硼扩散设备若干难点问题的研究

彭浩 赵志然 龙辉 郭浩

摘 要：随着针对n型太阳电池的投资提速，国内光伏企业积极开展TOPCon太阳电池布局，产业化进程得到加速，推进新技术落地。硼扩散设备作为TOPCon太阳电池技术的关键工艺设备之一，获得了市场极大的关注。针对硼扩散设备使用过程中遇到的不同类型硼源的问题，通过分析各种硼源的特性，提出了相应的硼源处理方案，并验证了硼源控制效果；针对副产物硼硅玻璃（BSG）粘连的问题，通过分析副产物的特点和危害，提出了斜率升降温功能；针对高能耗的问题，通过分析能耗的主要来源，提出了设备加热功率输出比功能。研究结果表明：所提出的这些方法能有效解决这几个难点问题，有助于提高硼扩散设备的稳定性。

关键词：TOPCon太阳电池；硼扩散设备；硼源；硼硅玻璃；高能耗

中图分类号：TM914.4+1 文献标志码：A

0  引言

随着当今世界的环境及能源问题日益严峻，人类开始越来越重视可再生能源的开发和利用。太阳能作为最具潜力的可再生能源之一，得到了极大的关注。太阳电池技术日趋成熟，不断发展，高效太阳电池的光电转换效率纪录不断刷新，各种不同技术路线的高效太阳电池百花齐放。近几年，由于工艺成本的下降及工艺技术的成熟，p型PERC太阳电池逐渐成为国内市场高效太阳电池的主流产品，但所有p型太阳电池的光电转换效率瓶颈及光致衰减问题[1]也是p型PERC太阳电池发展中无法避免的障碍。n型单晶硅太阳电池由于少子寿命高、光致衰减小，弱光响应好、温度系数高[2]等优点，近年来已成为高效太阳电池产业化的热点技术，其中TOPCon技术和HJT技术是产业投资和市场关注的重点。当前PERC太阳电池的光电转换效率虽已接近理论极限，但存量产能规模较大。TOPCon太阳电池制作工艺流程与PERC太阳电池相似，升级投资较小，具有经济合理性，这是大部分太阳电池生产厂商将TOPCon太阳电池作为PERC太阳电池升级技术路线的重要原因[3]。

低压磷/硼扩散是半导体行业、光伏行业所广泛使用的n型/p型掺杂技术，用于形成具备所需电学特性的p-n结，p-n结的质量对于太阳电池的光电转换效率有决定性影响。硼扩散设备是TOPCon太阳电池制作工艺中的关键设备之一，由于TOPCon技术使用的硼扩散工艺制备难度大、制备温度高、制备时间长、设备维护使用费用高，所以长期以来国内设备厂商一直未在硼扩散设备方面有所突破[4]。本文针对硼扩散设备使用过程中遇到的不同类型硼源的处理、副产物硼硅玻璃（BSG）粘连和高能耗这3个问题进行了研究，给出了相应的解决思路和参考方法，并分析了这些方法在硼扩散设备上应用的实际效果。

1  硼扩散设备难点问题的研究

1.1  硼源的处理

1.1.1  問题描述

硼扩散的目的是在工艺过程中，通过特定反应物之间发生化学反应生成硼原子，然后扩散进入硅片生成p-n结。硼源是指其中含硼元素的反应物，目前市场上硼扩散设备使用的硼源主要有两种：BBr3和BCl3。这两种硼源的特性不同，需要采用不同的处理方案。

BBr3的沸点为91 ℃，常温下为无色透明的液体。BBr3的优点是其为液态，危险性相对低一些。缺点是：1）腐蚀性强，导致石英管的使用寿命缩短；2）扩散后生成物B2O3呈黏性，有副产物，需要二氯乙烯（DCE）去清洗，设备维护成本高；3）自身价格相对较贵。

采用BBr3作为硼源时，硼扩散工艺过程的反应式为：

BCl3的沸点为12.5 ℃，常温下为气态。BCl3的优点有：1）无腐蚀性，使石英管的使用寿命延长；2）扩散后生成物B2O3呈颗粒状，自带Cl2清洗功能，可保持炉管清洁，无需增加DCE清洗；3）自身价格低。缺点有：1）气态，危险性较高；2）扩散均匀性稍差。

采用BCl3作为硼源时，硼扩散工艺过程的反应式为：

1.1.2  解决方法

BBr3硼源的处理方案如图1所示。BBr3以液态的形式存储于玻璃瓶中，玻璃瓶放在恒温槽中保持恒温状态，恒温槽是一种能提供高精度的、受控的、温度均匀分布的恒温场源的恒温设备；玻璃瓶内压力通过压控模块保持恒压状态，压控模块是一种对气体压力进行精密控制和测量的控制器。然后通过量程为3 slm的N2流量计和气动阀对BBr3进行定量控制，随着N2的导入，携带BBr3蒸汽进入到炉体发生反应。其中，气动阀V2起到开关的作用；气动阀V7起到进气导通的作用；气动阀V8起到出气导通的作用；气动阀V9起到连通的作用；气动阀V11起到泄压的作用。携源N2在不使用BBr3时可充当清洗N2，对压控模块和管路进行清洗，防止腐蚀粘连，气动阀V10起到清洗气路导通的作用。此外，V7～V11均具有耐腐蚀性。

BCl3硼源的处理方案如图2所示。BCl3以液态的形式存储于钢瓶中，蒸汽压力低，通过加热器加热使其气化，从管道进入硼扩散设备使用，钢瓶集成在定制的全自动气柜（gas cabinet，GC）中，这是一种集监视、控制和压力调节为一体的双瓶自动切换工艺气体输送设备。从安全角度考虑，BCl3-GC一般放置在特气房中集中管理，离硼扩散设备有一定的距离。通过远程通信BCl3-GC来调控BCl3的输出，并通过量程为3 slm的BCl3流量计和气动阀对BCl3进行定量控制，进入炉管内反应，其中气动阀V1和V2起到开关的作用。此外，配备1路N2对管道进行吹扫，防止腐蚀粘连，气动阀V3起到吹扫气路导通的作用。

1.1.3  实际效果

在使用BBr3作为硼源的处理方案中，携源N2流量计设定值为220 sccm时，BBr3硼源的控制效果如图3所示。

从图3可以看出：携源N2流量计的检测值和设定值基本同步，说明BBr3流量能得到有效控制。

在使用BCl3作为硼源的处理方案中，BCl3流量计设定值为120 sccm时，BCl3硼源的控制效果如图4所示。

从图4可以看出：BCl3流量计的检测值和设定值基本同步，说明BCl3流量能得到有效控制。

综上分析，这两种处理方案可以有效地针对BBr3和BCl3这两种类型的硼源进行精确控制。

1.2  副产物BSG的问题

1.2.1  问题描述

硼扩散工艺过程中，会在腔室内部产生副产物BSG，致使石英舟和石英舟托等石英件存在粘连现象[5]，并且导致石英管壁上沉积的BSG出现应力，一旦温度变化太快，往往会因为应力导致石英管破裂。

1.2.2  解决方法

硼扩散设备的温度主要通过温控模块进行调控。温控模块是一种专门以温度作为控制对象的可编程控制器，将目标温度作为设定值写入温控模块，通过模块内部的数学运算和逻辑控制，调控加热功率输出，将温度升至目标值。为了防止温度过快的升降，可实现一个斜率升降温的功能，通过斜率控制写入的设定值即可。

假设斜率升降温功能的斜率为VT，设置目标温度为T，记录当前温度作为起始设置温度T0，记录当前时间作为起始时间t0，随着内部定时器的触发，在时间tn时将温度设定值TS写入温控模块。斜率升降温功能的逻辑流程图如图5所示。

1.2.3  实际效果

硼扩散设备的温度从900 ℃升至1010 ℃时，在升温的斜率为5 ℃/min的情况下，截取某个温区自然升温和斜率升温时的曲线，如图6所示。

从图6可以看出：起始温度为900 ℃，在自然升温的情况下，经过约8 min达到目标温度1010 ℃，升温斜率约为13.8 ℃/min；在斜率升温的情况下，升温斜率设置为5 ℃/min时，经过约22 min达到目标温度1010 ℃。结果表明，温区温度基本按照设定的斜率进行升温。

硼扩散设备的温度从1050 ℃降至1000 ℃时，在降温的斜率为2 ℃/min的情况下，截取某个温区自然降温和斜率降温时的曲线，如图7所示。

从图7可以看出：起始温度为1050 ℃，在自然降温的情况下，经过约10 min达到目标温度1000 ℃，降温斜率约为5 ℃/min；在斜率降温的情况下，降温斜率设置为2 ℃/min时，经过约25 min达到目标温度1000 ℃。结果表明，温区温度基本按照设定的斜率进行降温。

综上，通过斜率升降温功能可有效控制炉管内温度的变化速率，降低因BSG应力导致石英管破裂的风险。

1.3  高能耗问题

1.3.1  问题描述

硼扩散设备是一种热处理设备，發热功率占设备能耗的较大比例。硼扩散工艺的工艺时间长，一般约为3～4 h；工艺温度高，最高可超过1000 ℃，这意味着设备能耗相当高。为了响应国家“十四五规划”及碳达峰、碳中和的要求，也从企业自身的经济角度考虑，高能耗是硼扩散设备需要解决的重点问题。

1.3.2  解决方法

一般来讲，1台硼扩散设备有5根工艺管，每根工艺管有6个温区，每个温区的加热功率输出比最大为100%，则最大总加热功率输出比可认为是5×6×100%=3000%。为了解决高能耗的问题，可实现一个智能化的设备加热功率输出比功能，通过限定设备的最大总加热功率输出比，根据硼扩散设备的具体加热情况，智能分配给每根工艺管的每个温区的加热功率输出比上限，做到能耗的精细化处理。

假设1台硼扩散设备的总加热功率输出比为MSum（MSum≤3000%），每个温区当前的加热功率输出比为M（i）（j）（i=1，2，3，4，5；j=1，2，3，4，5，6）（其中，i为第i根工艺管；j为第j个温区），设备当前的总加热功率输出比为MAll；每个温区当前的加热功率输出比上限为ORead（i）（j），设备的当前总加热功率输出比上限为ORead，All；每个温区当前的加热功率输出比上限设定值为OSet（i）（j）；可分配的加热功率输出比定义为X，通过动态分配加热功率输出比给每个温区当前的加热功率输出比上限，随着内部定时器的触发，写入温控模块。设备加热功率输出比功能的逻辑流程图如图8所示。

1.3.3  实际效果

将两台硼扩散设备的总加热功率输出比分别设置为2650%和2500%，设备每天的能耗量如图9所示。

根据图9，再通过统计计算可得到，总加热功率输出比设置为2500%的硼扩散设备的日能耗量比总加热功率输出比设置为2650%的硼扩散设备的低2.23%～6.45%。结果表明，限制总加热功率输出比可以达到降低设备能耗的目的。

设备加热功率输出比功能不仅有利于企业根据自身情况合理利用能源，降低成本，也为国家碳达峰、碳中和目标做出了贡献。

2  结论

本文针对硼扩散设备使用过程中遇到的若干难点问题进行了研究。针对不同类型硼源的问题，通过分析各种硼源的特性，提出了相应的硼源处理方案，并验证了硼源控制效果；针对副产物BSG粘连的问题，通过分析副产物的特点和危害，提出了斜率升降温功能；针对高能耗的问题，通过分析能耗的主要来源，提出了设备加热功率输出比功能。研究结果表明：所提出的这些方法能有效解决这几个难点问题，对提高硼扩散设备的稳定性具有一定的帮助。

[参考文献]

[1] WEIZER V G，BRANDHORST H W，BRODER J D，et al. Photon-degradation effects in terrestrial silicon solar cells[J]. Journal of applied physics，1979，50（6）：4443-4449.

[2] CUEVAS A，KERR M J，SAMUNDSETT C，et al. Millisecond minority carrier lifetimes in n-type multicrystalline silicon[J]. Applied physics letters，2002，81（26）：4952-4954.

[3] 郑达敏，赵增超，刘舟，等.高效太阳电池技术及其核心装备国产化进展[J]. 有色设备，2021，35（5）：78-82，88.

[4] WOLF S D，CHOULAT P，SZLUFCIK J，et al. Light-induced degradation of very low resistivity multi-crystalline silicon solar cells[C]//Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE Photovoltaic Specialists Conference，September 15-22，2000，Anchorage，AK，USA.Washington：IEEE，200053-200056.

[5] 黃志海，陈勇平，赵志然，等.基于BBr3液态硼源的管式扩散设备研究与开发[J].电子工业专用设备，2020，49（4）：9-12.

STUDY ON SOME DIFFICULT PROBLEMS OF BORON

DIFFUSION EQUIPMENT

Peng Hao，Zhao Zhiran，Long Hui，Guo Hao

（Hunan Red Solar New Energy Science and Technology Co.，Ltd.，Changsha 410221，China）

Abstract：With the acceleration of investment in n-type solar cells，domestic PV enterprises have actively carried out the layout of TOPcon solar cells，the industrialization process has been accelerated，and the implementation of new technologies has been promoted. As one of the key process equipment of TOPcon solar cell technology，boron diffusion equipment has received great attention from the market. This paper aiming at the problems of different types of boron sources encountered in the use of boron diffusion equipment，through analyzing the characteristics of various boron sources，the corresponding boron source treatment scheme is proposed，and the boron source control effect is verified. Aiming at the problem of adhesion of by-product BSG，the function of slope rise and fall temperature is proposed by analyzing the characteristics and hazards of by-product. Aiming at the problem of high energy consumption，the equipment heating power output ratio function is proposed by analyzing the main sources of energy consumption. The research results show that these methods can effectively solve these difficult problems and help to improve the stability of the boron diffusion equipment.

Keywords：TOPcon solar cells；boron diffusion equipment；boron source；BSG；high energy consumption