，所述阶梯分段氧化的方法包括以阶梯降温方式逐步降低扩散装置温度，然后在每个温度平台区独立地保温80～300s，优选为100～250s；
优选地，所述氧化处理过程所处的温度范围为700～840℃。
进一步的，所述氧化过程包括真空去杂的步骤；
优选地，所述真空去杂的温度为790～810℃，压力为150～200mbar，时间为100～250s；
优选地，所述氧化过程包括以下步骤：扩散过程完成后先采用氧气回压至500～700mbar，并以阶梯分段氧化的方法降温至790～810℃，之后抽真空至150～200mbar进行真空去杂操作，然后用氧气回压至大气压，再以阶梯分段氧化的方法逐步降温至700～720℃。
进一步的，所述阶梯分段氧化中，阶梯氧化的梯段数为5～20个；
优选地，所述梯段以均匀的温度间隔方式设置。
进一步的，所述氧化处理过程中氧气的通入量为4000～8000sccm/min。
进一步的，所述扩散过程包括预沉积和推进扩散的步骤，所述预沉积完成后采用阶梯升温方式升温后再进行推进扩散。
进一步的，所述阶梯升温方式包括逐步升高扩散装置温度，然后在每个温度平台区独立地保温50～250s，优选为70～250s；
优选地，所述预沉积的温度范围为780～800℃；
优选地，所述推进扩散的温度范围为830～850℃。
进一步的，所述阶梯升温方式中，阶梯升温的梯段数为3～10个；
优选地，所述梯段以均匀的温度间隔方式设置。
一种利用上述太阳能电池的低压扩散工艺制备得到的太阳能电池。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的太阳能电池的低压扩散工艺，在扩散过程结束后采用氧气进行回压操作，回压过程前，由于扩散装置内处于真空状态，因此在回压时氧气可以迅速填充整个管体，并在硅片表面均匀分布高浓度氧气，使氧气与硅片的各个部分均匀接触，从而提高了氧化硅层厚度的均匀性。另外，用氧气进行回压，这样可以借助扩散过程结束后的高温使氧气直接与硅片进行反应在硅片表面形成氧化硅层，提高了氧化硅层的形成速度，并增加了氧化硅层的厚度。本发明中，正是由于利用氧气进行回压，借助于扩散过程完成后的温度和氧气浓度在迅速在硅片表面形成较厚的氧化硅层，该氧化硅层在扩散后的硅片表面形成，氧化硅层越厚则形成的PN结就会相对变浅，表面的P掺杂浓度也越低，因此减少了发射极的缺陷，同时提高了制备得到的太阳能电池的转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例2提供的低压扩散工艺中扩散装置内的温度变化曲线图；
图2为本发明对比例1提供的低压扩散工艺中扩散装置内的温度变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面提供了一种太阳能电池的低压扩散工艺，扩散过程完成后采用氧气进行回压然后再进行氧化处理。
本发明提供的太阳能电池的低压扩散工艺，在扩散过程结束后采用氧气进行回压操作，回压过程前，由于扩散装置内处于真空状态，因此在回压时氧气可以迅速填充整个管体，并在硅片表面均匀分布高浓度氧气，使氧气与硅片的各个部分均匀接触，从而提高了氧化硅层厚度的均匀性。另外，用氧气进行回压，这样可以借助扩散过程结束后的高温使氧气直接与硅片进行反应在硅片表面形成氧化硅层，提高了氧化硅层的形成速度，并增加了氧化硅层的厚度。本发明中，正是由于利用氧气进行回压，借助于扩散过程完成后的温度和氧气浓度迅速在硅片表面形成较厚的氧化硅层，该氧化硅层在扩散后的硅片表面形成，氧化硅层越厚则形成的PN结就会相对变浅，表面的P掺杂浓度也越低，因此减少了发射极的缺陷，同时提高了制备得到的太阳能电池的转换效率。
在本发明的一个实施方式中，扩散过程中的压力为150～200mbar；优选地，回压过程中氧气的通入量为12000～15000sccm/min。通过控制回压过程中的氧气通入量，可以使氧气更为均匀地分布于扩散装置内，并使氧气与硅片更均匀地接触以形成氧化硅层。
上述优选实施方式中，回压过程中氧气非限制性的通入量例如可以为：12000sccm/min、12500sccm/min、13000sccm/min、13500sccm/min、14000sccm/min、145000sccm/min或15000sccm/min。
常规扩散工艺对降温无过多要求，仅借助扩散装置自身特性降温，但是扩散装置加热管各温区因密封性及保温等因素降温速率不一致，通常扩散装置加热管管口和管尾降温较快，导致氧化层和扩散结构不一致。
在本发明的一个优选方式中，所述氧化处理过程采用阶梯分段氧化的方法进行。阶梯分段氧化包括逐步降温并保温的过程，整个过程分为多个降温阶段和多个保温阶段，每降一次温度就保温一定时间，然后再降温再保温，依次类推进行氧化。
氧化处理过程采用阶梯分段氧化的方法进行可以消除因扩散装置加热管管口和管尾密封性差导致的硅片表面氧化硅层厚度不均及PN结结深不一致的问题。通过采用阶梯分段氧化的方法可以提高PN结结构的一致性，提高电池效率集中度。
作为本发明进一步优选的实施方式，所述阶梯分段氧化的方法包括以阶梯降温方式逐步降低扩散装置温度，然后在每个温度平台区独立地保温80～300s，优选为100～250s。优选地，所述氧化处理过程所处的温度范围为700～840℃。通过优化阶梯分段氧化工艺，对氧化过程设定不同的温度梯度区间，在各个温度平台区分别进行保温氧化，达到“快等慢，慢赶快”的效果，使每个阶段各个区间的温度一致，最终更进一步提高氧化层厚度的均一性和PN结结构的均一性。其中，每个温度平台区独立地保温时间例如可以为80s、100s、150s、200s、250s或300s。
作为本发明优选的实施方式，所述氧化过程包括真空去杂的步骤；优选地，所述真空去杂的温度为790～810℃，压力为150～200mbar，时间为100～250s；优选地，所述氧化过程包括以下步骤：扩散过程完成后先采用氧气回压至500～700mbar，并以阶梯分段氧化的方法降温至790～810℃，之后抽真空至150～200mbar进行真空去杂操作，然后用氧气回压至大气压，再以阶梯分段氧化的方法逐步降温至700～720℃。
通过真空去杂可以去除多余的磷源，对硅片起到吸杂的作用，保证后续氧化的高效性，保证在硅片表面形成很厚的氧化层，达到很好地钝化效果。在790～810℃范围内进行真空吸杂，此时杂质活性还比较高，逸散的杂质源比较多，此时进行吸杂处理效果更好，可以进一步提高钝化效果。
作为本发明优选的实施方式，所述阶梯分段氧化中，阶梯氧化的梯段数为5～20个；优选地，所述梯段以均匀的温度间隔方式设置。通过优化阶梯氧化的梯段数可以进一步提高扩散装置加热管内各区的温度一致性，进而提高太阳能电池的转换效率。其中，梯段数非限制的例如可以为：5个、7个、9个、10个、12个、14个、16个、18个或20个。
作为本发明优选的实施方式，所述氧化处理过程中氧气的通入量为4000～8000sccm/min。氧气的通入量非限制性的例如可以为：4000sccm/min、5000sccm/min、6000sccm/min、7000sccm/min或8000sccm/min。
作为本发明优选的实施方式，所述扩散过程包括预沉积和推进扩散的步骤，所述预沉积完成后采用阶梯升温方式升温后再进行推进扩散。采用阶梯升温方式升温可以消除因扩散装置热管管口和管尾密封性差导致的掺杂源扩散不一致导致PN结结深不一致的问题。通过采用阶梯升温方式可以提高PN结结构的一致性，提高电池效率集中度。
作为本发明优选的实施方式，所述阶梯升温方式包括逐步升高扩散装置温度，然后在每个温度平台区独立地保温50～250s，优选为70～250s；优选地，所述预沉积的温度范围为780～800℃；优选地，所述推进扩散的温度范围为830～850℃。其中，每个温度平台区独立地保温时间例如可以为100s、150s、200s或250s。
作为本发明优选的实施方式，所述阶梯升温方式中，阶梯升温的梯段数为3～10个。通过优化阶梯升温的梯段数可以进一步提高扩散装置加热管内各区的温度一致性，进而提高扩散结构的一致性，提高电池的效率。其中，阶梯升温中梯段数非限制的例如可以为：3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个。
在本发明的一个实施方式中，太阳能电池的低压扩散工艺包括以下步骤：
步骤a)将经制绒后的硅片至于扩散装置中，通入大氮保护，然后抽真空至扩散装置内真控度至220Pa以下，其中，大氮的流量为4000-8000sccm/min；
步骤b)通入大氮、带三氯氧磷的小氮和小氧进行预沉积，预沉积温度为780-800℃，预沉积时间为500-700s，其中，大氮流量为600-1000sccm/min，小氮流量为200-400sccm/min，小氧流量为200-400sccm/min；
步骤c)：通入大氮进行阶梯升温，其中，大氮流量为4000-8000sccm/min；
步骤d)：阶梯升温结束后继续通入大氮进行推进扩散，推进扩散温度为830-850℃，推进扩散时间为700-800s，其中，大氮流量为4000-8000sccm/min；
步骤e)：推进扩散结束后通入大氮、小氮和小氧进行二次扩散，二次扩散的时间400-500s，其中，大氮流量为600-1000sccm/min，小氮流量为200-400sccm/min，小氧流量为200-400sccm/min；
步骤f)二次扩散结束后通入氧气进行回压至扩散装置内压力为常压，其中氧气的通入量为12000～15000sccm/min；
步骤g)继续通入氧气进行阶梯分段氧化，逐步降低温度并进行氧化形成氧化层，其中，氧气的通入量为4000～8000sccm/min；
步骤h)温度降至700℃以下后停止通入氧气，通入氮气进行保护后结束扩散工艺。
在本发明的另一个实施方式中，太阳能电池的低压扩散工艺包括以下步骤：
步骤a)将经制绒后的硅片至于扩散装置中，通入大氮保护，然后抽真空至扩散装置内真控度至220Pa以下，其中，大氮的流量为4000-8000sccm/min；
步骤b)通入大氮、带三氯氧磷的小氮和小氧进行预沉积，预沉积温度为780-800℃，预沉积时间为500-700s，其中，大氮流量为600-1000sccm/min，小氮流量为200-400sccm/min，小氧流量为200-400sccm/min；
步骤c)：通入大氮进行阶梯升温，其中，大氮流量为4000-8000sccm/min；
步骤d)：阶梯升温结束后继续通入大氮进行推进扩散，推进扩散温度为830-850℃，推进扩散时间为700-800s，其中，大氮流量为4000-8000sccm/min；
步骤e)：推进扩散结束后通入大氮、小氮和小氧进行二次扩散，二次扩散的时间400-500s，其中，大氮流量为600-1000sccm/min，小氮流量为200-400sccm/min，小氧流量为200-400sccm/min；
步骤f)二次扩散结束后先采用氧气回压至500～700mbar，并以阶梯分段氧化的方法降温至790～810℃，之后抽真空至150～200mbar进行真空去杂操作，然后用氧气回压至大气压，再以阶梯分段氧化的方法逐步降温至700～720℃完成氧化层的制备；其中回压氧气的通入量为4000～8000sccm/min；
步骤g)步骤f)完成后停止通入氧气，通入氮气进行保护后结束扩散工艺。
本发明的另一个方面提供了一种利用上述太阳能电池的低压扩散工艺制备得到的太阳能电池。
下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例是一种太阳能电池的低压扩散工艺，其具体工艺过程如表1所示。其中，本实施例中的扩散工艺过程中，扩散炉内的温度变化曲线如图1所示。
表1实施例1中扩散工艺参数表
实施例2
本实施例是一种太阳能电池的低压扩散工艺，其具体工艺过程如表2所示。
表2实施例2中扩散工艺参数表
实施例3
本实施例是一种太阳能电池的低压扩散工艺，其具体工艺过程如表3所示。
表3实施例3中扩散工艺参数表
对比例1
本对比例是一种太阳能电池的低压扩散工艺，其具体工艺过程如表4所示。其中，本对比例中的扩散工艺过程中，扩散炉内的温度变化曲线如图2所示。
表4对比例1中扩散工艺参数表
对比例2
本对比例是一种太阳能电池的低压扩散工艺，其具体工艺过程如表5所示。
表5对比例2中扩散工艺参数表
分别利用实施例1和2以及对比例1和2提供的低压扩散工艺各制备10000片太阳能电池片，其中，除扩散工艺不同外，其他工艺过程：制绒、刻蚀、镀膜、丝印和烧结等均相同，之后对得到的太阳能电池片进行性能测试取均值，结果列于表5。
表5各实施例和对比例的太阳能电池性能测试对比
从表5中的数据可以看出，用实施例1-3提供的低压扩散工艺制备得到的太阳能电池的各项性能指标均高于对比例，转换效率由原来的19.10％和19.11％提升到19.18％、19.20％、19.22％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (16)
1.一种太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，扩散过程完成后采用氧气进行回压然后再进行氧化处理，前述采用氧气进行回压是指在扩散完成后，通入氧气使得扩散装置内回压至500～700mbar或正常大气压，其中，扩散过程中的压力为150～200mbar，回压过程中氧气的通入量为12000～15000sccm/min。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述氧化处理过程采用阶梯分段氧化的方法进行；
所述阶梯分段氧化的方法包括以阶梯降温方式逐步降低扩散装置温度，然后在每个温度平台区独立地保温80～300s。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述氧化处理过程所处的温度范围为700～840℃。
4.根据权利要求2所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述阶梯分段氧化的方法中，每个温度平台区独立地保温时间为100～250s。
5.根据权利要求2所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，回压后的所述氧化处理过程包括真空去杂的步骤。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述真空去杂的温度为790～810℃，压力为150～200mbar，时间为100～250s。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，在回压后以阶梯分段氧化的方法使扩散装置内降温至790～810℃，之后抽真空至150～200mbar进行真空去杂操作，然后用氧气回压至大气压，再以阶梯分段氧化的方法逐步降温至700～720℃。
8.根据权利要求2至7中任意一项所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述阶梯分段氧化中，阶梯氧化的梯段数为5～20个；
所述梯段以均匀的温度间隔方式设置。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述氧化处理过程中氧气的通入量为4000～8000sccm/min。
10.根据权利要求1-7任一项所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述扩散过程包括预沉积和推进扩散的步骤，所述预沉积完成后采用阶梯升温方式升温后再进行推进扩散。
11.根据权利要求10所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述阶梯升温方式包括逐步升高扩散装置温度，然后在每个温度平台区独立地保温50～250s。
12.根据权利要求10所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述预沉积的温度范围为780～800℃。
13.根据权利要求10所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述推进扩散的温度范围为830～850℃。
14.根据权利要求11所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述阶梯升温方式中，在每个温度平台区独立地保温时间为70～250s。
15.根据权利要求10所述的太阳能电池的低压扩散工艺，其特征在于，所述阶梯升温方式中，阶梯升温的梯段数为3～10个；
所述梯段以均匀的温度间隔方式设置。
16.一种利用权利要求1-15任一项所述的太阳能电池的低压扩散工艺制备得到的太阳能电池。
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