多晶硅背钝化太阳电池的光致衰减研究

2019-05-13浙江正泰太阳能科技有限公司刘石勇何胜单伟

太阳能 2019年4期

浙江正泰太阳能科技有限公司■刘石勇何胜单伟

0 引言

在目前所有的高效晶体硅太阳电池技术中，背钝化(Passivated Emitter and Rear Contact，PERC)技术与常规工艺的电池生产线兼容性高，生产线改造成本低，效率提升效果明显，是近年来最具性价比、被工业化大规模推广的技术。但是，背钝化太阳电池面临一个较大的技术难题——光致衰减(LID)较大。由于背钝化太阳电池采用双面钝化结构，大幅降低了表面复合速率，使电池效率得到了提升，但电池效率受体寿命降低的影响将增大，因此，LID导致的体寿命降低将会对电池效率产生致命的影响。此前，LID作为影响晶体硅太阳电池稳定发电的最重要因素，一直未得到良好地解决，如今，背钝化太阳电池相比常规工艺的晶体硅太阳电池的LID更加严重。因此，改善LID情况已成为背钝化太阳电池能否实现产业化推广的关键。寻找可有效抑制背钝化太阳电池LID的措施，仍是研究人员和产业界都非常关心的一个热点问题。

影响晶体硅太阳电池LID的因素很多。对于掺B的p型多晶硅太阳电池而言，其最主要的影响因素是，光照后会在硅体内形成B-O复合体的亚稳态缺陷[1]。实验发现，B-O缺陷的有效浓度正比于B浓度[2]，并与间隙O浓度的平方成正比[3]。此外，过渡金属和金属也会引起杂质缺陷，比如，铁硼对[4]、铜杂质导致的缺陷[5]，在光照或少子注入后，这些缺陷都会捕获少数载流子，从而降低体寿命，导致电池效率衰减。对于B-O复合体的亚稳态缺陷，通常采用降低硅材料中B或O的含量，如用其他掺杂元素来替代B的方法来处理。对于铁硼对和与铜杂质相关的缺陷，可通过提高材料的纯度来减弱或抑制LID；在杂质含量不高的情况下，则可在电池工艺过程中通过吸杂和钝化来减弱LID。本文对量产中的多晶硅背钝化太阳电池的LID特性进行了系列研究，分析了硅片种类和氢钝化技术对此类太阳电池LID情况的影响，最终使多晶硅背钝化太阳电池的LID程度与常规工艺的太阳电池的程度相同。

1 实验

本次实验所使用的多晶硅片有掺B、掺Ga、B-Ga共掺3种类型，硅片厚度约为180 μm，电阻率范围为0.5～3 Ω·cm，规格为156.75 mm×156.75 mm。多晶硅背钝化太阳电池的制备流程为：1)硅片在HNO3/HF制绒、POCl3热扩散制备p-n结、去磷硅玻璃工序之后，采用原子层沉积设备(ALD)在背表面沉积AlOx薄膜；2)采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在硅片前表面和背面的 AlOx薄膜上再沉积SiNx薄膜；3)背面激光开窗并印刷、烧结正电极和背电极。电池制备完成后，对电池进行暴晒，暴晒样品选择效率集中的几个档位的电池片，采用3B级太阳光模拟器，辐照度约为1000 W/m2，温度约为60 ℃。然后，通过I-V测试仪在标准条件AM1.5下对实验前、后的电池性能进行测试对比。

2 结果与讨论

对采用不同掺杂类型的多晶硅片制备的背钝化太阳电池进行暴晒测试，其LID结果如图1所示。

图1 不同掺杂类型的多晶硅片制备的背钝化太阳电池的LID情况

从图1可以看出，不同掺杂类型的多晶硅片制备的背钝化太阳电池的LID情况差别较大。经过2 kWh/m2暴晒后，掺Ga和B-Ga共掺的多晶硅背钝化太阳电池的LID都较小，分别为0.76%和0.96%；而掺B的多晶硅背钝化太阳电池的LID已达到2.10%。随着暴晒时间加长，LID逐渐增加，3种不同掺杂类型的多晶硅背钝化太阳电池的LID差别也随之增大。经过60 kWh/m2的暴晒后，掺Ga的多晶硅背钝化太阳电池的LID最小，为2.10%；其次是B-Ga共掺的多晶硅背钝化太阳电池，其LID为2.47%，而掺B的多晶硅背钝化太阳电池的功率衰减最大，LID达到6%。

掺B的多晶硅背钝化太阳电池的LID最严重，主要原因是光照会使掺B硅片中的B和间隙O形成 B-O复合体，从而捕获少数载流子，降低了体寿命。硅片中B和O的含量越高，电池的LID越严重。为了降低硅片中B的含量，提出了Ga掺杂技术，使用Ga元素替代B元素。Ga在晶体硅中的共价原子半径为126 pm，比B(82 pm)和Si(118 pm)都大，其较大的原子半径阻碍了Ga和O在晶格中的复合，不能形成亚稳态Ga-O复合体[6]，从而可以抑制晶体硅太阳电池的LID。因此，由图1可以看出，掺Ga的多晶硅背钝化太阳电池的LID最小。

B-Ga共掺是使用Ga元素替代部分B元素，降低硅片中B含量，也可以减少B-O复合体的形成几率。从图1可以看出，相比掺B的多晶硅背钝化太阳电池，B-Ga共掺的多晶硅背钝化太阳电池的LID得到明显改善，只是略高于掺Ga的多晶硅背钝化太阳电池。虽然Ga掺杂技术可明显降低电池的LID，但由于Ga的分凝系数低，会导致硅片电阻率分布不均匀，影响电池性能。尤其在产业化情况下，纯掺Ga的硅片的质量不均匀性会严重影响电池在量产中的质量管控。因此，产业化中采用B-Ga共掺硅片来改善多晶硅背钝化太阳电池的LID情况是更为可行的方案。

掺Ga硅片中无B原子，不会形成B-O复合体，但掺Ga的多晶硅背钝化太阳电池仍存在LID现象。因此，在多晶硅背钝化太阳电池中，除了B-O复合体外，还有硅片中的其他杂质，如Fe等过渡金属离子，也会导致电池的LID。Fe等过渡金属杂质的离子带正电荷，将向带负电荷的AlOx钝化层方向的表面电荷区聚集，逐渐使背面钝化效果部分失效，导致背钝化太阳电池的LID比常规工艺的电池更大。因此，还需要通过其他技术，如吸杂预处理减少金属杂质或钝化体缺陷等方法，来进一步改善背钝化太阳电池的LID性能。

在太阳电池中，氢钝化是一种常用的钝化技术。硅片前表面SiNx薄膜中含有浓度很高的H原子，这些H原子能够有效地钝化晶体硅表面的悬挂键，降低表面复合速率，但是这些H原子却很难扩散进入硅片基体中来钝化体缺陷。由于太阳电池的发射结区域有大量的磷正离子(P+)，从SiNx层中扩散过来的H原子大部分会被P原子束缚住形成P-H复合体，即使有部分自由的H原子继续向体内扩散，其必须穿越具有势垒高度的空间电荷区。因此，在SiNx层中，真正能扩散进入硅基体内部的H原子浓度非常低，需要通过外界因素来诱导H原子钝化体缺陷。

光注入与电注入都可改善多晶硅背钝化太阳电池的LID情况。注入处理需在加热环境下进行，在一定的温度下，H元素以自由的H+形式存在，温度增加可提高自由H+的浓度和扩散速率，这样H+能以更快的速度扩散到硅基体。但温度过高会对电池表面的电极性能造成一定的恶化，优化后的温度范围为200～300 ℃。此外，电注入处理时需对电池施加正向直流偏压，以降低空间电荷区中的势垒高度，光注入处理是对电池的受光面进行强光照射，二者的目的都是使正面SiNx薄膜中H原子更容易穿越空间电荷区进入基体中来钝化体缺陷。本实验中电注入处理时采用10～20 A的电流，处理30～60 min；光注入处理是在20～30个太阳光强度下，照射约1 min。图2为光注入和电注入处理对B-Ga共掺和掺B的多晶硅背钝化太阳电池LID的影响。由图2可知，电注入处理效果更佳。

由图2可知，经过24 kWh/m2暴晒后，电注入处理后的B-Ga共掺的多晶硅背钝化太阳电池的LID降低到1.31%，光注入处理后的LID降低到1.93%，都已经优于常规工艺太阳电池的LID(图1中，经过24 kWh/m2暴晒后，常规工艺太阳电池的LID约为2.00%)。同样，经过24 kWh/m2暴晒后，未经处理的掺B的多晶硅背钝化太阳电池的LID为5.60%，电注入处理后LID降至2.37%，基本与常规工艺太阳电池的LID情况相当。光注入处理虽能改善LID情况，但其值还是偏大，为3.90%。这是由于掺B的多晶硅太阳电池中含有较多的B-O复合体、晶界位错和过渡金属杂质等缺陷，目前的光注入工艺诱导的H原子数量可能不足以钝化这些缺陷；而电注入工艺通过调节不同的电流和注入时间更易于实现钝化缺陷，因此，电注入工艺对降低LID的效果更好。

将采用不同工艺制备的电池分别制成组件，再进行长时间的户外暴晒，然后跟踪对比组件LID的变化趋势，如图3所示。

图2 光注入和电注入处理对B-Ga共掺和掺B的多晶硅背钝化太阳电池LID的影响

图3 户外暴晒时不同类型组件LID随辐照量的变化关系

由图3可知，随着暴晒时间增加，前期组件LID快速增加；当暴晒辐照量达到100 kWh/m2时，组件的LID增加幅度明显减慢，功率逐渐趋于稳定；当暴晒辐照量增加到350 kWh/m2后，电注入处理的B-Ga共掺的多晶硅背钝化组件的LID最小，为1.81%，未处理的B-Ga共掺的多晶硅背钝化组件和电注入处理的掺B的多晶硅背钝化组件的LID都稍高于常规工艺组件，分别为2.02%和2.12%，但都属于组件的LID的正常范围。简而言之，通过采用B-Ga共掺的硅片或电注入处理的掺B硅片，都可以较好的解决多晶硅背钝化组件户外暴晒时LID过大的问题，而采用电注入处理的B-Ga共掺的硅片可以制备出光稳定性更高的组件。