N型鋁背發(fā)射極太陽電池前面場摻雜分布的優(yōu)化研究

賈積凱

【摘 要】N型硅鋁背發(fā)射極太陽電池具有高轉(zhuǎn)換效率、無光致衰減、與現(xiàn)有常規(guī)電池生產(chǎn)線兼容的有點，從而降低的N型電池的制造成本。而前面場是這一結(jié)構(gòu)太陽電池的重要組成部分。前面場的作用類似于P型常規(guī)太陽電池鋁背場的作用。前面場可以增強載流子的收集能力，提高電池的開路電壓，以及電池的轉(zhuǎn)換效率。在本文中，前面場的摻雜分布進行了細致的研究。優(yōu)化后的表面濃度在4E+20 cm-3，同時前面場的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之間。太低的摻雜濃度無法提供一個高強度的前面場，而太高的摻雜濃度則引入過多的載流子復(fù)合中心。對于前面場的深度，過薄會增加載流子的橫向電阻，過厚則會影響電池對于短波段光的吸收與轉(zhuǎn)化。

【關(guān)鍵詞】太陽電池；N型；鋁背發(fā)射極；前面場

引言

目前，大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的太陽電池絕大部分還是基于P型硅材料的。基本上所有的太陽電池產(chǎn)品都是具有一個同質(zhì)的發(fā)射極、一層PECVD沉積的減反層、以及絲網(wǎng)印刷制備的前后電極。現(xiàn)今，N型硅電池的開發(fā)興趣越來越濃厚。N型電池具有更高的載流子壽命、更小的載流子俘獲截面、更高的金屬雜質(zhì)耐受性等[1； 2； 3.]同時，N型太陽電池也克服了P型電池由于硼氧復(fù)合體導(dǎo)致的光致衰減的弱點[4.]近幾年，許多用于N型硅太陽電池的技術(shù)被開發(fā)出來[6； 7； 8；9；10； 11； 12； 13.]許多N型硅太陽電池產(chǎn)品開始進入市場. 但是這些結(jié)構(gòu)的電池工藝與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝具有很大的差異，無法與現(xiàn)有P型硅太陽電池生產(chǎn)兼容，并且本身的工藝成本也非常高?？焖?、低成本、與現(xiàn)有P型太陽電池生產(chǎn)兼容的N型太陽電池的開發(fā)就顯得非常重要，而N型鋁背發(fā)射極太陽電池就可以完美做到這一點。Christian Schmiga等人就報道了他們在實驗室達到了19.2%的效率[20.]。Top cell Solar International 也已經(jīng)可以生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率19.2%的大面積（239 cm2），N型太陽電池了[21.]。

一、實驗

本論文的實驗是基于6英寸（148.58 cm2）的單晶Cz N型硅片的。硅片的電阻率大約是5 ?·cm。整個制備工藝以堿制絨開始，經(jīng)過清洗后進行磷擴散。擴散后硅片方塊電阻為50 ?/□。之后進行濕法刻蝕，去除邊緣和背面的多余擴散部分。同時利用HNO3/HF的化學(xué)氣相腐蝕，控制前面場的表面濃度和深度。緊接著硅片正面使用PECVD進行氮化硅減反膜的沉積，以及背面絲網(wǎng)印刷全鋁背場。最后進行前面表面電極的制備。前表面電極的制備包括了電極下方的重擴散，使用表面噴涂磷源加激光擴散的方法，使得重擴散區(qū)域的方阻降低到15 ?/□。

二、結(jié)果與討論

對于前面場的優(yōu)化主要包括兩個方面，一個是前面場的深度，另一個是表面濃度。在實驗過程中首先進行重擴散，之后使用HNO3/HF的化學(xué)氣相腐蝕，配合低溫下KOH的浸泡，控制表面濃度和深度。

隨著前面場厚度的增大，電池的串聯(lián)電阻逐步減小，F(xiàn)F逐步增大，這主要是減少了前表面的橫向電阻。但是隨著前面場厚度的增加，電池的短路電流卻一直在減小，當(dāng)前面場厚度超過0.25 μm左右時短路電流減小的影響超過了FF增加的效果，所以電池轉(zhuǎn)換效率開始下降。短路電流的下降主要來自于短波長的響應(yīng)減小。

在固定前面場深度的情況下，改變表面濃度。根據(jù)前面的分析，前表面場的深度在0.25 μm到0.3 μm間效果最好。故這里基本控制在0.27 μm，表面濃度在1E+20 cm-3-8E+20 cm-3之間變化。

由于固定了前表面場的深度，電池短路電流基本穩(wěn)定。隨著表面濃度的提高，電池的串聯(lián)電阻減小，F(xiàn)F提升，這同樣也與前表面的橫向電阻降低有關(guān)。隨著表面濃度的提升，開路電壓先升高后降低。表面濃度的提高，使得前表面場的準(zhǔn)費米能級更加靠近導(dǎo)帶底，使得它與基底的準(zhǔn)費米能級的能級差變大，這樣可以有效提高前面場的勢壘，提升開路電壓。但是由于前表面場濃度的提高必然因擴散而引入大量的擴散雜質(zhì)和復(fù)合中心，使得少子壽命降低。因此少子壽命的降低與前表面場勢壘的提高有一個平衡和制約關(guān)系。大概表面濃度在4E+20 cm-3左右時，電池性能最好。

三、總結(jié)

N型硅鋁背發(fā)射極太陽電池具有高轉(zhuǎn)換效率、無光致衰減、與現(xiàn)有常規(guī)電池生產(chǎn)線兼容的有點，從而降低的N型電池的制造成本。而前面場是這一結(jié)構(gòu)太陽電池的重要組成部分。前面場的作用類似于P型常規(guī)太陽電池鋁背場的作用。前面場可以增強載流子的收集能力，提高電池的開路電壓，以及電池的轉(zhuǎn)換效率。在本文中，前面場的摻雜分布進行了細致的研究。前面場的深度將主要影響電池的短路電流和FF；表面濃度主要影響電池的開路電壓和FF。優(yōu)化后的表面濃度在4E+20 cm-3，同時前面場的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之間。太低的摻雜濃度無法提供一個高強度的前面場，而太高的摻雜濃度則引入過多的載流子復(fù)合中心。對于前面場的深度，過薄會增加載流子的橫向電阻，過厚則會影響電池對于短波段光的吸收與轉(zhuǎn)化。

參考文獻：

[1]Cotter， J.E.， Guo， J.H.， Cousins， P.J.， Abbott， M.D.， Chen， F.W.， Fisher， K.C.， 2006. P-type versus n-type silicon wafers： prospects for high efficiency commercial silicon solar cells. IEEE Trans. Electron Dev. 53，1893–1901.

[2]Macdonald， D.， Geerligs， L.J.， 2004. Recombination active of interstitial iron and other transition metal point defects in P- and n-type crystalline silicon. Appl. Phys. Lett. 85， 4061–4063.

[3]Schmidt， J.， Aberle， A.G.， Hezel， R.， 1997. Investigation of carrier lifetime instabilities in CZ grown silicon. In： 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， pp. 13–18.

[4]Bothe， K.， Sinton， R.， Schmidt， J.， 2005. Fundamental born-oxygen-related carrier lifetime limit in mono and multicrystalline silicon. Prog. Photovoltaics： Res. Appl. 13， 287–296.endprint