淺談太陽能晶硅電池生產過程中的擴散工藝

摘 要：太陽能晶硅電池主要是以單/多晶硅片為原材料，利用光伏效應將太陽能轉化為電能。在電池片的生產過程中，擴散制PN結是最核心的工序。擴散工藝對電池的性能有著重要影響。文章從工廠生產的角度，結合工藝及設備使用情況，淺談擴散工藝的技術特點。

關鍵詞：晶硅電池；擴散制結；工藝

1 擴散在傳統電池生產中的工藝步驟

原材料硅片來料檢驗——清洗制絨——擴散制結——干法刻蝕洗磷（或濕法刻蝕）——PECVD鍍膜——絲網印刷——燒結——測試分選——電池片成品包裝。

2 擴散的原理及POCl3制PN結

物質分子因濃度梯度而進行分子轉移是擴散的基本原理；在工廠的晶硅電池生產中，普遍采用熱擴散法：即在P型半導體表面摻雜五價磷元素，形成PN結，具體是指以液態POCl3作為擴散源，在高溫有氧條件下（>600℃）充分分解反應，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，利用磷原子（N型）向硅片（P型）內部擴散的方法，改變硅片表面層的導電類型，形成PN結（同時在硅片表面形成一層磷硅玻璃），達到合適的摻雜濃度；當有適當波長的光照射在該PN結上，由于光伏效應而在勢壘區兩邊形成電勢，在開路情況下穩定的電勢差形成電流。

POCl3→PCL5+P2O5

PCL5+O2→P2O5+CL2↑

POCl3+O2→P2O5+CL2↑

P2O5+Si→SiO2+P↓

POCl3液態源擴散具有生產效率較高，制結均勻平整，擴散層表面良好等優點。

3 擴散設備和擴散的具體工藝過程

擴散方式有管式和鏈式之分；目前，國內工廠中普遍采用管式擴散爐（下同）制作電池片的PN結；其主要由控制部分、推舟凈化部分、爐體部分、氣源部分等組成。

在正常的生產過程中（無需運行飽和工藝），其具體工藝過程為：進舟——低溫通氧和大氮——低溫通大氮，氧和小氮——高溫通大氮，氧和小氮——高溫通大氮（恒溫）——低溫通大氮（冷卻）——出舟。

低溫通氧即預擴散，可改善方阻的均勻性，減少死層，同時也可以縮短整個工藝時間；擴散過程中對氣氛的均勻性要求較高，因此在生產過程中應盡量避免將槳暴露在空氣中過長時間；在初次使用或者清洗完成后要運行飽和工藝使擴散環境更加均勻良好。

4 擴散工藝的質量檢驗和影響因素

（1）擴散層薄層電阻（方塊電阻：正方形的擴散薄層在電流方向上的電阻）是反映擴散質量的重要指標，采用四探針法進行測量：

Rs=F（V/I）

F為修正因子，其數值由被測樣品的長、寬、厚尺寸和探針間距決定，因探針間距遠遠大于結深，F修正因子為4.533。

質量檢驗：在質量控制中一般對方塊電阻、同一舟中片間不均勻度、片內不均勻度做檢測要求；同時對硅片表面的外觀質量如麻點、藍黑點、臟污等進行檢驗；對PN結結深（擴散雜質濃度與襯底雜質濃度相等時到硅片表面的距離）進行測量。

（2）影響擴散工藝質量的因素很多且關系復雜，但究其根本，可主要分為以下三類：濃度的影響、溫度的影響、時間的影響。

摻雜濃度是擴散工藝的基礎和目標，擴散溫度則是決定擴散速率的重要因素，而擴散時間則決定摻雜的濃度和結深；在擴散雜質源（POCl3）一定的情況下，源通量、擴散溫度和擴散時間是影響擴散工藝的主要參數，直接決定了擴散效果；當結深一定時，若擴散溫度過低，則時間加長產量降低，擴散均勻性和重復性變差；若溫度過高，則時間變短，擴散的均勻性和重復性也無法保證。因此，要選擇合適的擴散溫度和工藝時間，使磷源的分解速度和擴散系數隨溫度的變化較小，并設定合理的溫區溫度及進舟出舟速度。其他如排風、爐口爐尾密封性、石英管潔凈程度、槳的位置等也會對擴散工藝產生影響。

總之，一方面要保證硅片表面的擴散濃度和結深符合設計要求，另一方面要獲得良好的均勻性和重復性，使片內、片間和各管之間的擴散質量符合檢驗標準，才能進行量產。

5 常見擴散工藝問題處理

（1）未擴散上：可能因素有小氮流量不足，爐門未關緊，排風太大，磷源被排風抽走；可采取措施有增大小氮的攜帶流量，調整爐門位置，確保密封良好等。

（2）擴散方阻偏低：可能因素有擴散溫度偏高，沉積時間過長，磷源溫度偏高；可采取措施有降低擴散溫度或沉積時間，調整磷源量或磷源溫度等。

（3）擴散方阻偏高：可能因素有擴散溫度偏低，沉積時間太短、石英管飽和不良或者磷源溫度偏低；可采取的措施有提高擴散溫度或沉積時間，調整磷源量，重新飽和等。

（4）擴散后片內方阻不均勻：擴散氣流不均勻，可調整擴散氣流量和加均流板。

（5）方塊電阻極差大：主要還是擴散溫度場的分布不均勻，拉爐溫，調整各溫區恒溫溫度。

（6）擴散后硅片表面發藍：硅片在擴散前在空氣中曝露時間長，表面形成氧化層或者未甩干等造成。

6 結束語

擴散工藝是太陽能晶硅電池生產的核心，它的優化匹配實驗是我們不斷努力的方向之一。這些年相繼提出的低濃度淺結高阻密柵技術、選擇性發射極SE電池、PERC背鈍化、IBC全電極背接觸電池等新技術都是以擴散制結為基礎，不斷優化調整發射結擴散工藝及方阻大小同其他工藝的結合效果；相信隨著新技術新理論的進一步革新，通過不斷驗證實驗，最終能達到提高電池轉換效率目的。

參考文獻

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