離子注入技術(shù)在n型太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究

張偉 聶師華

英利能源（中國(guó)）有限公司 河北 保定 071051

引言

n型硅具有高少子壽命、低衰減、對(duì)金屬污染的容忍度高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，基于這些優(yōu)點(diǎn)，n-PERT（鈍化發(fā)射極背面全擴(kuò)散）是一種高效率、低成本的雙面太陽(yáng)能電池。然而，N-PERT太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化存在一個(gè)限制，即由于需要形成兩個(gè)摻雜區(qū)域[3]，正面的硼摻雜發(fā)射極和背面的磷摻雜背場(chǎng)（BSF），工藝步驟數(shù)量較多。本文將離子注入技術(shù)引入n-PERT電池制備過(guò)程中，離子注入技術(shù)較常規(guī)擴(kuò)散技術(shù)具有摻雜均勻性好，可實(shí)現(xiàn)低濃度摻雜，提高光電轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將BBr3熱擴(kuò)散和磷離子注入后的熱退火相結(jié)合，一步高溫過(guò)程同時(shí)完成發(fā)射極和背場(chǎng)摻雜，簡(jiǎn)化工藝步驟，降低制造成本。本文主要研究?jī)?nèi)容有：

第一，離子注入N-PERT的電池結(jié)構(gòu)及制備過(guò)程。

第二，分析離子注入技術(shù)對(duì)n-PERT太陽(yáng)電池背場(chǎng)摻雜均勻性和電池參數(shù)的影響。

1 樣品制備

N-PERT電池是一種典型的雙面電池，如圖1所示，正面依次為硼摻雜發(fā)射極，氧化硅/氮化硅鈍化減反射層和金屬電極；背面依次為磷摻雜背場(chǎng)，氧化硅/氮化硅鈍化減反射層和金屬電極。本文采用電阻率為0.5～3.5Ω.cm，尺寸為156.75mm×156.75mm的n型Cz晶片分別制備離子注入和擴(kuò)散n-PERT太陽(yáng)電池，工藝流程如圖2所示。在擴(kuò)散流程中，分別在電池正、背面采用高溫?cái)U(kuò)散方式進(jìn)行了硼摻雜和磷摻雜，硅片經(jīng)過(guò)了兩次高溫過(guò)程；在離子注入工藝流程中，先進(jìn)行磷離子注入，后續(xù)將BBr3熱擴(kuò)散與退火處理合并為一步，一步高溫過(guò)程實(shí)現(xiàn)了硼摻雜和磷摻雜。磷離子注入步驟是在離子能量為10keV的Kingstone注入機(jī)上進(jìn)行，注入劑量為1.5E15～4.5E15 atoms /cm2。在傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷金屬化之前，進(jìn)行了濕化學(xué)SiO2鈍化和PECVD-SiNx沉積。用HALM-I-V測(cè)試儀測(cè)試了太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（光照強(qiáng)度1000 W/m2，電池溫度25 ℃）下的性能。

圖1 n-PERT太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 N-PERT太陽(yáng)電池的兩種不同的工藝流程圖（擴(kuò)散與離子注入）

2 結(jié)果與討論

分別采用常規(guī)管式POCl3擴(kuò)散方式和磷離子注入方式對(duì)硅片表面進(jìn)行磷摻雜，并利用四探針測(cè)試儀測(cè)試方塊電阻。POCl3擴(kuò)散采用850℃ 30min工藝；離子注入采用3.0E15 atoms/cm2的注入劑量，后續(xù)在進(jìn)行950℃，40min的硼擴(kuò)散時(shí)對(duì)注入的磷離子進(jìn)行退火處理。我們通過(guò)四探針測(cè)試儀對(duì)硅片進(jìn)行49點(diǎn)方塊電阻的掃描測(cè)試，以查看其均勻性。擴(kuò)散方式的方塊電阻在35-45Ω/sq區(qū)間內(nèi)，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.44%；而離子注入方式的方塊電阻在38～42Ω/sq區(qū)間內(nèi)，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.63%，其均勻性明顯優(yōu)于擴(kuò)散方式。

此外，POCl3高溫?cái)U(kuò)散形成背場(chǎng)時(shí)，受磷在硅中固溶度的影響，該方式很難降低其表面的摻雜濃度，表面摻雜濃度達(dá)到8E20 atoms/cm3，高濃度的磷與硅的晶格失配以及未被激活的磷引起的晶格缺陷使得磷擴(kuò)散電池表層中少數(shù)載流子壽命極低，電池長(zhǎng)波段量子效率較差。采用離子注入方式對(duì)背場(chǎng)進(jìn)行摻雜，可以通過(guò)控制注入劑量來(lái)降低背場(chǎng)的摻雜濃度，表面摻雜濃度可以降低到2E20 atoms/cm3，同時(shí)，磷離子注入流程中采用硼擴(kuò)散時(shí)的高溫工藝對(duì)注入后離子進(jìn)行退火，因此磷離子注入的摻雜曲線相對(duì)于磷擴(kuò)散的曲線具有更低的表面濃度和更深的結(jié)深。背場(chǎng)磷摻雜表面濃度的降低可以降低非激活磷的含量進(jìn)而降低背場(chǎng)的表面復(fù)合，提高電池的長(zhǎng)波響應(yīng)，背場(chǎng)的飽和電流密度從磷擴(kuò)散的180fA/cm2降到80 fA/cm2。

為進(jìn)一步驗(yàn)證注入方式與擴(kuò)散方式引起的電池性能的差異，我們均分兩組硅片，每組100片，G1為磷擴(kuò)散N-PERT電池，G2為磷離子注入N-PERT電池。表1列出了具體的電學(xué)參數(shù)。磷擴(kuò)散電池與磷離子注入電池的正面電池平均效率分別為21.25%和21.59%，磷離子注入電池0.34%的效率增益主要來(lái)自于開(kāi)壓和電流密度的提升，這主要是由于采用磷離子注入技術(shù)后可以有效降低電池背面的摻雜濃度，而高溫磷擴(kuò)散的背面摻雜濃度會(huì)受到高溫下固溶度的影響很難降低，低的摻雜濃度可以減少背面的復(fù)合損失，進(jìn)而提升電池的開(kāi)壓和電流密度。

表1 電池電學(xué)參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，磷離子注入n型電池的電池性能較磷擴(kuò)散n型電池有顯著提升。首先，磷離子注入后背場(chǎng)摻雜的均勻性明顯改善，方阻的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.63%，而磷擴(kuò)散后背場(chǎng)方阻的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.44%；其次，由于背場(chǎng)摻雜濃度的降低，可以有效降低電池背面的復(fù)合損失；磷離子注入電池的電池效率明顯高于磷擴(kuò)散電池的電池效率，電池效率絕對(duì)值增益達(dá)到0.34%。