晶体硅太阳电池扩散气氛场均匀性研究
1 引言
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％。
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(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，以达到优化工艺参数、降低生产成本的目的。
2 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。
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。
2．1 工艺气体流量对炉内温度的影响
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 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；
(4)手动调节大N2流量，从25L／min，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。
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1℃，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
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。
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，在排放口区域聚集的热能较多，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
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。
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。
3 结束语
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。
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％。
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(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，以达到优化工艺参数、降低生产成本的目的。
2 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。
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。
2．1 工艺气体流量对炉内温度的影响
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 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；
(4)手动调节大N2流量，从25L／min，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。
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1℃，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
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。
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，在排放口区域聚集的热能较多，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
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。
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。
3 结束语
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。