硼擴散工藝對多晶黑硅效率的影響分析

趙彩霞　郭麗　張波　楊飛飛　趙科巍

【摘 要】 本文針對硼擴散下多晶黑硅的表面復合速率高光電轉換效率低的問題，在多晶黑硅太陽電池片上采用了多步變溫擴散工藝增加前氧化工藝方法，研究了多步硼擴散工藝下進行的方阻梯度變化情況。結果表明：多晶黑硅在背面硼擴散方阻280Ω左右的條件下，電性能最佳，方阻過高或過低均不利于電池片光電轉換。

【關鍵詞】 多晶黑硅;硼擴散;多步擴;方阻;轉換效率

【中圖分類號】 TD32 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）01-0100-03

1引言

目前在晶硅太陽能產業鏈中，由于硅片的切割技術已由原本的砂線切割改為金剛線切割，單晶硅硅基電池以其技術路線成熟效率高的特點已逐漸在市場占有率上高于多晶硅。加上經過制絨后的單晶硅片反射率通常在11%左右，而砂漿切割的多晶硅片反射率為18%左右，因此多晶電池片更不具有競爭優勢。但由于黑硅有著優越的陷光作用，于是將黑硅多晶金屬催化化學腐蝕法制絨工藝（Metal-catalyzed chemical etching，簡稱MCCE）應用到金剛線切割多晶硅片后，反射率可以降低至12%左右，并大幅降低多晶電池片的光學損失，提高多晶電池的轉換效率，從而逐步縮小多晶電池與單晶電池的效率差異。另外，多晶電池片本身加工成本較低，在縮小電池片轉換效率之后，給多晶黑硅電池帶來了轉機。在晶硅電池中影響光電轉換效率的主要因素一是載流子表面復合速率;二是硅鋁背接觸的接觸電阻。但傳統鋁背場以吸雜與鈍化來增加少子壽命來提高光電轉換效率也不滿足目前的高效電池要求，如何進一步降低表面復合速率提高光電轉換效率的研究顯得更加重要。因此本文采用了優化硼擴散工藝的方法來實現此目的。

2實驗材料與實驗步驟

實驗中所需要的原輔材為產線正常生產中使用材料，多晶硅片為摻硼N型硅片，外觀尺寸為156.75mm×156.75mm，硅片厚度為180±20μm，硅片電阻率為1-3Ω·cm，在現有的普通多晶和PERC單晶電池片生產線上，利用現有工藝設備條件進行高效多晶電池片黑硅實驗，高效多晶電池片工藝流程為：

硅片檢測-黑硅絨面工藝-背面硼擴散-刻蝕清洗-背面Si3N4-邊緣清洗-正面P擴散-PSG清洗-正面PECVD-背面激光開孔-電極漿料印刷-燒結測試-效率分選。

3實驗結果分析

本文在使用N型硅片進行測試時，需要首先經過KOH與添加劑制絨工藝。目的是去除硅片表面的機械損傷和金屬雜質及油污，再經過HF與HCl清洗后方可繼續進行擴散工藝使用在普通的常壓硼擴散條件下，所需的硼源為BBr3由于其分子量較大，使得N2攜帶源瓶的硼源后在爐體內分布不均勻，導致硼擴散后的方阻均勻性比磷擴散差，如圖1所示。

硼擴散工藝通常的方阻要求較高，因為方阻高可以減少發射結的“死層”，同時PN結越靠近表面，電池表面表面輸出電流越大。然而通常情況下，硼擴散后的硅片方阻離散性較大如圖1。因此需要對原工藝實驗優化，優化步驟如下：

（1）對硼擴散工藝結構進行優化，具體如下表1。

效率情況如表2

表1和表2是硼擴散結構從原先的單步擴散改為多步擴散，方法首先增加前氧化，并將擴散與推進溫度由恒溫改為變溫。這樣做的目的是在硼源進入爐體前，可在硅片表面形成SiO2層，使得硼源在接觸硅片表面時，可以快速反應。同時變溫擴散和推進可以更好地在硅片表面沉積B，從而使得硅片表面積累大量B形成高濃度B從而有利于擴散的進行。進一步改善單片電池的片內方阻的均勻性。

在相同的硼擴散方阻（180Ω左右）條件下，優化后的工藝多步硼擴散可以在單步硼擴散基礎上提升效率0.16%（如表2），主要體現在Voc和Isc的提升。說明在多步硼擴散工藝條件下，高方阻輕摻（淺結輕摻即方阻越高結深越淺）摻雜硼原子的濃度低，通源與趨進時間短，開路壓高不易發生漏電的現象。同時淺結輕摻表面復合小，暗電流小，故短路電流也高，因此硅片背面的硼擴散可以更有效地提高硅片少子壽命。硼擴散工藝的優化對其余參數（FF等）并沒有造成明顯的影響。

（2）多步硼擴散工藝討論方阻梯度

為了進一步分析不同淺結輕摻對電池轉換效率的影響，進行了3組高方阻梯度實驗（表3）。實驗結果表明，黑硅背面硼擴散方阻對高效多晶電池片效率影響不大，但過低的方阻（205Ω）下效率較低。原因是過低的方阻意味著硼擴散會沉積更多的雜質，雜質過多，死層較大，不利于光電轉換，同時電池片的載流子復合嚴重，少數載流子復合速率提高，直接導致低方阻下電池片效率較低。

在高方阻條件下（283Ω和367Ω），更高的方阻條件下，電池片效率仍會降低0.05%，說明在更高的方阻時，硅片背面并沒有形成足夠的硼擴散場，不能有效降低硅片背面復合，方阻太高吸雜效果不佳，硅晶體中存在較多的缺陷。因此在擴散工藝調試中，擴散方阻既不能過高也不能過低。同時，梯度實驗也表明，硼擴散方阻適合高方阻條件在280Ω左右，而通常的正面磷擴散適合較低的方阻（100Ω左右），不同的工藝有著不同的工藝窗口，需要在實際調試中進行大量的優化實驗，找到工藝合適的方阻條件。

（3）多步硼擴散工藝下不同方阻的量子效率響應

量子效率代表著不同波段的光譜響應。從圖2中可以看到，不同阻值下的量子效率在短波段阻值越高對光的響應效果越好，說明短波段摻雜濃度越淺，表面載流子復合幾率越小。在中長波段283Ω的方阻顯示了很好的外量子特性即在該方阻下電池收集到的光生載流子濃度較高，說明擴散方阻高摻雜或低摻均不適合該波段，同時低方阻205Ω下的量子響應最差。說明三個方阻相對高摻雜對表面有一定“死層”，不利于長波的吸收，進而增加了表面的復合幾率，外量子效率在該波段響應不佳。

4結論

多步擴散增加前氧化，可以使硼在硅片表面形成SiO2層，更有利硼擴散，可以快速反應。變溫擴散和推進可以在硅片表面形成硼高濃度，更有利于B擴散。

多步硼擴散工藝比單步硼擴散效率提升0.16%，主要體現在Voc的提升。說明多步硼擴散能有效地提高硅片少子壽命。

擴散工藝調試中，擴散方阻280Ω左右為最佳。過低的方阻意味著硼擴散會沉積更多的雜質會，影響電池片的開路電壓Voc和短路電流，結果導致低方阻下電池片效率較低。過高的方阻硅片背面并沒有形成足夠的硼擴散場，以致硅片背面復合光譜響應不佳。

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