N型晶硅电池硼源扩散技术研究进展

2020-02-04王冬冬杨超张敏李得银

电子技术与软件工程 2020年12期

王冬冬杨超张敏李得银

（黄河水电光伏产业技术有限公司青海省西宁市 810800）

扩散[1]是制备太阳能电池PN 结的核心。扩散分为恒定表面源扩散和限定表面源扩散[2-3]。理想状态下，恒定表面源扩散表面浓度保持恒定不变，与扩散时间无关；限定表面源扩散在扩散温度一定情况下，随着扩散时间的增加，其表面浓度逐渐下降，但杂质总量保持恒定。硼扩散具有三种方式：三溴化硼高温扩散、丝网印刷掺硼浆料及热扩散推进、旋涂硼源及激光掺杂推进。

1 三溴化硼高温扩散的方式

三溴化硼（BBr3）在常温下是一种无色或略带黄色的液体，具较强烈的刺激性，其形成的蒸汽有剧毒。是半导体硅的掺杂源，更是N 型晶硅太阳电池制备高质量PN 结的重要手段。其液态的BBr3 通过氮气携带的方式在管式扩散炉内高温扩散形成高质量的PN 结，该方法能够保持高的有效寿命，且具有低发射极的饱和电流密度。

如图1 所示，N2通过BBr3容器，从而携带着扩散源进入到炉体中。扩散源、氧气、氮气在炉体内均匀地扩散开来，并发生反应生成氧化硼（B2O3）,反应式如下：

随着沉积温度的增加，O2、B2O3、Br2通过边界向硅表面进行扩散，形成二氧化硅层，而B2O3熔入二氧化硅中形成硼硅玻璃，反应式如下：

副产物通过氮气携带和酸排管道排到尾气处理塔处理。

张婷等[4]公开了一种硼扩散方法，该方法将制绒后的硅片通过高温推进的方式得到P+发射极，使用强酸(HF)去除硅片表面的硼硅玻璃，再将硅片放入NaOH 溶液中反应一定时间使硅片方阻提升8-20ohm/sq，然后通过HF 和HCl 的混合溶液去除金属离子和背面氧化层。不仅提升了表面方阻、降低了PN 结结深，而且通过浅腐蚀方式消除了低浓度表面，有效地解决了N 型晶硅电池在硼源扩散后表面浓度低的情况。袁广锋等[5]采用低温沉积高温推进的方式，通过调节沉积时间、扩散时间及温度、气源流量等影响参数，提供了一种硼源扩散方法，该方法分为三个步骤进行硼源扩散，即沉积阶段、扩散阶段、后氧化阶段。不仅改善了方阻均匀性，降低了液态硼源的消耗，而且提升了电池的光电转换效率。

图1：三溴化硼高温扩散图

赵建华等[6]公开了一种N 型电池硼扩散的新方法，该方法特点是在N 型晶硅太阳电池背面进行硼扩散制备P 型发射极，并生长氧化层，在正面又进行磷扩散，沉积氮化硅减反射层。在进行三溴化硼高温扩散时，其恒温区温度在800-1000，扩散时间15 至50 分钟之间，结深控制在0.5-5 微米。

通常硼源扩散分两步：

（1）预扩散，即炉管达到扩散温度后氮气携带液态源进入到炉管，并通入氧气，在硅片表面形成一定的杂质源，预先达到一定的扩散浓度；

（2）热推进，即停止硼源的通入，升高扩散温度，对沉积在硅片表面的杂质源进行推进扩散，形成一定的结深。该方法使得硅片表面到内部的硼原子浓度逐渐降低，高浓度区域可能产生俄歇复合，同时因硅原子晶格发生畸变可能诱使大量缺陷，这些缺陷也可能产生复合从而降低少子寿命，影响电池转换效率。针对上述缺陷，殷涵玉等[7]开发了一种高低浓度硼扩散方法，减少了较深范围扩散层的杂质浓度，降低了俄歇复合，提升了少子寿命，从而提升了电池的性能。龙腾江[8]等研究了湿法去除硼扩散后硅片表面形成的富硼层，使得开路电压从610mV 增加到625mV，反向饱和电流密度明显降低，少子寿命增加近3 倍。

2 丝网印刷掺硼浆料及热推进（或激光推进）的方式

丝网印刷和掺杂技术是制备太阳电池重要步骤，将精心配制的掺杂浆料通过丝网印刷机印刷在太阳电池表面，制备发射极，是一种新型的掺杂方法。Nüssl 等[9]就是利用丝网印刷技术在本征硅表面印刷掺硼浆料，烘干后通过高温扩散退火，制备硼发射极，在未沉积减反射薄膜的情况下得到了填充因子超过77.5%，开路电压超过605mV，短路电流密度超过30mA/cm2，转换效率超过14%的太阳电池。

刘国钧等[10]公开了一种纳米硅硼浆及其应用于制备N 型复合发射极的方法，该方法以纳米硼浆为载体，针对电池背面银铝覆盖区不连续的缺陷，采用全覆盖或者局部覆盖的方式在背面进行纳米硼浆的印刷，将其烘干后通过激光或者高温热推进的方式处理，形成背面局部掺杂，从而与背面铝发射极形成复合发射极弥补不连续缺陷。

洪捐等[11]将印刷烘干后的硅片利用皮秒激光在一定功率下进行熔覆硅浆料。利用该工艺制备的SP-PERC 电池的转换效率达20.3%，比同期PERC 电池转换效率提升了0.3%，填充因子提高了0.6%。

3 旋涂浆料及热推进（或激光推进）的方式

旋涂法因具有薄膜精度可控、性价比优良、操作简单等优点，常用来制备不同的功能薄膜，在光学、微电子学、医学、生物学等领域有着广泛的应用。基于旋涂法的优点，近年来研究者将该方法运用于光伏领域，将掺硼浆料通过旋涂的方法均匀旋涂在硅基底上，在一定温度下烘干，然后利用高温热推进或激光推进的方式，实现硼掺杂。

洪捐等[12]将SiO2 制备成350～450nm 的球形颗粒浆料，以硼酸溶液作为硼源，以一定比例配制成纳米硼浆，利用旋涂法均匀旋涂在电池片表面，通过热推进的方法实现硼掺杂；实验表明，SiO2颗粒粒径越小，其扩散后均匀性越好。

刘畅[13]通过建立模型计算了旋涂后经过激光和热处理退火得到的PN 结中杂质的分布，并设计了制备工艺，通过实验验证得到了符合预期的性能器件。证明了旋涂掺杂与热处理或激光退火方法的可行性。桑雪岗通过旋涂浆料及热推进的方式分别从扩散温度、扩散时间和气体流量等方面研究了N 型双面电池的电性能及背面扩散工艺；研究表明，随着扩散温度、时间的增加，电池正面开路电压Voc 减小，短路电流Isc 呈现先增大后减小的趋势；气体流量加大，其电池正面开路电压Voc、短路电流Isc 均降低。