两次扩散制结在多晶硅太阳电池中的应用

两次扩散制结在多晶硅太阳电池中的应用
摘要：采用电阻率为1.5Ω•cm、156*156的P型多晶硅片，实验对比了传统一次扩散工艺和高低温二次扩散方式所制备的PN结的杂质浓度分布、方块电阻的均匀性、载流子寿命及其太阳电池电学特性。

结果显示，二次扩散的方块电阻标准方差平均值为2.06，硅片表面杂质浓度为1.65*1020/cm3，而在电池电学性能上，二次扩散较一次扩散开路电压提高了0.48%，而短路电流提高了约0.6%，电池转换效率提高了0.7%。

关键词：掺杂；多晶硅太阳电池；两次扩散制结
一、引言
多晶硅太阳电池因制造工序简单、成本低在光伏市场上仍占据着较大的份额。

其制作流程主要包括：制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷和烧结等，每道工序的工艺参数的控制都直接或者间接地与电池的相关电性能参数相关联。

扩散制作PN结是多晶硅太阳电池的核心，也是电池质量好坏的关键之一，因为扩散工艺对硅片表面死层的大小，接触电阻的高低以及短路电流、开路电压和填充因子等电池性能具有至关重要的影响。

目前，主要采用的扩散工艺为一次恒源扩散（预扩散）和恒量扩散（主扩散），这样便于制作浅结，提高太阳电池短波响应。

但是，这样很容易引起表面杂质浓度过高造成“死层”的存在，从而增加表面光生载流子的复合降低了太阳电池的转换效率。

因此，降低表面杂质浓度、减少扩散引起的缺陷、增加杂质浓度梯度分布已成为扩散工艺提高多晶电池转换效率的有效途径[1-3]。

本实验采用高低温两次恒定源和恒量扩散的工艺进行了PN结的制备，并取得了较好的效果。

二、实验方法
实验将500片电阻率为1.5Ω•cm、156*156、厚度为0.18um的P型多晶硅片，均分为两组，分别采用传统一次扩散工艺和二次扩散工艺，利用液态POCl3进行N型扩散。

其中，传统一次扩散工艺流程为：前氧化、低温沉积（800℃）、升温、高温推进（840℃）和降温；二次扩散工艺流程为：前氧化、低温沉积（800℃）、升温、高温推进（840℃）、高温沉积（840℃）、高温推进（840℃）和降温。

两次扩散工艺主要是增加了在高温下的磷扩散和推进过程。

利用四探针电阻测试仪、结深测试仪和WT-2000对两种扩散工艺的硅片进行方块电阻、杂质浓度梯度分布和少子寿命进行了测试。

最后，对制成的太阳电池片进行了电学参数的测试和比较。

三、结果与讨论
1. 方阻的测试
扩散均匀性对太阳电池生产的可控性、稳定性方面有着重要的影响。

扩散的均匀性直接体现在所形成PN结的结深差异上，不同深度的PN结界面将使电池片在烧结过程中烧结温度高使电池片局部烧穿或者局部温度过低加大了串联电阻、降低了填充因子，因此对太阳电池的电学特性有着重要的影响。

不同的扩散工艺影响着扩散的均匀性，在此对两种扩散工艺各温区方块电阻的均匀性和片内方块电阻的分布情况进行了测试，结果如图1所示。

（1）一次扩散工艺（2）两次扩散工艺
图1不同扩散工艺硅片内方块电阻分布图
结果显示，一次扩散工艺方块电阻的平均值为61.96Ω/口，标准方差为3.82；而二次扩散工艺的方块电阻平均值为60.89Ω/口，标准方差为2.06。

同时，图1显示两次扩散工艺制备的扩散后硅片片内方块电阻的阻值均匀性较好，是因为杂质扩散总量通过两次扩散来控制更加精确，同时二次扩散工艺减缓了扩散过程从而使扩散过程更加充分可控。

2.杂质浓度分布和少子寿命测试
结深和杂质浓度分布是扩散工艺调整和控制的的两个主要参数。

同时表过高的表面杂质浓度会引起晶格缺陷和晶格失配，从而引起载流子的复合引起太阳电池的功率损失。

对扩散后硅片进行了杂质浓度梯度分布和少子寿命进行了测试，结果分别如图2和3所示。

从图2得知，两种扩散工艺结深都在0.3-0.5μm，二次扩散工艺的表面杂质
浓度为1.65*1020/cm3，而一次扩散表面杂质浓度为6.20*1020/cm3。

同时一次扩散工艺在硅片表面0.05μm范围内杂质分布较为平坦，没有浓度梯度，此即“死层”。

“死层”是有电不活泼磷存在的结果，它也是短波光子被硅吸收的区域[1]。

而二次扩散工艺在表面杂质分布平坦区域较小，“死层”范围减少。

因此二次扩散不仅降低了表面杂质浓度同时减小了“死层”范围，可以减小高浓度掺杂带来的负面影响，减小表面的载流子复合从而提高少数载流子的寿命。

要提高太阳电池的转换效率，就必须减小少数载流子在电池内的复合，从而增加少子寿命。

影响少子寿命的主要因素包括：体内复合，表面复合和电极区复合[4-6]。

因此如何通过优化工艺参数，减小各种载流子复合，提高少数载流子的寿命是衡量一个工艺是否最优的标准。

通过对两种扩散工艺制成的硅片进行了少子寿命及其分布的结果对比（图3所示），可以发现高低温二次扩散的少子寿命要比一次扩散的少子寿命要高。

这将为提高太阳电池的转换效率打下了良好基础。

3. 太阳电池电学特性
经过相同的镀膜、印刷、烧结和测试工序对两种扩散工艺进行了电池性能的对比，其电学特性如表2所示。

表2：一次扩散和两次扩散工艺的太阳电池电学特性
Uoc I sc Rs Rsh FF Ncell Irev2 Irev1
二次扩散0.623 8.390 0.0034 212.18 78.21 16.82% 0.13 0.10
一次扩散0.620 8.341 0.0032 190.22 78.43 16.70% 0.24 0.10
结果示出，二次扩散较一次扩散开路电压（Uoc）提高了0.48%，而短路电流（Isc）提高了约0.6%，电池转换效率（Ncell）提高了0.7%，但是串联电阻（Rs）和填充因子（FF）却相对偏低了一点。

从图2可知，二次扩散工艺的PN结结深要比一次扩散大0.1um，然而烧结工序却采用的和一次扩散工艺同样的烧结参数，结果可能导致二次扩散烧结温度偏低导致Rs大，FF低。

因此需要对其它各工序对二次扩散工艺进行匹配优化，从而使太阳电池转换效率进一步提升。

四、结论
通过采用高低温二次扩散工艺，提高了扩散的均匀性，降低了多晶硅表面杂质浓度，减小了表面“死层”范围，提高了少数载流子的寿命。

最终制成太阳电池后，增加了开路电压和短路电流从而使太阳电池的转化效率提高了约0.12%。

但
是，该扩散工艺还和其它工序匹配还不是最佳，今后需要进一步优化各工序工艺从而更大程度的地提高太阳电池的转化效率。

参考文献
[1]高华,杨乐,周光华,解光军.两次制结提高n+P型Si太阳电池转换效率的研究.合肥工业大学学报(自然科学版)[J],2010,33（6）:958-960.
[2] Tanncnbaum E．Detailed analysis of thin phosphorus diffused layers in p-type silicon[J]．Solid State Electronics，1961，2(1)：123-132
[3]Negrini P，Nobili D，Solmi s．Kinet。

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[4] 马丁·格林著，李秀文，谢鸿礼，赵海滨等，译. 太阳电池工作原理、工艺和系统的应用[M].北京：电子工业出版社，1987.
[5] 陈金学.晶体硅太阳电池材料的磷吸杂研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[6] Zhao J., Wang A., Altermatt P. And Green M. A. 24% efficient silicon solar cells with double layer antireflection coatings and reduced resistance loss[J]. Appl.Phys.Lett, 1995, 66: 3636-3638.。