选择性发射极太阳电池结构及其实现方法

选择性发射极太阳电池结构及其实现方法

摘要本文在总结选择性发射极结构的特征和优点的基础上,对实现选择性发射极结构的工艺方法进行综述,并提出几种可能的改进方法,为低成本实现选择性发射极结构提供新的思路。

AbstractThis paper described the characters and advantages of the selective emitters, and summarized the available manufacture processes, and then proposed some feasible improvements in the purpose of providing new ideas for the low cost fabrication of the selective emitters solar cell.

KeywordsC-Si solar cells the selective emitters fabrication methods

0引言

太阳电池的发展方向是低成本、高效率,而选择性发射极结构是p-n结晶体硅太阳电池生产工艺中有希望实现高效率的方法之一。选择性发射极结构有两个特征:

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。结合其特征,实现选择性发射极结构的关键便是如何形成上面所说的两个区域。其实现方法有很多,但总的来说,可以分为双步扩散法和单步扩散法。双步扩散法是进行两次热扩散而形成该结构。而单步扩散法是在一次热扩散中形成该结构。这两种扩散法都有很多种操作形式。但由于双步扩散法存在不足,单步扩散法已逐渐成为制作选择性发射极的主要方法,其具体操作一般都是首先在硅片表面的不同区域得到不同量的扩散杂质源,由于扩散杂质源的不同将会得到不同的扩散结果,进行热扩散后就形成高低浓度的掺杂,得到选择性发射极结构。所以,本文主要就单步扩散法中实现选择性发射极的工艺方法进行讨论,并提出几种可行的改进方法,期望能为低成本实现选择性发射极结构提供新的思路。

1选择性发射极结构的特征及优点

1.1选择性发射极结构的特征

选择性发射极结构有两个特征:

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(活性区)形成低掺杂浅扩散区,这样便获得了一个横向高低结。这种结构有几种常见的形式,在理想的情况下,如果不考虑扩散区域的杂质浓度差异,而认为杂质是均匀分布的,可以用图1中的(a)、(b)、(c)表示。

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1.2选择性发射极结构的优点

总的来说,该种结构的优点是可以提高太阳电池的开路电压Voc,短路电流Isc和填充因子F.F.,从而使电池获得高的光电转换效率。而这样的好处正是在太阳电池不同的区域中形成掺杂浓度高低不同、扩散深浅不同所带来的。

1)在活性区形成低掺杂浅扩散区带来的好处

在此区低掺杂可以降低少数载流子的体复合几率,且可以进行较好的表面钝化,降低少数载流子的表面复合几率,从而减小电池的反向饱和电流,提高电池的开路电压Voc和短路电流Isc。另外,因越靠近太阳电池的表面,光生载流子的产生率越高,而越靠近扩散结光生载流子的收集率越高,故浅扩散结可以在高载流子产生率的区域获得高的收集率,提高电池的短路电流Isc。

2)在电极栅线底下及其附近形成高掺杂深扩散区带来的好处

在此区高掺杂,做电极时容易形成欧姆接触,且此区域的体电阻较小,从而降低太阳电池的串联电阻,提高电池的填充因子F.F.。杂质深扩散可以加深加大横向n+/p结,而横向n+/p 结和在低掺杂区和高掺杂区交界处形成的横向n+/n高低结可以提高光生载流子的收集率,从而提高电池的短路电流Isc。另外,深结可以防止电极金属向结区渗透,减少电极金属在禁带中引入杂质能级的几率。

2实现选择性发射极结构的现有方法

2.1双步扩散法

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此扩散方法分两个步骤分别形成选择性发射极结构的两个不同区域。一般在高掺杂深扩散区得到16Ω/□左右的方块电阻,而在低掺杂浅扩散区得到80Ω/□左右的方块电阻。它可以用多种形式来实现选择性发射极结构,表1给出其中的一种。用此工艺,结合SiN4/MgF2双层减反射膜已在100cm2多晶硅上实现15.9%的转换效率。但由于两步扩散法中硅片有两次高温热过程,对硅片的损害较大而且热耗也很大,从成结的质量和工艺成本来说,两步扩散法不太理想。

2.2单步扩散法

单步扩散法是为了避免双步扩散法的弊端而形成的。由于其热耗少并且避免了对硅片的二次高温处理而带来的损害等优点,因此逐渐成为了制作选择性发射极的主要方法。它的具体操作形式有多种,其中与快速扩散方法结合,可以进一步降低工艺的热耗,具有很好的商业化前景。

2.2.1在硅片表面均匀涂源进行扩散和选择性腐蚀

此工艺包括两个过程:1)在硅片表面均匀涂源进行扩散,结相对较深;2)丝网印刷前电极,金属化后,非电极区用等离子体腐蚀很薄的一层,则选择性发射极也就形成了,如图1中的(b)所示。此方法中等离子体腐蚀需要相对复杂和昂贵的设备,腐蚀过程中也会对电极的接触有影响。

2.2.2加热源的掩模处理

此工艺是对加热源进行选择性处理,主要应用于快速扩散系统中,将光源按照选择性发射极的需要进行掩模处理,使得均匀地印刷在硅片表面上的杂质在扩散过程中受光和热不均匀而造成扩散深浅不同、浓度高低不同的区域,从而形成选择性发射极结构。此方法中,要求掩模在高温扩散的过程中不能变形,且操作也较复杂。

2.2.3仅在电极区印刷高浓度磷浆,然后放入扩散炉中进行扩散

将高浓度磷浆如电极栅线状印刷到硅片表面,然后将硅片放入扩散炉中进行扩散(可以是常规扩散,也可以是快速扩散)。高浓度磷浆在扩散过程中从印刷区挥发沉积到非印刷区。由于这样挥发沉积得到磷浓度不如印刷区的高,这样就形成高低浓度的掺杂,得到选择性发射极结构,如图2所示此方法中,对非印刷区的掺杂可能过低,尤其是在短时间(1分钟内)的快速扩散中,高浓度磷浆甚至还来不及挥发沉积,扩散就结束了。

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2.2.4在硅片表面不同区域沉积不同浓度的磷硅玻璃

利用低温常压化学气相沉积的方法[low temperature (400℃)atmospheric pressure chemical vapor deposition,APCVD]并结合掩模,在硅片表面欲印刷电极的地方沉积含磷浓度高的磷硅玻璃(phosphosilicate grass,PSG),而在其他地方沉积含磷浓度低的磷硅玻璃,扩散后就可以在不同的区域得到不同的掺杂,形成选择性发射极。在沉积过程中,以PH3和SiH4为源在Ar和O2中稀释成5%的浓度,通过控制PH3和SiH4的流量来改变磷硅玻璃中P2O5的浓度,PSG层的厚度约为500nm左右。此方法结合快速扩散,在10cm×10cm面积的Cz-Si 硅片上实现了17%~18%的转换效率。

2.2.5在埋栅电极太阳电池中形成选择性发射极

首先利用激光在硅片表面刻槽,在利用丝网印刷或旋涂(spin-on-dopant,SOD)的方法在硅片表面上涂上磷浆,在刻槽中得到磷浆的量比刻槽外面的大,扩散后在刻槽附近就可

以形成高掺杂深扩散区,而在其他地方形成低掺杂浅扩散区。然后在刻槽中制作埋栅电极,如图1中的(c)所示。利用此方法创造了世界记录的实验室太阳电池转换效率(24.7±0.5%),但成本昂贵,工艺复杂,大部分工艺步骤处于高温环境。

3实现选择性发射极结构的改进方法

3.1印刷电极时在电极浆料中掺入高浓度磷浆

首先在硅片表面均匀涂源进行扩散,然后在丝网印刷电极时往电极浆料中掺入高浓度磷浆,这样在烧结电极后便在电极接触区获得高掺杂,形成欧姆接触。此方法中,烧结电极的时间较短,磷原子并不能扩散到硅片的深处,因此高掺杂区的深扩散并不明显。

3.2电极栅线状丝网印刷高浓度磷浆后在POCl3气氛中进行扩散

3.2.1扩散开始时通入携POCl3气体

将高浓度磷浆如电极栅线状印刷到硅片表面,然后将硅片放入常规扩散炉中进行扩散。高浓度磷浆在扩散过程中从印刷区挥发沉积到非印刷区。但如前所述,这样挥发沉积得到的磷浓度过低,为弥补其不足,可以在扩散开始时通一小段时间(约2~3分钟)的携POCl3气体。在这段时间内POCl3会分解出P2O5(其反应方程式是:5POCl3=3PCl5+P2O5和

4PCl5+5O2=2P2O5+10Cl2),并沉积到硅片表面与硅反应,而在硅片表面得到一层很薄的磷原子(其反应方程式是:2P2O5+5Si=5SiO2+4P)。当关掉气源后,这些磷原子会进一步往硅片深处扩散,而降低其在硅片表面处的浓度。因而,扩散结束后会在非印刷区得到相对低的表面杂质浓度和相对浅的扩散结,而在印刷区得到高掺杂深扩散区,形成选择性发射极结构。

3.2.2扩散结束前通入携POCl3气体

在硅片表面如电极栅线状印刷好高浓度磷浆,放进常规扩散炉中进行扩散。在扩散过程中,往扩散炉中加入充足的氧气对硅片表面进行氧化,控制好时间,可在非印刷区得到适当厚度的氧化层,如图3(a)所示。然后通入携POCl3气体,通入的POCl3会分解出P2O5,并沉积到这一氧化层的表面得到一层很薄的磷硅玻璃。由于这一氧化层对磷硅玻璃中磷原子往硅片深处的扩散有消弱的作用,继续扩散一段时间后可以在此区域得到比印刷区低的表面杂质浓度,如图3中(b)所示。扩散结束后用氢氟酸漂洗,去除磷硅玻璃和氧化层便可以形成轻掺杂浅扩散区。这样,在扩散结束后便得到选择性发射极结构。

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3.3快速扩散与常规扩散的结合

在硅片表面电极栅线状印刷高浓度磷浆,放入快速扩散炉中进行扩散,如前所述这样得到的硅片,在不印刷磷浆的地方,浓度是过低的。为弥补其磷浓度的不足,再将硅片放入有POCl3气氛的常规扩散炉中进行扩散,通一小段时间(2~3分钟)的携源气体,再关掉气源进行扩散,可以在不印刷磷浆的地方形成低掺杂浅扩散区,这样二次扩散后便可以获得选择性发射极。此方法虽然是双步扩散法,有对硅片的二次高温处理。但由于快速扩散中的扩散时间短,热耗也少。而在第二次常规扩散中,要得到低掺杂浅扩散区,因此扩散时间相对于现行的工业化生产太阳电池的扩散时间也要短。这样总的热耗还是较小的,仍可以进一步降低工艺的成本。而且由于快速扩散可以将杂质和扩散结向硅片内更深的地方推进,因此利用快速扩散的方法很容易获得高掺杂深扩散区。

4结论

在p-n结硅太阳电池中引入选择性发射极结构对提高电池的光电转换效率是有好处的。实现该结构的方法是很多的。以现行的实现该结构的方法为基础,可以找到一些改进的方法,从而可以进一步降低实现该结构的成本和提高成结的质量。

作者:屈盛刘祖明廖华陈庭金

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