CN109449246B - 一种硅晶体片磷扩散方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅晶体片磷扩散方法，其包括升温氧化、一次沉积、二次沉积、有氧推进、无氧推进、三次沉积、降温以及激光重掺杂；本发明中的工艺有效提升了硅晶体片的方块电阻，降低了表面掺杂浓度，提高了短路电流，开路电压增大；优化了电池性能。本发明中的硅晶体片，其方块电阻可达到105‑125Ω/sq，结深为0.3‑0.6μm；采用本发明中硅晶体片制成的太阳能电池，其光电转化效率提升了0.1‑0.15％。

Description

一种硅晶体片磷扩散方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备领域，尤其涉及一种硅晶体片磷扩散方法。
背景技术
硅太阳能电池性能稳定、生产工艺成熟、成本合理，在光伏产业长期占有主体地位。目前，常规的晶体硅太阳电池的生产工艺是从晶体硅片出发，进行制绒，扩散，刻蚀清洗，镀膜，丝印烧结。晶体硅片的扩散(通常是管式磷扩散制结)步骤是制备太阳电池的一个关键步骤，它决定了硅片的表面掺杂浓度、结深和有效掺杂量，从而对电池的电性能产生重要影响。其中，表面掺杂浓度的大小直接会影响硅与金属电极间的接触，从而影响填充因子；有效体掺杂量越大，电池的开路电压越大。
常规的磷扩散方法主要包括如下步骤：高温磷扩散，恒温推进；该方法形成的磷杂质分布的特征为：在一定的横向电阻范围内，表面掺杂浓度与体掺杂量反相关。由此产生的直接后果是对填充因子和开路电压的优化会相互制约；即降低表面掺杂浓度，能够提升开路电压，但会造成银浆与硅片之间接触减弱，使得填充因子降低；提升表面掺杂浓度时候则会使得填充因子提升而开路电压降低。开路电压与填充因子的相互制约使得调整掺杂量改善电池片整体电性能的研究遇到瓶颈。
一种改善的方法是采用选择性发射极，即在磷扩散工序后加一道正面激光工序，选择性的进行重掺杂；重掺杂提升了掺杂浓度；降低了银浆与硅片之间的欧姆接触，进而提高了填充因子；提升了太阳能电池的性能。同时这种工艺使得非电极区域可具有较低的掺杂浓度，从而达到提升开路电压的作用。因此在采用选择性发射极之后，如何进一步降低非电极区域的掺杂浓度，提升开路电压成为了研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种硅晶体片磷扩散方法，其能够大幅提升硅片方块电阻，降低表面扩散浓度，加大PN结深度。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种硅晶体片磷扩散方法，其包括：
(1)将待处理的硅晶体片放入扩散炉中，升温至760-790℃；
(2)保持步骤(1)中的温度恒定，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积；
(3)将扩散炉中温度升高至790-800℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；
(4)将扩散炉温度升高至810-850℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；
(5)保持步骤(4)中温度恒定，只通入氮气；进行无氧推进；
(6)降温至770-785℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品。
作为上述技术方案的改进，步骤(1)中，在升温过程中通入氧气，所述氧气的流量为0.5-0.8slm；所述升温后温度为770-785℃。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，所述大氮流量为400-500sccm，氧气流量为400-500sccm，扩散炉内压力为20-60mbar，磷源流量为350-450mg/min，沉积时间为4-10分钟。
作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，所述大氮流量为450-500sccm，氧气流量为450-500sccm，扩散炉内压力为20-60mbar，磷源流量为380-450mg/min，沉积时间为2-8分钟。
作为上述技术方案的改进，步骤(4)中，氮气流量为1.0-1.5slm，氧气流量为3.5-6.5slm，有氧推进时间为5-20分钟；步骤(5)中，氮气流量为1.0-1.5slm；无氧推进时间为2-8分钟。
作为上述技术方案的改进，步骤(6)中，所述温度为780℃，所述大氮流量为450-500sccm，氧气流量为450-500sccm，扩散炉内压力为20-60mbr，磷源流量为400-450mg/min，沉积时间为4-8分钟。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，所述温度为780℃，所述大氮流量为450-500sccm，氧气流量为450-500sccm，磷源流量为390-410mg/min，沉积时间为5-8分钟。
作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，所述磷源流量为390-410mg/min，温度为795℃，沉积时间为2-5分钟。
相应的，本发明还提供了一种硅晶体片，其采用上述的磷扩散方法制得。
作为上述技术方案的改进，所述硅晶体片的方块电阻为105-125Ω/sq；结深为0.3-0.6μm。
本发明采用一次沉积、二次沉积、有氧推进、无氧推进、降温三次沉积的磷扩散工艺，复合正面激光重掺杂的工艺，制备得到了高方块电阻深发射结的硅晶体片，实施本发明的有益效果如下：
1，本发明通过在不同温度下分别进行一次沉积、二次沉积；有氧推进、无氧推进和降温三次沉积的工艺。有效提升了硅晶体片的方块电阻，降低了表面掺杂浓度，不仅可以提高电池的短波效应，提高短路电流；而且可以使表面复合导致的暗饱和电流减小，使得开路电压增大，优化电池性能。本发明中的发射极区的方块电阻可达到105-125Ω/sq。
2，本发明通过磷扩散与激光重掺杂的工艺相复合，有效降低了栅线位置方块电阻，使得银浆与硅片的欧姆接触更好，大幅提升了填充因子；有效解决了传统太阳能电池中填充因子与开路电压无法同时调节的问题。
3，本发明通过多次沉积的磷扩散工艺，有效发挥了磷扩散层除杂的作用，有效降低了发射极区杂质浓度，提升了少子寿命；提升了电池转化效率。
4，本发明通过磷扩散与激光重掺杂的工艺，将光电转化效率提升了0.1％-0.15％。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种高吸水树脂超细粉体表面改性方法，其包括：
(1)将待处理的硅晶体片放入扩散炉中，升温至760-790℃；
其中，升温后温度为760-790℃，此温度能够保证后续磷源均匀地扩散在硅片上；优选的，升温后温度为770-785℃；此温度范围能够保证氧气与后续通入的磷源充分反应，防止磷源反应不充分而腐蚀硅片。
在升温过程中通入氧气，可有效地除去硅片表面存在的其他有机质；为后续磷扩散提供良好的条件。优选的，所述通入氧气的流量为0.5-0.8slm，优选为0.6-0.8slm；优选的，在升温过程中通入氮气，升温到一定程度后，如果只通入氧气，会导致硅片被氧化，因此通入氮气以防止硅片氧化。
(2)保持步骤(1)中的温度恒定，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积；
其中，第一次沉积温度为760-790℃；优选的为770-790℃；进一步优选的为770-780℃；进一步优选的为780℃。在此温度下，磷源可均匀扩散在硅片表面。
其中，磷源为POCl3，携带磷源气体为氮气；磷源的流量为350-450mg/min；优选为390-410mg/min，进一步优选为390-400mg/min。大氮流量为400-500sccm，优选为450-500sccm；进一步优选为480-500sccm。氧气流量为400-500sccm，优选为450-500sccm；进一步优选为480-500sccm。扩散炉内压力为20-60mbar，优选的为40-60mbar，进一步优选为50-60mbar，进一步优选为50mbar。第一次沉积时间为4-10分钟，优选为5-8分钟；进一步优选为6分钟。上述沉积条件能够确保磷源能够均匀扩散到硅片表面，得到均匀的p-n结，降低方块电阻的不均匀性。
(3)将扩散炉中温度升高至790-800℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；
其中，第二次沉积的温度为790-800℃；优选的为795-800℃，进一步优选为795℃。磷源为POCl3，携带磷源气体为氮气；磷源的流量为380-450mg/min；优选为390-410mg/min，进一步优选为390-400mg/min；第二次沉积时间为2-8分钟，优选为2-5分钟；进一步优选为4.5分钟。精确的控制沉积的温度与时间，并将沉积分为一次沉积与二次沉积，能够有效地保证磷源的精准扩散。同时，第二次沉积温度高于第一次沉积温度，就形成了不同的磷扩散层，这样就在成品硅片中引入了一个外加电场，从而提升了电池性能。
其中，大氮流量为400-500sccm，优选为450-500sccm；进一步优选为480-500sccm。氧气流量为400-500sccm，优选为450-500sccm；进一步优选为480-500sccm。扩散炉内压力为20-60mbar，优选的为40-60mbar，进一步优选为50-60mbar，进一步优选为50mbar。上述沉积条件能够确保磷源能够均匀扩散到硅片表面，得到均匀的p-n结，降低方块电阻的不均匀性。
(4)将扩散炉温度升高至810-850℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；
其中，扩散炉温度为810-850℃，优选为810-830℃；氮气流量为1.0-1.5slm，优选的为1.0-1.2slm；氧气流量为3.5-6.5slm，优选的为4-6slm；有氧推进时间为5-20分钟，优选的为10-15分钟，进一步优选的为10分钟。在扩散过程中，在最外层形成了电活化率低的富磷层，有氧推进即利用过量的氧气将这层富磷层有效地分解，形成二氧化硅层，降低死层厚度，提高磷掺杂的电活化率，从而起到既提高硅片开路电压和短路电流的作用，同时也保持了良好的欧姆接触。
(5)保持步骤(4)中温度恒定，只通入氮气；进行无氧推进；
保持步骤(4)中的温度恒定，关闭氧气，通入氮气，进行无氧推进。其中，扩散炉温度为810-850℃，优选为810-830℃；氮气流量为1.0-1.5slm，优选的为1.0-1.2slm；无氧推进时间为2-8分钟；优选为3-5分钟，进一步优选为5分钟。无氧推进可进一步减少表面死层，同时能将表面掺杂层向硅片体内推进，提升体内掺杂。
有氧推进与无氧推进相结合，可以有效地细化方块电阻的均匀性；激活不活泼性磷原子以减少表面死层；减少表面复合中心，提升了短路电流。
(6)降温至770-785℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；
其中，第三次沉积温度为770-785℃；优选的为775-785℃；进一步优选的为780℃。在此温度下，磷源可均匀扩散在硅片表面。本步骤为降温扩散，其主要作用是分凝吸杂，可提升方阻；同时也可进一步提升硅片的表面掺杂量，同样有利于提升方阻。
其中，磷源为POCl3，携带磷源气体为氮气；磷源的流量为400-450mg/min；优选为430-450mg/min；此步骤中，磷扩散源的量充足，有利于充分扩散。大氮流量为400-500sccm，优选为450-500sccm；进一步优选为480-500sccm。氧气流量为400-500sccm，优选为450-500sccm；进一步优选为480-500sccm。扩散炉内压力为20-60mbar，优选的为40-60mbar，进一步优选为50-60mbar，进一步优选为50mbar。第三次沉积时间为5-8分钟，优选为4-6分钟；进一步优选为5分钟。上述沉积条件能够确保磷源均匀地扩散到硅片表面，达到分凝吸杂，提升硅片表面掺杂量，提升方块电阻的效果，通过三次沉积、有氧、无氧推进相结合的工艺，可将方块电阻有效的提升至105-125Ω/sq。
通过一次沉积、二次沉积；有氧推进、无氧推进和降温三次沉积的工艺。有效提升了硅晶体片的方块电阻，可达到105-125Ω/sq，加深了PN结深度，其深度可达到0.3-0.6μm。这降低了表面掺杂浓度，不仅可以电池的短波效应，提高了短路电流；而且可以使表面复合导致的暗饱和电流减小，开路电压增大；优化电池性能。
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品。
由于磷扩散后方块电阻较大，若直接以此种状态进行电极印刷，则银浆电极与硅片的欧姆接触不良，填充因子较小。因此对扩散后的硅晶片进行重新掺杂，以降低电极位置的方块电阻；获得更好的银浆与硅片的欧姆接触。具体的，采用激光束扫描扩散后硅晶片表面，使得磷硅玻璃瞬间熔化，扩散进入硅片，增加电极覆盖区的杂质磷原子浓度，降低此区域的方块电阻。激光重掺杂采用现有技术即可。
下面结合具体的实施例对本发明的特征做进一步的描述。
实施例1
硅晶体片的磷扩散方法：
(1)将待处理的硅片放入扩散炉中，升温至760℃；升温过程中通入氧气，氧气流量为0.5slm；
(2)恒温760℃，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积；其中，磷源流量为390mg/min；大氮流量为450sccm；氧气流量为450sccm；扩散炉内压力为30mbar；沉积时间为5分钟；
(3)将扩散炉中温度升高至790℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；其中，磷源流量为390mg/min；大氮流量为450sccm；氧气流量为450sccm；扩散炉内压力为30mbar；沉积时间为3分钟；
(4)将扩散炉温度升高至810℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；其中，氮气流量为1slm，氧气流量为3.5slm，有氧推进时间为8分钟；
(5)保持810℃温度恒定，只通入氮气；进行无氧推进；其中氮气流量为1slm；无氧推进时间为3分钟；
(6)降温至770℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；其中，磷源流量为430mg/min；大氮流量为450sccm；氧气流量为450sccm；扩散炉内压力为30mbar；沉积时间为4分钟；
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品。
实施例2
硅晶体片的磷扩散方法：
(1)将待处理的硅片放入扩散炉中，升温至785℃；升温过程中通入氧气，氧气流量为0.8slm；
(2)恒温785℃，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积；其中，磷源流量为410mg/min；大氮流量为500sccm；氧气流量为500sccm；扩散炉内压力为60mbar；沉积时间为8分钟；
(3)将扩散炉中温度升高至800℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；其中，磷源流量为410mg/min；大氮流量为500sccm；氧气流量为500sccm；扩散炉内压力为60mbar；沉积时间为5分钟；
(4)将扩散炉温度升高至830℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；其中，氮气流量为1.5slm，氧气流量为6.5slm，有氧推进时间为15分钟；
(5)保持830℃温度恒定，只通入氮气；进行无氧推进；其中氮气流量为1.5slm；无氧推进时间为8分钟；
(6)降温至785℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；其中，磷源流量为450mg/min；大氮流量为500sccm；氧气流量为500sccm；扩散炉内压力为60mbar；沉积时间为6分钟；
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品。
实施例3
硅晶体片的磷扩散方法：
(1)将待处理的硅片放入扩散炉中，升温至780℃；升温过程中通入氧气，氧气流量为0.7slm；
(2)恒温780℃，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积；其中，磷源流量为405mg/min；大氮流量为490sccm；氧气流量为490sccm；扩散炉内压力为45mbar；沉积时间为7分钟；
(3)将扩散炉中温度升高至795℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；其中，磷源流量为400mg/min；大氮流量为460sccm；氧气流量为460sccm；扩散炉内压力为45mbar；沉积时间为3.5分钟；
(4)将扩散炉温度升高至830℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；其中，氮气流量为1.2slm，氧气流量为4.5slm，有氧推进时间为15分钟；
(5)保持830℃温度恒定，只通入氮气；进行无氧推进；其中氮气流量为1.2slm；无氧推进时间为6分钟；
(6)降温至780℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；其中，磷源流量为430mg/min；大氮流量为480sccm；氧气流量为460sccm；扩散炉内压力为50mbar；沉积时间为6分钟；
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品。
实施例4
硅晶体片的磷扩散方法：
(1)将待处理的硅片放入扩散炉中，升温至780℃；升温过程中通入氧气，氧气流量为0.7slm；
(2)恒温780℃，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积；其中，磷源流量为410mg/min；大氮流量为490sccm；氧气流量为480sccm；扩散炉内压力为50mbar；沉积时间为6分钟；
(3)将扩散炉中温度升高至795℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；其中，磷源流量为410mg/min；大氮流量为490sccm；氧气流量为480sccm；扩散炉内压力为50mbar；沉积时间为4.5分钟；
(4)将扩散炉温度升高至825℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；其中，氮气流量为1slm，氧气流量为5.5slm，有氧推进时间为10分钟；
(5)保持825℃温度恒定，只通入氮气；进行无氧推进；其中氮气流量为1slm；无氧推进时间为5分钟；
(6)降温至780℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；其中，磷源流量为440mg/min；大氮流量为490sccm；氧气流量为480sccm；扩散炉内压力为50mbar；沉积时间为5分钟；
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品。
实施例5
硅晶体片的磷扩散方法：
(1)将待处理的硅片放入扩散炉中，升温至780℃；升温过程中通入氧气，氧气流量为0.6slm；
(2)恒温780℃，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积；其中，磷源流量为400mg/min；大氮流量为480sccm；氧气流量为480sccm；扩散炉内压力为50mbar；沉积时间为6分钟；
(3)将扩散炉中温度升高至795℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；其中，磷源流量为400mg/min；大氮流量为480sccm；氧气流量为480sccm；扩散炉内压力为50mbar；沉积时间为4.5分钟；
(4)将扩散炉温度升高至830℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；其中，氮气流量为1.3slm，氧气流量为4.5slm，有氧推进时间为10分钟；
(5)保持830℃温度恒定，只通入氮气；进行无氧推进；其中氮气流量为1.3slm；无氧推进时间为5分钟；
(6)降温至780℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；其中，磷源流量为420mg/min；大氮流量为480sccm；氧气流量为480sccm；扩散炉内压力为50mbar；沉积时间为5分钟；
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品。
将实施例中得到的硅晶体片经清洗、镀膜、印刷后形成太阳能电池。采用HALM测试仪测试其短路电流，采用四探针测试仪测试其方块电阻。结果如下表。
由表中可以看出，实施例1-4的硅晶体片制成的太阳能电池，短路电流提升，扩散区方块电阻也有了提升，其光电转化效率提升了
短路电流(A) 扩散区方块电阻(Ω/sq) 光电转化效率(％)
常规硅片 8.8 85 19
实施例1 9.011 105 19.1
实施例2 9.015 118 19.11
实施例3 9.013 120 19.12
实施例4 9.02 125 19.15
实施例5 9.018 122 19.12
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅晶体片磷扩散方法，其特征在于，包括：
(1)将待处理的硅晶体片放入扩散炉中，升温至760-790℃；
(2)保持步骤(1)中的温度恒定，在扩散炉中通入携磷源氮气、氧气、大氮，进行第一次沉积，沉积时间为4-10分钟；
(3)将扩散炉中温度升高至790-800℃；通入携磷源氮气、氧气、大氮进行第二次沉积；其中，大氮流量为450-500sccm，氧气流量为450-500sccm，扩散炉内压力为20-60mbar，磷源流量为380-450mg/min，沉积时间为2-8分钟；
(4)将扩散炉温度升高至810-850℃，通入氮气与氧气，进行有氧推进；其中，氮气流量为1.0-1.5slm，氧气流量为3.5-6.5slm，有氧推进时间为5-20分钟；
(5)保持步骤(4)中温度恒定，只通入氮气，进行无氧推进；其中，氮气流量为1.0-1.5slm；无氧推进时间为2-8分钟；
(6)降温至770-785℃，通入携磷源氮气、大氮、氧气进行第三次沉积；
(7)将扩散炉降温后得到扩散后硅晶体片；
(8)使用激光将扩散后硅晶片进行重掺杂后得到硅晶体片成品；
其中，有氧推进和无氧推进过程中，扩散炉温度保持恒定。
2.如权利要求1所述的硅晶体片磷扩散方法，其特征在于，步骤(1)中，在升温过程中通入氧气，所述氧气的流量为0.5-0.8slm；所述升温后温度为770-785℃。
3.如权利要求2所述的硅晶体片磷扩散方法，其特征在于，步骤(2)中，所述大氮流量为400-500sccm，氧气流量为400-500sccm，扩散炉内压力为20-60mbar，磷源流量为350-450mg/min。
4.如权利要求2所述的硅晶体片磷扩散方法，其特征在于，步骤(6)中，所述温度为780℃，所述大氮流量为450-500sccm，氧气流量为450-500sccm，扩散炉内压力为20-60mbar，磷源流量为400-450mg/min，沉积时间为4-8分钟。
5.如权利要求3所述的硅晶体片磷扩散方法，其特征在于，步骤(2)中，所述温度为780℃，所述大氮流量为450-500sccm，氧气流量为450-500sccm，磷源流量为390-410mg/min，沉积时间为5-8分钟。
6.如权利要求1所述的硅晶体片磷扩散方法，其特征在于，步骤(3)中，所述磷源流量为390-410mg/min，温度为795℃，沉积时间为2-5分钟。
7.一种硅晶体片，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的硅晶体片磷扩散方法制得。
8.如权利要求7所述的硅晶体片，其特征在于，所述硅晶体片的方块电阻为105-125Ω/sq；结深为0.3-0.6μm。
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