PN結(jié)是晶硅太陽電池的核心，制備均勻性好的高方阻發(fā)射極不僅可以降低前表面復(fù)合，提高開路電壓;而且可以較大程度地提高短波的光譜響應(yīng)，增大短路電流。目前，高方阻電池匹配的銀漿已取得突破，解決了因方阻值高產(chǎn)生的串聯(lián)電阻過大和發(fā)射極易燒穿的問題，提高發(fā)射極的方塊電阻及均勻性已成為提高電池效率的重要手段。
1晶硅太陽電池?cái)U(kuò)散工藝原理
制備PN結(jié)是晶硅太陽電池生產(chǎn)中最基本、最關(guān)鍵的工序之一。工業(yè)生產(chǎn)中，制備PN結(jié)的專用設(shè)備為管式擴(kuò)散爐。管式擴(kuò)散爐主要由石英舟、廢氣室、爐體和氣柜等部分構(gòu)成。工業(yè)生產(chǎn)一般使用三氯氧磷液態(tài)源作為擴(kuò)散源。把P型硅片放入擴(kuò)散爐的石英容器內(nèi)，使用小股的氮?dú)鈹y三氯氧磷進(jìn)入石英容器，在高溫和充足氧氣的氛圍下，三氯氧磷和硅發(fā)生反應(yīng)，三氯氧磷分解得到磷單質(zhì)，分解得到的磷原子從四周進(jìn)入硅片，并向硅片的空隙擴(kuò)散滲透，最終形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界面，也就是PN結(jié)。這種方法制出的PN結(jié)均勻性較好，有良好的擴(kuò)散層表面。
2低壓擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)
常壓擴(kuò)散爐通常采用管口或管尾進(jìn)氣，通過大氮?dú)饬鲗⒘自磶У搅硪欢?，易造成一端磷源濃度高、另一端濃度低的現(xiàn)象，而且常壓下氣體分子自由程較小，各區(qū)域硅片接觸磷源幾率差距較大，只能通過調(diào)節(jié)溫度控制方塊電阻值，無法保證片內(nèi)及片間均勻性。
低壓擴(kuò)散在擴(kuò)散爐工作腔內(nèi)使用負(fù)壓環(huán)境，氣體分子自由程變大，可以提高擴(kuò)散爐管內(nèi)氣流的均勻性，避免湍流產(chǎn)生，從而提高擴(kuò)散的均勻性，為晶硅太陽電池效率進(jìn)一步提升奠定了基礎(chǔ)。由于擴(kuò)散方阻均勻性的提高，裝片石英舟槽間距設(shè)計(jì)可降為標(biāo)準(zhǔn)值的一半左右，這樣可以在設(shè)備體積不變的情況下將產(chǎn)能提高1倍。此外，低壓擴(kuò)散過程中化學(xué)品的利用效率提高，工藝過程中化學(xué)品的用量大幅降低，節(jié)省成本。
3低壓擴(kuò)散工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)
晶硅太陽電池?cái)U(kuò)散工藝包括：進(jìn)舟，恒溫降壓，低壓氧化，低溫低壓沉積，升溫，高溫低壓推進(jìn)，升壓，常壓氧化，降溫，出舟共10個(gè)工藝過程。影響擴(kuò)散工藝結(jié)果主要集中在低溫低壓沉積和高溫低壓推進(jìn)這兩個(gè)工藝過程。這兩個(gè)工藝過程中的溫度，氣壓，氣體流量影響著擴(kuò)散方阻的大小、方阻均勻性、制結(jié)深度，進(jìn)而影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
3.1工藝溫度優(yōu)化
在低壓環(huán)境下，擴(kuò)散源的分子自由程增長(zhǎng)，擴(kuò)散源的占比增大，低壓擴(kuò)散中磷原子沉積于硅片表面的速率遠(yuǎn)快于常壓擴(kuò)散。這樣容易引起磷原子集中于硅片淺表面，如果高溫低壓推進(jìn)過程不能將這些磷原子推進(jìn)至合適深度，就會(huì)使硅片淺表面磷濃度過大，引起硅片淺表面電子空穴對(duì)復(fù)合過快，進(jìn)而影響太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率。優(yōu)化擴(kuò)散工藝中的高溫推進(jìn)溫度和時(shí)間顯得尤為重要。
方阻的測(cè)試方法：每管選取3片硅片分別為爐口一片，爐中一片，爐尾一片;每片選5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，中心、右上、右下、左下、左上5點(diǎn)位置。片內(nèi)不均勻性的計(jì)算方法為：片內(nèi)不均勻性=(最大值-最小值)/(最大值+最小值)。
常壓擴(kuò)散使用的氣壓為大氣壓即101kPa，常壓擴(kuò)散工藝后的方阻及均勻性如表1所示。
在低壓擴(kuò)散工藝中，磷原子沉積的速率較快，使用相同的低溫低壓沉積的時(shí)間會(huì)使方阻變得很小。使用20kPa的氣壓，縮短低溫低壓沉積時(shí)間形成低壓擴(kuò)散工藝一，方阻及均勻性如表2所示。
常壓擴(kuò)散片內(nèi)不均勻性為4.48%——5.53%，而低壓擴(kuò)散方阻一致性較好，其片內(nèi)不均勻性為2.37%——2.86%。一般來說擴(kuò)散方阻均勻性提高，太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨之提高。而采用低壓擴(kuò)散工藝一，方阻均勻性提高了，但是太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率反而降低。通過測(cè)試參雜濃度后發(fā)現(xiàn)常壓擴(kuò)散工藝之后，參雜濃度最高位置出現(xiàn)在0.2μm位置，濃度為2×1020/cm3，而低壓擴(kuò)散工藝一參雜濃度最高位置出現(xiàn)在0.15μm位置，濃度為5×1020/cm3。常壓擴(kuò)散和低壓擴(kuò)散工藝一參雜濃度隨深度變化曲線如圖1所示。
針對(duì)低壓擴(kuò)散工藝一，硅片淺表面參雜濃度高的情況，優(yōu)化低壓擴(kuò)散工藝中高溫低壓推進(jìn)過程，將溫度提高，時(shí)間延長(zhǎng)形成低壓擴(kuò)散工藝二，其擴(kuò)散方阻及均勻性如表3所示。
制絨后的多晶硅片分別經(jīng)過常壓擴(kuò)散工藝、低壓擴(kuò)散工藝一、低壓擴(kuò)散工藝二后，在后續(xù)的二次清洗、鍍膜、絲網(wǎng)印刷工序中使用同樣的工藝，使用測(cè)試分選機(jī)記錄的使用3種擴(kuò)散工藝電池片的電性能參數(shù)如表4所示。
由于使用低壓擴(kuò)散工藝一的硅片淺表面參雜濃度較高，其開路電壓較低，光電轉(zhuǎn)換效率較常壓擴(kuò)散工藝的電池片低。經(jīng)工藝優(yōu)化后，使用低壓擴(kuò)散工藝二的多晶電池片開路電壓明顯提升，由于低壓擴(kuò)散均勻性較好，其短路電流較大，光電轉(zhuǎn)換效率也較常壓擴(kuò)散工藝有所提高。
3.2工藝流量?jī)?yōu)化
低壓擴(kuò)散中磷原子沉積于硅片表面的速率遠(yuǎn)快于常壓擴(kuò)散。為了控制參雜的速率，同時(shí)為了制備更高方阻電池片，將低溫低壓沉積過程中氣體的流量減小為原來的3/4，優(yōu)化形成低壓擴(kuò)散工藝三，其擴(kuò)散方阻及均勻性如表5所示。經(jīng)低壓擴(kuò)散工藝三的硅片方阻值每方為107——113Ω，其片內(nèi)不均勻性為1.80%——2.28%，均勻性較低壓擴(kuò)散工藝二有所提升。
3.3工藝壓力優(yōu)化
低壓擴(kuò)散方阻均勻性較常壓擴(kuò)散明顯提升，進(jìn)一步降低壓力受到低壓擴(kuò)散爐真空泵以及爐體密封性的限制，同時(shí)抽真空時(shí)間和壓力平衡時(shí)間也需要延長(zhǎng)，在設(shè)備能達(dá)到壓力范圍以及工藝時(shí)間允許的情況下，將低壓擴(kuò)散氣壓從20kPa降至10kPa，進(jìn)一步對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化形成低壓擴(kuò)散工藝四，其擴(kuò)散方阻及均勻性見表6所示。經(jīng)低壓擴(kuò)散工藝四的硅片方阻值每方為117——122Ω，其片內(nèi)不均勻性為1.24%——1.69%。經(jīng)低壓擴(kuò)散工藝四的硅片方阻值較高，且均勻性好。在絲網(wǎng)印刷工序中匹配好電極漿料與燒結(jié)溫度，以使低壓擴(kuò)散的高方阻、高均勻性優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，使用測(cè)試分選機(jī)記錄電池片的電性能參數(shù)如表7所示。
低壓擴(kuò)散工藝四工藝制成的多晶電池片效率分布如圖2所示。
經(jīng)工藝優(yōu)化，相對(duì)于常壓擴(kuò)散工藝，低壓擴(kuò)散工藝四所制成的多晶電池片短路電流增大100mA，平均光電轉(zhuǎn)換效率提高0.26%。
4結(jié)論
在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研制的新型低壓擴(kuò)散爐上進(jìn)行低壓擴(kuò)散工藝優(yōu)化研究，對(duì)工藝中的溫度、氣流量、氣壓進(jìn)行優(yōu)化，得出了較優(yōu)的低壓擴(kuò)散工藝方案，其擴(kuò)散工藝后硅片的方阻每方為116——122Ω，片內(nèi)不均勻性1.24%——1.69%，較常壓擴(kuò)散工藝有大幅度提升。制成的多晶電池片平均效率達(dá)到18.51%，較常壓擴(kuò)散工藝提升0.26%。
參考文獻(xiàn)：
[1]張寶峰，陳暉.低壓擴(kuò)散機(jī)理及其對(duì)擴(kuò)散方阻均勻性的影響研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備.2016，4(253)：12-16.
[2]趙汝強(qiáng)，梁宗存.晶體硅太陽電池工藝技術(shù)新進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)2009，6(23)：23-26.
[3]楊樂.面向大規(guī)模應(yīng)用的高效晶體硅雙面可受光太陽能電池的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.46-52.
[4]管甜甜.高方阻太陽能電池的優(yōu)化[D].北京：北方交通大學(xué)，2014.8-12
[5]何貴堂.晶體硅太陽電池制作中的擴(kuò)散工藝研究[D].北京：北方交通大學(xué)，2014.
