SE+PERC太陽電池?cái)U(kuò)散工藝的研究

張建軍，張志敏，張進(jìn)臣，靳迎松，劉 苗

(晶澳太陽能有限公司，邢臺(tái) 055550)

0 引言

晶體硅太陽電池PERC技術(shù)已成為提高太陽電池效率的主流技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，選擇性發(fā)射極(selective emiter，SE)激光摻雜技術(shù)也已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，成為新一代主流技術(shù)。SE晶體硅太陽電池是在電極區(qū)域進(jìn)行高濃度摻雜，在光吸收區(qū)域進(jìn)行低濃度輕摻雜，這樣可在輕摻雜區(qū)和高摻雜區(qū)的交界處獲得1個(gè)橫向n+/n高低結(jié)，并在電極柵線下獲得1個(gè)n+/p結(jié)。該結(jié)構(gòu)可以降低發(fā)射極接觸電阻和發(fā)射區(qū)暗飽和電流，提升填充因子、短路電流和開路電壓，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率[1]。在諸多SE的制備方案中，激光磷硅玻璃(Phospho Silicate Glass，PSG)摻雜法憑借其產(chǎn)線兼容性高的優(yōu)點(diǎn)，迅速被各大太陽電池制造公司引進(jìn)，并且這些太陽電池制造公司在短時(shí)間內(nèi)完成了產(chǎn)線的技術(shù)升級(jí)改造。

SE激光PSG摻雜法的原理為：p型硅片擴(kuò)散后，在硅片表面形成一層富磷的PSG層，SE激光發(fā)射器利用這層富磷PSG層作為摻雜源，高頻下發(fā)射激光脈沖熔融硅片表層，使PSG層中的磷原子推進(jìn)到硅片表層，摻雜磷原子固化后會(huì)快速取代硅原子的位置，從而達(dá)到摻雜原子擴(kuò)散推進(jìn)的目的[2]。

在這一過程中，為了使PSG層中的“P”(即磷原子)更多的摻雜到硅中，弭轍等[3]對(duì)比了不同激光功率摻雜條件下制備的太陽電池的電性能，然后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，SE太陽電池的串聯(lián)電阻會(huì)隨著激光功率的升高而下降；但當(dāng)激光功率達(dá)到閾值時(shí)，磷原子在硅片表層的濃度會(huì)隨著功率的增強(qiáng)而下降，導(dǎo)致發(fā)射極與金屬電極歐姆接觸變差。同時(shí)，在掃描顯微鏡下觀察激光摻雜后的硅片表面也可以發(fā)現(xiàn)，較低的激光功率對(duì)絨面尖端造成的損傷較小，而較強(qiáng)的激光功率則會(huì)破壞整個(gè)絨面結(jié)構(gòu)。

激光摻雜設(shè)備以PSG作為摻雜源，設(shè)備功率的閾值與PSG層有密切的相關(guān)性；一是PSG層中“P”的濃度；二是PSG層的厚度。激光摻雜作用下，PSG層中充足的“P”可以保證激光功率的持續(xù)作用，而致密且足夠厚的PSG層可以保證激光脈沖轟擊硅片表面時(shí)減輕絨面的損傷，降低懸掛鍵、位錯(cuò)缺陷，從而提高電池的開路電壓[3]。

根據(jù)上述理論分析，本文研究了一種適用于SE+PERC太陽電池的新擴(kuò)散工藝，可以提高擴(kuò)散后硅片表層PSG層的厚度及“P”的摻雜濃度，在激光摻雜過程中保護(hù)激光摻雜區(qū)域的p-n結(jié)和提高摻雜區(qū)域“P”的濃度，改善電池的開路電壓和串聯(lián)電阻，進(jìn)而有效提升電池的轉(zhuǎn)換效率。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用德國(guó)PV-tools的TLM測(cè)試儀測(cè)量成品電池的方塊電阻和接觸電阻；采用美國(guó)Sinton的WCT120少子壽命測(cè)試儀測(cè)量硅片擴(kuò)散后的少子壽命；采用美國(guó)四維方塊電阻測(cè)試儀測(cè)量硅片擴(kuò)散后的方塊電阻；采用德國(guó)WEP公司的CVP21測(cè)量激光摻雜后硅片表面p-n結(jié)的深度(下文簡(jiǎn)稱“結(jié)深”)及擴(kuò)散層的表面磷擴(kuò)散濃度；采用德國(guó)Sentech的SE400激光橢偏儀測(cè)量擴(kuò)散后硅片表面的PSG層厚度；采用日本JSM-6510掃描電鏡掃描激光摻雜后硅片的絨面形貌；采用德國(guó)Halm高精度I-V測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量成品電池的轉(zhuǎn)換效率。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用1600片邢臺(tái)晶龍電子材料有限公司生產(chǎn)的同一根硅棒切片的p型直拉單晶硅片，硅片厚度為 180±10 μm，電阻率為 0.8～1.2 Ω·cm，硅片尺寸為157 mm×157 mm，少子壽命為80 μs以上。

利用RENA單晶制絨機(jī)對(duì)選取的1600片硅片樣品進(jìn)行堿制絨及清洗處理，制絨減薄量控制在0.5～0.6 g。將制絨后的硅片平均分為2組(下文簡(jiǎn)稱“1#組樣品”“2#組樣品”)，每組各800片；1#組樣品采用常規(guī)擴(kuò)散工藝制備p-n結(jié)，2#組樣品采用本文提出的新擴(kuò)散工藝制備p-n結(jié)。2種擴(kuò)散工藝的步驟分別為：

1)常規(guī)擴(kuò)散工藝(兩步擴(kuò)散法)：進(jìn)舟→升溫→抽真空→檢漏→前氧→低溫通源→低溫推進(jìn)→高溫通源→高溫推進(jìn)/再分布→后氧。

2)新擴(kuò)散工藝：進(jìn)舟→升溫→抽真空→檢漏→前氧→低溫通源→低溫推進(jìn)→高溫通源→高溫推進(jìn)/再分布→原位氧化→低溫補(bǔ)源→后氧。

新擴(kuò)散工藝與常規(guī)擴(kuò)散工藝的區(qū)別在于其增加了原位氧化和低溫補(bǔ)源這2個(gè)步聚。

將2組樣品采用相同的摻雜激光、刻蝕、鍍膜、開槽激光及印刷燒結(jié)工藝處理之后，測(cè)試制備出的電池(下文簡(jiǎn)稱“1#組電池”“2#組電池”)的電性能參數(shù)。SE+PERC太陽電池的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 SE+PERC太陽電池的生產(chǎn)流程圖Fig. 1 SE+PERC solar cell process flow

2 結(jié)果及分析

2.1 方塊電阻分析

分別抽取位于爐口、爐中及爐尾位置的1#組樣品和2#組樣品各2片，測(cè)試其擴(kuò)散后的方塊電阻及激光摻雜后的方塊電阻；同時(shí)經(jīng)統(tǒng)一工序?qū)?組樣品制成成品電池，采集電池的電性能參數(shù)并測(cè)試其接觸電阻值。

1#組樣品、2#組樣品擴(kuò)散后，在相同方塊電阻的情況下，經(jīng)過相同的激光摻雜工藝(功率30 W、單脈沖能力0.12 mJ、線寬120 μm)處理之后，2#組樣品摻雜前、后方塊電阻的下降值比1#組樣品的提升了17 Ω，如表1所示。

表1 2組樣品激光摻雜前、后的方塊電阻數(shù)據(jù)Table 1 Before and after laser doping of square resistance data of two groups of samples

采用新擴(kuò)散工藝使PSG層含“P”量更高，在激光高溫推進(jìn)下，PSG中更多的磷原子會(huì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)部，硅片表面磷原子濃度得到提高，與金屬柵線可以形成更好的歐姆接觸，降低接觸電阻，從而改善電池的串聯(lián)電阻。因此，2#組電池的接觸電阻比1#組電池有所降低，導(dǎo)致2#組電池的串聯(lián)電阻降低，效率提升明顯，如圖2所示。

圖2 2組電池的接觸電阻和串聯(lián)電阻Fig. 2 Contact resistances and series resistances of two groups of solar cells

2.2 擴(kuò)散結(jié)深、表面磷濃度測(cè)試

從2種擴(kuò)散工藝制備的1#組樣品和2#組樣品中，各取3片樣品進(jìn)行SE激光摻雜，每片硅片樣品均測(cè)試其中央點(diǎn)。利用肖特基勢(shì)壘在反向偏壓時(shí)的電容特性，使用ECV電化學(xué)電容電壓方法測(cè)量硅片中磷原子摻雜濃度及其深度分布，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同擴(kuò)散工藝在激光摻雜后，硅片中磷原子摻雜濃度及其深度分布Fig. 3 Doping concentration and depth distribution of phosphorus atom in silicon wafers after laser doping with different diffusion processes

硅片表面摻雜濃度較低(＜1019cm-3)時(shí)，電流傳輸主要依賴于熱電子發(fā)射；摻雜濃度較高(＞1019cm-3)時(shí)，勢(shì)壘寬度變窄，導(dǎo)電主要依賴于隧道效應(yīng)，接觸電阻會(huì)大幅下降，二者的接觸電阻值相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。從圖3中可以看出，新擴(kuò)散工藝通過增加原位氧化+低溫補(bǔ)源2個(gè)步驟后，硅片表面磷擴(kuò)散濃度較常規(guī)擴(kuò)散工藝的要高很多，這樣硅片采用新擴(kuò)散工藝后制備的電池的金屬電極與發(fā)射極之間可以形成更好的歐姆接觸，串聯(lián)電阻會(huì)更低。

2.3 PSG層厚度及重?fù)絽^(qū)域SEM電子掃描微觀形貌分析

利用拋光片測(cè)試1#組樣品、2#組樣品擴(kuò)散后的PSG層厚度，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 2組樣品擴(kuò)散后的PSG層厚度Table 2 Thickness of PSG layer after diffusion of two groups of samples

從表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，新擴(kuò)散工藝在擴(kuò)散爐管內(nèi)石英舟不同位置的硅片生長(zhǎng)PSG層厚度的均值約為32.8 nm，較常規(guī)擴(kuò)散工藝提升了6 nm以上。新擴(kuò)散工藝使PSG層厚度變厚，更利于保護(hù)硅片表面的n型結(jié)，避免了激光摻雜過程中的晶格損傷。

利用HF酸洗掉硅片表面的PSG層后，采用SEM電子顯微鏡觀察硅片可以看出，使用常規(guī)擴(kuò)散工藝制備的PSG層在SE激光摻雜過程中不能完全保護(hù)硅片絨面，部分金字塔被破壞，這對(duì)硅片表面鈍化產(chǎn)生不利影響。而新擴(kuò)散工藝的PSG層更厚且更致密，在SE激光摻雜過程中絨面得到了很好的保護(hù)，未出現(xiàn)絨面損傷的現(xiàn)象，避免了硅片少子壽命的下降。

圖4 2組樣品SE激光摻雜后硅片的絨面形貌Fig. 4 Textural morphology of silicon wafers after SE laser doping of two groups of samples

2.4 電性能數(shù)據(jù)

將2組樣品分別按正常SE+ PERC太陽電池制備工藝流程制備成品電池，新擴(kuò)散工藝制備的電池在開路電壓、填充因子上有明顯優(yōu)勢(shì)，原因是SE擴(kuò)散的輕摻區(qū)域表面磷濃度更低、開路電壓更高，同時(shí)重?fù)絽^(qū)域晶格損傷小、開路電壓也有優(yōu)勢(shì)；此外，在0.05～0.1 μm結(jié)深范圍內(nèi)，漿料與硅片歐姆接觸區(qū)域的接觸電阻更小，填充因子更高；新擴(kuò)散工藝制備的電池效率提升了0.2%，如表3所示。

表3 2種工藝制備的電池的電性能對(duì)比數(shù)據(jù)Table 3 Comparison of electrical performance of solar cells prepared by two processes

3 結(jié)論

本文針對(duì)激光摻雜技術(shù)匹配的擴(kuò)散工藝進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，新擴(kuò)散工藝增加了原位氧化+低溫補(bǔ)源2個(gè)步驟，其主要優(yōu)勢(shì)是擴(kuò)散后在硅片表面生長(zhǎng)出的PSG層更厚，在激光設(shè)備對(duì)硅片摻雜時(shí)減輕了激光損傷；同時(shí)，表面更高濃度的磷摻雜可以保證激光高功率摻雜時(shí)有足夠的磷原子可供使用。利用新擴(kuò)散工藝制備的SE+PERC太陽電池的轉(zhuǎn)換效率可提升0.2%，開路電壓可提升0.0085 V，填充因子可提升0.9%。