1、两步扩散法提高 Si 太阳电池效率的研究摘要:提出先高温恒定源扩散后再低温恒量扩散的两步扩散法制作 Si 背面场太阳电池的新工艺。与常规的一步恒定源扩散工艺比较，所制作的太阳电池短路电流 Isc 提高了约 20%,开路电压 Voc 也有明显的改善，光电转换效率提高了近 4%。关键词：太阳电池；扩散；效率；缺陷复合目前背面场 Si 太阳电池的制作一般采用一步扩散工艺。这是由于一步扩散工艺有利于控制结深，便于制作浅结。但是，这样很容易导致表面杂质浓度过高，过高的表面杂质浓度会造成“死层“。“死层“中存在着大量的填隙原子、位错和缺陷，少子寿命远低于 1ns 以下。光在“死层“中发出的光生载流子都无谓
2、地复合掉，导致效率下降。降低表面杂质浓度，减少缺陷，是提高效率的有效途径。本文以采用恒定源扩散加恒量扩散的两步扩散工艺对这一问题进行了研究，取得了较好的效果。表 1 不同结深两步扩散法的工艺参数t1/minxj1/mt2/hNs2/1019cm-3xj2/mxj=xj1+xj21 6.30 0.053 0.29015 0.237 2 6.00 0.074 0.3113 5.75 0.089 0.3261 6.30 0.052 0.26812 0.216 2 5.90 0.073 0.2893 5.60 0.089 0.3051 6.20 0.052 0.24910 0.197 2 5.75 0
3、.073 0.2703 5.43 0.089 0.2861 实验1.1 实验设计结深 xj和方块电阻 R是制作 Si 太阳电池 p-n 结的两个基本衡量标准。x j和 R的优化值分别为 0.20.4m 和 2070/，而表面杂质浓度是决定 xj 和 R的一个重要参量。为了使杂质浓度快速达到方块电阻的要求，同时不会因为淀积时间过长而造成结深过深，第一步恒定源扩散拟采用 1000的高温扩散，结深接近所要求的值，为0.2m 左右。第二步拟采用 850的低温恒量扩散，适当选择扩散时间，使结深推进不深，最终结深为 0.3m 左右.为了设计合理的扩散时间，必须知道恒定源扩散的表面杂质硼浓度 Ns1。N s
4、1由下式给出：N s1=1/1.13qR (Dt)1/2（1）式中， 为空穴迁移率，约为 400cm2/(V.s)；q 为电子电量；D为扩散系数(可查表得出）；t 为扩散时间。为此，对给定的固态硼源，在 1000的温度和氮气氛下，专门制作了三个不同扩散时间的样品，用四探针法测定 R ，由式（1）计算表面杂质浓度 Ns1，取平均值，约为 7.31019cm-3。根据式（1）和 xj=A(Dt)1/2 得到 xj和 R 的关系3为R =A/(1.13qx jNs1),式中 A=2erfc-1(NB/Ns1)，N B为衬底掺杂浓度。选择三个不同的恒定源扩散时间 t1，分别为 15min，12min
5、和 10min。对应的结深 xj1分别约为 0.237m,0.216m 和 0.197m，R的计算值分别为 45/,50/和 55/。对应每个 t1，采用三个不同的恒量扩散时间 t2，分别为 1h,2h 和 3h.恒量扩散后，xj 与表面杂质浓度 Ns2 由表 1 给出。表中 Ns2 根据 Smith 函数计算:N s2=(2N s1)/arctanD 1t1/(D2t2) 1/21.2 样品制备衬底是电阻率为 1.8.cm、表面为（111）面、杂质浓度为41015cm-3、厚度约为 400m 的 n 型 Si 片。Si 片清洗后化学抛光，再清洗、干燥后与固态硼源交替置于扩散炉的恒温区中。恒定
6、源扩散每组四个样品，在 1000的温度和氮气氛保护下进行.扩散后自然冷却取出。再将其中三个 Si 片按不同的扩散时间在 850的温度和氮气氛保护下进行第二步无固态硼源即恒量扩散，另外一片不作恒量扩散用于比较。扩散后的样品去除背面 p 层，化学镀 Ni 制作 n+背电场及下电极，用栅条掩模真空蒸镀 Al 制作上电极，蒸 SiO 减反膜后划片制作成背面场 Si 太阳电池。1.3 测试影响太阳电池光电转换效率的物理参量较多，如电池本身的串联电阻、并联电阻和工作温度等.就样品本身而言，除了扩散不同外，基体材料参量和其他制作工艺是相同的。考虑到可比性，测试的环境温度也必须一致.为此，特研制了一种恒温测试
7、台。在 25、卤钨灯 AM1.5光照度下，通过改变负载电阻测试 I-V 特性。2 结果与讨论FF=I mVm/(IscVoc), =I scVocFF/Pin,式中，FF 为填充因子；I mVm为电池的最大输出功率；I scVoc为电池的极限功率；P in为入射光功率（AM1.5光照度下为 100mW）； 为光电转换效率。根据 I-V 特性曲线及以上两式，用最小二乘法编程计算出 FF 和 （见表 2）。从表 2 明显看出，两步扩散后 Isc和 Voc较大幅度提高，FF 也有所增加，效率改善较大.从表 1 的计算结果看，两步扩散后，表面杂质浓度下降了，这使得高掺杂效应有所改善，少子寿命延长.更重
8、要的是，恒量扩散实际上是杂质再分布和退火过程，这使得由于杂质造成的缺陷大为下降，复合速率降低，有效地减少了因为复合带来的 Isc损失，且避免了“死层“出现。同时，耗尽区中陷阱能级的复合是限制 Voc的一个重要因素，所以两步扩散后，V oc也有所提高。另外，结构因子因为缺陷下降得以改善，FF 也得到改善。综合而论，由于减少了缺陷进而减少了复合，使得光谱响应增大，光电转换效率 提高，提高的幅度接近 4%。从实验结果来看，由于设备等诸多方面的原因，效率并不算高，但两步扩散工艺的先进性是显而易见的。表 2 一步法(a)和两步扩散法(b)制作的太阳电池的结果比较(t 1同表 1)t2/hIsc/mAVoc/mV FF a 28.1 503 0.58 8.121 35.5 558 0.6212.28b 2 34.4 542 0.6411.933 34.8 544 0.6412.11a 29.2 495 0.62 8.601 34.8 548 0.6812.96b 2 34.4 556 0.6712.813 33.1 550 0.6211.29a 29.1 505 0.61 9.201 35.0 560 0.6612.93b 2 34.1 558 0.6913.133 34.3 550 0.6812.81
