太陽能電池擴(kuò)散設(shè)備爐尾氣管氣路堵塞問題的改善方法

張云鵬， 孟漢堃， 郭 鵬， 郭 麗， 劉文超

(潞安太陽能有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

引 言

隨著全球工業(yè)化的進(jìn)程不斷加快，煤炭、石油等常規(guī)能源頻頻告急，人們將目光紛紛投向了各種可再生能源的利用上。其中，太陽能因其取之不盡、用之不竭，因此，太陽能光伏技術(shù)極有可能成為21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ墓怆娂夹g(shù)之一[1-3]。而隨著這個行業(yè)的高速發(fā)展，晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)鏈中的大多數(shù)制造設(shè)備，基本實現(xiàn)了單機自動化水平;設(shè)備間機械手自動轉(zhuǎn)送，在線檢測，提高了整線生產(chǎn)效率，減少了人工干預(yù)，降低了碎片率。擴(kuò)散是半導(dǎo)體器件制造的重要工序，主要用途是在高溫條件下對半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行摻雜，從而改變和控制半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)的類型、濃度和分布，以便建立不同的電特性區(qū)域。在太陽能晶體硅電池制造工藝中，常采用熱擴(kuò)散工藝制備PN結(jié)，即，在加熱條件下，將V族雜質(zhì)元素磷摻入P型硅或?qū)ⅱ笞咫s質(zhì)硼摻入N型硅中，擴(kuò)散制備PN結(jié)的質(zhì)量對于太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率有重要影響，是太陽能電池性能的決定性因素之一。該過程會用到高溫的擴(kuò)散爐、石英舟用作承載體。擴(kuò)散過程主要是通過氣體進(jìn)入爐體，在一定的溫度下進(jìn)行磷源的擴(kuò)散，而石英舟使用一段時間后，由于磷源也會擴(kuò)散沉積在石英舟上，需要定時對其進(jìn)行清洗以及工藝氣體飽和，以保證石英舟在生產(chǎn)過程中不會因為吸收氣體而導(dǎo)致電池片的方阻異常[4]。飽和過程中會出現(xiàn)尾氣管路有白色物質(zhì)堵塞管路的問題，如圖1所示。堵塞之后需要對其進(jìn)行清洗，延誤了生產(chǎn)，降低了產(chǎn)率；并且，頻繁的清洗會縮短尾氣管和積液瓶的壽命。本文的主要目的是為了解決擴(kuò)散尾氣管路的堵塞的問題，減少尾氣管路中集液瓶的清洗次數(shù)和時間，延長擴(kuò)散尾氣管和玻璃爐管的使用壽命，節(jié)約成本。

圖1 堵塞的尾氣管路

1 尾氣管堵塞原因

擴(kuò)散工藝用到的氣體有POCl3、O2和N2。擴(kuò)散原理反應(yīng)的方程式為式(1)、式(2)。

(1)

(2)

因為在飽和石英舟工藝時，石英舟內(nèi)并沒有硅片，因此爐管內(nèi)主要是第一個反應(yīng)。也就是說，爐管內(nèi)有2種物質(zhì)產(chǎn)生，分別是Cl2和P2O5。Cl2常溫常壓下為黃綠色氣體，可通過排風(fēng)排放。而五氧化二磷(P2O5)，常溫常壓下為白色無定形粉末或六方晶體，熔點340 ℃。這種固體產(chǎn)物將會導(dǎo)致尾氣管堵塞。

2 尾氣管堵塞解決方案

2.1 飽和氣體的流量

擴(kuò)散工藝用到的氣體有POCl3、N2和O2。POCl3是由N2作為載氣進(jìn)入爐管進(jìn)行反應(yīng)的。在進(jìn)行飽和舟工藝時，各種氣體流量分別是POCl3：1 500 mL/min，O2：375 mL/min，N2：5 L/min。飽和工藝的時間為600 min，但是在不到60 min時，就會出現(xiàn)尾氣管堵塞的現(xiàn)象。將進(jìn)氣量降低到POCl3為700 mL/min、O2為170 L/min、N2為5 L/min時發(fā)現(xiàn)，在不到90 min時，又出現(xiàn)尾氣管堵塞現(xiàn)象。隨著POCl3和氧氣進(jìn)氣量的減少，尾氣管堵塞時間略微增加，但是距離飽和工藝的時間600 min，差得很遠(yuǎn)。因此，降低了POCl3和氧氣的進(jìn)氣量對尾氣管的堵塞基本沒有改善。

2.2 排風(fēng)量

擴(kuò)散氣體的進(jìn)出氣方式是氣體先通過爐尾，然后到達(dá)爐口，再通過尾氣管到達(dá)爐尾，經(jīng)過集液瓶，最后到達(dá)外圍排風(fēng)。通過調(diào)節(jié)不同的排風(fēng)量來測試尾氣管的堵塞情況。排風(fēng)量從1.0 mL/min調(diào)大到1.5 mL/min后，尾氣管堵塞的時間由60 min上升到74 min，如圖2。通過圖2可以看出，隨著排風(fēng)量的增大，尾氣管堵塞時間基本沒有增加，并且距飽和工藝的時間600 min，仍差得很遠(yuǎn)。因此，調(diào)大排風(fēng)量對尾氣管的堵塞仍然沒有改善。

圖2 排風(fēng)量與堵塞時間的關(guān)系

2.3 在積液瓶中增加水

總結(jié)以上的解決方案發(fā)現(xiàn)，堵塞和氣體流量關(guān)系不大，主要還是由于固態(tài)五氧化二磷導(dǎo)致的堵塞，基于五氧化二磷對水有很強的親和力，吸濕性強，在空氣中就能吸收水分迅速潮解，反應(yīng)見式(3)：

(3)

通過這一性質(zhì)，在集液瓶內(nèi)加一定量的水，將生成的固態(tài)P2O5轉(zhuǎn)化成液態(tài)H3PO4，避免在進(jìn)行飽和工藝時，擴(kuò)散尾氣管路堵塞問題。工藝反應(yīng)示意圖如圖3。

從圖3可以看出，氮氣帶著氣化的POCl3和氧氣從進(jìn)氣管進(jìn)入到爐管，然后到達(dá)爐管的爐門口，通過尾氣管到達(dá)集液瓶，到達(dá)集液瓶時，溫度變?yōu)槭覝?，P2O5凝固為固態(tài)P2O5，從而堵塞了尾氣管。而在積液瓶中添加一定量的水就可以避免尾氣管堵塞。圖4就是添加水后的積液瓶。

圖3 工藝反應(yīng)氣體的示意圖

圖4 裝水的集液瓶

2.1 裝水量的影響

我們在進(jìn)行飽和舟工藝時，氣體流量分別是POCl3為1 500 mL/min，O2為375 L/min，N2為5 L/min；飽和工藝的時間為600 min，在尾氣管改善前，飽和工藝進(jìn)行60 min時，就會出現(xiàn)尾氣管堵塞現(xiàn)象，增加了水后尾氣管堵塞現(xiàn)象得到明顯的改善。觀察發(fā)現(xiàn)，加入400 mL的水，不堵塞現(xiàn)象可以持續(xù)728 min。也就是說，石英舟飽和完成后也不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，加入400 mL的水就可以解決在進(jìn)行飽和工藝時尾氣管堵塞的問題。 而少于400 mL水時不能保證整個飽和工藝不出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，而加入過多的水會導(dǎo)致水回流到爐管內(nèi)部，炸裂爐管。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 加水量與堵塞時間的關(guān)系

3 結(jié)論

本文試圖通過調(diào)節(jié)飽和氣體流量和排風(fēng)量來解決堵塞的問題，發(fā)現(xiàn)這兩種方法只能進(jìn)行一定程度的緩解，不能徹底解決堵塞的問題。而通過在集液瓶內(nèi)加入400 mL的水，使飽和石英舟工藝過程中生成的五氧化二磷與水發(fā)生反應(yīng)生成磷酸，成功避免了飽和過程中導(dǎo)致的擴(kuò)散尾氣管堵塞的現(xiàn)象，減少了尾氣管路和集液瓶的清洗次數(shù)和時間，增加了擴(kuò)散尾氣管和玻璃爐管的使用壽命，節(jié)約了成本。此方法可徹底解決擴(kuò)散尾氣管路的堵塞問題。