对扩散后方块电阻、表面浓度和结深的影响,采用四探针测

摘要：本文研究了单晶硅片不同的基体电阻率，对扩散后方块电阻、表面浓度和结深的影响，采用四探针测试法测定了发射极的方块电阻，结果显示基体电阻率越高，扩散后的方阻越高，采用电化学电压电容（ECV）测量方法测量了发射极表面浓度与结深的变化， ECV测量的结果表明了电阻率高的硅片扩散后表面浓度低、结深越小，是扩散后方阻高的原因，这些结果对太阳能电池生产的扩散工艺有一定的指导意义。

引言：目前，在国际环境和能源问题日趋严重的大背景下，新型无污染的新能源得到的快速的发展，而太阳能电池能够将太阳能直接转化成电能得到了大力的发展，到目前为止，晶体硅太阳能电池仍占据着整个太阳能电池的主要市场[1-3]。然而到目前为止使用太阳能电池的成本依然较高，虽然成本每年都在降低。降低太阳能电池发电的生产成本和提高其转换效率一直是研究的热点[4]。

扩散形成p-n结实太阳能生产中的重要的环节，p-n结是整个太阳能电池的心脏部分，通过改变扩散生产工艺，来提高太阳能电池性能的研究有很多。李等通过改变扩散的时间和温度来改变多晶硅扩散的电阻在发现，当方阻小于70Ω/sq的时候，电池效率随着方阻的增加而增加，当大于70Ω/sq的时候随着方阻的增加而减小[ 5 ]。

Betezen等从实验中得出，降低温度和延长扩散时间有利于硅片的吸杂作用[6]。豆等通过改变多晶硅中气体流量的大小与RIE制绒工艺进行匹配，在方阻为80Ω/sq的情况下得到了转换效率为17 . 5%的太阳能电池，比相应的酸制绒效率提高了0.5%[7]。

在一些重参杂的研究中发现，重参杂会增加发射极载流子的复合速率[8-9]。上述的研究表明了扩散方阻对电池最终的转换效率有重要的影响，这些结果对生产中扩散工艺都具有重要的知道意义。然而，上述的研究，都是通过改变扩散的时间或者源流量的大小来改变扩散后方阻的大小。到目前为止，对不同电阻率硅片扩散后方阻的研究还比较少。

扩散层质量是个关键问题。质量的要求，主要体现在扩散的深度（结深），扩散层的表面杂质浓度等方面。结深是在硅片中掺入不同导电类型的杂质时，在距离硅片表面xj的地方，掺入的杂质浓度与硅片的本体杂质浓度相等，即在这一位置形成了pn结。表面浓度（Nx）是做完扩散后在硅片表面的扩散层中的杂质含量，扩散结深用（Xj）表示。

电化学C-V是当前测量半导体载流子浓度分布的非常重要的方法。在在硅半导体中ECV的应用也越来越广泛，逐渐成为光伏行业电池技术研究和发展的必要工具之一。

ECV测量是利用合适的电解液既可以作为肖特基接触的电极测量C-V特性，又可以进行电化学腐蚀，因此可以层层剥离测量电激活杂质的浓度分度，剖面深度不受反向击穿的限制，并可以测量pn结。

针对与此，该工作采用不同电阻率硅片进行实验，得到了扩散后不同扩散方阻的硅片，并对扩散硅片的表面浓度和结深进行了研究。

1、实验方法

实验采用本研究采用电阻率为2.15、3 . 1 4 、3 . 8 4 、4 . 4 7 Ω · c m 4 组1 5 6

×156mm单晶硅片，厚度为200μｍ。每组取5片进行实验。

扩散采用七星华创设备来进行。扩散工艺分别采用恒定源扩散和限定源扩散。恒定源表面扩散是硅片表面杂质浓度始终不变，它与时间无关，只与扩散的杂质和扩散的温度有关。硅片内部的杂质浓度则随时间增加而增加随距离增加而减少。限定源表面扩散是在整个扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有外来杂质补充，只依靠扩散前在硅片表面上已淀积的那一薄层内有限数量的杂质原子，向硅片体内扩散。随着扩散时间的增长，表面杂质浓度不断下降，并不断地向内部推进扩散，这时表面杂质深度都发生了变化。

扩散后采用美国4D公司的四探针方块电阻测试设备(型号280SI)对方块电阻进行测量，使用德国半导体技术研究所研制的电化学电容电压分析设备(型号ECV CVP21)进行表面浓度和发射极结深的测量。

2、ECV测试原理

ECV利用电解液氟化铵形成势垒并对半导体加以正向偏压（p型）或反向偏压（n型并加以光照）进行表面腐蚀去除已经电解的材料，通过自动装置重复“腐蚀-测量”循环得到测量曲线，然后利用法拉第定律，对腐蚀电流进行积分就可以连续得到腐蚀深度。尽管这种方法是破坏性的，但是理论上它的测量深度是无限的。

ECV测试分为2步：首先是测量电解液/半导体界面形成肖特基势垒的微分电容来得到载流子浓度，然后利用阳极电化学溶解反应，按照设定的速率去除测量处的样品。设备测量示意如图1所示。

图1 ECV示意图

3、实验结果

图2是不同电阻率硅片扩散后方阻的分布图，图中可以看出，扩散后的方块电阻随电阻率升高逐渐增大，两者基本呈线性关系。

图2 不同电阻率硅片与扩散后方阻关系图

为了说明证硅片电阻率与扩散后方阻的关系，因此对不同电阻率硅片扩散后的表面浓度与结深的关系进行了测量，结果如图3所示。取每条曲线的最高值为表面浓度，不同电阻率表面浓度的曲线图如图4所示。从图3和图4中看以看出扩散后的表面浓度在1020-1021（1/cm3）间，并且从中可以明显的看出电阻率越高表面浓度越低。取图3中1E+17atoms/cc浓度水平曲线的尾端为结深，可以看出电阻率越高，结深越小。电阻率高的硅片扩散后的表面浓度和结深都低。扩散的系数越小，结深越浅[10]，扩散的磷总浓度越低，相应的方块方阻越高。因此，表面浓度和结深与基体电阻率呈反比关系。

图3 不同电阻率硅片的磷扩散曲线

图4 不同电阻率硅片与扩散表面浓度关系图

4、结论

采用四探针法和电化学电压电容（ECV）测量方法研究了不同电阻率单晶硅片方阻，扩散后表面浓度与结深的变化关系，结果表明：

1、扩散后发射极的方块电阻变化与基体电阻率呈正比，两者接近线性关系；

2、扩散后表面浓度和结深变化与基体电阻率呈反比，所以高电阻率硅片对应的扩散后方块电阻会越高；

3、这种变化趋势对于优化扩散工艺，提高电池性能的均匀性和集中性，具有指导意义；

4、对于电阻率影响发射极表面浓度和结深的机理，有待进一步验证。

参考文献

[1] Michell M,Bernd R,Wolf gang, et al．18.1％efficiency for larger area,multi-crystalline siliconsolar cell, photovoltaic energy conversion[C].Conference Record of the 2006 IEEE 4th WorldConference. 2006: 894-899

[2] Spiegei M. Successful implementation of themicrowave induced remote hydrogen plasmapassivation in a standard multi-crystalline siliconsolar cell production line [J]. Ibid, 1998:1543-1546

[3] Ferrazza F. Growth and post growth processesof multi-crystalline silicon for photovoltaic use [J].Solid State Phenomena, 1996, 51: 449-460.

[4] 吕肖前, 孟凡英.多晶硅太阳电池新型制绒工艺研究[J]. 光电子. 激光, 2010, 21(3): 400-402.

[5] 李鹏荣，吴伟，马忠权，王义飞. 扩散方阻对多晶硅太阳能电池效率的影响[J]. 上海大学报. 2012,03-012.

[6] Bentezn A, Marstein E S, Kopecek R, et al.Phosphorous diffusion and gettering inmulti-crystalline silicon solar cell processing[C].19th European photovoltaic Solar Energy

Conference. 2004: 935-938.

[7] 秦应雄, 巨小宝, 徐挺等. 多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[J]. 光子学报. 2013, 426:649-653

[8] Cuevas A, Russell D. Co-optimisation of theemitter region and the metal grid of silicon solarcells[J]. Prog Photovolt Res Appl, 1999,8(6):603-616.

[9] Kerr M J, Schmidt J, Cuevas A. Surfacerecombination velocity of