多晶硅電池工藝參數(shù)控制的研究

趙燕嬌， 楊飛飛， 王海剛

（山西潞安太陽(yáng)能科技有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

引 言

隨著歐盟、美國(guó)對(duì)我國(guó)光伏產(chǎn)品的貿(mào)易爭(zhēng)端增多，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)面臨的壓力日益增大。在此背景之下，如何制造高效率、低成本的硅太陽(yáng)能電池成為光伏能源領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)。如，提高基體材料質(zhì)量；降低表面復(fù)合，以增加少子壽命、提高光子利用率和電池片的外量子效率；通過(guò)減少硅片厚度降低硅太陽(yáng)電池成本等。如何監(jiān)控電池片的性能，監(jiān)測(cè)哪些工藝參數(shù)，使用什么樣的方法監(jiān)測(cè)，顯得尤為重要。研究電池片工藝參數(shù)對(duì)效率的影響，有利于更好地優(yōu)化參數(shù)，為高質(zhì)量的電池片提供依據(jù)和保證。

1 電學(xué)參數(shù)及檢測(cè)技術(shù)

1.1 電阻率

半導(dǎo)體的電阻率代表著半導(dǎo)體中載流子的濃度，即施主或受主雜質(zhì)的濃度，它是表征硅片摻雜濃度的一項(xiàng)重要參數(shù)。

電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)。電導(dǎo)率的大小取決于半導(dǎo)體載流子濃度n和載流子遷移率μ，即，σ＝nqμ。對(duì)于摻雜濃度不均勻的擴(kuò)散區(qū)，往往采用平均電導(dǎo)率的概念。

低溫下：由于載流子濃度指數(shù)式增大，而遷移率也是增大的，所以，電導(dǎo)率隨著溫度的升高而上升（即電阻率下降）。

室溫下：由于施主或受主雜質(zhì)已經(jīng)完全電離，則載流子濃度不變，但遷移率隨著溫度的升高而降低，所以，電導(dǎo)率將隨著溫度的升高而減?。措娮杪试龃螅?。

高溫下：本征激發(fā)開(kāi)始起作用，載流子濃度將指數(shù)式增大。雖然這時(shí)遷移率仍然隨著溫度的升高而降低，但是這種遷移率降低的作用不如載流子濃度增大得強(qiáng)，所以總的效果是，電導(dǎo)率隨著溫度的升高而上升（即電阻率下降）。

電阻率的在線檢測(cè)主要使用非接觸式渦流傳感器，如，Simelab公司生產(chǎn)的 WMT-5及 WMT-3。離線檢測(cè)主要通過(guò)接觸式原理，如，GP4test四探針測(cè)試儀，主要針對(duì)硅片屬于極薄、厚度d相對(duì)于探針間距小很多而橫向尺寸為無(wú)窮大的樣品。如圖1所示，從探針1流入和從探針4流出的電流，測(cè)出探針2和探針3的電壓值，則電阻率可表示為式（1）。

圖1 極薄樣品電阻率

1.2 擴(kuò)散方塊電阻

方塊電阻是標(biāo)志擴(kuò)散到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量的一個(gè)重要參數(shù)，它是工藝中最常需要的檢測(cè)參數(shù)之一。

如圖2所示，對(duì)于一塊長(zhǎng)為l、寬為a、厚為t的薄層，假設(shè)該薄層的電阻率為ρ，則這個(gè)薄層的電阻可表示為式（2）。

當(dāng)長(zhǎng)l與寬a相等時(shí)，這時(shí)的電阻代表一個(gè)方塊的電阻，稱為方阻。

圖2 擴(kuò)散薄層圖

方塊電阻的在線檢測(cè)主要通過(guò)表面光電壓法對(duì)具有PN或NP結(jié)構(gòu)表層的方塊電阻進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量。方阻探頭中心有一個(gè)LED光源，光注入PN結(jié)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，PN結(jié)或NP結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)將電子和空穴分離，從而在光激發(fā)位置產(chǎn)生表面勢(shì)。該表面勢(shì)的大小沿橫向方向會(huì)有一定的衰減，而衰減的快慢恰恰反映了表層方塊電阻的大小。儀器正是通過(guò)測(cè)量環(huán)形電容內(nèi)外電極上的電勢(shì)差間接得到材料的方塊電阻。

方阻的離線設(shè)備通常使用四探針來(lái)測(cè)試，其原理如圖1所示。根據(jù)方阻的定義將公式（1）中的電阻率代入公式（2），就可得到方阻的計(jì)算公式（3）。

1.3 接觸電阻及線電阻

電池片的內(nèi)阻直接影響短路電流的輸出。電池片內(nèi)阻包括金屬柵線電阻、薄層電阻、體電阻、接觸電阻。在電池片生產(chǎn)中，印刷工藝會(huì)影響接觸電阻與柵線電阻。

接觸電阻表示印刷工藝中金屬電極與電池片接觸電阻的大??；線電阻指金屬柵線單位長(zhǎng)度的電阻。

接觸電阻與線電阻可通過(guò)四探針原理測(cè)試。

2 硅片厚度

大幅度降低材料的用量是降低太陽(yáng)能電池成本最有效的手段，在保證太陽(yáng)能電池性能不變甚至提高的前提下，減少硅片厚度對(duì)降低電池片成本具有重要意義。

當(dāng)硅片的厚度變得更薄時(shí)，面臨的一個(gè)問(wèn)題是表面復(fù)合的增多和吸收光波的減少，這會(huì)導(dǎo)致短路電流與開(kāi)路電壓劇降。因此，電池片生產(chǎn)工藝中，硅片厚度小于200μm時(shí)，絲網(wǎng)印刷背電場(chǎng)鈍化可以對(duì)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，開(kāi)路電壓與硅片厚度就是獨(dú)立的關(guān)系。開(kāi)路電壓可表示為溫度、光生電流、飽和電流的函數(shù)，見(jiàn)式（4）。

其中，飽和電流取決于有效的復(fù)合速度?；鶇^(qū)對(duì)于飽和電流的作用可以表示為式（5）、（6）。

由式（5）、（6）可以看出，當(dāng)厚度遠(yuǎn)大于基區(qū)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)，F(xiàn)p變?yōu)槌?shù)1，硅片厚度對(duì)飽和電流的影響就可忽略；當(dāng)厚度小于擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)，就會(huì)降低開(kāi)路電壓。

3 少數(shù)載流子壽命

當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體時(shí)，只要能量大于該半導(dǎo)體禁帶寬度，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子Δn，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴Δp。光照停止后，非平衡載流子隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律減少，它們?cè)趯?dǎo)帶和價(jià)帶中有一定的生存時(shí)間，其平均生存時(shí)間稱為少數(shù)載流子的壽命。

少數(shù)載流子壽命反映了太陽(yáng)能電池表面和基體對(duì)光生載流子的復(fù)合程度（利用程度），會(huì)影響電池片的短路電流和開(kāi)路電壓［2］。少數(shù)載流子壽命在電池片的生產(chǎn)過(guò)程中受到的影響因素可概括如下幾類：

1）雜質(zhì)能級(jí)與雜質(zhì)濃度的影響。

2）擴(kuò)散重?fù)诫s導(dǎo)致的禁帶寬度收縮，阻礙少數(shù)載流子向PN結(jié)移動(dòng)，增加了復(fù)合幾率。而且，重?fù)诫s會(huì)引入各種缺陷，增加復(fù)合中心濃度。

3）熱處理工藝。電池片生產(chǎn)中經(jīng)過(guò)幾道熱處理工藝，硅片中雜質(zhì)的含量會(huì)因熱處理而對(duì)少數(shù)載流子壽命造成影響。

4）表面復(fù)合及晶界影響。表面界面態(tài)密度、晶界勢(shì)壘和界面態(tài)都會(huì)降低少數(shù)載流子壽命。

少數(shù)載流子壽命的測(cè)試方法很多，常用的有開(kāi)路電壓衰減法、微波光電導(dǎo)衰減法和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法等。Simelab公司的WT2000使用波長(zhǎng)為904nm的激光激發(fā)硅片產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，導(dǎo)致樣品電導(dǎo)率增加。當(dāng)撤去外界光注入時(shí)，電導(dǎo)率隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，這一趨勢(shì)間接反映了少數(shù)載流子數(shù)量的衰減趨勢(shì)。通過(guò)微波探測(cè)硅片電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化就可以得到少數(shù)載流子的壽命。其原理如圖3。

圖3 激光激發(fā)與微波探測(cè)原理

實(shí)際測(cè)得的少數(shù)載流子壽命應(yīng)是體內(nèi)壽命τv和表面壽命τs的綜合結(jié)果，稱為有效壽命τeff。它們之間的計(jì)算關(guān)系如式（7）。

由式（7）可以看出，表面壽命τs越大，有效壽命τeff越大。

4 光譜響應(yīng)

外量子效率的測(cè)量主要通過(guò)測(cè)試電池片的輸出電流與入射波長(zhǎng)光的能量比來(lái)獲得。為了測(cè)試太陽(yáng)能電池內(nèi)量子效率，首先得測(cè)試太陽(yáng)能電池的外量子效率，然后測(cè)試太陽(yáng)能電池的透射和反射，通過(guò)綜合這些測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)得出內(nèi)量子效率［3］。其原理如圖5所示。

太陽(yáng)能電池的光譜響應(yīng)也稱為量子效應(yīng)，表示不同波長(zhǎng)的光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的能力。定量地說(shuō)，就是當(dāng)某一波長(zhǎng)的光照射在電池表面上時(shí)，每一光子平均所能收集到的載流子數(shù)［3］。

太陽(yáng)能電池的量子效率與光的波長(zhǎng)或者能量有關(guān)。對(duì)于一定的波長(zhǎng)，如果太陽(yáng)能電池完全吸收了所有的光子，并且搜集到由此產(chǎn)生的少數(shù)載流子，那么太陽(yáng)能電池在該波段的量子效率為1；對(duì)于能量低于能帶隙的光子，太陽(yáng)能電池的量子效率為0。理想中的太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)各個(gè)波長(zhǎng)的量子效率是一個(gè)常數(shù)。但是，在電池片的表面復(fù)合、晶界、體內(nèi)雜質(zhì)和缺陷都會(huì)影響載流子的收集，實(shí)際量子效率有所不同。太陽(yáng)能電池量子效率分為外量子效率和內(nèi)量子效率2種。

外量子效率 （external quantum efficiency，EQE），太陽(yáng)能電池的電荷載流子數(shù)目與外部入射到太陽(yáng)能電池表面的一定能量的光子數(shù)目之比。

內(nèi)量 子 效 率 （internal quantum efficiency，IQE），太陽(yáng)能電池的電荷載流子數(shù)目與外部入射到太陽(yáng)能電池表面的、沒(méi)有被太陽(yáng)能電池反射回去的、沒(méi)有透射過(guò)太陽(yáng)能電池的、一定能量的光子數(shù)目之比。

圖4 減反射膜的典型反射光譜

量子效率越高，電池片的光電轉(zhuǎn)換率越高。提高量子效率可從內(nèi)、外量子效率分別著手，如，制絨工藝中的陷光效應(yīng)、PECVD工藝中的減反射膜就是通過(guò)提高外量子效率來(lái)增加電池片轉(zhuǎn)換效率的。圖4顯示了減反射膜的光譜圖。同樣，PECVD的氫鈍化、絲網(wǎng)印刷中的背電場(chǎng)鈍化則是提高內(nèi)量子效率的。

圖5 LBIC及反射率測(cè)量原理

Simelab的WT2000可以測(cè)出電池片的光誘導(dǎo)電流LBIC、反射率，由此可以計(jì)算出內(nèi)量子效率。計(jì)算公式如式（8）。

式中：R為反射率；φ為光通量；ISC為短路電流。

5 結(jié)語(yǔ)

電池片的生產(chǎn)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，每個(gè)工藝都需要精確地控制，生產(chǎn)工藝過(guò)程控制的精確性關(guān)乎電池片的轉(zhuǎn)化效率。只有通過(guò)將每個(gè)過(guò)程參數(shù)化、參數(shù)精確化，才能保證生產(chǎn)工藝按預(yù)想的結(jié)果發(fā)展，極大地提高工藝水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 廖華，林理彬，劉祖明，等.多晶硅薄膜太陽(yáng)電池厚度和晶粒尺寸對(duì)其性能的影響［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，24（2）：264.

［2］ 馬遜.硅太陽(yáng)電池少數(shù)載流子壽命研究與測(cè)量［D］.昆明：云南師范大學(xué)，2005.

［3］ 安其霖，曹?chē)?guó)琛，李國(guó)欣，等.太陽(yáng)電池原理與工藝［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984：18-22.