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硅太阳能电池扩散工序相关知识 1 目录 目录半导体PN结扩散电池效率的损失扩散与栅线设计扩散与烧结 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 不会成为自由电子 因此本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 半导体 导电性能介于导体和绝缘体之间的材料 本征半导体 完全纯净的 结构完整 不含缺陷的半导体晶体 2 1本征半导体 2 半导体 束缚电子 这一现象称为本征激发 也称热激发 当温度升高或受到光的照射时 束缚电子能量增高 有的电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 2 1本征半导体 2 半导体 杂质元素 磷 砷多子 电子少子 空穴P 施主杂质 提供电子 2 2 1N型半导体在本征Si和Ge中掺入微量五价元素后形成的杂质半导体 2 半导体 2 2非本征半导体 2 半导体 2 2非本征半导体 2 2 2P型半导体在本征Si和Ge中掺入微量三价元素后形成的杂质半导体 杂质元素 硼 铟多子 空穴少子 电子P 受主杂质 提供空穴 3 PN结 3 1结的种类 多数载流子的扩散运动 建立内电场 P区 N区 3 PN结 少数载流子的漂移运动 3 2PN结的形成 扩散运动和漂移运动达到动态平衡 交界面形成稳定的空间电荷区 即PN结 3 PN结 3 3能带图和光伏效应 3 3 1基本概念能级 电位能的级别 能带 大量的能级形成能带 价带 在绝对零度下能被电子占满的最高能带 全充满的能带中的电子不能再固体中自由运动 导带 自由电子形成的能量空间 即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围 费米能级 该能级上的一个状态被电子占据的几率为1 2 用来衡量系统能级的水平 3 PN结 3 3能带图和光伏效应 3 3 2费米原理和费米能级一般而言 电子占据各个能级的几率是不等的 占据低能级的电子多而占据高能级的电子少 统计物理学指出 电子占据能级的几率遵循费米统计规律 在热平衡状态下 能量为E的能级被一个电子占据的几率为 f E 称为电子的费米分布函数 k T分别为玻尔兹曼常数和绝对温度 EF称为费米能级 只要知道EF的数值 在一定温度下 电子在各量子态上的统计分布就完全确定了 在一定的温度下 费米能级附近的部分能量小于EF的电子会被激发到EF以上 温度越高 被激发的概率越大 3 PN结 3 3能带图和光伏效应 3 3 2费米原理和费米能级当E EF 5kT时 f E 0 007当E EF 5kT时 f E 0 993k 1 38x10 23J K在参杂半导体中 如果是N型半导体 由于电子占据导带的几率较大 则EF的位置上移靠近导带底 如果是P型半导体 EF下移靠近价带顶 参杂很重时 EF可以进入导带和价带 3 PN结 3 3能带图和光伏效应 3 3 3能带图 3 PN结 电池工作时共有三股电流 光生电流IL 在光生电压V作用下的pn结正向电流IF 流经外电路的电流I IL和IF都流经pn结内部 方向相反 根据pn结整流方程 在正向偏压V作用下 流过结的正向电流为IF Is exp qV koT 1 电池与负载联通 流过负载的电流为I IL IF IL Is exp qV koT 1 由上式可得V koT q ln IL I IS 1 3 4等效电路图 3 PN结 合金结 熔化合金 再结晶 杂质分凝 形成p n结 生长结 拉制单晶 CVD MBE 生长晶体时改变掺杂型号 扩散或离子注入结 在衬底中掺入反型杂质 杂质补偿 高温扩散的概念 扩散机理有替位式扩散 例如硼 磷等在Si中的扩散 和间隙式扩散 如金在Si中的扩散 杂质替位式扩散的速度慢 扩散温度高 800oC 1200oC 间隙式扩散的速度很快 在1000oC下10分钟就可扩散200 300 m的深度 扩散温度较低一些800oC 1050oC 3 5制备方法 4 扩散 假定在无对流液体 或气体 稀释溶液中 按一维流动形式 每单位面积内的溶质传输可由如下方程描述 1 式中J是单位面积溶质的传输速率 或扩散通量 N是溶质的浓度 假定它仅仅是x和t的函数 x是溶质流动方向的坐标 t是扩散时间 D是扩散系数 1 式称为Fick扩散第一定律 它表明物质按溶质浓度减少的方向 梯度的负方向 流动 根据质量守恒定律 溶质浓度随时间的变化必须与扩散通量随位置的变化一样 即 2 4 1扩散定律 4 扩散 将 1 式带入 2 式 得到一维形式的Fick第二定律 3 溶质浓度不高时 扩散系数可以认为是常数 3 式便成为 4 上式称为简单的Fick扩散方程 4 1扩散定律 4 扩散 4 2 1恒定表面浓度扩散杂质原子由气态源传送到半导体表面 然后扩散进入半导体硅晶片 在扩散期间 气态源维持恒定的表面浓度 初始条件 t 0时 N x 0 0 边界条件 N 0 t Ns N t 0 解扩散方程 得 余误差分布 4 2扩散方式 4 扩散 式中 特征扩散长度 um Ns NSi 杂质在Si中的固溶度 erf x 误差函数 errorfunction erfc x 余误差函数 complementaryerrorfunction 4 2扩散方式 4 扩散 4 2 2恒定掺杂总量扩散在扩散过程中 杂质源限定于扩散前淀积在晶片表面极薄层内的杂质总量Q 硅片内的杂质量保持不变 没有外来杂质补充 也不会减少 初始条件 假设扩散开始时 杂质总量均匀分布在厚度为 的薄层内 N x 0 Q Ns 0 x N x 0 0 x 边界条件 N t 0 解扩散方程 得 高斯分布 4 2扩散方式 4 扩散 式中为表面浓度 结深为 4 2扩散方式 4 扩散 4 2 3两步扩散1 预扩散或预沉积 采用恒定表面源扩散方式 且温度低 时间短 因而扩散的很浅 可以认为杂质沉积在一薄层上 目的是为了控制杂质总量 杂质按余误差函数分布 4 2扩散方式 2 主扩散或再分布 是将由预扩散引入的杂质作为扩散源 在高温条件下进行扩散 目的是为了控制表面浓度和扩散深度 杂质按高斯函数形式分布 4 扩散 4 3 1结深p n结所在的几何位置 即扩散杂质浓度与衬底杂质浓度相等的位置到硅片表面的距离 用xj标示 4 3扩散参数 4 3 2扩散层方块电阻它表示正方形的扩散薄层在电流方向上所呈现出来的电阻 由电阻公式R L S可知 当薄层中杂质均匀分布时 薄层电阻表达式可以写成 Rs L xjL xj 1 xj 由上式可知 薄层电阻的大小与平均电导率成反比 与薄层厚度成反比 4 扩散 当薄层中杂质分布不均时 是不均匀的 计算公式如下 4 3扩散参数 实验室或生产过程中 可以通过四探针测试仪测试方块电阻 右图为四探针测试仪示意图 外面两根探针施加恒定电流 中间两根探针测试电位差 电压电流之比再乘以一个系数即可得到方块电阻数值 公式如下 Rs kV Ik为常数 5 电池效率的损失 5 1太阳能电池的主要控制因素 5 电池效率的损失 5 2 1光学损失 反射损失 栅线电极遮光损失 措施 表面制绒 减反膜 优化顶电极栅线设计 内量子效率 被电池吸收的每个光子 在短路电流条件下 所产生的电子 空穴对被PN结收集的比例 外量子效率 每个注入的光子所产生的电流 在短路条件下流到外电路的多少 5 2电池效率的损失 内量子效率一般要高于外量子效率 5 电池效率的损失 辐射复合 吸收的反过程 在半导体激光器和发光二极管中适用 对硅太阳能电池来说不显著 俄歇复合 电子和空穴复合释放多余的能量 这些多余的能量被另一个电子吸收 该电子弛豫返回原来的能态并释放声子 通过陷阱复合 当半导体的杂质或表面的界面陷阱在禁带间隙中产生允许的能级时 这个复合就能发生 电子分两个阶段完成与空穴的复合 首先电子跃迁到缺陷能级 然后再跃迁到价带 5 2 2载流子的复合 5 2电池效率的损失 5 电池效率的损失 5 2 3温度效应对半导体而言 禁带宽度的温度系数一般为负 随着温度上升 带隙变窄 增强电池对光的吸收而使Isc略微上升 但带隙变窄会增大反向饱和电流 而使Voc下降 FF也下降 5 2电池效率的损失 5 电池效率的损失 5 2 4串并联电阻串联电阻主要来源于半导体材料的体电阻 电极电阻 载流子在顶部扩散层的运输 以及金属和半导体材料之间的接触电阻 并联电阻主要由复合及漏电造成的 5 2电池效率的损失 5 电池效率的损失 少子浓度减小到原来的1 e所经历的时间 us数量级 多晶硅中存在大量的微缺陷和较多的铜 铁 镍 锰 钛等金属杂质 由于这些微缺陷和金属杂质形成了一些深能级 并成为光生少数载流子的复合中心 实际生产中测得的是体复合和表面复合共同作用的少子寿命 公式如下 影响因素 杂质电阻率温度 一般情况下 少子寿命随着温度的上升先降后升 表面状态硅片厚度 5 3少子寿命 5 电池效率的损失 5 3少子寿命 5 电池效率的损失 措施1 吸杂 措施2 生长SiNx膜 生长SiNx膜后少子寿命有明显提高 这主要是由于生长过程中活泼的富氢集团向多晶硅体内扩散 与缺陷或晶界等符合中心结合 在表面则与表面复合中心如位错和悬挂键结合 形成体内与表面双重氢钝化效果 大大提高了多晶硅的少子寿命 改善措施 5 3少子寿命 6 扩散与栅线设计 顶电极栅线设计目标是通过优化电流收集来减少由于内部电阻和电池遮光而产生的效率损失 6 1 1电阻的影响 6 1扩散与顶电极栅线设计 薄层电阻的重要性之一 在于他决定了定电极栅线之间的理想间隔 图中dy区域造成的功率损失由dP I2dR求得 dR dy b I y 是横向电流 在均匀的光照下 I y 在两条栅线的正中间为零 并且向两侧栅线方向线性增加 在栅线处达到最大 因而I y 又等于Jdy J为电流密度 所以总的功率损失为 6 扩散与栅线设计 其中 s是两条栅线的间隔距离 在最大功率点 产生的功率为所以功率损耗百分比为 因此 顶电极栅线的最小间距可以由计算得出 例如 如果一个典型的硅太阳能电池的 40 Jmp 30mA cm2 Vmp 450mV 那么要使因横向电阻影响而引起的功率损失小于4 必须使s 4mm 6 1扩散与顶电极栅线设计 6 扩散与栅线设计 6 1 2栅线的影响 栅线的影响 栅线遮光面积 栅线电阻 接触电阻 满足栅线设计最优化从以下三方面考虑 栅线电阻损失等于栅线遮光损失时 栅线宽度最佳 渐变的栅线宽度设计优于固定栅线宽度设计 副栅宽度和间距越小 效率损失越小 6 1扩散与顶电极栅线设计 7 扩散与烧结 有机物挥发阶段燃烧有机物及升温阶段峰值温度区间 形成合金电极降温阶段 烧结温度曲线 7 1烧结温度曲线 7 扩散与烧结 从Ag Si相图看 两者形成合金的最小温度为830度 比例为 Ag Si 14 5 85 5 银的融化点为950 C 因此 在太阳电池的烧结温度下 850 900 C 银无法溶解与硅形成合金 但如果银和硅形成混合相 则可以在830 C形成固态的合金 玻璃料的作用是形成一种Ag和Pb的混合态 以使其合金点下降 使得银在低于830 C溶解 7 2顶电极形成原理 7 扩散与烧结 7 2顶电极形成原理 7 扩散与烧结 铝背场烧结后形成的P 层 减少了载流子在界面处的复合 7 3底电极形成原理 7 扩散与烧结 钝化处理提高了电池表面的收集几率 背面场提高了背电极处的光生载流子收集几率 两者最终增加了短路电流Isc 7 4钝化 8