电池工作原理和工艺等A.doc

电池工作原理PN结的光生伏特效应 光生伏特效应就是半导体二极管吸收光能后在PN结两端产生电动势的效应。光电转换的物理过程 三个物理过程 吸收光能激发出非平衡电子一空穴对 非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动 非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离 光生电流的方向相当于普通二极管的反向电流的方向。光照使PN结势垒降低等效于PN结外加正向偏压，形成正向注入电流。这个电流的方向与光生电流刚好相反，是太阳电池中的不利因素。光照下理想PN 结特性： R上的压降为: 当V=0,即短路情况下: (最大光生电流)当I=0,即开路情况下: (最高输出暗电流 ) 实际电池中，希望输出大电流，高电压，所以必须使Isc大而I0小光照下实际的P-N结特性图中：把光照时的PN结看作一个理想恒流源并联二极管的模型。光生电流流过二极管的正向电流 串联电阻 分路电阻 负载电阻 流过串联电阻Rs的电流 流过分路电阻Rsh的电流流过负载电阻的电流 依据以上等效电路，太阳电池的电流电压方程为： 下面是Rs和Rsh对输出特性的影响（Rs和Rsh将直接影响FF） 太阳电池 太阳电池的主要参数 转换效率：它是输出特性曲线“方形”程度的量度定义： 所以：在最佳匹配负载电阻下的输出功率，对应的有， FF : 填充因子 ： 短路电流 ： 开路电压理想填充因子 而实际的电池，和对FF是有影响的，但合理的设计和良好的工艺应使FF非常靠近 实际上，当被减少时，就会增加，因为电池的复合减少了。因此，在实际过程，应首先优化这个步骤。 ：内量子效应 ：入射波的波长 ：太阳光谱的光子通量：表面反射率 短路电流主要依赖于内量子效应。效率损失对于实际的太阳电池，其效率大大低于理想值，下面讨论各种损失机理。短路电流损失 “光子”性质的损失a. 表面反射（10%）太阳光谱曲线 半导体器件物理与工艺AM0 空气质量0（1367W/） 代表在地球大气层外的太阳光谱AM1.5 空气质量1.5（963W/）代表在地球表面的太阳光谱光反射，吸收及透视关系 这是一个简化的示意图，实际上不同 界面上的反射系数是不同的。如果我 们把前表面改成绒面，反射就会减少 T=（1-R）2e- R：反射系数 ：吸收系数（是波长的函数） T：透射系数 半导体器件物理与工艺b. 表面金属遮挡（5%15%）c. 穿透（需要材料有一最小厚度） 复合a. 体复合b. 表面复合也就是说光照产生的非平衡载流子未能被P-N结有效地分离到P区和N区。开路电压损失 结区中的复合这主要是耗尽区中陷阱能级的复合。在理想情况下，这种复合认为是不存在的，实际上并非如此，载流子穿过P-N的耗尽区是也会产生复合。 体复合和表面复合 减少了非平衡载流子在结两边的积累，造成Voc下降。 两侧杂质浓度不合适说明光生电流对Voc影响 填充因子的损失 耗尽区复合 Rs Rsh 太阳电池电性能的改进减少表面反射，改进Isc 和Voc 减反膜 使用半光波减反原理。 表面反射率： 其中： 当反射有最小值：对Si来讲， =3.8对应的减反膜的最佳折射率=1.9当有其它材料在硅上面时，要综合考虑其减反效果。例如：封装成电池板后，其减反系统为 这时SiN或TiO2/SiO2厚度要重新考虑。 但要注意的是：减反膜也有吸收。 绒面使用不同的方法将电池的表面制成绒面，使反射率大大下降。a. 选择性腐蚀利用腐蚀液对不同晶向有不同腐蚀速率的特点。例如，我们常用的碱腐绒面的方法，由于在硅（100）面腐蚀速率高于（111），最终形成表面为小金字塔形的绒面。b. 同性腐蚀腐蚀液对硅的腐蚀没有晶向上的选择性，但表面的损伤层腐蚀速率快。利用这一点，在去掉损伤层时，形成绒面 两种方法优缺点的比较： 方法a适合于单晶硅，且绒面易控制，硅片容易清洗，但绒面有尖峰，如果尺寸过大，将影响结的性能。 方法b适合于单晶硅和多晶硅，多用于多晶硅，表面形成凹坑，若某些凹坑太深，不易清洗，且影响结的性能。 表面钝化（改进Isc和Voc） 此钝化膜可同时用作减反膜，所以厚度上要满足减反膜的要求。 由于硅的完整性在表面被破损，引入许多复合中心，使表面的复合大大加强。如果在表面生成一层钝化膜，表面的复合会被减少。 热生长的钝化膜SiO2热生长的SiO2有很好的表面钝化作用，特别是高温干氧热生长的SiO2，钝化作用好，且稳定。如果SiO2中含有大量杂质，表面钝化会大打折扣，甚至可以形成反形层，成为漏电沟道。 PECVD淀积的SixNy这种由PECVD淀积的SixNy，不同于严格按化学比形成的Si3N4,因此，它的折射率是可以调节，而且SixNy中含有大量的氢，这些氢对表面附近的晶界有钝化作用，但高温长时间处理，这种钝化作用将被减弱。SixNy生长受温度，气压及气体流量和辉光功率影响。 T ixOy/SiO2多层钝化膜 SiO2用热氧化生长方法，使表面有好的钝化，TixOy使用APCVD淀积，折射率可调节，生产成本低。 减反效果是二者综合产生的效果。 注意：SiO2非常薄300；厚度不易控制，且受掺杂浓度的影响，但氧化后，从颜色上不易区分厚度差别，淀积TixOy后将会发现它们的差别。 使用背场（BSF），改进电池性能 在电池的背面形成一高掺杂区，即高低结，它的特点是明显的增加Voc，同时对Isc和FF也有改进。 a. 对Voc的改进 ：为P区的电子扩散系数：为P+区的电子扩散系数：为P+区掺杂浓度从能带图上看： b. 对Isc的改进背场对P区少子电子有阻挡作用，这就减少了少子在背表面的复合，增加了PN结对光生载流子的收集率。c. 对FF的改进由P+区的存在，背电极的接触电阻下降，使串联电阻减小。背场对于用高阻材料做成的电池影响显著。因为高阻材料的电池开路电压偏低，用了P+背场后，可使Voc提高。 注意： 当基区电阻率低于0.3-cm（51016/cm3）时，背场的作用就消失了。 减少串联电阻 串联电阻组成： 金属条的电阻（栅线电阻） 顶层的横向电阻 PN结耗尽层电阻 基区电阻 接触电阻（两面）a. 对金属条要求做的窄而厚，即能减少遮光，又能保持低的电阻。b. 顶层扩散浓度，对于一次性扩散的电池要考虑三个问题，因为此扩散层要兼顾多个方面： 形成良好的的P-N结，有较高的Voc 横向电阻不能太大，但要与上电极形成良好的欧姆接触 适当的结深，0.5左右，以防产生较厚的“死层”即对Isc没有贡献顶层。顶层横向电阻计算 由于前表面是使用栅形结构电极，电流就必须横向流过电池材料顶层。 一般用“薄层电阻”来描述这一层的横向电阻。 薄层电阻为电阻率除以这一层的厚度（对均匀掺杂层来讲） 电阻率： 薄层电阻： （/）：为薄层的厚度如何来计算两个栅线的电阻： 共有三个方块，它们以并联方形联结，所以金属栅线之间的电阻为s / 3此情况是三个方块以串联形成联结，栅线之间的电阻为s3基区的电阻 基区的电阻与基区厚度及掺杂有关。 为了使光得以充分吸收，电池必须保持一定的厚度，对晶体硅来讲，300已足够 要考虑少子扩散长度如果厚度大大超过少子扩散长度，多余部分只能增加串联电阻，而对光生电流没有贡献。接触电阻 尽管通过高温处理，形成了良好的欧姆接触，但存在一定的接触电阻，如接触电阻太大，将严重影响串联电阻。一般情况下，它在串联电阻中只占很小的比例，可设计一个结构，测出接触电阻。 基区电阻率对转换效率的影响 实际的太阳电池的上表面层很薄，基区很厚，光子主要在基区被吸收，所以基区电阻率对Isc，Voc，FF，Eff均有较大的影响a. Isc与基区电阻率的关系半导体器件物理与工艺 当电阻率1-cm时，Isc基本一个恒定值，主要因为少子寿命增加，少子扩散长度接近或大于基区厚度。b. oc与基区电阻率的关系在电阻率小于10-cm时，开路电压Voc随电阻率的减少而上升，但这种上升并不是无限的，当电阻率小于某一数值后，开路电压Voc会随电阻率的减少而减少。 半导体器件物理与工艺因此，使Voc取最佳值时的掺杂浓度和寿命参数之间有一个互相制约的关系c. FF 与基区电阻率的关系 在基区电阻率10-cm时,填充因子下降，原因是少子扩散长度大于基区厚度，属于高注入情况，这时PN结正向注入电流与电压为exp( qv/2KT)关系。 半导体器件物理与工艺d. EFF 与基区电阻率的关系 在低电阻区，EFF的下降是由Isc下降造成的。 在高电阻区，EFF的下降则是由Voc和FF下降引起的。扩散层薄层电阻（方块电阻） 在扩散工艺中，方块电阻是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要标志之一。 对应于一对确定数值的结深和薄层电阻，扩散层的杂质分布就是确定的。 薄层电阻的定义 扩散层的薄层电阻也称方块电阻，常用Rs或R表示，它是指表面为正方形的半导体薄层，在电流方向（电流方向平行于正方形的某边）所呈现的电阻。薄层电阻的大小与薄层的平均电阻率成正比 与薄层的厚度成反比 与薄正方形的边长无关 其单位为：/ 薄层电阻的物理定义 在半导体中，电阻率与杂质浓度之间关系为：当我们对掺杂浓度取平均值时： 所以： 注意： 为单位表面积扩散薄层内的净杂质总量。Rs的大小就直接反映了扩入硅片内部的净杂质总量的多少。 薄层电阻越小，表示扩入硅片的净杂质越多，反之，扩入的就越少。还要注意的是：不同的杂质分布和结深可获得同样的Rs，这是实际设计和工艺中常遇到的问题。例如下图中的两个分布曲线，可获得同样的Rs。 扩散层薄层电阻的测试 现在常用的是四探针法，外边两探针通电流，中间两探针测电压，而后换算出Rs。 半导体器件工艺原理 C 称做修正因子，其数值的大小除与样品形状和大小有关，还与样品是单层扩散还是双层扩散等因素有关。工艺卫生 为什么半导体制造业特别注重工艺卫生？ 是基于下面的原因： 半导体的主要特性之一就是对杂质十分敏感，只要有百万分之一，甚至更微乎的杂质就会对半导体的物理特性产生影响。 我们利用这一特性，通过掺杂的方法，制作各种功能的半导体器。 但是，也由于这一特性，给半导体器件生产带来麻烦和困扰。 也就是说，如果没有良好的工艺卫生条件，永远做不出好器件。工艺卫生的目的是什么？ 我们的硅片是高纯材料，在工艺过程中，我们要避免任何有害杂质进入硅片体内。污染源及控制措施 空气 厂房设备1.建筑材料 2. 使用工具 工作人员 工艺使用水 工艺化学溶液 工艺化学气体 空气普通空气中会有许多污染物，只有经过处理后才能进入洁净室 目前，我们控制最严的地方是扩散间，但与它相关的一些工艺过程不合要求，要改进：a. 硅片甩干区间工艺卫生要加强b. 石英管清洗间工艺要加强c. PECVD装片区域工艺卫生要加强 厂房设备a. 建筑材料不能产生灰尘b. 设备运行产生的废气等要控制处理c. 设备维修时要使用专用工具d. 设备维修人员要严格按照工艺卫生要求，听从工艺人员的指导e. 设备维修后要认真打扫卫生 人员产生的污染 洁净室内工作人员是最大的污染源之一，每个工作人员每份钟可以释放100万500万个颗粒：这些主要的来自：a. 脱落的头发和坏死的皮肤b. 发胶，化妆品，染发剂，普通的衣服c. 人类的呼吸，特别是由人体产生的钠（在汗及呼吸中）对半导体器件更是杀手因此，它根据洁净室不同等级，为工作人员配备相应的工作服在进行工艺操作时，要戴相应的手套 工艺用水 普通水含有大量洁净室不能接受的污染物a. 溶解的矿物质b. 颗粒 c. 细菌d. 有机物e. 溶解氧f. 二氧化碳 这些杂质都要通水处理系统清除，最后成为去离子水。 一般要求，15M以上，这是从水管中测到的。如果放入水池后不流动，水的电阻率会大大下降，因水会吸附空气中的杂质。 因此不流动的去离子水已不再是高纯去离子水，所以在硅片加工中，一定要保持一定的换水量，否则，硅片就洗不干净。 工艺化学药品 化学药品在半导体 制造过程中大量使用，与水不同的是，所有工艺化学品都是采购来的，直接运到工厂使用， 工业化学药品一般分为： 一般溶剂 化学试剂 电子级 半导体级 前两种对我们来讲太脏，但在某些工序中也可以使用，一般应使用电子级 化学品的主要污染是移动的金属离子，通常必须限制在0.01（ppmarts per