晶体硅太阳能电池的梯度型背表面场及其制备方法技术

本发明专利技术涉及晶体硅(p型)太阳能电池中由铝、硼共掺杂形成的一种梯度型背表面场，采用多层膜技术路线通过电极共烧过程一次形成。本发明专利技术根据硼在晶体硅中的固溶度显著大于铝在晶体硅中固溶度的特点，借助铝与硅材料之间能够在较低温度下形成共熔体的物理化学特性，通过控制硼在晶体硅中的掺杂深度小于铝，使晶体硅表面附近的浅区域以较高浓度的硼掺杂为主，而较深的区域则以较低浓度的铝掺杂为主，从而形成一种具有梯度型掺杂浓度分布的背表面场结构，这种梯度型背表面场对晶体硅太阳能电池的光电转换效率有较大程度的提高。通过调节硼在晶体硅中的掺杂深度，可以实现对这种梯度型背表面场中掺杂浓度分布特征的可控性。本方法在较低温度下实现晶体硅太阳能电池中梯度型背表面场结构，具有工艺简单、成本低、耗能少的特点，适用于晶体硅太阳能电池的规模化工业生产，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体材料与器件
，特别是P型晶体硅太阳能电池中的背表 面场

技术介绍
随着一次能源的短缺和全球性的环境压力，世界各国对可再生能源技术的需求愈 来愈大。太阳能光伏技术是可再生能源技术中的关键技术之一，近年来全球光伏产业得到 了高速发展。目前绝大部分太阳能电池为晶体硅太阳能电池，因此如何进一步改进晶体硅 太阳能电池的制备工艺，提高晶体硅太阳能电池的光伏性能具有巨大的社会和经济效益。晶体硅(Si)具有储量丰富、工艺技术成熟、性能稳定的特点，已成为制备太阳能 电池、微电子器件、光电检测器、电力电子器件的主要半导体材料之一。半导体材料的P型、 η型掺杂技术是制备现代半导体器件的核心技术之一，以晶体硅太阳能电池为例，其发电机 制主要依赖于ρη结，硅的P型、η型掺杂工艺是制备具有高光电转换效率太阳能电池的关 键工艺之一。晶体硅P型掺杂的主要元素为铝(Al)、硼(B)等，晶体硅η型掺杂的主要元素 为磷⑵元素等。目前晶体硅太阳能电池使用的晶体硅片一般是掺B的晶体硅，为ρ型，其中B的 掺杂浓度通常低于lX1016atOmS/Cm3，晶体硅片的前表面(采光面)通过高温磷扩散形成η+ 型，而在晶体硅片的背表面则通过铝掺杂形成P+型背表面场，因此晶体硅太阳能电池实际 上就是η+ρρ+型结构。本专利技术专利中所提及的晶体硅片均为ρ型。在晶体硅太阳能电池的背表面场制备工艺中，铝对晶体硅的掺杂工艺通常是在 晶体硅的表面首先沉积或丝网印刷一层具有一定厚度的铝膜，然后进行热处理，当加热到 铝-硅共熔点温度(577°C)以上时，铝和硅之间形成共熔体，温度、热处理时间、铝膜厚度 等因素确定生成铝-硅共熔体的量以及铝的掺杂浓度。铝-硅共熔体在冷却过程中，硅从 铝-硅共熔体中析出，并在未熔解的晶体硅表面结晶生长，同时一部分铝留在析出的晶体 硅晶格中实现铝掺杂，从而得到P+型掺杂的晶体硅，铝的掺杂浓度由铝在晶体硅中的固溶 度决定。在冷却过程中随着温度的进一步降低，更多地硅从铝硅共熔体中析出结晶。在通常 的热处理温度(750°C 850°C )下，在晶体硅中可以获得的铝掺杂浓度为3X10watomS/Cm3 左右，要想得到更高的铝掺杂浓度，则需要更高的热处理温度，而高处理温度对晶体硅的物 理性能有破坏作用，同时也消耗更多的能源，因此在工业中不太可行。晶体硅表面的铝膜层在工业上通常是采用丝网印刷技术将铝浆料印刷上去，当然 也可以采用喷涂、真空沉积等技术制备铝膜层。硼在晶体硅中的理论最大固溶度为6X102°atOmS/Cm3，而铝在晶体硅中的理论最大 固溶度为2X1019atOmS/Cm3，显然，硼在晶体硅中的固溶度比铝在晶体硅中的固溶度大得多。 一般说来，固溶度越高的元素在晶体硅中所能达到的掺杂浓度也将越高。如果在上述的铝 膜层中掺入一定含量的硼或硼化合物，将能够在相似的热处理温度下使晶体硅中的P型掺 杂浓度得到显著的提高。美国专业生产太阳能电池电极浆料的i^erro电子材料公司生产的用于晶体硅太阳能电池的铝浆料A1-53-120即是一种添加了一定量的硼的铝浆料，采用丝 网印刷技术在晶体硅上涂覆一层A1-53-120铝浆料膜层后，在850°C的热处理温度下，可实 现晶体硅中铝、硼共掺杂的效果，获得的硼掺杂浓度达到3X1019atOmS/Cm3左右，铝的掺杂浓 度为3X1018atOmS/Cm3左右，硼是铝掺杂浓度的10倍，因此这种铝、硼共掺杂的效果实际上 是以硼掺杂效果为主，实现了晶体硅中更高的P型掺杂浓度。荷兰研究人员Lolgen等人在刊名为Applied Physics Letters的国际专业期刊 上公开发表的石if究论文(P. Lolgen 等，Boron doping of silicon usingcoalloying with aluminum, Applied Physics Letters，1994 年第 65 卷、第 22 期、第 2792 页-2794 页)中报 道了与上面提及的美国Ferro公司相同的研究结果。Lolgen等人在商用铝浆料中添加1 % 的硼，然后采用丝网印刷技术在单晶硅表面印刷一层这种添加硼的铝浆料，在850°C的热处 理温度下，硼的掺杂浓度达到3X1019atOmS/Cm3，而未添加硼的铝浆料得到的铝掺杂浓度为 3xl(^at0mS/Cm3，虽然两者均实现了 ρ型掺杂的效果，但显然前者得到的ρ型掺杂浓度是后 者的10倍。从上述
技术介绍
可以看到，在铝浆料中添加一定比例的硼后，可获得更高浓度的ρ 型掺杂，这与铝在晶体硅太阳能电池中单独掺杂得到的P+型背表面场相比，硼的更高浓度 掺杂可视为P++型。上述
技术介绍
中采用单膜层方法形成的晶体硅太阳能电池的背表面场中铝、硼共 掺杂的浓度分布可以从铝、硼在晶体硅中的固溶度随温度的变化规律中计算出来，从晶体 硅材料的物理化学特性知道，随着温度的降低铝、硼在晶体硅中的固溶度会下降，而硅的析 出是在降温过程中发生的，因此晶体硅太阳能电池的背表面场中从表面到体内，掺杂浓度 不会以梯度型方式持续降低。另外，这种方法得到的掺杂浓度分布是单一固定的，不能实现 可控性的浓度分布。
技术实现思路
为了实现晶体硅太阳能电池具有梯度型掺杂浓度分布的背表面场，本专利技术采用一 种多膜层技术在晶体硅中实现铝、硼共掺杂的梯度型浓度分布，可在P型晶体硅太阳能电 池中获得梯度型背表面场。通过膜层厚度等工艺条件的改变，可以实现这种梯度型掺杂浓 度分布特征的可控性。与传统的背表面场相比，晶体硅太阳能电池中的这种梯度型背表面场能够更快 速、有效地使光吸收产生的少数载流子(电子)扩散至ρη结，这些快速到达ρη结的电子被 前电极收集，产生更多的电能。因此，梯度型背表面场能够较显著地提高晶体硅太阳能电池 的光电转换效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是晶体硅太阳能电池的梯度型背表面场，这种梯度型背表面场中的掺杂元素具有梯 度型浓度分布的结构，其特征是晶体硅表面附近较浅区域的掺杂以较高浓度的硼掺杂为 主，而在晶体硅较深区域则以较低浓度的铝掺杂为主，从表层到深层，掺杂浓度呈梯度型降 低。该结构是通过在晶体硅表面制备多层膜结构，与电极共烧一次热处理制备完成。在晶体硅表面制备的多层膜，最靠近晶体硅表面的膜层(称为第1层)为无硼层， 或硼含量很低，最好不含硼。第1层膜厚度为0. 1 μ m 10 μ m，其中铝的质量比为60% 100%。所述第1层膜厚度优选为0. 5 μ m 5 μ m。所述晶体硅表面多层膜，采用与电极共烧的一步热处理法完成梯度型背表面场的 制备，同时获得晶体硅太阳能电池所需的前后电极，热处理温度为700°C 890°C，热处理 时间1秒 1小时。所述一步热处理法，热处理温度为750°C 850°C，热处理时间1秒 5分钟。所述晶体硅表面的多层膜结构中，第1层之后至少有一层膜含有B单质或B化合 物，该膜层作为硼掺杂源，其中B或B化合物的质量比为0.5% 20%，铝含量不低于60%。所述硼扩散源膜层中B或B化合物的质量比优选为5% 15%。所述晶体硅表面的多层膜结构中，通过调节第1膜层的厚度从而可以调节硼在晶 体硅中的掺杂深度，进而实现掺杂浓度分布的可控性。本专利技术的制备工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．晶体硅（ｐ型）太阳能电池的梯度型背表面场，这种梯度型背表面场由铝和硼元素共掺杂形成，具有梯度型浓度分布的结构，其特征是：晶体硅表面附近较浅区域的掺杂以较高浓度的硼掺杂为主，而在晶体硅较深区域则以较低浓度的铝掺杂为主，从表层到深层，掺杂浓度呈梯度型降低。该梯度型背表面场结构是通过在晶体硅表面制备多层膜结构，与电极共烧一步热处理法制备的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜国平，温思汉，刘兵发，谢建干，陈楠，刘桂华，
申请(专利权)人：福建省上杭县九洲硅业有限公司，
类型：发明
国别省市：35