硼擴散設(shè)備若干難點問題的研究

彭浩 趙志然 龍輝 郭浩

摘 要：隨著針對n型太陽電池的投資提速，國內(nèi)光伏企業(yè)積極開展TOPCon太陽電池布局，產(chǎn)業(yè)化進程得到加速，推進新技術(shù)落地。硼擴散設(shè)備作為TOPCon太陽電池技術(shù)的關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，獲得了市場極大的關(guān)注。針對硼擴散設(shè)備使用過程中遇到的不同類型硼源的問題，通過分析各種硼源的特性，提出了相應(yīng)的硼源處理方案，并驗證了硼源控制效果；針對副產(chǎn)物硼硅玻璃（BSG）粘連的問題，通過分析副產(chǎn)物的特點和危害，提出了斜率升降溫功能；針對高能耗的問題，通過分析能耗的主要來源，提出了設(shè)備加熱功率輸出比功能。研究結(jié)果表明：所提出的這些方法能有效解決這幾個難點問題，有助于提高硼擴散設(shè)備的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：TOPCon太陽電池；硼擴散設(shè)備；硼源；硼硅玻璃；高能耗

中圖分類號：TM914.4+1 文獻標志碼：A

0? 引言

隨著當今世界的環(huán)境及能源問題日益嚴峻，人類開始越來越重視可再生能源的開發(fā)和利用。太陽能作為最具潛力的可再生能源之一，得到了極大的關(guān)注。太陽電池技術(shù)日趨成熟，不斷發(fā)展，高效太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率紀錄不斷刷新，各種不同技術(shù)路線的高效太陽電池百花齊放。近幾年，由于工藝成本的下降及工藝技術(shù)的成熟，p型PERC太陽電池逐漸成為國內(nèi)市場高效太陽電池的主流產(chǎn)品，但所有p型太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率瓶頸及光致衰減問題[1]也是p型PERC太陽電池發(fā)展中無法避免的障礙。n型單晶硅太陽電池由于少子壽命高、光致衰減小，弱光響應(yīng)好、溫度系數(shù)高[2]等優(yōu)點，近年來已成為高效太陽電池產(chǎn)業(yè)化的熱點技術(shù)，其中TOPCon技術(shù)和HJT技術(shù)是產(chǎn)業(yè)投資和市場關(guān)注的重點。當前PERC太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率雖已接近理論極限，但存量產(chǎn)能規(guī)模較大。TOPCon太陽電池制作工藝流程與PERC太陽電池相似，升級投資較小，具有經(jīng)濟合理性，這是大部分太陽電池生產(chǎn)廠商將TOPCon太陽電池作為PERC太陽電池升級技術(shù)路線的重要原因[3]。

低壓磷/硼擴散是半導(dǎo)體行業(yè)、光伏行業(yè)所廣泛使用的n型/p型摻雜技術(shù)，用于形成具備所需電學特性的p-n結(jié)，p-n結(jié)的質(zhì)量對于太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率有決定性影響。硼擴散設(shè)備是TOPCon太陽電池制作工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一，由于TOPCon技術(shù)使用的硼擴散工藝制備難度大、制備溫度高、制備時間長、設(shè)備維護使用費用高，所以長期以來國內(nèi)設(shè)備廠商一直未在硼擴散設(shè)備方面有所突破[4]。本文針對硼擴散設(shè)備使用過程中遇到的不同類型硼源的處理、副產(chǎn)物硼硅玻璃（BSG）粘連和高能耗這3個問題進行了研究，給出了相應(yīng)的解決思路和參考方法，并分析了這些方法在硼擴散設(shè)備上應(yīng)用的實際效果。

1? 硼擴散設(shè)備難點問題的研究

1.1? 硼源的處理

1.1.1? 問題描述

硼擴散的目的是在工藝過程中，通過特定反應(yīng)物之間發(fā)生化學反應(yīng)生成硼原子，然后擴散進入硅片生成p-n結(jié)。硼源是指其中含硼元素的反應(yīng)物，目前市場上硼擴散設(shè)備使用的硼源主要有兩種：BBr3和BCl3。這兩種硼源的特性不同，需要采用不同的處理方案。

BBr3的沸點為91 ℃，常溫下為無色透明的液體。BBr3的優(yōu)點是其為液態(tài)，危險性相對低一些。缺點是：1）腐蝕性強，導(dǎo)致石英管的使用壽命縮短；2）擴散后生成物B2O3呈黏性，有副產(chǎn)物，需要二氯乙烯（DCE）去清洗，設(shè)備維護成本高；3）自身價格相對較貴。

采用BBr3作為硼源時，硼擴散工藝過程的反應(yīng)式為：

BCl3的沸點為12.5 ℃，常溫下為氣態(tài)。BCl3的優(yōu)點有：1）無腐蝕性，使石英管的使用壽命延長；2）擴散后生成物B2O3呈顆粒狀，自帶Cl2清洗功能，可保持爐管清潔，無需增加DCE清洗；3）自身價格低。缺點有：1）氣態(tài)，危險性較高；2）擴散均勻性稍差。

采用BCl3作為硼源時，硼擴散工藝過程的反應(yīng)式為：

1.1.2? 解決方法

BBr3硼源的處理方案如圖1所示。BBr3以液態(tài)的形式存儲于玻璃瓶中，玻璃瓶放在恒溫槽中保持恒溫狀態(tài)，恒溫槽是一種能提供高精度的、受控的、溫度均勻分布的恒溫場源的恒溫設(shè)備；玻璃瓶內(nèi)壓力通過壓控模塊保持恒壓狀態(tài)，壓控模塊是一種對氣體壓力進行精密控制和測量的控制器。然后通過量程為3 slm的N2流量計和氣動閥對BBr3進行定量控制，隨著N2的導(dǎo)入，攜帶BBr3蒸汽進入到爐體發(fā)生反應(yīng)。其中，氣動閥V2起到開關(guān)的作用；氣動閥V7起到進氣導(dǎo)通的作用；氣動閥V8起到出氣導(dǎo)通的作用；氣動閥V9起到連通的作用；氣動閥V11起到泄壓的作用。攜源N2在不使用BBr3時可充當清洗N2，對壓控模塊和管路進行清洗，防止腐蝕粘連，氣動閥V10起到清洗氣路導(dǎo)通的作用。此外，V7～V11均具有耐腐蝕性。

BCl3硼源的處理方案如圖2所示。BCl3以液態(tài)的形式存儲于鋼瓶中，蒸汽壓力低，通過加熱器加熱使其氣化，從管道進入硼擴散設(shè)備使用，鋼瓶集成在定制的全自動氣柜（gas cabinet，GC）中，這是一種集監(jiān)視、控制和壓力調(diào)節(jié)為一體的雙瓶自動切換工藝氣體輸送設(shè)備。從安全角度考慮，BCl3-GC一般放置在特氣房中集中管理，離硼擴散設(shè)備有一定的距離。通過遠程通信BCl3-GC來調(diào)控BCl3的輸出，并通過量程為3 slm的BCl3流量計和氣動閥對BCl3進行定量控制，進入爐管內(nèi)反應(yīng)，其中氣動閥V1和V2起到開關(guān)的作用。此外，配備1路N2對管道進行吹掃，防止腐蝕粘連，氣動閥V3起到吹掃氣路導(dǎo)通的作用。

1.1.3? 實際效果

在使用BBr3作為硼源的處理方案中，攜源N2流量計設(shè)定值為220 sccm時，BBr3硼源的控制效果如圖3所示。

從圖3可以看出：攜源N2流量計的檢測值和設(shè)定值基本同步，說明BBr3流量能得到有效控制。

在使用BCl3作為硼源的處理方案中，BCl3流量計設(shè)定值為120 sccm時，BCl3硼源的控制效果如圖4所示。

從圖4可以看出：BCl3流量計的檢測值和設(shè)定值基本同步，說明BCl3流量能得到有效控制。

綜上分析，這兩種處理方案可以有效地針對BBr3和BCl3這兩種類型的硼源進行精確控制。

1.2? 副產(chǎn)物BSG的問題

1.2.1? 問題描述

硼擴散工藝過程中，會在腔室內(nèi)部產(chǎn)生副產(chǎn)物BSG，致使石英舟和石英舟托等石英件存在粘連現(xiàn)象[5]，并且導(dǎo)致石英管壁上沉積的BSG出現(xiàn)應(yīng)力，一旦溫度變化太快，往往會因為應(yīng)力導(dǎo)致石英管破裂。

1.2.2? 解決方法

硼擴散設(shè)備的溫度主要通過溫控模塊進行調(diào)控。溫控模塊是一種專門以溫度作為控制對象的可編程控制器，將目標溫度作為設(shè)定值寫入溫控模塊，通過模塊內(nèi)部的數(shù)學運算和邏輯控制，調(diào)控加熱功率輸出，將溫度升至目標值。為了防止溫度過快的升降，可實現(xiàn)一個斜率升降溫的功能，通過斜率控制寫入的設(shè)定值即可。

假設(shè)斜率升降溫功能的斜率為VT，設(shè)置目標溫度為T，記錄當前溫度作為起始設(shè)置溫度T0，記錄當前時間作為起始時間t0，隨著內(nèi)部定時器的觸發(fā)，在時間tn時將溫度設(shè)定值TS寫入溫控模塊。斜率升降溫功能的邏輯流程圖如圖5所示。

1.2.3? 實際效果

硼擴散設(shè)備的溫度從900 ℃升至1010 ℃時，在升溫的斜率為5 ℃/min的情況下，截取某個溫區(qū)自然升溫和斜率升溫時的曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出：起始溫度為900 ℃，在自然升溫的情況下，經(jīng)過約8 min達到目標溫度1010 ℃，升溫斜率約為13.8 ℃/min；在斜率升溫的情況下，升溫斜率設(shè)置為5 ℃/min時，經(jīng)過約22 min達到目標溫度1010 ℃。結(jié)果表明，溫區(qū)溫度基本按照設(shè)定的斜率進行升溫。

硼擴散設(shè)備的溫度從1050 ℃降至1000 ℃時，在降溫的斜率為2 ℃/min的情況下，截取某個溫區(qū)自然降溫和斜率降溫時的曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出：起始溫度為1050 ℃，在自然降溫的情況下，經(jīng)過約10 min達到目標溫度1000 ℃，降溫斜率約為5 ℃/min；在斜率降溫的情況下，降溫斜率設(shè)置為2 ℃/min時，經(jīng)過約25 min達到目標溫度1000 ℃。結(jié)果表明，溫區(qū)溫度基本按照設(shè)定的斜率進行降溫。

綜上，通過斜率升降溫功能可有效控制爐管內(nèi)溫度的變化速率，降低因BSG應(yīng)力導(dǎo)致石英管破裂的風險。

1.3? 高能耗問題

1.3.1? 問題描述

硼擴散設(shè)備是一種熱處理設(shè)備，發(fā)熱功率占設(shè)備能耗的較大比例。硼擴散工藝的工藝時間長，一般約為3～4 h；工藝溫度高，最高可超過1000 ℃，這意味著設(shè)備能耗相當高。為了響應(yīng)國家“十四五規(guī)劃”及碳達峰、碳中和的要求，也從企業(yè)自身的經(jīng)濟角度考慮，高能耗是硼擴散設(shè)備需要解決的重點問題。

1.3.2? 解決方法

一般來講，1臺硼擴散設(shè)備有5根工藝管，每根工藝管有6個溫區(qū)，每個溫區(qū)的加熱功率輸出比最大為100%，則最大總加熱功率輸出比可認為是5×6×100%=3000%。為了解決高能耗的問題，可實現(xiàn)一個智能化的設(shè)備加熱功率輸出比功能，通過限定設(shè)備的最大總加熱功率輸出比，根據(jù)硼擴散設(shè)備的具體加熱情況，智能分配給每根工藝管的每個溫區(qū)的加熱功率輸出比上限，做到能耗的精細化處理。

假設(shè)1臺硼擴散設(shè)備的總加熱功率輸出比為MSum（MSum≤3000%），每個溫區(qū)當前的加熱功率輸出比為M（i）（j）（i=1，2，3，4，5；j=1，2，3，4，5，6）（其中，i為第i根工藝管；j為第j個溫區(qū)），設(shè)備當前的總加熱功率輸出比為MAll；每個溫區(qū)當前的加熱功率輸出比上限為ORead（i）（j），設(shè)備的當前總加熱功率輸出比上限為ORead，All；每個溫區(qū)當前的加熱功率輸出比上限設(shè)定值為OSet（i）（j）；可分配的加熱功率輸出比定義為X，通過動態(tài)分配加熱功率輸出比給每個溫區(qū)當前的加熱功率輸出比上限，隨著內(nèi)部定時器的觸發(fā)，寫入溫控模塊。設(shè)備加熱功率輸出比功能的邏輯流程圖如圖8所示。

1.3.3? 實際效果

將兩臺硼擴散設(shè)備的總加熱功率輸出比分別設(shè)置為2650%和2500%，設(shè)備每天的能耗量如圖9所示。

根據(jù)圖9，再通過統(tǒng)計計算可得到，總加熱功率輸出比設(shè)置為2500%的硼擴散設(shè)備的日能耗量比總加熱功率輸出比設(shè)置為2650%的硼擴散設(shè)備的低2.23%～6.45%。結(jié)果表明，限制總加熱功率輸出比可以達到降低設(shè)備能耗的目的。

設(shè)備加熱功率輸出比功能不僅有利于企業(yè)根據(jù)自身情況合理利用能源，降低成本，也為國家碳達峰、碳中和目標做出了貢獻。

2? 結(jié)論

本文針對硼擴散設(shè)備使用過程中遇到的若干難點問題進行了研究。針對不同類型硼源的問題，通過分析各種硼源的特性，提出了相應(yīng)的硼源處理方案，并驗證了硼源控制效果；針對副產(chǎn)物BSG粘連的問題，通過分析副產(chǎn)物的特點和危害，提出了斜率升降溫功能；針對高能耗的問題，通過分析能耗的主要來源，提出了設(shè)備加熱功率輸出比功能。研究結(jié)果表明：所提出的這些方法能有效解決這幾個難點問題，對提高硼擴散設(shè)備的穩(wěn)定性具有一定的幫助。

[參考文獻]

[1] WEIZER V G，BRANDHORST H W，BRODER J D，et al. Photon-degradation effects in terrestrial silicon solar cells[J]. Journal of applied physics，1979，50（6）：4443-4449.

[2] CUEVAS A，KERR M J，SAMUNDSETT C，et al. Millisecond minority carrier lifetimes in n-type multicrystalline silicon[J]. Applied physics letters，2002，81（26）：4952-4954.

[3] 鄭達敏，趙增超，劉舟，等.高效太陽電池技術(shù)及其核心裝備國產(chǎn)化進展[J]. 有色設(shè)備，2021，35（5）：78-82，88.

[4] WOLF S D，CHOULAT P，SZLUFCIK J，et al. Light-induced degradation of very low resistivity multi-crystalline silicon solar cells[C]//Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE Photovoltaic Specialists Conference，September 15-22，2000，Anchorage，AK，USA.Washington：IEEE，200053-200056.

[5] 黃志海，陳勇平，趙志然，等.基于BBr3液態(tài)硼源的管式擴散設(shè)備研究與開發(fā)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2020，49（4）：9-12.

STUDY ON SOME DIFFICULT PROBLEMS OF BORON

DIFFUSION EQUIPMENT

Peng Hao，Zhao Zhiran，Long Hui，Guo Hao

（Hunan Red Solar New Energy Science and Technology Co.，Ltd.，Changsha 410221，China）

Abstract：With the acceleration of investment in n-type solar cells，domestic PV enterprises have actively carried out the layout of TOPcon solar cells，the industrialization process has been accelerated，and the implementation of new technologies has been promoted. As one of the key process equipment of TOPcon solar cell technology，boron diffusion equipment has received great attention from the market. This paper aiming at the problems of different types of boron sources encountered in the use of boron diffusion equipment，through analyzing the characteristics of various boron sources，the corresponding boron source treatment scheme is proposed，and the boron source control effect is verified. Aiming at the problem of adhesion of by-product BSG，the function of slope rise and fall temperature is proposed by analyzing the characteristics and hazards of by-product. Aiming at the problem of high energy consumption，the equipment heating power output ratio function is proposed by analyzing the main sources of energy consumption. The research results show that these methods can effectively solve these difficult problems and help to improve the stability of the boron diffusion equipment.

Keywords：TOPcon solar cells；boron diffusion equipment；boron source；BSG；high energy consumption