晶體硅太陽電池擴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)的應用。新技術(shù)的開發(fā)與運用同時也極大地促進了太陽電池的商業(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。對于擴散工序，最大問題在于如何保障擴散的均勻性。擴散均勻性好的電池。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)設計的應用，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)的應用需要尋求相應的擴散工藝路線，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。這些都是擴散對均勻性要求新的研究方向。晶體硅產(chǎn)業(yè)化擴散制作P-N結(jié)所采用的擴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)擴散爐以懸臂式為主，國外以SCL為主。相對于配置懸臂裝載機構(gòu)的擴散爐，SCL式擴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)。工藝反應過程中SiC槳退出反應石英管外，這些設計上的優(yōu)點減少擴散均勻性的影響因素，在工藝生產(chǎn)中能更好地保證擴散的均勻性；同時也極大地降低工藝粘污風險，為高效太陽電池產(chǎn)業(yè)應用提供硬件保障。這也是SCL式擴散爐逐步取代懸臂裝載式擴散爐的原因所在。早期的工藝路線主要包括開管擴散與閉管擴散，鑒于對擴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。對懸臂管式擴散爐中影響擴散均勻性的氣氛場因素進行相關(guān)的研究，以達到優(yōu)化工藝參數(shù)、降低生產(chǎn)成本的目的。

　　2 擴散均勻性影響因素

　　針對管式擴散爐的特點，優(yōu)化擴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)整工藝反應時間、氣體流量和反應溫度三者實現(xiàn)。配備懸臂裝載機構(gòu)擴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)壓強的平衡設置，均流板的氣體均勻分流設計，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)中擴散爐的均勻性主要通過測試擴散后硅片的方塊電阻來反映。工藝反應時間、氣體流量和工藝反應溫度的變化非常直觀地體現(xiàn)在方塊電阻值的變化上，即增加工藝反應時間和工藝反應溫度將導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。

　　2．1 工藝氣體流量對爐內(nèi)溫度的影響

　　在工藝溫度穩(wěn)定條件下，關(guān)閉小N2(磷源bubbler bottle)，通過手動調(diào)節(jié)大N2流量，試驗記錄擴散爐石英反應管內(nèi)爐口、爐中、爐尾3段Profile TC(tlaermal couple)溫度隨爐內(nèi)氣體流量(壓強)的變化情況，以研究爐內(nèi)氣氛場氣體流量(壓強)變化對與擴散均勻性密切關(guān)聯(lián)的溫度影響程度和趨勢。試驗過程包括：

　　(1)檢查爐門及各氣路連接處的密封性；

　　(2)設備溫度PID參數(shù)自整定；

　　(3)手動調(diào)節(jié)大N2流量，從25 L／min，增加到27 L/min，記錄流量調(diào)節(jié)前后穩(wěn)定溫度值和流量變化導致的溫度動態(tài)偏差值，見表1；

　　(4)手動調(diào)節(jié)大N2流量，從25L／min，減少到23 L/min，記錄流量調(diào)節(jié)前后穩(wěn)定溫度值和流量變化導致的溫度動態(tài)偏差值，見表2，表中Zone1為爐尾，Zone2是爐中尾，Zone3為爐中，Zone4是爐中口，Zone5為爐口。

　　從表1和表2的數(shù)據(jù)可看出，氣流量由25 L／min向27 L／min變化，爐尾溫度降低1℃，爐口溫度無變化，氣流量由25 L／min減少到23 L／min，爐尾溫度升高1℃，爐口溫度降低1℃。

　　2．3 廢氣排放位置對爐口均勻性的影響

　　擴散爐恒溫區(qū)的有限性與生產(chǎn)產(chǎn)量的最大化是矛盾關(guān)聯(lián)的。在生產(chǎn)中，需要在恒溫區(qū)最大限度地放置擴散硅片，保證恒溫區(qū)溫度的精度和穩(wěn)定性。因配置懸臂式裝載系統(tǒng)的擴散爐爐口對溫度的干擾最大，可將廢氣管口盡可能地靠近爐門，同時也能改善靠近爐口方向硅片反應區(qū)域氣氛場的均勻性。因此，分別調(diào)整廢氣排放位置并進行試驗對比。

　　從表4可看出，廢氣排放口離恒溫區(qū)越遠，即離爐口越近，爐口的方阻片內(nèi)／片間均勻性改善越好，但廢氣排放的同時也有大量熱能的排放，在排放口區(qū)域聚集的熱能較多，因考慮到爐門的低溫(一般為小于200℃)要求，在一定程度上又限制了排放口到爐門的距離不能太近。所以，生產(chǎn)中廢氣排放口的較佳位置是在一個兩向平衡距離范圍內(nèi)。

　　2．4 排風量大小對爐口均勻性的影響

　　當進入擴散爐石英管內(nèi)的工藝氣體總流量一定時，排風量大小的設定直接影響擴散爐內(nèi)的氣氛場壓強變化，而氣氛場壓強又與爐內(nèi)工藝氣體的濃度相關(guān)聯(lián)．從而影響擴散的均勻性，尤其是爐口的均勻性。

　　通過表5分析爐口片內(nèi)極差大的具體原因，得到極差大主要是由硅片下半部分方塊電阻大造成的，而這下半部分又與排氣口最近，故采取調(diào)小排氣閥開度，增加爐內(nèi)壓強，間接地增加工藝氣體反應時間，從而改善爐口片內(nèi)均勻性和片間均勻性。對于穩(wěn)定生產(chǎn)而言，爐內(nèi)壓強的最佳值是在一定范圍內(nèi)的，這就要求工藝反應氣體流量與廢氣排放量需保持一個整體平衡。

　　3 結(jié)束語

　　晶體硅太陽電池的主要工藝制作過程包括制絨、擴散、刻蝕、鍍膜、印刷、燒結(jié)等，每道工序的相關(guān)控制參數(shù)都直接或間接地與電池電性能參數(shù)相關(guān)聯(lián)。對于擴散工序而言，擴散的均勻性直接體現(xiàn)在硅片形成的P-N結(jié)結(jié)深差異性上，均勻性好反映出結(jié)深差異性小，反之亦然。

　　而不同的P-N結(jié)結(jié)深其燒結(jié)條件不一樣。從另一方面，同樣的燒結(jié)條件生產(chǎn)應用于擴散均勻性好的在制電池片，其歐姆接觸性能、填充因子等電性能參數(shù)一致性好，最終體現(xiàn)在太陽電池的轉(zhuǎn)換效率一致性的可控性。用實驗方法分析影響晶體硅太陽電池擴散均勻性的氣氛場因素及其工藝調(diào)節(jié)優(yōu)化改善方法，在工藝調(diào)試過程中需要注意這些氣氛場因素是相互關(guān)聯(lián)影響的，一般先優(yōu)化改善均流板的均勻分流設計和廢氣排放位置因素，再綜合工藝氣體流量、排氣量等其他相關(guān)因素系統(tǒng)調(diào)整爐內(nèi)壓強平衡。通過擴散均勻性的優(yōu)化調(diào)節(jié)?？梢院芎玫馗纳铺栯姵氐奶畛湟蜃覨F、并聯(lián)電阻Rsh、串聯(lián)電阻Rs和開路電壓Ucc等電性能，從而降低電池的制造成本。