文/Justin Williams  译/陈超

　　虽然绝大多数光伏制造商都使用p型硅片，但n型硅片可以提高效率。

　　可以说，晶硅光伏电池最重要特性就是其p-n结。虽然电池的其他特性也会影响转换效率，但p-n结却是电池的基本功能。

　　在p型和n型半导体区的交界面处，在入射光的激发下产生了载流子，且其电性相反，因此产生了电流和电压。现在大规模生产的光伏电池，绝大多数使用的都是p型硅片，其基底材料就是硼掺杂的P型硅片。在生产过程中，将磷掺杂的n型区引入到硅片的向阳面就形成了电池的发射极。

　　为了制作p-n结，发射极中磷掺杂浓度必须高于硼掺杂浓度。根据工艺设置，p-n结或者发射极的深度约为0.2～1μm。

　　制作p-n结有几种可行技术，相比其他广泛使用的热扩散技术，离子注入和PECVD在相对小范围内使用。

　　热扩散通过两个环节将掺杂原子引进硅片。首先，将硅片涂布上掺杂剂。该环节可以通过丝网印刷、喷涂、或者化学气相沉积（CVD）完成。然后，将硅片置于800℃～900℃下加热，使掺杂原子扩散进入硅片。

　　扩散

　　制作发射极最常见的技术包括磷硅玻璃（PSG）中磷原子的热扩散，该过程可以使用分层式烘炉使400至1000片电池同时被掺杂。

　　硅片暴露在平均温度约820℃～860℃的氮、氧气（N2/O2）氛围下，在其表面形成一层薄薄的SiO2。另外，在工艺氛围中也注入了三氯氧磷（POCl3）。

　　三氯氧磷（POCl3）分解并与氧气（O2）反应形成氯气（Cl2）和五氧化二磷（P2O5）。氯气（Cl2）很容易与大多数金属反应，这样就能清除硅片表面的金属杂质。否则，就会对p-n结产生不良影响。

　　同时，五氧化二磷（P2O5）扩散进硅中，形成了掺杂源——磷硅玻璃（PSG），磷硅玻璃中的磷原子再扩散进硅片。这步叫做“驱动”（drivein）。有时是在比其他环节更高的温度下进行的。

　    通常来说，完整的扩散工艺流程包括如图1的四个主要步骤，用时约1个小时。

　　控制分布

　　评估扩散工艺的两项重要指标是掺杂剂在硅片中的空间均匀性和掺杂深度分布。前者是由掺杂层的电导率或其倒数方块电阻（约65～100Ω/平方）决定的。由于硅片样品使用的设备相对简单，测量工作可以现场进行。

　　掺杂深度分布通常无法现场测量，因此只能在实验室里完成。测量掺杂分布最常用的技术是二次离子质谱法和电化学电容电压测量法。

　　为了优化太阳电池性能，掺杂分布必须控制得当。经济上的因素和物理上热扩散都限制着发射极掺杂分布可适应的程度。然而，通过经济因素和物理边界条件的改变也可使发射极发生显著变化。

　　发射极最重要的特征之一就是其表面浓度，工艺温度以及磷硅玻璃中的磷浓度都对其有很大影响。

　　掺杂浓度过高会导致载流子复合增加，使表面钝化更加困难。这会进一步使开路电压和短路电流降低，以致电池整体功率下降。

　　通常，高掺杂浓度层就在硅片表层之下（约50～400?深）。该区域是一块儿载流子复合相当高的地方——被称之为“死层”。设置扩散工艺参数时应限制死层厚度使电池转换效率最大化。

　　虽然原则上表面钝化和死层厚度都要求发射极掺杂浓度较低，但事实上重掺杂对于电池金属化却大有益处。掺杂浓度的增加有利于降低发射极金属化的接触电阻。

　　低接触电阻可以降低整个电池的串阻，也就减少了功率损失。此外，发射极掺杂浓度的增加也可以降低发射极的接触电阻。这使得发射极栅线可利用的空间更广，也减少了电池阴影和金属消耗量。分批式扩散可以通过工艺氛围精细化来控制掺杂深度分布，而且其耗时和温度使之成为目前主流的太阳电池制造工艺。

　　性能改善

　　也可以增加一些工艺流程以期进一步提高发射极的性能。其目的在于区分硅片表面不同的掺杂浓度，创建金属化的重掺杂区，即钝化的低掺杂区。

　　这可以通过激光辐射增加局部掺杂浓度来实现，抑或通过蚀刻降低掺杂浓度达到该目的。这两种方法的目的都是为了克服简单的热扩散工艺产生的妥协局限性。

　　世界上部分高效电池使用的都是n型硅片，包括SunPower的背接触、背结（BC-BJ）电池，英利的熊猫电池，以及三洋的HIT电池技术。n型硅的优势在于其对常见杂质的低敏度。

　　可以使用铝或者硼作为n型硅片的掺杂剂制作发射极。虽然铝制发射极通常在合金化过程中形成，但在SunPower和英利的电池制造过程中已经开始使用硼扩散。与三氯氧磷（POCl3）为扩散氛围的工艺相似，在这种情况下，分批式扩散的工艺中，三溴化硼(BBr3)中的硼扩散也涉及到了母体的增加。三溴化硼(BBr3)分解并与氧反应生成了氧化硼，氧化硼继而沉积在硅片上。

　　在这里，它与硅反应形成硼硅玻璃，即掺杂源。由于硼在硅中的扩散系数比磷小，因此需要更高的温度和时间达到同等的发射极方块电阻。

　　综上，除非新的制造或工艺技术出现，热扩散仍将继续保持行业标准的主导地位。随着金属化和其他工艺的发展，热扩散技术也将不断优化。