“SE PERC”单晶硅太阳电池发射极方阻均匀性提升工艺的研究.pdf
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1、太阳能第 10 期总第 354 期2023 年 10 月No.10Total No.354Oct.,2023SOLAR ENERGY450 引言 近年来,选择性发射极(SE)技术与钝化发射极背接触(PERC)技术相结合形成的“SE+PERC”晶体硅太阳电池取代了采用传统铝背场(Al-BSF)的晶体硅太阳电池,成为晶体硅太阳电池的主流产品1-3。行业内“SE+PERC”单晶硅太阳电池的大致制备流程为:清洗制绒扩散激光掺杂去磷硅玻璃(PSG)碱刻蚀背钝化镀正面减反射膜丝网印刷烧结等4。其中,扩散工序作为最关键的步骤之一,主要是为了制备p-n 结,该工序一般以液态三氯氧磷(POCl3)作为磷源,利用
2、氮气(N2)通过源瓶内的磷源(鼓泡)来将杂质源蒸汽带入高温扩散炉中,经高温热分解与硅片表面发生反应,还原出杂质原子,并向硅片内扩散5-6,形成发射极,而发射极的片内方阻均匀性(下文简称为“方阻均匀性”)会直接影响其与后续工艺的匹配度,进而影响“SE+PERC”单晶硅太阳电池的电性能,尤其是对于采用高方阻扩散工艺的太阳电池而言,该影响将更为严重7-8。目前,扩散工序采用的设备有管式扩散炉和链式扩散炉两种,管式扩散炉凭借炉内清洁度高、形成的发射极质量高等优势成为工业化制备 p-n 结的主要设备9。影响管式扩散炉形成的发射极方阻均匀性的因素主要包括设备和工艺两方面7。设备方面主要包括炉门密封性、恒温
3、区温控设备的稳定性、均流板的设计、废气排放位置、源瓶温度稳定性等因素,工艺方面主要包括工艺气体流量、表面氧化层、温度、炉内压强、气氛场均匀性、区间温度和绒面质量等。上述因素之间相互影响,导致生产中工艺的优化相对困难,尤其是气氛场因素最难控制,是该研究领域的难点10。谢卿等11、倪玉凤等12研究发现:工艺气体流量和炉内压强是影响气氛场均匀性的主要因素。为了增强管式扩散炉气氛场均匀性,从而改善硅片发射极方阻均匀性,本文通过研究DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20220822.01 文章编号:1003-0417(2023)10-45-10“SE+PERC”单晶硅太阳电池发射极
4、方阻 均匀性提升工艺的研究高荣刚,王丽婷*,周啸颖,王守志,韩林芝,张书(中节能太阳能科技(镇江)有限公司,镇江 212132)摘要:针对“SE+PERC”单晶硅太阳电池制备过程中,管式扩散炉扩散后硅片发射极方阻均匀性差的问题,在扩散工艺的“预沉积”步骤设计小氮气(N2)流量、氧气(O2)流量、炉内压强参数变化实验,研究小 N2流量、O2流量和炉内压强变化对发射极方阻、方阻均匀性及太阳电池电性能的影响。研究结果表明:通过调整小 N2流量、O2流量及扩散过程中的炉内压强可以有效提高发射极方阻均匀性,并提高太阳电池的光电转换效率。在小 N2流量为 1000 sccm、O2流量为 600 sccm、
5、炉内压强为 80 kPa 的工艺条件下可实现发射极的方阻均匀性最佳,均值为 4.94%;此时“SE+PERC”单晶硅太阳电池的光电转换效率为 23.11%。关键词:太阳电池;选择性发射极;钝化发射极背接触;管式扩散;气体流量;炉内压强;方阻均匀性;电性能中图分类号:TM914.4+1 文献标志码:A收稿日期:2022-08-22通信作者:王丽婷(1987),女,硕士、中级职称,主要从事太阳电池技术方面的研究。2023-10杂志.indd 452023-10杂志.indd 452023/10/26 14:28:252023/10/26 14:28:252023 年太阳能“SE+PERC”单晶硅太
6、阳电池制备时扩散工序中小 N2流量、氧气(O2)流量和炉内压强对发射极性能的影响,寻找最优扩散工艺参数,并阐明磷(P)扩散规律。1 实验1.1 实验材料实验选用尺寸为 182 mm182 mm、厚度为170175 m、电阻率为 0.51.5 cm 的太阳能级掺镓 p 型金刚线切割单晶硅片。1.2 反应机理扩散实验采用深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司生产的管式扩散炉,该扩散炉从炉口至炉尾共设置 6 个温区,即温区 1 温区 6。该扩散炉的扩散通气原理示意图如图 1 所示,图中红色箭头方向为气体流向。炉 口炉尾温区 1温区 6泵出气口大 N2小 N2O2POCl3真空泵图 1 管式扩散炉的扩散
7、通气原理示意图Fig.1 Schematic diagram of diffusion ventilation principle for tubular diffusion furnace工艺气体从扩散炉炉口进入炉管,废气从炉尾排出,反应腔体内气氛场压强的稳定性主要通过工艺气体流量和真空泵共同实现。当进入石英管内的工艺气体总流量一定时,排风量的大小将直接影响扩散炉内的气氛场压强,而气氛场压强又与炉内工艺气体的浓度相关,从而影响扩散后硅片发射极方阻均匀性。扩散工序以液态 POCl3作为磷源,分 3 步进行扩散。第 1 步为“预沉积”,通过鼓泡法以小 N2为运载气体携带液态 POCl3进入石英管
8、内,在700800 的高温下进行扩散反应。当温度超过 600 时,POCl3会分解生成五氧化二磷(P2O5)和五氯化磷(PCl5)。反应生成的 P2O5沉积在硅片表面,在高温下与硅反应,生成二氧化硅(SiO2)和磷原子,在硅片表面形成磷硅玻璃(PSG)层。第 2 步为“再分布(即推结)”,以预沉积过程产生的 PSG 层为掺杂源,在 800900 的温度下进行扩散再分布,在硅片中形成一个缓变结。第 3 步为“补源”,利用鼓泡法以小 N2为运载气体携带液态 POCl3进入石英管内,并在 700800 温度下进行补源。扩散工艺各步骤示意图如图 2 所示。推结预沉积进炉氧化降温降温温度出舟补源时间图
9、2 扩散工艺各步骤示意图Fig.2 Schematic diagram of each step of diffusion process1.3 实验设计本实验中“SE+PERC”单晶硅太阳电池的制备流程如图 3 所示。衬底背钝化镀正面减反射膜背面电极印刷正面电极印刷绒面制备烧结碱刻蚀磷扩散SE图 3 “SE+PERC”单晶硅太阳电池的制备流程图Fig.3 Preparation process diagram of“SE+PERC”mono-Si solar cells学 术 研 究462023-10杂志.indd 462023-10杂志.indd 462023/10/26 14:28:26
10、2023/10/26 14:28:26第 10 期为保证实验数据的可靠性,所有硅片均在同一条“SE+PERC”单晶硅太阳电池生产线生产,除扩散工序工艺不同外,其他工序均保持原工艺参数不变。将经过清洗制绒后的硅片以“背靠背”的方式垂直排布于石英舟上,并推入管式扩散炉中进行扩散实验。本文设计了预沉积过程中不同的小 N2流量、O2流量及炉内压强条件的扩散实验。重点研究上述参数变化对扩散后硅片发射极方阻、方阻均匀性及太阳电池电性能的影响。1.4 实验表征方法扩散工序后,采用四探针测试仪测试硅片的方阻;利用 Halm 太阳电池分选测试仪测试太阳电池的光电转换效率 Eta、填充因子 FF、开路电压 Voc
11、、短路电流 Isc等电性能参数。2 实验结果与分析2.1 小 N2流量对扩散后硅片发射极方阻及太阳电池电性能的影响扩散工序中杂质磷主要来源于预沉积过程中POCl3与 O2反应后的生成物 P2O5,其浓度高低依赖于 POCl3的浓度和 O2的流量,而 POCl3的浓度由其运载气体小 N2的流量决定,因此,为获得理想的磷掺杂浓度,研究低气压条件下 O2与小 N2的流量对发射极性能的影响具有重要意义。本实验设定预沉积步骤中小 N2的流量分别为 700、800、900、1000、1100 sccm,研究预沉积步骤中小 N2流量变化对扩散后硅片发射极方阻及方阻均匀性的影响,具体工艺参数如表 1所示。扩散
12、工序完成后,分别在 6 个温区相同位置各取 2 片硅片,测量扩散后硅片发射极方阻,并表 1 不同小 N2流量下扩散工序的工艺参数Table 1 Process parameters of diffusion process under different small N2 flow rates步骤温区 1/温区 2/温区 3/温区 4/温区 5/温区 6/小 N2流量/sccmO2流量/sccm炉内压强/kPa工艺时间/s预沉积7957807757757807857005009048080090010001100再分布86085084584585086590900补源7907807807807
13、80790125050090900计算方阻均匀性。方阻均匀性 M 的计算式为:M=RmaxRmin 100%(1)Rmax+Rmin 式中:Rmax为扩散后硅片发射极的最大方阻;Rmin为扩散后硅片发射极的最小方阻。方阻均匀性的值越小,说明扩散后硅片发射极方阻的均匀性越好;反之,则越差。不同小 N2流量扩散工序后得到的硅片发射极方阻及方阻均匀性变化如图 4 所示。从图 4 可以看出:1)随着小 N2流量的增加,发射极方阻值逐渐降低,当小 N2流量为 1100 sccm 时,方阻均匀性最好,均值为 5.86%。这是因为随着小 N2流量的增加,单位时间内小 N2携带的磷源量增多,反应腔内磷源浓度增
14、加,反应生成的磷原子数量增加,在扩散时间和温度相同的情况下,更多的磷原子会扩散进入硅片内部,使硅片表面的掺杂浓度增加,从而使扩散后的发射极方阻值逐渐降低。高荣刚等:“SE+PERC”单晶硅太阳电池发射极方阻均匀性提升工艺的研究学 术 研 究472023-10杂志.indd 472023-10杂志.indd 472023/10/26 14:28:262023/10/26 14:28:262023 年太阳能176174172170168166164162160158156154152150148146方阻/(/)70080090010001100小 N2流量/sccma.扩散后硅片发射极方阻变化1
15、2.0010.008.006.004.002.000.0070080090010001100小 N2流量/sccm均值温区 1温区 2温区 3温区 4温区 5温区 6方阻均匀性/%b.扩散后硅片发射极方阻均匀性变化图 4 不同小 N2流量扩散工序后得到的硅片发射极方阻及方阻均匀性变化Fig.4 Changes in squared resistance and squared resistance uniformity of silicon wafer emitter obtained after different small N2 flow rates diffusion process2
16、)小 N2流量越小,发射极方阻均匀性越差,炉管内硅片发射极方阻均匀性的整体波动也越大,特别是炉口和炉尾位置。这是因为当小 N2流量较小时,炉管内磷源气体不足,导致磷源气体与硅片反应不均匀;随着小 N2流量的增加,管内磷源气体浓度增加,磷源气体与硅片反应更加均匀,硅片发射极方阻均匀性的整体波动性也随之减弱。不同小 N2流量扩散工序之后分别按照“SE+PERC”单晶硅太阳电池的制备工序制成太阳电池,并测试其短路电流 Isc、开路电压 Voc、填充因子 FF、光电转换效率 Eta等电性能参数,测试结果如图 5 所示。13.5513.5413.5313.5213.5113.50Isc/A700900小
17、 N2流量/sccm80010001100a.Isc0.68760.68730.68700.68670.68640.6861Voc/A700900小 N2流量/sccm80010001100b.Voc82.182.081.981.881.781.6FF/%700900小 N2流量/sccm80010001100c.FF23.0723.0623.0523.0423.0323.0223.01Eta/%700900小 N2流量/sccm80010001100d.Eta图 5 不同小 N2流量对“SE+PERC”单晶硅 太阳电池电性能的影响Fig.5 Effect of different small
18、 N2 flow rates on electrical performance of“SE+PERC”mono-Si solar cells从图 5 可以看出:随着小 N2流量增加,“SE+PERC”单晶硅太阳电池的短路电流和开路电压逐渐减小,填充因子逐渐增大,而光电转换效率则先升高后降低;当小 N2流量为 1000 sccm 时,光电转换效率最高,为 23.06%。这是因为随着小 N2流量的增加,“再分布”过程中单位时间内向硅片扩散的杂质磷(即“磷源”)浓度增加,对于“SE+PERC”单晶硅太阳电池而言,较高的磷掺杂浓度会损伤单晶硅晶体的晶格,引入高浓度的复合中心13,造成较大的复合损耗,
19、导致太阳电池的短路电流和开路电压随着磷掺杂浓度的提高而逐渐降低。学 术 研 究482023-10杂志.indd 482023-10杂志.indd 482023/10/26 14:28:262023/10/26 14:28:26第 10 期串联电阻 Rs是造成“SE+PERC”单晶硅太阳电池填充因子损失的主要因素,其主要由硅基材体电阻、太阳电池栅线电阻、扩散层的表面电阻和电极欧姆接触电阻构成14,与扩散工序中制备 p-n 结、丝网印刷、烧结等工艺有关。随着小 N2流量的增加,磷掺杂浓度变大,硅基材体电阻减小;且随着小 N2流量的增加,发射极的磷掺杂浓度较高,金属电极与发射极间形成良好的欧姆接触,
20、从而导致串联电阻逐渐减小,太阳电池的填充因子逐渐增加。太阳电池的理论光电转换效率的计算式为:Eta=VocIscFf (2)PinS式中:Ff为太阳电池的填充因子;Pin为入射光的能量密度;S 为太阳电池面积。由式(2)可知,当入射光的能量密度一定时,太阳电池的光电转换效率主要取决于太阳电池的开路电压、短路电流和填充因子,因此要提高太阳电池的光电转换效率,需统筹考虑这 3 个因素对光电转换效率的影响。2.2 O2流量对扩散后硅片发射极方阻及太阳电池电性能的影响实验设定预沉积步骤中 O2流量分别为 300、400、500、600、700 sccm,研究 O2流量变化对扩散后硅片发射极方阻、方阻均
21、匀性及太阳电池电性能的影响,具体工艺参数如表 2 所示。扩散工序完成后,分别在 6 个温区相同位置各取 2 片硅片,测量扩散后硅片发射极方阻,并计算方阻的均匀性。表 2 不同 O2流量下扩散工序的工艺参数Table 2 Process parameters of diffusion process under different O2 flow rates步骤温区 1/温区 2/温区 3/温区 4/温区 5/温区 6/小 N2流量/sccmO2流量/sccm炉内压强/kPa工艺时间/s预沉积795780775775780785100030090480400500600700再分布8608508
22、4584585086590900补源790780780780780790125050090900不同 O2流量扩散工序后得到的硅片发射极方阻及方阻均匀性变化如图 6 所示。从 图 6a 可 以 看 出:当 O2流 量 低 于 500 sccm 时,扩散后硅片发射极方阻呈下降趋势,且 O2流量为 500 sccm 时方阻值最低,为 155.82/。这是因为当 O2流量过小时会出现 O2量不足的情况,导致 POCl3与 O2反应不充分而产生副产物 PCl5,PCl5不仅很难被分解,还会对硅片表面产生腐蚀作用。随着 O2流量的增加,POCl3与 O2反应更加充分,反应生成 P2O5,并与硅片反应生成
23、 SiO2和磷,沉积在硅片表面。但是随着300154156158160164168162166170500O2流量/sccm方阻/(/)400600700a.扩散后硅片发射极方阻变化学 术 研 究高荣刚等:“SE+PERC”单晶硅太阳电池发射极方阻均匀性提升工艺的研究492023-10杂志.indd 492023-10杂志.indd 492023/10/26 14:28:272023/10/26 14:28:272023 年太阳能3000.002.004.008.0012.006.0010.00500O2流量/sccm方阻均匀性/%400600700温区 1温区 2温区 3温区 4温区 5温区
24、 6均值b.扩散后硅片发射极方阻均匀性变化图 6 不同 O2流量扩散工序后得到的硅片发射极方阻及 方阻均匀性变化Fig.6 Changes in square resistance and square resistance uniformity of silicon wafer emitter obtained after different O2 flow rates diffusion processO2流量的持续增加,反应生成的 SiO2层厚度增加,磷在硅中的扩散系数大于其在 SiO2中的扩散系数,因此 SiO2层能阻挡磷向硅中扩散,硅片表面生成的 SiO2层厚度越厚,对磷原子扩散的阻
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