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资源描述
其物理含义如下:IL:光生电流;Id:饱和暗电流;Rsh:并联电阻(电池边缘漏电和结区漏电会降低并联电阻值);Rs:串联电阻(金属浆料电阻、烧结后的接触电阻、半导体材料电阻和横向电阻);PN结:单二极管(理想因子n=1)或双二极管(另一个并联的二极管n=2)。由此,我们可以得出电流的输出为: 或注:在表达式q/(nkT)中理想因子为n,可取1或者2。n=1反映体内或表面通过陷阱能级的复合;n=2描述载流子在电荷耗尽区(也就是结区)复合。3太阳电池的电特性测量:测出的太阳电池的电特性为一曲线,相当于外接一个0变化的电阻时太阳电池的电流电压输出曲线。具体如下图所示:同时可根据该曲线计算出开路电压Voc、短路电流Isc、最佳工作点电压Vmp、最佳工作点电流Imp、最大功率点Pmax、填充因子FF和光电转换效率Eff及串联电阻Rs、并联电阻Rsh。其中,Rs和Rsh采用近似计算。计算Rsh时,忽略ID,并取Rs600)分解生成五氯化磷(PCl5)和五氧化二磷(P2O5),其反应式如下:5POCl3 = 3PCl5 + P2O5生成的P2O5在扩散温度下与硅反应,生成二氧化硅(SiO2)和磷原子,其反应式如下:2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P 由上面反应式可以看出,POCl3热分解时,如果没有外来的氧(O2)参与其分解是不充分的,生成的PCl5是不易分解的,并且对硅有腐蚀作用,破坏硅片的表面状态。但在有外来O2存在的情况下,PCl5会进一步分解成P2O5并放出氯气(Cl2)其反应式如下:4PCl5 + 5O2 = 2P2O5 + 10Cl2 生成的P2O5又进一步与硅作用,生成SiO2和磷原子,由此可见,在磷扩散时,为了促使POCl3充分的分解和避免PCl5对硅片表面的腐蚀作用,必须在通氮气的同时通入一定流量的氧气,在有氧气的存在时,POCl3热分解的反应式为:4POCl3 + 3O2 = 2P2O5 + 6Cl2 POCl3分解产生的P2O5淀积在硅片表面,P2O5与硅反应生成SiO2和磷原子,并在硅片表面形成一层磷-硅玻璃,然后磷原子再向硅中进行扩散,反应式如前所示:2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P POCl3液态源扩散方法具有生产效率较高,得到PN结均匀、平整和扩散层表面良好等优点,这对于制作具有大的结面积的太阳电池是非常重要的。磷扩散装置如附图2-1所示,源瓶要严加密封,切勿让湿气进入源瓶,因为POCl3易吸水汽而变质,使扩散表面浓度上不去,其反应式如下: 2POCl3 + 3H2O = P2O5 + 6HCl所以如果发现POCl3出现淡黄色时就不能再用了。图2-1三氯氧磷扩散装置示意图磷扩散的系统应保持清洁干燥,如果石英管内有水汽存在,就会使管内P2O5水解生成偏磷酸(HPO3),使扩散管炉口内出现白色沉积物和粘滞液体,粘滞液体的会在工艺运行进舟和出舟时滴落在硅片上,造成返工片,粘滞液体的吸附性还比较强,会吸附杂质,而对扩散管内的洁净度产生影响,因此,长时间扩散后对扩散管定期进行HF浸泡清洗。3、什么是PN结PN结是太阳能电池的心脏。需要强调指出,PN结是不能简单地用两块不同类型(p型和n型)的半导体接触在一起就能形成的。要制造一个PN结,必须使一块完整的半导体晶体的一部分是P型区域,另一部分是N型区域。也就是在晶体内部实现P型和N型半导体的接触。制造PN结,实质上就是想办法使受主杂质在半导体晶体内的一个区域中占优势(P型),而使施主杂质在半导体内的另外一个区域中占优势(N型),这样就在一块完整的半导体晶体中实现了P型和N型半导体的接触。我们制作太阳电池的硅片是P型的,也就是说在制造硅片时,已经掺进了一定量的硼元素,使之成为P型硅片。如果我们把这种硅片放在一个石英容器内,同时将含磷的气体通入这个石英容器内,并将此石英容器加热到一定的温度,这时施主杂质磷可从化合物中分解出来,在容器内充满着含磷的蒸汽,在硅片周围包围着许许多多的磷的分子。我们用肉眼观察硅片时,认为硅片是密实的物体,实际上硅片也是像海绵一样充满着许多空隙,硅原子并不是排列得非常严实,它们的之间存在着很大的缝隙。因此磷原子能从四周进入硅片的表面层,并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散。当硅晶体中掺入磷后,磷原子就以替代的方式占据着硅的位置。理想晶体中原子的排列是很整齐的,然而在一定的温度下,构成晶体的这些原子都围绕着自己的平衡位置不停地振动,其中总有一些原子振动的比较厉害,可以具有足够高的能量,克服周围原子对它的作用,离开原来的位置跑到其它地方去,这样就在原来的位置上留下一个空位。替位或扩散是指杂质原子进入晶体后,沿着晶格室位跳跃前进的一种扩散。这种扩散机构的特征是杂质原子占据晶体内晶格格点的正常位置,不改变原材料的晶体结构。在靠近硅晶片表面的薄层内扩散进去的磷原子最多,距表面愈远,磷原子愈少。也就是说,杂质浓度(磷浓度)随着距硅表面距离的增加而减少。从以上分析中我们可以看到,浓度差别的存在是产生扩散运动的必要条件,环境温度的高低则是决定扩散运动快慢的重要因素。环境温度愈高,分子的运动越激烈,扩散过程进行得就越快。当然,扩散时间也是扩散运动的重要因素,时间愈长,扩散浓度和深度也会增加。硅晶片是P型的,如果扩散进去的磷原子浓度高于P型硅晶片原来受主杂质浓度,这就使得P型硅晶片靠近表面的薄层转变成为N型了。由于愈靠近硅晶片表面,硼原子的浓度愈高,因此可以想象:在距离表面为 的地方,那里扩散进去的磷原子浓度正好和硅晶体中原来的硼原子浓度相等。在与表面距离小于 的薄层内,磷原子浓度高于原来硅晶片的硼原子浓度,因此这一层变成了N型硅半导体。在与表面距离大于 的地方,由于原来硅晶片中的硼原子浓度大于扩散进去的磷原子浓度,因此仍为P型。由此可见,在与表面距离 处,形成了N型半导体和P型半导体的交界面,也就是形成了PN结。 即为PN结的结深。这样我们就可以利用杂质原子向半导体晶片内部扩散的方法,改变半导体晶片表面层的导电类型,从而形成P、N结,这就是用扩散法制造P-N结的基本原理。4、结深对扩散的要求是获得适合于太阳电池pn结需要的结深和扩散层方块电阻,浅结死层小,电池短波响应好,而浅结引起串联电阻增加,只有提高栅电极的密度,才能有效提高电池的填充因子,这样,增加了工艺难度,结深太深,死层比较明显,如果扩散浓度太大,则引起重掺杂效应,使电池开路电压和短路电流均下降,实际电池制作中,考虑到各个因素,太阳电池的结深一般控制在0.30.5mm。5、恒定源扩散与恒量源扩散固体中的扩散方程可写成下式:(5-1)式中的 表示杂质浓度,是坐标 和时间 的函数。坐标 指杂质原子进入硅中的深度,即距离表面的距离,单位取厘米,时间 单位取秒,上式已假定D是一个常数。事实上,扩散系数D是表征扩散速度的物理常数,随着固体的温度上升而变大,同时还受到杂质浓度、晶体结构等因素的影响。在扩散过程中,硅片周围的杂质浓度恒定,不随时间而改变,硅片表面的杂质浓度Ns保持不变,始终等于源相中的杂质浓度,称这种情况为恒定源扩散,根据边界条件,(5-1)式的解为:(5-2)只要知道杂质在硅中的扩散系数D和表面浓度 ,利用(5-2)式可作出该杂质在硅中的分布曲线,如图5-5所示,称这种分布为余误差分布。图5-5 余误差分布根据(5-2)式,当距离 = 时,浓度为 。如果浓度 等于基体晶片的掺杂浓度N0,此时的 即为PN结的深度,简称为结深 。设表面浓度Ns=1020个/cm3,基体浓度N0=1016个/cm3代入(5-2)式得到 与D,t之间的关系为:=5.4 (5-3)(5-3)式中常数5.4随N0/Ns的比值而变化,近似计算时,N0/Ns=10-3-10-5内皆可采用上式。在扩散前,用预扩散或沉积法,使硅片表面具有一定量的杂质源Q,整个扩散过程中不再加源,因而整个
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