抗PID多晶硅电池的磷扩散工艺改进

黄爽鑫，肖慧萍，曹家庆，李文博

(1.南昌航空大学材料科学与工程学院，江西 南昌 330063；2.南昌航空大学教务处，江西 南昌 330063)

1 前言

随着全球自然资源的日益短缺，清洁能源愈加受到重视。从2000年至今，随着电池及组件价格日益下降，太阳能发电逐渐走入千家万户[1]。在日常使用中，光伏电池组件的发电量在环境因素的作用以及高电势差的影响下而产生电势诱导衰减(Potential Induced Degradation，PID)现象[2，3]，从而致使发电量极大地降低，严重阻碍了光伏产业的发展[4-6]。研发并生产出良好的抗PID的太阳电池有着十分迫切和现实的意义[7-10]。虽然国内有不少光伏企业声称能够生产抗PID的电池和组件，但其技术水平、成本和抗PID的能力鲜见有公开报道。

磷扩散是制作晶硅太阳能电池的核心工序。目前光伏企业主流采用的常规磷扩散工艺是二次通源扩散工艺，方阻一般在85 Ω～90 Ω左右。但增加方块电阻会加剧电池片的PID效应，且方块电阻均匀性较差，导致电池产品的品质下降[11，12]。

本文结合工业生产实际，通过对磷扩散工艺的优化调整寻求PID 问题的解决途径和预防措施。研究一种新的三次通源扩散工艺，调整通源时间、推进时间和温度等工艺参数，可以在较低方阻(70 Ω～75Ω)下获得高效率，并获得较好的抗PID效果。

2 实验部分

2.1 原料和试剂

6英寸(156 mm×156 mm)p型多晶硅电池片(掺B)，购于江西赛维LDK太阳能高科技有限公司。所有硅片利用以下步骤的工序进行处理：1)硅片经酸制绒。2)使用三氯氧化磷(POCl3)进行管式磷扩散。本文采取三次通源扩散法，并采用二次通源扩散法进行磷扩散作为对比。3)湿法刻蚀去背结(去PSG)。4)等离子体增强的化学气相沉积法(PECVD)工序沉积氮化硅(SiNx)减反射薄膜。5)丝网印刷制作电极，烧结制备成完整的太阳电池。所制备出的晶硅电池均使用相同的工艺制作成组件。

2.2 表征设备和仪器

电池方阻使用四探针方阻测试仪进行测量。电池的电性能采用美国3i System公司生产的3i System SE-A96C 型Halm太阳电池测试分选机进行测试。

电池片所制成的组件于环境试验箱中在(85℃+85%RH+负1000V+96H)的PID 模拟实验条件下进行抗PID效果测试。使用太阳能组件功率测试仪(瞬态模拟器)对组件的电性能进行测试，包括PID实验前后的Voc、Isc、Pmpp、Vmpp、Impp、Rsh、Rs和I-V曲线等电性能参数。计算组件在PID测试前后的功率衰减比。

3 实验结果与分析

3.1 三次通源扩散工艺

三次通源扩散法典型的工艺参数如表1所示。其中，t为工序的运行时间，T1、T2、T3、T4、T5为炉口至炉尾5个温区的温度，大氮为所通入氮气的流量，扩散氮为所通入的POCl3的流量，小氧为所通入的氧气的流量。三次扩散法与两次扩散法相比，增加了一次扩散和推进过程(即表1中的第11～12步)。

表1 三次通源扩散的典型工艺参数

三次通源扩散法制备的多晶硅电池的电性能与方阻之间的关系如表2所示。由实验结果可见：硅片表面方块电阻在60 Ω/Sq～90 Ω/Sq的范围内，所制得电池的转换效率呈现先升后降的趋势。当方块电阻为(70±5)/Sq 时，电池的转换效率达到最大。这说明三次通源扩散工艺可以在较低方阻(70 Ω/Sq～75 Ω/Sq)下获得高效率。

表2 三次扩散工艺下不同方块电阻的多晶硅太阳能电池片的平均电性能参数

从制造工艺的角度来看，影响方块电阻大小的主要因素为扩散氮的流量、氧气的流量、通源时间和推进时间以及中心温度等。本文通过逐一改变第三次通源扩散步骤(表1中的11-12步)中的这些因素来分析所得数据，以期有效调控方阻的大小。

3.2 温度的影响

保持大N2为23000 sccm、扩散N2为2300 sccm、O2为1700 sccm、通源时间-250 s和推进(深扩散)时间-700 s等工艺条件不变，改变中心温度值，以此来研究温度影响电池方块电阻的规律。实验结果如图1所示：电池的方阻随着温度升高而呈现逐渐降低的趋势，这可能是由于磷原子的动能随着温度升高而增大，更容易扩散进入硅原子的空位。当扩散中心温度在830 ℃左右时，能获得预定的70 Ω/Sq～75 Ω/Sq方阻。

图1 中心温度对方阻的影响

3.3 氧气流量的影响

保持大N2为23000 sccm、扩散N2为2300 sccm、中心温度-830 ℃、通源时间-250 s和推进时间-700 s等工艺条件不变，改变氧气流量值，以此来研究氧气流量影响方块电阻的规律，实验结果如图2所示。电池的方阻值随着O2流量的升高呈现先降后升的趋势。当氧气流量太低，导致通入的POCl3不能反应完全；当氧气过高，由于在密闭体系中反应物浓度过高反而容易抑制反应进行。当氧气流量为1700 sccm时，能获得预定的70 Ω/Sq～75 Ω/Sq方阻。

图2 氧气流量对方阻的影响

3.4 扩散氮流量的影响

保持大N2为23000 sccm、O2为1700 sccm、中心温度-830 ℃、通源时间-250 s和推进时间-700 s等工艺条件不变，改变扩散氮的流量，以此来研究扩散氮流量影响方块电阻的规律，实验结果如图3所示。方阻值随着扩散氮流量的增加而下降，这可能是由于随着扩散氮的增多，使能扩散的磷的量增多，从而有更多的磷原子扩散进入硅原子的空位。当扩散氮的流量为2300 sccm时，能获得预定的70 Ω/Sq～75 Ω/Sq方阻。

图3 扩散氮流量对方阻的影响

3.5 通源时间和再分布时间的影响

保持大N2为23000 sccm、扩散N2为2300 sccm、O2为1700 sccm、中心温度-830 ℃ 等工艺条件不变，改变通源时间和再分布时间，考察通源时间和再分布时间对电池的方块电阻的影响，实验结果如图4所示。方阻的值随着通源和再分布时间的延长而降低，但随着时间的延长，阀组降低的速度趋缓。随着通源时间的延长，磷的扩散比较充分，但是随着时间的进一步加长，表面的磷硅玻璃层己经趋于饱和，形成一层阻挡层，反过来阻碍磷的进一步扩散，导致扩散速度的减慢。确定通源时间和再分布时间分别为250 s和700 s。

图4 (a)通源时间和(b)再分布时间对方阻的影响

综上，可通过调节温度、时间、扩散气体的流量等来获得预期的电池方阻。当三次通源扩散工艺采取扩散中心温度为830 ℃、O2的流量为1700 sccm、扩散氮的流量为2300 sccm、通源时间和再分布时间分别为250 s和700 s工艺参数时，通过三次通源扩散工艺可制得方阻为70 Ω/Sq～75 Ω/Sq的电池片。

3.6 三次通源扩散工艺电池的电性能及抗PID性能

分别使用三次通源扩散工艺与两次通源扩散工艺制作的太阳电池，它们的电性能如表3所示，I-V曲线与量子效率如图5所示。由表3可见，使用三次通源扩散工艺与两次通源扩散工艺制得的电池相比，光电转换效率由17.73%提高到了18.15%。可见，三次通源工艺可制得更高效的太阳能电池。

表3 三次通源扩散与二次通源扩散工艺电池的电性能

图5 二次和三次通源扩散工艺电池的(a)电性能I-V曲线图；(b)量子效率

将分别利用二次通源扩散和三次通源扩散工艺制造出的电池片制作成组件，分别命名为I和II组件，分别在(85℃+85%RH+负1000V+96H)条件下进行PID测试，实验数据如表4。

表4 不同扩散工艺电池片制成的组件进行PID测试前后的电性能对比

从表4中可见，经过96小时的测试，常规产业化二次扩散工艺电池片制成的I组件功率衰减了6.52%，PID效应较严重。而按照三次通源扩散工艺制备的电池形成的II组件峰值功率衰减了0.62%，满足峰值功率变化小于5%的抗PID要求。

4 结论

(1)三次通源扩散工艺可以在较低方阻(70 Ω～75 Ω)下获得高效率。

(2)三次通源扩散工艺中，可通过调节温度、时间、扩散气体的流量等来获得预期的电池方阻。当三次通源扩散工艺采取扩散中心温度为830 ℃、O2的流量为1700 sccm、扩散氮的流量为2300 sccm、通源时间和再分布时间分别为250 s和700 s工艺参数时，通过三次通源扩散工艺可制得方阻为70 Ω/Sq～75 Ω/Sq的电池片。

(3)按照三次通源扩散工艺制备的电池形成的组件在(85℃+85%RH+负1000V+96H)条件下峰值功率衰减了0.62%，满足峰值功率变化小于5%的抗PID要求。

*基金项目：本文获国家自然科学基金(项目编号：51862025)、江西省自然科学基金(项目编号：20192BAB206012)、江西省教改课题(项目编号：JXJG-19-8-1)、南昌航空大学教改课题(项目编号：JY2064)、南昌航空大学材料科学与工程学院一流课程建设经费资助。