PN结【jié】是晶硅【guī】太阳电池的核心，制备均匀性【xìng】好的高方阻发射【shè】极不仅【jǐn】可以【yǐ】降低【dī】前表面【miàn】复合，提高【gāo】开路电压;而且可以较大程度地【dì】提高短波的光谱响应【yīng】，增【zēng】大短路电流。目前，高方阻【zǔ】电池匹【pǐ】配的银浆【jiāng】已取得突破，解决了因方【fāng】阻【zǔ】值高产生的串联电阻过大和发射极易【yì】烧穿的问题【tí】，提高发射极【jí】的方块【kuài】电阻及均匀性已成为【wéi】提高电【diàn】池效【xiào】率的重要手【shǒu】段。
1晶硅太阳电池扩散工艺原理
制备PN结【jié】是晶硅【guī】太【tài】阳电池生产中【zhōng】最基本、最关键的工【gōng】序之【zhī】一。工业生产中【zhōng】，制备PN结的专用设【shè】备为管式【shì】扩散【sàn】炉。管式扩散炉主要【yào】由石英舟【zhōu】、废【fèi】气室、炉体【tǐ】和气【qì】柜【guì】等部分构成。工业【yè】生产一【yī】般使用三氯氧磷液态【tài】源作为扩散源。把P型硅【guī】片放【fàng】入扩散炉的石英容器内，使用小股的氮【dàn】气携三氯氧【yǎng】磷进入石英容【róng】器，在高温和充足【zú】氧气的氛围下，三氯氧磷【lín】和硅【guī】发【fā】生反应，三氯氧磷分解得到【dào】磷【lín】单质，分解得到的磷原子从四周进入【rù】硅片，并向硅片的空隙扩散渗透，最终【zhōng】形【xíng】成了N型半导体和P型半【bàn】导体的【de】交界面，也就是PN结。这种【zhǒng】方【fāng】法【fǎ】制出的PN结均匀性较好，有【yǒu】良【liáng】好的扩【kuò】散层表面。
2低压扩散的优势
常压【yā】扩散炉通【tōng】常采用管口或管尾进【jìn】气，通过大氮气【qì】流将磷源带到另一端，易造【zào】成一端磷源浓度高【gāo】、另【lìng】一端浓度低【dī】的现象，而且【qiě】常【cháng】压下气【qì】体分子【zǐ】自由程较小，各区【qū】域硅片接触磷源几率差距【jù】较大，只能通【tōng】过调节温度控制【zhì】方块电阻值，无法保证片【piàn】内及【jí】片间均匀【yún】性。
低压扩散在扩散炉工作腔【qiāng】内使【shǐ】用【yòng】负压环境，气体分子自由程变大，可以提【tí】高扩【kuò】散炉管内气流【liú】的均匀性，避免湍【tuān】流产生，从而提【tí】高【gāo】扩散的均匀性，为晶【jīng】硅【guī】太阳【yáng】电【diàn】池【chí】效率进一步【bù】提升奠定了【le】基础。由【yóu】于扩散方阻均匀性的提高，装片石英舟槽【cáo】间距设计【jì】可降为标准值的一半左右【yòu】，这样可以【yǐ】在设备体【tǐ】积【jī】不变的情况下将产能提高1倍。此外【wài】，低压扩散过程中【zhōng】化学品的利【lì】用效率提【tí】高，工艺过程中化【huà】学品的用量大幅降低，节省成本。
3低压扩散工艺优化实验
晶硅太阳电池扩散工艺包括【kuò】：进舟，恒温【wēn】降压，低压氧化，低温低压【yā】沉积，升温，高【gāo】温【wēn】低压推进【jìn】，升压，常压氧化，降温，出舟共10个工【gōng】艺过程。影响扩【kuò】散工艺结果主要集中在低温低压沉积【jī】和【hé】高温低压推进这两【liǎng】个【gè】工【gōng】艺过程。这两个工艺过程中的【de】温度，气压，气【qì】体流量影响着【zhe】扩散方阻的大小、方【fāng】阻均匀性【xìng】、制结深度【dù】，进而【ér】影响太【tài】阳电池【chí】的光电转【zhuǎn】换效率【lǜ】。
3.1工艺温度优化
在低压环【huán】境下，扩散源的分子自由程【chéng】增长【zhǎng】，扩散源的占比增【zēng】大，低压扩散【sàn】中磷【lín】原子【zǐ】沉积于硅片表面【miàn】的速率远快于常压扩散。这【zhè】样容易引起【qǐ】磷原子集【jí】中于硅片浅表面【miàn】，如【rú】果【guǒ】高温【wēn】低压【yā】推进过程不能将这些磷原子推进【jìn】至合适【shì】深度，就会【huì】使硅【guī】片浅表面磷【lín】浓度过大，引起【qǐ】硅片浅表面电子空穴对复合过【guò】快，进而【ér】影响太阳电池光电【diàn】转换效率。优化【huà】扩散工艺中的高温推进温度和时间显得【dé】尤【yóu】为重要【yào】。
方【fāng】阻的测试【shì】方法：每管选取3片硅片【piàn】分别为【wéi】炉【lú】口一片，炉中一片，炉尾【wěi】一【yī】片;每片选【xuǎn】5个测试点【diǎn】，中【zhōng】心、右上、右下【xià】、左【zuǒ】下、左上5点位置。片内不均匀性的计【jì】算方法为：片内不均匀性=(最【zuì】大值-最小值【zhí】)/(最大值+最小值)。
常【cháng】压扩散使用的气【qì】压为大气【qì】压即101kPa，常压扩散工艺后的方阻及【jí】均匀性如表【biǎo】1所【suǒ】示。
在【zài】低压扩散工【gōng】艺中，磷原子沉积的速率较快【kuài】，使【shǐ】用相同【tóng】的低温低压【yā】沉积【jī】的时间会使方阻变得很小。使【shǐ】用20kPa的气压【yā】，缩短低【dī】温低压沉【chén】积时【shí】间形成低压【yā】扩【kuò】散工艺一，方阻及均匀性如表2所示。
常压扩散片内不【bú】均【jun1】匀性为4.48%~5.53%，而低压扩散方阻一致性较【jiào】好，其片【piàn】内【nèi】不均匀性为2.37%~2.86%。一般来【lái】说扩散【sàn】方【fāng】阻均【jun1】匀性提【tí】高，太阳电池光电转换效率会随之提高。而采【cǎi】用低压扩散【sàn】工艺一，方阻均匀【yún】性提高了，但是太阳电池光电转换效率反而降低。通过测试参杂浓度【dù】后【hòu】发现常【cháng】压扩【kuò】散工艺之后，参杂【zá】浓度最高位置【zhì】出现在0.2μm位置，浓度【dù】为2×1020/cm3，而低压扩散工【gōng】艺一【yī】参杂浓度最高位【wèi】置出现在【zài】0.15μm位置，浓度为5×1020/cm3。常压扩散和【hé】低压扩散工艺【yì】一参杂浓度随【suí】深【shēn】度变【biàn】化【huà】曲线如图1所示。
针【zhēn】对低压扩散工艺一，硅【guī】片浅表面参杂浓【nóng】度高【gāo】的【de】情况，优化低压扩散工艺中高【gāo】温低【dī】压推进【jìn】过程，将温【wēn】度提高【gāo】，时间【jiān】延长形成低压扩散工艺二，其扩散方阻【zǔ】及均匀性如表3所示。
制【zhì】绒后的多晶【jīng】硅片分【fèn】别经过常【cháng】压扩散【sàn】工艺、低压【yā】扩散【sàn】工艺一、低压扩散工【gōng】艺二【èr】后，在后续的二次清洗、镀膜【mó】、丝网【wǎng】印刷【shuā】工序中使用同【tóng】样的工艺，使用【yòng】测试分选机记录的使用3种扩散【sàn】工艺电池片的电性能【néng】参数如表4所【suǒ】示【shì】。
由于使用低【dī】压扩散工【gōng】艺一【yī】的【de】硅片浅【qiǎn】表【biǎo】面【miàn】参【cān】杂浓度较高，其开【kāi】路电压较低【dī】，光电转换效率较常压扩散工艺的电池【chí】片【piàn】低。经工艺【yì】优化后，使用低压扩散工艺二的多晶电池片【piàn】开【kāi】路电压【yā】明显提升，由于低压扩散均匀【yún】性较好，其短路电流【liú】较大，光电【diàn】转换效率也较常压扩散工艺有所提【tí】高。
3.2工艺流量优化
低压扩散中磷原子沉积于硅片表【biǎo】面的速率远快于常【cháng】压扩散。为了【le】控制参杂的速率【lǜ】，同时为【wéi】了制【zhì】备更高方阻电池片【piàn】，将低温【wēn】低压沉积过程中气【qì】体的流【liú】量减小为原来的【de】3/4，优化形成低压扩【kuò】散工【gōng】艺【yì】三，其扩散方阻及均匀性如表【biǎo】5所示【shì】。经低压扩散工艺三【sān】的硅片方【fāng】阻值每方为107~113Ω，其片【piàn】内【nèi】不均匀性为1.80%~2.28%，均匀性较低【dī】压扩【kuò】散工艺二有【yǒu】所【suǒ】提升。
3.3工艺压力优化
低压扩散方【fāng】阻均匀性较常压扩散明显提升【shēng】，进一【yī】步降低压力受到低压扩散炉真空【kōng】泵以及【jí】炉体密封【fēng】性的限制，同时抽真空时间和压力【lì】平衡时间也需要延长，在设备能达到【dào】压力范围以及工艺时【shí】间允许的情况下，将低压扩【kuò】散【sàn】气压【yā】从20kPa降至10kPa，进一步对工艺进【jìn】行优化形成低【dī】压扩散【sàn】工艺四，其扩【kuò】散方阻及均匀【yún】性见【jiàn】表6所示【shì】。经低压扩散工艺【yì】四的【de】硅片方阻值【zhí】每方为117~122Ω，其片【piàn】内【nèi】不【bú】均匀【yún】性为1.24%~1.69%。经【jīng】低压扩【kuò】散工艺【yì】四的硅片方阻值较高，且均匀性【xìng】好【hǎo】。在丝网印刷工序中匹配好【hǎo】电极浆【jiāng】料与烧【shāo】结温度，以使低压扩散的高方阻、高均匀【yún】性优势充分发【fā】挥出来，使用测试【shì】分选机【jī】记【jì】录电【diàn】池片【piàn】的电性能参数如【rú】表【biǎo】7所示。
低压扩散工艺四工艺制成的多晶电池片效率分布如图2所示。
经工艺优【yōu】化，相对于常【cháng】压扩散【sàn】工艺【yì】，低压扩散工艺四所【suǒ】制【zhì】成的多晶电池片短路电流【liú】增【zēng】大100mA，平均【jun1】光电转换效率提高0.26%。
4结论
在中【zhōng】国【guó】电子科技集团公司第四十【shí】八研究所研制的新型低压扩散炉上进行【háng】低压扩散工【gōng】艺优化研究，对【duì】工艺中的温【wēn】度、气流量【liàng】、气压进行【háng】优化【huà】，得出了较【jiào】优【yōu】的低压扩散【sàn】工艺方案，其扩散工艺后硅【guī】片的方阻每方为【wéi】116~122Ω，片内【nèi】不均匀性1.24%~1.69%，较常压【yā】扩【kuò】散【sàn】工艺有大【dà】幅度提升。制成的多晶电池片【piàn】平均【jun1】效率达到18.51%，较常压扩散工艺提升【shēng】0.26%。
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