CN102339893A

CN102339893A - 太阳能晶片的制备方法

Info

Publication number: CN102339893A
Application number: CN2010102345520A
Authority: CN
Inventors: 陈炯
Original assignee: SHANGHAI KAISHITONG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI KAISHITONG SEMICONDUCTOR CO Ltd
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-01

Abstract

本发明公开了一种太阳能晶片的制备方法，其包括以下步骤：S₁、在P型基底晶片的背面通过离子注入的方式注入P型离子，形成P+型掺杂层；S₂、在该P型基底晶片的表面形成N型掺杂层；S₃、在该P型基底晶片的表面镀氮化硅薄膜；S₄、在该P型基底晶片的表面制作金属电极并烧结形成表面电极；S₅、在该P型基底晶片的背面制作金属电极，并烧结形成背面电极，其中，所述的P型替换为N型时，N型同时替换为P型。使用离子注入法，可以使掺杂均匀，且能精确控制掺杂的剂量。这样可以使太阳能电池的转化效率更靠近理论设计值。

Description

太阳能晶片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能晶片的制备方法，特别是涉及一种采用离子注入的方式、用于太阳能电池背面场的制备太阳能晶片的方法。

背景技术

新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点。近几年，国际上光伏发电迅猛发展，太阳能晶片供不应求，于是提高太阳能晶片的光电转化效率和太阳能晶片的生产能力成为重要的课题。

一般来说太阳能电池制备工艺主要经过以下几个过程，以硅基底为例：

1、硅片的表面处理：硅片的表面准备是制造硅太阳电池的第一步主要工艺，它包括硅片的化学清洗和表面腐蚀。当把掺杂好的硅锭按要求切割成符合生产要求的硅片后，首先要对其表面处理，因为切割后硅片表面可能有尘埃，金属离子及其他无机物和油脂等有机物，在切割时还会产生一定的机械损伤层。经过酸性腐蚀和碱性腐蚀可以去除掉这些污染和损伤，使硅片表面光亮。之后，将硅片放入1.2％-1.5％的氢氧化钠溶液或其它酸性溶液中做金字塔绒面，使入射光在表面多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的效率。

2、扩散制结：制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层，它和制结前的表面处理均是电池制造过程中的关键工序。扩散是物质分子或原子运动的一种现象。热扩散制P-N结的方法是通过高温使V族杂质渗入P型硅或III族杂质渗入N型硅。硅太阳能电池最常用的V族杂质为磷，III族杂质为硼。对扩散的要求是获得适合于太阳能电池P-N结需要的结深和扩散层方块电阻。浅结死层小，电池短波效应好，而浅结引起串联电阻增加，只有提高栅电极的密度，才能有效提高电池的填充因子。这样就增加了工艺难度。结深太深，死层比较明显。如果扩散浓度太大，则引起重掺杂效应，使电池的开路电压和短路电流下降。在实际的电池制作中，考虑了多个方面的因素，因此太阳能电池的结深一般控制在0.3～0.5微米，方块电阻平均为20～70欧姆。目前，硅太阳能电池所用的主要热扩散方法是液态源扩散，这种工艺是通过气体携带的方法将杂质带如扩散炉内实现的。

3、去边：在扩散过程中，在硅片的周边表面也形成了扩散层，周边扩散层可以使电池的上下电极形成短路环，必须将它除去。周边上存在任何微小的局部短路都会使电池并联电阻下降，对电池的影响是致命的。去边的主要方法有腐蚀法、挤压法和离子干法刻蚀等。现在工业上最长使用的是等离子法，通入氮气、氧气和四氟化碳高压下产生辉光，通过氧离子和氟离子交替对硅作用，去掉扩散层周边的导同层。因为扩散中生成了P、P₂O₅、S_iO₂和磷硅玻璃，现在用10％的HF溶液清洗2分钟，达到出去杂质玻璃的目的。

4、制作减反射膜：光照射到平面的硅片上，其中有一部分被反射，即使已经绒面的硅表面，也约有11％的反射损失，在硅表面覆盖一层减反射膜，可大大降低光的反射。现在采用的喷涂法，它是利用高温在硅表面生成二氧化酞膜；还有一种喷涂的方法，是用PECVD(等离子体化学气相沉淀)***，它是由电脑控制，在真空、高压射频源条件下，使的氨气和硅烷气体电离，在硅表面形成氮化硅膜。

5、电极制作：电极就是与P-N结两端形成紧密欧姆接触的导电材料。这样的材料应该满足：与硅可形成牢固的接触而且接触电阻小、导电性优良、遮挡面积小、收集效率高等要求。目前商品化电池生产中大量被采用的工艺是银浆或银/铝浆印刷，而且该工艺已经走向成熟，栅线的宽高比已经大大减小，这与电池电极设计的原则——让电池的输出最大，即电池的串联电阻尽可能小且电池的光照作用面积尽可能大是完全一致的。

6、电极制作完毕，就到了下一个工序-烧结。烧结是太阳能单片电池的最后一道制作工序，此步中良好的温度曲线是关键，烧结时间要把握好，首先要低温让浆液中的混融剂等物质排除，加热或烧结到铝-硅共熔点以上烧结合金。经过合金化以后，随着降温，液相中的硅将重新凝固起来，形成含有一定量铝的再结晶层，它实际上是一个对硅掺杂的过程，它补偿了背面N+层中的施主杂质，得到以铝掺杂的P型层，随着合金温度的上升，液相中的铝的比例增多，在足够的铝量合金温度下，背面甚至能形成与前方相同的电场，成为背电场，目前该工艺已被用于大批量的工业生产中，从而提高了开路电压和短路电流，并减小了电极接触电阻。背结能否烧穿与基本材料的电阻率、背面扩散层的掺杂浓度和厚度、背面厚度或印刷铝层厚度、烧结的温度以及时间和温度等因素都有关系。温度过高会把电池的两极烧穿，严重损坏了电池，温度不够高不能保证电极的欧姆接触良好性，所以必须要有一个合适的温度去烧结。这样单片的太阳能电池片就完成了，最后到测试，然后是焊接和封装工艺。

如上所述，现在常见的形成太阳能电池背面场的方法为使用铝元素在P型基底晶片背面用热扩散的方法掺杂，由于铝在硅中固溶度的限制，采用该方法时P+型的掺杂浓度很难达到理论设计所需浓度，从而影响到太阳能电池对太阳光的吸收效率进一步提高。

而且，硅片越来越薄时，上述的传统太阳电池工艺遇到了一些问题。其中之一是与在整个背面加铝合金有关。合金工艺及硅与铝之间的热失配引起应力场扩展，使得硅片明显弯曲。这在硅片处理和组件制造中会产生很多问题。另一问题是背面的载流子复合。背面区域高掺杂铝(称为“铝背场BSF”)，只能提供中等的表面钝化。对于很薄的电池片，背面的复合现象非常重要，如若处理不当会引起短路电流密度和开路电压二者的损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的热扩散工艺中掺杂离子浓度无法精确控制、热扩散工艺步骤繁杂以及由于应力不均导致的硅片弯曲的缺陷，提供一种工艺步骤简单、能够精确控制掺杂离子浓度并且可以消除铝和硅结合部位应力场的太阳能晶片的制备方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种太阳能晶片的制备方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S₁、在P型基底晶片的背面通过离子注入的方式注入P型离子，形成P+型掺杂层；

S₂、在该P型基底晶片的表面形成N型掺杂层；

S₃、在该P型基底晶片的表面镀氮化硅薄膜；

S₄、在该P型基底晶片的表面制作金属电极并烧结形成表面电极；

S₅、在该P型基底晶片的背面制作金属电极，并烧结形成背面电极，

其中，所述的P型替换为N型时，N型同时替换为P型。

优选地，步骤S₁中注入的P型离子能量为10-50keV，浓度为2E15-7E15/cm³，形成的P+型掺杂层的方块电阻为20-80Ω/m²。

优选地，步骤S₂中通过离子注入或者扩散的方式形成N型掺杂层，其中N型离子的掺杂浓度为1E17-5E19/cm³。

优选地，步骤S₂之后、步骤S₃之前还包括在该P型基底晶片的背面镀绝缘介质薄膜的步骤。

优选地，所述绝缘介质薄膜为SiOx、SiCx、SiNx或Al₂O₃薄膜。

优选地，步骤S₄中通过丝网印刷法制作金属电极，并且烧结温度为850-1000℃，使得烧结和退火同时进行。

优选地，步骤S₅中制作金属电极的方法为丝网印刷法。

本发明的积极进步效果在于：

1、通过使用该方法，使太阳能电池背面的高低结势垒与硅片正面形成的n+p结势垒方向一致，能够提高太阳能电池的开路电压；另外，高低结势垒对p区少子-电子有阻挡和反射作用，既减少了背表面的复合作用，又提高了pn结对光生少子的收集几率，也能提高太阳能电池的短路电流。所以通过上述方法制备所得的电池结构，可以提高太阳能电池的效率。

2、通过采用该方法形成的结构，可以使太阳能电池对长波的灵敏度增大，可以提高太阳能电池对太阳光的吸收效率。

3、使用离子注入法，可以使掺杂均匀，且能精确控制掺杂的剂量。这样可以使太阳能电池的转化效率更靠近理论设计值。

4、采用离子注入法，没有热扩散法中的铝在硅中固溶度的限制，可以在背面形成所需的较高浓度的掺杂，可以进一步提高太阳能电池对太阳光的吸收效率。

5、在晶片背面镀金属薄膜，形成背面电极的方法，由于烧结和退火同时进行，而且晶片背面没有涂镀大面积的金属铝，所以不存在金属薄膜(如铝)和基底(如硅)的结合部位的应力场，从而大大减少太阳能晶片的弯曲。

6、针对现在使用的生产线，只需要用离子注入方法替代扩散方法进行掺杂，而不需要更改生产线上的其他制程。

附图说明

图1-6为本发明的制备太阳能电池的分解步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

参考图1-图6，详细介绍本发明的太阳能晶片的制备方法，尤其涉及太阳能电池背面场的制作方法，以P型基底1的太阳能晶片为例，介绍本发明所述太阳能晶片的制备方法，特别用于太阳能电池的选择性发射极的制作方法包括以下步骤：

参考图1，步骤S₁，在以P型半导体为基底的晶片的背面通过离子注入的方式注入P型离子例如注入硼离子，形成P+型掺杂层2，所掺杂的P型离子被加速至10-50keV，掺杂浓度可以为2E15-7E15/cm³，当然本领域技术人员也可根据实际需要选择其他合适的值，形成的P+型掺杂层的方块电阻为20-80Ω/m²；

参考图2，步骤S₂，在该P型基底晶片的表面形成N型掺杂层3，可通过离子注入或者扩散的方式掺杂浓度为1E17-5E19/cm³的N型离子以形成N型掺杂层，本领域技术人员也可根据实际需要选择其他合适的值；

参考图4，步骤S₃，在该P型基底晶片的表面涂镀SiNx氮化硅薄膜5；

参考图5，步骤S₄，在该P型基底晶片的表面制作金属电极并烧结形成表面电极6，金属电极通过丝网印刷法制作，并且烧结和退火同时进行，即烧结的温度可以使通过离子注入或扩散生长的方式形成的掺杂杂质活化，以达到退火的目的，例如在850-1000℃的温度下烧结，或者本领域技术人员可根据需要选择合适的公知温度进行烧结；

参考图6，步骤S₅，在该P型基底晶片的背面制作金属电极，并烧结形成背面电极7，可以通过丝网印刷法制作金属电极，本领域技术人员也可根据自身需要选择其他的公知手段制作。通过以上方法制作的太阳能电池，其掺杂离子的浓度得到了精确的控制，从而得到较理想的方块电阻(20-80Ω/m²)，并由此提高了太阳能电池的转换效率。另外，由于不需要整个背面涂镀金属铝，因此没有形成大面积的金属面，所以就不会存在造成硅片弯曲的应力。而且采用本发明所述的方法所制成的太阳能电池可两面(背面和表面)吸收太阳光。

参考图3，为了进一步提高太阳能电池的转换效率，步骤S₂之后、步骤S₃之前还可以在该P型基底晶片的背面镀绝缘介质薄膜4，可以采用SiOx、SiCx、SiNx、Al₂O₃等材料作为绝缘介质薄膜；

另外，只需要在上述过程中，调换基底材料和以离子注入或扩散生长的方式掺杂的杂质材料，则该方法同样适用于N型太阳能晶片的制作。不过此时在N型基底晶片背面上注入的是磷离子等N型离子，以形成N+型掺杂。各种掺杂离子的浓度和温度参数、绝缘介质薄膜和氮化硅薄膜的厚度以及表面电极和背面电极的厚度参数等均为现有技术，本领域技术人员可根据实际需要自行调节。

上述步骤3和步骤4在实际中的具体实现是本领域的现有技术，并非本发明的发明点所在，本领域技术人员可以根据自身需要选择其他合适的公知手段。

本发明通过离子注入的方式代替热扩散方法掺杂杂质离子，实现了掺杂离子浓度的精确控制，由此能够获得理想的方块电阻，以此提高了太阳能电池的转换效率，取得了积极的技术效果。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种太阳能晶片的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S₂、在该P型基底晶片的表面形成N型掺杂层；

S₃、在该P型基底晶片的表面镀氮化硅薄膜；

其中，所述的P型替换为N型时，N型同时替换为P型。

2.如权利要求1所述的太阳能晶片的制备方法，其特征在于，步骤S₁中注入的P型离子能量为10-50keV，浓度为2E15-7E15/cm³，形成的P+型掺杂层的方块电阻为20-80Ω/m²。

3.如权利要求1所述的太阳能晶片的制备方法，其特征在于，步骤S₂中通过离子注入或者扩散的方式形成N型掺杂层，其中N型离子的掺杂浓度为1E17-5E19/cm³。

4.如权利要求1所述的太阳能晶片的制备方法，其特征在于，步骤S₂之后、步骤S₃之前还包括在该P型基底晶片的背面镀绝缘介质薄膜的步骤。

5.如权利要求4所述的太阳能晶片的制备方法，其特征在于，所述绝缘介质薄膜为SiOx、SiCx、SiNx或Al₂O₃薄膜。

6.如权利要求1所述的太阳能晶片的制备方法，其特征在于，步骤S₄中通过丝网印刷法制作金属电极，并且烧结温度为850-1000℃，使得烧结和退火同时进行。

7.如权利要求1所述的太阳能晶片的制备方法，其特征在于，步骤S₅中制作金属电极的方法为丝网印刷法。