李琛

摘?要：光伏產(chǎn)業(yè)對(duì)高效率和低成本太陽(yáng)能電池的需求促進(jìn)了太陽(yáng)能電池制造工藝的不斷優(yōu)化。在制造過(guò)程中，控制硅晶片尺寸和硅中雜質(zhì)濃度的需求變得越來(lái)越重要。目前，太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線包括采用柴可拉斯基工藝制作硅錠，將硅錠切塊，晶圓切片，紋理化，發(fā)射極擴(kuò)散，邊緣隔離，抗反射涂層，絲網(wǎng)印刷，退火以及最終測(cè)試。該生產(chǎn)線的每個(gè)步驟都可以分別進(jìn)行優(yōu)化，以提高太陽(yáng)能電池的效率。文中主要研究n型接觸極鈍化多晶硅太陽(yáng)能電池的硼擴(kuò)散過(guò)程，研究擴(kuò)散曲線對(duì)太陽(yáng)能電池效率的影響。首先，使用EDNA2進(jìn)行仿真模擬以確定重?fù)诫s區(qū)的參數(shù)，進(jìn)而使用Quokka軟件進(jìn)行進(jìn)一步模擬，從而獲得光伏參數(shù)開路電壓（VOC）和填充因數(shù)（FF），并確定最佳擴(kuò)散溫度和時(shí)間，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)節(jié)省大量時(shí)間并提供指導(dǎo)方案。通過(guò)對(duì)擴(kuò)散溫度和氧化時(shí)間的分析，優(yōu)化擴(kuò)散過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，提高太陽(yáng)能電池的性能。最終將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相對(duì)應(yīng)，判斷工藝優(yōu)化是否有效，符合預(yù)期結(jié)果。

關(guān)鍵詞：硼擴(kuò)散溫度;氧化時(shí)間;EDNA 2;Quokka;光電轉(zhuǎn)化效率;

中圖分類號(hào)：TB 321

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）02-0298-06

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0215開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Optimization ofboron diffusion in n-type

polysilicon passivated contact solar cells

LI Chen，Udo R-mer，Alison Lennon

（The University of New South Wales，Sydney 2052，Australia）

Abstract：The demand for the higher-efficiency and lower-cost solar cells in PV industry promotes the optimisation of the manufacturing process of solar cells continuously.The need for controlling the silicon wafer size and the concentration of impurities in the silicon is increasingly important in manufacturing processes.Currently，the standardised manufacturing line of solar cells includes growing silicon ingot with Czochralski（CZ）process，sawing the silicon ingot into bricks，wafer slicing，texturing，emitter diffusion，edge isolation，anti-reflection coating，screen printing，co-firing and testing at the end.Each step in this production line can be optimised separately to improve the efficiency of solar cells.This thesisfocuses on the boron diffusion process in n-type doped polysilicon passivated contact solar cells to investigate the impact of diffusion profile on solar cellsefficiency，with four objectives addressed.First，perform simulations of EDNA2 to determine the recombination in the heavily doped region and Quokka to obtain the photovoltaic parameters open-circuit voltage（VOC）and Fill factore（FF），respectively.Reproducing previous simulations can significantly reduce the experimental time and provide a guideline for optimising boron diffusion.Second，identify the effects of drive-in temperature in the boron diffusion process，followed by the impact of post-diffusion oxidation time，

which attempts to

optimise relevant parameters during the diffusion process，thereby improving solar cellsperformance.

What has been done previously is possible to compare

the emitter recombination results with the calculation values，an important step to check if the optimisation of the diffusion process effective.

Key words：boron diffusion temperature;oxidation time;EDNA2;Quokka;solar cell efficiency

在太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線中，擴(kuò)散是重要的一步，因?yàn)閾诫s雜質(zhì)形成P-N結(jié)將有效的改善半導(dǎo)體的電性能。例如，將硼摻雜到硅中可以形成n型硅晶片，第III族元素具有3個(gè)價(jià)電子，這些元素可以接受一個(gè)電子形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的硅晶格。具體來(lái)說(shuō)，硼摻雜到硅中后，只需約0.02 eV的能量即可獲得電子，并在室溫條件下輕松使其完全電離[1-2]。與此同時(shí)，通過(guò)硼的擴(kuò)散，可以有效提高少數(shù)載流子的壽命并降低表面重組率，從而極大的提升太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率[3-4]。

1?模擬實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行仿真模擬可以顯著減少實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)間和成本。為了優(yōu)化硼擴(kuò)散工藝，首先使用EDNA 2來(lái)確定重?fù)诫s區(qū)的重新結(jié)合速率。并通過(guò)Quokka模擬獲得太陽(yáng)能電池參數(shù)，如開路電壓（Voc）和填充系數(shù)（FF）等。

EDNA 2是一款對(duì)于硅材料內(nèi)部一維發(fā)射極模擬的程序，它將根據(jù)摻雜數(shù)據(jù)，表面重組速度和入射光譜來(lái)計(jì)算發(fā)射極飽，電流密度（JOE）和內(nèi)部量子效率（IQE）[5]。

Quokka是一款基于常規(guī)半導(dǎo)體載流子傳輸模型對(duì)硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行三維仿真的軟件。這意味著，與傳統(tǒng)的仿真軟件相比，它需要的工作量更少，并且對(duì)硅太陽(yáng)能電池的影響不大，從而提高模擬準(zhǔn)確度。該軟件物理原理基于7個(gè)獨(dú)立的部分：電荷載流子傳輸模型，硅特性，光學(xué)建模，自由能損耗分析，發(fā)光建模，外部電路和量子效率。計(jì)算步驟的詳細(xì)信息將顯示在“Quokka 2manual”中[6]。

1.1?EDNA 2 模擬

EDNA 2，將會(huì)根據(jù)用戶上傳的摻雜分布數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算發(fā)射極的薄層電阻。它將結(jié)合連接深度（zj），凈電離摻雜濃度（N（z））和多數(shù)載流子的遷移率（μmaj）通過(guò)下列公式計(jì)算出表面電阻[8]。

ρsq=1

q*∫Z j0μmaj（z）*N（z）*dz

（1）

與此同時(shí)通過(guò)設(shè)置表面上的載流子密度和邊界條件將會(huì)得知表面復(fù)合效果，同時(shí)也會(huì)顯示連接深度與載流子之間的關(guān)系。根據(jù)載流子濃度可以得出結(jié)合處的電流和電壓以及對(duì)應(yīng)表面復(fù)合速率[9-10]。

圖1顯示了發(fā)射極薄層電阻和飽和電流的變化，當(dāng)表面濃度接近與1e19 cm-3時(shí)，發(fā)射極薄層電阻隨表面濃度的增加而減小，同時(shí)飽和電流趨于穩(wěn)定。薄層電阻降低的主要原因是俄歇復(fù)合的大量發(fā)生。因此可以得出結(jié)論，當(dāng)摻雜劑濃度超過(guò)5e19 cm-3時(shí)，太陽(yáng)能電池器件應(yīng)具有較高的飽和電流和較低的薄層電阻，這意味著在此范圍內(nèi)太陽(yáng)能電池具有潛在的高轉(zhuǎn)換效率。

1.2?Quokka模擬

對(duì)于近表面區(qū)域，Quokka將會(huì)使用薄層電阻和表面重組率來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。該數(shù)據(jù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，進(jìn)而提高了模擬的準(zhǔn)確性。同時(shí)，Quokka還解決了該設(shè)備的穩(wěn)態(tài)電氣特性，這意味著可以輸出太陽(yáng)能電池的大多數(shù)特性，例如開路電壓，短路電流，最大功率點(diǎn)，串聯(lián)電阻等。在此步驟中，將使用上一部分所模擬出的發(fā)射極電阻和飽和電流密度。主要模擬參數(shù)顯示在表2中。

圖2顯示了模擬后太陽(yáng)能電池的幾何形狀，與此同時(shí)圖3顯示了內(nèi)部載流子流動(dòng)以及自由能損耗分析（FELA）其中包含復(fù)合損耗和電阻損失。根據(jù)該圖可得知，太陽(yáng)能電池總損耗約為23.3 mW/cm2，鈍化上部分的復(fù)合效應(yīng)和電阻損耗占據(jù)了大部分損耗。造成該現(xiàn)象的主要原因是大多數(shù)載流子在表面匯集并產(chǎn)生了復(fù)合，從而對(duì)短路電流造成較大影響。因此，提高研究太陽(yáng)能電池效率的最好方法是嘗試減少表面復(fù)合損耗和電阻損耗[13]。

圖4顯示了摻雜劑濃度對(duì)轉(zhuǎn)換效率，填充系數(shù)（FF）和開路電壓（Voc）對(duì)太陽(yáng)能電池各項(xiàng)參數(shù)的影響。隨著摻雜濃度和結(jié)深的增加，轉(zhuǎn)換效率將會(huì)逐步增加到最大值。為了形成較深的結(jié)，需要較長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間或更高的擴(kuò)散溫度。但是，當(dāng)摻雜劑濃度大于4e19 cm-3時(shí)，結(jié)較深的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率更高。

對(duì)于填充系數(shù)而言，隨著結(jié)深度的加深以及摻雜劑濃度的提高，該值將會(huì)增高。通過(guò)觀察可以得知，開路電壓與光電轉(zhuǎn)化效率有著相同的變化趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大值時(shí)，存在著最大的開路電壓。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，如果摻雜濃度低，則橫向電導(dǎo)率將降低，從而使FF減小。同時(shí)，更深的結(jié)深度可以使太陽(yáng)能電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率，最佳摻雜劑濃度為2e19 cm-3.僅通過(guò)優(yōu)化該工藝，可將最佳轉(zhuǎn)換效率提升至21.8%.在下一部分中，將重點(diǎn)關(guān)注較高的擴(kuò)散溫度以及氧化時(shí)間的變化。

2?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

原始硅片是具有紋理表面的3.9 cm*3.9 cm的n-型摻雜多晶硅直拉硅晶圓。經(jīng)過(guò)RCA清洗后，晶圓將分為2個(gè)不同的組;第1組的變量為擴(kuò)散溫度使用BBr3作為液體源進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，溫度變化區(qū)間為930 ℃到990 ℃，間隔為20 ℃，同時(shí)氧化時(shí)間為30 min.另一組將會(huì)改變氧化時(shí)間，分別為5，15和30 min.經(jīng)過(guò)硼擴(kuò)散后，使用基于渦流電阻率測(cè)量的Sinton儀器WCT-120測(cè)定載流子壽命，通過(guò)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)方法（QSSPC）分析測(cè)得信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為壽命[14-16]。最后將會(huì)通過(guò)傳輸線模型（TLM）將用于測(cè)量接觸電阻[17]。

2.1?擴(kuò)散溫度的影響

由于擴(kuò)散溫度對(duì)擴(kuò)散率以及溶解度有著顯著的影響，因此擴(kuò)散溫度的改變將會(huì)極大的改變摻雜分布。在擴(kuò)算過(guò)程中，雜質(zhì)粒子需要擴(kuò)散穿過(guò)硅。有2種方法可以幫助促進(jìn)該過(guò)程，即提高溫度，可以增加活化能或降低勢(shì)壘能[18]。

如圖5所示，隨著擴(kuò)散溫度的不斷提高，載流子的壽命隨之升高并逐步升至最大值。當(dāng)擴(kuò)散溫度達(dá)到950 ℃時(shí)，載流子的壽命可以提高至650 μs，此后將會(huì)逐步降低至500 μs.與此同時(shí)通過(guò)發(fā)射極飽和電流密度（JOE）的變化，可以直觀的反映出表面復(fù)合率對(duì)載流子壽命的影響?？梢杂^察到隨著溫度的不斷上升JOE穩(wěn)步升高。溫度的上升將會(huì)導(dǎo)致俄歇復(fù)合效應(yīng)發(fā)生的增多，進(jìn)而增加JOE.但是，擁有較低的JOE可以改善太陽(yáng)能電池在藍(lán)色光區(qū)的性能，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)載流子壽命和接觸電阻的變化，較高的溫度將會(huì)改善太陽(yáng)能電池表面質(zhì)量，增大載流子濃度，降低電阻率提高載流子壽命[19-20]。

2.2?氧化時(shí)間的影響

通過(guò)氧化作用，將會(huì)形成SiO2層并增加缺陷的數(shù)量，隨之改善摻雜的效果。在Si和SiO2層交界處，存在著多數(shù)不參與反應(yīng)的原子，比例約為1∶1 000.這些原子可以移動(dòng)到Si晶格中，這將使自填隙子遠(yuǎn)離界面。在此期間，將根據(jù)Watkins替換機(jī)制發(fā)生填隙過(guò)程[21-22]。

如圖5所示，隨著氧化時(shí)間的增加載流子壽命隨之增長(zhǎng)，通常情況，較長(zhǎng)的氧化時(shí)間將會(huì)形成較深的鈍化擴(kuò)算，并且原子有足夠的時(shí)間移動(dòng)到晶圓內(nèi)部。JOE呈現(xiàn)出先增加后遞減的趨勢(shì)，當(dāng)氧化時(shí)間為15 min時(shí)，將達(dá)到最佳值。超出該范圍之后，載流子壽命和JOE均得到輕微改善或降低。

對(duì)于接觸電阻率，當(dāng)氧化時(shí)間為15 min時(shí)，該值也將達(dá)到最佳值，如圖5所示。當(dāng)氧化時(shí)間不夠長(zhǎng)，則形成的鈍化層將較薄，并且降低鈍化層的質(zhì)量。隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，原子會(huì)擴(kuò)散得更深，從而降低表面濃度可。因此，從該圖可以看出，最佳氧化時(shí)間仍為15 min.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比圖7展示了模式結(jié)果和實(shí)際測(cè)的數(shù)據(jù)的對(duì)比，由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄層電阻值較低時(shí)，結(jié)深對(duì)JOE的影響較小。通過(guò)降低復(fù)合電流密度以及接觸極電阻，可以有效的改善復(fù)合損失和電阻損耗。

通過(guò)對(duì)模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的對(duì)比，盡管在低薄層電阻區(qū)域JOE略高于模擬結(jié)果，隨著薄層電阻的增加，JOE將更接近于實(shí)驗(yàn)?zāi)M值。該結(jié)果意味著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果符合模擬預(yù)期值，并表明可通過(guò)后續(xù)加工方法的優(yōu)化，提高表面質(zhì)量，進(jìn)而提高多晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。

3?結(jié)?論

當(dāng)擴(kuò)散溫度為950 ℃時(shí)，氧化時(shí)間為30 min時(shí)，鈍化的效果將會(huì)增加到最大值。在這種情況下，太陽(yáng)能電池具有最高的開路電壓和最低的接觸電阻率。最高測(cè)量壽命為560 μs同時(shí)，在這種條件下，接觸電阻率也達(dá)到了最低值，即0.001 9 Ω·m2.將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，可以知道它們具有相同的趨勢(shì)，這意味著如模擬結(jié)果所示，通過(guò)對(duì)硼摻雜工藝的優(yōu)化，晶硅片可以有效的提升光電轉(zhuǎn)換效率。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] Fara L.Advanced solar cell materials，technology，modeling，and simulation[J].2013.

[2]MarkvartT，Castafier L.Solar Cells：Materials，Manufacture and Operation[D].2005.

[3]Cuevas A.The early history of bifacial solar cells[R].20th European Photovoltaic Solar Energy Conference，2005.

[4]Cousins P J，Smith D D，Luan H C，et al.Generation 3：Improved performance at lower cost[C]//2010 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.IEEE，2010：275-278.

[5]Mclntosh K R，Altermatt P P.A freeware 1D emitter model for silicon solar cells[C]//2010 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.IEEE，2010：2188-2193.

[6]Quokka 2 Manual[OL].Available：https：//www2.pvlighthouse.com.au/resources/quokka2/QM2/Quokka manual.htm.[Accessed：09-Jun-2019].

[7]Sheet resistance calculator[OL].Available：https：//www2.pvlighthouse.com.au/calculators/sheet resistance calculator/sheet resistance calculator.aspx.[Accessed：07-Jun-2019].

[8]Surface Recombination|PVEducation[OL].Available：https：//www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/surface-recombination.[Accessed：30-May-2019].

[9]Richter A，Glunz S W，Werner F，et al.Improved quantitative description of Auger recombination in crystalline silicon[J].Physical Review B，2012，86（16）：165-202.

[10]Yang L，Yang J，F(xiàn)ang X，et al.Boron diffusion of the silicon solar cell with BBr3[C]//Proceedings of ISES World Congress 2007（Vol.Ⅰ-Vol.Ⅴ）.Springer，Berlin，Heidelberg，2008：1148-1151.

[11]Nguyen H T，Baker-Finch S C，Macdonald D.Temperature dependence of the radiative recombination coefficient in crystalline silicon from spectral photoluminescence[J].Applied Physics Letters，2014，104（11）：105-112.

[12]Auger P.Sur les rayons β secondaires produits dans un gaz par des rayons X[J].CR Acad.Sci.（F），1923：169-177.

[13]Surface Recombination[OL].Available：https：//www.pveducation.org/pvcdrom/design-of-silicon-cells/surface-recombination#footnote1_dqnzyhz.[Accessed：25-May-2019].

[14]FAQs-Sinton Instruments[OL].Available：https：//www.sintoninstruments.com/faqs/.[Accessed：13-Jun-2019].

[15]Kern W.The evolution of silicon wafer cleaning technology[J].Journal of the Electrochemical Society，1990，137（6）：1887-1892.

[16]Explain liquid source and gaseous source diffusion system[OL].Available：http：//www.ques10.com/p/32541/explain-liquid-source-and-gaseous-source-diffusion/.[Accessed：13-Jun-2019].

[17]Shih Y C，Shao Y，Shi F G.Novelceramic additives for screen-printable silicon solar cell metallization[J].Journal of Electronic Materials，2016，45（8）：3999-4004.

[18]Fair R B.Diffusion in silicon[M].Pergamon：Concise Encyclopedia of Semiconducting Materials & Related Technologies，1992.

[19]Ting C Y，Crowder B L.Electrical properties of Al/Ti contact metallurgy for VLSI application[J].Journal of The Electrochemical Society，1982，129（11）：2590-2594.

[20]Eades W D，Swanson R M.Calculation of surface generation and recombination velocities at the Si-SiO2 interface[J].Journal of applied Physics，1985，58（11）：4267-4276.

[21]Watkins G.Effets des rayonnements sur les semiconducteurs[J].Proc.7th Int.Conf.Phys.Semicond.Paris-Royaumont，1964：97-111.

[22]Fair R B.Oxidation，impurity diffusion，and defect growth

in silicon-An overview[J].Journal of the Electrochemical Society，1981，128（6）：1360-1368.

[23]Massimo Rudan.Physics of semiconductor devices[M].Springer New York，2015.

[24]Cuevas A，Yan D.Misconceptions and misnomers in solar cells[J].IEEE Journal of Photovoltaics，2013，3（2）：916-923.