新能源太陽(yáng)電池材料評(píng)估方法研究

陳燕，陶延宏，海建平，梁瑜芯，李慧，閆光蕊

青海黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)分公司

光伏發(fā)電是清潔能源領(lǐng)域一項(xiàng)重要工程，光伏發(fā)電的核心部位是太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池發(fā)電原理是光照下半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)，一定頻率的太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體材料表面，半導(dǎo)體材料獲得能量電子被激發(fā)躍遷，在半導(dǎo)體材料光照面產(chǎn)生光生電子，光生電子被太陽(yáng)電池內(nèi)部的PN結(jié)分離，太陽(yáng)電池電極收集并且匯合光生電子形成光生電流。不同結(jié)構(gòu)類型、不同基體材料的太陽(yáng)電池制備方法不同，方塊電阻的測(cè)量數(shù)值能夠反映硅片的導(dǎo)電能力，硅片導(dǎo)電能力決定光生載流子傳輸能力。硅片光生載流子傳輸能力影響光生載流子收集和導(dǎo)出的數(shù)量。

太陽(yáng)電池的發(fā)電能力簡(jiǎn)稱光電轉(zhuǎn)換效率，太陽(yáng)電池的最大輸出功率和照射在太陽(yáng)電池上面總光能量之比稱為太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率。決定太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的因素有內(nèi)因和外因，外因主要有：太陽(yáng)光波長(zhǎng)、太陽(yáng)光輻照度、環(huán)境溫度等；內(nèi)因主要是太陽(yáng)電池的制備工藝以及原材料選擇。

硅片方塊電阻測(cè)量作為太陽(yáng)電池制備工藝過(guò)程中衡量太陽(yáng)電池質(zhì)量的一種方法，硅片方塊電阻測(cè)試方法有接觸和非接觸兩種。大規(guī)模用于產(chǎn)線上的硅片方阻測(cè)試方法的要求是無(wú)損傷測(cè)試，即無(wú)電學(xué)、光學(xué)損傷。

往往太陽(yáng)電池功率測(cè)試工作中發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池實(shí)際功率和理論功率相差甚遠(yuǎn)的情況下，要對(duì)太陽(yáng)電池各個(gè)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行排查，硅片方阻檢測(cè)是必須考慮的檢測(cè)環(huán)節(jié)，方阻檢測(cè)數(shù)值能夠反映電池片制備過(guò)程中和方塊電阻變化相關(guān)的工藝情況。所以真實(shí)客觀地對(duì)硅片方塊電阻進(jìn)行測(cè)試尤其重要。

一、引言

近年來(lái)我國(guó)新能源行業(yè)發(fā)展迅速，這一結(jié)果使得我國(guó)在能源領(lǐng)域的地位得到一定提升，光伏發(fā)電作為新能源領(lǐng)域重要一部分當(dāng)然也不甘落后，從原材料到光伏發(fā)電系統(tǒng)環(huán)節(jié)都有技術(shù)方面的更新。光伏原材料—硅片是制備晶體硅太陽(yáng)電池的必備載體，未經(jīng)摻雜的硅片光照下不能引出光生載流子，因?yàn)楣杵与娮柽^(guò)大從而阻礙光生載流子傳導(dǎo)，而摻雜硅片由于B或者P原子進(jìn)入硅材料晶格中引入空穴或者電子使得硅材料電導(dǎo)率發(fā)生變化進(jìn)而表現(xiàn)為硅片方塊電阻變化，太陽(yáng)光照射下半導(dǎo)體光生載流子集中出現(xiàn)在硅片表面，而方塊電阻主要對(duì)硅片表面邊到邊之間的電阻進(jìn)行表征，所以方塊電阻的測(cè)試對(duì)于太陽(yáng)能級(jí)硅片相當(dāng)重要，方塊電阻的檢測(cè)項(xiàng)目也成為光伏原材料性能檢測(cè)的重要項(xiàng)目。

接觸和非接觸硅片兩種方塊電阻測(cè)量方法在半導(dǎo)體行業(yè)被廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)的要求往往需要對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行慎重選擇。從測(cè)試原理和實(shí)際需要出發(fā)，用兩種不同測(cè)試方法對(duì)相同的樣品進(jìn)行測(cè)試，并且對(duì)測(cè)試后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，分析測(cè)試數(shù)據(jù)的同時(shí)也分析測(cè)試原理，原理和數(shù)據(jù)相結(jié)合論述兩種測(cè)試方法的特性，指導(dǎo)實(shí)際測(cè)試中不同數(shù)據(jù)要求和不同樣品的方塊電阻測(cè)試方法選擇。

二、硅片方塊電阻的評(píng)估方法

（一）方法概述

兩種測(cè)試方法雖然都廣泛應(yīng)用于硅片方塊電阻測(cè)試，但是哪種方法更適用于實(shí)際測(cè)試呢？目前量產(chǎn)的主流太陽(yáng)電池類型為常規(guī)PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、薄膜太陽(yáng)電池三大類。對(duì)于常規(guī)PN結(jié)太陽(yáng)電池方塊電阻能夠反映其摻雜濃度和結(jié)深，對(duì)于異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池和薄膜太陽(yáng)電池，方塊電阻可以評(píng)估導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電能力。但是無(wú)論常規(guī)PN結(jié)太陽(yáng)電池還是異質(zhì)結(jié)、薄膜太陽(yáng)電池對(duì)于方塊電阻的檢測(cè)都需要將檢測(cè)中對(duì)材料的損傷降到最低。

方塊電阻又稱膜電阻，是用于間接表征薄膜膜層、玻璃鍍膜膜層等樣品上的真空鍍膜的熱紅外性能的測(cè)量值，該數(shù)值大小可直接換算為熱紅外輻射率。方塊電阻的大小與樣品尺寸無(wú)關(guān)，其單位為Siements/sq，后增加歐姆/sq表征方式。硅片電阻測(cè)量方法有接觸和非接觸兩種方法，兩種方法測(cè)量的硅片方阻可能由于測(cè)試方法不同而存在數(shù)值上的差異，研究?jī)煞N測(cè)量方法數(shù)值上的差異，根據(jù)太陽(yáng)電池制備工藝需求，選擇適應(yīng)于太陽(yáng)電池產(chǎn)線的硅片方塊電阻測(cè)量方法，為太陽(yáng)電池生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

非接觸式方塊電阻測(cè)量法主要有：渦流法、非接觸結(jié)光電壓法、LCR數(shù)字電橋法等；接觸式方塊電阻測(cè)試方法主要有四探針?lè)ǎㄒ?jiàn)圖1、圖2）。

圖1 非接觸結(jié)光電壓法測(cè)硅片方阻原理圖

圖2 四探針?lè)椒y(cè)試硅片方阻原理圖

非接觸結(jié)光電壓法主要裝置：測(cè)量探頭中心裝有LED激發(fā)光源，用來(lái)刺激帶有PN結(jié)構(gòu)的樣品表面產(chǎn)生表面電勢(shì)，此電勢(shì)由測(cè)試點(diǎn)的中心向四周擴(kuò)散分布，測(cè)試探頭裝有內(nèi)外兩個(gè)環(huán)狀電容電極，通過(guò)測(cè)量被測(cè)樣品表面受激發(fā)后的表面電勢(shì)得出樣品的方塊電阻。就測(cè)試原理和測(cè)試方法而言，這種方法對(duì)硅片沒(méi)有損傷。然而四探針?lè)y(cè)試硅片由于測(cè)試時(shí)由于探針外觀形態(tài)尖銳并且測(cè)試時(shí)探針對(duì)硅片表面有壓力，造成壓強(qiáng)較大，所以會(huì)對(duì)硅片有一定壓力，會(huì)對(duì)硅片造成損傷，這種損傷不可逆轉(zhuǎn)，硅片由于損傷而產(chǎn)生缺陷。

（二）實(shí)驗(yàn)分析

以單晶硅制備了PN結(jié)但是未制備銀電極的硅片為例，用非接觸結(jié)光電壓法和四探針?lè)y(cè)試50片擴(kuò)散后硅片的方塊電阻，這50張硅片同一批次制備，取10片具有代表性的方塊電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由表1可見(jiàn)，四探針測(cè)試方法測(cè)試出來(lái)的硅片方阻數(shù)據(jù)普遍比非接觸結(jié)光電壓測(cè)量方法測(cè)試出來(lái)的方阻值要低一些。但是兩種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)略微的差異說(shuō)明了什么原因？硅片工藝問(wèn)題已經(jīng)排除，因?yàn)閷儆谕还に囃瓿傻墓杵粫?huì)不會(huì)是測(cè)試方法導(dǎo)致的呢？測(cè)試方法為什么會(huì)導(dǎo)致這種差異化的測(cè)試結(jié)果呢？

表1 兩種測(cè)試方法測(cè)得方阻數(shù)據(jù)比較

首先測(cè)試原理：一種是數(shù)據(jù)采集探頭與樣品接觸，探頭和樣品屬于兩種不同材質(zhì)，所以費(fèi)米能級(jí)存在差異，所以存在不容忽視的接觸電阻，并且探針形狀尖銳劃傷硅片導(dǎo)致漏電；另一種方法基于一定頻率的LED燈光照射PN結(jié)激發(fā)光生電子，采集光生電勢(shì)差數(shù)據(jù)計(jì)算的方塊電阻值（見(jiàn)圖3）。

圖3 光照下PN結(jié)簡(jiǎn)圖

四探針?lè)y(cè)試方塊電阻原理式：

（1）注：R電阻，ρ電阻率，L長(zhǎng)度，S橫截面積。

（2）注：ne、nh電子、空穴濃度，nμ、hμ電子、空穴遷移率，q基本電荷量。

（3）注：R具有一定導(dǎo)電能力的薄膜方阻，xi具有一定導(dǎo)電能力的薄膜厚度。

（4）注：R探針間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品長(zhǎng)寬時(shí)候方阻，C修正系數(shù)4.53。

結(jié)合光照下PN結(jié)工作原理、接觸以及非接觸兩種測(cè)試方法所測(cè)試的數(shù)據(jù)和測(cè)試原理對(duì)兩種測(cè)試方法進(jìn)行理論和實(shí)際分析，測(cè)試原理和測(cè)試方法的不同導(dǎo)致所測(cè)試的數(shù)據(jù)會(huì)存在差異，數(shù)據(jù)差異就是測(cè)試方法取舍的關(guān)鍵。實(shí)際測(cè)試需要根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行測(cè)量方法的取舍。

三、結(jié)論

對(duì)于擴(kuò)散制結(jié)后的單晶硅片，非接觸結(jié)點(diǎn)壓法和四探針?lè)▽?duì)于硅片方阻測(cè)量數(shù)據(jù)在數(shù)值上具有差異，這種差異的主要原因可能來(lái)源于測(cè)量方法的原理不同，對(duì)于公式作為測(cè)試依據(jù)而言，非接觸結(jié)電壓法測(cè)量的數(shù)據(jù)中沒(méi)有漏電流引起的電阻，所以可以判斷對(duì)于方阻要求較高的測(cè)試選擇非接觸結(jié)電壓法?？梢灶A(yù)測(cè)，對(duì)于太陽(yáng)電池用的導(dǎo)電薄膜、非晶硅薄膜而言，需要精確度較高的方阻表征方法，可以將兩種測(cè)量方法綜合考慮，將方阻值測(cè)量不確定度區(qū)間范圍定到最精確。