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晶体硅太阳能电池扩散工艺探究论文


Jiangxi Yuzhou Vocational Institue of Science of Technology













晶体硅太阳能电池扩散工艺探究

系(院)名称:新能源工程学院 专

业班级: 学生姓名: 指导教师: 学 号:

2011 年

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晶体硅太阳能电池扩散工艺探究

摘 要 对已经取得较普遍应用的晶体硅太阳电池来说,开发新技术和优化制造
工以降低电池的制造成本是目前该领域最重要的努力方向之一。 本文所研究的主 要问题是低成本晶体硅太阳电池在工业化生产中的扩散制作 p-n 结工艺。 通过研 究不同扩散工艺条件与电池的相关性能参数的关系, 得出适合于高转换效率大规 模制作的最佳扩散工艺条件。在扩散这方面的理论虽然比较成熟,但是对工业化 生产涉及的具体工艺的系统研究在国内还没有相关报导。 为了能够便于了解扩散制作 p-n 结理论及其工艺, 本文对生产晶体硅太阳电 池的基本工作原理及其主要的制造工艺流程进行了描述。在理论方面,本文对扩 散制作 p-n 结、 电极制作及应用在晶体硅太阳电池 p-n 结烧结过程中所关联的因 素进行了分析。然后,论文从工艺流程对扩散方块电阻的阻值控制要求出发,结 合正表面电极设计角度,利用扩散薄层电阻对栅线间隔设计的要求,分析了相关 功率的损耗。 从扩散均匀性对太阳电池电性能的影响角度, 论文通过实验分析了电池表面 不同扩散浓度分布对电池少子寿命、开路电压、短路电流及烧结条件的影响;同 时, 论文还分析了太阳电池表面余误差函数分布下不同扩散浓度对烧结工艺的要 求及填充因子的影响和对电池少子寿命及开路电压的影响。 通过生产线的实验验 证,获得了一致的分析结果。经进一步的工艺优化与分析,扩散工艺具有低成本 生产高效晶体硅太阳电池的广阔前景。

关键词:硅太阳电池 扩散 均匀性 转换效率





第一章 绪 论...................................................... 1

I

1.1 太阳电池的应用领域 .......................................... 1 1.2 晶体硅太阳电池研究的发展状态与发展趋势 ...................... 3 1.3 本论文研究内容与研究意义 .................................... 5

第二章 晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程 .............. 7
2.1 2.2 晶体硅太阳电池的器件结构 ................................... 7 硅 PN 结太阳电池的基本工作原理 ............................. 11 2.2.1 光生伏特效应......................................... 11 2.2.2 I-V 特性 ............................................. 13

第三章 扩散制作 PN 结与电极制作分析 .......................... 16
扩散制作 PN 结 ............................................. 16 3.1.1 扩散的基本原理....................................... 16 3.1.2 一维 Fick 扩散方程.................................... 17 3.1.3 恒定扩散系数......................................... 18 3.1.4 与浓度有关的扩散系数................................. 19 3.1.5 扩散系数与温度的关系................................. 20 3.2 扩散参数 ................................................... 21 3.3 扩散方法和工艺条件的选择 ................................... 23 3.4 扩散质量的检验 ............................................. 24 3.4.1 表面质量检验.......................................... 24 3.4.2 结深的检验............................................ 24 3.4.3 方块电阻的检验........................................ 25 3.1

第四章 晶体硅太阳电池的扩散工艺研究 .......................... 25
4.1 实验片的准备与主要工艺流程控制 ............................. 25 4.2 扩散均匀性实验与研究 ....................................... 27 4.2.1 扩散均匀性影响因素与气氛场均匀性实验研究.............. 28 4.2.2 工艺气体流量对炉内温度的影响.......................... 28 4.3 扩散对太阳电池电性能的影响 ................................. 29

第五章 结论与展望 ............................................... 31 致 谢............................................................ 33

参考文献 ......................................................... 34

II

第一章 绪 论

早在 1839 年,法国科学家贝克雷尔(Becquerel)就发现一种奇特现象,即 半导体在电解质溶液中会产生 “光生伏特效应” 简称 , “光伏 (PV, photovoltaics) 效应” 。太阳能电池就是依靠光伏效应工作,利用光电转换原理使太阳的辐射光 通过半导体物质转变为电能的一种器件。1954 年出现了现在的硅太阳能电池的 第一代产品。太阳能电池的出现,开始了研究与利用太阳能发电的新纪元。

1.1 太阳电池的应用领域
当前全球对能源的需求快速稳定增长, 而像化石能源和核能等传统的能源供 应在可预见的时间内又是有限的,且传统的能源在应用中带来的温室效应、臭氧 空洞、酸雨等环境问题越发突出而不容忽视。所以,人类已普遍认识到,可再生 能源的开发和利用是克服这些困难的必然选择。 可再生能源包括水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等;其资 源潜力大,环境污染低,可永续利用,是有利于人与自然和谐发展的重要能源。 将太阳光直接转换成电能进行能源利用的光伏产业是可再生能源非常有效的利 用领域之一。近年来,太阳能的光伏应用已给我们展示了一幅非常广阔的前景。 它已开始影响了我们的日常生活和工业生产, 而且必将在更大程度上进一步渗透 到人类社会生活的诸多领域[1]。除建设太阳电池大型电站、屋顶并网发电系统、 BIPV光伏建筑一体化外,在某些特殊的应用领域,太阳电池的利用也有着独特的 优势:太阳电池可用于边远地区的独立电源供应,因为将国家电网延伸到边远地 区或者在边远地区建造火力发电站来供应低密度的居民用电是非常昂贵的, 相对 来说应用独立的太阳电池发电系统成本反而降低。在远程通讯的中继站用电源、 海上石油钻探船、民用、军用导航指示系统、边远或高山军用哨所照明、通讯及 雷达系统电源等方面也有独特的优势。 另外, 太阳电池还以小型能源的形式出现: 如照明灯、花园灯、指示灯及玩具电源、太阳能汽车电池、太阳电池游艇、常规

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电瓶充电太阳电池、医疗汽车的冷藏电源、冷藏车的制冷电源以及冰箱等。 目前,世界上大部分国家能源供应不足。在过去十多年来世界太阳电池的产 量一直以每年 30%到 40%的速度增长,成为世界上发展最快的行业之一[2-3]。各 国政府已采用各种方式来重组能源结构,大量支持太阳能电池这一“绿色能源” 的推广和应用,纷纷提出了庞大的光伏发展计划[3-4]。如日本的“新阳光计划” (NewSunshine Project),德国政府最近推行的“再生能源的法案” ,欧盟计划至 2010 年光伏发电总装机容量达到 3GW,澳大利亚计划 2010 年光伏发电总装机容 量达到 0.75GW。中国政府对外承诺至 2010 年光伏发电总装机容量达到 0.45GW。 按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算,2010 年 全球光伏发电并网装机容量将达到 15GW(1500 万千瓦) ,届时仍不到全球发电总 装机容量的 1%) ,未来数年光伏行业的复合增长率将高达 30%以上。除此以外, 太阳能独立发电系统的应用将进一步增长。在西方国家, “无线”通讯已被大力 推广,太阳能电池是为远距离通讯中继站提供电源的最佳选择。在发展中国家, 仍有大约 20 亿人口居住在远离电网的边缘地区,太阳能电池将为他们的生活带 来方便,最为主要的应用是照明和通讯等。据欧盟的能源预测表明,本世纪中叶 可再生能源在能源结构中的比例将达到 78%,太阳能达到 28%,其中太阳能发电 达 25.5%[5]。 在中国, 随着中国现代化的发展趋势, 中国将很快进入 “城市化” 发展阶段, 对太阳电池的需求会更加强劲,至 2010 年,中国国内太阳电池板的年需求将达 到 300MW,2050 年将达到 100000MW[3];另外,太阳电池在绿色产业中占据着十 分重要的地位。另一方面,中国又面临必须大力发展太阳能的紧迫性挑战,诸如 能源系统的可持续性问题、特殊国情的需要、能源安全的考虑和未来发展的战略 需要等。随着经济发展,对太阳电池产品的需求也在急剧增加。很多大型工程项 目,各类泵站、加压站、通讯传递站、信号站、控制终端等设施的电力、动力供 应, 都会有对太阳电池板的大量需求; 中国的青藏铁路沿线站点的备用生活用电, 中国的西气东输工程的管道阴极保护﹑生活用电和无人值守站点通讯工程的扩 大无疑将进一步带动中国光电事业的发展;近一年左右,全球金融危机促使了中 国政府加大积极发展太阳能发电等清洁能源的举措; 为进一步落实拉动内需的总 体要求,中国政府即将启动中长期的能源战略发展的阶段性具体方案实施计划。
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然而,由于光伏发电系统一次性投入大,导致整体发电成本偏高,一定程度 上制约了其大范围推广发展。因此,目前国际上整个光伏行业的压倒一切的努力 方向就是全力降低太阳能光伏应用的成本[6]。 尽管人们对各种类型的太阳电池进行了多年的研究和开发,至今为止,在大 规模商业化应用中,无毒性的 Si 太阳电池仍然占据绝对主导的地位。而且,新 型硅材料也是未来太阳电池的主要希望之一。目前,非晶硅/纳米晶体硅异质结 太阳电池具有重要的应用前景。 在硅材料太阳电池发展的同时,一系列化合物半导体太阳电池发展迅速,如 GaAs、CdTe、InP、CdS、CuInS2 和 CuInSe2 等。从降低硅太阳电池的制造成本 与大规模应用角度,因有机分子具有低成本、重量轻和分子水平上的可设计性等 竞争优点,从而使有机太阳电池成为现阶段的研究热点[7]。

1.2 晶体硅太阳电池研究的发展状态与发展趋势
硅太阳电池在上世纪八九十年代得到了飞速的发展, 澳大利亚新南威尔士大 学的钝化发射极太阳电池系列和美国斯坦福大学的背面点接触电池在这一期间 的硅太阳电池研究中起了主导作用, 其他许多结构的太阳电池也在不同程度上有 所提高[2,8-9]。 在更早期硅太阳电池的研究中,人们探索了各种各样的结构来改进电池性 能。众所周知的背面场电池减少了背表面处的复合,从而提高了开路电压;浅结 紫电池减少了正表面处的复合; 绒面电池减少了电池表面的反射并提高了光生载 流子的收集;MIS(金属-绝缘层-半导体结构)和 MIN(可看作 MIS 电池和 p-n 结的结合)电池则进一步减少了电池的正表面复合。此外,钛-钯金属化电极和 减反射膜的应用在硅太阳电池发展中的应用也起了重要作用。 近年来硅太阳电池 的研究成果就是在这些早期实验和理论基础上的进一步发展和完善。 当前直拉(MCZ,magnetically-confines Czochralski grown)单晶硅太阳电 池的最高转换效率为 24.5%,其电池为 PERT(Passivated emitter,rear totally-diffused,钝化发射极和背表面全扩散)电池;区熔(FZ,float zone)单

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晶硅最高转换效率 24.7%,其电池为 PERL(passivated emitter,rear locally-diffused,钝化发射极和背表面局部扩散)电池[10-11]。PERT 太阳电池 和 PERL 太阳电池均采用了表面 V 型槽和倒金字塔技术,表面钝化技术和双层减 反射膜技术的提高与陷光理论的完善也进一步降低了表面复合速率、 减少了电池 表面的反射和提高了对红外光的吸收。低成本硅电池的产业化得到了飞速发展。 2004 年,位于德国弗莱堡的夫朗和费太阳能研究所成功地制成世界上第一个转 换效率超过 20%的多晶硅太阳电池[12]。它的主要特点是:用湿氧的方法对后表 面进行氧化降低了处理温度,从而减少了少数载流子寿命的降低;后表面钝化的 绝缘层加上等离子体织构的上表面具有很好的光学特性, 可以很好的对光进行吸 收,从而使电池的厚度低于 100um;激光氧化烧结背接触提供了一个局部的背表 面场。 近些年来,光伏界认为,为了进一步提高硅太阳电池的转换效率,可以通过 4 对发射区进行优化设计,使发射区的复合电流减少,增加开路电压来获取效率 的增益。经过理论研究及实验表明,对电池上表面进行钝化,并在金属电极所覆 盖的区域进行深而重的掺杂,其它区域为浅而轻的掺杂,这样的发射区设计,可 以减少复合损失、降低暗电流。这种结构称为“选择性发射极(SE, Selective-Emitter)。选择性发射极太阳电池是对发射区进行优化的一种太阳 ” 电池[13]。目前,国内有些厂家产业化生产选择性发射极太阳电池的效率达到了 17%~18.5%,这在国内处于领先水平。 通过长时间对基于高纯度高质量硅片的高效电池的研究开发, 光伏领域各研 究机构和生产企业正努力地将相关技术运用到产业化生产。 其中钝化发射极太阳 电池系列和背面点接触电池相关技术的应用最为广泛。在不断提高转换效率、降 低成本的工业化生产中,日本 Sanyo(三洋)公司的 HIT 电池(Heterojunction withIntrinsic Thin Layer,异质结太阳电池,即不同半导体材料形成的太阳电 池)[14]和 SunPower Co.,CA,USA 的 Low-cost rear-contact solar cells[2,14] 的生产应用最为成功,均达到 20%以上的工业化生产转换效率。国内最大的电池 生产企业无锡尚德电力正计划持续改进其突破性技术--冥王星技术(Pluto Technology),并期望在未来两年内,实现单晶光伏(PV)电池 20%转换效率、多 晶光伏电池 18%转换效率的目标,这将对中国国内光伏行业的整体提升产生重要
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影响。 目前行业的一个趋势并正在形成的方向之一是, 利用质量较 FZ Substrates 差的硅料进行高效电池的低成本产业生产, 这是高效低成本太阳电池广泛推向市 场应用的有效途径之一[2]。 太阳电池主要分三代。 目前, 第一代太阳电池约占太阳电池产品市场的 86%。 第一代太阳电池基于硅晶片基础之上,主要采用单晶体硅、多晶体硅及 GaAs 为 材料。第二代太阳电池是基于薄膜技术之上的一种太阳电池。在薄膜电池中,很 薄的光电材料被铺在衬底上,大大地减少了半导体材料的消耗,也容易形成批量 生产,从而大大地降低了太阳电池的成本。薄膜太阳电池材料主要有多晶硅、非 晶硅、碲化镉以及 CIS(Copper Indium Diselenide) 。多晶硅薄膜太阳电池技 术较为成熟。为了进一步提高太阳电池的光电转换效率,各国学者开始研究太阳 电池的效率极限和能量损失机理,并在此基础上提出了第三代太阳电池的概念。 当然,目前第三代太阳电池主要还在进行概念和简单实验研究,主要有前后重叠 电池、多能带电池、热太阳能电池、热载流子电池和冲击离子化太阳能电池(又 叫量子点电池)等[15-16]。 晶体硅太阳电池是目前光伏领域研究的重点, 其研究的焦点是高效、 低成本, 以求最终在产业化上取得突破。 对高效晶体硅太阳电池的研究不仅可以进一步提 5 高太阳电池的效率,满足空间等特殊领域的需要,而且可以加强对光电池的理 论研究,从而为高效硅太阳电池的产业化打下结实的基础。尽管目前太阳电池的 成本还较高,随着生产规模的扩大和光伏技术的进步,其成本会进一步下降。世 界光伏科技界一般认为到 2010 年太阳电池成本将降低到可以与常规能源相竞 争;预测到本世纪中叶,太阳能光伏发电将达到世界总发电量的 10%左右,成为 人类重要的后续能源之一,光伏事业将会更加辉煌!

1.3 本论文研究内容与研究意义
除了产业化运用新技术外,太阳电池制作中的工艺优化也是非常重要的。太 阳电池产业化所面临的重要问题之一是如何在保证电池高转换效率前提下提高 产能。扩散制作 p-n 结是晶体硅太阳电池的核心,是电池质量好坏的关键之一。

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对于扩散工序而言, 确保高效电池的高产能面临的最大问题在于如何保障扩散的 均匀性。扩散均匀性好的电池,其后续工艺参数可控性高,可以较好地保证电池 电性能和参数的稳定性。 扩散均匀性在高效率低成本电池产业推广方面主要有两 (selectiveemitter)电池个方向:一个是太阳电池 p-n 结新结构设计的应用, 比如 N 型电池[17]、SE 等;另一个是由于其他工序或材料新技术的应用需要寻 求的相应的扩散工艺路线, 比如冶金硅用于太阳电池、 Sunpower 公司的 Low-cost rear-contact solarcells 和夏普公司的 back-contact solar cells[18]等。这 些都是扩散对均匀性要求的新的研究方向。 太阳电池是直接将太阳能转换成电能的器件, 无疑转换效率是衡量器件质量 的最重要参数之一。影响转换效率的主要因素包括:硅材料质量;表面结构(限 光) ;电极;寿命(钝化)等。 具体到制造工艺过程,p-n 结制作过程中的扩散工艺对电池的性能具有至关 重要的影响,包括扩散死层的减少、接触电阻损失的降低,开路电压的提高,短 路电流和填充因子的增加, 都为最终获得高光电转换效率的电池发挥至关重要的 作用。 基于这一关键工艺,本学位论文研究内容如下: 1)研究扩散薄层电阻阻值工艺控制与顶部 (正面) 电极设计引起的功率损失; 2)从扩散气氛场角度提出实验方法,优化扩散工艺均匀性; 3)扩散对太阳电池电性能的影响: 电池表面余误差函数分布下不同扩散浓度对电池少子寿命及开路电压的影 响; 电池表面余误差函数分布下不同扩散浓度对烧结工艺的要求及填充因子的 影响; 通过研究以上不同扩散工艺条件与电池的相关性能参数的关系, 得出适合于 高转换效率大规模制作的最佳扩散工艺条件。

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第二章 晶体硅太阳电池的基本原理和制造工艺流程

2.1 晶体硅太阳电池的器件结构
晶体硅太阳电池的基本结构见图 2-1,它由扩散法在表面形成的浅 p-n 结, 正面欧姆接触栅格电极,覆盖于整个背面的欧姆接触电极以及正面减反射膜构 成。

目前,大多数太阳电池厂家都是通过扩散工艺,在 p 型硅片上形成 n 型区, 在两区交界就形成了一个 p-n 结。太阳电池的基本结构就是一个大面积平面 p-n 结。太阳能电池是一种少数载流子工作器件,当光照射到一个 p 型半导体的表面 上,光在材料内的吸收产生电子与空穴对。在这种情况下,电子是少数载流子, 它的寿命定义为从其产生到其与空穴复合之间所生存的时间。 少数载流子在电池 内的寿命决定了电池的转换效率。因此要提高电池的转换效率,就必须设法减少 少数载流子在电池内的复合,从而增加少数载流子的寿命。 基于以上提高电池转换效率的途径, 派生了多种高效晶体硅太阳能电池的设 计和制造工艺。 其中包括 PESC 电池 (发射结钝化太阳电池) 和表面刻槽绒面 PESC 电池;背面点接触电池 PCC(前后表面钝化电池) ;PERL 电池(发射结钝化和背 面点接触电池) ,见图 2-2。由这些电池设计和工艺制造出的电池的转换效率均 高于 20%,其中保持世界记录(24.7%)的单晶硅是由 PERL 电池实现的[10]。 像 PERL、PESC 等实验室高效太阳能电池的结构具有以下特点:
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1)表面采用了倒金字塔结构进一步减小光在前表面的反射并更有效地将进 入硅片的光限制在电池之内; 2)硅表面磷掺杂的浓度较低以减少表面的复合和避免表面“死层”存在;3) 前后表面电极下面局部采用高浓度扩散以减小电极区复合并形成好的欧姆接触; 4)前表面电极很窄 (只有 20 微米宽)以及电极条之间的距离变窄使得前表面 遮光面积降低到最小并减少 n 型区横向导电电阻的损失; 5)前表面电极采用更匹配的金属如钛、钯、银金属组合以进一步减小电极与 硅的接触电阻; 6)电池的前后表面采用 SiO2 和点接触的方法以减少电池的表面复合; 7)利用两层减反射膜将前表面反射降到最低。但是,这类实验室太阳电池的 制造过程相当烦琐,其中涉及到好几道光刻工艺,所以不是一个低成本的生产工 艺,很难将其应用于大规模工业生产。

1. 八十年代中期, 新南威尔斯大学发明了 “激光埋沿式电池制造工艺” [2,8-9]

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2. 图 2-3 描述了这种电池结构,这一电池技术采纳了高效太阳能电池的优点, 简化了高效太阳能电池的制造工艺,使之成为可生产的技术。

激光埋沿式电池制造的主要工艺流程是: 1)表面金字塔的形成;→2)表面淡磷扩散;→3)表面氧化物(SiO2)生长;→ 4)激光刻槽;→5)槽内化学腐蚀;→6)槽内浓磷扩散;→7)背面金属铝蒸发;→ 8)背面金属铝烧结;→9)化学镀前后面金属电极;→10)边缘切割。 目前这一技术已转让给好几家世界上规模较大的太阳能电池生产厂家如英 国的 BP SOLAR 和美国的 SOLAREX 等。 2000 年,日本三洋公司(Sanyo)报道了一种新型的高效太阳能电池设计和 制造的方法。图 2-4 显示了这种电池的结构示意图[14,19]。此种电池基于一种 n-型晶体硅材料,采用等离子体化学沉积(PECVD)方法在 n-型硅片衬底上沉淀 本征层 i-和 p-型非晶硅薄膜,从而形成 n-型硅和非晶硅异质结结构(HIT)太 阳电池,非晶硅(a-Si:H)材料的带宽在 1.7eV 左右,远大于晶体硅 1.1eV 的带 宽,因此此种 HIT 电池结构对于电池表面有很好的钝化作用。同时,由于非晶硅 几乎没有横向导电性能,因此必须在硅表面淀积一层大面积的透明导电膜(TCO) 以有效地收集电池的电流。

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目前国际上大多数晶体硅太阳能电池生产厂家都采用丝网印刷技术。 这一技 术是在七十年代形成的。因此已没有产权归哪一个生产厂家的说法。这一技术对 单晶硅和多晶硅都适用。图 2-5 描述了这一电池的结构。这种结构的太阳电池具 有制造过程简单,设备产能较高的优点。缺点是采用丝网印刷的正面电极在解决 金属—半导体接触电阻和 PN 结的光电特性以及遮光问题之间不能令人满意。本 论文研究的太阳电池采用的就是丝网印刷技术。

丝网印刷选择性发射极太阳电池, 在器件结构上与激光刻槽埋栅电极太阳电 池相似,在制造工艺上更加简化,电极接触的“重”掺杂区和接收光照的“轻” 掺杂区使用丝网印刷磷浆在一次扩散步骤中形成,见图 2-6。

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2.2

硅 PN 结太阳电池的基本工作原理

2.2.1

光生伏特效应

当 p 型半导体和 n 型半导体结合在一起形成 p-n 结时, 由于多数载流子的扩 散,形成了空间电荷区,从而在结区形成一个由 n 区指向 p 区的内建电场。内建 电场又使多数载流子反向漂移,当扩散电流和漂移电流相等时,p-n 结达到了平 衡。只要光子的能量等于或大于 Eg(禁带宽度,晶体硅的禁带宽度为 1.12eV) , 光子照射入半导体内,把电子从价带激发到导带,在价带中留下一个空穴,产生 了一个电子-空穴对。被激发的电子有一种自发的倾向,重新跳回价带与空穴复 合,把吸收的能量放掉,恢复平衡位置[20]。所以,必须在电子和空穴复合前把 电子和空穴分开,使它们不会再复合,实现光转换成电的目的。 我们通常所说的, 提高电池的转换效率必须设法减少少数载流子在太阳电池 内的复合,从而增加少数载流子的寿命。这个分离作用可通过 p-n 结的空间电荷 区来实现。 界面层附近的电子和空穴在复合之前,在空间电荷的电场作用下相互分离。 n 区的空穴向 p 区运动,而 p 区的电子向 n 区运动,最后造成在太阳电池受光面

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(上表面)有大量负电荷(电子)积累,而在电池背光面(下表面)有大量正电 荷(空穴)积累。如在电池上、下表面做上金属电极,并用导线接上负载,在负 载上就有电流通过。只要太阳光照不断,负载上就一直有电流通过,这就是光生 伏特效应。

图 2-7 所示为 p-n 结光照前后的能带示意图[7,20]。 平衡时, 由于内建电场, 能带发生弯曲,空间电荷区两端的电势差为 qVD(VD 是 p-n 结的接触电位差) , 如图 2-7(a)所示,为 p-n 结光照前的能带示意图。当能量大于禁带宽度的光 垂直照射在 p-n 结上时,会产生电子-空穴对。在内建电场的作用下,p 型半导 体中的光照产生的电子将流向 n 型半导体, n 型半导体中的空穴将流向 p 型半 而 导体,形成了从 n 型半导体到 p 型半导体的光生电流 LI,见公式(2-1) ,同时 导致光生电势和光生电场的出现。 而光生电场的方向是从 p 型半导体指向 n 型半 导体,与内建电场方向相反,类似于在 p-n 结上加上了正向的外加电场,使得内 建电场的强度降低,设在光照下 p-n 结附近的电子-空穴对的产生率为恒定值 G, 忽略空间电荷区的复合,则从 n 型半导体到 p 型半导体的光生电流 LI 为[7] 正是由于光生电流和光生电势的产生, 使得 p-n 结可能向外电路提供负载电 流和功率。但是,光生电势降低了空间电荷区的势垒,类似于在 p-n 结上加上正 电场,使得 p-n 结产生了正向电流的注入,方向与光生电流相反,导致 p-n 结提 供给外电路的电流减少,这是太阳能电池竭力要避免的。根据理想状态下 p-n
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结(二极管)的电流-电压关系式,可得光照时流过 p-n 结(二极管)的正向电 流为:

式中 q 为电子电量,k 为波尔兹曼常数,T 为绝对温度,0I 为二极管反向饱和 电流,V 为光生电压,n 为二极管质量因子。

2.2.2

I-V 特性

为后续章节分析研究需要,本节先分析晶体硅太阳能电池的等效电路,然后 进一步探讨开路电压 Voc 和电流-电压关系。在理想情况下,短路电流 Isc 等于 光生电流密度乘以电池表面积,开路电压 Voc 等于光生电压。晶体硅太阳电池的 等效电路可以表示成图 2-8 所示的形式[20]。Rse 表示来自电极接触、基体材料 等欧姆损耗的串联电阻,Rsh 表示来自泄漏电流的旁路(并联)电阻,RL 表示负 载电阻,ID 表示二极管电流,IL 表示光生电流。

根据等效电路,可以写出太阳电池的 p-n 结 I-V 特性方程如下:

将式(2-2)代入方程(2-3)可以得到输出电流为:

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对于实际的太阳电池, 二极管正向电流的数值由中性区的扩散电流和耗尽区 内的复合电流组成。 当复合电流占优势时,因子 n=2,当扩散电流占优势时,n=1,当两种电流 可以比拟时,n 介于 1 到 2 之间。 取 n=1, Rsh 足够大, 当 并联电阻引起的旁路电流可忽略不记时, (2-4) 由式 可得

由式(2-5)变形,得出

将 p-n 结开路,即负载电阻无穷大,负载上的电流 I 为零,则此时的电压称 为开路电压,用 Voc 表示,由式(2-6)可知

将 p-n 结短路,即负载电阻、光生电压和光照时流过 p-n 结的正向电流 ID 均为 零,则此时的电流称为短路电流,用 Isc 表示,由式(2-5)可知 scLI=I(2-8) 即光照时的 p-n 结短路电流等于它的光生电流。 短路电流和开路电压是太阳能光电池的重要参数, 并随着太阳光强度的增加

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而增加,如图 2-9 所示[7]。由此可见,随着光强度的增加,短路电流 Isc 呈线 性增长,而开路电压 Voc 呈对数上升,并逐渐达到最大值。所以,我们一般在对 太阳电池和组件的效率进行测试时, 采取大气质量为 AM1.5 的光源模拟器作为标 准。

当 Rsh 足够大,并联电阻引起的旁路电流可忽略不记时。输出功率可以表示为:

图 2-10 所示为丝网印刷电极晶体硅太阳电池典型的 I-V 曲线和 P-V 曲线。 最大功率 Pm 表示输出的最大功率,Vpm 和 Ipm 分别表示与最大功率点对应的输 出电压和输出电流。填充因子 FF 定义为

光电转换效率定义为

式中 Pin 为输入太阳电池的光功率。要获得最高的转换效率,应使 FF、Isc 和 Voc 都最大。提高 FF 和 Voc 的途径是减小复合电流;改善电极欧姆接触,减小 串联电阻 Rse;提高并联电阻,减小旁路漏电流等。提高 Isc 的途径是提高太阳 电池对阳光的吸收效率,提高非平衡少数载流子寿命,减小复合电流损失等。

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第三章 扩散制作 PN 结与电极制作分析

3.1 扩散制作 PN 结
通常情况下,可采取下列方法将掺杂剂原子引入硅中[27]:1)高温下汽相 形成的化学源扩散;2)掺杂氧化物源的扩散;3)离子注入层的退火与扩散。太 阳电池制作中的扩散工艺主要采用高温化学源扩散; 其研究目标是如何控制硅中 掺杂剂的浓度、均匀性、重复性以及大批量生产过程中如何降低成本。

3.1.1

扩散的基本原理

高温下,单晶固体中会产生空位和填隙原子之类的点缺陷[27]。当存在主原 子或杂质原子的浓度梯度时,点缺陷会影响原子的运动。在固体中的扩散能够被 看成为扩散物质借助于空位或自身填隙在晶格中的原子运动。 3-1 所示为晶格 图 常数为 a 的简化二维晶体结构中的原子扩散模型。 空心圆表示占据低温晶格位置 的主原子,实心圆既表示主原子也表示杂质原子。在高温情况下,晶格原子在其 平衡晶格位置附近振动。当某一晶格原子偶然地获得足够的能量而离开晶格位
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置,成为一个填隙原子,同时产生一个空位。当邻近的原子向空位迁移时,这种 机理称为空位扩散,见图 3-1(a) 。

扩散就不适当假如填隙原子从一处移向另一处而并不占据晶格位置, 则称为 填隙扩散,见图 3-1(b) 。一个比主原子小的原子通常做填隙式运动。填隙原子 扩散所需的激活能比那些按空位机理扩散的原子所需的激活能要低。 就硅而言, Ⅲ和Ⅴ族元素通常认为是空位机理占优势的扩散。 当杂质浓度高, 呈现位错或其他高浓度杂质存在时,用这些简单的原子机理来描述了。当杂质浓 度和位错密度都不高时,杂质扩散可以用扩散系数恒定的 Fick 定律来描述。对 于高杂质浓度情况, 则要用与浓度有关的扩散系数与所假定的原子扩散机理或其 他机理相结合来描述。本论文研究基于在 p 型硅片衬底上扩散Ⅴ族元素磷 P,形 成 p-n 结,采用液态源 POCL3 气相扩散。

3.1.2

一维 Fick 扩散方程

1855 年 Fick 发表了他的扩散理论。 假定在无对流液体(或气体)稀释溶液内, 按一维流动形式,每单位面积内的溶质传输可由如下方程描述[27]:

式中 J 是单位面积的溶质的传输速率(或扩散通量) 是溶质的浓度,假 ,N 定它仅仅是 x 和 t 的函数,x 是溶质流动方向的坐标,t 是扩散时间,D 是扩散 系数。式(3-1)称为 Fick 扩散第一定律。它表明扩散物质按溶质浓度减少的方 向(梯度的负方向)流动。
17

根据质量守恒定律, 溶质浓度随时间的变化必须与扩散通量随位置的变化一 样,即:

将式(3-1)代入式(3-2) ,得到一维形式的 Fick 第二定律:

溶质浓度不高时,扩散系数可以认为是常数,式(3-3)便成为:

方程(3-4)称为简单的 Fick 扩散方程。

3.1.3

恒定扩散系数

硅晶体中形成结的杂质扩散可以在两种条件下容易地进行, 一种是恒定表面 浓度条件,另一种是恒定掺杂剂总量条件[27]。 1)恒定表面浓度扩散 在整个扩散过程中,硅表面及表面以外的扩散掺杂剂浓度保持不变。

Ns 是恒定的表面浓度,D 是恒定的扩散系数,x 是位置坐标,t 是扩散时间,

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erfc 是余误差函数符号。 扩散物质浓度等于基体浓度的位置,定义为扩散结 xj,假定扩散层的导电 类型与基体的导电类型相反,在余误差函数分布曲线图上,可以方便地表示出扩 散掺杂的分布和 p-n 结附近基体掺杂的分布。 2)恒定掺杂剂总量扩散和再分布扩散 这种方法是先在硅表面产生一层薄的杂质层,然后再进行扩散,总掺杂剂量 是恒定的。假定在硅片表面上以固定(恒定)的单位面积掺杂剂总量 Q 淀积一薄 层掺杂剂并向硅里扩散。基体具有相反导电类型的掺杂浓度 Nb(原子/cm3) 。恒 定掺杂剂总量扩散的分析可采用高斯分布进行。 在太阳电池制造工艺中通常采用浅结扩散,一般不再有意采用再扩散。故后 续的扩散工艺研究均在电池表面余误差函数分布下进行的, 即扩散条件接近恒定 表面浓度进行的液态气相 POCL3 扩散。但是在后续高温处理工序中,将产生再分 布效应。氧化气氛中再分布扩散方程涉及到可动边界问题,因此求解很难。

3.1.4

与浓度有关的扩散系数

在高浓度情况下,当扩散条件接近恒定表面浓度情况时,测量得的杂质分布 与(3-8)式有偏差。在高浓度区内,杂质分布常常能用与浓度有关的扩散系数 来表示。根据实验测量的分布,我们可以用(3-3)式来确定与浓度有关的扩散 系数。下面仅讨论恒定表面浓度的扩散[27]。按照方程(3-3) 。如果 D 仅仅是掺 杂浓度 N 的函数,表面浓度维持为某一恒定值的话,则(3-3)式可以变换为具 有新变量η的常微分方程,式中

变量代换后 N 和 D 都隐含 x,根据(3-3)式可以求得;

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式(3-10)是根据无穷大系统求出的。为了根据(3-10)式来确定与浓度有关的 扩散系数,我们首先按浓度(或归一化浓度)与η的对应关系作出实测的扩散分 布图。再按照使曲线下面左右两边面积相等的方法选取原点。然后,利用计算数 值积分

以及在整个扩散系数不是常数的区域内求每个η值的微商 dNdη便能够确 定与浓度有关的扩散速率。原点左边,η是负值。N 仅仅是η函数的条件,可以 利用在给定浓度数值下作出 x 与 t1/2 关系曲线的方法得到校验(我们将能够观 察到直线关系) 。

3.1.5

扩散系数与温度的关系

在整个扩散温度范围内,实验测量得的扩散系数常能表示为;

式中 D0 是本征扩散系数,形式上等于扩散温度趋于无穷大时的扩散系数。根据 包括缺陷—杂质相互作用的原子扩散理论,是与原子跃迁频率或晶格振动频率 (通常为 1013Hz)及杂质、缺陷或缺陷—杂质对的跃迁距离有关。在扩散温度 范围内,D0 常常可以认为与温度无关。E 是扩散激活能,它与缺陷杂质复合体的 动能和生成能有关。T 是温度。k 是玻耳兹曼常数。 在金属和硅中某些遵循简单空位扩散模型的元素,E 在 3~4eV 之间,而填 隙扩散模型的 E 则在 0.6~1.2eV 之间。因此,利用作为温度函数的扩散系数的

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测量我们可以确定某种杂质在硅中的扩散是填隙机理或是空位机理占优势。 对于 快扩散物质来说,实测的激活能一般小于 2eV,其扩散机理可以认为与填隙原子 运动有关。

3.2 扩散参数
在太阳电池生产中,对扩散层的表面浓度有一定的要求。实践中,表面浓度 可以通过测量扩散层的结深和“方块电阻” ,然后计算得出。 1) 扩散结深[27] 就是 p-n 结所在的几何位置, 也即扩散杂质浓度与衬低杂质浓度相等的位置 到硅片表面的距离,用 xj 来表示。 结深 xj 可以表示为:

A 是一个与 NS、NB 有关的常数。对应不同的杂质浓度分布函数,其表达式也不 同:

Erfc-1 称为反余误差函数; 为自然对数。 ln 在通常的工艺范围, SBNN 在 102~ 107 范围时,可以查工艺图表确定。 2)扩散层的方块电阻 扩散层的方块电阻又叫做薄层电阻,用 RS 或 R□来表示。它表示表面为正方 形的扩散薄层,在电流方向上所呈现出来的电阻。由电阻公式

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可知,薄层电阻表达式可以写成:

式中ρ、 σ分别为扩散薄层的平均电阻率和平均电导率。 (3-13) 由 式可知, 薄层电阻的大小与薄层的长短无关,而与薄层的平均电导率成反比,与薄层厚度 (即结深 xj)成反比。为了表示薄层电阻不同于一般的电阻,其单位用(欧姆/ 方块)或?/□表示。下面我们简单分析一下薄层电阻的物理意义。

我们知道,在杂质均匀分布的半导体中,假设在室温下杂质已经全部电离, 则半导体中多数载流子浓度就可以用净杂质浓度来表示。对于扩散薄层来说,在 扩散方向上各处的杂质浓度是不相同的,载流子迁移率也是不同的。但是当我们 使用平均值概念时, 扩散薄层的平均电阻率ρ与平均杂质浓度 N(x)应该有这样的 系:

式中 q 为电子电荷电量;N(x)为平均杂质浓度;μ为平均迁移率。把(3-14)式 代入(3-13)式,可以得到:

Q 为单位面积扩散层内的掺杂剂总量。由(3-15)式可以看到,薄层电阻与单位 面积扩散层内的净杂质总量 Q 成反比。因此 RS 的数值就直接反映了扩散后在硅 片内的杂质量的多少。 3)扩散层的表面杂质浓度
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表面杂质浓度是太阳电池的一个重要结构参数。在太阳电池的设计、制造过 程中,或者在分析器件特性时,经常会用到它。采用现代仪器分析技术可以直接 测量它,但是测量过程比较麻烦,费用价格昂贵。因次,在生产实践中,通常采 用工程图解法和计算法间接得到表面杂质浓度的数值。

3.3 扩散方法和工艺条件的选择
晶体硅太阳电池一般利用掺硼的 p 型硅作为基底材料,在 900℃左右,通过 扩散五价的磷原子形成 n 型半导体,组成 p-n 结。太阳电池制造工艺采用的是 POCl3 液态源磷扩散方法。为使 p-n 结处有尽量多的光线到达,p-n 结的结深要 尽量的浅,一般为 250nm,甚至更浅。 用保护性气体(氮气)通过恒温的液态源瓶(鼓泡或吹过表面) ,把杂质源 蒸汽带入高温扩散炉中,经高温热分解同硅片表面反应,还原出杂质原子,并向 硅片内扩散。 POCl3 在常温时就有很高的饱和蒸汽压,对制作高表面浓度的发射区扩散很 适用。它在 600℃以上发生分解热分解,生成五氯化磷和五氧化二磷,五氯化磷 是一种难于分解的物质。如果它附着在硅片和扩散炉石英管表面,会腐蚀硅片和 石英管。因此在扩散时,要尽量消除五氯化磷的产生。具体做法是在扩散时,同 时通入足量的氧气,使五氯化磷氧化分解成五氧化二磷和氯气。 与扩散过程相关的化学反应方程式如下:

所生成的磷原子扩散进入硅内部,形成 n 型杂质分布。产生的氯气随尾气排 出,经过液封瓶吸收后再放空进入大气中。

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3.4 扩散质量的检验
3.4.1 表面质量检验 扩散层表面质量主要指有无合金点、麻点、表面光洁情况。这些表面质量问 题,一般用目检或在显微镜下观察判别。一旦发现上述质量问题,应立即进行分 析,找出原因,并采取相应的改进措施。 3.4.2 结深的检验 阳极氧化去层法测量扩散结深的装置如图 3-2 所示。 阳极氧化去层法又叫做 微分电导率法,其测量方法是在室温条件下,用电化学阳极氧化的方法,在扩散 硅片表面氧化生长一层有一定厚度的二氧化硅膜层,然后用氢氟酸将膜去除,测 定硅片表面的薄层电阻值(电导率) 。重复上述做法,直到导电类型反型为止。 此时,根据所去除的氧化层总厚度,可以计算出 p-n 结的结深。阳极氧化电解溶 液可以使用四氢糠醇和亚硝酸钠的混合液。用铂片做阴极,硅片作为阳极。在两 个电极间加一定电压,在硅片表面生长出一定厚度的二氧化硅层。每次氧化后去 除的二氧化硅厚度为 d,去除 n 次达到反型,则去除的二氧化硅总厚度为 nd。从 硅片上去除的硅片厚度为: Χj =0.43nd 式中系数 0.43 表示获得 1 微米厚度的二氧化硅只需消耗 0.43 微米的硅层。xj 就是结深。这种测量方法的测量误差可以小于 0.03 微米。

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3.4.3 方块电阻的检验 方块电阻的测量采用四探针法测量[22,27]。直列四探针测量方块电阻的装 置如图 3-3 所示。四探针测试法使用四根彼此间距为 S 的探针,成一直线接触在 扩散样片上。靠外边两根探针成为电流探针,由稳压电源供电,在扩散薄层中通 过一定量的电流 I。中间两根探针称为电压探针,用来测定两根探针之间的电位 差 V,即可测出 Rs。如果被测样片的尺寸远远大于探针间距时,方块电阻可以表 示为;

式中 C 为修正因子。其数值由被测样品的长、宽、厚尺寸和探针间距决定。 四探针法测量方块电阻因其简单及成本优势在太阳电池制造中得到普遍应 用。本论文采用此种测量方法进行工艺控制。

第四章 晶体硅太阳电池的扩散工艺研究

4.1 实验片的准备与主要工艺流程控制
1)材料。实验材料选择电阻率在 0.8~3?·cm,尺寸为 125mm×125mm,厚度 为 200±20μm 的太阳能级直拉单晶硅片。 2)制绒。制绒采用标准碱腐蚀单晶绒面工艺,出绒率在 95%以上。硅片采用 P 型且晶向为[100]的单晶硅片。见图 4-2。

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金字塔形角锥体的表面积 S0 等于四个边长为 a 正三角形 S 之和:

由此可见有绒面的受光面积比光面提高了倍即 1.732 倍。见图 4-3。当一束 强度为 E0 的光投射到图中的 A 点,产生反射光Φ1 和进入硅中的折射光Φ2。反 射光Φ1 可以继续投射到另一方锥的 B 点,产生二次反射光Φ3 和进入半导体的 折射光Φ4;而对光面电池就不产生这第二次的入射。经计算可知还有 11%的二 次反射光可能进行第三次反射和折射,由此可算得绒面的反射率为 9.04%。见图 4-4。

3)扩散。 选择单面扩散工艺,扩散后方块电阻为 50±5?/□;少数载流子寿命 ≥10μs。采用三氯氧磷气体携带源方式,这个工艺的特点是生产量大,有利于 降低成本。8 吋硅片扩散炉、石英管口径达 270mm,可以扩散 156×156(mm)的 硅片。由于石英管口径大,恒温区长,提高了扩散薄层电阻均匀性,有利于降低 太阳电池的串联电阻 Rs,从而提高太阳电池填充因子 FF。本文后续章节将就此 工序进行深入研究。 4)镀减反射涂层。 采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅层工艺来形成表面减反射 涂层,其厚度在 80nm 左右。先期的高效单晶硅太阳电池一般采用钝化发射区太 阳电池(PESC)工艺。在扩散后去除磷硅玻璃(PSG)的硅片上,热 氧化生长一层 10nm~25nm 厚的 SiO2,使表面层非晶化,改变了表面层硅原子价 键失配情况,使表面趋于稳定,这样减少了发射区表面复合,提高了太阳电池对

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蓝光的响应,同时也增加了短路电流密度 Jsc,由于减少了发射区表面复合,这 样也就减少了反向饱和电流密度,从而提高了太阳电池开路电压 Voc。还有如果 没有这层 SiN,直接淀积 TiO2 薄膜,硅表面上会出现陷阱型的滞后现象导致太 阳电池短路电流衰减,一般会衰减 8%左右,从而降低光电转换效率。故要先生 长 SiN 钝化再生长 TiO2 减反射膜。 TiO2 减反射膜是用 APCVD 设备生长的,它通过钛酸异丙脂与纯水产生水解反 应来生长 TiO2 薄膜。

早期,多晶硅太阳电池广泛使用 PECVD 淀积 SiN,由于 PECVD 淀积 SiN 时,不 光是生长 SiN 作为减反射膜,同时生成了大量的原子氢,这些氢原子能对多晶 硅片具有表面钝化和体钝化的双重作用,可用于大批量生产高效多晶硅太阳电 池,为上世纪末多晶硅太阳电池的产量超过单晶硅太阳电池创造了条件。随着 PECVD 在多晶硅太阳电池成功,从而使 PECVD 用于单晶硅太阳电池作表面钝化成 为现实。 由于生成的氮化硅薄膜含有大量的氢,可以很好的钝化硅中的位错、表面悬 挂键,从而提高了硅片中载流子迁移率,一般要提高 20%左右,同时由于 SiN 薄 膜对单晶硅表面有非常明显钝化作用。从生产经验来看,用 PECVD SiN 作为减反 膜的单晶硅太阳电池效率较高于传统的由 APCVD TiO2 作为减反膜单晶太阳电池。 5)印刷电极和烧结。采用的标准丝网印刷铝背面场,背面银铝电极和正面印 刷银电极的工业太阳电池生产流程。其中正面电极为 45 条 125um 宽栅线,2 条 2.0mm 宽的主线; 背面场电阻率为 烧工艺) 。 。 烧结采用九温区快速烧结炉 (共

4.2 扩散均匀性实验与研究

太阳电池产业化所面临的重要问题之一是如何在保证电池高转换效率前提 下提高产能。扩散制作 p-n 结是晶体硅太阳电池的核心,是电池质量好坏的关键 之一。 对于扩散工序而言, 确保高效电池的高产能面临的最大问题在于如何保障扩
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散的均匀性。扩散均匀性好的电池,其后续工艺参数可控性高,可以较好地保证 电池电性能和参数的稳定性。

4.2.1 扩散均匀性影响因素与气氛场均匀性实验研究

工业化生产中扩散炉的均匀性主要通过测试扩散后硅片的方块电阻来反映。 因工艺时间、气体流量和工艺温度的变化非常直观地体现在方块电阻值的变化 上,即增加工艺反应时间和工艺反应温度将导致方块电阻值的降低,磷源流量的 减小反映在方块电阻值的升高;反之亦然。故在产业生产中调整扩散均匀性主要 通过三者来完成。 本章节就影响扩散气氛场的几个主要因素进行了初步的实验研 究。

4.2.2 工艺气体流量对炉内温度的影响

在工艺温度稳定的条件下,关闭小 N2(磷源 bubbler bottle) ,通过手动调 节大 N2 流量,实验记录扩散炉石英反应管内炉口、炉中、炉尾三段 PROFILE TC(thermacouple)温度随炉内气体流量(压强)变化的变化情况,以研究炉内气 氛场气体流量(压强)变化对与扩散均匀性密切关联的温度的影响程度和趋势。 实验过程包括: 1)检查炉门及各气路连接处的密封性; 2)设备温度 PID 参数自整定; 3)手动调节大 N2 流量,从 35L/min 进行变化,增加到 37L/min,记录流量调 节前后的稳定温度值和流量变化导致的温度动态偏差值(见表 4-1); 4)手动调节大 N2 流量,从 35L/min 进行变化,减少到 33L/min,记录流量调 节前后的稳定温度值和流量变化导致的温度动态偏差值(见表 4-2)。 表 4-1 在稳定条件下, 流量从 35L/min 增加到 37L/min 后所导致的温度动态偏差 值

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从表 4-1 和表 4-2 的数据可以看出,气流量由 35 L/min 向 37 L/min 变化, 炉尾温度降低 1℃, 炉口温度没有变化, 气流量由 35L 到 33L, 炉尾温度升高 1℃, 炉口温度降低 1℃。由本实验可以得出,气流量对炉内整体温度变化过程的影响 较小。 采用改变工艺气体流量大小的方式来实现扩散均匀性的工艺调整主要是基 于工艺气体在石英管内的浓度梯度不同而进行的, 浓度梯度是从炉尾向炉口方向 降低。工业生产中为补偿工艺气体浓度梯度带来的差异,一般采取对温区分段进 行温度差异控制。从温区抗干扰角度可以看出一个趋势,随着流量的减小,炉尾 恒温区外的温度将小幅升高;炉口恒温区外的温度将小幅降低,但较炉尾受到的 影响小些。

4.3 扩散对太阳电池电性能的影响

晶体硅太阳电池的主要工艺制作过程包括制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、 烧结等工序, 每道工序的相关控制参数都直接或间接地与电池的相关电性能参数 相关联。对于扩散工序而言,扩散的均匀性直接体现在硅片形成的 p-n 结结深差 异性上,均匀性好反映出结深差异性小,反之亦然。而不同的 p-n 结结深对于烧 结的条件是不一样的,从另一方面来讲,同样的烧结条件生产应用于扩散均匀性
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好的在制电池片,其欧姆接触性能、填充因子等电性能参数一致性好,最终体现 在太阳电池的转换效率一致性的可控性上。所以,扩散均匀性对太阳电池电性能 的影响一定程度上表现在电池表面不同扩散浓度分布对电池少子寿命、 开路电压 的影响、短路电流及烧结条件的影响。 为研究说明扩散均匀性对应结深差异性对电池电性能的影响, 选取两批炉口 片内均匀性存在明显差异在制硅片进行对比实验。 后续工艺用一样的设备和一样 的工艺条件生产。

电性能参数意义: Uoc:在一个标准太阳光强下工作时电池片开路电压值; Isc:在一个标准太阳光强下工作时电池片短路电流值; Rs:在一个标准太阳光强下工作时电池片的串联电阻值(因为光照强度会改 变半导体的导电特性,电池片的串联电阻、并联电阻和填充因子的数值都会受到 光强的影响而发生改变,所以此处标明了是在一个标准太阳光强下的数值) ; Rsh:在一个标准太阳光强下工作时电池片的并联电阻值; FF:在一个标准太阳光强下工作时电池片的填充因子; Eff:在一个标准太阳光强下工作时电池片电池片的光电转换效率。

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第五章 结论与展望

对已经取得较普遍应用的晶体硅太阳电池来说, 开发新技术和优化制造工艺 以降低电池的制造成本是目前该领域最重要的努力方向之一。针对这一课题,本 文主要研究了晶体硅低成本规模化生产中的扩散工艺。主要结论与展望有: 1)研究了扩散薄层电阻工艺控制与顶部(正面)电极设计引起的功率损失 电池上电极的设计中决定功率损失的关键参数是电极的布局、 电极的金属层 和电池扩散顶层的簿层电阻、确定电极几何形状的工艺所允许的最小线宽。薄层 电阻较小的电池,栅线间隔较大;薄层电阻较大的电池,栅线间隔较小。故为降 低栅线产生的遮光损失需较小的薄层电阻设计。而从晶体硅太阳电池设计的角 度,为了使电池有最大的电流输出,p-n 结必须靠近电池表面。 2)从扩散气氛场角度提出实验方法,优化了扩散工艺均匀性 太阳电池产业化所面临的重要问题之一是如何在保证电池高转换效率前提 下提高产能。对于扩散工序而言,确保高效电池的高产能面临的最大问题在于如 何保障扩散的均匀性,优化扩散的均匀性主要采取温区补偿技术。本论文用实验 方法分析了影响晶体硅太阳电池扩散均匀性的气氛场因素及其工艺调节优化改 善方法。 3)扩散对太阳电池电性能的影响 扩散的均匀性直接体现在硅片形成的 p-n 结结深差异性上, 均匀性好反映出 结深差异性小,反之亦然。而不同的 p-n 结结深对于烧结的条件是不一样的,从 另一方面来讲,同样的烧结条件生产应用于扩散均匀性好的在制电池片,其欧姆 接触性能、填充因子等电性能参数一致性好,最终体现在太阳电池的转换效率一 致性的可控性上。另一方面,电池相关电性能参数具有好的一致性,能有效保证 电池组件应用的稳定性,在电池性能的防衰减方面具有较好的作用,从而在一定 程度上可以增加电池的使用寿命。论文通过实验研究得知,扩散均匀性的优化调 节,很好地改善了太阳电池的填充因子 FF、并联电阻 Rsh、串联电阻 Rs 和开路 电压 Uoc 等电性能,并把电池平均转换效率从 17.17%左右稳定提高到 17.32%左 右。太阳电池的售价主要依据其功率核算,其转换效率每升高 1%,相当于其生 产成本降低 6%左右。故扩散均匀性的改善所带来的转换效率的提高,相对降低

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了电池的应用成本。 论文还分析了太阳电池表面余误差函数分布下不同扩散浓度对烧结工艺的 要求及填充因子的影响和对电池少子寿命及开路电压的影响。 通过实验研究验证 了扩散浓度对烧结工艺的温度要求及填充因子的良好性能获取是优化的平衡匹 配。 经以上的工艺优化与分析, 扩散工艺具有低成本生产高效晶体硅太阳电池的 广阔前景。

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忙碌了一个月,我的毕业设计课题也终将告一段落。点击运行,也基本达到 预期的效果,虚荣的成就感在没人的时候也总会冒上心头。但由于能力和时间的 关系,总是觉得有很多不尽人意的地方,譬如功能不全、外观粗糙、底层代码的 不合理的地方数不胜数。可是,我又会有点自恋式地安慰自己:做一件事情,不 必过于在乎最终的结果,可贵的是过程中的收获。以此语言来安抚我尚没平复的 心。 毕业设计,也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想籍次机会感谢三年以 来给我帮助的所有老师、同学,你们的友谊是我人生的财富,是我生命中不可或 缺的一部分。我的毕业指导老师 xxx 老师,虽然我们眼中的他很年轻,但他却能 以一位长辈的风范来容谅我的无知和冲动,给我不厌其烦的指导。在此,特向他 道声谢谢。 大学生活即将匆匆忙忙地过去, 但我却能无悔地说: “我曾经来过。 大学三年, ” 但它给我的影响却不能用时间来衡量,这三年以来,经历过的所有事,所有人, 都将是我以后生活回味的一部分,是我为人处事的指南针。就要离开学校,走上 工作的岗位了,这是我人生历程的又一个起点,在这里祝福大学里跟我风雨同舟 的朋友们,一路走好,未来总会是绚烂缤纷

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参考文献
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