毕业设计（论文）硅太阳电池扩散工艺研究.doc

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1、 学生毕业设计（论文）题目硅太阳电池扩散工艺研究 学 院 江西渝州科技职业学院 专业 光伏材料加工与应用技术 班 级08光伏（1）班 姓名邢 涛 学号2085110123 指导教师赖国胜 曹志伟 完成日期 2010年10月20日 目录摘 要 11引言21.1 21.2 2 1.3.22 原理及方法32.1扩散均匀性影响因素 32.2工艺气体流量对炉内温度的影响 42.3废气排放位置对炉口均匀性的影响 52.4排风量大小对炉口均匀性的影响 62.5硅太阳电池所用的源扩散方法 63 比较研究73.1 73.2 73.3 8 3.4 83.5 84 结论95 致谢106 参考文献 11硅太阳电池扩散

2、工艺研究摘要：对已经取得较普遍应用的硅太阳电池来说，开发新技术和优化制造工艺以降低电池的制造成本是目前是该领域最总要的努力方向之一。本文所研究的主要问题是降低成本硅太阳电池在工业化生产中扩散制作P-N结工艺。通过不同扩散工艺条件与电池的相关性能参数的关系，得出适于高转换率大规制作的最佳扩散工艺条件。在扩散这方面理论知识虽然比较成熟。但对工业化生产涉及的具体的工艺系统研究在国内还没相关报道。为了能够便于了解扩散制作P-N结理论及其工艺，本文对生产硅太阳电池的基本工作原理及其主要工作流程进行了描述。在理论方面，本文对扩散制作P-N结、电极制作及应用在硅太阳电池P-N结烧结所关联的因素进行了分析。然

3、后，论文从工艺流程对扩散方块电阻的阻值控制要求出发，结合正表面电极设计角度，利用扩散薄膜电阻对栅线间隔设计要求，分析了相关功率耗损。太阳电池产业所面临的最主要的问题之一是在如何保证电池高转换率前提下提高产量。对于扩散工序而言，确保高效率电池高产能面临的问题在于如何保障扩散的均匀性，优化扩散的均匀性主要采取温区补偿技术。论文针对影响扩散的均匀性的因素多而关联复杂等特点。重点难于控制气氛=厂因素进行系统实验研究，在气体流量、均流设计、炉内压强等方面提出了较好的优化实验方法，通过实验方法应用与工业生产，扩散均匀性得到了较好的控制；并首次提出建立扩散气氛厂工程模型来分析扩散均匀性问题，同时论文给出了扩

4、散气氛厂工程模型的思路分析。该模型研究方法可改善电池性能并而可以对产业化起了主导作用。从扩散均匀性对太阳电池性能的影响角度，论文通过实验分析了电池表面不同扩散浓度分析对电池少子寿命、开路电压，、短路电流及烧结的影响；同时，论文还分析了太阳电池表面余误差函数分布下不同扩散浓度对烧结工艺要求及填充因子的影响及对电池少子寿命及开路电压的影响。通过生产线实验验证，获得了一致的分析成果。经过进一步的工艺优化与分析，扩散工艺具有低成本生产高效硅太阳电池的广阔前景。关键词：硅太阳电池，扩散，均匀性。转换效率，产量1引言 1.1 晶体硅太阳电池能够取得高效转换效率的原因主要是基于表面钝化、湿氧氧化等技术的应用

5、。新技术的开发与运用同时也极大地促进了太阳电池的商业化发展。在过去的10年，全球太阳电池的生产以年平均30的速度快速增长，单晶硅和多晶硅太阳电池的增长所占比重最大，超过整个太阳电池增长的80。1.2 除产业化运用新技术外，太阳电池制作中工艺优化也非常重要的。太阳电池产业化所面临的主要问题之一是如何在保证电池高转换效率前提下提高产能。扩散制作P N结是晶体硅太阳电池的核心，也是电池质量好坏的关键之一。对于扩散工序，最大问题在于如何保障扩散的均匀性。扩散均匀性好的电池。其后续工艺参数可控性高。可以较好地保证电池电性能和参数的稳定性。扩散均匀性在高效率低成本电池产业推广方面主要有两个方向：一个是太阳

6、电池P-N结新结构设计的应用，比如N型电池、SE(selective emitter)电池等；另一个是由于其他工序或材料新技术的应用需要寻求相应的扩散工艺路线，比如冶金硅用于太阳电池、Sunpower公司的Low- cost rear-contact solar cells和夏普公司的back-contact solarcells等。这些都是扩散对均匀性要求新的研究方向。晶体硅产业化扩散制作P-N结所采用的扩散炉主要为管式电阻加热方式(普遍选用 Kanthal加热炉丝)，装载系统主要有悬臂式(loadingunloading)和软着陆(soft contact load-ing，简称SCL)两

7、种，国内扩散炉以悬臂式为主，国外以SCL为主。相对于配置悬臂装载机构的扩散炉，SCL式扩散炉因其炉口密封性更易保障，并不采用石英保温档圈来保证炉门低温状态。工艺反应过程中SiC桨退出反应石英管外，这些设计上的优点减少扩散均匀性的影响因素，在工艺生产中能更好地保证扩散的均匀性；同时也极大地降低工艺粘污风险，为高效太阳电池产业应用提供硬件保障。这也是SCL式扩散炉逐步取代悬臂装载式扩散炉的原因所在。早期的工艺路线主要包括开管扩散与闭管扩散，鉴于对扩散均匀性要求的不断提高和对高转换效率电池大规模生产成本降低的要求，现基本采用闭管工艺路线。对悬臂管式扩散炉中影响扩散均匀性的气氛场因素进行相关的研究，以

8、达到优化工艺参数、降低生产成本的目的。1.3 扩散是以种由热运动所引起的杂质原子和基本原子的输运过程，由于热运动把原子从一个位置输运到另一个位置，使基本原子与杂质原子不断的相互混合。2 原理及方法2.1扩散均匀性影响因素2.1.1针对管式扩散炉的特点，优化扩散的均匀性主要采取温区补偿技术。在大规模生产中，补偿方法主要通过调整工艺反应时间、气体流量和反应温度三者实现。配备悬臂装载机构扩散炉本身的特点及恒温区位置的固定，确保了SiC桨、石英保温档圈、均流板和石英舟是固定位置使用。影响扩散均匀性因素除相关物件固定放置位置外，工艺气体总流量、废气排放流量与炉内压强的平衡设置，均流板的气体均匀分流设计，

9、废气排放位置与气流变化对温度稳定抗干扰的平衡设置等因素也至关重要，因这些因素相互关联影响，使得生产中的工艺优化相对困难，尤其是气氛场因素更难控制，这也是该研究领域至今未建立扩散均匀性气氛场工程模型的难点。根据气氛场因素的特点，作出扩散气氛场结构示意图如图1所示。图1中，箭头方向为气体示意流向；废气排放管和Profile TC套管处于同一水平面上，工艺废气经废气排放管排到液封吸收瓶(工业生产常用酸雾处理塔)处理，处理合格后排气。2.1.2 工业化生产中扩散炉的均匀性主要通过测试扩散后硅片的方块电阻来反映。工艺反应时间、气体流量和工艺反应温度的变化非常直观地体现在方块电阻值的变化上，即增加工艺反应

10、时间和工艺反应温度将导致方块电阻值的降低，磷源流量的减小反映在方块电阻值的升高；反之亦然。2.2 工艺气体流量对炉内温度的影响2.2.1在工艺温度稳定条件下，关闭小N2(磷源bubbler bottle)，通过手动调节大N2流量，试验记录扩散炉石英反应管内炉口、炉中、炉尾3段Profile TC(tlaermal couple)温度随炉内气体流量(压强)的变化情况，以研究炉内气氛场气体流量(压强)变化对与扩散均匀性密切关联的温度影响程度和趋势。试验过程包括：（1） 检查炉门及各气路连接处的密封性；（2） 设备温度PID参数自整定；（3） 手动调节大N2流量，从25 Lmin，增加到27 L/m

11、in，记录流量调节前后稳定温度值和流量变化导致的温度动态偏差值，见表1； （4） 手动调节大N2流量，从25Lmin，减少到23 L/min，记录流量调节前后稳定温度值和流量变化导致的温度动态偏差值，见表2，表中Zone1为炉尾，Zone2是炉中尾，Zone3为炉中，Zone4是炉中口，Zone5为炉口。2.2.2 从表1和表2的数据可看出，气流量由25 Lmin向27 Lmin变化，炉尾温度降低1，炉口温度无变化，气流量由25 Lmin减少到23 Lmin，炉尾温度升高1，炉口温度降低1。2.3 废气排放位置对炉口均匀性的影响2.3.1扩散炉恒温区的有限性与生产产量的最大化是矛盾关联的。在生

12、产中，需要在恒温区最大限度地放置扩散硅片，保证恒温区温度的精度和稳定性。因配置悬臂式装载系统的扩散炉炉口对温度的干扰最大，可将废气管口尽可能地靠近炉门，同时也能改善靠近炉口方向硅片反应区域气氛场的均匀性。因此，分别调整废气排放位置并进行试验对比。 2.3.2从表4可看出，废气排放口离恒温区越远，即离炉口越近，炉口的方阻片内片间均匀性改善越好，但废气排放的同时也有大量热能的排放，在排放口区域的热能较多，因考虑到炉门的低温(一般为小于200)要求，在一定程度上又限制了排放口到炉门的距离不能太近。所以，生产中废气排放口的较佳位置是在一个两向平衡距离范围内。2.4 排风量大小对炉口均匀性的影响2.4.

13、1当进入扩散炉石英管内的工艺气体总流量一定时，排风量大小的设定直接影响扩散炉内的气氛场压强变化，而气氛场压强又与炉内工艺气体的浓度相关联从而影响扩散的均匀性，尤其是炉口的均匀性。2.4.2 通过表5分析炉口片内极差大的具体原因，得到极差大主要是由硅片下半部分方块电阻大造成的，而这下半部分又与排气口最近，故采取调小排气阀开度，增加炉内压强，间接地增加工艺气体反应时间，从而改善炉口片内均匀性和片间均匀性。对于稳定生产而言，炉内压强的最佳值是在一定范围内的，这就要求工艺反应气体流量与废气排放量需保持一个整体平衡。2.5 硅太阳电池所用的源扩散方法2.5.1 涂布源扩散涂布源扩散有可分为简单涂布源扩散

14、和二氧化硅乳胶源扩散两种。（1） 简单涂布源扩散：是用1-2滴五氧化二磷或二氧化硼在水（或乙醇）中制成稀溶液，预先滴涂于P型或N型硅表面做杂质源，与硅产生反应，生成磷或硅玻璃。沉淀在硅表面的杂质元素在扩散温度下向硅内部扩散，从而形成P-N结或N-P结。（2） 二氧化硅乳胶是一种有机硅氧烷的水解聚合物，它能溶解于乙醇等有机溶剂中成为有一定粘度的溶液，在100-400烘烤后，可形成无定形的二氧化硅。二氧化硅乳通过在硅酸乙酯中加入乙醇，经过水解的方法获得，也可以通过将四氯化硅通入醋酸后加入乙醇制得。在乳胶中适量溶解五氧化二磷或三氧化二硼等杂质，并经乙醇稀释，就可以得到所需的二氧化磷乳胶源。2.5.2

15、 液态源扩散液态源扩散有三氯氧磷液态扩散和硼液态源扩散等方式，它是通过气体携带的方法将杂质带入扩散炉内实现扩散的。其生产过程如下：（1） 将扩散炉预先升温至扩散温度（800-950），通入大量的氮气（500-30000ml/min）_，驱除管道内的气体。如果新处理的石英管还要接着通入含有三氯氧磷的氮气（500-5000ml/min）和氧气（500-5000mi/min），使石英管壁吸收致饱和状态。（2） 取出经过表面准备的硅片，装入石英管舟，推入恒温区，在大流量的氮气（500-30000ml/min）保护下预热若干分钟。（3） 通入含有三氯氧磷的氮气的流量为500-3000ml/min，氧气流

16、量为500-3000mil/min通源时间为15-60分钟。（4） 是源（既停止通含有哦的三氯氧磷的氮气和氧气，然后通大流量氯气若干分钟，以驱走残余在管道内的源蒸气。（5） 把石英舟拉至扩散炉口，将温如干分钟后，即可取出扩散好的硅片。2.5.3 固态氮化硼源扩散 固态氮化硼源通常采用片状氮化硼作源 ，在氮气保护下进行扩散。片状氮化硼的制作方法有两种：可用高纯氮化硼棒切割成和硅片一样大小的薄片，也可以用粉状氮化硼冲压成片。扩散前，氮化硼片预先在扩散温度下通氧气30分钟，使氮化硼表面的三氧化二硼和硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积在硅表面，硼向硅内部扩散，扩散炉内的氮气流量较低时，可以使扩散更加均匀3

17、比较研究 常用扩散方法的比较扩散方法特点简单涂布源扩散 设备简单，操作方便；工艺要求较低，技术成熟；扩散硅表面状态欠佳，P-N结面不平整；对于大面积硅片薄膜层电阻值相差较大。二氧化硅乳胶源涂布扩散设备简单，操作方便；扩散硅表面状态良好；P-N结面平整，重复性较好；改进涂布设备可适用于自动化流水线生产液态源扩散 设备和操作比较复杂；扩散硅表面状态良好；P-N结面平整，重复性较好；工艺成熟固态氮化硼源扩散设备简单，操作方便；扩散硅表面状态良好；P-N结面平整，重复性较液态源扩散好；适合大批量生产3.1 在不影响P-N结的特性的前提下，扩散温度选择高一些可以缩短扩散时间，有利于生产3.2 对于扩散的

18、情况，温度选择主要适当，既不能使温度过高，是2扩散时间过短，以致难于控制工艺；又不使温度过低，而使扩散时间延长到不适当地步。3.3 在恒定的表面浓度扩散时间增加t扩散进入硅中的杂质总量Q相应的增加，结深增加了x（一定的深度）.在恒量表面杂质源扩散时，扩散进入硅中的杂质总量Q不变，扩散时间增加表面浓度N下降，结深增加。3.4 在生产上，与时间的控制比较，温度的控制更难控制一些。计算指出，在1180扩散时，若时间误差10，结深误差5；而温度误差1结深误差也是5。时间控制1分钟误差也是容易事，但温度精确到1是件很困难的事。3.5 使用三氯氧化磷扩散模式装置更有利于经济生产，它的优点有：（1） 封闭的

19、，管式炉的工艺过程容易保持洁净。（2） 双面扩散有很好的吸杂效应。（3） 掺杂源中的氯在工艺过程中有清洁作用。（4） 掺杂的沉积非常均匀。4 结论晶体硅太阳电池的主要工艺制作过程包括制绒、扩散、刻蚀、镀膜、印刷、烧结等，每道工序的相关控制参数都直接或间接地与电池电性能参数相关联。对于扩散工序而言，扩散的均匀性直接体现在硅片形成的P-N结结深差异性上，均匀性好反映出结深差异性小，反之亦然。而不同的P-N结结深其烧结条件不一样。从另一方面，同样的烧结条件生产应用于扩散均匀性好的在制电池片，其欧姆接触性能、填充因子等电性能参数一致性好，最终体现在太阳电池的转换效率一致性的可控性。用实验方法分析影响晶

20、体硅太阳电池扩散均匀性的气氛场因素及其工艺调节优化改善方法，在工艺调试过程中需要注意这些气氛场因素是相互关联影响的，一般先优化改善均流板的均匀分流设计和废气排放位置因素，再综合工艺气体流量、排气量等其他相关因素系统调整炉内压强平衡。通过扩散均匀性的优化调节。可以很好地改善太阳电池的填充因子FF、并联电阻Rsh、串联电阻Rs和开路电压Ucc等电性能，从而降低电池的制造成本。扩散的要求是获得适合于太阳电池P-N结所需的姐深和扩散层方块电阻。线结的表面浓度低，电池短波响应好，但会引起串联电阻增加，只有提高电极栅线的密度，才能有效的提高电池的填充因子，这样就增加了工艺难度；如果表面浓度太大，会引起重掺

21、杂效应，使得电池的开路电压、短路电流下降，在实际电池制作中，应综合考虑各种因素，结深一般控制在0.3-0.5m。5 致谢大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。感谢培养教育我的学校，浓厚的学术氛围，舒适的学习环境我将终生难忘！祝母校蒸蒸日上，永创辉煌！祝校长财源滚滚，仕途顺利！感谢老师对我倾囊赐教，诸位恩师的谆谆训诲我将铭记在心。祝恩师们身体健康，家庭幸福！感谢我的赖国胜老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢房芳、曾凡琦等同学对我的帮助和指点。没

22、有他们的帮助和提供资料对于我一个对网络知识一窍不通的人来说要想在短短的几个月的时间里学习到网络知识并完成毕业论文是几乎不可能的事情。感谢寝室里的患难兄弟，是你们3年来对我的蹂躏才使我的意志品质变的如此坚强，大学真锻炼人呀。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！6参考文献 【1】李一龙、赖国胜、樊农艳硅太阳电池制备工艺。吉林大学出版社.2008.10【2】杨金焕、于代丛、葛亮一太阳能光伏发电应用技术。电子工业出版社.2009.1【3】王君一、徐任学太阳能利用技术。金盾出版社.2008.1【4】赵建华。过去十年硅太阳电池研究的进展。扩散技术，1994.5【5】杜永超、韩志刚、秦美蓉等提高硅太阳电池效率的措施。第八届光伏会议论文集，2003