一种双掺杂层TOPCon电池结构及其制备方法与流程

一种双掺杂层topcon电池结构及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及电池加工技术领域，具体涉及一种双掺杂层topcon电池结构及其制备方法。


背景技术：

2.现有topcon(隧穿氧化钝化接触)电池通常在硅片正面制备p型扩散层，然后在p型扩散层表面淀积厚度为2-6nm的氧化铝钝化层，最后在氧化铝钝化层上淀积氮化硅。该结构为硅片的正面面提供了良好的表面钝化和场钝化性能，p型扩散层即在n型衬底上扩散p型杂质形成pn结，使在光的照射下，硅片中产生大量的电子-空穴对，电子-空穴通过迁移达到pn结的强电场区(pn结自建电场)，电子将运动到n型区，空穴将运动到p型区，使n区成负电，p区成正电，p-n两端建起稳定的电势差(上下电极产生电压)，将pn结与外电路接通，给予光照，就会有源源不断的电流通过电路，pn起到电源作用。
3.topcon电池正面通常采用ag浆烧穿sin
x
介质膜与p型扩散层形成欧姆接触。由于浆料烧结过程中，金属ag晶粒可能穿透p型扩散层，破坏硅衬底，使金属栅线与硅基体发生严重的复合，降低效率，因此为了降低金属接触区的复合电流密度，需要采用足够的p型扩散层厚度，通常在1～2um；为了保证良好的场钝化效果和降低的欧姆接触，p型扩散层需要足够的掺杂浓度，通常》1e19cm-3
。另一方面，p型扩散层膜厚、掺杂浓度过大，由于扩散层对长波光存在自由载流子吸收(fca)，会导致topcon电池短路电流的损失；同时p型扩散层对正面入射光的寄生吸收会导致电池的双面率降低。通常，p型扩散层膜厚、掺杂浓度需要在复合、电阻损失与光学损失之间较难进行平衡。目前，主要通过在保证金属电极浆料不烧穿p型扩散层及该金属电极与p型扩散层形成良好欧姆接触的前提下，尽量降低p型扩散层的厚度，以减少光子在p型扩散层内的寄生吸收；抑或采用激光掺杂的方式在正面金属接触区形成局部重掺杂，以降低金属区复合和接触电阻，但由于硼在氧化硅和晶体硅之间的固溶度差异，导致硼较难掺入硅中，只能通过激光推进再分布来获得较深的结深达到降低方阻的目的；激光掺杂会导致硅片损伤和表面形貌改变，需要高温长时间氧化才能部分修复，这就限制了选择性发射极性能优势的发挥。


技术实现要素：

4.针对现有技术不足，本发明提供一种双掺杂层topcon电池结构及其制备方法，既能保证金属接触区的p型扩散层厚度，避免浆料烧结过程硅底衬被破坏，降低复合电流和接触电阻；同时又能降低非金属区的光寄生吸收，尤其是降低自由载流子吸收。
5.为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
6.一种双掺杂层topcon电池结构，包括单晶硅片，依次设置在单晶硅片正面的掺杂层、钝化层、正面减反射层、正面金属电极，以及依次设置在单晶硅片背面的隧穿层、掺杂多晶硅层、背面减反射层和背面金属电极，所述掺杂层包括位于硅片正面的第一扩散掺杂层和位于第一扩散掺杂层与正面金属电极之间的第二外延掺杂层；所述第一扩散掺杂层为
bcl3扩散形成的p型掺杂层，其掺杂浓度0.1e19～1e19cm-3
，厚度在0.1-1um；所述第二外延掺杂层为选择性外延生长的硼掺杂的p型晶体硅层，其掺杂浓度1e19～1e20cm-3
，厚度在0.5-1.5um；其掺杂浓度大于第一扩散掺杂层。
7.优选的，所述单晶硅片为磷掺杂n型单晶硅片，电阻率0.1-10ωcm，厚度100-200um。
8.优选的，所述钝化层为氧化铝，厚度在2-6nm。
9.优选的，所述正面减反射层和背面减反射层均为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅中一种或多种组成的复合膜，总厚度70-120nm，综合折射率1.9-2.1。
10.优选的，所述正面金属电极为ag/al栅线电极，所述背面金属电极为ag栅线电极。
11.优选的，所述隧穿层为氧化硅，厚度在1-3nm。
12.所述双掺杂层topcon电池制备方法包括以下步骤：
13.s1、制绒：利用酸碱化学品，消除硅片表面有机沾污和金属杂质，在硅片表面形成表面织构，增加太阳光的吸收减少反射；
14.s2、硼扩散：采用bcl3低压扩散形成硼掺杂的第一扩散掺杂层，扩散温度950-1050℃，方阻150-300ω/
□
；其掺杂浓度0.1e19～1e19cm-3
，厚度在0.1-1um；
15.s3、bsg：单面hf刻蚀，去除背面bsg；
16.s4、背面刻蚀：去除背面寄生扩散形成的pn结，防止边缘漏电；
17.s5、lpcvd：原位氧化生成隧穿氧化层，并沉积本征非晶硅层；
18.s6、磷扩散：对背面非晶硅和非晶氧化硅进行磷扩散掺杂，并将其由非晶态转化成结晶态；
19.s7、psg：单面hf刻蚀，去除扩散后正面绕镀多晶硅表面psg；
20.s8、正面刻蚀：采用碱溶液刻蚀的方式去除所述绕镀多晶硅层，采用氢氟酸清洗去除所述正面的bsg及所述背面的psg；
21.s9、cvd掩膜：采用热化学气相沉积方式在背面生长一层厚度为10-25nm的sin
x
掩膜；
22.s10、正面lco：采用激光开膜方式对正面金属区下面的sin
x
掩膜阻挡层进行刻蚀开槽，在开槽的背面金属区下面留下一层薄的氧化硅层；
23.s11、hf清洗：采用hf清洗去除正面金属区下方的氧化硅层。
24.s12、选择性外延沉积：采用化学气相沉积方式在sinx开槽处的扩散掺杂层上选择性外延生长掺杂层；未开槽区受sin
x
掩膜层阻挡，由于电化学势的差异，不会发生外延生长；所述化学气相沉积方式在sinx开槽处外延生长p型掺杂晶硅层，形成第二外延掺杂层；所述第二外延掺杂层为硼掺杂的p型晶体硅层，其掺杂浓度1e19～1e20cm-3
，厚度在0.5-1.5um；在压力《100torr，温度850-950℃条件下进行，沉积过程中以h2为载气，以sih2cl2为硅前驱体，通过引入乙硼烷(b2h6)气体对外延多晶硅层进行原位掺杂；反应过程中形成的hcl，可以刻蚀pecvd siox表面的硅，保持选择性外延，反应过程中也可以通入额外的hcl作为刻蚀源；具体工艺过程包括：
①
升温至外延沉积温度；
②
h2烘烤；
③
选择性硅沉积；
④
降温；其中h2烘烤是关键一步工艺，必须保持与后续沉积温度一致，这样可以通过h2还原有效去除硅表面的自然氧化层，保证外延层生长质量。
25.s13去掩膜清洗：采用湿化学方式去除硅片表面的sinx掩膜层，并对硅片表面进行
清洗；
26.s14、ald：以ald原子层沉积方式在基底正面沉积一层致密的alox薄膜；
27.s15、正面pecvd：以pecvd的方式在基底正面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种叠层膜；
28.s16、背面pecvd：以pecvd的方式在基底背面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种叠层膜；
29.s17、印刷/烧结/光注入：正面印刷负电极ag/al浆，背面印刷电极ag浆；共烧结，形成良好的欧姆接触；光注入修复电池体内和表面缺陷。
30.本发明提供一种双掺杂层topcon电池结构及其制备方法，与现有技术相比优点在于：
31.(1)本发明通过设置位于第一扩散掺杂层与正面金属电极之间的第二外延掺杂层；所述第二外延掺杂层的浓度大于第一掺杂层，从而在金属接触区形成选择性发射极；一方面金属接触区的重掺杂能有效屏蔽正面金属接触区的载流子复合，降低金属区复合电流密度；另一方面，也能降低金属电极与发射极之间的接触电阻；此外，非金属区的第一扩散掺杂层可以采用较低的掺杂浓度和较小的结深，从而降低非金属区俄歇尔复合和寄生光吸收；因此，电池转换效率能得到有效提升。
32.(2)本发明采用激光开膜方式对正面金属区下面的sin
x
掩膜阻挡层进行刻蚀开槽，打开sin
x
掩膜层，裸露出第一扩散掺杂层，然后通过外延沉积在sin
x
掩膜开槽处选择性生长硼掺杂的晶体硅层，sinx掩膜保护区由于电化学势的差异，不会发生硅外延沉积；采用该方法避免了激光掺杂制备硼掺杂选择性发射极造成的硅片损伤和表面形貌改变；同时，选择性外延能实现更高掺杂浓度与更大掺杂层厚度；因此可以更好的发挥选择性发射极的性能优势。
附图说明：
33.图1为本发明topcon电池制备工艺流程图；
34.图2为本发明实施例topcon电池结构图；
35.图3为本发明对比例现有技术的topcon电池结构图；
36.图中：1、单晶硅片；2、掺杂层；2-1、第一扩散掺杂层；2-2、第二外延掺杂层；3、钝化层；4、正面减反射层；5、正面金属电极；6、隧穿层；7、掺杂多晶硅层；8、背面减反射层；9、背面金属电极。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1：
39.一种topcon电池结构，如图2所示，包括单晶硅片1，依次设置在单晶硅片正面的掺杂层2、钝化层3、正面减反射层4和正面金属电极5，依次设置在单晶硅片1背面的隧穿层6、
掺杂多晶硅层7、背面减反射层8和背面金属电极9；所述扩散掺杂层2包括位于正面金属区下方的第二外延掺杂层2-2和位于正面非金属区的第一扩散掺杂层2-1。
40.所述topcon电池的制备方法为：
41.s1、制绒：选取磷掺杂n型单晶硅片，电阻率1.0ωcm，厚度160um；利用酸碱化学品，消除硅片表面有机沾污和金属杂质，在硅片表面形成表面织构，增加太阳光的吸收减少反射；
42.s2、硼扩散：采用bcl3低压扩散形成正面pn结，扩散温度950-1050℃，方阻150-250ω/
□
；；因此在第二外延掺杂层进行了二次硼掺杂，掺杂浓度为10e19cm-3
；
43.s3、bsg：单面hf刻蚀，去除背面bsg；
44.s4、背面刻蚀：采用碱性溶液刻蚀，去除背面寄生扩散形成的pn结，防止边缘漏电；
45.s5、lpcvd：采用lpcvd原位氧化生成隧穿氧化层，温度在550-650℃，厚度在2nm，并沉积本征非晶硅层，厚度130nm；
46.s6、磷扩散：以pocl3为扩散源，扩散温度850℃对背面非晶硅和非晶氧化硅进行磷扩散掺杂，并将其由非晶态转化成结晶态；
47.s7、psg：单面hf刻蚀，去除扩散后正面绕镀多晶硅表面psg；
48.s8、正面刻蚀：采用碱溶液刻蚀的方式去除所述绕镀多晶硅层，采用氢氟酸清洗去除所述正面的bsg及所述背面的psg；
49.s9、cvd掩膜：采用热化学气相沉积(cvd)方式在背面生长一层sin
x
掩膜；通入适量的sih4和nh3，经化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜(sin
x
)；其厚度在20nm，为后续选择性外延沉积做准备；
50.s10、正面lco：采用激光开膜方式对正面金属区下面的sin
x
掩膜阻挡层进行刻蚀开槽，目的在于，打开sin
x
掩膜层，裸露出扩散掺杂层，为后续生长硅外延层做准备；
51.s11、hf清洗：由于s3步骤采用激光开膜方式打开sin
x
掩膜层，因此在开槽的背面金属区下面留下一层薄的氧化硅层，经过hf清洗去除正面金属区下方的氧化硅层；
52.s12、选择性外延沉积：采用化学气相沉积方式在sinx开槽处的扩散掺杂层上选择性外延生长掺杂层；未开槽区受sin
x
掩膜层阻挡，由于电化学势的差异，不会发生外延生长；所述化学气相沉积方式在sinx开槽处外延生长p型掺杂晶硅层，形成第二外延掺杂层；所述第二外延掺杂层为硼掺杂的p型晶体硅层，其掺杂浓度3e19cm-3
，厚度在1.0um；在压力70-80torr，温度850℃条件下进行，沉积过程中以h2为载气，以sih2cl2为硅前驱体，通过引入乙硼烷(b2h6)气体对外延多晶硅层进行原位掺杂；反应过程中形成的hcl，可以刻蚀pecvd siox表面的硅，保持选择性外延，反应过程中也可以通入额外的hcl作为刻蚀源。具体工艺过程包括：(1)升温至外延沉积温度；(2)h2烘烤；(3)选择性硅沉积；(4)降温。其中h2烘烤是关键一步工艺，必须保持与后续沉积温度一致，这样可以通过h2还原有效去除硅表面的自然氧化层，保证外延层生长质量。
53.s13、去掩膜清洗：采用湿化学方式去除硅片表面的sinx掩膜层，并对硅片表面进行清洗；
54.s14、ald：以ald原子层沉积方式在基底正面沉积一层致密的alo
x
薄膜；
55.s15、正面pecvd：以pecvd的方式在基底正面沉积氮化硅叠层膜；
56.s16、背面pecvd：以pecvd的方式在基底背面沉积氮化硅叠层膜；
57.s17、印刷/烧结/光注入：正面印刷负电极ag/al浆，背面印刷电极ag浆；共烧结，形成良好的欧姆接触；光注入修复电池体内和表面缺陷。
58.对比例1：
59.作为对比例常规的topcon电池，如图3所示，同实施例1相比，不同的是硅片正面采用的是单一扩散层。
60.检测：
61.检测实施例和对比例中topcon电池的电性能参数，具体结果如下表所示：
[0062][0063]
比较实施例1与对比例1制备的topcon电池，可以看出，实施例中采用了本技术提供的电池结构及制备方法，通过在n型单晶硅片的正面设置正面金属区下方的第二外延掺杂层和位于正面非金属区的第一扩散掺杂相较于对比例1具有更佳高效的转化效率和较高的开路电压。
[0064]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0065]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种双掺杂层topcon电池结构，包括单晶硅片(1)，依次设置在单晶硅片(1)正面的掺杂层(2)、钝化层(3)、正面减反射层(4)、正面金属电极(5)，以及依次设置在单晶硅片(1)背面的隧穿层(6)、掺杂多晶硅层(7)、背面减反射层(8)和背面金属电极(9)，其特征在于：所述掺杂层包括位于硅片正面的第一扩散掺杂层和位于第一扩散掺杂层(2-1)与正面金属电极之间的第二外延掺杂层(2-2)；所述第一扩散掺杂层(2-1)为bcl3扩散形成的p型掺杂层，其掺杂浓度0.1e19～1e19cm-3
，厚度在0.1-1um，所述第二外延掺杂层(2-2)为选择性外延生长的硼掺杂的p型晶体硅层，其掺杂浓度1e19～1e20cm-3
，厚度在0.5-1.5um；其掺杂浓度大于第一扩散掺杂层(2-1)。2.根据权利要求1所述的一种双掺杂层topcon电池结构，其特征在于：所述单晶硅片(1)为磷掺杂n型单晶硅片，电阻率0.1-10ωcm，厚度100-200um。3.根据权利要求1所述的一种双掺杂散层topcon电池结构，其特征在于：所述钝化层为氧化铝，厚度在2-6nm。4.根据权利要求1所述的一种双掺杂层topcon电池结构，其特征在于：所述正面减反射层(4)和背面减反射层(8)均为氮化硅、氮氧化硅、氧化硅中一种或多种组成的复合膜，总厚度70-120nm，综合折射率1.9-2.1。5.根据权利要求1所述的一种双掺杂层topcon电池结构，其特征在于：所述正面金属电极(5)为ag/al栅线电极，所述背面金属电极(9)为ag栅线电极。6.根据权利要求1所述的一种双掺杂层topcon电池结构，其特征在于：所述隧穿层(6)为氧化硅，厚度在1-3nm。7.一种双掺杂层topcon电池结构的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：s1、制绒：利用酸碱化学品，消除硅片表面有机沾污和金属杂质，在硅片表面形成表面织构，增加太阳光的吸收减少反射；s2、硼扩散：采用bcl3低压扩散形成硼掺杂的第一扩散掺杂层，扩散温度950-1050℃，方阻150-300ω/
□
；其掺杂浓度0.1e19～1e19cm-3
，厚度在0.1-1um；s3、bsg：单面hf刻蚀，去除背面bsg；s4、背面刻蚀：去除背面寄生扩散形成的pn结，防止边缘漏电；s5、lpcvd：原位氧化生成隧穿氧化层，并沉积本征非晶硅层；s6、磷扩散：对背面非晶硅和非晶氧化硅进行磷扩散掺杂，并将其由非晶态转化成结晶态；s7、psg：单面hf刻蚀，去除扩散后正面绕镀多晶硅表面psg；s8、正面刻蚀：采用碱溶液刻蚀的方式去除所述绕镀多晶硅层，采用氢氟酸清洗去除所述正面的bsg及所述背面的psg；s9、cvd掩膜：采用化学气相沉积方式在背面生长一层厚度为10-25nm的sin
x
掩膜；s10、正面lco：采用激光开膜方式对正面金属区下面的sin
x
掩膜阻挡层进行刻蚀开槽，在开槽的背面金属区下面留下一层薄的氧化硅层；s11、hf清洗：采用hf清洗去除正面金属区下方的氧化硅层；s12、选择性外延沉积：采用化学气相沉积方式在sinx开槽处的扩散掺杂层上选择性外延生长掺杂层；未开槽区受sin
x
掩膜层阻挡，由于电化学势的差异，不会发生外延生长；
s13去掩膜清洗：采用湿化学方式去除硅片表面的sinx掩膜层，并对硅片表面进行清洗；s14、ald：以ald原子层沉积方式在基底正面沉积一层致密的alox薄膜；s15、正面pecvd：以pecvd的方式在基底正面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种叠层膜；s16、背面pecvd：以pecvd的方式在基底背面沉积氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种叠层膜；s17、印刷/烧结/光注入：正面印刷负电极ag/al浆，背面印刷电极ag浆；共烧结，形成良好的欧姆接触；光注入修复电池体内和表面缺陷。8.根据权利要求7所述的一种双掺杂层topcon电池结构的制备方法，其特征在于：所述步骤s9中sin
x
形成的方式为通入sih4和nh3，通过化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态sin
x
薄膜。9.根据权利要求7所述的一种双掺杂层topcon电池结构的制备方法，其特征在于：所述步骤s12中，所述化学气相沉积方式在sinx开槽处外延生长p型掺杂晶硅层，形成第二外延掺杂层；所述第二外延掺杂层为硼掺杂的p型晶体硅层，其掺杂浓度1e19～1e20cm-3
，厚度在0.5-1.5um；在压力<100torr，温度850-950℃条件下进行，沉积过程中以h2为载气，以sih2cl2为硅前驱体，通过引入乙硼烷气体对外延多晶硅层进行原位掺杂；反应过程中形成的hcl，可以刻蚀pecvd siox表面的硅，保持选择性外延，反应过程中也可以通入额外的hcl作为刻蚀源；具体工艺过程包括：
①
升温至外延沉积温度；
②
h2烘烤；
③
选择性硅沉积；
④
降温。

技术总结
本发明提供一种双掺杂层TOPCon电池结构及其制备方法，涉及电池加工制备技术领域。所述双掺杂TOPCon电池结构，包括单晶硅片，依次设置在单晶硅片正面的扩散层、钝化层、正面减反射层、正面金属电极，以及依次设置在单晶硅片背面的隧穿层、掺杂多晶硅层、背面减反射层和背面金属电极，所述掺杂层包括位于硅片正面的第一扩散掺杂层和位于第一扩散掺杂层与正面金属电极之间的第二外延掺杂层。本发明克服了现有技术的不足，既能保证金属接触区的P型掺杂层厚度，有效屏蔽金属区复合，并减小金属区接触电阻；同时又能降低非金属区的掺杂浓度和结深，减小非金属区俄歇尔复合以及寄生光吸收；因此，能有效提升TOPCon电池转化效率。能有效提升TOPCon电池转化效率。能有效提升TOPCon电池转化效率。


技术研发人员：金竹 毛卫平 杨阳 叶风 付少剑 刘建华 董玉良 潘利民
受保护的技术使用者：滁州捷泰新能源科技有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/14