晶體硅太陽電池擴(kuò)散氣氛場均勻性研究

1 引言

晶體硅太陽電池能夠取得高效轉(zhuǎn)換效率的原因主要是基于表面鈍化、濕氧氧化等技術(shù)的應(yīng)用。新技術(shù)的開發(fā)與運用同時也極大地促進(jìn)了太陽電池的商業(yè)化發(fā)展。在過去的10年，全球太陽電池的生產(chǎn)以年平均30％的速度快速增長，單晶硅和多晶硅太陽電池的增長所占比重最大，超過整個太陽電池增長的80％。

除產(chǎn)業(yè)化運用新技術(shù)外，太陽電池制作中工藝優(yōu)化也非常重要的。太陽電池產(chǎn)業(yè)化所面臨的主要問題之一是如何在保證電池高轉(zhuǎn)換效率前提下提高產(chǎn)能。擴(kuò)散制作P －N結(jié)是晶體硅太陽電池的核心，也是電池質(zhì)量好壞的關(guān)鍵之一。對于擴(kuò)散工序，最大問題在于如何保障擴(kuò)散的均勻性。擴(kuò)散均勻性好的電池。

其后續(xù)工藝參數(shù)可控性高。可以較好地保證電池電性能和參數(shù)的穩(wěn)定性。擴(kuò)散均勻性在高效率低成本電池產(chǎn)業(yè)推廣方面主要有兩個方向：一個是太陽電池P-N結(jié)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用，比如N型電池、SE(selective emitter)電池等；另一個是由于其他工序或材料新技術(shù)的應(yīng)用需要尋求相應(yīng)的擴(kuò)散工藝路線，比如冶金硅用于太陽電池、SunPower公司的Low- cost rear-contact solar cells和夏普公司的back-contact solarcells等。這些都是擴(kuò)散對均勻性要求新的研究方向。晶體硅產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)散制作P-N結(jié)所采用的擴(kuò)散爐主要為管式電阻加熱方式(普遍選用 Kanthal加熱爐絲)，裝載系統(tǒng)主要有懸臂式(loading／unloading)和軟著陸(soft contact load-ing，簡稱SCL)兩種，國內(nèi)擴(kuò)散爐以懸臂式為主，國外以SCL為主。相對于配置懸臂裝載機(jī)構(gòu)的擴(kuò)散爐，SCL式擴(kuò)散爐因其爐口密封性更易保障，并不采用石英保溫檔圈來保證爐門低溫狀態(tài)。工藝反應(yīng)過程中SiC槳退出反應(yīng)石英管外，這些設(shè)計上的優(yōu)點減少擴(kuò)散均勻性的影響因素，在工藝生產(chǎn)中能更好地保證擴(kuò)散的均勻性；

同時也極大地降低工藝粘污風(fēng)險，為高效太陽電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供硬件保障。這也是SCL式擴(kuò)散爐逐步取代懸臂裝載式擴(kuò)散爐的原因所在。早期的工藝路線主要包括開管擴(kuò)散與閉管擴(kuò)散，鑒于對擴(kuò)散均勻性要求的不斷提高和對高轉(zhuǎn)換效率電池大規(guī)模生產(chǎn)成本降低的要求，現(xiàn)基本采用閉管工藝路線。對懸臂管式擴(kuò)散爐中影響擴(kuò)散均勻性的氣氛場因素進(jìn)行相關(guān)的研究，以達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)、降低生產(chǎn)成本的目的。

2 擴(kuò)散均勻性影響因素

針對管式擴(kuò)散爐的特點，優(yōu)化擴(kuò)散的均勻性主要采取溫區(qū)補(bǔ)償技術(shù)。在大規(guī)模生產(chǎn)中，補(bǔ)償方法主要通過調(diào)整工藝反應(yīng)時間、氣體流量和反應(yīng)溫度三者實現(xiàn)。配備懸臂裝載機(jī)構(gòu)擴(kuò)散爐本身的特點及恒溫區(qū)位置的固定，確保了SiC槳、石英保溫檔圈、均流板和石英舟是固定位置使用。影響擴(kuò)散均勻性因素除相關(guān)物件固定放置位置外，工藝氣體總流量、廢氣排放流量與爐內(nèi)壓強(qiáng)的平衡設(shè)置，均流板的氣體均勻分流設(shè)計，廢氣排放位置與氣流變化對溫度穩(wěn)定抗干擾的平衡設(shè)置等因素也至關(guān)重要，因這些因素相互關(guān)聯(lián)影響，使得生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化相對困難，尤其是氣氛場因素更難控制，這也是該研究領(lǐng)域至今未建立擴(kuò)散均勻性氣氛場工程模型的難點。根據(jù)氣氛場因素的特點，作出擴(kuò)散氣氛場結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1中，箭頭方向為氣體示意流向；廢氣排放管和Profile TC套管處于同一水平面上，工藝廢氣經(jīng)廢氣排放管排到液封吸收瓶(工業(yè)生產(chǎn)常用酸霧處理塔)處理，處理合格后排氣。


工業(yè)化生產(chǎn)中擴(kuò)散爐的均勻性主要通過測試擴(kuò)散后硅片的方塊電阻來反映。工藝反應(yīng)時間、氣體流量和工藝反應(yīng)溫度的變化非常直觀地體現(xiàn)在方塊電阻值的變化上，即增加工藝反應(yīng)時間和工藝反應(yīng)溫度將導(dǎo)致方塊電阻值的降低，磷源流量的減小反映在方塊電阻值的升高；反之亦然。

2．1 工藝氣體流量對爐內(nèi)溫度的影響

在工藝溫度穩(wěn)定條件下，關(guān)閉小N2(磷源bubbler bottle)，通過手動調(diào)節(jié)大N2流量，試驗記錄擴(kuò)散爐石英反應(yīng)管內(nèi)爐口、爐中、爐尾3段Profile TC(tlaermal couple)溫度隨爐內(nèi)氣體流量(壓強(qiáng))的變化情況，以研究爐內(nèi)氣氛場氣體流量(壓強(qiáng))變化對與擴(kuò)散均勻性密切關(guān)聯(lián)的溫度影響程度和趨勢。試驗過程包括：

(1)檢查爐門及各氣路連接處的密封性；

(2)設(shè)備溫度PID參數(shù)自整定；

(3)手動調(diào)節(jié)大N2流量，從25 L／min，增加到27 L/min，記錄流量調(diào)節(jié)前后穩(wěn)定溫度值和流量變化導(dǎo)致的溫度動態(tài)偏差值，見表1；
(4)手動調(diào)節(jié)大N2流量，從25L／min，減少到23 L/min，記錄流量調(diào)節(jié)前后穩(wěn)定溫度值和流量變化導(dǎo)致的溫度動態(tài)偏差值，見表2，表中Zone1為爐尾，Zone2是爐中尾，Zone3為爐中，Zone4是爐中口，Zone5為爐口。


從表1和表2的數(shù)據(jù)可看出，氣流量由25 L／min向27 L／min變化，爐尾溫度降低1℃，爐口溫度無變化，氣流量由25 L／min減少到23 L／min，爐尾溫度升高1℃，爐口溫度降低1℃。

2．3 廢氣排放位置對爐口均勻性的影響

擴(kuò)散爐恒溫區(qū)的有限性與生產(chǎn)產(chǎn)量的最大化是矛盾關(guān)聯(lián)的。在生產(chǎn)中，需要在恒溫區(qū)最大限度地放置擴(kuò)散硅片，保證恒溫區(qū)溫度的精度和穩(wěn)定性。因配置懸臂式裝載系統(tǒng)的擴(kuò)散爐爐口對溫度的干擾最大，可將廢氣管口盡可能地靠近爐門，同時也能改善靠近爐口方向硅片反應(yīng)區(qū)域氣氛場的均勻性。因此，分別調(diào)整廢氣排放位置并進(jìn)行試驗對比。

從表4可看出，廢氣排放口離恒溫區(qū)越遠(yuǎn)，即離爐口越近，爐口的方阻片內(nèi)／片間均勻性改善越好，但廢氣排放的同時也有大量熱能的排放，在排放口區(qū)域聚集的熱能較多，因考慮到爐門的低溫(一般為小于200℃)要求，在一定程度上又限制了排放口到爐門的距離不能太近。所以，生產(chǎn)中廢氣排放口的較佳位置是在一個兩向平衡距離范圍內(nèi)。


2．4 排風(fēng)量大小對爐口均勻性的影響

當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)散爐石英管內(nèi)的工藝氣體總流量一定時，排風(fēng)量大小的設(shè)定直接影響擴(kuò)散爐內(nèi)的氣氛場壓強(qiáng)變化，而氣氛場壓強(qiáng)又與爐內(nèi)工藝氣體的濃度相關(guān)聯(lián)．從而影響擴(kuò)散的均勻性，尤其是爐口的均勻性。

通過表5分析爐口片內(nèi)極差大的具體原因，得到極差大主要是由硅片下半部分方塊電阻大造成的，而這下半部分又與排氣口最近，故采取調(diào)小排氣閥開度，增加爐內(nèi)壓強(qiáng)，間接地增加工藝氣體反應(yīng)時間，從而改善爐口片內(nèi)均勻性和片間均勻性。對于穩(wěn)定生產(chǎn)而言，爐內(nèi)壓強(qiáng)的最佳值是在一定范圍內(nèi)的，這就要求工藝反應(yīng)氣體流量與廢氣排放量需保持一個整體平衡。

3 結(jié)束語

晶體硅太陽電池的主要工藝制作過程包括制絨、擴(kuò)散、刻蝕、鍍膜、印刷、燒結(jié)等，每道工序的相關(guān)控制參數(shù)都直接或間接地與電池電性能參數(shù)相關(guān)聯(lián)。對于擴(kuò)散工序而言，擴(kuò)散的均勻性直接體現(xiàn)在硅片形成的P-N結(jié)結(jié)深差異性上，均勻性好反映出結(jié)深差異性小，反之亦然。

而不同的P-N結(jié)結(jié)深其燒結(jié)條件不一樣。從另一方面，同樣的燒結(jié)條件生產(chǎn)應(yīng)用于擴(kuò)散均勻性好的在制電池片，其歐姆接觸性能、填充因子等電性能參數(shù)一致性好，最終體現(xiàn)在太陽電池的轉(zhuǎn)換效率一致性的可控性。用實驗方法分析影響晶體硅太陽電池擴(kuò)散均勻性的氣氛場因素及其工藝調(diào)節(jié)優(yōu)化改善方法，在工藝調(diào)試過程中需要注意這些氣氛場因素是相互關(guān)聯(lián)影響的，一般先優(yōu)化改善均流板的均勻分流設(shè)計和廢氣排放位置因素，再綜合工藝氣體流量、排氣量等其他相關(guān)因素系統(tǒng)調(diào)整爐內(nèi)壓強(qiáng)平衡。通過擴(kuò)散均勻性的優(yōu)化調(diào)節(jié)。可以很好地改善太陽電池的填充因子FF、并聯(lián)電阻Rsh、串聯(lián)電阻Rs和開路電壓Ucc等電性能，從而降低電池的制造成本。

編輯：博子