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1、-低压扩散应用于晶硅太阳电池的可行性工作总结报告一、立项背景面对日益短缺的能源与不断恶化的自然环境，人们将目光投向那些绿色环保、可再生的新能源的身上，如太阳能、风能、生物能、地热能、潮汐能等等。作为可再生清洁能源的典型代表，光伏发电以其无污染、可再生、储量丰富等优点引起了世界各国的高度重视，而据国际能源署(IEA)和欧盟联合研究中心(JRC)的预测，到2040年世界太阳能光伏发电量将占世界电力总供应的20%以上。根据预测如图1所示，太阳能在未来能源结构当中所占的比例越来越大，在本世纪末太阳能将可能会成为主要的能源供给来源，所占比例可能会超过60%。图1.世界能源使用现状及未来能源需求结构预测图
2、在各种太阳能电池中，硅太阳能电池因其可靠性高、寿命长、能承受各种环境变化等优点成为太阳能电池的主要品种。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，最大的问题是如何提高扩散的均匀性。扩散的均匀性直接体现在硅片扩散后PN结结深的差异性上，均匀性好则结深的差异性小，反之亦然。而不同的结深对应的烧结温度也是不一样的。换个角度来说，同样的烧结条件对于扩散均匀性好的电池片，其欧姆接触就会好，短路电流、填充因子等电性能参数也会比较稳定。这样，电池片的转换效率也就更稳定。并且，电池片与电池片之间
3、的电性能参数一致性好，也有利于组件的稳定性和防衰减性，从而提高了太阳电池的使用寿命。因此，如何来提高扩散的均匀性就显得非常有必要。为了克服现有技术的缺点，改善扩散后硅片的均匀性，提高晶硅太阳能电池的光电转换效率，我们提出将低压扩散技术引入晶硅太阳能电池中。二、项目执行情况1、 成立项目工作小组为确保本项目的顺利实施，公司已经形成了有来自浙江大学、湖南科技大学、中国科学院等著名高等院校10多名硕士组成的技术研发团队，共同致力于公司技术研发工作，公司以内部研发中心为依托，成立项目工作小组，该小组下设设备优化研究小组、工艺研发小组和试验生产小组，对研发工作进行了细化分解。各小组分工明确，责任到人，从
4、组织上保证了项目的正常运行。各小组细化工作如下：项目工作小组设备优化小组工艺研发小组试验生产小组设备改造工艺研发和试验试生产和品质管控2、项目进展报告（1）2016.3 2016.5立足公司现有的扩散设备，针对常规扩散设备按低压扩散炉核心结构进行改造。低压扩散炉的核心结构如图2所示。图2.低压扩散核心结构示意图从进气管1进入工艺气体，在腔室2中进行低压扩散，尾气从尾气管3排出，泵7、8、9负责创造真空条件，泵出口连接排酸管道。为保证改造后炉体满足低压真空条件，除炉体做密封改良处理外，炉门更换为专门针对低压扩散的高密封性自冷炉门如图3所示。前期改造工作在3个月左右时间基本完成。图3.改造后扩散炉
5、炉门（2）2016.62016.9对于多晶硅，在低压条件下，探索温度、气体流量、工艺步骤对扩散方阻和扩散均匀性的影响。研究初始低压扩散条件与最终所得电池片性能参数间的关系，成功设计并优化初步得出一种高方阻的低压扩散工艺。（3）2016.102016.12运用高方阻低压扩散工艺的基础上，建立了中试生产线，对产品进行试生产。对中途出现的问题不断排查原因并改善，经过生产线近3个月的努力，已基本形成新工艺的批量生产能力。3、项目总结从2016年3月到2016年12月，浙江向日葵光能科技股份有限公司低压扩散应用于晶硅太阳能电池项目在公司领导的支持下，通过前期研究，可以运用到生产中。主要研究内容本项目提出
6、采用低压扩散工艺改善扩散均匀性，它一种通过改善炉管气密性、增加真空系统实现的扩散方式，真空系统提供低压力氛围，从而增加三氯氧磷分子平均自由程，提高扩散均匀性、稳定性和成膜致密性；通过低压扩散工艺，可以获得均匀的p-n结结构，更易实现浅结高方阻扩散工艺，提升电池转换效率。同时低压扩散以其优异的方阻均匀性大大提高单管产能，降低制造成本。我们的初步研究表明该工艺可以改善扩散的均匀性。针对高方阻的低压扩散，成功设计出一种较实用的低压扩散工艺，其工艺步骤如图4所示。进舟抽真空升温检漏通氧扩散推进充气出舟图4.低压扩散工艺步骤低压扩散工艺分如下三步进行：(1)关闭放有硅片的扩散炉炉门后,抽气使炉内压强至设
7、定压强并用高温氧化硅片,在硅片表面生成一薄层SiO2；(2)采用两步扩散法制备PN结：第一步低温预扩散,第二步高温扩散；(3)退火,改变扩散炉内部压强除去杂质；步骤(1)至(3)中设定的工艺参数如下：所述步骤(1)设定的工艺参数为：炉内压强为50100mbar；氧化温度为780800；氧化时间为200800sec；大氮流量为1000030000ml/min；氧气流量为5002000ml/min；所述步骤(2)设定的工艺参数为：第一步低温预扩散工艺参数为：炉内压强为50100mbar；炉内温度为780800；扩散时间为250800sec；大氮流量为1000030000ml/min；小氮流量为60
8、01000ml/min；氧气流量为5002000ml/min；第二步高温扩散工艺参数为：炉内压强为50100mbar；炉内温度为800830；扩散时间为250800sec；大氮流量为1000030000ml/min；小氮流量为6001000ml/min；氧气流量为5002000ml/min；所述步骤(3)设定的工艺参数为：设定退火温度550650、时间为10003000sec；炉内压强从设定的50100mbar升至1000mbar,再从1000mbar降至设定的50100mbar,反复改变24次,每个压强改变周期在400sec以内。试验低压扩散工艺，检测所得方阻均匀性，设定方阻目标值10511
9、5，采用密舟800片满载进炉，按常规先测中心点的五点测试法所得结果如下表1所示。表1.低压扩散工艺所得硅片各位置方阻位置测试点1测试点2测试点3测试点4测试点5炉口11010310110411010310511211010810499109108103炉中107106108112112113117117112113炉尾119122127125125方阻平均值111方阻均匀性3.60%低压扩散由于分子的穿透能力变强，掺杂均匀性提高。采用密舟装载方式在炉管恒温区长度不变的前提下单管装片量由原来的500片/管提升至800片/管，产能大幅度提升；扩散方阻均匀性控制在4%以下，相对于常规扩散，均匀性明显
10、改善。研究结果显示，公司现有常规扩散炉可以花费相对较少的资金成功改造成低压扩散炉，并采用相对合理的低压扩散工艺成功制备出方阻均匀符合生产要求的电池片，同时产能获得大幅提升。经过低压扩散的电池片经后续清洗、PECVD和丝印，转换效率比常规扩散电池片提高0.2%0.3%。三、技术创新点和技术解决方案（1）扩散设备改造。炉门系统为保证低压扩散的密封效果，炉门采用双层密封加自冷结构，精巧的炉门预紧力自调整机构，减少了炉门损坏现象，石英件使用寿命更长。真空系统整台真空系统包括进口干泵，冷却装置及相关阀门。进口干泵为耐腐蚀干泵，冷却装置为专门定制产品，能充分冷却反应后的气体，并完成收集的工作。（2）低压扩
11、散工艺的研究。低压扩散通过管内负压环境提升扩散制结的性能，对方阻均匀性的影响主要体现在以下 3个方面：通过低压环境使分子自由程增长，增强穿透力，从而提升掺杂均匀性。随着反应管真空度的提升，分子平均自由行程加大，增强分子的穿透力（见表2），使源掺杂均匀性更好，消减了传统扩散的光环效应（即硅片中间方阻值高，而四周方阻值低），提高了扩散的均匀性。由于分子的穿透能力变强，石英舟槽间距设计可由目前标准的 4.76 mm 降为 2.38 mm，甚至可降至 2mm 以下，在扩散炉恒温区不变的前提下产能得以大幅度提升。减少紊流，提高气氛均匀性。扩散炉的炉内压力越低越有利于气流的稳定。研究表明：炉内压力为 10
12、 k Pa 时，即使在扩散炉管的末端，气流依旧稳定，几乎没有湍流产生；随着气压的升高，当压力为 100 k Pa 时，扩散炉管中出现湍流；当压力为 100 k Pa 时，扩散炉管内湍流非常明显。由此可见，降低管内的压力可减少湍流产生，提高气氛均匀性，从而提高扩散的均匀性。快速排空，减少表面复合、降低掺杂源耗。低压扩散炉，可以实现快速排空，利于形成浅结，减少表面复合，适应高效晶体硅太阳能电池浅结高方阻扩散的发展趋势，此外，在低压扩散环境中，掺杂原子分压比大，降低掺杂源耗，降低成本。表 2不同真空度环境下的分子平均自由行程压力压力/Kpa平均自由行程常压10068nm负压30110-10.1100
13、m中真空110-1110-30.1100mm高真空110-4110-810cm1km（3）低压扩散炉工艺探索中各气氛流量、时间、温度的不断调试修正，形成一套适合设备现状、生产实际和技术要求的工艺是本技术的创新点。四、低压扩散特点及应用情况低压扩散技术特点非常突出，工艺中低的杂质源饱和蒸气压、提高了杂质的分子自由程，它对156尺寸的硅片每批次产量1000片的情况下其扩散均匀性仍优于5%，是高品质扩散的首选与环境友好型的生产方式。有研究表明，降低扩散炉工作腔内的气压会提高扩散炉管内气流的均匀性，避免湍流产生，从而提高扩散的均匀性。目前，国外先进的低压扩散技术可使晶体硅电池在高至120/sq的方块电
14、阻范围内仍具有优异的扩散均匀性，为晶体硅太阳能电池效率的进一步提高奠定了基础。此外，低压扩散还有诸多优点，例如随着方阻均匀性的提高，装片石英舟槽间距设计可由目前标准的4.76mm降为标准值的一半左右2.38mm，这样带来的效果是在设备体积不变的情况下产能大幅提升。另外，采用低压工艺以后，扩散过程化学品的吸收效率大幅提高，可大大降低工艺过程中化学品的用量，节省成本。鉴于低压扩散所具有的高均匀性、高产能、和低消耗的优势，低压扩散炉能够在低成本和小占地面积的情况下生产高品质的太阳电池，为晶体硅太阳电池扩散工艺设定了全新标准，是未来扩散工艺发展的趋势。五、科技成果转化、产业化经费投入情况，包括总经费和
15、科研经费投入情况。项目自2016年12月底完成以来，已应用于公司新生产线，投入规模化生产，同时，将项目研发过程中形成的核心技术，关键材料和技术拥有自主知识产权。经绍兴兴业会计师事务所有限公司审计，项目投入技术开发经费合计万元，包括：科研用材料费万元，人员经费万元，测试费万元，水电费万元。六、 成果转化、产业化完成的技术和经济效益指标。项目实施以来，已较好完成合同规定的技术、研制出低压扩散工艺，设计出合适的工艺参数，生产成本降低510%，光电转换效率增加0.20.3%。关键材料和技术拥有自主知识产权。项目还培养了公司一批优秀专业技术人员。本项目通过公司技术人员的努力，已获得成功，并应用于公司大生产中，销往欧洲国家，应用于太阳能电站、建筑工程、广告牌供电等领域。七、推广应用的条件和背景、存在的问题该项目的工业化，相比较于国内相同产品的工艺有较大提高，成本有较大下降。该项目的投产可极大地推动国内太阳能行业的发展，为我国可再生能源的开发利用打开更好的发展空间。.
