多步擴散制備太陽電池PN結工藝探析

張敏 劉飛 王冬冬 何鳳琴 張志郢

摘? ?要：PN結作為太陽電池的核心部分，它的性能優(yōu)劣直接關系到電池的整體質量。目前，可用于PN結制備的方法中擴散工藝的應用較為廣泛，通過多步擴散工藝，能夠制備出性能優(yōu)異的PN結。基于此點，本文從太陽電池PN結的形成及其特性分析入手，論述了多步擴散制備太陽電池PN結工藝。期望通過本文的研究能夠對促進太陽電池性能的提升有所幫助。

關鍵詞：太陽電池? 多步擴散工藝? PN結

中圖分類號：TM91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0109-02

1? 太陽電池PN結的形成及其特性

1.1 PN結的形成機理

對于太陽電池而言，PN結是核心部分，具體的形成機理如下：在一塊半導體的兩側通過擴散不同的雜質，從而形成P型和N型半導體，這兩種類型半導體結合面的空間電荷區(qū)就是PN結。

太陽電池中PN結形成的物理過程如下：由于雜質存在一定的濃度差，隨著多數(shù)載流子的不斷擴散，會在半導體中形成空間電荷區(qū)，由此除了會促使少數(shù)載流子出現(xiàn)漂移之外，還能阻止多數(shù)載流子擴散。而擴散至對方的載流子會在P區(qū)和N區(qū)的交界位置處中和掉，這樣一來，P區(qū)一側因為空穴的消失，會留下無法移動的負離子，N區(qū)一側則會因為電子的失去留下無法移動的正離子，隨著正、負離子的相互融合，便會在P區(qū)與N區(qū)交界處形成空間電荷區(qū)。在此需要闡明的一點是，半導體中的P區(qū)一側帶負電荷，N區(qū)一側帶正電荷，故此會出現(xiàn)方向上由N區(qū)指向P區(qū)的內電場。

當半導體中的擴散與漂移運動從最初的不平衡逐步過渡到平衡狀態(tài)之后，內部空間電荷區(qū)的寬度與內電場的電位也會隨之趨于穩(wěn)定，這樣半導體中有多少個多數(shù)載流子擴散到對方，就會有與之相應數(shù)量的少數(shù)載流子從對方漂移過來，二者所產(chǎn)生的電流大小完全相同，但方向卻截然相反。由此可得出如下結論：在半導體的擴散與漂移處于相對平衡的狀態(tài)時，從PN結流過的電流大小為0。

1.2 PN結的特性

1.2.1 單向導電性

這是PN結較為突出的一個特性，在外加電壓的作用下，電流會從半導體中的P區(qū)轉移到N區(qū)，此時的PN結會呈現(xiàn)低電阻性，正向擴散電流大;如果在外加電壓的作用下，電流從半導體中的N區(qū)向P區(qū)轉移，則PN結會呈現(xiàn)出高電阻性，反向漂移電流小。

1.2.2 擊穿特性

如果加在PN結上的反向電壓達到一定數(shù)值，受到反向電流激增的作用，PN結會產(chǎn)生電擊穿，這是PN結的又一個特性。需要指出的是，PN的電擊穿為可逆擊穿，只要將偏壓及時調低，便可使PN結恢復到原本的特性。因此，PN結的這個特性是可以利用的。而熱擊穿為不可逆擊穿，一旦出現(xiàn)會使組件燒毀。

2? 多步擴散制備太陽電池PN結工藝

在太陽電池PN結的制備中，擴散工藝的應用較為普遍，但是傳統(tǒng)的擴散工藝會產(chǎn)生較多的死層，為了解決這一問題，可在太陽電池PN結制備中采用多步擴散工藝。

2.1 工藝原理

對于太陽電池磷擴散制備PN結工藝而言，整個過程會受到諸多因素的影響，如溫度、氣體流量、操作步驟等等，由此除了會對雜質分布的均勻性造成影響之外，還會間接影響到太陽電池的電性能。在多步擴散工藝中，限定源的擴散溫度高低，直接關系到直接摻雜量的大小，試驗結果表明，在限定源擴散的過程中，溫度越高，有效摻雜量越大。隨著有效摻雜量的增大，太陽電池的性能會隨之大幅度提升，特別是對于揮發(fā)性有機化合物的提高幫助很大，CTM值也會相應提升。實踐證明，當限定源擴散的升溫速率低于20℃/min時，基本上不會對摻雜量的分布情況造成影響。多步擴散可以對硅片表面的摻雜濃度進行調整，利用對擴散參數(shù)的優(yōu)化，可對FF的大小進行控制，從提高金屬的適配性。鑒于太陽電池PN結擴散制備工藝中，磷擴散影響因素較多的情況，可以采用多步擴散工藝對PN結進行制備。

2.2 工藝優(yōu)勢

在對太陽電池PN結進行制備的過程中，選用多步擴散工藝能夠使電池的整體性能獲得大幅度提升，這與多步擴散工藝本身所具備的諸多優(yōu)勢有著密不可分的關聯(lián)。該工藝在首次擴散時，使用的是性能較強的限定源，在二次擴散時，使用的是恒定源，正因如此，使得該工藝可在不影響摻雜的前提下，對硅片表面的摻雜濃度進行調整，從而使太陽電池對金屬化條件的依賴程度大幅度降低。

業(yè)內的專家學者經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，通過對多步擴散中第二次恒定源擴散進行優(yōu)化設計，可以使摻雜達到一個較為合理的程度，這個程度的摻雜能夠得到的表面濃度最佳。不僅如此，在金屬化的過程中，可使銀硅有效接觸，從而促使FF不斷提升。試驗結果表明，與傳統(tǒng)的制備工藝相比，在多步擴散工藝下，F(xiàn)F能夠提高0.9個百分點，并且PN結的深度可在原本的基礎上增加0.2?m。隨著PN結深度的增加，電流收集效率會隨之降低，硅片表面的死層進一步減少。此外，太陽電池組件當中的電池片一般都是采用串聯(lián)的方式連接到一起，雖然在這種連接方式下，電流的損耗較大，但電壓卻并不會出現(xiàn)過大的損耗，若是能夠使開路電壓提高，太陽電池組件的損失則會顯著降低，輸出功率會隨之增大。受到串聯(lián)電阻的影響，F(xiàn)F會降低，相應的轉換效率也會下降。通過多步擴散工藝對太陽電池PN結進行制備，上述問題均可解決，這是多步擴散工藝最為突出的優(yōu)勢。

2.3 工藝影響因素

通過多步擴散工藝對太陽電池PN結進行制備時，可能會受到一些因素影響，下面就此進行分析。

2.3.1 限定源擴散

相關研究結果表明，在多步擴散工藝中，硅片表面濃度的高低與限定源的擴散時間長短有關，即時間短、濃度低、PN結深度淺;時間長、濃度高、PN結深度深。

（1）目標的溫度值。準備3組完全相同的樣片，在800℃的條件下進行恒定源擴散，然后將溫度升至860℃、880℃和890℃，進行限定源擴散，通過ECV對電活性磷的分布曲線進行測定。結果顯示，溫度為890℃時，PN結的深度最大，880℃次之，860℃最小，由此可見，PN結的深度與溫度成正比關系，即溫度越高、深度越大。而PN結深度與摻雜濃度成正比，即PN結越深，有效摻雜濃度越大，這樣一來，硅片表面的濃度便會隨之降低，死層則會進一步減少。

（2）溫升速率。將限定源擴散溫度從800℃提升到880℃，在這一過程中，采用4種不同的溫升速率，分別為5℃/min、10℃/min、15℃/min和20℃/min，并制備4種樣片，分別對它們的方塊電阻和ECV曲線進行測定。結果顯示，通過提高溫升速率能夠使擴散過程的持續(xù)推進時間縮短，進而減少熱預算。但是，溫升速率在20℃/min的前提下，無法達到快速瞬態(tài)擴散的要求，所以熱擴散系數(shù)產(chǎn)生的作用可以忽略不計。也就是說，摻雜分布的均勻程度主要與最終的溫度值有關，基本上不會受到溫升速率的影響。

2.3.2 恒定源擴散

由雜質擴散面密度公式可知，摻雜量的主要影響因素為擴散溫度，即溫度越高，摻雜量越大。在多步擴散工藝中，恒定源的優(yōu)點體現(xiàn)在能夠有效減少硅表面的死層，從而使復合率降低;減弱倒向電場;提升片內均勻性等幾個方面;恒定源擴散還能起到吸雜的作用。

3? 結語

綜上所述，在太陽電池PN結制備中，傳統(tǒng)的擴散工藝存在一定的缺陷，為了提高太陽電池的性能，可以采用多步擴散工藝對太陽電池的PN結進行制備。在具體應用的過程中，要考慮相關的影響因素，這樣才能達到預期的目標。

參考文獻

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