1、選擇性發射極太陽電池結構及其實現方法中國新能源網| 2006-6-1 14:13:00 |新能源論壇|我要供稿特別推薦：«2010中國新能源與可再生能源年鑒征訂摘 要 本文在總結選擇性發射極結構的特征和優點的基礎上，對實現選擇性發射極結構的工藝方法進行綜述， 并提出幾種可能的改進方法， 為低成本實現選擇性發射極結構提 供新的思路。關鍵詞晶體硅太陽電池選擇性發射極實現方法The selectivee m i t t e rssolarcellandi t sfa b r i ca t i o nmethodsby Qu Sheng* Liu ZumingLiao HuaChen Tin

2、gjinAbstract This 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.Keywords

3、 C-Si solar cells the selective emitters fabrication methods0引言太陽電池的發展方向是低成本、高效率，而選擇性發射極結構是p-n結晶體硅太陽電池生產工藝中有希望實現高效率的方法之一。選擇性發射極結構有兩個特征：1）在電極柵線下及其附近形成高摻雜深擴散區；2）在其他區域形成低摻雜淺擴散區。結合其特征，實現選擇性發射極結構的關鍵便是如何形成上面所說的兩個區域。其實現方法有很多，但總的來說，可以分為雙步擴散法和單步擴散法。雙步擴散法是進行兩次熱擴散而形成該結構。而單步擴散法是在一次熱擴散中形成該結構。這兩種擴散法都有很多種操作形式。但由于雙

4、步擴散法存在不足，單步擴散法已逐漸成為制作選擇性發射極的主要方法，其具體操作一般都是首先在硅片表面的不同區域得到不同量的擴散雜質源，由于擴散雜質源的不同將會得到不同的擴散結果，進行熱擴散后就形成高低濃度的摻雜，得到選擇性發射極結構。 所以，本文主要就單步擴散法中實現選擇性發射極的工藝方法進行討論，并提出幾種可行的改進方法，期望能為低成本實現選擇性發射極結構提供新的思路。1選擇性發射極結構的特征及優點選擇性發射極結構有兩個特征：1）在電極柵線下及其附近形成高摻雜深擴散區；2）在其他區域（活性區）形成低摻雜淺擴散區，這樣便獲得了一個橫向高低結。這種結構有幾種常見的形式，在理想的情況下，如果不考慮擴

5、散區域的雜質濃度差異，而認為雜質是均勻分布的，可以用圖 1中的（a）、（b）、（c）ppp口）取步鏟敝怯或甲步擴散.（匚）選峰頗II極單步擴融法近揉性咐與瀕電極圖1選擇4篷射根的常見形式1.2選擇性發射極結構的優點總的來說，該種結構的優點是可以提高太陽電池的開路電壓Voc,短路電流Isc和填充因子F.F.,從而使電池獲得高的光電轉換效率。而這樣的好處正是在太陽電池不同的區域中形成摻雜濃度高低不同、擴散深淺不同所帶來的。1）在活性區形成低摻雜淺擴散區帶來的好處在此區低摻雜可以降低少數載流子的體復合幾率，且可以進行較好的表面鈍化，降低少數載流子的表面復合幾率，從而減小電池的反向飽和電流，提高電池的

6、開路電壓Voc和短路電流Isc。另外，因越靠近太陽電池的表面，光生載流子的產生率越高，而越靠近擴散結光 生載流子的收集率越高，故淺擴散結可以在高載流子產生率的區域獲得高的收集率，提高電池的短路電流Isc。2）在電極柵線底下及其附近形成高摻雜深擴散區帶來的好處在此區高摻雜，做電極時容易形成歐姆接觸，且此區域的體電阻較小，從而降低太陽電池的串聯電阻，提高電池的填充因子 F.F.o雜質深擴散可以加深加大橫向n+/p結，而橫向n+/p結和在低摻雜區和高摻雜區交界處形成的橫向n+/n高低結可以提高光生載流子的收集率，從而提高電池的短路電流 Isc。另外，深結可以防止電極金屬向結區滲透，減少電極金屬在 禁

7、帶中引入雜質能級的幾率。2實現選擇性發射極結構的現有方法2.1雙步擴散法表1用兩步rtw去實現選擇性發射極的工藝流程步騷工藝描述1去除表面機樨傷及化學潔洗2在硅片表面高混熟氧彳勝長二氧化硅層3在氧化硅層上光刻龜極姍線狀窗口4在POSF中迸行重擴散S去除二S化硅層并在P0CI3氣甄中迷行淺擴散6表面鈍化7去除背面及周邊PN結d蒸鋁制作背場9絲網印刷燒結正背面電極制作減反射膜此擴散方法分兩個步驟分別形成選擇性發射極結構的兩個不同區域。一般在高摻雜深擴散區得到16Q/丑右的方塊電阻，而在低摻雜淺擴散區得到8 0Q/丑右的方塊電阻。它可以用多種形式來實現選擇性發射極結構，表1給出其中的一種。用此工藝，

8、結合SiN4/MgF2雙層減反射膜已在 100cm2多晶硅上實現15.9%的轉換效率。但由于兩步擴散法中硅片有兩 次高溫熱過程，對硅片的損害較大而且熱耗也很大，從成結的質量和工藝成本來說，兩步擴散法不太理想。2.2單步擴散法單步擴散法是為了避免雙步擴散法的弊端而形成的。由于其熱耗少并且避免了對硅片的二次高溫處理而帶來的損害等優點，因此逐漸成為了制作選擇性發射極的主要方法。它的具體操作形式有多種，其中與快速擴散方法結合，可以進一步降低工藝的熱耗，具有很好的商業化前景。2.2.1在硅片表面均勻涂源進行擴散和選擇性腐蝕此工藝包括兩個過程：1）在硅片表面均勻涂源進行擴散，結相對較深；2）絲網印刷前電極

9、，金屬化后，非電極區用等離子體腐蝕很薄的一層，則選擇性發射極也就形成了，如圖1中的（b）所示。此方法中等離子體腐蝕需要相對復雜和昂貴的設備，腐蝕過程中也會對電 極的接觸有影響。2.2.2加熱源的掩模處理此工藝是對加熱源進行選擇性處理，主要應用于快速擴散系統中， 將光源按照選擇性發射 極的需要進行掩模處理，使得均勻地印刷在硅片表面上的雜質在擴散過程中受光和熱不均勻而造成擴散深淺不同、濃度高低不同的區域，從而形成選擇性發射極結構。此方法中，要求掩模在高溫擴散的過程中不能變形，且操作也較復雜。2.2.3僅在電極區印刷高濃度磷漿，然后放入擴散爐中進行擴散將高濃度磷漿如電極柵線狀印刷到硅片表面，然后將硅

10、片放入擴散爐中進行擴散(可以是常規擴散，也可以是快速擴散)。高濃度磷漿在擴散過程中從印刷區揮發沉積到非印刷區。由于這樣揮發沉積得到磷濃度不如印刷區的高，這樣就形成高低濃度的摻雜，得到選擇性發射極結構，如圖2所示此方法中，對非印刷區的摻雜可能過低， 尤其是在短時間(1分鐘內) 的快速擴散中，高濃度磷漿甚至還來不及揮發沉積，擴散就結束了。卬醐到硅片來自記稅磷政的低撞雜淺擴散來自齡的重接親深擴撒圖?擴散過程史飽魚抽度磷漿2.2.4 在硅片表面不同區域沉積不同濃度的磷硅玻璃利用低溫常壓化學氣相沉積的方法low temperature (400C) atmospheric pressure chemic

11、alvapor deposition , APCVD并結合掩模，在硅片表面欲印刷電極的地方沉積含磷濃度高的磷 硅玻璃(phosphosilicate grass, PSG),而在其他地方沉積含磷濃度低的磷硅玻璃，擴散后 就可以在不同的區域得到不同的摻雜，形成選擇性發射極。在沉積過程中，以PH3和SiH4為源在Ar和02中稀釋成5%的濃度，通過控制PH3和SiH4的流量來改變磷硅玻璃中P2O5的濃度，PSG層的厚度約為500nm左右。此方法結合快速擴散，在10ce 10cm面積的Cz-Si硅片上實現了 17%18%的轉換效率。2.2.5在埋柵電極太陽電池中形成選擇性發射極首先利用激光在硅片表面刻

12、槽，在利用絲網印刷或旋涂(spin-on-dopant, SOD)的方法在硅片表面上涂上磷漿，在刻槽中得到磷漿的量比刻槽外面的大，擴散后在刻槽附近就可以形成高摻雜深擴散區，而在其他地方形成低摻雜淺擴散區。然后在刻槽中制作埋柵電極， 如圖1中的（c）所示。利用此方法創造了世界記錄的實驗室太陽電池轉換效率（24.7 =0.5%）,但成本昂貴，工藝復雜，大部分工藝步驟處于高溫環境。3實現選擇性發射極結構的改進方法3.1印刷電極時在電極漿料中摻入高濃度磷漿首先在硅片表面均勻涂源進行擴散，然后在絲網印刷電極時往電極漿料中摻入高濃度磷 漿，這樣在燒結電極后便在電極接觸區獲得高摻雜，形成歐姆接觸。此方法中，

13、燒結電極的 時間較短，磷原子并不能擴散到硅片的深處，因此高摻雜區的深擴散并不明顯。3.2電極柵線狀絲網印刷高濃度磷漿后在POC13氣氛中進行擴散3.2.1 擴散開始時通入攜 POC13氣體將高濃度磷漿如電極柵線狀印刷到硅片表面，然后將硅片放入常規擴散爐中進行擴散。高濃度磷漿在擴散過程中從印刷區揮發沉積到非印刷區。但如前所述，這樣揮發沉積得到的磷濃度過低，為彌補其不足，可以在擴散開始時通一小段時間（約 23分鐘）的攜POC13氣 體。在這段時間內 POC13會分解出P2O5 （其反應方程式是：5POC13=3PC15+P2O5和4PC15+5O2=2P2O5+10C12 ）,并沉積到硅片表面與硅

14、反應，而在硅片表面得到一層很薄的 磷原子（其反應方程式是：2P2O5+5Si=5SiO2+4P ）。當關掉氣源后，這些磷原子會進一步往硅片深處擴散，而降低其在硅片表面處的濃度。因而，擴散結束后會在非印刷區得到相對低的表面雜質濃度和相對淺的擴散結，而在印刷區得到高摻雜深擴散區，形成選擇性發射極結構。3.2.2擴散結束前通入攜 POC13氣體在硅片表面如電極柵線狀印刷好高濃度磷漿，放進常規擴散爐中進行擴散。在擴散過程中，往擴散爐中加入充足的氧氣對硅片表面進行氧化，控制好時間，可在非印刷區得到適當厚度的氧化層，如圖3 （a）所示。然后通入攜 POC13氣體，通入的POC13會分解出P2O5,并 沉積

15、到這一氧化層的表面得到一層很薄的磷硅玻璃。由于這一氧化層對磷硅玻璃中磷原子往硅片深處的擴散有消弱的作用，繼續擴散一段時間后可以在此區域得到比印刷區低的表面雜 質濃度，如圖3中（b）所示。擴散結束后用氫氟酸漂洗，去除磷硅玻璃和氧化層便可以形 成輕摻雜淺擴散區。這樣，在擴散結束后便得到選擇性發射極結構。氧化房ft片國相E印刷區得到話當厚度的氧化層心】氧化層消寫桐原子往硅片深處的擴散圖3擴散過程中不印屆麟架的區域3.3快速擴散與常規擴散的結合在硅片表面電極柵線狀印刷高濃度磷漿，放入快速擴散爐中進行擴散，如前所述這樣得到的硅片，在不印刷磷漿的地方，濃度是過低的。為彌補其磷濃度的不足，再將硅片放入有 POC13氣氛的常規擴散爐中進行擴散，通一小段時間（23分鐘）的攜源氣體，再關掉氣源進行擴散，可以在不印刷磷漿的地方形成低摻雜淺擴散區，這樣二次擴散后便可以獲得選擇性發射極。此方法雖然是雙步擴散法， 有對硅片的二次高溫處理。 但由于快速擴散中的擴 散時間短，熱耗也少。而在第二次常規擴散中，要得到低摻