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?？梢暂^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)補償技術(shù)。在大規(guī)模生產(chǎn)中，補償方法主要通過調(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。