掺杂：基本要求与概念解析

1.基本要求

1）接触电阻小。使空间电荷区中载流子的复合量小、复合速度慢。

2）发射集尽量薄。使空间电荷区接近前表面，便于分离载流子，短波响应大。

3）并联电阻大。使太阳电池弱光效应增强。

4）高效的载流子分离。可增加短路电流I_sc。

5）较大的内建电压。可增大开路电压V_oc。

2.掺杂基本概念

（1）死层。所谓“死层”，就是在该区域少数载流子被复合的概率相当高。短波长的光在硅材料中吸收系数相当高，产生的载流子最容易在死层被复合掉，所以短波长的蓝光响应相当差，对效率的贡献少。如果掺杂浓度太高，就会产生死层，其厚度大约为数十纳米。照射在硅上的短波长太阳光（例如蓝光-紫光），在近表面约2μm处就几乎全被吸收，而长波部分则约需500μm厚才基本被吸收完。因为任何波长的光强都是靠近表面处最强，因而表面层中吸收光子总数，总是大于体区中同样厚度一层硅中吸收的光子总数，故表面层对任何光电池都是极为重要的。恰好表面层就是掺杂层，所以“死层”对电池性能影响最大。

（2）重掺杂与轻掺杂。按电阻率范围分，掺杂可分为重掺杂与轻掺杂。表4-5列出重掺杂与轻掺杂特点。

表4-5重掺杂与轻掺杂特点

高效太阳电池要求接触电阻小、少数载流子表面复合速度小、短波响应大。从表4-5可以看出，无论是重掺杂还是轻掺杂都很难达到这一点。相比之下，轻掺杂的优点多一些，因此要在这两者之间取一平衡点。这个平衡点很重要，一般控制结深0.2～0.4μm，相应方块电阻在40～50±3Ω/□。

（3）重（高）掺杂效应。重掺杂时要避免“重（高）掺杂效应”。杂质浓度高于10¹⁸/cm³称为重掺杂。由于重掺杂引起的禁带收缩，杂质不能全部电离和少子寿命下降等现象，统称为“重掺杂效应”。

1）禁带收缩。造成禁带收缩的主要原因如下：(www.xing528.com)

①硅的能带边缘出现了一个能带尾态，于是禁带缩小到两个尾态边缘间的宽度。

②随着杂质浓度的增加，杂质能级扩散为杂质能带，并且有可能和硅的能带相接（或称简并，杂质能带和硅能带简并），而使硅的能带延伸到杂质能带的边缘，禁带也就变小。

③高浓度的杂质使晶格发生宏观应变（畸变），从而造成禁带随空间变化而使禁带缩小。

图4-10示出有效禁带收缩的定性表示，即能带尾态、杂质能带及晶格应变。

2）杂质不能全部电离。这是指杂质不能全部形成离子，不能熔入硅晶格中，使有效掺杂浓度下降，从而使开路电压V_oc下降。

3）少子寿命下降。少子寿命对于太阳电池效率极为敏感。少子寿命长，不仅可以增加光电流，而且会减少复合电流，增加开路电压，从而对效率有双重影响。各区中的光激发出的过剩少数载流子，必须在它们通过扩散和漂移越过p-n结之前不复合，才能对输出电流有贡献。因此，希望扩散层及基区中的少子寿命都足够长。少数载流子寿命FZ法（区熔法）要比CZ法（直拉法）长。FZ法为1～10ms。

图4-10 有效禁带收缩的定性表示

a）能带尾态 b）杂质能带 c）晶格应变

一般要求扩散层及基区中的少子寿命必须保证少子扩散长度大于各区厚度。由理论推算，少子寿命与复合中心密度成反比，而与掺杂浓度无关。但对硅寿命实测结果表明，最大寿命与掺杂浓度有一定的关系，扩散长度随掺杂浓度增加而减少。其原因如下：

①高掺杂引起晶体缺陷密度增加。

②由于禁带变窄和耗尽区收缩，通过隧道效应的复合增加，尤其是通过深能级上的隧穿复合增加，减少了载流子的寿命。

③由于表层中多子密度很高，通过晶格碰撞而发生的俄歇电子复合增多，也使得载流子寿命变小。