大尺寸PERC晶體硅太陽電池低壓擴散 工藝的研究

龍 輝，鄒臻峰，吳志明，張彌濤，田 安

(湖南紅太陽光電科技有限公司,長沙 430100)

0 引言

為應對全球變暖及化石能源日益枯竭等問題，大力發展可再生能源已成為世界各國的共識。太陽能因具有清潔、安全、資源豐富等顯著優勢，成為發展最快的可再生能源之一，而光伏發電是其重要利用方式的一種，預計2022年全球光伏發電新增裝機容量為162 GW。太陽電池是實現光伏發電的重要器件，而晶體硅太陽電池的市場占比可達95%。

擴散爐作為晶體硅太陽能電池制備過程中的關鍵設備之一，其主要是在硅片表面摻雜磷原子或硼原子，從而在硅片表面形成p-n結。目前，光伏行業內的擴散爐均采用低壓擴散工藝，工藝壓力一般為50～120 mbar。在低壓擴散工藝中，工藝壓力、工藝溫度、工藝氣體比例等都會直接影響到擴散效果。郭進等[1]研究了工藝溫度、氣體流量、工藝壓力對低壓擴散工藝的影響；張寶鋒等[2]從擴散分子自由程、摻雜原子分壓比和氣場均勻性等方面詳細分析了低壓擴散工藝對高方阻均勻性的影響；李吉等[3]研究了源流量、擴散時間、源瓶壓力、真空泵壓力等擴散工藝參數對擴散方阻的影響。上述文獻均為166 mm以下尺寸的硅片為研究對象，而晶體硅太陽電池采用210 mm大尺寸硅片時，在擴散工藝中此類硅片的石英舟槽間距、截面溫區分布、管內氣流場分布與其他尺寸硅片存在很大差異?；诖耍疚难芯苛藬U散工藝中PERC晶體硅太陽電池采用210 mm大尺寸硅片時，爐尾溫度、工藝壓力、進氣口與石英舟端板距離、快速降溫等因素對硅片擴散方阻及太陽電池良率的影響。

1 低壓擴散工藝影響因素研究

本文使用的低壓擴散爐的石英管內徑為420 mm，6段串級控溫，恒溫區長度為2200 mm，工藝氣體采用軟著陸、爐口進氣及爐尾抽氣方式；實驗樣品采用210 mm大尺寸硅片，每個石英舟放置硅片1200片。擴散工藝步驟依次為：放舟→升溫→氧化→擴散→升溫→深擴散→降溫→恒溫→擴散→氧化→降溫→出舟。

1.1 進氣口與石英舟端板距離對210 mm尺寸硅片擴散工藝的影響

現有低壓擴散爐多采用爐口進氣爐尾抽氣方式，進氣管一般是從石英管尾部的底部插入到爐口，爐尾抽氣管依次與尾氣過濾收集裝置、真空泵相連，具體如圖1所示。在保證其他工藝參數不變的情況下，將進氣口與石英舟端板距離由原來的509 mm增大到609 mm。對比分析爐口硅片方阻及擴散后的堿拋(注：堿拋是PERC晶體硅太陽電池制備過程中的一道工序，擴散后利用堿性溶液去除掉硅片表面磷硅玻璃及邊緣p-n結)情況，其中，方阻測量采用四探針5點測量法，方阻片內均勻性U的計算式為：

圖1 低壓擴散爐的構造Fig. 1 Structure of low-pressure diffusion furnace

式中：Rmax為所有測試點中的方阻最大值；Rmin為所有測試點中的方阻值最小值。

加大進氣口與石英舟端板的距離后，爐口前3片硅片的方阻由300 Ω/□降至80～150 Ω/□，片內均勻性由17.13%降至5.47%，這主要是因為在低壓下加大進氣口與石英舟端板距離后，靠爐口端的硅片處遠離了進氣口處的紊流區，其氣流場更加均勻。進氣口石英舟端板距離不同時爐口硅片方阻及片內均勻性對比如表1所示。

表1 進氣口石英舟端板距離不同時爐口硅片方阻及片內均勻性對比Table 1 Comparison of sheet resistance and uniformity of silicon wafer at the furnace mouth when the end plate distance of quartz boat of gas inlet is different

進氣口與石英舟端板距離為509和609 mm時，爐口第1片硅片擴散后的堿拋情況如圖2所示。從圖2中可以看出：距離為509 mm時，爐口第1片硅片出現明顯的過拋現象，即硅片表面的倒金字塔絨面被酸堿溶液過度腐蝕；而距離為609 mm時，爐口第一片硅片的堿拋正常。這主要是因為擴散工藝過程中進氣口與石英舟端板距離過小，三氯氧磷容易在爐口硅片處聚集，反應過程中產生的氯氣對硅片絨面造成嚴重腐蝕，堿拋后就會出現嚴重的過拋現象。

圖2 進氣口與石英舟端板距離509、 609 mm時爐口第1片硅片擴散后的堿拋情況Fig. 2 Alkaci polishing after diffusion of first silicon wafer at the furnace mouth when the distance between air inlet and end plate of quartz boat is 509 mm and 609 mm

1.2 快速降溫對210 mm尺寸硅片擴散工藝的影響

擴散工藝存在升降溫過程，升溫過程可以通過調節加熱電流來滿足升溫速率的要求，但降溫過程只能通過爐體本身的散熱，在高溫推結后降溫時，實際的降溫速率僅約為3 ℃/min，一方面很難滿足工藝對降溫速率的要求，另一方面會嚴重影響擴散爐的產能。因此本研究在石英管內增加散熱U型管，通過離心風機將環境中的空氣輸入到U型管中進行熱量置換(注：該方法已經申請專利)。

快速降溫對210 mm尺寸硅片擴散時間的影響如表2所示。從表2中可以看出：快速降溫能將210 mm尺寸硅片的擴散工藝時間由99.5 min縮短至81.7 min，工藝時間約可縮短17.8 min，產能可以提升17.9%。

表2 快速降溫對210 mm尺寸硅片擴散時間的影響Table 2 Effect of rapid cooling on the diffusion time of size 210 mm silicon wafer

通過對擴散工藝時間分別為99.5 min 與81.7 min后的硅片方阻、片內均勻性，以及太陽電池的良率和光電轉換效率進行了對比對比。結果顯示：采用快速冷卻系統后，在縮短工藝時間的同時，對硅片擴散后的方阻無影響，不需要對工藝配方進行改動，其爐口、爐尾的片內均勻性優于未采用快速冷卻系統時，這主要是因為高溫推結后的降溫速率進一步提高，有利于三氯氧磷在硅片表面的再分布；而且采用快速冷卻系統，不會降低太陽電池的光電轉換效率及良率，具體如表3、表4 所示。

表3 99.5與81.7 min擴散工藝后的硅片方阻及片內均勻性對比Table 2 Comparison of sheet resistance and intra-chip uniformity of silicon wafers after 99.5 min and 81.7 min diffusion process

表4 99.5與81.7min擴散工藝后的太陽電池良率及光電轉換效率對比Table 4 Comparison of solar cell yield and photoelectric conversion efficiency after 99.5 min and 81.7 min diffusion process

1.3 爐尾溫度對爐尾210 mm尺寸硅片擴散工藝的影響

采用爐口進氣爐尾抽氣的方式時，爐尾的三氯氧磷濃度低，氣流及溫度相比其他溫區更為復雜，再加上硅片的大尺寸化，爐尾硅片擴散后方阻的片內均勻性將更難控制。

本研究將起始溫度的爐尾溫度由774 ℃增至790 ℃，恒溫時間延長10 s；其他工藝參數不變。抽取爐尾相同位置的硅片測試其片內方阻，結果如表5所示。

從表5中可以看出：增加爐尾的起始溫度、延長恒溫時間后，減少了硅片中心點與硅片四角溫度差異，彌補了三氯氧磷濃度低帶來的擴散不均勻性，使三氯氧磷在硅片表面得到充分反應，中心點與四角的擴散方阻最大差值大幅降低，爐尾硅片的擴散方阻片內均勻性由12.68%降至8.56%。但是過高的爐尾溫度會帶來其他工藝問題，比如p-n結燒穿等，而增加恒溫時間會影響到設備的產能。

表5 增大爐尾溫度及延長恒溫時間后硅片擴散后的方阻對比Table 5 Comparison of sheet resistance of silicon wafers after increasing furnace tail temperature and extending constant temperature time

1.4 工藝壓力對210 mm尺寸硅片擴散工藝的影響

在低壓擴散工藝中工藝壓力是一個至關重要的參數，目前行業內各大光伏企業會根據自身的產線工藝選擇不同的擴散壓力，一般為50～120 mbar。工藝壓力對擴散工藝的影響主要在于反應室內的氣氛場及三氯氧磷在硅片表面的沉積，由于210 mm硅片的尺寸較大，工藝壓力對其影響更大。不同工藝壓力時硅片的擴散方阻及片內均勻性如表6所示。

從表6中可以看出：在工藝氣體總量不變的情況下，工藝壓力升高，真空泵的抽速變慢，三氯氧磷會在硅片表面沉積的更多，從爐口到爐尾硅片的方阻會整體降低，這與李吉等[3]得出的結論一致。由于采用的是爐口進氣方式，工藝壓力升高后，三氯氧磷在爐口處硅片表面的反應更加充分，片內均勻性更好，而爐尾因氣氛場更加紊亂，片內均勻性更差。另外，工藝壓力的變化對爐中片內均勻性的影響不大。

表6 不同工藝壓力時硅片的擴散方阻及片內均勻性對比Table 6 Comparison of sheet resistance and intra-chip uniformity of silicon wafers at different process pressures

2 結論

本文對210 mm大尺寸硅片的擴散工藝進行了分析，從工藝壓力、爐尾溫度、進氣口與石英舟端板距離及降溫速率等方面詳細研究了210 mm大尺寸硅片的擴散方阻、片內均勻性，以及太陽電池的光電轉換效率良率。結果表明：

1)增大進氣口與石英舟端板的距離，能夠改善爐口氣氛場，爐口的片內均勻性更好，可避免爐口硅片出現過拋現象；

2)增大降溫速率，能夠縮短工藝時間并提升設備產能，同時不會對擴散方阻、光電轉換效率及良率產生不良影響；

3)提高爐尾溫度會改善爐尾硅片的片內均勻性；

4)工藝壓力升高會導致硅片的方阻整體偏低，爐口片內均勻性會變好，而爐尾均勻性會變差。