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        淺談太陽能晶硅電池生產(chǎn)過程中的擴散工藝

        2016-12-31 00:00:00李瑞波田玉祥朱新剛
        科技創(chuàng)新與應用 2016年14期

        摘 要:太陽能晶硅電池主要是以單/多晶硅片為原材料,利用光伏效應將太陽能轉化為電能。在電池片的生產(chǎn)過程中,擴散制PN結是最核心的工序。擴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,結合工藝及設備使用情況,淺談擴散工藝的技術特點。

        關鍵詞:晶硅電池;擴散制結;工藝

        1 擴散在傳統(tǒng)電池生產(chǎn)中的工藝步驟

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

        2 擴散的原理及POCl3制PN結

        物質分子因濃度梯度而進行分子轉移是擴散的基本原理;在工廠的晶硅電池生產(chǎn)中,普遍采用熱擴散法:即在P型半導體表面摻雜五價磷元素,形成PN結,具體是指以液態(tài)POCl3作為擴散源,在高溫有氧條件下(>600℃)充分分解反應,生成二氧化硅(SiO2)和磷原子,利用磷原子(N型)向硅片(P型)內部擴散的方法,改變硅片表面層的導電類型,形成PN結(同時在硅片表面形成一層磷硅玻璃),達到合適的摻雜濃度;當有適當波長的光照射在該PN結上,由于光伏效應而在勢壘區(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)源擴散具有生產(chǎn)效率較高,制結均勻平整,擴散層表面良好等優(yōu)點。

        3 擴散設備和擴散的具體工藝過程

        擴散方式有管式和鏈式之分;目前,國內工廠中普遍采用管式擴散爐(下同)制作電池片的PN結;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(無需運行飽和工藝),其具體工藝過程為:進舟——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。

        低溫通氧即預擴散,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行飽和工藝使擴散環(huán)境更加均勻良好。

        4 擴散工藝的質量檢驗和影響因素

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

        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,因探針間距遠遠大于結深,F(xiàn)修正因子為4.533。

        質量檢驗:在質量控制中一般對方塊電阻、同一舟中片間不均勻度、片內不均勻度做檢測要求;同時對硅片表面的外觀質量如麻點、藍黑點、臟污等進行檢驗;對PN結結深(擴散雜質濃度與襯底雜質濃度相等時到硅片表面的距離)進行測量。

        (2)影響擴散工藝質量的因素很多且關系復雜,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。

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

        總之,一方面要保證硅片表面的擴散濃度和結深符合設計要求,另一方面要獲得良好的均勻性和重復性,使片內、片間和各管之間的擴散質量符合檢驗標準,才能進行量產(chǎn)。

        5 常見擴散工藝問題處理

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

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

        (3)擴散方阻偏高:可能因素有擴散溫度偏低,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散溫度或沉積時間,調整磷源量,重新飽和等。

        (4)擴散后片內方阻不均勻:擴散氣流不均勻,可調整擴散氣流量和加均流板。

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

        (6)擴散后硅片表面發(fā)藍:硅片在擴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 結束語

        擴散工藝是太陽能晶硅電池生產(chǎn)的核心,它的優(yōu)化匹配實驗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高阻密柵技術、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都是以擴散制結為基礎,不斷優(yōu)化調整發(fā)射結擴散工藝及方阻大小同其他工藝的結合效果;相信隨著新技術新理論的進一步革新,通過不斷驗證實驗,最終能達到提高電池轉換效率目的。

        參考文獻

        [1]王東,楊冠東,劉富德.光伏電池原理及應用[M].化學工業(yè)出版社,2014.

        [2]高華,黃其煜.高方阻密柵電池發(fā)射結方阻的優(yōu)化[J].

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