太陽(yáng)電池原理及工藝

太陽(yáng)電池工作原理及制造工藝簡(jiǎn)介第一章太陽(yáng)電池工作原理§1.1太陽(yáng)電池簡(jiǎn)介§1.1.1太陽(yáng)電池的特點(diǎn)太陽(yáng)電池發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，如安全可靠，無(wú)噪聲，無(wú)污染，能量隨處可得，不受地域限制，無(wú)需消耗燃料，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，故障率低，維護(hù)方便，可以無(wú)人值守，建設(shè)周期短，規(guī)模大小隨意，無(wú)需架設(shè)輸電線路，可以方便地與建筑物結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是常規(guī)發(fā)電和其它發(fā)電方式所不及的?！?.1.2太陽(yáng)電池的分類(lèi)按用途分：航天用電池、民用電池按結(jié)構(gòu)分：晶體電池：硅（單晶，多晶）薄膜電池：非晶硅、多晶硅、化合物（III—V族GaAs,II—W族CdTe）聚光電池§1.1.3太陽(yáng)電池的現(xiàn)狀在過(guò)去的幾年里,由于各國(guó)政府,尤其是西方國(guó)家政府,為推動(dòng)新能源行業(yè)的發(fā)展所制定的一系列鼓勵(lì)政策,人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的環(huán)保意識(shí)以及技術(shù)水平的不斷提高,太陽(yáng)能電池行業(yè)得到迅速發(fā)展,全球平均年增長(zhǎng)率達(dá)30％。在太陽(yáng)電池行業(yè)中,晶體硅太陽(yáng)能電池占據(jù)著主導(dǎo)地位,市場(chǎng)份額超過(guò)90％。近年來(lái),多晶硅太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)份額已高出單晶硅太陽(yáng)電池的市場(chǎng)份額,導(dǎo)致這一變化趨勢(shì)的原因是多晶硅的制備工藝比較簡(jiǎn)單,其生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單晶硅片的生產(chǎn)能力以及多晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的迅速提高。但是,最新的資料顯示,生產(chǎn)多晶硅太陽(yáng)能電池的原材料成本有所上升,再加上多晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率還是沒(méi)有單晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率高,所以近來(lái)單晶硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)又日漸上升。由于太陽(yáng)能電池的成本主#要來(lái)源于硅片材料，且在短時(shí)間內(nèi)硅材料成本下降速度緩慢，因此不斷改進(jìn)太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)、提高轉(zhuǎn)換效率是降低太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本的重要途徑?！?.2太陽(yáng)電池的工作原理§1.2.1太陽(yáng)電池的基本原理太陽(yáng)電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體光伏元件。光照射在太陽(yáng)電池上時(shí)，太陽(yáng)電池可以將吸收的光能轉(zhuǎn)化為電能，電流從太陽(yáng)電池的電極輸出，因此太陽(yáng)電池可以作為各種設(shè)備的電源。圖1?1太陽(yáng)電池工作原理圖§1.2.2太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換原理光生伏特效應(yīng)：就是半導(dǎo)體材料吸收光能后在PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)，即光能轉(zhuǎn)換能電能的機(jī)制。光電轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程：1、光子被吸收，使得在P-N結(jié)的P和N兩邊產(chǎn)生電子一空穴對(duì)（圖1.2a）；2、在離開(kāi)結(jié)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度以?xún)?nèi)產(chǎn)生的電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)空間電荷區(qū)（圖1.2b）；

3、這時(shí)電子一空穴對(duì)被電場(chǎng)分離，因此，P側(cè)的電子從高電位滑落至N側(cè)，而空穴沿著相反方向移動(dòng)（圖1.2c）；4、若P-N結(jié)是開(kāi)路的，則在結(jié)兩邊積累的電子和空穴產(chǎn)生一開(kāi)路電壓（圖1.2d）。若有一負(fù)載連接到電池上，在電路中將有電流傳導(dǎo)（圖1.2a）。當(dāng)在電池兩端發(fā)生短路時(shí),就會(huì)形成最大電流，此稱(chēng)短路電流。(c)(d)(c)(d)圖1.2光能到電能的轉(zhuǎn)換（a）有負(fù)載電阻的太陽(yáng)電池，（b）電子和空穴的擴(kuò)散所產(chǎn)生的電流，（c）（b）的能帶圖（d）開(kāi)路電壓的建立（示意）§1.2.3太陽(yáng)電池的等效電路及光照的電流一電壓關(guān)系如果在太陽(yáng)電池的兩端接上一個(gè)負(fù)載電阻R,那么太陽(yáng)電池在工作狀態(tài)下的等效電路如圖1.3所示。它相當(dāng)于一個(gè)電流為Ip”勺恒電流與一只正向二極管并聯(lián)。流過(guò)二極管的

正向電流在太陽(yáng)電池中稱(chēng)為暗電流ID。從負(fù)載R兩端可以看到產(chǎn)生暗電流的正向電壓，流過(guò)負(fù)載的電流為I。這是理想太陽(yáng)電池的等效電路。實(shí)際使用的太陽(yáng)電池等效電路如圖1.4所示。R稱(chēng)為旁路電阻，主要由下列幾種因素與此有關(guān)：如表面沾污而產(chǎn)生的沿著電sh池邊緣的表面漏電流；沿著位錯(cuò)和晶粒間界的不規(guī)則擴(kuò)散或者在電極金屬化處理之后，沿著微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細(xì)小橋路而產(chǎn)生的漏電流。R稱(chēng)串聯(lián)電阻,S是由擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、電池的體電阻和上下電極與太陽(yáng)電池之間的歐姆電阻及金屬圖1.4實(shí)際的太陽(yáng)電池等效電路圖1.4實(shí)際的太陽(yáng)電池等效電路如圖1.4所示，負(fù)載兩端的電壓為V,因而加在R兩端的電壓為(V+IR)，因此：hI=(V+IR)/Rshssh流過(guò)負(fù)載的電流：I=I-I-IphDsh變換上式之后，可得：I(1+R/R)=I-(V/R)-I(1.1)sshphshD暗電流ID為注入電流，復(fù)合電流以及隧道電流三者之和。在一般情況下，可以忽略隧道電流，這樣暗電流ID是注入電流及復(fù)合電流之和。加在電池P-N結(jié)上的外電壓V:jV=V+IRjs為了用等效電路來(lái)預(yù)計(jì)太陽(yáng)電池的輸出和效率，可將注入電流和復(fù)合電流簡(jiǎn)化為單指數(shù)形式：ID=I00{eXP（qVj/A0kT）-1}

這里I00為新的指數(shù)前因子；A。為結(jié)的結(jié)構(gòu)因子，它反映了P-N結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)性能的影響。在理想的情況下即R—Rs-0,那么由(1.1)式可得：shI=Ip「Io{exp(qV/AkT)-1}(1.2)(1.2)式是光照情況下太陽(yáng)電池的電流-電壓關(guān)系。由(1.2)式可知，在負(fù)載R短路時(shí)，即V=0(忽略串聯(lián)電阻)，便得短路電流Isc,其值恰好與光電流相等：jI=Iscph在負(fù)載Rfg時(shí)，輸出電流一0,便得開(kāi)路電壓V,其值由下式?jīng)Q定：ocV=(AKt/q)ln(I/I+1)(1.3)oc0ph00在沒(méi)有光照時(shí)，電池P-N結(jié)上的電流一電壓關(guān)系，如圖1.12中a曲線所示。這也是太陽(yáng)電池的暗電流一電壓關(guān)系曲線。光照時(shí)產(chǎn)生光生電流I，使曲線沿著電流軸的負(fù)方向位移I，得到圖1.5中b曲線。

phph為了方便，變換坐標(biāo)方向，可以得到圖1.5中c曲線。c曲線給出在光照情況下太陽(yáng)電池的電流-電壓關(guān)系曲線，它的關(guān)系式是(1.2)式。c曲線與電流軸的交點(diǎn)，稱(chēng)為短路電流I,c曲線sc與電壓軸的交點(diǎn)稱(chēng)為V。隨著負(fù)載電阻R的變化，oc電流和電壓沿c曲線相應(yīng)變化。達(dá)到c曲線上B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電阻值稱(chēng)為最佳負(fù)載電阻R,對(duì)應(yīng)的m電流稱(chēng)最佳輸出電流I,對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為最佳輸m出電壓V。I?v稱(chēng)為電池的最佳輸出功率或最大mmm輸出功率。I?v/I?v得到太陽(yáng)電池的填充因mmscoc子，用FF表示。它是表征太陽(yáng)電池輸出特性的一個(gè)重要參數(shù)。不難看出，太陽(yáng)電池的電流一電壓圖1?5圖1?5太陽(yáng)電池的伏安特性a—暗特性曲線；b—光照下特性曲線；c—變換坐標(biāo)得到太陽(yáng)電池特性曲線性越好?！?.3太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)§1.3.1常規(guī)電池結(jié)構(gòu)和背場(chǎng)電池結(jié)構(gòu)減反射膿主電極主電扱圖1?6常規(guī)電池正面結(jié)構(gòu)圖圖1.7背場(chǎng)電池正面結(jié)構(gòu)圖主電極和柵線減反射膜N型區(qū)哩區(qū)主電極和柵線減反射膜屆;——nrwr”，-.■JSk-!'!-"1-'學(xué)叱一常?■磁L-■■j-i'rfr-rtYT&ri-i'B'fTBvSWi-J"：1站hJi下電檢不電極P-P+結(jié).■減薄）圖1?8常規(guī)電池剖面結(jié)構(gòu)圖圖1.9背場(chǎng)電池剖面結(jié)構(gòu)圖§1.3.2提高太陽(yáng)電池性能的工藝和最新結(jié)構(gòu)概述自二十世紀(jì)六十年代太陽(yáng)能電池作為能源應(yīng)用于宇航技術(shù)以來(lái)，太陽(yáng)能電池的技術(shù)得到非常迅速的發(fā)展，單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近25%，多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已接近20%。導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率提高的原因主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：材料質(zhì)量的改善提高了光生載流子在電池體內(nèi)的擴(kuò)散長(zhǎng)度和收集效率。電池表面絨面和減反射膜的形成有效地提高了太陽(yáng)光在電池體內(nèi)的吸收。鋁背場(chǎng)（BSF）的形成有效地減少了電池背面的表面復(fù)合速率。磷吸雜、鋁吸雜和體內(nèi)的氫鈍化有效地提高了多晶硅材料的質(zhì)量。二氧化硅和氮化硅對(duì)發(fā)射層（emitter）的表面進(jìn)行了有效的鈍化，從而減少了電池前表面的復(fù)合速率。選擇性擴(kuò)散，即金屬電極下的發(fā)射極濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余發(fā)射結(jié)的濃度，從而有效地抑制了電極區(qū)的復(fù)合速率，并提高了電池在短波處的光譜響應(yīng)?；仡欁罱墓夥鼤?huì)議，我們可以清楚的看到，硅太陽(yáng)電池有兩大技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：（1）更薄的襯底的應(yīng)用；（2）更高的轉(zhuǎn)換效率。由于多晶硅具有相對(duì)低的材料成本（和單晶硅相比），且材料成本隨著硅片的厚度而降低，同時(shí)多晶硅片具有跟單晶硅相似的光電轉(zhuǎn)換效率，多晶硅太陽(yáng)電池將進(jìn)一步分割單晶硅電池的市場(chǎng)。因此太陽(yáng)電池的技術(shù)發(fā)展的主要方向之一是如何采用大規(guī)模生產(chǎn)的工藝，進(jìn)一步提高多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)目前多晶硅電池大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，提高轉(zhuǎn)換效率的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下幾方面：1、各向同性表面腐蝕以形成絨面。2、簡(jiǎn)單、低成本的選擇性擴(kuò)散工藝。3、具有創(chuàng)新的、高產(chǎn)出的擴(kuò)散和PECVDSiN淀積設(shè)備。4、降低硅片的厚度。5、背電極的電池結(jié)構(gòu)和組件。表面絨面對(duì)提高電池的轉(zhuǎn)換效率起著重要的作用，它不但降低了表面反射，并且增加了光陷阱以及光生載流子的收集。由于各向異性化學(xué)腐蝕不能在多晶硅表面形成有效的絨面，人們采用了各種方法試圖有效地減少多晶硅電池表面的反射。如機(jī)械刻槽、離子反應(yīng)腐蝕、多孔硅、低成本選擇性干腐或各向同性化學(xué)腐蝕等。其中各向同性酸腐蝕是最為簡(jiǎn)單，且在不增加任何工藝步驟的情況下形成有效的低成本的絨面，比較適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的要求。對(duì)于絲網(wǎng)印刷電池，發(fā)射結(jié)表面的擴(kuò)散濃度至少達(dá)到1020/cm2,發(fā)射結(jié)的深度至少為0.3?0.4um,這兩個(gè)參數(shù)是保證絲網(wǎng)印刷燒結(jié)可靠工作的主要因素。降低發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散濃度能提高電池在短波段的光譜響應(yīng)，但是，由于接觸電阻可能增大，從而導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率一致性的下降，為此，選擇性擴(kuò)散也許不能增加電池的轉(zhuǎn)換效率，但是會(huì)降低電池的接觸電阻，從而保證產(chǎn)品有較好的一致性。多晶硅材料隨著其供應(yīng)商的不同而差異很大，這對(duì)電池生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量的控制帶來(lái)很多不便。減少電池表面的復(fù)合率和改善體內(nèi)質(zhì)量是提高電池轉(zhuǎn)換效率的重要手段。等離子體化學(xué)氣相沉積（PECVD）的氮化硅薄膜是很理想的電池表面減反射膜，同時(shí)也提供了較為理想的電池表面和體內(nèi)鈍化。目前，有兩種等離子體化學(xué)沉積技術(shù)被廣泛用于氮化硅的淀積工藝，一種是遠(yuǎn)程PECVD，另外是一種是直接PECVD。前者在淀積氮化硅的過(guò)程中，電池表面的損傷幾乎可以忽略。因此對(duì)電池表面的鈍化效果較為理想，而直接PECVD對(duì)電池表面的損傷較大，所以對(duì)表面的鈍化效果不佳，但是電池表面損傷層能增強(qiáng)氫原子在硅材料體內(nèi)的擴(kuò)散，從而增強(qiáng)了電池體內(nèi)鈍化效果，然而直接PECVD對(duì)電池表面的損傷在高溫處理中（700°C）能得到恢復(fù)。電池鋁背場(chǎng)已被很多電池制造商應(yīng)用于絲網(wǎng)印刷太陽(yáng)能電池制造技術(shù)。大約20um厚的鋁漿通過(guò)絲網(wǎng)印刷方法沉積到電池的背面，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，鋁和硅形成共晶合金，如果燒結(jié)溫度高于800C，鋁在硅內(nèi)的摻雜濃度會(huì)高達(dá)5X10is/cm3，而硅片襯底的摻雜濃度只在2X10i6/cm3左右，從而在鋁背場(chǎng)和襯底之間形成高/低結(jié)，有效地阻止了少數(shù)載流子向電池的背面擴(kuò)散，降低了電池背表面的復(fù)合速率。鋁背場(chǎng)可將電池背面的復(fù)合速率降低到200cm/s以下，此外，硅鋁合金能對(duì)硅片進(jìn)行有效地吸雜。基于以上提高電池轉(zhuǎn)換效率的途徑，派生了多種高效晶體硅太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和制造工藝，其中包括PESC電池（發(fā)射結(jié)鈍化太陽(yáng)電池）；表面刻槽絨面PESC電池；背面點(diǎn)接觸電池（前后表面鈍化電池）和PERL電池（發(fā)射結(jié)鈍化和背面點(diǎn)接觸電池）。由這些電池設(shè)計(jì)和工藝制造出的電池的轉(zhuǎn)換效率均高于20％?！?.3.2.1前表面接觸和發(fā)射結(jié)如果使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，則磷表面濃度必須非常高從而形成足夠低的接觸電阻。然而，這樣也導(dǎo)致了在發(fā)射區(qū)的高復(fù)合，并且表面鈍化不能顯著的降低該復(fù)合。這樣，短波響應(yīng)被大大地降低，同時(shí)也降低了開(kāi)路電壓。通過(guò)二步發(fā)射層，擴(kuò)散或是用鍍金屬與低摻雜的發(fā)射極接觸的高效電池可以解決以上問(wèn)題。圖1.10為激光掩埋接觸單晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)圖，這里的接觸掩埋在凹槽中，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的磷擴(kuò)散。表面的其余部分由一個(gè)可以通過(guò)氮化硅有效鈍化的低摻雜發(fā)射極層覆蓋。由于這個(gè)發(fā)射層有較低的陰影損耗和良好的電學(xué)性能，這個(gè)電池結(jié)構(gòu)的短波響應(yīng)和總體性能都非常好。

OxideMetaJMetaln+-EmitterOxideMetaJMetaln+-Emittern++LocalEmitter圖1?10激光刻槽掩埋接觸太陽(yáng)電池§1.3.2.2襯底大多數(shù)的單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)商都采用摻硼的直拉單晶（CZ）硅材料作為原材料，這種材料在光照下會(huì)使少子壽命嚴(yán)重的衰退，原因是硼和氧的存在。為了降低這種衰減,有兩種可行的方法：（1）改變電池厚度來(lái)增加擴(kuò)散長(zhǎng)度；（2）降低硼的濃度來(lái)降低光照引起的衰退。實(shí)際上，用摻鎵的CZ硅材料制得的太陽(yáng)電池少子壽命在光照下無(wú)衰退的現(xiàn)象。另一方面，將氧的濃度降至1ppm以下也可對(duì)光引起的衰退起到極好的抑制作用，磁性CZ硅已經(jīng)顯示出高效率的潛力。還有一種氧含量幾乎可忽略的材料甚至?xí)邢Ｍ?，那就是區(qū)熔單晶硅：float-zone（FZ）硅。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，區(qū)熔單晶硅只應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中。最近資料顯示,用FZ法的生產(chǎn)成本并不比CZ法高很多。最新的PV-FZ法對(duì)于P型摻雜和N型摻雜都表現(xiàn)出很高和穩(wěn)定的載流子壽命，并且還有提高效率的潛能。以下為以N型硅材料作為襯底的單晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)圖，它的特點(diǎn)是在內(nèi)部薄層中形成了非晶硅與單晶硅的異質(zhì)結(jié)。這種電池的轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了20%，而且它對(duì)表面復(fù)合有很好的限制。

ElectrodeTCO-[}typea-Si:Hitypea-Si：HD-(ypec-Si(textured)?IOnm~200pmitypea-Si：Hntypea-Si:HTCI)/ElectrodeTCO-[}typea-Si:Hitypea-Si：HD-(ypec-Si(textured)?IOnm~200pmitypea-Si：Hntypea-Si:HTCI)/Electrode圖1?11有內(nèi)在薄層的非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)電池§1.3.2.3表面鈍化現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中一般通過(guò)燒結(jié)鋁/銀絲網(wǎng)印刷來(lái)制得鋁背場(chǎng)。然而，鋁背場(chǎng)電池的電學(xué)性能和光學(xué)性能只能算中等水平。況且，隨著晶片厚度的減薄，電池的轉(zhuǎn)換效率也隨之降低。另外，晶片在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生翹曲對(duì)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。硼背場(chǎng)在這方面顯示出一個(gè)較好的潛能。即使把電池厚度降至1OOum，其效率也可以保持不變。然而，要發(fā)揮其最大的潛能，我們還應(yīng)歸功于利用如SiO2或SiN的介電層所形成的表面鈍化。最近，點(diǎn)接觸電池已經(jīng)投入工業(yè)生產(chǎn)，其轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%。以下為點(diǎn)接觸電池的結(jié)構(gòu)圖。這種大規(guī)模生產(chǎn)電池的主要特征是在前表面沒(méi)有任何金屬接觸，因?yàn)殡姌O都在背面做成交叉梳狀的柵線。這樣，幾乎所有的載流子必須從其光生的前表面擴(kuò)散到背表面的PN結(jié)收集。因此，其體擴(kuò)散長(zhǎng)度必須大，同時(shí)表面的復(fù)合速度必須很低，尤其是前表面。這個(gè)目標(biāo)可以通過(guò)在低摻雜的n前表面場(chǎng)上鈍化SiO2層來(lái)達(dá)到。一種理想的可以取代熱生長(zhǎng)SiO2的材料是SiNx，因?yàn)镾iNx的生成溫度較低。事實(shí)上，就是成功用在點(diǎn)接觸電池中的非晶硅也有優(yōu)異的表面鈍化特性。t&xtureccmtac!holoirtSlOiNasiont&xtureccmtac!holoirtSlOiNasionmtalAnger(p)Ainiie^?cFtivBcoatingkSX)2pas>Jvatfonf)+F$F—>n+tflffuaion^SIO2pas^k^fiofi—謝曲)倫g針何七圖1?12點(diǎn)接觸太陽(yáng)能電池§1.4太陽(yáng)電池的光電參數(shù)§1.4.1太陽(yáng)電池的主要光電參數(shù)及其含義太陽(yáng)電池的主要光電參數(shù)有：開(kāi)路電壓V,短路電流I，最佳工作電壓V,最佳工ocscm作電流I,填充因子FF，轉(zhuǎn)換效率n。m太陽(yáng)電池的輸入功率（P輸入）是指太陽(yáng)電池吸收的光能，它和光強(qiáng)Q以及太陽(yáng)電池的面積S有關(guān)，地面AM1.5標(biāo)準(zhǔn)條件下的光強(qiáng)為100mW/cm2,輸入功率的表達(dá)式為：P輸入=QXS=100XS太陽(yáng)電池的輸出功率（P輸出）是指太陽(yáng)電池可以提供的功率，表達(dá)式為：P輸出=VXImm轉(zhuǎn)換效率n是指太陽(yáng)電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力，它和太陽(yáng)電池的輸入功率（P輸入）和輸出功率（P輸出）有關(guān)，表達(dá)式為：P輸出“C0/VxI“C力耳=x100%=—mkx100%TOC\o"1-5"\h\zP輸入QXS填充因子FF的表達(dá)式為：xIFF=—mmX100%XIocsc

§1.4.2各參數(shù)與工藝間的關(guān)系§1.4.2.1串聯(lián)電阻、旁路電阻對(duì)電池I-V特性的影響太陽(yáng)電池中實(shí)際存在著串聯(lián)電阻和旁路電阻，這些因素往往不可忽略。并聯(lián)電阻的作用相當(dāng)于電池的旁路電阻的作用。串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻與光照I-V特性分別如圖1.13和圖1.14所示。串聯(lián)電阻減小了短路電流和填充因子。光電流在串聯(lián)電阻上的電壓降使器件兩端產(chǎn)生正向偏壓。這種正向偏壓引起相當(dāng)大的暗電流，從而抵消一部分光電流。即使小的串聯(lián)電阻，如2平方厘米電池中為0.5?1.0歐，也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的影響。00,1Q.20.30.40+5坦壓(￥)0'0400,1Q.20.30.40+5坦壓(￥)0'040.20.30.40.5電壓CO5040oO32O1(VS8誓圖1?13串聯(lián)電阻對(duì)硅太陽(yáng)電池所測(cè)量的圖1?14旁路電阻對(duì)硅太陽(yáng)電池所測(cè)量的曲線的影響（鎢燈光照，100mW/cm2，電曲線的影響（條件同圖1.13）池面積2cm2）圖1.14表示太陽(yáng)電池的旁路電阻對(duì)I-V特性的影響。旁路電阻增加，降低了填充因子和開(kāi)路電壓，而對(duì)短路電流沒(méi)有影響。在實(shí)際器件中，在1個(gè)或者略大于1個(gè)太陽(yáng)強(qiáng)度情況下，電池的旁路電阻是很大的，一般對(duì)I-V特性的影響可以忽略。但在高的太陽(yáng)光強(qiáng)度照射下，光生電流增大，串聯(lián)電阻影響將會(huì)增強(qiáng)。減小串聯(lián)電阻的方法有二種：一是增加摻雜濃度；另一個(gè)是增加結(jié)深,但這兩種方法會(huì)降低電池的收集效率。較為妥善的方法，一般采用淺結(jié)且摻雜濃度大的工藝，而且為了盡可能減少電極掩蔽面積、減小串聯(lián)電阻，可采用歐姆接觸的密柵電極?！?.4.2.2開(kāi)路電壓理論上最大的開(kāi)路電壓極限應(yīng)當(dāng)由PN結(jié)的內(nèi)建勢(shì)壘所決定。內(nèi)建勢(shì)壘電壓V與半d導(dǎo)體的禁帶寬度E、導(dǎo)帶能級(jí)E、價(jià)帶能級(jí)E、及費(fèi)米能級(jí)E之間的關(guān)系為：gcvfV=E-(E-E)-(E-E)=(kT/q)ln(NN/n2)dgcffvADi如果費(fèi)米能級(jí)越接近導(dǎo)帶底和滿(mǎn)帶頂，則內(nèi)建電壓越高。似乎摻雜濃度越大，電池的開(kāi)路電壓越大，但實(shí)際上Voc有一個(gè)峰值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，如采用低電阻率的基區(qū)制備太陽(yáng)電池，發(fā)現(xiàn)這種電池在電阻率小于0.1歐厘米左右時(shí)，開(kāi)路電壓反而隨著摻雜濃度的增加而降低。在基區(qū)電阻率低于0.1歐厘米時(shí)，那么頂區(qū)的雜質(zhì)濃度將高于1X1019個(gè)/厘米3，在這樣高的濃度下，頂區(qū)便會(huì)在結(jié)區(qū)引起重?fù)诫s效應(yīng)。重?fù)诫s效應(yīng)的結(jié)果，導(dǎo)致開(kāi)路電壓的降低，這是由于重?fù)诫s會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)帶尾引起禁帶寬度減小，影響本征載流子濃度，摻雜濃度過(guò)高將降低少子壽命。常規(guī)電池的厚度減小，增大了表體比，表面損傷和表面態(tài)的影響增大，開(kāi)路電壓及填充因子下降。在背面場(chǎng)的情況下，開(kāi)路電壓明顯增加，填充因子略有提高，這是背面場(chǎng)靠近P-N結(jié)的緣故。§1.4.2.3短路電流短路電流密度，常用J表示。J乘以電池片表面積，得到短路電流，用I表示。scscsc已知J=Jh。太陽(yáng)電池的特性極大地受頂區(qū)和基區(qū)性能的影響。硅是一種非豎直躍遷的scph材料，它的吸收系數(shù)隨著波長(zhǎng)的變化較為緩慢。在光子能量達(dá)到硅的禁帶寬度時(shí)，吸收系數(shù)a在102/厘米之內(nèi)，因此光譜中有很大一部分的光子將透過(guò)P—N結(jié)，在基區(qū)內(nèi)被吸收。由此可見(jiàn)，硅太陽(yáng)電池的性能較大程度上取決于基區(qū)情況。顯然這一情況與豎直躍遷材料(如砷化鎵)太陽(yáng)電池有很大的差別。砷化鎵電池的性能在更大的程度上取決于頂區(qū)的特性。實(shí)際器件中，由于存在著體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合，所得到的光電流都小于理想值。提高短路電流的工藝：一是減小器件結(jié)深，在電池背面設(shè)置漂移場(chǎng)。當(dāng)結(jié)深減小時(shí)，由于降低了復(fù)合損失，另外，基區(qū)提供的光電流比頂區(qū)提供的光電流所占的百分比大，因此頂區(qū)中的高的表面復(fù)合速度和低的少子壽命對(duì)光電流的影響顯得不那么重要了。二是增加基區(qū)的電阻率，減少電離雜質(zhì)的散射，有利于增大擴(kuò)散長(zhǎng)度和少子壽命，從而改善了光電流。在實(shí)際情況中，當(dāng)電池厚度小于基區(qū)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度的2倍左右時(shí)，短路電流才開(kāi)始減小?！?.4.2.4填充因子填充因子越大，輸出功率越接近極限功率。填充因子是表征太陽(yáng)能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。串聯(lián)電阻、旁路電阻對(duì)填充因子有直接的影響。串聯(lián)電阻減小了填充因子；旁路電阻增加了填充因子。電池基區(qū)的摻雜濃度影響電池的填充因子。當(dāng)摻雜濃度增加時(shí)，少子壽命就會(huì)衰減，填充因子也減小。在條件相同的情況下，在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著光強(qiáng)的減小，填充因子相應(yīng)增加?！?.4.2.轉(zhuǎn)5換效率太陽(yáng)電池是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的器件，無(wú)疑轉(zhuǎn)換效率是衡量器件質(zhì)量的最重要參數(shù)之一。太陽(yáng)電池中，大的短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子可以獲得最高的轉(zhuǎn)換效率。從理論上講，材料禁帶寬度大，填充因子和開(kāi)路電壓就大；而禁帶寬度小的材料，可獲得較大的光電流。推算結(jié)果表明，禁帶寬度1.5電子伏特的材料轉(zhuǎn)換效率最高。防止死層、減小結(jié)深、加入漂移場(chǎng)、改善壽命、降低接觸電阻損失是改善太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。在工藝上，可選擇最佳的柵線設(shè)計(jì)來(lái)減小串聯(lián)電阻，在接觸燒結(jié)期間，通過(guò)邊緣的鈍化以及金屬－半導(dǎo)體的互擴(kuò)散來(lái)增加旁路電阻，用適當(dāng)?shù)臏p反射膜可減少入射光的反射。近年來(lái)，采用了許多新技術(shù)改善常規(guī)電池工藝，其中包括減少表面反射，淺結(jié)電池改善太陽(yáng)光譜相應(yīng)及增加漂移，使收集效率提高，硅太陽(yáng)電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率已接近25％。第二章太陽(yáng)電池制造工藝太陽(yáng)能電池片的生產(chǎn)工藝流程分為硅片檢測(cè)——表面制絨——擴(kuò)散制結(jié)——去磷硅玻璃——等離子刻蝕——鍍減反射膜——絲網(wǎng)印刷——烘干、快速燒結(jié)等。具體介紹如下。§2.1硅片檢測(cè)硅片是太陽(yáng)能電池片的載體，硅片質(zhì)量的好壞直接決定了太陽(yáng)能電池片轉(zhuǎn)換效率的高低，因此需要對(duì)來(lái)料硅片進(jìn)行檢測(cè)。該工序主要用來(lái)對(duì)硅片的一些技術(shù)參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，這些參數(shù)主要包括硅片表面不平整度、少子壽命、電阻率、P/N型和微裂紋等。該組設(shè)備分自動(dòng)上下料、硅片傳輸、系統(tǒng)整合部分和四個(gè)檢測(cè)模塊。其中，光伏硅片檢測(cè)儀對(duì)硅片表面不平整度進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)檢測(cè)硅片的尺寸和對(duì)角線等外觀參數(shù)；微裂紋檢測(cè)模塊用來(lái)檢測(cè)硅片的內(nèi)部微裂紋；另外還有兩個(gè)檢測(cè)模組，其中一個(gè)在線測(cè)試模組主要測(cè)試硅片體電阻率和硅片類(lèi)型，另一個(gè)模塊用于檢測(cè)硅片的少子壽命。在進(jìn)行少子壽命和電阻率檢測(cè)之前，需要先對(duì)硅片的對(duì)角線、微裂紋進(jìn)行檢測(cè)，并自動(dòng)剔除破損硅片。硅片檢測(cè)設(shè)備能夠自動(dòng)裝片和卸片，并且能夠?qū)⒉缓细衿贩诺焦潭ㄎ恢?，從而提高檢測(cè)精度和效率。§2.2表面制絨單晶硅絨面的制備是利用硅的各向異性腐蝕，在每平方厘米硅表面形成幾百萬(wàn)個(gè)四面方錐體也即金字塔結(jié)構(gòu)。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率。硅的各向異性腐蝕液通常用熱的堿性溶液，可用的堿有氫氧化鈉，氫氧化鉀、氫氧化鋰和乙二胺等。大多使用廉價(jià)的濃度約為1%的氫氧化鈉稀溶液來(lái)制備絨面硅，腐蝕溫度為70-85。為了獲得均勻的絨面，還應(yīng)在溶液中酌量添加醇類(lèi)如乙醇和異丙醇等作為絡(luò)合劑，以加快硅的腐蝕。制備絨面前，硅片須先進(jìn)行初步表面腐蝕，用堿性或酸性腐蝕液蝕去約20?25ym，在腐蝕絨面后，進(jìn)行一般的化學(xué)清洗。經(jīng)過(guò)表面準(zhǔn)備的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，應(yīng)盡快擴(kuò)散制結(jié)。自20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始，太陽(yáng)能電池得到迅猛的發(fā)展，高效率、低成本是太陽(yáng)電池發(fā)展的主要趨勢(shì)，在材料方面，目前主要集中研究以硅材料為基礎(chǔ)的各種太陽(yáng)電池，如單晶硅、多晶硅、多晶硅薄膜及非晶硅等。工藝方面主要致力于降低電池表面的反射一般采用沉積減反射膜和表面織構(gòu)工藝，以增加多晶硅電池的陷光效應(yīng)。通過(guò)表面織構(gòu)在硅片表面形成絨面，產(chǎn)生二次甚至多次反射，對(duì)不同波長(zhǎng)的光都有較好的減反射作用而將絨面與適宜的單層或多層減反膜結(jié)合起來(lái)是減少反射損失的切實(shí)可行而又有效的方法?！?.2.1腐蝕的工藝硅片表面織構(gòu)化方法較多，主要有刻槽、化學(xué)腐蝕等。其中化學(xué)腐蝕方法工藝簡(jiǎn)單成本低廉，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一?；瘜W(xué)腐蝕也稱(chēng)為濕法腐蝕，就是將晶片置于液態(tài)的化學(xué)腐蝕液中進(jìn)行腐蝕。其腐蝕過(guò)程與一般化學(xué)反應(yīng)相同。在腐蝕過(guò)程中，腐蝕液將把它所接觸到的材料浸蝕溶掉。其腐蝕速度可用阿累尼斯(Arrhenius)方程描述，即(2.1)v=Aexp(一E/kT)(2.1)e0aAE式中：A0是與腐蝕劑濃度有關(guān)的常數(shù)；Ea是化學(xué)反應(yīng)的激活能，它與被腐蝕物種類(lèi)、雜質(zhì)含量有關(guān)。從上式可見(jiàn)，腐蝕速度與絕對(duì)溫度的倒數(shù)成負(fù)指數(shù)關(guān)系。實(shí)際工作中，為了控制腐蝕速度，通常是使腐蝕在恒溫下進(jìn)行?！?.2.2腐蝕的原理硅的化學(xué)腐蝕分為擇優(yōu)腐蝕和非擇優(yōu)腐蝕。理想的非擇優(yōu)腐蝕的速率與結(jié)晶學(xué)特性無(wú)關(guān)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度看，反應(yīng)最先開(kāi)始處應(yīng)該是反應(yīng)激活能最低處，如在晶體缺陷處，或是表面損傷處，都是反應(yīng)進(jìn)行的初始點(diǎn)，此時(shí)腐蝕可視作點(diǎn)腐蝕，在某些點(diǎn)處最先腐蝕，然后呈輻射狀向各個(gè)方向推進(jìn)，此時(shí)的腐蝕若是理想的非擇優(yōu)腐蝕，則會(huì)形成完美的球面形腐蝕坑，但由于晶體的結(jié)晶學(xué)特性(如某些區(qū)域有應(yīng)變等)和必然存在的化學(xué)不均勻性，都會(huì)影響反應(yīng)速率。如在腐蝕坑的邊緣或尖角處，相對(duì)于其它表面，更易于被腐蝕掉，因此較快地再次被腐蝕，逐漸形成較為鈍化的腐蝕坑邊緣，最終得到的表面形貌為平底腐蝕坑或是接近于平面；擇優(yōu)腐蝕則受結(jié)晶特性影響，這種腐蝕方法是基于各個(gè)晶向的腐蝕速度不同，從而使晶格中的某些平面暴露出來(lái)。絨面除了能使入射光多次反射從而達(dá)到增加電池表面的光吸收外，另一個(gè)特點(diǎn)是光射入硅中的角度確保光線在更靠近電池表面的地方被吸收，這將增加電池對(duì)光的收集率，特別是對(duì)于較弱的長(zhǎng)波部分。絨面電池的缺點(diǎn)是使電池吸收的紅外線增加，而這種光不能產(chǎn)生載流子，只能使電池的溫度升高。此外，由于表面腐蝕成絨面，加大了電池的表面積，經(jīng)絨面的多次反射，使入射光在電池表面分布不均，這些都會(huì)對(duì)電池的開(kāi)路電壓有影響?！?.2.3單晶硅的腐蝕單晶硅的絨面制作是采用擇優(yōu)腐蝕的方法來(lái)完成的。根據(jù)密勒指數(shù)，絨面電池的硅表面通常平行于（100）面，故而在硅片表面會(huì)形成以（111）晶面圍成的金字塔所組成的織構(gòu)。一般用稀釋的堿溶液作為擇優(yōu)腐蝕液，金字塔的角度由晶面的取向確定，用絡(luò)合劑控制金字塔的大小。這些尖塔使入射光至少有兩次機(jī)會(huì)進(jìn)入電池，因而增加了電池表面的光吸收。所用到的堿液一般分為KOH和NaOH兩種。硅片都為＜100＞晶向的直拉單晶硅。硅片在堿溶液中會(huì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)（以NaOH為例）為：Si+2NaOH+HOTNaSiO+2HT2232單晶硅腐蝕的一般步驟為：1、堿10-25%煮沸（NaOH、KOH）5-10分鐘。去除表面損傷層，減薄硅片厚度，腐蝕深度20-30卩m/單面。2、稀堿1-2%+乙醇煮沸（80°C）30-60分鐘。3、冷熱去離子水清洗。4、甩干或烘干（保持在超凈環(huán)境中）。其中會(huì)影響到最終絨面結(jié)果的幾個(gè)重要因素有：所加化學(xué)試劑的濃度、腐蝕的時(shí)間和腐蝕的溫度以及乙醇的量，需要特別注意。在這里所加的乙醇為表面活性添加劑，有時(shí)也加異丙醇（IPA）,起同樣的作用。如果只用堿溶液來(lái)腐蝕單晶硅表面，做出的金字塔型絨面并不均勻，原因是硅表面的可沾性較差，所以通常加入表面活性添加劑來(lái)增加單晶硅表面的可沾性，同時(shí)也能提供OH-,促進(jìn)單晶硅表面織構(gòu)化的充分進(jìn)行。但為了降低單晶硅織構(gòu)化的成本，現(xiàn)也有一種方法是加入肼的水化物（N2H4?2H2O）[13]或其它添加劑，它同樣能起到增加硅表面的可沾性且提供OH-的作用，這樣就能起到在不損耗任何金字塔型絨面的基礎(chǔ)上削減乙醇或異丙醇的消耗量，從而降低了批量化生產(chǎn)的工藝成本。選擇不同的添加劑不僅可降低成本而且保證制得均勻的“金字塔”，反射率小于10％?！?.2.4多晶硅的腐蝕提高多晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要任務(wù)是減小硅片表面的光損失。由于多晶硅含有大量晶粒和晶界,且晶粒晶向各不相同,絨面制作較困難。工業(yè)上,多晶硅太陽(yáng)電池缺少有效的表面織構(gòu),因此不能產(chǎn)生有效的光吸收。單晶硅太陽(yáng)電池表面的(100)晶向上通過(guò)堿溶液的各向異性腐蝕可以形成隨機(jī)分布的金字塔,增加了光的吸收。對(duì)于多晶硅,只有極少部分小晶粒是(100)晶向,所以利用各向異性腐蝕方法進(jìn)行表面積構(gòu)產(chǎn)生的光吸收是非常有限的。故多晶硅一般采用酸性腐蝕液。腐蝕液由40%濃度的HF、70%濃度的HNO3和CH3COOH,以適當(dāng)比例混合而成，其腐蝕反應(yīng)機(jī)理為:HNO3給硅表面提供空穴，打破了硅表面的Si-H鍵，使Si氧化為SiO2，然后HF溶解SiO2，并生成絡(luò)合物H2SiF6。從而導(dǎo)致硅表面發(fā)生各向同性非均勻性腐蝕，形成的粗糙的多孔硅層，有利于減少光反射，增強(qiáng)光吸收?！?.3擴(kuò)散制結(jié)太陽(yáng)能電池需要一個(gè)大面積的PN結(jié)以實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換，而擴(kuò)散爐即為制造太陽(yáng)能電池PN結(jié)的專(zhuān)用設(shè)備。管式擴(kuò)散爐主要由石英舟的上下載部分、廢氣室、爐體部分和氣柜部分等四大部分組成。擴(kuò)散一般用三氯氧磷液態(tài)源作為擴(kuò)散源。把P型硅片放在管式擴(kuò)散爐的石英容器內(nèi)，在850900攝氏度高溫下使用氮?dú)鈱⑷妊趿讕胧⑷萜?，通過(guò)三氯氧磷和硅片進(jìn)行反應(yīng)，得到磷原子。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，磷原子從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過(guò)硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散，形成了N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的交界面，也就是PN結(jié)。這種方法制出的PN結(jié)均勻性好，方塊電阻的不均勻性小于百分之十，少子壽命可大于10ms。制造PN結(jié)是太陽(yáng)電池生產(chǎn)最基本也是最關(guān)鍵的工序。因?yàn)檎荘N結(jié)的形成，才使電子和空穴在流動(dòng)后不再回到原處，這樣就形成了電流，用導(dǎo)線將電流引出，就是直流電?！?.3.1擴(kuò)散技術(shù)磷擴(kuò)散以p型硅片為例，用擴(kuò)磷的方法來(lái)制太陽(yáng)能電池的P-N結(jié)。擴(kuò)磷一般使用恒定表面濃度擴(kuò)散，即硅片在擴(kuò)散過(guò)程中，表面外的雜質(zhì)濃度始終保持不變。擴(kuò)散方法通常為液態(tài)源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)是可以得到較高的表面濃度，適合于高濃度擴(kuò)散。液態(tài)源擴(kuò)散時(shí)，用氣體將雜質(zhì)源帶到系統(tǒng)中，在一定的溫度下，雜質(zhì)源分解并與硅反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)原子。磷擴(kuò)散的液態(tài)源常用三氯氧磷（POC13）,擴(kuò)散溫度在840°C—930°C之間，時(shí)間為20min左右。硼擴(kuò)散在電池的背表面建立一個(gè)摻雜區(qū)，形成背面的高低結(jié)，可使電池性能有重要改進(jìn)，這就是背表面場(chǎng)太陽(yáng)電池。背場(chǎng)電池的主要特點(diǎn)是Voc有明顯的增加，同時(shí)Isc和FF也有所增加，從而大大提高了電池的效率。短路電流Isc的增加是由于背面高低結(jié)對(duì)P區(qū)少子有阻擋和反射作用，一方面使背表面的復(fù)合作用減少，同時(shí)還使PN結(jié)對(duì)光生載流子的收集效率得以提高。填充因子FF的提高是由于背面P+區(qū)的存在使背面電極的接觸電阻大為降低，從而使總的串聯(lián)電阻減少造成的。擴(kuò)硼一般使用有限表面源擴(kuò)散，擴(kuò)散方法通常為涂層擴(kuò)散。涂層擴(kuò)散是將含雜質(zhì)的化合物溶液涂布在待擴(kuò)散的硅片表面，然后在通有適當(dāng)氣氛的擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散，含雜質(zhì)化合物在高溫下化學(xué)反應(yīng)后析出的雜質(zhì)原子便向硅中擴(kuò)散，形成一定的雜質(zhì)濃度分布。涂層擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)是只有一次高溫?cái)U(kuò)散，減少了硅片熱處理次數(shù)，有利于保持晶格完整性和減少鈉離子玷污的機(jī)會(huì)，大大提高了產(chǎn)品的成品率、穩(wěn)定性和可靠性?；诠に嚍樵陔姵乇趁妫╬型層）涂硼源，擴(kuò)散溫度在1050°C—1150°C之間，時(shí)間為15min—40min之間?！?.3.2相關(guān)擴(kuò)散參數(shù)的測(cè)量方法1、擴(kuò)散薄層電阻：也可稱(chēng)為方塊電阻，即如果一擴(kuò)散薄層長(zhǎng)寬相等，且厚度恰等于擴(kuò)散深度，那么在這一單位方塊中，電流從一側(cè)面流向另一側(cè)面時(shí)呈現(xiàn)出的阻值稱(chēng)為方塊電阻，其數(shù)值可反映處擴(kuò)入硅的雜質(zhì)總量。方塊電阻與擴(kuò)散時(shí)間，擴(kuò)散溫度，氣流量大小密切相關(guān)，一般而言，擴(kuò)散雜質(zhì)濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，方塊電阻越小。方塊電阻的測(cè)量采用四探針測(cè)試法，如圖3.7所示。方塊電阻的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:(2.1)其中，I為通過(guò)外探針的電流值，U為內(nèi)探針的電壓差，即電位讀數(shù)，C為修正因子,和樣品的形狀，大小及單面擴(kuò)散或雙面擴(kuò)散有關(guān)（通常探針間距S=1mm，X/SvO.5時(shí)，C取4.5324）。圖2-1方塊電阻測(cè)量電路在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）擴(kuò)散薄層厚度應(yīng)遠(yuǎn)小于探針間距；2）樣品表面應(yīng)潔凈無(wú)氧化層；3）四探針必須在同一直線上，間距相等；4）探針尖應(yīng)有適當(dāng)錐度;5）測(cè)試電流應(yīng)限制在產(chǎn)生有影響的自熱效應(yīng)以下。2、雜質(zhì)分布的測(cè)量：擴(kuò)展電阻法因具有較高的空間分辨率而被越來(lái)越多應(yīng)用于集成電路及晶體管工藝質(zhì)量檢測(cè)監(jiān)控。擴(kuò)展電阻法是利用金屬探針與半導(dǎo)體材料相接觸，從I—V曲線的原點(diǎn)附近的特性定出材料電阻率的一種方法。探針接觸半徑比硅片線度小很多時(shí)，硅片可視為無(wú)窮大，從探針注入到硅片的電流為I,探針與無(wú)窮遠(yuǎn)處的電位差為U,擴(kuò)展電阻可表示為：R=UR=KUsp_I。但在實(shí)際測(cè)量時(shí)需要校正：s-I，其中K為校正因子，可以根據(jù)校正曲線來(lái)求得。校正曲線的繪制是用四探針測(cè)出電阻率未10-8?108Q.cm的不同標(biāo)準(zhǔn)樣片的電阻率，再測(cè)擴(kuò)展電阻，并把測(cè)出的擴(kuò)展電阻和與之對(duì)應(yīng)的電阻率再雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作圖。用擴(kuò)展電阻法配合磨角法可以再斜面上逐點(diǎn)測(cè)量擴(kuò)展電阻，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以換算成電阻率和雜質(zhì)分布，并自動(dòng)繪制分布曲線。3、確定PN結(jié)位置的方法：當(dāng)半導(dǎo)體中原來(lái)添加的雜質(zhì)所形成的導(dǎo)電類(lèi)型和擴(kuò)散雜質(zhì)所形成的導(dǎo)電類(lèi)型不同時(shí)，經(jīng)雜質(zhì)擴(kuò)散會(huì)形成PN結(jié)，一般確定半導(dǎo)體中PN結(jié)位置的方法有以下幾種：熱探針?lè)ǎ河眉訜崞骷訜崽结?，然后使探針在斜面上滑?dòng)來(lái)測(cè)量溫差電電壓，熱探針通過(guò)PN結(jié)時(shí)，電壓符號(hào)會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，以此來(lái)確定PN結(jié)位置。染色法：在稀硫酸銅溶液中滴入幾滴氫氟酸，這種液體在強(qiáng)光下可以將銅沉積在N型層上，HF和HNO3的100：0.1的溶液可以把P型層染成黑色。3）整流法：使探針在樣品表面輕輕滑動(dòng)，觀察示波器上樣品的整流特性，探針通過(guò)結(jié)位置時(shí)，整流特性反轉(zhuǎn)。4）光電法：在樣品的電極與探針之間接一高阻電壓表，用強(qiáng)光照射樣品，探針在樣品表面移動(dòng)經(jīng)過(guò)結(jié)位置時(shí)，光電電壓將發(fā)生變化。5）電壓分布法：對(duì)PN結(jié)通以反向電流，用探針測(cè)量樣品表面的電壓分布，電壓分布顯示不連續(xù)的地方便是結(jié)的位置。6）擴(kuò)散電阻法：不僅能測(cè)試雜質(zhì)分布，也能利用PN結(jié)區(qū)兩側(cè)濃度高于結(jié)區(qū)濃度，確定結(jié)深，但精度不高。目前研究、生產(chǎn)領(lǐng)域主要采用擴(kuò)散電阻法。以上幾種方法中，熱探針?lè)ê腿旧ㄝ^簡(jiǎn)單?！?.4去磷硅玻璃該工藝用于太陽(yáng)能電池片生產(chǎn)制造過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)腐蝕法也即把硅片放在氫氟酸溶液中浸泡，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸，以去除擴(kuò)散制結(jié)后在硅片表面形成的一層磷硅玻璃。在擴(kuò)散過(guò)程中,pocl3與o2反應(yīng)生成P2O5淀積在硅片表面。P2O5與Si反應(yīng)又生成Sio2和磷原子。這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2，稱(chēng)之為磷硅玻璃。去磷硅玻璃的設(shè)備一般由本體、清洗槽、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械臂、電氣控制系統(tǒng)和自動(dòng)配酸系統(tǒng)等部分組成,主要?jiǎng)恿υ从袣浞?、氮?dú)?、壓縮空氣、純水,熱排風(fēng)和廢水。氫氟酸能夠溶解氧化硅是因?yàn)闅浞崤c二氧化硅反應(yīng)生成易揮發(fā)的四氟化硅氣體。若氫氟酸過(guò)量,反應(yīng)生成的四氟化硅會(huì)進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶性的絡(luò)和物六氟硅酸?！?.5等離子刻蝕由于在擴(kuò)散過(guò)程中,即使采用背靠背擴(kuò)散,硅片的所有表面包括邊緣都將不可避免地?cái)U(kuò)散上磷。PN結(jié)的正面所收集到的光生電子會(huì)沿著邊緣擴(kuò)散有磷的區(qū)域流到PN結(jié)的背面,而造成短路。因此,必須對(duì)太陽(yáng)能電池周邊的摻雜硅進(jìn)行刻蝕,以去除電池邊緣的PN結(jié)。通常采用等離子刻蝕技術(shù)完成這一工藝。等離子刻蝕是在低壓狀態(tài)下,反應(yīng)氣體cf4的母體分子在射頻功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體。等離子體是由帶電的電子和離子組成,反應(yīng)腔體中的氣體在電子的撞擊下,除了轉(zhuǎn)變成離子外,還能吸收能量并形成大量的活性基團(tuán)?；钚苑磻?yīng)基團(tuán)由于擴(kuò)散或者在電場(chǎng)作用下到達(dá)SiO2表面，在那里與被刻蝕材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物脫離被刻蝕物質(zhì)表面，被真空系統(tǒng)抽出腔體。等離子體腐蝕是依靠高頻輝光放電形成的化學(xué)活性游離基與被腐蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一種選擇性腐蝕方法。它可以用常用的光刻膠做掩膜，對(duì)抗蝕劑的粘附性也沒(méi)有嚴(yán)格的要求。與濕化學(xué)腐蝕法相比，它具有干燥，清潔，工藝簡(jiǎn)單，分辨率高和尺寸公差小等優(yōu)點(diǎn)。此外，腐蝕后可立即在同一設(shè)備內(nèi)用氧離子體進(jìn)行去膠，提高了工作效率和器件的加工質(zhì)量?！?.5.1氣體等離子體的產(chǎn)生及其腐蝕作用氣體中總存在微量的自由氣體，在外電場(chǎng)的作用下，這些電子便加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子在外電場(chǎng)中獲得足夠的能量后與氣體分子發(fā)生碰撞時(shí)，可使氣體分子電離而發(fā)射出二次電子。二次電子可進(jìn)一步與氣體分子發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生更多的電子與離子。由于存在電子與離子相復(fù)合的逆過(guò)程，電離與復(fù)合過(guò)程最終必將達(dá)到一種平衡狀態(tài)，出現(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電現(xiàn)象，形成穩(wěn)定的等離子體。在放電過(guò)程中，除了形成電子與離子外，還可產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的分子，原子及各種原子團(tuán)，稱(chēng)為游離基。具有高度化學(xué)活性的游離基與被蝕材料的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的產(chǎn)物，使材料不斷被腐蝕?！?.5.2常用材料的等離子腐蝕原理與工藝多晶硅，Si3N4和SiO2的等離子腐蝕一般用CF4作為腐蝕氣體。在放電過(guò)程中，CF4解離成F*和CF3，CF2和CF等，氟游離基F*的化學(xué)活性最高，很容易與多晶硅，Si3N4和SiO2等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)過(guò)程如下：CF4—CF3+F*（1）Si+4F*一＞SiF4T（4）CF3TCF2+F*（2）SiO2+4F*TSiF4T+O2T（5）CF2TCF+F*（3）Si3N4+12F*—T3SiF4T+2N2T（6）CFx（x<=3）與SiO2及Si3N4的反應(yīng)速率比與Si的反應(yīng)速率快，在CF4中加入少量H2可以使CFx:F*的濃度比增加，從而使SiO2和Si及Si3N4和Si的腐蝕速率比增大。在CF4中添加少量O2可增加Si，SiO2和Si3N4的腐蝕速率。對(duì)一定的待蝕材料和腐蝕氣體來(lái)說(shuō)，腐蝕速率與襯底溫度，射頻功率以及氣體的壓力和流量均有關(guān)。鋁的等離子腐蝕通常采用氧化物（如CC14,BC13等）作為腐蝕劑。因?yàn)锳1F3是一種低級(jí)揮發(fā)性物質(zhì)，因而不能采用CF4作為鋁的腐蝕劑。未被A12O3覆蓋的鋁表面可以自發(fā)地與Cl或Cl2反應(yīng),形成準(zhǔn)揮發(fā)性的AlCl3。但在通常情況下,鋁表面總有一層約3nm的自然氧化層，在腐蝕鋁之前，可用濺射或化學(xué)反應(yīng)去掉這層氧化層。§2.5.3等離子體腐蝕設(shè)備等離子體腐蝕設(shè)備可分為筒式和平板式兩種。適量的腐蝕氣體流進(jìn)真空反應(yīng)室，其流速由針閥控制，而壓力有機(jī)械泵上的節(jié)制閥調(diào)節(jié)。一般采用壓力為27－400Pa，流量為50—500cm3/min。射頻功率（f=13.56Mhz）通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)耦合到反應(yīng)室內(nèi)，功率一般為50－600W?！?.5.4等離子刻蝕流程1、工藝目的：對(duì)P區(qū)與N區(qū)進(jìn)行隔斷；2、適用范圍：100—155mm擴(kuò)散硅片；3、設(shè)備工裝：等離子體刻蝕機(jī)，真空泵、氧氣/氮?dú)?四氟化碳各一瓶；4、工藝參數(shù)：真空度氧流量四氟化碳流量勻氣時(shí)間（分鐘）放電時(shí)間（分鐘）排氣時(shí)間（分鐘2.6鍍減反射膜拋光硅表面的反射率為35%,為了減少表面反射,提高電池的轉(zhuǎn)換效率,需要沉積一層氮化硅減反射膜?，F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常采用PECVD設(shè)備制備減反射膜。PECVD即等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積。它的技術(shù)原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體SiH4和NH3,氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜即氮化硅薄膜。一般情況下，使用這種等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的方法沉積的薄膜厚度在70nm左右。這樣厚度的薄膜具有光學(xué)的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大

為減少，電池的短路電流和輸出就有很大增加，效率也有相當(dāng)?shù)奶岣??！?.6.1PECVD法（等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）PECVD是英文PlasmaenhancedCVD的縮寫(xiě)。PECVD是在低壓氣體上施加一個(gè)射頻電場(chǎng)，使氣體電離，產(chǎn)生光子、電子、離子、受激分子和原子構(gòu)成等離子體。電子和離子由于帶電而在等離子體中不斷旋轉(zhuǎn)和運(yùn)行，在電場(chǎng)中獲得能量而被加速。這些高能粒子與反應(yīng)氣體分子，原子碰撞，使反應(yīng)氣體電離或激活成為化學(xué)性質(zhì)十分活潑的活性基團(tuán)。等離子體分子，原子，離子或活性基團(tuán)與周?chē)h(huán)境溫度相同，而其非平衡電子由于質(zhì)量很小，而且具有較高的能量，其平均溫度可以比其它粒子大1—2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此通常要在高溫條件下才能實(shí)現(xiàn)的很多反應(yīng)，就能在低溫（甚至室溫）下實(shí)現(xiàn)。例如LPCVD淀積氮化硅通常要在750—900OC下才能生長(zhǎng)，而使用PECVD技術(shù)在400OC就能生長(zhǎng)出質(zhì)量較好的薄膜。在PECVD的表面反應(yīng)中，高能粒子流碰擊到吸附在晶片表面上的反應(yīng)氣體，使反應(yīng)氣體獲得能量，導(dǎo)致結(jié)合鍵破裂而成為活性物質(zhì)（激活），這些活性物質(zhì)反應(yīng)形成薄膜于晶片表面。PECVD具有襯底溫度低和淀積速率高的優(yōu)點(diǎn)，因此有可能在熱穩(wěn)定性差而不能進(jìn)行高溫淀積的襯底上淀積薄膜。工藝中常用的PECVD設(shè)備有平板式⑻和熱壁式兩種，分別如圖-2和圖2-3所示。平板式PECVD反應(yīng)器中電極由兩塊直徑660mm,間隔50mm的平行金屬圓板構(gòu)成。上電極經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)與1kw,50kHz的高頻電源相接，下電極接地并作為襯底基底。為改善淀積膜厚度均勻性，下電極由磁性旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)氣體通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的中心孔進(jìn)入扁圓的反應(yīng)腔，沿徑向流向四周后由底部的四根排氣管抽走。腔內(nèi)壓力約為100—昵朗闘詢(xún)昵朗闘詢(xún)圖2-2平板式PECVD反應(yīng)器示意圖300Pa,工作時(shí)的功率密度約為0.1W/cm2。樣品通過(guò)襯底下的電阻加熱器升溫，視淀積材料的不同，溫度為250-400C。為改善溫度分布的均勻性與可控性，加熱器可作為同心圓狀的三溫區(qū)加熱器。這種反應(yīng)器常用于淀積SiO2和SiN。其主要優(yōu)點(diǎn)是淀積溫度低，缺點(diǎn)是一次裝片量小而且片子水平放置，易受腔壁上酥松淀積物的污染?，F(xiàn)在已用這一原理進(jìn)行樣品室連續(xù)移動(dòng)至反應(yīng)室進(jìn)行不間斷地對(duì)不同批的樣品制膜，適合大規(guī)模生產(chǎn)。熱壁式PECVD系統(tǒng)的淀積反應(yīng)在電阻爐加熱的石英管內(nèi)進(jìn)