磷雜質(zhì)分布優(yōu)化方法的研究

中電投西安太陽能電力有限公司 ■ 董鵬 屈小勇 張治 宋志成

0 引言

晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率的提升主要圍繞降低光學(xué)損失和電學(xué)損失兩個方向展開。傳統(tǒng)工藝對太陽電池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負(fù)載能力，表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質(zhì)濃度過高導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)能帶收縮、晶格畸變[1-2]、缺陷增加、“死層”明顯、電池短波響應(yīng)差。為展寬電池光譜響應(yīng)的峰區(qū)，需對發(fā)射極雜質(zhì)濃度分布進(jìn)行優(yōu)化，提高電池藍(lán)光響應(yīng)。太陽電池理論計算表明，較淺p-n結(jié)有助于短路電流的提升，低表面濃度可提升開路電壓。然而，低表面濃度會增加電池電極和硅之間的歐姆接觸電阻，從而降低FF。為了解決這一矛盾，需取一個折中的表面摻雜濃度以兼顧開路電壓和串聯(lián)電阻。

1 磷在硅中的擴(kuò)散機(jī)理

p-n結(jié)是太陽電池的核心，發(fā)射極質(zhì)量直接影響到電池的光電轉(zhuǎn)換效率，所以研究磷在硅中的擴(kuò)散機(jī)理很有必要。熱處理過程中，磷在硅中的擴(kuò)散機(jī)理已有很多研究，一般認(rèn)為磷是自間隙機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散，這與中性及不同荷電量的點缺陷有關(guān)[3-8]。太陽能級磷在硅中的雜質(zhì)濃度曲線如圖1所示。從圖1可知，雜質(zhì)濃度曲線明顯分為表面區(qū)、中間區(qū)和尾區(qū)3個區(qū)。

圖1 磷在硅中雜質(zhì)濃度分布

1.1 表面區(qū)

磷和中性及雙電荷空位作用形成P+V=對，所以電子濃度低于摻雜濃度。在該區(qū)域V=對磷擴(kuò)散的影響較顯著，所以在表面區(qū)磷的擴(kuò)散系數(shù)如式(1)所示：

1.2 中間區(qū)

隨著載流子濃度的減少，費米能級下降，一旦當(dāng)費米能級下降到靠近導(dǎo)帶邊下0.11 eV時(對應(yīng)V=所處的能級位置)，V=被電子占據(jù)的幾率降低，P+V=對開始解體，產(chǎn)生大量過剩的V-型空位。將費米能級下降到導(dǎo)帶以下0.11 eV時，對應(yīng)電子濃度記為ne。由實驗得出ne與擴(kuò)散溫度的倒數(shù)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。

1.3 尾區(qū)

在ne(T)所對應(yīng)的界面為止作為表面區(qū)的終端。在該終端處離解出來的大量過飽和V-型空位向兩邊擴(kuò)散，擴(kuò)到尾部的V-型空位將加速磷的擴(kuò)散，所以磷在尾部分布開來。

P+V=對解體，硅點陣中空位增加，擴(kuò)散系數(shù)增加，尾部擴(kuò)散系數(shù)如式(2)所示：

式中，ze為ne對應(yīng)的結(jié)深位置；Lv-為V-型空位的擴(kuò)散長度，μm；△Eg為禁帶變化量。

可見，電子濃度和荷電空位影響磷在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而決定磷的雜質(zhì)分布曲線。電子濃度取決于摻雜濃度大小，荷電空位濃度受硅片氧化速率、摻雜濃度等因素的影響。

2 實驗過程

實驗使用普通156 cm×156 cm單晶CZ硅片，在常規(guī)生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，僅對擴(kuò)散工藝進(jìn)行調(diào)整。擴(kuò)散過程通過磷源濃度、擴(kuò)散溫度、氧氣流量等參數(shù)的調(diào)節(jié)，來控制發(fā)射極電子濃度和荷電空位類型，達(dá)到雜質(zhì)濃度分布曲線優(yōu)化的目的。

本文采用的擴(kuò)散技術(shù)與常規(guī)擴(kuò)散不同之處在于：首先通過低溫淀積高溫推進(jìn)來降低表面濃度；然后通過再次通源擴(kuò)散來控制總的摻雜劑量，滿足方塊電阻要求；通過兩次通源擴(kuò)散，可在較短時間完成摻雜要求，實現(xiàn)淺的p-n結(jié)。

完成擴(kuò)散后，對不同工藝擴(kuò)散的硅片作如下測試對比：

1)采用Semilab測試硅片方塊電阻，以對比不同擴(kuò)散方法方塊電阻阻值及均勻性影響。

2) 采用ECV進(jìn)行雜質(zhì)濃度分布測試，以比較兩種擴(kuò)散對表面濃度和結(jié)深的影響。

3) 對不同擴(kuò)散技術(shù)制備的電池，測量外量子響應(yīng)，以比較兩者藍(lán)光響應(yīng)的差異。

3 實驗結(jié)果分析

圖2為兩種不同擴(kuò)散方法方塊電阻勻性對比。兩張測試片平均阻值均為60 Ω/□，優(yōu)化后的擴(kuò)散工藝由于采用兩次通源擴(kuò)散，所以片內(nèi)均勻性優(yōu)于常規(guī)工藝。

圖2 方阻均勻性對比

圖3為發(fā)射極磷的雜質(zhì)濃度分布曲線。曲線1表示常規(guī)電池雜質(zhì)濃度分布，優(yōu)化后的發(fā)射極雜質(zhì)分布見曲線2。比較兩條曲線可看出，優(yōu)化后雜質(zhì)曲線磷的表面濃度從2×1021cm-3下降到5×1020cm-3，結(jié)深由 0.3 μm 降低到 0.27 μm。

圖3 雜質(zhì)濃度分布曲線

圖4為電池對應(yīng)的外量子響應(yīng)曲線。常規(guī)擴(kuò)散方法制備的電池的外量子響應(yīng)見曲線1，電池發(fā)射極雜質(zhì)分布曲線經(jīng)過優(yōu)化后的量子響應(yīng)見曲線2。兩條曲線對比可看出，在300～500 nm波段內(nèi)，曲線2的相對響應(yīng)平均提高了8.3%，可見發(fā)射極雜質(zhì)分布曲線優(yōu)化后藍(lán)光響應(yīng)提升非常明顯。

圖4 外量子響應(yīng)對比

AM1.5、25 ℃條件下，通過Berger測試儀對兩種擴(kuò)散工藝制備的電池作電性能測試對比，結(jié)果見表1。

表1 不同擴(kuò)散工藝制備電池電性能參數(shù)

由表1可知，發(fā)射極雜質(zhì)濃度分布曲線經(jīng)過優(yōu)化后，短路電流密度提升了 0.4 mA/cm2，開路電壓提升了7 mV。電池藍(lán)光響應(yīng)提升導(dǎo)致短路電流增益，而開路電壓的提升是由于低的發(fā)射極復(fù)合速率所貢獻(xiàn)，可通過式(3)加以說明：

式中，I0為p-n結(jié)反響飽和暗電流。樣品2發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度分布經(jīng)過優(yōu)化，復(fù)合電流較小，同時短路電流Isc較大，所以開路電壓Voc較高。

4 結(jié)語

本文提出的發(fā)射極雜質(zhì)濃度曲線優(yōu)化的工藝方法，通過對磷雜質(zhì)分布表面濃度和結(jié)深的調(diào)整，可有效增加電池的藍(lán)光響應(yīng)和開路電壓。該工藝方法簡單，適合常規(guī)電池批量生產(chǎn)，可將電池的轉(zhuǎn)化效率從18.5%提升到18.8%。

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