利用激光摻雜制備選擇性發(fā)射極太陽電池

1、激光摻雜制備選擇性發(fā)射極太陽電池的研究摘要隨著低成本高效太陽電池的日益發(fā)展，激光開始作為一種快速、廉價、安全手段進(jìn)入光伏領(lǐng)域。本文分別采用紅外激光和綠激光對硅片進(jìn)行摻雜，對比研究不同激光摻雜工藝之間的優(yōu)劣，最后應(yīng)用綠激光嘗試性地制備一批選擇性發(fā)射極太陽電池，并通過分析其性能，作為對進(jìn)一步實驗的展望。第一章簡單介紹了光伏行業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，以及太陽電池的工作原理與常規(guī)工藝流程。第二章從理論上分析限制常規(guī)太陽電池效率提高的主要原因，介紹了各種高效太陽電池結(jié)構(gòu)，并重點闡明了選擇性發(fā)射極電池的優(yōu)勢。第三章著重研究了紅外激光摻雜對電池各項性能的影響。硅片的重?fù)絽^(qū)方阻隨著脈沖能量密度和單位面積接受脈沖數(shù)

2、量的升高而升高。發(fā)現(xiàn)并成功解析了在相同的泵浦電流下，激光對硅體的熱損傷隨著頻率的上升而減少，硅片的有效少子壽命測量值隨著方阻的下降而上升的原因。在實驗中發(fā)現(xiàn)，由于紅外激光對硅材料有很強的穿透力，因此會對硅體造成很嚴(yán)重的熱損傷，即使鍍氮化硅薄膜后，其鈍化效果也很差，這會導(dǎo)致復(fù)合的大幅上升，進(jìn)而造成開路電壓和短路電流的下降，因此紅外激光并不適合用來制備選擇性發(fā)射極太陽電池。第四章研究了綠激光摻雜對電池各項性能的影響，著重對比了長脈寬綠激光與短脈寬綠激光之間的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)無論是長脈沖綠激光還是短脈沖綠激光，在能量沒增加到足以銷蝕硅片，其對硅體的熱損傷都是很小的，在本章的四組綠激光實驗中，所有沒有被激光

3、銷蝕的樣品鍍SiN膜后的少子壽命下降幅度不超過6%。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用長脈寬綠激光摻雜比短脈寬激光能得到更低的最小方阻值，原因是長脈寬激光擁有更深的熱作用長度。在硅體內(nèi)磷原子總量相等的情況下，方阻值較大說明了PN結(jié)的結(jié)深較淺，表面磷原子濃度較大，顯然，淺結(jié)及高表層磷原子濃度更為符合SE電池電極區(qū)的要求，因此從理論上來說，利用短脈寬綠激光摻雜，能得到更適合SE電池的雜質(zhì)濃度分布，并且對硅體的熱損傷更小。第五章采用激光摻雜法嘗試性地制備了一批選擇性發(fā)射極太陽電池，電池效率普遍較低，最高效率為14.45%。在本章實驗中，實驗電池對短波段光譜的響應(yīng)有所提升，但由于電極區(qū)摻雜過重，非電極區(qū)摻雜過輕，細(xì)

4、柵數(shù)量與非電極區(qū)失配以及綠激光脈寬過長和加工精度不足等原因，造成開路電壓，短路電流以及填充因子的同時降低，導(dǎo)致電池效率低下。最后一章提出了對進(jìn)一步實驗的展望。關(guān)鍵詞：高效晶體硅太陽電池，激光摻雜，激光熱損傷，選擇性發(fā)射極75目錄目錄0第一章 緒論11.1 光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展11.2 常規(guī)太陽電池的原理構(gòu)造及生產(chǎn)工藝41.2.1 常規(guī)太陽電池的結(jié)構(gòu)41.2.2 太陽電池的工作原理51.2.3 常規(guī)太陽電池的工藝流程7第二章 高效太陽電池的發(fā)展132.1 制約太陽電池效率的原因132.1.1 開路電壓的損失132.1.2 短路電流的損失142.1.3 填充因子的損失142.2 各種高效太陽電池結(jié)構(gòu)15

5、2.2.1PERL（Passivated emitter，rear locally diffused）電池152.2.2HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）電池162.2.3MWT（Metal Wrap Through）電池172.2.4LGBC（Laser-grooved buried-contact）電池182.3選擇性發(fā)射極電池（Selective Emitter Solar Cell）192.3.1 選擇性發(fā)射極電池的結(jié)構(gòu)與優(yōu)點192.3.2 各種制備選擇性發(fā)射極電池的工藝202.4 本文研究內(nèi)容21第三章 紅外激光摻雜工藝研究22

6、3.1 激光技術(shù)在光伏行業(yè)中的應(yīng)用223.2 激光摻雜原理223.3 紅外激光摻雜實驗233.3.1 實驗步驟233.3.2紅外激光工藝一實驗253.3.3紅外激光工藝二實驗273.4 本章小結(jié)41第四章 綠激光摻雜工藝研究424.1 綠激光摻雜實驗方案424.2 長脈寬綠激光摻雜實驗434.2.1 綠激光工藝一實驗434.2.2 綠激光工藝二實驗464.2.3 綠激光工藝三實驗484.3 短脈寬綠激光摻雜實驗504.4 本章小結(jié)54第五章 綠激光摻雜制備選擇性發(fā)射極電池555.1 實驗設(shè)備與步驟555.2 實驗結(jié)果分析575.2.1 不同重?fù)絽^(qū)方阻SE電池的分析比較585.2.2 不同輕摻區(qū)

7、方阻SE電池的分析比較615.2.3 SE電池的內(nèi)量子效率645.3 本章小結(jié)65第六章總結(jié)66參考文獻(xiàn)68第一章 緒論1.1 光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 目前世界經(jīng)濟正以前所未有的速度高速發(fā)展。然而在人類盡情享受著豐富物質(zhì)的同時，伴隨而來的還有嚴(yán)重的能源危機和環(huán)境污染。為了解決日益嚴(yán)重的能源危機和環(huán)境污染問題，世界各國目前正致力于尋找各種可再生清潔能源，以減少國民經(jīng)濟發(fā)展對煤炭、石油等化石能源的依賴，最終完全取代化石能源，因而促進(jìn)了全球范圍內(nèi)風(fēng)能、太陽能等可再生清潔能源技術(shù)的發(fā)展。目前世界上許多國家將太陽能等可再生能源作為其能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。傳統(tǒng)的經(jīng)濟模式要消耗大量的化石能源，其排放的CO2等

8、溫室氣體導(dǎo)致全球變暖，氣候異常，嚴(yán)重影響了人類的生存環(huán)境，據(jù)有關(guān)報道，在過去的一個世紀(jì)，全球平均氣溫上升了大約0.3-0.6攝氏度，按照目前的發(fā)展?fàn)顩r，預(yù)計到2100年，全球氣溫將會上升1.5攝氏度，屆時將會造成海平面上升，降雨稀少，氣候異常等嚴(yán)重后果。鑒于能源清潔利用和供應(yīng)安全的重要性，世界各國正把太陽能的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展模式。預(yù)計到2016年前后，太陽能光伏電價能降到15美分/千瓦時（1元/千瓦時）以下，實現(xiàn)平價上網(wǎng)，將成為最具競爭力的發(fā)電方式之一。在2020年之后，歐洲許多國家光伏發(fā)電將占總耗電量的1020%。日本、美國以及印度等國家也制定了龐大的太陽能推廣計劃。預(yù)計到20

9、30年太陽能發(fā)電將占世界電力供應(yīng)的30%以上，2050年將達(dá)到50%以上。從1954年美國貝爾實驗室制成第一個單晶硅太陽電池起，現(xiàn)代光伏行業(yè)已走過了半個世紀(jì)。在這半個世紀(jì)以來，光伏作為一個新興行業(yè)，無論在光電轉(zhuǎn)換效率還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模上都得到了迅猛的發(fā)展。根據(jù)著名光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)站Solarbuzz的調(diào)研結(jié)果1（圖1-1），由于全球經(jīng)濟逐步從金融危機中復(fù)蘇，2010年全球的光伏組件的需求猛增，生產(chǎn)總量達(dá)到了20.5個GW，比2009年的9.86GW大幅增長了107.91%，比2000年的287MW更是指數(shù)式地增長了70倍！ 圖1-1 近10年來全球的光伏組件生產(chǎn)總量（數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)1） 近幾年來，中國的光

10、伏行業(yè)呈現(xiàn)一種井噴的勢態(tài)，大量光伏企業(yè)雨后春筍般地涌現(xiàn)出來，全國太陽電池組件的產(chǎn)量呈現(xiàn)幾何級數(shù)的增長，據(jù)Solarbuzz的調(diào)查顯示1，2010年中國大陸加上臺灣的電池產(chǎn)量占全球電池總產(chǎn)量的59%，比2009年的49%提高了10個百分點，全球12大光伏企業(yè)中，大陸光伏企業(yè)共有4家，占1/3。2010年排名電池生產(chǎn)商1（并列）尚德電力1（并列）晶澳太陽能3First Solar4Q-Cell5臺灣茂迪6臺灣昱晶能源7（并列）京瓷7（并列）夏普9天合光能10SunPower11新日光12阿特斯太陽能圖1-2 10年全球前12大太陽電池生產(chǎn)商（數(shù)據(jù)來源Solarbuzz） 相比于其龐大的電池生產(chǎn)量，

11、國內(nèi)的光伏組件安裝量則顯得微不足道。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2011年全球光伏裝機總量為18.2GW，同比增長139%，德國、意大利、捷克、日本及美國的安裝量占全球裝機總量的80%，而中國大陸2010裝機總量為380MW，僅占全球裝機總量的2.09%。圖1-3 2010年全球光伏市場份額中國國內(nèi)的光伏裝機量不但在國際上微不足道，甚至在國內(nèi)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他形式能源的發(fā)展速度。從圖1-42可以得知，2010年全國新增并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備容量中，太陽能發(fā)電僅為40MW，占0.4%。圖1-4 2010年中國各能源裝機容量比例2目前國內(nèi)火力發(fā)電的成本價大約在0.4元左右，水力發(fā)電大約為0.1元，風(fēng)力發(fā)電約為0.8元，而光

12、伏發(fā)電則約為1.1元（20年收回成本）。由此可見，在沒有政府補貼的情況下，商業(yè)光伏發(fā)電模式肯定將無法盈利。顯然，要解決大規(guī)模利用太陽能發(fā)電就必須大幅減低其發(fā)電成本。要降低光伏發(fā)電成本的途徑主要有兩條，一是降低生產(chǎn)材料的價格和用量，如使用太陽能等級硅料或減少硅片厚度；二是提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，理論上，太陽電池的效率每提高1%，生產(chǎn)成本就能降低6%。就目前情況來看，第一條路線進(jìn)展并不順利，因此提高太陽電池效率成為降低太陽電池成本的主要途徑。要提高太陽電池的效率首先要了解傳統(tǒng)太陽電池的基本原理、構(gòu)造以及生產(chǎn)工藝。1.2 常規(guī)太陽電池的原理構(gòu)造及生產(chǎn)工藝1.2.1 常規(guī)太陽電池的結(jié)構(gòu)在目前大規(guī)模應(yīng)用

13、的商業(yè)化太陽電池中，晶硅電池占據(jù)著主流地位，其中多晶硅電池約占50%，單晶硅電池約占40%。目前多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率在15%-17%，單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率則在17%-20%。由于單晶硅電池與多晶硅電池的工藝差別不大，下面以單晶硅電池為例來簡單分析常規(guī)太陽電池的原理構(gòu)造及生產(chǎn)工藝。圖1-5 常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)圖3商業(yè)化常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)如圖1-53所示，由上到下依次為前電極，減反膜，n型發(fā)射極，p-n結(jié)，p型硅襯底，鋁背場和背電極。1.2.2 太陽電池的工作原理太陽電池的工作原理是：當(dāng)有光照射到太陽電池表面時，能量大于或等于硅禁帶寬度（1.12eV）的光子將會把電池內(nèi)部p區(qū)和n區(qū)處于平衡態(tài)的電子激活，

14、使其從價帶躍遷至導(dǎo)帶，形成處于非平衡態(tài)的電子-空穴對。這些電子-空穴對一部分通過直接復(fù)合、俄歇復(fù)合或者表面復(fù)合而損耗掉，剩下進(jìn)入p-n結(jié)，在耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用下分離，由于內(nèi)建電場方向是從n型層指向p型層，因此電子向前電極方向移動，而空穴則向背電極方向移動，最后分別被前背電極收集，傳輸至外部負(fù)載。下圖為太陽電池的等效電路圖：圖1-6 太陽電池的等效電路圖在圖1-6中，IL為光生電流強度，Is是二極管飽和電流，Rs為太陽電池內(nèi)部串聯(lián)電阻，Rsh為電池內(nèi)部并聯(lián)電阻，RL是外界負(fù)載電阻。由此推導(dǎo)而來的I-V特性曲線為： （1-1）一般來說，表征太陽電池性能優(yōu)劣的參數(shù)有開路電壓Voc，短路電流Isc，

15、最大工作電壓點Vm，最大工作電流點Im、最大功率點Pm，填充因子FF以及光電轉(zhuǎn)換效率，下面以一個典型的太陽電池I-V曲線圖（圖1-7）來說明。圖1-7 太陽電池I-V曲線圖開路電壓Voc：表示在外接負(fù)載電阻RL無窮大即時得到的太陽電池輸出電壓，其值越大說明電池性能越好。在理想情況下（忽略電池內(nèi)部串并阻）其表達(dá)式為： （1-2） 短路電流Isc：表示在外接負(fù)載電阻RL為0時得到太陽電池輸出電流，在理想狀態(tài)下，其值等于光生電流強度IL，Isc越大表明電池性能越好，表達(dá)式為： （1-3）Voc和Isc表征的只是太陽電池最理想的狀態(tài)，在實際工作過程中RL既不可能為0，也不可能為無窮大，因此需要最大工作

16、電壓Vm和最大工作電流Im來描述處于工作狀態(tài)的太陽電池性能。最大工作點Pm：表示太陽電池在工作狀態(tài)中能夠穩(wěn)定輸出的最大功率，數(shù)值上等于Vm和Im的乘積。填充因子FF：填充因子FF是最大功率矩形Pm與VocIsc矩形的比例，F(xiàn)F的計算有好幾個公式，其定義公式為： （1-4）定義歸一化開路電壓voc為Voc/（kT/q），當(dāng)voc大于10時，有經(jīng)驗公式4： （1-5）光電轉(zhuǎn)換效率：光電轉(zhuǎn)換效率是表征太陽電池優(yōu)劣最直觀的參數(shù)，表示太陽電池輸出功率與電池表面接收到的太陽光功率的比值，該效率越高，說明電池性能越良好。在理想狀況下，其表達(dá)式為： （1-6）其中Pin是直射光功率。1.2.3 常規(guī)太陽電池的

17、工藝流程常規(guī)太陽電池的硅片襯底為一般摻硼的p型單晶125mm125mm硅片，厚度約為220m，電阻率為1-3cm，（100）晶面。常規(guī)電池制造工藝流程如下圖所示：清洗制絨擴散制PN結(jié)刻邊和去除磷硅玻璃鍍SiN減反膜絲印Ag/Al背電極，Al背場，烘干絲網(wǎng)印刷正Ag電極燒結(jié)分選測試圖1-8 常規(guī)電池制備工藝圖1.2.3.1 清洗制絨太陽電池的生產(chǎn)是一個對潔凈度要求很高的過程，而從工廠生產(chǎn)出來的硅原片表面分布著眾多的有機污染物，為了使硅片的清潔度達(dá)到要求，第一道工序就是對硅片進(jìn)行清洗。清洗過程一般是在裝滿電子級乙醇的超聲槽里面浸泡20分鐘。由于線切割會在硅片表面造成大約10個微米的機械損傷層，而損

18、傷層中的大量的缺陷和位錯是典型的復(fù)合中心，會嚴(yán)重影響電池的少子壽命，造成電池效率低下，因此必須把此損傷層去除。要去損傷層一般選擇在質(zhì)量濃度為20%的NaOH中浸泡兩分鐘。清洗過后就是制絨過程。硅片在低濃度的NaOH中會發(fā)生以下反應(yīng)：Si + 2H2O + 2OH- = SiO32- + 2H2 （1-7）由于硅晶體的（100）面的腐蝕速度比（111）面快，因此最后會在硅片表面形成由多個（111）面組成的金字塔結(jié)構(gòu)。當(dāng)光照射到金字塔織構(gòu)的絨面時，至少能夠與表面接觸兩次，這樣就大大地降低了硅表面的反射率，增加吸收的光線，有效提升電池效率。一般硅原片的的平均反射率高達(dá)30%以上，制絨后能成功把平均反

19、射率降至12%以下。圖1-9 堿腐蝕的金字塔絨面（圖片由林榮超提供）1.2.3.2 擴散制p-n結(jié)雜質(zhì)在高溫下擴散的根本原因是存在濃度梯度。根據(jù)初始條件的不同，雜質(zhì)擴散可分為恒定表面濃度擴散和有限表面源擴散。在擴散制結(jié)的過程中，既包括恒定表面濃度擴散，也包括有限表面源擴散。目前大多數(shù)工廠都采用p型硅襯底來制造太陽電池，要在P型硅片上形成N型層，一般在管式擴散爐內(nèi)應(yīng)用氮氣攜帶的POCl3作為擴散源來進(jìn)行擴散，溫度大概為850。C-900。C。在此擴散過程中所發(fā)生的反應(yīng)為：4POCl3 + O2 2P2O5 + 6Cl2 （1-8）2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2 （1-9）在高溫下，

20、磷被釋放出來并擴散進(jìn)硅片內(nèi)，通過替位原子的方法把硅原子替換出來，形成n型半導(dǎo)體層。采用這種方法制備的p-n結(jié)均勻性較好，并且適合大規(guī)模的生產(chǎn)，并且由于磷吸雜的作用5，通過這辦法制備的太陽電池少子壽命較高，在SiN膜鈍化之前少子壽命一般能達(dá)到10s左右。1.2.3.3 刻邊和去除磷硅玻璃擴散過程中，在前表面形成p-n結(jié)的同時也會在硅片邊緣形成p-n結(jié)，導(dǎo)致電池前后表面導(dǎo)通，造成漏電，因此必須去除。目前工廠使用最多的是等離子刻邊法。等離子體刻邊就是通過強電場把CF4氣體轉(zhuǎn)化為等離子體，再與Si反應(yīng)，以達(dá)到刻蝕的目的。等離子體刻邊的優(yōu)點了操作簡便，工序少，一次可同時刻蝕數(shù)百片電池，適合大規(guī)模生產(chǎn)；缺

21、點是很容易產(chǎn)生過刻現(xiàn)象，減少p-n結(jié)面積以及燒結(jié)金屬電極時造成燒穿。擴散之后殘留在硅片表面的磷硅玻璃（PSG）成分很復(fù)雜，主要包括P2O5以及SiO2。由于磷硅玻璃富含雜質(zhì)，是很強的復(fù)合中心，因此必須要用HF去除。近幾年部分太陽電池生產(chǎn)商開始采用濕法刻邊。濕法刻邊6就是利用氫氟酸-硝酸體系對硅片進(jìn)行各向同性腐蝕，達(dá)到把多余p-n結(jié)去除的目的。濕法刻邊的優(yōu)點在于：1. 在硅片刻邊的同時也把背面的p-n結(jié)去掉，把漏電可能性減到最??；2. 不會對正面p-n結(jié)造成過刻；3. 刻邊的同時也把磷硅玻璃一并去除，大大簡化了工序。1.2.3.4 鍍SiN薄膜制絨后硅片平均反射率能降到12%以下，但為了進(jìn)一步降

22、低反射率，必須在n型層上鍍一層減反膜。目前商業(yè)化太陽電池的減反膜均為SiN薄膜。根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)入射光程為入射光線波長的1/4時，膜層對該波長光線能夠起到減反的作用。據(jù)公式推算，當(dāng)SiN膜厚75nm（對應(yīng)600nm波長太陽光），折射率為2.05時，能夠把平均反射率降低至3%以內(nèi)7。使用PECVD法鍍的SiN膜除了能夠起到減反的作用以外，還能起到良好的鈍化作用，原因在于膜中含有大量的氫，能夠飽和硅片表面的懸掛鍵以及硅體內(nèi)各種缺陷8，減少少數(shù)載流子的復(fù)合，對提高電池效率有重要的影響。目前絕大多數(shù)電池生產(chǎn)商應(yīng)用等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）鍍SiN膜。被射頻電場電離成等離子態(tài)的NH4和Si

23、H4在450。C左右的溫度下，在硅片表面沉積一層折射率為2.05，厚度約為75nm的氮化硅薄膜。該方法膜沉積速度快，鈍化效果好，但設(shè)備較為昂貴，且對石墨舟潔凈度要求高，否則會出現(xiàn)鍍膜不均勻，色差等不良現(xiàn)象。1.2.3.5 絲網(wǎng)印刷電極 太陽電池在光照下產(chǎn)生光生電流，要利用這些電流就必須先將其收集匯聚，然后輸出到負(fù)載，因此要在硅片正反面都印上電極，通常正柵電極使用銀漿，含銀量在70-80wt%，1-10wt%的玻璃料以及20wt%的有機溶劑。而背電極則使用銀鋁漿。目前常規(guī)太陽電池的電極全都通過絲網(wǎng)印刷來制備，其具體步驟如下9：1. 把硅片放置在工作臺上，吸附，并運輸至網(wǎng)板圖案下方。2. 涂墨刮刀

24、把漿料均勻覆蓋在網(wǎng)板圖案上。3. 印刷刮刀用力下壓，使?jié){料通過網(wǎng)板圖案上的漏空點印在硅片上面，呈現(xiàn)電極的圖案。4. 下片，把硅片傳輸至烘干爐烘干。印刷電極時，要求不能斷柵，柵線不能過于展寬，以保證遮光保持在適當(dāng)范圍內(nèi)。柵線的高寬比應(yīng)盡可能大，以盡量減少電池的串聯(lián)電阻。圖1-10 正銀電極剖面的SEM圖（林榮超提供）1.2.3.6 絲網(wǎng)印刷鋁背場印刷完背電極之后，還需要在背面剩余的面積印刷鋁背場。鋁背場的作用主要有三個10：1. 反射穿透硅片的紅外波段光線，讓紅外波段光被硅片二次吸收，提高光譜響應(yīng)，增加短路電流；2. 在硅片表面形成表面場，對硅片進(jìn)行場鈍化，減少背面復(fù)合，提高開路電壓及短路電流；

25、3. 鋁吸雜作用，提高硅體的少子壽命。印刷鋁背場的工序與印刷電極一樣，但對鋁背場的厚度要求較為嚴(yán)格，不允許過厚或過薄，鋁背場過厚不但會導(dǎo)致電池?zé)Y(jié)過后產(chǎn)生嚴(yán)重的翹曲，同時鋁背場也有可能剝落；而過薄則不能起到良好的鈍化和反射作用。一般5英寸單晶片的背面鋁漿重量約為0.8克，厚度在6-7m。1.2.3.7 燒結(jié)燒結(jié)是制備常規(guī)太陽電池的最后一個工序，也是極為重要的工序。燒結(jié)通常使用鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐。鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐一般分為9個溫區(qū)，1-3溫區(qū)為低溫區(qū)，溫度設(shè)置在300。C以下；4-7為中溫區(qū)，溫度設(shè)置在400700。C；8-9溫區(qū)為高溫區(qū)，8區(qū)溫度一般設(shè)置在750-800。C，而9區(qū)則在850-950。C之間。

26、電池片在燒結(jié)時，依次通過低溫區(qū)，中溫區(qū)和高溫區(qū)。低溫區(qū)可視為烘干過程的延續(xù)，在該區(qū)中，漿料中的殘留的有機物將被釋放；通過中溫區(qū)時，鋁漿將與硅形成共晶的鋁硅合金，形成鋁背場；通過高溫區(qū)時，銀漿中的玻璃料把氮化硅層燒穿，使銀顆粒與硅形成合金，造成良好的歐姆接觸，減少接觸電阻。在燒結(jié)時要注意溫度的控制，過高的溫度會導(dǎo)致銀漿把p-n結(jié)燒穿，造成漏電；而過低的溫度則會導(dǎo)致燒結(jié)不充分，造成電池片串阻過大。第二章 高效太陽電池的發(fā)展2.1 制約太陽電池效率的原因理論上，在扣除被晶硅太陽電池反射、透射以及能量h小于禁帶寬度而無法利用的光后，太陽電池的轉(zhuǎn)換效率還能達(dá)到30%11，但實際上，目前晶硅太陽電池實驗室

27、最高效率是25%，由澳大利亞新南威爾士大學(xué)太陽能實驗室的PERL所保持，而大規(guī)模生產(chǎn)的常規(guī)單晶硅太陽電池的效率則普遍在18%以下，還有很大的提升空間。制約太陽電池效率的原因有多種，最后體現(xiàn)在電池性能上的是開路電壓VOC，短路電流ISC以及填充因子FF的損失。2.1.1 開路電壓的損失決定Voc高低的主要因素是硅片的復(fù)合，包括體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合，硅片的復(fù)合率越低，則開壓越高。復(fù)合的種類主要有三種12：1. 輻射復(fù)合。就是處于比高能級的非平衡態(tài)的電子躍遷至空的低能態(tài)，同時釋放出一個光子，可看作是吸收過程的逆過程；2. 俄歇復(fù)合。在俄歇復(fù)合中，電子與空穴復(fù)合時，將釋放的能量傳遞給第二個電子，然后接受

28、能量的電子通過發(fā)射聲子弛豫回到初始能級。與俄歇復(fù)合相關(guān)的特征壽命表達(dá)式為：1/ = Cnp + Dn2 或 1/ = Cnp + Dp2 （2-1）式中n和p分別為電子和空穴的濃度，C和D為常數(shù)。等號右邊第一項描述的是少子能帶的電子激發(fā)，第二項描述多子能帶的電子激發(fā)，由此可見，在高摻雜濃度的半導(dǎo)體中，俄歇復(fù)合尤其顯著。據(jù)計算表明，當(dāng)摻雜濃度大于1017/cm3時，俄歇復(fù)合將占主導(dǎo)地位，目前常規(guī)太陽電池的表面雜質(zhì)含量高達(dá)1020/cm3，因而復(fù)合非常嚴(yán)重，甚至形成死層，這是制約常規(guī)電池效率最重要的因素。3. 表面復(fù)合。由于晶體的表面原子具有大量未被飽和的懸掛鍵，因而存在許多能量位于禁帶中的允許能

29、級，是晶體結(jié)構(gòu)中缺陷最為嚴(yán)重的地方，大量載流子在晶體表面被復(fù)合，造成開路電壓和短路電流下降。2.1.2 短路電流的損失影響短路電流的因素主要有兩個，分別是光學(xué)損失和電學(xué)損失。光學(xué)損失主要指正柵電極對入射光的遮擋，目前常規(guī)太陽電池正柵電極大概會造成8%的遮擋損失。電學(xué)損失主要是半導(dǎo)體體內(nèi)和表面的載流子復(fù)合。前面指出，只有在p-n結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對才能對短路電流作出貢獻(xiàn)，大部分遠(yuǎn)處產(chǎn)生的載流子在向p-n結(jié)移動的過程中就被復(fù)合掉。因此減少載流子的復(fù)合速率是提高短路電流的重要手段。2.1.3 填充因子的損失第一章所提到的填充因子經(jīng)驗公式（1-5）是在忽略串阻Rs和并阻Rsh的理想狀況下得出的結(jié)果

30、，在實際情況中，Rs不可能等于0，Rsh也不可能為無窮大，因此公式（1-5）需修改為13： 公式（2-2）式中FF。為公式（1-5）所得的值，voc歸一化開路電壓，rsh=Rsh*Isc/Voc，由此可見，F(xiàn)F不但受到開路電壓的影響，更受到串阻和并阻的影響。串聯(lián)電阻Rs主要來源于太陽電池的基體電阻，表層的方塊電阻，金屬電極自身的電阻以及金屬電極與硅的接觸電阻。體現(xiàn)在I-V曲線圖上，過高的串阻會導(dǎo)致短路電流下降。并聯(lián)電阻Rsh主要由于p-n結(jié)的漏電引起的，包括p-n結(jié)區(qū)域存在的晶體缺陷、裂痕，正面被鋁漿污染，正面電極燒穿PN結(jié)所造成的電池內(nèi)部漏電，以及繞過電池片邊緣的漏電。漏電會造成FF大幅下降

31、，短路電流和開路電壓也會有不同程度的下降。從以上分析可見，提高太陽電池效率的兩個主要途徑是：一. 改善載流子復(fù)合，提升少子壽命；二. 提高填充因子FF。而這兩個方面恰恰是制約常規(guī)太陽電池效率進(jìn)一步提高的瓶頸。一般常規(guī)電池的方阻在45-50/，這是一個既保證電極與硅體接觸電阻不過高同時也保證載流子復(fù)合不過于嚴(yán)重的折中選擇，但這無疑也限制了常規(guī)太陽電池效率的進(jìn)一步提升。2.2 各種高效太陽電池結(jié)構(gòu)為了突破常規(guī)太陽電池的效率瓶頸，全世界的光伏研究機構(gòu)提出了各種各樣高效太陽電池結(jié)構(gòu)，例如MWT，SE，IBC，LBGC，PERL，HIT等。下面將簡單介紹幾種高效太陽電池結(jié)構(gòu)。2.2.1 PERL（Pas

32、sivated emitter，rear locally diffused）電池PERL14電池最早由新南威爾士大學(xué)光伏研究中心的馬丁格林研究團隊研究成功，當(dāng)時效率為24.7%（2010年提升到25%），是目前世界上實驗室效率最高的晶硅太陽電池。圖2-3 PERL電池結(jié)構(gòu)圖PERL電池采用了多種新穎的技術(shù)，包括：1. 正面PN結(jié)局部重?fù)?，即在柵線區(qū)域下進(jìn)行重?fù)诫s，而非柵線區(qū)則進(jìn)行輕摻雜。2. 光刻制備的倒金字塔織構(gòu)，具有非常優(yōu)良的陷光性。3. 正面蒸鍍MgF2/ZnS雙層膜，減反性能良好。4. 正反面都采用二氧化硅薄膜進(jìn)行鈍化，使得載流子的復(fù)合大大減少。5. 背面采用硼重?fù)近c接觸。從上可以看出

33、，PERL電池在電池光學(xué)性能和電學(xué)性能上都作了優(yōu)化。光學(xué)上，采用倒金字塔陷光結(jié)構(gòu)和雙層減反膜；電學(xué)上，應(yīng)用了前后表面二氧化硅鈍化技術(shù)，并且采用選擇性發(fā)射極，在既保證低接觸電阻的同時，又大大降低了表面復(fù)合，提高開路電壓。PERL可以說是晶體硅太陽電池的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，以后誕生的多種太陽電池的結(jié)構(gòu)都源于該電池結(jié)構(gòu)。2.2.2 HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）電池HIT電池是市場上較早量產(chǎn)的一款高效太陽電池，由日本三洋公司在1990年開始研發(fā)，并于1997年推出市場，當(dāng)時效率高達(dá)21.3%，目前已成功在面積大于100cm2的電池片上達(dá)到23%的轉(zhuǎn)

34、換效率，為全球?qū)嵱眯吞栯姵氐淖罡咚健IT電池襯底為N型單晶硅片，在光照面為p-i型非晶硅膜，膜厚在510nm，在背面則為n-i型非晶硅膜，在非晶硅膜上都有一層透明導(dǎo)電氧化膜（TCO）以及集電極。下圖為HIT的結(jié)構(gòu)圖15：圖2-4 HIT結(jié)構(gòu)圖（圖片來源三洋公司網(wǎng)站）HIT電池能如此高效的因素主要有以下幾個16：1. HIT為雙面制結(jié)，電池兩面都對功率輸出有貢獻(xiàn)。2. 所有電池制造工序都能在200。C下完成，大幅度降低了電池?zé)釗p傷，有效地保護了載流子壽命。3. HIT電池使用PECVD沉積非晶硅膜，該過程中產(chǎn)生的氫原子對電池的界面鈍化，減少了載流子的復(fù)合。4. 表面的非晶硅層對光線有良好的

35、光譜響應(yīng)。5. 非晶硅與單晶硅構(gòu)成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，內(nèi)建電場較高；同時硅與非晶硅的界面處于耗盡區(qū)內(nèi)，由于強內(nèi)建電場的作用，使在表面處的復(fù)合難以發(fā)生，有效提高了少子壽命。2.2.3 MWT（Metal Wrap Through）電池 由荷蘭ECN（荷蘭能源研究中心）研發(fā)的MWT電池可在P型多晶硅上實現(xiàn)17%-18%的電池效率，在N型CZ單晶硅上實現(xiàn)19%-20%的電池效率17。MWT是一種背接觸電池，電池表面沒有主柵，需要用激光在電池上實現(xiàn)16個貫穿前后的孔，并以銀漿灌孔，把正柵收集到的電流引向處于背面的主柵。 圖2-5 MWT電池MWT電池主要的優(yōu)點有以下兩點18：1. 表面沒有主柵，減少了遮擋面

36、積，相比常規(guī)H型電池，效率能提高約0.5%。2. MWT作為一款背接觸電池，由于其獨特的電池封裝優(yōu)勢，組件效率可達(dá)17%，遠(yuǎn)比目前的多晶硅組件效率高大約1.7%。由于MWT技術(shù)需要激光貫孔，需要電極的精確印刷以及電極間的隔離技術(shù)，因此需要大量新設(shè)備新工藝，與常規(guī)電池生產(chǎn)線兼容度較低，增加了額外成本，這是目前制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。2.2.4 LGBC（Laser-grooved buried-contact）電池LGBC電池又稱為刻槽埋柵電池，最早由新南威爾士大學(xué)光伏研究中心的馬丁格林小組發(fā)明，該技術(shù)可以在147.5 cm2 Cz單晶硅上達(dá)到18.3%的效率19。圖2-6 LGBC電池結(jié)構(gòu)

37、圖 LGBC技術(shù)的特點在于先用激光在硅片表面刻槽，槽的深度為60m，寬度為20m，然后采用電鍍的形式在槽內(nèi)沉積金屬電極，因此柵指電極遮擋面積十分少，只占電池面積的2%-4%，提高短路電流，同時埋柵電極深入電極基體，提高電池基區(qū)電流的收集效率；電池采用二次磷擴散技術(shù)，與電極接觸區(qū)為重?fù)诫s，降低了電極與基體的接觸電阻，有助于提高FF。但同時，由于復(fù)雜的生產(chǎn)工序，成本過高，導(dǎo)致LGBC沒法真正大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，目前BP SOLAR已停產(chǎn)LGBC電池。2.3 選擇性發(fā)射極電池（Selective Emitter Solar Cell）雖然上文中提及了多種高效太陽電池結(jié)構(gòu)，但同時也可以看到，以上多種電池

38、均存在難以克服的難題，或制備工藝過于繁雜（如PERL和LGBC），或設(shè)備過于昂貴（如MWT），或被某家公司壟斷專利（如HIT），因此必須找出一種既工藝簡單又成本便宜的高效太陽電池，選擇性發(fā)射極（SE）電池?zé)o疑是一個很好的選擇。2.3.1 選擇性發(fā)射極電池的結(jié)構(gòu)與優(yōu)點根據(jù)前文的分析，要提高電池的效率，顯然需要減少電池片表面擴散死層（雜質(zhì)濃度大于1020/cm3的區(qū)域）而造成的俄歇復(fù)合，因此必須把電池發(fā)射極方塊電阻從目前的45 -50/提高到90 -110/，但高的發(fā)射極電阻將會造成與金屬電極形成的接觸電阻上升，導(dǎo)致電池串聯(lián)電阻的增大，影響FF，最后使電池效率下降，因而在金屬電極下的區(qū)域必須重?fù)诫s

39、。這就形成了這樣一種太陽電池結(jié)構(gòu)，即前金屬電極下的硅為重?fù)诫s區(qū)域，而其他則為輕摻雜區(qū)域，下面是選擇性發(fā)射極（SE）電池的結(jié)構(gòu)圖：(a)（b）圖2-7 （a）為常規(guī)太陽電池結(jié)構(gòu)圖，（b）為SE電池結(jié)構(gòu)圖總結(jié)起來選擇性發(fā)射極電池具有三大優(yōu)點：1. 減少俄歇復(fù)合，提高表面鈍化效果20。當(dāng)硅片摻雜濃度大于1017/cm3時，其主要復(fù)合機制是俄歇復(fù)合，由于SE電池n型層具有低的摻雜濃度，因此減輕了俄歇復(fù)合的影響，提高了載流子壽命。同時低的表面雜質(zhì)濃度意味著低的表面態(tài)密度，提高介質(zhì)膜的鈍化作用。2. 提高電池短波響應(yīng)，改善開路電壓和短路電流21。太陽光中有大約20%的短波段光在電池表層被吸收，對于常規(guī)太陽

40、電池，由于擴散死層的存在，大部分入射的短波段光所產(chǎn)生的電子-空穴對被復(fù)合掉，因此SE電池的淺擴散消除了擴散死層的影響，所以提升了電池短波段太陽光的量子效率，提高了開路電也和短路電流。3. 降低半導(dǎo)體金屬接觸電阻，提高填充因子22。太陽電池的串聯(lián)電阻主要由硅片基體電阻，表層的方塊電阻，金屬電極自身的電阻以及金屬電極與半導(dǎo)體的接觸電阻組成。由于SE電池的前金屬電極區(qū)重?fù)诫s，降低了金屬-半導(dǎo)體的接觸電阻，提高了電池的填充因子。2.3.2 各種制備選擇性發(fā)射極電池的工藝SE電池的制備工藝總體來說可分為兩種：一步擴散法和兩部擴散法。一步擴散法是指在SE電池制造過程只需擴散一次的工藝，包括反刻法、二氧化硅

41、掩膜擴散法及硅墨水?dāng)U散法；兩步擴散法則是指在SE電池制造過程需擴散二次的工藝，包括激光摻雜法等。下面介紹幾種國外公司的SE制備工藝：1Centrotherm: Oxide masking process，即在擴散前先在硅片上沉積一層SiO2膜，并在膜上刻蝕出電極柵線的圖案，在擴散中，利用SiO2膜對POCL3的局部阻擋作用，在掩膜區(qū)形成輕摻雜，在非掩膜區(qū)形成重?fù)诫s。2. Roth&Rau: phosphorous spary-on and laser doping，在硅片輕擴散后鍍氮化硅膜，再涂一層磷源，利用激光開氮化硅膜的同時把磷原子摻進(jìn)硅體內(nèi)，清洗剩余磷源后采用電鍍的方法制備前電極。3.

42、RENA：laser chemical process，激光化學(xué)處理，把磷源的噴嘴和激光頭集成起來，激光通過在磷源中的全反射效應(yīng)到達(dá)硅片表面，在對介質(zhì)層開槽的同時把磷原子摻進(jìn)硅體內(nèi)，再通過電鍍制備前電極。4. Schmidt:：etch back，反刻技術(shù)利用在重?fù)诫s硅片上沉積的耐酸有機涂料作為掩膜，在酸腐蝕過程中保護電極區(qū)，而非電極區(qū)則在腐蝕過程中形成淺摻雜區(qū)，然后通過絲網(wǎng)印刷制備前電極。5. Innovalight：doped nano-silicon ink，將Innovalight公司開發(fā)的摻雜硅墨水印刷在與金屬將要接觸的區(qū)域，然后在高溫爐進(jìn)行擴散，印有硅墨水的區(qū)域形成重?fù)诫s，其他區(qū)域

43、則形成輕摻雜。2.4 本文研究內(nèi)容采用激光摻雜來制備選擇性發(fā)射極太陽電池在國外早有先例，國內(nèi)則處于起步階段，并且采用的設(shè)備與技術(shù)均來自國外，因此本文致力于推動激光摻雜技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，本文主要通過PSG（磷硅玻璃）作為摻雜源，希望通過實驗尋找出最適合制備選擇性發(fā)射極太陽電池的激光設(shè)備及工藝參數(shù)。本論文的主要研究內(nèi)容如下：1. 第三章主要研究紅外激光在不同掃描速度、脈沖頻率以及脈沖能量密度進(jìn)行摻雜對硅片各項性能的影響，通過摻雜樣品的方塊電阻、少子壽命、表面形貌等手段來表征摻雜工藝的優(yōu)劣，論證紅外激光是否適用于進(jìn)行激光摻雜。2. 第四章主要研究長脈寬綠激光和短脈寬綠激光分別在各種激光參數(shù)組合下進(jìn)行

44、摻雜對硅片的影響，通過各種測試手段分析摻雜結(jié)果，重點對比長脈寬和短脈寬綠激光摻雜的優(yōu)劣性，以及找出最佳的摻雜工藝參數(shù)。3. 第五章研究分析采用綠激光制備的選擇性發(fā)射極太陽電池的性能優(yōu)劣，通過多種表征手段，找出影響性能的各種的原因，并對進(jìn)一步的實驗研究提出改進(jìn)方向。第三章 紅外激光摻雜工藝研究3.1 激光技術(shù)在光伏行業(yè)中的應(yīng)用激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強光。其光強度高，方向性、相干性和單色性好，通過光學(xué)系統(tǒng)可將激光束聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑。激光技術(shù)很早就開始應(yīng)用在半導(dǎo)體行業(yè)上，例如早期的激光退火、激光超淺結(jié)摻雜。近年來由于激光的加工精度、輸出穩(wěn)定性和功率等各方面性能的不斷進(jìn)步，

45、激光加工技術(shù)逐漸進(jìn)入光伏行業(yè)，并在高效太陽電池的制備中占據(jù)著越來越重要的位置。從較早期的LGBC電池到現(xiàn)在的MWT、LFC及SE等電池；從最早的激光刻邊、激光開槽到目前的激光摻雜、激光燒結(jié)，激光因為它的加工精確性和快捷性，正不斷受到光伏行業(yè)的青睞。在本章中，將分別采用紅外激光和綠激光來進(jìn)行激光摻雜實驗，以研究兩種激光對硅片各項性能參數(shù)的影響，找出最適宜制備選擇性發(fā)射極太陽電池的激光工藝參數(shù)。 3.2 激光摻雜原理激光摻雜利用的是激光的熱效應(yīng)23。當(dāng)激光入射到硅片時，一部分光被反射，另一部分被吸收。被硅吸收的光子把電子和聲子從低能級激發(fā)至高能級，并向鄰近范圍擴散。當(dāng)吸收的光能越來越多，硅片的溫度

46、開始上升。在光的吸收距離（即光能衰減至原來1/e的長度）內(nèi)，硅材料吸收光能而轉(zhuǎn)化的熱能的擴散長度L=（4D）1/2，式中D是熱擴散系數(shù)，是激光脈沖寬度。當(dāng)L遠(yuǎn)大于光的吸收長度時，硅材料溫度有限地升高；當(dāng)L遠(yuǎn)小于光的吸收長度時，溫度將急劇升高，使硅體熔化甚至化成等離子體。當(dāng)激光把硅片表面加熱至熔融狀態(tài)時，預(yù)先沉積在硅片表面的雜質(zhì)原子向硅體內(nèi)部快速擴散，當(dāng)激光從照射區(qū)域移去后，被融化的硅體開始冷卻并重結(jié)晶，雜質(zhì)原子與硅形成合金。3.3 紅外激光摻雜實驗本實驗采用的激光設(shè)備是由大族激光公司生產(chǎn)的DEP-25型號半導(dǎo)體泵浦Nd：YAG激光器。本激光器輸出波長為1064nm，脈沖頻率1.25kHz-10

47、0 kHz，脈沖寬度處于10ns-120ns，光斑直徑為50m，最大輸出功率為18W。由激光器輸出的激光束經(jīng)過擴束鏡擴束后，再射到X軸、Y軸兩只振鏡掃描器的反射鏡上，振鏡掃描器在計算機控制下產(chǎn)生快速擺動，使激光束在平面X軸、Y軸兩維方向掃描，并通過聚焦透鏡將激光束聚焦在代加工器件的表面形成微細(xì)的、高能量密度的光斑。3.3.1 實驗步驟本次實驗主要研究紅外激光對硅片的性能影響，通過測量硅片的少子壽命，方阻以及用金相顯微鏡觀察來表征。下圖是實驗步驟：硅片清洗制絨POCl3擴散紅外激光摻雜去PSG，測試圖3-1 紅外激光實驗流程圖實驗硅片采用SUNAGY公司的125125大倒角單晶硅片，電阻率為1.

48、5cm，NaOH制絨后進(jìn)行擴散，擴散結(jié)束后平均方塊電阻為110/，平均標(biāo)準(zhǔn)差為5%。擴散后保留PSG，作為摻雜磷源，在激光下進(jìn)行重?fù)?。在本組實驗中，激光可調(diào)的參數(shù)有掃描速度，激光脈沖頻率還有激光功率。對硅片進(jìn)行激光摻雜后，將采用四探針測量儀，少子壽命測試儀以及3D輪廓儀等測量手段對實驗結(jié)果進(jìn)行分析表征。四探針測試儀 本次實驗采用蘇州電訊儀器廠生產(chǎn)的SX1934(SZ-82)型數(shù)字式四探針測試儀。測量電阻率最常用的方法為四探針法（four-point probe），測量裝置如圖所示。四探針測量儀的測量頭是由排成直線彼此相距為s的四根鎢針構(gòu)成。測量時，將針尖壓在硅片的表面上，一個從恒定電流源來的小

49、電流I，流經(jīng)靠外測的兩個探針，而對于內(nèi)側(cè)的兩個探針間，測量其電壓值V。就一個薄的半導(dǎo)體樣品而言，若其厚度為W，且W遠(yuǎn)小于樣品直徑d，其電阻率為WCFV/I 其中CF表示校正因數(shù)，校正因數(shù)視d/s比例而定，其中s為探針的間距。當(dāng)d/s20，校正因數(shù)趨近于4.54。少子壽命測試儀少子壽命的測量采用Samilab公司的WT2000少子壽命測試儀，該儀器采用微波光電導(dǎo)衰減法，對硅片的少子壽命進(jìn)行快速，無損傷的測量。其測量光源采用波長904微米的紅外激光，通過激光照射在硅片上，激發(fā)電子-空穴對，導(dǎo)致樣品電導(dǎo)率增加，當(dāng)撤去激光時，電導(dǎo)率隨時間成指數(shù)衰減，這就間接地反應(yīng)了少數(shù)載流子的壽命長短，通過微波探測衰

50、減過程中硅片電導(dǎo)率的變化，就可以得到少數(shù)載流子的壽命。對于P型襯底，當(dāng)測試硅片表面沒有PN結(jié)時，其測量壽命為24： （3.1）式中，eff為測量到的有效少子壽命，b為硅片體壽命，W為硅片厚度，Seff為表面復(fù)合速率，Dn為電子擴散系數(shù)。當(dāng)測試硅片表面有PN結(jié)時，式（3.1）要改為25： （3.2） 式中，Joe(front)和Joe(back)分別為前后表面擴散區(qū)域的飽和電流密度，其中已包括摻雜區(qū)的俄歇復(fù)合以及表面復(fù)合；NA是硅體的摻雜濃度；n是少子的注入濃度，q是電荷量，其余項的物理意義跟式（3.1）一致。3D輪廓儀 本章實驗的3D顯微鏡采用Veeco公司的NT9100型號輪廓儀，其成像采用

51、激光共聚焦技術(shù)，最大分辨精度可達(dá)1nm。下面將分二組激光工藝進(jìn)行實驗。3.3.2紅外激光工藝一實驗本組實驗中采用PSG作為擴散磷源。保持脈沖頻率為50 kHz，分別在掃描速度為300mm/s，500mm/s兩組條件下，調(diào)節(jié)激光二極管電流，使其從19A-24A內(nèi)每隔1A改變一次，為了保證測量的準(zhǔn)確性，在硅片上掃描直徑15mm的圓型圖案，測量圖案方阻，并分別鍍SiN膜前后的少子壽命。實驗前硅片的平均少子壽命為5.454s。下面為實驗結(jié)果：表一：300mm/s掃描速度實驗結(jié)果二極管電流(A)192021222324激光功率(W)7.218.8210.3311.5612.5813.44脈沖能量密度(J

52、/cm2)7.358.9910.5311.7812.8213.70方阻(/)15.6314.6313.7313.0513.1313.53鍍膜前少子壽命(s)2.372.512.512.522.652.65鍍膜后少子壽命(s)2.492.632.642.702.802.77少子壽命提升(s)0.120.120.130.180.150.12表二 500mm/s掃描速度實驗結(jié)果二極管電流(A)192021222324激光功率(W)7.218.8210.3311.5612.5813.44脈沖能量密度(J/cm2)7.358.9910.5311.7812.8213.70方阻(/)20.916.2815.

53、6814.2314.2515.3鍍膜前少子壽命(s)2.332.372.462.582.562.61鍍膜后少子壽命(s)2.512.602.662.782.752.81少子壽命提升(s)0.180.230.20.20.190.2圖3-2重?fù)絽^(qū)方阻與脈沖能量密度關(guān)系圖從表一可以看出，在該條件下，激光重?fù)诫s部位的方塊電阻非常低，在相同的脈沖能量密度下，掃描速度較慢的激光摻雜得到的方塊電阻較低，原因在于較慢掃描速度的光斑重疊率更高，單位面積硅片接收到的能量更多。表中硅片方阻由四探針測試儀測量，少子壽命由Samilab公司的WT2000多功能測試儀測量，測試步長為1mm。 （a） (b)圖3-3 30

54、0mm/s和500mm/s掃描速度樣品的少子壽命圖（a為鍍膜前，b為鍍膜后）在圖3-3中，前面12個圓形圖案依次為掃描速度300mm/s，電流19A-24A條件下的摻雜結(jié)果，每組電流打兩個圖案；后12個圓形圖案則為掃描速度500mm/s下，電流19A-24A的摻雜結(jié)果。從圖3-3及表一數(shù)據(jù)可以看出，兩組樣品的少子壽命都很低，相對實驗前硅片的平均少子壽命分別下降了53.52%和54.44%，顯示了紅外激光對硅片造成很大的熱損傷，包括位錯和空位，導(dǎo)致少數(shù)載流子復(fù)合嚴(yán)重，壽命大幅下降。鍍膜后少子壽命有輕微的改善，其中掃描速度500mm/s情況下的少子壽命提高幅度略大。 從以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，無論是掃描速度300mm/s組還是500mm/s組，其激光摻雜后少子壽命均隨著脈沖能量密度的增加而有所提高，這個現(xiàn)象將會在下面章節(jié)中展開討論。3.3.3紅外激光工藝二實驗 本次實驗以PS