扩散方阻对单晶PERC电池电学性能的影响

2020-05-29贾艳飞

山西化工 2020年2期

贾艳飞

(山西机电职业技术学院材料工程系，山西长治 046011)

1 PERC电池工艺原理

单晶PERC电池由于其成本优势以及与现有设备兼容性高的特点，成为当今光伏电池产品的主流。各大厂商都在不断加大研发投入，提升PERC电池转换效率，以实现在目前激烈的行业竞争中占有一席之地。光伏电池发电的基本原理就是太阳光照在基体PN结上，形成新的空穴-电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。PN结相当于电池的心脏，制备过程直接决定了电池多项性能，进而影响光电转换效率[1]。晶体硅电池结构示意图见图1，单晶PERC电池工艺流程见图2。

图1 晶体硅电池结构示意图

图2 单晶PERC电池工艺流程图

晶体硅电池制造PN结时通过利用磷原子(N型)向晶体硅片(P型)内部扩散的方法改变硅片表面层的导电类型，从而形成PN结。因此扩散工序是光伏电池生产最为关键的工序之一。国内量产最通用的办法是采用三氯氧磷液态源扩散的方法，制程稳定且可控性强。

POCl3扩散的工艺原理[2]具体如下：

1) POCl3在>600 ℃的高温下分解成P2O5和PCl5，见式(1)。

(1)

2) P2O5在指定工艺温度下与Si反应，生成SiO2和P(磷原子)，见式(2)。

(2)

3) 生成的PCl5不易分解且对硅有腐蚀作用，因此需要转换为P2O5。在通N2情况下需通入O2，PCl5进一步反应成P2O5和Cl2，生产的P2O5进一步与Si生产SiO2和Cl2，见式(3)。

(3)

扩散工序制备过程最重要的监控指标是扩散方阻，在生产线，方阻测试通过测试5点(硅片中心+4个角)实现，除了方阻阻值的指标，还需要考虑方阻的均匀性。方阻控制的均匀性通过公式(1)来表征：

(1)

M值越大，说明方阻均匀性越差，反之M值越小，扩散方阻均匀性越好[3]。影响方阻控制的主要因素有扩散时间、扩散温度、及气体流量。本文通过实验设计，对各项因素变化导致电池的电学性能变化进行测试，分析各项因素参数变化对单晶PERC电池转换效率等电学性能指标的影响。

2 实验部分

2.1 实验原料及设备

单晶硅片：掺镓型，厚度190 μm，规格156.75 mm×156.75 mm；POCl3；N2、O2，厂区内空分站供应。

扩散炉：四十八所管式扩散炉；分选Halm机。

2.2 实验设计

采用单面单晶PERC电池工艺进行电池片加工，为了保证实验数据的可对比性，所有环节均采用同一种设备，除扩散外均保持工艺参数稳定不变。

实验的主要思路从扩散时间、温度和气体流量入手，固定其他2个参数，考察其中一个参数对方阻变化以及电池电学性能的影响。另外，各组实验中POCl3流量稳定在1 250 L/min，条件不变。

实验一：温度恒定在785 ℃，小N2流量1 050 mL/min，O2流量520 mL/min，时间选取1 000、1 180、1 260、1 340 s，测试A1、A2、A3、A4共4组实验方阻以及电学性能参数，同时，实验样本数量为一管(1 200 pcs)；

实验二：时间1000 s，小N2流量1 050 mL/min，O2流量520 mL/min，温度选取770 、785、800、815 ℃，测试B1、B2、B3、B4共4组实验方阻以及电学性能参数，同时，实验样本数量为一管(1 200 pcs)；

实验三：温度设定785 ℃，时间1 000 s，小N2流量1050 mL/min，O2流量选取440、480、520、560 mL/min，测试C1、C2、C3、C4共4组实验方阻以及电学性能参数，同时，实验样本数量为一管(1 200 pcs)；

实验四：温度设定785 ℃，时间1 000 s，O2流量520 mL/min，小N2流量选取1 000、1 050、1 100、1 200 mL/min，测试D1、D2、D3、D4共4组实验方阻以及电学性能参数，同时，实验样本数量为一管(1 200 pcs)。

3 实验结果与讨论

3.1 扩散工艺时间对电池方阻及性能指标的影响

对照表1及表2，扩散工艺时间的变化在一定程度会导致方阻均值均匀性的变化。随着时间的延长，扩散方阻的均值逐渐变小，当时间为1 000 s时，方阻均值为134.22 Ω/□，最接近产线控制规格线。另外，随着工艺时间的增加，方阻的均匀性在一定程度上趋于一致但整体变化不大。原因在于，PN结是通过扩散形成，时间长使得扩散过程更加均匀，各点方阻相互接近[4]。从电学性能指标来看，扩散时间为1 000 s时对应的转换效率最高，且开路电压和闭路电流均达到较优数值。但是扩散时间如果太短容易导致扩散程度浅导致电池失效。因此选取1 000 s时扩散效果最佳。

表1 不同扩散工艺时间对方阻的影响

表2 不同扩散工艺时间对电池电学性能的影响

3.2 扩散温度对电池方阻及性能指标的影响

对照表3及表4，扩散温度的变化对方阻均值以及均匀性的影响较大。随着温度的上升，扩散方阻的均值逐渐变小，当温度为770 ℃时，方阻均值为136.22 Ω/□，与温度785 ℃均较为接近产线控制规格线。原因是扩散温度上升，原子活性增加，容易形成扩散，P原子含量高导致方阻下降。另外，随着温度降低，方阻的均匀性在一定程度上趋于一致。从电学性能指标来看，扩散温度为770 ℃时对应的转换效率最高，且开路电压和闭路电流均达到较优数值。

表3 不同扩散温度对扩散方阻的影响

表4 不同扩散温度对电池电学性能的影响

3.3 扩散O2流量对电池方阻及性能指标的影响

对照第7页表5、表6，扩散方阻的均值随着O2流量的增加而升高，均匀性则有所提升。主要原因是O2流量的增加使产生的二氧化硅比例上升从而导致方阻值上升。之于电学性能变化，O2流量的增加，Voc、Rs均呈下降趋势，而Isc呈上升趋势，填充因子与转换效率随着O2流量增加先增加后降低。当O2流量为520 mL/min，转换效率最佳达到22.23%。

表5 不同O2流量对扩散方阻的影响

表6 不同O2流量对电池电学性能的影响

3.4 扩散小N2流量对电池方阻及性能指标的影响

对照表7及表8，扩散方阻的均值随着小N2流量的增加而降低，均匀性则有所提升。主要原因是POCl3通过小N2带入，小N2流量的增加意味着POCl3流量的上升，POCl3浓度增加使得扩散过程中P原子扩散比例上升，导致方阻下降，同时,由于扩散反应更加充分进而方阻值趋于相近[5]。之于电学性能变化，小N2流量的增加，Voc、Isc和Rs均呈下降趋势，而FF呈上升趋势，当小N2流量为1 050 mL/min，转换效率最佳达到22.21%。