擴(kuò)散方阻對(duì)單晶PERC電池電學(xué)性能的影響

賈艷飛

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，山西 長(zhǎng)治 046011)

1 PERC電池工藝原理

單晶PERC電池由于其成本優(yōu)勢(shì)以及與現(xiàn)有設(shè)備兼容性高的特點(diǎn)，成為當(dāng)今光伏電池產(chǎn)品的主流。各大廠商都在不斷加大研發(fā)投入，提升PERC電池轉(zhuǎn)換效率，以實(shí)現(xiàn)在目前激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。光伏電池發(fā)電的基本原理就是太陽(yáng)光照在基體PN結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)。在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。PN結(jié)相當(dāng)于電池的心臟，制備過(guò)程直接決定了電池多項(xiàng)性能，進(jìn)而影響光電轉(zhuǎn)換效率[1]。晶體硅電池結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，單晶PERC電池工藝流程見圖2。

圖1 晶體硅電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 單晶PERC電池工藝流程圖

晶體硅電池制造PN結(jié)時(shí)通過(guò)利用磷原子(N型)向晶體硅片(P型)內(nèi)部擴(kuò)散的方法改變硅片表面層的導(dǎo)電類型，從而形成PN結(jié)。因此擴(kuò)散工序是光伏電池生產(chǎn)最為關(guān)鍵的工序之一。國(guó)內(nèi)量產(chǎn)最通用的辦法是采用三氯氧磷液態(tài)源擴(kuò)散的方法，制程穩(wěn)定且可控性強(qiáng)。

POCl3擴(kuò)散的工藝原理[2]具體如下：

1) POCl3在>600 ℃的高溫下分解成P2O5和PCl5，見式(1)。

(1)

2) P2O5在指定工藝溫度下與Si反應(yīng)，生成SiO2和P(磷原子)，見式(2)。

(2)

3) 生成的PCl5不易分解且對(duì)硅有腐蝕作用，因此需要轉(zhuǎn)換為P2O5。在通N2情況下需通入O2，PCl5進(jìn)一步反應(yīng)成P2O5和Cl2，生產(chǎn)的P2O5進(jìn)一步與Si生產(chǎn)SiO2和Cl2，見式(3)。

(3)

擴(kuò)散工序制備過(guò)程最重要的監(jiān)控指標(biāo)是擴(kuò)散方阻，在生產(chǎn)線，方阻測(cè)試通過(guò)測(cè)試5點(diǎn)(硅片中心+4個(gè)角)實(shí)現(xiàn)，除了方阻阻值的指標(biāo)，還需要考慮方阻的均勻性。方阻控制的均勻性通過(guò)公式(1)來(lái)表征：

(1)

M值越大，說(shuō)明方阻均勻性越差，反之M值越小，擴(kuò)散方阻均勻性越好[3]。影響方阻控制的主要因素有擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散溫度、及氣體流量。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)各項(xiàng)因素變化導(dǎo)致電池的電學(xué)性能變化進(jìn)行測(cè)試，分析各項(xiàng)因素參數(shù)變化對(duì)單晶PERC電池轉(zhuǎn)換效率等電學(xué)性能指標(biāo)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

單晶硅片：摻鎵型，厚度190 μm，規(guī)格156.75 mm×156.75 mm；POCl3；N2、O2，廠區(qū)內(nèi)空分站供應(yīng)。

擴(kuò)散爐：四十八所管式擴(kuò)散爐；分選Halm機(jī)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單面單晶PERC電池工藝進(jìn)行電池片加工，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可對(duì)比性，所有環(huán)節(jié)均采用同一種設(shè)備，除擴(kuò)散外均保持工藝參數(shù)穩(wěn)定不變。

實(shí)驗(yàn)的主要思路從擴(kuò)散時(shí)間、溫度和氣體流量入手，固定其他2個(gè)參數(shù)，考察其中一個(gè)參數(shù)對(duì)方阻變化以及電池電學(xué)性能的影響。另外，各組實(shí)驗(yàn)中POCl3流量穩(wěn)定在1 250 L/min，條件不變。

實(shí)驗(yàn)一：溫度恒定在785 ℃，小N2流量1 050 mL/min，O2流量520 mL/min，時(shí)間選取1 000、1 180、1 260、1 340 s，測(cè)試A1、A2、A3、A4共4組實(shí)驗(yàn)方阻以及電學(xué)性能參數(shù)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量為一管(1 200 pcs)；

實(shí)驗(yàn)二：時(shí)間1000 s，小N2流量1 050 mL/min，O2流量520 mL/min，溫度選取770 、785、800、815 ℃，測(cè)試B1、B2、B3、B4共4組實(shí)驗(yàn)方阻以及電學(xué)性能參數(shù)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量為一管(1 200 pcs)；

實(shí)驗(yàn)三：溫度設(shè)定785 ℃，時(shí)間1 000 s，小N2流量1050 mL/min，O2流量選取440、480、520、560 mL/min，測(cè)試C1、C2、C3、C4共4組實(shí)驗(yàn)方阻以及電學(xué)性能參數(shù)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量為一管(1 200 pcs)；

實(shí)驗(yàn)四：溫度設(shè)定785 ℃，時(shí)間1 000 s，O2流量520 mL/min，小N2流量選取1 000、1 050、1 100、1 200 mL/min，測(cè)試D1、D2、D3、D4共4組實(shí)驗(yàn)方阻以及電學(xué)性能參數(shù)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量為一管(1 200 pcs)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 擴(kuò)散工藝時(shí)間對(duì)電池方阻及性能指標(biāo)的影響

對(duì)照表1及表2，擴(kuò)散工藝時(shí)間的變化在一定程度會(huì)導(dǎo)致方阻均值均勻性的變化。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，擴(kuò)散方阻的均值逐漸變小，當(dāng)時(shí)間為1 000 s時(shí)，方阻均值為134.22 Ω/□，最接近產(chǎn)線控制規(guī)格線。另外，隨著工藝時(shí)間的增加，方阻的均勻性在一定程度上趨于一致但整體變化不大。原因在于，PN結(jié)是通過(guò)擴(kuò)散形成，時(shí)間長(zhǎng)使得擴(kuò)散過(guò)程更加均勻，各點(diǎn)方阻相互接近[4]。從電學(xué)性能指標(biāo)來(lái)看，擴(kuò)散時(shí)間為1 000 s時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率最高，且開路電壓和閉路電流均達(dá)到較優(yōu)數(shù)值。但是擴(kuò)散時(shí)間如果太短容易導(dǎo)致擴(kuò)散程度淺導(dǎo)致電池失效。因此選取1 000 s時(shí)擴(kuò)散效果最佳。

表1 不同擴(kuò)散工藝時(shí)間對(duì)方阻的影響

表2 不同擴(kuò)散工藝時(shí)間對(duì)電池電學(xué)性能的影響

3.2 擴(kuò)散溫度對(duì)電池方阻及性能指標(biāo)的影響

對(duì)照表3及表4，擴(kuò)散溫度的變化對(duì)方阻均值以及均勻性的影響較大。隨著溫度的上升，擴(kuò)散方阻的均值逐漸變小，當(dāng)溫度為770 ℃時(shí)，方阻均值為136.22 Ω/□，與溫度785 ℃均較為接近產(chǎn)線控制規(guī)格線。原因是擴(kuò)散溫度上升，原子活性增加，容易形成擴(kuò)散，P原子含量高導(dǎo)致方阻下降。另外，隨著溫度降低，方阻的均勻性在一定程度上趨于一致。從電學(xué)性能指標(biāo)來(lái)看，擴(kuò)散溫度為770 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率最高，且開路電壓和閉路電流均達(dá)到較優(yōu)數(shù)值。

表3 不同擴(kuò)散溫度對(duì)擴(kuò)散方阻的影響

表4 不同擴(kuò)散溫度對(duì)電池電學(xué)性能的影響

3.3 擴(kuò)散O2流量對(duì)電池方阻及性能指標(biāo)的影響

對(duì)照第7頁(yè)表5、表6，擴(kuò)散方阻的均值隨著O2流量的增加而升高，均勻性則有所提升。主要原因是O2流量的增加使產(chǎn)生的二氧化硅比例上升從而導(dǎo)致方阻值上升。之于電學(xué)性能變化，O2流量的增加，Voc、Rs均呈下降趨勢(shì)，而Isc呈上升趨勢(shì)，填充因子與轉(zhuǎn)換效率隨著O2流量增加先增加后降低。當(dāng)O2流量為520 mL/min，轉(zhuǎn)換效率最佳達(dá)到22.23%。

表5 不同O2流量對(duì)擴(kuò)散方阻的影響

表6 不同O2流量對(duì)電池電學(xué)性能的影響

3.4 擴(kuò)散小N2流量對(duì)電池方阻及性能指標(biāo)的影響

對(duì)照表7及表8，擴(kuò)散方阻的均值隨著小N2流量的增加而降低，均勻性則有所提升。主要原因是POCl3通過(guò)小N2帶入，小N2流量的增加意味著POCl3流量的上升，POCl3濃度增加使得擴(kuò)散過(guò)程中P原子擴(kuò)散比例上升，導(dǎo)致方阻下降，同時(shí),由于擴(kuò)散反應(yīng)更加充分進(jìn)而方阻值趨于相近[5]。之于電學(xué)性能變化，小N2流量的增加，Voc、Isc和Rs均呈下降趨勢(shì)，而FF呈上升趨勢(shì)，當(dāng)小N2流量為1 050 mL/min，轉(zhuǎn)換效率最佳達(dá)到22.21%。

表7 不同N2流量對(duì)擴(kuò)散方阻的影響

表8 不同N2流量對(duì)電池電學(xué)性能的影響

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)擴(kuò)散環(huán)節(jié)中工藝時(shí)間、溫度設(shè)定、O2以及小N2流量，對(duì)照電池片產(chǎn)品方阻以及電學(xué)性能變化，可以得出如下結(jié)論：

1) 隨著溫度的上升、以及工藝時(shí)間的延長(zhǎng)，擴(kuò)散方阻呈一定程度的下降趨勢(shì)，而均勻性有所提升，進(jìn)而引起開路電壓以及閉路電流等性能指標(biāo)的變化。當(dāng)溫度為770 ℃、工藝時(shí)間為1 000 s時(shí)轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)；

2) 氣體流量的變化會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散方阻產(chǎn)生顯著變化，主要是通過(guò)影響反應(yīng)物的濃度進(jìn)而對(duì)擴(kuò)散反應(yīng)產(chǎn)生作用。從總體效果來(lái)看，氣體流量不是越高或者越低最好，當(dāng)O2流量達(dá)到520 mL/min，小N2流量為1 050 mL/min時(shí)轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到22.23%。

因此，在擴(kuò)散工藝過(guò)程控制時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)降低工藝時(shí)間，提升溫度同步加大N2流量能夠顯著改善電池片的電學(xué)性能。