CN102800739A - 一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，该方法包括以下步骤：对P型单晶硅片表面进行清洗制绒；然后对其一面进行离子注入磷元素形成PN结；进行退火并生长氧化层；在N型表面继续沉积一层钝化和减反膜；对主栅和副栅所处位置进行清洗，采用离子注入的方法进行重掺杂并快速退火；清洗表面，去除保护膜；然后丝网印刷背面电极电场并烘干、采用丝网印刷设备或电镀方法制备正电极；最后进行烧结，即得产品。与现有技术相比，本发明具有可控性好，反应温度低，结面比较平坦、工艺灵活、均匀性和重复性好等优点。

Description

一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池，尤其涉及一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法。
背景技术
太阳电池是一种将光能转换为电能的装置，目前占晶硅材料的太阳电池占据市场90％以上的份额。晶硅电池主要分为单晶硅电池和多晶硅电池，由于单晶硅的纯度和晶体质量要高于多晶硅，所以单晶硅电池的光电转换效率一般要高于多晶硅太阳能电池。
目前，常规的商业晶体硅太阳能电池工艺技术路线如下：首先进行来料分选，然后将晶体硅表面的损伤层清洗干净，并进行制绒以形成一定绒面来减少晶体硅表面反射率；再进行高温扩散制得PN结；采用PECVD方法在电池的扩散面沉积70～80nm厚的氮化硅薄膜，起到减反和钝化的作用；最后采用丝网印刷的方式制备金属电极和背场，经烧结后制得晶体硅太阳电池片。采用这种方法生产的单晶硅电池片效率一般在16％-17％左右。在日趋激烈的市场竞争中，越来越多的硅太阳电池片生产厂商将目光投向了选择性发射极硅太阳电池，选择性发射极结构可以改善太阳电池的短波响应，降低表面复合速率和串联电阻损耗，从而提高单晶硅太阳电池效率至18％-19％。选择性发射极结构如下图所示，其有两个特征：(1)在电极栅线下及其附近形成高掺杂深扩散区；(2)在其他区域形成低掺杂浅扩散区。
目前可以制备选择性发射极结构的工艺方法有两次扩散法、涂源扩散+选择性腐蚀、含磷电极浆料、激光掺杂等方式。其中，两次扩散法由于其工艺较为复杂，且多次高温对材料本身会带来危害。涂源扩散+选择性腐蚀法在硅片表面均匀涂源进行扩散，结相对较深；而在金属化后选择性腐蚀会对电极接触造成影响。印刷含磷浆料的方法无法形成理想的重掺杂浓度及分布。干法激光掺杂事先须在减反射层表面旋涂一层掺杂源，然后用激光按一定的图形进行扫描，在光斑扫过的部分发生局部熔融而进行掺杂。但在旋涂磷源的过程中往往容易产生覆盖量的不稳定性，另外干法激光处理产生的损伤较大。
有文献也公开了刻槽埋栅的方法制备选择性发射极，在实验室取得了较高的转换效率；但该文献存在结构相对复杂，工艺实现难度高等缺点。
发明内容
本发明的目的，就是为了提供一种可控性好，反应温度低，结面比较平坦、工艺灵活、均匀性和重复性好的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对P型单晶硅片表面进行清洗制绒；
(2)然后对其一面进行离子注入磷元素形成PN结；
(3)进行退火并生长氧化层；
(4)在N型表面继续沉积一层钝化和减反膜；
(5)对主栅和副栅所处位置进行清洗，采用离子注入的方法进行重掺杂并快速退火；
(6)清洗表面，去除保护膜；
(7)然后丝网印刷背面电极电场并烘干、采用丝网印刷设备或电镀方法制备正电极；
(8)最后进行烧结，即得产品。
步骤(1)所述的清洗制绒采用NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的混合物对单晶硅片清洗；所述的NaOH的质量浓度为1％～3％，所述的制绒添加剂为市售制绒添加剂DY-810，所述的混合物中NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的体积比为5∶9∶1∶150。
步骤(2)所述的离子注入是将磷元素杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂，注入温度为200℃～400℃。
所述的掺杂的浓度分布为1018cm3～1020/cm3，掺杂的深度为0.15μm～0.4μm。
步骤(3)所述的退火温度为600℃～700℃。
步骤(4)所述的钝化和减反膜由反应气体氨气和硅烷通过等离子体增强化学气相沉积法制备得到70nm～90nm的单层氮化硅薄膜或者双层氮化硅薄膜。
步骤(5)所述的对主栅和副栅的清洗采用喷墨或丝网印刷酸性腐蚀剂、或者激光刻蚀的方法清洗；所述的重掺杂的浓度分布为1019cm3～1021/cm3，深度为0.5μm～2μm；所述的快速退火温度为600℃～700℃，时间为1～10分钟。
所述的酸性腐蚀剂为氢氟酸或硝酸，所述的激光刻蚀采用532nm或1064nm波长的激光。
步骤(6)所述的清洗表面采用低浓度酸溶液进行1～5分钟的漂洗，所述的低浓度酸溶液为1％～5％的氢氟酸。
步骤(8)所述的烧结的温度为500℃～900℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、可控性好：离子注入法能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，因而可以适用于选择性发射极结构两种不同掺杂浓度分布的要求。
2、反应温度低：发明中注入温度一般不超过400℃，退火温度在650℃左右，避免了高温过程带来的不利影响，如结的推移、热缺陷、硅片的变形等；同时避免了大量的高温能耗，降低了选择性发射极硅电池的制作成本。
4、结面比较平坦：该发明采用的离子注入法所制备的PN结结面较为平坦，有利于提高选择性发射极电池的电性能。
5、工艺灵活：可以穿透表面薄膜注入到下面的衬底中，也可以采用多种材料作掩蔽膜，如SiO2、SiNx或光刻胶等；
6、均匀性和重复性好：这在大规模生产应用中保证了选择性发射极硅太阳电池的产品质量。
附图说明
图1是本发明的选择性发射极硅太阳电池结构示意图；
图2是图1的A部放大图。
具体实施方式
实施例1
如图1-2所示，一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)对P型单晶硅片5表面进行清洗制绒，清洗制绒采用NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的混合物对单晶硅片清洗；所述的NaOH的质量浓度为1％～3％，所述的制绒添加剂为市售制绒添加剂DY-810，所述的混合物中NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的体积比为5∶9∶1∶150；
(2)然后对其一面进行离子注入磷元素形成N型硅4，然后N型硅4和P型单晶硅片5构成形成PN结12，离子注入是将磷元素杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂，注入温度为200℃，掺杂的浓度分布为1018cm3，掺杂的深度为0.15μm；
(3)在600℃～700℃进行退火并生长氧化层SiO2薄膜3；
(4)由反应气体氨气和硅烷通过等离子体增强化学气相沉积法在N型表面继续沉积一层钝化和减反膜即SiNx薄膜2，SiNx薄膜2(SiNx中x为1～3)为70nm的单层氮化硅薄膜；
(5)对主栅和副栅所处位置采用喷墨或丝网印刷酸性腐蚀剂氢氟酸或硝酸进行清洗，采用离子注入的方法进行重掺杂并快速退火，形成横向结11，重掺杂的浓度分布为1019cm3，深度为0.5μm；所述的快速退火温度为600℃，时间为1分钟；
(6)采用质量浓度为1％的氢氟酸进行1分钟的漂洗，清洗表面，去除保护膜；
(7)然后丝网印刷背面电极背电场7并烘干、采用丝网印刷设备或电镀方法制备正电极1；
(8)最后在500℃进行烧结，P型单晶硅片5和背电场7经过烧结中间形成一层掺Al的P+型硅即得产品。
离子注入是一种对半导体进行掺杂的方法。将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。注入到半导体中的受主或施主杂质大部分都停留在间隙位置处，经过适当温度的退火处理，可以使注入杂质原子的全部或大部分从间隙位置进入替位位置而释放出载流子，从而改变半导体的电特性；同时退火处理也可以减少注入损伤。
本发明利用了离子注入法的高可控性，使P型单晶硅片中形成预定的掺杂浓度分布及掺杂深度，并通过二次离子注入形成选择性发射极结构。
实施例2
一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)对P型单晶硅片表面进行清洗制绒，清洗制绒采用NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的混合物对单晶硅片清洗；所述的NaOH的质量浓度为1％～3％，所述的制绒添加剂为市售制绒添加剂DY-810，所述的混合物中NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的体积比为5∶9∶1∶150；
(2)然后对其一面进行离子注入磷元素形成N型硅，然后N型硅和P型单晶硅片构成形成PN结，离子注入是将磷元素杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂，注入温度为400℃，掺杂的浓度分布为1020/cm3，掺杂的深度为0.4μm；
(3)在700℃进行退火并生长氧化层SiO2薄膜；
(4)由反应气体氨气和硅烷通过等离子体增强化学气相沉积法在N型表面继续沉积一层钝化和减反膜即SiNx薄膜，SiNx薄膜为90nm的双层氮化硅薄膜；
(5)对主栅和副栅所处位置采用532nm或1064nm波长的激光进行激光刻蚀清洗，采用离子注入的方法进行重掺杂并快速退火，形成横向结，重掺杂的浓度分布为1021/cm3，深度为2μm；所述的快速退火温度为700℃，时间为10分钟；
(6)采用5％的氢氟酸进行5分钟的漂洗，清洗表面，去除保护膜；
(7)然后丝网印刷背面电极背电场并烘干、采用常规的丝网印刷设备或普通的电镀方法制备正电极；
(8)最后在900℃进行烧结，P型单晶硅片和背电场经过烧结中间形成一层掺Al的P+型硅即得产品。

Claims (10)

1.一种选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)对P型单晶硅片表面进行清洗制绒；
(2)然后对其一面进行离子注入磷元素形成PN结；
(3)进行退火并生长氧化层；
(4)在N型表面继续沉积一层钝化和减反膜；
(5)对主栅和副栅所处位置进行清洗，采用离子注入的方法进行重掺杂并快速退火；
(6)清洗表面，去除保护膜；
(7)然后丝网印刷背面电极电场并烘干、采用丝网印刷设备或电镀方法制备正电极；
(8)最后进行烧结，即得产品。
2.根据权利要求1所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的清洗制绒采用NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的混合物对单晶硅片清洗；所述的NaOH的质量浓度为1％～3％，所述的制绒添加剂为市售制绒添加剂DY-810，所述的混合物中NaOH、异丙醇、制绒添加剂和去离子水的体积比为5∶9∶1∶150。
3.根据权利要求1所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的离子注入是将磷元素杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂，注入温度为200℃～400℃。
4.根据权利要求3所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的掺杂的浓度分布为1018cm3～1020/cm3，掺杂的深度为0.15μm～0.4μm。
5.根据权利要求1所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的退火温度为600℃～700℃。
6.根据权利要求1所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的钝化和减反膜由反应气体氨气和硅烷通过等离子体增强化学气相沉积法制备得到70nm～90nm的单层氮化硅薄膜或者双层氮化硅薄膜。
7.根据权利要求1所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的对主栅和副栅的清洗采用喷墨或丝网印刷酸性腐蚀剂、或者激光刻蚀的方法清洗；所述的重掺杂的浓度分布为1019cm3～1021/cm3，深度为0.5μm～2μm；所述的快速退火温度为600℃～700℃，时间为1～10分钟。
8.根据权利要求7所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的酸性腐蚀剂为氢氟酸或硝酸，所述的激光刻蚀采用532nm或1064nm波长的激光。
9.根据权利要求1所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述的清洗表面采用低浓度酸溶液进行1～5分钟的漂洗，所述的低浓度酸溶液为1％～5％的氢氟酸。
10.根据权利要求1所述的选择性发射极单晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(8)所述的烧结的温度为500℃～900℃。
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