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換效率的原因主要是基于表面鈍化、濕氧氧化等技術的應用。新技術的開發與運用同時也極大地促進了太陽電池的商業化發展。在過去的10年，全球太陽電池的生產以年平均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％。
除產業化運用新技術外，太陽電池制作中工藝優化也非常重要的。太陽電池產業化所面臨的主要問題之一是如何在保證電池高轉換效率前提下提高產能。擴散制作P －N結是晶體硅太陽電池的核心，也是電池質量好壞的關鍵之一。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。其后續工藝參數可控性高。可以較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業推廣方面主要有兩個方向：一個是太陽電池P-N結新結構設計的應用，比如N型電池、SE(selective emitter)電池等；另一個是由于其他工序或材料新技術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。晶體硅產業化擴散制作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)和軟著陸(soft contact load-ing，簡稱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保證爐門低溫狀態。工藝反應過程中SiC槳退出反應石英管外，這些設計上的優點減少擴散均勻性的影響因素，在工藝生產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，為高效太陽電池產業應用提供硬件保障。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換效率電池大規模生產成本降低的要求，現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的研究，以達到優化工藝參數、降低生產成本的目的。

2 擴散均勻性影響因素
針對管式擴散爐的特點，優化擴散的均勻性主要采取溫區補償技術。在大規模生產中，補償方法主要通過調整工藝反應時間、氣體流量和反應溫度三者實現。配備懸臂裝載機構擴散爐本身的特點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重要，因這些因素相互關聯影響，使得生產中的工藝優化相對困難，尤其是氣氛場因素更難控制，這也是該研究領域至今未建立擴散均勻性氣氛場工程模型的難點。根據氣氛場因素的特點，作出擴散氣氛場結構示意圖如圖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，工藝廢氣經廢氣排放管排到液封吸收瓶(工業生產常用酸霧處理塔)處理，處理合格后排氣。

工業化生產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。