大尺寸PERC晶體硅太陽(yáng)電池低壓擴(kuò)散 工藝的研究

龍 輝，鄒臻峰，吳志明，張彌濤，田 安

(湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司,長(zhǎng)沙 430100)

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球變暖及化石能源日益枯竭等問(wèn)題，大力發(fā)展可再生能源已成為世界各國(guó)的共識(shí)。太陽(yáng)能因具有清潔、安全、資源豐富等顯著優(yōu)勢(shì)，成為發(fā)展最快的可再生能源之一，而光伏發(fā)電是其重要利用方式的一種，預(yù)計(jì)2022年全球光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為162 GW。太陽(yáng)電池是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的重要器件，而晶體硅太陽(yáng)電池的市場(chǎng)占比可達(dá)95%。

擴(kuò)散爐作為晶體硅太陽(yáng)能電池制備過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要是在硅片表面摻雜磷原子或硼原子，從而在硅片表面形成p-n結(jié)。目前，光伏行業(yè)內(nèi)的擴(kuò)散爐均采用低壓擴(kuò)散工藝，工藝壓力一般為50～120 mbar。在低壓擴(kuò)散工藝中，工藝壓力、工藝溫度、工藝氣體比例等都會(huì)直接影響到擴(kuò)散效果。郭進(jìn)等[1]研究了工藝溫度、氣體流量、工藝壓力對(duì)低壓擴(kuò)散工藝的影響；張寶鋒等[2]從擴(kuò)散分子自由程、摻雜原子分壓比和氣場(chǎng)均勻性等方面詳細(xì)分析了低壓擴(kuò)散工藝對(duì)高方阻均勻性的影響；李吉等[3]研究了源流量、擴(kuò)散時(shí)間、源瓶壓力、真空泵壓力等擴(kuò)散工藝參數(shù)對(duì)擴(kuò)散方阻的影響。上述文獻(xiàn)均為166 mm以下尺寸的硅片為研究對(duì)象，而晶體硅太陽(yáng)電池采用210 mm大尺寸硅片時(shí)，在擴(kuò)散工藝中此類(lèi)硅片的石英舟槽間距、截面溫區(qū)分布、管內(nèi)氣流場(chǎng)分布與其他尺寸硅片存在很大差異。基于此，本文研究了擴(kuò)散工藝中PERC晶體硅太陽(yáng)電池采用210 mm大尺寸硅片時(shí)，爐尾溫度、工藝壓力、進(jìn)氣口與石英舟端板距離、快速降溫等因素對(duì)硅片擴(kuò)散方阻及太陽(yáng)電池良率的影響。

1 低壓擴(kuò)散工藝影響因素研究

本文使用的低壓擴(kuò)散爐的石英管內(nèi)徑為420 mm，6段串級(jí)控溫，恒溫區(qū)長(zhǎng)度為2200 mm，工藝氣體采用軟著陸、爐口進(jìn)氣及爐尾抽氣方式；實(shí)驗(yàn)樣品采用210 mm大尺寸硅片，每個(gè)石英舟放置硅片1200片。擴(kuò)散工藝步驟依次為：放舟→升溫→氧化→擴(kuò)散→升溫→深擴(kuò)散→降溫→恒溫→擴(kuò)散→氧化→降溫→出舟。

1.1 進(jìn)氣口與石英舟端板距離對(duì)210 mm尺寸硅片擴(kuò)散工藝的影響

現(xiàn)有低壓擴(kuò)散爐多采用爐口進(jìn)氣爐尾抽氣方式，進(jìn)氣管一般是從石英管尾部的底部插入到爐口，爐尾抽氣管依次與尾氣過(guò)濾收集裝置、真空泵相連，具體如圖1所示。在保證其他工藝參數(shù)不變的情況下，將進(jìn)氣口與石英舟端板距離由原來(lái)的509 mm增大到609 mm。對(duì)比分析爐口硅片方阻及擴(kuò)散后的堿拋(注：堿拋是PERC晶體硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中的一道工序，擴(kuò)散后利用堿性溶液去除掉硅片表面磷硅玻璃及邊緣p-n結(jié))情況，其中，方阻測(cè)量采用四探針5點(diǎn)測(cè)量法，方阻片內(nèi)均勻性U的計(jì)算式為：

圖1 低壓擴(kuò)散爐的構(gòu)造Fig. 1 Structure of low-pressure diffusion furnace

式中：Rmax為所有測(cè)試點(diǎn)中的方阻最大值；Rmin為所有測(cè)試點(diǎn)中的方阻值最小值。

加大進(jìn)氣口與石英舟端板的距離后，爐口前3片硅片的方阻由300 Ω/□降至80～150 Ω/□，片內(nèi)均勻性由17.13%降至5.47%，這主要是因?yàn)樵诘蛪合录哟筮M(jìn)氣口與石英舟端板距離后，靠爐口端的硅片處遠(yuǎn)離了進(jìn)氣口處的紊流區(qū)，其氣流場(chǎng)更加均勻。進(jìn)氣口石英舟端板距離不同時(shí)爐口硅片方阻及片內(nèi)均勻性對(duì)比如表1所示。

表1 進(jìn)氣口石英舟端板距離不同時(shí)爐口硅片方阻及片內(nèi)均勻性對(duì)比Table 1 Comparison of sheet resistance and uniformity of silicon wafer at the furnace mouth when the end plate distance of quartz boat of gas inlet is different

進(jìn)氣口與石英舟端板距離為509和609 mm時(shí)，爐口第1片硅片擴(kuò)散后的堿拋情況如圖2所示。從圖2中可以看出：距離為509 mm時(shí)，爐口第1片硅片出現(xiàn)明顯的過(guò)拋現(xiàn)象，即硅片表面的倒金字塔絨面被酸堿溶液過(guò)度腐蝕；而距離為609 mm時(shí)，爐口第一片硅片的堿拋正常。這主要是因?yàn)閿U(kuò)散工藝過(guò)程中進(jìn)氣口與石英舟端板距離過(guò)小，三氯氧磷容易在爐口硅片處聚集，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氯氣對(duì)硅片絨面造成嚴(yán)重腐蝕，堿拋后就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)拋現(xiàn)象。

圖2 進(jìn)氣口與石英舟端板距離509、 609 mm時(shí)爐口第1片硅片擴(kuò)散后的堿拋情況Fig. 2 Alkaci polishing after diffusion of first silicon wafer at the furnace mouth when the distance between air inlet and end plate of quartz boat is 509 mm and 609 mm

1.2 快速降溫對(duì)210 mm尺寸硅片擴(kuò)散工藝的影響

擴(kuò)散工藝存在升降溫過(guò)程，升溫過(guò)程可以通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電流來(lái)滿(mǎn)足升溫速率的要求，但降溫過(guò)程只能通過(guò)爐體本身的散熱，在高溫推結(jié)后降溫時(shí)，實(shí)際的降溫速率僅約為3 ℃/min，一方面很難滿(mǎn)足工藝對(duì)降溫速率的要求，另一方面會(huì)嚴(yán)重影響擴(kuò)散爐的產(chǎn)能。因此本研究在石英管內(nèi)增加散熱U型管，通過(guò)離心風(fēng)機(jī)將環(huán)境中的空氣輸入到U型管中進(jìn)行熱量置換(注：該方法已經(jīng)申請(qǐng)專(zhuān)利)。

快速降溫對(duì)210 mm尺寸硅片擴(kuò)散時(shí)間的影響如表2所示。從表2中可以看出：快速降溫能將210 mm尺寸硅片的擴(kuò)散工藝時(shí)間由99.5 min縮短至81.7 min，工藝時(shí)間約可縮短17.8 min，產(chǎn)能可以提升17.9%。

表2 快速降溫對(duì)210 mm尺寸硅片擴(kuò)散時(shí)間的影響Table 2 Effect of rapid cooling on the diffusion time of size 210 mm silicon wafer

通過(guò)對(duì)擴(kuò)散工藝時(shí)間分別為99.5 min 與81.7 min后的硅片方阻、片內(nèi)均勻性，以及太陽(yáng)電池的良率和光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了對(duì)比對(duì)比。結(jié)果顯示：采用快速冷卻系統(tǒng)后，在縮短工藝時(shí)間的同時(shí)，對(duì)硅片擴(kuò)散后的方阻無(wú)影響，不需要對(duì)工藝配方進(jìn)行改動(dòng)，其爐口、爐尾的片內(nèi)均勻性?xún)?yōu)于未采用快速冷卻系統(tǒng)時(shí)，這主要是因?yàn)楦邷赝平Y(jié)后的降溫速率進(jìn)一步提高，有利于三氯氧磷在硅片表面的再分布；而且采用快速冷卻系統(tǒng)，不會(huì)降低太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率及良率，具體如表3、表4 所示。

表3 99.5與81.7 min擴(kuò)散工藝后的硅片方阻及片內(nèi)均勻性對(duì)比Table 2 Comparison of sheet resistance and intra-chip uniformity of silicon wafers after 99.5 min and 81.7 min diffusion process

表4 99.5與81.7min擴(kuò)散工藝后的太陽(yáng)電池良率及光電轉(zhuǎn)換效率對(duì)比Table 4 Comparison of solar cell yield and photoelectric conversion efficiency after 99.5 min and 81.7 min diffusion process

1.3 爐尾溫度對(duì)爐尾210 mm尺寸硅片擴(kuò)散工藝的影響

采用爐口進(jìn)氣爐尾抽氣的方式時(shí)，爐尾的三氯氧磷濃度低，氣流及溫度相比其他溫區(qū)更為復(fù)雜，再加上硅片的大尺寸化，爐尾硅片擴(kuò)散后方阻的片內(nèi)均勻性將更難控制。

本研究將起始溫度的爐尾溫度由774 ℃增至790 ℃，恒溫時(shí)間延長(zhǎng)10 s；其他工藝參數(shù)不變。抽取爐尾相同位置的硅片測(cè)試其片內(nèi)方阻，結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出：增加爐尾的起始溫度、延長(zhǎng)恒溫時(shí)間后，減少了硅片中心點(diǎn)與硅片四角溫度差異，彌補(bǔ)了三氯氧磷濃度低帶來(lái)的擴(kuò)散不均勻性，使三氯氧磷在硅片表面得到充分反應(yīng)，中心點(diǎn)與四角的擴(kuò)散方阻最大差值大幅降低，爐尾硅片的擴(kuò)散方阻片內(nèi)均勻性由12.68%降至8.56%。但是過(guò)高的爐尾溫度會(huì)帶來(lái)其他工藝問(wèn)題，比如p-n結(jié)燒穿等，而增加恒溫時(shí)間會(huì)影響到設(shè)備的產(chǎn)能。

表5 增大爐尾溫度及延長(zhǎng)恒溫時(shí)間后硅片擴(kuò)散后的方阻對(duì)比Table 5 Comparison of sheet resistance of silicon wafers after increasing furnace tail temperature and extending constant temperature time

1.4 工藝壓力對(duì)210 mm尺寸硅片擴(kuò)散工藝的影響

在低壓擴(kuò)散工藝中工藝壓力是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，目前行業(yè)內(nèi)各大光伏企業(yè)會(huì)根據(jù)自身的產(chǎn)線工藝選擇不同的擴(kuò)散壓力，一般為50～120 mbar。工藝壓力對(duì)擴(kuò)散工藝的影響主要在于反應(yīng)室內(nèi)的氣氛?qǐng)黾叭妊趿自诠杵砻娴某练e，由于210 mm硅片的尺寸較大，工藝壓力對(duì)其影響更大。不同工藝壓力時(shí)硅片的擴(kuò)散方阻及片內(nèi)均勻性如表6所示。

從表6中可以看出：在工藝氣體總量不變的情況下，工藝壓力升高，真空泵的抽速變慢，三氯氧磷會(huì)在硅片表面沉積的更多，從爐口到爐尾硅片的方阻會(huì)整體降低，這與李吉等[3]得出的結(jié)論一致。由于采用的是爐口進(jìn)氣方式，工藝壓力升高后，三氯氧磷在爐口處硅片表面的反應(yīng)更加充分，片內(nèi)均勻性更好，而爐尾因氣氛?qǐng)龈游蓙y，片內(nèi)均勻性更差。另外，工藝壓力的變化對(duì)爐中片內(nèi)均勻性的影響不大。

表6 不同工藝壓力時(shí)硅片的擴(kuò)散方阻及片內(nèi)均勻性對(duì)比Table 6 Comparison of sheet resistance and intra-chip uniformity of silicon wafers at different process pressures

2 結(jié)論

本文對(duì)210 mm大尺寸硅片的擴(kuò)散工藝進(jìn)行了分析，從工藝壓力、爐尾溫度、進(jìn)氣口與石英舟端板距離及降溫速率等方面詳細(xì)研究了210 mm大尺寸硅片的擴(kuò)散方阻、片內(nèi)均勻性，以及太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率良率。結(jié)果表明：

1)增大進(jìn)氣口與石英舟端板的距離，能夠改善爐口氣氛?qǐng)?，爐口的片內(nèi)均勻性更好，可避免爐口硅片出現(xiàn)過(guò)拋現(xiàn)象；

2)增大降溫速率，能夠縮短工藝時(shí)間并提升設(shè)備產(chǎn)能，同時(shí)不會(huì)對(duì)擴(kuò)散方阻、光電轉(zhuǎn)換效率及良率產(chǎn)生不良影響；

3)提高爐尾溫度會(huì)改善爐尾硅片的片內(nèi)均勻性；

4)工藝壓力升高會(huì)導(dǎo)致硅片的方阻整體偏低，爐口片內(nèi)均勻性會(huì)變好，而爐尾均勻性會(huì)變差。