多晶硅背鈍化太陽電池的光致衰減研究

浙江正泰太陽能科技有限公司■劉石勇 何勝 單偉

0 引言

在目前所有的高效晶體硅太陽電池技術(shù)中，背鈍化(Passivated Emitter and Rear Contact，PERC)技術(shù)與常規(guī)工藝的電池生產(chǎn)線兼容性高，生產(chǎn)線改造成本低，效率提升效果明顯，是近年來最具性價(jià)比、被工業(yè)化大規(guī)模推廣的技術(shù)。但是，背鈍化太陽電池面臨一個(gè)較大的技術(shù)難題——光致衰減(LID)較大。由于背鈍化太陽電池采用雙面鈍化結(jié)構(gòu)，大幅降低了表面復(fù)合速率，使電池效率得到了提升，但電池效率受體壽命降低的影響將增大，因此，LID導(dǎo)致的體壽命降低將會(huì)對(duì)電池效率產(chǎn)生致命的影響。此前，LID作為影響晶體硅太陽電池穩(wěn)定發(fā)電的最重要因素，一直未得到良好地解決，如今，背鈍化太陽電池相比常規(guī)工藝的晶體硅太陽電池的LID更加嚴(yán)重。因此，改善LID情況已成為背鈍化太陽電池能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣的關(guān)鍵。尋找可有效抑制背鈍化太陽電池LID的措施，仍是研究人員和產(chǎn)業(yè)界都非常關(guān)心的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

影響晶體硅太陽電池LID的因素很多。對(duì)于摻B的p型多晶硅太陽電池而言，其最主要的影響因素是，光照后會(huì)在硅體內(nèi)形成B-O復(fù)合體的亞穩(wěn)態(tài)缺陷[1]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，B-O缺陷的有效濃度正比于B濃度[2]，并與間隙O濃度的平方成正比[3]。此外，過渡金屬和金屬也會(huì)引起雜質(zhì)缺陷，比如，鐵硼對(duì)[4]、銅雜質(zhì)導(dǎo)致的缺陷[5]，在光照或少子注入后，這些缺陷都會(huì)捕獲少數(shù)載流子，從而降低體壽命，導(dǎo)致電池效率衰減。對(duì)于B-O復(fù)合體的亞穩(wěn)態(tài)缺陷，通常采用降低硅材料中B或O的含量，如用其他摻雜元素來替代B的方法來處理。對(duì)于鐵硼對(duì)和與銅雜質(zhì)相關(guān)的缺陷，可通過提高材料的純度來減弱或抑制LID；在雜質(zhì)含量不高的情況下，則可在電池工藝過程中通過吸雜和鈍化來減弱LID。本文對(duì)量產(chǎn)中的多晶硅背鈍化太陽電池的LID特性進(jìn)行了系列研究，分析了硅片種類和氫鈍化技術(shù)對(duì)此類太陽電池LID情況的影響，最終使多晶硅背鈍化太陽電池的LID程度與常規(guī)工藝的太陽電池的程度相同。

1 實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)所使用的多晶硅片有摻B、摻Ga、B-Ga共摻3種類型，硅片厚度約為180 μm，電阻率范圍為0.5～3 Ω·cm，規(guī)格為156.75 mm×156.75 mm。多晶硅背鈍化太陽電池的制備流程為：1)硅片在HNO3/HF制絨、POCl3熱擴(kuò)散制備p-n結(jié)、去磷硅玻璃工序之后，采用原子層沉積設(shè)備(ALD)在背表面沉積AlOx薄膜；2)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)的氣相沉積法(PECVD)在硅片前表面和背面的 AlOx薄膜上再沉積SiNx薄膜；3)背面激光開窗并印刷、燒結(jié)正電極和背電極。電池制備完成后，對(duì)電池進(jìn)行暴曬，暴曬樣品選擇效率集中的幾個(gè)檔位的電池片，采用3B級(jí)太陽光模擬器，輻照度約為1000 W/m2，溫度約為60 ℃。然后，通過I-V測試儀在標(biāo)準(zhǔn)條件AM1.5下對(duì)實(shí)驗(yàn)前、后的電池性能進(jìn)行測試對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

對(duì)采用不同摻雜類型的多晶硅片制備的背鈍化太陽電池進(jìn)行暴曬測試，其LID結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同摻雜類型的多晶硅片制備的背鈍化太陽電池的LID情況

從圖1可以看出，不同摻雜類型的多晶硅片制備的背鈍化太陽電池的LID情況差別較大。經(jīng)過2 kWh/m2暴曬后，摻Ga和B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池的LID都較小，分別為0.76%和0.96%；而摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的LID已達(dá)到2.10%。隨著暴曬時(shí)間加長，LID逐漸增加，3種不同摻雜類型的多晶硅背鈍化太陽電池的LID差別也隨之增大。經(jīng)過60 kWh/m2的暴曬后，摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池的LID最小，為2.10%；其次是B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池，其LID為2.47%，而摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的功率衰減最大，LID達(dá)到6%。

摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的LID最嚴(yán)重，主要原因是光照會(huì)使摻B硅片中的B和間隙O形成 B-O復(fù)合體，從而捕獲少數(shù)載流子，降低了體壽命。硅片中B和O的含量越高，電池的LID越嚴(yán)重。為了降低硅片中B的含量，提出了Ga摻雜技術(shù)，使用Ga元素替代B元素。Ga在晶體硅中的共價(jià)原子半徑為126 pm，比B(82 pm)和Si(118 pm)都大，其較大的原子半徑阻礙了Ga和O在晶格中的復(fù)合，不能形成亞穩(wěn)態(tài)Ga-O復(fù)合體[6]，從而可以抑制晶體硅太陽電池的LID。因此，由圖1可以看出，摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池的LID最小。

B-Ga共摻是使用Ga元素替代部分B元素，降低硅片中B含量，也可以減少B-O復(fù)合體的形成幾率。從圖1可以看出，相比摻B的多晶硅背鈍化太陽電池，B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池的LID得到明顯改善，只是略高于摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池。雖然Ga摻雜技術(shù)可明顯降低電池的LID，但由于Ga的分凝系數(shù)低，會(huì)導(dǎo)致硅片電阻率分布不均勻，影響電池性能。尤其在產(chǎn)業(yè)化情況下，純摻Ga的硅片的質(zhì)量不均勻性會(huì)嚴(yán)重影響電池在量產(chǎn)中的質(zhì)量管控。因此，產(chǎn)業(yè)化中采用B-Ga共摻硅片來改善多晶硅背鈍化太陽電池的LID情況是更為可行的方案。

摻Ga硅片中無B原子，不會(huì)形成B-O復(fù)合體，但摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池仍存在LID現(xiàn)象。因此，在多晶硅背鈍化太陽電池中，除了B-O復(fù)合體外，還有硅片中的其他雜質(zhì)，如Fe等過渡金屬離子，也會(huì)導(dǎo)致電池的LID。Fe等過渡金屬雜質(zhì)的離子帶正電荷，將向帶負(fù)電荷的AlOx鈍化層方向的表面電荷區(qū)聚集，逐漸使背面鈍化效果部分失效，導(dǎo)致背鈍化太陽電池的LID比常規(guī)工藝的電池更大。因此，還需要通過其他技術(shù)，如吸雜預(yù)處理減少金屬雜質(zhì)或鈍化體缺陷等方法，來進(jìn)一步改善背鈍化太陽電池的LID性能。

在太陽電池中，氫鈍化是一種常用的鈍化技術(shù)。硅片前表面SiNx薄膜中含有濃度很高的H原子，這些H原子能夠有效地鈍化晶體硅表面的懸掛鍵，降低表面復(fù)合速率，但是這些H原子卻很難擴(kuò)散進(jìn)入硅片基體中來鈍化體缺陷。由于太陽電池的發(fā)射結(jié)區(qū)域有大量的磷正離子(P+)，從SiNx層中擴(kuò)散過來的H原子大部分會(huì)被P原子束縛住形成P-H復(fù)合體，即使有部分自由的H原子繼續(xù)向體內(nèi)擴(kuò)散，其必須穿越具有勢壘高度的空間電荷區(qū)。因此，在SiNx層中，真正能擴(kuò)散進(jìn)入硅基體內(nèi)部的H原子濃度非常低，需要通過外界因素來誘導(dǎo)H原子鈍化體缺陷。

光注入與電注入都可改善多晶硅背鈍化太陽電池的LID情況。注入處理需在加熱環(huán)境下進(jìn)行，在一定的溫度下，H元素以自由的H+形式存在，溫度增加可提高自由H+的濃度和擴(kuò)散速率，這樣H+能以更快的速度擴(kuò)散到硅基體。但溫度過高會(huì)對(duì)電池表面的電極性能造成一定的惡化，優(yōu)化后的溫度范圍為200～300 ℃。此外，電注入處理時(shí)需對(duì)電池施加正向直流偏壓，以降低空間電荷區(qū)中的勢壘高度，光注入處理是對(duì)電池的受光面進(jìn)行強(qiáng)光照射，二者的目的都是使正面SiNx薄膜中H原子更容易穿越空間電荷區(qū)進(jìn)入基體中來鈍化體缺陷。本實(shí)驗(yàn)中電注入處理時(shí)采用10～20 A的電流，處理30～60 min；光注入處理是在20～30個(gè)太陽光強(qiáng)度下，照射約1 min。圖2為光注入和電注入處理對(duì)B-Ga共摻和摻B的多晶硅背鈍化太陽電池LID的影響。由圖2可知，電注入處理效果更佳。

由圖2可知，經(jīng)過24 kWh/m2暴曬后，電注入處理后的B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池的LID降低到1.31%，光注入處理后的LID降低到1.93%，都已經(jīng)優(yōu)于常規(guī)工藝太陽電池的LID(圖1中，經(jīng)過24 kWh/m2暴曬后，常規(guī)工藝太陽電池的LID約為2.00%)。同樣，經(jīng)過24 kWh/m2暴曬后，未經(jīng)處理的摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的LID為5.60%，電注入處理后LID降至2.37%，基本與常規(guī)工藝太陽電池的LID情況相當(dāng)。光注入處理雖能改善LID情況，但其值還是偏大，為3.90%。這是由于摻B的多晶硅太陽電池中含有較多的B-O復(fù)合體、晶界位錯(cuò)和過渡金屬雜質(zhì)等缺陷，目前的光注入工藝誘導(dǎo)的H原子數(shù)量可能不足以鈍化這些缺陷；而電注入工藝通過調(diào)節(jié)不同的電流和注入時(shí)間更易于實(shí)現(xiàn)鈍化缺陷，因此，電注入工藝對(duì)降低LID的效果更好。

將采用不同工藝制備的電池分別制成組件，再進(jìn)行長時(shí)間的戶外暴曬，然后跟蹤對(duì)比組件LID的變化趨勢，如圖3所示。

圖2 光注入和電注入處理對(duì)B-Ga共摻和摻B的多晶硅背鈍化太陽電池LID的影響

圖3 戶外暴曬時(shí)不同類型組件LID隨輻照量的變化關(guān)系

由圖3可知，隨著暴曬時(shí)間增加，前期組件LID快速增加；當(dāng)暴曬輻照量達(dá)到100 kWh/m2時(shí)，組件的LID增加幅度明顯減慢，功率逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)暴曬輻照量增加到350 kWh/m2后，電注入處理的B-Ga共摻的多晶硅背鈍化組件的LID最小，為1.81%，未處理的B-Ga共摻的多晶硅背鈍化組件和電注入處理的摻B的多晶硅背鈍化組件的LID都稍高于常規(guī)工藝組件，分別為2.02%和2.12%，但都屬于組件的LID的正常范圍。簡而言之，通過采用B-Ga共摻的硅片或電注入處理的摻B硅片，都可以較好的解決多晶硅背鈍化組件戶外暴曬時(shí)LID過大的問題，而采用電注入處理的B-Ga共摻的硅片可以制備出光穩(wěn)定性更高的組件。

3 結(jié)論

本文研究了不同摻雜類型的硅片和氫鈍化技術(shù)對(duì)量產(chǎn)多晶背鈍化太陽電池LID特性的影響，得到結(jié)論如下：

1)摻Ga或B-Ga共摻的多晶硅片都可顯著抑制背鈍化太陽電池的LID，但摻Ga電池的LID更小。然而由于摻Ga的硅片質(zhì)量不均勻，因此，量產(chǎn)中更多是采用B-Ga共摻硅片。

2)通過電注入或光注入誘導(dǎo)氫鈍化技術(shù)可進(jìn)一步改善多晶硅背鈍化太陽電池的LID，其中，電注入處理對(duì)多晶硅背鈍化太陽電池的改善效果更佳。

3)采用B-Ga共摻的硅片或電注入處理的摻B硅片都能較好解決LID過大的問題。當(dāng)采用電注入處理的B-Ga共摻電池技術(shù)路線時(shí)，甚至可制備出光穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)工藝的組件，戶外暴曬350 kWh/m2后，制備出的組件的LID僅為1.81%。