新能源太阳电池材料评估方法研究

陈燕，陶延宏，海建平，梁瑜芯，李慧，闫光蕊

青海黄河上游水电开发有限责任公司光伏产业技术分公司

光伏发电是清洁能源领域一项重要工程，光伏发电的核心部位是太阳电池。太阳电池发电原理是光照下半导体材料光生伏特效应，一定频率的太阳光照射在半导体材料表面，半导体材料获得能量电子被激发跃迁，在半导体材料光照面产生光生电子，光生电子被太阳电池内部的PN结分离，太阳电池电极收集并且汇合光生电子形成光生电流。不同结构类型、不同基体材料的太阳电池制备方法不同，方块电阻的测量数值能够反映硅片的导电能力，硅片导电能力决定光生载流子传输能力。硅片光生载流子传输能力影响光生载流子收集和导出的数量。

太阳电池的发电能力简称光电转换效率，太阳电池的最大输出功率和照射在太阳电池上面总光能量之比称为太阳电池光电转换效率。决定太阳电池光电转换效率的因素有内因和外因，外因主要有：太阳光波长、太阳光辐照度、环境温度等；内因主要是太阳电池的制备工艺以及原材料选择。

硅片方块电阻测量作为太阳电池制备工艺过程中衡量太阳电池质量的一种方法，硅片方块电阻测试方法有接触和非接触两种。大规模用于产线上的硅片方阻测试方法的要求是无损伤测试，即无电学、光学损伤。

往往太阳电池功率测试工作中发现太阳电池实际功率和理论功率相差甚远的情况下，要对太阳电池各个工艺环节进行排查，硅片方阻检测是必须考虑的检测环节，方阻检测数值能够反映电池片制备过程中和方块电阻变化相关的工艺情况。所以真实客观地对硅片方块电阻进行测试尤其重要。

一、引言

近年来我国新能源行业发展迅速，这一结果使得我国在能源领域的地位得到一定提升，光伏发电作为新能源领域重要一部分当然也不甘落后，从原材料到光伏发电系统环节都有技术方面的更新。光伏原材料—硅片是制备晶体硅太阳电池的必备载体，未经掺杂的硅片光照下不能引出光生载流子，因为硅片薄层电阻过大从而阻碍光生载流子传导，而掺杂硅片由于B或者P原子进入硅材料晶格中引入空穴或者电子使得硅材料电导率发生变化进而表现为硅片方块电阻变化，太阳光照射下半导体光生载流子集中出现在硅片表面，而方块电阻主要对硅片表面边到边之间的电阻进行表征，所以方块电阻的测试对于太阳能级硅片相当重要，方块电阻的检测项目也成为光伏原材料性能检测的重要项目。

接触和非接触硅片两种方块电阻测量方法在半导体行业被广泛应用，数据的要求往往需要对测试方法进行慎重选择。从测试原理和实际需要出发，用两种不同测试方法对相同的样品进行测试，并且对测试后的数据进行分析比对，分析测试数据的同时也分析测试原理，原理和数据相结合论述两种测试方法的特性，指导实际测试中不同数据要求和不同样品的方块电阻测试方法选择。

二、硅片方块电阻的评估方法

（一）方法概述

两种测试方法虽然都广泛应用于硅片方块电阻测试，但是哪种方法更适用于实际测试呢？目前量产的主流太阳电池类型为常规PN结、异质结、薄膜太阳电池三大类。对于常规PN结太阳电池方块电阻能够反映其掺杂浓度和结深，对于异质结太阳电池和薄膜太阳电池，方块电阻可以评估导电薄膜的导电能力。但是无论常规PN结太阳电池还是异质结、薄膜太阳电池对于方块电阻的检测都需要将检测中对材料的损伤降到最低。

方块电阻又称膜电阻，是用于间接表征薄膜膜层、玻璃镀膜膜层等样品上的真空镀膜的热红外性能的测量值，该数值大小可直接换算为热红外辐射率。方块电阻的大小与样品尺寸无关，其单位为Siements/sq，后增加欧姆/sq表征方式。硅片电阻测量方法有接触和非接触两种方法，两种方法测量的硅片方阻可能由于测试方法不同而存在数值上的差异，研究两种测量方法数值上的差异，根据太阳电池制备工艺需求，选择适应于太阳电池产线的硅片方块电阻测量方法，为太阳电池生产提供技术指导。

非接触式方块电阻测量法主要有：涡流法、非接触结光电压法、LCR数字电桥法等；接触式方块电阻测试方法主要有四探针法（见图1、图2）。

图1 非接触结光电压法测硅片方阻原理图

图2 四探针方法测试硅片方阻原理图

非接触结光电压法主要装置：测量探头中心装有LED激发光源，用来刺激带有PN结构的样品表面产生表面电势，此电势由测试点的中心向四周扩散分布，测试探头装有内外两个环状电容电极，通过测量被测样品表面受激发后的表面电势得出样品的方块电阻。就测试原理和测试方法而言，这种方法对硅片没有损伤。然而四探针法测试硅片由于测试时由于探针外观形态尖锐并且测试时探针对硅片表面有压力，造成压强较大，所以会对硅片有一定压力，会对硅片造成损伤，这种损伤不可逆转，硅片由于损伤而产生缺陷。

（二）实验分析

以单晶硅制备了PN结但是未制备银电极的硅片为例，用非接触结光电压法和四探针法测试50片扩散后硅片的方块电阻，这50张硅片同一批次制备，取10片具有代表性的方块电阻数据进行分析。

由表1可见，四探针测试方法测试出来的硅片方阻数据普遍比非接触结光电压测量方法测试出来的方阻值要低一些。但是两种方法测量的数据略微的差异说明了什么原因？硅片工艺问题已经排除，因为属于同一工艺完成的硅片；会不会是测试方法导致的呢？测试方法为什么会导致这种差异化的测试结果呢？

表1 两种测试方法测得方阻数据比较

首先测试原理：一种是数据采集探头与样品接触，探头和样品属于两种不同材质，所以费米能级存在差异，所以存在不容忽视的接触电阻，并且探针形状尖锐划伤硅片导致漏电；另一种方法基于一定频率的LED灯光照射PN结激发光生电子，采集光生电势差数据计算的方块电阻值（见图3）。

图3 光照下PN结简图

四探针法测试方块电阻原理式：

（1）注：R电阻，ρ电阻率，L长度，S横截面积。

（2）注：ne、nh电子、空穴浓度，nµ、hµ电子、空穴迁移率，q基本电荷量。

（3）注：R具有一定导电能力的薄膜方阻，xi具有一定导电能力的薄膜厚度。

（4）注：R探针间距远远小于样品长宽时候方阻，C修正系数4.53。

结合光照下PN结工作原理、接触以及非接触两种测试方法所测试的数据和测试原理对两种测试方法进行理论和实际分析，测试原理和测试方法的不同导致所测试的数据会存在差异，数据差异就是测试方法取舍的关键。实际测试需要根据对数据的要求进行测量方法的取舍。

三、结论

对于扩散制结后的单晶硅片，非接触结点压法和四探针法对于硅片方阻测量数据在数值上具有差异，这种差异的主要原因可能来源于测量方法的原理不同，对于公式作为测试依据而言，非接触结电压法测量的数据中没有漏电流引起的电阻，所以可以判断对于方阻要求较高的测试选择非接触结电压法。可以预测，对于太阳电池用的导电薄膜、非晶硅薄膜而言，需要精确度较高的方阻表征方法，可以将两种测量方法综合考虑，将方阻值测量不确定度区间范围定到最精确。