硅太阳能电池扩散工序相关知识

浅谈太阳能晶硅电池生产过程中的扩散工艺太阳能晶硅电池主要是以单/多晶硅片为原材料，利用光伏效应将太阳能转化为电能。

在电池片的生产过程中，扩散制PN结是最核心的工序。

扩散工艺对电池的性能有着重要影响。

文章从工厂生产的角度，结合工艺及设备使用情况，浅谈扩散工艺的技术特点。

标签：晶硅电池；扩散制结；工艺1 扩散在传统电池生产中的工艺步骤原材料硅片来料检验——清洗制绒——扩散制结——干法刻蚀洗磷（或湿法刻蚀）——PECVD镀膜——丝网印刷——烧结——测试分选——电池片成品包装。

2 扩散的原理及POCl3制PN结物质分子因浓度梯度而进行分子转移是扩散的基本原理；在工厂的晶硅电池生产中，普遍采用热扩散法：即在P型半导体表面掺杂五价磷元素，形成PN结，具体是指以液态POCl3作为扩散源，在高温有氧条件下（>600℃）充分分解反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，利用磷原子（N型）向硅片（P型）内部扩散的方法，改变硅片表面层的导电类型，形成PN结（同时在硅片表面形成一层磷硅玻璃），达到合适的掺杂浓度；当有适当波长的光照射在该PN结上，由于光伏效应而在势垒区两边形成电势，在开路情况下稳定的电势差形成电流。

POCl3→PCL5+P2O5PCL5+O2→P2O5+CL2↑POCl3+O2→P2O5+CL2↑P2O5+Si→SiO2+P↓POCl3液态源扩散具有生产效率较高，制结均匀平整，扩散层表面良好等优点。

3 扩散设备和扩散的具体工艺过程扩散方式有管式和链式之分；目前，国内工厂中普遍采用管式扩散炉（下同）制作电池片的PN结；其主要由控制部分、推舟净化部分、炉体部分、气源部分等组成。

在正常的生产过程中（无需运行饱和工艺），其具体工艺过程为：进舟——低温通氧和大氮——低温通大氮，氧和小氮——高温通大氮，氧和小氮——高温通大氮（恒温）——低温通大氮（冷却）——出舟。

低温通氧即预扩散，可改善方阻的均匀性，减少死层，同时也可以缩短整个工艺时间；扩散过程中对气氛的均匀性要求较高，因此在生产过程中应尽量避免将桨暴露在空气中过长时间；在初次使用或者清洗完成后要运行饱和工艺使扩散环境更加均匀良好。

太阳能电池片的高温工序主要包括烘干、扩散、氧化和退火等步骤。

这些工序的完成程度和参数的控制关系到太阳能电池片的质量和性能。

1.烘干工序：去除表面残留的水分和切割油脂等杂质，防止电池片破裂和氧化，同时保证电池片表面的干燥和洁净。

2.扩散工序：在晶硅太阳能电池片的表面形成PN结，实现电流的流动和电子的集中效应。

3.氧化工序：增加电池片的反射率和耐蚀性，提高电池的转换效率和稳定性。

4.退火工序：消除晶硅太阳能电池片中的杂质和缺陷，提高电池片的结晶性和光电转换效率。

此外，还有后火烧结工艺，主要过程包括沉积薄膜、导入扩散源、稳定掺杂层和烧结等步骤。

2.2.2扩散制结制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层，它和制结前的表面处理均是电池制造过程中的关键工序。

制结方法有热扩散，离子注入，外延，激光及高频电注入法等。

本节主要介绍热扩散法。

扩散是物质分子或原子运动引起的一种自然现象，热扩散制p—n结法为用加热方法使V族杂质掺入P型或Ⅲ族杂质掺入n 型硅。

硅太阳电池中最常用的V族杂质元素为磷，Ⅲ族杂质元素为硼。

硅太阳电池所用的主要热扩散方法有涂布源扩散，液态源扩散，固态源扩散等。

2.2.2.2液态源扩散液态源扩散有三氯氧磷液态源扩散和硼的液态源扩散，它是通过气体携带法将杂质带入扩散炉内实现扩散。

其原理如图3.6：图3.6 三氯氧磷扩散装置示意图对于p型10cm硅片，三氯氧磷扩散过程举例如下：（1）将扩散炉预先升温至扩散温度（850～900C︒）。

先通入大流量的氮气（500～1000ml/min），驱除管道内气体。

如果是新处理的石英管，还应接着通源，即通小流量氮气，（40～100ml/min）和氧气（30～90ml/min），使石英壁吸收饱和。

（2）取出经过表面准备的硅片，装入石英舟，推入恒温区，在大流量氮气（500～1000ml/min）保护下预热5分钟。

（3）调小流量，氮气40～100ml/min、氧气流量30～90ml/min。

通源时间10～15min。

（4）失源，继续通大流量的氮气５min，以赶走残存在管道内的源蒸气。

（5）把石英舟拉至炉口降温５分钟，取出扩散好的硅片，硼液态源扩散时，其扩散装置与三氯氧磷扩散装置相同，但不通氧气。

2.2.2.3固态氮化硼源扩散固态氮化硼扩散通常采用片状氮化硼作源，在氮气保护下进行扩散。

片状氮化硼可用高纯氮化硼棒切割成和硅片大小一样的薄片，也可用粉状氮化硼冲压成片。

扩散前，氮化硼片预先在扩散温度下通氧３０分钟使氮化硼表面的三氧化二硼与硅发生反应，形成硼硅玻璃沉积下在硅表面，硼向硅内部扩散。

扩散温度为９５０～１００0Ｃ︒，扩散时间１５～３０分钟，氮气流量２０００ｍｌ／ｍｉｎ以下，氮气流量较低，可使扩散更为均匀。

由于硅太阳能电池实际生产中均采用P型硅片，因此需要形成N型层才能得到PN结，这通常是通过在高温条件下利用磷源扩散来实现的。

这种扩散工艺包括两个过程：首先是硅片表面含磷薄膜层的沉积，然后是在含磷薄膜中的磷在高温条件下往P型硅里的扩散。

2．在高温扩散炉里，汽相的POCL3（phosphorus oxychloride）或PB r3(phosphorus tribromide)首先在表面形成P2O5（phosphorus pentoxide）;然后，其中的磷在高温作用下往硅片里扩散。

3．扩散过程结束后，通常利用“四探针法”对其方块电阻进行测量以确定扩散到硅片里的磷的总量，对于丝网印刷太阳电池来说，方块电阻一般控制在40-50欧姆。

4．发射结扩散通常被认为是太阳电池制作的关键的工艺步骤。

扩散太浓，会导致短路电流降低（特别是短波长光谱效应很差，当扩散过深时，该效应还会加剧）；扩散不足，会导致横向传输电阻过大，同样还会引起金属化时硅材料与丝网印刷电结之间的欧姆接触效果。

5．导致少数载流子寿命低的原因还包括扩散源的纯度、扩散炉的清洁程度、进炉之前硅片的清洁程度甚至是在热扩散过程中硅片的应力等。

6．扩散结的质量同样依赖于扩散工艺参数，如扩散的最高温度、处于最高温度的时间、升降温的快慢（直接影响硅片上的温度梯度所导致的应力和缺陷）。

当然，大量的研究表明，对于具有600mv左右开路电压的丝网印刷太阳电池，这种应力不会造成负面影响，实际上有利于多晶情况时的吸杂过程。

7．发射结扩散的质量对太阳能电池电学性能的影响反映在串联电阻从而在填充因子上：（1）光生载流子在扩散形成的N-型发射区是多数载流子，在这些电子被金属电极收集之前需要经过横向传输，传输过程中的损失依赖于N-型发射区的横向电阻；（2）正面丝网印刷金属电极与N-型发射区的电接触，为了避免形成SCHOTTKY势垒或其它接触电阻效应而得到良好的欧姆接触，要求N-型发射区的搀杂浓度要高。

扩散工艺培训1、什么是扩散？扩散的作用是什么？扩散是一种由热运动所引起的杂质原子和基体原子的输运过程。

由于热运动，把原子从一个位置输运到另一个位置，使基体原子与杂质原子不断地相互混合，从而改变基片表面层的导电类型。

扩散是常规硅太阳电池工艺中，形成PN结的主要方法。

2、硅太阳电池主要的扩散杂质源：硅太阳电池所用的主要的扩散杂质源有气态源、液态源、固态源等。

气态源-磷化氢PH3磷化氢是无色、易燃、有剧毒的气体。

考虑到安全问题没有在硅太阳电池的扩散中被使用。

固态源-五氧化二磷P2O5P2O5为固体，有很强的吸水性，作为杂质源操作在使用和保存时保持一定的状态是不可能的，用来扩散重复性差。

液态源-三氯氧磷POCL3POCl3是目前磷扩散用得较多的一种杂质源，它是无色透明液体，具有刺激性气味。

如果纯度不高则呈红黄色。

其比重为1.67，熔点2℃，沸点107℃，在潮湿空气中发烟。

POCl3很容易发生水解，POCl3极易挥发，高温下蒸汽压很高。

为了保持蒸汽压的稳定，通常是把源瓶放在20℃的恒温箱中。

POCL3有巨毒，换源时应在抽风厨内进行，且不要在尚未倒掉旧源时就用水冲，这样易引起源瓶炸裂。

POCl3在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl5）和五氧化二磷（P2O5），其反应式如下：5POCl3 = 3PCl5 + P2O5生成的P2O5在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，其反应式如下：2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P↓由上面反应式可以看出，POCl3热分解时，如果没有外来的氧（O2）参与其分解是不充分的，生成的PCl5是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。

但在有外来O2存在的情况下，PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气（Cl2）其反应式如下：4PCl5 + 5O2 = 2P2O5 + 10Cl2↑生成的P2O5又进一步与硅作用，生成SiO2和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气，在有氧气的存在时，POCl3热分解的反应式为：4POCl3 + 3O2 = 2P2O5 + 6Cl2↑POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面，P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散，反应式如前所示：2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P↓POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大的结面积的太阳电池是非常重要的。

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硅太阳电池扩散工艺研究毕业论文目录摘要 1Abstract (1)1引言3 1.1 (3)1.2 (3)1.3 (3)2原理及方法 (4)2.1扩散均匀性影响因素 4 2.2工艺气体流量对炉内温度的影响 4 2.3废气排放位置对炉口均匀性的影响 6 2.4排风量大小对炉口均匀性的影响 7 2.5硅太阳电池所用的源扩散方法 7 3比较研究 (8)3.18 3.28 3.39 3.4 9 3.5 9 4结论 (9)5 致谢 (10)6参考文献11硅太阳电池扩散工艺研究摘要：对已经取得较普遍应用的硅太阳电池来说，开发新技术和优化制造工艺以降低电池的制造成本是目前是该领域最总要的努力方向之一。

本文所研究的主要问题是降低成本硅太阳电池在工业化生产中扩散制作P-N结工艺。

通过不同扩散工艺条件与电池的相关性能参数的关系，得出适于高转换率大规制作的最佳扩散工艺条件。

在扩散这方面理论知识虽然比较成熟。

但对工业化生产涉及的具体的工艺系统研究在国内还没相关报道。

为了能够便于了解扩散制作P-N结理论及其工艺，本文对生产硅太阳电池的基本工作原理及其主要工作流程进行了描述。

在理论方面，本文对扩散制作P-N结、电极制作及应用在硅太阳电池P-N结烧结所关联的因素进行了分析。

然后，论文从工艺流程对扩散方块电阻的阻值控制要求出发，结合正表面电极设计角度，利用扩散薄膜电阻对栅线间隔设计要求，分析了相关功率耗损。

太阳电池产业所面临的最主要的问题之一是在如何保证电池高转换率前提下提高产量。

对于扩散工序而言，确保高效率电池高产能面临的问题在于如何保障扩散的均匀性，优化扩散的均匀性主要采取温区补偿技术。

论文针对影响扩散的均匀性的因素多而关联复杂等特点。

重点难于控制气氛=厂因素进行系统实验研究，在气体流量、均流设计、炉内压强等方面提出了较好的优化实验方法，通过实验方法应用与工业生产，扩散均匀性得到了较好的控制；并首次提出建立扩散气氛厂工程模型来分析扩散均匀性问题，同时论文给出了扩散气氛厂工程模型的思路分析。

晶体硅太阳能电池的扩散工艺研究摘要近年来，太阳能电池的技术已经取得了很大的进展，很可能成为未来主要电力来源之一，因此研究太阳能电池尤其其光电转化效率有极其重要的意义。

扩散制作p-n结是晶体硅太阳电池的核心，是电池质量好坏的关键之一。

本文所研究的主要问题是低成本晶体硅太阳电池在工业化生产中的扩散制作p-n结工艺。

太阳电池制作中的工艺优化也是非常重要的。

对于扩散工序而言，确保高效电池的高产能面临的最大问题在于如何保障扩散的均匀性，优化扩散的均匀性主要采取温区补偿技术。

论文针对影响扩散均匀性的因素多且关联复杂等特点，重点对难于控制的气氛场因素进行系统实验研究，在气体流量、均流设计、炉内温度等方面提出了较好的优化实验方法，通过将实验方法应用于工业生产，扩散均匀性得到了非常好的控制。

从扩散均匀性对太阳电池电性能的影响角度，本论文通过实验分析了电池表面不同扩散均匀性对填充因子FF、并联电阻Rsh、串联电阻Rs、开路电压Uoc和转换效率Eff的影响。

验证了通过改善扩散工艺提高太阳能电池的转换效率具有广阔的发展前景。

关键词：晶体硅太阳能电池，扩散工艺，均匀性，转换效率The Diffudion Technology of Crystalline Silicon Solar CellABSTRACTSolar cell technology has made great progress, it might be called the main power source of the future, the study of solar cells in particular, the photoelectric conversion efficiency is extremely important.Diffusion mading p-n junction is the core of crystalline silicon solar cells, and is one of the key to the good and bad quality of the battery. The main problem of this paper is the low-cost industrial production of crystalline silicon solar c ells in the production of p-n junction in the diffusion process.Optimization of solar cell production process is also very important. For the diffusion process, the biggest problem to ensure high efficient battery capacity is how to protect the spread of uniformity, optimization of the uniformity of spread mainly take the temperature compensation technology.In this paper,experiment methods are adopted for optimizing diffusion uniform by analyzing diffusion air-flowing environment．the air-flowing environment，which is comprised of quartz boat,quartz block,SiC paddle etc,is controlled difficultly．good experimental method of optimization is proposed in gas flow, current design, the furnace temperature and other aspects , by experimental methods appling to industrial production, the proliferation of uniformity has been very good control.From the proliferation of uniformity on the electrical properties of solar angle, this paper experimentally analyzed the proliferation of different cell surface uniformity in the fill factor FF, shunt resistance Rsh, series resistance Rs, the open circuit voltage Uoc and conversion efficiency of Eff . Proved that by improving the diffusion process to improve the conversion efficiency of solar cells has broad prospects for development.KEY WORDS: crystalline silicon solar cells,diffusion technology, uniformity, efficiency目录第一章绪论 0§1.1太阳能电池的应用领域 0§1.2 我国光伏产业发展的状态及趋势 (1)§1.2.1我国光伏产业的现状 (1)§1.2.2 光伏产业发展中的瓶颈与危机 (2)§1.3 本论文研究内容与研究意义 (2)第二章太阳能电池的制造工艺及工作原理 (4)§2.1常规晶体硅太阳电池结构 (4)§2.2 晶体硅太阳能电池生产工艺 (4)§2.2.1 制绒 (5)§2.2.2 扩散制p-n结 (5)§2.2.3去除边缘p-n结和去磷硅玻璃 (6)§2.2.4 镀膜 (6)§2.2.5 丝网印刷电极 (7)§2.2.6 烧结 (7)§2.3 硅PN结太阳电池的基本工作原理 (8)§2.3.1光生伏特效应 (8)§2.3.2 I-V特性 (9)第三章扩散制作P-N结 (13)§3.1 扩散的基本原理 (13)§3.1.1 扩散的基本知识 (13)§3.1.2 液态源磷扩散原理 (14)§3.2 液态源扩散设备 (15)§3.2.1设备的主要性能指标 (15)§3.2.2设备主要构成 (16)§3.3 扩散参数 (17)§3.3扩散方法和工艺条件的选择 (19)§3.4 扩散质量的检验 (20)§3.4.1表面质量检验 (20)§3.4.2 方块电阻的检验 (20)第四章晶体硅太阳电池的扩散工艺实验与研究 (22)§4.1工艺气体流量对炉内温度的影响 (23)§4.2废气排放位置对炉口均匀性的影响 (24)§4.3 排风量大小对炉口均匀性的影响 (25)§4.4均流板分流设计对扩散片内片间均匀性的影响 (25)§4.5 扩散片内片间均匀性调节实验 (26)§4.5.1 扩散炉温对方阻阻值的影响 (28)§4.5.2调整扩散炉温改善片间扩散的均匀性 (29)§4.6 扩散均匀性对太阳能电池性能的影响 (31)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)第一章绪论1954年出现了现在的硅太阳能电池的第一代产品。

扩散工艺培训一、扩散目的在P 型衬底上扩散N 型杂质形成PN 结。

达到合适的掺杂浓度ρ/方块电阻R □。

即获得适合太阳能电池PN 结需要的结深和扩散层方块电阻。

R □的定义：一个均匀导体的立方体电阻 ,长L ，宽W ，厚d R= ρ L / d W =(ρ/d) (L/W)此薄层的电阻与（L / W ）成正比，比例系数为（ ρ /d ）。

这个比例系数叫做方块电阻，用R □表示： R □ = ρ / dR = R □（L / W ）二、太阳电池磷扩散方法1、三氯氧磷（POCl 3）液态源扩散（本公司现在采用的方法）2、喷涂磷酸水溶液后链式扩散3、丝网印刷磷浆料后链式扩散三、磷扩散的基本原理三氯氧磷（POCl 3）在高温下（>600℃）分解生成五氯化磷（PCl 5）和五氧化二磷（P 2O 5），其反应式如下：生成的五氧化二磷（P 2O 5）在扩散温度下与硅反应，生成二氧化硅（SiO 2）和由上面反应式可以看出，三氯氧磷（POCl 3）热分解时，如果没有外来的氧（O 2）参与其分解是不充分的，生成的五氯化磷（PCl 5）是不易分解的，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片的表面状态。

但在有外来O 2存在的情况下，五氯化磷（PCl 5）会进一步分解成五氧化二磷（P 2O 5）并放出氯气（Cl 2）其反应式如下：生成的五氧化二磷（P 2O 5）又进一步与硅作用，生成二氧化硅(SiO 2)和磷原子，由此可见，在磷扩散时，为了促使五氯化磷（PCl 5）充分的分解和避免五氯化磷（PCl 5）对硅片表面的腐蚀作用，必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气 。

在有氧气的存在时，三氯氧磷（POCl 3）热分解的反应式为：三氯氧磷（POCl 3）分解产生的五氧化二磷（P 2O 5）淀积在硅片表面，五氧化二磷（P 2O 5）与硅反应生成二氧化硅（SiO 2）和磷原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。

三氯氧磷（POCl 3）液态源扩散方法具有生产效率较高，得到PN 结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。

：生产电池片的工艺一般要经过硅片检测、表面制绒、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结和检测分装等主要步骤。

扩散制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。

因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。

扩散的质量对于太阳能电池的性能有重要影响。

一、扩散的基本概念高温下，单晶固体中会产生空位和填隙原子之类的点缺陷。

当存在主原子或杂质原子的浓度梯度时，点缺陷会影响原子的运动。

在固体中的扩散能够被看成为扩散物质借助于空位或自身填隙在晶格中的原子运动。

图1所示为晶格常数为a的简化二维晶体结构中的原子扩散模型。

空心圆表示占据低温晶格位置的主原子，实心圆既表示主原子也表示杂质原子。

在高温情况下，晶格原子在其平衡晶格位置附近振动。

当某一晶格原子偶然地获得足够的能量而离开晶格位置，成为一个填隙原子，同时产生一个空位。

当邻近的原子向空位迁移时，这种机理称为空位扩散。

假如填隙原子从一处移向另一处而并不站据晶格位置，则称为填隙扩散。

一个比主原子小的原子通常做填隙式运动。

填隙原子扩散所需的激活能比那些按空位机理扩散的原子所需的激活能要低。

掺杂原子获得能量后，通过占据主原子的位置发生的扩散，称为替位式扩散。

图1 空位扩散机制图2 填隙扩散机制图3 替位扩散机制二．扩散制PN结扩散方法扩散法主要有热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。

通常采用热扩散法制结。

而热扩散法又分为涂布源扩散、液态源扩散和固态源扩散之分。

以液态源扩散为例，一般采用POCl3液态源作为扩散源，POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大面积结的太阳电池是非常重要的。

POCl3液态源扩散公式如下：扩散设备太阳能电池需要一个大面积的PN 结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN 结的专用设备。