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【技术】现有三种硼扩散技术介绍及比较

发布于:2016-05-26

扩散是制备太阳电池的关键工序,它是将一定量的某种杂质掺杂到晶体硅中,扩散的微观过程是物质的一种输运过程,是通过半导体晶格格点的无规则运动产生,这种运动总是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行,从而使粒子的分布趋于均匀。一般认为,掺杂的物质在硅中有两种扩散机制:间隙式扩散机制和替位式扩散机制[1-2],而目前光伏产业中的磷与硼扩散都是替位式的扩散方式,影响扩散的因素主要有杂质的固溶度,掺杂的时间以及掺杂的温度。

随着工艺水平的不断提高以及成本的不断降低,N型晶体硅太阳电池由于无光致衰减和更高的转换效率优势,迎来了飞速的发展。

硼扩散技术是N型太阳电池的关键技术,只有通过硼扩散才能够在N型硅片基底上形成高质量的PN结。另外高效P型太阳电池如PERL电池的关键技术也是硼扩散技术。目前行业内的硼扩散技术主要有以下三种:

Ø  液体源溴化硼扩散;

Ø  旋涂硼源及推进;

Ø  丝网印刷掺硼的浆料及推进。


下面具体说明这三种硼扩散技术。

1. 技术特征

1.1. 溴化硼扩散[3-5]

溴化硼为液态源,一般通过氮气携带进入扩散炉石英管中,在高温下同氧气形成氧化硼,氧化硼同硅片表面反应形成硼硅玻璃。但由于氧化硼的沸点高达1680℃,而硼扩散的温度一般低于1000℃,在此温度下氧化硼依然为液态,在硅片表面很难做到均匀分布,所以反应生成的硼硅玻璃也不均匀,具体表现为扩散后硅片表面颜色的分布不均匀,形成“花片”现象。所以采用这种方式,扩散均匀性很难保障。

目前,通过低压法进行溴化硼扩散技术,且有成熟的量产设备,片内的扩散均匀性可以达到±3Ω/sq 以内(见表一)。但由于本技术为双面扩散的技术,因此在制备N型双面电池中需要制备各种掩模阻挡以防绕扩,从而制备工艺流程较长,工艺较复杂,同时低压扩散需要性能良好的真空系统,提高了设备的造价,投资成本较高,同时由于溴化硼扩散中间产物有溴单质的产生,高温过程很容易对硅片以及石英管壁表面进行腐蚀,一来降低石英管的使用寿命,二来增加了硅衬底缺陷密度,降低了少子寿命,不利于太阳电池转换效率的进一步提升。对于扩散后硼硅玻璃清洗相比于传统清洗也需要加强,投资性价比相对适中;其SHR及典型的ECV测试如下:

表一:溴化硼扩散方阻

SHR(Ohm/sq)

AVERAGE

STDEV

65.5

67.9

69.3

66.7

68.4

67.6

1.49


1:溴化硼扩散的ECV曲线


1.2.丝网印刷硼浆及推进

丝网印刷硼浆料的方式优点很明显:

Ø  可以更加契合目前传统产线上的规模化生产的方式,可以利用现有的丝网印刷机;

Ø  本技术可以实现单面扩散和选择性掺杂,有助于减少工艺流程。

但本技术也存在很多不可忽视的问题如下:

Ø  需要利用专用的刮刀和刮胶等印刷工具以及确保洁净度的烘干方式;

Ø  由于浆料本身一般具有腐蚀性,不宜采用传统的金属扎压网布的网版,需要特种非金属材质的网布;

Ø  为了满足丝网印刷的要求,浆料中需添加很多大分子有机溶剂来实现“固化”,那么过多的有机溶剂在里面往往会影响硼掺杂扩散,影响其扩散效果,扩散均匀性较差(见表2);

Ø  浆料有机溶剂过多 ,一般气味会比较强烈,需要做好通风以及相关防护工作。在热扩散后,浆料残渣一般很难去除干净。

     本技术扩散后的硅片其SHR及典型的ECV测试如下:

2:硼浆料A的扩散方阻

SHR(Ohm/sq)

AVERAGE

STDEV

58.9

75.4

63.7

69.7

71.3

67.8

6.51


2:硼浆料AECV曲线

1.3.旋涂硼源及推进[6-8]

工业化旋涂本身也是一个非常成熟的技术,起源于半导体工业中的旋涂晶元然后进行扩散的方式,经过了数十年的生产,技术成熟,稳定性好。旋涂所用的硼源同样有着数十年的技术积累,性能优异,同丝印浆料不同,旋涂硼源的溶剂中的有机物分子量小,通过低温烘干可以被完全蒸发,硅片进石英管时,表面不存在有机残留,只有纯度极高的无机固体硼源。在推进时,扩散方阻只取决于推进温度和时间,片内均匀性可以达到±1Ω/sq以内,片间均匀性可以达到±1.5Ω/sq,远远优于其他硼扩散技术。

本技术同丝网印刷一样,同样具有单面扩散的优势,而且同激光掺杂技术相结合,可以实现局部掺杂,有利于减少高效电池的工艺流程。

本技术有成熟国产量产型设备,投资成本较低,单片源耗量适中,旋涂完后自带的烘干系统低温烘干即可进入常规的氧化管推进即可,工艺成熟。

热推进后,硅片表面的硼硅玻璃中硼含量较低,容易去除,常规的去PSG清洗即可满足需求,扩散均匀性好(见表3)。另外,这层硼硅玻璃可以作为磷扩散过程中的阻挡层,使得整个双面电池工艺流程更加简便;投资性价比较高;其SHR及典型的ECV测试如下:

3:旋涂墨水B的扩散方阻

SHR(Ohm/sq)

AVERAGE

STDEV

76.2

75.1

74.7

74.9

74.6

75.1

0.89


3:旋涂硼源及推进的ECV曲线

2. 少子寿命等表征及结果

为了对这三种硼扩技术进行一次对比直观验证,准备了360N型原始硅片,其中60片作为表征片,来测试下硼与磷扩散后的结的特性,以及剩余300片硅片按照各自的工艺路线制备双面电池,按照统一测试标准进行表征测试以及电性能测试,其结果如下(见表45)。

我们发现扩磷后,三种扩硼方式的少子寿命都有不同程度的上升,硼扩后硼浆料A相比于溴化硼以及硼源B扩散表现出少子寿命下降明显,也只有硼浆料ASuns-Voc一直处于比较低的水平;对于溴化硼扩散和硼源B,我们发现其正面转换效率相当,但对于硼源B的优势更多体现在背面效率以及成本上的优势。

表四:三种硼扩方式下的硼与磷扩散后表征结果

工艺

硼扩后

磷扩后

Num=60pcs

少子

us

J0

(fa/cm2)

Suns-Voc

@1sun

少子

us

J0

(fa/cm2)

Suns-Voc

@1sun

溴化硼

0

0

0

+36

-3

+0.003V

丝印+推进

-72

+6

-0.010V

-65

+4

-0.006V

旋涂+推进

+1

-1

+0.012V

+50

-6

+0.015V

*注:磷扩都是传统的三氯氧磷的扩散方式

表五:三种硼扩技术制备双面电池正反面电池平均效率

    小批量验证

平均转换效率(%

备注

Num=300pcs

正面

背面

 

溴化硼

0

0

可量产

丝印+推进

-1.5

+0.5

实验阶段

旋涂+推进

0

+1.5

可量产

*注:数据来源于2015年的生产数据,仅供参考

3. 结论

从上文的比较可以得出:

Ø  溴化硼扩散虽然在光伏行业中有较长时间的应用历史,但依然存在设备投资较高,扩散均匀性较差,及双面扩散的缺点;

Ø  丝印推进硼扩技术虽然具有可选择性掺杂的优势,但由于含硼浆料固有的缺陷,改善的技术难度巨大,短时间内难于进入产业化;

Ø  旋涂推进的硼扩技术设备投资成本最低,扩散质量最好,而且具有单面扩散的优势,结合激光掺杂同样可以实现选择性掺杂。

综上所述,在目前的技术条件下,旋涂推进扩硼技术是最优的硼扩技术选择。目前采用旋涂推进的硼扩技术的N型双面太阳电池的量产正面效率已经达到21.0%,背面达到20.0%,并且尚有一定的提升空间。

参考文献:

1.   N. Guillevin et al. 19th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes 2009

2.   A.R. Burgers, etc. 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 6-10 September 2010, Valencia, Spain

3.   http://tempress.solarbe.com

4.   J. Benick, etc. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany

5.   M.A. Green, etc. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 17 (2009) 320.

6.   http://www.hansenergy.cn/index.php?c=article&id=367

7.   http://www.energytrend.cn/showreport/20150430-11429.html

8.   http://weibo.com/pvgs?is_hot=1



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资料来源:公司产品图册

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