[发明专利]一种制备具有表面钝化的PN结和晶体硅太阳能电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及了光伏行业的太阳能电池领域，具体涉及到制备太阳能电池器件的形成方法和相应的设备。

背景技术

太阳电池是通过pn结的光生伏特效应是将太阳能直接转换成电能的器件。随着全球能源供给紧张和环境保护双重压力的不断增加，全世界都在大力发展可再生能源。太阳能电池发电是可再生能源中唯一不完全受地域、环境限制的技术，必然在未来能源发展中占主要地位。目前光伏产业虽然处于相对比较艰难的低谷期，但从总体长远的趋势看，光伏产业仍是处于稳定而健康的发展中，并开始逐渐步入成熟。

传统的离子注入掺杂之后的退火技术主要是在离子注入后放到管式炉中进行高温退火。这种退火技术对于仅有一种掺杂杂质（比如只有硼或磷）往往效果比较好。但是如果是对硅基体的前后表面或者同一表面的不同区域需要实施不同掺杂类型的杂质，那么在离子注入之后，由于不同的掺杂杂质（比如硼和磷）的需要不同的温度/时间来修复损伤层，不同的退火温度/时间来完成杂质激活，并且由于不同的掺杂杂质具有不同的扩散系数从而具有不同的最佳再分布的温度区间。对于硼和磷相比较，硼需要更高的温度和更长的时间（950度以上），而磷的温度相对较低、时间相对较短（900度以下）。这使得为了获得最佳的掺杂分布，最佳的方法是每注入一种掺杂对这种掺杂进行退火，但这样复杂的工艺步骤仅仅适合于实验室研发，不适合于工业化生产。

如果是在不同类型掺杂完成后实施管式炉的共退火，由于前述原因使得共退火的温度选择要以硼的注入损失修复、杂质激活和再分布的温度区间范围为准来选择。而即使能够通过调整磷&硼注入剂量、能量并配合调整后续的高温管式炉热退火工艺条件（温度、时间），也没法改变硼磷两种杂质高温退火工艺的最佳温度范围不同的这个根本问题，只能减小这样的副作用，而且减小的程度极为有限。这样一来，势必会导致磷掺杂的结深太深，俄歇复合增加，难以获得高质量的发射结，而且高温热处理过程还会导致硅片衬底体扩散长度的降低，这都不利于电池器件的性能。从而造成电池光电转换效率的降低。

在太阳能电池业界，也有在离子注入后利用传统的RTP快速热退火技术，来完成杂质的高温再分布。现有的这类RTP退火技术主要是在压缩空气的气氛下完成的，所使用的设备也不是封闭式的。其缺点是这类设备难以获得更加高的温度（1000-1100度范围），这样就会对掺杂结的分布有影响，不能获得所需要的掺杂分布的发射结。而且在退火中没法进行氧化，这种在线氧化技术不仅仅能有效的钝化发射极，特别的对于硼扩散而言还能利用其在硅-氧化硅界面的分凝系数不同（3:10左右），实现在线分凝从而有效的分凝出硅表面的未激活的富硼层（一般是硼硅化合物）。

发明内容

本发明目的是提出一种制备具有优良表面钝化的PN结和晶体硅太阳能电池的方法。本发明中通过离子注入和快速热氧化技术制备的PN结并应用于高效电池的制备。在离子注入掺杂后进行快速热氧化退火，通过在很短的时间内到达900-1100度，在氧气和惰性气体（如氮气）的气氛下，极短时间内完成注入损失修改、杂质激活、高温再分布，并在退火中通过在线氧化获得一层高质量的一定厚度的氧化层作为表面钝化层，可以获得具有表面优质钝化的掺杂结。

本发明的技术方案是，制备具有表面钝化的PN结和晶体硅太阳能电池的方法，利用离子注入结合快速热氧化制备PN结，步骤如下，1）离子注入掺杂；2）离子注入掺杂后，将硅片放置到快速热退火炉管中后，将硅片的温度从600-700℃以较快的升温速度迅速升至950-1150℃之间的某个温度点(尤其是1100±50℃)，升温速率是1-5℃/秒，同时在惰性气体（如氮气）气氛下进行快速退火，在这个过程中主要完成离子注入损失层的修复；3）在1000-1150℃温度、氮气气氛下继续进行高温退火，时间10-100秒钟左右，继续完成离子注入损失层的修复，同时也进行掺杂的激活和再分布；4）在1000-1150℃温度氧化、氧气气氛下或者掺氯氧化继续进行高温在线氧化退火，时间是30-60秒，在此过程中在硅片的表面获得一层2-30nm厚度的致密的氧化硅。

步骤4）中氧化时采用依靠氢气和氧气内点火的方式生产水蒸气，获得更加致密的氧化层，获得更高质量的钝化发射极效果。步骤4）完成后在1000-1150℃温度、氮气气氛下继续进行高温退火，时间10-60秒钟左右，用于降低氧化层的界面态密度。步骤4）完成后硅片从1000℃左右的高温降到700℃左右，气氛是氮气，降温速率是1-3℃/秒，出炉结束热处理程序。本发明快速热氧化退火的工艺时间5-10分钟左右。