高榮剛，王麗婷，周嘯穎，王守志，韓林芝，張 書

(中節(jié)能太陽能科技(鎮(zhèn)江)有限公司，鎮(zhèn)江212132)

0 引言

近年來，選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)與鈍化發(fā)射極背接觸(PERC)技術(shù)相結(jié)合形成的“SE+PERC”晶體硅太陽電池取代了采用傳統(tǒng)鋁背場(Al-BSF)的晶體硅太陽電池，成為晶體硅太陽電池的主流產(chǎn)品[1-3]。行業(yè)內(nèi)“SE+PERC”單晶硅太陽電池的大致制備流程為：清洗制絨→擴散→激光摻雜→去磷硅玻璃(PSG)→堿刻蝕→背鈍化→鍍正面減反射膜→絲網(wǎng)印刷→燒結(jié)等[4]。其中，擴散工序作為最關(guān)鍵的步驟之一，主要是為了制備p-n 結(jié)，該工序一般以液態(tài)三氯氧磷(POCl3)作為磷源，利用氮氣(N2)通過源瓶內(nèi)的磷源(鼓泡)來將雜質(zhì)源蒸汽帶入高溫擴散爐中，經(jīng)高溫?zé)岱纸馀c硅片表面發(fā)生反應(yīng)，還原出雜質(zhì)原子，并向硅片內(nèi)擴散[5-6]，形成發(fā)射極，而發(fā)射極的片內(nèi)方阻均勻性(下文簡稱為“方阻均勻性”)會直接影響其與后續(xù)工藝的匹配度，進而影響“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能，尤其是對于采用高方阻擴散工藝的太陽電池而言，該影響將更為嚴重[7-8]。

目前，擴散工序采用的設(shè)備有管式擴散爐和鏈式擴散爐兩種，管式擴散爐憑借爐內(nèi)清潔度高、形成的發(fā)射極質(zhì)量高等優(yōu)勢成為工業(yè)化制備p-n 結(jié)的主要設(shè)備[9]。影響管式擴散爐形成的發(fā)射極方阻均勻性的因素主要包括設(shè)備和工藝兩方面[7]。設(shè)備方面主要包括爐門密封性、恒溫區(qū)溫控設(shè)備的穩(wěn)定性、均流板的設(shè)計、廢氣排放位置、源瓶溫度穩(wěn)定性等因素，工藝方面主要包括工藝氣體流量、表面氧化層、溫度、爐內(nèi)壓強、氣氛場均勻性、區(qū)間溫度和絨面質(zhì)量等。上述因素之間相互影響，導(dǎo)致生產(chǎn)中工藝的優(yōu)化相對困難，尤其是氣氛場因素最難控制，是該研究領(lǐng)域的難點[10]。謝卿等[11]、倪玉鳳等[12]研究發(fā)現(xiàn)：工藝氣體流量和爐內(nèi)壓強是影響氣氛場均勻性的主要因素。為了增強管式擴散爐氣氛場均勻性，從而改善硅片發(fā)射極方阻均勻性，本文通過研究“SE+PERC”單晶硅太陽電池制備時擴散工序中小N2流量、氧氣(O2)流量和爐內(nèi)壓強對發(fā)射極性能的影響，尋找最優(yōu)擴散工藝參數(shù)，并闡明磷(P)擴散規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗選用尺寸為182 mm×182 mm、厚度為170～175 μm、電阻率為0.5～1.5 Ω·cm 的太陽能級摻鎵p 型金剛線切割單晶硅片。

1.2 反應(yīng)機理

擴散實驗采用深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的管式擴散爐，該擴散爐從爐口至爐尾共設(shè)置6 個溫區(qū)，即溫區(qū)1～溫區(qū)6。該擴散爐的擴散通氣原理示意圖如圖1 所示，圖中紅色箭頭方向為氣體流向。

圖1 管式擴散爐的擴散通氣原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of diffusion ventilation principle for tubular diffusion furnace

工藝氣體從擴散爐爐口進入爐管，廢氣從爐尾排出，反應(yīng)腔體內(nèi)氣氛場壓強的穩(wěn)定性主要通過工藝氣體流量和真空泵共同實現(xiàn)。當(dāng)進入石英管內(nèi)的工藝氣體總流量一定時，排風(fēng)量的大小將直接影響擴散爐內(nèi)的氣氛場壓強，而氣氛場壓強又與爐內(nèi)工藝氣體的濃度相關(guān)，從而影響擴散后硅片發(fā)射極方阻均勻性。

擴散工序以液態(tài)POCl3作為磷源，分3 步進行擴散。

第1 步為“預(yù)沉積”，通過鼓泡法以小N2為運載氣體攜帶液態(tài)POCl3進入石英管內(nèi)，在700～800 ℃的高溫下進行擴散反應(yīng)。當(dāng)溫度超過600 ℃時，POCl3會分解生成五氧化二磷(P2O5)和五氯化磷(PCl5)。反應(yīng)生成的P2O5沉積在硅片表面，在高溫下與硅反應(yīng)，生成二氧化硅(SiO2)和磷原子，在硅片表面形成磷硅玻璃(PSG)層。

第2 步為“再分布(即‘推結(jié)’)”，以預(yù)沉積過程產(chǎn)生的PSG 層為摻雜源，在800～900℃的溫度下進行擴散再分布，在硅片中形成一個緩變結(jié)。

第3 步為“補源”，利用鼓泡法以小N2為運載氣體攜帶液態(tài)POCl3進入石英管內(nèi)，并在700～800 ℃溫度下進行補源。

擴散工藝各步驟示意圖如圖2 所示。

圖2 擴散工藝各步驟示意圖Fig.2 Schematic diagram of each step of diffusion process

1.3 實驗設(shè)計

本實驗中“SE+PERC”單晶硅太陽電池的制備流程如圖3 所示。

圖3 “SE+PERC”單晶硅太陽電池的制備流程圖Fig.3 Preparation process diagram of “SE+PERC”mono-Si solar cells

為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，所有硅片均在同一條“SE+PERC”單晶硅太陽電池生產(chǎn)線生產(chǎn)，除擴散工序工藝不同外，其他工序均保持原工藝參數(shù)不變。

將經(jīng)過清洗制絨后的硅片以“背靠背”的方式垂直排布于石英舟上，并推入管式擴散爐中進行擴散實驗。本文設(shè)計了預(yù)沉積過程中不同的小N2流量、O2流量及爐內(nèi)壓強條件的擴散實驗。重點研究上述參數(shù)變化對擴散后硅片發(fā)射極方阻、方阻均勻性及太陽電池電性能的影響。

1.4 實驗表征方法

擴散工序后，采用四探針測試儀測試硅片的方阻；利用Halm 太陽電池分選測試儀測試太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率Eta、填充因子FF、開路電壓Voc、短路電流Isc等電性能參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 小N2 流量對擴散后硅片發(fā)射極方阻及太陽電池電性能的影響

擴散工序中雜質(zhì)磷主要來源于預(yù)沉積過程中POCl3與O2反應(yīng)后的生成物P2O5，其濃度高低依賴于POCl3的濃度和O2的流量，而POCl3的濃度由其運載氣體小N2的流量決定，因此，為獲得理想的磷摻雜濃度，研究低氣壓條件下O2與小N2的流量對發(fā)射極性能的影響具有重要意義。本實驗設(shè)定預(yù)沉積步驟中小N2的流量分別為700、800、900、1000、1100 sccm，研究預(yù)沉積步驟中小N2流量變化對擴散后硅片發(fā)射極方阻及方阻均勻性的影響，具體工藝參數(shù)如表1所示。

表1 不同小N2 流量下擴散工序的工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of diffusion process under different small N2 flow rates

擴散工序完成后，分別在6 個溫區(qū)相同位置各取2 片硅片，測量擴散后硅片發(fā)射極方阻，并計算方阻均勻性。方阻均勻性M的計算式為：

式中：Rmax為擴散后硅片發(fā)射極的最大方阻；Rmin為擴散后硅片發(fā)射極的最小方阻。

方阻均勻性的值越小，說明擴散后硅片發(fā)射極方阻的均勻性越好；反之，則越差。

不同小N2流量擴散工序后得到的硅片發(fā)射極方阻及方阻均勻性變化如圖4 所示。

圖4 不同小N2 流量擴散工序后得到的硅片發(fā)射極方阻及方阻均勻性變化Fig.4 Changes in squared resistance and squared resistance uniformity of silicon wafer emitter obtained after different small N2 flow rates diffusion process

從圖4 可以看出：

1)隨著小N2流量的增加，發(fā)射極方阻值逐漸降低，當(dāng)小N2流量為1100 sccm 時，方阻均勻性最好，均值為5.86%。這是因為隨著小N2流量的增加，單位時間內(nèi)小N2攜帶的磷源量增多，反應(yīng)腔內(nèi)磷源濃度增加，反應(yīng)生成的磷原子數(shù)量增加，在擴散時間和溫度相同的情況下，更多的磷原子會擴散進入硅片內(nèi)部，使硅片表面的摻雜濃度增加，從而使擴散后的發(fā)射極方阻值逐漸降低。

2) 小N2流量越小，發(fā)射極方阻均勻性越差，爐管內(nèi)硅片發(fā)射極方阻均勻性的整體波動也越大，特別是爐口和爐尾位置。這是因為當(dāng)小N2流量較小時，爐管內(nèi)磷源氣體不足，導(dǎo)致磷源氣體與硅片反應(yīng)不均勻；隨著小N2流量的增加，管內(nèi)磷源氣體濃度增加，磷源氣體與硅片反應(yīng)更加均勻，硅片發(fā)射極方阻均勻性的整體波動性也隨之減弱。

不同小N2流量擴散工序之后分別按照“SE+PERC”單晶硅太陽電池的制備工序制成太陽電池，并測試其短路電流Isc、開路電壓Voc、填充因子FF、光電轉(zhuǎn)換效率Eta等電性能參數(shù)，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同小N2 流量對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響Fig.5 Effect of different small N2 flow rates on electrical performance of“SE+PERC”mono-Si solar cells

從圖5 可以看出：隨著小N2流量增加，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的短路電流和開路電壓逐漸減小，填充因子逐漸增大，而光電轉(zhuǎn)換效率則先升高后降低；當(dāng)小N2流量為1000 sccm 時，光電轉(zhuǎn)換效率最高，為23.06%。這是因為隨著小N2流量的增加，“再分布”過程中單位時間內(nèi)向硅片擴散的雜質(zhì)磷(即“磷源”)濃度增加，對于“SE+PERC”單晶硅太陽電池而言，較高的磷摻雜濃度會損傷單晶硅晶體的晶格，引入高濃度的復(fù)合中心[13]，造成較大的復(fù)合損耗，導(dǎo)致太陽電池的短路電流和開路電壓隨著磷摻雜濃度的提高而逐漸降低。

串聯(lián)電阻Rs是造成“SE+PERC”單晶硅太陽電池填充因子損失的主要因素，其主要由硅基材體電阻、太陽電池柵線電阻、擴散層的表面電阻和電極歐姆接觸電阻構(gòu)成[14]，與擴散工序中制備p-n 結(jié)、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等工藝有關(guān)。隨著小N2流量的增加，磷摻雜濃度變大，硅基材體電阻減??；且隨著小N2流量的增加，發(fā)射極的磷摻雜濃度較高，金屬電極與發(fā)射極間形成良好的歐姆接觸，從而導(dǎo)致串聯(lián)電阻逐漸減小，太陽電池的填充因子逐漸增加。

太陽電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率的計算式為：

式中：Ff為太陽電池的填充因子；Pin為入射光的能量密度；S為太陽電池面積。

由式(2)可知，當(dāng)入射光的能量密度一定時，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率主要取決于太陽電池的開路電壓、短路電流和填充因子，因此要提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，需統(tǒng)籌考慮這3 個因素對光電轉(zhuǎn)換效率的影響。

2.2 O2 流量對擴散后硅片發(fā)射極方阻及太陽電池電性能的影響

實驗設(shè)定預(yù)沉積步驟中O2流量分別為300、400、500、600、700 sccm，研究O2流量變化對擴散后硅片發(fā)射極方阻、方阻均勻性及太陽電池電性能的影響，具體工藝參數(shù)如表2 所示。擴散工序完成后，分別在6 個溫區(qū)相同位置各取2 片硅片，測量擴散后硅片發(fā)射極方阻，并計算方阻的均勻性。

表2 不同O2 流量下擴散工序的工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of diffusion process under different O2 flow rates

不同O2流量擴散工序后得到的硅片發(fā)射極方阻及方阻均勻性變化如圖6 所示。

圖6 不同O2 流量擴散工序后得到的硅片發(fā)射極方阻及方阻均勻性變化Fig.6 Changes in square resistance and square resistance uniformity of silicon wafer emitter obtained after different O2 flow rates diffusion process

從圖6a 可以看出：當(dāng)O2流量低于500 sccm 時，擴散后硅片發(fā)射極方阻呈下降趨勢，且O2流量為500 sccm 時方阻值最低，為155.82 Ω/□。這是因為當(dāng)O2流量過小時會出現(xiàn)O2量不足的情況，導(dǎo)致POCl3與O2反應(yīng)不充分而產(chǎn)生副產(chǎn)物PCl5，PCl5不僅很難被分解，還會對硅片表面產(chǎn)生腐蝕作用。隨著O2流量的增加，POCl3與O2反應(yīng)更加充分，反應(yīng)生成P2O5，并與硅片反應(yīng)生成SiO2和磷，沉積在硅片表面。但是隨著O2流量的持續(xù)增加，反應(yīng)生成的SiO2層厚度增加，磷在硅中的擴散系數(shù)大于其在SiO2中的擴散系數(shù)，因此SiO2層能阻擋磷向硅中擴散，硅片表面生成的SiO2層厚度越厚，對磷原子擴散的阻礙性越強，在相同時間內(nèi)磷原子進入到硅片表面的濃度越低，方阻值越大。

從圖6b 可以看出：當(dāng)O2流量在300～600 sccm 范圍內(nèi)時，擴散后硅片發(fā)射極方阻的均勻性隨著O2流量的增加逐漸變好，且當(dāng)O2流量為600 sccm 時，擴散后硅片發(fā)射極方阻的均勻性最佳，均值為6.08%；隨著O2流量的繼續(xù)增加，擴散后硅片發(fā)射極方阻的均勻性逐漸變差。這是由于較高的O2流量使在硅片表面生成的SiO2層較厚，減緩了磷的擴散速度，使擴散更加均勻，但隨著SiO2層厚度的增加，會造成硅片表面的PSG 過厚，對后續(xù)“再分布”步驟的影響增大。

不同O2流量擴散工序后分別按照“SE+PERC”單晶硅太陽電池的制備工序制成太陽電池，然后測試其各項電性能參數(shù)，測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同O 2 流量對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響Fig.7 Effect of different O2 flow rates on electrical performance of“SE+PERC”mono-Si solar cells

從圖7 可以看出：

1)隨O2流量的增加，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的短路電流和開路電壓均呈先降低后增加的趨勢，填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率均為先增加后逐漸降低；當(dāng)O2流量為600 sccm 時，光電轉(zhuǎn)換效率最高，為23.09%。這是因為在300～500 sccm 范圍內(nèi)時，O2流量較低，此時發(fā)射極的磷摻雜濃度較低，光生載流子的復(fù)合效應(yīng)較弱，使太陽電池的開路電壓和短路電流受到擴散后發(fā)射極方阻均勻性的限制，導(dǎo)致太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低；但隨著O2流量的增加，磷摻雜濃度增加，光生載流子的復(fù)合效應(yīng)增強，雖然太陽電池的開路電壓和短路電流降低，但填充因子因串聯(lián)電阻的降低而逐漸升高，使太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率逐漸升高。

2)當(dāng)O2流量大于500 sccm 后，過量的O2與硅原子發(fā)生反應(yīng)生成SiO2，不僅提高了發(fā)射極方阻的均勻性，還減少了“再分布”步驟中單位時間內(nèi)磷的摻雜濃度，減少了復(fù)合效應(yīng)，增加了太陽電池的短路電流和開路電壓，使太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率進一步升高。但隨著O2流量的進一步提升，磷摻雜濃度降低，填充因子降低，且因發(fā)射極方阻均勻性變差，限制了太陽電池的短路電流和開路電壓的進一步提升，導(dǎo)致太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降。

2.3 爐內(nèi)壓強對擴散后硅片發(fā)射極方阻及太陽電池電性能的影響

為了優(yōu)化爐內(nèi)壓強，研究爐內(nèi)壓強變化對擴散后硅片發(fā)射極方阻、方阻均勻性及制得的“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響，本實驗設(shè)計不同爐內(nèi)壓強下的擴散工藝，具體工藝參數(shù)如表3 所示。擴散工序完成后，分別在6 個溫區(qū)相同位置各取2 片硅片，測量擴散后硅片發(fā)射極方阻，并計算方阻的均勻性。

表3 不同爐內(nèi)壓強下擴散工序的工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of diffusion process under different furnace pressures

不同爐內(nèi)壓強擴散工序后得到的硅片發(fā)射極方阻及方阻均勻性變化如圖8 所示。需要說明的是，因?qū)嶒炗脭U散爐設(shè)置的常壓為1060 kPa，隨著壓強的降低，反應(yīng)速度增快，所以分析時爐內(nèi)壓強值是逐漸降低的。

圖8 不同爐內(nèi)壓強擴散工序后得到的硅片發(fā)射極方阻及方阻均勻性變化Fig.8 Changes in square resistance and square resistance uniformity of silicon wafer emitter obtained after different furnace pressures diffusion process

從圖8a 可以看出：擴散工序后硅片發(fā)射極方阻值隨爐內(nèi)壓強的降低呈逐漸升高的趨勢。這是因為實驗用管式擴散爐的爐內(nèi)壓強穩(wěn)定性主要是通過反應(yīng)氣體流量和真空泵的綜合作用來維持[11]，

在不改變氣體流量的條件下，爐內(nèi)壓強越低，真空泵抽速越快，反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔體內(nèi)停留的時間越短，單位時間內(nèi)沉積在硅片表面的磷原子濃度降低，使發(fā)射極方阻值增高。

從圖8b 可以看出：爐內(nèi)壓強過高和過低均不利于管式擴散爐內(nèi)氣氛場的均勻性，從而對發(fā)射極方阻均勻性造成影響，擴散工序后硅片發(fā)射極方阻均勻性均值隨爐內(nèi)壓強的降低先升高后降低，當(dāng)爐內(nèi)壓強為80 kPa 時，發(fā)射極方阻均勻性均值最小，為4.94%，此時發(fā)射極方阻均勻性最佳。這是因為隨著爐內(nèi)壓強的降低，分子自由程變大，反應(yīng)腔體內(nèi)氣流的均勻性增強，減少了氣體湍流的產(chǎn)生，從而提高了發(fā)射極方阻的均勻性。但在擴散過程中，當(dāng)爐內(nèi)壓強持續(xù)降低，真空泵抽速加快，在不調(diào)整氣體流量的情況下，爐內(nèi)壓強會影響到爐內(nèi)溫度和氣氛場的穩(wěn)定性，使?fàn)t口氣體濃度降低，爐尾氣體濃度增強，且爐尾硅片靠近排風(fēng)口，爐尾位置的工藝氣體穩(wěn)定性相對較差，進而影響擴散后發(fā)射極方阻的均勻性。

不同爐內(nèi)壓強的擴散工序后，分別按照“SE+PERC”單晶硅太陽電池的制備工序制成太陽電池，然后測試其各項電性能參數(shù)，測試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同爐內(nèi)壓強對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響Fig.9 Effect of different furnace pressure on electrical performance of “SE+PERC”mono-Si solar cells

從圖9 可以看出：

1)隨著爐內(nèi)壓強逐漸降低，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的開路電壓逐漸升高，填充因子逐漸降低，光電轉(zhuǎn)換效率和短路電流先升高后降低；當(dāng)爐內(nèi)壓強為80 kPa 時光電轉(zhuǎn)換效率最高，為23.11%。這是因為當(dāng)爐內(nèi)壓強較高時，反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔體內(nèi)停留的時間延長，單位時間內(nèi)沉積在硅片表面的磷原子濃度升高，若“再分布”過程不能將這些磷原子推進至合適深度，會造成硅片淺表面的磷濃度過大，導(dǎo)致硅片淺表面電子空穴對復(fù)合過快，影響太陽電池的開路電壓和短路電流，進而影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

2)隨著爐內(nèi)壓強逐漸降低，單位時間內(nèi)沉積在硅片表面的磷原子濃度降低，光生載流子的復(fù)合效應(yīng)減弱，太陽電池的開路電壓和短路電流逐漸升高，發(fā)射極方阻增加，導(dǎo)致串聯(lián)電阻逐漸增加，太陽電池的填充因子逐漸降低。當(dāng)爐內(nèi)壓強為80 kPa 時，復(fù)合損耗降低獲得的優(yōu)勢高于填充因子的損失量，使太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高。

2.4 小結(jié)

綜上可知，擴散工序中小N2流量取1000 sccm、O2流量取600 sccm、爐內(nèi)壓強取80 kPa 為最佳工藝條件，對應(yīng)的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，為23.11%。

3 結(jié)論

在“SE+PERC”單晶硅太陽電池制備過程中，本文針對擴散工序采用“三步法”時，小N2流量、O2流量和爐內(nèi)壓強變化對硅片發(fā)射極方阻、方阻均勻性及制得的太陽電池電性能的影響進行了研究。研究結(jié)果顯示：

1)隨著小N2流量的增加，擴散后硅片發(fā)射極方阻逐漸降低，方阻均勻性逐漸變好，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率先升高后降低。當(dāng)小N2流量為1100 sccm 時，方阻均勻性最好，均值為5.86%；當(dāng)小N2流量為1000 sccm 時太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，為23.07%。

2)隨著O2流量的增加，擴散后硅片發(fā)射極方阻先降低后升高，方阻均勻性先變好后變差，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率先升高后降低。當(dāng)O2流量為600 sccm 時，方阻均勻性最好，均值為6.08%，且太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，為

23.09%。

3)隨著爐內(nèi)壓強的降低，擴散后硅片發(fā)射極方阻逐漸增大，方阻均勻性先變好后變差，太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率先升高后降低。當(dāng)爐內(nèi)壓強為80 kPa 時，方阻均勻性最佳，均值為4.94%，且太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，為23.11%。

該研究將為制備高質(zhì)量“SE+PERC”單晶硅太陽電池發(fā)射極提供重要的技術(shù)參考。