专利名称：一种n型单晶硅衬底pn结反型层电池的制作方法
技术领域：
一种N型单晶硅衬底PN结反型层电池技术领域 本实用新型属于太阳能电池制造领域，具体涉及一种N型PN结反型 层电池。
背景技术：
在能源短缺、环境污染问题日益突出的背景下，发展可再生能源已成为全球的重 大课题，利用太阳能则是发展可再生能源的一个重点方向，世界光伏市场在过去十年一直 保持着年均30%以上的高速增长，2009年增幅更是达到惊人的152. 8%。产量由2008年的 7. 91GW增至2009年的近20GW。与国外先进电池制备技术相比，我国晶硅太阳电池制备技 术还是相对落后，基本流程由在P型N型单晶硅衬底上以制绒、扩散、刻蚀、沉积减反膜、丝 网印刷方法制造太阳电池。然而P型晶硅电池受氧的影响会出现性能上的衰退。而N型电池硼含量少，性能 的稳定性高于P型晶硅电池。同时由于N型电池的少子寿命更高，这对于制备更高效的太 阳电池奠定了基础。目前，现有的N型晶硅太阳电池主要为前发射极N型电池，主要是通过在N型衬底 上通过表面硼扩散的方法制备PN结，然后通过丝网印刷，蒸镀等方法制备前电极。但是此 种N型晶硅电池前表面的磷原子在光照的作用下，仍然可以和衬底中的氧形成硼氧键，在 长时间的紫外光照射下，电池仍有衰退现象，因此不利于太阳电池效率的提升。
实用新型内容实用新型目的本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构合理， 光电转换率较高的N型PN结反型层电池及其制造方法。技术方案为了实现上述目的，本实用新型提供了一种N型单晶硅衬底PN结反型 层电池，它包括N型单晶硅衬底、前电极和背电极、前表面三氧化二铝薄膜和氮化硅薄膜； 所述前电极包括局域硼扩散区、Ti/Pb薄膜和前表面金属电极；背电极包括背表面金属 电极和背表面三氧化二铝薄膜。所述N型单晶硅衬底前表面附着前表面三氧化二铝薄膜，前表面三氧化二铝薄膜 外附着氮化硅薄膜；N型单晶硅衬底前表面上设有凹槽，凹槽内设置前电极，前电极从内而 外依次设有局域硼扩散区、Ti/Pb薄膜和前表面金属电极；N型单晶硅衬底背面设有背电 极，背电极中背表面三氧化二铝薄膜附着于N型单晶硅衬底的背表面，并且背表面三氧化 二铝薄膜上设有凹槽，背表面金属电极穿过凹槽与N型单晶硅衬底连接。本实用新型中N型硅片的电阻率为0. 3 Ω cnT 6 Ω cm。本实用新型还公开了上述N型单晶硅衬底PN结反型层电池的制造方法，该方法 主要是采用在前表面栅极下面局部扩硼技术，使得受光区域不受紫外线的照射而影响太阳 电池的性能，受光区域沉积三氧化二铝，由于三氧化二铝带固定负电荷，在N型硅的表面诱 导出P型反型层，形成前表面发射极。同时由于受光区域不重掺杂，使得电池的蓝光响应提 高，提高了太阳光谱的利用率，从而进一步提升电池的转化效率。[0010]本实用新型所述N型单晶硅衬底PN结反型层电池的制造方法的具体步骤如下(A)准备N型单晶硅衬底。(B)采用氢氧化钠或氢氧化钾溶液对N型单晶硅衬底表面绒面化，在N型单晶硅衬 底的表面制备出金字塔形状的陷光结构，并用盐酸和氢氟酸的混合溶液进行化学清洗；氢 氧化钠或氢氧化钾溶液的浓度范围为0. 5% 2. 5% ；盐酸和氢氟酸混合溶液中，盐酸氢氟 酸配比为1:2 1:3 ；盐酸和氢氟酸混合溶液的浓度为0. 8%至1. m。表面绒面化的目的是增加太阳光在表面的折射次数，增加光线在N型单晶硅衬底 中的光程，提高太阳光的利用率。化学清洗的目的是去除表面的杂质，为后续的扩散准备。(C)在N型单晶硅衬底上热生长二氧化硅薄膜二氧化硅薄膜在800°C 1200°C 的水蒸气的气氛中热生长，热生长的二氧化硅薄膜厚度为300nm 500nm。二氧化硅薄膜 的作用为扩散阻挡层，即在之后用掩膜光刻的方法打开扩散窗口，形成局域硼扩散所需图 形，同时阻止硼在图形之外的区域扩散。(D)对N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜光刻，二氧化硅薄膜上刻出扩硼槽，为 局域硼扩散做准备。(E)高温硼扩散通过扩硼槽在N型单晶硅衬底前表面形成局域硼扩散区；高温 硼扩散在扩散炉中进行，扩散炉中温度为900°C 1200°C ；上述局域硼扩散区的电阻为50 Ohm/ Ω 70hm/ Ω 0高温硼扩散的主要作用有两个一是和电池的前电极形成欧姆接触，收集载流子， 二是形成局域的PN结。(F)采用氢氟酸除去N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜；氢氟酸浓度为 0. 5% 3%。(G)在N型单晶硅衬底的前表面和背面制备20nm 50nm三氧化二铝薄膜；三氧 化二铝薄膜制备温度为200°C 500°C，采用原子层沉积(ALD)或者等离子化学气相沉积 (PECVD)的方法；三氧化二铝薄膜除起到钝化作用外，更重要的作用是由于三氧化二铝带固 定负电荷而在N型衬底的表面诱导出一个反型层。背面三氧化二铝除钝化的作用外，还起 到介质层的作用。(H)在N型单晶硅衬底的前表面制备氮化硅薄膜；即在N型单晶硅衬底的前表面 采用等离子化学气相沉积(PECVD)的方法制备73rniT79nm厚的氮化硅薄膜；氮化硅薄膜的 主要作用是电池的减反射层，同时起到双层钝化作用。(I)铺光刻胶，并在扩硼槽的上方光刻开槽，形成光刻槽。(J)制备前电极。(K)制备背电极。本实用新型中所述步骤(J)可采用下述方法制备前电极(Jal)在N型单晶硅衬底的前表面蒸镀Ti金属薄膜和1 金属薄膜；(Ja2)剥离光刻胶；同时在光刻胶表面的Ti金属薄膜和1 金属薄膜也被剥离下 来，保留光刻槽内的Ti金属薄膜和1 金属薄膜；(Ja3)采用电镀或者化学镀的方法在Ti金属薄膜和1 金属薄膜的上方电镀银。本实用新型中所述步骤(J)还可以采用下述方法制备前电极[0030](Jbl)在N型单晶硅衬底的前表面蒸镀Ti金属薄膜、Pb金属薄膜和Ag薄膜；(Jb2)剥离光刻胶；同时在光刻胶表面的Ti金属薄膜和1 金属薄膜也被剥离下 来，保留光刻槽内的Ti金属薄膜、Pb金属薄膜和Ag薄膜，Ag薄膜的厚度为30um 60um。本实用新型所述方法中步骤(K)采用下列步骤制备背电极(Kl)将N型单晶硅衬底背面的三氧化二铝薄膜开孔，开孔的面积占N型单晶硅衬 底背面面积的4%，即Fmet=4% ；(K2)在开孔背面的三氧化二铝薄膜上蒸镀背面金属电极，蒸镀背面金属电极优 选方法为采用蒸镀铝和丝网印刷铝的方法制备25um 30um的铝层作为背面金属电极；(K3)退火。本实用新型中所述步骤(G)中原子层沉积所用的源可以是Al (CH3)3和H2O,或 者O3，或者AlCl3和吐0 ；制备环境温度为200°C飞00°C ；所述等离子化学气相所用的源 是Al (CH3) 3和N2O ；通过原子层沉积方法制备三氧化二铝，制备出的三氧化二铝的厚度在 20nnT50nm，并带有5 X IO2 cnT2到4 X IO3CnT2的固定负电荷。所述步骤(E)中硼扩散采用的源为BBr3。步骤(D)中所述扩硼槽的宽度为8ιιπΓ30ιιπι，扩硼槽与扩硼槽的中心线间距为 0. 2mm 0. 8mm。步骤(K2)中退火温度为500°C 900°C。有益效果本实用新型所述的N型单晶硅衬底PN结反型层电池，与现有技术相比 具有如下优点。1、本实用新型利用AL203带有固定负电荷，在N型单晶硅衬底的前表面诱导出一 个P型反型层，提供前电场，由于没有硼掺杂的影响，使得电池稳定性能提高，同时降低了 对短波的吸收，提高了蓝光响应，提高电池的短路电流密度，电池效率得到提升。2、本实用新型所述N型单晶硅衬底PN结反型层电池的前表面电极下面为局域硼 扩散区，使得硅与电极的接触电阻降低，局域硼扩散区不受紫外光照射的影响，大大降低了 硼氧对电池性能的影响，提高了电池的稳定性能。
图1为本实用新型所述N型单晶硅衬底PN结反型层电池的结构示意图。图2为本实用新型所述N型单晶硅衬底PN结反型层电池的制造流程图。图3为本实用新型所述N型单晶硅衬底PN结反型层电池的制造流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本 实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对 本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。实施例1如图1所示的一种N型单晶硅衬底PN结反型层电池，它包括N型单晶硅衬底1、 前电极、背电极、前表面三氧化二铝薄膜薄膜3和氮化硅薄膜4 ；前电极包括局域硼扩散区 2>Ti/Pb薄膜6和前表面金属电极7 ；背电极包括背表面金属电极5和背表面三氧化二铝薄膜8。所述N型单晶硅衬底1前表面附着前表面三氧化二铝薄膜3，前表面三氧化二铝 薄膜3外附着氮化硅薄膜4 ;N型单晶硅衬底1前表面上设有凹槽，凹槽内设置前电极，前电 极从内而外依次设有局域硼扩散区2、Ti/^b薄膜6和前表面金属电极7 ；N型单晶硅衬底 1背面设有背电极，背电极中背表面三氧化二铝薄膜8附着于N型单晶硅衬底1的背表面， 并且背表面三氧化二铝薄膜8上设有凹槽，背表面金属电极5穿过凹槽与N型单晶硅衬底 1连接。如图2所示的上述N型单晶硅衬底PN结反型层电池的制造方法，具体步骤如下(A)准备N型单晶硅衬底，电阻率为4Ω cm ；(B)采用氢氧化钠溶液对N型单晶硅衬底表面绒面化，在N型单晶硅衬底的表面制 备出金字塔形状的焰光结构，并用盐酸和氢氟酸的混合溶液进行化学清洗；氢氧化钠溶液 的浓度为0. 5% ；盐酸和氢氟酸混合溶液中，盐酸氢氟酸配比为1:2 ；盐酸和氢氟酸混合溶 液的浓度为0. 8% ；(C)在N型单晶硅衬底上热生长二氧化硅薄膜二氧化硅薄膜在800°C的水蒸气的 气氛中热生长，热生长的二氧化硅薄膜厚度为300nm;(D)对N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜光刻，在二氧化硅薄膜上刻出扩硼槽， 为局域硼扩散做准备；扩硼槽的宽度为lOum，扩硼槽与扩硼槽的中心间距0. 4mm ；(E)高温硼扩散通过扩硼槽在N型单晶硅衬底前表面形成局域硼扩散区；高温 硼扩散在扩散炉中进行，扩散炉中温度为900°C ；上述局域硼扩散区的电阻为50 Ohm/Ω ；(F)采用氢氟酸除去N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜；氢氟酸浓度为0. 5% ；(G)在N型单晶硅衬底的前表面和背面制备20nm三氧化二铝薄膜；三氧化二铝薄 膜制备温度为300°C，采用原子层沉积(ALD)的方法；ALD所用源是Al (CH3)3 ；三氧化二铝 薄膜所带的负电荷是9 X IO12 cm 2 ；(H)在N型单晶硅衬底的前表面制备氮化硅薄膜；即在N型单晶硅衬底的前表面 采用等离子化学气相沉积(PECVD)的方法制备73nm厚的氮化硅薄膜；(I)铺光刻胶，并在扩硼槽的上方光刻开槽，形成光刻槽，开槽面积小于N型单晶 硅衬底的前表面总面积的5% ；(J)制备前电极，步骤如下(Jal)在N型单晶硅衬底的前表面蒸镀Ium的Ti金属薄膜和1. 5um的1 金属薄 膜；(Ja2)剥离光刻胶；同时在光刻胶表面的Ti金属薄膜和1 金属薄膜也被剥离下 来，保留光刻槽内的Ti金属薄膜和1 金属薄膜；(Ja3)采用电镀的方法在Ti金属薄膜和1 金属薄膜的上方电镀银。(K)制备背电极，具体步骤如下(Kl)将N型单晶硅衬底背面的三氧化二铝薄膜开孔，开孔的面积占N型单晶硅衬 底背面面积的4%，即Fmet=4% ；(K2)在开孔背面的三氧化二铝薄膜上蒸镀背面金属电极；(K3)退火在退火炉中通入氢气和氮气的混合气体,H2^2=I: 9，退火温度为500摄
氏度ο[0068]实施例2本实施例中N型单晶硅衬底PN结反型层电池同实施例1，N型单晶硅衬底PN结反 型层电池的制作方法如图3所示，具体步骤如下(A)准备N型单晶硅衬底，电阻率6 Ω cm；(B)采用氢氧化钾溶液对N型单晶硅衬底表面绒面化，在N型单晶硅衬底的表面制 备出金字塔形状的焰光结构，并用盐酸和氢氟酸的混合溶液进行化学清洗；氢氧化钾溶液 的浓度范围为2. 5% ；盐酸和氢氟酸混合溶液中，盐酸氢氟酸配比为1:2. 5 ；盐酸和氢氟酸 混合溶液的浓度为1. 1% ；(C)在N型单晶硅衬底上热生长二氧化硅薄膜二氧化硅薄膜在1200°C的水蒸气 的气氛中热生长，热生长的二氧化硅薄膜厚度为500nm ；(D)对N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜光刻，二氧化硅薄膜上刻出扩硼槽，为 局域硼扩散做准备；(E)高温硼扩散通过扩硼槽在N型单晶硅衬底前表面形成局域硼扩散区；高温 硼扩散在扩散炉中进行，扩散炉中温度为1200°C ；上述局域硼扩散区的电阻为70hm/Q ；(F)采用氢氟酸除去N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜；氢氟酸浓度为1. 9% ；(G)在N型单晶硅衬底的前表面和背面制备40nm三氧化二铝薄膜；三氧化二铝薄 膜制备温度为500°C，采用等离子化学气相沉积(PECVD)的方法；所用的源是Al (CH3) 3和N2O ，并带有3X103cm_2的固定负电荷；(H)在N型单晶硅衬底的前表面制备氮化硅薄膜；即在N型单晶硅衬底的前表面 采用等离子化学气相沉积(PECVD)的方法制备78nm厚的氮化硅薄膜；(I)铺光刻胶，并在扩硼槽的上方光刻开槽，形成光刻槽；(J)制备前电极，步骤如下(Jbl)在N型单晶硅衬底的前表面蒸镀2. 3um的Ti金属薄膜、2. 5um的1 金属薄 膜和55um的Ag薄膜；(Jb2)剥离光刻胶；同时在光刻胶表面的Ti金属薄膜和1 金属薄膜也被剥离下 来，保留光刻槽内的Ti金属薄膜、Pb金属薄膜和Ag薄膜；(K)制备背电极，步骤如下(Kl)将N型单晶硅衬底背面的三氧化二铝薄膜开孔；(K2)在开孔背面的三氧化二铝薄膜上采用蒸镀铝和丝网印刷铝的方法制备30um 的铝层作为背面金属电极；(K3)退火在退火炉中通入氢气和氮气的混合气体，H2:N2=I :9,退火温度为900 摄氏度。实施例3本实施例中N型单晶硅衬底PN结反型层电池同实施例1，N型单晶硅衬底PN结反 型层电池的制作方法如图3所示，具体步骤如下(A)准备N型单晶硅衬底，电阻率5. 5 Ω cm；(B)采用氢氧化钠溶液对N型单晶硅衬底表面绒面化，在N型单晶硅衬底的表面制 备出金字塔形状的焰光结构，并用盐酸和氢氟酸的混合溶液进行化学清洗；氢氧化钠溶液 的浓度范围为1% ；盐酸和氢氟酸混合溶液中，盐酸氢氟酸配比为1:3 ；盐酸和氢氟酸混合溶液的浓度为1. 2% ；(C)在N型单晶硅衬底上热生长二氧化硅薄膜二氧化硅薄膜在1000°C的水蒸气 的气氛中热生长，热生长的二氧化硅薄膜厚度为420nm ；(D)对N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜光刻，二氧化硅薄膜上刻出扩硼槽，为 局域硼扩散做准备；(E)高温硼扩散通过扩硼槽在N型单晶硅衬底前表面形成局域硼扩散区；高温硼 扩散在扩散炉中进行，扩散炉中温度为1100°c ；上述局域硼扩散区的电阻为62hm/Q ；(F)采用氢氟酸除去N型单晶硅衬底表面的二氧化硅薄膜；氢氟酸浓度为3% ；(G)在N型单晶硅衬底的前表面和背面制备50nm三氧化二铝薄膜；三氧化二铝薄 膜制备温度为400°C，采用等离子化学气相沉积(PECVD)的方法；所用的源是Al (CH3) 3和N2O ，并带有4 X IO3CnT2的固定负电荷；(H)在N型单晶硅衬底的前表面制备氮化硅薄膜；即在N型单晶硅衬底的前表面 采用等离子化学气相沉积(PECVD)的方法制备79nm厚的氮化硅薄膜；(I)铺光刻胶，并在扩硼槽的上方光刻开槽，形成光刻槽；(J)制备前电极，步骤如下(Jbl)在N型单晶硅衬底的前表面蒸镀3um的Ti金属薄膜、4um的1 金属薄膜和 30um的Ag薄膜；(Jb2)剥离光刻胶；同时在光刻胶表面的Ti金属薄膜和1 金属薄膜也被剥离下 来，保留光刻槽内的Ti金属薄膜、Pb金属薄膜和Ag薄膜；(K)制备背电极，步骤如下(Kl)将N型单晶硅衬底背面的三氧化二铝薄膜开孔；(K2)在开孔背面的三氧化二铝薄膜上采用蒸镀铝和丝网印刷铝的方法制备^um 的铝层作为背面金属电极；(K3)退火在退火炉中通入氢气和氮气的混合气体，H2:N2=I :9,退火温度为700 摄氏度。
权利要求1.一种N型单晶硅衬底PN结反型层电池，其特征在于它包括N型单晶硅衬底(1)、 前电极、背电极、前表面三氧化二铝薄膜(3)和氮化硅薄膜(4)；所述前电极包括局域硼扩散区(2)、Ti/I^b薄膜(6)和前表面金属电极(7)； 所述背电极包括背表面金属电极(5)和背表面三氧化二铝薄膜(8)； 所述N型单晶硅衬底(1)前表面附着前表面三氧化二铝薄膜(3 )，前表面三氧化二铝 薄膜(3)外附着氮化硅薄膜(4) ;N型单晶硅衬底(1)前表面上设有凹槽，凹槽内设置前电 极，前电极从内而外依次设有局域硼扩散区(2)、Ti/^b薄膜(6)和前表面金属电极(7) ;N 型单晶硅衬底(1)背面设有背电极，背电极中背表面三氧化二铝薄膜(8)附着于N型单晶硅 衬底(1)的背表面，并且背表面三氧化二铝薄膜(8)上设有凹槽，背表面金属电极(5)穿过 凹槽与N型单晶硅衬底(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种N型单晶硅衬底PN结反型层电池，其特征在于N型硅 片的电阻率为0.3 Ω cm" 6 Ω cm。
专利摘要本实用新型公开了一种N型单晶硅衬底PN结反型层电池，包括N型单晶硅衬底、前电极、背电极、前表面三氧化二铝薄膜和氮化硅薄膜；前电极包括局域硼扩散区、Ti/Pb薄膜和前表面金属电极；背电极包括背表面金属电极和背表面三氧化二铝薄膜。本实用新型利用Al2O3带有固定负电荷，在N型单晶硅衬底的前表面诱导出一个P型反型层，提供前电场，由于没有硼掺杂的影响，使得电池稳定性能提高，同时降低了对短波的吸收，提高了蓝光响应，提高电池的短路电流密度，电池效率得到提升。
文档编号H01L31/18GK201887049SQ201020630730
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者张斌, 沙泉, 邢国强, 陶龙忠, 高艳涛 申请人:奥特斯维能源(太仓)有限公司