湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司 ■ 劉文峰 周子游 黃海龍 趙增超

0 引言

隨著化石能源日益枯竭，環(huán)境問題日益凸顯，可再生能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注。晶硅太陽(yáng)電池是可再生能源的研究熱點(diǎn)之一[1-2]，也是目前產(chǎn)業(yè)化最廣的太陽(yáng)電池。工業(yè)型鈍化發(fā)射極背面接觸電池 (passivated emitter and rear cell，PERC)[3]是在常規(guī)鋁背場(chǎng)晶硅太陽(yáng)電池的基礎(chǔ)上增加了背面鈍化疊層Al2O3/SiNxHy與激光開膜工藝，增加這兩道工序后的PERC單晶硅太陽(yáng)電池比常規(guī)鋁背場(chǎng)單晶硅太陽(yáng)電池的絕對(duì)轉(zhuǎn)換效率提高了1.0～1.2%[4-6]。PERC太陽(yáng)電池作為一種高效太陽(yáng)電池，成為近年來(lái)備受市場(chǎng)青睞的佼佼者。

與常規(guī)鋁背場(chǎng)晶硅太陽(yáng)電池不同的是，PERC太陽(yáng)電池對(duì)發(fā)射極表面的要求非常高。有研究表明，擴(kuò)散時(shí)工藝氣體的比例[7]、表面摻雜濃度[8]，以及擴(kuò)散后表面方阻的均勻性[9]都會(huì)影響發(fā)射極表面的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)有研究通過PC1D和PC2D軟件來(lái)模擬優(yōu)化PERC太陽(yáng)電池，并得到了最優(yōu)鈍化條件和激光開膜參數(shù)[10-11]。本文通過PC2D軟件模擬分析了發(fā)射極表面復(fù)合速率對(duì)PERC太陽(yáng)電池的影響，并利用工業(yè)生產(chǎn)型設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)整擴(kuò)散和熱氧化工藝，得到優(yōu)化后的PERC太陽(yáng)電池，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合。

1 數(shù)值模擬

1.1 PC2D軟件及原理介紹

PC2D[12]于2011年由美國(guó)Hanwha Solar公司發(fā)布，是一款采用有限元方法進(jìn)行網(wǎng)格剖分，用于晶硅太陽(yáng)電池模擬研究的軟件。PC2D軟件將器件模擬區(qū)域設(shè)定為準(zhǔn)中性，把任意大小的區(qū)域分成 20×20個(gè)大小相同的矩形格子，并對(duì)每個(gè)格子進(jìn)行單獨(dú)定義。電子與空穴的漂移-擴(kuò)散方程主要由電子、空穴準(zhǔn)費(fèi)米電勢(shì)和靜電勢(shì)來(lái)表示，通過熱電壓Vt歸一化后，每個(gè)格子的4個(gè)頂點(diǎn)處的靜電勢(shì)值就是該點(diǎn)電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米電勢(shì)的函數(shù)。

1.2 模擬的PERC太陽(yáng)電池的器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置

模擬區(qū)域如圖1中的虛線部分所示，其中，wf為柵線寬度，wb為背面開膜寬度，激光開膜間距l(xiāng)為正面柵線間距L的50%，使整個(gè)PERC太陽(yáng)電池成為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

模擬的PERC太陽(yáng)電池的主要參數(shù)如表1所示。

圖1 模擬區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 模擬的PERC太陽(yáng)電池的主要參數(shù)

1.3 模擬結(jié)果與分析

通過上述模型參數(shù)分別計(jì)算了發(fā)射極表面復(fù)合速率、硅片少子壽命、表面摻雜濃度和結(jié)深對(duì)PERC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的影響，模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 表面摻雜濃度、結(jié)深與電池轉(zhuǎn)換效率三者之間的關(guān)系

圖3 表面復(fù)合速率、少子壽命與轉(zhuǎn)換效率三者之間的關(guān)系

由圖2可知，結(jié)深隨著表面摻雜濃度的增加逐漸變淺；并且隨著表面摻雜濃度的提高，表面復(fù)合速率增強(qiáng)，復(fù)合電流變大，導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率降低。當(dāng)表面摻雜濃度為3.12×1020cm-3時(shí)，表面飽和電流J0為22 fA/cm2，此時(shí)電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了21.58%；當(dāng)表面摻雜濃度增加到5.63×1020cm-3時(shí)，表面飽和電流J0為39 fA/cm2，飽和電流增加明顯，此時(shí)電池的轉(zhuǎn)換效率降至了21.32%。這說明對(duì)于片源質(zhì)量較好的硅片(少子壽命≥500 μs)，表面摻雜濃度越低，結(jié)深越深，制成的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率越高。

由圖3可知，當(dāng)少子壽命低于350 μs時(shí)，少子壽命的增加對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率的影響較大；當(dāng)少子壽命超過350 μs時(shí)，少子壽命的增加對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率的影響變小。當(dāng)少子壽命為500 μs、表面復(fù)合速率為20000 cm/s時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高，為21.86%。隨著表面復(fù)合速率的增加，電池轉(zhuǎn)換效率迅速下降，并且少子壽命越高，下降速率越快。也就是說，硅片的少子壽命越高，表面復(fù)合速率對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率的影響越強(qiáng)。利用熱氧化技術(shù)[13]可在硅片表面生長(zhǎng)二氧化硅層，能夠有效鈍化表面懸掛鍵，從而降低表面復(fù)合速率，提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射極表面復(fù)合速率對(duì)PERC太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率影響顯著，并且較低的表面摻雜濃度及厚度適中、均勻性較好的氧化鈍化層，可有效抑制表面復(fù)合速率，提高短波利用率，減小發(fā)射極復(fù)合電流，有利于PERC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的提高。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本文設(shè)計(jì)了不同的擴(kuò)散、熱氧化實(shí)驗(yàn)，以期通過調(diào)整擴(kuò)散和熱氧化工藝，得到更高的PERC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率。

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品選用西安隆基硅材料股份有限公司生產(chǎn)的M2摻硼單晶硅片，具體參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)硅片的性能參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)涉及到的設(shè)備信息如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備信息

測(cè)試儀器主要包括：ECV-CVP21型結(jié)深測(cè)試儀(德國(guó)WEP)、WCT-120少子壽命測(cè)試儀(美國(guó)Sinton)。

電性能測(cè)試軟件：Halm電性能測(cè)試軟件(德國(guó)HALM)。電性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為太陽(yáng)輻照度1000 W·m-2、光譜 AM1.5、電池溫度 25±1 ℃。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程及方案

實(shí)驗(yàn)所用硅片均在相同量產(chǎn)型工業(yè)設(shè)備上進(jìn)行制絨、擴(kuò)散、刻蝕、激光選擇性摻雜、熱氧化、鍍膜、激光開膜、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等一系列電池制備流程，制備完成的電池由Halm電性能測(cè)試軟件進(jìn)行電性能測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同擴(kuò)散工藝對(duì)電池電性能的影響

取600片相同的實(shí)驗(yàn)硅片，經(jīng)過制絨后，分成A、B、C 3組，每組200片，分別對(duì)應(yīng)3組不同的擴(kuò)散工藝；磷擴(kuò)散工藝的壓強(qiáng)為125 mbar，溫度參數(shù)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中，每組樣品均使用同一擴(kuò)散爐管和石英載舟。

圖4 3組硅片的不同擴(kuò)散工藝示意圖

A組的擴(kuò)散工藝為恒溫?cái)U(kuò)散，擴(kuò)散溫度保持在830 ℃；B組為變溫?cái)U(kuò)散，在800 ℃氧化5 min后再進(jìn)行磷擴(kuò)散，然后升溫至850 ℃進(jìn)行推進(jìn)；C組仍為變溫?cái)U(kuò)散，是在B組的基礎(chǔ)上，在磷擴(kuò)散步驟后又增加了5 min的氧化步驟，然后升溫至870 ℃進(jìn)行推進(jìn)。工藝中的飽和步驟能起到修復(fù)缺陷和吸雜的作用。

ECV測(cè)試儀可以較為精確地測(cè)量出硅片縱向深度的活性磷原子濃度。為排除設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，在對(duì)A、B、C 3組實(shí)驗(yàn)硅片進(jìn)行不同擴(kuò)散工藝后，取每組石英載舟同一位置的硅片，使用ECV測(cè)試儀分別測(cè)試3組實(shí)驗(yàn)硅片的表面摻雜濃度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 擴(kuò)散工藝后硅片縱向深度ECV測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

由圖5可知，在不同擴(kuò)散工藝后，A、B、C 3組實(shí)驗(yàn)硅片的最大表面摻雜濃度分別為5.6×1020cm-3、4.5×1020cm-3、3.2×1020cm-3。其中，C 組硅片的最大表面摻雜濃度最低，并且其縱向深度小于0.10 μm時(shí)，表面摻雜濃度下降較為緩慢，說明其形成了良好的p-n結(jié)。這是由于在推進(jìn)前通氧會(huì)在硅片表面形成一層氧化硅薄膜，阻擋磷原子的擴(kuò)散，氧化硅薄膜越厚，阻擋效果就越明顯。

降低表面摻雜濃度、提高表面鈍化可有效降低發(fā)射極表面復(fù)合速率[14]，從而提高PERC太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率。但載流子需要橫向傳輸并被電極收集，若表面摻雜濃度太低，會(huì)使少子遷移率受到影響，因此，在降低表面摻雜濃度時(shí)，必須保證合適的少子遷移率。經(jīng)過擴(kuò)散工序后，硅片的方塊電阻可以良好地反映硅片表面調(diào)整載流子遷移率后的效果。同時(shí)，載流子遷移率將直接影響電池的填充因子。

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，3組實(shí)驗(yàn)硅片經(jīng)過擴(kuò)散工藝后，進(jìn)行后續(xù)的刻蝕、常壓熱氧化、背面沉積氧化鋁膜、正面沉積氮化硅膜、背面激光開膜、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)時(shí)的工藝條件、設(shè)備、分選測(cè)試條件均相同。

表4為采用不同擴(kuò)散工藝制備的3組太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)，圖6為3組太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率分布圖。

表4 采用不同擴(kuò)散工藝制備的3組太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)

圖6 3組太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率分布圖

結(jié)合表4和圖6可知，相較于B組和C組，A組電池的開路電壓和短路電流較低；C組電池的平均轉(zhuǎn)換效率最高，且其開路電壓和短路電流也較高。這是因?yàn)镃組的活性磷原子表面摻雜濃度最低，抑制了表面的俄歇復(fù)合，并且增加了短波響應(yīng)。相比A組電池21.62%的平均轉(zhuǎn)換效率，C組電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了21.85%，絕對(duì)效率提高了0.23%，這與圖2的模擬結(jié)果相一致。

3.2 不同熱氧化工藝對(duì)電池電性能的影響

在硅片正面通過熱氧化的方式生長(zhǎng)一層二氧化硅可有效鈍化硅片表面的懸掛鍵[15]，達(dá)到降低表面復(fù)合速率的目的。圖7為熱氧化工藝參數(shù)示意圖，從放舟到取舟共計(jì)40 min。

圖7 熱氧化工藝參數(shù)示意圖

取1200片相同的實(shí)驗(yàn)硅片，經(jīng)過制絨、C組擴(kuò)散工藝進(jìn)行擴(kuò)散、二次刻蝕、激光選擇性摻雜后，分成D、E、F、G、H、I 共6組樣品，每組200片。熱氧化設(shè)備為湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司的五管氧化爐，溫度參數(shù)如圖7所示。調(diào)整6組硅片的熱氧化工藝，D組為不經(jīng)過熱氧化處理，僅在氧化爐中放置40 min；E組為常壓熱氧化，壓強(qiáng)為1000 mbar；F、G、H、I皆為低壓熱氧化，壓強(qiáng)分別為600、400、200、50 mbar。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)中均使用同一熱氧化爐管和石英載舟，且后續(xù)制備電池流程中的工藝條件、設(shè)備和測(cè)試條件均相同。表5為采用不同氧化工藝制備的6組太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)。

表5 采用不同氧化工藝制備的6組太陽(yáng)電池的電性能參數(shù)

由表5可知，相比未經(jīng)過熱氧化處理的D組電池的開路電壓，經(jīng)過常壓熱氧化處理后的E組電池的開路電壓提高了6 mV，短路電流提高了30 mA，填充因子降低了0.2%，平均轉(zhuǎn)換效率提升了0.22%。這是因?yàn)槎趸璧谋砻驸g化作用降低了發(fā)射極表面復(fù)合速率，提高了開路電壓和短路電流。在高溫?zé)嵫趸^程中，硅片的方塊電阻上升了3～5 Ω/□，導(dǎo)致制備的電池的填充因子有所降低。在實(shí)驗(yàn)中，隨著熱氧化工藝壓強(qiáng)降至200 mbar，開路電壓不斷增大；熱氧化工藝時(shí)壓強(qiáng)為200 mbar的H組電池的平均轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到了22.04%，相比未進(jìn)行熱氧化處理的D組電池的平均轉(zhuǎn)換效率提高了0.42%。這是由于氧化爐內(nèi)氧氣分子平均間距相近，低壓環(huán)境有利于雜質(zhì)氣體逃逸造成的。壓強(qiáng)降低，氧氣分子平均自由程越大，形成的二氧化硅層越均勻，有利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率。

氧氣分子平均自由程的計(jì)算式為：

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，J·K-1，取1.38×10-23；T為環(huán)境溫度，K；d為氧氣分子有效直徑，m，取 3.46×10-10；p為壓強(qiáng)，Pa。

氧氣分子平均間距δ的計(jì)算式為：

式中，R為氣體常數(shù)，mbar·m3/(mol·K)，取8.314×10-2。

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算出不同壓強(qiáng)下的氧氣分子平均自由程與分子平均間距，如表6所示。

表6 不同壓強(qiáng)下氧氣分子平均自由程與分子平均間距

由表6可知，在壓強(qiáng)從1000 mbar降至50 mbar的過程中，氧氣分子平均自由程均遠(yuǎn)大于分子平均間距，且分子平均間距在壓強(qiáng)大于200 mbar時(shí)相互之間的變化不明顯。這是因?yàn)閴簭?qiáng)會(huì)影響氧化硅層的均勻生長(zhǎng)，壓強(qiáng)降低在提高氧氣分子平均自由程的同時(shí)，也會(huì)使吸附在硅片表面的雜質(zhì)氣體的逃逸機(jī)率相應(yīng)增加，而表面雜質(zhì)氣體的逃逸，提高了硅片表面的鈍化效果[16]，結(jié)合表5可以發(fā)現(xiàn)，在壓強(qiáng)為200 mbar時(shí)，H組電池的平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了22.04%；而壓強(qiáng)降至50 mbar時(shí)二氧化硅的生長(zhǎng)速率變慢，導(dǎo)致氧化硅層過薄，無(wú)法起到良好的鈍化效果[17]，因此，I組電池的轉(zhuǎn)換效率降低，這與模擬結(jié)果一致。

圖8為H組電池的轉(zhuǎn)換效率分布圖，可以看出其最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%。圖9為最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%時(shí)的I-V曲線圖。

圖8 H組電池轉(zhuǎn)換效率分布圖

圖9 H組電池最高轉(zhuǎn)換效率時(shí)的I-V曲線圖

為了進(jìn)一步研究影響PERC太陽(yáng)電池電性能的關(guān)鍵因素，對(duì)實(shí)驗(yàn)中最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%的電池的I-V曲線進(jìn)行擬合，如圖10a所示，通過擬合計(jì)算出電池表面飽和電流J0=15.4 fA/cm2，其與表面摻雜濃度為3.12×1020cm-3、表面飽和電流為22 fA/cm2時(shí)相比，表面飽和電流明顯降低，這說明通過改變擴(kuò)散和熱氧化工藝，有效地抑制了表面復(fù)合速率，形成了良好的發(fā)射極表面。

圖10b為最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%的電池的外量子效率曲線圖。由圖可知，電池在短波區(qū)域的響應(yīng)高達(dá)70%～80%，這說明擴(kuò)散和熱氧化工藝改進(jìn)后有效地抑制了表面復(fù)合速率，提高了短波利用率，使得電池轉(zhuǎn)換效率提升明顯。

圖10 最高轉(zhuǎn)換效率時(shí)電池的I-V擬合曲線和外量子效率圖

4 結(jié)論

本文使用PC2D軟件對(duì)PERC太陽(yáng)電池進(jìn)行了模擬分析，研究發(fā)射極表面摻雜濃度、少子壽命、表面復(fù)合速率對(duì)PERC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的影響，證明了較低的表面摻雜濃度和厚度適中、均勻性好的鈍化膜可有效降低表面飽和電流，抑制PERC太陽(yáng)電池發(fā)射極表面復(fù)合速率；并利用工業(yè)生產(chǎn)型設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)整擴(kuò)散和熱氧化工藝，得到優(yōu)化后的PERC電池最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.30%，平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.04%。對(duì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的電池進(jìn)行了擬合，優(yōu)化后的擴(kuò)散和熱氧化工藝使電池表面飽和電流J0降至15.4 fA/cm2，降低了發(fā)射極表面復(fù)合速率。由此可知，發(fā)射極的復(fù)合速率是制約PERC太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率提升的關(guān)鍵因素。