方块电阻对电池片效率的影响

摘 要 通过对太阳能电池生产过程中的扩散工艺的分析与研究，探讨不同大小的方块电阻对太阳能电池片效率的影响，从而提高太阳能电池转换效率。

关 键 词： 太阳电池；硅片；扩散 ；转换效率。

中图分类号： C35 文献标识码： A

O 引言

制作单晶太阳能电池的主要原材料是单晶硅。在经过制绒、清洗、扩散、刻蚀、二次清洗、镀膜、丝网印刷与烧结这几道工艺后，整个太阳能电池片就生产成功，接下来就是测试效率，也是我们制作电池片最重要的目的，想要提高电池片效率，就要把握好这几道工序，尤其是扩散工艺，作为电池片的核心工艺，通过扩散形成PN结，利用少子的移动形成电流，并通过后期制作的副栅线收集电流，主栅线将电流引出。图1 太阳能电池结构图。

入射光

N

P

图1 太阳能电池结构图

本文先介绍扩散的原理，然后再探讨方块电阻大小对电池片效率的影响。

1 扩散的基本原理

高温情况下，单晶固体中会产生空位和填隙原子之类的点缺陷[1]。当主原子或杂质原子存在浓度梯度时，点缺陷会影响原子的运动。在固体中的扩散被看成是扩散物质借助空位或自身填隙在晶格中的原子运动。图2所示晶格常数为a的简化二维晶体结构中的原子扩散模型。

空心圆表示占据低温晶格位置的主原子，实心圆既表示主原子也表示杂质原子。在高温情况下，晶格原子在其平衡晶格位置附近振动。当某一晶格原子偶然地获得足够的能量而离开晶格位置，成为一个填隙原子，同时产生一个空位。当邻近的原子向空位迁移时，这种机理称为空位扩散。

假如填隙原子从一处移向另一处而并不站据晶格位置，则称为填隙扩散。一个比主原子小的原子通常做填隙式运动。填隙原子扩散所需的激活能比那些按空位机理扩散的原子所需的激活能要低。

掺杂原子获得能量后，通过占据主原子的位置发生的扩散，称为替位式扩散。

图2-1 空位扩散机制 图2-2 填隙扩散机制 图2-3 替位扩散机制

图2 原子扩散模型

2 扩散制作PN结

2.1 扩散方法

扩散的方法主要有热扩散法、离子注入法、薄膜生长法、合金法、激光法和高频电注入法等。在太阳能电池片生产中往往用热扩散法制结，热扩散法分为涂布源扩散、液态源扩散和固态源扩散。本文主要讲述液态源扩散，热扩散制p-n 结法为用加热方法使V 族杂质掺入p型或Ⅲ族杂质掺入n型硅。硅太阳电池中最常用的V族杂质元素为磷，Ⅲ族杂质元素为硼。对扩散的要求是获得适合于太阳电池p-n 结需要的结深和扩散层方块电阻，浅结死层小，电池短波响应好，而浅结引起串联电阻增加，从而增加了工艺难度，结深太深，死层比较明显，如果扩散浓度太大，则引起重掺杂效应，使电池开路电压和短路电流均下降，实际电池制作中，考虑到各个因素，太阳电池的结深一般控制在0.3～0.5um 方块电阻均20～70Ω/ 。

2.2 电池片PN结制作过程

本文采用的是掺硼的p型硅作为基底材料，通过扩散五价的磷原子形成n型半导体，组成p-n 结。太阳能电池制造过程采用的是POCL3液态源磷扩散方法，因为POCL3在常温时就有很高的饱和蒸汽压，所以对制作高表面浓度的发射区扩散很适合，具体做法是用保护性气体（氮气）通过恒温的液态源瓶（鼓泡），把杂质源蒸汽带入高温扩散炉中。由于POCL3在600℃以上发生热分解，生成五氯化磷和五氧化二磷，五氯化磷是一种难于分解的物质，如果其附着在硅片和扩散炉石英管表面，会腐蚀硅片和石英管。因此在扩散时通入足量的氧气，使五氯化磷氧化分解成五氧化二磷和氯气。采用POCL3液态源进行扩散，得到p-n结。如图3 简单的POCL3扩散机理图。

图3 简单的扩散机理图

其中，POCL3液态源扩散原理公式如下：

所生成的磷原子扩散进入硅内部，形成n型杂质分布。产生的氯气随尾气排出，经过液封瓶吸收后再放空进入大气中。

3 扩散参数

在太阳能电池生产过程中，对扩散层的表面浓度有一定要求，实践中，可以通过测量扩散层的结深和“方块电阻”来确定。本文只讨论方块电阻。

3.1扩散层的方块电阻

扩散层的方块电阻又叫做薄层电阻，用凡或来表示[1]。它表示表面为正方形的扩散薄层，在电流方向上所呈现出来的电阻。由电阻公式

可知，薄层电阻表达式可以写成：

（3-1）

式中、分别为扩散薄层的平均电阻率和平均电导率。由（3-1）式可知，薄层电阻的大小与薄层的长短无关，而与薄层的平均电导率成反比，与薄层厚度（即结深面）成反比。为了表示薄层电阻不同于一般的电阻，其单位用（欧姆/方块）或表示。下面我们简单分析一下薄层电阻的物理意义。

我们知道，在杂质均匀分布的半导体中，假设在室温下杂质已经全部电离，则半导体中多数载流子浓度就可以用净杂质浓度来表示。对于扩散薄层来说，在扩散方向上各处的杂质浓度是不相同的，载流子迁移率也是不同的。但是当我们使用平均值概念时，扩散薄层的平均电阻率与平均杂质浓度应该有这样的关系：

（3-2）

式中为电子电荷电量；为平均杂质浓度；为平均迁移率。把（3-2）

式代入（3-1）式，可以得到

（3-3）

为单位面积扩散层内的掺杂剂总量。由（3-3）式可以看到，薄层电阻与单位面积扩散层内的净杂质总量成反比。因此的数值就直接反映了扩散后在硅片内的杂质量的多少。

4 实验

4.1 实验方案

使用相同条件下依次制绒清洗好的156硅片，将这些硅片分为A、B、C、D和E这五批，在扩散使用同一炉管相同工艺进行扩散，通过控制扩散温度的长短来控制其方块电阻的大小，经过相同的后续工艺流程，将制作好的这五批电池片降温后，进行效率测试，得出结论。

4.2 实验过程

将制绒清洗好的这五批硅片在相同工艺条件下进行扩散，并相应控制扩散温度，然后分别在每批扩散好的片子中抽取5片来进行方块电阻的测试。

用四探针对扩散好的片子进行测试（测试点为中心及4个边），并记录下测试数据。如图4 四探针检验原理。

如图4 四探针检验原理图

四根探针的间距s相等， 针尖在同一平面同一直线上。当被测样品的几何尺寸比探针间距s大许多倍时，R =Rs

其中，C表示修正因子。C根据被测硅片的尺寸和探针的间距而定。

这四批片子方块电阻测试结果如下表1：

表1 方块电阻的测试结果

注：每批片子各抽出5片（将序号记为1、2、3、4、5），测出每片的方块电阻。

这几批片子，从测试结果来看，平均方块电阻从大到小依次为：E>D>C>B>A

将扩散好的这5批片子经过相同的工艺（刻蚀二次清洗镀膜丝网印刷烧结）后，在分别进行参数测试，得出的测试结果如表2：

表2 效率测试结果

从测试结果我们来看几组重要的电性能参数。从A到E电池片的短路电流在不断地增加，串联电阻也在不断增加，至于效率方方面，我们分为两部分来看，首先，由A到C这三批电池片的效率都是随着方块电阻的增加效率不断上升，A到C总共上升0.213%；可是从C到E电池片的效率是逐步下降的。

5 结束语

本次实验是通过研究方块电阻的大小对电池片效率的影响，最终从得到的实验结果来看，电池片的效率并非随着方块电阻的增加而不断上升的，究其原因，本文通过缩短扩散时间来控制方块电阻的大小，随着方块电阻的增加，结深变浅，由于浅结死层小，电池短波响应好，使得短路电流增加，而浅结引起串联电阻增加。因为电池片生产过程中浅结大方阻，使得电池片工艺难度增加了，所以要控制方块电阻的大小，使其能过大规模生产。

参考文献

[1] 何堂贵。晶体硅太阳电池制作中的扩散工艺研究：[硕士学位论文].成都：电子科技大学，2009

The sheet resistance of the cells affects the efficiency

Wu Jiao / Xi'an Institute of Measurement

Abstract： solar cell production process diffusion process analysis and study on the impact of different size sheet resistance of solar cell efficiency ， thereby enhancing the conversion efficiency of solar cells .

Keywords ： solar cells ； silicon ； diffusion； ； conversion efficiency.