PERC單晶硅太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑 原因的研究

王貴梅，王德昌，許志衛(wèi)，王玉濤，劉 苗

(晶澳太陽能有限公司，邢臺(tái) 055550)

0 引言

目前，電致發(fā)光(EL)/光致發(fā)光 (PL)測試已被大部分太陽電池制造企業(yè)用于檢驗(yàn)晶體硅太陽電池成品的質(zhì)量或進(jìn)行在線產(chǎn)品的質(zhì)量控制。通過EL和PL測試可得到晶體硅太陽電池的EL和PL圖像，通過查看這2種圖像可得到該太陽電池的相關(guān)信息。

EL圖像的明暗度與晶體硅太陽電池的少子擴(kuò)散長度和注入電流密度成正比，當(dāng)晶體硅太陽電池內(nèi)部存在缺陷時(shí)，其少子壽命的分布會(huì)呈現(xiàn)明暗差異，從而導(dǎo)致其EL圖像顯示也存在明暗差異，通過分析EL圖像可以發(fā)現(xiàn)晶體硅太陽電池存在的缺陷。PL測試可以發(fā)現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)與組分情況，因此可以從晶體硅太陽電池的PL圖像中獲得其材料的多種本質(zhì)信息[1]。

本文針對(duì)EL圖像邊緣發(fā)黑的PERC單晶硅太陽電池(下文簡稱“太陽電池”)的電性能進(jìn)行了測試，以分析出導(dǎo)致其EL圖像邊緣發(fā)黑的原因，并通過相關(guān)測試進(jìn)行驗(yàn)證。

1 測試儀器與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 測試儀器

采用德國WAVELABS公司生產(chǎn)的型號(hào)為SINUS-200的太陽電池測試系統(tǒng)檢測成品太陽電池的電性能和進(jìn)行EL測試；采用美國Four Dimensions公司型號(hào)為model 520-1的四探針電阻測試儀測試擴(kuò)散工藝后太陽電池的擴(kuò)散方阻；采用東莞威森智能科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為PLVL1000的離線PL檢測機(jī)進(jìn)行太陽電池的PL測試；采用美國PV Measurements公司的型號(hào)為QEX10的量子轉(zhuǎn)換效率量測系統(tǒng)測試成品太陽電池的量子效率(QE)；采用美國Sinton公司的型號(hào)為WCT120的測試儀測試成品太陽電池的Suns-Voc和偽填充因子pFF；采用德國PV-Tools公司的接觸電阻測試儀TLM-scan測試成品太陽電池的橫向電阻；采用日本電子公司的JSM-6510掃描電鏡掃描太陽電池EL圖像發(fā)黑位置的元素類型。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過對(duì)太陽電池進(jìn)行EL測試，找到EL圖像邊緣發(fā)黑的成品太陽電池，并將EL圖像發(fā)黑位置標(biāo)注在太陽電池上相應(yīng)位置，然后對(duì)EL圖像邊緣發(fā)黑的異常太陽電池(下文簡稱“異常太陽電池”)進(jìn)行相關(guān)的性能測試，根據(jù)測試結(jié)果推斷太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑的原因；最后對(duì)推測的原因進(jìn)行驗(yàn)證。

2 太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑的原因分析

對(duì)EL測試中發(fā)現(xiàn)的異常太陽電池(其EL圖像如圖1所示)進(jìn)行電性能、QE、Suns-Voc、TLM-scan測試及分析，以此推斷其EL圖像邊緣發(fā)黑的原因。

圖1 EL圖像邊緣發(fā)黑Fig. 1 EL image has black edges

2.1 電性能測試

對(duì)異常太陽電池和正常太陽電池進(jìn)行電性能測試，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析，二者的電性能差異情況如表1所示。

表1 異常太陽電池與正常太陽電池的電性能差異Table 1 Difference in electrical performance between abnormal solar cells and normal solar cells

由表1可知，與正常太陽電池相比，異常太陽電池的EIPC、Voc、Isc、FF、Rs及Rsh均偏低，但I(xiàn)rev2高。

2.2 QE測試

對(duì)異常太陽電池和正常太陽電池進(jìn)行QE測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 異常太陽電池和正常太陽電池的QE測試結(jié)果Fig. 2 QE test results of abnormal solar cells and normal solar cells

由圖2可知，在短波波段，相較于正常太陽電池，異常太陽電池的響應(yīng)較差，說明其前表面復(fù)合鈍化效果比正常太陽電池的差；在長波波段，正常太陽電池與異常太陽電池的響應(yīng)效果基本持平。

2.3 Suns-Voc測試

分別選取5片異常太陽電池和正常太陽電池，采用WCT120測試儀進(jìn)行測試，并得到了這些太陽電池的Suns-Voc數(shù)據(jù)，具體如表2所示。

由表2可知，異常太陽電池的Voc均值比正常太陽電池的低約15 mV；對(duì)于表征體鈍化效果和原材料性能的pFF值，2種太陽電池的差異不大；對(duì)于表征準(zhǔn)中性基區(qū)和發(fā)射極區(qū)中復(fù)合產(chǎn)生飽和暗電流的J01，異常太陽電池的均值比正常太陽電池的高約1倍；對(duì)于表征空間電荷區(qū)中的復(fù)合產(chǎn)生飽和暗電流的J02，異常太陽電池的均值比正常太陽電池的偏高。

表2 異常太陽電池與正常太陽電池的Suns-Voc測試結(jié)果Table 2 Suns-Voc test results of abnormal solar cells and normal solar cells

將Suns-Voc數(shù)據(jù)結(jié)合QE測試結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)太陽電池的前表面減反射膜鈍化出現(xiàn)異常時(shí)，其橫向電阻不會(huì)伴隨出現(xiàn)異常，而太陽電池的發(fā)射極被污染會(huì)導(dǎo)致太陽電池的橫向電阻出現(xiàn)異常，因此需進(jìn)一步利用TLM-scan測試太陽電池的橫向電阻。

2.4 TLM-scan測試

選取功率檔相同的異常太陽電池和正常太陽電池各1片，各自切割成面積相同的5段，并分別在每段太陽電池上基于太陽電池表面柵線的數(shù)量和間距取15個(gè)測試點(diǎn)，保證所有測試點(diǎn)覆蓋每段太陽電池區(qū)域且分布均勻；然后利用接觸電阻測試儀TLM-scan測試太陽電池各測試點(diǎn)處的橫向電阻，以便于進(jìn)一步明確太陽電池的EL圖像邊緣發(fā)黑是否是由發(fā)射極異常造成的。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 2種太陽電池各測試點(diǎn)處的橫向電阻Fig. 3 Lateral resistance at each test points of two kinds of solar cells

由圖3可知，正常太陽電池各測試點(diǎn)處的橫向電阻基本在120±3 Ω的范圍內(nèi)波動(dòng)；而異常太陽電池的EL圖像邊緣發(fā)黑位置對(duì)應(yīng)測試點(diǎn)(即圖中的1～3及12～15測試點(diǎn))的橫向電阻較其中心位置(即圖中的4～11測試點(diǎn))的橫向電阻小60 Ω以上。由于太陽電池表面柵線之間具有一定的間隔，載流子若要收集必須在發(fā)射區(qū)內(nèi)橫向移動(dòng)一段距離才能到達(dá)柵線的位置，從而形成發(fā)射區(qū)的橫向電阻；而發(fā)射區(qū)的橫向電阻與發(fā)射極的擴(kuò)散方阻及柵線之間的距離有關(guān)，由于太陽電池表面的柵線間距已經(jīng)固定，因此橫向電阻的差異由擴(kuò)散方阻的差異所導(dǎo)致。由此可以判斷，上述60 Ω以上的橫向電阻差異是由擴(kuò)散方阻異常引起的橫向電阻異常。

綜上所述，初步分析該類太陽電池出現(xiàn)EL圖像邊緣發(fā)黑現(xiàn)象的原因可能是以下2個(gè)因素：一是由于硅片四周與中間位置的磷濃度存在差異，導(dǎo)致電池的擴(kuò)散方阻不均勻，表現(xiàn)為四周位置的擴(kuò)散方阻偏低，中間位置的擴(kuò)散方阻偏高，而且硅片四周的磷濃度過高會(huì)導(dǎo)致俄歇復(fù)合嚴(yán)重，從而影響少數(shù)載流子壽命，進(jìn)而表現(xiàn)為太陽電池的EL圖像邊緣發(fā)黑；二是在擴(kuò)散環(huán)節(jié)或擴(kuò)散環(huán)節(jié)之前硅片被雜質(zhì)污染，并且硅片四周位置的雜質(zhì)濃度較其中間位置的高，高的陷阱輔助復(fù)合會(huì)降低載流子壽命，最終呈現(xiàn)出太陽電池的EL圖像邊緣發(fā)黑的現(xiàn)象。

3 太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑的原因驗(yàn)證

下文通過對(duì)太陽電池生產(chǎn)線中的工藝進(jìn)行分析來驗(yàn)證上述關(guān)于太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑的原因的推測是否正確。

3.1 片內(nèi)擴(kuò)散方阻極差測試

分別從6根不同的擴(kuò)散爐管中的爐口和爐尾位置各取5片太陽電池進(jìn)行擴(kuò)散方阻測試，每片太陽電池均測試其中心和四角位置共5個(gè)位置的擴(kuò)散方阻值，并計(jì)算得到片內(nèi)擴(kuò)散方阻極差(片內(nèi)擴(kuò)散方阻極差=片內(nèi)擴(kuò)散方阻的最大值－片內(nèi)擴(kuò)散方阻的最小值)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 太陽電池的片內(nèi)擴(kuò)散方阻極差Fig. 4 On-chip diffusion square resistance maximum difference of solar cells

由圖4可知，各爐管爐口、爐尾位置的太陽電池的片內(nèi)擴(kuò)散方阻極差均在20 Ω以內(nèi)，因此該參數(shù)不存在大于60 Ω的現(xiàn)象。這表明擴(kuò)散方阻不均勻不是導(dǎo)致太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑的根本原因，而擴(kuò)散方阻異?？赡苁怯蓴U(kuò)散前的污染所導(dǎo)致的。因此對(duì)擴(kuò)散工序之前的工序中可能導(dǎo)致硅片被污染的因素進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3.2 制絨后存在NaOH污染的驗(yàn)證

3.2.1 硅片的微觀形貌和元素分析

擴(kuò)散工序之前的工序?yàn)橹平q工序。在排查制絨工序是否存在異常時(shí)，發(fā)現(xiàn)制絨機(jī)烘干槽的白色結(jié)晶物較多，將白色結(jié)晶物溶于水后用PH試紙測試，結(jié)果呈堿性，因此推斷白色結(jié)晶物可能為NaOH結(jié)晶物。為進(jìn)行確認(rèn)，將白色結(jié)晶物溶液粘在正常硅片中心位置上進(jìn)行惡化處理驗(yàn)證，然后利用SEM掃描儀測試硅片上被污染位置的元素成分，并掃描硅片被污染位置的微觀形貌，如圖5所示，對(duì)圖中被污染位置的元素成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示。

圖5 沾有白色結(jié)晶物溶液的硅片中心位置的SEM圖Fig. 5 SEM image of center position of silicon wafer stained with white crystal solution

表3 硅片上被污染位置的元素成分分析結(jié)果Table 3 Elemental composition analysis results of contaminated locations on silicon wafer

綜合圖5和表3可以發(fā)現(xiàn)，硅片被污染位置含有Na元素，由此推斷溶液為NaOH；且硅片被污染位置的絨面結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞，不同于正常位置的金字塔結(jié)構(gòu)。

3.2.2 被污染硅片的PL圖像

將上文提到的制絨后被NaOH污染的硅片進(jìn)行擴(kuò)散工藝，被污染硅片擴(kuò)散工藝后的外觀及PL圖像與正常硅片擴(kuò)散工藝后的PL圖像如圖6所示。

圖6 被污染硅片擴(kuò)散工藝后的外觀及PL圖像與正常硅片擴(kuò)散工藝后的PL圖像Fig. 6 Appearance and PL image of contaminated silicon wafer after diffusion process and PL image of normal silicon wafer after diffusion process

從被污染硅片擴(kuò)散工藝后的外觀圖像可以看出，除了污染位置出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象外，硅片與石英舟的接觸位置也出現(xiàn)了燒焦現(xiàn)象，這表明在高溫?cái)U(kuò)散爐管內(nèi)，雜質(zhì)擴(kuò)散在氣氛中，導(dǎo)致對(duì)硅片產(chǎn)生的影響不只局限于被污染位置。被污染硅片擴(kuò)散工藝后的PL圖像顯示，被污染位置和邊緣位置均呈現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，而正常硅片擴(kuò)散工藝后的PL圖像中無發(fā)黑的位置。

3.2.3 被污染硅片制成太陽電池后的橫向電阻分析

將被污染的硅片按照太陽電池的制備工藝制成電池(下文簡稱“惡化太陽電池”)，然后將該惡化太陽電池切割成面積相同的5段，即1#～5#電池，其中1#電池的中心區(qū)域未被污染。按照前文TLM-scan測試方法分別對(duì)每段電池選取15個(gè)測試點(diǎn)，并測試每段電池的橫向電阻，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 1#～5#電池各測試點(diǎn)處的橫向電阻Fig. 7 Lateral resistance at each test points of 1#～5# solar cell

由圖7可知，1#電池的邊緣位置(即1～3及12～15測試點(diǎn))的橫向電阻較其中心位置(即4～11測試點(diǎn))的低60 Ω以上；而2#～5#電池的中心位置均被不同程度的污染，其中心位置(即4～11測試點(diǎn))的橫向電阻均比1#電池的低。這進(jìn)一步驗(yàn)證了制絨機(jī)烘干槽內(nèi)的NaOH結(jié)晶溶液會(huì)對(duì)硅片造成污染，導(dǎo)致被污染的硅片制成太陽電池后其EL圖像會(huì)出現(xiàn)邊緣發(fā)黑的現(xiàn)象。

Na+在硅中屬于填隙雜質(zhì)，可破壞晶格的完整性，引起晶格點(diǎn)陣畸變，由于其電離能較低，所以屬于淺能級(jí)雜質(zhì)。Na+等堿金屬離子和摻雜元素Ga在SiO2中擴(kuò)散很快，因此SiO2膜對(duì)這二者起不到“掩蔽”作用；另外，Na+等堿金屬離子即使在很低溫度下，也能迅速擴(kuò)散到整個(gè)SiO2膜中。綜上分析，Na+的存在是造成半導(dǎo)體器件性能不穩(wěn)定的重要原因之一，所以要盡量防止Na+的存在[2]。

4 杜絕太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑現(xiàn)象的措施

通過采取調(diào)節(jié)機(jī)械手的參數(shù)、減少烘干槽內(nèi)堿性液體的帶入、優(yōu)化制絨機(jī)內(nèi)部的排風(fēng)、減少制絨槽中NaOH蒸汽到烘干槽過程中的揮發(fā)、對(duì)烘干槽進(jìn)行定期維護(hù)與清理等措施，可以杜絕此類EL圖像邊緣發(fā)黑的太陽電池的產(chǎn)生，從而提高太陽電池生產(chǎn)線的良品率。

5 結(jié)論

本文通過各種測試對(duì)太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑的原因進(jìn)行了推測，并依據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1) 與正常太陽電池相比，異常太陽電池的EIPC、Voc、Isc、FF和Rs、Rsh均偏低，但I(xiàn)rev2高。

2)QE測試中，在短波波段，異常太陽電池的響應(yīng)比正常太陽電池的差；在長波波段，正常太陽電池與異常太陽電池的響應(yīng)效果基本持平。

3) 異常太陽電池的Voc均值比正常太陽電池的低約15 mV；2種太陽電池的pFF值差異不大；異常太陽電池的J01均值比正常太陽電池的高約1倍；異常太陽電池的J02均值比正常太陽電池的偏高。

4)TLM-scan測試結(jié)果顯示，太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑位置的橫向電阻較其中心位置的小60 Ω以上。

5)經(jīng)過惡化試驗(yàn)證明，太陽電池EL圖像邊緣發(fā)黑現(xiàn)象與制絨機(jī)烘干槽被NaOH污染有關(guān)，通過采取調(diào)節(jié)機(jī)械手的參數(shù)、減少烘干槽內(nèi)堿性液體的帶入、優(yōu)化制絨機(jī)內(nèi)部的排風(fēng)、減少制絨槽內(nèi)NaOH蒸汽到烘干槽過程中的揮發(fā)、對(duì)烘干槽進(jìn)行定期維護(hù)與清理等措施，可以杜絕此類EL圖像邊緣發(fā)黑的太陽電池的產(chǎn)生，從而提高生產(chǎn)線的良品率。