【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，從而產(chǎn)生了凈的正向電流。如果設(shè)內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度為 VD，光生電勢(shì)為 VP，則空間電荷區(qū)的勢(shì) 壘高度降低q(VDVP)。從以上的分析可以看出，形成光生電流 I L只來自非平衡少數(shù)載流子的貢獻(xiàn)，即 p區(qū)中的電子， n區(qū)中的空穴；能帶彎曲部分對(duì) n區(qū)和 P區(qū)的多子而言均為勢(shì)壘，即起阻擋層作用。 設(shè)在光照下 pn結(jié)附近的電子 空穴對(duì)的產(chǎn)生率為恒定值 G，忽略空間電荷區(qū)的復(fù)合，則從 n型半導(dǎo)體到 p型半導(dǎo)體的光生電流 IL為 [ 9]： IL=qAG(LnW+Lp) (21) 式中 A為 pn結(jié)的面積 。Ln和 Lp分別為電子和空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度； W為空間電河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 荷區(qū)的寬度。 正是由于光生電流和光生電勢(shì) 的產(chǎn)生，使得 pn結(jié)可能向外電路提供負(fù)載電流和功率。但是，光生電勢(shì)降低了空間電荷區(qū)的勢(shì)壘，類似于在 pn結(jié)上加上正向電場(chǎng)，使得 pn結(jié)產(chǎn)生了正向電流的注入，方向與光生電流相反，導(dǎo)致Pn結(jié)提供給外電路的電流減少，這是太陽能電池竭力要避免的。根據(jù)理想狀態(tài)下 pn結(jié) (二極管 )的電流 電壓關(guān)系式，可得光照時(shí)流過 pn結(jié) (二極管 )的正向電流為： ID=I0（ e nkTqV1） （ 22） 式中 q為電子電量， k為波爾茲曼常數(shù)， T為絕對(duì)溫度， I0為二極管反向飽和電流， V為光生電壓， n為二極管質(zhì)量因子。 167。 IV 特性 為后續(xù)章節(jié)分析研究需要，本節(jié)先分析晶體硅太陽能電池的等效電路，然后進(jìn)一步探討開路電壓 Voc和電流 電壓關(guān)系。在理想情況下，短路電流 Isc等于光生電流密度乘以電池表面積，開路電壓 Voc等于光生電壓。晶體硅太陽電池的等效電路可以表示成圖 22所示的形式。 Rse表示來自電極接觸、基體材料等歐姆損耗的串聯(lián)電阻， Rsh表示來自泄漏電流的旁路 (并聯(lián) )電阻， RL表示 負(fù)載電阻， ID表示二極管電流，表示光生電流。 圖 22 晶體硅太陽能電池的等效電路 根據(jù)等效電路，可以寫出太陽電池的 pn結(jié) IV特性方程如下： IL=I+ID+shseRIRV? （ 23） 將式 (22)代入方程 (23)可以得到輸出電流為： 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 I=ILI0[e nkTseIRVq )( ?1]shRIRseV? (24) 對(duì)于實(shí)際的太陽電池，二極管正向電流的數(shù)值由中性區(qū)的擴(kuò)散電流和耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流組成。 當(dāng)復(fù)合電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)，因子 n=2，當(dāng)擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)， n=l，當(dāng)兩種電流可以比擬時(shí)， n介于 l到 2之間。 取 n=l，當(dāng) Rsh足夠大，并聯(lián)電阻引起的旁路電流可忽略不記時(shí)，由式 (24)可得 : I=ILID=ILI0(e kTqV1) (25) 由式 (25)變形，得出 : V=qkTln(0IIIL? +1) (26) 將 pn結(jié)開路，即負(fù)載電阻無窮大，負(fù)載上的電流 I為零，則此時(shí)的電壓稱為開路電壓，用 Voc表示，由式 (26)可知 Voc=qkTln(0IIL +1) (27) 將 pn結(jié)短路，即負(fù)載電阻、光生電壓和光照時(shí)流過 P． n結(jié)的正向電流歷均為零，則此時(shí)的電流稱為短路電流，用 Isc表示，由式 (25)可知 : Isc=IL (28) 即光照時(shí)的 pn結(jié)短路電流等于它的光生電流。 短路電流和開路電壓是太陽能光電池的重要參數(shù)，并隨著太陽光強(qiáng)度的增加而增加，如圖 23所示 [ 9]。由此可見，隨著光強(qiáng)度的增 加，短路電流 Isc呈線性增長(zhǎng)，而開路電壓 Voc呈對(duì)數(shù)上升，并逐漸達(dá)到最大值。所以，我們一般在對(duì)太陽電池和組件的效率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采取大氣質(zhì)量為 模擬器作為標(biāo)準(zhǔn)。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 23 短路電流、開路電壓與光強(qiáng)度得關(guān)系示意圖 當(dāng) Rsh足夠大，并聯(lián)電阻引起的旁路電流可忽略不記時(shí)。輸出功率可以表示為： P=IV=I[qnkTln(0IIIL? +1)IRse] (29) 圖 24所示為絲網(wǎng)印刷電極晶體硅太陽電池 IV、 PV曲線示意圖。最大功率 Pma x（即 P m）表示輸出的最大功率， Vpm和 Ipm分別表示與最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓和輸出電流。填充因子 FF定義為 : FF=ocVscIpmVpmI （ 210） 光電轉(zhuǎn)換效率定義為： Eff=inocscP VI?FF （ 211） 式中 Pin為輸入太陽電池的光功率。要獲得最高的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)使 FF、 Isc和 Voc都最大。提高 FF和 Voc的途徑是減小復(fù)合電流；改善電極歐 姆接觸，減小串聯(lián)電阻 Rse；提高并聯(lián)電阻，減小旁路漏電流等。提高 Isc的途徑是提高太陽電池對(duì)陽光的吸收效率，提高非平衡少數(shù)載流于壽命，減小復(fù)合電流損失等。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 24 絲網(wǎng)印刷電極晶體硅太陽電池 IV、 PV曲線示意圖 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第三章 擴(kuò)散制作 PN 結(jié) 擴(kuò)散制作 PN結(jié)通常情況下，可采取下列方法將摻雜劑原子引入硅 片中 ：1)高 溫下汽相形成的化學(xué)源擴(kuò)散； 2)摻雜氧化物源的擴(kuò)散； 3)離子注入層的退火與擴(kuò)散。太陽電池制作中的擴(kuò)散工藝主要采用高溫化學(xué)源擴(kuò)散：其研究目標(biāo)是如何控制硅中摻雜劑的濃度、均勻性、重復(fù)性以及大批量生產(chǎn)過程中如何降低成本。 167。 擴(kuò)散的基本原理 167。 擴(kuò)散的基本知識(shí) 1） pn結(jié)定義 采用摻雜制造工藝，在一塊半導(dǎo)體中獲得不同摻雜的兩個(gè)區(qū)域 P型區(qū)和 N型區(qū)，這種 P型和 N型區(qū)之間的冶金學(xué)界面稱為 PN結(jié)。 太陽能電池的心臟是一個(gè) PN結(jié)。 PN結(jié)是不能簡(jiǎn)單地用兩塊不同類型（ p型和 n型）的半導(dǎo)體接觸在一起就能形 成的。要制造一個(gè) PN結(jié)，必須使一塊完整的半導(dǎo)體晶體的一部分是 P型區(qū)域，另一部分是 N型區(qū)域。也就是在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn) P型和 N型半導(dǎo)體的接觸。 2） 半導(dǎo)體特性 硅太陽電池生產(chǎn)中常用的幾種元素 :硅（ Si）、磷（ P）、硼（ B）元素的原子。硅晶體的特點(diǎn)是原子之間靠共有電子對(duì)連接在一起。硅原子的 4個(gè)價(jià)電子和它相鄰的 4個(gè)原子組成 4對(duì)共有電子對(duì)。這種共有電子對(duì)就稱為 “共價(jià)鍵 ”。硼（ B）是三族元素，原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，硼原子最外層只有三個(gè)電子參加共價(jià)鍵，在另一個(gè)價(jià)鍵上因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位，鄰近價(jià)鍵上的價(jià)電子 跑來填補(bǔ)這個(gè)空位，就在這個(gè)鄰近價(jià)鍵上形成了一個(gè)新的空位，我們稱這個(gè)空位叫 “空穴 ”。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱 P型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體中空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子。這種接受自由電子的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。磷（ P）是五族元素，原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，磷原子最外層五個(gè)電子中只有四個(gè)參加共價(jià)鍵，另一個(gè)不河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 在價(jià)鍵上，成為自由電子，失去電子的磷原子是一個(gè)帶正電的正離子，正離子處于晶格位置上，不能自由運(yùn)動(dòng)，它不是載流子。因此，摻入磷的半導(dǎo)體起導(dǎo)電作用的，主要是磷所提供的自由電子，這種依靠電子導(dǎo)電 的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱 N型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體上自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。這種提供自由電子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。 3） 擴(kuò)散目的 本論文研究基于在 P型硅片襯底上擴(kuò)散 V族元素磷 P，形成 pn結(jié)，采用液態(tài)源 POCl 3氣相擴(kuò)散。 在硅片周圍包圍著許許多多的磷的分子，因此磷原子能從四周進(jìn)入硅片的表面層，并且通過硅原子之間的空隙向硅片內(nèi)部滲透擴(kuò)散。在有磷滲透的一面就形成了 N型，在沒有滲透的一面是原始 P型的， 這樣就達(dá)到了在硅片內(nèi)部形成了所要的 PN結(jié)。 這就是所說的擴(kuò)散。擴(kuò)散的目的：形成 PN結(jié)。 167。 液態(tài)源磷擴(kuò)散原理 太陽電池制造工藝中，磷擴(kuò)散一般有三種方法，一是三氯氧磷 (POCl 3)液態(tài)源擴(kuò)散，二是噴涂磷酸水溶液后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散，三是絲網(wǎng)印刷磷漿料后鏈?zhǔn)綌U(kuò)散。 目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的是第一種方法。 POCl 3 是目前磷擴(kuò)散用得較多的一種雜質(zhì)源，它是無色透明液體，具有刺激性氣味。 POCl 3 在高溫下 (600 ℃ )分解生成五氯化磷 (PCl 5)和五氧化二磷 (P2O5)，其反應(yīng)式為：5POCl 3（ 600 ℃ ） →3PCl5 + P2O5生成的 P2O5 在擴(kuò)散溫度下與硅反應(yīng)，生成二氧化硅 (SiO2)和磷原子，其反應(yīng)式如下： 2P2O5 + 5Si→ 5SiO2 + 4P↓ 由上面反應(yīng)式可以看出， POCl 3 熱分解時(shí)，如果沒有外來的氧 (O2)參與其分解是不充分的，生成的 PCl 5 是不易分解的，并且對(duì)硅有腐蝕作用，破壞硅片的表面狀態(tài)。但在有外來 O2 存在的情況下， PCl 5 會(huì)進(jìn)一步分解成P2O5 并放出氯氣 (Cl2)其反應(yīng)式為： 4PCl5 +5O2 ?? ?? 過量氧 2P2O5 +10Cl2 ↑ 生成的 P2O5 又進(jìn)一步與 硅作用，生成 SiO2 和磷原子，由此可見，在磷擴(kuò)散時(shí)，為了促使 POCl 3 充分的分解和避免 PCl 5 對(duì)硅片表面的腐蝕作用，必河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 須在通氮?dú)獾耐瑫r(shí)通入一定流量的氧氣，在有氧氣的存在時(shí)， POCl 3 熱分解的反應(yīng)式為： 4 POCl3 + 3O2→ 2P2O5 + 6Cl2 ↑ POCl3 分解產(chǎn)生的 P2O5 淀積在硅片表面， P2O5與硅反應(yīng)生成 SiO2 和磷原子，并在硅片表面形成一層磷 硅玻璃，然后磷原子再向硅中進(jìn)行擴(kuò)散。反應(yīng)式如前所示： 2P2O5 + 5Si →5SiO2 + 4P ↓ POCl3 液 態(tài)源擴(kuò)散方法具有生產(chǎn)效率較高，得到 pn 結(jié)均勻、平整和擴(kuò)散層表面良好等優(yōu)點(diǎn)，適于制作具有大的結(jié)面積的太陽電池。 167。 液態(tài)源擴(kuò)散設(shè)備 在太陽能電池的制造中，基片通常為 p 型摻雜。為了形成 pn 結(jié)，磷常被用來作為太陽能電池的 n 型摻雜物。它的擴(kuò)散是通過高溫過程來實(shí)現(xiàn)的，生產(chǎn)線主要使用的是管式爐。管式爐主要用于氣相擴(kuò)散，通常使氮?dú)馔ㄈ胙b有 POCl 3(20～ 30 ℃ )的石英泡內(nèi)，將 POCl 3 攜帶入反應(yīng)室，典型的工藝溫度為 880 ℃ ，也可用于固相擴(kuò)散，這種方式可以在硅片的兩面和邊緣生成 PN 結(jié)；管式爐的反應(yīng)環(huán) 境比較干凈，無金屬污染，也可以在一批次中處理多個(gè)硅片。 pn 結(jié)的厚度約為 ，磷的濃度很高，通入的氮?dú)鉃?3 L/min，半導(dǎo)體磷擴(kuò)工藝一般為 1 L/min。目前太陽能電池生產(chǎn)線上使用的主要是閉管磷擴(kuò)散 設(shè) 備，該系統(tǒng)供太陽能電池生產(chǎn)線 125mm125mm 及 156mm156mm 方片擴(kuò)散工藝使用。本設(shè)計(jì)使用設(shè)備為四十八所四管高溫?cái)U(kuò)散系統(tǒng)。 167。 設(shè)備的主要性能指標(biāo) 1） 設(shè)備指標(biāo) ： 爐膛有效內(nèi)徑： Ф350mm (適應(yīng)石英管內(nèi)徑 Ф330mm) ； 溫度控制范圍： 400～ 1100℃ ； 有效 裝片量： 400片 /管 ； 恒溫區(qū)長(zhǎng)度及精度： ≤177。1℃ /1080mm （ 801～ 1100℃ ） ≤177。℃ /1080mm （ 400～ 800℃ ）； 單點(diǎn)溫度穩(wěn)定性： ≤177。1℃ /4h （ 880℃ 時(shí)）； 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 尾氣收集方式：尾部集中收集，定向排放； 具有超溫、斷偶、斷水、斷氣報(bào)警和保護(hù)功能； 凈化工作臺(tái)凈化級(jí)別： 1000級(jí) （環(huán)境 10000級(jí)）； 送片方式： 懸臂式 SiC槳送舟機(jī)構(gòu)。水平進(jìn)舟速率 50mm/min～ 800mm/min連續(xù)可調(diào)；定位精度： ≤177。3mm ； 工藝過程 由工控計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制 ， 直接在觸摸屏上操作； 可存儲(chǔ) 100條工藝曲線、每條曲線不少于 30個(gè)拐點(diǎn)； 1爐管溫控系統(tǒng)采用五段控溫。 2） 工藝指標(biāo) ： 工藝均勻性 ： 片內(nèi) 177。3%； 片間 177。4%； 批間 177。5%。 167。 設(shè)備主要構(gòu)成 氣源柜 爐體機(jī)箱 凈化工作臺(tái) 懸臂推拉舟 圖 31 四管擴(kuò)散 /氧化系統(tǒng)示意圖 1） 擴(kuò)散爐主機(jī) 擴(kuò)散爐主機(jī)的頂部是熱交換器，中部是加熱爐體，下部是功率調(diào)節(jié)部件。熱交換器。 控制柜 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 2） 氣源柜及氣路系統(tǒng) 氣源柜是相對(duì)獨(dú) 立的部分，包括了氣源控制單元、 4 個(gè)氣路管路小盒及源瓶和源溫控制器。 3） 凈化工作臺(tái) 水平層流的凈化工作臺(tái)提供一個(gè)潔凈的工作區(qū)。凈化臺(tái)頂部裝有日光