基于BBr3液态源的硼扩散工艺优化研究

基于BBr3液态源的硼扩散工艺优化研究

刘大伟倪玉凤杨露

（国家电投集团西安太阳能电力有限公司陕西西安710100）

摘要：本文通过对硼扩散过程中源量、推进温度和时间以及后氧化的优化，研究了其对掺杂表面浓度和结深的影响。优化后的硼扩散工艺，双面对称结构测试iVoc由673mV升高到685mV；J0由45fA/cm-2降低至22fA/cm-2。制成N型PERT双面电池后，电池的开路电压有8mV的提升，最终的转换效率有0.34%的提升。

关键词：硼扩散；方块电池；表面浓度；转换效率

引言

提高转换效率、降低生产成本是太阳能电池技术发展的两个主要目标，其中通过工艺技术的提升实现转换效率的提高更是重中之重。近年来，由于N型电池表现出明显的效率优势和潜能，并且N型电池具有以下优点[1]：（1）N型硅片的少子寿命长，相同电阻率N型硅片的少子寿命比P型硅片高出1-2个数量级；（2）磷掺杂的N型硅片没有B-O复合体，无光致衰减；（3）N型硅片对金属杂质的不敏感，对金属污染的容忍度要高；（4）N型电池的温度系数较低。基于以上的优势，N型电池的研究和生产引起行业关注。

在N型电池的研究和生产制造中，硼的掺杂形成PN结是关键的工艺过程。目前，行业内大多数都是采用液态BBr3作为掺杂源，通过热扩散的方式完成工艺。基于BBr3液态源扩散的反应式如下：

4BBr3+3O2→2B2O3+6Br2（1）

2B2O3+3Si→4B+3SiO2（2）

在该反应过程中，中间产物B2O3的沸点较高，在整个扩散过程中一直处于液态，难以均匀覆盖在硅片表面[2]，因而硼扩散的均匀性相比磷扩散较难控制。另外，硼原子在硅中的扩散系数较低。需要较高的温度和较长的时间来获得合适的掺杂曲线。因此，对硼扩散工艺进行研究和开发，适应N型晶硅电池生产的需要，对提高电池的转换效率和N型高效电池的推广具有重要意义。

1实验过程

1.1实验原材料及设备

实验采用157.35mm×157.35mm规格的N型CZ硅片，电阻率范围0.5-2.1Ω•cm，少子寿命≥500μs。硼扩散设备采用5管式的低压硼扩散炉，方块电阻的测试采用美国4D的四探针测试仪，表面浓度和结深使用WEPprofileECV测试仪测试，iVoc和J0使用Sinton测试仪的WCT-120模块测试，量子效率采用美国颐光的量子效率测试仪测试。

1.2实验设计

图1低压硼扩散工艺基本流程

图2硼扩散工艺的ECV掺杂曲线

低压硼扩散的基本工艺流程如上图所示，实验共分为两组，一组为目前已成熟的硼扩散工艺作为基准组（G1），工艺后的方块电阻在65Ω/□，均匀性测试标准偏差为3.5%。另一组为优化的硼扩散工艺(G2)，相比基准工艺主要是减小了小氮的气体流量、升高了推进时的工艺温度、增加了推进工艺时间，并在高温推结后增加了后氧化。硼扩散工艺完成后两组样片在相同的工艺条件下完成背场的掺杂，正、背面的钝化和印刷烧结，制成双面N-PERT电池，测试电性能和量子效率。

分别采用2种工艺制备双面硼扩散样片，去除BSG后，双面沉积钝化层，形成双面对称结构，测试iVoc和J0。

2实验结果与分析

2.1掺杂结果分析

图2为硼扩散工艺后，利用HF清洗去除BSG，测试的硼掺杂曲线，其中黑色的曲线为基准组扩散工艺，红色曲线为优化的硼扩散工艺。从图中可以看出基准组的结深为0.47μm，表面浓度较高，超过了硼在硅中的固溶度约为7×1019cm-3。优化后的扩散工艺结深为0.86μm，表面浓度为3.6×1019cm-3。优化后的扩散工艺结深增加了0.39μm，主要是由于推进温度的升高和时间的增加。小氮流量的降低减少了掺杂硼的总量，同时结深的加深使表面掺杂浓度降低。高温推结后增加的后氧化步骤，使表面富集的硼原子发生氧化反应，形成硼硅玻璃，进一步降低了掺杂的表面浓度。

硼扩散工艺优化后，方块电阻为80Ω/□，相比原工艺有15Ω/□的提升。方阻的均匀性标准偏差为4.6%，高于对比组，但是仍在可控的范围内，可适应产业化的推广。

2.2对称结构的iVoc和J0的测试结果

图3发射极对称结构的iVoc和J0的测试结果

分别采用2种硼扩散工艺将制绒后硅片双面扩散，工艺完成后，HF清洗去除BSG，然后采用SiO2/Al2O3/SiNx叠层钝化膜将硅片双面钝化，测试样品的iVoc和J0，测试结果如图3所示。扩散工艺优化后，双面对称结构的iVoc由673mV升高到685mV；J0由45fA/cm-2降低至22fA/cm-2，改善较为明显。

当硼扩散表面掺杂浓度过高时，易在表面形成一层很薄的富硼层，由于这一层硼原子没有活性，并且会导致该部分晶体结构缺陷，严重影响了硅片的少子寿命[3]，电池反向饱和电流较高，最终影响电池的效率。表面浓度的降低，尤其是后氧化步骤的增加，将会避免富硼层的形成，有利于硅片少子寿命的提高和电池反向饱和电流的降低。

2.3硼扩散工艺优化前后电池电性能对比

表1两组实验的电性能对比表

从表1中可以看出，硼扩散工艺经过优化后，制成成品电池的电性能有明显的提升。电池的开路电压有8mV的提升，短路电流有49mA的提升，但是由于方块电阻的升高，串联电阻有0.3mΩ的升高，填充因子略有下降，最终的转换效率有0.34%的提升。

表面掺杂浓度的降低，可有效降低富硼层的产生几率，减少表面的载流子复合速率，对于n型电池的硼扩散发射结，在金属化的过程中，为了形成良好的金属接触，在Ag浆料中增加少量的Al，但是会造成金属接触区的载流子复合增加，扩散结深的增加可有效改善这种情况。[4]因此，表面浓度的降低和结深的增加使电池的开路电压和短路电流都有较明显的提升。串联电阻的升高主要是由于方块电阻的升高导致横向电阻提升所引起。

2.4量子效率分析

图4内量子效率测试图

从电池的量子效率测试结果可以看出，硼扩散工艺优化后制成的电池在400nm以下的短波段明显优于原有的扩散工艺。由于硼扩散工艺的优化，使表面掺杂浓度，降低了前表面的复合速率，从而使电池的量子效率在短波段内有较明显的提升。

3结语

通过对硼扩散工艺气体流量、推进温度和时间的优化，以及后氧化的增加，使掺杂的表面浓度有明显的降低，结深增加了0.39μm，方块电阻从65Ω/□提升至80Ω/□；双面对称结构测试，工艺优化后的iVoc有12mV的提升，J0有23fA/cm-2的降低。电池的转换效率有0.34%的提升，电池的量子效率在400nm以下的短波段提升明显。

参考文献

[1]沈文忠，硅基异质结太阳电池物理与器件[M].

[2]龙腾江，湿法去除N型硅硼扩散过程形成的富硼层。[J].材料科学与工程学报。2812（2015）01-0009。

[3]M.A.Kessler,Characterisationandimplicationsoftheboronrichlayerresultingfromopen-tubeliquidsourceBBr3borondiffusionprocesses[c].PhotovoltaicSpecialistsConference(PVSEC)34thIEEE,June2009,1556-1561.

[4]ElmarLohmüller,SabrinaWernerImpactofborondopingprofilesonthespecificcontactresistanceofscreenprintedAg-Alcontactsonsilicon.[J]SolarEnergyMaterials&SolarCells.142(2015)2-11.