在基片上形成多掺杂结的方法

专利名称：在基片上形成多掺杂结的方法
技术领域：
本披露总体上涉及p-n结，并且具体地涉及用于在基片上形成多掺杂结的方法。
背景技术：
半导体形成了现代电子学的基础。由于具有可以选择性地在导电与绝缘之间进行改变和控制的物理特性，半导体在大多数现代电气设备(例如，计算机、便携式电话、光伏电池等)中是必要的。最有用的半导体结构之一是p-n结。作为许多电子器件和电气设备的基本构造块，P-n结趋向于在一个方向上传导电流并且在另一个方向上阻断电流，并且趋向于产生电场。最后的这个特性对于引出电荷的应用(如太阳能电池)是有用的。在典型的太阳能电池中，被吸收的光一般将产生电子-空穴对。之后，在电场(或内建电势)内P-n结ρ型侧上的电子可以被吸引到η型区域(通常掺杂有磷)并且与ρ型区域(通常掺杂有硼)相排斥，而在电场内P-n结η型侧上的空穴可以被吸引到ρ型区域并且与η型区域相排斥。通常，η型区域和/或P型区域可以各自分别包括不同水平的相对掺杂浓度，常常表示为η-、η+、η++、ρ-、ρ+、ρ++等。内建电势通常取决于两个相邻的层之间的掺杂水平，并且因此电场强度通常取决于两个相邻的层之间的掺杂水平。大多数太阳能电池一般是形成在掺杂有第一掺杂剂(通常是硼)的硅晶片上，该第一掺杂剂形成吸收体区域，第二反向掺杂剂(通常是磷)在该吸收体区域上扩散从而形成发射极区域，以完成P-n结。在加入钝化和抗反射的涂层之后，可以添加金属接触件(在发射极上的指形件和汇流条，以及在吸收体背面的衬垫(pad))以便引出所产生的电荷。具体而言，发射极掺杂剂浓度必须针对载流子收集以及与金属电极的接触两者进行优化。一般而言，发射极区域内的掺杂剂原子的低浓度将造成二者低的再结合(因此太阳能电池效率更高)以及与金属电极的差的电接触。相反，掺杂剂原子的高浓度将造成二者高的再结合(降低太阳能电池的效率)以及与金属电极的低电阻欧姆接触。通常，为了降低制造成本，一般使用单掺杂剂扩散来形成发射极，掺杂剂的浓度被选择为再结合与欧姆接触之间的折中。因此，太阳能电池的潜在效率(被转换成电的太阳光的百分比)被降低了。—种解决方案是使用二元掺杂的或选择性的发射极。选择性发射极使用针对低再结合进行优化的第一轻掺杂区域以及针对低电阻欧姆金属接触进行优化的第二重掺杂区域(具有同样的掺杂剂类型)。然而，选择性发射极的结构可能难以在一步扩散过程中完成，并且可能涉及多个掩蔽步骤，因此增加了制造成本。另外，由于一般在高掺杂发射极区域与低掺杂发射极区域之间没有可视的边界，所以将金属接触件对齐到先前沉积的高掺杂区域上可能是困难的。像发射极区域一样，BSF(背面场)的沉积也可能存在问题。BSF —般是位于太阳能电池背面的区域，它倾向于使吸收体区域中的少数载流子与晶片的背表面以及金属化区域处的高再结合区域相排斥。通常可以使用与在吸收体区域中所用的那些相同类型的掺杂剂来形成BSF，在这种情况下，将该BSF中的掺杂剂原子的浓度选择为高于用来掺杂吸收体区域的浓度，因此在晶片本体与背表面之间产生势垒。此外，在典型的太阳能电池结构中，BSF—般是用铝(或其他沉积的材料)形成，一般首先将其丝网印刷到太阳能电池的背面上，并且之后在直通炉中与正面金属接触件(通常由丝网印刷的银糊剂形成)一起进行共同烧制。典型地，晶片中的硅原子倾向于在铝中扩散并且随后重结晶，从而将铝原子结合到硅晶体中。然而，尽管制造相对容易，但铝的热膨胀系数(大约24ym/m°C)大大高于硅(大约3ym/m°C)。因此，趋于发生晶片弯曲。而且虽然用丝网印刷的Al BSF实现了在载流子再结合方面的某种减少，然而在背面仍然有显著的再结合发生，这倾向于降低太阳能电池的效率。可选地，可以通过与吸收体区域中使用的那些相反类型的掺杂剂原子(反向掺杂齐IJ)的扩散来将背表面钝化。在这种情况下，在基片的背面侧建立浮动结，已经证实这也提供有效的钝化。一般必须使用第二扩散区域来对太阳能电池的吸收体区域提供欧姆接触。最后，有可能使用局部重掺杂的区域仅在背表面的小区域上形成欧姆接触，并且在其他区域中用表面钝化层(例如SiNx、Ti02、Si02)来降低再结合。在这一情况下，这些表面层不仅减少了在硅表面处的再结合位点，还提供了使少数载流子与表面相排斥的固定电荷。类似于高效率发射极(例如选择性发射极)的形成，有效的BSF的形成通常涉及许多处理步骤并且因此对制造而言通常成本过高。鉴于上述情况，提供一种在基片上形成多掺杂结的优化方法是令人希望的。

发明内容
本发明在一种实施方式中涉及在基片上形成多掺杂结的方法。该方法包括提供掺杂有硼的基片，该基片包括第一基片表面，该第一基片表面具有第一表面区域和第二表面区域。所述方法还包括将第一组纳米颗粒沉积在所述第一表面区域上，该第一组纳米颗粒包括第一掺杂剂。所述方法进一步包括在惰性环境下将所述基片加热到第一温度并且持续第一时间段，从而产生第一致密薄膜，并且进一步产生第一扩散区域，该第一扩散区域在所述第一表面区域之下的基片中具有第一扩散深度。所述方法还包括在第二温度下将所述基片暴露于包括磷的扩散气体中并且持续第二时间段，从而在所述第一基片表面上产生PSG 层，并且进一步产生第二扩散区域，该第二扩散区域在所述第二表面区域之下的基片中具有第二扩散深度，其中所述第一扩散区域与所述第二扩散区域相邻。所述方法进一步包括在第三温度下将所述基片暴露于氧化气体中并且持续第三时间段，其中在所述PSG层与所述基片表面之间形成SiO2层，其中所述第一扩散深度充分大于所述第二扩散深度。


在附图的图中以举例的方式而非以限制的方式阐释了本发明，在图中同样的参考数 字指代相似的要素，并且其中图IA至图IF示出了根据本发明的一种优化方法的一组简化图，该方法用于使用同时扩散步骤在基片上形成多掺杂结；图2A至图2G示出了根据本发明的一种优化方法的一组简化图，该方法用于在同时扩散步骤中形成带有纳米颗粒BSF的选择性发射极；
图3A至图3G示出了根据本发明的一种优化方法的一组简化图，该方法用于在同时扩散步骤中形成具有面积减小的背面电极接触件以及钝化的背表面的选择性发射极；图 4示出了根据本发明的具有选择性发射极以及铝BSF的太阳能电池的简化图；图5示出了根据本发明的具有选择性发射极以及致密薄膜背面接触件的太阳能电池的简化图；图6示出了根据本发明的将致密的纳米颗粒薄膜的反射率与硅基片上的晶体硅的反射率进行比较的简化图；图7A至图7C示出了根据本发明的选择性发射极的不同区域的不同电气特征的简化图；并且图8示出了根据本发明的将只具有轻掺杂发射极的太阳能电池与具有选择性发射极的太阳能电池进行比较的一组I-V曲线的简化图。
具体实施例方式现在参照如附图中所示的本发明的一些优选实施方式详细描述本发明。在以下描述中，列出了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应当清楚的是可以不用这些具体细节中的一些或全部来实施本发明。在其他情况下，为了不会对本发明造成不必要的遮掩，对众所周知的处理步骤和/或结构未作详细描述。如先前所述，在基片上形成多掺杂结(如用于太阳能电池)往往存在问题，因为通常要求多个分离的扩散过程和多个图案化步骤，从而增加了制造成本。以一种有利的方式，可以用同时扩散步骤通过结合作为高浓度掺杂剂层和掺杂剂扩散源的掺杂的IV族纳米颗粒来在基片上形成多掺杂结。在选择性发射极的情况下，第一扩散区域和第二扩散区域是相同的掺杂剂类型(两者都为η型或都为P型)，而在BSF的情况下，扩散区域可以用任一掺杂剂类型(η型和/或ρ型)形成。选择性发射极和BSF两者也都可以在同时扩散步骤中形成。一般而言，纳米颗粒是至少在一维上小于IOOnm的一种微观颗粒。术语“IV族纳米颗粒”通常是指具有在大约Inm至IOOnm之间的平均直径的氢封端的IV族纳米颗粒，并且包括硅、锗、碳或者它们的组合。术语“IV族纳米颗粒”还包括被掺杂的IV族纳米颗粒。 与倾向于具有无关其大小的恒定物理性质(例如熔化温度、沸腾温度、密度、电导率等)的大块材料(> IOOnm)相比。因为它们的尺寸小，纳米颗粒也倾向于难以操作。因此，以一种有利的方式，可以将组装的纳米颗粒悬浮在胶态分散体或胶体(例如墨水)之中，以便运输并保存所述纳米颗粒。一般地，IV族纳米颗粒的胶态分散体是可能的，因为该颗粒表面与溶剂的相互作用的强度足以克服密度差，密度差通常会导致材料在液体中下沉或者浮起。即，较小的纳米颗粒比较大的纳米颗粒更容易分散。一般而言，IV族纳米颗粒在真空下或者在惰性的基本无氧的环境下被转移到胶态分散体之中。此外，可以使用颗粒分散的方法和设备(如声波降解法、高剪切混合器以及高压/高剪切均化器)来帮助纳米颗粒在选定的溶剂或溶剂混合物中的分散。溶剂的实例包括醇类、醛类、酮类、羧酸类、酯类、胺类、有机硅氧烷类、卤代烃类以及其他烃类溶剂。此外，这些溶剂可以进行混合，以便优化诸如粘度、密度、极性等的物理特性。此外，为了更好地将IV族纳米颗粒分散到胶态分散体中，可以通过添加有机化合物如醇类、醛类、酮类、羧酸类、酯类、胺类以及有机硅氧烷类来形成纳米颗粒封端基团。可选地，可以通过将气体加入到等离子室之中来现场添加封端基团。这些封端基团随后可以在烧结工艺的过程中或在恰在烧结工艺之前的较低温度预加热中去除。例如，适于在封端的IV族半导体纳米颗粒的制备中使用的大体积封端剂包括 C4-C8支链醇类、环状醇类、醛类以及酮类，如叔丁醇、异丁醇、环己醇、甲基环己醇、正丁醛、 异丁醛、环己酮，还包括有机硅氧烷类，如甲氧基(三(三甲基硅烷基)硅烷)(MTTMSS)、三 (三甲基硅烷基)硅烷(TTMSS)、十甲基甲硅氧烷(DMTQ以及三甲基甲氧基硅烷(TMOS)。一旦已经配制，可以将胶态分散体施加到基片上并且经受热处理，以便将IV族纳米颗粒烧结为致密的导电膜并且使掺杂剂扩散到晶片之中。涂覆方法的实例包括但不限于棍涂覆、狭缝模具式涂覆、凹版印刷、柔性版滚筒印刷以及喷墨印刷方法等。另外，掺杂的IV族纳米颗粒胶态分散体的不同结构可以通过掺杂的、未掺杂的和 /或不同掺杂的IV族纳米颗粒的选择性混合来进行配制。例如，可以制备混合的IV族纳米颗粒胶态分散体的不同配方，其中结的特定层的掺杂剂水平是通过将掺杂的和未掺杂的IV 族纳米颗粒进行混合来配制，以达到该层的要求。可选地，所述混合的IV族纳米颗粒胶态分散体可以用来补偿基片缺陷，如氧原子的钝化，以便减少不希望的能态。现在参见图IA至图1F，一组简化图示出了根据本发明的一种优化的方法，该方法用于使用同时扩散步骤在基片上形成多掺杂结，如在具有选择性发射极(使用相同的掺杂剂类型)或BSF (使用不同的掺杂剂类型)的太阳能电池上。在图IA中，使用诸如辊涂覆、狭缝模具式涂覆、凹版印刷、柔性版滚筒印刷、喷墨印刷方法等的涂覆方法将一组掺杂的纳米颗粒100沉积在掺杂的硅基片102的表面上。在掺杂的纳米颗粒沉积之后，为除去残留溶剂可以在烘焙温度(优选从100°C到500°C、更优选在大约350°C与大约450°C之间、并且最优选大约400°C )下烘焙所述硅基片。这种烘焙可以在空气环境下或者在惰性环境下(如用氮气、氩气或合成气体)进行。在图IB中，掺杂的硅基片102被安置在烧结炉(例如石英管式炉、直通炉等)中。 任选地，可以用额外的加热过程在进行扩散之前将颗粒预烧结，以便改进低再结合的欧姆接触的形成。例如，可以将这组掺杂的纳米颗粒100在烧结温度(优选在大约500°C与大约 1000°C之间、更优选在大约750°C与850°C之间、并且最优选大约800°C )下烧结并且持续烧结时间(优选在大约5秒与大约2分钟之间、更优选在大约5秒与大约20秒之间、并且最优选在惰性环境(如氮气、氩气等)下大约15秒)以便形成致密薄膜。此外，当该致密薄膜形成时，在这组掺杂的纳米颗粒100中的掺杂剂原子还可能开始向掺杂的硅基片102中扩散，从而形成初始的第一掺杂(更高的掺杂剂浓度)区域11加。另外，在太阳能电池的情况下，可以将BSF施加于掺杂的硅基片的背表面，以便使吸收体区域中的少数载流子与晶片背表面和金属化区域处的高再结合区域相排斥。可以用铝糊剂(或其他沉积的材料)来形成BSF，一般首先将其丝网印刷到太阳能电池的背面上， 并且之后在直通炉中与正面金属接触件一起进行共同烧制。在图IC中，开始同时扩散步骤。掺杂的硅基片102被装载到扩散炉中并且加热到扩散温度(优选在大约700°C与大约1000°C之间持续大约5分钟与大约30分钟之间、并且更优选在大约750°C与大约850°C之间持续大约10分钟与大约20分钟之间、并且最优选在大约800°C持续大约15分钟)。在这段时间中，使氮气作为载气流经填充有低浓度液态POCl3 (三氯氧化磷)、02气体和N2气体的起泡器以便形成处理气体101。在图ID中，在图IC的热过程中，O2分子与POCl3分子发生反应而在掺杂的硅基片 102上形成包括P2O5 (磷氧化物)的PSG (磷硅酸盐玻璃)层106。作为副产物产生的(12气体与掺杂的硅基片102中的金属杂质反应并且将其除去。随着这个化学过程的继续，磷扩散进入硅晶片中而形成第二掺杂(更低的掺杂浓度)区域104。在图IE中，使用O2和N2形成第二氧化气体109。首先将炉室加热到氧化温度(优选在大约800°C与大约1100°C之间、更优选在大约950°C与大约1050°C之间、并且最优选大约1000°C )。之后由于氧气与掺杂的硅基片102表面中的硅原子进行反应，形成了 SiO2 ( 二氧化硅)层107 (大约10-50nm)(在N2 O2大约1 1的混合物下)。一旦已经达到了足够的SiO2厚度，例如在15到30分钟之后，则终止O2气体流动。 之后在N2环境下将石英室加热到大约900°C与1100°C之间，以便驱使原本在这组掺杂的纳米颗粒100中的掺杂剂原子进入掺杂的硅基片102的更深处，从而形成最终的第一掺杂 (更高的掺杂浓度)区域112b。也就是说，与被SiO2层107阻止进入硅基片102中的、在 PSG层106中的掺杂剂原子不同，这组掺杂的纳米颗粒100中的掺杂剂原子可以继续扩散进入第一掺杂区域112b中。因此，最终的第一掺杂区域112b的扩散深度可以充分大于第二掺杂区域104对应的扩散深度，从而使得由正面金属接触件(如图4中所示)穿透到轻度反向掺杂的基片中所导致的分流的可能性最小化。在图IF中，如果需要，则可以用批式HF湿法清洗台(wet bench)或其他适合的装置将PSG层206去除。现在参见图2A至图2G，一组简化图示出了根据本发明的一种优化的方法，该方法用于在同时扩散步骤中形成带有纳米颗粒BSF的选择性发射极。在图2A中，使用诸如辊涂覆、狭缝模具式涂覆、凹版印刷、柔性版滚筒印刷、喷墨印刷方法等的涂覆方法将高掺杂的η型纳米颗粒层200沉积在ρ掺杂的硅基片202的正表面上。在沉积之后，为除去残留溶剂可以在第一烘焙温度(优选从100°C到500°C、更优选在大约350°C与大约450°C之间、并且最优选大约400°C)下烘焙所述硅基片。烘焙可以在空气环境下或者在惰性环境下(如用氮气、氩气或合成气体)进行。在图2B中，同样使用诸如辊涂覆、狭缝模具式涂覆、凹版印刷、柔性版滚筒印刷、 喷墨印刷方法等的涂覆方法将高掺杂的P型纳米颗粒层220随后沉积在ρ掺杂的硅基片 202的背表面上以便形成BSF (并且以便与背面金属接触件(背面电极栅)形成欧姆接触)。之后，为除去高掺杂的ρ型纳米颗粒层220中的残留溶剂在第二烘焙温度 (优选从100°C到500°C、更优选在大约350°C与大约450°C之间、并且最优选大约400°C )下烘焙 P掺杂的硅基片202。这种烘焙可以在空气环境下或者在惰性环境下(如用氮气、氩气或合成气体)进行。在图2C中，开始同时扩散步骤。P掺杂的硅基片202被安置在炉(例如石英管式炉、直通炉等)中。任选地，可以用额外的加热过程在进行扩散之前将颗粒预烧结，以便改进低再结合的欧姆接触的形成。
因此，接着可以将η型掺杂的纳米颗粒200以及ρ型掺杂的纳米颗粒220同时在惰性环境下以烧结温度烧结以便各自形成致密薄膜(优选在大约500°C与大约1000°C之间、 更优选在大约750°C与850°C之间、并且最优选大约800°C )，并且在惰性环境(例如N2、Ar、 合成气体)下持续烧结时间(优选在大约5秒与大约2分钟之间、更优选在大约5秒与大约20秒之间、并且最优选大约15秒)。当各自的致密薄膜形成时，这组η型掺杂的纳米颗粒200中的η掺杂剂原子开始向P掺杂的硅基片202中扩散以形成初始的η掺杂的高浓度区域212a，而这组ρ型掺杂的纳米颗粒220中的ρ掺杂剂原子也开始向ρ掺杂的硅基片202中扩散以形成初始的ρ掺杂的高浓度区域22加。在图2D中，ρ掺杂的硅基片202被加热到扩散温度(优选在大约700°C与大约 1000°C之间持续大约5分钟与大约30分钟之间、更优选在大约750°C与大约850°C之间持续10分钟与20分钟之间、并且最优选在大约800°C持续大约15分钟)，在这段时间中，使氮气作为载气流经填充有低浓度液态POCl3 (三氯氧化磷),O2气体和队气体的起泡器以便形成处理气体230。在图2E中，随着在图2D中所示的热过程的继续，仏分子与POCl3分子发生反应以在P掺杂的硅基片202上形成正面PSG层232和背面PSG层234，二者均包括P2O5 (磷氧化物)。作为副产物产生的Cl2气体与ρ掺杂的硅基片202中的金属杂质发生反应并且将其除去。随着这个化学过程的继续，磷扩散进入硅晶片中以形成正面的η掺杂的低浓度区域 204。此外，在ρ型掺杂的纳米颗粒层201被图案化(未示出)的太阳能电池结构中，磷向硅晶片中通常没有P型掺杂的纳米颗粒层201的区域中扩散。另外，低浓度的磷(η型)向 BSF层220中扩散，该BSF层具有大大提高的硼(ρ型)掺杂剂浓度。在图2F中，使用O2和队形成第二氧化气体236。将炉室加热到氧化温度(优选在大约800°C与大约1100°C之间、更优选在大约950°C与1050°C之间、并且最优选大约1000°C ) 持续大约5分钟与30分钟之间。随着氧气与ρ掺杂的硅基片302中的硅原子发生反应，在ρ掺杂的硅晶片202内形成正面SiA ( 二氧化硅)层207以及背面SiA ( 二氧化硅)层Mo，各自是大约IOnm至大约50nm。一旦已经达到了足够的SW2厚度，则终止A气体流动。之后在队环境下将石英室加热到大约900°C与1100°C之间的扩散温度并且持续扩散时间段(优选在大约5分钟与大约60分钟之间、更优选在15与30分钟之间、并且最优选持续大约22分钟)，以便驱使掺杂剂原子(原本在η型掺杂的纳米颗粒层200以及ρ 型掺杂的纳米颗粒层220中)进入ρ掺杂的硅基片202的更深处，从而形成最终的η掺杂的高浓度区域21 以及最终的ρ掺杂的高浓度区域222b。如先前所述，在正面PSG层232 中的掺杂剂原子被正面的SW2层207阻止其进一步扩散进入ρ掺杂的硅基片202中，而在背面PSG层234中的掺杂剂原子被背面的SiO2层MO阻止其进一步扩散进入ρ掺杂的硅基片202中。因此，最终的η掺杂的高浓度区域212b的扩散深度可以充分大于正面的η掺杂的低浓度区域204对应的扩散深度，从而使得由正面金属接触件(未示出)穿透到轻度反向掺杂的基片中所导致的分流的可能性最小化。在图2G中，如果需要，则可以用批式HF湿法清洗台或其他适合的装置将正面PSG 层232和背面PSG层234去除。
现在参见图3A至图3G，一组简化图示出了根据本发明的一种优化的方法，该方法用于在同时扩散步骤中形成具有面积减小的背面电极接触件以及钝化的背表面的选择性发射极。在图3A中，使用如辊涂覆、狭缝模具式涂覆、凹版印刷、柔性版滚筒印刷、喷墨印刷方法等的涂覆方法将高掺杂的η型纳米颗粒层300沉积在ρ掺杂的硅基片302的正表面上。在掺杂的纳米颗粒沉积之后，为除去残留溶剂可以在第一烘焙温度(优选从大约100°C 到大约500°C、更优选在大约350°C与大约450°C之间、并且最优选大约400°C )下烘焙所述
娃基片ο这种烘焙可以在空气环境下或者在惰性环境下(如用氮气、氩气或合成气体)进行。这组η型掺杂的纳米颗粒300将形成所述选择性发射极的高掺杂的部分。在图;3Β中，接着将高掺杂的ρ型纳米颗粒层301沉积在ρ掺杂的硅基片302的背表面上以便形成面积减小的背面接触件。被重掺杂以形成欧姆接触之后，所述面积减小的背面接触件一般也使用如辊涂覆、狭缝模具式涂覆、凹版印刷、柔性版滚筒印刷、喷墨印刷方法等的涂覆方法进行沉积以匹配背面电极栅(未示出)(例如与一对500um宽的汇流条线成直角且以2mm间距隔开的120um宽的多条线)。一般必须使用Si02、SiNx或其他技术来将剩余的背面区域303钝化，以使归因于再结合的损耗最小化。如前所述，在η型掺杂的纳米颗粒层300以及ρ型掺杂的纳米颗粒层301沉积之后，为除去残留溶剂可以在第二烘焙温度(优选从大约100°C到大约500°C、更优选在大约 350°C与大约450°C之间、并且最优选大约400°C )下烘焙ρ掺杂的硅基片302。这种烘焙可以在空气环境下或者在惰性环境下(如用氮气、氩气或合成气体)进行。在图3C中，ρ掺杂的硅基片302被安置在炉(例如石英管式炉、直通炉等)中。任选地，可以用额外的加热过程在进行扩散之前将颗粒预烧结，以便改进低再结合的欧姆接触的形成。因此，之后可以将η型掺杂的纳米颗粒300以及ρ型掺杂的纳米颗粒301同时在惰性环境下以烧结温度进行烧结以便各自形成致密薄膜(优选在大约500°C与大约1000°C 之间、更优选在大约750°C与850°C之间、并且最优选大约800°C )，并且在惰性环境(例如 N2、Ar、合成气体)下持续烧结时间(优选在大约5秒与大约2分钟之间、更优选在大约5秒与大约20秒之间、并且最优选大约15秒)。在各自的致密薄膜形成时，这组η型掺杂的纳米颗粒300中的η掺杂剂原子开始向P掺杂的硅基片302中扩散以形成初始的η掺杂的高浓度区域312a，而这组ρ型掺杂的纳米颗粒301中的ρ掺杂剂原子也开始向ρ掺杂的硅基片302中扩散以形成初始的ρ掺杂的高浓度区域313a。在图3D中，开始同时扩散步骤。P掺杂的硅基片302被装载进扩散炉中并且加热到扩散温度(优选在大约700°C与大约1000°C之间持续大约5分钟与大约30分钟之间、更优选在大约750°C与大约850°C之间持续10分钟与20分钟之间、并且最优选在大约800°C 持续大约15分钟)，在这段时间中，使氮气作为载气流经填充有低浓度液态POCl3 (三氯氧化磷)、A气体和队气体的起泡器以便形成处理气体330。在图3E中，随着在图3D中所示的热过程的继续，仏分子与POCl3分子发生反应以在P掺杂的硅基片302上形成正面PSG层332和背面PSG层334，二者均包括P2O5 (磷氧化物)。作为副产物产生的Cl2气体与P掺杂的硅基片302中的金属杂质进行反应并且将其除去。随着这个化学过程的继续，磷扩散进入硅晶片中以形成正面的η掺杂的低浓度区域 304以及背面的η掺杂的低浓度区域322。如先前所述，低掺杂剂浓度倾向于使再结合最小化。在图3F中，使用O2和N2形成第二氧化性气体336。将炉室加热到氧化温度(优选在大约800°C与大约1100°C之间、更优选在大约950°C与大约1050°C之间、并且最优选大约1000°C )持续大约5分钟与30分钟之间。随着氧气与ρ掺杂的硅基片302中的硅原子发生反应，在ρ掺杂的硅晶片302内形成正面SiO2 ( 二氧化硅)层307以及背面SiO2 ( 二氧化硅)层340，各自是大约IOnm至大约50nm。一旦已经达到了足够的SiO2厚度，则终止O2气体流动。之后在N2环境下将石英室加热到大约900°C与1100°C之间的扩散温度并且持续扩散时间段(优选在大约5分钟与大约60分钟之间、更优选在15与30分钟之间、并且最优选持续大约22分钟)，以便驱使掺杂剂原子(原本在η型掺杂的纳米颗粒层300以及ρ 型掺杂的纳米颗粒层301中)进入ρ掺杂的硅基片302的更深处，从而形成最终的η掺杂的高浓度区域312b以及最终的ρ掺杂的高浓度区域313b。如先前所述，在正面PSG层332 中的掺杂剂原子被正面SiO2层307阻止其进一步扩散进入ρ掺杂的硅基片302中，而在背面PSG层334中的掺杂剂原子被背面SiO2层340阻止其进一步扩散进入ρ掺杂的硅基片 302 中。在图3G中，如果需要，则可以用批式HF湿法清洗台或其他适合的装置将正面PSG 层332和背面PSG层334去除。现在参见图4，简化图示出了根据本发明的具有选择性发射极以及铝BSF的太阳能电池。如先前所述，η++(高掺杂的)纳米颗粒致密薄膜412以及η++扩散区域414在 P-(轻掺杂)硅基片410上形成并烧结。之后以POCl3过程形成η-扩散区域408。之后在 η-扩散区域408之上形成SiO2层406，以便帮助将硅基片410的正表面钝化，并且控制在 POCl3过程中磷原子的扩散。SiNx层404在SiO2层406的正表面上形成。像SiO2层406 —样，SiNx层404帮助钝化硅基片410的表面，从而使晶片本体受外部来源的污染最小化并且减少少数载流子在硅基片410的表面处的再结合。此外，SiNx层404可以被优化以降低太阳能电池正表面的反射率，从而实质性地改进效率并因此改进性能。之后在硅基片410上形成正面金属接触件402和BSF/背面金属接触件416。正面金属接触件402—般是由包括Ag粉末(70衬％到 80wt% )、硼硅酸铅玻璃PbO-B2O3-SiO2 (1 丨％到IOwt % )以及有机组分(15 丨％到30wt% ) 的Ag糊剂形成。BSF/背面金属接触件416 —般由铝形成，并且被配置为产生电场，该电场排斥少数载流子并且因此使少数载流子的背表面再结合的影响最小化。此外，一般将Ag衬垫(未示出)应用到BSF/背面金属接触件416上，以便协助焊接从而互连到模块中。现在参见图5，简化图示出了根据本发明的具有选择性发射极以及致密薄膜背面接触件的太阳能电池。η++(高掺杂的)纳米颗粒致密薄膜512、η++扩散区域514、ρ++纳米颗粒致密薄膜背面接触件520以及ρ++纳米颗粒扩散区域518是在ρ_(轻掺杂)硅基片 510上形成并烧结。之后以POCl3过程形成正面η-扩散区域508和背面η-扩散区域526。 之后在η扩散区域508之上形成SiO2层506。之后在SiO2层506的正表面上形成SiNx504层。之后用先前所述的Ag糊剂在硅基片510上形成正面金属接触件502和背面金属接触件 522。现在参见图6，图6是根据本发明将致密纳米颗粒薄膜的反射率与在硅基片上的晶体硅的反射率进行比较的简化图。如上所述，这两个表面都涂覆有热生长氧化物和PECVD 沉积的氮化物层。在横轴602上示出以纳米计的波长，并且在纵轴604上示出反射率的百分数。如上所述，通常使用SiNx来降低太阳能电池的反射率并且因此提高其效率。对于射向太阳能电池的任何给定波长的光，该反射率的百分数与光所穿过的透明层(在此主要是SiNx层)的厚度以及下方表面的吸收特征相关。在如图IA至图IF中所描述的扩散的选择性发射极(没有致密的纳米颗粒薄膜) 的情况下，对于轻掺杂发射极区域和重掺杂发射极区域二者而言，SiNx层的厚度相同，并且下方表面都是晶体硅(或被一个热致生长氧化物薄层覆盖的晶体硅)，因此是相同的。因此，在视觉上将正面金属接触件对齐到高掺杂区域上可能存在问题。然而，在本发明中，所述下方表面是不同的并且因此在视觉上是不一样的。虽然轻掺杂的发射极区域606具有晶体硅的光学特性(即消光系数和折射率)，但是致密纳米颗粒薄膜608具有与非晶硅的光学特性略微相似的不同的光学特性。在此，轻掺杂的发射极区域606的反射率在600nm的波长附近具有最小反射点，这产生一种蓝色的外观，而致密纳米颗粒薄膜608的反射率没有明显的最小值，这产生一种白色的外观。因此，由于在光学特性上的这种差别倾向于使每个表面具有不同的颜色，而这些颜色之间有高的对比度，所以在视觉上将正面金属接触件对齐到高掺杂区域上可以更容易地完成。现在参见图7A至图7C，简化图示出了根据本发明的选择性发射极的不同区域的不同电气特征。在此，在轻度硼掺杂的硅基片上制备一组纳米颗粒基片，以便协助对薄层电阻的4点探针测量。在该基片表面的第一部分上，形成磷掺杂的纳米颗粒致密薄膜704，并且在第二部分上用PSG 702形成磷扩散区域。在图7A中，测量薄层电阻706。薄层电阻一般是对具有均勻厚度的薄膜或层的电阻的一种量度，并且是以Ohm/sq为单位测得的。在此，将基片在1000°C下预烧结20秒并且用磷沉积物在725°C下扩散19分钟，随后在975°C下氧化15分钟并且在1000°C下退火30 分钟。如可以看到的，包含纳米颗粒致密薄膜的区域具有在100hm/Sq与200hm/sq之间的薄层电阻，而具有PSG的区域是在120-2000hm/sq之间。在图7B中，测量效率708。太阳能电池的效率一般是在将太阳能电池与电路连 接时，所转换(从吸收的光到电能)和收集的能量的百分比。总体而言，太阳能电池的损耗可以被分解成反射损耗、热力学效率、再结合损耗以及阻抗性电损耗。这个术语是用最大功率点除以在标准测试条件(STC)下的输入的光辐照度(以W/ m2计)以及太阳能电池的表面积(m2)的比值来进行计算。STC指定温度为25°C并且具有大气质量1. 5(AM 1. 5)光谱的辐照度为1000W/m2。最大功率是使电流(I)和电压(V)的乘积最大化的点。即IxV。在此，将一半基片用纳米颗粒油墨图案进行印刷，之后在1000°C烧结20秒，而另一半没有被施加纳米颗粒油墨。然后将所述基片用磷沉积物在750°C下扩散26分钟，随后在975°C下氧化15分钟并且在1000°C下退火30分钟。在这一情况下，在没有油墨的区域中的磷掺杂强度高于1000hm/sq并且在有油墨的区域中是低于600hm/sq。如可以看到的， 包含纳米颗粒致密薄膜的区域具有在大约12%与大约14%之间的效率，而具有PSG的区域是在大约2%与大约10%之间。在图7C中，测量填充因子(FF)710。填充因子是最大功率除以开路电压(V。。)与短路电流(Is。)乘积的比值。在此，将一半的基片用图案化的纳米颗粒油墨进行印刷，之后在800°C烧结20秒，而另一半没有油墨。然后将所述基片用磷沉积物在750°C下扩散沈分钟，随后在975°C下氧化15分钟并且在1000°C下退火30分钟。在这一情况下，在没有油墨的区域中的磷掺杂强度高于750hm/sq并且在有油墨的区域中是低于500hm/sq。在所有三种情况下，硅纳米颗粒油墨已经协助了选择性掺杂的形成，其中在施加油墨的范围中形成了重掺杂区域。如可以看到的，包含纳米颗粒致密薄膜的区域具有在大约75%与大约80% 之间的FF，而具有PSG的区域是在大约55%与大约20%之间。现在参见图8，简化图示出了根据本发明将只具有轻掺杂发射极的太阳能电池与具有选择性发射极的太阳能电池进行比较的一组I-V曲线。总体而言，随着太阳能电池中的负载从接近短路(零电阻)变化到接近开路(无穷大电阻)，可以绘制出I-V曲线。在此，电压(V)在横轴802上示出，而电流(J)在纵轴804上示出。曲线806描述了轻掺杂发射极太阳能电池，而曲线808描述了重掺杂纳米颗粒致密薄膜选择性发射极。虽然如前所述这两个电池都具有正面金属接触件和背面金属接触件，但轻掺杂发射极太阳能电池806在整个硅基片(包括正面金属接触件之下的区域)上具有轻度的、均勻的掺杂剂浓度。与此相反，重掺杂纳米颗粒致密薄膜选择性发射极808在正面金属接触件之下具有重掺杂的区域，并且基本上在该太阳能电池的剩余部分上具有轻掺杂的区域。其结果是，重掺杂纳米颗粒致密薄膜选择性发射极808与正面金属接触件形成更好的欧姆(低电阻率) 接触，这对应于更高的净效率。这可以通过图表上的区域810看到，反映了在功率上(并且因此在效率上)的净增益，重掺杂纳米颗粒致密薄膜使这种净增益得以实现。因此，在有利的方式中，可以将选择性发射极与纳米颗粒致密薄膜一起形成，这样使得可以达到充分高的本体寿命以及良好的表面再结合电流密度。为了本披露的目的并且除非另外说明，“一个”或“一种”(“a，an”)意思是“一个或多个”。在此引用的所有专利、申请、参考文献以及公开物通过引用其整体并入本文，如同他们单独通过引用并入。已经参考不同的特定的和说明性的实施方式对本发明进行描述。然而，应理解的是可以进行许多改变和变更然而仍在本发明的精神和范围内。本发明的优点包括为电气设备(如太阳能电池)生产低成本和高效率的结。本发明公开了示例性实施方式以及最佳方式，可以对所公开的实施方式进行变更和改变然而仍在如以下权利要求所限定的本发明的主题以及精神之内。
权利要求
1.一种用于在基片上形成多掺杂结的方法，所述方法包括提供掺杂有硼的基片，所述基片包括正表面，所述正表面具有第一表面区域和第二表面区域；将包括第一掺杂剂的第一组纳米颗粒沉积在所述第一表面区域上； 在惰性环境下将所述基片加热到第一温度并持续第一时间段，由此产生第一致密薄膜以及第一扩散区域，所述第一扩散区域在所述第一表面区域之下的基片中具有第一扩散深度；在第二温度下将所述基片暴露于包括磷的扩散气体中并且持续第二时间段，由此在所述正表面的第二表面区域上产生PSG层以及第二扩散区域，所述第二扩散区域在所述第二表面区域之下的基片中具有第二扩散深度，其中所述第一扩散区域与所述第二扩散区域相邻；并且在第三温度下将所述基片暴露于氧化性气体中并且持续第三时间段，由此在所述PSG 层与所述正表面之间形成SiO2层并且相对于所述第二扩散深度增大所述第一扩散深度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一温度是在大约500°C与大约1000°C之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一温度是在大约750°C与大约850°C之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一温度是大约800°C。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一时间段是在大约5秒与大约2分钟之间。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一时间段是在大约5秒与大约20秒之间。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一时间段是大约15秒。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述扩散气体包括P0C13、O2以及N2。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述第二温度是在大约700°C与大约1000°C之间，并且所述第二时间段是在大约5分钟与大约30分钟之间。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第二温度是在大约750°C与大约850°C之间，并且所述第二时间段是在大约10分钟与大约20分钟之间。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述第二温度是大约800°C，并且所述第二时间段是大约15分钟。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述第三温度是在大约800°C与大约1100°C之间。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述第三温度是在大约950°C与大约1050°C之间。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述第三温度是大约1000°C。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述第三时间段是在大约15分钟与大约30分钟之间。
16.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在沉积所述第一组纳米颗粒之后， 将包括第二掺杂剂的第二组纳米颗粒沉积在所述基片的背表面的第三表面区域上。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述加热基片的步骤进一步产生第二致密薄膜以及第三扩散区域，所述第三扩散区域在所述第三表面区域之下的基片中具有第三扩散深度。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一掺杂剂是磷，并且所述第二掺杂剂是硼。
19.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在将所述基片暴露于所述扩散气体中之前，将第一金属糊剂沉积在所述基片的背表面上。
20.如权利要求19所述的方法，其中在将所述基片暴露于所述氧化性气体中之后，所述方法进一步包括将至少一个表面钝化层沉积在所述基片的正表面上，并且将第二金属糊剂沉积在所述至少一个表面钝化层上。
21.一种用于在基片上形成多掺杂结的方法，所述方法包括提供掺杂有硼的基片，所述基片包括正表面，所述正表面具有第一表面区域和第二表面区域；将包括第一掺杂剂的第一组纳米颗粒沉积在所述第一表面区域上；在第一温度下将所述基片暴露于包括磷的扩散气体中并持续第一时间段，由此产生第一扩散区域、在所述正表面的第二表面区域上的PSG层以及第二扩散区域，所述第一扩散区域在所述第一表面区域之下的基片中具有第一扩散深度，并且所述第二扩散区域在所述第二表面区域之下的基片中具有第二扩散深度；并且在第二温度下将所述基片暴露于氧化性气体中并且持续第二时间段，由此在所述PSG 层与所述正表面之间形成SW2层并且相对于所述第二扩散深度增大所述第一扩散深度。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述扩散气体包括P0C13、02、W&N2。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述第一温度是在大约700°C与大约1000°C之间， 并且所述第一时间段是在大约5分钟与大约30分钟之间。
24.如权利要求21所述的方法，其中所述第一温度是大约800°C，并且所述第一时间段是大约15分钟。
25.如权利要求21所述的方法，其中所述第二温度是在大约800°C与大约1100°C之间。
26.如权利要求21所述的方法，其中所述第二温度是大约1000°C。
27.如权利要求21所述的方法，其中所述第二时间段是在大约15分钟与大约30分钟之间。
28.如权利要求21所述的方法，所述方法进一步包括在沉积所述第一组纳米颗粒之后，将包括第二掺杂剂的第二组纳米颗粒沉积在所述基片的背表面的第三表面区域上，其中所述第二掺杂剂是所述第一掺杂剂的反向掺杂剂。
29.如权利要求观所述的方法，其中所述第一掺杂剂是磷，并且所述第二掺杂剂是硼。
30.如权利要求21所述的方法，所述方法进一步包括在沉积所述第一组纳米颗粒之后，将第一金属糊剂沉积在所述基片的背表面上。
31.如权利要求30所述的方法，其中在将所述基片暴露于所述氧化性气体中之后，所述方法进一步包括将至少一个表面钝化层沉积在所述基片的正表面上，并且将第二金属糊剂沉积在所述至少一个表面钝化层上。 全文摘要
本文公开一种用于在基片上形成多掺杂结的方法。该方法包括提供掺杂有硼的基片，该基片包括第一基片表面，该第一基片表面具有第一表面区域和第二表面区域。所述方法还包括将第一组纳米颗粒沉积在所述第一表面区域上，该第一组纳米颗粒包括第一掺杂剂。所述方法进一步包括在惰性环境下将所述基片加热到第一温度并且持续第一时间段，从而产生第一致密薄膜，并且进一步产生第一扩散区域，该第一扩散区域在所述第一表面区域之下的基片中具有第一扩散深度。所述方法还包括在第二温度下将所述基片暴露于包括磷的扩散气体中并且持续第二时间段，从而在所述第一基片表面上产生PSG层并且进一步产生第二扩散区域，该第二扩散区域在所述第二表面区域之下的基片中具有第二扩散深度，其中所述第一扩散区域与所述第二扩散区域相邻。所述方法进一步包括在第三温度下将所述基片暴露于氧化性气体中并且持续第三时间段，其中在所述PSG层与所述基片表面之间形成SiO2层，其中所述第一扩散深度充分大于所述第二扩散深度。
文档编号H01L21/265GK102246275SQ200880132247
公开日2011年11月16日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者苏尼尔·沙阿, 马尔科姆·阿博特 申请人:英诺瓦莱特公司