光伏畢業(yè)論文.doc

1、 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）題目硅太陽電池擴散工藝研究 學(xué) 院 江西渝州科技職業(yè)學(xué)院 專業(yè) 光伏材料加工與應(yīng)用技術(shù) 班 級08光伏（1）班 姓名邢 濤 學(xué)號2085110123 指導(dǎo)教師賴國勝 曹志偉 完成日期 2010年10月20日 目錄摘 要 11引言21.1 21.2 2 1.3.22 原理及方法32.1擴散均勻性影響因素 32.2工藝氣體流量對爐內(nèi)溫度的影響 42.3廢氣排放位置對爐口均勻性的影響 52.4排風(fēng)量大小對爐口均勻性的影響 62.5硅太陽電池所用的源擴散方法 63 比較研究73.1 73.2 73.3 8 3.4 83.5 84 結(jié)論95 致謝106 參考文獻 11硅太陽電池擴散

2、工藝研究摘要：對已經(jīng)取得較普遍應(yīng)用的硅太陽電池來說，開發(fā)新技術(shù)和優(yōu)化制造工藝以降低電池的制造成本是目前是該領(lǐng)域最總要的努力方向之一。本文所研究的主要問題是降低成本硅太陽電池在工業(yè)化生產(chǎn)中擴散制作P-N結(jié)工藝。通過不同擴散工藝條件與電池的相關(guān)性能參數(shù)的關(guān)系，得出適于高轉(zhuǎn)換率大規(guī)制作的最佳擴散工藝條件。在擴散這方面理論知識雖然比較成熟。但對工業(yè)化生產(chǎn)涉及的具體的工藝系統(tǒng)研究在國內(nèi)還沒相關(guān)報道。為了能夠便于了解擴散制作P-N結(jié)理論及其工藝，本文對生產(chǎn)硅太陽電池的基本工作原理及其主要工作流程進行了描述。在理論方面，本文對擴散制作P-N結(jié)、電極制作及應(yīng)用在硅太陽電池P-N結(jié)燒結(jié)所關(guān)聯(lián)的因素進行了分析。然

3、后，論文從工藝流程對擴散方塊電阻的阻值控制要求出發(fā)，結(jié)合正表面電極設(shè)計角度，利用擴散薄膜電阻對柵線間隔設(shè)計要求，分析了相關(guān)功率耗損。太陽電池產(chǎn)業(yè)所面臨的最主要的問題之一是在如何保證電池高轉(zhuǎn)換率前提下提高產(chǎn)量。對于擴散工序而言，確保高效率電池高產(chǎn)能面臨的問題在于如何保障擴散的均勻性，優(yōu)化擴散的均勻性主要采取溫區(qū)補償技術(shù)。論文針對影響擴散的均勻性的因素多而關(guān)聯(lián)復(fù)雜等特點。重點難于控制氣氛=廠因素進行系統(tǒng)實驗研究，在氣體流量、均流設(shè)計、爐內(nèi)壓強等方面提出了較好的優(yōu)化實驗方法，通過實驗方法應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)，擴散均勻性得到了較好的控制；并首次提出建立擴散氣氛廠工程模型來分析擴散均勻性問題，同時論文給出了擴

4、散氣氛廠工程模型的思路分析。該模型研究方法可改善電池性能并而可以對產(chǎn)業(yè)化起了主導(dǎo)作用。從擴散均勻性對太陽電池性能的影響角度，論文通過實驗分析了電池表面不同擴散濃度分析對電池少子壽命、開路電壓，、短路電流及燒結(jié)的影響；同時，論文還分析了太陽電池表面余誤差函數(shù)分布下不同擴散濃度對燒結(jié)工藝要求及填充因子的影響及對電池少子壽命及開路電壓的影響。通過生產(chǎn)線實驗驗證，獲得了一致的分析成果。經(jīng)過進一步的工藝優(yōu)化與分析，擴散工藝具有低成本生產(chǎn)高效硅太陽電池的廣闊前景。關(guān)鍵詞：硅太陽電池，擴散，均勻性。轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)量1引言 1.1 晶體硅太陽電池能夠取得高效轉(zhuǎn)換效率的原因主要是基于表面鈍化、濕氧氧化等技術(shù)的應(yīng)用

5、。新技術(shù)的開發(fā)與運用同時也極大地促進了太陽電池的商業(yè)化發(fā)展。在過去的10年，全球太陽電池的生產(chǎn)以年平均30的速度快速增長，單晶硅和多晶硅太陽電池的增長所占比重最大，超過整個太陽電池增長的80。1.2 除產(chǎn)業(yè)化運用新技術(shù)外，太陽電池制作中工藝優(yōu)化也非常重要的。太陽電池產(chǎn)業(yè)化所面臨的主要問題之一是如何在保證電池高轉(zhuǎn)換效率前提下提高產(chǎn)能。擴散制作P N結(jié)是晶體硅太陽電池的核心，也是電池質(zhì)量好壞的關(guān)鍵之一。對于擴散工序，最大問題在于如何保障擴散的均勻性。擴散均勻性好的電池。其后續(xù)工藝參數(shù)可控性高?？梢暂^好地保證電池電性能和參數(shù)的穩(wěn)定性。擴散均勻性在高效率低成本電池產(chǎn)業(yè)推廣方面主要有兩個方向：一個是太陽

6、電池P-N結(jié)新結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用，比如N型電池、SE(selective emitter)電池等；另一個是由于其他工序或材料新技術(shù)的應(yīng)用需要尋求相應(yīng)的擴散工藝路線，比如冶金硅用于太陽電池、Sunpower公司的Low- cost rear-contact solar cells和夏普公司的back-contact solarcells等。這些都是擴散對均勻性要求新的研究方向。晶體硅產(chǎn)業(yè)化擴散制作P-N結(jié)所采用的擴散爐主要為管式電阻加熱方式(普遍選用 Kanthal加熱爐絲)，裝載系統(tǒng)主要有懸臂式(loadingunloading)和軟著陸(soft contact load-ing，簡稱SCL)兩

7、種，國內(nèi)擴散爐以懸臂式為主，國外以SCL為主。相對于配置懸臂裝載機構(gòu)的擴散爐，SCL式擴散爐因其爐口密封性更易保障，并不采用石英保溫檔圈來保證爐門低溫狀態(tài)。工藝反應(yīng)過程中SiC槳退出反應(yīng)石英管外，這些設(shè)計上的優(yōu)點減少擴散均勻性的影響因素，在工藝生產(chǎn)中能更好地保證擴散的均勻性；同時也極大地降低工藝粘污風(fēng)險，為高效太陽電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供硬件保障。這也是SCL式擴散爐逐步取代懸臂裝載式擴散爐的原因所在。早期的工藝路線主要包括開管擴散與閉管擴散，鑒于對擴散均勻性要求的不斷提高和對高轉(zhuǎn)換效率電池大規(guī)模生產(chǎn)成本降低的要求，現(xiàn)基本采用閉管工藝路線。對懸臂管式擴散爐中影響擴散均勻性的氣氛場因素進行相關(guān)的研究，以

8、達到優(yōu)化工藝參數(shù)、降低生產(chǎn)成本的目的。1.3 擴散是以種由熱運動所引起的雜質(zhì)原子和基本原子的輸運過程，由于熱運動把原子從一個位置輸運到另一個位置，使基本原子與雜質(zhì)原子不斷的相互混合。2 原理及方法2.1擴散均勻性影響因素2.1.1針對管式擴散爐的特點，優(yōu)化擴散的均勻性主要采取溫區(qū)補償技術(shù)。在大規(guī)模生產(chǎn)中，補償方法主要通過調(diào)整工藝反應(yīng)時間、氣體流量和反應(yīng)溫度三者實現(xiàn)。配備懸臂裝載機構(gòu)擴散爐本身的特點及恒溫區(qū)位置的固定，確保了SiC槳、石英保溫檔圈、均流板和石英舟是固定位置使用。影響擴散均勻性因素除相關(guān)物件固定放置位置外，工藝氣體總流量、廢氣排放流量與爐內(nèi)壓強的平衡設(shè)置，均流板的氣體均勻分流設(shè)計，

9、廢氣排放位置與氣流變化對溫度穩(wěn)定抗干擾的平衡設(shè)置等因素也至關(guān)重要，因這些因素相互關(guān)聯(lián)影響，使得生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化相對困難，尤其是氣氛場因素更難控制，這也是該研究領(lǐng)域至今未建立擴散均勻性氣氛場工程模型的難點。根據(jù)氣氛場因素的特點，作出擴散氣氛場結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1中，箭頭方向為氣體示意流向；廢氣排放管和Profile TC套管處于同一水平面上，工藝廢氣經(jīng)廢氣排放管排到液封吸收瓶(工業(yè)生產(chǎn)常用酸霧處理塔)處理，處理合格后排氣。2.1.2 工業(yè)化生產(chǎn)中擴散爐的均勻性主要通過測試擴散后硅片的方塊電阻來反映。工藝反應(yīng)時間、氣體流量和工藝反應(yīng)溫度的變化非常直觀地體現(xiàn)在方塊電阻值的變化上，即增加工藝反應(yīng)

10、時間和工藝反應(yīng)溫度將導(dǎo)致方塊電阻值的降低，磷源流量的減小反映在方塊電阻值的升高；反之亦然。2.2 工藝氣體流量對爐內(nèi)溫度的影響2.2.1在工藝溫度穩(wěn)定條件下，關(guān)閉小N2(磷源bubbler bottle)，通過手動調(diào)節(jié)大N2流量，試驗記錄擴散爐石英反應(yīng)管內(nèi)爐口、爐中、爐尾3段Profile TC(tlaermal couple)溫度隨爐內(nèi)氣體流量(壓強)的變化情況，以研究爐內(nèi)氣氛場氣體流量(壓強)變化對與擴散均勻性密切關(guān)聯(lián)的溫度影響程度和趨勢。試驗過程包括：（1） 檢查爐門及各氣路連接處的密封性；（2） 設(shè)備溫度PID參數(shù)自整定；（3） 手動調(diào)節(jié)大N2流量，從25 Lmin，增加到27 L/m

11、in，記錄流量調(diào)節(jié)前后穩(wěn)定溫度值和流量變化導(dǎo)致的溫度動態(tài)偏差值，見表1； （4） 手動調(diào)節(jié)大N2流量，從25Lmin，減少到23 L/min，記錄流量調(diào)節(jié)前后穩(wěn)定溫度值和流量變化導(dǎo)致的溫度動態(tài)偏差值，見表2，表中Zone1為爐尾，Zone2是爐中尾，Zone3為爐中，Zone4是爐中口，Zone5為爐口。2.2.2 從表1和表2的數(shù)據(jù)可看出，氣流量由25 Lmin向27 Lmin變化，爐尾溫度降低1，爐口溫度無變化，氣流量由25 Lmin減少到23 Lmin，爐尾溫度升高1，爐口溫度降低1。2.3 廢氣排放位置對爐口均勻性的影響2.3.1擴散爐恒溫區(qū)的有限性與生產(chǎn)產(chǎn)量的最大化是矛盾關(guān)聯(lián)的。在生

12、產(chǎn)中，需要在恒溫區(qū)最大限度地放置擴散硅片，保證恒溫區(qū)溫度的精度和穩(wěn)定性。因配置懸臂式裝載系統(tǒng)的擴散爐爐口對溫度的干擾最大，可將廢氣管口盡可能地靠近爐門，同時也能改善靠近爐口方向硅片反應(yīng)區(qū)域氣氛場的均勻性。因此，分別調(diào)整廢氣排放位置并進行試驗對比。 2.3.2從表4可看出，廢氣排放口離恒溫區(qū)越遠，即離爐口越近，爐口的方阻片內(nèi)片間均勻性改善越好，但廢氣排放的同時也有大量熱能的排放，在排放口區(qū)域的熱能較多，因考慮到爐門的低溫(一般為小于200)要求，在一定程度上又限制了排放口到爐門的距離不能太近。所以，生產(chǎn)中廢氣排放口的較佳位置是在一個兩向平衡距離范圍內(nèi)。2.4 排風(fēng)量大小對爐口均勻性的影響2.4.

13、1當進入擴散爐石英管內(nèi)的工藝氣體總流量一定時，排風(fēng)量大小的設(shè)定直接影響擴散爐內(nèi)的氣氛場壓強變化，而氣氛場壓強又與爐內(nèi)工藝氣體的濃度相關(guān)聯(lián)從而影響擴散的均勻性，尤其是爐口的均勻性。2.4.2 通過表5分析爐口片內(nèi)極差大的具體原因，得到極差大主要是由硅片下半部分方塊電阻大造成的，而這下半部分又與排氣口最近，故采取調(diào)小排氣閥開度，增加爐內(nèi)壓強，間接地增加工藝氣體反應(yīng)時間，從而改善爐口片內(nèi)均勻性和片間均勻性。對于穩(wěn)定生產(chǎn)而言，爐內(nèi)壓強的最佳值是在一定范圍內(nèi)的，這就要求工藝反應(yīng)氣體流量與廢氣排放量需保持一個整體平衡。2.5 硅太陽電池所用的源擴散方法2.5.1 涂布源擴散涂布源擴散有可分為簡單涂布源擴散

14、和二氧化硅乳膠源擴散兩種。（1） 簡單涂布源擴散：是用1-2滴五氧化二磷或二氧化硼在水（或乙醇）中制成稀溶液，預(yù)先滴涂于P型或N型硅表面做雜質(zhì)源，與硅產(chǎn)生反應(yīng)，生成磷或硅玻璃。沉淀在硅表面的雜質(zhì)元素在擴散溫度下向硅內(nèi)部擴散，從而形成P-N結(jié)或N-P結(jié)。（2） 二氧化硅乳膠是一種有機硅氧烷的水解聚合物，它能溶解于乙醇等有機溶劑中成為有一定粘度的溶液，在100-400烘烤后，可形成無定形的二氧化硅。二氧化硅乳通過在硅酸乙酯中加入乙醇，經(jīng)過水解的方法獲得，也可以通過將四氯化硅通入醋酸后加入乙醇制得。在乳膠中適量溶解五氧化二磷或三氧化二硼等雜質(zhì)，并經(jīng)乙醇稀釋，就可以得到所需的二氧化磷乳膠源。2.5.2

15、 液態(tài)源擴散液態(tài)源擴散有三氯氧磷液態(tài)擴散和硼液態(tài)源擴散等方式，它是通過氣體攜帶的方法將雜質(zhì)帶入擴散爐內(nèi)實現(xiàn)擴散的。其生產(chǎn)過程如下：（1） 將擴散爐預(yù)先升溫至擴散溫度（800-950），通入大量的氮氣（500-30000ml/min）_，驅(qū)除管道內(nèi)的氣體。如果新處理的石英管還要接著通入含有三氯氧磷的氮氣（500-5000ml/min）和氧氣（500-5000mi/min），使石英管壁吸收致飽和狀態(tài)。（2） 取出經(jīng)過表面準備的硅片，裝入石英管舟，推入恒溫區(qū)，在大流量的氮氣（500-30000ml/min）保護下預(yù)熱若干分鐘。（3） 通入含有三氯氧磷的氮氣的流量為500-3000ml/min，氧氣流

16、量為500-3000mil/min通源時間為15-60分鐘。（4） 是源（既停止通含有哦的三氯氧磷的氮氣和氧氣，然后通大流量氯氣若干分鐘，以驅(qū)走殘余在管道內(nèi)的源蒸氣。（5） 把石英舟拉至擴散爐口，將溫如干分鐘后，即可取出擴散好的硅片。2.5.3 固態(tài)氮化硼源擴散 固態(tài)氮化硼源通常采用片狀氮化硼作源 ，在氮氣保護下進行擴散。片狀氮化硼的制作方法有兩種：可用高純氮化硼棒切割成和硅片一樣大小的薄片，也可以用粉狀氮化硼沖壓成片。擴散前，氮化硼片預(yù)先在擴散溫度下通氧氣30分鐘，使氮化硼表面的三氧化二硼和硅發(fā)生反應(yīng)，形成硼硅玻璃沉積在硅表面，硼向硅內(nèi)部擴散，擴散爐內(nèi)的氮氣流量較低時，可以使擴散更加均勻3

17、比較研究 常用擴散方法的比較擴散方法特點簡單涂布源擴散 設(shè)備簡單，操作方便；工藝要求較低，技術(shù)成熟；擴散硅表面狀態(tài)欠佳，P-N結(jié)面不平整；對于大面積硅片薄膜層電阻值相差較大。二氧化硅乳膠源涂布擴散設(shè)備簡單，操作方便；擴散硅表面狀態(tài)良好；P-N結(jié)面平整，重復(fù)性較好；改進涂布設(shè)備可適用于自動化流水線生產(chǎn)液態(tài)源擴散 設(shè)備和操作比較復(fù)雜；擴散硅表面狀態(tài)良好；P-N結(jié)面平整，重復(fù)性較好；工藝成熟固態(tài)氮化硼源擴散設(shè)備簡單，操作方便；擴散硅表面狀態(tài)良好；P-N結(jié)面平整，重復(fù)性較液態(tài)源擴散好；適合大批量生產(chǎn)3.1 在不影響P-N結(jié)的特性的前提下，擴散溫度選擇高一些可以縮短擴散時間，有利于生產(chǎn)3.2 對于擴散的

18、情況，溫度選擇主要適當，既不能使溫度過高，是2擴散時間過短，以致難于控制工藝；又不使溫度過低，而使擴散時間延長到不適當?shù)夭健?.3 在恒定的表面濃度擴散時間增加t擴散進入硅中的雜質(zhì)總量Q相應(yīng)的增加，結(jié)深增加了x（一定的深度）.在恒量表面雜質(zhì)源擴散時，擴散進入硅中的雜質(zhì)總量Q不變，擴散時間增加表面濃度N下降，結(jié)深增加。3.4 在生產(chǎn)上，與時間的控制比較，溫度的控制更難控制一些。計算指出，在1180擴散時，若時間誤差±10，結(jié)深誤差±5；而溫度誤差±1結(jié)深誤差也是±5。時間控制1分鐘誤差也是容易事，但溫度精確到±1是件很困難的事。3.5 使用三氯氧

19、化磷擴散模式裝置更有利于經(jīng)濟生產(chǎn)，它的優(yōu)點有：（1） 封閉的，管式爐的工藝過程容易保持潔凈。（2） 雙面擴散有很好的吸雜效應(yīng)。（3） 摻雜源中的氯在工藝過程中有清潔作用。（4） 摻雜的沉積非常均勻。4 結(jié)論晶體硅太陽電池的主要工藝制作過程包括制絨、擴散、刻蝕、鍍膜、印刷、燒結(jié)等，每道工序的相關(guān)控制參數(shù)都直接或間接地與電池電性能參數(shù)相關(guān)聯(lián)。對于擴散工序而言，擴散的均勻性直接體現(xiàn)在硅片形成的P-N結(jié)結(jié)深差異性上，均勻性好反映出結(jié)深差異性小，反之亦然。而不同的P-N結(jié)結(jié)深其燒結(jié)條件不一樣。從另一方面，同樣的燒結(jié)條件生產(chǎn)應(yīng)用于擴散均勻性好的在制電池片，其歐姆接觸性能、填充因子等電性能參數(shù)一致性好，最終

20、體現(xiàn)在太陽電池的轉(zhuǎn)換效率一致性的可控性。用實驗方法分析影響晶體硅太陽電池擴散均勻性的氣氛場因素及其工藝調(diào)節(jié)優(yōu)化改善方法，在工藝調(diào)試過程中需要注意這些氣氛場因素是相互關(guān)聯(lián)影響的，一般先優(yōu)化改善均流板的均勻分流設(shè)計和廢氣排放位置因素，再綜合工藝氣體流量、排氣量等其他相關(guān)因素系統(tǒng)調(diào)整爐內(nèi)壓強平衡。通過擴散均勻性的優(yōu)化調(diào)節(jié)?？梢院芎玫馗纳铺栯姵氐奶畛湟蜃覨F、并聯(lián)電阻Rsh、串聯(lián)電阻Rs和開路電壓Ucc等電性能，從而降低電池的制造成本。擴散的要求是獲得適合于太陽電池P-N結(jié)所需的姐深和擴散層方塊電阻。線結(jié)的表面濃度低，電池短波響應(yīng)好，但會引起串聯(lián)電阻增加，只有提高電極柵線的密度，才能有效的提高電池的填充因子，這樣就增加了工藝難度；如果表面濃度太大，會引起重摻雜效應(yīng)，使得電池的開路電壓、短路電流下降