低溫低壓氧化工藝對PERC單晶硅太陽電池性能影響的研究

左克祥，王 安，張晉陽，錢金忠，李永田，杜東亞，凡金星*

(1.國家能源集團(tuán)常州發(fā)電有限公司，常州 213031；2.常州天合智慧能源工程有限公司，常州 213031；3.天合光能股份有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213031)

0 引言

PERC單晶硅太陽電池是一種應(yīng)用較為廣泛的太陽電池類型，通過改變PERC單晶硅太陽電池的制備工藝，可進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率，比如：吸雜[1]、在太陽電池發(fā)射極表面增加鈍化層等。其中，在太陽電池發(fā)射極表面增加鈍化層是降低太陽電池發(fā)射極表面載流子復(fù)合速率的重要方法[2]。氮化硅、氧化鋁、二氧化硅等是鈍化層廣泛采用的材料[3]，而二氧化硅是最受歡迎的材料之一。通常是采用熱氧化的方式在太陽電池發(fā)射極表面生長一層二氧化硅，并將其作為鈍化層，可有效降低界面態(tài)密度，減少非平衡少數(shù)載流子在太陽電池發(fā)射極表面的復(fù)合損失[4-5]。增加二氧化硅層的PERC單晶硅太陽電池的橫截面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 增加二氧化硅層的PERC單晶硅太陽電池的橫截面結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Cross sectional structure of PERC mono-Si solar cells with SiO2 layer

Srivastava等[6]通過在850 ℃的溫度下制備二氧化硅層，發(fā)現(xiàn)使用高溫(大于800 ℃)熱氧化工藝可以獲取具有較低界面態(tài)密度的二氧化硅層，但是高溫會對硅片的體壽命造成影響，導(dǎo)致硅片的少子壽命降低。因此，若要獲取低界面態(tài)密度的二氧化硅層，低溫(500～700 ℃)熱氧化工藝是最好的選擇。Schmitt等[7]通過在500 ℃的低溫下退火30 min 2次來制備二氧化硅層，但該工藝時(shí)間較長，不利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在大多數(shù)納米級硅器件制備過程中，二氧化硅層必須在低于700 ℃的溫度下制備，以防止溫度過高對硅片質(zhì)量造成影響。因此，有必要研究低溫時(shí)制備的二氧化硅層的情況?；诖?，本文選取600～700 ℃的低溫段，在該溫度及200 mbar低壓的氧化工藝下制備二氧化硅層，并對采用此種鈍化層的PERC單晶硅太陽電池的性能和內(nèi)量子效率進(jìn)行了測試。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原料采用p型直拉單晶硅硅片，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，電阻率為0.5～1.5 Ω·cm，厚度為170～180 μm。首先，對原料硅片進(jìn)行制絨處理；其次，通過熱擴(kuò)散工藝制備發(fā)射極，方塊電阻為140 Ω/□；然后，通過激光摻雜工藝形成n++重?fù)诫s；最后，通過刻蝕的方式去除磷硅玻璃。在完成刻蝕后，將硅片樣品均分為2組，其中1組不采用氧化工藝，另1組按照圖2所示的低溫低壓氧化工藝完成氧化；隨后在2組樣品的背表面沉積8 nm厚的三氧化二鋁，并由深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的管式等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備在樣品前表面和背表面分別沉積氮化硅(SiNx)層。其中，前表面沉積厚度為80 nm、折射率為2.1的SiNx:H層；鋁背場的接觸通過激光開槽實(shí)現(xiàn)，并在硅基體中形成鋁摻雜的p+層；電極由絲網(wǎng)印刷燒結(jié)實(shí)現(xiàn)。由此，包含氧化工藝和不包含氧化工藝的2種PERC單晶硅太陽電池 (下文簡稱為“太陽電池”)制備完成，具體流程如圖3所示。

圖2 低溫低壓氧化工藝方案Fig. 2 Low temperature and low pressure oxidation process scheme

圖3 2種太陽電池的制備工藝流程Fig. 3 Preparation process of two kinds of solar cells

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用型號為WCT-120的少子壽命測試儀測試硅片的少子壽命；采用型號為QEX10的量子效率測試儀測量太陽電池的內(nèi)量子效率(IQE)；采用脈沖太陽模擬器在環(huán)境溫度25 ℃、AM1.5和太陽輻照度1000 W/m2的條件下測量太陽電池I-V特性；采用美國Four Dimensions公司生產(chǎn)的四探針測試儀測量太陽電池的方塊方阻；采用D8型反射儀測試太陽電池在300～1100 nm波長范圍內(nèi)的反射率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 方塊電阻測試結(jié)果與分析

分別對采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池和未采用氧化工藝的太陽電池的方塊電阻進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 2種太陽電池的方塊電阻Fig. 4 Sheet resistance of two kinds of solar cells

從圖4可以看出：采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的方塊電阻為148.6 Ω/□，而未采用氧化工藝的太陽電池的方塊電阻為140.3 Ω/□，前者比后者約高8.3 Ω/□，該結(jié)果與Yelundur等[8]的研究結(jié)果吻合。Yelundur等[8]的研究結(jié)果顯示：相較于采用方塊電阻為45 Ω/□的薄硅片時(shí)，采用方塊電阻為95 Ω/□的薄硅片時(shí)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了0.4%。因此，在制備二氧化硅層時(shí)獲得較高的方塊電阻非常重要。

此外，高的方塊電阻能夠有效減少載流子復(fù)合，Yelundur等[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)薄硅片的方塊電阻從88 Ω/□增加到93 Ω/□時(shí)，載流子復(fù)合值從150～175 fA/cm2降至100 fA/cm2以下；當(dāng)引入二氧化硅層后，在氧化工藝期間硅片表面的磷會再次進(jìn)行分布，從而進(jìn)一步降低硅片表面的磷濃度，增加方塊電阻，減少載流子復(fù)合。當(dāng)引入二氧化硅層使方塊電阻增加時(shí)，可以顯著降低太陽電池發(fā)射極表面的載流子復(fù)合。

2.2 少子壽命測試結(jié)果與分析

分別對采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池和未采用氧化工藝的太陽電池的少子壽命進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示：采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的少子壽命為140.32 μs，而未采用氧化工藝的太陽電池的少子壽命為80.56 μs。由此可知，二氧化硅層能顯著提高太陽電池的少子壽命，這主要得益于鈍化效果的提升。

采用低溫低壓氧化工藝的二氧化硅層的生長機(jī)理示意圖如圖5所示。

圖5 采用低溫低壓氧化工藝的二氧化硅層的生長機(jī)理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of growth mechanism of SiO2 layer using low temperature and low pressure oxidation process

由圖5可知：在通入氧氣后，氧氣分子附著在硅片表面，在達(dá)到氣態(tài)平衡后，氧氣分子在硅片表面均勻分布，最后形成致密的氧化物薄層。由于氧化物能夠固定硅片表面的懸掛鍵，因此通過低壓低溫氧化工藝獲得了用于表面鈍化的具有低界面態(tài)密度的二氧化硅層。在該工藝中，低溫工藝更適合于生長用于發(fā)射極表面鈍化的低界面態(tài)密度的二氧化硅層，低壓低溫環(huán)境能夠改善氧化層的均勻性并增加表面鈍化層中的少子壽命。因此，采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池比未采用氧化工藝的太陽電池具有更高的少子壽命和更好的氧化層均勻性。當(dāng)少子壽命增加時(shí)，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率也會得到提高。

2.3 反射率測試結(jié)果及分析

對采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池和未采用氧化工藝的太陽電池進(jìn)行反射率測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種太陽電池的反射率Fig. 6 Reflectivity of two kinds of solar cells

從圖6可以看出：在300～1100 nm波長范圍內(nèi)，采用低溫低壓氧化工藝和未采用氧化工藝的太陽電池的平均反射率分別為4.93%和6.44%，且前者比后者低1.51%。

采用低溫低壓氧化工藝和未采用氧化工藝的太陽電池的反射機(jī)制如圖7所示。圖中：n為空氣的折射率。未采用氧化工藝的太陽電池具有與氮化硅單體相同的折射率(2.1)，且屬于反射率較高的太陽電池；而對于采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池，因?yàn)榈枧c二氧化硅具有不同的折射率，所以當(dāng)?shù)璧恼凵渎蕁1與二氧化硅的折射率n2分別為2.1和1.5時(shí)，插入二氧化硅層可以有效減少光的反射，使從二氧化硅中反射的光再次進(jìn)入氮化硅中時(shí)增加了反射次數(shù)。其中，在632.8 nm的波長下測得的硅基體n3的折射率為3.88。相較于未采用氧化工藝的太陽電池(即僅單層氮化硅)，采用低溫低壓氧化工藝 (即采用SiNx/SiO2疊層)的太陽電池在300～1100 nm波長范圍內(nèi)的平均反射率從6.44%降低到4.93%。因此，在太陽電池發(fā)射極表面制備二氧化硅層是減少光反射的有效方法。

圖7 2種太陽電池的反射機(jī)制Fig. 7 Reflection mechanisms of two kinds of solar cells

2.4 IQE測試結(jié)果及分析

對采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池和未采用氧化工藝的太陽電池進(jìn)行IQE測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 2種太陽電池的IQEFig. 8 IQE of two kinds of solar cells

從圖8中可以看出：在300～1100 nm波長范圍內(nèi)，采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的IQE高于未采用氧化工藝的太陽電池的IQE。對于在750～1100 nm波長范圍內(nèi)采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的IQE明顯高于未采用氧化工藝的太陽電池的IQE的現(xiàn)象，說明SiNx/SiO2疊層的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光吸收。因此，對于波長大于750 nm的波段，采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的IQE比未采用氧化工藝的太陽電池的IQE提高了6.03%。這說明低壓低溫處理的氧化層有效增加了光吸收，并提高了太陽電池的IQE。

2.5 太陽電池電性能測試結(jié)果及分析

對采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池和未采用氧化工藝的太陽電池的電性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出：采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和未采用氧化工藝的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為22.45%和21.81%，前者比后者提高了0.64%；此外，采用

表1 2種太陽電池的電性能測試結(jié)果Table 1 Electrical performance test results of two kinds of solar cells

低溫低壓氧化工藝的太陽電池的開路電壓、短路電流和填充因子分別比未采用氧化工藝的太陽電池的提高了0.0108 V、0.13 A和0.14%。

2.6 小結(jié)

綜上可知，相較于未采用氧化工藝的太陽電池，采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的方塊電阻、少子壽命、光電轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流和填充因子均得到了提升，這主要得益于引入二氧化硅層后，提升了太陽電池發(fā)射極表面的鈍化效果，增加了太陽電池的光吸收。

3 結(jié)論

本文對采用低溫低壓氧化工藝的PERC單晶硅太陽電池的方塊電阻、少子壽命及電性能等進(jìn)行了研究，并與未采用氧化工藝的PERC單晶硅太陽電池進(jìn)行了對比，得到以下結(jié)論：

1)采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的方塊電阻為148.6 Ω/□，而未采用氧化工藝的太陽電池的方塊電阻為140.3 Ω/□，前者比后者約高8.3 Ω/□；

2)采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率和未采用氧化工藝的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為22.45%和21.81%，前者比后者提高了0.64%；

3) 采用低溫低壓氧化工藝的太陽電池的開路電壓、短路電流和填充因子分別比未采用氧化工藝的太陽電池的提高了0.0108 V、0.13 A和0.14%。

綜上可知，在低壓低溫條件下制備的二氧化硅層可以有效地改善PERC單晶硅太陽電池的性能。