多晶硅电池工艺参数控制的研究

2015-12-31赵燕娇杨飞飞王海刚

山西化工 2015年1期

赵燕娇，杨飞飞，王海刚

（山西潞安太阳能科技有限责任公司，山西长治 046000）

引言

随着欧盟、美国对我国光伏产品的贸易争端增多，我国光伏产业面临的压力日益增大。在此背景之下，如何制造高效率、低成本的硅太阳能电池成为光伏能源领域的主要研究热点。如，提高基体材料质量；降低表面复合，以增加少子寿命、提高光子利用率和电池片的外量子效率；通过减少硅片厚度降低硅太阳电池成本等。如何监控电池片的性能，监测哪些工艺参数，使用什么样的方法监测，显得尤为重要。研究电池片工艺参数对效率的影响，有利于更好地优化参数，为高质量的电池片提供依据和保证。

1 电学参数及检测技术

1.1 电阻率

半导体的电阻率代表着半导体中载流子的浓度，即施主或受主杂质的浓度，它是表征硅片掺杂浓度的一项重要参数。

电阻率是电导率的倒数。电导率的大小取决于半导体载流子浓度n和载流子迁移率μ，即，σ＝nqμ。对于掺杂浓度不均匀的扩散区，往往采用平均电导率的概念。

低温下：由于载流子浓度指数式增大，而迁移率也是增大的，所以，电导率随着温度的升高而上升（即电阻率下降）。

室温下：由于施主或受主杂质已经完全电离，则载流子浓度不变，但迁移率随着温度的升高而降低，所以，电导率将随着温度的升高而减小（即电阻率增大）。

高温下：本征激发开始起作用，载流子浓度将指数式增大。虽然这时迁移率仍然随着温度的升高而降低，但是这种迁移率降低的作用不如载流子浓度增大得强，所以总的效果是，电导率随着温度的升高而上升（即电阻率下降）。

电阻率的在线检测主要使用非接触式涡流传感器，如，Simelab公司生产的 WMT-5及 WMT-3。离线检测主要通过接触式原理，如，GP4test四探针测试仪，主要针对硅片属于极薄、厚度d相对于探针间距小很多而横向尺寸为无穷大的样品。如图1所示，从探针1流入和从探针4流出的电流，测出探针2和探针3的电压值，则电阻率可表示为式（1）。

图1 极薄样品电阻率

1.2 扩散方块电阻

方块电阻是标志扩散到半导体中的杂质总量的一个重要参数，它是工艺中最常需要的检测参数之一。

如图2所示，对于一块长为l、宽为a、厚为t的薄层，假设该薄层的电阻率为ρ，则这个薄层的电阻可表示为式（2）。

当长l与宽a相等时，这时的电阻代表一个方块的电阻，称为方阻。

图2 扩散薄层图

方块电阻的在线检测主要通过表面光电压法对具有PN或NP结构表层的方块电阻进行无接触测量。方阻探头中心有一个LED光源，光注入PN结产生电子空穴对，PN结或NP结的内建电场将电子和空穴分离，从而在光激发位置产生表面势。该表面势的大小沿横向方向会有一定的衰减，而衰减的快慢恰恰反映了表层方块电阻的大小。仪器正是通过测量环形电容内外电极上的电势差间接得到材料的方块电阻。

方阻的离线设备通常使用四探针来测试，其原理如图1所示。根据方阻的定义将公式（1）中的电阻率代入公式（2），就可得到方阻的计算公式（3）。

1.3 接触电阻及线电阻

电池片的内阻直接影响短路电流的输出。电池片内阻包括金属栅线电阻、薄层电阻、体电阻、接触电阻。在电池片生产中，印刷工艺会影响接触电阻与栅线电阻。

接触电阻表示印刷工艺中金属电极与电池片接触电阻的大小；线电阻指金属栅线单位长度的电阻。

接触电阻与线电阻可通过四探针原理测试。

2 硅片厚度

大幅度降低材料的用量是降低太阳能电池成本最有效的手段，在保证太阳能电池性能不变甚至提高的前提下，减少硅片厚度对降低电池片成本具有重要意义。

当硅片的厚度变得更薄时，面临的一个问题是表面复合的增多和吸收光波的减少，这会导致短路电流与开路电压剧降。因此，电池片生产工艺中，硅片厚度小于200μm时，丝网印刷背电场钝化可以对低能量的光波形成背面反射，增加光的吸收［1］。

如果硅片厚度大于200μm，开路电压与硅片厚度就是独立的关系。开路电压可表示为温度、光生电流、饱和电流的函数，见式（4）。

其中，饱和电流取决于有效的复合速度。基区对于饱和电流的作用可以表示为式（5）、（6）。

由式（5）、（6）可以看出，当厚度远大于基区载流子的扩散长度时，Fp变为常数1，硅片厚度对饱和电流的影响就可忽略；当厚度小于扩散长度时，就会降低开路电压。

3 少数载流子寿命

当用适当波长的光照射半导体时，只要能量大于该半导体禁带宽度，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子-空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子Δn，价带比平衡时多出一部分空穴Δp。光照停止后，非平衡载流子随时间按指数规律减少，它们在导带和价带中有一定的生存时间，其平均生存时间称为少数载流子的寿命。

少数载流子寿命反映了太阳能电池表面和基体对光生载流子的复合程度（利用程度），会影响电池片的短路电流和开路电压［2］。少数载流子寿命在电池片的生产过程中受到的影响因素可概括如下几类：

1）杂质能级与杂质浓度的影响。

2）扩散重掺杂导致的禁带宽度收缩，阻碍少数载流子向PN结移动，增加了复合几率。而且，重掺杂会引入各种缺陷，增加复合中心浓度。

3）热处理工艺。电池片生产中经过几道热处理工艺，硅片中杂质的含量会因热处理而对少数载流子寿命造成影响。

4）表面复合及晶界影响。表面界面态密度、晶界势垒和界面态都会降低少数载流子寿命。

少数载流子寿命的测试方法很多，常用的有开路电压衰减法、微波光电导衰减法和准稳态光电导法等。Simelab公司的WT2000使用波长为904nm的激光激发硅片产生电子-空穴对，导致样品电导率增加。当撤去外界光注入时，电导率随时间呈指数衰减，这一趋势间接反映了少数载流子数量的衰减趋势。通过微波探测硅片电导率随时间的变化就可以得到少数载流子的寿命。其原理如图3。

图3 激光激发与微波探测原理

实际测得的少数载流子寿命应是体内寿命τv和表面寿命τs的综合结果，称为有效寿命τeff。它们之间的计算关系如式（7）。

由式（7）可以看出，表面寿命τs越大，有效寿命τeff越大。

4 光谱响应

外量子效率的测量主要通过测试电池片的输出电流与入射波长光的能量比来获得。为了测试太阳能电池内量子效率，首先得测试太阳能电池的外量子效率，然后测试太阳能电池的透射和反射，通过综合这些测试数据来得出内量子效率［3］。其原理如图5所示。

太阳能电池的光谱响应也称为量子效应，表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数［3］。

太阳能电池的量子效率与光的波长或者能量有关。对于一定的波长，如果太阳能电池完全吸收了所有的光子，并且搜集到由此产生的少数载流子，那么太阳能电池在该波段的量子效率为1；对于能量低于能带隙的光子，太阳能电池的量子效率为0。理想中的太阳能电池对应各个波长的量子效率是一个常数。但是，在电池片的表面复合、晶界、体内杂质和缺陷都会影响载流子的收集，实际量子效率有所不同。太阳能电池量子效率分为外量子效率和内量子效率2种。

外量子效率（external quantum efficiency，EQE），太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的一定能量的光子数目之比。

内量子效率（internal quantum efficiency，IQE），太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的、没有被太阳能电池反射回去的、没有透射过太阳能电池的、一定能量的光子数目之比。