关于晶体硅太阳能电池浅浓度扩散的研究

刘 战，李广鹏，李 阳，陈胡倩，毛晓丽

青海聚能电力有限公司，青海西宁 810001

0 引言

本论文涉及常规晶体硅太阳能电池扩散技术领域，具体为晶体硅太阳能电池的浅浓度扩散工艺，采用一次氧化，一次沉积，一次恒温推进步骤，得到电池的P-N 结，在沉积和恒温推进过程中控制降低扩散浓度，减少扩散步骤，从而减少扩散后结的死层，增大P-N 结与浆料的契和度。可提高电池短路电流，从而提高转换效率。

1 晶体硅电池常规工艺

目前晶体硅电池制造的常规工艺已经进入标准化，其各道工序工艺过程及目的如下：

1）表面结构及清洗：即制绒清洗：在表面形成大小均匀、完全覆盖的腐蚀坑，利用折射或陷光原理来增强光的吸收，降低电池表面的反射率[1]；

2）扩散：太阳能电池制造的核心工序，目的是在以P 型硅片为衬底的材料上沉积一层磷，进而形成P-N 结，使太阳能电池在光照的情况下产生光伏效应；

3）刻蚀：去掉电池片边缘PN 结避免太阳电池短路；

4）沉积减反射膜SixNy：目前批量化生产主流镀氮化硅薄膜，折射率在2.0～2.15，可将硅片表面反射率降低到3%左右。其还具有卓越的抗氧化和绝缘性能，同时具有良好的阻挡钠离子、掩蔽金属和水蒸汽扩散的能力；它的化学稳定性也很好，除氢氟酸和热磷酸能缓慢腐蚀外，其它酸与它基本不起作用[2]；

5）印刷电极：将太阳电池转换的电能输出；

6）烧结：将印刷的电极与电池片形成良好的欧姆接触。半导体材料与金属接触时没有形成整流接触，欧姆接触具有线形和对称的V-I 特性，且接触时的电阻远小于材料电阻的一种接触，因此当电流通过时，良好的欧姆接触不会产生显著的压降和功耗；

7）测试分选及包装：将制作完成的电池片测试，并按相应的条件分档，达到相应的数目后按要求进行包装。

根据目前生产工序上的工艺情况：硅片表面参杂浓度应在5*10e19atom/cm3左右，且同一深度原子浓度相同。参杂浓度过大会使PN 结带宽急剧收缩，导致反向饱和电流增大，致使开路电压降低，；同时，表面浓度过高会在表面形成死层，大量的光生载流子将会被复合[3]。所以，扩散后的硅片表面的方块电阻越均匀越好。

2 试验原理及方案

本文针对管式扩散炉提供一种改进的扩散方法，其主要特征在于浅浓度，主要包括以下步骤：

1）采用导电类型为P型的硅片原料，制备绒面、清洗并甩干；

2）氧化：在温度780 ℃～785 ℃条件下通入流量为8slm～10slm 的N2及3slm～5slm 的O2，并将清洗干净的硅片进入到扩散管中进行氧化，得到20nm～25nm 厚的氧化层，即SiO2；

3）沉积：待氧化完成后，继续通入流量为8slm～10slm 的N2，1.2slm～1.5slm 的O2及0.5slm～0.8slm 携带有扩散源（POCl3）的N2的混合气体进行P 沉积，硅片780℃～785℃气氛中与氧气，三氯氧磷发生化学反应，生产磷、五氯化磷、五氧化二磷、氯气，时间为300s～380s，主要反应方程式如下：

Si + O2= SiO2

5POCl3= P2O5+ 3PCl5(高温)

4PCl5+ 5O2= 2P2O5+ 10Cl2（高温）

2P2O5+ 5Si = 4P + 5SiO2

4）恒温推进：温度提升到805 ℃，继续通入流量为8slm～10slm 的N2，1.2slm～1.5slm 的O2及0.5slm～0.8slm 携带有扩散源（POCl3）的N2的混合气体进行推进，使之前沉积的P更均匀地分布在硅片上，推进时间为20min～30min，注意整个扩散工艺过程中，控制携源N2的流量不超过0.8 N2。原理同C；

5）D 步 骤 完 成 后 继 续 通 入 流 量 为3slm～5slm 的O2以便与未消耗完的PCl5继续反应，还可以防止未反应完的化学品逸散到工作区域，对操作人员造成危害；并降温至780℃～785℃。时间为500s～800s；

6）出舟，冷却。等扩散后的硅片冷却到室温，测试合格后卸片，流入下道工序；

7）经过以上步骤，得到扩散后的硅片，硅片表面方块电阻为85～90Ω/□[4]。

图1 扩散原理示意图

本文在现有的工艺基础上进行改进，通过浅节低浓度的方法能较简单的控制结深，及结的均匀度，减少沉积过程中的死层，主要表现在方块电阻的均匀性上面。

管不均匀度及单片不均匀度计算公式如下：

扩散后方块电阻测量点如下：

图2 方块电阻测量示意图

使用两种不同扩散工艺方块电阻的均匀性如表1 所示。

表1 常规扩散方块电阻：（单位Ω/□)

表2 浅浓度扩散方块电阻：（单位Ω/□）两种不同扩散工艺方块电阻的均匀性对比：

图3 两种不同扩散工艺方块电阻的单片均匀性对比图

图4 常规扩散

图5 浅浓度扩散

通过对比，可以看出浅浓度扩散的单片均匀性比常规扩散的单片均匀性好，而且管的均匀性也好于常规扩散的均匀性，通过正态分布图也可以看出浅浓度扩散优于常规扩散。

使用两种不同扩散工艺在电性能上的差别：

表3 常规扩散电性能参数

图6 常规扩散Voc 直方图

图7 常规扩散Isc 直方图

图8 常规扩散FF 直方图

图9 常规扩散Eff 直方图

表4 浅浓度扩散电性能参数

图10 浅浓度扩散Uoc 直方图

图11 浅浓度扩散Isc 直方图

通过电性能参数的对比可以看出浅浓度扩散的开路电压比常规扩散提高5%～7%，短路电流提高0.25A～0.30A，效率提高3%以上。

3 结论

所以通过控制降低扩散浓度，减少扩散步骤，减少扩散后结的死层，增大P-N 结与浆料的契合度，从而提高电池片效率。数据对比分析可知，浅浓度扩散可提高太阳能电池的短路电流0.25 A～0.30A，电池片效率提高3%以上。

图12 浅浓度扩散FF 直方图

图13 浅浓度扩散Eff 直方图

[1]季静佳.绒面技术在太阳能电池领域中的应用[J].太阳能研究与利用，2004，增刊(48)：3.

[2]王永东，等.太阳电池减反射膜系统的研究[J].太阳能学报，2001，22：317.

[3]刘祖明，李杰慈，张忠文，廖化，李景天，涂洁磊，陈庭金.晶体硅太阳电池产业技术发展[M].云南：云南师范大学太阳能所、云南省农村能源工程重点实验室，昆明光伏科技公司昆明，1990：99-110.

[4]刘国维，等.半导体工艺原理[M].成都：成都科学出版社.