[发明专利]物理冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造中的扩散工艺，具体为一种物理冶金多晶硅太阳能电池的磷扩散方法。

背景技术

太阳能电池是一种可以将光能直接转化为电能的器件，由于其应用具有清洁、环保、无污染的优点，因此备受关注，正逐步成为有希望取代传统能源的最佳新能源。

在众多种类的太阳电池中，多晶硅太阳电池价格较低且转换效率较高，在光伏市场中占据了绝对的主导地位，并且这一趋势在短期内难以改变。因此继续提高多晶硅太阳电池转换效率，降低生产成本，使多晶硅太阳电池发电能与传统能源进行竞争已经成为当今光伏技术领域亟待解决的问题。

当前太阳能级多晶硅生产普遍采用化学法(西门子法、改良西门子法或流化床法)，该方法需要把多晶硅提纯到一定纯度，再根据需要对多晶硅重新熔融掺进高纯硼，大大增加了成本。并且该技术存在投资成本过高、设备工艺复杂、能耗高、产能低、反应副产物难以处理等缺点，成本下降的空间非常有限，严重制约着太阳能产业的发展。而物理法提纯技术作为一种生产太阳能级硅的新兴工艺，具有工艺简单、成本低、产能大、污染少等特点。越来越多的研究机构和制造厂商开始把目光集中在物理法提纯的多晶硅上。因此，从降低成本、提高产能及环保效益等方面考虑，物理法多晶硅提纯技术有着很好的发展空间和极具竞争力的市场前景。

物理冶金法提纯多晶硅，直接把硅材料中的硼提纯到所需的纯度，不需要再次对多晶硅重新熔融掺进高纯硼，一般多晶硅的电阻率要比化学法提纯的低，即多晶硅中硼浓度要相对高些，并且电阻率均匀性较差。同时在物理法多晶硅生产过程中还会出现较多的金属杂质和较高密度的晶界、位错等微缺陷，这些金属杂质和缺陷最终都会形成复合中心，从而影响电池转换效率。

为了提高物理冶金法多晶硅电池的效率和可靠性，不但要从材料方面着手优化，还需要从电池生产工艺方面进行改进。而在多晶硅电池的制备过程中，扩散制PN结属于核心技术，所制PN结的质量会直接影响到太阳能电池的光电转换效率。

目前，多晶硅电池生产过程中大都采用三氯氧磷(POCl₃)液态源扩散法，其原理是：POCl₃被N₂携带进入石英炉管内，在高温条件下分解为PCl₅和P₂O₅，PCl₅与O₂反应生成P₂O₅和Cl₂，P₂O₅又与硅片反应生成P单质和SiO₂，高温下P原子在硅片中扩散，并形成N型区域，和基片一起构成了PN结。利用此方法得到的PN结结构均匀，扩散层表面良好，并且生产效率高，有利于制作大面积太阳能电池，是目前应用最多的扩散方法。

在传统扩散工艺中，扩散流程一般分为：进舟→恒温→通源扩散→升温推进→降温→出舟，扩散过程中，三氯氧磷在高温条件下与硅片表面发生反应，并由硅片表面向内部缓慢扩散。由于硅片在石英炉管中距离很小(约2.5mm)，因此硅片的中心部位难以获得与周围等量的磷源，扩散后方阻均匀性变差，可能导致硅片中心部位杂质浓度低，方阻偏高，电池片最终光电转换效率较低。并且，扩散开始前为了稳定各个温区温度，现有工艺均采用一步恒温，各个温区温度波动较大，稳定性差，因此在恒温过程中温度上升后产生的温度漂移较大，需要的恒温时间较长。

此外，传统技术的通源扩散步骤和升温推进步骤采用同一温度完成，通过对多晶硅硅片低温沉积来控制杂质总量。若要保证轻掺杂浓度，三氯氧磷源流量不能大，否则掺杂浓度会高，这样也会导致方阻均匀性变得较差，影响电池片电性能参数。为了满足PN结结深和杂质浓度分布的要求，需要在硅片表面沉积的杂质磷的总量大于杂质磷在硅中固溶度的磷原子的总量。在升温推进过程中，通过高温推进能够将多晶硅表面沉积的一部分磷杂质推入到多晶硅中(在高温下磷杂质在多晶硅中的溶解度升高，因此表面的磷原子能够在高温下向多晶硅内部渗透溶解)。虽然硅片表面的磷能够被推入到多晶硅中，但是还有一定量的磷原子沉积于多晶硅的表面，不能作为施主提供电子，从而形成一层具有一定厚度的不易导电的“死层”。

为了提高电池效率许多公司都对传统扩散工艺进行优化，通过变温扩散工艺代替恒温扩散。因为低温变温扩散工艺可更有效的降低少数载流子的复合速率，同时磷吸杂的效果也发挥的更加充分。但由于控温系统不稳导致各温区温度不稳定，也会使扩散均匀性差，方阻波动性变大，掺杂浓度梯度不能形成，这样就对烧结工艺提出了更高的要求，极大的增加了工艺难度及复杂性。