硅太阳能电池研究_4教材.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章 硅太阳电池的快速热处理技术 在硅太阳电池的制造过程中，加热处理是必需具备的加工条件。没有加热处理，就无 法实现扩散和钝化这样的关键工艺。这些加热处理需要大量的热能。而与热能直接相关的 是制造成本。需要的热能越多，单位太阳电池的价格越高。快速热处理技术 RTP （Rapid Thermal Processing ）可以实现硅片的快速加热和冷却，可以降低单位太阳电池的热能消耗， 降低成本。 §4.1 RTP系统的基本原理 RTP系统最一般的定义是一种可以实现那些在传统的石英管加热炉中不能实现的快 速热循环的设备[16] 。RTP系统使用辐射加热，而传统的石英管加热炉采用电阻加热[17] 。 RTP使用可以向硅片迅速传递能量和导出热量的方法。例如，使用基于辐射的能量源：激 光，电子和离子束，还有来自弧形灯的和钨卤灯的不连贯光[18] 。目前，大多数RTP系统使 用钨卤灯(Tungsten Halogen Light, 缩写为THL)作为辐射能量源[16] 。下面主要介绍使用 THL作为辐射能量源的RTP系统基本原理。 §4.1.1 黑体辐射与钨卤灯的光谱性质 所有的物体在温度高于绝对零度时，都会向外发射电磁辐射，这是由于原子和分子的 热运动导致。热物体发出的电磁辐射，其波长或光谱分布由该物体的温度所决定。完全的 吸收体叫做 “黑体”。黑体所发出辐射的光谱分布由普朗克辐射定律确定[19] 。光谱辐射分 [5] 布M(λ, T)用公式表示为 ： 2πhc 2 1 M (λ,T ) ε(λ,T ) 5 ( ) λ exp hc / kλT −1 这里的 λ 是波长，k 是玻尔兹曼常数，h 是普朗克常数，c 是真空中的光速。光谱发 射率 є( λ,T)只有在理想黑体时才等于 1。黑体在变化的温度下的能量分布在图4.1 中给出。 它有两个重要的特点：随着热源温度的升高，在所有波段上向外辐射的能量都在增加，另 外，短波段的能量输出增加的速率是非常快的。 _______________________________________________________________________________________________________ 第 22 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4. 1 不同黑体温度的普朗克黑体辐射分布。点划线表明随着温度的增加，在短 波段范围，峰值能量的增加是比较快的[20] THL是一个直线型的两边有电气接口的石英灯管，这个石英灯管包围着金属钨丝，这 个金属钨丝可以通电加热。这个石英灯管由卤素气体来密封，这样可以增加灯丝的温度和 寿命[18] 。图4.2 给出了当THL 的温度是T=2400K和T=1171K时，M(λ, T)光谱辐射分布。 图4.2 THL 的光谱分布[16] THL可以给出接近于普朗克黑体的光谱分布，温度变化从 2000K到 3000K，这要取决 于流过灯的电流[18] 。THL可以在一个宽的波长范围内发射光谱，从 0.4µm到 4~5µm 的波长 处。 _______________________________________________________________________________________________________ 第 23 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 §4.1.2 硅片的快速加热原理 在传统的管状加热炉中，热能的对流和传导起到非常重要的作用，硅片一般与周围的 石英管是同样的温度。相反，由于能量转移的主要的光学特征，RTP系统中的硅片并不是 与它的周围环境保