太阳能电池扩散设备炉尾气管气路堵塞问题的改善方法

张云鹏， 孟汉堃， 郭 鹏， 郭 丽， 刘文超

(潞安太阳能有限责任公司，山西 长治 046000)

引 言

随着全球工业化的进程不断加快，煤炭、石油等常规能源频频告急，人们将目光纷纷投向了各种可再生能源的利用上。其中，太阳能因其取之不尽、用之不竭，因此，太阳能光伏技术极有可能成为21世纪最有发展潜力的光电技术之一[1-3]。而随着这个行业的高速发展，晶体硅太阳能电池产业链中的大多数制造设备，基本实现了单机自动化水平;设备间机械手自动转送，在线检测，提高了整线生产效率，减少了人工干预，降低了碎片率。扩散是半导体器件制造的重要工序，主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立不同的电特性区域。在太阳能晶体硅电池制造工艺中，常采用热扩散工艺制备PN结，即，在加热条件下，将V族杂质元素磷掺入P型硅或将Ⅲ族杂质硼掺入N型硅中，扩散制备PN结的质量对于太阳能电池的转换效率有重要影响，是太阳能电池性能的决定性因素之一。该过程会用到高温的扩散炉、石英舟用作承载体。扩散过程主要是通过气体进入炉体，在一定的温度下进行磷源的扩散，而石英舟使用一段时间后，由于磷源也会扩散沉积在石英舟上，需要定时对其进行清洗以及工艺气体饱和，以保证石英舟在生产过程中不会因为吸收气体而导致电池片的方阻异常[4]。饱和过程中会出现尾气管路有白色物质堵塞管路的问题，如图1所示。堵塞之后需要对其进行清洗，延误了生产，降低了产率；并且，频繁的清洗会缩短尾气管和积液瓶的寿命。本文的主要目的是为了解决扩散尾气管路的堵塞的问题，减少尾气管路中集液瓶的清洗次数和时间，延长扩散尾气管和玻璃炉管的使用寿命，节约成本。

图1 堵塞的尾气管路

1 尾气管堵塞原因

扩散工艺用到的气体有POCl3、O2和N2。扩散原理反应的方程式为式(1)、式(2)。

(1)

(2)

因为在饱和石英舟工艺时，石英舟内并没有硅片，因此炉管内主要是第一个反应。也就是说，炉管内有2种物质产生，分别是Cl2和P2O5。Cl2常温常压下为黄绿色气体，可通过排风排放。而五氧化二磷(P2O5)，常温常压下为白色无定形粉末或六方晶体，熔点340 ℃。这种固体产物将会导致尾气管堵塞。

2 尾气管堵塞解决方案

2.1 饱和气体的流量

扩散工艺用到的气体有POCl3、N2和O2。POCl3是由N2作为载气进入炉管进行反应的。在进行饱和舟工艺时，各种气体流量分别是POCl3：1 500 mL/min，O2：375 mL/min，N2：5 L/min。饱和工艺的时间为600 min，但是在不到60 min时，就会出现尾气管堵塞的现象。将进气量降低到POCl3为700 mL/min、O2为170 L/min、N2为5 L/min时发现，在不到90 min时，又出现尾气管堵塞现象。随着POCl3和氧气进气量的减少，尾气管堵塞时间略微增加，但是距离饱和工艺的时间600 min，差得很远。因此，降低了POCl3和氧气的进气量对尾气管的堵塞基本没有改善。

2.2 排风量

扩散气体的进出气方式是气体先通过炉尾，然后到达炉口，再通过尾气管到达炉尾，经过集液瓶，最后到达外围排风。通过调节不同的排风量来测试尾气管的堵塞情况。排风量从1.0 mL/min调大到1.5 mL/min后，尾气管堵塞的时间由60 min上升到74 min，如图2。通过图2可以看出，随着排风量的增大，尾气管堵塞时间基本没有增加，并且距饱和工艺的时间600 min，仍差得很远。因此，调大排风量对尾气管的堵塞仍然没有改善。

图2 排风量与堵塞时间的关系

2.3 在积液瓶中增加水

总结以上的解决方案发现，堵塞和气体流量关系不大，主要还是由于固态五氧化二磷导致的堵塞，基于五氧化二磷对水有很强的亲和力，吸湿性强，在空气中就能吸收水分迅速潮解，反应见式(3)：

(3)

通过这一性质，在集液瓶内加一定量的水，将生成的固态P2O5转化成液态H3PO4，避免在进行饱和工艺时，扩散尾气管路堵塞问题。工艺反应示意图如图3。

从图3可以看出，氮气带着气化的POCl3和氧气从进气管进入到炉管，然后到达炉管的炉门口，通过尾气管到达集液瓶，到达集液瓶时，温度变为室温，P2O5凝固为固态P2O5，从而堵塞了尾气管。而在积液瓶中添加一定量的水就可以避免尾气管堵塞。图4就是添加水后的积液瓶。

图3 工艺反应气体的示意图

图4 装水的集液瓶

2.1 装水量的影响

我们在进行饱和舟工艺时，气体流量分别是POCl3为1 500 mL/min，O2为375 L/min，N2为5 L/min；饱和工艺的时间为600 min，在尾气管改善前，饱和工艺进行60 min时，就会出现尾气管堵塞现象，增加了水后尾气管堵塞现象得到明显的改善。观察发现，加入400 mL的水，不堵塞现象可以持续728 min。也就是说，石英舟饱和完成后也不会出现堵塞现象。因此，加入400 mL的水就可以解决在进行饱和工艺时尾气管堵塞的问题。 而少于400 mL水时不能保证整个饱和工艺不出现堵塞现象，而加入过多的水会导致水回流到炉管内部，炸裂炉管。实验结果如图5所示。

图5 加水量与堵塞时间的关系

3 结论

本文试图通过调节饱和气体流量和排风量来解决堵塞的问题，发现这两种方法只能进行一定程度的缓解，不能彻底解决堵塞的问题。而通过在集液瓶内加入400 mL的水，使饱和石英舟工艺过程中生成的五氧化二磷与水发生反应生成磷酸，成功避免了饱和过程中导致的扩散尾气管堵塞的现象，减少了尾气管路和集液瓶的清洗次数和时间，增加了扩散尾气管和玻璃炉管的使用寿命，节约了成本。此方法可彻底解决扩散尾气管路的堵塞问题。