多步扩散制备太阳电池PN结工艺探析

张敏 刘飞 王冬冬 何凤琴 张志郢

摘   要：PN结作为太阳电池的核心部分，它的性能优劣直接关系到电池的整体质量。目前，可用于PN结制备的方法中扩散工艺的应用较为广泛，通过多步扩散工艺，能够制备出性能优异的PN结。基于此点，本文从太阳电池PN结的形成及其特性分析入手，论述了多步扩散制备太阳电池PN结工艺。期望通过本文的研究能够对促进太阳电池性能的提升有所帮助。

关键词：太阳电池  多步扩散工艺  PN结

中图分类号：TM91                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0109-02

1  太阳电池PN结的形成及其特性

1.1 PN结的形成机理

对于太阳电池而言，PN结是核心部分，具体的形成机理如下：在一块半导体的两侧通过扩散不同的杂质，从而形成P型和N型半导体，这两种类型半导体结合面的空间电荷区就是PN结。

太阳电池中PN结形成的物理过程如下：由于杂质存在一定的浓度差，随着多数载流子的不断扩散，会在半导体中形成空间电荷区，由此除了会促使少数载流子出现漂移之外，还能阻止多数载流子扩散。而扩散至对方的载流子会在P区和N区的交界位置处中和掉，这样一来，P区一侧因为空穴的消失，会留下无法移动的负离子，N区一侧则会因为电子的失去留下无法移动的正离子，随着正、负离子的相互融合，便会在P区与N区交界处形成空间电荷区。在此需要阐明的一点是，半导体中的P区一侧带负电荷，N区一侧带正电荷，故此会出现方向上由N区指向P区的内电场。

当半导体中的扩散与漂移运动从最初的不平衡逐步过渡到平衡状态之后，内部空间电荷区的宽度与内电场的电位也会随之趋于稳定，这样半导体中有多少个多数载流子扩散到对方，就会有与之相应数量的少数载流子从对方漂移过来，二者所产生的电流大小完全相同，但方向却截然相反。由此可得出如下結论：在半导体的扩散与漂移处于相对平衡的状态时，从PN结流过的电流大小为0。

1.2 PN结的特性

1.2.1 单向导电性

这是PN结较为突出的一个特性，在外加电压的作用下，电流会从半导体中的P区转移到N区，此时的PN结会呈现低电阻性，正向扩散电流大;如果在外加电压的作用下，电流从半导体中的N区向P区转移，则PN结会呈现出高电阻性，反向漂移电流小。

1.2.2 击穿特性

如果加在PN结上的反向电压达到一定数值，受到反向电流激增的作用，PN结会产生电击穿，这是PN结的又一个特性。需要指出的是，PN的电击穿为可逆击穿，只要将偏压及时调低，便可使PN结恢复到原本的特性。因此，PN结的这个特性是可以利用的。而热击穿为不可逆击穿，一旦出现会使组件烧毁。

2  多步扩散制备太阳电池PN结工艺

在太阳电池PN结的制备中，扩散工艺的应用较为普遍，但是传统的扩散工艺会产生较多的死层，为了解决这一问题，可在太阳电池PN结制备中采用多步扩散工艺。

2.1 工艺原理

对于太阳电池磷扩散制备PN结工艺而言，整个过程会受到诸多因素的影响，如温度、气体流量、操作步骤等等，由此除了会对杂质分布的均匀性造成影响之外，还会间接影响到太阳电池的电性能。在多步扩散工艺中，限定源的扩散温度高低，直接关系到直接掺杂量的大小，试验结果表明，在限定源扩散的过程中，温度越高，有效掺杂量越大。随着有效掺杂量的增大，太阳电池的性能会随之大幅度提升，特别是对于挥发性有机化合物的提高帮助很大，CTM值也会相应提升。实践证明，当限定源扩散的升温速率低于20℃/min时，基本上不会对掺杂量的分布情况造成影响。多步扩散可以对硅片表面的掺杂浓度进行调整，利用对扩散参数的优化，可对FF的大小进行控制，从提高金属的适配性。鉴于太阳电池PN结扩散制备工艺中，磷扩散影响因素较多的情况，可以采用多步扩散工艺对PN结进行制备。

2.2 工艺优势

在对太阳电池PN结进行制备的过程中，选用多步扩散工艺能够使电池的整体性能获得大幅度提升，这与多步扩散工艺本身所具备的诸多优势有着密不可分的关联。该工艺在首次扩散时，使用的是性能较强的限定源，在二次扩散时，使用的是恒定源，正因如此，使得该工艺可在不影响掺杂的前提下，对硅片表面的掺杂浓度进行调整，从而使太阳电池对金属化条件的依赖程度大幅度降低。

业内的专家学者经过研究后发现，通过对多步扩散中第二次恒定源扩散进行优化设计，可以使掺杂达到一个较为合理的程度，这个程度的掺杂能够得到的表面浓度最佳。不仅如此，在金属化的过程中，可使银硅有效接触，从而促使FF不断提升。试验结果表明，与传统的制备工艺相比，在多步扩散工艺下，FF能够提高0.9个百分点，并且PN结的深度可在原本的基础上增加0.2?m。随着PN结深度的增加，电流收集效率会随之降低，硅片表面的死层进一步减少。此外，太阳电池组件当中的电池片一般都是采用串联的方式连接到一起，虽然在这种连接方式下，电流的损耗较大，但电压却并不会出现过大的损耗，若是能够使开路电压提高，太阳电池组件的损失则会显著降低，输出功率会随之增大。受到串联电阻的影响，FF会降低，相应的转换效率也会下降。通过多步扩散工艺对太阳电池PN结进行制备，上述问题均可解决，这是多步扩散工艺最为突出的优势。

2.3 工艺影响因素

通过多步扩散工艺对太阳电池PN结进行制备时，可能会受到一些因素影响，下面就此进行分析。

2.3.1 限定源扩散

相关研究结果表明，在多步扩散工艺中，硅片表面浓度的高低与限定源的扩散时间长短有关，即时间短、浓度低、PN结深度浅;时间长、浓度高、PN结深度深。

（1）目标的温度值。准备3组完全相同的样片，在800℃的条件下进行恒定源扩散，然后将温度升至860℃、880℃和890℃，进行限定源扩散，通过ECV对电活性磷的分布曲线进行测定。结果显示，温度为890℃时，PN结的深度最大，880℃次之，860℃最小，由此可見，PN结的深度与温度成正比关系，即温度越高、深度越大。而PN结深度与掺杂浓度成正比，即PN结越深，有效掺杂浓度越大，这样一来，硅片表面的浓度便会随之降低，死层则会进一步减少。

（2）温升速率。将限定源扩散温度从800℃提升到880℃，在这一过程中，采用4种不同的温升速率，分别为5℃/min、10℃/min、15℃/min和20℃/min，并制备4种样片，分别对它们的方块电阻和ECV曲线进行测定。结果显示，通过提高温升速率能够使扩散过程的持续推进时间缩短，进而减少热预算。但是，温升速率在20℃/min的前提下，无法达到快速瞬态扩散的要求，所以热扩散系数产生的作用可以忽略不计。也就是说，掺杂分布的均匀程度主要与最终的温度值有关，基本上不会受到温升速率的影响。

2.3.2 恒定源扩散

由杂质扩散面密度公式可知，掺杂量的主要影响因素为扩散温度，即温度越高，掺杂量越大。在多步扩散工艺中，恒定源的优点体现在能够有效减少硅表面的死层，从而使复合率降低;减弱倒向电场;提升片内均匀性等几个方面;恒定源扩散还能起到吸杂的作用。

3  结语

综上所述，在太阳电池PN结制备中，传统的扩散工艺存在一定的缺陷，为了提高太阳电池的性能，可以采用多步扩散工艺对太阳电池的PN结进行制备。在具体应用的过程中，要考虑相关的影响因素，这样才能达到预期的目标。

参考文献

[1] 周健恺.半导体pn结磁电阻效应的研究[D].兰州大学，2017.

[2] 高伟.MoS2/Si pn结的制备及其光探测性能研究[D].中国石油大学（华东），2016.

[3] 龙飞，莫淑一，池上森，等.Cu_2ZnSn（S，Se）_4薄膜太阳电池研究进展[J].半导体光电，2014，35（2）：165-170，205.