[发明专利]晶体硅太阳能电池的梯度型背表面场及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，特别是p型晶体硅太阳能电池中的背表面场技术领域。

背景技术

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、n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pn结，硅的p型、n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n型掺杂的主要元素为磷(P)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p型，其中B的掺杂浓度通常低于1x10¹⁶atoms/cm³，晶体硅片的前表面(采光面)通过高温磷扩散形成n+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n+pp+型结构。本发明专利中所提及的晶体硅片均为p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℃)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℃～850℃)下，在晶体硅中可以获得的铝掺杂浓度为3x10¹⁸atoms/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6x10²⁰atoms/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Ferro电子材料公司生产的用于晶体硅太阳能电池的铝浆料Al-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Al-53-120铝浆料膜层后，在850℃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。