CN116053353A - 硼掺杂选择性发射极的制备方法及n型晶体硅太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池制造技术领域，具体涉及一种硼掺杂选择性发射极的制备方法及N型晶体硅太阳能电池，具有以下步骤：S1，N型硅片清洗制绒；S2，沉积掺硼非晶硅层B1作为轻掺杂区硼源；S3，沉积氮化硅层；氮化硅覆盖层可以替换为碳化硅，氮氧化硅等。S4，沉积掺硼非晶硅层B2；S5，使用激光按照一定图形，烧熔部分硅基体、B1层、氮化硅层和B2层；S6，将硅片放置于高温退火炉管退火；S7，清洗掉B1层、氮化硅层和B2层，完成选择性发射极制备。本发明，氮化硅层作为掺硼非晶硅阻挡层，提升非晶硅扩散速度，降低推进步温度和时间，同时实现无氧工艺，改善同心圆问题；使用退火炉结合激光的方法实现掺杂剂的扩散和推进，避免了高能耗问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池制造技术领域，具体涉及一种硼掺杂选择性发射极的制备方法及N型晶体硅太阳能电池。
背景技术
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。选择性发射极已广泛的应用于PERC，Topcon等高效晶体硅太阳电池结构，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。对于P型晶体硅太阳电池来说，通过磷扩散及使用磷硅玻璃(PSG)进行激光实现重掺杂形成选择性发射极的方法已非常成熟。但是，对于N型晶体硅太阳能电池来说，硼扩散存在许多问题，如：硼在硅中扩散速度慢，需要高温长时间推进，通常温度达到1100℃，总时长需要4小时，能耗高；N型硅片在超过1000℃的高温下进行工艺会放大硅料中的缺陷，多体现出“同心圆”，降低电池良率；硼容易和氧形成硼氧复合对，会使掺杂剂不能充分利用；轻掺杂区和重掺杂区方阻难以单独调整；另外，使用扩散过程形成的硼硅玻璃(BSG)作为掺杂源难以通过激光直接将硼推进到P+层，这限制N型电池选择性发射极的制备，目前，通过激光划去BSG,然后进行二次扩散来解决这个问题，但是这带来极高的成本和工艺复杂性。
现有专利CN110299422A，名称为一种激光硼掺杂选择性发射极TOPCon结构电池及其制备方法，该专利中包括以下步骤：
Ⅰ、对N型硅片进行清洗制绒；
Ⅱ、在硼扩散中，推进形成高硼表面浓度的P++层，不进行氧化过程；
Ⅲ、采用激光对栅线区域进行掺杂推进；
Ⅳ、经过清洗，放回扩散炉进行氧化形成选择性发射极；
Ⅴ、去除背面的BSG和P+层，在背面制备隧穿氧化层和掺杂薄膜硅层；
Ⅵ、去掉正面绕镀产生的多晶硅和步骤Ⅱ得到的BSG，双面沉积钝化层和SiNx减反膜；
Ⅶ、丝网印刷双面电极。
该技术方案中采用常规管式硼扩散制备BSG作为掺杂源,首先制备高掺杂量P++层，以P++层作为激光掺杂源实现重掺杂区制备，而后对硅片清洗和高温氧化降低非激光区掺杂浓度。其通过在扩散过程中去掉氧化过程，实现高硼表面浓度P++层，再使用激光实现重掺杂，但是该技术方案存在以下的技术缺陷：
1.硼掺杂采用管式扩散工艺，温度需要达到1000℃以上，总时长需要4小时，造成能耗浪费和同心源问题；
2.工艺过程中有氧气参与造成少子寿命下降；
3.轻掺杂区和重掺杂区域掺杂量难以量化调整；
4.采用高温管式硼扩散使用BBr3或BCl3作为扩散源，其中BBr3的扩散副产物对石英器件损伤严重，BCl3由于键能较大扩散不均匀；
5.硼扩散时，杂质会扩散至硅片背面。
现有专利CN111739794A，名称为硼扩散方法、太阳能电池及其制作方法，该专利0012自然段中“该硼扩散方法中，将预处理后的N型硅片置于扩散炉内，在第一温度下进行第一次硼扩散沉积，可用于在N型硅片的表面形成P+层；在第三温度下进行第二次硼扩散沉积，可用于在N型硅片的表面形成高方阻轻掺杂的P+层，也就是形成轻掺杂区。并且，该方法通过对两次硼扩散沉积和推结过程中温度的调控，不仅能降低对硼扩散机台的损害，而且第二次硼扩散沉积的第三温度低于推结的第二温度，能够防止第二次高温沉积带来的二次推结过程，保留了原有的浅掺杂区域，具有较好的钝化性能，同时又能够为后续激光重掺杂提供充足的硼掺杂源，进而得到合适的重掺杂区”。其通过常规管式硼扩散制备BSG作为掺杂源,先升温推进制备P+区，降温再次沉积BSG，进行激光掺杂，但是该技术方案存在以下的技术缺陷：
1.P+区掺杂浓度容易受到二次沉积BSG的影响；
2.工艺过程中有氧气参与造成少子寿命下降；
3.轻掺杂区和重掺杂区域掺杂量难以量化调整；
4.采用高温管式硼扩散使用BBr3或BCl3作为扩散源，其中BBr3的扩散副产物对石英器件损伤严重，BCl3由于键能较大扩散不均匀；
5.硼扩散时，杂质会扩散至硅片背面。
从以上可以知道，专利CN110299422A和CN111739794A解决了关于N型硅片难以通过一次扩散实现选择性掺杂的问题，但是，这些专利仍然使用了B扩散工艺，没有解决诸如高耗能、同心圆、氧气参与导致少字寿命下降、轻掺杂区和重掺杂区域掺杂量难以量化调整、B源导致石英管损伤或扩散不均匀等问题。即硼在硅中扩散速度慢，需要高温长时间推进，通常温度达到1100℃，总时长需要4小时，能耗高；N型硅片在超过1000℃的高温下进行工艺会放大硅料中的缺陷，多体现出“同心圆”，降低电池良率；硼容易和氧形成硼氧复合对，会使掺杂剂不能充分利用；轻掺杂区和重掺杂区方阻难以单独调整，为了平衡轻掺杂区和重掺杂区掺杂量需要高功率激光；副产物容易污染炉管或方阻不均匀性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种硼掺杂选择性发射极的制备方法及N型晶体硅太阳能电池。
实现本发明目的的技术方案是：一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，具有以下步骤：
S1，N型硅片清洗制绒；
S2，沉积掺硼非晶硅层B1作为轻掺杂区硼源；
S3，沉积氮化硅层；氮化硅覆盖层可以替换为碳化硅，氮氧化硅等。
S4，沉积掺硼非晶硅层B2；
S5，使用激光按照一定图形，烧熔部分硅基体、B1层、氮化硅层和B2层；
S6，将硅片放置于高温退火炉管退火；
S7，清洗掉B1层、氮化硅层和B2层，完成选择性发射极制备。
上述技术方案S2中，掺硼非晶硅层B1的厚度为10-100nm,B原子掺杂浓度为0.1％-20％，所使用的方法为PECVD或PVD中的一种。
上述技术方案S3中，沉积的氮化硅层厚度为10-100nm，所使用的方法为PECVD或PVD中的一种。
上述技术方案S4中，硼掺杂非晶层B2的厚度为10-100nm，B原子掺杂浓度为1％-20％，所使用的方法为PECVD或PVD中的一种。
上述技术方案S5中，所述激光为532nm的纳米脉冲绿光,功率范围为20-100W,处理时间范围为1-10秒。
上述技术方案S6中，所述退火的温度为600-975℃，峰值温度退火时间1-2小时。
上述技术方案S7中，所述清洗使用的溶液为酸液和碱液。
上述技术方案所述清洗的过程包括以下步骤：
a)使用酸溶液去除高温步骤造成的氧化层；
b)使用碱溶液去除B2层；
c)水洗；
d)使用酸溶液去除氮化硅层；
e)使用碱液去除B1层；
f)水洗；
g)烘干。
本发明还提供一种用所述的硼掺杂选择性发射极的制备方法制备得到N型晶体硅太阳能电池。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
(1)本发明应用于N型电池磷扩散层，也适用于P型电池磷扩散层的制备，氮化硅层作为掺硼非晶硅阻挡层，提升非晶硅扩散速度，降低推进步温度和时间，同时实现无氧工艺，改善同心圆问题；使用退火炉结合激光的方法实现掺杂剂的扩散和推进，避免了高能耗问题。
(2)本发明通过多层非晶硅层作为硼掺杂源，不使用液态硼源，成本低，无器件损伤和方阻不均匀问题。
(3)本发明结合多晶硅层和氮化层和激光工艺，轻掺杂和重掺杂区域硼浓度自由可调，能更加容易实现选择性发射极不同浓度的控制。
(4)本发明为单面工艺，无绕镀，绕扩现象。
附图说明
图1为本发明的步骤S1示意图；
图2为本发明的步骤S2示意图；
图3为本发明的步骤S3示意图；
图4为本发明的步骤S4示意图；
图5为本发明的步骤S5示意图；
图6为本发明的步骤S6示意图；
图7为本发明的步骤S7示意图；
图8为本发明制备的发射极性能示意图。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
见图1，本发明提供一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，具有以下步骤：
S1，N型硅片清洗制绒；使用传统碱制绒和标准的RCA清洗。
S2，沉积掺硼非晶硅层B1作为轻掺杂区硼源；将清洗好的硅片放入PECVD中，氢气流量为4000sccm，硅烷400sccm，硼烷流量为40sccm，基片加热温度为200度，工艺压强为50Pa,射频(13.56MHZ)功率为2000W，通过控制沉积时间,沉积厚度为50nm。
S3，沉积氮化硅层；将制备好B1层的硅片放入PECVD中，硅烷流量为780sccm，氨气流量为3500sccm，基片加热温度为300度，工艺压强为200Pa，功率为1700W,通过控制沉积时间沉积膜厚为20nm。
S4，沉积掺硼非晶硅层B2；将沉积好氮化硅层的硅片放入PECVD中，氢气流量为4000sccm，硅烷400sccm，硼烷流量为40sccm,，基片加热温度为200度，工艺压强为50Pa,射频(13.56MHZ)功率为2000W，通过控制沉积时间,沉积厚度为50nm。
S5，使用激光按照一定图形，烧熔部分硅基体、B1层、氮化硅层和B2层；使用532nm激光按照晶体硅电极图案，烧熔部分硅基体、B1层、氮化硅层和B2层，激光功率为50W,扫描速度为10m/S。
S6，将硅片放置于高温退火炉管退火；将激光处理好的硅片放置于高温退火炉管进行退火，退火温为900度，时间为1小时。
S7，清洗掉B1层、氮化硅层和B2层，完成选择性发射极制备。清洗的过程包括以下步骤：
a)使用酸溶液去除高温步骤造成的氧化层；b)使用碱溶液去除B2层；c)水洗；d)使用酸溶液去除氮化硅层；e)使用碱液去除B1层；f)水洗；g)烘干。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，S2步骤硼烷流量为80sccm,S4步骤硼烷流量为80sccm。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，S2步骤硼烷流量为20sccm,S4步骤硼烷流量为20sccm。
实施例1制备的发射极性能如图8所示。
实施例1制备的发射极的性能如下表2所示：
表2
实施例1、2、3，所述的硼掺杂选择性发射极的制备方法制备的发射极制作N型晶体硅太阳能电池的性能如下表3所示：
| Comment | Eta | Voc | Jsc | FF | Rs | Rsh |
| 实施例1 | 25.31 | 0.722 | 41.37 | 84.12 | 0.00108 | 5853 |
| 实施例2 | 25.37 | 0.723 | 41.41 | 84.09 | 0.00151 | 6747 |
| 实施例3 | 25.28 | 0.722 | 41.32 | 84.26 | 0.00174 | 5981 |
表3
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：
S1，N型硅片清洗制绒；
S2，沉积掺硼非晶硅层B1作为轻掺杂区硼源；
S3，沉积氮化硅层；
S4，沉积掺硼非晶硅层B2；
S5，使用激光按照一定图形，烧熔部分硅基体、B1层、氮化硅层和B2层；
S6，将硅片放置于高温退火炉管退火；
S7，清洗掉B1层、氮化硅层和B2层，完成选择性发射极制备。
2.根据权利要求1所述的一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于：S2中，掺硼非晶硅层B1的厚度为10-100nm,B原子掺杂浓度为0.1％-20％，所使用的方法为PECVD或PVD中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于：S3中，沉积的氮化硅层厚度为10-100nm，所使用的方法为PECVD或PVD中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于：S4中，硼掺杂非晶层B2的厚度为10-100nm，B原子掺杂浓度为1％-20％，所使用的方法为PECVD或PVD中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于：S5中，所述激光为532nm的纳米脉冲绿光,功率范围为20-100W,处理时间范围为1-10秒。
6.根据权利要求1所述的一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于：S6中，所述退火的温度为600-975℃，峰值温度退火时间1-2小时。
7.根据权利要求1所述的一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于：S7中，所述清洗使用的溶液为酸液和碱液。
8.根据权利要求7所述的一种硼掺杂选择性发射极的制备方法，其特征在于，所述清洗的过程包括以下步骤：
a)使用酸溶液去除高温步骤造成的氧化层；
b)使用碱溶液去除B2层；
c)水洗；
d)使用酸溶液去除氮化硅层；
e)使用碱液去除B1层；
f)水洗；
g)烘干。
9.如权利要求1～8任一所述的硼掺杂选择性发射极的制备方法制备得到N型晶体硅太阳能电池。
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| CN202211531239.2A CN116053353A (zh) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 硼掺杂选择性发射极的制备方法及n型晶体硅太阳能电池 |
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2022
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