CN103606597A - 局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池及其制作方法。包括以下步骤：S1、对硅片表面清洁制绒，并在制绒后的硅片的背面镀钝化层；S2、在钝化层上设置硼扩散槽区，并利用离子注入法在硼扩散槽区内进行硼源掺杂；S3、在硅片正面依次形成p-n结和减反射膜；S4、印刷正电极和背电极并烧结，得到局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池。通过制作钝化膜代替现有技术中的掩膜层，省去了制作、去除掩膜层的步骤，同时结合离子注入法在钝化膜上的槽区内掺杂硼形成局部背场。通过在硼掺杂后制作p-n结的同时完成了离子注入法的退火步骤，省去了离子注入法后还需单独退火的步骤，在不降低电池性能的同时简化了局部掺杂背钝化的工艺步骤。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池及其制作方法。
背景技术
作为清洁环保的新能源，太阳能电池的应用越来越普及。但由于这种电池的成本较高，限制了它的快速普及。为了降低制作成本，提高太阳能电池的转换效率，需要不断地研发新技术。在太阳能电池研究中，通过改变电池结构来增加电池性能是最为有效的一种方法，但通过改变电池结构来增加电池性能较大地增加了成本。
常规P型硅片太阳能电池的生产工艺中，包括硅片制绒、p-n结扩散、去硅磷玻璃、背面镀减反射钝化膜、丝网印刷形成铝背场和双面电极等步骤，其中背面镀减反射钝化膜工艺成为研究的热点。电池的背表面通常需要引入电场（通常由掺杂方式实现）协助电极对载流子的接收，具备背场是指在电池背面的特定位置存在的电场，而在其它位置无背场。研究人员发现将设置在硅片上的全铝背场改为局部铝背场并引入背面钝化的工艺可使得制作的太阳能电池片的背表面和电池片基体得到非常好的钝化效果，有利于增加载流子寿命，提高电池效率。
但是目前采用局部铝背场并引入钝化工艺时，常规的制作工艺如图1所示，先对常规P型硅片表面制绒，然后在P型硅片背面镀掩膜层（如氮化硅膜），再在掩膜层上开槽，在槽内进行硼局部掺杂，之后去掉掩膜层，再镀氧化铝/氮化硅叠层钝化膜，之后形成局部背场的电极接触，再在氧化铝/氮化硅叠层钝化膜相应的位置开槽；而硅片正面则依次进行常规磷扩散、去硅磷玻璃、镀减反射膜、正背面印刷烧结。
为了达到局部掺杂的目的，目前主要是采用设置掩膜层的方式以避免硼杂质扩散时在不需要扩散的位置扩散，该方式虽然较好地解决了硼扩散时扩散至另一面导致的杂质补偿问题，但是在扩散完毕后还需要将掩膜层去除，增加了多个步骤，相应地增加了成本，很难实现量产。
因此，如何对目前局部硼掺杂扩散和钝化的繁杂工艺进行改进，在不影响硼掺杂扩散质量的前提下，如何采用简单的步骤形成背面钝化层并使电池具备双面发电的特性成了目前研究的热点。
发明内容
本发明旨在提供一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池及其制作方法，以解决现有技术中局部掺杂时存在的工艺步骤复杂的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：S1、对硅片表面清洁制绒，并在制绒后的硅片的背面镀钝化层；S2、在钝化层上设置硼扩散槽区，并利用离子注入法在硼扩散槽区内进行硼源掺杂；S3、在硅片正面依次形成p-n结和减反射膜；以及S4、印刷正电极和背电极并烧结，得到局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池。
进一步地，钝化层包括依次设置在硅片表面上的氧化铝层和氮化硅层，氧化铝层的厚度为1～20nm，氮化硅层的厚度为40～179nm。
进一步地，步骤S2中采用激光在钝化层上设置硼扩散槽区。
进一步地，步骤S2中采用丝网印刷腐蚀性浆料的方式在背面钝化层上设置硼扩散槽区。
进一步地，硼扩散槽区的形状为圆孔、长条或线型。
进一步地，当硼扩散槽区为圆孔时，硼扩散槽区的直径为20～100μm，硼扩散槽区的间隔为50～1000μm。
进一步地，步骤S3中采用离子注入法对硅片掺杂形成p-n结。
进一步地，步骤S1中在对硅片的背面镀钝化层之前，还包括对制绒后的硅片背面抛光的步骤。
根据本发明的另一方面，提供了一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池，采用上述任一种方法制作而成。
应用本发明的技术方案，通过在制绒后的P型硅片的背面制作钝化膜代替现有技术中的掩膜层，这样就省去了现有制作工艺中制作掩膜层、去除掩膜层的步骤，简化了程序，同时结合离子注入法在钝化膜上的槽区内掺杂硼杂质扩散形成局部背场，然后再在硅片正面进行磷掺杂扩散形成p-n结。该方法在离子注入法掺杂硼源杂质步骤后进行磷扩散制作p-n结，这样在高温磷扩散制作p-n结的同时完成了离子注入法的退火过程，省去了离子注入法后还需单独退火的步骤，在不降低电池性能的同时简化了局部掺杂背钝化的工艺步骤，降低了制作成本，适合于工业化生产
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术中制作局部掺杂背钝化晶体硅太阳能电池的工艺流程图；以及
图2示出了根据本发明一种典型实施方式中制作局部掺杂背钝化晶体硅太阳能电池的工艺流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了解决现有技术中制作局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池时工艺复杂且成本高的问题，本发明提供了一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池的制作方法。如图2所示，该制作方法包括以下步骤：S1、对硅片表面清洁制绒，并在制绒后硅片的背面镀钝化层；S2、在钝化层上设置硼扩散槽区，并利用离子注入法在硼扩散槽区内进行硼源掺杂；S3、在硅片正面依次形成p-n结和减反射膜；以及印刷正电极和背电极并烧结，得到局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池。
通过在制绒后的P型硅片的背面制作钝化膜代替现有技术中的掩膜层，这样就省去了现有制作工艺中制作掩膜层、去除掩膜层的步骤，简化了程序，同时结合离子注入法在钝化膜上的槽区内掺杂硼杂质扩散形成局部背场，然后再在硅片正面进行磷掺杂扩散形成p-n结。该方法在离子注入法掺杂硼源杂质步骤后进行磷扩散制作p-n结，这样在高温磷扩散制作p-n结的同时完成了离子注入法的退火步过程，省去了离子注入法后还需单独退火的步骤，在不降低电池性能的同时简化了局部掺杂背钝化的工艺步骤，降低了制作成本，适合于工业化生产
现有技术中由于采用了制作掩膜层的方式，在掺杂硼源时采用背面硼扩散的方式，而本申请简化了制作掩膜层和去除掩膜层的过程，而是采用镀钝化层来代替掩膜层，如果继续采用目前所采用的背面硼扩散方式，由于钝化层的渗透，部分硼杂质会扩散到硅片正面造成杂质补偿问题，所以本发明采用离子注入法在硼扩散槽区内进行硼源掺杂。离子注入法是指通过采用电离、刷选、加速等方式使目标掺杂离子源进入到基材表面之上，再通过退火激活掺杂源并形成一定掺杂浓度。本发明采用离子注入法避免了目前硼扩散导致的杂质补偿问题，并且该掺杂方式易于控制。
优选地，钝化层包括钝化层包括依次设置在硅片表面上的氧化铝层和氮化硅层，其中氧化铝层的厚度为1～20nm，氮化硅层的厚度为40～179nm。本发明采用氧化铝层和氮化硅层的复合层作为钝化层，其目的是为电池背表面提供良好的表面钝化效果并起到掩膜作用，它具有良好的场效应钝化及体钝化功能，并增强入射到背面的光的反射率。本发明优选采用氧化铝和氮化硅层的复合层作为钝化层，但并不局限于此，还可以采用氧化硅、氮氧化硅等，只要能够起到钝化作用即可。
设置钝化层后，为了使得硼源能够在特定区域内进行掺杂扩散，需要在钝化层上待掺杂的区域进行开槽，即形成局部背电场。其中开槽的方式包括很多种，根据本发明的一种典型实施方式，步骤S2中采用激光在钝化层上设置硼扩散槽区。除了采用激光设置硼扩散槽区外，步骤S2中还可以采用丝网印刷腐蚀性浆料的方式在背面钝化层上开设硼扩散槽区，大致操作步骤包括丝网印刷腐蚀浆料、烘干以及去除浆料的过程。其中所采用的腐蚀性浆料为能够腐蚀氮化硅膜层的浆料，优选采用德国Merck公司生产的Smart3000。
其中硼扩散槽区的形状可以为圆孔、长条或线型，其中线型形状可以为直线也可以为曲线。本发明优选上述形状的硼扩散槽区，但并不局限于此，只要能够达到均匀覆盖以及一定的占空比即可。优选地，硼扩散槽区的形状为圆孔或线型，采用圆孔或线型主要是考虑到布局以及占空比计算的难度，采用圆孔或线型计算简单，易于布局。硼扩散槽区一般并列间隔设置，当硼扩散槽区为圆孔时，其直径优选为20～100μm，圆孔之间的间隔为50～1000μm。将圆孔的直径控制在上述范围内利于激光光斑大小的调整，否则会导致扩散效果较差，甚至难于实现。将圆孔之间的间隔控制为50～1000μm能够得到较好的平衡，如果圆孔之间的间隔距离大于1000μm，则会因间隔距离太长增加载流子的传输距离，进而影响填充因子；如果圆孔之间的间隔距离小于50μm，则会因间隔距离太短使得钝化膜的面积减少过多，进而影响钝化效果。
考虑到扩散只能在高温下进行，而高温过程往往使得材料的晶体结构发生变化，产生二次缺陷，影响器件的性能，考虑到离子注入法在低浓度、高精度、大面积和浅结掺杂方面具有独特的优势，因此本发明采用离子注入技术较好地解决了上述问题，硼源优选采用BF3。
采用离子注入法进行掺杂会对晶格造成不可避免的损伤，为了使晶格损伤得到恢复，需要离子注入后进行退火处理，在退火处理的过程中可以使晶格得到恢复，载流子被激活。一般将离子注入后的硅片在800℃～1000℃下退火处理，而本发明在硼掺杂后并没有直接退火，而是继续在硅片的正面进行磷扩散形成p-n结。在形成p-n的步骤中需要将磷源置于800℃～1000℃的高温炉中扩散，所以本发明通过在形成p-n结的高温扩散过程中对工艺进行优化改进，在此过程中也同时完成了离子注入所需的高温退火步骤，这样仅需一次高温就完成了p-n结制作和离子注入退火的工艺，简化了制作程序，节省了能源。
本发明中的磷扩散可以采用管式扩散，其中预推进的温度为870～950℃，时间为15～30分钟，磷扩散的温度为790℃～880℃，沉积扩散及推进的时间为20～50min。为了最大程度地保证局部硼掺杂不被补偿，根据本发明的一种优选实施方式，步骤S3中采用离子注入法进行磷掺杂，将磷源磷化氢（PH3）经高电场及磁场离子化后，将其中的磷注入到硅片表面，此掺杂方式相对于常规高温磷扩散更容易控制。
在硅片的正面形成p-n结后，通过PECVD沉积形成减反射膜层，减反射膜层的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除***的杂散光，本发明优选采用氮化硅减反射层。
制作完减反射层后，为了使电池转换所获得的电能能够输出，需要在电池上印刷正电极、背电极和背电场并高温烧结，本发明采用丝网印刷的方式来制作正电极和背电极，一般采用含磷银浆进行印刷。正电极印刷步骤中银浆中的银含量一般为75～95%，正电极印刷步骤中银浆中的磷含量一般为2%～10%。银含量在上述范围内能够满足金属化的要求，同时降低银的使用量，降低生产成本。将银浆中的磷含量控制在上述范围内能够保证足够的磷源，以满足深扩散的需求。
为了增强钝化效果，根据本发明的一种优选实施方式，步骤S1中在硅片的背面镀钝化层之前，还包括对制绒后的硅片背面抛光的步骤。通过抛光可以减少背面表面积，增强背反射率，较好地改善钝化的效果。优选地，对硅片背面抛光的步骤一般包括对制绒后的硅片背面进行化学腐蚀抛光、之后化学清洗和水洗的过程。
根据本发明的另一方面，还提供了一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池，该太阳能电池是采用上述任一种方法制作而成。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的优势：
实施例1
1）将P型硅片表面清洁后送入盛放有质量百分比浓度为1%的氢氧化钾溶液和异丙醇的混合液（体积比为1:10）的制绒槽中，在60℃表面制绒20分钟。
2）对步骤1）中制绒后的硅片在8℃的硝酸-氢氟酸混合液中背面抛光，之后采用氢氧化钾、氢氟酸依次进行清洗。采用三甲基铝和水作为原料在150℃下利用ALD法（原子层沉积法）在清洗后的硅片背面沉积20分钟，形成的氧化铝层厚度为10m，之后利用硅烷及氨气作为原料，采用PECVD法在350℃下沉积氮化硅层5分钟，氮化硅层的厚度为100nm。
3）采用激光在背面钝化层上开设一系列的直线形硼扩散槽区，直线的长度为153mm，宽度为50μm，直线之间的间隔为1000μm。利用BF3作为硼源在硅片背面离子注入硼，室温下利用PH3作为磷源在硅片正面离子注入磷，之后将硅片放入930℃的退火炉中退火30分钟，然后采用硅烷及氨气作为原料在350℃下对硅片正面利用PECVD法沉积氮化硅层4分钟，厚度为80nm，之后采用银浆在正面印刷电极，采用银铝浆在背面印刷电极，采用铝浆在背面印刷以形成局部背场接触，其中，银浆中的银含量为75wt%，银铝浆中银含量为75%，铝含量为65%。之后将硅片置于在820℃下进行烧结，得到局部硼掺杂背钝化的电池片。
实施例2
1）将P型硅片表面清洁后送入盛放有质量百分比浓度为1%氢氧化钾和异丙醇混合液（体积比为1:10）的制绒槽中，在60℃表面制绒20分钟。
2）对步骤1）中制绒后的硅片在8℃的硝酸-氢氟酸混合液中背面抛光，之后采用氢氧化钾、氢氟酸依次进行清洗。采用三甲基铝和水作为原料在150℃下利用ALD法（原子层沉积法）在清洗后的硅片背面沉积20分钟，形成的氧化铝层的厚度为1nm，之后利用硅烷及氨气作为原料，采用PECVD法在350℃下沉积氮化硅层5分钟，氮化硅层的厚度179nm。
3）采用激光在背面钝化层上开设一系列的圆孔形硼扩散槽区，圆孔的直径为30μm，圆孔之间的间隔为500μm。室温下利用BF3作为硼源在硅片背面离子注入硼，室温下利用PH3作为磷源在硅片正面离子注入磷，之后将硅片放入930℃的退火炉中退火30分钟，然后采用硅烷及氨气作为原料在350℃下对硅片正面利用PECVD法沉积氮化硅层4分钟，厚度为80nm，之后10nm采用银浆在正面印刷电极，采用银铝浆在背面印刷电极，采用铝浆在背面印刷以形成局部背场接触。其中，银浆中的银含量为75wt%，银铝浆中的银含量为75wt%，铝含量为1wt%，铝浆中的铝含量为65wt%。之后将硅片置于在820℃下进行烧结，得到局部硼掺杂背钝化的电池片。
实施例3
1）将P型硅片表面清洁后送入盛放有浓度为1wt%的氢氧化钾溶液和异丙醇的混合液（体积比为1:10）的制绒槽中，在60℃表面制绒20分钟。
2）对步骤1）中制绒后的硅片在8℃的硝酸-氢氟酸混合液中背面抛光，之后采用氢氧化钾、氢氟酸依次进行清洗。采用三甲基铝和水作为原料在150℃下利用ALD法（原子层沉积法）在清洗后的硅片背面沉积20分钟，形成的氧化铝层的厚度为20nm，之后利用硅烷及氨气作为原料，采用PECVD法在350℃下沉积氮化硅层5分钟，氮化硅层的厚度为179nm。
3）采用丝网印刷腐蚀性浆料（采用德国Merck公司生产的Smart3000）的方式在背面钝层上开设一系列的直线形的硼扩散槽区，直线的长度为153mm，宽度为80um。室温下利用BF3作为硼源在硅片背面离子注入硼，室温下利用PH3作为磷源在硅片正面离子注入磷，之后将硅片放入930℃的退火炉中退火30分钟，然后采用硅烷及氨气作为原料在350℃下对硅片正面利用PECVD法沉积氮化硅层4分钟，厚度为80nm，之后采用银浆在正面印刷电极，银铝浆在背面印刷电极，采用铝浆在背面印刷以形成局部背场接触。其中，银浆中的银含量为75wt%，银铝浆中银含量为75wt%，铝含量为1wt%，铝浆中铝含量为65wt%。之后将硅片置于在820℃下进行烧结，得到局部硼掺杂背钝化的电池片。
对比例1
1）将P型硅片表面清洁后送入盛放有浓度为1wt%的氢氧化钾溶液和异丙醇的混合液（体积比为1:10）的制绒槽中，在60℃表面制绒20分钟。将制绒后的硅片背面置于硝酸-氢氟酸混合液中，在8℃下进行抛光，之后采用氢氧化钾、氢氟酸依次进行清洗。
2）利用硅烷及氨气作为原料，采用PECVD法在350℃下在硅片的背面沉积氮化硅掩膜层，其中正面氮化硅掩膜层的厚度为160nm，背面氮化硅掩膜层的厚度为160nm。在沉积掩膜层的硅片背面上利用激光法开设一系列圆孔作为硼扩散槽区，圆孔的直径为30μm，圆孔之间的间隔为500μm。利用BBr3作为硼源，将硅片置于920℃时的扩散炉中进行硼扩散，之后采用浓度为10wt%的氢氟酸将氮化硅掩膜层去除，再利用三甲基铝和水作为原料，利用ALD法（原子层沉积法）并在150℃下对去除氮化硅掩膜层的硅片背面沉积20分钟形成氧化铝钝化层，之后利用硅烷及氨气作为原料在350℃下利用PECVD法在氧化铝钝化层上再沉积氮化硅层5分钟。其中，氧化铝钝化层的厚度为10nm，氮化硅钝化层的厚度为100nm。然后再在氮化硅和氧化铝的叠层钝化层上开设硼扩散槽区，其开设位置与之前的硼扩散槽区相对应。
采用硅烷及氨气作为原料，在350℃下对硅片正面PECVD沉积氮化硅减反射膜4分钟，厚度80nm，之后采用银浆在正面印刷电极，银铝浆在背面印刷电极，铝浆在背面印刷以形成局部背场接触。其中，银浆中的银含量为75wt%，银铝浆中银含量为75%，铝含量为1wt%，铝浆中的铝含量为65wt%。之后将硅片置于在820℃下进行烧结，得到局部硼掺杂背钝化的电池片。
对实施例1至3以及对比例1中得到的局部掺杂背钝化硅片进行封装等操作，得到太阳能电池片，采用SemiLab生产的WT-2000仪器检测硅片的少子寿命，采用Halm测试仪器测定太阳能电池片的Uoc，Isc，FF，Eff，具体性能数据见表1。
表1
从表1中可以看出，实施例1至3中通过在制绒后的P型硅片的背面制作氧化铝和氮化硅钝化膜来替代对比例1中的氮化硅掩膜层，这样就省去了制作掩膜层、去除掩膜层的步骤，简化了程序，同时结合离子注入法在钝化膜上开设的硼扩散槽区内掺杂硼杂质形成局部背场，然后再在硅片正面磷掺杂扩散形成p-n结，由于将磷扩散制作p-n结步骤放在离子注入法掺杂硼源杂质步骤之后，在高温烧结制作p-n结的同时也就完成了离子注入法的退火过程，省去了离子注入后还需单独退火的步骤。从表1中少子寿命、开路电压、短路电流、填充因子以及转换效率的数据可以看出，采用本发明的工艺使得短路电流、开路电压和填充因子都得到较好的改善，提高转换效率，同时简化了局部掺杂背钝化的工艺步骤，降低了制作成本，适合于工业化生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对硅片表面清洁制绒，并在制绒后的所述硅片的背面镀钝化层；
S2、在所述钝化层上设置硼扩散槽区，并利用离子注入法在所述硼扩散槽区内进行硼源掺杂；
S3、在所述硅片正面依次形成p-n结和减反射膜；以及
S4、印刷正电极和背电极并烧结，得到所述局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述钝化层包括依次设置在所述硅片表面上的氧化铝层和氮化硅层，所述氧化铝层的厚度为1～20nm，所述氮化硅层的厚度为40～179nm。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中采用激光在所述钝化层上设置硼扩散槽区。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中采用丝网印刷腐蚀性浆料的方式在所述背面钝化层上设置硼扩散槽区。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述硼扩散槽区的形状为圆孔、长条或线型。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，当所述硼扩散槽区为圆孔时，所述硼扩散槽区的直径为20～100μm，所述硼扩散槽区的间隔为50～1000μm。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中采用离子注入法对所述硅片掺杂形成p-n结。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中在对所述硅片的背面镀钝化层之前，还包括对制绒后的所述硅片背面抛光的步骤。
9.一种局部掺杂背纯化晶体硅太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1至8中任一种方法制作而成。
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