專利名稱：多晶硅薄膜太陽能電池的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種在低純度3N級(jí)多晶硅襯底 上制造多晶硅薄膜太陽能電池的方法。 相關(guān)的
背景技術(shù)：
太陽能是一種干凈、清潔、無污染、取之不盡用之不竭的自然能源，將 太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要技術(shù)基礎(chǔ)，受到世界各國的普 遍重視。受單晶硅材料價(jià)格和單晶硅電池制備過程的影響，作為單晶硅太陽 能電池的替代產(chǎn)品，薄膜太陽能電池以其低成本、高轉(zhuǎn)換效率、適合規(guī)模生 產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，引起生產(chǎn)廠家的廣泛興趣，薄膜太陽能電池的產(chǎn)量迅速增長。多 晶硅薄膜電池既具有晶體硅電池的高效、穩(wěn)定、無毒和資源豐富的優(yōu)勢，又 具有薄膜電池工藝簡單、材料節(jié)省、成本大幅度降低的優(yōu)點(diǎn)，多晶硅薄膜電 池的研究開發(fā)已成為近幾年的熱點(diǎn)。而多晶硅薄膜電池研究的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā) 展性能優(yōu)良的廉價(jià)襯底材料。通常的情況下，人們選擇價(jià)格低廉的玻璃作為 襯底，然后在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在襯底表面。但是， 直接在玻璃上用CVD法沉積多晶硅，較難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒 之間形成孔隙，對(duì)制備較高效率的電池不利。因此對(duì)再結(jié)晶技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)， 以提高晶粒尺寸，其具體方法是先用化學(xué)氣相沉積(CVD)法在襯底表面形 成一層較薄的非晶硅層，再用高溫將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒， 用這層較薄的大尺寸多晶硅層作為籽晶層，在其上面用CVD法生長厚的多晶 硅膜?？梢钥闯?，這種CVD法制備多晶硅薄膜太陽電池的方法還要尋找一種 較好的再結(jié)晶技術(shù)，這樣的方法也能形成效率高的多晶硅薄膜電池，但是它 增加了工藝的復(fù)雜程度，從而增加了制造電池的成本，效率的提高不能彌補(bǔ) 工藝增加的成本。與此同時(shí)，由于襯底與外延層晶格和膨脹系數(shù)的不匹配， 從而使外延層產(chǎn)生大量位錯(cuò)等缺陷，再次區(qū)熔結(jié)晶也不能消除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、高效率、易于產(chǎn)業(yè)化的多晶硅薄膜太 陽能電池的制造方法。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案多晶硅薄膜太陽能電池制造 方法，包括在襯底上外延形成第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層步驟、形成接觸 電極步驟和在第二半導(dǎo)體層上形成一層減反射膜步驟，襯底選擇3N級(jí)純度多 晶硅片。
襯底選擇3N級(jí)純度高摻雜的具有大晶粒柱狀晶的多晶硅片。 多晶硅片經(jīng)高溫處理在表面形成雜質(zhì)耗盡層。
多晶硅片高溫處理步驟為把多晶硅片放入反應(yīng)室中帶有射頻感應(yīng)加熱
線圈的基座上，于1200土20。C加熱15土5分鐘，與此同時(shí)通入氫氣。 多晶硅片高溫處理后于1150士5-C退火處理10±5分鐘。 外延形成第一半導(dǎo)體層步驟為把反應(yīng)組分硅烷或者三氯硅烷經(jīng)高純氫 氣稀釋到體積濃度1% — 10%、摻雜組分B晶經(jīng)高純氫氣稀釋到體積濃度1% 一5%，分別同時(shí)通入反應(yīng)室于115(TC進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，沉積至外延層把襯 底輕微蓋后停止供料，通氫氣至邊界層中的雜質(zhì)排盡，再繼續(xù)供料沉積至規(guī) 定厚度。
外延形成第二半導(dǎo)體層步驟為在第一半導(dǎo)體層表面以液態(tài)擴(kuò)散源Pt)Cl3 濃度為107cm3于850—90(TC擴(kuò)散形成第二半導(dǎo)體層至規(guī)定厚度，形成p-n 結(jié)。
取出帶p-n結(jié)的多晶硅片清除邊緣淀積的雜質(zhì)，進(jìn)行減反射膜淀積，再 形成太陽能電池上下電極。
本發(fā)明過程中，既可先進(jìn)行p型半導(dǎo)體的外延、然后進(jìn)行p型半導(dǎo)體的 外延，也可以先進(jìn)行n型半導(dǎo)體層的外延、然后進(jìn)行p型半導(dǎo)體的外延,只 不過電極方向發(fā)生變化。
本發(fā)明使用低純度的多晶硅作為襯底，由于外延層半導(dǎo)體也為硅半導(dǎo)體 層，在進(jìn)行外延時(shí)，外延層和襯底層的晶格能很好的匹配，沒有晶體缺陷和 內(nèi)應(yīng)力，并且外延層可以以襯底為籽晶生長，生長出大晶粒的多晶層。通過對(duì)多晶硅片進(jìn)行高溫加熱處理，使低純度的多晶硅表面層內(nèi)含有的雜質(zhì)得以 擴(kuò)散蒸發(fā)清除，從而減少在外延時(shí)對(duì)外延層進(jìn)行擴(kuò)散污染。如果再進(jìn)行退火 處理，還能使襯底進(jìn)行二次結(jié)晶形成大晶粒的多晶硅。外延生長用適應(yīng)性廣 的射頻感應(yīng)線圈加熱，可以保證硅片內(nèi)形成有效的溫度梯度，使硅片表面的 溫度高于背面的溫度，從而減少外延時(shí)襯底表面的雜質(zhì)向外延層擴(kuò)散，使外 延層中雜質(zhì)分布很陡，過渡層很薄，使得外延層沿著襯底晶粒的方向和大小 生長，外延層可形成良好的大粒度的柱狀晶，每一個(gè)柱狀晶是一個(gè)太陽能電 池，多個(gè)柱狀晶相當(dāng)于多個(gè)太陽能電池并聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池的高效率。
本發(fā)明所用的設(shè)備為非常普及的CVD系統(tǒng)設(shè)備，使用該方法源材料可以 預(yù)先用物理化學(xué)方法制成高純度材料，并且設(shè)備比較簡單，操作方便。加之 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)工藝簡化，易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，因而可以在工業(yè)中得 到廣泛應(yīng)用，從而推動(dòng)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
本發(fā)明所用設(shè)備應(yīng)滿足如下操作要求-
(1) 能夠提供一個(gè)清潔、高真空度的工藝環(huán)境；
(2) 能夠有控制地把襯底加熱到120(TC;
(3) 能夠有控制地把反應(yīng)源氣體和摻雜的氣體輸送到襯底位置，并且很 好的控制流量，保護(hù)氣和載氣能夠很好的控制；
(4) 能夠有控制地通過感應(yīng)加熱線圈加熱和輻射加熱設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)的溫度
梯度；
(5) 能夠有控制地協(xié)調(diào)工藝產(chǎn)生的副產(chǎn)品氣體去除和安全問題。 利用本發(fā)明得到的產(chǎn)品進(jìn)行的電池效率試驗(yàn)如下
實(shí)驗(yàn)儀器包括太陽能光伏組件、輻射光源300瓦卣鉤燈，數(shù)字萬用表2 個(gè)，接線板，負(fù)載電阻，太陽電池可用pn結(jié)二極管D、恒流源/ph、太陽電池 的電極等引起的串聯(lián)電阻Rs和相當(dāng)于pn結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻疋h組成的電 路來表示，該電路為太陽電池的等效電路，如圖4所示。
將太陽能光伏組件、數(shù)字萬用表、負(fù)載電阻通過接線板連接成回路，改 變負(fù)載電阻i ，測量流經(jīng)負(fù)載的電流/和負(fù)載上的電壓K，即可得到該光伏組 件的伏-安特性曲線。測量過程中輻射光源與光伏組件的距離要保持不變，
5以保證整個(gè)測量過程是在相同光照強(qiáng)度下進(jìn)行的。
在兩端加上負(fù)載電阻后進(jìn)行測量，負(fù)載/ 可以從零到無窮大。當(dāng)負(fù)載^ 使太陽電池的功率輸出為最大時(shí)，它對(duì)應(yīng)的最大功率X K，厶和Fm分 別為最佳工作電流和最佳工作電壓。
太陽電池的轉(zhuǎn)換效率"定義為太陽電池的最大輸出功率A與照射到太陽 電池的總輻射能/^之比。
當(dāng)太陽電池接上負(fù)載R時(shí)，所得的負(fù)載伏-安特性曲線如圖5所示。
光伏組件的輸出功率尸隨負(fù)載電阻^的變化。確定不同條件下光伏組件的短 路電流/sc，開路電壓Zoc，最大功率/ta,最佳工作電流im、工作電壓他及 負(fù)載電阻7to，填充因子尸尸，并將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列在一表格內(nèi)進(jìn)行比較。
Voc(Mv)Jsc(mA/cm2)填充因子FF(y。)效率(％)
61825. 576.012. 1
61128.978.813.9
62126.275.612. 3
利用本發(fā)明得到的產(chǎn)品進(jìn)行的少子壽命測量實(shí)驗(yàn)如下
紅外半導(dǎo)體激光器發(fā)出的脈沖激光照射在硅片上，從而在試樣中產(chǎn)生自
由電子-空穴對(duì)。測量中采用的激光波長為904 nm，其在硅材料的透入深度 約為30 um，因而只有在距離硅片上表面《30 nm的薄層區(qū)域內(nèi)才會(huì)有自由 載流子產(chǎn)生。當(dāng)光照停止后，由于自由電子和空穴的復(fù)合，試樣載流子濃度 降低，電導(dǎo)率隨之減小。由于(從試樣)反射的微波功率與試樣的電導(dǎo)率成 正比，因而，通過記錄微波反射率隨時(shí)間的變化，即可監(jiān)測試樣電導(dǎo)率的(隨 時(shí)間的指數(shù))衰減。將測得的微波反射率隨時(shí)間的變化關(guān)系擬合成一條指數(shù) 曲線，求出其時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)即為試樣測量區(qū)域的少子有效壽命。測得數(shù) 值為10.4 us。
6Sample:001
Raster:2 mm
Size:
Scanradius:38. 73咖，，
Lifetime:
Average:10.36 us
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Laser Wavelength:904 nm
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圖1為多晶硅片襯底經(jīng)過高溫處理后通過設(shè)置溫度梯度襯底雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)趨
勢分布情況；圖2為利用本發(fā)明形成的具有太陽能電池性質(zhì)的器件示意圖； 其中，l-電極，2-減反射膜，3-n型層，4-p型層，5-襯底，6-背面 歐姆接觸。
圖3為外延層晶粒沿襯底晶粒生長情況的示意圖； 其中，7-外延生長層晶粒分布，8-襯底晶粒分布。 圖4為太陽電池等效電路示意圖； 圖5為太陽電池的負(fù)載伏-安特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式
一種多晶硅薄膜太陽能電池的制造方法，先沉積P型層，然后沉積n型
層，包括以下實(shí)施步驟
(1) 由于制造外延層半導(dǎo)體的系統(tǒng)是相對(duì)密閉清潔的系統(tǒng)，所以首先充 入高純度的氫氣清洗反應(yīng)室。反復(fù)進(jìn)行充氫氣、放氫氣操作，使整個(gè)系統(tǒng)處 于高的潔凈狀態(tài)。
(2) 把3N級(jí)純度硅片放在帶有射頻感應(yīng)加熱線圈的基座上，以保證基 座整個(gè)面積加熱均勻，然后對(duì)硅片進(jìn)行高溫處理，加熱溫度到120(TC保持20 分鐘，使襯底表面的雜質(zhì)從襯底表面逸出，.與此同時(shí)通入氫氣驅(qū)趕襯底邊界 層表面逸出的雜質(zhì)，這樣在襯底表面形成雜質(zhì)耗盡層。由于存在溫度梯度， 雜質(zhì)的擴(kuò)散方向與外延方向相反的趨勢，對(duì)襯底表面雜質(zhì)的清潔作用得以保 持，不影響外延的生長。
(3) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗后，在115(TC準(zhǔn)備進(jìn)行p型半導(dǎo)體層的外延。反應(yīng) 組分硅烷或者三氯硅烷經(jīng)高純度的氫氣稀釋到體積濃度為1% — 10%，摻雜組 分B2He經(jīng)高純度的氫氣稀釋到體積濃度為1%_5%，采用內(nèi)壁拋光的不銹鋼輸 運(yùn)管道分別同時(shí)輸入反應(yīng)室進(jìn)行外延層淀積。流量的控制由FMC (flow mass controll，流量質(zhì)量控制)電磁閥和氣動(dòng)閥來實(shí)現(xiàn)，然后通入反應(yīng)室。外延 層的生長速率可由氣體的流量來控制。外延采用兩步外延生長法，開始只進(jìn) 行短時(shí)間的外延生長，使外延層把襯底輕微蓋住，能有效地阻止襯底雜質(zhì)進(jìn) 一步從襯底逸出，在這段時(shí)間過后供料停止，只通氫氣驅(qū)趕殘存在邊界層中 的雜質(zhì)，而外延層中的雜質(zhì)也會(huì)蒸發(fā)一部分。到一定時(shí)間后，邊界層中的雜質(zhì)排盡，再進(jìn)行第二階段外延生長，直到外延層所要求的厚度，這樣就減少 襯底中的雜質(zhì)向外延層擴(kuò)散，使雜質(zhì)過渡區(qū)變窄。
(4) 進(jìn)行n型半導(dǎo)體層的擴(kuò)散制結(jié)。以P0Cl3液態(tài)源為擴(kuò)散源，擴(kuò)散溫 度為850-900°C， POCls的濃度為1019/cm3，制造p-n結(jié)的結(jié)深為0. 3 ii m。
(5) 取出淀積形成的具有p-n結(jié)性質(zhì)的硅片進(jìn)行清洗，去除邊緣淀積的 雜質(zhì)，從而可以進(jìn)行進(jìn)行減反射膜淀積，再形成太陽能電池上下電極。采用 減反射層來降低太陽電池表面的反射，而且減少表面復(fù)合，可以顯著提高太 陽能的轉(zhuǎn)換效率。
(6) 最后進(jìn)行外延層質(zhì)量檢測和電池效率測試。外延層質(zhì)量的檢測主要 進(jìn)行電阻率的檢測、雜質(zhì)濃度分布檢測、外延層厚度檢測、層錯(cuò)及位錯(cuò)密度 檢測、外延層少子壽命測量、外延層表面缺陷的觀察等。用電池片與接線板 負(fù)載電阻和數(shù)字萬用表形成電路，然后用標(biāo)準(zhǔn)輻射電源照射電池片從而測定 電池的效率。用這種方法制得的電池效率最高能達(dá)到12-14%。
上述實(shí)施步驟中，首先要對(duì)襯底硅片進(jìn)行準(zhǔn)備，在保證足夠低的串聯(lián)電 阻的前提下，摻雜不宜過高以保證襯底晶格的完好和減少雜質(zhì)向外延層擴(kuò)散， 然后對(duì)襯底進(jìn)行清洗以消除硅片表面雜質(zhì)，再在襯底背部淀積一層二氧化硅 膜以抑止背面雜質(zhì)的蒸發(fā)降低自摻雜。
權(quán)利要求
1、多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，包括在襯底上外延形成第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層步驟、形成接觸電極步驟和在第二半導(dǎo)體層上形成一層減反射膜步驟，其特征在于，襯底選擇3N級(jí)純度多晶硅片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，其特征在于， 襯底選擇3N級(jí)純度高摻雜的具有大晶粒柱狀晶的多晶硅片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，其特征 在于，多晶硅片經(jīng)高溫處理在表面形成雜質(zhì)耗盡層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，其特征在于， 多晶硅片高溫處理步驟為把多晶硅片放入反應(yīng)室中帶有射頻感應(yīng)加熱線圈 的基座上，于1200士20'C加熱15土5分鐘，與此同時(shí)通入氫氣。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，其特征在于， 多晶硅片高溫處理后于1150土5'C退火處理10±5分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，其特征 在于，外延形成第一半導(dǎo)體層步驟為把反應(yīng)組分硅烷或者三氯硅烷經(jīng)高純 氫氣稀釋到體積濃度1% — 10%、摻雜組分B2He經(jīng)高純氫氣稀釋到體積濃度1 %—5%，分別同時(shí)通入反應(yīng)室于1150'C進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，沉積至外延層把 襯底輕微蓋后停止供料，通氫氣至邊界層中的雜質(zhì)排盡，再繼續(xù)供料沉積至 規(guī)定厚度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，其特征布于, 外延形成第二半導(dǎo)體層步驟為在第一半導(dǎo)體層表面以液態(tài)擴(kuò)散源POCV濃度 為1(T/cm3于850—90(TC擴(kuò)散形成第二半導(dǎo)體層至規(guī)定厚度，形成p-n結(jié)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，其特征在于， 取出帶p-n結(jié)的多晶硅片清除邊緣淀積的雜質(zhì)，進(jìn)行減反射膜淀積，再形成 太陽能電池上下電極。
全文摘要
多晶硅薄膜太陽能電池制造方法，包括3N級(jí)純度多晶硅片、尤其是3N級(jí)純度高摻雜的具有大晶粒柱狀晶的多晶硅片襯底的處理和在襯底上外延形成第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層步驟、形成接觸電極步驟和在第二半導(dǎo)體層上形成一層減反射膜步驟。本發(fā)明方法工藝簡單、成本低、易于產(chǎn)業(yè)化，制造的太陽能電池效率高。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101540346SQ200810049380
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者高文秀 申請(qǐng)人:高文秀