磷雜質分布優(yōu)化方法的研究

中電投西安太陽能電力有限公司 ■ 董鵬 屈小勇 張治 宋志成

0 引言

晶體硅太陽電池轉化效率的提升主要圍繞降低光學損失和電學損失兩個方向展開。傳統(tǒng)工藝對太陽電池表面均勻摻雜，且為了減少接觸電阻、提高電池帶負載能力，表面摻雜濃度較高。但研究發(fā)現(xiàn)表面雜質濃度過高導致擴散區(qū)能帶收縮、晶格畸變[1-2]、缺陷增加、“死層”明顯、電池短波響應差。為展寬電池光譜響應的峰區(qū)，需對發(fā)射極雜質濃度分布進行優(yōu)化，提高電池藍光響應。太陽電池理論計算表明，較淺p-n結有助于短路電流的提升，低表面濃度可提升開路電壓。然而，低表面濃度會增加電池電極和硅之間的歐姆接觸電阻，從而降低FF。為了解決這一矛盾，需取一個折中的表面摻雜濃度以兼顧開路電壓和串聯(lián)電阻。

1 磷在硅中的擴散機理

p-n結是太陽電池的核心，發(fā)射極質量直接影響到電池的光電轉換效率，所以研究磷在硅中的擴散機理很有必要。熱處理過程中，磷在硅中的擴散機理已有很多研究，一般認為磷是自間隙機制進行擴散，這與中性及不同荷電量的點缺陷有關[3-8]。太陽能級磷在硅中的雜質濃度曲線如圖1所示。從圖1可知，雜質濃度曲線明顯分為表面區(qū)、中間區(qū)和尾區(qū)3個區(qū)。

圖1 磷在硅中雜質濃度分布

1.1 表面區(qū)

磷和中性及雙電荷空位作用形成P+V=對，所以電子濃度低于摻雜濃度。在該區(qū)域V=對磷擴散的影響較顯著，所以在表面區(qū)磷的擴散系數(shù)如式(1)所示：

1.2 中間區(qū)

隨著載流子濃度的減少，費米能級下降，一旦當費米能級下降到靠近導帶邊下0.11 eV時(對應V=所處的能級位置)，V=被電子占據(jù)的幾率降低，P+V=對開始解體，產(chǎn)生大量過剩的V-型空位。將費米能級下降到導帶以下0.11 eV時，對應電子濃度記為ne。由實驗得出ne與擴散溫度的倒數(shù)呈負指數(shù)關系。

1.3 尾區(qū)

在ne(T)所對應的界面為止作為表面區(qū)的終端。在該終端處離解出來的大量過飽和V-型空位向兩邊擴散，擴到尾部的V-型空位將加速磷的擴散，所以磷在尾部分布開來。

P+V=對解體，硅點陣中空位增加，擴散系數(shù)增加，尾部擴散系數(shù)如式(2)所示：

式中，ze為ne對應的結深位置；Lv-為V-型空位的擴散長度，μm；△Eg為禁帶變化量。

可見，電子濃度和荷電空位影響磷在硅中的擴散系數(shù)，進而決定磷的雜質分布曲線。電子濃度取決于摻雜濃度大小，荷電空位濃度受硅片氧化速率、摻雜濃度等因素的影響。

2 實驗過程

實驗使用普通156 cm×156 cm單晶CZ硅片，在常規(guī)生產(chǎn)工藝基礎上，僅對擴散工藝進行調整。擴散過程通過磷源濃度、擴散溫度、氧氣流量等參數(shù)的調節(jié)，來控制發(fā)射極電子濃度和荷電空位類型，達到雜質濃度分布曲線優(yōu)化的目的。

本文采用的擴散技術與常規(guī)擴散不同之處在于：首先通過低溫淀積高溫推進來降低表面濃度；然后通過再次通源擴散來控制總的摻雜劑量，滿足方塊電阻要求；通過兩次通源擴散，可在較短時間完成摻雜要求，實現(xiàn)淺的p-n結。

完成擴散后，對不同工藝擴散的硅片作如下測試對比：

1)采用Semilab測試硅片方塊電阻，以對比不同擴散方法方塊電阻阻值及均勻性影響。

2) 采用ECV進行雜質濃度分布測試，以比較兩種擴散對表面濃度和結深的影響。

3) 對不同擴散技術制備的電池，測量外量子響應，以比較兩者藍光響應的差異。

3 實驗結果分析

圖2為兩種不同擴散方法方塊電阻勻性對比。兩張測試片平均阻值均為60 Ω/□，優(yōu)化后的擴散工藝由于采用兩次通源擴散，所以片內(nèi)均勻性優(yōu)于常規(guī)工藝。

圖2 方阻均勻性對比

圖3為發(fā)射極磷的雜質濃度分布曲線。曲線1表示常規(guī)電池雜質濃度分布，優(yōu)化后的發(fā)射極雜質分布見曲線2。比較兩條曲線可看出，優(yōu)化后雜質曲線磷的表面濃度從2×1021cm-3下降到5×1020cm-3，結深由 0.3 μm 降低到 0.27 μm。

圖3 雜質濃度分布曲線

圖4為電池對應的外量子響應曲線。常規(guī)擴散方法制備的電池的外量子響應見曲線1，電池發(fā)射極雜質分布曲線經(jīng)過優(yōu)化后的量子響應見曲線2。兩條曲線對比可看出，在300～500 nm波段內(nèi)，曲線2的相對響應平均提高了8.3%，可見發(fā)射極雜質分布曲線優(yōu)化后藍光響應提升非常明顯。

圖4 外量子響應對比

AM1.5、25 ℃條件下，通過Berger測試儀對兩種擴散工藝制備的電池作電性能測試對比，結果見表1。

表1 不同擴散工藝制備電池電性能參數(shù)

由表1可知，發(fā)射極雜質濃度分布曲線經(jīng)過優(yōu)化后，短路電流密度提升了 0.4 mA/cm2，開路電壓提升了7 mV。電池藍光響應提升導致短路電流增益，而開路電壓的提升是由于低的發(fā)射極復合速率所貢獻，可通過式(3)加以說明：

式中，I0為p-n結反響飽和暗電流。樣品2發(fā)射區(qū)雜質濃度分布經(jīng)過優(yōu)化，復合電流較小，同時短路電流Isc較大，所以開路電壓Voc較高。

4 結語

本文提出的發(fā)射極雜質濃度曲線優(yōu)化的工藝方法，通過對磷雜質分布表面濃度和結深的調整，可有效增加電池的藍光響應和開路電壓。該工藝方法簡單，適合常規(guī)電池批量生產(chǎn)，可將電池的轉化效率從18.5%提升到18.8%。

[1]Negrini P, Nobili D, Somli S. Kinetics of phosphorus predeposition in silicon using POCL3[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1975, 122(9): 1254－1260.

[2]Donolato C, Merli P G, Vecchi I. Characterization of microplasma sites in silicon n+-p junctions[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1977, 124 (3): 473－474.

[3]Fahey P M, Griffi n P B, Plummer J D. Point defects and dopant diffusion in silicon[J]. Review Modern Physics, 1989, 61: 289－384.

[4]Wittel F, Dunham S. Diffusion of phosphorus in arsenic and boron doped silicon[J]. Applied Physics Letters, 1995, 66(11):1415－1417.

[5]Ural A, Griffi n P B, Plummer J D. Experimental evidence for a dual vacancy–interstitial mechanism of self-diffusion in silicon[J].Applied Physics Letters, 1998,73 (12): 1706－1708.

[6]Kim R, Furuta Y, Hayashi S, et al. Anomalous phosphorus diffusion in Si durin postimplantation annealing[J]. Applied Physics Letters, 2001, 78(24): 3818－3820.

[7]Liu X Y, Windl W, Beardmore M, et al. First-principles study of phosphorus diffusion in silicon: Interstitial- and vacancymediated diffusion mechanisms[J]. Applied Physics Letters, 2003,82(12): 1839－1841.

[8]Christensen J S, Radamson H, Kuznetsov A Yu, et al.Phosphorus and boron diffusion in silicon under equilibrium conditions[J]. Applied Physics Letters, 2003, 82(14): 2254－2256.