一種提升太陽電池單面擴散產(chǎn)能的方法研究

浙江正泰太陽能科技有限公司 ■ 康忠平江堅 張斌 張劍峰 盧玉榮 王仕鵬 黃海燕 陸川

一種提升太陽電池單面擴散產(chǎn)能的方法研究

浙江正泰太陽能科技有限公司 ■ 康忠平*江堅 張斌 張劍峰 盧玉榮 王仕鵬 黃海燕 陸川

通過對現(xiàn)有單面擴散工藝的分析論證，提出了一種可在進出舟、氧化、預(yù)擴散、再分布、降溫等步驟上縮短單面擴散工藝時間的方法，時間可縮短19 min，產(chǎn)能可提高21.8%。

太陽電池p-n結(jié)；雜質(zhì)濃度；產(chǎn)能提升；單面擴散；減少時間

0 引言

從木桶定理得知，一只木桶盛水的多少，并不取決于最高的那塊木板，而是取決于桶壁上最短的那塊。如今，太陽電池制造工藝日趨成熟，自動化設(shè)備全面展開，對產(chǎn)能的影響不再是由人力因素直接決定，而是設(shè)備與工藝的相結(jié)合。對于各太陽電池廠家而言，所使用的太陽電池生產(chǎn)設(shè)備大同小異，如何在設(shè)備相同或相近的情況下，改進工藝、提升產(chǎn)能成為當今太陽電池行業(yè)內(nèi)的一個重要課題。

太陽電池制造工藝里的擴散工藝，行業(yè)大都采用單面擴散的方式，是考慮到單面擴散較雙面擴散產(chǎn)能高、節(jié)約成本等方面的原因。不同的單面擴散工藝不僅決定了一塊電池片的效率，也決定了擴散工序可生產(chǎn)的最大產(chǎn)能；而太陽電池片的產(chǎn)能是評估一家太陽電池生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模大小的重要指標。以A公司為例，使用雙面擴散工藝每爐產(chǎn)能為400片，使用單面擴散工藝每爐產(chǎn)能為500片，產(chǎn)能提升了25%。

隨著自動化設(shè)備的更新?lián)Q代，以及擴散段前后工序的自動化和智能化，原有的擴散產(chǎn)能已不能滿足前后工序的供需要求，提升擴散產(chǎn)能迫在眉睫。

A公司所使用的擴散方法是液態(tài)磷源變溫擴散法，即在高溫下，將POCl3液態(tài)源用保護氣體N2攜帶進爐管進行反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

5POCl3→3PCl5+P2O5

2P2O5+5Si→5SiO2+4P

4PCl5+5O2→2P2O5+10Cl2

4POCl3+3O2→2P2O5+6Cl2

POCl3分解產(chǎn)生的P2O5淀積在硅片表面，P2O5與硅反應(yīng)生成SiO2和P原子，SiO2提供一層氧化膜，富足的P附著在硅片表面形成一層含有P的SiO2，也就是通常所說的P-Si玻璃；與此同時，P原子在高溫環(huán)境下會發(fā)生擴散現(xiàn)象，沿著硅片表面往里面擴散，這樣在晶體內(nèi)部就形成了p-n結(jié)，達到了擴散的目的。

1 實驗設(shè)計

1.1 現(xiàn)行工藝

表1是A公司現(xiàn)行的單面擴散工藝，工藝總時長109 min，所用O2流量為0.6 SLM，小N2流量(氮攜帶磷源量，以下同)為0.9 SLM，分兩步變溫擴散。

表1 單面擴散109 min工藝

擴散時間是決定p-n結(jié)品質(zhì)的重要控制參數(shù)，在溫度、氣體流量不變的情況下，擴散時間的長短直接決定了p-n結(jié)的結(jié)深和表面雜質(zhì)濃度。

現(xiàn)行的擴散工藝時長109 min，分布在6個步驟中，每一步作用的時間都決定了這一步的擴散程度。但是并非擴散時間越長對p-n結(jié)的成型越好，事實上，科學(xué)的擴散時間才能形成更好的p-n結(jié)。

1.2 減少單面擴散工藝時間原理

單面擴散的方式增加了每舟硅片的裝載量，在一定程度上節(jié)省了氣體用量和磷源用量，因為一個p-n結(jié)的形成是受到擴散時間、氣體、溫度3個主要因素的共同影響，每一個因素的量對于擴散而言都是極其重要的，不同的時間、氣體、溫度所成型的p-n結(jié)也是不同的。為了形成一個優(yōu)質(zhì)的p-n結(jié)，我們需要科學(xué)的工藝時間、科學(xué)的氣體濃度和科學(xué)的擴散溫度。

對于n/p型電池來說，硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，這種材料對長波光譜的吸收系數(shù)較低，而許多載流子產(chǎn)生在電池的深處，因而基區(qū)對光電流的貢獻是至關(guān)重要的。所以，為了增加基區(qū)對光生載流子的收集幾率，需要把基區(qū)的少子擴散長度L做的越大越好[1]。

如圖1所示，越靠近表面，光生載流子的收集幾率越低，特別是在頂層重摻雜的情況下，這樣極不利于收集電流。所以，試想將p-n結(jié)的結(jié)深做的淺一點，淺的p-n結(jié)會使光生載流子產(chǎn)生率較大的位置落入勢壘區(qū)或落到基區(qū)，因此，頂層產(chǎn)生光生載流子的幾率就相對較低了。

圖1 收集幾率和產(chǎn)生幾率與電池位置的關(guān)系[2]

在n/p型電池中，電子是少子，所以只要增加電子的擴散長度其中τ為電子的壽命)，基區(qū)對光生載流子的收集幾率就會增加。在溫度一定的情況下，電離雜質(zhì)散射所決定的遷移率μ∝1/Ni，也就是說，遷移率μ與電離雜質(zhì)濃度Ni成反比。由愛因斯坦關(guān)系D/μ=KT/q可看出(式中，D為擴散系數(shù)；KT/q為比例系數(shù)，常溫下為0.026 eV)，基區(qū)少子的擴散系數(shù)Dn隨著基區(qū)電阻率的減小而減小[3]，而少子壽命主要由復(fù)合中心復(fù)合、俄歇復(fù)合和輻射復(fù)合這3種復(fù)合共同決定，如圖2所示。為了減少這3種復(fù)合，增加少子壽命，需選擇較低摻雜濃度，從圖2可看出，重摻雜下少子壽命大幅降低。

圖2 3種復(fù)合機構(gòu)所決定的壽命與雜質(zhì)濃度的關(guān)系[2]

從開路電壓表達式可以看出，Uoc與Io(反向飽和電流密度)成反比，即Io越小，Uoc越大。所以為了增加Uoc，應(yīng)當使NA(受主濃度)和ND(施主濃度)盡可能地大，也就是說，p-n結(jié)兩邊需要重摻雜。對于我們所使用的n/p型電池，Uoc是隨基區(qū)摻雜濃度NA的增大而增大，但如前面所述，基體摻雜濃度的增加會使基區(qū)中少子的擴散長度減小，高摻雜濃度會讓基區(qū)的體復(fù)合增大，從而減小基區(qū)中光生載流子的收集，降低短路電流所以說，我們應(yīng)該選擇基體材料輕摻雜。

1.3 單面擴散90 min工藝論證

太陽電池擴散工藝的組成一般由進舟、氧化、預(yù)擴散、再分布、降溫、出舟6步組成。

將現(xiàn)行單面擴散工藝時間從109 min減少至90 min，需要在擴散時間、溫度、氣體流量3方面進行優(yōu)化，從而做一個優(yōu)質(zhì)的p-n結(jié)。

1.3.1 減少進出舟時間

進出舟的意義就是傳遞運輸，對硅片的影響主要體現(xiàn)在碎片率上，對p-n結(jié)的形成及表面雜質(zhì)濃度的摻雜影響是微小的。所以，減少進出舟的時間只要保障低的碎片率即可。

出舟的時間和傳輸帶的速度有關(guān)，速度可以設(shè)定，間接的時間也可以改變，但過快的傳輸速度會造成硅片在傳輸過程中的不穩(wěn)定。因爐管內(nèi)外溫差可達700 ℃，承載硅片的石英舟輕微的抖動都會造成過大的應(yīng)力，從而造成碎片，故進出舟的時間計劃稍作改動，在不影響硅片產(chǎn)出率的情況下減少時間，如表2所示。

表2 進出舟工藝條件

1.3.2 減少氧化時間

將氧化時間減少2 min，O2流量恒定為0.6 SLM。

在太陽電池擴散工藝中，氧化是必不可少的。氧化是指硅片在高溫下(超過800 ℃)使硅片表面形成一層SiO2薄膜，這層SiO2薄膜在擴散過程中主要起緩沖作用，使P原子能在一個穩(wěn)定均勻的介質(zhì)中進行擴散，從而形成一個穩(wěn)定的結(jié)深和較均勻的摻雜濃度。

從圖3可知，氧化溫度和結(jié)深近似反比，恒定氧化時間，氧化溫度越高，結(jié)深越小，溫度達到850 ℃時，趨勢有所減弱。如圖3所示，在氧化時間分別為5 min、l0 min、15 min時，氧化溫度為800 ℃時獲得的p-n結(jié)結(jié)深分別比900 ℃時的結(jié)深深0.085 μm、0.095 μm、0.09 μm[5]，所以說，在雜質(zhì)總量恒定的前提下，高的擴散溫度能形成一個淺的p-n結(jié)。

圖3 氧化溫度與時間對結(jié)深的影響

淺的p-n結(jié)可增大Uoc，提高光生載流子的收集率；而高表面摻雜濃度能產(chǎn)生更多的載流子。圖4為表面摻雜濃度和氧化溫度的關(guān)系圖，由圖4可知，表面摻雜濃度隨著氧化溫度的降低而升高，所以，為了獲得高摻雜表面濃度，適當降低預(yù)擴散的工藝溫度并且縮短預(yù)擴散的工藝時間是可行的[4]。

圖4 氧化溫度與時間對表面摻雜濃度的影響

將氧化工藝溫度設(shè)定為800 ℃，時間8 min，O2流量標準狀態(tài)下0.6 L/min，并伴隨著標準狀態(tài)下20.4 L/min的N2作為保護氣體在純凈的氛圍中進行氧化，如表3所示。

表3 氧化工藝條件

1.3.3 減少預(yù)擴散時間

預(yù)擴散和再分布這兩步工藝對p-n結(jié)的形成意義重大。不同于其他幾步工藝，預(yù)擴散和再分布對表面雜質(zhì)摻雜濃度的影響是直接性的，科學(xué)合理地減少這兩步工藝時間是我們研究縮短單面擴散工藝時間的主要內(nèi)容。

將預(yù)擴散時間減少1～5 min，小N2流量恒定為0.6 SLM。通源的時間和流量都減少也就意味著擴散雜質(zhì)總量減少，這樣更利于形成一個較淺的p-n結(jié)。

預(yù)擴散的主要目的就是在硅片表面沉積一定量的磷原子，還有部分P2O5；P2O5會在后續(xù)擴散中在高溫環(huán)境下進行分解，恒定磷源總量，對電活性磷雜質(zhì)的形成非常有利。預(yù)擴散在一個溫度相對較低、時間較少的條件下為再分布步驟形成一個優(yōu)質(zhì)的p-n結(jié)做準備，如表4所示。

表4 預(yù)擴散工藝條件

1.3.4 減少再分布時間

將再分布的時間減少3～9 min，N2流量恒定為21 SLM。如圖5所示，再分布工藝的溫度和時間決定了擴散后的結(jié)深，當溫度一定時，擴散工藝后所得結(jié)深隨時間的增加而增加，而表面雜質(zhì)濃度則相應(yīng)減?。划敃r間一定時，擴散工藝后所得結(jié)深隨溫度的升高而增加，同樣，表面雜質(zhì)濃度在P原子推阱的過程中相應(yīng)減小。為了獲得一個淺的p-n結(jié)及高的表面摻雜濃度，再分布工藝應(yīng)當是溫度相對較低、時間相對減少。

圖5 再分布工藝溫度與時間對結(jié)深的影響

再分布是形成p-n結(jié)結(jié)深的關(guān)鍵一步，其時間的長短決定了p-n結(jié)的長度。減少再分布的時間也是為了盡可能做一個淺結(jié)，淺結(jié)的優(yōu)勢在于高的光生載流子收集率、低的表面復(fù)合、高的少子壽命和高的電池片轉(zhuǎn)換效率。故將再分布工藝時間減少來獲得一個優(yōu)質(zhì)的淺結(jié)，如表5所示。

表5 再分布工藝條件

1.3.5 減少降溫時間

將降溫時間減少6 min，N2流量為21 SLM。降溫的意義在于低溫吸雜，在熱處理工序的降溫過程中，將其緩降至780 ℃低溫，將緩冷吸雜熱處理和多晶硅襯底相結(jié)合，可減少漏電流，如表6所示。

表6 降溫工藝條件

1.3.6 比較分析

綜上所述，在擴散工藝組成的6個步驟里，其中進舟、氧化、降溫、出舟這4步的工藝時間具有普遍性，工藝時間的減少對電池片的電性能參數(shù)影響不大，故可恒定這4個步驟的時間；而預(yù)擴散和再分布的時間長短對p-n結(jié)的形成和表面雜質(zhì)摻雜濃度的影響較大，所以，為了找出一組最優(yōu)減少時間工藝，選取不同的預(yù)擴散和再分布的時間形成95 min、90 min、85 min 3種減少時間的工藝來進行實驗，如表7、表8所示。

表7 預(yù)擴散減少時間的工藝對比

表8 再分布減少時間的工藝對比

2 結(jié)果分析

2.1 效率驗證

取相同片源相同批次多晶硅片(156.75 mm×156.75 mm)，一次清洗用Rena酸制絨，擴散用液態(tài)源擴散，分別使用常規(guī)單面擴散109 min工藝、單面擴散95 min工藝、單面擴散90 min工藝和單面擴散85 min工藝4種擴散工藝；二次清洗用Rena濕法刻蝕，鍍膜用PECVD方法，絲網(wǎng)印刷采用常規(guī)3道印刷(主柵4根，副柵100根)進行生產(chǎn)，如表9所示。

表9 4種單面擴散工藝對電池片性能的影響

從太陽電池片電性能參數(shù)分析得出，隨著擴散工藝時間的減少，硅片表面的雜質(zhì)濃度有所降低，體電阻值上升明顯。一方面，提高了開路電壓；但另一方面，高的Rs會影響短路電流及填充因子FF，故電池片的轉(zhuǎn)換效率在一個適宜的體電阻值即在擴散階段一個適宜的表面雜質(zhì)濃度和一個較優(yōu)的p-n結(jié)下達到最優(yōu)值。所以，使用單面擴散90 min工藝擴散得到的p-n結(jié)是一個較優(yōu)的p-n結(jié)。

2.2 產(chǎn)能驗證

從工藝參數(shù)計算來看，單面擴散109 min工藝每分鐘可生產(chǎn)4.6片硅片，而單面擴散90 min工藝每分鐘可生產(chǎn)5.6片硅片，理論產(chǎn)能可提升21.8%。

圖6 兩種擴散工藝每分鐘可生產(chǎn)電池片數(shù)量

3 結(jié)論

液態(tài)源單面擴散方法是目前太陽電池行業(yè)普遍采用的擴散方法，在擴散設(shè)備大同小異、擴散原理相差不大的情況下，擴散工藝的優(yōu)劣決定了太陽電池的效率和產(chǎn)能。本文的主要結(jié)論如下：

1)從效率上分析，單面擴散90 min工藝比單面擴散109 min工藝在Uoc和Isc上有所提升，從而效率有提升。

2)從成本上分析，單面擴散90 min工藝比單面擴散109 min工藝時間節(jié)省了19 min，O2用量節(jié)省了3 L，N2用量節(jié)省了804 L，小N2用量節(jié)省了10.8 L。

3)從產(chǎn)能上分析，109 min單面擴散工藝每分鐘可生產(chǎn)4.6片硅片，而90 min單面擴散工藝每分鐘可生產(chǎn)5.6片硅片，理論產(chǎn)能可提升21.8%。

[1] 李寧. 多晶硅薄膜籽晶層制備及性質(zhì)分析[D]. 北京：華北電力大學(xué), 2013.

[2] 劉恩科, 朱炳升, 羅晉生. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2011.

[3] 申蘭先. 薄晶體硅太陽電池及其電極系統(tǒng)的研究[D]. 昆明：云南師范大學(xué), 2006.

[4] 趙明利, 閆果果, 楊仕娥. 微晶硅薄膜太陽電池的計算機模擬[A]. 第十屆中國太陽能光伏會議論文集：迎接光伏發(fā)電新時代[C], 北京, 2008.

[5] 李斐. 單晶硅太陽能電池擴散工藝與電學(xué)特性仿真研究[D].長沙：中南大學(xué), 2010.

2016-07-12

康忠平(1988—)，男，本科、晶硅電池工藝工程師，主要從事晶硅電池擴散工藝設(shè)計及p-n結(jié)成型研究。zhongping.kang@astronergy.com