多晶硅材料特性對太陽能電池效率的影響

劉林華 馬玉英 任現(xiàn)坤

摘 ?????要：研究了太陽能電池生產(chǎn)工藝中多晶硅片的電阻率、小方錠少子壽命及鑄錠區(qū)域?qū)﹄姵剞D化效率的影響。以P型多晶硅片為原材料，通過常規(guī)晶硅電池制作工藝，對不同電阻率范圍的硅片產(chǎn)出電池片性能進行測試分析;采用少子壽命分別為LT<5.5 μs、LT>6.0 μs的小方錠，統(tǒng)計產(chǎn)出硅片的少子壽命和電阻率，并對比分析產(chǎn)出電池片性能;對比多晶硅鑄錠各區(qū)域硅片產(chǎn)出電池片的電性能。研究表明，1.4～2.0 Ω·cm為多晶硅電池制作的最優(yōu)電阻率范圍;方錠少子壽命>6.0 μs的硅片少子壽命與電阻率的平均值都高于方錠少子壽命<5.5 μs的硅片，電池轉化效率同比高0.07%;鑄錠中心區(qū)域的硅片產(chǎn)出電池片的轉化效率要高于邊角區(qū)域。

關 ?鍵 ?詞：多晶硅;太陽能電池;電阻率;少子壽命;鑄錠區(qū)域

中圖分類號：TG441.7 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1140-04

Abstract： The influences of poly-silicon wafer resistivity， minority carrier lifetime and ingot areas in solar cell production process on the conversion efficiency of solar cells were studied. Taking P-type silicon wafers as raw material， several kinds of wafer with different resistivity were screened by silicon inspection machine. And the respective solar cells electrical properties were measured and analyzed. The lifetime and resistivity of small silicon bricks with different lifetime were counted， and electrical properties of respective solar cells were contrasted. The electrical properties of solar cells located in different regions in poly-silicon ingot were analyzed. The results showed that， the best resistivity scope for the solar cells production was 1.4～2.0 Ω·cm. The average lifetime and resistivity of bricks whose lifetime was greater than 6.0 μs all were higher than those whose lifetime was below 5.5 μs; and the conversion efficiency was up 0.07 percent than another. The conversion efficiency of solar cells located in central area was higher than others.

Key words： Multi-crystalline silicon; Solar cell; Resistivity; Lifetime; Ingot area

能源短缺和環(huán)境污染等問題變得日益突出，晶硅太陽能電池已成為當前最為成熟的光伏發(fā)電技術，其中多晶硅太陽能電池的市場份額達70%，是光伏市場的主要產(chǎn)品[1，2]。然而，多晶硅材料特性如氧碳含量、電阻率、少子壽命、晶粒大小以及位錯缺陷等嚴重制約著電池的轉化效率，電阻率與少子壽命是影響多晶硅電池的重要因素[3]。

電阻率是檢測原始硅片摻雜濃度的表征手段之一，多晶硅錠在生長過程中，由底部到頂部電阻率逐漸降低。因此，由不同部位硅錠切出的硅片電阻率不同，導致最終產(chǎn)出的電池轉換效率出現(xiàn)較大差異[4];另外，同一鑄錠角、邊、中心區(qū)域硅片的雜質(zhì)、位錯等缺陷不一致[5]，這些缺陷會導致電池片產(chǎn)出后電性能存在差異。

少子壽命不僅是評價硅片質(zhì)量的主要參數(shù)，而且可以作為評價太陽能電池生產(chǎn)工藝優(yōu)劣的一種主要手段。在一定程度上，少子壽命反映了太陽電池表面和基體對光生載流子的復合程度，即反映了光生載流子的利用程度。為了進一步提升太陽電池的光電轉換效率，必需盡量增加太陽能電池少子壽命，提高少數(shù)載流子擴散長度[7，8]。理論上，少子壽命越長，太陽電池的短路電流和開路電壓越高，太陽電池的轉換效率也會相應地提高[9]。

本文研究了P型多晶硅硅片，電阻率分別為1.0～1.3、1.3～1.4、1.4～1.6、1.6～1.7、1.7～1.8、1.8～2.0，2.0～3.0 Ω·cm的七組硅片經(jīng)過相同的晶硅電池生產(chǎn)工藝流程加工成電池片，并對產(chǎn)出的電池片電性能進行討論分析;統(tǒng)計了小方錠少子壽命與切片后硅片電阻率與少子壽命的關系，并探討了其對電池轉化效率的影響;另外，我們討論了同一鑄錠的角、邊、中心等不同區(qū)域?qū)﹄姵禺a(chǎn)出性能的影響。

1 ?實驗部分

實驗選用尺寸為156.75 mm×156.75 mm，厚度為（190±20）μm，P型多晶硅片，圖1所示為力諾公司2018年統(tǒng)計的某廠家約60 000余片來料硅片電阻率分布直方圖，根據(jù)統(tǒng)計結果，使用硅檢機篩選硅片少子壽命固定范圍1.45～1.6 μs，電阻率分別為1.0～1.3、1.3～1.4、1.4～1.6、1.6～1.7、1.7～1.8、1.8～2.0，2.0～3.0 Ω·cm 7組硅片各400 Pcs，以常規(guī)多晶電池制作工藝（酸制絨→擴散→刻蝕洗磷→PECVD鍍膜→絲網(wǎng)印刷→測試）制作電池，使用Berger機對各電池的電性能進行測試。

根據(jù)供應商提供的少子壽命LT>6.0 μs、LT<5.5 μs兩組小方錠的硅片分別1 000、700 Pcs，先通過硅檢機統(tǒng)計各自電阻率與少子壽命，然后采用相同工藝制作電池，利用Berger機對電性能進行測試分析。為研究鑄錠不同區(qū)域硅片的差異，將G6爐鑄錠（6×6）分為A、B、C區(qū)，如圖2所示，每區(qū)域選取400 Pcs樣品量，采用相同工藝制作電池，并測試分析電性能。

根據(jù)供應商提供的少子壽命LT>6.0 μs、LT<5.5 μs兩組小方錠的硅片分別1 000、700 Pcs，先通過硅檢機統(tǒng)計各自電阻率與少子壽命，然后采用相同工藝制作電池，利用Berger機對電性能進行測試分析。為研究鑄錠不同區(qū)域硅片的差異，將G6爐鑄錠（6×6）分為A、B、C區(qū)，如圖2所示，每區(qū)域選取400 Pcs樣品量，采用相同工藝制作電池，并測試分析電性能。

2 ?結果與討論

2.1 ?硅片電阻率

一般情況下，電池片的Uoc隨著電阻率的上升而降低，這是因為影響Uoc的主要因素是反向飽和電流，而基區(qū)摻雜濃度強烈地影響著反向飽和電流，表現(xiàn)為電阻率越大，基區(qū)摻雜濃度越小，反向飽和電流越大，電池片的Uoc越低[10]。

載流子密度和遷移率是決定電阻率的兩個基本參數(shù)[11]。載流子密度除了受溫度影響外，材料成分是其主要影響因素，而載流子遷移率則主要受材料晶體結構和晶體缺陷的影響。同一個硅錠下，每個部位的化學成分基本相同，載流子密度基本一致，載流子遷移率的變化主要來自晶界狀態(tài)或數(shù)量的變化，進而影響了多晶硅材料的電阻率。金屬雜質(zhì)在晶界處沉積會使電阻率減小，晶粒越小，晶界面積越大，電阻率越小[12]。

Isc主要受以下兩個方面的影響：一是來自金屬雜質(zhì)減少的電流增益，二是反向飽和電流的增加導致電流降低。從數(shù)據(jù)看，電阻率1.0～1.4 Ω·cm時，隨著電阻率的降低金屬雜質(zhì)減少帶來的電流增益大于反向飽和電流的增加導致電流降低，所以Isc隨著電阻率增加而增加。當電阻率大于1.4 Ω·cm時，這兩個方面對Isc的影響達到平衡，Isc趨于穩(wěn)定。

表1為不同電阻率范圍硅片產(chǎn)出的電池片電性能測試結果，圖3給出了電池Uoc、Isc、Ncell與電阻率的變化趨勢?？梢钥闯觯琔oc在電阻率1.0～2.0 Ω·cm內(nèi)，隨電阻率的增加Uoc呈上升趨勢，2.0～3.0 Ω·cm時降低。同一硅錠時，當電阻率小于2 Ω·cm時，電阻率越低，金屬雜質(zhì)越多，導致反向飽和電流越大，電池片的Uoc越低。隨著電阻率的上升，金屬離子雜質(zhì)減少，反向飽和電流降低，Uoc也隨著上升。當電阻率大于2 Ω·cm時，基區(qū)摻雜濃度成為Uoc的主要影響因素，電阻率越大，電池片的Uoc越低。

根據(jù)太陽電池的光電轉化效率公式[13]：

式中：Isc為短路電流， Uoc為開路電壓， Pin為入射功率。顯然地硅片電阻率對效率的影響有一定規(guī)律性，即在電阻率1.0～3.0 Ω·cm內(nèi)，隨電阻率的增加電池片效率呈先增后降的趨勢，且1.4～2.0Ω·cm為多晶硅電池制作的最優(yōu)電阻率范圍。

圖4為通過對來料硅片進行監(jiān)督管控后電阻率的統(tǒng)計分布，與改善前圖1相比，硅片的電阻率極差降低了0.055 1 Ω·cm，電阻率在2.0～3.0 Ω·cm的硅片消失;另外，硅片的電阻率更集中，是一組符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。與此同時通過對產(chǎn)線電池片效率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，電池平均轉換效率提升0.03%，低效電池片（<18.0%）占比同比降低了0.39%。

2.2 小方錠少子壽命

少子壽命作為半導體材料和器件的重要參數(shù)。它直接反映了材料的質(zhì)量和器件特性，并且能夠準確的得到這個參數(shù)，對于半導體器件制造具有重要意義。接下來我們針對小方錠的少子壽命進行了監(jiān)控，并對不同少子壽命的小方錠切片后的電阻率與少子壽命的統(tǒng)計結果進行統(tǒng)計，詳細分布如圖5所示。根據(jù)圖5中硅片電阻率與少子壽命直方圖可以看出，少子壽命LT>6.0 μs的小方錠切出硅片的電阻率和少子壽命均高于LT<5.5 μs的小方錠。

少子壽命作為硅片質(zhì)量的主要評價參數(shù)，在一定程度上影響電池片的最終轉化效率。表2為不同少子壽命小方錠切片后按照相同生產(chǎn)工藝產(chǎn)出電池電性能測試結果，當方錠少子壽命LT>6.0 μs時，產(chǎn)出的電池轉換效率比方錠少子壽命LT<5.5 μs時同比高0.07%。

由此可見，少子壽命對來料硅片的判斷具有極高的參考價值和指導作用，在未來的生產(chǎn)中可以通過對原材料硅片或小方錠的少子壽命進行監(jiān)控，可以有效提高晶硅電池片的轉換效率及成品率。

2.3 ?晶硅鑄錠A、B、C區(qū)域

為了研究不同晶硅鑄錠區(qū)域?qū)﹄姵剞D化效率的影響，分別取晶硅鑄錠A、B、C等三個不同區(qū)域的硅片，按照相同生產(chǎn)工藝產(chǎn)出的電池片電性能測試結果如表3所示。由表中數(shù)據(jù)分析得知，C區(qū)生產(chǎn)的電池片的轉化效率較A區(qū)高0.18%，比B區(qū)高0.08%;其主要原因是硅錠在生長過程中，坩堝的純度與熱場均勻度不同。

對比單晶硅，多晶硅在鑄造生產(chǎn)過程中會引入更多的缺陷和雜質(zhì)，尤其是在接近坩堝的鑄錠邊沿區(qū)域，遭到坩堝污染和晶體生長熱場的影響，晶體質(zhì)量比較差。晶體中部和邊沿部分存在溫度梯度，鑄造時的固液界面無法實現(xiàn)完全的均勻分布，致使鑄錠中部和邊沿部分的硅片質(zhì)量會存在較大不同;同時還存在坩堝污染等因素的影響，在多晶硅鑄造的邊沿部分存在一層低質(zhì)量的晶硅層，即使切除該部分，剩下的硅錠的邊角部分質(zhì)量還是要比中間部分差。作為電池生產(chǎn)廠家，我們優(yōu)先選用C區(qū)的硅片，其次選用B區(qū)硅片。

3 ?結 論

實驗研究了不同電阻率對多晶硅片電性能的影響，可以看出電池制作的最優(yōu)電阻率范圍為1.4～2.0Ω·cm，通過嚴格控制硅片電阻率，選取最優(yōu)電阻率的硅片可以有效提高產(chǎn)出平均效率，降低低效電池片的產(chǎn)出比例。

少子壽命作為評價硅片質(zhì)量的主要參數(shù)，針對小方錠少子壽命，進行LT>6.0 μs與LT<5.5 μs的實驗，發(fā)現(xiàn)少子壽命LT>6.0μs時，切片后硅片電阻率與少子壽命的平均值都要高于LT<5.5 μs方錠的硅片，而且其制作的電池轉換效率也同比高0.07%。

多晶硅鑄錠中心C區(qū)域硅片質(zhì)量最好，產(chǎn)出電池片轉化效率比角邊A、B區(qū)域硅片高0.18%、0.08%;多晶硅電池片的生產(chǎn)與硅片材料特性密切相關，對來料硅片的電阻率、少子壽命、鑄錠不同區(qū)域比例等材料特性進行實時監(jiān)控對提高電池產(chǎn)品效率、成品率具有十分重要的作用。

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