一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置与流程

本发明涉及光伏太阳能电池领域，更具体涉及一种双面太阳能电池结深的测量方法。

背景技术：

“雾霾天气“、“全球变暖”、“臭氧层破坏”、“饮用水污染“、”土地荒漠化“等环境问题越来越受到人们的重视，能源和环保成了世界主题。为此，我国能源科技总体规划提出推进传统能源高效清洁利用、新能源开发利用以及保障能源安全等措施和建议。在晶硅电池方面，主要面对完全大规模产业化的晶硅电池和高效电池来进行研究。

双面电池通过在传统单面电池的背面高浓度掺杂b或者p取代al背场形成npp+或者pnn+高低结电池结构。极大程度的提高了传统太阳能电池由于少子寿命的原因而造成的长波部分光电损失，进而提高了电池片的转换效率。然而，传统单面电池的pn结结深为几个微米，而双面电池的制备通常采用浅结重掺杂，其结深不足1微米。浅结重掺杂最直接的好处便是可极大的增加光吸收系数，提高电池的光电转换效率，而随之也带来了发射极载流子的复合速率和串联电阻的增加。为此，需要精准的控制扩散工艺，并对扩散后的pn结的结深和表面杂质浓度进行精确测量。

通过对文章《电化学电容-电压法表征等离子体掺杂超浅结》、《四探针测半导体材料杂质分布》以及中国专利cn101692062a、cn102738030a、cn101383306a、cn103557827a等pn结结深的测量方法的调研发现：pn结结深的测量方法很多，如：扩展电阻法、磨角染色法、滚槽法、霍尔剥层法、电化学ecv、二次离子质谱和阳极氧化法等。这些技术各有其自身的优缺点。扩展电阻法可以测量pn结且不受深度的限制但其要求精细的样品准备，且由于磨角度数和探针半径的限制，用它表征超浅结非常困难。磨角染色法和滚槽法主要是利用硫酸铜染色液与硅之间的置换反应，通过适当掌握置换反应的时间将电势更高的n型硅染成铜红色来表征n型区。这个方法测试成本低，但对于染色的工艺要求高，染色时间控制难度大，工艺复杂程度高，重复性差，更加不适于浅结测量。霍耳剥层法利用p型和n型半导体材料的霍尔电压正好相反的特性，通过多次测试剥层前后薄层电阻和面霍耳系数的变化直到霍尔电压方向相反，可以同时测量出载流子浓度及迁移率的深度分布，也可以测量pn结深度。该方法需要每腐蚀一次便在样品表面制备一次电极，使得操作复杂，测试过程时间较长，并且腐蚀深度是由腐蚀速率来估算得知，测试结果很难做到精准。传统的电化学ecv法尽管实验方法简单，有较好的分辨率及精确性但它受限于反偏下的击穿不易表征高掺杂样品和具有一定深度分布的样品以及pn结。且ecv测试下层轻掺杂n型衬底杂质浓度受上层高浓度掺杂影响很大，更无法准确测量双面电池的背结。二次离子质谱法(smis)有较好的分辨率及精确度，也可以表征pn结，但它需要复杂昂贵的设备同时所测出的杂质浓度是原子浓度而不是电激活杂质浓度。也有学者采用传统阳极氧化法在纯氧环境下使用激光对硅表面进行多次加热氧化，然后，利用氢氟酸去除氧化层，并利用台阶仪测量硅片最薄处的减薄深度，并采用四探针测量该处硅片表面的电阻值，重复腐蚀和电阻测量过程，直到硅片表面电阻值与衬底的电阻相同。但由于激光能量高，使得磷元素由于热作用而导致的杂质浓度降低，从而降低杂质产生、再分布，对测量精度有干扰。传统阳极氧化法是比较常用的pn结结深测试方法，它以硅片为阳极、铂丝为阴极，置于纯水中进行电氧化生成二氧化硅氧化层，通过比色法或者称重法获得二氧化硅氧化层的厚度，需要将硅片以石蜡、导电胶等粘结剂固定在电极上，尽管操作简便但精度不够。

综上所述，上述pn结结深的测量方法不完全适用于浅结重掺杂双面电池的结深测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单，成本低廉的双面太阳能电池pn结结深测试方法，所述方法能够在室温条件下，实时监控二氧化硅氧化膜的生长厚度进而精确测量计算出pn结深度，通过查表可获得扩散杂质浓度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，包括提拉仪，其特征在于，所述提拉仪的上部设置有旋转盘，所述旋转盘上夹装有真空管，所述真空管与真空泵相连，所述真空管的内部设置有石墨电极，所述真空管可通过真空度的调节带动石墨电极上下移动，所述石墨电极的上端与直流电源的正极相接通，直流电源可为石墨电极提供电流，所述石墨电极的正下方放置有参比硅片，当石墨电极通电后可将参比硅片吸附在石墨电极的下部，所述提拉仪的底部平台上放置有分别盛放hf溶液与电解溶液的容器，所述直流电源的负极与铂阴极相连通，所述铂阴极放置在电解溶液的内部，所述参比硅片的底部与光纤相连接，所述光纤与光纤光谱仪相连，测量过程包括如下步骤：

(1)配制电解溶液；

(2)测量参比硅片；

(3)阳极氧化扩散片待测面生成二氧化硅膜；

(4)腐蚀二氧化硅；

(5)清洗硅片；

(6)测量方阻；

(7)累积计算；

(8)测量背面pn结深度。

在实际操作中的具体步骤如下：

(1)配制电解溶液。配制阳极氧化电解溶液1～10mol/l的硝酸溶液中，在10～30v的电压下电解水生长一层sio2膜，电解时间为5～30min，电流1～10ma；

(2)测量参比硅片。打开真空泵调节真空球阀至适当吸力，使其稳定吸住参比硅片，慢慢放下石墨管状电极使参比硅片下表面轻触电解溶液液面，此时调节真空球阀平衡液面张力，保证硅片的上表面不被液体浸入，仅有待测表面即下表面浸入电解溶液，打开光纤光谱仪对参比硅片进行测量，然后取下下参比硅片；

(3)阳极氧化扩散片待测面生成二氧化硅膜。升降提拉仪，将扩散硅片吸附在石墨电极上，使待测面面向电解溶液同样使其下降至与电解溶液液面刚好接触上；打开电解池直流电源，氧化待测硅表面生成二氧化硅膜，并通过光纤光谱仪实时监测生长氧化膜的厚度10～200nm，关闭直流电源，停止氧化；

(4)腐蚀二氧化硅。转动石墨电极使其转至电解池反向的5％-50％体积hf溶液中，通过提拉缓慢放下硅片使其待测面与hf溶液接触，数秒后提拉石墨管状电极使硅片远离hf溶液，调节吸力取下硅片清洗、干燥；

(5)清洗硅片。提拉石墨管状电极使待测硅片远离腐蚀液，调低真空球阀取下硅片，进行去离子水清洗干燥。

(6)测量方阻。采用四探针测量硅片待测面的电阻值；

(7)累积计算。测量完成后，打开真空球阀使其再次吸住待测硅片，保证待测面朝下，重复步骤(3)～(6)直到电阻值等于裸片方阻值，并由光纤光谱仪累积测量的二氧化硅膜的厚度计算出硅片的腐蚀深度，即为待测面的pn结深度；

(8)测量背面pn结深度。清洗干燥后，将硅片翻转测试其背面pn结深度，重复步骤(3)～(7)得到背面pn结深度。

综上所述，本发明的以下有益效果：

1、本发明一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，所述pn结结深测量方法，无需使用光刻胶等保护膜包覆，减少了测试步骤。

2、本发明一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，不需要使用称重的方法来计算二氧化硅薄膜厚度，避免了由于电解溶液浓度差异引起的薄膜密度不均而引起的误差。

3、本发明一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，二氧化硅薄膜厚度通过光纤光谱仪实时监控测量，无需通过二氧化硅比色卡判别薄膜厚度，增加了测量的精准性，且与台阶仪测量相比工艺及其简单，无需制备台阶。

4、本发明一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，本发明通过石墨管状电极真空吸附硅片无需使用石蜡等粘结剂进行固定，简化了测量步骤。

5、本发明一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，适用于双面电池结深测量，不使用高温、高压条件，不会引起杂质的二次分布。

6、本发明一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，无需磨角、染色等步骤，制备工艺简单且周期短，价格低廉。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明所述测量装置图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-提拉仪，2-真空泵，3-直流电源，4-光纤光谱仪，5-石墨电极，6-铂阴极，7-参比硅片，8-hf溶液，9-电解溶液，10-光纤，11-旋转盘，12-真空管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示：

一种双面太阳能电池超浅结结深的测量方法及其装置，包括提拉仪1，其特征在于，所述提拉仪1的上部设置有旋转盘11，所述旋转盘11上夹装有真空管12，所述真空管12与真空泵2相连，所述真空管12的内部设置有石墨电极5，所述真空管12可通过真空度的调节带动石墨电极5上下移动，所述石墨电极5的上端与直流电源3的正极相接通，直流电源3可为石墨电极5提供电流，所述石墨电极5的正下方放置有参比硅片7，当石墨电极5通电后可将参比硅片7吸附在石墨电极5的下部，所述提拉仪1的底部平台上放置有分别盛放hf溶液8与电解溶液9的容器，所述直流电源3的负极与铂阴极6相连通，所述铂阴极6放置在电解溶液9的内部，所述参比硅片7的底部与光纤10相连接，所述光纤10与光纤光谱仪4相连，测量过程包括如下步骤：

(1)测量扩散前裸硅的方块电阻175ω/□，扩散结束去除表面磷硅玻璃，直到表面有脱水。用大量去离子水洗净硅片。

(2)然后使用四探针电阻仪测量正面扩散面的方块电阻平均值54.7ω/□(采用五点法，即硅片四角和中心位置的方块电阻，然后取平均值)，背面扩散面的方阻为48ω/□。

(3)配制2mol/l的硝酸溶液搅拌均匀倒入电解池中。

(4)将参比硅片真空吸附在石墨电极上，打开提拉仪调节参比硅片的高度使其与电解溶液面刚好接触上，接着打开光纤光谱仪对参比硅片进行测量。

(5)然后，提拉起参比硅片将其更换成待测的扩散片同样使其与电解溶液面恰好接触上。接通恒流电源在18v的电压下电解水生长一层sio2膜，电解时间为15min，电流为8ma。通过光纤光谱仪实时监控待测面薄膜生长厚度，待生长厚度达到150nm左右时，关闭恒流电源。

(6)提拉石墨电极使待测硅片远离电解溶液。旋转转柄将硅片转至10％的hf溶液槽内使待测面与溶液面刚好接触上，腐蚀时间为10s。

(7)取下硅片去离子水清洗、干燥后采用四探针电阻仪测量电阻值为69.3ω/□。

(8)然后，重复上述测量步骤(5)～(7)直到测量面电阻值为裸片电阻值或方阻突变，表明该pn结消失，此时的待测面表面为pn结结深所在位置，每次测量的待测面的方块电阻值如表1所示。

(8)同理，将电池翻转重复上述过程便可得到背面pn结深度。

(9)最后，通过通过光纤光谱仪测量生成二氧化硅膜的累积厚度，由公式xj＝0.43nd，计算出待测面pn结深度，d为每次氧化去除的二氧化硅膜厚度，n为去除达反型的次数，xj即为结深。通过计算正面pn结深度为0.344μm，背面pn结深度为0.337μm。

表1实施例1中正面腐蚀二氧化硅薄膜厚度与方阻测量结果

表2实施例1中背面腐蚀二氧化硅薄膜厚度与方阻测量结果

本发明中的电解溶液不限于实施例1中的硝酸溶液，也可配制一定浓度的四氢糠醇和亚硝酸钠混合溶液，或可采用乙二醇和磷酸的混合液再或者一定浓度的硫酸溶液等透明溶液作为电解溶液电解生长sio2膜。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。

本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。