扩散要点

bxxu0108

1．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。
8．扩散结的深度同样也很关键，因为烧结后的金属电极要满足一定的机械强度，如果结太浅，烧结后金属会接近甚至到达结的位置，会导致结的短路。
9．太阳光谱中，不同波长的光有不通的穿透深度，也就是说不同波长的光在硅材料里的不同深度被吸收。波长越短的光在硅材料里的不同深度被吸收。波长越短的光，越在靠近表面的区域被吸收。在N-型区空穴是少数载流子，在P-型区电子是少数载流子，每个光子在吸收处产生一对电子空穴对，由于P-N结的内建场的作用，N-型区的空穴个P-型区的电子分别扩散到PN结附近然后被分离到另一侧成为多数载流子。
10．因光子被吸收后所产生的电子和空穴（光生载流子）需要扩散一定的距离才能到达PN结附近，在这一扩散过程中，有些载流子载流子可能会因为复合而消失从而导致短路电流的降低。通常，利用少数载流子寿命来对此复合损失加以描述。由于硅材料对短波长的光（紫外光和蓝光）的吸收主要发生载表面附加区域，因此，考虑扩散结的要求时（扩散深度和结深），仅需要对短波长的光加以特别关注。
11．要求一定的扩散浓度以确保因载流子横向传输所经过的电阻造成的损失较小。由于搀杂浓度会极大地降低少数载流子的寿命，而结太深又会增加少数载流子在扩散到PN结地过程中的复合损失。当横向薄层电阻低于100欧姆时，太阳电池表面会不可避免地存在以个区域，在该区域中由于光被吸收所产生地载流子会因为寿命太短而在扩散到PN结之前就被复合，从而对电池效率没有贡献，该特殊区域被成为“死层”。
12．而实际上，丝网印刷太阳电池地横向薄层电阻通常在40-50欧姆，“死层”效应更严重。不仅紫外光，即使太阳光谱中最高密度的绿光的贡献也会受到影响。对于绿光，有大约10%的强度会在“死层”被吸收而失去贡献。相比而言，波长较长的红光和红外光因主要在体内被吸收，所产生的光生载流子被收集的几率几乎不受扩散结的影响。
13．需要指出的时，即使将薄层电阻升高到100欧姆，由于浓扩散导致的“死层”效应减少，但表面的复合仍然很严重，需要进行表面钝化。因此，要制备高效太阳电池，需要同时满足淡搀杂和表面钝化两个条件。
14．太阳电池的开路电压和短路电流与器件内部的复合息息相关。复合越小，开路电压越高。同时，复合情况也影响着饱和暗电流。由于“死层”里的复合速率非常高，在表面和“死层”里所产生的光生载流子对短路电流和复合电流均没有贡献。
15．由于丝网印刷太阳电池的表面扩散浓度较高，“死层”效应较严重，硅片本身的质量和背表面复合对开路电压的影响更严重。