晶硅电池扩散掺杂工艺

1. P-N 结的形成

1.1 P型和N型的单晶硅片的区别

单晶硅中掺磷是N型（Negative），掺磷越多则自由电子越多（电子为多数载流子），导电能力越强，电阻率就越低；单晶硅中掺硼为P型（Positive），掺硼越多则能置换硅产生的空穴也越多（空穴为多数载流子），导电能力越强，电阻率就越低。1.2 PN结的形成a. 制造一个P-N结，必须使一块完整的晶体硅的一部分是P型区域，另一部分是N型区域，也就是在晶体内实现P型与N型半导体的接触。b. 当P型半导体与N型半导体接触后，由于交界两侧半导体类型不同，存在电子和空穴的浓度差。这样P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。
c. 因为空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是P-N结。
1.3 空间电荷区的影响
a. 在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。 b. 内建电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内建电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。c. 无外加电场时，通过P-N结的扩散电流等于漂移电流，P-N结中无电流流过，P-N结的宽度保持一定而处于稳定状态。1.4 P-N结在太阳能电池中的作用a. 太阳能发电利用了光射入半导体时引起的光生伏特效应。b. 当太阳光照射到电池片正表面时，一部分光线被反射，一部分光线被电池片吸收，还有少部分光线透过了太阳能电池片。被吸收的光能激发高能级状态下的电子，硅片内部产生电子-空穴对，电子-空穴对在P-N结的内建电场作用下相互运动。
c. 其中N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，因而太阳能电池的受光面积累积大量的负电荷，而在电池的背光面积累大量的正电荷。若在电池两端接上负载，太阳能电池产生的电流就会流通负载，当太阳光一直照射时，负载上将源源不断的有电流流过。这就是太阳能电池的发电原理，P-N结起电源的作用。

拓展：电场的基本性质是它对放入其中的电荷有力的作用，这种力就叫做电场力，受力方向：正电荷（空穴）沿电场线方向运动，负电荷（电子）沿电场线方向的反方向运动。

2. 扩散制结原理

2.1 掺杂

用人为的方法将所需杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中，达到改变材料的电学性质、形成半导体器件结构的目的，称之为“ 掺杂 "。2.2 扩散a. 太阳能电池采用扩散法b. 扩散运动：物质的随机热运动，趋向于降低其浓度梯度；即存在一个从高浓度区向低浓度区的净移动。
c. 扩散工艺：利用杂质的扩散运动，将所需要的杂质掺入硅衬底中，并使其具有特定的浓度分布。2.3 制结过程a. 制结过程是在一块半导体基体材料上生成导电类型不同的半导体层。扩散制p-n结法为用加热方法使V族杂质掺入P型或Ⅲ族杂质掺入N型硅而制成。

b. 硅太阳电池中最常用的V族杂质元素为磷（P），Ⅲ族杂质元素为硼（B）。制结方法为使磷元素扩散进硼掺杂的半导体，在两种掺杂的半导体交界处形成P-N结。

3. 扩散机理

3.1 根据杂质在半导体材料晶格中所处的位置，可将杂质分为两类

3.2 替位式扩散
这种杂质原子或离子大小与硅（Si）原子大小差别不大，它沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散，杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置，不改变原来硅材料的晶体结构。硼、磷、砷等是此种方式。 3.3 填隙式扩散
这种杂质原子大小与硅（Si）原子大小差别较大，杂质原子进入硅晶体后，不占据晶格格点的正常位置，而是从一个硅原子间隙到另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。镍、铁等重金属元素等是此种方式。4. 磷扩散的目的&原理4.1 目的形成PN结，作为光伏发电的主要作用。4.2 扩散化学反应基本原理

4. 三氯氧磷（POCl3）分解产生的五氧化二磷（P2O5）淀积在硅片表面，五氧化二磷（P2O5）与硅反应生成二氧化硅（SiO2）和磷原子，并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃，然后磷原子再向硅中进行扩散。

5. SiO2在扩散时的作用

5.1 扩散流程示意图

5.2 SiO2的作用
a. P在硅中的固溶度比在二氧化硅中固溶度高10倍；扩散时P先通过氧化层再进入硅内，前氧化可减少‘死层’的影响。b. 杂质再分布的同时可以起到吸杂的作用，利用PSG对钠、钾等离子的吸附和固定作用除去这些有害离子。

c. 该步时间不能过短，否则起不到阻挡作用，也不能太长，太长会影响扩散，延长扩散的时间。

6. POCl3液态源扩散工艺6.1 POCl3液态源扩散装置示意图6.2 POCl3液态源扩散优点
具有生产效率较高，得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点，这对于制作具有大面积PN结的太阳电池是非常重要的。6.3 扩散PN结的影响因素a. 管内气体中杂质源的浓度: 决定着硅片N型区域磷浓度的大小；b. 扩散温度: 影响扩散结深；c. 扩散时间: 影响扩散结深；

d. N型区域磷浓度和扩散结深共同决定着方块电阻的大小。

7. 方块电阻

7.1 定义

7.2 方阻测量（四探针法）
7.3 扩散方阻的作用

在太阳电池扩散工艺中，扩散层薄层电阻（方块电阻）是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一，影响电池片的效率。

8. 扩散工艺基本步骤

8.1 步骤示意图

8.2 退舟后测方阻
从炉尾到炉口，每舟依次取5片硅片，注意取片的方式。然后用四探针测试仪测量方阻，测量顺序为从炉口到炉尾，每片硅片测5个点，4个角和中心点，注意测量的顺序，测量完，将测量的硅片还回。目前常规单晶电池片方阻80±5Ω/cm2，单晶PERC电池片方阻80±3Ω/cm2，单晶SE+PERC电池片方阻120±5Ω/cm2。相关阅读☞☞PECVD镀膜工艺详解
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来源：光伏技术

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