淺談太陽能晶硅電池生產(chǎn)過程中的擴(kuò)散工藝

摘 要：太陽能晶硅電池主要是以單/多晶硅片為原材料，利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。在電池片的生產(chǎn)過程中，擴(kuò)散制PN結(jié)是最核心的工序。擴(kuò)散工藝對電池的性能有著重要影響。文章從工廠生產(chǎn)的角度，結(jié)合工藝及設(shè)備使用情況，淺談擴(kuò)散工藝的技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：晶硅電池；擴(kuò)散制結(jié)；工藝

1 擴(kuò)散在傳統(tǒng)電池生產(chǎn)中的工藝步驟

原材料硅片來料檢驗(yàn)——清洗制絨——擴(kuò)散制結(jié)——干法刻蝕洗磷（或濕法刻蝕）——PECVD鍍膜——絲網(wǎng)印刷——燒結(jié)——測試分選——電池片成品包裝。

2 擴(kuò)散的原理及POCl3制PN結(jié)

物質(zhì)分子因濃度梯度而進(jìn)行分子轉(zhuǎn)移是擴(kuò)散的基本原理；在工廠的晶硅電池生產(chǎn)中，普遍采用熱擴(kuò)散法：即在P型半導(dǎo)體表面摻雜五價磷元素，形成PN結(jié)，具體是指以液態(tài)POCl3作為擴(kuò)散源，在高溫有氧條件下（>600℃）充分分解反應(yīng)，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，利用磷原子（N型）向硅片（P型）內(nèi)部擴(kuò)散的方法，改變硅片表面層的導(dǎo)電類型，形成PN結(jié)（同時在硅片表面形成一層磷硅玻璃），達(dá)到合適的摻雜濃度；當(dāng)有適當(dāng)波長的光照射在該P(yáng)N結(jié)上，由于光伏效應(yīng)而在勢壘區(qū)兩邊形成電勢，在開路情況下穩(wěn)定的電勢差形成電流。

POCl3→PCL5+P2O5

PCL5+O2→P2O5+CL2↑

POCl3+O2→P2O5+CL2↑

P2O5+Si→SiO2+P↓

POCl3液態(tài)源擴(kuò)散具有生產(chǎn)效率較高，制結(jié)均勻平整，擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)。

3 擴(kuò)散設(shè)備和擴(kuò)散的具體工藝過程

擴(kuò)散方式有管式和鏈?zhǔn)街?；目前，國?nèi)工廠中普遍采用管式擴(kuò)散爐（下同）制作電池片的PN結(jié)；其主要由控制部分、推舟凈化部分、爐體部分、氣源部分等組成。

在正常的生產(chǎn)過程中（無需運(yùn)行飽和工藝），其具體工藝過程為：進(jìn)舟——低溫通氧和大氮——低溫通大氮，氧和小氮——高溫通大氮，氧和小氮——高溫通大氮（恒溫）——低溫通大氮（冷卻）——出舟。

低溫通氧即預(yù)擴(kuò)散，可改善方阻的均勻性，減少死層，同時也可以縮短整個工藝時間；擴(kuò)散過程中對氣氛的均勻性要求較高，因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免將槳暴露在空氣中過長時間；在初次使用或者清洗完成后要運(yùn)行飽和工藝使擴(kuò)散環(huán)境更加均勻良好。

4 擴(kuò)散工藝的質(zhì)量檢驗(yàn)和影響因素

（1）擴(kuò)散層薄層電阻（方塊電阻：正方形的擴(kuò)散薄層在電流方向上的電阻）是反映擴(kuò)散質(zhì)量的重要指標(biāo)，采用四探針法進(jìn)行測量：

Rs=F（V/I）

F為修正因子，其數(shù)值由被測樣品的長、寬、厚尺寸和探針間距決定，因探針間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)深，F(xiàn)修正因子為4.533。

質(zhì)量檢驗(yàn)：在質(zhì)量控制中一般對方塊電阻、同一舟中片間不均勻度、片內(nèi)不均勻度做檢測要求；同時對硅片表面的外觀質(zhì)量如麻點(diǎn)、藍(lán)黑點(diǎn)、臟污等進(jìn)行檢驗(yàn)；對PN結(jié)結(jié)深（擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與襯底雜質(zhì)濃度相等時到硅片表面的距離）進(jìn)行測量。

（2）影響擴(kuò)散工藝質(zhì)量的因素很多且關(guān)系復(fù)雜，但究其根本，可主要分為以下三類：濃度的影響、溫度的影響、時間的影響。

摻雜濃度是擴(kuò)散工藝的基礎(chǔ)和目標(biāo)，擴(kuò)散溫度則是決定擴(kuò)散速率的重要因素，而擴(kuò)散時間則決定摻雜的濃度和結(jié)深；在擴(kuò)散雜質(zhì)源（POCl3）一定的情況下，源通量、擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時間是影響擴(kuò)散工藝的主要參數(shù)，直接決定了擴(kuò)散效果；當(dāng)結(jié)深一定時，若擴(kuò)散溫度過低，則時間加長產(chǎn)量降低，擴(kuò)散均勻性和重復(fù)性變差；若溫度過高，則時間變短，擴(kuò)散的均勻性和重復(fù)性也無法保證。因此，要選擇合適的擴(kuò)散溫度和工藝時間，使磷源的分解速度和擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化較小，并設(shè)定合理的溫區(qū)溫度及進(jìn)舟出舟速度。其他如排風(fēng)、爐口爐尾密封性、石英管潔凈程度、槳的位置等也會對擴(kuò)散工藝產(chǎn)生影響。

總之，一方面要保證硅片表面的擴(kuò)散濃度和結(jié)深符合設(shè)計要求，另一方面要獲得良好的均勻性和重復(fù)性，使片內(nèi)、片間和各管之間的擴(kuò)散質(zhì)量符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，才能進(jìn)行量產(chǎn)。

5 常見擴(kuò)散工藝問題處理

（1）未擴(kuò)散上：可能因素有小氮流量不足，爐門未關(guān)緊，排風(fēng)太大，磷源被排風(fēng)抽走；可采取措施有增大小氮的攜帶流量，調(diào)整爐門位置，確保密封良好等。

（2）擴(kuò)散方阻偏低：可能因素有擴(kuò)散溫度偏高，沉積時間過長，磷源溫度偏高；可采取措施有降低擴(kuò)散溫度或沉積時間，調(diào)整磷源量或磷源溫度等。

（3）擴(kuò)散方阻偏高：可能因素有擴(kuò)散溫度偏低，沉積時間太短、石英管飽和不良或者磷源溫度偏低；可采取的措施有提高擴(kuò)散溫度或沉積時間，調(diào)整磷源量，重新飽和等。

（4）擴(kuò)散后片內(nèi)方阻不均勻：擴(kuò)散氣流不均勻，可調(diào)整擴(kuò)散氣流量和加均流板。

（5）方塊電阻極差大：主要還是擴(kuò)散溫度場的分布不均勻，拉爐溫，調(diào)整各溫區(qū)恒溫溫度。

（6）擴(kuò)散后硅片表面發(fā)藍(lán)：硅片在擴(kuò)散前在空氣中曝露時間長，表面形成氧化層或者未甩干等造成。

6 結(jié)束語

擴(kuò)散工藝是太陽能晶硅電池生產(chǎn)的核心，它的優(yōu)化匹配實(shí)驗(yàn)是我們不斷努力的方向之一。這些年相繼提出的低濃度淺結(jié)高阻密柵技術(shù)、選擇性發(fā)射極SE電池、PERC背鈍化、IBC全電極背接觸電池等新技術(shù)都是以擴(kuò)散制結(jié)為基礎(chǔ)，不斷優(yōu)化調(diào)整發(fā)射結(jié)擴(kuò)散工藝及方阻大小同其他工藝的結(jié)合效果；相信隨著新技術(shù)新理論的進(jìn)一步革新，通過不斷驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，最終能達(dá)到提高電池轉(zhuǎn)換效率目的。

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