硅太陽(yáng)能電池?cái)U(kuò)散工序相關(guān)知識(shí)第一頁(yè)，共41頁(yè)。1.目錄目錄半導(dǎo)體PN結(jié)擴(kuò)散電池效率的損失擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)擴(kuò)散與燒結(jié)第二頁(yè)，共41頁(yè)。在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整、不含缺陷的半導(dǎo)體晶體。+4+4+4+4+4+4+4+4+42.1本征半導(dǎo)體2.半導(dǎo)體束縛電子第三頁(yè)，共41頁(yè)。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴。2.1本征半導(dǎo)體2.半導(dǎo)體第四頁(yè)，共41頁(yè)。雜質(zhì)元素：磷，砷多子：電子少子：空穴P：施主雜質(zhì)(提供電子)+++++++++++++++多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子型半導(dǎo)體在本征Si和Ge中摻入微量五價(jià)元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。2.半導(dǎo)體2.2非本征半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4P+5第五頁(yè)，共41頁(yè)。2.半導(dǎo)體2.2非本征半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在本征Si和Ge中摻入微量三價(jià)元素后形成的雜質(zhì)半導(dǎo)體。---------------負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子雜質(zhì)元素：硼，銦多子：空穴少子：電子P：受主雜質(zhì)(提供空穴)+4+4+4+4+4+4+4+4B+3第六頁(yè)，共41頁(yè)。3.PN結(jié)3.1結(jié)的種類(lèi)同質(zhì)結(jié)：相同材料形成的結(jié)(如不同參雜的硅片)異質(zhì)結(jié)：不同材料形成的結(jié)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(兩種半導(dǎo)體材料之間組成的結(jié))半導(dǎo)體-非半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(肖特基勢(shì)壘結(jié)、MOS、MIS)結(jié)第七頁(yè)，共41頁(yè)。+++++++++++++++---------------多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)建立內(nèi)電場(chǎng)P區(qū)N區(qū)3.PN結(jié)少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散

空間電荷區(qū)加寬內(nèi)電場(chǎng)EIN增強(qiáng)少子漂移促使阻止

空間電荷區(qū)變窄內(nèi)電場(chǎng)EIN削弱3.2PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)。第八頁(yè)，共41頁(yè)。3.PN結(jié)3.3能帶圖和光伏效應(yīng)基本概念能級(jí)：電位能的級(jí)別。能帶：大量的能級(jí)形成能帶。價(jià)帶：在絕對(duì)零度下能被電子占滿的最高能帶，全充滿的能帶中的電子不能再固體中自由運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)帶：自由電子形成的能量空間。即固體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的電子所具有的能量范圍。費(fèi)米能級(jí)：該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率為1/2，用來(lái)衡量系統(tǒng)能級(jí)的水平。第九頁(yè)，共41頁(yè)。3.PN結(jié)3.3能帶圖和光伏效應(yīng)費(fèi)米原理和費(fèi)米能級(jí)一般而言，電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的幾率是不等的。占據(jù)低能級(jí)的電子多而占據(jù)高能級(jí)的電子少。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出，電子占據(jù)能級(jí)的幾率遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為：f(E)稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)，k、T分別為玻爾茲曼常數(shù)和絕對(duì)溫度，EF稱為費(fèi)米能級(jí)。只要知道EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定了。在一定的溫度下，費(fèi)米能級(jí)附近的部分能量小于EF的電子會(huì)被激發(fā)到EF以上，溫度越高，被激發(fā)的概率越大。第十頁(yè)，共41頁(yè)。3.PN結(jié)3.3能帶圖和光伏效應(yīng)費(fèi)米原理和費(fèi)米能級(jí)當(dāng)E-EF＞5kT時(shí)，f(E)＜0.007當(dāng)E-EF＜-5kT時(shí)，f(E)＞0.993k≈1.38x10-23J/K在參雜半導(dǎo)體中，如果是N型半導(dǎo)體，由于電子占據(jù)導(dǎo)帶的幾率較大，則EF的位置上移靠近導(dǎo)帶底，如果是P型半導(dǎo)體，EF下移靠近價(jià)帶頂。參雜很重時(shí)，EF可以進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶。第十一頁(yè)，共41頁(yè)。3.PN結(jié)3.3能帶圖和光伏效應(yīng)能帶圖第十二頁(yè)，共41頁(yè)。3.PN結(jié)IRsRLRshILVIF電池工作時(shí)共有三股電流：光生電流IL，在光生電壓V作用下的pn結(jié)正向電流IF，流經(jīng)外電路的電流I，IL和IF都流經(jīng)pn結(jié)內(nèi)部，方向相反。根據(jù)pn結(jié)整流方程，在正向偏壓V作用下，流過(guò)結(jié)的正向電流為IF=Is[exp(qV/koT)-1]電池與負(fù)載聯(lián)通，流過(guò)負(fù)載的電流為I=IL-IF=IL-Is[exp(qV/koT)-1]由上式可得V=(koT/q)ln[(IL-I)/IS+1]3.4等效電路圖第十三頁(yè)，共41頁(yè)。3.PN結(jié)合金結(jié)：熔化合金→再結(jié)晶（雜質(zhì)分凝）→形成p-n結(jié)。生長(zhǎng)結(jié)：拉制單晶；CVD；MBE。生長(zhǎng)晶體時(shí)改變摻雜型號(hào).擴(kuò)散或離子注入結(jié)：在襯底中摻入反型雜質(zhì)（雜質(zhì)補(bǔ)償）。高溫?cái)U(kuò)散的概念：擴(kuò)散機(jī)理有替位式擴(kuò)散（例如硼、磷等在Si中的擴(kuò)散）和間隙式擴(kuò)散（如金在Si中的擴(kuò)散）。雜質(zhì)替位式擴(kuò)散的速度慢，擴(kuò)散溫度高（800oC~1200oC），間隙式擴(kuò)散的速度很快（在1000oC下10分鐘就可擴(kuò)散200~300μm的深度），擴(kuò)散溫度較低一些800oC~1050oC）。替位式擴(kuò)散間隙式擴(kuò)散3.5制備方法第十四頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散假定在無(wú)對(duì)流液體（或氣體）稀釋溶液中，按一維流動(dòng)形式，每單位面積內(nèi)的溶質(zhì)傳輸可由如下方程描述：(1)式中J是單位面積溶質(zhì)的傳輸速率（或擴(kuò)散通量），N是溶質(zhì)的濃度，假定它僅僅是x和t的函數(shù)，x是溶質(zhì)流動(dòng)方向的坐標(biāo)，t是擴(kuò)散時(shí)間，D是擴(kuò)散系數(shù)。(1)式稱為Fick擴(kuò)散第一定律。它表明物質(zhì)按溶質(zhì)濃度減少的方向（梯度的負(fù)方向）流動(dòng)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化必須與擴(kuò)散通量隨位置的變化一樣，即：(2)4.1擴(kuò)散定律第十五頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散將(1)式帶入(2)式，得到一維形式的Fick第二定律：(3)溶質(zhì)濃度不高時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以認(rèn)為是常數(shù)，(3)式便成為：(4)上式稱為簡(jiǎn)單的Fick擴(kuò)散方程。4.1擴(kuò)散定律第十六頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散恒定表面濃度擴(kuò)散雜質(zhì)原子由氣態(tài)源傳送到半導(dǎo)體表面，然后擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體硅晶片，在擴(kuò)散期間，氣態(tài)源維持恒定的表面濃度。初始條件：t=0時(shí)，N(x,0)=0；邊界條件：N(0,t)=Ns，N(∞,t)=0；解擴(kuò)散方程，得

——余誤差分布4.2擴(kuò)散方式第十七頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散式中，――特征擴(kuò)散長(zhǎng)度（um)；Ns=NSi(雜質(zhì)在Si中的固溶度)；erf(x)—誤差函數(shù)（errorfunction);erfc(x)—余誤差函數(shù)(complementaryerrorfunction)；4.2擴(kuò)散方式第十八頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散恒定摻雜總量擴(kuò)散在擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)源限定于擴(kuò)散前淀積在晶片表面極薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量Q，硅片內(nèi)的雜質(zhì)量保持不變，沒(méi)有外來(lái)雜質(zhì)補(bǔ)充，也不會(huì)減少。初始條件：(假設(shè)擴(kuò)散開(kāi)始時(shí)，雜質(zhì)總量均勻分布在厚度為δ的薄層內(nèi))N(x,0)=Q/δ=Ns,0≤x≤δ；N(x,0)=0,x>δ；邊界條件：N(∞,t)=0；解擴(kuò)散方程，得——高斯分布4.2擴(kuò)散方式第十九頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散式中為表面濃度。結(jié)深為4.2擴(kuò)散方式第二十頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散兩步擴(kuò)散1、預(yù)擴(kuò)散或預(yù)沉積，采用恒定表面源擴(kuò)散方式。且溫度低、時(shí)間短，因而擴(kuò)散的很淺，可以認(rèn)為雜質(zhì)沉積在一薄層上。目的是為了控制雜質(zhì)總量，雜質(zhì)按余誤差函數(shù)分布。4.2擴(kuò)散方式2、主擴(kuò)散或再分布，是將由預(yù)擴(kuò)散引入的雜質(zhì)作為擴(kuò)散源，在高溫條件下進(jìn)行擴(kuò)散。目的是為了控制表面濃度和擴(kuò)散深度，雜質(zhì)按高斯函數(shù)形式分布。第二十一頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散結(jié)深p-n結(jié)所在的幾何位置，即擴(kuò)散雜質(zhì)濃度與襯底雜質(zhì)濃度相等的位置到硅片表面的距離，用xj標(biāo)示。4.3擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散層方塊電阻它表示正方形的擴(kuò)散薄層在電流方向上所呈現(xiàn)出來(lái)的電阻。由電阻公式R=ρL/S可知，當(dāng)薄層中雜質(zhì)均勻分布時(shí)，薄層電阻表達(dá)式可以寫(xiě)成：Rs=ρL/xjL=ρ/xj=1/xjσ由上式可知，薄層電阻的大小與平均電導(dǎo)率成反比，與薄層厚度成反比。第二十二頁(yè)，共41頁(yè)。4.擴(kuò)散當(dāng)薄層中雜質(zhì)分布不均時(shí)，ρ是不均勻的，計(jì)算公式如下：4.3擴(kuò)散參數(shù)實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)四探針測(cè)試儀測(cè)試方塊電阻。右圖為四探針測(cè)試儀示意圖，外面兩根探針施加恒定電流，中間兩根探針測(cè)試電位差，電壓電流之比再乘以一個(gè)系數(shù)即可得到方塊電阻數(shù)值，公式如下：Rs=kV/Ik為常數(shù)。第二十三頁(yè)，共41頁(yè)。串并聯(lián)電阻方塊電阻六大控制工藝四大特征三個(gè)參數(shù)清洗織構(gòu)化擴(kuò)散制備SiNx絲網(wǎng)印刷燒結(jié)測(cè)試表面鈍化特性結(jié)特性電極接觸特性減反射特性短路電流開(kāi)路電壓填充因子量子響應(yīng)曲線飽和電流5.電池效率的損失5.1太陽(yáng)能電池的主要控制因素第二十四頁(yè)，共41頁(yè)。5.電池效率的損失光學(xué)損失反射損失柵線電極遮光損失措施：表面制絨、減反膜、優(yōu)化頂電極柵線設(shè)計(jì)內(nèi)量子效率：被電池吸收的每個(gè)光子，在短路電流條件下，所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)被PN結(jié)收集的比例。外量子效率：每個(gè)注入的光子所產(chǎn)生的電流，在短路條件下流到外電路的多少。5.2電池效率的損失內(nèi)量子效率一般要高于外量子效率。第二十五頁(yè)，共41頁(yè)。5.電池效率的損失輻射復(fù)合：吸收的反過(guò)程。在半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管中適用，對(duì)硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)不顯著。俄歇復(fù)合：電子和空穴復(fù)合釋放多余的能量，這些多余的能量被另一個(gè)電子吸收，該電子弛豫返回原來(lái)的能態(tài)并釋放聲子。通過(guò)陷阱復(fù)合：當(dāng)半導(dǎo)體的雜質(zhì)或表面的界面陷阱在禁帶間隙中產(chǎn)生允許的能級(jí)時(shí)，這個(gè)復(fù)合就能發(fā)生。電子分兩個(gè)階段完成與空穴的復(fù)合，首先電子躍遷到缺陷能級(jí)，然后再躍遷到價(jià)帶。載流子的復(fù)合5.2電池效率的損失第二十六頁(yè)，共41頁(yè)。5.電池效率的損失溫度效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體而言，禁帶寬度的溫度系數(shù)一般為負(fù)。隨著溫度上升，帶隙變窄，增強(qiáng)電池對(duì)光的吸收而使Isc略微上升；但帶隙變窄會(huì)增大反向飽和電流，而使Voc下降，F(xiàn)F也下降。5.2電池效率的損失第二十七頁(yè)，共41頁(yè)。5.電池效率的損失串并聯(lián)電阻串聯(lián)電阻主要來(lái)源于半導(dǎo)體材料的體電阻、電極電阻、載流子在頂部擴(kuò)散層的運(yùn)輸，以及金屬和半導(dǎo)體材料之間的接觸電阻。并聯(lián)電阻主要由復(fù)合及漏電造成的。5.2電池效率的損失第二十八頁(yè)，共41頁(yè)。5.電池效率的損失少子濃度減小到原來(lái)的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。us數(shù)量級(jí)。多晶硅中存在大量的微缺陷和較多的銅、鐵、鎳、錳、鈦等金屬雜質(zhì)，由于這些微缺陷和金屬雜質(zhì)形成了一些深能級(jí)，并成為光生少數(shù)載流子的復(fù)合中心。實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)得的是體復(fù)合和表面復(fù)合共同作用的少子壽命，公式如下：影響因素：雜質(zhì)電阻率溫度(一般情況下，少子壽命隨著溫度的上升先降后升)表面狀態(tài)硅片厚度5.3少子壽命第二十九頁(yè)，共41頁(yè)。5.電池效率的損失5.3少子壽命第三十頁(yè)，共41頁(yè)。5.電池效率的損失措施1：吸雜措施2：生長(zhǎng)SiNx膜生長(zhǎng)SiNx膜后少子壽命有明顯提高，這主要是由于生長(zhǎng)過(guò)程中活潑的富氫集團(tuán)向多晶硅體內(nèi)擴(kuò)散，與缺陷或晶界等符合中心結(jié)合，在表面則與表面復(fù)合中心如位錯(cuò)和懸掛鍵結(jié)合，形成體內(nèi)與表面雙重氫鈍化效果，大大提高了多晶硅的少子壽命。改善措施5.3少子壽命第三十一頁(yè)，共41頁(yè)。6.擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)頂電極柵線設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化電流收集來(lái)減少由于內(nèi)部電阻和電池遮光而產(chǎn)生的效率損失。電阻的影響6.1擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì)薄層電阻的重要性之一，在于他決定了定電極柵線之間的理想間隔，圖中dy區(qū)域造成的功率損失由dP=I2dR求得，dR=ρdy/b，I(y)是橫向電流。在均勻的光照下，I(y)在兩條柵線的正中間為零，并且向兩側(cè)柵線方向線性增加，在柵線處達(dá)到最大。因而I(y)又等于Jdy，J為電流密度。所以總的功率損失為第三十二頁(yè)，共41頁(yè)。6.擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)其中，s是兩條柵線的間隔距離。在最大功率點(diǎn)，產(chǎn)生的功率為所以功率損耗百分比為因此，頂電極柵線的最小間距可以由計(jì)算得出。例如，如果一個(gè)典型的硅太陽(yáng)能電池的ρ=40Ω/□，Jmp=30mA/cm2，Vmp=450mV，則要使因橫向電阻影響而引起的功率損失小于4%，必須使s＜4mm。6.1擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì)第三十三頁(yè)，共41頁(yè)。6.擴(kuò)散與柵線設(shè)計(jì)柵線的影響柵線的影響柵線遮光面積柵線電阻接觸電阻滿足柵線設(shè)計(jì)最優(yōu)化從以下三方面考慮柵線電阻損失等于柵線遮光損失時(shí)，柵線寬度最佳。漸變的柵線寬度設(shè)計(jì)優(yōu)于固定柵線寬度設(shè)計(jì)。副柵寬度和間距越小，效率損失越小。6.1擴(kuò)散與頂電極柵線設(shè)計(jì)第三十四頁(yè)，共41頁(yè)。7.擴(kuò)散與燒結(jié)有機(jī)物揮發(fā)階段燃燒有機(jī)物及升溫階段峰值溫度區(qū)間，形成合金電極降溫階段1234燒結(jié)溫度曲線7.1燒結(jié)溫度曲線第三十五頁(yè)，共41頁(yè)。7.擴(kuò)散與燒結(jié)有機(jī)溶劑揮發(fā)形成AgO殼玻璃料穿透SiN層PbO+SiPb+SiO2玻璃料腐蝕硅并析出AgO與硅反應(yīng)并析出Ag2O+SiPb+SiO2液態(tài)Pb與Ag形成液態(tài)Pb-Ag相液態(tài)Pb-Ag相腐蝕硅(100)面冷卻時(shí)Ag在硅(111)面結(jié)晶從Ag-Si相圖看：