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摘 要：针对太阳能电池PN结制备技术，本文分析工艺设计过程中，硅片磷浓度分布情况会给电池性能造成极大的影响。现有的太阳电池PN结制备工艺中，多步扩散制备工艺具有较强的应用优势，能够减少死层，增加电活性磷掺杂量。文中重点对多步扩散制备工艺的应用相关问题，以及硅基薄膜多结太阳能制备的其他工艺，做了简单的论述分析。
关键词：多步扩散制备法；太阳能PN结；中间层技术；隧穿结技术
中图分类号： TM914.4 文献标识码： B 文章编号： 2095-8595（2017） 02-014-03
电子科学技术 URL： http：//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.02.004
Abstract： In view of the solar cell PN junction preparation technology， the analysis of the process of the design process， the distribution of silicon phosphorus concentration will give a great impact on the performance of the battery. In the existing solar cell PN junction preparation process， the multi step diffusion preparation process has strong application superiority， can reduce the dead layer and increase the doping amount of the active phosphorus. In this paper， we focus on the problems related to the application of the multi step diffusion process and the other processes of the silicon-based thin film solar energy preparation.
Key words： Multi Step Diffusion Preparation； Solar PN Junction； Interlayer Technology； Tunneling Junction Technology
引言
硅基多结太阳电池具有较强的可靠性，以及抗敷设能力，被广泛应用，逐渐代替了单晶硅太阳电池，成为第三代太阳能材料。制备高质量硅基多结电池，需要经过多种工序才能够完成，其中扩散制PN结是主要环节，其直接决定着硅片表面的浓度与结深，以及有效掺杂量，进而影响着电池的性能，能够极大地提高太阳能电池的光电转换率，提高电池的效率。
1 PN结概述
PN结指的是：一块一侧掺杂成P型半导体，而另一侧掺杂成N型半导体，中间二者相连。PN结作为电子技术中的元件，包括半导体二极管以及双极性晶体管。PN结形成的过程，如图1所示。基于PN结的掺杂分布、材料等特性，能够制备各种性能的晶体二极管，包括、检波二极管、开关二极管等。太阳能电池指的是运用光电效应，或者光化学效应，将光能转化为电能的主要装置。太阳能电池只要被光照到，便能够立即输出电压与电流。在物理学方面，成为太阳能光伏。太阳能电池以薄膜式为主。制备太阳电池PN结，主要采取的方法包括两步磷扩散法与多步扩散法等。两步磷扩散主要是先恒定源扩散，后限定源扩散。多步扩散法增加通源次数，基于两步扩散法增加步骤。
2 多步扩散制备太阳电池PN结工艺
2.1 多步扩散制备工艺优势
多步扩散工艺使用的是性能较强的首次限定源扩散以及二次恒定源扩散，进而能够在不影响体掺杂的条件下，合理调整表面掺杂浓度，进而实现对FF独控，以此降低电池性能对金属化条件的依赖程度。贾洁静等，通过实验研究多步扩散制备工艺效果，通过设计以及优化第二次恒定源扩散，使得掺杂能够达到较为适度的表面浓度，金属化中，能够形成较好的银硅接触，使FF得以提升，与常规制备工艺相比，提升了0.9%。同时结深增加了近0.2μm，因为结深能够降低电流收集效率，因此多步扩散制备工艺虽然可以利用减少死层，或者增加电活性磷掺杂量的形式，实现电流输出，但是因为结比较深，所以电流收集效率与传统制备方法相比差异不大。在其研究过程中，因为组件电池片主要是以串联形式连接的，电流受到水桶效应的影响，所产生的损耗比较大，但是电压未出现明显损耗，所以提高开路电压，能够减少组件损失，提高组件的输出效率。同时FF深受串联电阻的影响，而且串联造成的失配损失，会降低FF，最终影响转换效率。多步扩散制备工艺下的电性能特征表现是高Voc，FF较高的太阳电池，能够提高电池片的CTM[1]。
2.2 多步扩散制备工艺原理
太阳电池磷扩散制结工艺中，温度因素、气体流量因素、步骤设计因素等，直接影响着杂质分布情况，同时影响着电池的电性能。限定源扩散的温度越高，则体有效掺杂量也就越大，进而可以提升太阳电池的整体性能，尤其是提高Voc，能够极大程度上提高CTM。若将升温的速率控制在<20℃/min时，则升温速率的大小，不会影响掺杂的分布。限定源在扩散的过程中，利用氧气的延缓作用，来降低表面的濃度，减少死层，同时能够提高太阳能电池的整体性能。
多步扩散能够在不影响体掺杂的条件下，进而有效地调整表层掺杂浓度，通过调整扩散参数，来独立控制FF的大小，进而提升对金属化条件的适配性。针对影响磷扩散因素，采取多步扩散工艺，能够极大程度提升电池的电性能，以及制备工艺的可控性。优化的多步扩散制备工艺，首次恒定源扩散温度控制在800℃左右，经过19min后，进行有氧变温，将温度提升到880℃，再经过12min的恒定源扩散，温度是840℃，以及10分钟的限定源扩散。 贾静洁等，基于温度因素、氧气流量因素等，对多步扩散制备工艺，进行优化后对比实验，得出两组硅片扩散后，方块电阻分布55Ω～60Ω，同时给出了常规制备方法以及多步扩散制备法的SIMS与ECV对比曲线，如图2所示，即N型区域内杂质分布，以及深度在0～0.2μm的杂质分布曲线。该对比实验证实了多步扩散制备PN结方法的电活性磷体掺杂浓度较高，电池性能较好。
3 硅基薄膜多结太阳能电池制备工艺
3.1 制备技术
3.1.1 隧穿结技术
硅基薄膜多结太阳能电池制备时，运用隧穿结技术原理，即外延生长技术，在不同等级子电池间，加入超薄重掺杂隧穿结，同时使用载流子隧穿效应，来应对反向势垒作用，进而互联各子电池。需要注意的是因为多结电池，其不同等级电池材料的禁带宽度，以及晶格匹配不同，对此要基于太阳电池的具体情况，来选择隧道结。蔡文必等，使用MOCVD，通过外延生出不同类型的隧穿结的双结，将其倒装到太阳电池，分析XRD与SEM结构等，最终发现拥有隧穿结的多结太阳电池，其结构晶格匹配，而且晶体的质量相对较高。影响隧穿效应的主要因素包括带隙、掺杂隧穿结、隧穿结厚度，若掺杂以及厚度不合理，则会降低双结电池的性能与效率[2]。
3.1.2 高倍聚光光伏系统
硅基薄膜多结太阳能电池制备时，运用的高倍聚光光伏技术，其使用菲涅爾透镜，或者抛物碟反射镜，来汇聚阳光，将其汇聚到特定倍数值后，再摄入到光伏电池内。若受光面积相同，则使用成本相对较低的聚光器，不仅能够提高硅基多结太阳能电池的效率，还能够降低成本。
王艳等，主要研究不同运行温度条件下，以及不同聚光比下，多结电池所表现出来的输出特性，最后找出了太阳电池特性参数短路电流以及开路电压，同光强与温度变化之间的关系，通过计算最终获得了电池光电转换效率，随光强与温度等的变化所呈现出的变化趋势。通过研究发现电池转换的效率下降的效果，用聚光的提升程度相比要大，同时还发现温度因素给多结太阳能电池的输出特性造成的影响相对较大。还有学者通过研究，最终发现多结太阳电池的使用，需要配备散热装置，当聚焦倍率>100倍时，则可以采取复合散热的方式，若聚焦倍率<100倍，则可以采取被动铝散热片，作为主要的散热方式[3]。
3.1.3 直接键合技术
硅基薄膜多结太阳能电池制备时，为了能够提升多结太阳能电池的使用效率，解决晶格失配材料位错问题等，运用键和技术，则能够获得多结太阳电池材料，该材料与太阳光谱相匹配。直接键和技术的主要原理是把晶格失配材料连接在一起，防止缺陷问题渗入到电池内部，即串联电池材料法。付蕊等，运用键和技术，实现了各子电池带隙配比达到最优，同时还确保了电池晶体材料能够高质量生长，除此之外还实现了无空位大面积紧密键合，以及高机械强度，使得电池光电转换效率得以极大的提升。半导体键和技术运用时，需要确保材料表面的质量，因此要做好材料表面钝化以及清洁工作，使用化学机械进行抛光作业，使其表面的粗糙度<0.5nm，以此避免在键合界面形成空位。
3.2 多结电池效率的优化机理
硅基多结电池使用效率的优化，需要考虑以下因素的影响：1）带隙匹配因素。合理运用带隙匹配，能够极大程度提高光电性能，因此加深对多结太阳电池的载流子输运，有着现实的意义。2）本征层因素的影响。降低电池的本征层厚度，能够减轻光致衰退效应，进而提高电池器件的稳定型。降低太阳能电池成本，关键在于如何制备高质量的本征层薄膜，合理运用高速沉积工艺。3）减反膜因素。硅基多结太阳能电池的光电转换效率，主要是由光伏材料性能来决定的，即使是少量能量损失，为了提高光电性能，通常采取调节电池减反膜厚度的方式，以获取较强的效果。邹凯等，利用模拟软件，对P型在物理冶金太阳电池，即多晶硅太阳能电池，其叠层钝化减反射结构，做了计算模拟，在SiNx/SiNx双层减反射结构内，引入SiO2钝化层，则能够改善太阳能电池表面减反射效果，提升太阳能电池的外量子效率，同时还能够提高转换效率[4]。
4 结束语
硅基多结电池是现今太阳能电池中运用较为广泛的种类，多数产品或已经商业化，对其制备技术问题，也自然成为了研究的重点。在制备硅基多结电池时，采取高倍聚光光伏系统与直接键合技术等，解决多元化合物组分控制问题，加强对界面控制方法的研究，运用新能源与新技术等，提高硅基多结电池的性能与效率。制备太阳能电池PN结时，运用多步扩散工艺，加强对扩散工艺中温度与气体流量等的控制，以提高电池的光电转换效率，提高太阳电池效率。
参考文献
季鑫，杨德仁.硅基薄膜多结太阳能电池的结构、制备技术及其效率优化的研究[J].材料导报，2016（03）：150-153.
潘振，呼文韬，王寅，郭林，付增英.适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池[J].电源技术，2016（08）：1722-1725.
刘浩，薛玉明，乔在祥，李微，张超，尹富红，冯少君.铜锌锡硫薄膜材料及其器件应用研究进展[J].物理学报，2015（06）：22-33.
龙飞，莫淑一，池上森，梁凤基，邹正光.Cu_2ZnSn（S，Se）_4薄膜太阳电池研究进展[J].半导体光电，2014（02）：165-170+205.
关键词：多步扩散制备法；太阳能PN结；中间层技术；隧穿结技术
中图分类号： TM914.4 文献标识码： B 文章编号： 2095-8595（2017） 02-014-03
电子科学技术 URL： http：//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.02.004
Abstract： In view of the solar cell PN junction preparation technology， the analysis of the process of the design process， the distribution of silicon phosphorus concentration will give a great impact on the performance of the battery. In the existing solar cell PN junction preparation process， the multi step diffusion preparation process has strong application superiority， can reduce the dead layer and increase the doping amount of the active phosphorus. In this paper， we focus on the problems related to the application of the multi step diffusion process and the other processes of the silicon-based thin film solar energy preparation.
Key words： Multi Step Diffusion Preparation； Solar PN Junction； Interlayer Technology； Tunneling Junction Technology
引言
硅基多结太阳电池具有较强的可靠性，以及抗敷设能力，被广泛应用，逐渐代替了单晶硅太阳电池，成为第三代太阳能材料。制备高质量硅基多结电池，需要经过多种工序才能够完成，其中扩散制PN结是主要环节，其直接决定着硅片表面的浓度与结深，以及有效掺杂量，进而影响着电池的性能，能够极大地提高太阳能电池的光电转换率，提高电池的效率。
1 PN结概述
PN结指的是：一块一侧掺杂成P型半导体，而另一侧掺杂成N型半导体，中间二者相连。PN结作为电子技术中的元件，包括半导体二极管以及双极性晶体管。PN结形成的过程，如图1所示。基于PN结的掺杂分布、材料等特性，能够制备各种性能的晶体二极管，包括、检波二极管、开关二极管等。太阳能电池指的是运用光电效应，或者光化学效应，将光能转化为电能的主要装置。太阳能电池只要被光照到，便能够立即输出电压与电流。在物理学方面，成为太阳能光伏。太阳能电池以薄膜式为主。制备太阳电池PN结，主要采取的方法包括两步磷扩散法与多步扩散法等。两步磷扩散主要是先恒定源扩散，后限定源扩散。多步扩散法增加通源次数，基于两步扩散法增加步骤。
2 多步扩散制备太阳电池PN结工艺
2.1 多步扩散制备工艺优势
多步扩散工艺使用的是性能较强的首次限定源扩散以及二次恒定源扩散，进而能够在不影响体掺杂的条件下，合理调整表面掺杂浓度，进而实现对FF独控，以此降低电池性能对金属化条件的依赖程度。贾洁静等，通过实验研究多步扩散制备工艺效果，通过设计以及优化第二次恒定源扩散，使得掺杂能够达到较为适度的表面浓度，金属化中，能够形成较好的银硅接触，使FF得以提升，与常规制备工艺相比，提升了0.9%。同时结深增加了近0.2μm，因为结深能够降低电流收集效率，因此多步扩散制备工艺虽然可以利用减少死层，或者增加电活性磷掺杂量的形式，实现电流输出，但是因为结比较深，所以电流收集效率与传统制备方法相比差异不大。在其研究过程中，因为组件电池片主要是以串联形式连接的，电流受到水桶效应的影响，所产生的损耗比较大，但是电压未出现明显损耗，所以提高开路电压，能够减少组件损失，提高组件的输出效率。同时FF深受串联电阻的影响，而且串联造成的失配损失，会降低FF，最终影响转换效率。多步扩散制备工艺下的电性能特征表现是高Voc，FF较高的太阳电池，能够提高电池片的CTM[1]。
2.2 多步扩散制备工艺原理
太阳电池磷扩散制结工艺中，温度因素、气体流量因素、步骤设计因素等，直接影响着杂质分布情况，同时影响着电池的电性能。限定源扩散的温度越高，则体有效掺杂量也就越大，进而可以提升太阳电池的整体性能，尤其是提高Voc，能够极大程度上提高CTM。若将升温的速率控制在<20℃/min时，则升温速率的大小，不会影响掺杂的分布。限定源在扩散的过程中，利用氧气的延缓作用，来降低表面的濃度，减少死层，同时能够提高太阳能电池的整体性能。
多步扩散能够在不影响体掺杂的条件下，进而有效地调整表层掺杂浓度，通过调整扩散参数，来独立控制FF的大小，进而提升对金属化条件的适配性。针对影响磷扩散因素，采取多步扩散工艺，能够极大程度提升电池的电性能，以及制备工艺的可控性。优化的多步扩散制备工艺，首次恒定源扩散温度控制在800℃左右，经过19min后，进行有氧变温，将温度提升到880℃，再经过12min的恒定源扩散，温度是840℃，以及10分钟的限定源扩散。 贾静洁等，基于温度因素、氧气流量因素等，对多步扩散制备工艺，进行优化后对比实验，得出两组硅片扩散后，方块电阻分布55Ω～60Ω，同时给出了常规制备方法以及多步扩散制备法的SIMS与ECV对比曲线，如图2所示，即N型区域内杂质分布，以及深度在0～0.2μm的杂质分布曲线。该对比实验证实了多步扩散制备PN结方法的电活性磷体掺杂浓度较高，电池性能较好。
3 硅基薄膜多结太阳能电池制备工艺
3.1 制备技术
3.1.1 隧穿结技术
硅基薄膜多结太阳能电池制备时，运用隧穿结技术原理，即外延生长技术，在不同等级子电池间，加入超薄重掺杂隧穿结，同时使用载流子隧穿效应，来应对反向势垒作用，进而互联各子电池。需要注意的是因为多结电池，其不同等级电池材料的禁带宽度，以及晶格匹配不同，对此要基于太阳电池的具体情况，来选择隧道结。蔡文必等，使用MOCVD，通过外延生出不同类型的隧穿结的双结，将其倒装到太阳电池，分析XRD与SEM结构等，最终发现拥有隧穿结的多结太阳电池，其结构晶格匹配，而且晶体的质量相对较高。影响隧穿效应的主要因素包括带隙、掺杂隧穿结、隧穿结厚度，若掺杂以及厚度不合理，则会降低双结电池的性能与效率[2]。
3.1.2 高倍聚光光伏系统
硅基薄膜多结太阳能电池制备时，运用的高倍聚光光伏技术，其使用菲涅爾透镜，或者抛物碟反射镜，来汇聚阳光，将其汇聚到特定倍数值后，再摄入到光伏电池内。若受光面积相同，则使用成本相对较低的聚光器，不仅能够提高硅基多结太阳能电池的效率，还能够降低成本。
王艳等，主要研究不同运行温度条件下，以及不同聚光比下，多结电池所表现出来的输出特性，最后找出了太阳电池特性参数短路电流以及开路电压，同光强与温度变化之间的关系，通过计算最终获得了电池光电转换效率，随光强与温度等的变化所呈现出的变化趋势。通过研究发现电池转换的效率下降的效果，用聚光的提升程度相比要大，同时还发现温度因素给多结太阳能电池的输出特性造成的影响相对较大。还有学者通过研究，最终发现多结太阳电池的使用，需要配备散热装置，当聚焦倍率>100倍时，则可以采取复合散热的方式，若聚焦倍率<100倍，则可以采取被动铝散热片，作为主要的散热方式[3]。
3.1.3 直接键合技术
硅基薄膜多结太阳能电池制备时，为了能够提升多结太阳能电池的使用效率，解决晶格失配材料位错问题等，运用键和技术，则能够获得多结太阳电池材料，该材料与太阳光谱相匹配。直接键和技术的主要原理是把晶格失配材料连接在一起，防止缺陷问题渗入到电池内部，即串联电池材料法。付蕊等，运用键和技术，实现了各子电池带隙配比达到最优，同时还确保了电池晶体材料能够高质量生长，除此之外还实现了无空位大面积紧密键合，以及高机械强度，使得电池光电转换效率得以极大的提升。半导体键和技术运用时，需要确保材料表面的质量，因此要做好材料表面钝化以及清洁工作，使用化学机械进行抛光作业，使其表面的粗糙度<0.5nm，以此避免在键合界面形成空位。
3.2 多结电池效率的优化机理
硅基多结电池使用效率的优化，需要考虑以下因素的影响：1）带隙匹配因素。合理运用带隙匹配，能够极大程度提高光电性能，因此加深对多结太阳电池的载流子输运，有着现实的意义。2）本征层因素的影响。降低电池的本征层厚度，能够减轻光致衰退效应，进而提高电池器件的稳定型。降低太阳能电池成本，关键在于如何制备高质量的本征层薄膜，合理运用高速沉积工艺。3）减反膜因素。硅基多结太阳能电池的光电转换效率，主要是由光伏材料性能来决定的，即使是少量能量损失，为了提高光电性能，通常采取调节电池减反膜厚度的方式，以获取较强的效果。邹凯等，利用模拟软件，对P型在物理冶金太阳电池，即多晶硅太阳能电池，其叠层钝化减反射结构，做了计算模拟，在SiNx/SiNx双层减反射结构内，引入SiO2钝化层，则能够改善太阳能电池表面减反射效果，提升太阳能电池的外量子效率，同时还能够提高转换效率[4]。
4 结束语
硅基多结电池是现今太阳能电池中运用较为广泛的种类，多数产品或已经商业化，对其制备技术问题，也自然成为了研究的重点。在制备硅基多结电池时，采取高倍聚光光伏系统与直接键合技术等，解决多元化合物组分控制问题，加强对界面控制方法的研究，运用新能源与新技术等，提高硅基多结电池的性能与效率。制备太阳能电池PN结时，运用多步扩散工艺，加强对扩散工艺中温度与气体流量等的控制，以提高电池的光电转换效率，提高太阳电池效率。
参考文献
季鑫，杨德仁.硅基薄膜多结太阳能电池的结构、制备技术及其效率优化的研究[J].材料导报，2016（03）：150-153.
潘振，呼文韬，王寅，郭林，付增英.适用于太阳能飞行器的单晶硅太阳电池[J].电源技术，2016（08）：1722-1725.
刘浩，薛玉明，乔在祥，李微，张超，尹富红，冯少君.铜锌锡硫薄膜材料及其器件应用研究进展[J].物理学报，2015（06）：22-33.
龙飞，莫淑一，池上森，梁凤基，邹正光.Cu_2ZnSn（S，Se）_4薄膜太阳电池研究进展[J].半导体光电，2014（02）：165-170+205.