P型單晶硅太陽能電池衰減的原因與改善措施分析

劉東林等

摘 要 隨著晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高，其光衰也隨之提高，成為高效晶硅電池科技發(fā)展的瓶頸。本文介紹了近年來對摻硼晶硅太陽電池的光衰減問題及衰減機(jī)制，指出硼與間隙氧的存在是引起摻硼晶硅太陽電池光照衰減的主要因素，并對如何減小或避免光衰減的改善措施進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 光衰減；摻雜；單晶硅；太陽能電池

中圖分類號：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）24-0037-01

晶體硅太陽電池是最重要的光伏器件，近年來一直是硅材料研究界和光伏產(chǎn)業(yè)界的重點關(guān)注領(lǐng)域。眾所周知，常規(guī)的晶體硅太陽電池都是基于P型摻硼硅晶體制造的，但這種電池存在著光衰減現(xiàn)象，也就是指電池在服役過程中轉(zhuǎn)換效率會發(fā)生迅速衰減的現(xiàn)象。該現(xiàn)象已經(jīng)成為制約高效太陽電池發(fā)展的一個重要瓶頸。

目前光衰減現(xiàn)象的性質(zhì)和機(jī)理還未完全清楚，它是當(dāng)前國際上晶體硅太陽電池材料和器件方向的研究熱點之一。本文著重闡述了現(xiàn)有的P型晶體硅太陽電池光衰減的機(jī)理與抑制（或消除）光衰減的措施。

1 衰減機(jī)理

Fischer和Pschunder在1973年發(fā)現(xiàn)了摻硼Cz-Si太陽電池的光衰減問題[1]，如圖1所示。該研究表示1Ωcm摻硼直拉硅電池在光照一段時間后電池性能衰減較為明顯；隨光照時間的延長，衰減趨于穩(wěn)定達(dá)到飽和值；后在一定溫度光照一定時長后，電池性能得到完全恢復(fù)。經(jīng)過幾年的聯(lián)合研究[2]，通過大量的實驗清楚的認(rèn)識了Cz-Si光衰減的缺陷，證實了引起Cz-Si光衰減缺陷的主要成分是硼和氧。研究指出在晶體硅中硅的原子半徑要比B的原子半徑大25%，故后者更易于吸引硅中的間隙氧原子。同時，由兩個間隙氧原子組成的雙氧分子O2i與替位的硼原子結(jié)合，從而形成B-O復(fù)合體。這種觀點已得到Adey等的理論計算支持，并提出了如下反應(yīng)的B-O形成機(jī)制模型。

2 改進(jìn)措施

對于硼氧復(fù)合體來說，通常是采用降低硅材料中硼或氧含量、用其他摻雜元素來替代硼等措施進(jìn)行改善，主要有以下

幾種。

1）N型電池。

使用N型硅片也是解決電池光衰減問題的方法之一，主要是由于N型硅太陽電池對雜質(zhì)的容忍度要明顯大于P型硅電池。但從P型電池工藝的絲網(wǎng)印刷來看，N型電池在轉(zhuǎn)換效率上一些關(guān)鍵工藝還有待解決，而且制造成本也沒有優(yōu)勢。

2）優(yōu)化減反膜。

Kang研究發(fā)現(xiàn)，雖然采用沉積SiCxNy減反膜比SiNx沉積減反膜的電池初始效率要低一些，但在效率的絕對光衰減方面，采用沉積SiCxNy要比沉積SiNx的電池低0.3%，衰減后兩者效率相當(dāng)。其原因是在SiCxNy薄膜中含有較多的碳，其會通過高溫?zé)Y(jié)的過程擴(kuò)散到硅材料中，與氧來形成碳氧相關(guān)的復(fù)合體，減少了硅中氧的濃度，進(jìn)而減少了硼氧復(fù)合體的濃度。

3）摻鎵。

Meemongkolkiat等研究發(fā)現(xiàn)摻鎵能夠完全抑制光衰減，摻鎵Cz-Si作高效電池具有很大潛力。但由于鎵在硅中的分凝系數(shù)比硼在硅中的分凝系數(shù)要低，以致?lián)脚鸬墓璋綦娮杪时葥芥壍墓璋綦娮杪试谘鼐w生長方向的變化較大，使得工藝控制相對較難，這也是其現(xiàn)階段仍難較大推廣的原因所在。

4）采用磁控直拉硅單晶技術(shù)或降低硼的摻雜濃度。

磁控直拉硅單晶技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中得到較好的應(yīng)用，已證明其不僅能良好的控制直拉硅單晶中的氧含量，且能有效改善硅單晶電阻率的均勻性，但需提供激磁電源并配置磁場設(shè)備，增加了工藝難度與生產(chǎn)成本。降低硼的摻雜濃度，使用得到的高阻材料制作電池（如5-10Ωcm），但在制作背場時需要較高的工藝要求。

5）采用區(qū)熔單晶硅技術(shù)。

區(qū)熔單晶硅技術(shù)不僅有效抑制了直拉工藝中大量氧進(jìn)入硅晶體的固有缺陷，而且徹底解決了P型（摻硼）太陽電池的光衰減現(xiàn)象。區(qū)熔單晶硅主要用于IC和其它半導(dǎo)體器件的硅片制造，但由于其生產(chǎn)成本較高，迫使一些公司對區(qū)熔單晶硅工藝進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，降低了成本，以適合于太陽電池硅片的制造，目前該項技術(shù)已取得了一定的成績。

6）適當(dāng)增加補(bǔ)償度。

研究表明，只有未被磷補(bǔ)償?shù)呐鸩拍芘c氧二聚物形成硼氧復(fù)合體。因此為了減弱光衰減，可適當(dāng)增加補(bǔ)償度來減少凈硼含量。這是因為在補(bǔ)償硅材料中，硼氧缺陷的濃度與凈硼濃度呈線性關(guān)系。聞?wù)鹄鸞3]等人發(fā)現(xiàn)在含B和其它雜質(zhì)含量都比較高的硅材料中，通過摻入P補(bǔ)償過多的B，可以延長少數(shù)載流子的壽命、提高低質(zhì)量硅片的電阻率，從而提高電池效率，同時還能夠達(dá)到抑制光衰減的目的。

7）提高摻硼P型直拉單晶硅棒的質(zhì)量。

首先從多晶硅料的料源入手，避免摻入過多的其他不合格的次品硅料，如IC的廢N型硅片或復(fù)拉的堝底料等，均會造成晶棒的氧含量高，位錯密度大，內(nèi)應(yīng)力大，電阻率不均勻等現(xiàn)象，進(jìn)而會嚴(yán)重影響太陽能電池的效率與穩(wěn)定性。

8）加強(qiáng)電池生產(chǎn)工藝的過程控制。

在制絨過程中，盡量要使絨面小而均勻，要求做到無色差、花籃印、發(fā)白及手指印等現(xiàn)象；擴(kuò)散工序要求方阻均勻性與PN結(jié)的深淺一致性；切邊要求切除邊上的PN結(jié)，切后漏電流要小一些；去PSG工序要求腐蝕過后表面清潔，瀝水效果要好；絲印工序要注意漿料粘稠度與網(wǎng)板、硅片等相匹配才能達(dá)到比較好的效果，同時也要注意背面鋁漿的厚度，柵線的寬度和高度等。

3 結(jié)束語

本文從發(fā)生光衰減的原理出發(fā)，討論了如何抑制或減弱單晶電池的光衰減，結(jié)合我公司的現(xiàn)狀與行業(yè)內(nèi)的技術(shù)革新，給出了具體的應(yīng)對措施：使用N型硅片、優(yōu)化減反膜、摻鎵、采用磁控直拉硅單晶技術(shù)或區(qū)熔單晶硅技術(shù)、適當(dāng)增加補(bǔ)償度、提高摻硼P型直拉單晶硅棒的質(zhì)量及加強(qiáng)電池生產(chǎn)工藝的過程控制等，并在實際的生產(chǎn)中取得了顯著的效果。通過以上相關(guān)工藝的優(yōu)化，使得單晶電池的光衰減平均降低了2.7%，極大地改善了單晶電池的性能，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，變相地增加了公司的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]Fisher H， Pschunder W. Investigation of Photon and Thermal Induced Changes in Silicon Solar Cells[R].CA， USA ： Proceedings of the 10th IEEE PVSC Palo Alto， 1973.404 -441.

[2]Saitoh T， et al. Light Degradation and Control of Low-Resistivity CZ-Solar Cells [R].11thPVSEC， 1999.553.

[3]聞?wù)鹄嵵切?，洪紫州，?低質(zhì)量Si材料制備太陽電池[J].電子·激光，2011，22（1）：82.endprint