PN结是晶硅太阳【yáng】电池的核心，制【zhì】备均【jun1】匀性好【hǎo】的高方阻发【fā】射【shè】极不仅可以【yǐ】降低前表面复合，提高开路电【diàn】压;而且可以较大【dà】程度地提高短波的光谱响应，增大【dà】短路电流。目前【qián】，高方阻电【diàn】池匹配【pèi】的银浆已【yǐ】取得【dé】突破，解【jiě】决了【le】因方阻值【zhí】高产生的串联电阻【zǔ】过大和【hé】发射极易【yì】烧穿的问题，提高发射极的方块【kuài】电阻及均匀性已成为提高电池效率的重要手段【duàn】。
1晶硅太阳电池扩散工艺原理
制备【bèi】PN结是晶硅【guī】太【tài】阳【yáng】电池【chí】生产中最基本、最关键的工序【xù】之一。工业生产中【zhōng】，制备PN结的专用【yòng】设备【bèi】为管式扩散【sàn】炉【lú】。管式扩散【sàn】炉主要由【yóu】石英舟、废气室【shì】、炉【lú】体和气柜等部分构成。工业生产一般使用三【sān】氯氧磷液【yè】态源作【zuò】为【wéi】扩散【sàn】源。把P型硅片放入扩散炉的石英容器内，使用小【xiǎo】股的氮气携【xié】三氯氧磷进入石英【yīng】容器【qì】，在【zài】高温和充【chōng】足氧气的氛围下，三氯氧磷和硅发生【shēng】反应，三氯氧磷【lín】分解得到磷单【dān】质，分解【jiě】得到的磷原子从四周【zhōu】进【jìn】入硅片，并向硅片的空隙扩散渗【shèn】透，最终形成了【le】N型半导体【tǐ】和P型半导【dǎo】体的交【jiāo】界面，也就【jiù】是PN结。这种方法制出的PN结均匀【yún】性【xìng】较【jiào】好，有良【liáng】好的扩散层表【biǎo】面。
2低压扩散的优势
常压扩散炉通常【cháng】采【cǎi】用管口或管尾【wěi】进气，通过大氮气流将磷【lín】源【yuán】带到【dào】另一端，易【yì】造成一端磷源浓【nóng】度高、另一端【duān】浓【nóng】度低的现象，而且常压【yā】下气【qì】体分子自由程较小【xiǎo】，各区域硅片接触磷源几率差距较大，只【zhī】能通过调【diào】节温【wēn】度控【kòng】制方块电阻值，无法保证片内及片间均匀【yún】性【xìng】。
低压【yā】扩【kuò】散【sàn】在【zài】扩散炉工【gōng】作腔内使用负【fù】压环境，气体分子自由程变大，可以提【tí】高扩散炉管内气流的均匀性，避免【miǎn】湍流产【chǎn】生，从而提高扩散的【de】均【jun1】匀性，为晶【jīng】硅太阳电【diàn】池【chí】效率进一步提升奠定【dìng】了基础。由于扩散方阻均匀性的提高，装片石英舟槽间距【jù】设【shè】计可降【jiàng】为标准【zhǔn】值的一【yī】半左右，这【zhè】样可以在设备体积【jī】不变【biàn】的情况【kuàng】下将产能提高1倍。此外，低压扩散过程【chéng】中化学【xué】品【pǐn】的利【lì】用效率【lǜ】提【tí】高，工【gōng】艺过程中化学品【pǐn】的用量大幅降低，节省成本。
3低压扩散工艺优化实验
晶硅太阳电池扩散工艺【yì】包括：进舟，恒温降压，低压氧化【huà】，低温低【dī】压沉积，升温【wēn】，高温低压推进【jìn】，升压，常压氧化，降温，出舟【zhōu】共10个工艺过程。影响扩散【sàn】工艺结果主要集中在低【dī】温低压沉【chén】积和高温低压推进这两个工艺过【guò】程。这两【liǎng】个工艺过【guò】程中的温度【dù】，气压，气体流【liú】量影响着扩【kuò】散方阻【zǔ】的大小、方【fāng】阻均匀性、制【zhì】结深【shēn】度，进而【ér】影响太阳【yáng】电池的光【guāng】电转换效【xiào】率。
3.1工艺温度优化
在低压【yā】环境下【xià】，扩散源的分子自【zì】由程增长，扩散源的占比增【zēng】大，低压【yā】扩散中【zhōng】磷原子沉积【jī】于硅片表面的速率远快于常压扩散。这样容易引起磷原子集【jí】中于硅片【piàn】浅表面，如果高温【wēn】低压推进过【guò】程不能【néng】将这些磷【lín】原子【zǐ】推进至【zhì】合适深度，就【jiù】会使硅【guī】片浅表面磷浓度过大，引起硅片浅【qiǎn】表面电子空穴对复合过快，进而影【yǐng】响太【tài】阳电池【chí】光【guāng】电【diàn】转换效【xiào】率。优【yōu】化扩散工艺中的高【gāo】温推进【jìn】温度和【hé】时间显得尤为重要。
方阻的测试方法【fǎ】：每管选取3片【piàn】硅片【piàn】分别为炉口一片，炉中一片，炉【lú】尾一片;每片【piàn】选【xuǎn】5个测试点，中心、右【yòu】上、右【yòu】下、左下、左上5点【diǎn】位置。片【piàn】内不均匀性【xìng】的计算方法为【wéi】：片内【nèi】不【bú】均匀性=(最【zuì】大值-最小值)/(最大值+最小值)。
常压【yā】扩散【sàn】使用的气压为大气压【yā】即101kPa，常【cháng】压扩散工艺后【hòu】的方阻及均匀性如【rú】表1所示。
在低压扩散【sàn】工艺中，磷原子沉积的【de】速【sù】率较快【kuài】，使用相同的低温低压沉【chén】积的时间会使方阻【zǔ】变得很小。使用20kPa的气压【yā】，缩短低温低【dī】压【yā】沉【chén】积时间形成低压【yā】扩【kuò】散工艺一【yī】，方阻及均匀性如表2所示【shì】。
常压扩【kuò】散片内不均匀性为4.48%~5.53%，而【ér】低压【yā】扩散方阻一致【zhì】性【xìng】较好，其片内不均匀性为2.37%~2.86%。一般来说扩散方阻均匀性提高，太阳电池光【guāng】电转换【huàn】效率会随之提【tí】高。而采【cǎi】用低压扩【kuò】散工艺一，方阻均匀【yún】性提高了【le】，但【dàn】是【shì】太阳电池【chí】光电转换【huàn】效率【lǜ】反而降低。通【tōng】过测试参杂浓【nóng】度后发现常压扩散工艺之后，参杂浓度最高位置出现在【zài】0.2μm位【wèi】置，浓【nóng】度为2×1020/cm3，而低压扩散【sàn】工【gōng】艺一参杂浓度【dù】最高位置出【chū】现在0.15μm位置，浓度为5×1020/cm3。常压【yā】扩散和低压扩散工艺一参杂【zá】浓度随深度变化曲线如图【tú】1所示【shì】。
针对低【dī】压扩散工艺一，硅【guī】片【piàn】浅表面参杂浓【nóng】度高的【de】情【qíng】况，优化【huà】低压扩散工【gōng】艺中高温低压【yā】推进过程，将温度【dù】提高，时间延长【zhǎng】形【xíng】成低压扩散【sàn】工艺二，其扩散方阻及均匀性【xìng】如表3所示。
制绒后的多晶硅【guī】片【piàn】分别经【jīng】过常压扩散工艺、低【dī】压扩散工艺一、低压扩散【sàn】工【gōng】艺二后【hòu】，在后续【xù】的二次清洗、镀【dù】膜【mó】、丝网印刷【shuā】工序中使用同样的工艺【yì】，使【shǐ】用测试【shì】分选【xuǎn】机记录的使用3种【zhǒng】扩散工艺电池片的电性能参数如表4所示【shì】。
由于使用【yòng】低压扩散工艺一的硅片【piàn】浅表面参杂浓度较高，其开路【lù】电【diàn】压较低【dī】，光电【diàn】转换【huàn】效率较常【cháng】压扩散【sàn】工艺的电池片低。经工艺优【yōu】化后，使用【yòng】低压扩散工艺【yì】二【èr】的多【duō】晶电池片开路电压明显提升，由【yóu】于低压扩散均匀性较【jiào】好【hǎo】，其短路电流较【jiào】大，光电转【zhuǎn】换效率也较常压扩散工艺有所提高【gāo】。
3.2工艺流量优化
低压扩散中磷原子沉积于硅【guī】片表【biǎo】面【miàn】的速率远快于常压扩散【sàn】。为【wéi】了控制参杂的速率，同时为了【le】制【zhì】备更高方阻电池片，将低温低压沉【chén】积过【guò】程中气体的流量【liàng】减小为原来的【de】3/4，优化【huà】形成低压扩散工艺【yì】三，其扩散方阻【zǔ】及【jí】均匀性如表5所示【shì】。经【jīng】低压扩散工艺【yì】三的硅片方阻值【zhí】每方为107~113Ω，其片内【nèi】不均匀性【xìng】为【wéi】1.80%~2.28%，均【jun1】匀性【xìng】较低【dī】压扩散工艺二有所提升。
3.3工艺压力优化
低压扩散方阻均匀性较常【cháng】压扩散明【míng】显提【tí】升，进一步降低压力受【shòu】到低压【yā】扩散炉真【zhēn】空【kōng】泵以及炉体密封性的限制，同时【shí】抽【chōu】真空时间和压【yā】力平衡时间也需要延长，在设【shè】备能【néng】达到压力范【fàn】围以【yǐ】及工艺时间允许的情况下，将低压扩散气压从20kPa降【jiàng】至10kPa，进一步对【duì】工艺【yì】进行优化形成低压扩散【sàn】工艺四，其【qí】扩散方阻及均匀性见【jiàn】表6所示。经【jīng】低压扩散【sàn】工艺四的硅片【piàn】方阻值每方为117~122Ω，其片【piàn】内不均匀【yún】性【xìng】为1.24%~1.69%。经【jīng】低压【yā】扩散工艺【yì】四的硅片【piàn】方阻值较高，且【qiě】均匀性好【hǎo】。在丝网印刷工序中匹【pǐ】配好【hǎo】电极浆料【liào】与烧【shāo】结【jié】温度，以使低压扩散的高方阻、高均匀性优【yōu】势充分发【fā】挥出来，使用测试【shì】分选机【jī】记录电池片的电性【xìng】能【néng】参数如表7所示【shì】。
低压扩散工艺四工艺制成的多晶电池片效率分布如图2所示。
经工艺优化，相对于常压扩散工艺，低【dī】压扩散【sàn】工艺四所【suǒ】制【zhì】成的多晶电池片短路电流【liú】增大100mA，平均光电【diàn】转换【huàn】效率【lǜ】提高【gāo】0.26%。
4结论
在中【zhōng】国电【diàn】子科技集团【tuán】公司第【dì】四十八研究所研【yán】制的新型低压【yā】扩散炉上进行低压扩【kuò】散工艺优化研究【jiū】，对工艺中的温度、气流量、气压进行优化，得【dé】出了较优【yōu】的低压扩散【sàn】工【gōng】艺【yì】方【fāng】案，其扩散工艺后硅【guī】片【piàn】的方阻每方为116~122Ω，片内不【bú】均匀性1.24%~1.69%，较【jiào】常压扩散工艺有大幅度提升。制成的【de】多晶【jīng】电池片平均效率【lǜ】达到18.51%，较常压扩【kuò】散工艺提升0.26%。
参考文献：
[1]张宝峰，陈晖.低压扩散机理【lǐ】及其对扩【kuò】散方【fāng】阻均匀性【xìng】的影【yǐng】响研究【jiū】[J].电子工业专用设备.2016，4(253)：9-21.
[2]赵汝强，梁宗存【cún】.晶体硅太阳【yáng】电池工艺技术新【xīn】进展[J].材料导【dǎo】报2009，6(23)：9-21.
[3]杨乐.面向大规模应用的高效晶体硅双面可受光太阳能电池的研究[D].上海：上海交通大学，2010.9-21.
[4]管甜甜【tián】.高【gāo】方阻太阳能电【diàn】池的优化[D].北京：北方【fāng】交通大【dà】学，2014.9-21
[5]何【hé】贵【guì】堂.晶体硅太阳电池制作【zuò】中的扩散【sàn】工艺研究[D].北【běi】京：北方交【jiāo】通大学，2014.
