CN110137304A - 一种掺杂硅片的制备方法和太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体公开一种掺杂硅片的制备方法和太阳电池。所述制备方法包括如下步骤：制备掺硼多晶硅锭或掺硼单晶硅棒，切片，得到硅片；在形成P‑N结前，采用离子注入或热扩散方法向所述硅片中掺入掺杂元素；和/或在形成P‑N结后，在印刷工序中，向所述硅片中掺入掺杂元素，所述掺杂元素包括镓或铟中的的至少一种。本发明提供的制备方法，在形成多晶硅锭或单晶硅棒后，再对硅片进行掺杂，提高多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率，并抑制硼氧复合体的形成，延长少数载流子寿命，提升电池效率及电池性能。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种掺杂硅片的制备方法和太阳电池。
背景技术
随着化石能源的逐渐耗尽，太阳电池作为新的能源替代方案，使用越来越广泛。太阳电池是将太阳的光能转换为电能的装置。太阳电池利用光生伏特原理产生载流子，然后使用电极将载流子引出，从而利于将电能有效利用。
目前，光伏产业中的掺硼晶体硅片制成的太阳电池的效率衰减1.5～7％，衰减程度大小取决于硼元素的掺杂浓度、氧含量、电池结构。电池的光致衰减产生的本质原因为掺杂基底中的代替位硼原子和多晶硅中间隙态的氧原子在光注入的情况下会形成硼氧复合体。硼氧复合体是深能级复合中心，会降低少数载流子的寿命，从而降低少数载流子的扩散长度，导致太阳电池的效率降低，并且影响电池的长期可靠性。
当前P型多晶以及P型单晶的组件光衰情况较为明显，主要表现为硼氧复合体的影响，导致P型perc电池的推广较为困难。虽然通过掺杂可以减少硼氧复合体的形成，然而，现有掺杂技术中由于掺杂元素在硅溶液中的分凝系数远小于硼元素，在铸锭或拉棒过程中会导致掺杂元素分布不均，最终导致多晶硅锭或单晶硅棒电阻率分布极不均匀，从而降低了多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率。
发明内容
针对现有多晶硅或单晶硅掺杂中掺杂元素分布不均，导致电阻率分布不均匀，多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率低，以及P型多晶以及P型单晶的组件受硼氧复合体的影响严重，导致光衰情况较为明显的问题，本发明提供一种掺杂硅片的制备方法和太阳电池。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备阻率为0.5Ω·cm-10Ω·cm的掺硼多晶硅锭或掺硼单晶硅棒，并将所述多晶硅锭或单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)在形成P-N结前，采用离子注入或热扩散方法对所述硅片的背面进行掺杂处理，掺入掺杂元素，掺杂深度≤0.1mm；和/或
在形成P-N结后，在印刷工序中，对所述硅片的背面进行掺杂处理，掺入掺杂元素，掺杂深度≤0.1mm，
所述掺杂元素包括镓或铟中的的至少一种，所述掺杂元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1014-1.0×1017atoms/cm3。
由于镓元素或铟元素在硅溶液中的分凝系数远小于硼元素，在铸锭或拉棒过程中会导致镓或铟元素分布不均，最终导致多晶硅锭或单晶硅棒电阻率分布极不均匀，从而降低了多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率，且影响硅片性能。而本申请中在形成多晶硅锭或单晶硅棒后，再对硅片进行掺杂，可以避免由于掺杂元素分布不均匀而导致的多晶硅锭或单晶硅棒电阻率分布极不均匀的现象，有效提高多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率。本申请中控制多晶硅锭或单晶硅棒的电阻率为0.5Ω·cm--10Ω·cm，高于常规的多晶硅锭或单晶硅棒的电阻率，是为后续掺杂做预留，保证掺入掺杂元素后所得到的硅片的电阻率达到常规水平，满足要求。然而，上述的掺杂目的并不是为了形成P-N结，而是是在形成P-N结前或在形成P-N结后，对硅片进行掺杂，是对铸锭或拉棒过程中硼元素掺杂的补充，通过掺入镓元素或铟元素与硼共掺以抑制硼氧复合体产生，改善光致衰减现象。
具体地，在步骤(2)中，在形成P-N结前，采用离子注入或热扩散方法对所述硅片的背面进行掺杂处理，掺入掺杂元素，使镓元素或铟元素与硼共掺，然后，采用磷扩散或离子注入对硅片正面进行掺杂，形成P-N结；和/或在形成P-N结后，即采用磷扩散或离子注入对硅片正面进行掺杂形成P-N结后，再在印刷工序中，对所述硅片的背面进行掺杂处理，掺入掺杂元素，使镓元素或铟元素与硼共掺，避免由于掺杂元素分布不均匀而导致的电阻率分布极不均匀的现象，有效提高多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率，并控制掺杂元素在硅片中的原子体积浓度，抑制硼氧复合体产生，改善光致衰减现象。
进一步地，所述掺杂元素选自含有镓元素或铟元素的单质、合金或化合物，其中，合金为铟镓合金、镓硅合金或镓硅合金。
进一步地，所述含有镓元素的化合物为氧化镓、氮化镓、氢氧化镓或镓盐，镓盐如氯化镓、硝酸镓、硫酸镓等；所述含有铟元素的化合物为氧化铟、氮化铟、氢氧化铟或铟盐，铟盐如硝酸铟、硫酸铟。
进一步地，采用扩散法或离子注入法形成P-N结，即采用离子注入或热扩散掺入镓元素或铟元素后，继续采用扩散法或离子注入法来形成P-N结。
进一步地，步骤(2)中，采用离子注入方法向所述硅片中注入掺杂元素后，进行高温烧结，所述烧结温度为750-950℃，对铸锭过程中进行硼元素掺杂的一个补充，形成P型硅片，抑制硼氧复合体的形成，并改善硅片的电阻率。
进一步地，所述离子注入方法为：将含有掺杂元素的物料放入蒸发器中，加热至气态，通入到离子源中，通过RF射频将掺杂元素原子激发成离子，所述离子通过电场获得能量形成离子束流，将所述硅片输送至所述离子束流下方，完成离子注入，实现掺杂元素的掺入，其中，含有掺杂元素的物料为含有镓元素或铟元素的单质、合金或化合物。
进一步地，在印刷工序中，在铝浆中掺入含有镓元素或铟元素的单质，在第二道背面铝背场的印刷过程中，向所述硅片中掺入掺杂元素，抑制硼氧复合体的形成，并提高硅锭或晶棒的有效利用率。
进一步地，步骤(2)中得到的硅片的电阻率为0.3Ω·cm-5Ω·cm。
本发明还提供了一种太阳电池，该太阳电池的硅基体采用上述任一种制备方法制备的硅片。
相对于现有技术，采用本发明的技术方案，在形成掺硼多晶硅锭或掺硼单晶硅棒后，切片得到相应的硅片，在形成P-N结前，采用离子注入或热扩散方法向所述硅片中注入镓或锗掺杂元素，或在形成P-N结后，在印刷工序中，向所述硅片中掺入镓或锗掺杂元素，避免在铸锭或拉棒过程中由于掺杂元素分布不均匀而导致的多晶硅锭或单晶硅棒电阻率分布极不均匀的现象，有效提高多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率。此外，掺入镓或铟掺杂元素是对铸锭或拉棒过程中硼元素掺杂的补充，与硼元素共掺以抑制硼氧复合体的形成，延长少数载流子寿命，改善电池光致衰减现象，提升电池效率及电池性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将多晶硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用多晶铸锭炉制备电阻率为0.5Ω·cm的掺硼多晶硅锭，并将所述多晶硅锭切片，得到硅片；
(2)在形成P-N结前，将氮化镓放入蒸发器中，加热至气态，通入到水平式离子注入机的离子源中，通过RF射频镓原子激发成离子，镓离子通过电场获得能量形成离子束流，将上述硅片输送至所述离子束流下方，在硅片的背面完成离子注入，然后，于750℃进行烧结10min，得到电阻率为0.3Ω·cm的P型掺镓硅片，掺杂深度0.05mm，其中，镓元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1014atoms/cm3。然后，采用磷扩散对硅片的正面进行掺杂，形成P-N结。
实施例2
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将单晶硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用单晶炉制备电阻率为10Ω·cm的掺硼单晶硅棒，并将所述单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)在形成P-N结前，将氧化镓和氧化铟(两者摩尔比为1:1)放入蒸发器中，加热至气态，通入到水平式离子注入机的离子源中，通过RF射频镓原子、铟原子激发成离子，离子通过电场获得能量形成离子束流，将上述硅片输送至所述离子束流下方，在硅片的背面完成离子注入，然后，于800℃进行烧结5s，得到电阻率为5Ω·cm的P型掺镓铟硅片，掺杂深度0.06mm，其中，镓和铟元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1015atoms/cm3。然后，采用离子注入法对硅片的正面进行掺杂，掺入磷元素，形成P-N结。
实施例3
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用单晶炉制备电阻率为8Ω·cm的掺硼单晶硅棒，并将所述单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)在形成P-N结前，将氮化铟放入蒸发器中，加热至气态，通入到水平式离子注入机的离子源中，通过RF射频铟原子激发成离子，离子通过电场获得能量形成离子束流，将上述硅片输送至所述离子束流下方，在硅片的背面完成离子注入，然后，于800℃进行烧结5min，得到电阻率为3Ω·cm的P型掺铟硅片，掺杂深度0.07mm，其中，铟元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1016atoms/cm3。然后，采用离子注入法对硅片的正面进行掺杂，掺入磷元素，形成P-N结。
实施例4
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用单晶炉制备电阻率为5Ω·cm的掺硼单晶硅棒，并将所述单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)形成P-N结前，以氮化镓为镓源，采用热扩散方法，在硅片的背面进行镓扩散，得到电阻率为3Ω·cm的P型掺镓硅片，掺杂深度0.06mm，其中，镓元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1015atoms/cm3。然后，采用离子注入法对硅片的正面进行掺杂，掺入磷元素，形成P-N结。
实施例5
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将单晶硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用单晶炉制备电阻率为3Ω·cm的掺硼单晶硅棒，并将所述单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)形成P-N结前，以氢氧化铟为铟源，采用热扩散方法，在硅片的背面进行铟扩散，得到电阻率为1Ω·cm的P型掺铟硅片，掺杂深度0.07mm，其中，铟元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1015atoms/cm3。然后，采用磷扩散对硅片的正面进行掺杂，形成P-N结。
实施例6
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将多晶硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用多晶铸锭炉制备电阻率为7Ω·cm的掺硼多晶硅锭，并将所述多晶硅锭切片，得到硅片；
(2)采用磷扩散形成P-N结后，在印刷工序中，完成第一道背面银电极的印刷后，在铝浆中掺入镓单质，在第二道背面铝背场的印刷过程中，向所述硅片中掺入镓元素，然后，继续第三道正面银电极的印刷，经烘干和烧结后，得到电阻率为5Ω·cm的掺镓硅片，掺杂深度0.05mm，其中，铟元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1014atoms/cm3。
实施例7
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将多晶硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用多晶铸锭炉制备电阻率为6Ω·cm的掺硼多晶硅锭，并将所述多晶硅锭切片，得到硅片；
(2)在形成P-N结前，将硝酸镓放入蒸发器中，加热至气态，通入到水平式离子注入机的离子源中，通过RF射频镓原子激发成离子，镓离子通过电场获得能量形成离子束流，将上述硅片输送至所述离子束流下方，在硅片的背面完成离子注入，然后，于750℃进行烧结10min；后续，继续采用离子注入对硅片的正面进行磷掺杂，形成P-N结；之后，再在印刷工序中，完成第一道背面银电极的印刷后，在铝浆中掺入铟镓合金，在第二道背面铝背场的印刷过程中，向所述硅片中掺入铟镓元素，然后，继续第三道正面银电极的印刷，经烘干和烧结后，得到电阻率为3Ω·cm的掺镓铟硅片，掺杂深度0.08mm，其中，镓、铟元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1017atoms/cm3。
实施例8
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用单晶炉制备电阻率为10Ω·cm的掺硼单晶硅棒，并将所述单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)将硫酸铟放入蒸发器中，加热至气态，通入到水平式离子注入机的离子源中，通过RF射频铟原子激发成离子，离子通过电场获得能量形成离子束流，将上述硅片输送至所述离子束流下方，在硅片的背面完成离子注入，于950℃进行烧结5min；随后，以氯化镓为镓源，采用热扩散方法，在硅片的背面再进行镓扩散，得到P型掺铟镓硅片，掺杂深度0.09mm，再采用磷扩散形成P-N结，其中，镓、铟元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1016atoms/cm3。
实施例9
一种掺杂硅片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将硅料、硼硅合金加入到坩埚中，采用单晶炉制备电阻率为5.2Ω·cm的掺硼单晶硅棒，并将所述单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)在磷扩散之前，即形成P-N结前，以氯化镓为镓源，采用热扩散方法，在硅片的背面进行镓扩散，随后，在硅片的正面进行磷扩散，形成P-N结；然后，在印刷工序中，完成第一道背面银电极的印刷后，在铝浆中掺入铟单质，在第二道背面铝背场的印刷过程中，向所述硅片中掺入铟元素，然后，继续第三道正面银电极的印刷，经烘干和烧结后，得到电阻率为2.5Ω·cm的掺镓铟硅片，掺杂深度0.08mm，其中，镓、铟元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1017atoms/cm3。
上述实施例中所得到的硅片可以用于太阳电池，提升电池效率及电池性能。
本发明实施例提供的掺杂硅片的制备方法，在形成掺硼多晶硅锭或掺硼单晶硅棒后，再对硅片进行镓和/或铟掺杂，有效提高多晶硅锭或单晶硅棒的有效利用率，使得到的硅片电阻率分布均匀，并通过控制镓、铟在硅片中的原子体积浓度抑制硼氧复合体的形成，延长少数载流子寿命，提升电池效率及电池性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种掺杂硅片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备电阻率为0.5Ω·cm-10Ω·cm的掺硼多晶硅锭或掺硼单晶硅棒，并将所述多晶硅锭或单晶硅棒切片，得到硅片；
(2)在形成P-N结前，采用离子注入或热扩散方法对所述硅片的背面进行掺杂处理，掺入掺杂元素，掺杂深度≤0.1mm；和/或
在形成P-N结后，在印刷工序中，对所述硅片的背面进行掺杂处理，掺入掺杂元素，掺杂深度≤0.1mm，
所述掺杂元素包括镓或铟中的的至少一种，所述掺杂元素在硅片中的原子体积浓度为1.0×1014-1.0×1017atoms/cm3。
2.如权利要求1所述的掺杂硅片的制备方法，其特征在于：所述掺杂元素选自含有镓元素或铟元素的单质、合金或化合物。
3.如权利要求1所述的掺杂硅片的制备方法，其特征在于：所述含有镓元素的化合物为氧化镓、氮化镓、氢氧化镓或镓盐；所述含有铟元素的化合物为氧化铟、氮化铟、氢氧化铟或铟盐。
4.如权利要求1所述的掺杂硅片的制备方法，其特征在于：采用扩散法或离子注入法形成P-N结。
5.如权利要求1所述的掺杂硅片的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，采用离子注入方法向所述硅片中注入掺杂元素后，进行高温烧结，所述烧结温度为750-950℃。
6.如权利要求1所述的掺杂硅片的制备方法，其特征在于：所述离子注入方法为：将含有掺杂元素的物料放入蒸发器中，加热至气态，通入到离子源中，通过RF射频将掺杂元素原子激发成离子，所述离子通过电场获得能量形成离子束流，将所述硅片输送至所述离子束流下方，完成离子注入。
7.如权利要求1所述的掺杂硅片的制备方法，其特征在于：在印刷工序中，在铝浆中掺入含有镓元素或铟元素的单质，在第二道背面铝背场的印刷过程中，向所述硅片中掺入掺杂元素。
8.如权利要求1所述的掺杂硅片的制备方法，其特征在于：步骤(2)中得到的硅片的电阻率为0.3Ω·cm-5Ω·cm。
9.一种太阳电池，其特征在于：所述的太阳电池的硅基体采用权利要求1至8任一项所述的制备方法制备的硅片。
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