引言
提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是提高行業(yè)競爭力的重要途徑。發(fā)射極摻雜濃度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響是雙重的,采用高濃度的摻雜,可以減小硅片和電極之間的接觸電阻,降低電池的串聯(lián)電阻,但是高的摻雜濃度會導(dǎo)致載流子復(fù)合變大,少子壽命降低,影響電池的開路電壓和短路電流。采用低濃度的摻雜,可以降低表面復(fù)合,提高少子壽命,但是必然會導(dǎo)致接觸電阻的增大,影響電池的串聯(lián)。選擇性發(fā)射極太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以很好地解決這一矛盾[1]。選擇性發(fā)射極(selectiveemitter,SE)太陽電池,即在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進行高濃度摻雜,而在電極以外的區(qū)域進行低濃度摻雜。這樣既降低了硅片和電極之間的接觸電阻,又降低了表面的復(fù)合[2],提高了少子壽命。這種結(jié)構(gòu)的電池具有以下3點明顯的優(yōu)點:
(1)降低串聯(lián)電阻,提高填充因子;
(2)減少載流子復(fù)合,提高表面鈍化效果;
(3)增強電池短波光譜響應(yīng),提高短路電流和開路電壓。
目前選擇性發(fā)射極的主要實現(xiàn)工藝[3]有氧化物掩膜法、絲網(wǎng)印刷硅墨水法、離子注入法和激光摻雜法等,其中激光PSG摻雜法由于其工藝過程簡單,從圖1可以看出從太陽電池常規(guī)產(chǎn)線升級成激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池生產(chǎn)線,工藝上只需增加激光摻雜一個步驟,從設(shè)備上來說,只需增加摻雜用激光設(shè)備,與常規(guī)產(chǎn)線的工藝及設(shè)備兼容性很高,是行業(yè)研究的熱點。激光PSG摻雜法是采用擴散時產(chǎn)生的磷硅玻璃層作為摻雜源進行激光掃描,形成重摻雜區(qū)。目前雖然對激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的理論研究和實驗的報道很多,但是在實際的大規(guī)模生產(chǎn)中,仍然存在著擴散高方阻的均勻性、輕重摻雜區(qū)方塊電阻匹配和印刷正電極的精確對位等問題,本文主要對前兩個問題相關(guān)工藝進行研究。
2.實驗過程
2.1實驗原材料
實驗采用156.75156.75mm的單晶硅片,厚度180~200μm,電阻率范圍1~3Ω·cm.
2.2擴散工藝的實驗設(shè)計
擴散工藝的基本步驟如圖2所示。在擴散工藝中,影響擴散后硅片方塊電阻的工藝參數(shù)有大氮氣體流量、小氮氣體流量、氧氣流量、擴散溫度、擴散時間和源瓶溫度等參數(shù)。其中,擴散時間和擴散溫度是大規(guī)模生產(chǎn)中常用的調(diào)整方阻的工藝參數(shù)。目前,激光摻雜選擇性發(fā)射極擴散輕摻雜的方快電阻一般在100~110Ω/□之間。本實驗以105Ω/□為目標方快電阻,通過縮短擴散時間和降低擴散溫度兩種方式將正常的85Ω/□升高至目標方阻。實驗使用Tempress4管5恒溫區(qū)擴散爐進行,實驗1為將原擴散工藝的擴散時間縮短4min,實驗2為將原擴散工藝的擴散溫度降低12℃。每組實驗做一管(500片),擴散工藝完成后,從每個恒溫區(qū)的中間位置各抽取一片,使用四探針方塊電阻測試儀測試硅片中心點和四個邊角的方塊電阻。
2.3激光摻雜工藝的實驗設(shè)計
在激光摻雜工藝中,利用激光的熱效應(yīng),熔融硅片表層,覆蓋在發(fā)射極頂部的磷硅玻璃(PSG)中的磷原子進入硅片表層,磷原子在液態(tài)硅中的擴散系數(shù)要比在固態(tài)硅中高數(shù)個數(shù)量級[4]。固化后摻雜磷原子取代硅原子的位置,形成重摻雜層。使用優(yōu)化后的擴散工藝,制作方快電阻在105Ω/□的實驗樣片400片,分成四組,每組100片。激光摻雜使用波長532nm的納秒脈沖激光器,分別調(diào)整激光功率至20W、30W、40W和50W,對四組實驗樣片進行掃描,形成每條120μm寬的重摻雜區(qū)。對于各組中用于測試方阻的樣品硅片,使用激光掃描20mm20mm的方塊面積。以得到均勻的激光重摻雜區(qū)域,用四探針測試其方塊電阻。
3.實驗結(jié)果與分析
3.1擴散方塊電阻結(jié)果
方塊電阻是衡量擴散質(zhì)量是否符合工藝要求的重要指標,擴散方塊電阻的均勻性尤其重要,直接關(guān)系到后續(xù)工藝的匹配,并最終對太陽電池轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響,用方塊電阻的不均勻度來反應(yīng)方塊電阻的均勻性,不均勻度的計算公式為:
以下是兩組實驗擴散方塊電阻數(shù)據(jù),并計算了方塊電阻的片內(nèi)均勻性,數(shù)據(jù)見表1和表2。
從表1和表2兩組數(shù)據(jù)中可以看出,實驗1方塊電阻的片內(nèi)不均勻度大多數(shù)都在4.0%之內(nèi),均勻性較好,而實驗2方塊電阻的片內(nèi)不均勻度大多數(shù)都在4.0%以上,其中有三個溫區(qū)在5.0%以上,均勻性較差。通過縮短擴散時間減少摻雜雜質(zhì)總量提高方塊電阻,對于工藝氣體流量、溫度場等均沒有較大的影響,因此可以最大程度地保持片內(nèi)方塊電阻的均勻性。擴散溫度的降低影響硅片表面磷硅玻璃層的形成,減弱了磷硅玻璃層對磷擴散的阻礙作用,使方塊電阻的片內(nèi)均勻性偏差。另外,在大規(guī)模生產(chǎn)中,縮短工藝實驗可以提高產(chǎn)量,節(jié)約生產(chǎn)成本。3.2激光摻雜實驗結(jié)果
用四探針對激光掃描的2020mm的樣片進行方塊電阻的測量,然后四組實驗在相同的工藝條件下進行洗磷刻蝕、PECVD鍍減反膜、絲網(wǎng)印刷電極和燒結(jié),制成成品電池片,并測試其電性能參數(shù),不同激光功率對重摻雜區(qū)方塊電阻以及最終對電池串聯(lián)電阻的影響如表3所示:
從表3中可以看出,當(dāng)激光功率為20W時,方塊電阻變化較小,僅有5Ω/□的降低,電池的串聯(lián)電阻較高。隨著激光功率的增加,方塊電阻明顯降低,電池串聯(lián)電阻呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。這主要是由于激光功率較小時,不足以使硅片表面溶化,磷原子向硅片表面的摻雜較少,不能形成重摻雜區(qū),導(dǎo)致金屬電極與發(fā)射極之間無法形成良好的歐姆接觸,使電池的串聯(lián)電阻處于較高的水平。當(dāng)激光功率上升到30W以上時,隨著激光功率的增加,硅片表面溶化的深度不斷加深,摻雜磷原子在硅片表面所能達到的深度也隨之增加,因此方塊電阻有明顯的降低,低方塊電阻的重摻雜區(qū)與金屬柵線形成良好的歐姆接觸,接觸電阻降低,電池的串聯(lián)電阻得到明顯的改善。當(dāng)激光功率達到50W時,電池的串聯(lián)電阻有升高的趨勢,這一方面是由于過高的激光功率會使磷硅玻璃部分蒸發(fā)而減少摻雜源[5],導(dǎo)致磷原子的表面濃度降低,另一方面,激光摻雜,磷硅玻璃作為有限源,當(dāng)激光功率較高時,隨著硅片表面溶化時間和溶化層厚度的增加高濃度區(qū)域加深,磷硅玻璃中更多的磷原子被驅(qū)趕到硅片表層,導(dǎo)致磷原子表面的濃度降低??傊^高的激光功率會使磷原子的表面濃度降低,不能與金屬電極形成良好的歐姆接觸導(dǎo)致串聯(lián)電阻的升高。
3.3激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池電性能結(jié)果
從表4中可以看出,與常規(guī)電池相比較,激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的開路電壓和短路電流都有明顯的提升。原因是高方塊電阻的輕摻雜發(fā)射極可以有效減少載流子的復(fù)合幾率,提高載流子的收集效率,低表面摻雜濃度還可以使表面態(tài)密度降低,提高表面鈍化效果,最終提高電池的開路電壓和短路電流。另外,選擇性發(fā)射極輕、重摻雜區(qū)的摻雜濃度差形成高低結(jié),進一步提高電池的開路電壓。
不同激光功率對電池轉(zhuǎn)換效率的影響,從上表中可以看出,當(dāng)激光功率為20W時,激光摻雜對硅片重摻雜區(qū)方阻影響不大,雖然由于發(fā)射極的輕摻雜使電池的開路電壓和短路電流都有明顯的提升,但是串聯(lián)電阻過大,導(dǎo)致最終效率較低。當(dāng)激光功率在30W~50W之間時,電池的開路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻等電性能參數(shù)相比常規(guī)電池都有明顯的改善。激光功率在此區(qū)間內(nèi),隨著功率的增加,開路電壓沒有明顯變化,短路電流隨著功率的增加呈下降的趨勢,主要是激光功率過高時對摻雜區(qū)的絨面有損傷,影響對光的吸收。激光功率大小對串聯(lián)電阻的影響前文已進行分析,不再重復(fù)。綜上所述,當(dāng)激光功率在40W,重摻雜區(qū)方阻降至63Ω/□左右時,輕、重摻雜區(qū)工藝匹配達到最優(yōu),相比傳統(tǒng)電池,效率有0.24%的提升。
3.4外量子效率測試結(jié)果
對工藝優(yōu)化的激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池和常規(guī)太陽電池進行外量子效率的測試分析,如圖3所示,從圖中可以看出在300nm~520nm波段范圍內(nèi),激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的外量子效率相比常規(guī)太陽電池有較明顯的提升,但是在中長波段基本與常規(guī)電池一致。主要是由于激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池發(fā)射極區(qū)域摻雜濃度低,前表面的載流子復(fù)合幾率降低,對光生載流子的收集增加,電池的光譜響應(yīng)增強。
4.結(jié)論
通過縮短擴散時間和降低擴散溫度兩種方法提高擴散的方塊電阻,形成輕摻雜,比較了兩種方法形成的高方塊電阻的均勻性,發(fā)現(xiàn)縮短擴散時間提高方塊電阻的方法得到的高方塊電阻的均勻性較好。重摻雜區(qū)方塊電阻匹配的研究,通過改變激光功率形成不同的重摻雜區(qū)方塊電阻,發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率在40W左右,重摻雜區(qū)方塊電阻在66Ω/□左右時,工藝達到最優(yōu),電池的開路電壓、短路電流和串聯(lián)電阻等參數(shù)均有明顯的改善,最終轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)電池有0.24%的提升。比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池和傳統(tǒng)太陽電池的外量子效率,相比傳統(tǒng)太陽電池,激光摻雜選擇性太陽電池主要在300~520nm的短波范圍內(nèi)有較明顯的提升。
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