晶體硅太陽(yáng)電池擴散氣氛場(chǎng)均勻性研究

1 引言
晶體硅太陽(yáng)電池能夠取得高效轉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(kāi)發(fā)與運用同時(shí)也極大地促進(jìn)了太陽(yáng)電池的商業(yè)化發(fā)展。在過(guò)去的10年，全球太陽(yáng)電池的生產(chǎn)以年平均30％的速度快速增長(cháng)，單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池的增長(cháng)所占比重最大，超過(guò)整個(gè)太陽(yáng)電池增長(cháng)的80％。
除產(chǎn)業(yè)化運用新技術(shù)外，太陽(yáng)電池制作中工藝優(yōu)化也非常重要的。太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)化所面臨的主要問(wèn)題之一是如何在保證電池高轉換效率前提下提高產(chǎn)能。擴散制作P －N結是晶體硅太陽(yáng)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(wèn)題在于如何保障擴散的均勻性。擴散均勻性好的電池。其后續工藝參數可控性高?？梢暂^好地保證電池電性能和參數的穩定性。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(gè)方向：一個(gè)是太陽(yáng)電池P-N結新結構設計的應用，比如N型電池、SE(selective emitter)電池等；另一個(gè)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(xiàn)，比如冶金硅用于太陽(yáng)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)，裝載系統主要有懸臂式(loading／unloading)和軟著(zhù)陸(soft contact load-ing，簡(jiǎn)稱(chēng)SCL)兩種，國內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(lái)保證爐門(mén)低溫狀態(tài)。工藝反應過(guò)程中SiC槳退出反應石英管外，這些設計上的優(yōu)點(diǎn)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(shí)也極大地降低工藝粘污風(fēng)險，為高效太陽(yáng)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(xiàn)主要包括開(kāi)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換效率電池大規模生產(chǎn)成本降低的要求，現基本采用閉管工藝路線(xiàn)。對懸臂管式擴散爐中影響擴散均勻性的氣氛場(chǎng)因素進(jìn)行相關(guān)的研究，以達到優(yōu)化工藝參數、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(diǎn)，優(yōu)化擴散的均勻性主要采取溫區補償技術(shù)。在大規模生產(chǎn)中，補償方法主要通過(guò)調整工藝反應時(shí)間、氣體流量和反應溫度三者實(shí)現。配備懸臂裝載機構擴散爐本身的特點(diǎn)及恒溫區位置的固定，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(chǎng)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(chǎng)工程模型的難點(diǎn)。根據氣氛場(chǎng)因素的特點(diǎn)，作出擴散氣氛場(chǎng)結構示意圖如圖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(guò)測試擴散后硅片的方塊電阻來(lái)反映。工藝反應時(shí)間、氣體流量和工藝反應溫度的變化非常直觀(guān)地體現在方塊電阻值的變化上，即增加工藝反應時(shí)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。