（电子科学与技术专业论文）单晶硅太阳能电池扩散工艺与电学特性仿真研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l li n d u s t r y , p r o c e s ss i m u l a t i o no ft h ec r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sa n dd e v i c es i m u l a t i o n o fs i l i c o ns o l a rc e l l e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so np cc o m p u t e ra r ev e r y i m p o r t a n tt oe x p l o r en e wp r o c e s st e c h n o l o g y , o p t i m i z ep r o c e s s o n s i t ea n d g u i d et h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n t h er e s e a r c hd e m o n s t r a t e st h e o r e t i c a l a sw e l l a sp r a c t i c a lv a l u e s b a s e do nt h es i l i c o ns e m i c o n d u c t o rt h e o r y , t h i sp a p e r s t u d i e dt h e c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sm o d e l ，a n dr e s e a r c h e dt h ee f f e c to nc r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l le l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f e a c hs t e ps e q u e n c e ( o x i d a t i o n ， p r e d i 觚s i o na n dr e d i s t r i b u t i o n ) o f t h ec r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l ld i f f u s i o n p r o c e s s 、也em a i np a r a m e t e r s ( j u n c t i o nd e p t ha n ds u r f a c ec o n c e n t r a t i o n ) o f p nj u n c t i o na n ds oo n t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ep r o c e s ss i m u l a t i o na n d d e v i c es i m u l a t i o no fc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l so np cc o m p u t e r , s e tu p t h e d i 妇卧s i o np r o c e s ss i m u l a t i o np l a t f o r m b yu s i n g t h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h i s p a p e r s i m u l a t e da n do p t i m i z e d p r o c e s s e s ，a n do b t a i n e de l e c t r i c a l t w ot y p i c a ls i l i c o n s o l a rc e l ld i f f u s i o n p r o p e r t i e so f t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ea n d p r o c e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sp r o d u c e db yt h e d i f m s i o np i d c e s sc o n d i t i o n 1 g e to p e n c i r c u i tv o l t a g eo f 0 6 215 v , s h o r t c i r c u i tc u 佛n to f3 5 4 5 a ，c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f 18 15 ；c r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l sp r o d u c e db yt h ed i f f u s i o np r o c e s sc o n d i t i o n2g e to p e n c i r c u i tv o l t a g eo b t a i n e df o rt h e0 6 2 0 8 v , s h o r t c i r c u i t c u r r e n ti s3 4 8 9 a c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y o f17 8 8 t h er e s u l t s w h i c hw e r eb a s i c a l l y c o n s i s t e n tw i t ht h em e a s u r e dr e s u l t sv e r i f i e dt h es i m u l a t i o nm e t h o d a f t e rr e p e a t e d l yo p t i m i z i n go nt h ev e r i f i e ds i m u l a t i o np l a t f o r m ，w eg o t t h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r s i nt h i sp r o c e s sp a r a m e t e r , m o n o c r y s t a l l i n e i t s i l i c o ns o l a rc e l lg e to p e nc i r c u i tv o l t a g eo f0 6 2 2 v , s h o r t c i r c u i tc u r r e n tu p t o3 5 4 5 a ，c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f18 16 ；a n dc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l p r o c e s sc o n d i t i o n1c o u l ds h o r t e n 也ed i f f u s i o np r o c e s st i m eo f2 4m i n u t e s s oi tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v ep r o d u c t i v i t y t h es p e c i f i co p t i m i z e dp r o c e s s p a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s ： w i t ho x i d a t i o nt e m p e r a t u r e88 0 a n do x i d a t i o nt i m e10m i n ，t h ef l o w r a t eo fn o tc a r r y i n gs o u r c en 2i s2 0 0 0 0m l m i n ，a n dt h ef l o wr a t eo f0 2i s 2 0 0 0m l m i n ；w i t hp r e d i f f u s i o nt e m p e r a t u r e8 8 0 。ca n dp r e - d i f f u s i o nt i m e 19m i n ，t h ef l o wr a t eo fn o tc a r r y i n gs o u r c en 2i s2 2 0 0m l m i n ，a n dt h ef l o w r a t eo fc a r r y i n gs o u r c en 2i s2 4 0 0m l m i n ，t h ef l o wr a t eo f0 2i s3 0 0 0 m l m i n ；w i t hr e d i s t r i b u t i o nt e m p e r a t u r e8 8 0 a n dr e - d i s t r i b u t i o nt i m e8 m i n ，t h ef l o wr a t eo fn o tc a r r y i n gs o u r c en 2i s2 0 0 0 0m l m i n ，a n dt h ef l o w r a t eo fo ，i s3 0 0 0m l m i n k e yw o r d s m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s ，d i f f u s e ，e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，p c 1da n ds u p r e m 一4 ，s i m u l a t i o n 1 1 i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 太阳能与光伏利用 第一章绪论 太阳是一个无穷无尽的能源，一年照射到地球上的能量是人类目前全年消耗总 能量的一万多倍；每3 天照射在地球上的太阳能的能量，就相当于每年所有化石燃料 能量的总和；大约4 0m i n 照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类1 年能量的消费； 一秒钟内照到地球上的能量相当于5 0 万吨标准煤燃烧所释放的能量，是真正取之不 尽、用之不竭的能源j 。 太阳能电池可将太阳能直接转化成电能，是利用太阳能资源的有效方式，在使 用中不会产生任何有害物质，是一种无污染的产品。另外太阳能电池还具有系统运 行可靠，长寿命，安装使用方便等优点。所以，近几年来太阳能电池在解决能源与 环境问题方面倍受青睐，有着极好的市场前景。太阳能也被誉为是最理想的能源【2 】小1 ， 是解决人类社会赖以生存和发展的重要资源。 随着全球人口与经济的增长，人类的能源需求在日益加大。1 9 世纪以来，对石 油、煤炭、天然气等化石燃料的大规模开发与利用，一方面创造了人类历史上空前 繁荣的物质文明，另一方面也造成了大量的污染物以及温室气体( 如二氧化碳、氧 化亚氮和臭氧等) 的排放。当前，作为常规能源的化石燃料储量正在逐渐减少的同 时，空气污染、全球变暖、臭氧空洞等环境问题也在一天天严重。为了人类社会的 可持续发展，探索能替代煤和石油等化石能源的高效、洁净的可再生能源就成为了 当前人类的当务之急。太阳能是资源最丰富的可再生能源，以其独特的优势和巨大 的开发利用潜力成为重要替代能源之一。 我国太阳能资源非常丰富，每平方米年辐照量超过5 0 0 兆焦耳，三分之二的国土 面积年日照时数都在2 2 0 0 d 时以上【5 1 ，并且太阳能无需开采和运输，对环境也无任 何污染。但太阳能能流密度低，还受昼夜、季节、气候、以及地理位置的影响。世 界各地全年平均能流密度介于0 0 8 - 0 2 5 k w m 2 之间要得到一定的辐射功率，需要较 大的接受面积，导致设备成本上升，为实现连续稳定地供能，还需要采用相应的蓄 能设备，将白天、晴好天气的太阳能储存起来，供夜间及阴天使用。目前太阳能的 利用方式，主要可分为太阳能的光伏利用和热利用【6 】。 太阳能热利用技术【7 】目前仍然处于发展时期，现在比较成熟的太阳能热利用技 术包括热水器、太阳灶、太阳房等，而比较先进的太阳能热发电技术现在的应用并 不广泛，仍然处于商业化应用前期或工业化应用初期。太阳能热发电是一种太阳能 高温热利用技术，目前仅有美国、西班牙、日本、俄罗斯等国建立了几十座太阳能 中南大学硕士学位论文第一章绪论 热发电系统。 当前应用比较广泛的是太阳能光伏利用。太阳能光伏利用【8 】是根据半导体的光 电效应原理制造太阳电池，太阳光照到太阳能电池上直接转换成电能，太阳能电池 既可独立使用发电也可以并网发电。光伏发电系统【9 】主要由太阳电池板( 组件) 、蓄电 池组、控制器和逆变器四大部分组成，它们主要由电子元器件构成，基本不涉及机 械部件。所以，光伏发电设备具有精炼、可靠、稳定、寿命长、安装维护简便等优 点。光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航空航天，下至家用电源， 大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源都可以有其用武之地。目前，光伏发电产品 主要用于以下四大方面：一是应用在航空航天，例如为人造卫星、航天器、载人飞 船、空间站等提供电力；二是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活、 生产提供电力，还有微波中继电源、管道的阴极保护电源以及一些移动电源和备用 电源；三是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯、太阳能庭院 灯和太阳能草地灯等；四是并网发电，这类应用在发达国家己经得到了大面积推广 实施。在欧洲，太阳能发电价格是化石能源的2 3 倍，中国太阳能发电价格是化石 能源的l o 倍左右。我国并网发电还处于试推广阶段，部分省份正在极力推广太阳能 并网发电。至1 j 2 0 0 9 年8 月，北京国内首座屋顶太阳能光伏发电站并网已成功运行五年， 该发电站总装机容量1 4 0 千瓦，每年可提供1 0 万千瓦时的绿色电能。该太阳能光伏发 电站运行五年来，系统运行总体保持正常、平稳，累计发电4 2 万千瓦时。 在过去几年中，由于各国政府，尤其是西方欧洲多国，为了推动新能源行业的 发展所制定了一系列鼓励政策，随着人们日益增强的环保意识以及技术水平的不断 提高，太阳电池行业得到迅速发展，全球平均年增长率达到3 0 以上，年销售增长 均超过4 0 ，以2 0 0 9 年的数据为例，德国2 0 0 9 年的光伏安装量突破历史最高，达到 3 2 0 0 兆瓦，占世界总量的5 0 2 4 居世界第一；西班牙和美国将分别达n 5 0 0 兆瓦和 5 5 6 兆瓦。此外各国正在加快太阳能电池行业的发展速度，其中日本计划在2 0 2 0 年达 到装机容量为2 0 0 5 年( 1 4 g w ) 的2 0 倍，即2 8 g w ，2 0 3 0 年为4 0 倍，尽0 5 6 g w ；美国 预计至1 1 2 0 2 0 年时，太阳能发电将占到全部电力需求的1 0 ，累计光伏装机将达到 3 8 0 g w ；欧洲将2 0 2 0 年的光伏累计装机总量定位基本发展模式为1 0 0 g w ，而加速发 展模式将达到2 0 0 g w 。 我国太阳能光伏发电产业近几年发展较快【1 0 】，光伏产业正以每年3 0 的速度增 长，2 0 0 5 年中国太阳能电池生产总量达到1 3 9 m w ，较2 0 0 4 年猛增了1 7 9 ，2 0 0 6 年 达到4 0 0 m w ，从而超过美国成为全球第三大生产国，产能则达到惊人的1 1 8 0 m w 。 至u 2 0 0 9 年我国的太阳能电池产量更是达到了4 0 1 l 兆瓦，占到了世界太阳能电池总产 量的4 0 。中国太阳能光伏发电产业以3 年产量增长4 5 倍，产能增加1 2 5 倍而成为全 球发展最快的国家，但应该注意的是，国内应用规模较小，至2 0 0 4 年底全国己累计 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 安装太阳电池5 8 m w ，主要为边远地区的居民供电，其中2 0 0 2 年 2 0 0 3 年实施的“送 电到乡 工程的安装量约2 0 m w 。2 0 0 9 年中国光伏安装量超过过去历年累计安装量， 2 0 0 9 年全年装机超过1 2 0 i l 瓦，2 0 0 9 年底全国光伏累计装机超过3 0 0 岁6 瓦，提前完成 国家中长期发展规划2 0 1 0 年达到2 5 0 兆瓦的目标。 表1 12 0 0 8 年世界前3 0 9 太阳电池生产商 我国太阳电池制造厂有几十家，2 0 0 4 年太阳电池年产量达7 1 m w ，2 0 0 5 年太阳 电池年产量达2 7 0 m w 。2 0 0 8 年世界前3 0 家光伏企业总产量为6 2 g w ，中国大陆占1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 家，总产量1 9 3 5 m w ；台湾占4 家总产量7 1 7 4 m w ，中国大陆加上台湾的产量合计： 3 5 0 0 m w ，占世界总产量的4 4 ( t n 表1 1 所示) 。值得注意的是我国已经制定并通过 了可再生能源法，将极大促进我国含光伏在内的可再生能源产业的发展。中国的光 伏产业正逐步向支柱产业的方向迈进。 目前晶体硅太阳电池占太阳电池的8 7 4 【勿，其优异特性已被广泛认同。由于 晶体硅太阳电池具有坚实的技术基础及成熟的生产工艺，能满足迅速增长的市场需 求，预计今后1 0 2 0 年，甚至更长的时间内，晶体硅太阳电池将仍然占据主导地位 而不会有过多的变化。 1 2 晶硅太阳能电池的发展 硅是含量仅次于氧，丰度居第二位的化学元烈2 4 1 ，而且无毒，用它制作的太阳 能电池效率很高。因此当前的研究认为硅是最适于制作太阳电池的材料。在硅太阳 电池中又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池三类。单晶硅太阳电池具有效率 高、寿命长、性能优良等优点，因此在工业上应用广泛。 晶硅太阳能电池具有如下优点： 1 ) 硅材料资源丰富而且没有毒性； 2 ) 可以获得高的光电转化效率； 3 ) 性能稳定，不存在效率衰退的问题； 4 ) 硅材料是迄今为止研究的最深入的材料； 5 ) 在一定程度上可以直接分享集成电路( i c ) 领域硅材料的研究成果； 6 ) 可大幅度节省硅材料的用量，节省量约9 0 ； 7 ) 可大面积制备，便于大规模连续化生产，更高的产率； 8 ) 可实现组件水平上的集成串联连接，无需使用导线，提高了电池的可靠性， 同时也减小了组件生产过程中的密集型劳动成本； 9 ) 具有大幅度降低太阳电池制造成本的潜力等。 在这几十年的高速发展时期，晶硅太阳能技术得到了充分的发展，这期间涌现 了一批新型电池，也引入了很多新技术，比如： 1 ) 1 9 7 0 年，背面场( b a c ks u r f a c ef i e l d ) 技术【2 5 1 ，在电池背面引入同型重掺杂区， 使电池的开路电压、短路电流、填充因子得到改进，提高电池效率； 2 ) 1 9 7 3 年，美国通信卫星公司( c o m s a t ) 的研究人员提出了紫光电池f 2 6 】技术， 因其重磷扩散工艺，制成浅发射结、通过光刻技术在电池前面实现密栅金属接触从 而获得高的蓝紫光响应，从而大幅提高转换效率； 3 ) 1 9 7 4 年，绒面技术的采用使入射光线在其表面进行多次反射吸收而获得高转 换效率【2 7 】： 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 4 ) 1 9 8 4 年后，表面钝化技术的应用，大幅度降低硅太阳电池前表面及背表面的 少数载流子的复合，实现了硅太阳电池效率的再次飞跃，效率达到了1 8 1 2 8 1 ； 5 ) 澳大利亚新南威尔士大学随后发展了一系列的高效单晶硅太阳能电池，如 m i n p ( 金属二氧化硅n p 结) 硅太阳电池、p e s c ( 钝化发射极硅太阳电池) 、p e r c ( 钝 化发射极及背面硅太阳电池) 、p e r l ( 钝化发射极及背面定域扩散) 硅太阳电池 【1 3 】 1 9 1 o 我国从1 9 5 8 年开始研制硅太阳能电池，至u 1 9 7 1 年首次应用国产硅太阳能电池作 为科学实验卫星电源，“八五 期间天津电源研究所开发出效率达n 2 0 4 的结构 类似新南威尔士大学的v 型槽p e s c 电池，“九五期间北京市太阳能研究所提出倒 金字塔织构化结构，使得2 c m 2 c m 电池效率达到了1 9 8 ，大面积( 5 c m 5 c m ) 激光刻槽埋栅电池效率达到了1 8 6 ，再到2 0 0 7 年1 1 月中电光伏集团成功商业化生 产的一种新型的高效选择发射极太阳能电池( r o s e 电池) ，其转换效率达至l j l 7 5 。 在这四五十年时间里，经过不断努力，我国的硅太阳能电池产业已经达到了一定的 技术水平和产业规模。但是与国外相比较，我国的晶硅太阳能电池发展仍然存在以 下发展瓶颈： - 一 1 ) 太阳能光伏电池生产技术基本能与国际接轨，但相关产业链亟需发展，待完 善； 2 ) 尽管近几年的形势有所改进，但原材料与生产设备几乎依赖进口的弊病仍未 改变； 。 3 ) 相关行业标准与技术标准不健全，亟待完善。 从前文可知，晶硅电池在过去几十年里有了很大发展，许多新技术的采用和引 入使太阳电池效率有了很大提高。在硅电池研究中，人们探索了各种各样的电池结 构和技术来改进电池性能，如背表面场、浅结、绒面、钝化、t i p d 金属化电极和减 反射膜等。晶硅太阳能高效电池是在这些实验和经验基础上发展起来的。以下2 节将 分别从单晶硅与多晶硅太阳能电池的发展分别详细介绍近几十年来的发展情况。 1 2 1 单晶硅太阳能电池的发展 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，从1 9 5 4 年美国贝尔实 验室最早研制出效率为6 的单晶硅太阳能电池，并于1 9 5 9 年首先应用在航天器 上。在随后l o 多年里，硅太阳电池在空间的应用不断扩大，工艺不断改进，电池设 计逐步定型。但由于太阳能电池成本太高，至l j 7 0 年代中期仍主要应用于空间。 能源危机的暴发，牵动了整个能源的变革，探索新能源成为了整个时代的需求。 这也使得服务于宇宙空间的太阳电池转向地面，到目前为止，单晶硅太阳能电池的 构造和生产工艺已经比较成熟，产品已广泛用于空间和地面。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 单晶硅电池的典型代表【1 2 】是斯坦福大学的背面点接触电池、新南威尔士大学的 钝化发射区电池( p e r l ) 1 3 h 1 9 1 以及德匡 f r a u n h o f e r 太阳能研究所【2 0 】的局域化背场 电池等。北京太阳能研究所【2 i 】在9 0 年代也进行了高效电池研究，也取得了不错的成 果。 表面钝化技术的提高使得硅太阳电池得到了迅速发展。此外，倒金字塔技术、 双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效单晶硅电池发展的重要原因。 u n s w 的钝化发射区电池的前接触电极有相当大的厚宽比和很小的接触面积，整个 背面铝合金接触用点接触来代替；用氧化层钝化电池的正、背面；采用表面织构化、 双层减反射和背反射技术使电池具有极好的陷光效应。这些综合措施使电池效率达 至t j 2 4 7 ( 接近理论值) ，是迄今为止的最高记录【1 7 】。 北京市太阳能研究所从9 0 代起进行高效单晶太阳能电池研究开发，开发方向包 括倒金字塔选择性发射区( i p s e ) 太阳电池和激光刻槽埋栅( l g b c ) 电池及机械刻槽 埋栅电池。北京市太阳能研究所采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技 术，使倒金字塔选择性发射区( i p s e ) 太阳电池效率达到了1 9 8 ，激光刻槽埋栅电池 效率达到了1 8 6 。 无锡尚德【2 2 】研发的s e m i c o n d u c t o rf i n g e r 太阳电池克服了传统丝网印刷太阳电 池的缺陷，制备出电极方块电阻为5q e l ，表面其他地方电阻为1 0 0q v l ，并于2 0 0 7 年开始试产，平均效率达1 7 5 0 a 。截止2 0 0 9 年3 月无锡尚德采用p l u t o 技术己经实现单 晶硅电池转换效率达到1 9 。 1 2 2 多晶硅太阳能电池的发展 由于多晶硅材料制造成本低于单晶硅c z 材料，同时能直接制备出适于规模化生 产的大尺寸方型硅锭，设备简单，制造过程简单、省电、节约硅材料，因此比单晶 硅电池具有更大降低成本的潜力。 多晶硅电池受晶界影响效率一般比单晶硅低，提高效率的研究工作受到普遍重 视近年来提高多晶硅电池效率的研究工作取得了很大成绩，其中比较有代表性的工 作是美国乔治亚理工大学，新南威尔士大学、麻省理工学院( m i t ) 、日本京瓷公 司和三菱电机有限公司等。 麻省理工学院( m i t ) 2 0 0 8 年研制出的大约2 厘米宽的小型多晶硅太阳能电池， 其光电转换效率比普通多晶硅太阳能电池提高了2 7 ；美国乔治亚理工大学光伏中 心采用磷吸杂和双层减反射膜技术，使电池的效率达n 1 8 6 ；新南威尔士大学光 伏中心采用类似p e r l 电、池技术【1 3 j ，使电池的效率达到1 9 8 ，成为多晶硅电池的世 界最高记录；2 0 0 8 年三菱电机研发的多晶硅单元转换效率已经提高到了1 8 ；日本 京瓷公司采用了p e c v d s i n 技术，起到钝化和减反射双重作用，加上表面织构化和 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 背接触构造，使1 5 1 5 c m 2 大面积多晶硅电池效率达1 8 5 ，此种电池技术已经实现 了工业化生产，太阳能电池组件转换效率已经达至l j l 6 6 的总效率、采光面积效率 达至l j l 7 3 。 我国在多晶硅电池方面也作了大量研究工作，近几年连创新的转换效率记录 【2 3 】。2 0 0 9 年1 0 月无锡尚德光伏技术研究院采用自主研发的p l u t o 技术，多晶硅组件工 程应用转换效率更是高达1 6 5 3 ( 按采光面积计算) ，刷新了以往所有纪录，为高效 能多晶硅组件树立了新的行业标杆。无锡尚德光伏技术研究院使用其每片电池的转 换效率均高于1 7 的“冥王星 光伏电池片组装而成，被德国f r a u n h o f e r a ：阳能系统 研究机构确认为目前世界上转换效率最高的组件。 尽管我国的科研机构以及相关公司在多晶硅太阳能电池转换效率上屡获新高， 但是从上游原材料来看，企业所需多晶硅9 0 以上需要进口；从下游市场来看，由 于国内市场发展缓慢，国内生产的电池组件9 5 以上出口。目前国内比较领先的p v 厂商包括无锡尚德，江西赛维l d k ，天威英利，常州天合，晶澳，南京中电光伏等， 虽然经过多年的发展，我国在太阳能电池硅材料生产、电池和组件生产、专用设备 等方而取得了很大进步。然而与国际先进技术相比，仍有很大差距，主要体现在以 下几点： 1 ) 多晶硅提炼技术亟待改进。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、 德等国家中，形成了对我国的技术封锁、市场垄断局面。目前国际上多晶硅生产主 要传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子工艺生产的多 晶硅的产能约占世界总产能的8 0 ，短期内产业化技术垄断封锁的局面不会改变。 与国际先进水平的差距主要体现在：能耗高、纯度低、原材料利用率低等； 2 ) 产业布局不合理，多晶硅产业结构升级迫在眉睫。全国在2 0 0 9 ，2 0 1 0 年上了 几十条多晶硅生产线，造成行业恶性竞争，提前进入产业洗牌阶段； 3 ) 研发投入不足，缺乏自主创新技术； 4 ) 多晶硅电池高端设备与国外差距明显。欧、美、日等先进设备的特征为产能 高、自动化程度高。高端设备如晶硅电池全自动丝网印刷机、自动测试分拣机等几 乎依赖进口，国内鲜有公司涉及该类设备研发与制造。 1 3 国内外太阳能光伏工艺仿真技术概述 当前，国内外对单晶硅太阳能电池的研究主要针对工艺技术研究，重点都集中 在两点：一为光电转换效率提高，二为降低成本。 针对太阳能光伏的核心问题，为了提升太阳能发电系统的性能价格比与寿命， 积极有效地进行太阳能电池制备关键工艺技术的攻关显得十分急切，十分必要。 太阳能电池的核心是p n 结，常规太阳能电池的结深为0 2 - 一0 5 u m 。制备过程中 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为了使上表面的电极形成良好的欧姆接触通常采用上表面重掺杂磷形成n 十n p 结构， i l + 超薄层是有磷扩散形成的高浓度浅结区域。 现今，将半导体的技术应用于太阳能领域已经成为了趋势。 目前比较成功的将半导体技术应用于光伏领域的是是i m e c 公司。i m e c 的p v 研 发计划涵盖工艺制造、建模以及纳米硅、有机光伏等4 个最前沿技术领域。i m e c 先 进的半导体工艺、材料和设备能力，使i m e c 拥有高效率硅电池制造工艺。 在半导体技术中，s u p r e m 是常用的工艺仿真软件。s u p r e m 3 6 】是一套专门用 于工艺模拟辅助设计软件，它汇集了斯坦福大学许多科研人员智慧，在i c 业中一向被 认为是最符合工艺实际情况的工艺仿真软件，通过这一软件可以定量地分析工艺过 程，明确某一工序是否符合需求，如离子注入及退火，通过s u p r e m 的模拟可以知 道杂质分布情况等参数。 单晶硅太阳能电池生产过程中用计算机模拟方法进行扩散工艺仿真的工作在国 内外鲜有报道。尽管如此，由于国外对i c 的整个工艺过程：离子注入、氧化、扩散 等工艺均有深入的研究，相关的报道也比较多。如f r e e a r t 等人用丝网印刷方法制作 掺b 发射极，并用s u p r e m 仿真了不同烘烤条件下的薄层电阻值，仿真结果与实际 情况相当吻合【2 9 】。r a v is u b r a h m a n y a n 等人已经用s u p r e m 与p r e d i c t2 仿真了p 在 s i 中的扩散过程 捌，并且指出了两者与实际结果的差异以及产生这些差异的原因。 a l af e r l a 等人报道了趾在s i 0 2 s i 界面的扩散与分凝效应在不同实验条件下的结 果。多次实验显示离子注入a l 原子到s i 中，在热处理过程中并不会从s i 0 2 阻挡层中 析出a l 原子，但是在s i 0 2 s i 界面会发生分凝现象。s u p r e m 仿真出来的a l 杂质浓度 分布结果与实验所测结果吻合得相当好【3 l 】。n g a y t 3 2 】等人研究了在0 2 与n 2 环境下的 f z s i 的退火对其性能的影响。s 蹦s 测试所得结深与s u f r e m 的仿真结果一致。a k i f s u l t a n l 3 3 】等人验证了硼在多晶硅单晶硅结构热处理过程中的扩散模型，进一步验证 了s ，i 也m 的精确性。j k i m 3 4 】等人通过s c m 与s u p r u m 研究了2 步扩散工艺，仿 真结果显示无论在纵向还是横向上的s u p r e m 仿真结果均与s c m 实验测量的结果 符合得很好。 国内对i c 整个工艺进行计算机仿真研究进行得比较早的单位是复旦大学与山东 大学等。复旦大学从1 9 8 1 年即引入了s u p r e m 2 【3 5 】，并以此为起点开始了i ct c a d 方面的研究。山东大学则是将p c s g d 0 1 s u p r e m 2 以及p c - s g d 0 1 s e d a n 联合起 来组成了完整的集成电路工艺以及器件特性的c a d 系统，李惠军 3 6 1 等人利用这一平 台进行了长时间的研究。张华曹与谷岳生【4 2 】两人模拟分析了液态源磷扩散最佳工艺 条件，得出可以对液态源磷扩散进行仿真的结论，且与实验结果一致，重复性好。 上海先进半导体有限公司的冒慧敏与张东红【4 3 】研究了高浓度磷扩散模拟，取得了满 意的结果。 8 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 目前，就国内外的研究状况来看，i c 的整个工艺过程已经比较成熟，相关的模 拟计算软件的精度也与实际情况相当吻合，完全能试用于单晶硅太阳能电池生产。 尽管现在国内外还很少有人进行太阳能电池生产过程中的工艺仿真，但是成熟的i c 工艺仿真软件提供了一个很好的范例供太阳能领域的工艺仿真进行借鉴和改进。鉴 于工艺模拟仿真将对太阳能光伏产业产生巨大的经济效益，太阳能光伏生产过程中 的工艺优化平台的实现就显得尤为重要。 。 1 4 本论文的研究意义、目的及内容 1 4 1 本论文的研究意义和目的 采用高阻型单晶硅后，太阳能电池芯片等效电路的串联电阻增大，成为必须解 决的问题。太阳能电池的核心是p n 结，常规的电池p - n 结深为0 2 o 5 微米。在常规 的太阳能电池制备过程中为了使上表面的电极形成好的欧姆接触通常采用上表面重 掺杂磷形成n + n - p 结构，n + 超薄层是由磷扩散形成的高浓度浅结区域。在这种扩散区 中，由于非电活性磷原子处于晶格间隙位置，会引起晶格缺陷，而且磷与硅原子半 径不匹配，高浓度的磷还会引起晶格失配。因此在硅太阳能电池表层( 约0 2 微米) 中， 少数载流子的寿命极低，形成“死层 ，降低电池对短波段太阳能的吸收能力。为 了改善电池的短波光谱响应，可以将发射结做得很浅，如0 1 微米，但是这样做，工 艺难度增大，且电池的串联电阻增加，功率损失增加。因而研究开发一种新型的p - n 结扩散制备工艺来减小“死层 存在的影响，改变常规工艺磷浓度越大晶格畸变程 度越大现象就显得十分重要。 本论文将首次提出并实现了能用于单晶硅太阳能电池扩散工艺与器件电学特性 仿真方法，试图在p c 机上实现对单晶硅太阳能电池扩散工艺仿真以及器件电学特性 仿真，通过工艺仿真以及器件电学特性仿真试图解决在太阳能电池生产过程中的以 下问题： l ，通过本论文所设计的方法，并与实验设计、工艺现场所得参数结合进行模拟， 能够减少因为调整工艺参数而导致成本增加的问题，从而最大限度的降低成本。 2 ，通过本论文所设计的方法，并与实验设计、工艺现场所得参数结合进行模拟， 从而能获得最佳工艺窗口，能够减少在生产工程中的摸索时间，缩短工艺生产时间， 从而有效的提高太阳能电池片的平均效率以及生产效率。 本研究以国内外已有的研究成果为基础，参考大量文献，针对现有的太阳能生 产工作中存在的不足和问题探索太阳能电池扩散工艺的原理、模型和计算机模拟， 借助现有的检测手段与计算机模拟结果进行对比，从而得到理想的扩散工艺窗口， 为单晶硅太阳能电池的生产提供理论与工艺上的支持。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 本论文的主要研究工作 本研究以国内外已有的研究成果为基础，参考大量文献，针对现有的研究工作 中存在的不足和问题，将从以下几个内容进行研究和探讨： ( 1 ) 单晶硅太阳能电池扩散工艺原理与模型研究 分析与改进现有单晶硅太阳能电池氧化扩散原理与模型，使得模型与扩散炉内 的真实情况接近；安装与学习s u p r e m ，编写程序仿真单晶硅太阳能电池扩散工艺； 研究单晶硅太阳能电池扩散工艺，以及其三个不同步序：氧化、预扩散和再分布对 单晶硅太阳能电池p n 结特性的影响。 ( 2 ) 单晶硅太阳能电池扩散工艺后的器件电学特性研究 提取s u p r e m 的结果，提取内容包括杂质浓度分布，结深以及方块电阻等性能 参数；建立对应工艺条件下的单晶硅太阳能电池器件模型以及电路仿真模型；将所 提取参数作为器件特性参数输入太阳能模拟器p c i d t 删；完成能运行于p c 平台的单 晶硅太阳能电池器件仿真。 ( 3 ) 单晶硅太阳能电池扩散工艺优化设计 利用单晶硅太阳能电池扩散工艺仿真软件，研究工艺条件对单晶硅太阳能电池 性能的影响，进行工艺优化，从而找出最佳工艺窗口，指导单晶硅太阳能电池生产 实践。 1 4 3 本论文的研究方法 本研究以国内外已有的研究成果为基础，参考大量文献，针对现有的太阳能生 产工作中存在的不足和问题探索太阳能电池扩散工艺的原理、模型和计算机模拟， 借助现有的检测手段与计算机模拟结果进行对比，从而得到理想的扩散工艺窗口， 为单晶硅太阳能电池的生产提供理论与工艺上的支持。 拟采取以下方法进行研究： ( 1 ) 研究单晶硅太阳能电池扩散工艺与理论，寻找合适的工艺模型。 ( 2 ) 研究单晶硅太阳能电池扩散工艺仿真，研究扩散工艺的不同步序对单晶硅 太阳能电池扩散工艺的影响。 ( 3 ) 研究单晶硅太阳能电池扩散工艺影响的几个主要器件参数对单晶硅太阳能 电池的主要电学性能的影响。 ( 4 ) 通过单晶硅太阳能电池扩散工艺仿真与器件仿真对单晶硅太阳能电池扩散 工艺进行优化设计。 l o 中南大学硕士学位论文第二章单晶硅太阳能电池扩散技术 第二章单晶硅太阳能电池扩散技术 2 1 硅中杂质扩散的基本方程 常规硅太阳能电池工艺中，形成电池p n 结的主要方法是扩散【4 1 丌。它是一种由热 运动所引起的杂质原子和基体原子的输运过程。由于热运动，把原子从一个位置输 运到另一个位置，使基体原子与杂质原子不断地相互混合。 单晶硅太阳能电池所用的主要热扩散方法有涂布源扩散、液态源扩散、固态源 扩散等。太阳电池制作中的扩散工艺均基于热扩散法。热扩散制p 1 1 结是采用加热方 法使v 族杂质掺a p 型硅或i 族杂质掺a n 型硅中。杂质元素在高温时由于热扩散运 动进入基体，它在基体中的分布视杂质元素种类、初始浓度及扩散温度而异，这种 分布方式对电池的电性能影响很大。目前硅太阳电池中最常用的v 族杂质元素为磷， i 族杂质元素为硼。 对扩散的要求是获得适合于太阳电池p n 结需要的结深和扩散层方块电阻( 或者 表面杂质浓度) 。浅结死层小，电池短波效应好，而浅结引起方块电阻加大。为了 保持电池有低的串联电阻，就需要增加上电极的栅线数目。两者是矛盾的，实际上 要兼顾双方。常规硅太阳电池结深为0 1 棚5 p m ，方块电阻约为2 0 , - , 1 0 0 q 口。 2 1 1 扩散的基本原理 高温下，单晶固体中会产生空位和填隙原子之类的点缺陷。当存在主原子或杂 质原子的浓度梯度时，点缺陷会影响原子的运动。在固体中的扩散能够被看成为扩 散物质借助于空位或自身填隙在晶格中的原子运动【镐】。 图2 1 、图2 2 所示为晶格常数为f l 的简化二维晶体结构中的原子扩散模型。空心 圆表示占据低温晶格位置的主原子，实心圆既表示主原子也表示杂质原子。在高温 情况下，晶格原子在其平衡晶格位置附近振动。 当某一晶格原子偶然地获得足够的能量而离开晶格位置，成为一个填隙原子， 同时产生一个空位。当邻近的原子向空位迁移时，这种机理称为空位扩散。 假如填隙原子从一处移向另一处而并不占据晶格位置，则称为填隙扩散。一个 比主原子小的原子通常做填隙式运动。填隙原子扩散所需的激活能比那些按空位机 理扩散的原子所需的激活能要低。 中南大学硕士学位论文第二章单晶硅太阳能电池扩散技术 oo oo o o o 下 o 泸 oo 图2 - 1 空位扩散机制图2 - 2 填隙扩散机制 就硅而言，i 族和v 族元素通常认为是空位机理占优势的扩散。当杂质浓度高， 呈现位错或其他高浓度杂质存在时，用这些简单的原子机理来描述扩散就不适当了。 当杂质浓度和位错密度都不高时，杂质扩散可以用扩散系数恒定的f i c k 定律来描述。 对于高杂质浓度情况，则要用与浓度有关的扩散系数与所假定的原子扩散机理或其 他机理相结合来描述。 讨论垂直于表面的x 方向，固体中的扩散方程可写成下式： o n ( x , t ) ：d 刿( 2 - 1 ) 现瓠 式中的n ( x ，t ) 表示杂质浓度，是坐标x 和时间t 的函数。坐标x 指杂质原子进入硅 中的深度，即距离表面的距离，单位取厘米，时间t 单位取秒，上式已假定d 是一个 常数。事实上，扩散系数d 是表征扩散速度的物理常数，随着固体的温度上升而变 大，同时还受到杂质浓度、晶体结构等因素的影响。 现在工业上常用的是基于在p 型硅片衬底上扩散v 族元素磷p ，形成p n 结，采用 液态源p o c l 3 气相扩散。 硅晶体中形成p n 结的杂质扩散可以在两种条件下容易地进行，一种是恒定表面 浓度条件，另一种是恒定掺杂剂总量条件。 1 ) 恒定表面浓度扩散( 预扩散) 在整个扩散过程中，硅表面及表面以外的扩散掺杂剂浓度保持不变。 初始条件为： k o ) ：0 ( 2 2 ) 边界条件为： ( o ，f ) = n sn 0 ，f ) = 0 ( 2 3 ) 由以上初始条件与边界条件可解得 = n s 咖赤( 2 - 4 ) 1 2 中南大学硕士学位论文第二章单晶硅太阳能电池扩散技术 n s 是恒定的表面浓度，d 是恒定的扩散系数，x g 位置坐标，t 是扩散时间，e r i e 是余误差函数。 扩散杂质浓度等于基体浓度的位置，定义为扩散结深x i ，假定扩散层的导电类 型与基体的导电类型相反，在余误差函数分布区线图上，可以方便地表示出扩散掺 杂的分布和p n 结附近基体掺杂的分布。 2 ) 恒定掺杂剂总量扩散( 再分布) 在扩散前，用预扩散或者真空沉积法，使硅片表面具有一定量的杂质源q ，整 个扩散过程中不再加源，因而整个扩散过程中杂质总量q 保持不变，随着扩散深度 增加，表面浓度不断下降。 这种方法是先在硅表面产生一层薄的杂质层，然后再进行扩散，总掺杂剂量是 恒定的。假定在硅片表面上以固定( 恒定) 的单位面积掺杂剂总量q 淀积一薄层掺杂剂 并向硅里扩散。基体具有相反导电类型的掺杂浓度。恒定掺杂剂总量扩散的分析可 采用高斯分布进行。 在太阳电池制造工艺中通常采用浅结扩散，但为了便于控制和调节最终的器件 参数，在预扩散后仍然需要有意的采用再分布( 或称推进) ，实际上可认