高效率N型離子注入太陽電池技術(shù)的研究

光伏材料與技術(shù)國家重點實驗室 英利能源（中國）有限公司 劉 瑩 張 偉 吳萌萌 李英葉 陳志軍

離子注入技術(shù)已經(jīng)成功的從IC(集成電路)制造中延伸到了太陽能池的制造過程中，并且成為N型單晶太陽能池的研究熱點。我們在電阻率為1-3Ω.cm的N型硅片基底上，采用離子注入技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)的太陽能電池的最高效率達到12.2%，平均轉(zhuǎn)化效率為20.9%。我們還進行了離子注入摻雜技術(shù)對方塊電阻的摻雜曲線、均勻性、及電池參數(shù)的影響研究。

1 研究背景與內(nèi)容

高效率低成本是太陽能電池技術(shù)的發(fā)展方向，電池效率的提升將依賴于新材料，新結(jié)構(gòu)，新工藝的建立。目前P型硅電池的效率瓶頸已越發(fā)明顯，N型晶體硅電池由于其高少子壽命和無光致衰減等特性，具有更大的效率提升空間和穩(wěn)定性。N-PERT（N-type Passivated Emitter，Rear Totally-diffused cell），鈍化發(fā)射極背面全擴散電池的背場結(jié)構(gòu)以及正背面的鈍化層都可以有效降低電池的表面復(fù)合，提高電池效率，同時，該結(jié)構(gòu)電池具有具有結(jié)構(gòu)簡單，制備成本低，工藝流程短等優(yōu)點。本文研究主要內(nèi)容有：（1）離子注入N-PERT的電池結(jié)構(gòu)及制備過程；（2）將離子注入技術(shù)應(yīng)用于N-PERT電池中，分析其對背場摻雜均勻性和電池參數(shù)的影響。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 N-PERT電池結(jié)構(gòu)及工藝流程

N-PERT電池是一種典型的雙面電池，其正面為硼摻雜的發(fā)射極，背面為磷摻雜的背場，正背面均有氧化硅鈍化層、氮化硅減反射膜和金屬電極。N-PERT電池的制備過程中硼、磷摻雜過程多采用了高溫熱擴散方式，在不增加其他工序的條件下，其他常規(guī)熱擴散方很難形成雙面均勻的摻雜層，成為N-PERT電池效率提升的技術(shù)難題。

為提高N-PERT電池的背場質(zhì)量，同時簡化制備過程，我們引入了磷離子注入技術(shù)，用它代替常規(guī)的POCl3熱擴散，圖1為離子注入N-PERT電池的工藝流程圖。

圖1 離子注入N-PERT電池工藝流程圖

2.2 磷注入硅片方塊電阻均勻性和ECV的研究

分別采用磷離子注入方式以及常規(guī)管式POCl3擴散方式對硅片的表面進行磷摻雜，并使用四探針測試儀對方塊電阻進行測試。離子注入方式采用4.0E15 ions/cm2的注入劑量，POCl3擴散采用850℃、30min的工藝；后續(xù)進行900℃、15min的退火處理。為查看其均勻性，我們對硅片進行49點方塊電阻進行掃描測試，得出數(shù)據(jù)如圖2所示。同時，我們通過ECV測試對磷離子注入和磷擴散對應(yīng)的磷摻雜濃度進行比對，如圖3所示。

圖2 磷擴散與磷離子注入方塊電阻對比

圖3 不同摻雜方式的磷摻雜濃度分布對比

表1 電池電學參數(shù)

圖2中可以看出通過磷擴散的方塊電阻在22-32Ω/□范圍內(nèi)，標準偏差為2.45%；而磷離子注入的方塊電阻在28-32Ω/□范圍內(nèi)，其標準偏差為0.64%，磷注入方式的均勻性明顯好于磷擴散方式。圖3中磷注入方式比磷擴散方式的摻雜濃度整體降低，雜質(zhì)摻雜濃度低同樣可以降低其表面復(fù)合速率。

2.3 離子注入電池電學參數(shù)研究

為進一步驗證離子注入和磷擴散兩種方式引起的電池性能的差異，我們實驗兩組硅片，每組300片，G1為磷擴散電池，G2為磷離子注入電池。表1列出了電池的電學參數(shù)。磷擴散電池與磷離子注入電池的正面電池平均效率分別為20.40%和20.95%，磷離子注入電池有0.55%的效率增益，主要來自于開路電壓和電流密度的提升。這是因為受高溫下固溶度的影響，磷擴散的背面摻雜濃度很難降低，而磷離子注入技術(shù)能夠使電池背面的摻雜濃度得到有效降低。

結(jié)論：綜上所述，磷離子注入N型電池比磷擴散N型電池的電池性能有有顯著提高。磷離子注入后背場摻雜的均勻性明顯改善。另外，磷離子注入技術(shù)使背場摻雜濃度降低，有效降低電池背面的復(fù)合損失；磷離子注入電池的電池效率明顯高于磷擴散電池的電池效率，電池效率絕對值增益達到0.55%。