一種製造太陽能電池的磷擴散方法

《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》是蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司於2007年10月8日申請的專利，該專利的申請號為2007101328418，公布號為CN101132033，公布日為2008年2月27日，發明人是章靈軍、左雲翔。

《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》特徵在於，包括如下步驟：（1）將待處理的單晶矽片在900～950℃氮氣氣氛下進行退火處理20～30分鐘；（2）將上述處理後的矽片在850～1050℃氯化氫氣氛下進行氧化處理，使其表面生成厚度為10至30納米的氧化層；（3）再在850～900℃下通源磷擴散，使得表面方塊電阻控制在40～50歐姆，結深0.2～1.0微米；（4）最後在700～750℃氮氣氣氛下退火處理30～60分鐘，完成單晶矽片的磷擴散處理。該發明可以採用純度為4、5N的單晶矽作為製造太陽能電池的材料，因而，可以利用冶金矽等純度較低的材料，降低材料成本，有利於單晶矽太陽能電池的普及套用。

2011年，《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》獲得第七屆江蘇省專利項目獎優秀獎。

基本介紹

• 中文名：一種製造太陽能電池的磷擴散方法
• 公布號：CN101132033
• 公布日：2008年2月27日
• 申請號：2007101328418
• 申請日：2007年10月8日
• 申請人：蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司
• 地址：江蘇省蘇州市蘇州高新區鹿山路199號
• 發明人：章靈軍、左雲翔
• 分類號：H01L31/18（2006.01）
• 代理機構：蘇州創元專利商標事務所有限公司
• 類別：發明專利
• 代理人：陶海鋒

專利背景

太陽能是人類取之不盡、用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，使用太陽能可有效減輕環境污染。大陽能光電利用是近些年來發展最快、最具活力的研究領域之一。太陽能電池主要以半導體材料為基礎製作，其工作原理是光電材料吸收光能後發生光電子轉換反應而產生電流，2007年10月前廣泛採用的是矽太陽能電池。矽太陽能電池又分為單晶矽太陽電池、非晶矽太陽電池和多晶矽太陽電池等。其中，單晶矽大陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。

2007年10月前已有技術中，單晶矽大陽能電池的製造主要包括如下步驟：去損傷層-制絨-擴散制結-等離子刻蝕去邊-去磷矽玻璃-減反射膜-絲網印刷-燒結。其中，擴散制結（通常是磷擴散制結）是一個關鍵步驟，制結質量會影響最終的光電轉換效率。在工業化生產中，典型的結製備分為兩步：第一步用氮氣通過液態的POCl₃，將所需的雜質用載流氣體輸運至高溫半導體表面，雜質擴散深度約幾百個納米；第二步是高溫處理，使預沉積在表面的雜質原子繼續向基體深處擴散，這樣就形成了一個N/N層，這樣的結構有利於後續電極的製備。這種發射區結構也可以用一步擴散法製得，但是需要增加一個腐蝕過程；快熱法也可以用於上述制結步驟，可大大簡化上述過程，但這種工藝還只處於初期研究階段。

然而，上述擴散制結工藝都是建立在高質量單晶矽材料的基礎上的，一般都要求矽材料的純度在6N以上，而純度越高，其材料成本也就越高，使得單晶矽大陽能電池的價格居高不下，難以實現普及套用。同時，利用原料純度低的金屬矽作為起始原料，經過熔融精煉、單向凝固精製等工序後，可得到純度為4N～5N的矽材料，如果進一步提純以得到6N以上的高純度矽，則會增加成本，還會降低矽的利用率。因此，開發一種直接利用4N～5N的低純度矽材料來製備具有較好的轉換效率的單晶矽太陽能電池的磷擴散方法必將具有很大的意義。

發明內容

專利目的

《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》目的是提供一種製造太陽能電池的磷擴散工藝，以便可以採用較低純度的矽材料來製備太陽能電池。

技術方案

《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》包括如下步驟：

（1）將待處理的單晶矽片在900～950℃氮氣氣氛下進行退火處理20～30分鐘；

（2）將上述處理後的矽片在850～1050℃氯化氫氣氛下進行氧化處理，使其表面生成厚度為10至30納米的氧化層；

（3）再在850～900℃下通源磷擴散，使得表面方塊電阻控制在40～50歐姆，結深0.2～1.0微米；

（4）最後在700～750℃氮氣氣氛下退火處理30～60分鐘，完成單晶矽片的磷擴散處理。

上述技術方案中，所述步驟（2）的氧化處理時間為20～30分鐘。

所述步驟（3）的磷擴散時間為25～60分鐘。

在單晶矽片中，因雜質和雜質、缺陷與雜質之間的相互作用，重金屬或微缺陷在一定的溫度下會發生遷移和再凝集。因而，通過退火可以使晶片中含雜聚成納米級的小團，從而降低複合中心密度，提高少子壽命。然而，傳統的方案中，退火處理通常需要進行4、5個小時，其擴散溫度是從低到高再到低的，當用於處理純度為4、5N的單晶矽時，難以獲得良好的除雜和制結效果。該發明在退火和磷擴散之間加入了氯化氫氣氛下的氧化處理，即採用含氯氧化法製作了氧化層，因而，整個過程中，溫度變化是從高到低再高再到低呈梯度變化的，實際試驗表明，採用上述方法後，獲得了良好的效果。

改善效果

由於上述技術方案運用，《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》與2007年10月前已有技術相比具有下列優點：

該發明在通源磷擴散前後進行退火，使晶片中含雜聚成納米級的小團，從而降低複合中心密度，提高少子壽命；並且在退火和磷擴散之間加入了氯化氫氣氛下的氧化處理步驟。經過上述處理，該發明可以採用純度為4、5N的單晶矽作為製造太陽能電池的材料，因而，可以利用冶金矽等純度較低的材料，降低了材料成本，有利於單晶矽太陽能電池的普及套用。

權利要求

1.《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》其特徵在於，包括如下步驟：

（1）將待處理的單晶矽片在900～950℃氮氣氣氛下進行退火處理20～30分鐘；

（2）將上述處理後的矽片在850～1050℃氯化氫氣氛下進行氧化處理，使其表面生成厚度為10至30納米的氧化層；

（3）再在850～900℃下通源磷擴散，使得表面方塊電阻控制在40～50歐姆，結深0.2～1.0微米；

（4）最後在700～750℃氮氣氣氛下退火處理30～60分鐘，完成單晶矽片的磷擴散處理。

2.根據權利要求1所述的製造太陽能電池的磷擴散方法，其特徵在於：所述步驟（2）的氧化處理時間為20～30分鐘。

3.根據權利要求1所述的製造太陽能電池的磷擴散方法，其特徵在於：所述步驟（3）的磷擴散時間為25～60分鐘。

實施方式

• 實施例一

將一組純度為5N的矽片用如下磷擴散工藝處理：步驟1，在950℃氮氣氣氛下保持20分鐘；步驟2，在850℃氯化氫氣氛下保持20分鐘；步驟3，在900℃通源磷擴散50分鐘；步驟4，在750℃氮氣氣氛下保持30分鐘。然後採用常規工藝方法進一步處理，得到一組太陽能電池片。

隨機選取10片，在AM1.5，溫度27℃條件下測定其短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光電轉換效率EF，結果如下表所示：

序號	Isc（安）	Voc（毫伏）	Pmax（瓦）	FF（%）	EF（%）
1	4.46644	610.52	1.73559	63.648	11.68116
2	4.54678	613.26	2.17556	77.882	14.61594
3	4.53085	613.22	2.09676	78.303	14.64234
4	4.49747	610.76	1.85691	76.332	14.11197
5	4.38281	607.12	2.07611	69.785	12.49769
6	4.44712	609.22	2.05781	76.629	13.97298
7	4.42516	608.7	2.09916	76.396	13.84986
8	4.43123	608.15	2.09444	77.895	14.12916
9	4.46954	608.6	2.09446	76.994	14.09635
10	4.50129	612.25	2.10562	76.404	14.17161
平均值	4.469869	610.18	2.039242	75.0268	13.77691

• 實施例二

將另外一組純度為5N的矽片用如下磷擴散工藝處理：步驟1，在900℃氮氣氣氛下保持25分鐘；步驟2，在1000℃氯化氫氣氛下保持25分鐘；步驟3，在900℃通源磷擴散30分鐘；步驟4，在700℃氮氣氣氛下保持50分鐘。然後採用常規工藝方法進一步處理，得到一組太陽能電池片。

隨機選取10片，在AM1.5，溫度27℃條件下測定其短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光電轉換效率EF，結果如下表所示：

序號	Isc（安）	Voc（毫伏）	Pmax（瓦）	FF（%）	EF（%）
1	4.35766	609.14	2.04992	77.226	13.79673
2	4.4196	610.17	2.09707	77.773	14.11409
3	4.39372	607.99	2.07775	77.78	13.98408
4	4.3689	608.53	2.06782	77.778	13.91723
5	4.37946	608.45	2.05224	77.017	13.81236
6	4.44184	612.49	2.13835	78.599	14.39191
7	4.40191	608.81	1.71494	63.991	11.54202
8	4.45567	612.57	2.10022	76.947	14.13526
9	4.42383	613.46	2.10247	77.472	14.15045
10	4.27499	605.99	1.78353	68.847	12.00382
平均值	4.391758	609.76	2.044531	75.343	13.5848

• 實施例三

將另外一組純度為5N的矽片用如下磷擴散工藝處理：步驟1，在920℃氮氣氣氛下保持30分鐘；步驟2，在950℃氯化氫氣氛下保持30分鐘；步驟3，在850℃通源磷擴散60分鐘；步驟4，在700℃氮氣氣氛下保持40分鐘。然後採用常規工藝方法進一步處理，得到一組太陽能電池片。

隨機選取16片，在AM1.5，溫度28℃條件下測定其短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光電轉換效率EF，結果如下表所示：

序號	Isc（安）	Voc（毫伏）	Pmax（瓦）	FF（%）	EF（%）
1	4.40454	607.89	2.00977	75.063	13.52651
2	4.43724	609.05	2.04521	75.678	13.76501
3	4.42288	609.12	2.09828	77.885	14.12223
4	4.4701	609.89	2.08441	76.456	14.0289
5	4.46758	609.76	2.08204	76.428	14.0129
6	4.51984	611.04	2.10364	76.169	14.15827
7	4.43159	606.86	2.07638	77.207	13.97485
8	4.54037	609.98	2.12963	76.895	14.3332
9	4.49947	608.79	2.0755	75.769	13.96892
10	4.52432	610.23	2.11063	76.449	14.20537
11	4.4557	609.58	2.02947	74.719	13.65908
12	4.50928	607.72	2.01459	73.515	13.55895
13	4.55504	610.54	2.14621	77.173	14.44481
14	4.51071	610.46	2.08132	75.585	14.00807
15	4.51885	611.89	2.0619	74.571	13.87738
16	4.49353	609.17	2.07788	75.909	13.98492
平均值	4.485065	609.4981	2.076679	75.96694	13.97684

• 對比例一

將一組純度為5N的矽片用傳統磷擴散工藝處理，得到一組太陽能電池片。

隨機選取12片，在AM1.5，溫度27℃條件下測定其短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率Pmax、填充因子FF和光電轉換效率EF，結果如下表所示：

序號	Isc（安）	Voc（毫伏）	Pmax（瓦）	FF（%）	EF（%）
1	3.92058	0.60462	0.84076	0.35468	5.65863
2	3.98012	0.61667	0.92812	0.37815	6.24662
3	3.97738	0.61748	0.97356	0.39641	6.55244
4	4.04155	0.61912	1.05359	0.42107	7.09106
5	4.23414	0.61565	1.13905	0.43696	7.66626
6	4.24061	0.62082	1.20179	0.45649	8.08848
7	4.38697	0.61601	1.31707	0.48737	8.86438
8	4.57012	0.61332	1.41021	0.50312	9.49122
9	4.62997	0.61498	1.49039	0.52343	10.03087
10	4.64822	0.61207	1.63927	0.57619	11.03289
11	4.59806	0.61483	1.79448	0.63476	12.07754
12	4.70738	0.6133	1.93556	0.67043	13.02708
平均值	4.327925	0.614906	1.310321	0.486588	8.818956

從上述實施例和對比例可以看出，三個實施例中，獲得的太陽能電池的性能均勻性好，三批太陽能電池的轉換效率平均值分別為13.77691％、13.5848％和13.97684％，而對比例的電池性能上下波動極大，並且其轉換效率平均值僅為8.818956％，由於對比例電池的一致性太差，轉換效率過低，不能進入商業化套用。

榮譽表彰

2011年，《一種製造太陽能電池的磷擴散方法》獲得第七屆江蘇省專利項目獎優秀獎。