晶体硅太阳能电池黑心片的分析及处理方案

三江学院 赵俊霞

晶体硅太阳能电池黑心片的分析及处理方案

三江学院 赵俊霞

为节约能源，高转换率的晶体硅太阳能电池被广泛应用，而在低档片中黑心片占有很大的比例，本文对该类硅片进行测试、分析、查找原因，发现转换率低的主要原因是衬底含有大量的位错，形成少数载流子的强复合中心，严重影响硅片的少子寿命，最终影响电池转换率，发电量的减少。依据分析，为提高转换率，电池厂商应提出位错的供货标准，硅片厂商改善工艺方案。

太阳能电池；位错；少子寿命

引言

目前全世界都在积极生产各种相关的节能新产品,晶体硅太阳电池被广泛应用,占据太阳电池的主要市场。但是,晶体硅太阳电池存在着固有弱点,降低成本与提高效率是现在两大主要任务单晶硅由于其本身内部完整的晶体结构,其电池效率明显高于多晶硅电池,是硅基高效太阳能电池的首选材料[1]。而在一些低转换率电池片中,黑心片占有很高的比例,本文对该类硅片进行分析,查找原因,提出要求,进而提高转换率。而少数载流子的强复合中心,严重影响硅片的少子寿命,最终影响电池和组件性能,本文针对该现象进行研究,解决黑心片的问题,从而提高效率。

1 晶体硅太阳能电池黑心片的分析

单晶硅内部杂质和晶体缺陷的存在会严重影响太阳能电池的效率,比如:光照条件下B-O复合体的产生会导致单晶电池的光致衰减;内部金属杂质和晶体缺陷(位错等)的存在会成为少数载流子的复合中心,影响其少子寿命。本文通过图1的实验流程来分析黑心片的内在形成机理,分析原因,针对问题,提出解决方案。

本实验对大量低档电池片及其组件进行了研究,现从中选取两片电池片举例说明。完成测试分析流程:电池做电致发光EL测试 →光照条件电池电性能测试 → 电池光诱导电流(LBIC Current)测试 → 硅片少子寿命测试 → 化学抛光腐蚀后观察位错 → SIMS元素分析。

图1 电池黑心片的分析流程

图2 电池片黑心片

1.1 EL测试

本文对大量低档电池片及其组件进行分析,在通电情况下,部分EL照片中黑心和黑斑处发出的1150nm 红外光相对弱,显示为黑心如图2所示,因为电池片中心呈现黑色所以称这类硅片为“黑心片”。

1.2 光照条件电池电性能测试

本文从中随机选取2块黑心片和2片电池片,进行电性能测试,其测试结果如表1所示。通过对比,可以直观发现黑心片的Isc,FF,Ncell平均分别为4.702,66.761,12.55%;而正常片的Isc,FF,Ncell平均分别为8.321,78.012,16.45%。黑心片的这三个参数都比正常片低很多,这也直接导致黑心片的功率低下的原因。

表1 黑心片和正常电池片的参数

1.3 光诱导电流（LBlC Current）测试和少子寿命测试

对太阳能电池片进行LBIC Current测试,黑心片的测试结果如图3左图所示。电池片中心的电流为60μA,边缘处126μA,说明电池片中心光电转换率比边缘处低约47.6%。

为区别是硅片还是后端工艺因素导致黑芯片出现,本文对黑心电池片进行去正反电极、去铝背场、去SiN膜、N型层,而后经碘酒钝化后,对电池片进行少子寿命测试,其测试结果如图3右图所示。图3中检测出电池片黑心处硅衬底少数载流子寿命是0.4μs,远低于边缘处7.2μs,两幅图进行对比,得出硅片本身内部缺陷所致导致电池片转换效率低,与后端工艺没有直接关系。

图3 LBlC Current测试图（左）和少子寿命测试图（右）

1.4 位错分析

太阳能电池片中影响少数载流子的寿命长短的因素,主要是载流子的复合机理(直接复合、间接复合、表面复合、Auger复合等)及其相关的问题[2]。其中,有害的杂质和缺陷在促进复合、减短寿命方面起决定作用。本文对黑心片中黑心处进行位错分析,在光学显微镜下黑心样片中心圆形部分的测试如图4所示,其位错密度均高达10E6～10E7左右,为单晶硅片中少数载流子的强复合中心,严重影响硅片的少子寿命,从而影响太阳能电池片和组件性能。

图4 黑心片中心区域位错

1.5 SlMS元素分析

有害的杂质对少数载流子的寿命有重要的影响,本文对黑心片进行SIMS测试,分别测量了黑心片内外的杂质浓度,如表2所示。通过表里的数据,我们可以很直观的看出黑圈内O的浓度为1.06E+18而在黑圈外O的浓度为1.02E+18,两者几乎相等,黑心处边界两边杂质原子含量一样,没有变化。所以黑心片的形成和少数载流子的寿命有关,但和掺杂杂质浓度无关。

表2 SlMS测试结果

2 位错原因分析

单晶硅片制备过程中产生位错的因素:

1)引颈长度小。高质量的无位错拉晶工艺,在拉晶过程中下种引颈长度要大于一个晶锭直径方可放肩,才能消除位错。受市场经济的影响,单晶硅片供应商为追求利益,降低工艺要求:引颈长度120-140mm完全低于直径150mm单晶。

2)底料留量过少。一般晶体硅工艺中,单晶收尾时锅底料是投料量的10%左右。现单晶供应商,为取得最大化的利润,只追求把坩埚内硅料最大量地拉完提尽。然而晶体硅拉升结束时,锅内料过少,造成坩埚内熔体过冷,一旦材料过冷必然掉苞[3]。拉出的单晶表面显示出完整收尾,实际早已掉苞,切割完成的单晶为错片,供应商直接出售给用户该部分单晶硅片。

3 小结

为制备出转换率高的太阳能电池,减少黑心片,电池片生产厂商要求硅片厂家供应合格的硅片,单晶多晶硅片位错密度〈3000个/cm2,研究快速廉价的位错检测方法。

硅片供应商通过调整引颈、放肩、等径生长和收尾等步骤的工艺参数,以及控制拉速和改善温场等方法,减少位错的产生,达到控制位错密度的目的,从而消除或降低其对太阳能电池的不良影响,提高光电转换率。

［1］罗承先.太阳能发电的普及与前景［J］.中外能源,2010:35.

［2］〈美〉Donald A.Neamen著.赵毅强等译.半导体物理与器件(第三版)［M］.北京:电子工业出版社,2012.

［3］董建明,张波等.直拉法硅单晶生长中断棱与掉苞问题的探讨［J］.材料导报,2013,5(27):158.

The analysis and treatment of the black heart wafers in silicon solar battery

Zhao Junxia
(Sanjiang University)

In order to save energy,high conversion rate of crystalline silicon solar battery is widely used.The black heart wafer occupies a large proportion of low-grade wafer.In this paper,these silicon wafers are tested,analyzed and searched.There are lots of dislocations in the kind of wafers.Dislocation is the strong recombination center of minority carrier.This sriously affects minority-carrier lifetime lower than usually.Battery conversion rate is low.Power generation reduces.In order to improve the conversion rate,the battery manufacturer should put forward the dislocation supply standard.The silicon wafer manufacturer improves the production process.

Solar battery;Dislocation;minority-carrier lifetime

赵俊霞（1979—）, 女，硕士，现为三江学院讲师，从事太阳能电池片研究工作。

项目来源:教育部 “本科教学工程”大学生校外实践教育基地建设项目：三江学院-中电电气（南京）光伏有限公司工程实践教育中心，序号：186。