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在太阳电池制备中,扩散是一道重要工艺,其主要目的就是形成P-N结。对硅进行扩散的典型做法是将硅片置于高温石英管中(通常为800℃~1200℃范围),并通入含有待扩散元素的混合气体。在目前的太阳电池工艺中,通常采用已经掺杂了一定量的硼的P型硅片作为原料,在硅片的一面通过扩散磷来形成P-N结,采用三氯氧磷(POCl3)作为扩散源提供磷原子。常用的扩散方法为石英管中进行的闭管液态源(POCl3)方式的扩散。经过国内科研人员近几年的努力,目前国内厂家生产的扩散炉已达到或接近国际先进水平,性价比优势明显,占据了国内太阳能行业扩散炉的大部分市场。本章将着重介绍扩散制结设备的工作原理、结构、操作、维护及发展方向。
4.1扩散工艺的原理
扩散是一种由微粒的热运动所引起的物质输运过程,可以由一种或多种物质在气、液或固体的同一相内或不同相间进行。在固体中,扩散粒子可以是杂质原子或离子,也可以是基质原子(即为自扩散)。扩散主要由浓度梯度或温度梯度引起,而以前者较为常见,一般从浓度较高处向较低处扩散,直到相内各部分的浓度达到均匀或两相间的浓度达到平衡为止。扩散的驱动力实质是化学势梯度。
4.1.1有关扩散的物理基础
固体中扩散的微观机制即扩散机制可以概括为3种:填隙原子机制、空位机制、交换机制。不同情况下,扩散主要采取的机制是不一样的。实验表明,如果杂质原子的半径比基质原子小得多,则总是以填隙方式存在于晶体中,并依靠热涨落在间隙之间跳跃构成填隙式扩散,扩散系数较大。对于替代式原子(基质原子、替代式固溶体中的溶质原子),一般认为,最常见的是空位式扩散。交换式扩散涉及一些原子的合作运动,在一般情况下可能性很小。
空位机制指当杂质原子大小与硅原子大小差别不大,杂质原子沿着硅晶体内晶格空位跳跃前进扩散,杂质原子扩散时占据晶格格点的正常位置,不改变原来硅材料的晶体结构。硼、磷、砷等就是以此种方式在硅中进行扩散的。
图4.1空位机制
填隙原子机制指当杂质原子大小与硅原子大小差别较大,杂质原子进入硅晶体后,不占据晶格格点的正常位置,而是从一个硅原子间隙向另一个硅原子间隙逐次跳跃前进。硅中的镍、铁等重金属元素原子就是以填隙原子机制进行扩散的。
图4.2填隙原子机制示意图
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