晶硅太陽(yáng)電池低壓擴(kuò)散工藝優(yōu)化研究

郭 進(jìn)，楊曉生，陸運(yùn)章，任 哲，蔣 超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

晶硅太陽(yáng)電池低壓擴(kuò)散工藝優(yōu)化研究

郭 進(jìn)，楊曉生，陸運(yùn)章，任 哲，蔣 超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

隨著高效晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展，低壓擴(kuò)散工藝以其均勻性好，產(chǎn)量大，成本低的優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)發(fā)展的主要方向。對(duì)低壓擴(kuò)散工藝進(jìn)行優(yōu)化研究可以提高擴(kuò)散均勻性，從而提升晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率。

晶硅太陽(yáng)電池；低壓擴(kuò)散工藝；高方阻；均勻性

PN結(jié)是晶硅太陽(yáng)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(guò)大和發(fā)射極易燒穿的問(wèn)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(yáng)電池?cái)U(kuò)散工藝原理

制備PN結(jié)是晶硅太陽(yáng)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(guò)大氮?dú)饬鲗⒘自磶У搅硪欢耍自斐梢欢肆自礉舛雀摺⒘硪欢藵舛鹊偷默F(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(guò)調(diào)節(jié)溫度控制方塊電阻值，無(wú)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(yáng)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(guò)程中化學(xué)品的利用效率提高，工藝過(guò)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(yáng)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(guò)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(guò)程。這兩個(gè)工藝過(guò)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(yáng)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(guò)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(guò)大，引起硅片淺表面電子空穴對(duì)復(fù)合過(guò)快，進(jìn)而影響太陽(yáng)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101 kPa，常壓擴(kuò)散工藝后的方阻及均勻性如表1所示。

表1 常壓擴(kuò)散工藝方阻及均勻性

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20 kPa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。

表2 低壓擴(kuò)散工藝一方阻及均勻性

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(lái)說(shuō)擴(kuò)散方阻均勻性提高，太陽(yáng)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(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率反而降低。通過(guò)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0.2 μm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0.15 μm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。

圖1 參雜濃度隨深度變化曲線

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(guò)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(guò)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。

表3 低壓擴(kuò)散工藝二方阻及均勻性

表4 使用3種不同擴(kuò)散工藝電池片的電性能參數(shù)

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。

該研究負(fù)責(zé)人、意大利國(guó)家天體物理學(xué)研究所研究員羅伯托·奧羅塞說(shuō)，這可能是在火星上找到的首個(gè)可供生命棲息的地方。

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(guò)程中氣體的流量減小為原來(lái)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107～113 Ω，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。

表5 低壓擴(kuò)散工藝三方阻及均勻性

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20 kPa降至10 kPa，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。

表6 低壓擴(kuò)散工藝四方阻及均勻性

經(jīng)低壓擴(kuò)散工藝四的硅片方阻值每方為117～122 Ω，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(lái)，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100 mA，平均光電轉(zhuǎn)換效率提高0.26%。

圖2 低壓擴(kuò)散工藝四電池片效率分布圖

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 116～122 Ω，片內(nèi)不均勻性為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%。

[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.

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Study of Low Pressure Diffusion Technology Optimization for Crystalline Silicon Solar Cells

GUO Jin，YANG Xiaosheng，LU Yunzhang，REN Zhe，Jiang Chao

(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

With the development of efficient crystalline silicon，low pressure diffusion will become the future main direction of diffusion technique due to its uniformity of high sheet resistance，large output and lower cost.Study of low pressure diffusion technology optimization can make further uniformity of sheet resistance，thus improve photoelectric conversion efficiency for crystalline silicon solar cells.

Crystalline silicon solar cells；Low pressure diffusion technology；High sheet resistance；Uniformity

TN305.4

A

1004-4507(2017)03-0051-04

郭進(jìn)(1984-)，男，漢族，湖南益陽(yáng)人，工程師，碩士，從事半導(dǎo)體專用設(shè)備和光伏裝備的研制工作，主要負(fù)責(zé)擴(kuò)散爐等設(shè)備的工藝優(yōu)化與研究。

2017-03-03