激光摻雜選擇性發(fā)射極單晶硅太陽電池的工藝研究

國家電投西安太陽能電力有限公司 宋志成 倪玉鳳 王舉亮 屈小勇 吳 翔

激光摻雜選擇性發(fā)射極單晶硅太陽電池的工藝研究

國家電投西安太陽能電力有限公司 宋志成 倪玉鳳 王舉亮 屈小勇 吳 翔

研究了激光摻雜選擇性發(fā)射極匹配的擴(kuò)散工藝，通過調(diào)整不同的工藝參數(shù)，達(dá)到相同的高方阻，比較了不同方法獲得的高方阻的均勻性，得到了在105Ω/□左右的高方阻仍能保持較好均勻性的擴(kuò)散工藝。通過調(diào)整激光功率形成不同的重?fù)诫s區(qū)方塊電阻，研究了不同的重?fù)诫s區(qū)方塊電阻對電池主要電性能參數(shù)的影響，分析了變化原因。最后比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池和傳統(tǒng)太陽電池的電性能及外量子效率。工藝優(yōu)化后，激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)太陽電池有0.24%的提升。

選擇性發(fā)射極；熱擴(kuò)散；激光摻雜；方塊電阻；轉(zhuǎn)化效率

1.引言

提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是提高行業(yè)競爭力的重要途徑。發(fā)射極摻雜濃度對太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響是雙重的，采用高濃度的摻雜，可以減小硅片和電極之間的接觸電阻，降低電池的串聯(lián)電阻，但是高的摻雜濃度會導(dǎo)致載流子復(fù)合變大，少子壽命降低，影響電池的開路電壓和短路電流。采用低濃度的摻雜，可以降低表面復(fù)合，提高少子壽命，但是必然會導(dǎo)致接觸電阻的增大，影響電池的串聯(lián)。選擇性發(fā)射極太陽電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以很好地解決這一矛盾[1]。

選擇性發(fā)射極(selective emitter,SE)太陽電池，即在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜，而在電極以外的區(qū)域進(jìn)行低濃度摻雜。這樣既降低了硅片和電極之間的接觸電阻，又降低了表面的復(fù)合[2]，提高了少子壽命。這種結(jié)構(gòu)的電池具有以下3點(diǎn)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）降低串聯(lián)電阻，提高填充因子；

（2）減少載流子復(fù)合，提高表面鈍化效果；

（3）增強(qiáng)電池短波光譜響應(yīng)，提高短路電流和開路電壓。

目前選擇性發(fā)射極的主要實(shí)現(xiàn)工藝[3]有氧化物掩膜法、絲網(wǎng)印刷硅墨水法、離子注入法和激光摻雜法等，其中激光PSG摻雜法由于其工藝過程簡單，從圖1可以看出從太陽電池常規(guī)產(chǎn)線升級成激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池生產(chǎn)線，工藝上只需增加激光摻雜一個步驟，從設(shè)備上來說，只需增加摻雜用激光設(shè)備，與常規(guī)產(chǎn)線的工藝及設(shè)備兼容性很高，是行業(yè)研究的熱點(diǎn)。激光PSG摻雜法是采用擴(kuò)散時產(chǎn)生的磷硅玻璃層作為摻雜源進(jìn)行激光掃描，形成重?fù)诫s區(qū)。目前雖然對激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的理論研究和實(shí)驗(yàn)的報道很多，但是在實(shí)際的大規(guī)模生產(chǎn)中，仍然存在著擴(kuò)散高方阻的均勻性、輕重?fù)诫s區(qū)方塊電阻匹配和印刷正電極的精確對位等問題，本文主要對前兩個問題相關(guān)工藝進(jìn)行研究。

圖1 激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池生產(chǎn)工藝流程

2.實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)采用156.75156.75mm的單晶硅片，厚度180～200μm，電阻率范圍1～3Ω·cm.

2.2 擴(kuò)散工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)計

圖2 擴(kuò)散工藝步驟

擴(kuò)散工藝的基本步驟如圖2所示。在擴(kuò)散工藝中，影響擴(kuò)散后硅片方塊電阻的工藝參數(shù)有大氮?dú)怏w流量、小氮?dú)怏w流量、氧氣流量、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時間和源瓶溫度等參數(shù)。其中，擴(kuò)散時間和擴(kuò)散溫度是大規(guī)模生產(chǎn)中常用的調(diào)整方阻的工藝參數(shù)。目前，激光摻雜選擇性發(fā)射極擴(kuò)散輕摻雜的方快電阻一般在100～110Ω/□之間。本實(shí)驗(yàn)以105Ω/□為目標(biāo)方快電阻，通過縮短擴(kuò)散時間和降低擴(kuò)散溫度兩種方式將正常的85Ω/□升高至目標(biāo)方阻。實(shí)驗(yàn)使用Tempress 4管5恒溫區(qū)擴(kuò)散爐進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)1為將原擴(kuò)散工藝的擴(kuò)散時間縮短4min,實(shí)驗(yàn)2為將原擴(kuò)散工藝的擴(kuò)散溫度降低12℃。每組實(shí)驗(yàn)做一管（500片），擴(kuò)散工藝完成后，從每個恒溫區(qū)的中間位置各抽取一片，使用四探針方塊電阻測試儀測試硅片中心點(diǎn)和四個邊角的方塊電阻。

2.3 激光摻雜工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在激光摻雜工藝中，利用激光的熱效應(yīng)，熔融硅片表層，覆蓋在發(fā)射極頂部的磷硅玻璃（PSG）中的磷原子進(jìn)入硅片表層，磷原子在液態(tài)硅中的擴(kuò)散系數(shù)要比在固態(tài)硅中高數(shù)個數(shù)量級[4]。固化后摻雜磷原子取代硅原子的位置，形成重?fù)诫s層。使用優(yōu)化后的擴(kuò)散工藝，制作方快電阻在105Ω/□的實(shí)驗(yàn)樣片400片，分成四組，每組100片。激光摻雜使用波長532nm的納秒脈沖激光器，分別調(diào)整激光功率至20W、30W、40W和50W,對四組實(shí)驗(yàn)樣片進(jìn)行掃描，形成每條120μm寬的重?fù)诫s區(qū)。對于各組中用于測試方阻的樣品硅片，使用激光掃描20mm20mm的方塊面積。以得到均勻的激光重?fù)诫s區(qū)域，用四探針測試其方塊電阻。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 擴(kuò)散方塊電阻結(jié)果

方塊電阻是衡量擴(kuò)散質(zhì)量是否符合工藝要求的重要指標(biāo)，擴(kuò)散方塊電阻的均勻性尤其重要，直接關(guān)系到后續(xù)工藝的匹配，并最終對太陽電池轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響，用方塊電阻的不均勻度來反應(yīng)方塊電阻的均勻性，不均勻度的計算公式為：

以下是兩組實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散方塊電阻數(shù)據(jù)，并計算了方塊電阻的片內(nèi)均勻性，數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 實(shí)驗(yàn)1擴(kuò)散方塊電阻及片內(nèi)均勻性

表2 實(shí)驗(yàn)2擴(kuò)散方塊電阻及片內(nèi)均勻性

從表1和表2兩組數(shù)據(jù)中可以看出，實(shí)驗(yàn)1方塊電阻的片內(nèi)不均勻度大多數(shù)都在4.0%之內(nèi)，均勻性較好，而實(shí)驗(yàn)2方塊電阻的片內(nèi)不均勻度大多數(shù)都在4.0%以上，其中有三個溫區(qū)在5.0%以上，均勻性較差。通過縮短擴(kuò)散時間減少摻雜雜質(zhì)總量提高方塊電阻，對于工藝氣體流量、溫度場等均沒有較大的影響，因此可以最大程度地保持片內(nèi)方塊電阻的均勻性。擴(kuò)散溫度的降低影響硅片表面磷硅玻璃層的形成，減弱了磷硅玻璃層對磷擴(kuò)散的阻礙作用，使方塊電阻的片內(nèi)均勻性偏差。另外，在大規(guī)模生產(chǎn)中，縮短工藝實(shí)驗(yàn)可以提高產(chǎn)量，節(jié)約生產(chǎn)成本。

3.2 激光摻雜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用四探針對激光掃描的2020mm的樣片進(jìn)行方塊電阻的測量，然后四組實(shí)驗(yàn)在相同的工藝條件下進(jìn)行洗磷刻蝕、PECVD鍍減反膜、絲網(wǎng)印刷電極和燒結(jié)，制成成品電池片，并測試其電性能參數(shù)，不同激光功率對重?fù)诫s區(qū)方塊電阻以及最終對電池串聯(lián)電阻的影響如表3所示：

表3 激光功率對方塊電阻和電池串聯(lián)電阻的影響

從表3中可以看出，當(dāng)激光功率為20W時，方塊電阻變化較小，僅有5Ω/□的降低，電池的串聯(lián)電阻較高。隨著激光功率的增加，方塊電阻明顯降低，電池串聯(lián)電阻呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢。這主要是由于激光功率較小時，不足以使硅片表面溶化，磷原子向硅片表面的摻雜較少，不能形成重?fù)诫s區(qū)，導(dǎo)致金屬電極與發(fā)射極之間無法形成良好的歐姆接觸，使電池的串聯(lián)電阻處于較高的水平。當(dāng)激光功率上升到30W以上時，隨著激光功率的增加，硅片表面溶化的深度不斷加深，摻雜磷原子在硅片表面所能達(dá)到的深度也隨之增加，因此方塊電阻有明顯的降低，低方塊電阻的重?fù)诫s區(qū)與金屬柵線形成良好的歐姆接觸，接觸電阻降低，電池的串聯(lián)電阻得到明顯的改善。當(dāng)激光功率達(dá)到50W時，電池的串聯(lián)電阻有升高的趨勢，這一方面是由于過高的激光功率會使磷硅玻璃部分蒸發(fā)而減少摻雜源[5]，導(dǎo)致磷原子的表面濃度降低，另一方面，激光摻雜，磷硅玻璃作為有限源，當(dāng)激光功率較高時，隨著硅片表面溶化時間和溶化層厚度的增加高濃度區(qū)域加深，磷硅玻璃中更多的磷原子被驅(qū)趕到硅片表層，導(dǎo)致磷原子表面的濃度降低?？傊^高的激光功率會使磷原子的表面濃度降低，不能與金屬電極形成良好的歐姆接觸導(dǎo)致串聯(lián)電阻的升高。

3.3 激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池電性能結(jié)果

表4 不同的激光功率對電池電性能的影響

從表4中可以看出，與常規(guī)電池相比較，激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的開路電壓和短路電流都有明顯的提升。原因是高方塊電阻的輕摻雜發(fā)射極可以有效減少載流子的復(fù)合幾率，提高載流子的收集效率，低表面摻雜濃度還可以使表面態(tài)密度降低，提高表面鈍化效果，最終提高電池的開路電壓和短路電流。另外，選擇性發(fā)射極輕、重?fù)诫s區(qū)的摻雜濃度差形成高低結(jié)，進(jìn)一步提高電池的開路電壓。

不同激光功率對電池轉(zhuǎn)換效率的影響，從上表中可以看出，當(dāng)激光功率為20W時，激光摻雜對硅片重?fù)诫s區(qū)方阻影響不大，雖然由于發(fā)射極的輕摻雜使電池的開路電壓和短路電流都有明顯的提升，但是串聯(lián)電阻過大，導(dǎo)致最終效率較低。當(dāng)激光功率在30W～50W之間時，電池的開路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻等電性能參數(shù)相比常規(guī)電池都有明顯的改善。激光功率在此區(qū)間內(nèi)，隨著功率的增加，開路電壓沒有明顯變化，短路電流隨著功率的增加呈下降的趨勢，主要是激光功率過高時對摻雜區(qū)的絨面有損傷，影響對光的吸收。激光功率大小對串聯(lián)電阻的影響前文已進(jìn)行分析，不再重復(fù)。綜上所述，當(dāng)激光功率在40W,重?fù)诫s區(qū)方阻降至63Ω/□左右時，輕、重?fù)诫s區(qū)工藝匹配達(dá)到最優(yōu)，相比傳統(tǒng)電池，效率有0.24%的提升。

3.4 外量子效率測試結(jié)果

對工藝優(yōu)化的激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池和常規(guī)太陽電池進(jìn)行外量子效率的測試分析，如圖3所示，從圖中可以看出在300nm～520nm波段范圍內(nèi)，激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池的外量子效率相比常規(guī)太陽電池有較明顯的提升，但是在中長波段基本與常規(guī)電池一致。主要是由于激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池發(fā)射極區(qū)域摻雜濃度低，前表面的載流子復(fù)合幾率降低，對光生載流子的收集增加，電池的光譜響應(yīng)增強(qiáng)。

圖3 常規(guī)電池和激光摻雜選擇性發(fā)射極電池的EQE比較

4.結(jié)論

通過縮短擴(kuò)散時間和降低擴(kuò)散溫度兩種方法提高擴(kuò)散的方塊電阻，形成輕摻雜，比較了兩種方法形成的高方塊電阻的均勻性，發(fā)現(xiàn)縮短擴(kuò)散時間提高方塊電阻的方法得到的高方塊電阻的均勻性較好。重?fù)诫s區(qū)方塊電阻匹配的研究，通過改變激光功率形成不同的重?fù)诫s區(qū)方塊電阻，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率在40W左右，重?fù)诫s區(qū)方塊電阻在66Ω/□左右時，工藝達(dá)到最優(yōu)，電池的開路電壓、短路電流和串聯(lián)電阻等參數(shù)均有明顯的改善，最終轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)電池有0.24%的提升。比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽電池和傳統(tǒng)太陽電池的外量子效率，相比傳統(tǒng)太陽電池，激光摻雜選擇性太陽電池主要在300～520nm的短波范圍內(nèi)有較明顯的提升。

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