晶體硅太陽(yáng)電池?cái)U(kuò)散氣氛?qǐng)鼍鶆蛐匝芯縚圖文

1、第17卷 V01.17 第9期No.9電子設(shè)計(jì)工程Electronic Design Engineering2009年9月 Sept.2009晶體硅太陽(yáng)電池?cái)U(kuò)散氣氛?qǐng)鼍鶆蛐匝芯壳镊c囊.匿產(chǎn)(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院。四川成都610054摘要:為降低晶體硅太陽(yáng)電池的制造成本。從擴(kuò)散氣氛?qǐng)鼋嵌忍岢鰧?shí)驗(yàn)方法.優(yōu)化擴(kuò)散工藝均勻性。該研究方法可 改善太陽(yáng)電池電性能并對(duì)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)起指導(dǎo)作用。關(guān) 鍵詞:硅太陽(yáng)電池;擴(kuò)散;均勻性;氣氛?qǐng)?量產(chǎn)中圖分類號(hào):TM914.4+l 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文件編號(hào):16746236(200908_005503 Research on the diffusion air.flo

2、wing environment uniformitvof crystalline silicon solar cellsHE Tang-gui,TANG Guang(School ofElectronic Engineering,Univers毋ofElectronic Science and Technology,Chengdu 610054,China Abstract:In order to reduce the manufacturing cost of crystalline silicon solar cells,this paper puts forward an experi

3、men tal method for optimizing diffusion in terms of diffusion air-lowing environment.This research method is helpful for improv-ing the quality ofsolar cells and guiding the production of industrialization.Key words:siliconsolar cells;diffusion;uniformity;mr-flowing environment;massproduction1引言晶體硅太

4、陽(yáng)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【l-31。新技術(shù)的開發(fā)與 運(yùn)用同時(shí)也極大地促進(jìn)了太陽(yáng)電池的商業(yè)化發(fā)展。在過去 的lO年.全球太陽(yáng)電池的生產(chǎn)以年平均30%的速度快速增 長(zhǎng),單晶硅和多品硅太陽(yáng)電池的增長(zhǎng)所占比重最大.超過整 個(gè)太陽(yáng)電池增長(zhǎng)的80%舊。除產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用新技術(shù)外。太陽(yáng)電池制作中工藝優(yōu)化也非 常重要的。太陽(yáng)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(kuò)散制作P-N結(jié)是晶 體硅太陽(yáng)電池的核心,也是電池質(zhì)量好壞的關(guān)鍵之一。對(duì)于擴(kuò) 散T序.最大問題在于如何保障擴(kuò)散的均勻性。擴(kuò)散均勻性好 的電池。其后續(xù)T藝參數(shù)可控性高,可以較

5、好地保證電池電性 能和參數(shù)的穩(wěn)定性。擴(kuò)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(gè)方向:一個(gè)是太陽(yáng)電池P.N結(jié)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的應(yīng)用.比如N型電池同、SE(selective emitter電池嘲等;另一 個(gè)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(kuò)散 工藝路線。比如冶金硅用于太陽(yáng)電池、Sunpower公司的Low. cost陀ar.contact solar cells和夏普公司的back-contact solar ceU妒等。這些都是擴(kuò)散對(duì)均勻性要求新的研究方向。晶體硅產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)散制作P.N結(jié)所采用的擴(kuò)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

6、臂式(10ading/unloading和軟著陸(soft contact 10ad. ing,簡(jiǎn)稱SCL兩種。國(guó)內(nèi)擴(kuò)散爐以懸臂式為主,國(guó)外以SCL 收稿日期:200903一ll 稿件編號(hào):200903036 為主。相對(duì)于配置懸臂裝載機(jī)構(gòu)的擴(kuò)散爐,SCL式擴(kuò)散爐因 其爐口密封性更易保障。并不采用石英保溫檔圈來(lái)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(jì)上的優(yōu)點(diǎn)減少擴(kuò)散均勻性的影響因素。在工藝生產(chǎn)中能 更好地保證擴(kuò)散的均勻性;同時(shí)也極大地降低工藝粘污風(fēng) 險(xiǎn).為高效太陽(yáng)電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供硬件保障。這也是SCL式 擴(kuò)散爐逐步取代懸臂裝載式擴(kuò)散爐的原因所在。早期的工藝 路線主要

7、包括開管擴(kuò)散與閉管擴(kuò)散,鑒于對(duì)擴(kuò)散均勻性要求 的不斷提高和對(duì)高轉(zhuǎn)換效率電池大規(guī)模生產(chǎn)成本降低的要 求.現(xiàn)基本采用閉管丁藝路線。對(duì)懸臂管式擴(kuò)散爐中影響擴(kuò) 散均勻性的氣氛?qǐng)鲆蛩剡M(jìn)行相關(guān)的研究。以達(dá)到優(yōu)化工藝參 數(shù)、降低生產(chǎn)成本的目的。2擴(kuò)散均勻性影響因素針對(duì)管式擴(kuò)散爐的特點(diǎn).優(yōu)化擴(kuò)散的均勻性主要采取溫 區(qū)補(bǔ)償技術(shù)。在大規(guī)模生產(chǎn)中,補(bǔ)償方法主要通過調(diào)整工藝 反應(yīng)時(shí)間、氣體流量和反應(yīng)溫度三者實(shí)現(xiàn)。配備懸臂裝載機(jī) 構(gòu)擴(kuò)散爐本身的特點(diǎn)及恒溫區(qū)位置的周定.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(kuò)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(qiáng)的平衡

8、設(shè)置。均流板的氣體均勻分 流設(shè)計(jì).廢氣排放位置與氣流變化對(duì)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T藝優(yōu)化相對(duì)困難,尤其是氣氛?qǐng)鲆蛩馗y控制,這 也是該研究領(lǐng)域至今未建立擴(kuò)散均勻性氣氛?qǐng)鯰程模型的 難點(diǎn)。根據(jù)氣氛?qǐng)鲆蛩氐奶攸c(diǎn),作出擴(kuò)散氣氛?qǐng)鼋Y(jié)構(gòu)示意圖作者簡(jiǎn)介:何堂貴(1976一,男,四川青神人,碩士研究生。助理工程師。研究方向:半導(dǎo)體電源器件(太陽(yáng)電池工藝。-55-電子設(shè)計(jì)工程2009年第9期如圖1所示。圖1中,箭頭方向?yàn)闅怏w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,

9、處理合格 后排氣。事蒿保至薈圈勰石薹舟(赫爐尾均流板哪圓訓(xùn):氣.削蘆l/fI i廢氣排放管口;rofilehermaI!乩P磊1管rcobe套管 墮.I廢氣/排放管ProfileTC Prof;leTC ProfjleTC 液體吸收 Pr lili”、爐I=I位置爐中位置爐尾位置圖1擴(kuò)散氣氛?qǐng)鼋Y(jié)構(gòu)示意圖工業(yè)化生產(chǎn)中擴(kuò)散爐的均勻性主要通過測(cè)試擴(kuò)散后硅 片的方塊電阻來(lái)反映。工藝反應(yīng)時(shí)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l-_。即增加 T藝反應(yīng)時(shí)間和t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。 2.1工藝氣體流量對(duì)爐內(nèi)溫度的影響

10、在工藝溫度穩(wěn)定條件下,關(guān)閉小N2(磷源bubblerbottle, 通過手動(dòng)調(diào)節(jié)大N2流量。試驗(yàn)記錄擴(kuò)散爐石英反應(yīng)管內(nèi)爐 13、爐中、爐尾3段Profile TC(thermal couple溫度隨爐內(nèi)氣體 流量(壓強(qiáng)的變化情況.以研究爐內(nèi)氣氛?qǐng)鰵怏w流量(壓強(qiáng) 變化對(duì)與擴(kuò)散均勻性密切關(guān)聯(lián)的溫度影響程度和趨勢(shì)。試驗(yàn) 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(dòng)調(diào)節(jié)大N2流量,從25L/min,增加到27lJmin,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(dòng)態(tài)偏 差值,見表l:(4手動(dòng)調(diào)節(jié)大N2流量,從25L/min,減少到23Umin, 記錄流量凋

11、節(jié)前后穩(wěn)定溫度值和流量變化導(dǎo)致的溫度動(dòng)態(tài)偏 差值,見表2。表中ZoneI為爐尾.Zone2是爐中尾,Zone3為爐 中,Zone4是爐中口,Zone5為爐口。從表1和表2的數(shù)據(jù)可看出.氣流量由25L/rain向27L/min變化。爐尾溫度降低l。爐口溫度無(wú)變化,氣流量由25L/min減少到23L/rain.爐尾溫度升高1,爐1:3溫度降低1。由試驗(yàn)可知。氣流量對(duì)爐內(nèi)整體溫度變化過程的影響 較小?；赥藝氣體在石英管內(nèi)濃度梯度不同,濃度梯度從 爐尾向爐口方向降低,采用改變工藝氣體流量大小的方式 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散均勻性的工藝調(diào)整。工業(yè)生產(chǎn)中為補(bǔ)償工藝氣體 濃度梯度帶來(lái)的差異.一般采取對(duì)溫I(分段進(jìn)行溫度差

12、異控制。從溫區(qū)抗干擾角度可看出:隨著流量的減小,爐尾恒溫 區(qū)外的溫度將小幅升高;爐13恒溫I(外的溫度將小幅降低, 但較爐尾受到的影響略小。一56一POCL3恒溫槽表1流量從25L/min增到27L/min后的溫度動(dòng)態(tài)偏差值表2流量從25L/min減到23L/min后的溫度動(dòng)態(tài)偏差值2.2均流板分流設(shè)計(jì)對(duì)擴(kuò)散片內(nèi)片間均勻性的影響均流板在擴(kuò)散爐中對(duì)氣體的均勻分流起著非常霞要的 作用。這在懸臂式(10ading,unloading擴(kuò)散爐中尤為顯著。為 分析研究均流板對(duì)擴(kuò)散爐均勻性的影響,分別采用均流板A 和均流板B進(jìn)行試驗(yàn)。均流板B較均流板A的直徑大3.6%。在保證爐口密封性好.下藝氣體、時(shí)間、溫

13、度及排氣等條 件設(shè)置一定情況下(后續(xù)試驗(yàn)均按照此前提條件進(jìn)行。在爐 尾放置均流板A.爐口分別放置均流板A、B進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。從表3可以看出.D152.A試驗(yàn)的爐13片內(nèi)極差較大.因 片間極差較小.通過調(diào)整溫度、氣體流量和T藝時(shí)間很難改 善爐口方阻片內(nèi)極差;D152.B試驗(yàn)爐口采用均流板B,即適 當(dāng)增加均流板直徑.結(jié)果表明均流板B改善爐1:3方阻片內(nèi)極 差非常顯著.同時(shí)也使片間方阻極差增大,對(duì)整體氣氛?qǐng)龅?片間均勻性不利.但這可以容易地通過調(diào)整溫度、氣體流量表3爐口采用均流板A和B時(shí)所得到的方塊電阻(講口l試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)編號(hào) 譬爐髫板差蘭蓑?qū)嶒?yàn)片數(shù)篇霎蕁震篡量芝霎2.3廢氣排放位置對(duì)爐口均勻性的影響

14、擴(kuò)散爐恒溫的有限性與生產(chǎn)產(chǎn)量的最大化是矛盾關(guān) 聯(lián)的。在生產(chǎn)中,需要在恒溫區(qū)最大限度地放置擴(kuò)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(kuò) 散爐爐口對(duì)溫度的干擾最大.可將廢氣管口盡可能地靠近爐 門.同時(shí)也能改善靠近爐口方向硅片反應(yīng)區(qū)域氣氛?qǐng)龅木鶆?性。因此,分別調(diào)整廢氣排放位置并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。從表4可看出.廢氣排放口離恒溫區(qū)越遠(yuǎn).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(shí)也有大量熱能的排放.在排放口區(qū)域聚集的熱能較多,因 考慮到爐門的低溫(一般為小于2000C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

15、在一個(gè)兩向平衡距離范圍內(nèi)。 2.4排風(fēng)量大小對(duì)爐口均勻性的影響當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)散爐石英管內(nèi)的工藝氣體總流量一定時(shí),排風(fēng) 量大小的設(shè)定直接影響擴(kuò)散爐內(nèi)的氣氛?qǐng)鰤簭?qiáng)變化,而氣氛 場(chǎng)壓強(qiáng)又與爐內(nèi)工藝氣體的濃度相關(guān)聯(lián),從而影響擴(kuò)散的均 勻性.尤其是爐口的均勻性。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,故采取凋小排氣閥開度,增加爐內(nèi)壓強(qiáng),間接 地增加T藝氣體反應(yīng)時(shí)間,從而改善爐口片內(nèi)均勻性和片間 均勻性。對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)而言。爐內(nèi)壓強(qiáng)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(gè)整 體平衡。表4廢氣排放口不同位

16、置所得到的方塊電阻In,口J試驗(yàn)數(shù)據(jù)3結(jié)束語(yǔ)晶體硅太陽(yáng)電池的主要T藝制作過程包括制絨、擴(kuò)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(duì)于擴(kuò)散工序而言.擴(kuò)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(kuò)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。最終體現(xiàn) 在太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率一致性的可控性。用實(shí)驗(yàn)方法分析影響晶體硅太陽(yáng)電池?cái)U(kuò)散均勻性的氣 氛?qǐng)鲆蛩丶捌涔に囌{(diào)節(jié)優(yōu)化改善方法,在工藝調(diào)試過程中需 要注意

17、這些氣氛?qǐng)鲆蛩厥窍嗷リP(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(jì)和廢氣排放位置崗素,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(qiáng)平衡。通 過擴(kuò)散均勻性的優(yōu)化調(diào)節(jié),可以很好地改善太陽(yáng)電池的填充 因子FF、并聯(lián)電阻尺小串聯(lián)電阻R,和開路電壓以等電性 能.從而降低電池的制造成本。參考文獻(xiàn):【1】張鳳嗚.多晶硅薄膜太陽(yáng)電池叨.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2003,24(4: 555-564.【2V ZHAO,A WANG,M A GREEN.24.5%efficiency silicon PERT cells on MCZ substrates and 24.7%efficiency PERL ce

18、lls on FZ substrates【J】.Progress in Photovoltaics,1999,40 (10:47l474. (下轉(zhuǎn)第60頁(yè) -57-電子設(shè)計(jì)工程2009年第9期5PCB布局PCB板的物理設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)最后一個(gè)環(huán)節(jié).如果 設(shè)計(jì)方法不當(dāng),PCB可能會(huì)輻射過多的電磁下擾(EMI61。結(jié) 合LM5642的特點(diǎn),與其他多種器件(如LM2679設(shè)計(jì)多輸 出電壓源,PCB采用4層板布線,頂層和底層都放置元件,中 間層分別為地層和大電流走線層.其中第2層為走線層.第3層為地層以保證高可靠性。對(duì)于+5V廠7A和3.3V,7A大電 流輸出,布線主要是在第2層完成,線寬為200m

19、il。考慮到 電磁干擾,適當(dāng)加寬走線間距.輸入輸m采用鉭電容和陶瓷 電容相結(jié)合濾波(板子線寬按照1.5盎司厚度設(shè)計(jì)。6結(jié)束語(yǔ)由于電源設(shè)計(jì)是為系統(tǒng)提供電源,因此要傘面考慮整個(gè) 系統(tǒng),電源板提供多路輸出到各子板。規(guī)劃布局時(shí)使各路輸 出都以地線為間隔。由于子板中有數(shù)字地的分.為減小干 擾,在各子板中同樣采用DC/DC變換轉(zhuǎn)接以降低數(shù)字與模擬 信號(hào)十?dāng)_。考慮到系統(tǒng)性能,可采用輸入與輸出地隔離技術(shù); 而考慮到子板間傳遞高速信號(hào),因此在電源板設(shè)計(jì)中并沒有 采用輸入與輸出隔離地,同樣可使系統(tǒng)穩(wěn)定,因此以統(tǒng)一地 作為參考面。參考文獻(xiàn):1】陳永真.高效率開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作【M】.北京:中國(guó)電力出 版社.2008

20、.【2】2National Semiconductor.LM5642/LM5642X datasheetIEB/OL. 2007.http-./【3】National Semiconductor.LM5642/1。M5642X DatasheetEB/O E1.2000.【4】黃繼昌.電源專用集成電路及應(yīng)用【M】.北京:人民郵電出版 社.2006.【5】侯振義,夏錚.集成電源技術(shù)及應(yīng)用【M】.北京:中國(guó)電力出 版社.2006.【6】倪海東.開關(guān)電源專用電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用【MI.北京:中國(guó)電力 出版社.2008.+一-+一-._一一一一+_一-+一-+-+-+-+一一+一一+一一+一+一+一+一+一

21、+一+一+一+一+一+一+-+一+一+-+一+一+-+-+-+ (上接第57頁(yè)【3】0SCHULT,S W GLUNZ,G P WILLEKE.Multicrytalline sil-icon solar cells exceeding 20%efficiencyJ1.Progress in Pho tovoltaics。2004(12:553558.【4】蔡世俊.硅高效太陽(yáng)電池的效率限制【J】.固體電子學(xué)研究 與進(jìn)展,1994,14(4:347351.【5】MARTIN A GREEN.Third generation for photovoltaics:high conYerBion ef

22、ficiency for low lostM1.The 21st CenturyS New Technology of Solar Energy-Proceeding of 2003Anniversary Solar Energy Conference of China Solar Energy Society. 2003.【6】JINHAO ZHAO.Recent advances of h Jighefficiency sin西e crystalline siliconsolar cells in processingtechnologies and substrate materials

23、 fJ】.Solar Energy Materials&Solar Cells, 2004(82:5364. 【7】J E cOTrER,J H GUO,P J COUSINS,M D ABBOTI',F W CHEN.K C FISHER.P-type venus n-type silicon wafer:. prospects for high-efficiency commercial silicon solar cells 【J】.1EEE Transaction on Electron Devices,August 2006,53 (8:l 893-1901.81李迎

24、軍.選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的研究及光伏工程中最佳 傾角的研究【D1.云南:云南師范大學(xué),2001.【9】KYOTARONAKAMURA,TAKAYUKllSAKA,YASUSHI FU. NAKOSHI,YOSHIFUMITONOMURA。TOMOHIROMACHlD A,KOJl 0KAMOT0.High efficiency back contact siilicon solar cells based on industrial lethnology【C】.15th Intema tional Photovohaic Science&Engineering Conference (

25、PVSEC一15Shanghai,China。2005.一60 晶體硅太陽(yáng)電池?cái)U(kuò)散氣氛?qǐng)鼍鶆蛐匝芯孔髡?何堂貴 , 唐廣 , HE Tang-gui, TANG Guang作者單位:電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,四川成都,610054刊名:電子設(shè)計(jì)工程英文刊名:ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING年,卷(期:2009,17(9參考文獻(xiàn)(9條1. KYOTARONAKAMURA;TAKAYUKIISAKA;YASUSHI FUNAKOSHI;YOSHIFUMITONOMURA,TOMOHIROMACHID A,KOJI OKAMOTO High efficiency back contac