摘要
離子注入技術作為半導體領域中一項重要的摻雜工藝，將其應用到
0引言
從1954年第(di)一塊單晶硅太陽(yang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)問世以(yi)來，作為太陽(yang)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的主要發展方向，晶硅電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技(ji)術取得(de)了重大進步，光電(dian)(dian)(dian)轉換效(xiao)率從最(zui)初(chu)的6%提高到現(xian)在24.7%
[1](僅考慮單節非聚光模式(shi)下的(de)太陽(yang)電池(chi))，然而這(zhe)與晶硅電池(chi)的(de)理論極限效率31%。
[2]還有很大差距。圖1為常(chang)規晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅電(dian)池(chi)的(de)工(gong)藝流程，在此(ci)基(ji)礎(chu)上的(de)單晶(jing)(jing)(jing)(jing)電(dian)池(chi)轉換(huan)(huan)效率(lv)可達18.8%，多晶(jing)(jing)(jing)(jing)電(dian)池(chi)轉換(huan)(huan)效率(lv)可達17.5%。在不改(gai)變工(gong)藝方法和器(qi)件結構(gou)的(de)前提下(xia)，晶(jing)(jing)(jing)(jing)硅電(dian)池(chi)的(de)轉換(huan)(huan)效率(lv)遇(yu)到瓶頸，如(ru)何(he)進一步提高(gao)其轉換(huan)(huan)效率(lv)成了各(ge)大廠(chang)商(shang)和研究(jiu)機構(gou)的(de)重點課(ke)題(ti)。
晶硅太陽電(dian)(dian)池的(de)效率損(sun)失(shi)(shi)(shi)主要(yao)分為光(guang)學(xue)損(sun)失(shi)(shi)(shi)和電(dian)(dian)學(xue)損(sun)失(shi)(shi)(shi)兩類(lei)，如圖2所(suo)示。高效電(dian)(dian)池技(ji)術(shu)研究(jiu)重(zhong)點就是通過工(gong)藝方(fang)(fang)(fang)法、器件結構和原輔材料等各方(fang)(fang)(fang)面(mian)的(de)改善，降(jiang)低光(guang)學(xue)損(sun)失(shi)(shi)(shi)和電(dian)(dian)學(xue)損(sun)失(shi)(shi)(shi)，實(shi)(shi)現轉換(huan)效率的(de)提升(sheng)。本(ben)文從(cong)工(gong)藝原理、實(shi)(shi)現方(fang)(fang)(fang)法、關(guan)鍵技(ji)術(shu)和產業(ye)化情況(kuang)等方(fang)(fang)(fang)面(mian)對(dui)離(li)子(zi)注入技(ji)術(shu)進行分析。
1離子注入工藝原理
當真(zhen)空中有一(yi)束(shu)離子(zi)束(shu)射向一(yi)塊固體(ti)(ti)材(cai)料時，受到固體(ti)(ti)材(cai)料的(de)抵(di)抗而(er)速度(du)慢慢減(jian)低，并最終(zhong)停(ting)留在固體(ti)(ti)材(cai)料中，這一(yi)現(xian)象稱(cheng)為離子(zi)注入。在硅片(pian)中注入相應(ying)的(de)雜(za)質原(yuan)子(zi)(如硼、磷、砷(shen)等(deng)(deng))，可(ke)改變其表(biao)面電(dian)導率或形成p-n結(jie)(jie)(jie)。常規(gui)晶硅電(dian)池(chi)通過高溫(wen)擴(kuo)(kuo)(kuo)散的(de)方式制備p-n結(jie)(jie)(jie)。高溫(wen)擴(kuo)(kuo)(kuo)散是(shi)(shi)熱化(hua)學反應(ying)和熱擴(kuo)(kuo)(kuo)散運(yun)動的(de)結(jie)(jie)(jie)合，p-n結(jie)(jie)(jie)質量(liang)受化(hua)學結(jie)(jie)(jie)合力、擴(kuo)(kuo)(kuo)散系數和材(cai)料固溶度(du)等(deng)(deng)因(yin)素的(de)限制，且(qie)長(chang)時間的(de)高溫(wen)過程會對硅片(pian)晶格結(jie)(jie)(jie)構造成損傷(shang)。另外(wai)，由于擴(kuo)(kuo)(kuo)散爐(lu)設備的(de)限制，擴(kuo)(kuo)(kuo)散工藝還有一(yi)個(ge)難以克服的(de)缺點(dian)，就是(shi)(shi)摻雜(za)的(de)均勻性較差(cha)。用離子(zi)注入技術(shu)代替高溫(wen)擴(kuo)(kuo)(kuo)散制備p-n結(jie)(jie)(jie)，可(ke)有效解決上述問題。
用于實現離子注入工藝的設備叫離子注入機。由于精準
2離子注(zhu)入
用離(li)子(zi)(zi)注入技(ji)(ji)術代替傳統(tong)擴(kuo)散技(ji)(ji)術，可(ke)很方便(bian)地實現晶硅(gui)電(dian)池的產業化(hua)，其(qi)工藝流程如圖3所示。離(li)子(zi)(zi)注入過程中高(gao)能離(li)子(zi)(zi)對硅(gui)片(pian)晶格(ge)會造成一定損傷(shang)(shang)，可(ke)通過高(gao)溫(wen)退火的方法消除該(gai)損傷(shang)(shang)，利用退火這一步驟可(ke)同時在硅(gui)片(pian)表(biao)(biao)面(mian)生長一層薄(bo)的SiO2層，對硅(gui)片(pian)表(biao)(biao)面(mian)起到(dao)鈍化(hua)作用。
離(li)子注入(ru)技(ji)術(shu)相比(bi)傳統擴散技(ji)術(shu)在晶硅電池中的優勢有：
1)發射極在高方阻情況下能(neng)保證很好的均勻性；
2)退(tui)火(huo)過(guo)程同(tong)時(shi)可(ke)對發(fa)射極進行熱氧(yang)化(hua)鈍化(hua)，減少表面復合損失；
3)離子(zi)注入制備(bei)的發射極(ji)能與絲網印刷電(dian)極(ji)有(you)更好的接觸(chu)，減少接觸(chu)電(dian)阻損(sun)失；
4)不用(yong)對邊(bian)緣(yuan)進行(xing)刻蝕(shi)，進而(er)增(zeng)加了(le)電池的有效受光面積，減少光學損失；
5)無需去磷硅(gui)玻(bo)璃(PSG)這一步(bu)驟，減少污染(ran)和化(hua)學品消耗；
6)通過控制離子注入(ru)工藝(yi)的注入(ru)劑量(liang)、離子能(neng)量(liang)和退(tui)火(huo)工藝(yi)能(neng)精確控制摻雜水平；
7)離子注入技術可(ke)方便實現(xian)圖形化區域(yu)摻雜，可(ke)實現(xian)選擇性(xing)發射極，也為背接觸電(dian)池(chi)(IBC)等高效電(dian)池(chi)結構(gou)提供了可(ke)能性(xing)。
相較于傳(chuan)統(tong)擴散技術，離(li)子(zi)注(zhu)入(ru)技術制備的發射(she)極具有更低的表面(mian)復合速(su)率和更好(hao)的表面(mian)鈍化效果，使離(li)子(zi)注(zhu)入(ru)電池在短波區域的IQE響應較高，即藍光響應較好(hao)。
表1為分別用擴散和離子注入制備的電池電性能對比[5]。由于離子注入制備的p-n結
3離(li)子注入技術(shu)結合其他高效電池技術(shu)的應(ying)用
3.1離子注入技術與SE技術的結(jie)合
離子(zi)注(zhu)入技術的(de)另一個優勢(shi)在(zai)(zai)于(yu)其可(ke)(ke)很方便地實(shi)現選擇(ze)(ze)性發射極(ji)(SE)的(de)制備。實(shi)現方式為：先在(zai)(zai)硅片表面進行低濃度的(de)離子(zi)注(zhu)入摻(chan)(chan)雜(za)，形成(cheng)p-n結，再通過掩膜遮擋硅片表面其他區域，在(zai)(zai)柵線位置(zhi)進行第二次(ci)高濃度離子(zi)注(zhu)入摻(chan)(chan)雜(za)，形成(cheng)選擇(ze)(ze)性發射極(ji)[6]。應(ying)用選擇(ze)(ze)性摻(chan)(chan)雜(za)技術可(ke)(ke)進一步(bu)改善硅片表面的(de)藍光響應(ying)，提(ti)高電(dian)池轉換效率[7]。
3.2離子(zi)注入(ru)技術(shu)與(yu)背鈍化技術(shu)的結合
近(jin)年來，背(bei)鈍化技(ji)術(shu)在高效(xiao)晶硅電(dian)池(chi)(chi)(chi)中(zhong)開始被重視。其原(yuan)理是在硅片背(bei)面沉積(ji)一層Al2O3作為電(dian)池(chi)(chi)(chi)背(bei)表(biao)(biao)面的(de)鈍化層，可有效(xiao)降(jiang)低電(dian)池(chi)(chi)(chi)背(bei)表(biao)(biao)面的(de)復(fu)合(he)速率，增(zeng)加背(bei)面對(dui)(dui)光(guang)的(de)反(fan)射(she)，使原(yuan)本會透過(guo)電(dian)池(chi)(chi)(chi)片的(de)光(guang)反(fan)射(she)回電(dian)池(chi)(chi)(chi)片內部進行(xing)二次吸收，增(zeng)加了電(dian)池(chi)(chi)(chi)片對(dui)(dui)光(guang)的(de)吸收。實驗表(biao)(biao)明(ming)，背(bei)鈍化技(ji)術(shu)可有效(xiao)提高電(dian)池(chi)(chi)(chi)轉換效(xiao)率[8]。
離子注入(ru)技(ji)術能(neng)實現對(dui)電(dian)池(chi)正表面的(de)鈍化，結(jie)合(he)背鈍化技(ji)術，使(shi)電(dian)池(chi)的(de)前(qian)后表面均可(ke)有效鈍化，最大(da)程(cheng)度減少復合(he)損失，增加對(dui)光的(de)利用，大(da)幅提(ti)高電(dian)池(chi)轉換(huan)效率。目前(qian)已有研究機構結(jie)合(he)上(shang)述兩種技(ji)術使(shi)晶硅電(dian)池(chi)的(de)平均轉換(huan)效率達(da)20%以上(shang)[9]。
圖4為離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)注(zhu)入與(yu)背鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)技術(shu)(shu)結(jie)合(he)的(de)高(gao)效(xiao)晶硅電池(chi)(chi)工藝流程(cheng)(cheng)圖。制(zhi)絨后(hou)的(de)硅片先通過離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)注(zhu)入制(zhi)備p-n結(jie)，同時對(dui)(dui)(dui)正表面(mian)(mian)形成SiO2鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)，然后(hou)結(jie)合(he)背鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)技術(shu)(shu)進行(xing)Al2O3的(de)沉(chen)積，以及前后(hou)表面(mian)(mian)SiN膜的(de)沉(chen)積。對(dui)(dui)(dui)比傳統晶硅電池(chi)(chi)的(de)工藝流程(cheng)(cheng)可(ke)看出，正是利用離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)注(zhu)入的(de)優(you)勢(shi)，可(ke)在較(jiao)少的(de)工藝步驟(zou)下實現p-n制(zhi)備和(he)雙面(mian)(mian)鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)效(xiao)果，而(er)且能與(yu)背鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)技術(shu)(shu)實現完美的(de)工藝對(dui)(dui)(dui)接。所以離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)注(zhu)入技術(shu)(shu)結(jie)合(he)背鈍(dun)化(hua)(hua)(hua)(hua)技術(shu)(shu)提高(gao)電池(chi)(chi)效(xiao)率(lv)是未來高(gao)效(xiao)晶硅電池(chi)(chi)發展(zhan)的(de)一(yi)個重要方向。
3.3離子(zi)注入技術與IBC電池的(de)結合
交(jiao)叉指型(xing)IBC電(dian)池(chi)主要采用體少子壽命較高的n型(xing)單晶硅(gui)片作為基(ji)底。其(qi)特點是正(zheng)面無電(dian)極，實(shi)現了電(dian)池(chi)正(zheng)面“零遮擋”，正(zheng)負(fu)電(dian)極交(jiao)叉排(pai)列在(zai)電(dian)池(chi)背面[10]。
常規IBC電池用n型材料作為襯底，正面制成絨面結構以降低反射率，表面采用SiO2/SiN層，與n 層結合作為
1)在硅片(pian)同一(yi)面(mian)實現(xian)p 區(qu)域(yu)(yu)和n 區(qu)域(yu)(yu)的(de)交錯擴散；
2)氧化層的制備；
3)金屬電極(ji)下實現重摻雜(za)；
4)激光(guang)燒(shao)結等。
美國Sunpower公(gong)司和日本Sharp公(gong)司分別開發了各自的(de)產業化IBC電池，其中Sunpower公(gong)司的(de)IBC電池轉換效(xiao)率達到22.3%。但(dan)由(you)于制(zhi)作(zuo)工藝過于復雜，工藝控制(zhi)過程嚴(yan)格(ge)，成本一(yi)直居高不(bu)下，很(hen)難大規模推廣。
利用(yong)選擇性發射極的(de)工(gong)藝(yi)原理，將離(li)子注(zhu)入(ru)(ru)技(ji)術代替傳(chuan)統擴散(san)(san)技(ji)術作(zuo)為IBC電(dian)池中(zhong)的(de)摻雜(za)(za)工(gong)藝(yi)，同時還(huan)能實現對摻雜(za)(za)表(biao)面(mian)的(de)熱氧化鈍化，其(qi)工(gong)藝(yi)流程圖如(ru)圖5所(suo)示(shi)。這樣，上(shang)述IBC電(dian)池的(de)幾個工(gong)藝(yi)難(nan)點(包括(kuo)p 和(he)n 交(jiao)錯擴散(san)(san)、氧化層的(de)制備和(he)金屬電(dian)極下重擴散(san)(san))均可通過離(li)子注(zhu)入(ru)(ru)技(ji)術的(de)應用(yong)得到有(you)效(xiao)(xiao)解決(jue)，其(qi)中(zhong)背面(mian)發射極和(he)背表(biao)面(mian)場(chang)的(de)制備需用(yong)到圖形化區域摻雜(za)(za)技(ji)術。而且得益于離(li)子注(zhu)入(ru)(ru)的(de)高(gao)水平摻雜(za)(za)效(xiao)(xiao)果，能提高(gao)p-n結、前表(biao)面(mian)場(chang)(FSF)和(he)背表(biao)面(mian)場(chang)(BSF)的(de)質量。因(yin)此(ci)將離(li)子注(zhu)入(ru)(ru)技(ji)術引入(ru)(ru)IBC電(dian)池中(zhong)能有(you)效(xiao)(xiao)降(jiang)低IBC電(dian)池的(de)工(gong)藝(yi)難(nan)度，降(jiang)低制作(zuo)成本，并且可提高(gao)電(dian)池轉換效(xiao)(xiao)率。