多步擴散制備太陽電池PN結工藝探析

張敏 劉飛 王冬冬 何鳳琴 張志郢

摘? ?要：PN結作為太陽電池的核心部分，它的性能優劣直接關系到電池的整體質量。目前，可用于PN結制備的方法中擴散工藝的應用較為廣泛，通過多步擴散工藝，能夠制備出性能優異的PN結。基于此點，本文從太陽電池PN結的形成及其特性分析入手，論述了多步擴散制備太陽電池PN結工藝。期望通過本文的研究能夠對促進太陽電池性能的提升有所幫助。

關鍵詞：太陽電池? 多步擴散工藝? PN結

中圖分類號：TM91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0109-02

1? 太陽電池PN結的形成及其特性

1.1 PN結的形成機理

對于太陽電池而言，PN結是核心部分，具體的形成機理如下：在一塊半導體的兩側通過擴散不同的雜質，從而形成P型和N型半導體，這兩種類型半導體結合面的空間電荷區就是PN結。

太陽電池中PN結形成的物理過程如下：由于雜質存在一定的濃度差，隨著多數載流子的不斷擴散，會在半導體中形成空間電荷區，由此除了會促使少數載流子出現漂移之外，還能阻止多數載流子擴散。而擴散至對方的載流子會在P區和N區的交界位置處中和掉，這樣一來，P區一側因為空穴的消失，會留下無法移動的負離子，N區一側則會因為電子的失去留下無法移動的正離子，隨著正、負離子的相互融合，便會在P區與N區交界處形成空間電荷區。在此需要闡明的一點是，半導體中的P區一側帶負電荷，N區一側帶正電荷，故此會出現方向上由N區指向P區的內電場。

當半導體中的擴散與漂移運動從最初的不平衡逐步過渡到平衡狀態之后，內部空間電荷區的寬度與內電場的電位也會隨之趨于穩定，這樣半導體中有多少個多數載流子擴散到對方，就會有與之相應數量的少數載流子從對方漂移過來，二者所產生的電流大小完全相同，但方向卻截然相反。由此可得出如下結論：在半導體的擴散與漂移處于相對平衡的狀態時，從PN結流過的電流大小為0。

1.2 PN結的特性

1.2.1 單向導電性

這是PN結較為突出的一個特性，在外加電壓的作用下，電流會從半導體中的P區轉移到N區，此時的PN結會呈現低電阻性，正向擴散電流大;如果在外加電壓的作用下，電流從半導體中的N區向P區轉移，則PN結會呈現出高電阻性，反向漂移電流小。

1.2.2 擊穿特性

如果加在PN結上的反向電壓達到一定數值，受到反向電流激增的作用，PN結會產生電擊穿，這是PN結的又一個特性。需要指出的是，PN的電擊穿為可逆擊穿，只要將偏壓及時調低，便可使PN結恢復到原本的特性。因此，PN結的這個特性是可以利用的。而熱擊穿為不可逆擊穿，一旦出現會使組件燒毀。

2? 多步擴散制備太陽電池PN結工藝

在太陽電池PN結的制備中，擴散工藝的應用較為普遍，但是傳統的擴散工藝會產生較多的死層，為了解決這一問題，可在太陽電池PN結制備中采用多步擴散工藝。

2.1 工藝原理

對于太陽電池磷擴散制備PN結工藝而言，整個過程會受到諸多因素的影響，如溫度、氣體流量、操作步驟等等，由此除了會對雜質分布的均勻性造成影響之外，還會間接影響到太陽電池的電性能。在多步擴散工藝中，限定源的擴散溫度高低，直接關系到直接摻雜量的大小，試驗結果表明，在限定源擴散的過程中，溫度越高，有效摻雜量越大。隨著有效摻雜量的增大，太陽電池的性能會隨之大幅度提升，特別是對于揮發性有機化合物的提高幫助很大，CTM值也會相應提升。實踐證明，當限定源擴散的升溫速率低于20℃/min時，基本上不會對摻雜量的分布情況造成影響。多步擴散可以對硅片表面的摻雜濃度進行調整，利用對擴散參數的優化，可對FF的大小進行控制，從提高金屬的適配性。鑒于太陽電池PN結擴散制備工藝中，磷擴散影響因素較多的情況，可以采用多步擴散工藝對PN結進行制備。

2.2 工藝優勢

在對太陽電池PN結進行制備的過程中，選用多步擴散工藝能夠使電池的整體性能獲得大幅度提升，這與多步擴散工藝本身所具備的諸多優勢有著密不可分的關聯。該工藝在首次擴散時，使用的是性能較強的限定源，在二次擴散時，使用的是恒定源，正因如此，使得該工藝可在不影響摻雜的前提下，對硅片表面的摻雜濃度進行調整，從而使太陽電池對金屬化條件的依賴程度大幅度降低。

業內的專家學者經過研究后發現，通過對多步擴散中第二次恒定源擴散進行優化設計，可以使摻雜達到一個較為合理的程度，這個程度的摻雜能夠得到的表面濃度最佳。不僅如此，在金屬化的過程中，可使銀硅有效接觸，從而促使FF不斷提升。試驗結果表明，與傳統的制備工藝相比，在多步擴散工藝下，FF能夠提高0.9個百分點，并且PN結的深度可在原本的基礎上增加0.2?m。隨著PN結深度的增加，電流收集效率會隨之降低，硅片表面的死層進一步減少。此外，太陽電池組件當中的電池片一般都是采用串聯的方式連接到一起，雖然在這種連接方式下，電流的損耗較大，但電壓卻并不會出現過大的損耗，若是能夠使開路電壓提高，太陽電池組件的損失則會顯著降低，輸出功率會隨之增大。受到串聯電阻的影響，FF會降低，相應的轉換效率也會下降。通過多步擴散工藝對太陽電池PN結進行制備，上述問題均可解決，這是多步擴散工藝最為突出的優勢。

2.3 工藝影響因素

通過多步擴散工藝對太陽電池PN結進行制備時，可能會受到一些因素影響，下面就此進行分析。

2.3.1 限定源擴散

相關研究結果表明，在多步擴散工藝中，硅片表面濃度的高低與限定源的擴散時間長短有關，即時間短、濃度低、PN結深度淺;時間長、濃度高、PN結深度深。

（1）目標的溫度值。準備3組完全相同的樣片，在800℃的條件下進行恒定源擴散，然后將溫度升至860℃、880℃和890℃，進行限定源擴散，通過ECV對電活性磷的分布曲線進行測定。結果顯示，溫度為890℃時，PN結的深度最大，880℃次之，860℃最小，由此可見，PN結的深度與溫度成正比關系，即溫度越高、深度越大。而PN結深度與摻雜濃度成正比，即PN結越深，有效摻雜濃度越大，這樣一來，硅片表面的濃度便會隨之降低，死層則會進一步減少。

（2）溫升速率。將限定源擴散溫度從800℃提升到880℃，在這一過程中，采用4種不同的溫升速率，分別為5℃/min、10℃/min、15℃/min和20℃/min，并制備4種樣片，分別對它們的方塊電阻和ECV曲線進行測定。結果顯示，通過提高溫升速率能夠使擴散過程的持續推進時間縮短，進而減少熱預算。但是，溫升速率在20℃/min的前提下，無法達到快速瞬態擴散的要求，所以熱擴散系數產生的作用可以忽略不計。也就是說，摻雜分布的均勻程度主要與最終的溫度值有關，基本上不會受到溫升速率的影響。

2.3.2 恒定源擴散

由雜質擴散面密度公式可知，摻雜量的主要影響因素為擴散溫度，即溫度越高，摻雜量越大。在多步擴散工藝中，恒定源的優點體現在能夠有效減少硅表面的死層，從而使復合率降低;減弱倒向電場;提升片內均勻性等幾個方面;恒定源擴散還能起到吸雜的作用。

3? 結語

綜上所述，在太陽電池PN結制備中，傳統的擴散工藝存在一定的缺陷，為了提高太陽電池的性能，可以采用多步擴散工藝對太陽電池的PN結進行制備。在具體應用的過程中，要考慮相關的影響因素，這樣才能達到預期的目標。

參考文獻

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