五氧化二磷升華制備太陽電池P-N結(jié)

摘要加熱五氧化二磷升華，用氮?dú)鈹y帶，與硅片反應(yīng)制備P-N結(jié)。本實(shí)驗(yàn)采用的是四因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)，硅片和五氧化二磷置于封閉的石英管加熱爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，制備出的P-N結(jié)用RTS-9型雙電測四探針測試儀測出方塊電阻。分析了各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件:反應(yīng)時(shí)間t，硅片反應(yīng)的溫度，五氧化二磷升華溫度和氮?dú)獾臍饬髁繉?duì)P-N結(jié)方塊電阻的影響，反應(yīng)時(shí)間t對(duì)方塊電阻影響最大，其次是硅片的反應(yīng)溫度和氮?dú)獾臍饬髁俊?/p>

關(guān)鍵詞單晶硅擴(kuò)散正交實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào):O646文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一塊單晶硅太陽電池，開創(chuàng)了人類太陽能的新紀(jì)元。豍目前世界上單晶硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)化效率早就達(dá)到24.7%。豎常規(guī)硅太陽電池工藝中，形成電池P-N結(jié)的主要方法是擴(kuò)散。它是一種由熱運(yùn)動(dòng)所引起的雜質(zhì)原子和基體原子的輸運(yùn)過程。由于熱運(yùn)動(dòng)，把原子從一個(gè)位置輸運(yùn)到另一個(gè)位置，使基體原子與雜質(zhì)原子不斷地相互混合。豏制結(jié)過程是在一塊基體材料上生成導(dǎo)電類型不同的擴(kuò)散層，它和制結(jié)前的表面處理都是電池制造過程中的關(guān)鍵工序。現(xiàn)用制結(jié)方法有熱擴(kuò)散，離子注入，外延，激光及高頻電注入法等。硅太陽電池所用的主要熱擴(kuò)散方法有涂布源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散，固態(tài)源擴(kuò)散等。豐本實(shí)驗(yàn)采用的是用五氧化二磷固態(tài)源擴(kuò)散。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備，檢測方法及手段

本實(shí)驗(yàn)是加熱五氧化二磷升華與硅片反應(yīng)制備太陽電池P-N結(jié)，整套擴(kuò)散系統(tǒng)是自己搭建，裝置簡圖如圖1，大的擴(kuò)散石英管外纏繞電爐絲，分左右兩段，左邊是提供加熱五氧化二磷升華的溫度，右邊是提供硅片反應(yīng)的溫度，兩端用自制的鐵頭套密封。

Fig1 Diagram of experimental apparatus

樣品用的是2€?cm2 的單晶P型硅片，電阻率為0.5-3€%R/□，擴(kuò)散前用氫氧化鈉堿性溶液腐蝕過。將硅片放在石英舟中置于擴(kuò)散石英管內(nèi)，固體五氧化二磷放入小石英管里置于擴(kuò)散石英管內(nèi)，擴(kuò)散石英管兩端口用鐵頭套密封，加熱五氧化二磷升華，用氮?dú)鈹y帶與高溫硅片進(jìn)行反應(yīng)，控制好反應(yīng)時(shí)間t，五氧化二磷升華溫度，硅片反應(yīng)溫度和氮?dú)饬髁恐苽銹-N結(jié)。

擴(kuò)散好的P-N結(jié)用RTS-9型雙電測四探針測試儀測出方塊電阻，RTS-9型雙電測四探針測試儀如圖2，RTS-9型雙電測四探針測試儀采用了四探針雙位組合測量新技術(shù)，將范德堡測量方法推廣應(yīng)用到直線四探針上，利用電流探針電壓探針的變換，在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行兩次電測量，把采集到的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中加以分析，自動(dòng)消除樣品幾何尺寸、邊界效應(yīng)以及探針不等距和機(jī)械游移等因素對(duì)測量結(jié)果的影響，然后以表格圖形方式統(tǒng)計(jì)分析顯示測試結(jié)果，測量范圍方塊電阻10-3—106€%R/□，可測晶片厚度≤3mm。

2RTS-9型雙電測四探針測試儀

Fig2 RTS-9 type double electric-four probe tester

2實(shí)驗(yàn)原理與過程

硅是IVA族材料。在硅晶體中，每個(gè)硅原子與鄰近的4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，硅原子排列成金剛石晶格結(jié)構(gòu)。硅的導(dǎo)電性質(zhì)可以通過替換相對(duì)少量的硅原子來改變，替換這些硅原子的是來自VA族(比如磷)和ⅢA族的元素(比如硼和鋁)。通過這些元素來替代硅原子的過程叫做摻雜。本實(shí)驗(yàn)是向硅片中摻VA族磷，五氧化二磷在高溫與硅片反應(yīng)生成二氧化硅與磷單質(zhì)沉淀，反應(yīng)式為:P205+Si=SiO2+P。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用的是四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)方法，選取的實(shí)驗(yàn)四個(gè)因素分別是:(1)反應(yīng)時(shí)間t;(2)硅片反應(yīng)時(shí)的溫度;(3)五氧化二磷升華溫度;(4)氮?dú)獾臍饬髁俊Ｍǔ＃诓挥绊慞-N結(jié)特性的前提下，擴(kuò)散溫度選擇高一些，可以縮短擴(kuò)散時(shí)間，有利于生產(chǎn)。對(duì)于淺擴(kuò)散的情況，溫度選擇要適當(dāng)，既不能使溫度過高，使擴(kuò)散時(shí)間過短，以致難于控制工藝;又不宜溫度過低，而使擴(kuò)散時(shí)間延長到不適當(dāng)?shù)牡夭健８鶕?jù)以前用三氯氧磷液態(tài)源擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)四個(gè)因素所選取的四個(gè)水平分別為:(1)反應(yīng)時(shí)間t，10min;20min;30min;40min，(2)硅片反應(yīng)時(shí)的溫度，8800C;8900C;9000C;9100C，(3)五氧化二磷升華溫度，3000C;3200C;3400C;3600C，(4)氮?dú)獾臍饬髁浚?00ml/min;400 ml/min;500 ml/min;600 ml/min。

因素和水平如表1:

3結(jié)果與討論

根據(jù)前面介紹過的檢測方法，方塊電阻是用RTS-9型雙電測四探針測試儀測量，每塊單晶硅片測三點(diǎn)方塊電阻值，再取平均值。四因素四水平正交16個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2:

根據(jù)極差R，可以看出，在反應(yīng)時(shí)間，硅片反應(yīng)溫度，氣流量和P205升華溫度四個(gè)因素中，對(duì)方塊電阻影響最大的是反應(yīng)時(shí)間，其次是氣流量和硅片反應(yīng)溫度，P205升華溫度影響較小。方塊電阻即表面薄層電阻是表征雜質(zhì)總量的一個(gè)參數(shù)，豑對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)向P型單晶硅片中摻磷制備P-N結(jié)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)于制備P-N結(jié)的方塊電阻影響最大，雜質(zhì)總量主要由反應(yīng)時(shí)間決定，說明反應(yīng)時(shí)間越長，擴(kuò)散進(jìn)入硅片的磷越多，雜質(zhì)就越多。其次是氣流量和硅片反應(yīng)溫度對(duì)雜質(zhì)總量的影響。

4結(jié)論與展望

常規(guī)硅太陽電池方塊電阻約20-70€%R/□。根據(jù)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間，硅片反應(yīng)溫度，氣流量可以制備出符合常規(guī)硅太陽電池的方塊電阻。對(duì)于上述的四因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)，每個(gè)因素對(duì)方塊電阻的結(jié)果具有一定的線型關(guān)系。可以對(duì)于本實(shí)驗(yàn)做一些更加細(xì)致的研究，增加每個(gè)因素的水平數(shù)，看看每個(gè)因素對(duì)方塊電阻具體的線型關(guān)系，從而可以看出每個(gè)因素對(duì)硅片摻雜總量的影響。