选择性扩散方式对硅基选择性发射极太阳电池性能的影响-张孙浩琛-南通大学.pdf

南 通职业大学学报 ２０13 年 自上世纪50年代开始，人们通过研发多种太 阳电池的结构和工艺制备方法，使硅基太阳电池 的效率从最初的数个百分点提高到目前晶体硅电 池的18 以上。硅基太阳能电池已成为了世界清 洁能源的主要来源 [ 1 ] 。为获得更好性能的太阳电 池，人们设计了选择性掺杂太阳电池（Selective Emitter Solar Cell, SE solar cell），该电池具有短波 响应效果好，制备成本低，转换效率高等优点 [ 2 ] 。 一般来说，SE电池的选择性掺杂的方法主要 有两步扩散法 [ 3，4 ] 、丝网印刷磷浆法 [ 5 ] 、扩散掩膜 法 [ 6 ] 等。其中，两步扩散法和丝网磷浆法先进行电 极区的选择性掺杂，再对整个电池的受光面进行 收稿日期 2013-07-29 基金项目 国家自然基金青年科学基金（11204145）；江苏省高等学校大学生创新训练计划项目（2012JSSPITP1512）；南通 大学自然科学基金项目（12Z036，11Z071） 作者简介 张孙浩琛（1991-），男，江苏徐州人，硕士生，主要研究方向为计算机仿真方法；王 强（1978-），男，江苏南通 人，博士，讲师，主要研究方向为太阳电池（通讯作者）。 选择性扩散方式对硅基选择性 发射极太阳电池性能的影响 张孙浩琛 a ，虞铮栋 a ，王 强 b （南通大学 a. 计算机科学与技术学院； b. 电子信息学院， 江苏 南通 226019） 摘 要研究了不同的选择性扩散方式对SE电池短路电流性能的影响。实验结果表明，采用预淀积 PSG层的恒定表面杂质总量的扩散方式的SE电池可获得最佳的短路电流特性。通过对扩散工艺的研 究发现，不论何种扩散方式，扩散时间的增加均会微弱降低电池短路电流特性；扩散温度的增加均会 使电池的短路电流先增加后降低；在恒定表面浓度扩散过程中的氧化作用会导致电池性能的降低。 关键词杂质掺杂；太阳电池；选择性发射极；扩散方式 中图分类号 TM914 文献标志码 A 文章编号 1008-5327（2013）03-0080-05 The Study of the Selective Emitter Solar Cell Performance Affected by Diffuse Methods ZHANG Sun-hao-chen a , YU Zheng-dong a , WANG Qiang b a. School of Computer Science and Technology, Nantong University, Nantong 226019, China; b. School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, China Abstract This paper studies SE solar cell performances affected by different diffuse methods. The experi－ ments results show that the diffuse method with constant total dopant by pre-deposition PSG layer can obtain the best ISC performance. Increasing of diffuse time can slight decease the ISC by any diffuse methods. The ISC will enhance firstly, and then decrease with the increasing of the diffuse temperature. In the constant sur－ face concentration diffusion process, the oxidation will lead to the battery performance reducing. Key words impurity doping; solar cell; selective emitter; diffuse method Ｖｏｌ．27 Ｎｏ．3 Sept. ２０13 第 27卷第 3期 ２０13年 9月 南通职业大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＮＴＯＮＧ ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＬＬＥＧＥ doi10.3969/j.issn.1008-5327.2013.03.020 80 第3期 发射区扩散，具有制备工艺简单易行的优点，但由 于先进行电极区的选择性重掺杂，再进行受光面 发射区掺杂，电极区杂质的扩散区域较大，使得发 射区的杂质分布较难控制；而扩散掩膜法则是先 进行受光面的全面掺杂，再利用掩膜保护非电极 区，然后对电极区进行选择性掺杂，其由于先进行 了轻掺杂，降低了电极区进行选择性掺杂时与衬 底的杂质浓度差，可以较好地控制电池的选择性 掺杂区域。因此，目前SE太阳电池的主要制备方 法为扩散掩膜法。 但是，目前基于扩散掩膜法的太阳电池的性 能还不能满足人们对电池性能的要求，需要对扩 散掩膜法的工艺进行优化。不同的扩散方式对电 池的影响主要表现在电池选择性扩散区中的杂质 浓度、扩散范围等电池结构参数。由于目前对于太 阳电池的选择性扩散区的相关参数的测试尚存在 一些技术困难，因此，本文利用SILVACO软件对 太阳电池的扩散过程进行了研究，探索了不同扩 散工艺方法对电池扩散区的影响，得到了一种优 化的选择性掺杂工艺方法。 1 杂质掺杂的理论基础 硅基太阳电池主要由一个PN结构成。P型或 N型杂质扩散是形成PN结的主要方法。杂质的 扩散主要源于杂质元素的浓度梯度，使得掺杂原 子在热作用下从高浓度区向低浓度区运动。在现 代太阳电池工业中，主要的杂质扩散法方式分为 恒定表面浓度扩散和恒定掺杂总量扩散 [ 7 ] 。 1.1 恒定表面浓度扩散 恒定表面浓度扩散是指杂质原子由气态源传 输到半导体表面，然后扩散进入半导体，在扩散期 间，气态源维持恒定的表面浓度。其一维扩散方程 可表示为 [ 8 ] C（x，t） C s erfc（ x 2 Dt姨 ） （1） 其中，erfc是余误差函数， Dt 姨 是扩散长度。从式 （1）中可以看出，随着扩散时间的增加，杂质扩散 深度增加。其单位面积的杂质浓度总量可以表示 为 [ 7 ] Q（t）≈1.13C s Dt 姨 （2） 上式表明，半导体中杂质的总含量会随着时 间和表面浓度的增加而增加。 1.2 恒定掺杂总量扩散 恒定掺杂总量扩散指一定量的杂质淀积在半 导体表面，然后在热作用下扩散进入半导体。其杂 质的分布为高斯分布，一维扩散方程可表示为 [ 7 ] C（x，t） S 仔Dt 姨 exp（- x 2 4Dt ） （3） 式中，S为单位面积掺杂总量。由于杂质总量恒 定，随着时间的增加表面浓度下降，其表面浓度与 时间的关系可表示为 C s （t） S 仔Dt 姨 （4） 1.3 扩散层薄层电阻与杂质分布的关系 扩散层的薄层电阻值与结深、载流子迁移率 及杂质分布的关系如下式 [ 9 ] R 1 q xj 0 乙 滋C（x）dx （5） 对于给定的杂质分布，平均电阻率只和表面 浓度和衬底掺杂浓度有关。由于太阳电池的串联 电阻会直接影响电池的短路电流和填充因子，不 同的选择性掺杂方式通过影响选择性掺杂的表面 浓度来影响电池的串联电阻。因此，研究太阳电池 选择性掺杂的掺杂方式十分重要。 2 非选择性掺杂太阳电池及SE 电池模型 的建立 本文设计的非选择性掺杂太阳电池结构如图 1（a）所示，该电池的顶电极为铝，体电池由晶体硅 构成，底电极为铝，这是非选择性掺杂太阳能电 池的经典结构。所选取的电池衬底为p型衬底， 电阻率为3 Ωm，其最佳工艺参数为掺杂温度 为900 ℃，掺杂时间为60 min，预掺杂浓度为 1E16/cm 3 [ 2 ] 。SE太阳电池结构如图1（b）所示。该 电池的顶电极为铝，体电池由晶体硅构成，底电 极为铝，在电池的顶电极下形成重掺杂区，即选 择性掺杂区。材料参数与非选择性掺杂太阳电池 相同 [ 2 ] 。 3 选择性掺杂方式对SE电池性能的影响 3.1 恒定表面浓度扩散方式对电池光谱响应性 能的影响 恒定表面浓度扩散方式是一种气态杂质源在 高温下进行的杂质直接扩散方式，在实际生产中 张孙浩琛，等选择性扩散方式对硅基选择性发射极太阳电池性能的影响 81 南 通职业大学学报 ２０13 年 图 1 太阳电池的结构 （a）普通电池 （b）SE电池 图 2 恒定表面浓度扩散的工艺参数对短路电流的影响 （c）时间的影响（a）浓度的影响 （b）温度的影响 3.2 恒定杂质总量扩散方式对电池光谱响应性 能的影响 恒定杂质总量扩散必须首先在电池的表面淀 积一层含有杂质的氧化物层。为了减小杂质在氧 化物和硅中的分凝系数对电池扩散区的影响。本 文设计直接在电池制备掩膜后淀积磷硅玻璃 （PSG）层，然后通过高温进行扩散。图3（a）图3 （c）分别表示PSG中杂质浓度、扩散温度和扩散 时间对电池短路电流的影响，图中横坐标X 0 处为普通电池的短路电流。 一般应用PH3或BH3作为扩散源，扩散浓度的 调节通过载气N2与扩散源的流量比来实现。图2 （a）图2（c）分别表示恒定表面浓度扩散的表面浓 度、扩散温度和扩散时间对太阳电池短路电流性 能的影响。图中，横坐标X 0处为普通电池的短 路电流。 图 3 恒定杂质总量扩散的工艺参数对短路电流的影响 P N P N n n 2.72 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 普通电池 0 e16 e17 e18 e19 e20 e21 浓 度/cm -3 2.74 2.72 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 普通电池 0 200 400 600 800 1 000 温 度/℃ 2.74 2.72 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 0 10 20 30 40 50 60 时 间/min Isc Isc Isc 2.76 2.74 2.72 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 普通电池 0 e16 e17 e18 e19 e20 浓 度/cm -3 2.74 2.72 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 普通电池 0 200 400 600 800 1 000 温 度/℃ 2.74 2.72 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 0 10 20 30 40 50 60 时 间/min Isc Isc Isc 普通电池 普通电池 （c）时间的影响（a）浓度的影响 （b）温度的影响 82 第3期 3.3 扩散过程中的氧化对电池光谱响应的影响 图4（a）图4（c）表示在进行恒定表面杂质浓 度扩散的情况下，电池的短路电流性能与扩散浓 度、时间、温度的关系。图中，横坐标X 0处为普 通电池的短路电流。 从以上三种不同的选择性掺杂的扩散方式可 以看出，扩散时间的增加都将微弱降低电池的短 路电流，这是因为选择性扩散时间的增加将导致 电池受光面的杂质受到二次扩散的影响，电池结 深增加，电池表面杂质浓度减小，电池短路电流有 微弱降低；随着温度的增加，三种扩散方式对电池 短路电流的影响均为先增加后减小，温度的增加 提高了选择性掺杂杂质浓度，可以降低选择性扩 散区的串联电阻，但过高的温度使电池非选择性 掺杂区杂质二次扩散程度较高，导致电池的短路 电流下降，故存在一个最佳扩散温度。选择性扩散 浓度的变化对这三种扩散方式的影响有所差别。 在恒定表面浓度扩散时增加氧化过程，导致电池 表面氧化，后续的杂质较难进入电池，因此，表面 杂质浓度对氧化扩散后的电池短路电流影响较 小。对于恒定表面浓度扩散，电池的短路电流会随 着电池的杂质浓度的增加而增加，但是，过高的杂 质导致电池表面的复合增加，又会降低电池的短 路电流，因此，存在一个使得电池短路电流最大的 扩散极值，当扩散浓度增加到1E20（cm -3 ）时，电 池的短路电流最大。对于恒定杂质总量扩散，短 路电流在杂质总量为1E161E19间基本保持不 变，当杂质总量增加到1E20时，电池短路电流降 低，这说明虽然电池杂质浓度增加可以降低串联 电阻，但也会增加载流子复合。当串联电阻降低对 短路电流的贡献小于载流子复合时必然导致短路 电流的降低。 3.4 不同扩散方式的比较与分析 图5和图6（a）6（c）分别表示三种不同扩散 最优参数扩散后，电池光谱响应和器件扩散区形 态。从图5可以看出，在最优工艺条件下，恒定杂 质总量扩散电池的光谱响应最优，其短波响应较 其他两种方式更好。通过对图6中电池选择性扩 散区的形貌和杂质分布的比较可以看出，图6（a） 为恒定杂质总量扩散，该方式扩散电池的选择性 发射极区表面杂质比图6（b）所示的恒定表面杂 质浓度扩散小，但图6（b）电池表面过高的杂质浓 度导致电池的高表面复合不利于电池性能的提 高；图6（c）为氧化扩散方式，但由于电池的选择 性掺杂采用边扩散边氧化的方式，阻挡了杂质向 图 4 氧化条件下恒定表面浓度扩散的工艺参数对电流的影响 （c）时间的影响（a）浓度的影响 （b）温度的影响 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 普通电池 0 e16 e17 e18 e19 e20 浓 度/cm -3 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 普通电池 0 200 400 600 800 1 000 温 度/℃ 2.70 2.68 2.66 2.64 2.62 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 0 10 20 30 40 50 60 时 间/min Isc Isc Isc 普通电池 张孙浩琛，等选择性扩散方式对硅基选择性发射极太阳电池性能的影响 图 5 不同扩散方式最优参数扩散后太阳电池的光谱响应 I s c /（ 1 0 - 9 A ） 恒定杂质总量扩散 恒定表面浓度扩散 普通电池 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 7 6 5 4 3 2 1 0 光波波长/滋m 83 南 通职业大学学报 ２０13 年 图 6 最优参数扩散后器件扩散区的形态 （a）恒定杂质总量 （b）恒定表面浓度 （c）恒定表面浓度氧化 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 3 4 5 6 7 A1 A1 A1 电池的扩散，选择性掺杂区的杂质浓度低，电池的 串联电阻较大，其性能较前两种扩散方式差。 4 结 语 本文利用工艺仿真软件，研究了基于扩散掩 膜法的SE太阳电池的选择性扩散方式对电池短 路电流的影响。仿真结果表明，恒定杂质总量的扩 散方式可以获得最佳的电池性能，并且该方式杂 质总量的变化对电池短路电流性能影响小，因此， 选择该工艺方法作为选择性掺杂的扩散工艺优势 明显。仿真结果表明，采用在电池表面淀积PSG的 方式进行恒定表面浓度选择性扩散可以获得SE 电池的最佳性能，其最佳选择性掺杂工艺参数为 扩散浓度1E161E19（cm -3 ），扩散温度850 ℃，扩 散时间5 min。 参考文献 [1]李志锋，郭宏亮，周雨薇，等.高温后退火对薄膜太阳能电池光 电性能的影响[J].南通大学学报自然科学版，2012，11（4）7-12. 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