硅太陽能電池擴散工序相關知識第一頁，共41頁。1.目錄目錄半導體PN結擴散電池效率的損失擴散與柵線設計擴散與燒結第二頁，共41頁。在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的材料。本征半導體：完全純凈的、結構完整、不含缺陷的半導體晶體。+4+4+4+4+4+4+4+4+42.1本征半導體2.半導體束縛電子第三頁，共41頁。這一現象稱為本征激發，也稱熱激發。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現了一個空位，稱為空穴。2.1本征半導體2.半導體第四頁，共41頁。雜質元素：磷，砷多子：電子少子：空穴P：施主雜質(提供電子)+++++++++++++++多數載流子少數載流子正離子型半導體在本征Si和Ge中摻入微量五價元素后形成的雜質半導體。2.半導體2.2非本征半導體+4+4+4+4+4+4+4+4P+5第五頁，共41頁。2.半導體2.2非本征半導體型半導體在本征Si和Ge中摻入微量三價元素后形成的雜質半導體。---------------負離子多數載流子少數載流子雜質元素：硼，銦多子：空穴少子：電子P：受主雜質(提供空穴)+4+4+4+4+4+4+4+4B+3第六頁，共41頁。3.PN結3.1結的種類同質結：相同材料形成的結(如不同參雜的硅片)異質結：不同材料形成的結半導體異質結(兩種半導體材料之間組成的結)半導體-非半導體異質結(肖特基勢壘結、MOS、MIS)結第七頁，共41頁。+++++++++++++++---------------多數載流子的擴散運動建立內電場P區N區3.PN結少數載流子的漂移運動多子擴散

空間電荷區加寬內電場EIN增強少子漂移促使阻止

空間電荷區變窄內電場EIN削弱3.2PN結的形成擴散運動和漂移運動達到動態平衡，交界面形成穩定的空間電荷區，即PN結。第八頁，共41頁。3.PN結3.3能帶圖和光伏效應基本概念能級：電位能的級別。能帶：大量的能級形成能帶。價帶：在絕對零度下能被電子占滿的最高能帶，全充滿的能帶中的電子不能再固體中自由運動。導帶：自由電子形成的能量空間。即固體結構內自由運動的電子所具有的能量范圍。費米能級：該能級上的一個狀態被電子占據的幾率為1/2，用來衡量系統能級的水平。第九頁，共41頁。3.PN結3.3能帶圖和光伏效應費米原理和費米能級一般而言，電子占據各個能級的幾率是不等的。占據低能級的電子多而占據高能級的電子少。統計物理學指出，電子占據能級的幾率遵循費米統計規律：在熱平衡狀態下，能量為E的能級被一個電子占據的幾率為：f(E)稱為電子的費米分布函數，k、T分別為玻爾茲曼常數和絕對溫度，EF稱為費米能級。只要知道EF的數值，在一定溫度下，電子在各量子態上的統計分布就完全確定了。在一定的溫度下，費米能級附近的部分能量小于EF的電子會被激發到EF以上，溫度越高，被激發的概率越大。第十頁，共41頁。3.PN結3.3能帶圖和光伏效應費米原理和費米能級當E-EF＞5kT時，f(E)＜0.007當E-EF＜-5kT時，f(E)＞0.993k≈1.38x10-23J/K在參雜半導體中，如果是N型半導體，由于電子占據導帶的幾率較大，則EF的位置上移靠近導帶底，如果是P型半導體，EF下移靠近價帶頂。參雜很重時，EF可以進入導帶和價帶。第十一頁，共41頁。3.PN結3.3能帶圖和光伏效應能帶圖第十二頁，共41頁。3.PN結IRsRLRshILVIF電池工作時共有三股電流：光生電流IL，在光生電壓V作用下的pn結正向電流IF，流經外電路的電流I，IL和IF都流經pn結內部，方向相反。根據pn結整流方程，在正向偏壓V作用下，流過結的正向電流為IF=Is[exp(qV/koT)-1]電池與負載聯通，流過負載的電流為I=IL-IF=IL-Is[exp(qV/koT)-1]由上式可得V=(koT/q)ln[(IL-I)/IS+1]3.4等效電路圖第十三頁，共41頁。3.PN結合金結：熔化合金→再結晶（雜質分凝）→形成p-n結。生長結：拉制單晶；CVD；MBE。生長晶體時改變摻雜型號.擴散或離子注入結：在襯底中摻入反型雜質（雜質補償）。高溫擴散的概念：擴散機理有替位式擴散（例如硼、磷等在Si中的擴散）和間隙式擴散（如金在Si中的擴散）。雜質替位式擴散的速度慢，擴散溫度高（800oC~1200oC），間隙式擴散的速度很快（在1000oC下10分鐘就可擴散200~300μm的深度），擴散溫度較低一些800oC~1050oC）。替位式擴散間隙式擴散3.5制備方法第十四頁，共41頁。4.擴散假定在無對流液體（或氣體）稀釋溶液中，按一維流動形式，每單位面積內的溶質傳輸可由如下方程描述：(1)式中J是單位面積溶質的傳輸速率（或擴散通量），N是溶質的濃度，假定它僅僅是x和t的函數，x是溶質流動方向的坐標，t是擴散時間，D是擴散系數。(1)式稱為Fick擴散第一定律。它表明物質按溶質濃度減少的方向（梯度的負方向）流動。根據質量守恒定律，溶質濃度隨時間的變化必須與擴散通量隨位置的變化一樣，即：(2)4.1擴散定律第十五頁，共41頁。4.擴散將(1)式帶入(2)式，得到一維形式的Fick第二定律：(3)溶質濃度不高時，擴散系數可以認為是常數，(3)式便成為：(4)上式稱為簡單的Fick擴散方程。4.1擴散定律第十六頁，共41頁。4.擴散恒定表面濃度擴散雜質原子由氣態源傳送到半導體表面，然后擴散進入半導體硅晶片，在擴散期間，氣態源維持恒定的表面濃度。初始條件：t=0時，N(x,0)=0；邊界條件：N(0,t)=Ns，N(∞,t)=0；解擴散方程，得

——余誤差分布4.2擴散方式第十七頁，共41頁。4.擴散式中，――特征擴散長度（um)；Ns=NSi(雜質在Si中的固溶度)；erf(x)—誤差函數（errorfunction);erfc(x)—余誤差函數(complementaryerrorfunction)；4.2擴散方式第十八頁，共41頁。4.擴散恒定摻雜總量擴散在擴散過程中，雜質源限定于擴散前淀積在晶片表面極薄層內的雜質總量Q，硅片內的雜質量保持不變，沒有外來雜質補充，也不會減少。初始條件：(假設擴散開始時，雜質總量均勻分布在厚度為δ的薄層內)N(x,0)=Q/δ=Ns,0≤x≤δ；N(x,0)=0,x>δ；邊界條件：N(∞,t)=0；解擴散方程，得——高斯分布4.2擴散方式第十九頁，共41頁。4.擴散式中為表面濃度。結深為4.2擴散方式第二十頁，共41頁。4.擴散兩步擴散1、預擴散或預沉積，采用恒定表面源擴散方式。且溫度低、時間短，因而擴散的很淺，可以認為雜質沉積在一薄層上。目的是為了控制雜質總量，雜質按余誤差函數分布。4.2擴散方式2、主擴散或再分布，是將由預擴散引入的雜質作為擴散源，在高溫條件下進行擴散。目的是為了控制表面濃度和擴散深度，雜質按高斯函數形式分布。第二十一頁，共41頁。4.擴散結深p-n結所在的幾何位置，即擴散雜質濃度與襯底雜質濃度相等的位置到硅片表面的距離，用xj標示。4.3擴散參數擴散層方塊電阻它表示正方形的擴散薄層在電流方向上所呈現出來的電阻。由電阻公式R=ρL/S可知，當薄層中雜質均勻分布時，薄層電阻表達式可以寫成：Rs=ρL/xjL=ρ/xj=1/xjσ由上式可知，薄層電阻的大小與平均電導率成反比，與薄層厚度成反比。第二十二頁，共41頁。4.擴散當薄層中雜質分布不均時，ρ是不均勻的，計算公式如下：4.3擴散參數實驗室或生產過程中，可以通過四探針測試儀測試方塊電阻。右圖為四探針測試儀示意圖，外面兩根探針施加恒定電流，中間兩根探針測試電位差，電壓電流之比再乘以一個系數即可得到方塊電阻數值，公式如下：Rs=kV/Ik為常數。第二十三頁，共41頁。串并聯電阻方塊電阻六大控制工藝四大特征三個參數清洗織構化擴散制備SiNx絲網印刷燒結測試表面鈍化特性結特性電極接觸特性減反射特性短路電流開路電壓填充因子量子響應曲線飽和電流5.電池效率的損失5.1太陽能電池的主要控制因素第二十四頁，共41頁。5.電池效率的損失光學損失反射損失柵線電極遮光損失措施：表面制絨、減反膜、優化頂電極柵線設計內量子效率：被電池吸收的每個光子，在短路電流條件下，所產生的電子-空穴對被PN結收集的比例。外量子效率：每個注入的光子所產生的電流，在短路條件下流到外電路的多少。5.2電池效率的損失內量子效率一般要高于外量子效率。第二十五頁，共41頁。5.電池效率的損失輻射復合：吸收的反過程。在半導體激光器和發光二極管中適用，對硅太陽能電池來說不顯著。俄歇復合：電子和空穴復合釋放多余的能量，這些多余的能量被另一個電子吸收，該電子弛豫返回原來的能態并釋放聲子。通過陷阱復合：當半導體的雜質或表面的界面陷阱在禁帶間隙中產生允許的能級時，這個復合就能發生。電子分兩個階段完成與空穴的復合，首先電子躍遷到缺陷能級，然后再躍遷到價帶。載流子的復合5.2電池效率的損失第二十六頁，共41頁。5.電池效率的損失溫度效應對半導體而言，禁帶寬度的溫度系數一般為負。隨著溫度上升，帶隙變窄，增強電池對光的吸收而使Isc略微上升；但帶隙變窄會增大反向飽和電流，而使Voc下降，FF也下降。5.2電池效率的損失第二十七頁，共41頁。5.電池效率的損失串并聯電阻串聯電阻主要來源于半導體材料的體電阻、電極電阻、載流子在頂部擴散層的運輸，以及金屬和半導體材料之間的接觸電阻。并聯電阻主要由復合及漏電造成的。5.2電池效率的損失第二十八頁，共41頁。5.電池效率的損失少子濃度減小到原來的1/e所經歷的時間。us數量級。多晶硅中存在大量的微缺陷和較多的銅、鐵、鎳、錳、鈦等金屬雜質，由于這些微缺陷和金屬雜質形成了一些深能級，并成為光生少數載流子的復合中心。實際生產中測得的是體復合和表面復合共同作用的少子壽命，公式如下：影響因素：雜質電阻率溫度(一般情況下，少子壽命隨著溫度的上升先降后升)表面狀態硅片厚度5.3少子壽命第二十九頁，共41頁。5.電池效率的損失5.3少子壽命第三十頁，共41頁。5.電池效率的損失措施1：吸雜措施2：生長SiNx膜生長SiNx膜后少子壽命有明顯提高，這主要是由于生長過程中活潑的富氫集團向多晶硅體內擴散，與缺陷或晶界等符合中心結合，在表面則與表面復合中心如位錯和懸掛鍵結合，形成體內與表面雙重氫鈍化效果，大大提高了多晶硅的少子壽命。改善措施5.3少子壽命第三十一頁，共41頁。6.擴散與柵線設計頂電極柵線設計目標是通過優化電流收集來減少由于內部電阻和電池遮光而產生的效率損失。電阻的影響6.1擴散與頂電極柵線設計薄層電阻的重要性之一，在于他決定了定電極柵線之間的理想間隔，圖中dy區域造成的功率損失由dP=I2dR求得，dR=ρdy/b，I(y)是橫向電流。在均勻的光照下，I(y)在兩條柵線的正中間為零，并且向兩側柵線方向線性增加，在柵線處達到最大。因而I(y)又等于Jdy，J為電流密度。所以總的功率損失為第三十二頁，共41頁。6.擴散與柵線設計其中，s是兩條柵線的間隔距離。在最大功率點，產生的功率為所以功率損耗百分比為因此，頂電極柵線的最小間距可以由計算得出。例如，如果一個典型的硅太陽能電池的ρ=40Ω/□，Jmp=30mA/cm2，Vmp=450mV，則要使因橫向電阻影響而引起的功率損失小于4%，必須使s＜4mm。6.1擴散與頂電極柵線設計第三十三頁，共41頁。6.擴散與柵線設計柵線的影響柵線的影響柵線遮光面積柵線電阻接觸電阻滿足柵線設計最優化從以下三方面考慮柵線電阻損失等于柵線遮光損失時，柵線寬度最佳。漸變的柵線寬度設計優于固定柵線寬度設計。副柵寬度和間距越小，效率損失越小。6.1擴散與頂電極柵線設計第三十四頁，共41頁。7.擴散與燒結有機物揮發階段燃燒有機物及升溫階段峰值溫度區間，形成合金電極降溫階段1234燒結溫度曲線7.1燒結溫度曲線第三十五頁，共41頁。7.擴散與燒結有機溶劑揮發形成AgO殼玻璃料穿透SiN層PbO+SiPb+SiO2玻璃料腐蝕硅并析出AgO與硅反應并析出Ag2O+SiPb+SiO2液態Pb與Ag形成液態Pb-Ag相液態Pb-Ag相腐蝕硅(100)面冷卻時Ag在硅(111)面結晶從Ag-Si相圖看：