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1、和 Y1 ZtiSClfcNTIFiG A TtGHNOLQ31GA IJ4&T4P *lf学生毕业设计（论文）题目硅太阳电池扩散工艺研究学院专业光伏材料加工与应用技术班级08光伏（1）班姓 名学号2085110123指导教师 赖国胜 曹志伟目录摘 要 11引言 21.1 21.221.3 2.2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 83.4 83.5 84结论 95致谢106参考文献1.1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-
3、N 结烧结所关联的因素进行了分析。然后， 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
4、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
5、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。 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
6、。 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、Sun power 公司的 Low- cost rear- con tact 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
7、加热方式 (普遍选用 Kanthal 加热炉丝 ) ，装载系统主要有悬臂式 (loading unloading) 和软着陆 (soft contact load-ing，简称SCL)两种，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圭寸性更 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
8、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
9、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，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
10、经废气排放管排到液圭寸吸收瓶（工业生产常用酸雾处齬保齧卧爲2砂舟（麟）炉思U板JLLif气排放管口】/pit真管I廉气舞玻管一*Ln?理塔）处理，处理合格后排气。Profile TCtlierial col恒讣世ProflleTC Profiled Profiled护口位置 炉中位置炉尾位矍ffll扩散乜饥场结构不克图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
11、度的影响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ProfileTC(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 L/min,增加到27 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1;表1 流从為 Vmin4f到27 L/mEn石的温
12、度动态偏差值炉内位盘PwfilhTCSS值(25L7min)Prtifilr TC 稳泄(27 L/min)Em 口忙 I804803-IZnnr2804803-1tnrwd80280208128120Zone,RI2R120表2涼量从25 Umin 23 UmJn后的iR度动态傭鑿值炉内位违Phiiile T( r?定 f 戊(251/min)PruHie TC 稳定e(23Uaiin动态俯養(23 LAui n)ZiHIS03B04+1Zu803804+ lS0202+ t8128127Zonei?B12R124(4) 手动调节大N2流量，从25L/min，减少到23 L/min，记录流量
13、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 L/min向27 L/min变化, 炉尾温度降低1C,炉口温度无变化，气流量由 25 L / min减少到23 L / min, 炉尾温度升高1C,炉口温度降低1C。和 牠需爛釘細掰細舫斛航OOitSJ加鼎眶肿畦 内畦 fiDIS-A111.962W1)152 K2.3废气排放位置对炉口均匀性的影响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。在生产 中，需要在恒温区最大限度地
14、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。克4鮎榊匸不同时般貓能驷lOG；幅躺F晒敲ASDNMA52003.42.9DI42-BB52(KI3,75利萨獅弼族电斷AO时此朗般片内方壮1片内雌k哒0142-(100%枚A520019,145.4彌DU2-DA5200143.31烧从表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200C)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2.4.1 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
