CN116053333A - 一种太阳能电池发射极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶体硅太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池发射极制备方法，制备步骤包括：1）、采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在N型晶硅衬底的正面沉积硼掺杂非晶硅层；2）、采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在硼掺杂非晶硅层的表面沉积覆盖保护层；3）、对完成硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层沉积的N型晶硅衬底进行退火处理后，清洗去除N型晶硅衬底表面残留的硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层。本方案无绕扩问题、扩散过程温度低、时间短、扩散质量均匀可控，能耗成本大大降低，利于生产成本的控制，制备过程无氧气介入，彻底解决了硼氧复合体导致组件功率衰减的问题，进一步提升电池效率。
Description
技术领域
本发明属于晶体硅太阳能电池技术领域，具体涉及一种太阳能电池发射极制备方法。
背景技术
发射极：常规的晶体硅太阳电池制备过程通常包括硅片清洗、表面制绒、扩散制结、边缘刻蚀、沉积减反射层、印刷电极、共烧等步骤。其中，对表面制绒之后的硅片进行扩散制结，从而形成P-N结，该P-N结所靠近的表面通常被称为发射极，选择性发射极技术：是在电池的金属电极下方进行重掺杂，在非金属接触的发射极区域进行轻掺杂。
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能的系统，其中太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面PN 结。在太阳光照射到PN 结上时，PN 结吸收光能激发出电子和空穴，随后在PN 结中产生电压，实现光电的转换。因此，在晶硅电池中实现太阳光能和电能转换的核心结构即为 PN 结。对于N 型晶硅电池，硼扩散/掺杂作为形成PN 结的关键工艺，将直接影响电池转换效率，发射极掺杂浓度对太阳电池转换效率的影响是双重的，采用高浓度的掺杂，可以减小硅片和电极之间的接触电阻，降低电阻的串联电阻，但是高的掺杂浓度会导致载流子复合变大，寿命降低，影响电池的开路电压和短路电流。而采用低浓度的掺杂，可以降低表面复合，提高寿命，但是必然会导致接触电阻的增大，影响电池的串联。选择性发射极太阳电池的结构设计可以很好地解决这一矛盾，选择性发射极技术是在电池的金属电极下方进行重掺杂，在非金属接触的发射极区域进行轻掺杂，这一技术，不仅可以降低扩散层复合速率，提高电池的短波响应和开路电压，还可以降低电池的串联电阻，改善电池短路电流和填充因子，从而提高转换效率。
现有技术采用硼扩散工艺进行硼源的导入、氧化由此形成BSG，经高温扩散后完成硼发射极的制备。该技术路线扩散时长120min，温度1000℃左右，如此长时间、高温度的工艺过程，实现难度大、均匀性难控，不仅对硅基体造成损伤，影响太阳能电池的体寿命，还造成很高的能耗成本，不利于生产成本的控制。此外，绕扩问题无法根除，做选择性发射极后效果不佳等众多问题都成为限制电池效率进一步提升的工艺瓶颈。
现有技术通常采用硼化物BBr3、BCl3作为扩散源，利用氮气作为保护气体携带进入管式扩散炉中，在高温作用下与氧气反应生成氧化硼覆盖在硅片表面，氧化硼再与硅片反应形成硼硅玻璃，经过高温作用进一步扩散形成硼发射极。然而，扩散均匀性不佳以及设备维护成本高已成为该技术路线的共性问题。此外，扩散过程时硅片两两重叠后竖直固定在石英舟上进行反应。当硅片正面在硼扩散的同时其背面也生成硼发射极和硼硅玻璃的绕扩层。绕扩层往往需要复杂的工艺才能清洗去除，如有残留将引发电池漏电现象，进而影响电池效率。而对于选择性发射极的制备，则是在常规高温扩散前使用激光能量在电极线上预先推进，然后再进行高温扩散，但因BSG中含有大量氧，经1000℃的高温推进，导致发射极中氧含量过高，引起电池转换效率的下降。
因此，亟需开发一种新的太阳能电池发射极制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能电池发射极制备方法以及一种太阳能电池选择性发射极制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能电池发射极制备方法，包括如下步骤：
1）、采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在N型晶硅衬底的正面沉积一层硼掺杂非晶硅层；
2）、采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在硼掺杂非晶硅层的表面沉积一层覆盖保护层；
3）、对完成硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层沉积的N型晶硅衬底进行退火处理后，清洗去除N型晶硅衬底表面残留的硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层。
进一步，在步骤2）与步骤3）之间增加步骤2.5）可制备选择性发射极，即对覆盖保护层上对应N型晶硅衬底的电极线区域进行激光预先加热烧熔，以透过覆盖保护层、硼掺杂非晶硅层将部分硼进入N型晶硅衬底表面层。
进一步，所述步骤1）中，等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法均采用平板式镀膜，即经制绒处理后的N型晶硅衬底平铺放在载板上传输进入反应腔，通过从上往下或从下往上的镀膜路径在N型晶硅衬底的正面沉积一层硼掺杂非晶硅层。
进一步，采用等离子体增强化学气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层时，工作温度处于200-500℃并采用硅烷或含硅的气体作为前质气体，通过载气导入，掺杂时采用硼烷或含硼掺杂源。
进一步，采用磁控溅射物理气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层时，工作温度处于200-500℃并采用硅靶，以氩气作为工作气体，硼烷作为掺杂气体。
进一步，采用等离子体增强化学气相沉积法制备硼覆盖保护层时，采用硅烷、氨气和氢气作为工艺气体，且所述硼覆盖保护层的膜层厚度为5-10nm。
进一步，采用磁控溅射物理气相沉积法制备硼覆盖保护层时，采用掺硼的硅烷、氮气、氨气、氩气作为工艺气体，且所述硼覆盖保护层的膜层厚度为5-10nm。
进一步，在退火处理过程中，设置反应腔的炉温为850-950℃保持30min，以使硼掺杂非晶硅层内硼扩散进入N型晶硅衬底中。
进一步，退火处理后，对N型晶硅衬底表面的硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层进行氧化处理，即待反应腔的炉温降低到750-850℃时，在反应腔内通入水蒸汽以对N型晶硅衬底表面进行氧化。
进一步，通过HF或BOE对N型晶硅衬底表面进行清洗，以将被氧化的硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层从N型晶硅衬底表面去除。
本发明的有益效果是，本发明提供的制备方案，无绕扩问题、扩散过程温度低、时间短、扩散质量均匀可控，能耗成本大大降低，利于生产成本的控制，制备过程无氧气介入，彻底解决了硼氧复合体导致组件功率衰减的问题，可进一步提升电池效率。
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是本发明的太阳能电池发射极制备方法的流程图；
图2是本发明的完成硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层沉积的硅片的状态图；
图3是本发明的硼扩散的状态图；
图4是本发明的硅片氧化的状态图；
图5是本发明的硅片清洗结束的状态图；
图6是本发明的选择性发射极制备方法中硅片的电极线区域进行激光预先加热烧熔的状态图。
图中：
1、N型晶硅衬底；2、硼掺杂非晶硅层；3、覆盖保护层；4、氧化硼掺杂非晶硅层；5、氧化覆盖保护层；6、激光烧熔区域。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1
在本实施例中，如图1至图5所示，本实施例提供了一种太阳能电池发射极制备方法，其包括：采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在N型晶硅衬底1的正面沉积一层硼掺杂非晶硅层2；采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在硼掺杂非晶硅层2的表面沉积一层覆盖保护层3对完成硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3沉积的N型晶硅衬底1进行退火处理后，清洗去除N型晶硅衬底1表面残留的硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3。
在本实施例中，本实施例通过依次在N型晶硅衬底1的单面沉积硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3，在退火过程使得硼扩散，退火过程温度低、时间短、扩散质量均匀可控，能耗成本大大降低，利于生产成本的控制，同时在太阳能电池发射极制备过程中无氧气介入，彻底解决了硼氧复合体导致组件功率衰减的问题，可进一步提升电池效率。
由于传统制备晶硅电池硼发射极采用硅片两两重叠后竖直固定在石英舟上进行反应，即当硅片正面在硼扩散的同时其背面也生成硼发射极和硼硅玻璃的绕扩层，绕扩层往往需要复杂的工艺才能清洗去除，如有残留将引发电池漏电现象，进而影响电池效率，而本实施例中为了解决绕扩层的问题采用以下技术方案，通过从上往下或者从下往上的镀膜路径对N型晶硅衬底1单面进行薄膜沉积，即N型晶硅衬底1位于载板上或N型晶硅衬底1吊装在载板上进行加工。
在本实施例中，等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法均采用平板式镀膜，即经制绒处理后的N型晶硅衬底1平铺放在载板上传输进入反应腔，通过从上往下或从下往上的镀膜路径在N型晶硅衬底1的正面沉积一层硼掺杂非晶硅层2。
在本实施例中，化学气相沉积法采用平板式PECVD（等离子强化的化学气相沉积法），物理气相沉积法采用PVD（磁控溅射的物理气相沉积法）。
在本实施例中，在经过清洗制绒后的N型晶硅衬底1正表面沉积一层硼掺杂非晶硅层2完成硼源的导入。
在本实施例中，硼掺杂非晶硅层2的膜层厚度为10-35nm，优选为15nm、20nm、25nm、30nm，便于硼源导入，并通过从上往下或者从下往上的镀膜路径对N型晶硅衬底1单面进行薄膜沉积。
在本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层2时，以使工作温度处于200-500℃并采用硅烷或含硅的气体作为前质气体，通过相应载气导入，即在掺杂时采用硼烷或含硼掺杂源。
在本实施例中，采用磁控溅射物理气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层2时，以使工作温度处于200-500℃并采用硅靶，以氩气作为工作气体、硼烷作为掺杂气体。
在本实施例中，化学气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层2时，采用硅烷（SiH4）或含硅的气体作为前质气体，通过载气（如氢气H2）导入，掺杂时使用硼烷（B2H6）或含硼掺杂源，工艺温度：200-500℃；物理气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层2时，采用硅靶，并以氩气作为工作气体，硼烷作为掺杂气体，工艺温度：200-500℃。
在本实施例中，覆盖保护层3的膜层厚度为5-10nm，优选为7.5nm。
在本实施例中，覆盖保护层3采用氮化硅层、碳化硅，氧化硅、氮氧化硅。
在本实施例中，化学气相沉积法制备氮化硅层3时，采用硅烷、氨气和氢气作为工艺气体；物理气相沉积法制备氮化硅层3时，采用掺硼的硅烷、氮气、氨气、氩气作为工艺气体。
在本实施例中，所述对完成硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3沉积的N型晶硅衬底1进行退火处理，以使硼掺杂非晶硅层2内硼扩散进入N型晶硅衬底1中的方法包括：设置反应腔的炉温为850-950℃保持30min，以使硼掺杂非晶硅层2内硼扩散进入N型晶硅衬底1中。
在本实施例中，所述通入水蒸汽对N型晶硅衬底1表面进行氧化，以将硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3氧化的方法包括：待反应腔的炉温降低到750-850℃时，在反应腔内通入水蒸汽以对N型晶硅衬底1表面进行氧化，便于后续清洗。
在本实施例中，硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3分别氧化形成氧化硼掺杂非晶硅层4、氧化覆盖保护层5。
在本实施例中，所述清洗去除被氧化的硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3的方法包括：通过HF或BOE对N型晶硅衬底1表面进行清洗，以将被氧化的硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3从N型晶硅衬底1上去除，完成太阳能电池发射极制备。
实施例2
在实施例1的基础上，如图1至图6所示，本实施例提供一种选择性发射极制备方法，其包括：采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在N型晶硅衬底1的正面沉积一层硼掺杂非晶硅层2；采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在硼掺杂非晶硅层2的表面沉积一层覆盖保护层3；对覆盖保护层3上对应N型晶硅衬底1的电极线区域进行激光预先加热烧熔，以透过覆盖保护层3、硼掺杂非晶硅层2将部分硼进入N型晶硅衬底1表面层；对完成硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3沉积的N型晶硅衬底1进行退火处理后，清洗去除N型晶硅衬底1表面残留的硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3。
在本实施例中，对N型晶硅衬底1进行制绒处理后，将N型晶硅衬底1平铺放在载板上传输进入反应腔；在反应腔内通过化学气相沉积法或物理气相沉积法对N型晶硅衬底1的单面进行薄膜沉积，以在N型晶硅衬底1的薄膜沉积面形成硼掺杂非晶硅层2；在反应腔内通过化学气相沉积法或物理气相沉积法在硼掺杂非晶硅层2的表面沉积一层覆盖保护层3；对覆盖保护层3上对应N型晶硅衬底1的电极线区域进行激光预先加热烧熔，以透过覆盖保护层3、硼掺杂非晶硅层2将部分硼进入N型晶硅衬底1表面层；设置反应腔的炉温为850-950℃保持30min，以使硼掺杂非晶硅层2内硼扩散进入N型晶硅衬底1中；待反应腔的炉温降低到750-850℃时，在反应腔内通入水蒸汽以对N型晶硅衬底1表面进行氧化；通过HF或BOE对N型晶硅衬底1表面进行清洗，以将被氧化的硼掺杂非晶硅层2、覆盖保护层3从N型晶硅衬底1上去除。
在本实施例中，覆盖保护层3上对应N型晶硅衬底1的电极线区域进行激光预先加热烧熔形成激光烧熔区域6。
在本实施例中，对电极线区域采用激光预先加热烧熔，使掺杂非晶硅层中部分硼先进入到N型晶硅衬底1表面，经进一步的退火处理，硅表面层的硼含量就会更高，从而实现选择性发射极的制备。
综上所述，本发明通过依次在硅片的单面沉积硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层，在退火过程使得硼扩散，退火过程温度低、时间短、扩散质量均匀可控，能耗成本大大降低，利于生产成本的控制，同时在太阳能电池发射极制备过程中无氧气介入，彻底解决了硼氧复合体导致组件功率衰减的问题，可进一步提升电池效率；也适用于P型电池磷扩散层的制备；彻底解决绕扩问题，无需去绕扩清洗，简化工艺流程。
本申请中选用的各个器件（未说明具体结构的部件）均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种太阳能电池发射极制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在N型晶硅衬底的正面沉积一层硼掺杂非晶硅层；
2）、采用等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法在硼掺杂非晶硅层的表面沉积一层覆盖保护层；
3）、对完成硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层沉积的N型晶硅衬底进行退火处理后，清洗去除N型晶硅衬底表面残留的硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层。
2.如权利要求2所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于：在步骤2）与步骤3）之间增加步骤2.5）可制备选择性发射极，即对覆盖保护层上对应N型晶硅衬底的电极线区域进行激光预先加热烧熔，以透过覆盖保护层、硼掺杂非晶硅层将部分硼进入N型晶硅衬底表面层。
3.如权利要求2所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于：所述步骤1）中，等离子体增强化学气相沉积法或磁控溅射物理气相沉积法均采用平板式镀膜，即经制绒处理后的N型晶硅衬底平铺放在载板上传输进入反应腔，通过从上往下或从下往上的镀膜路径在N型晶硅衬底的正面沉积一层硼掺杂非晶硅层。
4.如权利要求3所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于：采用等离子体增强化学气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层时，工作温度处于200-500℃并采用硅烷或含硅的气体作为前质气体，通过载气导入，掺杂时采用硼烷或含硼掺杂源。
5.如权利要求3所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于：采用磁控溅射物理气相沉积法制备硼掺杂非晶硅层时，工作温度处于200-500℃并采用硅靶，以氩气作为工作气体，硼烷作为掺杂气体。
6.如权利要求3所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于：采用等离子体增强化学气相沉积法制备硼覆盖保护层时，采用硅烷、氨气和氢气作为工艺气体，且所述硼覆盖保护层的膜层厚度为5-10nm。
7.如权利要求3所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于:采用磁控溅射物理气相沉积法制备硼覆盖保护层时，采用掺硼的硅烷、氮气、氨气、氩气作为工艺气体，且所述硼覆盖保护层的膜层厚度为5-10nm。
8.如权利要求1所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于:步骤3）中，在退火处理过程中，设置反应腔的炉温为850-950℃并保持30min，以使硼掺杂非晶硅层内硼扩散进入N型晶硅衬底中。
9.如权利要求8所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于：退火处理后，对N型晶硅衬底表面的硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层进行氧化处理，即待反应腔的炉温降低到750-850℃时，在反应腔内通入水蒸汽以对N型晶硅衬底表面进行氧化。
10.如权利要求9所述的太阳能电池发射极制备方法，其特征在于：通过HF或BOE对N型晶硅衬底表面进行清洗，以将被氧化的硼掺杂非晶硅层、覆盖保护层从N型晶硅衬底表面去除。
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