APCVD技術(shù)在晶硅太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究

黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司 ■ 錢俊何鳳琴 盧剛 張治 郭靈山

APCVD技術(shù)在晶硅太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究

黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司 ■ 錢俊*何鳳琴 盧剛 張治 郭靈山

為研究APCVD制備p-n結(jié)技術(shù)在晶硅太陽(yáng)電池中的應(yīng)用，對(duì)APCVD的原理及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析。調(diào)節(jié)溫度及氣體流量比例，對(duì)APCVD制備PSG進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出隨著O2與氫化物的比例的增大，沉積的膜厚先增大后減小，升高溫度有助于加快PSG的沉積這一結(jié)論。結(jié)合APCVD的原理及實(shí)現(xiàn)方式對(duì)雙面太陽(yáng)電池制備的關(guān)鍵工藝高溫共擴(kuò)散進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完成了成品雙面電池的制作，正面轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.68％，背面轉(zhuǎn)換效率為11.66％。

APCVD；雙面太陽(yáng)電池；共擴(kuò)散

0　引言

常壓化學(xué)氣相沉積（Atmospheric Chemical Vapor Deposition，APCVD）技術(shù)屬于SCHMID公司的專利技術(shù)，在北美光伏企業(yè)已有大規(guī)模應(yīng)用。以Sunpower通過(guò)此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了n型IBC工業(yè)化生產(chǎn)超過(guò)22％的電池轉(zhuǎn)換效率為典型，被譽(yù)為高效n型電池開(kāi)發(fā)極具潛力的關(guān)鍵性技術(shù)。之前，APCVD技術(shù)在光伏界的應(yīng)用處于國(guó)外技術(shù)封鎖階段，目前剛過(guò)技術(shù)保密期，因此對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)已逐漸成為熱點(diǎn)，同時(shí)也具有先導(dǎo)性意義。

1　APCVD的原理

APCVD技術(shù)是指在大氣壓下，把一種或幾種含有構(gòu)成薄膜元素的化合物、單質(zhì)氣體通入放置有基材的反應(yīng)室，然后通過(guò)氣相化學(xué)反應(yīng)在基體表面上沉積一層固態(tài)薄膜的方法［1，2］。

APCVD技術(shù)在太陽(yáng)電池的發(fā)射極制備上的應(yīng)用原理是利用氣體源分別在硅片表面沉積一層磷硅玻璃層（PSG）或硼硅玻璃層（BSG），再采用高溫推進(jìn)的方式將P+或B+推進(jìn)至硅片，在硅片表面一定深度內(nèi)產(chǎn)出間隙原子和空位，改變晶體結(jié)構(gòu)，從而形成電池發(fā)射極。

使用PH3可在p型硅片表面沉積一層PSG，經(jīng)過(guò)高溫推進(jìn)過(guò)程后形成太陽(yáng)電池的核心結(jié)構(gòu)p-n結(jié)；使用B2H6可在n型硅片表面沉積一層BSG，經(jīng)過(guò)高溫推進(jìn)過(guò)程后形成太陽(yáng)電池的核心結(jié)構(gòu)p-n結(jié)。在硅片表面沉積PSG或BSG的相關(guān)反應(yīng)原理如下：

PSG層的形成：SiH4+O2→SiO2+2H2；4PH3+5O2→2P2O5+6H2

BSG層的形成：SiH4+O2→SiO2+2H2；2B2H6+3O2→2B2O3+6H2

2　APCVD的實(shí)現(xiàn)方式

實(shí)驗(yàn)使用的APCVD設(shè)備主要有加熱腔、沉積腔、冷卻腔3部分。APCVD工藝過(guò)程分為加熱、第一步沉積（BSG或PSG）、恒溫區(qū)域加熱、第二步沉積保護(hù)層（SiO2或TiO2）、降溫。使用不同的工藝氣體，可形成不同的沉積層。沉積過(guò)程在如圖1所示的系統(tǒng)下完成。

圖1　APCVD設(shè)備沉積噴頭圖

工藝氣體經(jīng)過(guò)管路到達(dá)沉積腔的噴頭處，從噴頭出來(lái)的氣體到達(dá)硅片表面，并在硅片表面相互反應(yīng)形成沉積層。噴頭處有5個(gè)細(xì)小的孔，可以滿足3種不同的氣體（O2、N2、SiH4/PH3/B2H6）同時(shí)經(jīng)過(guò)噴頭到達(dá)硅片表面。沉積速率可通過(guò)調(diào)整氣體比例及硅片溫度來(lái)控制；當(dāng)需要形成較厚沉積層時(shí)，可以通過(guò)增加噴頭數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3　APCVD制備發(fā)射極在晶硅太陽(yáng)電池中的應(yīng)用方案

3.1APCVD進(jìn)行常規(guī)p型單面晶硅太陽(yáng)電池制備

制作常規(guī)p型單面晶硅太陽(yáng)電池時(shí)，在工藝過(guò)程中導(dǎo)入APCVD制備發(fā)射極技術(shù)，僅需將高溫磷擴(kuò)散更換為APCVD沉積PSG及高溫推進(jìn)，其他工序與常規(guī)電池相同。工藝如下：

制絨→APCVD-PSG→高溫推進(jìn)→刻蝕→正面PECVD鍍SiNx→絲網(wǎng)印刷→燒結(jié)→I-V測(cè)試

較單一模式的句酷批改網(wǎng)而言，學(xué)生認(rèn)為三稿式人機(jī)結(jié)合的反饋模式能更加顯著地提高他們的英語(yǔ)寫(xiě)作水平（P=0.006），這與上文前后測(cè)的結(jié)果一致。

在硅片表面制備PSG后進(jìn)行高溫推進(jìn)，與常規(guī)高溫磷擴(kuò)散相比，有增加硅片表面磷摻雜的均勻性的優(yōu)勢(shì)。

3.2APCVD進(jìn)行p型雙面晶硅太陽(yáng)電池制備

雙面電池典型的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)高摻雜區(qū)域：一個(gè)硼摻雜的發(fā)射極和一個(gè)磷摻雜的發(fā)射極。傳統(tǒng)工藝進(jìn)行雙面電池的制備需要進(jìn)行兩次擴(kuò)散阻擋層的制備及兩次濕法化學(xué)去除阻擋層，工藝過(guò)程十分繁瑣，而這正是阻礙雙面電池工業(yè)化生產(chǎn)的絆腳石。使用APCVD制備兩種摻雜能有效簡(jiǎn)化工藝過(guò)程。兩種工藝制備p型雙面電池的工藝流程如表1所示。

表1　兩種工藝制備p型雙面單晶電池的工藝流程對(duì)比

從表1可看出，APCVD技術(shù)應(yīng)用到雙面電池的制備中能有效簡(jiǎn)化熱擴(kuò)散兩次制結(jié)的中間步驟，減少雙面電池的制作工藝。

采用APCVD技術(shù)制備雙面電池時(shí)，可實(shí)現(xiàn)前后表面B/P摻雜的共推進(jìn)，能減少兩次熱擴(kuò)散對(duì)電池質(zhì)量的損傷。相較于傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散工藝APCVD技術(shù)，制備出的p型雙面電池方阻更均勻，能縮小電池片效率的分布區(qū)間，提升電池片的整體質(zhì)量，降低制作成本。

3.3溫度及氣體比例對(duì)沉積膜厚的影響研究

采用APCVD方式沉積PSG，并使用PSG作為恒定源進(jìn)行推結(jié)時(shí)，PSG的厚度及P原子在膜中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是決定推結(jié)情況的重要因素。P原子質(zhì)量百分?jǐn)?shù)通過(guò)改變PH3的體積百分比來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，整體的厚度可通過(guò)溫度及O2與氫化物的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)選取410 ℃、430℃及450 ℃3個(gè)溫度，在每個(gè)溫度條件下進(jìn)行O2與氫化物的比例調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總結(jié)果如圖2所示。

圖2　3個(gè)溫度條件下O2與氫化物的比例調(diào)節(jié)

3.4制備雙面電池的高溫工藝

APCVD技術(shù)制備雙面電池的關(guān)鍵之處在于使用POCl3進(jìn)行硼磷的共擴(kuò)散。硼元素的擴(kuò)散溫度比磷元素的擴(kuò)散溫度高，其主要的擴(kuò)散溫度區(qū)間為900～1000 ℃［3，4］。在擴(kuò)散爐管內(nèi)先高溫達(dá)到硼擴(kuò)散的溫度，再降溫至磷擴(kuò)散溫度。采用如圖3的溫度曲線進(jìn)行共擴(kuò)散。

圖3　POCl3共擴(kuò)散溫度曲線

如圖3所示，溫度升高到900～1000 ℃時(shí)保持恒溫約30 min，為擴(kuò)散的第一階段。第一階段主要進(jìn)行硼摻雜的推進(jìn)，該高溫過(guò)程是在含有POCl3的氣體氛圍內(nèi)進(jìn)行，因此在硼摻雜推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行磷摻雜的深推進(jìn)。該階段完成后是擴(kuò)散的第二階段，降低溫度達(dá)到常規(guī)擴(kuò)散工藝進(jìn)行磷摻雜的溫度并保持一段時(shí)間的恒溫，進(jìn)行磷摻雜發(fā)射極的表面摻雜。

第一階段的高溫進(jìn)行硼摻雜推進(jìn)時(shí)，溫度比磷擴(kuò)散的溫度約高100 ℃，對(duì)POCl3的擴(kuò)散影響較大。調(diào)節(jié)第一階段的溫度、POCl3流量情況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析影響規(guī)律。完成擴(kuò)散后使用四探針進(jìn)行方塊電阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4　推進(jìn)溫度及氣體流量對(duì)方塊電阻的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，隨著溫度的升高，方塊電阻逐漸降低；隨著氣體流量的增大，方塊電阻也逐漸降低。結(jié)合硼磷摻雜的特性，較適合的第一階段推進(jìn)溫度為950 ℃，氣體流量為0.75 slpm。

4　APCVD進(jìn)行雙面電池試制

選取常規(guī)156 mm×156 mm的p型單晶硅片，使用APCVD方式進(jìn)行雙面電池的試制。APCVD設(shè)備制備BSG及SiO2后進(jìn)行POCl3擴(kuò)散，調(diào)整工藝條件使磷摻雜面的方塊電阻保持在80 Ω/，背面硼摻雜方塊電阻保持在約110 Ω/。正反面進(jìn)行SiNx薄膜制備后，磷發(fā)射極的正面使用常規(guī)p型電池正面的銀漿進(jìn)行電極印刷，背面硼發(fā)射極處使用特殊的銀鋁漿進(jìn)行電極印刷。最終制備的雙面電池片電性能如表2所示。

表2　雙面電池電性能

使用APCVD技術(shù)制備的p型雙面電池正面的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到19.68％，背面的轉(zhuǎn)換效率為11.66％。

5　結(jié)論

APCVD技術(shù)能有效地運(yùn)用到p型雙面電池的制備中。使用APCVD技術(shù)制備雙面電池時(shí)，可實(shí)現(xiàn)前后表面B/P摻雜的共推進(jìn)，減少制作工藝步驟的同時(shí)能減少兩次熱擴(kuò)散對(duì)電池質(zhì)量的損傷。APCVD進(jìn)行p-n結(jié)制備技術(shù)在雙面電池制備工藝中的應(yīng)用能促進(jìn)雙面電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的步伐。

實(shí)驗(yàn)使用APCVD制備BSG后，采用高溫共擴(kuò)散的方式制備硼發(fā)射極及磷發(fā)射極，磷摻雜面的方塊電阻保持在80 Ω/，硼摻雜方塊電阻約保持在110 Ω/，最終制成的p型雙面電池正面效率達(dá)到19.68％，背面效率為11.66％。實(shí)驗(yàn)電池片背面效率較低，其提升空間較大，后續(xù)可進(jìn)行背面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提升背面的轉(zhuǎn)換效率。

［1］ 傅華強(qiáng). APCVD法多晶硅薄膜的制備及其性能研究 ［D］. 江西:南昌大學(xué)， 2014.

［2］ 楊磊. APCVD法Nb:TiO2薄膜制備及其光電性能研究［D］.浙江: 浙江大學(xué)， 2013.

［3］ Philip Rothhardt， Sebastian Meier， Stefan Maier， et al. Characterization of POCl3-based codiffusion processes for bifacial n-type solar cells［J］. IEEE Journal of Photovoltaics， 2014， 4（3）: 827-833.

［4］ Philip Rothhardt， Carsten Demberger， Andreas Wolf， et al. Codiffusion from APCVD BSG and POCl3for industrial n-type solar cells［A］. Energy Procedia 38［C］， Germany， 2013.

2015-11-20

錢俊（1987—），男，碩士研究生、中級(jí)工程師，主要從事光伏器件方面的研究。qianjuncool@126.com