CN110148558A - 匹配hf/hno3体系选择性刻蚀的离子注入磷扩散方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种匹配HF/HNO3体系选择性刻蚀的离子注入磷扩散方法，该方法可制备高质量的磷扩散选择性发射极，以提升太阳能电池转换效率。该离子注入方法制备的磷扩散选择性发射极适用于N型高效电池生产，磷扩散结作为N型电池的背结，降低其非金属接触区域的表面磷浓度，降低该区域的俄歇复合，提升电池的开路电压，同时保证金属覆盖区域的表面磷浓度较高，降低金属‑硅片接触的欧姆电阻，提升电池的填充因子，最终提升太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型离子注入工艺，特别涉及一种匹配HF/HNO3体系选择性刻蚀的离子注入磷扩散方法，属于光伏发电技术领域。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭，清洁能源愈发受到人们的重视。光伏发电技术作为利用太阳能资源的主流技术，已经走向市场化和商业化。为更进一步推进光伏电池产品的利用和推广，需要逐步提升电池效率，降低度电成本。
现如今，制备选择性发射极的主流大规模量产技术主要包括：激光选择性掺杂和HF/HNO3体系选择性刻蚀。其中，激光选择性掺杂工艺需使用成本贵的激光设备，同时激光处理硅片区域热损伤大，发射极复合增大，该区域由于存在大量的晶格损伤和畸变，会改变单晶硅本身的能带，进一步影响银浆和该区域接触时的能带匹配，降低电池的填充因子。
HF/HNO3体系的选择性刻蚀，一般应用于N型高效电池背面。主要原因是其刻蚀量较大，如果应用在PERC电池正面绒面上，会对绒面造成损伤，直接影响PERC电池的短路电流。
现阶段光伏主流的磷扩散结制备方法为高温热扩散，其主要缺点主要有三点，一、受高温扩散炉管和气体热传导综合影响，在热扩撒过程中硅片中心温度较四周低，导致其扩散的方阻均匀性低。二、扩散过程中扩散源量不能精确控制，导致工艺稳定性较差。三、热扩散推结其动力来源于温度和不同深度的浓度梯度，导致其硅片表面磷掺杂浓度高，该区域俄歇复合高，电池开路电压低。
离子注入技术通过激发气体放电，产生等离子体，由加速引出电池引出等离子体中的阳离子，形成具有一定初速度的离子束流。通过对单位时间内离子束流密度的测试及硅片在传动皮带上的运动速度，即可精确控制掺杂离子在硅片内的注入剂量。通过控制控制等离子体的引出加速电压，可影响引出离子束流的能量，进而影响掺杂元素的注入深度。在保证引出的离子束流在整个硅片运动范围内均匀，即可保证制备扩散结的方阻均匀性。
发明内容
本发明提供一种匹配HF/HNO3体系选择性刻蚀的离子注入磷扩散方法，该方法可制备高质量的磷扩散选择性发射极，以提升太阳能电池转换效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种匹配HF/HNO3体系选择性刻蚀的离子注入磷扩散方法，该方法包括以下步骤：
①制绒，硼扩，刻蚀后的N型硅片刻蚀面第一次离子注入磷，选择注入磷的剂量低，以形成200-250 ohm/sq高方阻轻扩区，注入同时选择高加速电压，磷的注入剂量是 4～7×1014 cm-2，加速电压为10～14kV（束流能量高，注入深度深）；
②第二次磷离子注入：本次注入磷剂量高，加速电压低，目的是在硅片近表面形成高浓度的磷扩散层；磷的注入剂量是6～8×1015 cm-2；加速电压为4～7kV；
③印蜡：采用印刷方式在硅片注入面印蜡，其印蜡网版图形与后续金属化栅线图形一致；
④HF/HNO3选择性刻蚀：HF/HNO3刻蚀硅片注入面，被蜡覆盖区域不被刻蚀，未被蜡覆盖区域的第二次磷离子注入的近表面高浓度磷扩散层被去掉；
⑤清洗去蜡；
⑥退火激活：在高温退火炉管中激活离子注入硅片中的磷原子，被蜡覆盖区域形成方阻为20～30 ohm/sq的重扩结，未被蜡覆盖区域形成方阻为200～250ohm/sq的轻扩结，得到完整的离子注入磷扩散选择性发射极。
本发明通过对离子注入工艺的合理设计，采用HF/HNO3体系选择性刻蚀技术实现，制备轻扩区方阻均匀性良好，表面磷掺杂浓度低，俄歇复合低。重扩区方阻低，后续金属化覆盖与硅片表面接触电阻低的高效N型电池。
第一步是在N型硅片（N型）背面第一次离子注入磷，选择注入磷的剂量低，主要目的是形成方阻高的轻扩区。注入同时选择高加速电压，束流能量高，注入深度深。
退火激活步骤中被刻蚀区域形成的磷扩散结表面掺杂浓度低，有效磷掺杂浓度分布随深度变化较为平缓，扩散区方阻为200～250ohm/sq，为轻扩区。未被刻蚀区域磷扩散表面浓度高，有效磷掺杂浓度分布随深度加深而明显增大，扩散区方阻为20～30ohm/sq，为重扩区。轻扩区和重扩区方阻差值大，形成完整的选择性磷扩散发射极。
作为优选，步骤⑤清洗去蜡的方法是使用KOH溶液清洗注入面印刷的蜡。
作为优选，步骤⑥退火激活的方法是：采用850±20℃，50±5min的退火工艺，全程在10L/min N2和1L/minO2氛围内退火。
该离子注入方法制备的磷扩散选择性发射极适用于N型高效电池生产，磷扩散结作为N型电池的背结，降低其非金属接触区域的表面磷浓度，降低该区域的俄歇复合，提升电池的开路电压，同时保证金属覆盖区域的表面磷浓度较高，降低金属-硅片接触的欧姆电阻，提升电池的填充因子，最终提升太阳能电池的转换效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、形成的轻扩区方阻均匀性好；
二、轻扩区表面有效掺杂浓度低，俄歇复合低，开路电压高；
三、轻扩区其掺杂浓度随深度变化较为平缓，在PN结的空间电荷区附近，有效磷掺杂浓度较高，形成的空间电荷区两侧电势差较高，有利于PN结有效分光，形成高的开路电压；
四、重扩区方阻低，金属与硅片表面接触电阻低，电池填充因子高。
五、新方法制备的磷扩散结，在选择性刻蚀的过程中，可在刻蚀减重较小的条件下保证刻蚀区复合明显降低，其刻蚀区和非刻蚀区形成的台阶较小，易被后续沉积的氮化硅钝化层覆盖良好，形成较好的钝化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明离子注入磷扩散方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1：
一种匹配HF/HNO3体系选择性刻蚀的离子注入磷扩散方法,该方法的工艺流程图如图1所示，具体步骤是：
1、离子注入-1：制绒，硼扩，刻蚀后的N型硅片刻蚀面进行第一次离子注入，首先选择磷注入剂量为6×1014 cm-2，加速电压为12kV，形成第一次磷原子注入层。
主要目的：注入低剂量的磷元素，在随后的退火工艺中形成表面掺杂磷浓度低但结深深的轻扩结。同时，在PN结形成的空间电荷区附近，其磷掺杂浓度较高，增强PN结的分光效率。
2、离子注入-2：采用磷注入剂量为7×1015 cm-2，加速电压为7kV，进行第二次磷原子注入。
主要目的：在硅片浅表面注入高剂量的磷原子，在随后的退火工序中形成结深较浅但表面磷掺杂浓度较高的磷扩结，为后续金属化形成良好的金属-半导体欧姆接触做准备。
3、印蜡：采用印刷方式在硅片注入面印蜡，其印蜡网版图形与后续金属化栅线图形完全一致。
4、HF/HNO3选择性刻蚀：HF/HNO3刻蚀硅片注入面，被蜡覆盖区域不被刻蚀，未被蜡覆盖区域被刻蚀。刻蚀前后测试硅片减重为0.11g。
5、清洗：使用0.1%质量浓度的KOH溶液清洗注入面印刷的蜡。
6、退火：在高温退火炉管中激活离子注入硅片中的磷原子。采用850℃，50min退火工艺，全程在10L/min N2和1L/minO2氛围内退火，被蜡覆盖区域形成方阻为20-30ohm/sq的重扩结，未被蜡覆盖区域形成方阻为200-250ohm/sq的轻扩结。
对比例 采用磷热扩散方法制选择性发射极（BaseLine组）
1、热扩散：制绒，硼扩，刻蚀后的N型硅片刻蚀面进行磷掺杂热扩散；形成方阻50-70ohm/sq的磷扩散层。
2、印蜡：采用印刷方式在硅片注入面印蜡，其印蜡网版图形与后续金属化栅线图形完全一致。
3、HF/HNO3选择性刻蚀：HF/HNO3刻蚀硅片扩散面，被蜡覆盖区域不被刻蚀，未被蜡覆盖区域被刻蚀。刻蚀前后测试硅片减重为0.19g。
4、清洗：使用0.1%质量浓度的KOH溶液清洗注入面印刷的蜡。形成完整的磷扩散SE结构，被蜡覆盖区域形成方阻为50-70ohm/sq的重扩结，未被蜡覆盖区域形成方阻为250-300ohm/sq的轻扩结。
通过以上工艺步骤，得到完整的离子注入磷扩散选择性发射极，经过钝化，丝网印刷，烧结工序制备成太阳能电池，其电池性能测试如表1所示，其中Baseline为采用磷热扩散，HF/HNO3选择性刻蚀形成磷扩散选择性发射极，经过钝化，丝网印刷，烧结工序制备成太阳能电池的性能参数。
表1
| 组 | Voc | Isc | FF | Eta |
| BaseLine | 671mV | 40.10mA/cm<sup>2</sup> | 80.68% | 21.71% |
| 实施例1 | 677mV | 40.13mA/cm<sup>2</sup> | 81.02% | 22.01% |
由表1可知，采用离子注入工艺，电池开路电压（Voc）有7mV的提升，同时填充因子（FF）也有0.34%的提升，电池转换效率（Eta）有0.3%的显著提升。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (3)
1.一种匹配HF/HNO3体系选择性刻蚀的离子注入磷扩散方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
①制绒，硼扩，刻蚀后的N型硅片刻蚀面第一次离子注入磷，选择注入磷的剂量低，以形成200-250 ohm/sq高方阻轻扩区，注入同时选择高加速电压，磷的注入剂量是 4～7×1014 cm-2，加速电压为10～14kV；
②第二次磷离子注入：本次注入磷剂量高，加速电压低；磷的注入剂量是6～8×1015 cm-2；加速电压为4～7kV；
③印蜡：采用印刷方式在硅片注入面印蜡，其印蜡网版图形与后续金属化栅线图形一致；
④HF/HNO3选择性刻蚀：HF/HNO3刻蚀硅片注入面，被蜡覆盖区域不被刻蚀，未被蜡覆盖区域的第二次磷离子注入的近表面高浓度磷扩散层被去掉；
⑤清洗去蜡；
⑥退火激活：在高温退火炉管中激活离子注入硅片中的磷原子，被蜡覆盖区域形成方阻为20～30 ohm/sq的重扩结，未被蜡覆盖区域形成方阻为200～250ohm/sq的轻扩结，得到完整的离子注入磷扩散选择性发射极。
2.根据权利要求1所述的离子注入磷扩散方法，其特征在于：步骤⑤清洗去蜡的方法是使用KOH溶液清洗注入面印刷的蜡。
3.根据权利要求1所述的离子注入磷扩散方法，其特征在于：步骤⑥退火激活的方法是：采用850±20℃，50±5min的退火工艺，全程在10L/min N2和1L/minO2氛围内退火。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 314416 89 Yuanhong Road, Yuanhua Town, Haining City, Jiaxing, Zhejiang Applicant after: Jingke energy (Haining) Co.,Ltd. Applicant after: JINKO SOLAR HOLDING Co.,Ltd. Address before: 314416 89 Yuanhong Road, Yuanhua Town, Haining City, Jiaxing, Zhejiang Applicant before: JINGKE ENERGY TECHNOLOGY (HAINING) Co.,Ltd. Applicant before: JINKO SOLAR HOLDING Co.,Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190820 |