2024年5月13日发(作者：靳问柳)
中国科技期刊数据库 工业C
扩散氧化层对方阻均匀性及电池电性能的影响
刘文超 贾雪平 李雪方 王 玉 焦朋府 王森涛 张雁东
山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治 046000
摘要：目前，车间规模化生产多晶硅太阳能电池过程中，扩散是制备多晶硅太阳能电池的关键工艺步骤，其直接决定着电池
的光电转换效率。实验在CT扩散设备，现有生产工艺的基础上，通源前加一步通干氧的过程，在硅片表面形成一层二氧化
硅薄膜，来减缓磷原子向硅片内部的扩散速度，从而优化多晶硅太阳能电池方阻的均匀性，进一步提高电池片的电性能。实
验结果显示：在相同片源，其他生产工艺一样的情况下，在扩散工艺加一步通干氧过程，方阻均匀性明显提高，电池转化效
率有所提高。
关键词：多晶硅太阳能电池；扩散氧化层；方阻均匀性；电性能
中图分类号：TM914.41 文献标识码：A 文章编号：1671-5810（2015）53-0213-02
引言
目前，光伏行业规模化生产多晶硅太阳能电池已成为市
场主流，在市场追求降本增效的大环境下，如何提高多晶硅
太阳能电池转化效率，降低生产成本，优化现有生产工艺已
成为研究热点。扩散作为太阳能电池的心脏，是获得适合于
太阳能电池PN结需要的结深和扩散层的方块电阻，它决定
太阳能电池PN结的结深，表面杂质浓度等参数。当PN结
较浅，即方阻较高时，电池短波响应好，但同时浅结会引起
串联电阻增加。结深过深，死层比较明显，高扩散浓度会引
起重掺杂效应，使电池开路电压和短路电流均下降。因此扩
散方阻不均匀造成同一电池片PN结深浅不一，直接影响太
阳能电池电性能参数的正态分布，导致电池效率降低。
本文在其他工艺不变的条件下，对扩散工艺进行改动：
即在通源前加一步通干氧的过程，测试所得半成品的方阻，
考察其方阻均匀性；同时研究方阻均匀性对效率等电学参数
的影响。
1实验
1.1实验辅材及设备
实验选用协鑫S2多晶硅片，电阻率为1-3Ω，硅片厚度
为200±20µm；扩散是CT扩散设备，其他工艺保持不变；
方阻测试仪：四探针方阻仪（GP4-TEST）；太阳能电池检测
仪（BERGER Lichttechnik）。
1.2实验方法
在生产前对原硅片进行分选，实验分为2组，每组500
片；分别进行实验工艺和正常生产工艺。实验工艺是在扩散
通源前通加一步通干氧过程，同时为了保证产线前后的匹配
性，扩散方阻均值不变（均值为90Ω/sq），实验工艺将扩散
推进温度提高2℃。生产工艺则不加通干氧过程。为避免因
炉管差异而导致电性能存在差异，两组实验片均使用同一炉
管。其他工艺不变。
对扩散工艺生产出来的半成品电池片进行方阻测试，考
察其方阻均匀性。
在丝网印刷后，考察方阻均匀性对电性能参数的影响。
1.3分析方法
扩散方阻的均匀性是衡量扩散工艺质量的好坏。在产线
批量生产时，对扩散后的半成品测试方阻，具体为测试硅片
的中心点及四角的四个点），其方阻均匀性M，用公式（1）
计算如下：
M=（Max-min）/（2*average） （1）
其中Max为测试硅片的5个点中，方阻值最大值；min
为方阻值最小值；average为5个点的平均值。
2结果与讨论
2.1 影响扩散均匀性的因素
通过实验表明影响扩散均匀性的因素分两类。第一类是
设备方面，主要有恒温区温度的控制、炉门密封性、石英保
温挡板、匀流板的设计、石英舟的结构、排风口位置、源瓶
恒温水槽的温度稳定性等。第二类是工艺方面，主要有硅片
绒面的质量、扩散工艺气体流量、各种反应气体的比例、扩
散时间和温度设定、源瓶液位、恒温水槽温度设置、废气排
放流量与炉内的平衡压强等。因为这些因素相互影响，使得
生产中的工艺优化显得更加困难。下面从各个方面分别讨论
影响扩散均匀性的因素。
2.1.1 各区温度分布
通常，管式扩散炉的恒温区会按炉口到炉尾被等分为5
个区。在生产进片时，炉尾的硅片总是比炉口的先进入到炉
管内；而在出片时，炉口的硅片则比炉尾的先被运出炉管。
这就导致了同一炉的硅片，扩散反应时间的不一致。另外，
在进出炉炉门打开的时候，炉口区域由于受到外界温度的影
响，其损失的热量是最多的，所以炉口区域需要的升温时间
也就相对较长。因此，虽然是同一炉生产的硅片，其扩散时
间和温度都是不一样的，从而导致了片与片之间的方阻不均
匀。在炉口区域设置较高的温度对其进行温度补偿可以改善
炉口到炉尾的片间方阻均匀性。
2.1.2 绒面质量
制作单晶硅太阳电池的第一道工序是清洗制绒，绒面的
质量同样也可以影响到扩散的均匀性。制绒的方向是改善绒
面的均匀性。如果硅片表面的金字塔绒面细小而均匀，在扩
散炉内硅片表面与工艺气体的接触反应也就会更加均匀，扩
散出来的方阻均匀性也就更好。
2.1.3炉内压强
扩散炉内的压强主要由大氮流量和排风量的大小决定，
而炉内压强会影响到炉内温度和气氛的稳定性，从而影响扩
散的均匀性。小氮携带的磷源从炉尾进气管进入炉内，然后
保护气体大氮把磷源从炉尾输送到炉口。这样就不难理解，
如果大氮流量太小，可能会导致输送到炉口的氮气中，磷源
的浓度太低了，最后就会造成整炉硅片的片间不均匀。另外
一方面，由于炉口的电池片靠近排风口，所以炉口位置的工
艺气体相对更不稳定，因此电池片的均匀性也就更难以得到
保障。
2.2 扩散后方阻均匀性分析
在炉口、炉中、炉尾三个位置，各取5片正常工艺与实
验工艺生产的半成品电池片，分别对其进行方阻测量。测得
数据如表1、表2：
表1 正常生产工艺方阻测试数据
Table1 The test data of sheet resistance in normal production
process
五点测试均值片内不均匀性片间不均匀性
炉口196.791.086.096.893.192.75.82%
正常工艺
炉口296.291.487.288.086.889.95.23%
炉中91.487.984.089.286.787.84.21%
8.17%
炉尾289.789.984.893.386.288.84.79%
炉尾194.596.098.997.496.796.72.28%
表2 实验工艺方阻测试数据
Table2The test data of sheet resistance in experimental process
五点测试均值片内不均匀性片间不均匀性
炉口192.385.087.986.788.788.14.14%
实验工艺
炉口287.593.086.486.689.188.53.73%
炉中88.786.983.782.983.485.13.41%
6.94%
炉尾284.788.382.681.085.484.44.32%
炉尾186.387.181.887.786.685.93.43%
由表1、表2可以看出，正常工艺的方阻均值在
87.8-96.7范围内之间波动，实验工艺的方阻均值在
84.4-88.5范围内波动，表明实验工艺方阻明显比正常工艺
2015年53期 213
电子技术
稳定很多；在片内均匀性方面，实验工艺炉口位置方阻均匀
性比正常工艺明显改善，炉口方阻五点测试比正常工艺要更
均匀；对于炉管五个温区的方阻片间均匀性方面，实验工艺
比正常工艺均匀性要好。因此，通过对扩散工艺优化，即在
通源前加一步通氧过程，可以在硅片表面形成一层氧化膜，
从而降低磷原子向硅片内部扩散速度，使得扩散更均匀，大
大提高扩散方阻的均匀性。同样当氧化时硅片四个角反应也
要比硅片中心点附近反应的更快更剧烈，这样造成硅片四个
角比中间的氧化层更厚，此时四个角可以阻挡更多的磷源掺
入，使硅片中心点附近和硅片四个角的附近的方阻更接近，
这样很好的改善了片内方阻均匀性。
2.3 扩散光致发光分析（PL分析）
a. 正常工艺扩散后PL图
b.实验工艺扩散后PL图
图1 正常工艺和实验工艺的PL图
图1是对扩散后的半成品进行光致发光拍照所得的PL
图，由图a可以看出，生产工艺的半成品中间成暗斑，中间
明显比周围暗，说明扩散厚度不均匀，即PN结深浅不一，
均匀性较差；图b为实验工艺的PL图，明暗较均一的，进
一步说明与生产工艺相比较，实验工艺能够提高半成品的PN
结均匀性，即方阻的均匀性。
2.4 电性能参数对比
两种不同扩散工艺生产的太阳能电池片，经精确跟踪对
比后，在模拟太阳光下进行光照测试，得出的不同电性能参
数（NCell：电池转换效率；FF：填充因子；Uoc：开路电压；
Isc：短路电流；Rs：串联电阻；Rsh：并联电阻）。两组实验
数据均值如表3所示：
表3 不同扩散工艺生产电池片的电性能参数
类别NCellFFUocIscRsRsh
实验工艺
17.79%78.870.6298.7190.0028456.9
正常工艺
17.74%78.730.6298.7140.0029377.6
由表三数据可以看出，与正常生产工艺相比，实验工艺
的转化效率提升了0.05%，表明方阻均匀性有利于电池片转
化效率的提高。进一步可以看出，实验工艺的并联电阻明显
提升，这是由于实验工艺加一步通干氧过程，在硅片表面形
成一层二氧化硅薄层，减缓磷原子向硅片内部的扩散速度，
使其扩散后的方阻均匀性更好，扩散制作的PN结深度及密
214 2015年53期
度更加均匀，在烧结时，银浆和硅片更容易形成好的欧姆接
触。同时并联电阻提升比较明显，导致填充因子也得以提升。
对两组实验的电学参数中的短路电流（Isc）和转化效率
（NCell）进行散点图分析。
图2 短路电流和转化效率散点图
由图2散点图分布可以看出，两组实验片进行对比，实
验工艺的短路电流Isc整体都比正常工艺要高，以8.68mA
为界，短路电流Isc偏低的比例明显要少，这是由于实验工
艺扩散后方阻均匀性较好，更容易和烧结有好的匹配性，导
致电流整体偏高；实验工艺高效率段所占比例明显比正常工
艺要高，且效率偏低比例较正常工艺比也明显减少。由此可
见，方阻均匀性改善并联电阻的同时，提高短路电流，从而
提高电池片转化效率。
3结论
通过加一步通干氧的过程，在扩散通源前硅片表面形成
一层磷硅玻璃薄层，有效降低磷原子向硅片内部的推进速度，
从而使方阻均匀性得以优化。有效证明了在产线正常生产时，
在不影响规模化生产的情况下，只在正常工艺基础上加了一
分钟通干氧的过程，能够有效提高方阻均匀性，从而更容易
和后续工序进行匹配，进一步提高太阳能电池的转化效率，
起到降本增效的目的。
参考文献
[1]太阳能电池：材料、制备及工艺检测
Tom Markvart Luis Castaner
[2]杨德仁.太阳能电池材料[M].北京：化学工业出版社，
2006：57-61.
[3]谢卿，高华，杨乐.硅太阳电池扩散方阻均匀性研究[J].
光电技术应用，2012，27（3）.
[4]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.
[5]陈学金.晶体硅太阳电池材料的磷吸杂研究[D].杭
州： 浙江大学，2005.
[6]周艺，肖斌，黄燕，金井升，郭长春，欧衍聪.多晶硅扩
散氧化层对太阳电池性能的影响[J].材料导报，2012，26
（16）.
[7]李鹏荣，吴伟，马忠权，王义飞.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，2012，18（3）.
[8]王金晓.硅薄膜太阳电池材料的制备研究[D].兰州：兰州
大学，2009.
[9]耿新华，侯国付，张晓丹，韩晓艳，郭群超，高艳涛，
薛俊明，魏长春，孙建，陈新亮，张德坤，赵颖.高速沉积
高效微晶硅太阳电池的研究[A].第十届中国太阳能光伏会
议论文集：迎接光伏发电新时代[C].2008.
2024年5月13日发(作者：靳问柳)
中国科技期刊数据库 工业C
扩散氧化层对方阻均匀性及电池电性能的影响
刘文超 贾雪平 李雪方 王 玉 焦朋府 王森涛 张雁东
山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西 长治 046000
摘要：目前，车间规模化生产多晶硅太阳能电池过程中，扩散是制备多晶硅太阳能电池的关键工艺步骤，其直接决定着电池
的光电转换效率。实验在CT扩散设备，现有生产工艺的基础上，通源前加一步通干氧的过程，在硅片表面形成一层二氧化
硅薄膜，来减缓磷原子向硅片内部的扩散速度，从而优化多晶硅太阳能电池方阻的均匀性，进一步提高电池片的电性能。实
验结果显示：在相同片源，其他生产工艺一样的情况下，在扩散工艺加一步通干氧过程，方阻均匀性明显提高，电池转化效
率有所提高。
关键词：多晶硅太阳能电池；扩散氧化层；方阻均匀性；电性能
中图分类号：TM914.41 文献标识码：A 文章编号：1671-5810（2015）53-0213-02
引言
目前，光伏行业规模化生产多晶硅太阳能电池已成为市
场主流，在市场追求降本增效的大环境下，如何提高多晶硅
太阳能电池转化效率，降低生产成本，优化现有生产工艺已
成为研究热点。扩散作为太阳能电池的心脏，是获得适合于
太阳能电池PN结需要的结深和扩散层的方块电阻，它决定
太阳能电池PN结的结深，表面杂质浓度等参数。当PN结
较浅，即方阻较高时，电池短波响应好，但同时浅结会引起
串联电阻增加。结深过深，死层比较明显，高扩散浓度会引
起重掺杂效应，使电池开路电压和短路电流均下降。因此扩
散方阻不均匀造成同一电池片PN结深浅不一，直接影响太
阳能电池电性能参数的正态分布，导致电池效率降低。
本文在其他工艺不变的条件下，对扩散工艺进行改动：
即在通源前加一步通干氧的过程，测试所得半成品的方阻，
考察其方阻均匀性；同时研究方阻均匀性对效率等电学参数
的影响。
1实验
1.1实验辅材及设备
实验选用协鑫S2多晶硅片，电阻率为1-3Ω，硅片厚度
为200±20µm；扩散是CT扩散设备，其他工艺保持不变；
方阻测试仪：四探针方阻仪（GP4-TEST）；太阳能电池检测
仪（BERGER Lichttechnik）。
1.2实验方法
在生产前对原硅片进行分选，实验分为2组，每组500
片；分别进行实验工艺和正常生产工艺。实验工艺是在扩散
通源前通加一步通干氧过程，同时为了保证产线前后的匹配
性，扩散方阻均值不变（均值为90Ω/sq），实验工艺将扩散
推进温度提高2℃。生产工艺则不加通干氧过程。为避免因
炉管差异而导致电性能存在差异，两组实验片均使用同一炉
管。其他工艺不变。
对扩散工艺生产出来的半成品电池片进行方阻测试，考
察其方阻均匀性。
在丝网印刷后，考察方阻均匀性对电性能参数的影响。
1.3分析方法
扩散方阻的均匀性是衡量扩散工艺质量的好坏。在产线
批量生产时，对扩散后的半成品测试方阻，具体为测试硅片
的中心点及四角的四个点），其方阻均匀性M，用公式（1）
计算如下：
M=（Max-min）/（2*average） （1）
其中Max为测试硅片的5个点中，方阻值最大值；min
为方阻值最小值；average为5个点的平均值。
2结果与讨论
2.1 影响扩散均匀性的因素
通过实验表明影响扩散均匀性的因素分两类。第一类是
设备方面，主要有恒温区温度的控制、炉门密封性、石英保
温挡板、匀流板的设计、石英舟的结构、排风口位置、源瓶
恒温水槽的温度稳定性等。第二类是工艺方面，主要有硅片
绒面的质量、扩散工艺气体流量、各种反应气体的比例、扩
散时间和温度设定、源瓶液位、恒温水槽温度设置、废气排
放流量与炉内的平衡压强等。因为这些因素相互影响，使得
生产中的工艺优化显得更加困难。下面从各个方面分别讨论
影响扩散均匀性的因素。
2.1.1 各区温度分布
通常，管式扩散炉的恒温区会按炉口到炉尾被等分为5
个区。在生产进片时，炉尾的硅片总是比炉口的先进入到炉
管内；而在出片时，炉口的硅片则比炉尾的先被运出炉管。
这就导致了同一炉的硅片，扩散反应时间的不一致。另外，
在进出炉炉门打开的时候，炉口区域由于受到外界温度的影
响，其损失的热量是最多的，所以炉口区域需要的升温时间
也就相对较长。因此，虽然是同一炉生产的硅片，其扩散时
间和温度都是不一样的，从而导致了片与片之间的方阻不均
匀。在炉口区域设置较高的温度对其进行温度补偿可以改善
炉口到炉尾的片间方阻均匀性。
2.1.2 绒面质量
制作单晶硅太阳电池的第一道工序是清洗制绒，绒面的
质量同样也可以影响到扩散的均匀性。制绒的方向是改善绒
面的均匀性。如果硅片表面的金字塔绒面细小而均匀，在扩
散炉内硅片表面与工艺气体的接触反应也就会更加均匀，扩
散出来的方阻均匀性也就更好。
2.1.3炉内压强
扩散炉内的压强主要由大氮流量和排风量的大小决定，
而炉内压强会影响到炉内温度和气氛的稳定性，从而影响扩
散的均匀性。小氮携带的磷源从炉尾进气管进入炉内，然后
保护气体大氮把磷源从炉尾输送到炉口。这样就不难理解，
如果大氮流量太小，可能会导致输送到炉口的氮气中，磷源
的浓度太低了，最后就会造成整炉硅片的片间不均匀。另外
一方面，由于炉口的电池片靠近排风口，所以炉口位置的工
艺气体相对更不稳定，因此电池片的均匀性也就更难以得到
保障。
2.2 扩散后方阻均匀性分析
在炉口、炉中、炉尾三个位置，各取5片正常工艺与实
验工艺生产的半成品电池片，分别对其进行方阻测量。测得
数据如表1、表2：
表1 正常生产工艺方阻测试数据
Table1 The test data of sheet resistance in normal production
process
五点测试均值片内不均匀性片间不均匀性
炉口196.791.086.096.893.192.75.82%
正常工艺
炉口296.291.487.288.086.889.95.23%
炉中91.487.984.089.286.787.84.21%
8.17%
炉尾289.789.984.893.386.288.84.79%
炉尾194.596.098.997.496.796.72.28%
表2 实验工艺方阻测试数据
Table2The test data of sheet resistance in experimental process
五点测试均值片内不均匀性片间不均匀性
炉口192.385.087.986.788.788.14.14%
实验工艺
炉口287.593.086.486.689.188.53.73%
炉中88.786.983.782.983.485.13.41%
6.94%
炉尾284.788.382.681.085.484.44.32%
炉尾186.387.181.887.786.685.93.43%
由表1、表2可以看出，正常工艺的方阻均值在
87.8-96.7范围内之间波动，实验工艺的方阻均值在
84.4-88.5范围内波动，表明实验工艺方阻明显比正常工艺
2015年53期 213
电子技术
稳定很多；在片内均匀性方面，实验工艺炉口位置方阻均匀
性比正常工艺明显改善，炉口方阻五点测试比正常工艺要更
均匀；对于炉管五个温区的方阻片间均匀性方面，实验工艺
比正常工艺均匀性要好。因此，通过对扩散工艺优化，即在
通源前加一步通氧过程，可以在硅片表面形成一层氧化膜，
从而降低磷原子向硅片内部扩散速度，使得扩散更均匀，大
大提高扩散方阻的均匀性。同样当氧化时硅片四个角反应也
要比硅片中心点附近反应的更快更剧烈，这样造成硅片四个
角比中间的氧化层更厚，此时四个角可以阻挡更多的磷源掺
入，使硅片中心点附近和硅片四个角的附近的方阻更接近，
这样很好的改善了片内方阻均匀性。
2.3 扩散光致发光分析（PL分析）
a. 正常工艺扩散后PL图
b.实验工艺扩散后PL图
图1 正常工艺和实验工艺的PL图
图1是对扩散后的半成品进行光致发光拍照所得的PL
图，由图a可以看出，生产工艺的半成品中间成暗斑，中间
明显比周围暗，说明扩散厚度不均匀，即PN结深浅不一，
均匀性较差；图b为实验工艺的PL图，明暗较均一的，进
一步说明与生产工艺相比较，实验工艺能够提高半成品的PN
结均匀性，即方阻的均匀性。
2.4 电性能参数对比
两种不同扩散工艺生产的太阳能电池片，经精确跟踪对
比后，在模拟太阳光下进行光照测试，得出的不同电性能参
数（NCell：电池转换效率；FF：填充因子；Uoc：开路电压；
Isc：短路电流；Rs：串联电阻；Rsh：并联电阻）。两组实验
数据均值如表3所示：
表3 不同扩散工艺生产电池片的电性能参数
类别NCellFFUocIscRsRsh
实验工艺
17.79%78.870.6298.7190.0028456.9
正常工艺
17.74%78.730.6298.7140.0029377.6
由表三数据可以看出，与正常生产工艺相比，实验工艺
的转化效率提升了0.05%，表明方阻均匀性有利于电池片转
化效率的提高。进一步可以看出，实验工艺的并联电阻明显
提升，这是由于实验工艺加一步通干氧过程，在硅片表面形
成一层二氧化硅薄层，减缓磷原子向硅片内部的扩散速度，
使其扩散后的方阻均匀性更好，扩散制作的PN结深度及密
214 2015年53期
度更加均匀，在烧结时，银浆和硅片更容易形成好的欧姆接
触。同时并联电阻提升比较明显，导致填充因子也得以提升。
对两组实验的电学参数中的短路电流（Isc）和转化效率
（NCell）进行散点图分析。
图2 短路电流和转化效率散点图
由图2散点图分布可以看出，两组实验片进行对比，实
验工艺的短路电流Isc整体都比正常工艺要高，以8.68mA
为界，短路电流Isc偏低的比例明显要少，这是由于实验工
艺扩散后方阻均匀性较好，更容易和烧结有好的匹配性，导
致电流整体偏高；实验工艺高效率段所占比例明显比正常工
艺要高，且效率偏低比例较正常工艺比也明显减少。由此可
见，方阻均匀性改善并联电阻的同时，提高短路电流，从而
提高电池片转化效率。
3结论
通过加一步通干氧的过程，在扩散通源前硅片表面形成
一层磷硅玻璃薄层，有效降低磷原子向硅片内部的推进速度，
从而使方阻均匀性得以优化。有效证明了在产线正常生产时，
在不影响规模化生产的情况下，只在正常工艺基础上加了一
分钟通干氧的过程，能够有效提高方阻均匀性，从而更容易
和后续工序进行匹配，进一步提高太阳能电池的转化效率，
起到降本增效的目的。
参考文献
[1]太阳能电池：材料、制备及工艺检测
Tom Markvart Luis Castaner
[2]杨德仁.太阳能电池材料[M].北京：化学工业出版社，
2006：57-61.
[3]谢卿，高华，杨乐.硅太阳电池扩散方阻均匀性研究[J].
光电技术应用，2012，27（3）.
[4]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.
[5]陈学金.晶体硅太阳电池材料的磷吸杂研究[D].杭
州： 浙江大学，2005.
[6]周艺，肖斌，黄燕，金井升，郭长春，欧衍聪.多晶硅扩
散氧化层对太阳电池性能的影响[J].材料导报，2012，26
（16）.
[7]李鹏荣，吴伟，马忠权，王义飞.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，2012，18（3）.
[8]王金晓.硅薄膜太阳电池材料的制备研究[D].兰州：兰州
大学，2009.
[9]耿新华，侯国付，张晓丹，韩晓艳，郭群超，高艳涛，
薛俊明，魏长春，孙建，陈新亮，张德坤，赵颖.高速沉积
高效微晶硅太阳电池的研究[A].第十届中国太阳能光伏会
议论文集：迎接光伏发电新时代[C].2008.