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eseebaby姚慧:基于Silvaco和PC1D的太阳电池磷扩散工艺仿真研究

时间:2018-11-28来源:大力神电池点击:
摘 要: 晶体硅太阳电池制作过程中磷扩散工艺对其电学性能存在一定的影响。本文通过Silvaco软件对单晶硅太阳电池的一步扩散和两步扩散进行了仿真,将其结果代入PC1D对太阳电池电学
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摘 要: 晶体硅太阳电池制作过程中磷扩散工艺对其电学性能存在一定的影响。本文通过Silvaco软件对单晶硅太阳电池的一步扩散和两步扩散进行了仿真,将其结果代入PC1D对太阳电池电学特性进行模拟与分析。结果表明,两步扩散可以提高太阳电池的电学特性;相比扩散方阻为44.91Ω·□-1,结深为0.33μm单晶硅太阳电池,扩散方阻为59.58Ω·□-1,结深为0.31μm的单晶硅太阳电池转换效率增加了0.15%,为实际工业生产实现浅结高方阻工艺提供了理论依据。

关键词:太阳能电池 Silvaco PC1D 扩散工艺

中图分类号:TN36 文献标识码:A 文章编号:1003-9082(2015)07-0337-02

一、引言

太阳能以其储量丰富、清洁无污染等优点是各种可再生能源中最重要的基本能源之一,也是目前人类可利用的最丰富的能源。太阳能电池能够将太阳能直接转换为电能而备受人们的关注。太阳能电池转换效率的高低受硅片原料、制作工艺等的影响,其中,扩散工艺的好坏对太阳电池的转换效率起着至关重要的作用。

2012年,上海大学的李鹏荣等人对多晶硅扩散工艺进行了研究[1];同年,王丽等人从扩散温度和时间方面研究了薄层方块电阻对单晶硅太阳能电池转换效率的影响[2];2013年豆维江等人研究了多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[3];2014年顾江通过Silvaco软件对太阳电池湿法氧化、二氧化硅保护和无氧扩散三种两步扩散工艺进行了仿真研究,结果表明,湿法氧化二次扩散工艺可以获得最佳光谱相应性能[4]。2015年代术华对多晶硅太阳电池扩散氧化层进行了研究[5]。虽然目前对晶体硅太阳电池扩散工艺的研究已近成熟,但将Silvaco软件与PC1D软件结合来研究单晶硅太阳能电池工艺的较少,因此,通过上述两种半导体器件模拟软件的结合对单晶硅太阳能电池磷扩散工艺的研究具有一定的意义。

二、实验方案

1.扩散原理

本文针对管式扩散工艺进行仿真研究。采用三氯氧磷POCl3为液体扩散源,反应方程式如下:

(1)

(2)

(3)

扩散源反应生成磷原子进入硅体内的量及深度对扩散方阻及结深均存在影响。为了使仿真结果能为工业生产工艺优化提供理论依据,仿真数据均来源实际生产中,扩散方阻一般在45-50Ω·□-1,图1所示为单晶硅太阳电池ecv测试结果,可知结深为0.39μm。

2.Silvaco仿真参数

一步扩散参数:磷源浓度为0.8×1021cm-3,氧化层厚度为0.38μm,大氮流量为27L/min,氧气流量为2.5L/min。预淀积温度为900℃;再分布时间均为45min,温度为945℃,两步扩散在一步扩散基础上完成。

三、结果与讨论

1.一步扩散仿真与分析

由表1一步扩散预淀积时间对结深和方阻的影响可知,随着预淀积时间的增加,发射区方阻在44.5-45.5Ω·□-1,结深在0.32-0.35μm,与工业制作结果基本一致,证明一步扩散仿真的正确性,以此为两步扩散奠定基础。

图2为一步扩散不同预淀积时间Silvaco仿真曲线。对比图1可知,理论仿真与实际扩散分布方式有一定区别。理论仿真磷源预淀积阶段结深变化不大,而实际扩散在高温下预淀积阶段已存在实质性扩散,出现浅结,这是因为在高温下,杂质原子处于离化状态,离化出来的电子与杂质正离子会向浓度低的方向扩散,由于此时电子运动速度比杂质快,导致在两者之间建立起由半成品电池片表面指向内部的内建电场,该电场能抑制电子扩散,促进杂质正离子向晶片内部扩散。

2.两步扩散仿真与分析

2.1预淀积时间的影响

扩散参数:氧化层厚度d1=0.28μm,d2=0.1μm,第一步和第二步扩散磷源的浓度均为0.8×1021cm-3,预淀积总时间为20min,其余参数保持不变。

由表2两步扩散预淀积时间对方阻及结深的影响可知,第一步预淀积时间对扩散方阻及结深是有影响的,这是因为磷源沉积的同时,扩散也在进行,随着时间的增加磷源到达硅片表面的量在增加,导致进入硅片的磷原子浓度增加,扩散方阻减小。当第一步预淀积结束,第二步预淀积开始时,在高温下,第二步预淀积的磷源往硅体内扩散的同时,第一步已经扩散到硅体内的磷将继续向低浓度区域扩散,这也将导致结深的增加。最终扩散的方阻及结深分别在59-60Ω·□-1及0.31-0.32μm之间,由此可知,在总预淀积时间一定的情况下,两步扩散各自时间的改变对最终方阻和结深的影响较小。

2.2氧化层厚度的影响

扩散参数:第一步和第二步扩散磷源浓度均为0.8×1021cm-3,第一步和第二步预淀积时间分别为t1=10min和 t2=10min,其他参数保持不变。

由表3两步扩散中不同氧化层厚度对方阻及结深的影响可知,第一步扩散氧化层厚度对方阻及结深起决定性作用,且随着第一步扩散氧化层厚度的减小,方阻增加速度快于结深减小的速度,说明第一步扩散氧化层厚度对方阻的影响远大于对结深的影响。由此可知,工业制作若要获高方阻可通过减小第一步扩散氧化层厚度来实现。

2.3磷源浓度的影响

扩散参数:氧化层厚度分别为d1=0.28μm,d2=0.1μm,第一步和第二步预淀积时间均为10min,改变磷源浓度进行仿真。

由表4磷源浓度对方阻和结深的影响可知,磷源浓度对方阻和结深的影响较大。随着第一步预淀积浓度与第二步预淀积浓度比的增大,扩散方阻减小,结深增加。这对工业生产中制作浅结高方阻具有指导意义。

3.电学特性

将一步扩散和两步扩散中通过Silvaco仿真B3和C3的方阻和结深应用于PC1D软件,对单晶硅太阳能电池电学特性进行模拟。

由表6一步扩散和两步扩散对太阳电池电学特性的影响可知,两步扩散得到的太阳电池电学特性明显优于一步扩散。且在两步扩散中,B3组太阳电池比C3组太阳电池短路电流、开路电压及转换效率分别增加了0.02A、0.0027V及0.15%,即方阻越高、结深越浅的扩散工艺所制备的太阳电池电学特性越好,这主要是高的方块电阻及较浅的结深有利于提高太阳电池短波响应,减少“死层”,利于短路电流密度的提高[6]。即在实际工业生产中,可使第二步预淀积中携带磷源的小氮气流量等于或略高于第一步预淀积中携带磷源的小氮气流量来实现浅结高方阻工艺。

四、结论

本文通过以上两种软件对单晶硅太阳电池的一步扩散和两步扩散进行了仿真模拟。结果表明,当扩散时间、氧化层厚度及总浓度一定时,两步扩散实现的太阳电池电学特性优于一步扩散结果,且两步扩散的浅结高方阻工艺为工业生产单晶硅太阳电池提供理论依据。

参考文献

[1]李鹏荣,吴伟,马忠权等.扩散方阻对多晶硅太阳能电池效率的影响[J].上海大学学报(自然科学版),2012,18(3):277-281.

[2]王丽,陈阿青,王晓忠等.扩散温度和时间对晶体硅太阳电池性能的影响[J].电子元件与材料,2012,31(4):62-65.

[3]豆维江,秦应雄,巨小宝等.多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[J].光子学报,2013,42(6):649-653.

[4]顾江.基于SILVACO的太阳电池二次扩散工艺仿真研究[J].计算机仿真,2014,31(12):121-124.

[5]代术华.硅电池扩散氧化层对电池性能的影响[J].科教,2015,(2):168.

[6]马继奎,陈明敬,闫英丽等.浅结密栅线硅太阳电池工艺研究[J].半导体光电,2013,34(2):241-246.

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