CN101919070B - 通过硼和磷的共扩散制造晶体硅太阳能电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造晶体硅太阳能电池的方法，其包括：提供晶体硅基底，其具有第一面及与所述第一面相反的第二面；使磷预扩散进入所述基底的所述第一面，以产生具有初始深度的磷扩散层；封闭所述基底的所述第一面；将所述基底的所述第二面暴露至硼扩散源；加热所述基底至一定温度一段时间，从而使硼扩散进入所述基底的所述第二面，同时使所述磷进一步扩散进入所述基底。
Description
技术领域
本发明涉及使用晶体硅(Si)基底制造太阳能电池。所述太阳能电池的一个实例是硼发射极n基极太阳能电池，其具有由磷扩散产生的背面区域。
背景技术
若需要两个扩散过程(硼和磷)，则通常在较低温度的磷扩散步骤之前进行较高温度的硼扩散步骤，例如参见T.Buck等人的Proceedings of21st European Photovoltaic Solar Energy Conference(4～8September 2006，Dresden，Germany)，第1264至1267页。该工艺顺序要求特殊的保护层以阻止在磷扩散步骤中磷扩散进入经硼扩散的面。有时硼从硼扩散层扩散出来至该保护层，并在界面附近耗尽。这导致发射极的薄片电阻的增加，并导致通过该方法制得的太阳能电池的串联电阻的增加。此外，需要额外的工艺步骤以去除保护层，或者若将其保留在硅基底上，则损害保护层的最佳性能(例如钝化和抗反射涂层)。
另一方面，若在硼扩散步骤之前实施磷扩散步骤，则必须保护经磷扩散的面不受硼扩散步骤中的硼的影响。此外，在磷扩散期间必须充分避免磷扩散进入硼一面，因为这无法容易地由硼加以补偿。此外，在硼扩散的温度下磷从经磷扩散的层溢出，因此磷与硼一起扩散进入硼扩散层的表面。这妨碍获得经硼掺杂的发射极的良好特性。由于这些困难，几乎不会尝试在硼扩散之前进行磷扩散，或者即使尝试也无法成功制造出太阳能电池。
虽然可以通过一些方法同时形成硼和磷的扩散，例如在扩散过程之前将各个扩散源印刷在一面上，但是该方法导致至少在硼一面的边缘处由磷补偿硼，这是因为磷扩散得更快并且更加容易溶解在硅中，所以容易补偿硼。
在已知的另一个方法中，对成对放置的晶片分别扩散硼和磷。两个基底的两个面相互接触，从而被部分地保护不进行扩散。这将硼被磷补偿的问题限制到晶片边缘，反之亦然。然而，随后必须将晶片边缘切除，这显著提高了每生产Wp的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供通过硼和磷的扩散由Si基底制造太阳能电池的方法，其中克服了至少一个上述问题。
该目的是通过用于制造晶体硅太阳能电池的方法实现的，其包括：
-提供晶体硅基底，其具有第一面及与所述第一面相反的第二面；
-使磷预扩散进入所述基底的所述第一面，以产生具有初始深度的磷扩散层；
-封闭所述基底的所述第一面；
-将所述基底的所述第二面暴露至硼扩散源；
-加热所述基底至一定温度一段时间，从而使硼扩散进入所述基底的所述第二面，同时使所述磷进一步扩散进入所述基底。
本发明涉及通过在硼扩散之前已经使磷扩散进入表面一定程度从而在硼扩散过程中的气氛中稳定化和减少溢出的磷。这能够在硼扩散之前去除磷扩散源。与磷已经扩散进入的硅表面相比，从扩散源溢出的磷的量更多且波动更大。因此，该方法改善了经硼扩散的p型发射极的品质和重复性。还避免在经硼扩散的面上产生n型边缘，因此避免太阳能电池的分流(shunting)。
在一方面，本发明还涉及通过上述方法制得的太阳能电池。
附图说明
基于一些实施例的描述阐明本发明的其他优点及特性，其中参考以下附图：
图1所示为根据本发明的一个实施方案的方法制得的太阳能电池的结构的实例；
图2所示为p型硅基底的另一个实施例；
图3A-3D所示为在基底的一个面上产生P扩散层的加工步骤；
图4A-4F所示为在基底的一个面上产生P扩散层的可选择的方法的加工步骤；
图5A-5D所示为在基底的一个面上产生P扩散层的可能的第三方法的加工步骤；
图6A、6B所示为在硼扩散步骤中用于封闭基底的一个面的两种可能的构造；
图7所示为在硼扩散步骤中的背对背构造；
图8所示为与现有技术的太阳能电池相比通过本发明方法制得的太阳能电池所测的效率。
具体实施方式
图1所示为根据本发明的一个实施方案的方法制得的太阳能电池的结构的实例。太阳能电池10包括在一面上具有硼扩散层12和在另一面上具有磷扩散层13的n型硅基底11。应当注意，实际的太阳能电池结构还具有金属触点和抗反射涂层，但是图中没有显示这些组件。图2所示为加工p型硅基底21以在一面上生产磷扩散层22和在另一面上产生硼扩散层23的另一个实施例。图1的太阳能电池是优选的实施方案，因为其器件特性优于图2。在以下描述中，讨论了图1中所示的太阳能电池(即n型基底)的制造方法的实施方案。
该方法的第一步骤用于在基底的一个面上产生P扩散层。根据一个实施方案，在包含O2和P2O5蒸汽的气氛中在800至900℃下加热基底30历时5至50分钟。然后基底30的所有表面被包含P2O5的SiO2薄膜31(下面称作SiO2:P2O5)覆盖。从基底30的Si和氧生长该SiO2，P2O5引入SiO2薄膜31。在硅33与SiO2:P2O5薄膜31的界面上，P2O5被还原成P，P扩散进入基底30的核心(参见图3B中的核心33)直至0.01至1.0μm的深度。目前在硅基底30的所有表面上形成SiO2:P2O5薄膜31和P扩散层32。然后通过将基底30浸入1至50％的HF溶液约0.5至10分钟或者将基底30暴露至HF蒸汽或者使用反应性离子蚀刻进行蚀刻从而去除SiO2:P2O5薄膜31，参见图3C。然后排除一面，使用1至30％HF和0.1至50％HNO3的混合溶液或者使用反应性离子蚀刻进行蚀刻，从而蚀刻去除P扩散层32。通过用蚀刻封闭涂层密封基底30的另一面或者通过仅将基底30浮在溶液上，从而可以实现单面蚀刻。因此，基底30现在包括在一面上的P扩散层32′，参见图3D。
参考图4A-4F阐述在基底的一面上生产P扩散层的可选择的方法。首先，通过旋涂、喷涂或印刷用包含P2O5和SiO2精细颗粒的液体、膏状物或凝胶41涂覆基底40的表面的一个面，参见图4B。也可涂覆基底的另一面，但是这不影响该制造方法的最终结果。然后在250至500℃下加热该涂层41。若包含有机物质，则使溶剂蒸发或烧尽。P2O5和SiO2留在涂层中，参见图4C涂层41′。然后在另一个加热步骤中，在800至900℃下加热基底40历时2至50分钟。由此用SiO2:P2O5覆盖所有表面，参见图4D。氧来自大气，来自第一涂覆薄膜41′的P2O5排出至大气。P扩散进入Si核心，如同图3B，并在硅基底40的所有表面上形成SiO2:P2O5薄膜42和P扩散层43。现在使用1至50％的HF溶液或其他已知方法去除SiO2:P2O5薄膜42。排除首先涂覆的面，使用1至30％HF和0.1至50％HNO3的混合溶液或者反应性离子蚀刻，从而蚀刻去除P扩散层。通过用蚀刻封闭涂层密封其他面或者通过仅将基底浮在溶液上，从而可以实现单面蚀刻。该结果如图4F所示，其中描绘了在一面上具有P扩散层44的基底40。
参考图5A-5D阐述用于在基底的一面上产生P扩散层的可能的第三方法。使用一面上的扩散阻挡层封闭基底50的第一面，参见封闭层51。可以使用下列不同的方法形成封闭层51：
●通过旋涂或喷涂或印刷用包含SiO2或TiO2或不扩散进入硅中的物质的液体、膏状物或凝胶涂覆表面。在200至700℃下加热涂层，然后使溶剂蒸发。
●在O2或O2+H2O气氛中在850至1100℃下加热基底50历时0.5至若干小时。然后在所有表面上形成厚度超过0.1μm的SiO2薄膜。通过将基底50浸入1至10％的HF溶液而仅去除一面上的薄膜。
●使用化学气相沉积而沉积厚度大于0.1μm的SiO2或SiN或TiO2等。
在下一步骤中，采用参考图3B或4D所示的方法使P扩散进入Si核心54。形成SiO2:P2O5层52，并使P扩散进入，但是封闭层51避免P在一面上扩散进入Si核心54，参见图5C。然后通过将基底50浸入1％至50％的HF溶液而去除SiO2:P2O5层52和封闭层51。
根据另一个实施方案，使用其中两个基底表面相互接触的背对背扩散法而仅在基底的一面上扩散P。
在如上所述使磷预扩散进入基底的第一面之后，在将基底送入进一步加工的炉中之前，封闭基底的相同的第一面。在一个实施方案中，通过另一基底63的第一面62封闭基底60的第一面61。其他基底可以是类似地加工的基底，参见图6A。这一封闭方式称作背对背。与单独封闭各个基底相比，背对背构造的一个优点是需要炉中较小的空间。此外，因为所面对的基底也具有高的磷浓度，从而在更佳的条件下保持磷浓度，所以特别有效地避免磷从第一面61溢出。图6B所示为一个可选的方案，其中用尚未加工的基底65(即新鲜的基底)封闭基底60。
在炉中，将基底的第二面暴露至硼扩散源。该硼扩散源可以是蒸汽源或涂布源。在炉中，加热基底一段时间至一定温度，从而使硼扩散进入基底的第二面，同时使磷进一步扩散进入所述基底(即比所述初始深度更深)。这是利用硼蒸汽源进行扩散成功地实现的。下面参考图7详细描述一个实施方案。将两个基底70、71背对背送入炉中，并在包含O2和可以通过引导N2经过BBr3液体而产生的B2O3蒸汽的气氛中在900至1000℃下加热30至120分钟。也可以使用硼的其他液体来源如BCl3或硼酸三甲酯以代替BBr3。然后暴露的表面(即未经封闭的表面)被包含B2O3的SiO2薄膜72(下面称作SiO2:B2O3)覆盖。在Si核心70、71与SiO2:B2O3薄膜72的界面处，B扩散进入Si直至0.01至1.0μm的深度以提供B扩散层73、74。部分的B2O3可能漏入基底70、71之间的狭窄缝隙，但是因为在这些区域存在重度扩散的P所以影响非常小。同时，由所采用的热量驱使，存在于P扩散层76、77中的P也进一步扩散进入各自的Si核心70、71。这导致P扩散层比其初始深度更深。
图7的实施例的硼扩散使用蒸汽源扩散，对于本领域技术人员而言清楚的是，该方法也适用于图4A-4F的磷扩散步骤中所述的涂布源扩散的情况。
将磷的预扩散与在同时扩散硼和磷的情况下的进一步扩散相结合，产生具有非常好的特性的太阳能电池，如图8所示。图8所示为在n型多晶基底上使用新方法(在此所述)及现有技术的方法(T.Buck等人的Proceedings of 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference(4～8September 2006，Dresden，Germany)，第1264至1267页)制得的太阳能电池效率值的示意图。
通过如上所述的制造方法，与单独使磷扩散进入的情况(并不同时扩散硼)相比，磷扩散进入得更深。若采用本发明，在基底内深度为0.5μm处的磷浓度可以比深度为5μm处高100倍。
在根据本发明的方法中，磷也可以扩散进入硼一面的硅中，因为少量的磷从磷一侧溢出至相反的面(即经硼扩散的面)。然而，在硼一面，扩散进入的磷的量小于扩散进入的硼的量，扩散层可以容易地满足p型发射极的适当条件。
扩散进入的磷的量仍然高于基底的背景掺杂。深度为0.2μm处的磷浓度可以比深度为5μm处高100倍。
本发明能够产生硼掺杂曲线，其满足发射极所要求的条件，而不允许磷的量大于扩散进入经硼扩散的面的硼，并且不允许硼的量大于扩散进入经磷扩散的面的磷。
应当理解，对于本领域技术人员而言，在阅读上述文字后可以想到改变的实施方案。这些改变的实施方案落入所附权利要求所述的本发明范围之内。
Claims (15)
1.用于制造晶体硅太阳能电池的方法，其包括：
-提供晶体硅基底，其具有第一面及与所述第一面相反的第二面；
-使磷预扩散进入所述基底的所述第一面，以产生具有初始深度的磷扩散层；
-封闭所述基底的所述第一面；
-将所述基底的所述第二面暴露至硼扩散源；
-加热所述基底至一定温度一段时间，从而使硼扩散进入所述基底的所述第二面，同时使所述磷进一步扩散进入所述基底。
2.根据权利要求1的方法，其中所述使磷预扩散进入所述基底的第一面的步骤包括：
-在包含O2和P2O5的气氛中加热所述基底，从而在所述基底的所有面上形成包含SiO2和P2O5的薄膜以及中间的磷扩散层；
-从所述基底的所有面去除所述SiO2:P2O5薄膜；
-排除所述第一面，蚀刻去除所述磷扩散层。
3.根据权利要求1的方法，其中所述使磷预扩散进入所述基底的第一面的步骤包括：
-使用丝网印刷法、单面旋涂法或单面喷涂法在所述第一面上形成涂层，所述涂层包含P2O5和SiO2；
-加热所述基底，从而在所述基底的所有面上形成包含SiO2和P2O5的薄膜以及中间的磷扩散层；
-从所述基底的所有面去除所述SiO2:P2O5薄膜；
-排除所述第一面，蚀刻去除所述磷扩散层。
4.根据权利要求1的方法，其中所述使磷预扩散进入所述基底的第一面的步骤包括：
-封闭所述基底的所述第二面；
-在包含O2和P2O5的气氛中加热所述基底，从而在所述基底的所有面上形成包含SiO2和P2O5的薄膜以及中间的磷扩散层；
-从所述基底的所有面去除所述SiO2:P2O5薄膜。
5.根据权利要求1的方法，其中所述使磷预扩散进入所述基底的第一面的步骤包括：
-封闭所述基底的所述第二面；
-使用丝网印刷法、单面旋涂法或单面喷涂法在所述第一面上形成涂层，所述涂层包含P2O5和SiO2；
-加热所述基底，从而在所述基底的所有面上形成包含SiO2和P2O5的薄膜以及磷扩散层；
-从所述基底的所有面去除所述SiO2:P2O5薄膜。
6.根据权利要求4或5的方法，其中所述基底的所述第二面是通过在所述第二面上形成扩散阻挡层而封闭的。
7.根据权利要求4或5的方法，其中所述基底的所述第二面是通过另一个基底封闭的。
8.根据权利要求1至5之一的方法，其中所述基底的所述第一面是通过另一个基底的第一面封闭的。
9.根据权利要求8的方法，其中所述另一个基底包括在所述封闭时与所述基底类似地加工的经加工的基底。
10.根据权利要求1至5之一的方法，其中所述基底的所述第一面是通过用涂层覆盖所述基底的所述第一面而封闭的。
11.根据权利要求1至5之一的方法，其中所述将所述基底的所述第二面暴露至硼扩散源的步骤包括将所述基底暴露至包含O2和B2O3的气氛。
12.根据权利要求11的方法，其中所述一段时间是在30至120分钟之间。
13.根据权利要求11或12的方法，其中所述一定温度是在900至1000℃之间。
14.根据权利要求11或12的方法，其中所述B2O3是通过引导N2经过BBr3液体而产生的。
15.根据前述权利要求之一的方法制得的太阳能电池。
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