五氧化二磷升華制備太陽電池P-N結

摘要加熱五氧化二磷升華，用氮氣攜帶，與硅片反應制備P-N結。本實驗采用的是四因素四水平的正交實驗，硅片和五氧化二磷置于封閉的石英管加熱爐內進行反應，制備出的P-N結用RTS-9型雙電測四探針測試儀測出方塊電阻。分析了各個實驗條件:反應時間t，硅片反應的溫度，五氧化二磷升華溫度和氮氣的氣流量對P-N結方塊電阻的影響，反應時間t對方塊電阻影響最大，其次是硅片的反應溫度和氮氣的氣流量。

關鍵詞單晶硅擴散正交實驗

中圖分類號:O646文獻標識碼:A

1954年，美國貝爾實驗室研制成功第一塊單晶硅太陽電池，開創了人類太陽能的新紀元。豍目前世界上單晶硅太陽電池的最高轉化效率早就達到24.7%。豎常規硅太陽電池工藝中，形成電池P-N結的主要方法是擴散。它是一種由熱運動所引起的雜質原子和基體原子的輸運過程。由于熱運動，把原子從一個位置輸運到另一個位置，使基體原子與雜質原子不斷地相互混合。豏制結過程是在一塊基體材料上生成導電類型不同的擴散層，它和制結前的表面處理都是電池制造過程中的關鍵工序。現用制結方法有熱擴散，離子注入，外延，激光及高頻電注入法等。硅太陽電池所用的主要熱擴散方法有涂布源擴散，液態源擴散，固態源擴散等。豐本實驗采用的是用五氧化二磷固態源擴散。

1實驗設備，檢測方法及手段

本實驗是加熱五氧化二磷升華與硅片反應制備太陽電池P-N結，整套擴散系統是自己搭建，裝置簡圖如圖1，大的擴散石英管外纏繞電爐絲，分左右兩段，左邊是提供加熱五氧化二磷升華的溫度，右邊是提供硅片反應的溫度，兩端用自制的鐵頭套密封。

Fig1 Diagram of experimental apparatus

樣品用的是2€?cm2 的單晶P型硅片，電阻率為0.5-3€%R/□，擴散前用氫氧化鈉堿性溶液腐蝕過。將硅片放在石英舟中置于擴散石英管內，固體五氧化二磷放入小石英管里置于擴散石英管內，擴散石英管兩端口用鐵頭套密封，加熱五氧化二磷升華，用氮氣攜帶與高溫硅片進行反應，控制好反應時間t，五氧化二磷升華溫度，硅片反應溫度和氮氣流量制備P-N結。

擴散好的P-N結用RTS-9型雙電測四探針測試儀測出方塊電阻，RTS-9型雙電測四探針測試儀如圖2，RTS-9型雙電測四探針測試儀采用了四探針雙位組合測量新技術，將范德堡測量方法推廣應用到直線四探針上，利用電流探針電壓探針的變換，在計算機控制下進行兩次電測量，把采集到的數據在計算機中加以分析，自動消除樣品幾何尺寸、邊界效應以及探針不等距和機械游移等因素對測量結果的影響，然后以表格圖形方式統計分析顯示測試結果，測量范圍方塊電阻10-3—106€%R/□，可測晶片厚度≤3mm。

2RTS-9型雙電測四探針測試儀

Fig2 RTS-9 type double electric-four probe tester

2實驗原理與過程

硅是IVA族材料。在硅晶體中，每個硅原子與鄰近的4個硅原子形成共價鍵，硅原子排列成金剛石晶格結構。硅的導電性質可以通過替換相對少量的硅原子來改變，替換這些硅原子的是來自VA族(比如磷)和ⅢA族的元素(比如硼和鋁)。通過這些元素來替代硅原子的過程叫做摻雜。本實驗是向硅片中摻VA族磷，五氧化二磷在高溫與硅片反應生成二氧化硅與磷單質沉淀，反應式為:P205+Si=SiO2+P。

實驗設計使用的是四因素四水平正交實驗方法，選取的實驗四個因素分別是:(1)反應時間t;(2)硅片反應時的溫度;(3)五氧化二磷升華溫度;(4)氮氣的氣流量。通常，在不影響P-N結特性的前提下，擴散溫度選擇高一些，可以縮短擴散時間，有利于生產。對于淺擴散的情況，溫度選擇要適當，既不能使溫度過高，使擴散時間過短，以致難于控制工藝;又不宜溫度過低，而使擴散時間延長到不適當的地步。根據以前用三氯氧磷液態源擴散的實驗經驗，對四個因素所選取的四個水平分別為:(1)反應時間t，10min;20min;30min;40min，(2)硅片反應時的溫度，8800C;8900C;9000C;9100C，(3)五氧化二磷升華溫度，3000C;3200C;3400C;3600C，(4)氮氣的氣流量，300ml/min;400 ml/min;500 ml/min;600 ml/min。

因素和水平如表1:

3結果與討論

根據前面介紹過的檢測方法，方塊電阻是用RTS-9型雙電測四探針測試儀測量，每塊單晶硅片測三點方塊電阻值，再取平均值。四因素四水平正交16個實驗的結果如表2:

根據極差R，可以看出，在反應時間，硅片反應溫度，氣流量和P205升華溫度四個因素中，對方塊電阻影響最大的是反應時間，其次是氣流量和硅片反應溫度，P205升華溫度影響較小。方塊電阻即表面薄層電阻是表征雜質總量的一個參數，豑對于本次實驗向P型單晶硅片中摻磷制備P-N結，反應時間對于制備P-N結的方塊電阻影響最大，雜質總量主要由反應時間決定，說明反應時間越長，擴散進入硅片的磷越多，雜質就越多。其次是氣流量和硅片反應溫度對雜質總量的影響。

4結論與展望

常規硅太陽電池方塊電阻約20-70€%R/□。根據調節反應時間，硅片反應溫度，氣流量可以制備出符合常規硅太陽電池的方塊電阻。對于上述的四因素四水平的正交實驗，每個因素對方塊電阻的結果具有一定的線型關系。可以對于本實驗做一些更加細致的研究，增加每個因素的水平數，看看每個因素對方塊電阻具體的線型關系，從而可以看出每個因素對硅片摻雜總量的影響。