[发明专利]铝硅硼浆料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝硅硼浆料及其制备方法，该浆料用于实现晶体硅半导体的p+型掺杂和电极的制备，广泛应用于晶体硅太阳能电池的制造，属于半导体器件制造技术领域。

背景技术

晶体硅半导体材料已大量地用于制备太阳能电池、微电子器件、微波器件、控制元器件等，尤其是太阳能电池制造领域在近年来得到了极大的发展。目前，晶体硅半导体材料得到了极大的应用，已成为最重要的光伏材料。

太阳能电池将太阳能转化为电能，是一种重要的可再生能源技术。目前，全球超过80%的太阳能电池为晶体硅太阳能电池，进一步提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率、同时降低其单位成本具有巨大的社会和经济效益。

晶体硅太阳能电池的发电机理主要依赖于pn结，p型和n型硅主要通过掺杂工艺实现，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。p型晶体硅的主要掺杂元素为第三主族元素如硼（B）、铝（Al）等，n型晶体硅的掺杂元素为第五主族元素如磷（P）元素掺杂为主。

目前光伏产业界用于制造晶体硅太阳能电池的晶体硅片绝大部分采用掺B元素的p型晶体硅片，其中B的掺杂浓度通常低于1 x 10¹⁶ atoms/cm³（每立方厘米的硼原子个数），晶体硅片的前表面（向光面）通常在850℃的温度下进行磷扩散形成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（也称背场），因此p型晶体硅太阳能电池实际上就是n+pp+型结构。当然，晶体硅太阳能电池也可以采用n型晶体硅片来制备，这样形成的电池结构为n+np+或p+nn+型结构，其中p+区域可以通过铝掺杂形成。可以看出，铝掺杂对晶体硅太阳能电池的制造有重要的作用。

在晶体硅太阳能电池的工业生产中，晶体硅太阳能电池p+型背表面场的制备工艺如下，首先在晶体硅的表面丝网印刷一层具有一定厚度的铝浆（铝浆的组份主要包括铝粉、无机玻璃粉、有机载体、和少量添加剂），然后烘干形成一层铝膜、再进行加热烧结，当加热到铝-硅共熔点温度（577℃）以上时，铝和硅之间开始形成铝-硅共熔体，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，而温度确定铝的掺杂浓度。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+型晶体硅，这即是p+型背表面场。背表面场中铝的掺杂浓度由铝在晶体硅中的固溶度决定，一般说来其掺杂浓度越高，太阳能电池的性能愈好。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。在当今工业上普遍使用的热处理温度（750℃ ~ 850℃）下，在晶体硅中可以获得的铝掺杂浓度为3 x 10¹⁸ atoms/cm³以下，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，因此在工业上不被采用。

硼在晶体硅中的理论最大固溶度为6×10²⁰atoms/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。一般来说，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。

荷兰研究人员L?lgen等人于1994年在刊名为Applied Physics Letters的国际专业期刊上公开发表的研究论文（P. L?lgen等，Boron doping of silicon using coalloying with aluminium，Applied Physics Letters，1994年第65卷、第22期、第2792-2794页）中报道了在已配制好的商用铝浆料中添加1%的单质硼粉，混合均匀后，采用丝网印刷法在单晶硅表面印刷一层这种添加单质硼粉的铝浆料，采用电容-电压方法（C-V）测试，发现单晶硅表面附近硼的掺杂浓度达到3×10¹⁹atoms/cm^-3，而在同样条件下采用未添加硼的商用铝浆所得到的铝掺杂浓度为3×10¹⁸atoms/cm^-3，虽然两者均对晶体硅实现了p+型掺杂的效果，但显然前者得到的p+型掺杂浓度是后者的10倍。该研究结果表明可以在相对较低的温度下（如L?lgen等人采用的850℃）通过铝硅共熔体为载体实现硼对晶体硅的掺杂，这一研究结果成为后来太阳能光伏技术领域工程技术人员研制用于晶体硅太阳能电池的铝硼浆料的最重要的技术参考资料。