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提升晶硅电池光电转换效率?看低压扩散工艺!
2018-11-02 14:59:54   来源:光伏领跑者创新论坛   作者:于红波采编  点击:

  随着高效晶硅太阳能电池技术的发展,低压扩散工艺以其均匀性好,产量大,成本低的优势,成为未来发展的主要方向。对低压扩散工艺进行优化研究可以提高扩散均匀性,从而提升晶硅电池光电转换效率。


  (来源:微信公众号“光伏领跑者创新论坛”ID:PV_top-runner_forum)


  PN结是晶硅太阳电池的核心,制备均匀性好的高方阻发射极不仅可以降低前表面复合,提高开路电压;而且可以较大程度地提高短波的光谱响应,增大短路电流。目前,高方阻电池匹配的银浆已取得突破,解决了因方阻值高产生的串联电阻过大和发射极易烧穿的问题,提高发射极的方块电阻及均匀性已成为提高电池效率的重要手段。


  1、晶硅太阳电池扩散工艺原理


  制备PN结是晶硅太阳电池生产中最基本、最关键的工序之一。工业生产中,制备PN结的专用设备为管式扩散炉。管式扩散炉主要由石英舟、废气室、炉体和气柜等部分构成。工业生产一般使用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放入扩散炉的石英容器内,使用小股的氮气携三氯氧磷进入石英容器,在高温和充足氧气的氛围下,三氯氧磷和硅发生反应,三氯氧磷分解得到磷单质,分解得到的磷原子从四周进入硅片,并向硅片的空隙扩散渗透,最终形成了N型半导体和P型半导体的交界面,也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性较好,有良好的扩散层表面。


  2、低压扩散的优势


  常压扩散炉通常采用管口或管尾进气,通过大氮气流将磷源带到另一端,易造成一端磷源浓度高、另一端浓度低的现象,而且常压下气体分子自由程较小,各区域硅片接触磷源几率差距较大,只能通过调节温度控制方块电阻值,无法保证片内及片间均匀性。


  低压扩散在扩散炉工作腔内使用负压环境,气体分子自由程变大,可以提高扩散炉管内气流的均匀性,避免湍流产生,从而提高扩散的均匀性,为晶硅太阳电池效率进一步提升奠定了基础。由于扩散方阻均匀性的提高,装片石英舟槽间距设计可降为标准值的一半左右,这样可以在设备体积不变的情况下将产能提高1倍。此外,低压扩散过程中化学品的利用效率提高,工艺过程中化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:进舟,恒温降压,低压氧化,低温低压沉积,升温,高温低压推进,升压,常压氧化,降温,出舟共10个工艺过程。影响扩散工艺结果主要集中在低温低压沉积和高温低压推进这两个工艺过程。这两个工艺过程中的温度,气压,气体流量影响着扩散方阻的大小、方阻均匀性、制结深度,进而影响太阳电池的光电转换效率。


  3.1工艺温度优化


  在低压环境下,扩散源的分子自由程增长,扩散源的占比增大,低压扩散中磷原子沉积于硅片表面的速率远快于常压扩散。这样容易引起磷原子集中于硅片浅表面,如果高温低压推进过程不能将这些磷原子推进至合适深度,就会使硅片浅表面磷浓度过大,引起硅片浅表面电子空穴对复合过快,进而影响太阳电池光电转换效率。优化扩散工艺中的高温推进温度和时间显得尤为重要。


  方阻的测试方法:每管选取3片硅片分别为炉口一片,炉中一片,炉尾一片;每片选5个测试点,中心、右上、右下、左下、左上5点位置。片内不均匀性的计算方法为:片内不均匀性=(最大值-最小值)/(最大值+最小值)。


  常压扩散使用的气压为大气压即101kPa,常压扩散工艺后的方阻及均匀性如表1所示。


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  在低压扩散工艺中,磷原子沉积的速率较快,使用相同的低温低压沉积的时间会使方阻变得很小。使用20kPa的气压,缩短低温低压沉积时间形成低压扩散工艺一,方阻及均匀性如表2所示。


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  常压扩散片内不均匀性为4.48%~5.53%,而低压扩散方阻一致性较好,其片内不均匀性为2.37%~2.86%。一般来说扩散方阻均匀性提高,太阳电池光电转换效率会随之提高。而采用低压扩散工艺一,方阻均匀性提高了,但是太阳电池光电转换效率反而降低。通过测试参杂浓度后发现常压扩散工艺之后,参杂浓度最高位置出现在0.2μm位置,浓度为2×1020/cm3,而低压扩散工艺一参杂浓度最高位置出现在0.15μm位置,浓度为5×1020/cm3。常压扩散和低压扩散工艺一参杂浓度随深度变化曲线如图1所示。


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  针对低压扩散工艺一,硅片浅表面参杂浓度高的情况,优化低压扩散工艺中高温低压推进过程,将温度提高,时间延长形成低压扩散工艺二,其扩散方阻及均匀性如表3所示。


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  制绒后的多晶硅片分别经过常压扩散工艺、低压扩散工艺一、低压扩散工艺二后,在后续的二次清洗、镀膜、丝网印刷工序中使用同样的工艺,使用测试分选机记录的使用3种扩散工艺电池片的电性能参数如表4所示。


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  由于使用低压扩散工艺一的硅片浅表面参杂浓度较高,其开路电压较低,光电转换效率较常压扩散工艺的电池片低。经工艺优化后,使用低压扩散工艺二的多晶电池片开路电压明显提升,由于低压扩散均匀性较好,其短路电流较大,光电转换效率也较常压扩散工艺有所提高。


  3.2工艺流量优化


  低压扩散中磷原子沉积于硅片表面的速率远快于常压扩散。为了控制参杂的速率,同时为了制备更高方阻电池片,将低温低压沉积过程中气体的流量减小为原来的3/4,优化形成低压扩散工艺三,其扩散方阻及均匀性如表5所示。经低压扩散工艺三的硅片方阻值每方为107~113Ω,其片内不均匀性为1.80%~2.28%,均匀性较低压扩散工艺二有所提升。


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  3.3工艺压力优化


  低压扩散方阻均匀性较常压扩散明显提升,进一步降低压力受到低压扩散炉真空泵以及炉体密封性的限制,同时抽真空时间和压力平衡时间也需要延长,在设备能达到压力范围以及工艺时间允许的情况下,将低压扩散气压从20kPa降至10kPa,进一步对工艺进行优化形成低压扩散工艺四,其扩散方阻及均匀性见表6所示。经低压扩散工艺四的硅片方阻值每方为117~122Ω,其片内不均匀性为1.24%~1.69%。经低压扩散工艺四的硅片方阻值较高,且均匀性好。在丝网印刷工序中匹配好电极浆料与烧结温度,以使低压扩散的高方阻、高均匀性优势充分发挥出来,使用测试分选机记录电池片的电性能参数如表7所示。

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  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。


  经工艺优化,相对于常压扩散工艺,低压扩散工艺四所制成的多晶电池片短路电流增大100mA,平均光电转换效率提高0.26%。


  4、结论


  在中国电子科技集团公司第四十八研究所研制的新型低压扩散炉上进行低压扩散工艺优化研究,对工艺中的温度、气流量、气压进行优化,得出了较优的低压扩散工艺方案,其扩散工艺后硅片的方阻每方为116~122Ω,片内不均匀性1.24%~1.69%,较常压扩散工艺有大幅度提升。制成的多晶电池片平均效率达到18.51%,较常压扩散工艺提升0.26%。

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