晶硅太陽電池低壓擴散工藝優化研究

郭 進，楊曉生，陸運章，任 哲，蔣 超

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

晶硅太陽電池低壓擴散工藝優化研究

郭 進，楊曉生，陸運章，任 哲，蔣 超

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

隨著高效晶硅太陽電池技術的發展，低壓擴散工藝以其均勻性好，產量大，成本低的優勢，成為未來發展的主要方向。對低壓擴散工藝進行優化研究可以提高擴散均勻性，從而提升晶硅電池光電轉換效率。

晶硅太陽電池；低壓擴散工藝；高方阻；均勻性

PN結是晶硅太陽電池的核心，制備均勻性好的高方阻發射極不僅可以降低前表面復合，提高開路電壓；而且可以較大程度地提高短波的光譜響應，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生的串聯電阻過大和發射極易燒穿的問題，提高發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 晶硅太陽電池擴散工藝原理

制備PN結是晶硅太陽電池生產中最基本、最關鍵的工序之一。工業生產中，制備PN結的專用設備為管式擴散爐。管式擴散爐主要由石英舟、廢氣室、爐體和氣柜等部分構成。工業生產一般使用三氯氧磷液態源作為擴散源。把P型硅片放入擴散爐的石英容器內，使用小股的氮氣攜三氯氧磷進入石英容器，在高溫和充足氧氣的氛圍下，三氯氧磷和硅發生反應，三氯氧磷分解得到磷單質，分解得到的磷原子從四周進入硅片，并向硅片的空隙擴散滲透，最終形成了N型半導體和P型半導體的交界面，也就是PN結。這種方法制出的PN結均勻性較好，有良好的擴散層表面。

2 低壓擴散的優勢

常壓擴散爐通常采用管口或管尾進氣，通過大氮氣流將磷源帶到另一端，易造成一端磷源濃度高、另一端濃度低的現象，而且常壓下氣體分子自由程較小，各區域硅片接觸磷源幾率差距較大，只能通過調節溫度控制方塊電阻值，無法保證片內及片間均勻性。

低壓擴散在擴散爐工作腔內使用負壓環境，氣體分子自由程變大，可以提高擴散爐管內氣流的均勻性，避免湍流產生，從而提高擴散的均勻性，為晶硅太陽電池效率進一步提升奠定了基礎。由于擴散方阻均勻性的提高，裝片石英舟槽間距設計可降為標準值的一半左右，這樣可以在設備體積不變的情況下將產能提高1倍。此外，低壓擴散過程中化學品的利用效率提高，工藝過程中化學品的用量大幅降低，節省成本。

3 低壓擴散工藝優化實驗

晶硅太陽電池擴散工藝包括：進舟，恒溫降壓，低壓氧化，低溫低壓沉積，升溫，高溫低壓推進，升壓，常壓氧化，降溫，出舟共10個工藝過程。影響擴散工藝結果主要集中在低溫低壓沉積和高溫低壓推進這兩個工藝過程。這兩個工藝過程中的溫度，氣壓，氣體流量影響著擴散方阻的大小、方阻均勻性、制結深度，進而影響太陽電池的光電轉換效率。

3.1 工藝溫度優化

在低壓環境下，擴散源的分子自由程增長，擴散源的占比增大，低壓擴散中磷原子沉積于硅片表面的速率遠快于常壓擴散。這樣容易引起磷原子集中于硅片淺表面，如果高溫低壓推進過程不能將這些磷原子推進至合適深度，就會使硅片淺表面磷濃度過大，引起硅片淺表面電子空穴對復合過快，進而影響太陽電池光電轉換效率。優化擴散工藝中的高溫推進溫度和時間顯得尤為重要。

方阻的測試方法：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個測試點，中心、右上、右下、左下、左上5點位置。片內不均勻性的計算方法為：片內不均勻性=（最大值-最小值）/（最大值+最小值）。

常壓擴散使用的氣壓為大氣壓即101 kPa，常壓擴散工藝后的方阻及均勻性如表1所示。

表1 常壓擴散工藝方阻及均勻性

在低壓擴散工藝中，磷原子沉積的速率較快，使用相同的低溫低壓沉積的時間會使方阻變得很小。使用20 kPa的氣壓，縮短低溫低壓沉積時間形成低壓擴散工藝一，方阻及均勻性如表2所示。

表2 低壓擴散工藝一方阻及均勻性

常壓擴散片內不均勻性為4.48%～5.53%，而低壓擴散方阻一致性較好，其片內不均勻性為2.37%～2.86%。一般來說擴散方阻均勻性提高，太陽電池光電轉換效率會隨之提高。而采用低壓擴散工藝一，方阻均勻性提高了，但是太陽電池光電轉換效率反而降低。通過測試參雜濃度后發現常壓擴散工藝之后，參雜濃度最高位置出現在0.2 μm位置，濃度為2×1020/cm3，而低壓擴散工藝一參雜濃度最高位置出現在0.15 μm位置，濃度為5×1020/cm3。常壓擴散和低壓擴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

針對低壓擴散工藝一，硅片淺表面參雜濃度高的情況，優化低壓擴散工藝中高溫低壓推進過程，將溫度提高，時間延長形成低壓擴散工藝二，其擴散方阻及均勻性如表3所示。

制絨后的多晶硅片分別經過常壓擴散工藝、低壓擴散工藝一、低壓擴散工藝二后，在后續的二次清洗、鍍膜、絲網印刷工序中使用同樣的工藝，使用測試分選機記錄的使用3種擴散工藝電池片的電性能參數如表4所示。

表3 低壓擴散工藝二方阻及均勻性

表4 使用3種不同擴散工藝電池片的電性能參數

由于使用低壓擴散工藝一的硅片淺表面參雜濃度較高，其開路電壓較低，光電轉換效率較常壓擴散工藝的電池片低。經工藝優化后，使用低壓擴散工藝二的多晶電池片開路電壓明顯提升，由于低壓擴散均勻性較好，其短路電流較大，光電轉換效率也較常壓擴散工藝有所提高。

該研究負責人、意大利國家天體物理學研究所研究員羅伯托·奧羅塞說，這可能是在火星上找到的首個可供生命棲息的地方。

3.2 工藝流量優化

低壓擴散中磷原子沉積于硅片表面的速率遠快于常壓擴散。為了控制參雜的速率，同時為了制備更高方阻電池片，將低溫低壓沉積過程中氣體的流量減小為原來的3/4，優化形成低壓擴散工藝三，其擴散方阻及均勻性如表5所示。

經低壓擴散工藝三的硅片方阻值每方為107～113 Ω，其片內不均勻性為1.80%～2.28%，均勻性較低壓擴散工藝二有所提升。

表5 低壓擴散工藝三方阻及均勻性

3.3 工藝壓力優化

低壓擴散方阻均勻性較常壓擴散明顯提升，進一步降低壓力受到低壓擴散爐真空泵以及爐體密封性的限制，同時抽真空時間和壓力平衡時間也需要延長，在設備能達到壓力范圍以及工藝時間允許的情況下，將低壓擴散氣壓從20 kPa降至10 kPa，進一步對工藝進行優化形成低壓擴散工藝四，其擴散方阻及均勻性見表6所示。

表6 低壓擴散工藝四方阻及均勻性

經低壓擴散工藝四的硅片方阻值每方為117～122 Ω，其片內不均勻性為1.24%～1.69%。

經低壓擴散工藝四的硅片方阻值較高，且均勻性好。在絲網印刷工序中匹配好電極漿料與燒結溫度，以使低壓擴散的高方阻、高均勻性優勢充分發揮出來，使用測試分選機記錄電池片的電性能參數如表7所示。

低壓擴散工藝四工藝制成的多晶電池片效率分布如圖2所示。

經工藝優化，相對于常壓擴散工藝，低壓擴散工藝四所制成的多晶電池片短路電流增大100 mA，平均光電轉換效率提高0.26%。

圖2 低壓擴散工藝四電池片效率分布圖

4 結 論

在中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的新型低壓擴散爐上進行低壓擴散工藝優化研究，對工藝中的溫度、氣流量、氣壓進行優化，得出了較優的低壓擴散工藝方案，其擴散工藝后硅片的方阻每方為 116～122 Ω，片內不均勻性為1.24%～1.69%，較常壓擴散工藝有大幅度提升。制成的多晶電池片平均效率達到18.51%，較常壓擴散工藝提升0.26%。

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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(1984-)，男，漢族，湖南益陽人，工程師，碩士，從事半導體專用設備和光伏裝備的研制工作，主要負責擴散爐等設備的工藝優化與研究。

2017-03-03