CN116565039A - 一种选择性硼掺杂结构及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种选择性硼掺杂结构及其制备方法和应用，属于光伏技术领域。所述方法经过印刷、热处理和激光掺杂，形成的选择性硼掺杂结构以金属栅线与硅片接触区域为重掺杂区、受光区域为轻掺杂区，重掺杂区形成良好的欧姆接触并且改善填充因子，轻掺杂区可以改善短波的响应，且低表面浓度减少了少子的复合、提升了开路电压和短路电流。本发明的选择性硼掺杂结构的制备方法较现有工艺更简单，效果好，耗时短，易操作。
Description
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体为一种选择性硼掺杂结构及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，具有清洁、安全、高效的太阳能光伏发电逐渐成为重点发展和关注的产业。随着晶硅太阳能高效电池技术不断进步，转换效率的提升越发重要。目前可以通过制备选择性发射电极（Selective Emitter，SE）来提升晶硅太阳能电池的转换效率。
选择性发射电极是在晶硅电池的正面金属栅线的位置与硅片接触区进行高浓度掺杂形成良好的欧姆接触，从而降低金属化与硅片的接触电阻，而在电极外的非接触区进行低浓度掺杂，提高了电池的短波响应，进一步降低了表面复合，最终实现提升开路电压和短路电流的目的。
目前，比较成熟的高效电池技术是以激光P掺杂选择性发射极（selectiveemitter ,SE ）电池结构为主。但是，由于P原子与B原子直径具有差异，且两者在硅内的固溶度存在差异，导致了B掺杂较P掺杂难度倍增，激光P掺杂工艺难以适用于B掺杂，且现有的B掺杂SE结构的制备工艺较复杂、耗时长且不稳定。因此，需要开发一种转换效率高的选择性硼掺杂结构及其制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种选择性硼掺杂结构及其制备方法和应用，本发明的方法经过印刷、热处理和激光掺杂，形成的选择性硼掺杂结构以金属栅线与硅片接触区域为重掺杂区、受光区域为轻掺杂区，重掺杂区形成良好的欧姆接触并且改善填充因子，轻掺杂区可以改善短波的响应，且低表面浓度减少了少子的复合、提升了开路电压和短路电流。本发明的选择性硼掺杂结构的制备方法较现有工艺更简单，效果好，耗时短，易操作。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
在第一方面，本发明提供一种选择性硼掺杂结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、印刷：在经过处理的硅片上印刷纳米硅硼浆，烘干后得到印刷有纳米硅硼浆的硅片；
S2、热处理：在气体氛围下对印刷有纳米硅硼浆的硅片进行热处理，在硅片表面形成一层氧化层；
S3、激光掺杂：对纳米硅硼浆部分进行激光掺杂，后处理后得到选择性硼掺杂结构。
优选地，纳米硅硼浆的组成包括含硼纳米硅粉、溶剂及其他添加成分。
进一步，含硼纳米硅粉为通过使纳米硅粉在反应釜中与气态含硼化合物反应形成的含硼纳米硅粉体。
更进一步，所述纳米硅粉的颗粒直径为10~1000nm，含硼化合物为氯化硼或溴化硼。
在一个优选方案中，步骤S1中，烘干条件为100~300℃下烘干30~60秒。
在另一个优选方案中，步骤S1中，烘干后得到的纳米硅硼浆的宽度为1~180μm，高度为1~5μm。
在一个优选方案中，步骤S2中，热处理条件为气体氛围中100~300℃下处理1~10min。
进一步，所述气体氛围为氮气和氧气中的一种或两种的混合。
在另一个优选方案中，步骤S2中，所获得的阻挡层厚度为1~20μm。
在优选的方案中，步骤S3中，激光掺杂的参数为：激光波长为 300~1080nm，激光功率 1~50w，频率0.1~50MHz，扫描速度 1~50m/s，光斑尺寸1~150μm，所述选择性硼掺杂结构表面掺杂浓度在8E+18~5E+19atoms/cm3，掺杂深度0.6~1.2μm。
在第二方面，本发明提供了一种选择性硼掺杂结构，所述结构采用如上所述的方法制成。
在第三方面，本发明还提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包含采用如上所述的方法制成的选择性硼掺杂结构或者如上所述的选择性硼掺杂结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在硅层上直接印刷纳米硅硼浆，经过烘干及热处理氧化，再通过激光形成硼掺杂，得到硼SE（选择性发射极）选择性硼掺杂结构且硅片表面无损伤。该方法使用纳米硅硼浆直接印刷于硅基底表面，硼浆使用纳米硅体系，与硅基底特性相近，激光作用于硼浆后，极易形成高表面浓度、高掺杂深度的效果。该方法加入热处理过程，在硼浆和硅基底表层增加一层薄薄的氧化层，在硅基底表面的氧化层形成阻挡层，降低激光对硅基底的损伤，而在纳米硅硼浆表面形成的氧化层将氮、氧或者两者兼有注入硼浆，辅助激光达到快速扩硼的目的。相比常规无重掺杂结构电池，本发明所述方法制备的电池金属栅线位置的接触电阻明显下降，填充因子明显提升，表面钝化能力增强的同时降低了金属复合。所述太阳能电池能够保持较高的短路电流，增加了开路电压，从而实现较高的转换效率和稳定性。
本发明所述选择性硼掺杂结构在制备过程中进行了热处理，所述热处理一方面可以在硅基底表面形成1~20nm的阻挡层，降低激光高温对硅片的损伤；另一方面，通过热处理将氮和/或氧注入硼浆，辅助激光达到更易掺硼的目的，使得掺杂深度提升0.3~0.5μm，掺杂浓度达到8E+18~5E+19 atoms/cm3。
本发明中所述选择性硼掺杂结构使用高频激光掺杂后的硅表面无损伤，反射率与未激光位置反射率基本一致，反射率约为7%-10%。较现有工艺，本发明所述选择性硼掺杂结构的制备方法更简单，效果更好，且兼具耗时短、易操作、降低接触电阻、提高最大输出功率（FF）、短路电流（Isc）和开路电压（Uoc）的优势，所述选择性硼掺杂结构的效率得到了很大的提升。
附图说明
图1为实施例1中N型激光硼掺杂SE结构的结构示意图；
图2是实施例2中N型Topcon太阳电池的示意图；
图3是实施例3中P型IBC太阳电池的示意图。
在图中：
1-正面栅线电极；2-硅层；3-激光硼扩重掺杂层；4-N型硅衬底；5-正面SiNx减反层；6-氧化铝钝化层；7-轻掺杂层；8-重掺杂层；9-隧穿氧化层；10-背面SiNx减反层；11-N型poly多晶硅层；12-背面栅线电极；13-P型单晶硅衬底；14-背面氧化铝钝化层；15-Ag栅线电极； 16- Al栅线电极。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施例和附图，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供了一种选择性硼掺杂结构及其制备方法和应用，属于光伏技术领域；所述选择性硼掺杂结构以金属栅线与硅片接触区域为重掺杂区、受光区域为轻掺杂区，所述重掺杂区形成良好的欧姆接触以及改善填充因子，所述轻掺杂区可以改善短波的响应，且低表面浓度减少了少子的复合、提升了开路电压和短路电流；所述选择性硼掺杂结构的制备方法较现有工艺更简单，效果好，耗时短，易操作。
本发明提供了晶体硅片中硼原子掺杂的一种方法，具体为纳米硅硼浆涂覆或印刷至硅片表面，烘干完后再利用激光进行掺杂。所述纳米硅硼浆包含含硼纳米硅粉、有机溶剂、无机溶剂，其他添加成分等；其中含硼纳米硅粉由纳米硅粉通过在反应釜中与气态含硼化合物反应形成含硼纳米硅粉体而形成，所述纳米硅的颗粒直径约为10~1000nm，所述硼化合物为氯化硼或溴化硼等，所述溶剂为松油醇、檀香或二者混合物等。本发明所用的硼浆使用纳米硅体系，与硅基底特性相近，激光作用于硼浆后，极易形成高表面浓度、高掺杂深度的效果；该方法加入热处理过程，在整个硅片表面形成一个氧化层，其中在硅基底表层增加一层薄薄的阻挡层，降低激光对硅基底的损伤，同时将氮、氧或者两者兼有注入硼浆，辅助激光达到快速扩硼的目的。
该方法可应用于TOPCon电池正面局部的硼重掺杂，改善接触电阻和金属复合。本发明方法还可以用于PERC电池和P型IBC电池背面P型硅基体的掺杂，形成P+高低结，增加场钝化。
在一个例示性实施例中，本发明提供了一种选择性硼掺杂结构的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）在硅片的硅层上印刷纳米硅硼浆并烘干，得到印刷有纳米硅硼浆的硅片；
（2）将印刷有纳米硅硼浆的硅片在气体氛围下在100-300℃下热处理1~10min，得到热处理后的硅片；
（3）对热处理后的硅片上印刷有纳米硅硼浆的部分进行激光掺杂，掺杂结束后进行RCA清洗，得到所述选择性硼掺杂结构。
在步骤（1）中，所述硅片的硅层包括单晶硅层或多晶硅层；
在步骤（1）中，硅片在印刷硼浆之前先经过了制绒、正面磷/硼扩散、去PSG/BSG、碱抛、沉积隧穿氧化层及多晶硅层、背面磷/硼扩散或清洗碱抛等处理过程。
在步骤（1）中，纳米硅硼浆的印刷方法包括：利用激光标记Mark点，然后采用丝网印刷的方式对位Mark点印刷纳米硅硼浆图形；其中所述丝网印刷的参数为：印刷速度100~350mm/s，回墨速度100~400mm/s，印刷压力30~80N，网板高0.5~2.5mm。
在步骤（1）中，所述纳米硅硼浆印刷后烘干，得到若干根宽度为1~180μm，高度1~5μm的纳米硅硼浆。
所述烘干是在100~300℃下烘干30~60s。
在步骤（2）中，所述气体氛围为氮气和氧气中的一种或两种组合。
所述热处理后的硅片在硅片表面形成了1~20nm的氧化层，其中在硅基底表面形成的氧化层形成了对激光的阻挡层，防止在激光掺杂过程中对硅基底的伤害，而在纳米硅硼浆表面上形成的氧化层则促进将氮、氧中的一种或两者注入硼浆，辅助激光达到快速扩硼的目的。
在步骤（3）中，所述激光掺杂的工艺参数为：激光波长为 300~1080nm，激光功率 1~50w，频率0.1~50MHz，扫描速度 1~50m/s，光斑尺寸1~150μm。
通过上述方法制备的选择性硼掺杂结构，选择性硼掺杂结构表面掺杂浓度在8E+18~5E+19 atoms/cm3，掺杂深度0.6~1.2μm。
将上述选择性硼掺杂结构应用于太阳电池，所述太阳电池上金属栅线的图案与选择性硼掺杂结构制备时纳米硅硼浆的图案相同。
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：N型硅激光硼掺杂SE结构的制备
（1）在硅层上局部印刷纳米硅硼浆并烘干，得到印刷有纳米硅硼浆的硅片。
在硅层上印刷纳米硅硼浆后，得到了若干根宽度为1~180μm，高度1~5μm的纳米硅硼浆。印刷纳米硅硼浆的位置对应后续丝网金属栅线的位置，所述烘干的条件为在100~300℃下烘干30~60s。
所述纳米硅硼浆包含含硼纳米硅粉、有机溶剂、无机溶剂，其他添加成分等；其中纳米硅的颗粒直径约为10~1000nm，纳米硅粉通过在反应釜中与气态含硼化合物反应形成含硼纳米硅粉体；所述硼化合物为氯化硼或溴化硼等；所述溶剂为松油醇、檀香或二者混合物等。
所述纳米硅硼浆的印刷过程为：（1）利用激光标记Mark点；（2）采用丝网印刷的方式对位Mark点印刷纳米硅硼浆图形；（3）所述Mark点的直径为0.2~0.8mm。
所述丝网印刷的参数为：印刷速度100~350mm/s，回墨速度100~400mm/s，印刷压力30~80N，网板高0.5~2.5mm。
（2）热处理氧化：在温度100~300℃的条件下对步骤（1）中印刷有纳米硅硼浆的硅片进行热处理，热处理时通入氮气、氧气中的一种或两种组合，所述热处理的时间为1~10min，所述热处理氧化包括但不限于管式、链式、气相沉积等方法。
（3）激光掺杂形成SE结构：使用高频激光器，对步骤（2）中的产物上印刷有纳米硅硼浆的部分进行激光掺杂，表面掺杂浓度在8E+18~5E+19 atoms/cm3，掺杂深度0.6~1.2μm；所述激光掺杂的工艺参数为 ：激光波长为 300~1080nm，激光功率 1~50w，频率0.1~50MHz，扫描速度 1~50m/s，光斑尺寸1~150μm。
（4）RCA清洗：使用70℃ 的NaOH/H2O2稀碱溶液和/或80℃HCl/H2O2溶液对步骤（3）中的产物进行溶液清洗，得到如图1所示的所述选择性硼掺杂结构。经测试，所述选择性硼掺杂结构相比现有技术的掺杂深度提升0.3~0.5μm，掺杂浓度在8E+18~5E+19 atoms/cm3。
实施例2：选择性硼掺杂结构的制备及其在N型Topcon太阳电池中的应用
本实施例中提供了一种N型Topcon太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）以N型硅片的硅衬底进行清洗制绒：使用碱溶液制绒，并且进行表面清洁去除杂质和金属离子，工艺温度60～80℃，腐蚀时间约为20min，得到制绒后的N型硅衬底；
（2）正面硼扩散：将制绒后的N型硅衬底的绒面表面使用BCl3扩散形成PN结，工艺温度为1025℃，方阻在100～150Ω之间；
（3）去BSG及碱抛：用31%（v/v）HF溶液去除背面BSG，再使用碱溶液进行背面抛光；
（4）沉积隧穿氧化层及多晶硅层：使用Laplace管式一步沉积隧穿氧化层和多晶硅层；沉积所述隧穿氧化层的工艺温度约为650℃，隧穿层厚度约为1-2nm之间；沉积所述多晶硅层工艺温度约为650～800℃，多晶硅层厚度约为100～140nm之间；
（5）背面磷扩散：背面采用POCl3磷扩使poly多晶硅掺杂形成N型硅，扩散温度850℃，扩散后方阻约为50～100Ω；
（6）清洗碱抛：用10%HF溶液去除正面PSG，再用碱溶液去除正面poly绕镀层及侧面内扩层；
（7）印刷纳米硅硼浆及烘干：在正面硼掺杂层上印刷纳米硅硼浆，烘干；印刷位置与后续金属栅线的位置一致；
（8）链式氧化：温度；150～200℃，速度：1～5m/min，气氛：氧/氮气氛围；
（9）激光掺杂形成SE结构：使用高频激光器，在硼浆位置进行激光掺杂，激光波长为 300~780nm，激光功率 1～50w，频率 1～50MHz，扫描速度 1～50m/s，光斑尺寸1～150nm；激光掺杂后形成了图2中的重掺杂层；
（10）RCA清洗：去除表面残留纳米硅硼浆及表面脏污；
（11）正面沉积AlOx、SiNx钝化膜：在硅片正面用PECVD的方法生长AlOx、SiNx叠层膜，得到如图2中所示的正面SiNx减反层和氧化铝钝化层的叠层，所述叠层的厚度为85nm；
（12）背面沉积SiNx减反膜：在硅片背面用PECVD的方法生长氮化硅减反膜，得到如图2所示的背面SiNx减反层，所述背面SiNx减反层厚度为75nm；
（13）印刷金属栅线及烧结，得到如图2所示的N型Topcon太阳能电池。
对得到的N型Topcon太阳能电池进行考察，含有本发明所述选择性硼掺杂结构的N型Topcon太阳能电池较常规Topcon电池Uoc提升2-3mV，Isc提升30-40mA，FF提升0.4-0.5，效率提升0.2%-0.4%。
实施例3：选择性硼掺杂结构的制备及其在P型IBC太阳电池中的应用
本实施例中提供了一种P型IBC太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）对P型单晶硅衬底进行双面碱抛，在碱抛后的P型单晶硅衬底背面沉积氧化隧穿层和非晶硅层；
（2）背面P扩散+退火：对背面非晶硅层进行P掺杂处理，后高温退火处理，非晶硅转化为多晶硅膜层，并去除P型单晶硅衬底正面及侧面形成的多晶硅以及磷硅玻璃层的绕镀层和内扩结；
（3）印刷掩膜及激光图案化：背面整面印刷掩膜后用激光局部去除，其中激光去除部分为背面所需P型掺杂区域；
（4）使用碱溶液在所述P型单晶硅衬底正面制绒及背面局部区域构造为金字塔绒面结构；形成背面所需要的P区和N区交叉结构，其余位置掩膜用HF去除；
（5）印刷纳米硅硼浆及烘干：在P区上印刷纳米硅硼浆，烘干；印刷位置与后续金属栅线的位置相一致；
（6）链式氧化：温度；150-200℃，速度：1-5m/min，气氛：氧/氮气氛围；
（7）激光掺杂形成SE结构：使用高频激光器，在硼浆位置进行激光掺杂，激光波长为 300~780nm，激光功率 1-50w，频率 1-50MHz，扫描速度 1-50m/s，光斑尺寸1-150nm；激光结束后形成了如图3所示的重掺杂层；
（8）RCA清洗：去除表面残留纳米硅硼浆及表面脏污；
（9）在所述P型单晶硅衬底的正面及背面均沉积钝化层和减反射层；所述钝化层的材质为AlOx，所述减反射层的材质为SiNx；
（10）利用激光对所述掩膜图形区域进行开膜处理，开口为线状或点状；
（11）丝网印刷正负电极金属栅线，之后烧结得到如图3所示的P型IBC太阳电池。
对得到的P型IBC太阳电池进行考察，含有本发明所述选择性硼掺杂结构的P型IBC太阳电池较常规IBC电池Uoc提升1-2mV，FF提升0.5-0.8，效率提升0.2%-0.3%。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
最后所要说明的是：以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (12)
1.一种选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、印刷：在经过处理的硅片上印刷纳米硅硼浆，烘干得到印刷有纳米硅硼浆的硅片；
S2、热处理：在气体氛围下对印刷有纳米硅硼浆的硅片进行热处理，在硅片表面形成一层氧化层；
S3、激光掺杂：对纳米硅硼浆部分进行激光掺杂，后处理后得到选择性硼掺杂结构。
2.如权利要求1所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，纳米硅硼浆的组成包括含硼纳米硅粉、溶剂及其他添加成分。
3.如权利要求2所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，含硼纳米硅粉为通过使纳米硅粉在反应釜中与气态含硼化合物反应形成的含硼纳米硅粉体。
4.如权利要求3所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，所述纳米硅粉的颗粒直径为10~1000nm，含硼化合物为氯化硼或溴化硼。
5.如权利要求1所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，烘干条件为100~300℃下烘干30~60秒。
6.如权利要求1所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，烘干后得到的纳米硅硼浆的宽度为1~180μm，高度为1~5μm。
7.如权利要求1所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中，热处理条件为气体氛围中100~300℃下处理1~10min。
8.如权利要求7所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，所述气体氛围为氮气和氧气中的一种或两种的混合。
9.如权利要求1所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所获得的阻挡层厚度为1~20nm。
10. 如权利要求1所述的选择性硼掺杂结构的制备方法，其特征在于，步骤S3中，激光掺杂的参数为：激光波长为 300~1080nm，激光功率 1~50w，频率0.1~50MHz，扫描速度 1~50m/s，光斑尺寸1~150μm，所述选择性硼掺杂结构表面掺杂浓度在8E+18~5E+19atoms/cm3，掺杂深度0.6~1.2μm。
11.一种选择性硼掺杂结构，其特征在于，采用如权利要求1至10中任一项所述的方法制成。
12.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包含如权利要求1至10中任一项所述的方法制成的选择性硼掺杂结构或者如权利要求11所述的选择性硼掺杂结构。
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