浅谈太阳能晶硅电池生产过程中的扩散工艺

浅谈太阳能晶硅电池生产过程中的扩散工艺
太阳能晶硅电池主要是以单/多晶硅片为原材料，利用光伏效应将太阳能转化为电能。

在电池片的生产过程中，扩散制PN结是最核心的工序。

扩散工艺对电池的性能有着重要影响。

文章从工厂生产的角度，结合工艺及设备使用情况，浅谈扩散工艺的技术特点。

标签：晶硅电池；扩散制结；工艺
1 扩散在传统电池生产中的工艺步骤
原材料硅片来料检验——清洗制绒——扩散制结——干法刻蚀洗磷（或湿法刻蚀）——PECVD镀膜——丝网印刷——烧结——测试分选——电池片成品包装。

2 扩散的原理及POCl3制PN结
物质分子因浓度梯度而进行分子转移是扩散的基本原理；在工厂的晶硅电池生产中，普遍采用热扩散法：即在P型半导体表面掺杂五价磷元素，形成PN结，具体是指以液态POCl3作为扩散源，在高温有氧条件下（>600℃）充分分解反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，利用磷原子（N型）向硅片（P型）内部扩散的方法，改变硅片表面层的导电类型，形成PN结（同时在硅片表面形成一层磷硅玻璃），达到合适的掺杂浓度；当有适当波长的光照射在该PN结上，由于光伏效应而在势垒区两边形成电势，在开路情况下稳定的电势差形成电流。

POCl3→PCL5+P2O5
PCL5+O2→P2O5+CL2↑
POCl3+O2→P2O5+CL2↑
P2O5+Si→SiO2+P↓
POCl3液态源扩散具有生产效率较高，制结均匀平整，扩散层表面良好等优点。

3 扩散设备和扩散的具体工艺过程
扩散方式有管式和链式之分；目前，国内工厂中普遍采用管式扩散炉（下同）制作电池片的PN结；其主要由控制部分、推舟净化部分、炉体部分、气源部分等组成。

在正常的生产过程中（无需运行饱和工艺），其具体工艺过程为：进舟——
低温通氧和大氮——低温通大氮，氧和小氮——高温通大氮，氧和小氮——高温通大氮（恒温）——低温通大氮（冷却）——出舟。

低温通氧即预扩散，可改善方阻的均匀性，减少死层，同时也可以缩短整个工艺时间；扩散过程中对气氛的均匀性要求较高，因此在生产过程中应尽量避免将桨暴露在空气中过长时间；在初次使用或者清洗完成后要运行饱和工艺使扩散环境更加均匀良好。

4 扩散工艺的质量检验和影响因素
（1）扩散层薄层电阻（方块电阻：正方形的扩散薄层在电流方向上的电阻）是反映扩散质量的重要指标，采用四探针法进行测量：
Rs=F（V/I）
F为修正因子，其數值由被测样品的长、宽、厚尺寸和探针间距决定，因探针间距远远大于结深，F修正因子为4.533。

质量检验：在质量控制中一般对方块电阻、同一舟中片间不均匀度、片内不均匀度做检测要求；同时对硅片表面的外观质量如麻点、蓝黑点、脏污等进行检验；对PN结结深（扩散杂质浓度与衬底杂质浓度相等时到硅片表面的距离）进行测量。

（2）影响扩散工艺质量的因素很多且关系复杂，但究其根本，可主要分为以下三类：浓度的影响、温度的影响、时间的影响。

掺杂浓度是扩散工艺的基础和目标，扩散温度则是决定扩散速率的重要因素，而扩散时间则决定掺杂的浓度和结深；在扩散杂质源（POCl3）一定的情况下，源通量、扩散温度和扩散时间是影响扩散工艺的主要参数，直接决定了扩散效果；当结深一定时，若扩散温度过低，则时间加长产量降低，扩散均匀性和重复性变差；若温度过高，则时间变短，扩散的均匀性和重复性也无法保证。

因此，要选择合适的扩散温度和工艺时间，使磷源的分解速度和扩散系数随温度的变化较小，并设定合理的温区温度及进舟出舟速度。

其他如排风、炉口炉尾密封性、石英管洁净程度、桨的位置等也会对扩散工艺产生影响。

总之，一方面要保证硅片表面的扩散浓度和结深符合设计要求，另一方面要获得良好的均匀性和重复性，使片内、片间和各管之间的扩散质量符合检验标准，才能进行量产。

5 常见扩散工艺问题处理
（1）未扩散上：可能因素有小氮流量不足，炉门未关紧，排风太大，磷源被排风抽走；可采取措施有增大小氮的携带流量，调整炉门位置，确保密封良好等。

（2）扩散方阻偏低：可能因素有扩散温度偏高，沉积时间过长，磷源温度偏高；可采取措施有降低扩散温度或沉积时间，调整磷源量或磷源温度等。

（3）扩散方阻偏高：可能因素有扩散温度偏低，沉积时间太短、石英管饱和不良或者磷源温度偏低；可采取的措施有提高扩散温度或沉积时间，调整磷源量，重新饱和等。

（4）扩散后片内方阻不均匀：扩散气流不均匀，可调整扩散气流量和加均流板。

（5）方块电阻极差大：主要还是扩散温度场的分布不均匀，拉炉温，调整各温区恒温温度。

（6）扩散后硅片表面发蓝：硅片在扩散前在空气中曝露时间长，表面形成氧化层或者未甩干等造成。

6 结束语
扩散工艺是太阳能晶硅电池生产的核心，它的优化匹配实验是我们不断努力的方向之一。

这些年相继提出的低浓度浅结高阻密栅技术、选择性发射极SE电池、PERC背钝化、IBC全电极背接触电池等新技术都是以扩散制结为基础，不断优化调整发射结扩散工艺及方阻大小同其他工艺的结合效果；相信随着新技术新理论的进一步革新，通过不断验证实验，最终能达到提高电池转换效率目的。

参考文献
[1]王东，杨冠东，刘富德.光伏电池原理及应用[M].化学工业出版社，2014.
[2]高华，黄其煜.高方阻密栅电池发射结方阻的优化[J].。