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【摘 要】 本文针对硼扩散下多晶黑硅的表面复合速率高光电转换效率低的问题，在多晶黑硅太阳电池片上采用了多步变温扩散工艺增加前氧化工艺方法，研究了多步硼扩散工艺下进行的方阻梯度变化情况。结果表明：多晶黑硅在背面硼扩散方阻280Ω左右的条件下，电性能最佳，方阻过高或过低均不利于电池片光电转换。
【关键词】 多晶黑硅;硼扩散;多步扩;方阻;转换效率
【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0100-03
1引言
目前在晶硅太阳能产业链中，由于硅片的切割技术已由原本的砂线切割改为金刚线切割，单晶硅硅基电池以其技术路线成熟效率高的特点已逐渐在市场占有率上高于多晶硅。加上经过制绒后的单晶硅片反射率通常在11%左右，而砂浆切割的多晶硅片反射率为18%左右，因此多晶电池片更不具有竞争优势。但由于黑硅有着优越的陷光作用，于是将黑硅多晶金属催化化学腐蚀法制绒工艺（Metal-catalyzed chemical etching，简称MCCE）应用到金刚线切割多晶硅片后，反射率可以降低至12%左右，并大幅降低多晶电池片的光学损失，提高多晶电池的转换效率，从而逐步缩小多晶电池与单晶电池的效率差异。另外，多晶电池片本身加工成本较低，在缩小电池片转换效率之后，给多晶黑硅电池带来了转机。在晶硅电池中影响光电转换效率的主要因素一是载流子表面复合速率;二是硅铝背接触的接触电阻。但传统铝背场以吸杂与钝化来增加少子寿命来提高光电转换效率也不满足目前的高效电池要求，如何进一步降低表面复合速率提高光电转换效率的研究显得更加重要。因此本文采用了优化硼扩散工艺的方法来实现此目的。
2实验材料与实验步骤
实验中所需要的原辅材为产线正常生产中使用材料，多晶硅片为掺硼N型硅片，外观尺寸为156.75mm×156.75mm，硅片厚度为180±20μm，硅片电阻率为1-3Ω·cm，在现有的普通多晶和PERC单晶电池片生产线上，利用现有工艺设备条件进行高效多晶电池片黑硅实验，高效多晶电池片工艺流程为：
硅片检测-黑硅绒面工艺-背面硼扩散-刻蚀清洗-背面Si3N4-边缘清洗-正面P扩散-PSG清洗-正面PECVD-背面激光开孔-电极浆料印刷-烧结测试-效率分选。
3实验结果分析
本文在使用N型硅片进行测试时，需要首先经过KOH与添加剂制绒工艺。目的是去除硅片表面的机械损伤和金属杂质及油污，再經过HF与HCl清洗后方可继续进行扩散工艺使用在普通的常压硼扩散条件下，所需的硼源为BBr3由于其分子量较大，使得N2携带源瓶的硼源后在炉体内分布不均匀，导致硼扩散后的方阻均匀性比磷扩散差，如图1所示。
硼扩散工艺通常的方阻要求较高，因为方阻高可以减少发射结的“死层”，同时PN结越靠近表面，电池表面表面输出电流越大。然而通常情况下，硼扩散后的硅片方阻离散性较大如图1。因此需要对原工艺实验优化，优化步骤如下：
（1）对硼扩散工艺结构进行优化，具体如下表1。
效率情况如表2
表1和表2是硼扩散结构从原先的单步扩散改为多步扩散，方法首先增加前氧化，并将扩散与推进温度由恒温改为变温。这样做的目的是在硼源进入炉体前，可在硅片表面形成SiO2层，使得硼源在接触硅片表面时，可以快速反应。同时变温扩散和推进可以更好地在硅片表面沉积B，从而使得硅片表面积累大量B形成高浓度B从而有利于扩散的进行。进一步改善单片电池的片内方阻的均匀性。
在相同的硼扩散方阻（180Ω左右）条件下，优化后的工艺多步硼扩散可以在单步硼扩散基础上提升效率0.16%（如表2），主要体现在Voc和Isc的提升。说明在多步硼扩散工艺条件下，高方阻轻掺（浅结轻掺即方阻越高结深越浅）掺杂硼原子的浓度低，通源与趋进时间短，开路压高不易发生漏电的现象。同时浅结轻掺表面复合小，暗电流小，故短路电流也高，因此硅片背面的硼扩散可以更有效地提高硅片少子寿命。硼扩散工艺的优化对其余参数（FF等）并没有造成明显的影响。
（2）多步硼扩散工艺讨论方阻梯度
为了进一步分析不同浅结轻掺对电池转换效率的影响，进行了3组高方阻梯度实验（表3）。实验结果表明，黑硅背面硼扩散方阻对高效多晶电池片效率影响不大，但过低的方阻（205Ω）下效率较低。原因是过低的方阻意味着硼扩散会沉积更多的杂质，杂质过多，死层较大，不利于光电转换，同时电池片的载流子复合严重，少数载流子复合速率提高，直接导致低方阻下电池片效率较低。
在高方阻条件下（283Ω和367Ω），更高的方阻条件下，电池片效率仍会降低0.05%，说明在更高的方阻时，硅片背面并没有形成足够的硼扩散场，不能有效降低硅片背面复合，方阻太高吸杂效果不佳，硅晶体中存在较多的缺陷。因此在扩散工艺调试中，扩散方阻既不能过高也不能过低。同时，梯度实验也表明，硼扩散方阻适合高方阻条件在280Ω左右，而通常的正面磷扩散适合较低的方阻（100Ω左右），不同的工艺有着不同的工艺窗口，需要在实际调试中进行大量的优化实验，找到工艺合适的方阻条件。
（3）多步硼扩散工艺下不同方阻的量子效率响应
量子效率代表着不同波段的光谱响应。从图2中可以看到，不同阻值下的量子效率在短波段阻值越高对光的响应效果越好，说明短波段掺杂浓度越浅，表面载流子复合几率越小。在中长波段283Ω的方阻显示了很好的外量子特性即在该方阻下电池收集到的光生载流子浓度较高，说明扩散方阻高掺杂或低掺均不适合该波段，同时低方阻205Ω下的量子响应最差。说明三个方阻相对高掺杂对表面有一定“死层”，不利于长波的吸收，进而增加了表面的复合几率，外量子效率在该波段响应不佳。
4结论
多步扩散增加前氧化，可以使硼在硅片表面形成SiO2层，更有利硼扩散，可以快速反应。变温扩散和推进可以在硅片表面形成硼高浓度，更有利于B扩散。
多步硼扩散工艺比单步硼扩散效率提升0.16%，主要体现在Voc的提升。说明多步硼扩散能有效地提高硅片少子寿命。
扩散工艺调试中，扩散方阻280Ω左右为最佳。过低的方阻意味着硼扩散会沉积更多的杂质会，影响电池片的开路电压Voc和短路电流，结果导致低方阻下电池片效率较低。过高的方阻硅片背面并没有形成足够的硼扩散场，以致硅片背面复合光谱响应不佳。
【参考文献】
[1]王平.黑硅结构在太阳电池中的应用[D].无锡：江南大学，2019
[2]郭丽，梁玲，张波，等.太阳能电池湿法设备浓度恒定的PLC校准方法[J].山西能源学院学报，2020，33（5）：98-99.
[3]Savin H， Repo P. Von Gastrow G. et al. Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve22.1% efficiency[J].Nature nanotechnology，2015，10（7）：624
[4]陈春明，沈鸿烈，李琰琪，等.金刚线切割多晶硅片表面酸制绒效果研究[J].半导体光电，2019，40（002）：215-219，225.
[5]洪捐.硼掺杂硅纳米浆料制备及其在高效晶硅太阳能电池背场中的应用基础研究[D].南京：南京航空航天大学，2016.
[6]王静，张东升.单晶硅太阳电池高阻密栅工艺的研究[J].电子技术与软件工程，2017（14）：138.
[7]陈同银.RIE黑硅多晶太阳电池的工艺研究[D].上海：华东理工大学，2016.
【关键词】 多晶黑硅;硼扩散;多步扩;方阻;转换效率
【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0100-03
1引言
目前在晶硅太阳能产业链中，由于硅片的切割技术已由原本的砂线切割改为金刚线切割，单晶硅硅基电池以其技术路线成熟效率高的特点已逐渐在市场占有率上高于多晶硅。加上经过制绒后的单晶硅片反射率通常在11%左右，而砂浆切割的多晶硅片反射率为18%左右，因此多晶电池片更不具有竞争优势。但由于黑硅有着优越的陷光作用，于是将黑硅多晶金属催化化学腐蚀法制绒工艺（Metal-catalyzed chemical etching，简称MCCE）应用到金刚线切割多晶硅片后，反射率可以降低至12%左右，并大幅降低多晶电池片的光学损失，提高多晶电池的转换效率，从而逐步缩小多晶电池与单晶电池的效率差异。另外，多晶电池片本身加工成本较低，在缩小电池片转换效率之后，给多晶黑硅电池带来了转机。在晶硅电池中影响光电转换效率的主要因素一是载流子表面复合速率;二是硅铝背接触的接触电阻。但传统铝背场以吸杂与钝化来增加少子寿命来提高光电转换效率也不满足目前的高效电池要求，如何进一步降低表面复合速率提高光电转换效率的研究显得更加重要。因此本文采用了优化硼扩散工艺的方法来实现此目的。
2实验材料与实验步骤
实验中所需要的原辅材为产线正常生产中使用材料，多晶硅片为掺硼N型硅片，外观尺寸为156.75mm×156.75mm，硅片厚度为180±20μm，硅片电阻率为1-3Ω·cm，在现有的普通多晶和PERC单晶电池片生产线上，利用现有工艺设备条件进行高效多晶电池片黑硅实验，高效多晶电池片工艺流程为：
硅片检测-黑硅绒面工艺-背面硼扩散-刻蚀清洗-背面Si3N4-边缘清洗-正面P扩散-PSG清洗-正面PECVD-背面激光开孔-电极浆料印刷-烧结测试-效率分选。
3实验结果分析
本文在使用N型硅片进行测试时，需要首先经过KOH与添加剂制绒工艺。目的是去除硅片表面的机械损伤和金属杂质及油污，再經过HF与HCl清洗后方可继续进行扩散工艺使用在普通的常压硼扩散条件下，所需的硼源为BBr3由于其分子量较大，使得N2携带源瓶的硼源后在炉体内分布不均匀，导致硼扩散后的方阻均匀性比磷扩散差，如图1所示。
硼扩散工艺通常的方阻要求较高，因为方阻高可以减少发射结的“死层”，同时PN结越靠近表面，电池表面表面输出电流越大。然而通常情况下，硼扩散后的硅片方阻离散性较大如图1。因此需要对原工艺实验优化，优化步骤如下：
（1）对硼扩散工艺结构进行优化，具体如下表1。
效率情况如表2
表1和表2是硼扩散结构从原先的单步扩散改为多步扩散，方法首先增加前氧化，并将扩散与推进温度由恒温改为变温。这样做的目的是在硼源进入炉体前，可在硅片表面形成SiO2层，使得硼源在接触硅片表面时，可以快速反应。同时变温扩散和推进可以更好地在硅片表面沉积B，从而使得硅片表面积累大量B形成高浓度B从而有利于扩散的进行。进一步改善单片电池的片内方阻的均匀性。
在相同的硼扩散方阻（180Ω左右）条件下，优化后的工艺多步硼扩散可以在单步硼扩散基础上提升效率0.16%（如表2），主要体现在Voc和Isc的提升。说明在多步硼扩散工艺条件下，高方阻轻掺（浅结轻掺即方阻越高结深越浅）掺杂硼原子的浓度低，通源与趋进时间短，开路压高不易发生漏电的现象。同时浅结轻掺表面复合小，暗电流小，故短路电流也高，因此硅片背面的硼扩散可以更有效地提高硅片少子寿命。硼扩散工艺的优化对其余参数（FF等）并没有造成明显的影响。
（2）多步硼扩散工艺讨论方阻梯度
为了进一步分析不同浅结轻掺对电池转换效率的影响，进行了3组高方阻梯度实验（表3）。实验结果表明，黑硅背面硼扩散方阻对高效多晶电池片效率影响不大，但过低的方阻（205Ω）下效率较低。原因是过低的方阻意味着硼扩散会沉积更多的杂质，杂质过多，死层较大，不利于光电转换，同时电池片的载流子复合严重，少数载流子复合速率提高，直接导致低方阻下电池片效率较低。
在高方阻条件下（283Ω和367Ω），更高的方阻条件下，电池片效率仍会降低0.05%，说明在更高的方阻时，硅片背面并没有形成足够的硼扩散场，不能有效降低硅片背面复合，方阻太高吸杂效果不佳，硅晶体中存在较多的缺陷。因此在扩散工艺调试中，扩散方阻既不能过高也不能过低。同时，梯度实验也表明，硼扩散方阻适合高方阻条件在280Ω左右，而通常的正面磷扩散适合较低的方阻（100Ω左右），不同的工艺有着不同的工艺窗口，需要在实际调试中进行大量的优化实验，找到工艺合适的方阻条件。
（3）多步硼扩散工艺下不同方阻的量子效率响应
量子效率代表着不同波段的光谱响应。从图2中可以看到，不同阻值下的量子效率在短波段阻值越高对光的响应效果越好，说明短波段掺杂浓度越浅，表面载流子复合几率越小。在中长波段283Ω的方阻显示了很好的外量子特性即在该方阻下电池收集到的光生载流子浓度较高，说明扩散方阻高掺杂或低掺均不适合该波段，同时低方阻205Ω下的量子响应最差。说明三个方阻相对高掺杂对表面有一定“死层”，不利于长波的吸收，进而增加了表面的复合几率，外量子效率在该波段响应不佳。
4结论
多步扩散增加前氧化，可以使硼在硅片表面形成SiO2层，更有利硼扩散，可以快速反应。变温扩散和推进可以在硅片表面形成硼高浓度，更有利于B扩散。
多步硼扩散工艺比单步硼扩散效率提升0.16%，主要体现在Voc的提升。说明多步硼扩散能有效地提高硅片少子寿命。
扩散工艺调试中，扩散方阻280Ω左右为最佳。过低的方阻意味着硼扩散会沉积更多的杂质会，影响电池片的开路电压Voc和短路电流，结果导致低方阻下电池片效率较低。过高的方阻硅片背面并没有形成足够的硼扩散场，以致硅片背面复合光谱响应不佳。
【参考文献】
[1]王平.黑硅结构在太阳电池中的应用[D].无锡：江南大学，2019
[2]郭丽，梁玲，张波，等.太阳能电池湿法设备浓度恒定的PLC校准方法[J].山西能源学院学报，2020，33（5）：98-99.
[3]Savin H， Repo P. Von Gastrow G. et al. Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve22.1% efficiency[J].Nature nanotechnology，2015，10（7）：624
[4]陈春明，沈鸿烈，李琰琪，等.金刚线切割多晶硅片表面酸制绒效果研究[J].半导体光电，2019，40（002）：215-219，225.
[5]洪捐.硼掺杂硅纳米浆料制备及其在高效晶硅太阳能电池背场中的应用基础研究[D].南京：南京航空航天大学，2016.
[6]王静，张东升.单晶硅太阳电池高阻密栅工艺的研究[J].电子技术与软件工程，2017（14）：138.
[7]陈同银.RIE黑硅多晶太阳电池的工艺研究[D].上海：华东理工大学，2016.