太陽能電池擴散設備爐尾氣管氣路堵塞問題的改善方法

張云鵬， 孟漢堃， 郭 鵬， 郭 麗， 劉文超

(潞安太陽能有限責任公司，山西 長治 046000)

引 言

隨著全球工業化的進程不斷加快，煤炭、石油等常規能源頻頻告急，人們將目光紛紛投向了各種可再生能源的利用上。其中，太陽能因其取之不盡、用之不竭，因此，太陽能光伏技術極有可能成為21世紀最有發展潛力的光電技術之一[1-3]。而隨著這個行業的高速發展，晶體硅太陽能電池產業鏈中的大多數制造設備，基本實現了單機自動化水平;設備間機械手自動轉送，在線檢測，提高了整線生產效率，減少了人工干預，降低了碎片率。擴散是半導體器件制造的重要工序，主要用途是在高溫條件下對半導體晶圓進行摻雜，從而改變和控制半導體內雜質的類型、濃度和分布，以便建立不同的電特性區域。在太陽能晶體硅電池制造工藝中，常采用熱擴散工藝制備PN結，即，在加熱條件下，將V族雜質元素磷摻入P型硅或將Ⅲ族雜質硼摻入N型硅中，擴散制備PN結的質量對于太陽能電池的轉換效率有重要影響，是太陽能電池性能的決定性因素之一。該過程會用到高溫的擴散爐、石英舟用作承載體。擴散過程主要是通過氣體進入爐體，在一定的溫度下進行磷源的擴散，而石英舟使用一段時間后，由于磷源也會擴散沉積在石英舟上，需要定時對其進行清洗以及工藝氣體飽和，以保證石英舟在生產過程中不會因為吸收氣體而導致電池片的方阻異常[4]。飽和過程中會出現尾氣管路有白色物質堵塞管路的問題，如圖1所示。堵塞之后需要對其進行清洗，延誤了生產，降低了產率；并且，頻繁的清洗會縮短尾氣管和積液瓶的壽命。本文的主要目的是為了解決擴散尾氣管路的堵塞的問題，減少尾氣管路中集液瓶的清洗次數和時間，延長擴散尾氣管和玻璃爐管的使用壽命，節約成本。

圖1 堵塞的尾氣管路

1 尾氣管堵塞原因

擴散工藝用到的氣體有POCl3、O2和N2。擴散原理反應的方程式為式(1)、式(2)。

(1)

(2)

因為在飽和石英舟工藝時，石英舟內并沒有硅片，因此爐管內主要是第一個反應。也就是說，爐管內有2種物質產生，分別是Cl2和P2O5。Cl2常溫常壓下為黃綠色氣體，可通過排風排放。而五氧化二磷(P2O5)，常溫常壓下為白色無定形粉末或六方晶體，熔點340 ℃。這種固體產物將會導致尾氣管堵塞。

2 尾氣管堵塞解決方案

2.1 飽和氣體的流量

擴散工藝用到的氣體有POCl3、N2和O2。POCl3是由N2作為載氣進入爐管進行反應的。在進行飽和舟工藝時，各種氣體流量分別是POCl3：1 500 mL/min，O2：375 mL/min，N2：5 L/min。飽和工藝的時間為600 min，但是在不到60 min時，就會出現尾氣管堵塞的現象。將進氣量降低到POCl3為700 mL/min、O2為170 L/min、N2為5 L/min時發現，在不到90 min時，又出現尾氣管堵塞現象。隨著POCl3和氧氣進氣量的減少，尾氣管堵塞時間略微增加，但是距離飽和工藝的時間600 min，差得很遠。因此，降低了POCl3和氧氣的進氣量對尾氣管的堵塞基本沒有改善。

2.2 排風量

擴散氣體的進出氣方式是氣體先通過爐尾，然后到達爐口，再通過尾氣管到達爐尾，經過集液瓶，最后到達外圍排風。通過調節不同的排風量來測試尾氣管的堵塞情況。排風量從1.0 mL/min調大到1.5 mL/min后，尾氣管堵塞的時間由60 min上升到74 min，如圖2。通過圖2可以看出，隨著排風量的增大，尾氣管堵塞時間基本沒有增加，并且距飽和工藝的時間600 min，仍差得很遠。因此，調大排風量對尾氣管的堵塞仍然沒有改善。

圖2 排風量與堵塞時間的關系

2.3 在積液瓶中增加水

總結以上的解決方案發現，堵塞和氣體流量關系不大，主要還是由于固態五氧化二磷導致的堵塞，基于五氧化二磷對水有很強的親和力，吸濕性強，在空氣中就能吸收水分迅速潮解，反應見式(3)：

(3)

通過這一性質，在集液瓶內加一定量的水，將生成的固態P2O5轉化成液態H3PO4，避免在進行飽和工藝時，擴散尾氣管路堵塞問題。工藝反應示意圖如圖3。

從圖3可以看出，氮氣帶著氣化的POCl3和氧氣從進氣管進入到爐管，然后到達爐管的爐門口，通過尾氣管到達集液瓶，到達集液瓶時，溫度變為室溫，P2O5凝固為固態P2O5，從而堵塞了尾氣管。而在積液瓶中添加一定量的水就可以避免尾氣管堵塞。圖4就是添加水后的積液瓶。

圖3 工藝反應氣體的示意圖

圖4 裝水的集液瓶

2.1 裝水量的影響

我們在進行飽和舟工藝時，氣體流量分別是POCl3為1 500 mL/min，O2為375 L/min，N2為5 L/min；飽和工藝的時間為600 min，在尾氣管改善前，飽和工藝進行60 min時，就會出現尾氣管堵塞現象，增加了水后尾氣管堵塞現象得到明顯的改善。觀察發現，加入400 mL的水，不堵塞現象可以持續728 min。也就是說，石英舟飽和完成后也不會出現堵塞現象。因此，加入400 mL的水就可以解決在進行飽和工藝時尾氣管堵塞的問題。 而少于400 mL水時不能保證整個飽和工藝不出現堵塞現象，而加入過多的水會導致水回流到爐管內部，炸裂爐管。實驗結果如圖5所示。

圖5 加水量與堵塞時間的關系

3 結論

本文試圖通過調節飽和氣體流量和排風量來解決堵塞的問題，發現這兩種方法只能進行一定程度的緩解，不能徹底解決堵塞的問題。而通過在集液瓶內加入400 mL的水，使飽和石英舟工藝過程中生成的五氧化二磷與水發生反應生成磷酸，成功避免了飽和過程中導致的擴散尾氣管堵塞的現象，減少了尾氣管路和集液瓶的清洗次數和時間，增加了擴散尾氣管和玻璃爐管的使用壽命，節約了成本。此方法可徹底解決擴散尾氣管路的堵塞問題。