單晶硅太陽電池加工

【摘要】研究了激光摻雜選擇性發(fā)射極匹配的擴散工藝，通過調整不同的工藝參數(shù)，達到相同的高方阻，比較了不同方法獲得的高方阻的均勻性，得到了在105Ω/□左右的高方阻仍能保持較好均勻性的擴散工藝。通過調整激光功率形成不同的重摻雜區(qū)方塊電阻，研究了不同的重摻雜區(qū)方塊電阻對電池主要電性能參數(shù)的影響，分析了變化原因。最后比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池和傳統(tǒng)太陽電池的電性能及外量子效率。工藝優(yōu)化后，激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的轉換效率相比傳統(tǒng)太陽電池有0.24%的提升。

引言

提高太陽電池的光電轉換效率是提高行業(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致載流子復合變大，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，可以降低表面復合，提高少子壽命，但是必然會導致接觸電阻的增大，影響電池的串聯(lián)。選擇性發(fā)射極太陽電池的結構設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，又降低了表面的復合[2]，提高了少子壽命。這種結構的電池具有以下3點明顯的優(yōu)點：

(1)降低串聯(lián)電阻，提高填充因子;

(2)減少載流子復合，提高表面鈍化效果;

(3)增強電池短波光譜響應，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)產線升級成激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池生產線，工藝上只需增加激光摻雜一個步驟，從設備上來說，只需增加摻雜用激光設備，與常規(guī)產線的工藝及設備兼容性很高，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)模生產中常用的調整方阻的工藝參數(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計

在激光摻雜工藝中，利用激光的熱效應，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.實驗結果與分析

3.1擴散方塊電阻結果

方塊電阻是衡量擴散質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，直接關系到后續(xù)工藝的匹配，并最終對太陽電池轉換效率產生影響，用方塊電阻的不均勻度來反應方塊電阻的均勻性，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方塊電阻的片內不均勻度大多數(shù)都在4.0%之內，均勻性較好，而實驗2方塊電阻的片內不均勻度大多數(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，使方塊電阻的片內均勻性偏差。另外，在大規(guī)模生產中，縮短工藝實驗可以提高產量，節(jié)約生產成本。

3.2激光摻雜實驗結果

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、絲網印刷電極和燒結，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趕到硅片表層，導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，進一步提高電池的開路電壓。

不同激光功率對電池轉換效率的影響，從上表中可以看出，當激光功率為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，導致最終效率較低。當激光功率在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，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。綜上所述，當激光功率在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，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，前表面的載流子復合幾率降低，對光生載流子的收集增加，電池的光譜響應增強。

4.結論

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的短波范圍內有較明顯的提升。