抗PID多晶硅電池的磷擴散工藝改進

黃爽鑫，肖慧萍，曹家慶，李文博

(1.南昌航空大學材料科學與工程學院，江西 南昌 330063；2.南昌航空大學教務處，江西 南昌 330063)

1 前言

隨著全球自然資源的日益短缺，清潔能源愈加受到重視。從2000年至今，隨著電池及組件價格日益下降，太陽能發(fā)電逐漸走入千家萬戶[1]。在日常使用中，光伏電池組件的發(fā)電量在環(huán)境因素的作用以及高電勢差的影響下而產(chǎn)生電勢誘導衰減(Potential Induced Degradation，PID)現(xiàn)象[2，3]，從而致使發(fā)電量極大地降低，嚴重阻礙了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4-6]。研發(fā)并生產(chǎn)出良好的抗PID的太陽電池有著十分迫切和現(xiàn)實的意義[7-10]。雖然國內(nèi)有不少光伏企業(yè)聲稱能夠生產(chǎn)抗PID的電池和組件，但其技術(shù)水平、成本和抗PID的能力鮮見有公開報道。

磷擴散是制作晶硅太陽能電池的核心工序。目前光伏企業(yè)主流采用的常規(guī)磷擴散工藝是二次通源擴散工藝，方阻一般在85 Ω～90 Ω左右。但增加方塊電阻會加劇電池片的PID效應，且方塊電阻均勻性較差，導致電池產(chǎn)品的品質(zhì)下降[11，12]。

本文結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際，通過對磷擴散工藝的優(yōu)化調(diào)整尋求PID 問題的解決途徑和預防措施。研究一種新的三次通源擴散工藝，調(diào)整通源時間、推進時間和溫度等工藝參數(shù)，可以在較低方阻(70 Ω～75Ω)下獲得高效率，并獲得較好的抗PID效果。

2 實驗部分

2.1 原料和試劑

6英寸(156 mm×156 mm)p型多晶硅電池片(摻B)，購于江西賽維LDK太陽能高科技有限公司。所有硅片利用以下步驟的工序進行處理：1)硅片經(jīng)酸制絨。2)使用三氯氧化磷(POCl3)進行管式磷擴散。本文采取三次通源擴散法，并采用二次通源擴散法進行磷擴散作為對比。3)濕法刻蝕去背結(jié)(去PSG)。4)等離子體增強的化學氣相沉積法(PECVD)工序沉積氮化硅(SiNx)減反射薄膜。5)絲網(wǎng)印刷制作電極，燒結(jié)制備成完整的太陽電池。所制備出的晶硅電池均使用相同的工藝制作成組件。

2.2 表征設(shè)備和儀器

電池方阻使用四探針方阻測試儀進行測量。電池的電性能采用美國3i System公司生產(chǎn)的3i System SE-A96C 型Halm太陽電池測試分選機進行測試。

電池片所制成的組件于環(huán)境試驗箱中在(85℃+85%RH+負1000V+96H)的PID 模擬實驗條件下進行抗PID效果測試。使用太陽能組件功率測試儀(瞬態(tài)模擬器)對組件的電性能進行測試，包括PID實驗前后的Voc、Isc、Pmpp、Vmpp、Impp、Rsh、Rs和I-V曲線等電性能參數(shù)。計算組件在PID測試前后的功率衰減比。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 三次通源擴散工藝

三次通源擴散法典型的工藝參數(shù)如表1所示。其中，t為工序的運行時間，T1、T2、T3、T4、T5為爐口至爐尾5個溫區(qū)的溫度，大氮為所通入氮氣的流量，擴散氮為所通入的POCl3的流量，小氧為所通入的氧氣的流量。三次擴散法與兩次擴散法相比，增加了一次擴散和推進過程(即表1中的第11～12步)。

表1 三次通源擴散的典型工藝參數(shù)

三次通源擴散法制備的多晶硅電池的電性能與方阻之間的關(guān)系如表2所示。由實驗結(jié)果可見：硅片表面方塊電阻在60 Ω/Sq～90 Ω/Sq的范圍內(nèi)，所制得電池的轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先升后降的趨勢。當方塊電阻為(70±5)/Sq 時，電池的轉(zhuǎn)換效率達到最大。這說明三次通源擴散工藝可以在較低方阻(70 Ω/Sq～75 Ω/Sq)下獲得高效率。

表2 三次擴散工藝下不同方塊電阻的多晶硅太陽能電池片的平均電性能參數(shù)

從制造工藝的角度來看，影響方塊電阻大小的主要因素為擴散氮的流量、氧氣的流量、通源時間和推進時間以及中心溫度等。本文通過逐一改變第三次通源擴散步驟(表1中的11-12步)中的這些因素來分析所得數(shù)據(jù)，以期有效調(diào)控方阻的大小。

3.2 溫度的影響

保持大N2為23000 sccm、擴散N2為2300 sccm、O2為1700 sccm、通源時間-250 s和推進(深擴散)時間-700 s等工藝條件不變，改變中心溫度值，以此來研究溫度影響電池方塊電阻的規(guī)律。實驗結(jié)果如圖1所示：電池的方阻隨著溫度升高而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，這可能是由于磷原子的動能隨著溫度升高而增大，更容易擴散進入硅原子的空位。當擴散中心溫度在830 ℃左右時，能獲得預定的70 Ω/Sq～75 Ω/Sq方阻。

圖1 中心溫度對方阻的影響

3.3 氧氣流量的影響

保持大N2為23000 sccm、擴散N2為2300 sccm、中心溫度-830 ℃、通源時間-250 s和推進時間-700 s等工藝條件不變，改變氧氣流量值，以此來研究氧氣流量影響方塊電阻的規(guī)律，實驗結(jié)果如圖2所示。電池的方阻值隨著O2流量的升高呈現(xiàn)先降后升的趨勢。當氧氣流量太低，導致通入的POCl3不能反應完全；當氧氣過高，由于在密閉體系中反應物濃度過高反而容易抑制反應進行。當氧氣流量為1700 sccm時，能獲得預定的70 Ω/Sq～75 Ω/Sq方阻。

圖2 氧氣流量對方阻的影響

3.4 擴散氮流量的影響

保持大N2為23000 sccm、O2為1700 sccm、中心溫度-830 ℃、通源時間-250 s和推進時間-700 s等工藝條件不變，改變擴散氮的流量，以此來研究擴散氮流量影響方塊電阻的規(guī)律，實驗結(jié)果如圖3所示。方阻值隨著擴散氮流量的增加而下降，這可能是由于隨著擴散氮的增多，使能擴散的磷的量增多，從而有更多的磷原子擴散進入硅原子的空位。當擴散氮的流量為2300 sccm時，能獲得預定的70 Ω/Sq～75 Ω/Sq方阻。

圖3 擴散氮流量對方阻的影響

3.5 通源時間和再分布時間的影響

保持大N2為23000 sccm、擴散N2為2300 sccm、O2為1700 sccm、中心溫度-830 ℃ 等工藝條件不變，改變通源時間和再分布時間，考察通源時間和再分布時間對電池的方塊電阻的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。方阻的值隨著通源和再分布時間的延長而降低，但隨著時間的延長，閥組降低的速度趨緩。隨著通源時間的延長，磷的擴散比較充分，但是隨著時間的進一步加長，表面的磷硅玻璃層己經(jīng)趨于飽和，形成一層阻擋層，反過來阻礙磷的進一步擴散，導致擴散速度的減慢。確定通源時間和再分布時間分別為250 s和700 s。

圖4 (a)通源時間和(b)再分布時間對方阻的影響

綜上，可通過調(diào)節(jié)溫度、時間、擴散氣體的流量等來獲得預期的電池方阻。當三次通源擴散工藝采取擴散中心溫度為830 ℃、O2的流量為1700 sccm、擴散氮的流量為2300 sccm、通源時間和再分布時間分別為250 s和700 s工藝參數(shù)時，通過三次通源擴散工藝可制得方阻為70 Ω/Sq～75 Ω/Sq的電池片。

3.6 三次通源擴散工藝電池的電性能及抗PID性能

分別使用三次通源擴散工藝與兩次通源擴散工藝制作的太陽電池，它們的電性能如表3所示，I-V曲線與量子效率如圖5所示。由表3可見，使用三次通源擴散工藝與兩次通源擴散工藝制得的電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率由17.73%提高到了18.15%?？梢姡瓮ㄔ垂に嚳芍频酶咝У奶柲茈姵?。

表3 三次通源擴散與二次通源擴散工藝電池的電性能

圖5 二次和三次通源擴散工藝電池的(a)電性能I-V曲線圖；(b)量子效率

將分別利用二次通源擴散和三次通源擴散工藝制造出的電池片制作成組件，分別命名為I和II組件，分別在(85℃+85%RH+負1000V+96H)條件下進行PID測試，實驗數(shù)據(jù)如表4。

表4 不同擴散工藝電池片制成的組件進行PID測試前后的電性能對比

從表4中可見，經(jīng)過96小時的測試，常規(guī)產(chǎn)業(yè)化二次擴散工藝電池片制成的I組件功率衰減了6.52%，PID效應較嚴重。而按照三次通源擴散工藝制備的電池形成的II組件峰值功率衰減了0.62%，滿足峰值功率變化小于5%的抗PID要求。

4 結(jié)論

(1)三次通源擴散工藝可以在較低方阻(70 Ω～75 Ω)下獲得高效率。

(2)三次通源擴散工藝中，可通過調(diào)節(jié)溫度、時間、擴散氣體的流量等來獲得預期的電池方阻。當三次通源擴散工藝采取擴散中心溫度為830 ℃、O2的流量為1700 sccm、擴散氮的流量為2300 sccm、通源時間和再分布時間分別為250 s和700 s工藝參數(shù)時，通過三次通源擴散工藝可制得方阻為70 Ω/Sq～75 Ω/Sq的電池片。

(3)按照三次通源擴散工藝制備的電池形成的組件在(85℃+85%RH+負1000V+96H)條件下峰值功率衰減了0.62%，滿足峰值功率變化小于5%的抗PID要求。

*基金項目：本文獲國家自然科學基金(項目編號：51862025)、江西省自然科學基金(項目編號：20192BAB206012)、江西省教改課題(項目編號：JXJG-19-8-1)、南昌航空大學教改課題(項目編號：JY2064)、南昌航空大學材料科學與工程學院一流課程建設(shè)經(jīng)費資助。