硼擴(kuò)散工藝對(duì)多晶黑硅效率的影響分析

趙彩霞　郭麗　張波　楊飛飛　趙科巍

【摘 要】 本文針對(duì)硼擴(kuò)散下多晶黑硅的表面復(fù)合速率高光電轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，在多晶黑硅太陽(yáng)電池片上采用了多步變溫?cái)U(kuò)散工藝增加前氧化工藝方法，研究了多步硼擴(kuò)散工藝下進(jìn)行的方阻梯度變化情況。結(jié)果表明：多晶黑硅在背面硼擴(kuò)散方阻280Ω左右的條件下，電性能最佳，方阻過(guò)高或過(guò)低均不利于電池片光電轉(zhuǎn)換。

【關(guān)鍵詞】 多晶黑硅;硼擴(kuò)散;多步擴(kuò);方阻;轉(zhuǎn)換效率

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）01-0100-03

1引言

目前在晶硅太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)鏈中，由于硅片的切割技術(shù)已由原本的砂線(xiàn)切割改為金剛線(xiàn)切割，單晶硅硅基電池以其技術(shù)路線(xiàn)成熟效率高的特點(diǎn)已逐漸在市場(chǎng)占有率上高于多晶硅。加上經(jīng)過(guò)制絨后的單晶硅片反射率通常在11%左右，而砂漿切割的多晶硅片反射率為18%左右，因此多晶電池片更不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但由于黑硅有著優(yōu)越的陷光作用，于是將黑硅多晶金屬催化化學(xué)腐蝕法制絨工藝（Metal-catalyzed chemical etching，簡(jiǎn)稱(chēng)MCCE）應(yīng)用到金剛線(xiàn)切割多晶硅片后，反射率可以降低至12%左右，并大幅降低多晶電池片的光學(xué)損失，提高多晶電池的轉(zhuǎn)換效率，從而逐步縮小多晶電池與單晶電池的效率差異。另外，多晶電池片本身加工成本較低，在縮小電池片轉(zhuǎn)換效率之后，給多晶黑硅電池帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。在晶硅電池中影響光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素一是載流子表面復(fù)合速率;二是硅鋁背接觸的接觸電阻。但傳統(tǒng)鋁背場(chǎng)以吸雜與鈍化來(lái)增加少子壽命來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率也不滿(mǎn)足目前的高效電池要求，如何進(jìn)一步降低表面復(fù)合速率提高光電轉(zhuǎn)換效率的研究顯得更加重要。因此本文采用了優(yōu)化硼擴(kuò)散工藝的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。

2實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)中所需要的原輔材為產(chǎn)線(xiàn)正常生產(chǎn)中使用材料，多晶硅片為摻硼N型硅片，外觀(guān)尺寸為156.75mm×156.75mm，硅片厚度為180±20μm，硅片電阻率為1-3Ω·cm，在現(xiàn)有的普通多晶和PERC單晶電池片生產(chǎn)線(xiàn)上，利用現(xiàn)有工藝設(shè)備條件進(jìn)行高效多晶電池片黑硅實(shí)驗(yàn)，高效多晶電池片工藝流程為：

硅片檢測(cè)-黑硅絨面工藝-背面硼擴(kuò)散-刻蝕清洗-背面Si3N4-邊緣清洗-正面P擴(kuò)散-PSG清洗-正面PECVD-背面激光開(kāi)孔-電極漿料印刷-燒結(jié)測(cè)試-效率分選。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文在使用N型硅片進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要首先經(jīng)過(guò)KOH與添加劑制絨工藝。目的是去除硅片表面的機(jī)械損傷和金屬雜質(zhì)及油污，再經(jīng)過(guò)HF與HCl清洗后方可繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)散工藝使用在普通的常壓硼擴(kuò)散條件下，所需的硼源為BBr3由于其分子量較大，使得N2攜帶源瓶的硼源后在爐體內(nèi)分布不均勻，導(dǎo)致硼擴(kuò)散后的方阻均勻性比磷擴(kuò)散差，如圖1所示。

硼擴(kuò)散工藝通常的方阻要求較高，因?yàn)榉阶韪呖梢詼p少發(fā)射結(jié)的“死層”，同時(shí)PN結(jié)越靠近表面，電池表面表面輸出電流越大。然而通常情況下，硼擴(kuò)散后的硅片方阻離散性較大如圖1。因此需要對(duì)原工藝實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，優(yōu)化步驟如下：

（1）對(duì)硼擴(kuò)散工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具體如下表1。

效率情況如表2

表1和表2是硼擴(kuò)散結(jié)構(gòu)從原先的單步擴(kuò)散改為多步擴(kuò)散，方法首先增加前氧化，并將擴(kuò)散與推進(jìn)溫度由恒溫改為變溫。這樣做的目的是在硼源進(jìn)入爐體前，可在硅片表面形成SiO2層，使得硼源在接觸硅片表面時(shí)，可以快速反應(yīng)。同時(shí)變溫?cái)U(kuò)散和推進(jìn)可以更好地在硅片表面沉積B，從而使得硅片表面積累大量B形成高濃度B從而有利于擴(kuò)散的進(jìn)行。進(jìn)一步改善單片電池的片內(nèi)方阻的均勻性。

在相同的硼擴(kuò)散方阻（180Ω左右）條件下，優(yōu)化后的工藝多步硼擴(kuò)散可以在單步硼擴(kuò)散基礎(chǔ)上提升效率0.16%（如表2），主要體現(xiàn)在Voc和Isc的提升。說(shuō)明在多步硼擴(kuò)散工藝條件下，高方阻輕摻（淺結(jié)輕摻即方阻越高結(jié)深越淺）摻雜硼原子的濃度低，通源與趨進(jìn)時(shí)間短，開(kāi)路壓高不易發(fā)生漏電的現(xiàn)象。同時(shí)淺結(jié)輕摻表面復(fù)合小，暗電流小，故短路電流也高，因此硅片背面的硼擴(kuò)散可以更有效地提高硅片少子壽命。硼擴(kuò)散工藝的優(yōu)化對(duì)其余參數(shù)（FF等）并沒(méi)有造成明顯的影響。

（2）多步硼擴(kuò)散工藝討論方阻梯度

為了進(jìn)一步分析不同淺結(jié)輕摻對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率的影響，進(jìn)行了3組高方阻梯度實(shí)驗(yàn)（表3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黑硅背面硼擴(kuò)散方阻對(duì)高效多晶電池片效率影響不大，但過(guò)低的方阻（205Ω）下效率較低。原因是過(guò)低的方阻意味著硼擴(kuò)散會(huì)沉積更多的雜質(zhì)，雜質(zhì)過(guò)多，死層較大，不利于光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)電池片的載流子復(fù)合嚴(yán)重，少數(shù)載流子復(fù)合速率提高，直接導(dǎo)致低方阻下電池片效率較低。

在高方阻條件下（283Ω和367Ω），更高的方阻條件下，電池片效率仍會(huì)降低0.05%，說(shuō)明在更高的方阻時(shí)，硅片背面并沒(méi)有形成足夠的硼擴(kuò)散場(chǎng)，不能有效降低硅片背面復(fù)合，方阻太高吸雜效果不佳，硅晶體中存在較多的缺陷。因此在擴(kuò)散工藝調(diào)試中，擴(kuò)散方阻既不能過(guò)高也不能過(guò)低。同時(shí)，梯度實(shí)驗(yàn)也表明，硼擴(kuò)散方阻適合高方阻條件在280Ω左右，而通常的正面磷擴(kuò)散適合較低的方阻（100Ω左右），不同的工藝有著不同的工藝窗口，需要在實(shí)際調(diào)試中進(jìn)行大量的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，找到工藝合適的方阻條件。

（3）多步硼擴(kuò)散工藝下不同方阻的量子效率響應(yīng)

量子效率代表著不同波段的光譜響應(yīng)。從圖2中可以看到，不同阻值下的量子效率在短波段阻值越高對(duì)光的響應(yīng)效果越好，說(shuō)明短波段摻雜濃度越淺，表面載流子復(fù)合幾率越小。在中長(zhǎng)波段283Ω的方阻顯示了很好的外量子特性即在該方阻下電池收集到的光生載流子濃度較高，說(shuō)明擴(kuò)散方阻高摻雜或低摻均不適合該波段，同時(shí)低方阻205Ω下的量子響應(yīng)最差。說(shuō)明三個(gè)方阻相對(duì)高摻雜對(duì)表面有一定“死層”，不利于長(zhǎng)波的吸收，進(jìn)而增加了表面的復(fù)合幾率，外量子效率在該波段響應(yīng)不佳。

4結(jié)論

多步擴(kuò)散增加前氧化，可以使硼在硅片表面形成SiO2層，更有利硼擴(kuò)散，可以快速反應(yīng)。變溫?cái)U(kuò)散和推進(jìn)可以在硅片表面形成硼高濃度，更有利于B擴(kuò)散。

多步硼擴(kuò)散工藝比單步硼擴(kuò)散效率提升0.16%，主要體現(xiàn)在Voc的提升。說(shuō)明多步硼擴(kuò)散能有效地提高硅片少子壽命。

擴(kuò)散工藝調(diào)試中，擴(kuò)散方阻280Ω左右為最佳。過(guò)低的方阻意味著硼擴(kuò)散會(huì)沉積更多的雜質(zhì)會(huì)，影響電池片的開(kāi)路電壓Voc和短路電流，結(jié)果導(dǎo)致低方阻下電池片效率較低。過(guò)高的方阻硅片背面并沒(méi)有形成足夠的硼擴(kuò)散場(chǎng)，以致硅片背面復(fù)合光譜響應(yīng)不佳。

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