EL檢測PERC電池中間缺陷成因及改善方法的研究

收稿日期：2022-01-17

基金項目：河南省中國科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化項目（2020108）

通信作者：夏中高（1979—），男，碩士、高級工程師，主要從事晶硅太陽電池方面的研究。xiazhonggao@pingmeilongi.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0069 文章編號：0254-0096（2023）06-0198-06

摘 要：電致發(fā)光（EL）檢測是PERC太陽電池生產(chǎn)中常用的缺陷檢測方法，其中位于太陽電池中間位置缺陷的降級占EL檢測不良降級的50%以上，成為了各大太陽電池制造企業(yè)EL檢測良率突破99%的主要障礙。為找到缺陷的成因并改善這種問題，進(jìn)而提升太陽電池的質(zhì)量降低制造成本，該文對太陽電池EL檢測下中間位置出現(xiàn)缺陷的原因進(jìn)行分析研究。通過QE測試和元素成分分析排除由硅片質(zhì)量和雜質(zhì)污染所引起缺陷的可能性，再結(jié)合電化學(xué)電容-電壓方法（ECV）及掃描電鏡（SEM）測試，確定PERC電池中間位置缺陷的產(chǎn)生是由于擴(kuò)散工藝表面雜質(zhì)濃度過高所導(dǎo)致的。該文針對缺陷成因提出有效的解決方案有助于提升太陽電池的質(zhì)量及EL檢測良率。

關(guān)鍵詞：PERC電池；缺陷；表面摻雜濃度；EL；絨面形貌

中圖分類號：TM914.4 """""" """" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

鈍化發(fā)射極和背面電池（passivated emitter and rear cell，PERC）隨著新材料、新工藝的導(dǎo)入優(yōu)化已接近其轉(zhuǎn)換效率的天花板，因此減少表面缺陷增強(qiáng)太陽電池前表面的鈍化效果越來越重要［1-2］。太陽電池的制造過程中難免會產(chǎn)生肉眼無法識別的缺陷從而影響電池的轉(zhuǎn)換效率，因此檢測電池缺陷并進(jìn)行改善尤為重要。

PERC電池的制造過程包括制絨、擴(kuò)散、刻蝕、熱氧化、背面鈍化、PECVD鍍膜和印刷燒結(jié)等工藝。在批量生產(chǎn)過程中會因為某些因素導(dǎo)致太陽電池在EL檢測時出現(xiàn)某種或某幾種缺陷而降級處理。缺陷的成因涉及人為、原材料、環(huán)境和工藝、機(jī)械不穩(wěn)定等方面。比如硅片自身存在質(zhì)量問題、員工違規(guī)操作、制程引入雜質(zhì)污染或生產(chǎn)工藝出現(xiàn)問題等均會影響太陽電池的性能。

電致發(fā)光（electroluminescence，EL）檢測作為一種有效的晶體硅太陽電池缺陷檢測技術(shù)，因其具有操作簡便、成本低、檢測速度快等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。EL檢測的原理是：當(dāng)給太陽電池加正向偏壓，p-n結(jié)的勢壘降低，載流子通過勢壘進(jìn)行相互擴(kuò)散，這些載流子被稱為非平衡少數(shù)載流子，其注入P-N結(jié)勢壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)與多數(shù)載流子發(fā)生輻射復(fù)合并發(fā)出光子，再通過CCD相機(jī)采集并轉(zhuǎn)換成圖像。載流子復(fù)合越少，相應(yīng)的EL圖像越亮，反之圖像越暗。通過EL測試圖像可清晰的發(fā)現(xiàn)太陽電池及組件存在的隱性缺陷，這些缺陷包括硅材料缺陷、擴(kuò)散缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等［3］，需有效避免有缺陷的太陽電池流入組件端，從而避免影響組件使用壽命。

太陽電池制造過程中產(chǎn)生的這些缺陷影響企業(yè)成品良率突破99%。良率計算是將原硅片投入數(shù)量減去碎片率、B類、C類、D類降級后得到A級品率。受制程自身固有的限制，成熟穩(wěn)定的太陽電池生產(chǎn)線碎片率及各種外觀降級已做到極致，幾乎無改善空間。成品良率突破99%已是電池制造企業(yè)的巔峰。主要受EL缺陷降級的制約，目前PERC電池制造企業(yè)良率均在96%～98%，因此對太陽電池缺陷的成因進(jìn)行研究，針對性地管控制程細(xì)節(jié)和優(yōu)化電池制造工藝，才能提升太陽電池EL檢測良率，保障太陽電池質(zhì)量。這也成為各大太陽電池制造企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)自身競爭力的重點攻克項目。

本文通過對比分析太陽電池缺陷位置與正常位置的元素成分及含量、QE曲線、擴(kuò)散摻雜曲線和絨面微觀形貌等差異，對缺陷的成因進(jìn)行研究，并提出有效的改善方法。

1 實 驗

1.1 實驗樣品的準(zhǔn)備

利用沛德光電EL檢測設(shè)備對經(jīng)在線EL挑選出來的100片降級太陽電池進(jìn)行二次檢測，挑選出中間位置存在缺陷的太陽電池51片，占比51%。隨機(jī)選取2片不同程度缺陷的太陽電池作為分析樣品，編號為a、b。

因PERC太陽電池具有多層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，故需利用化學(xué)藥液逐層腐蝕進(jìn)行分析，該過程在環(huán)境潔凈度為10000級的實驗室內(nèi)進(jìn)行。

1.2 測試樣品QE曲線

利用新加坡PVE300-IVT210測試對比樣品缺陷位置與周邊亮度正常位置的QE曲線。

1.3 測試樣品正背面膜厚、折射率

首先利用37%HCl、69%HNO3、去離子（DI）水（3∶1∶5）混合液腐蝕太陽電池5～10 min去掉樣品a、b正面的銀電極，再用DI水將表面的酸液沖洗干凈，最后用氮氣槍將樣品表面吹干，使樣品表面保持干燥。利用系科COSE全光譜橢偏儀測量樣品正背面中間缺陷位置與周邊正常位置的氮化硅厚度和折射率。

1.4 測試樣品方阻值和ECV曲線

利用49%HF、DI水（2∶6）混合液腐蝕太陽電池3～8 min去掉樣品a、b表面的氮化硅減反射膜。利用賽倫科技（Saratoga technology international）的離線自動四探針Model 300測試2個樣品中間缺陷位置及四周正常位置的方阻。用電化學(xué)電容-電壓法（ECV）測試樣品a中間缺陷位置與四周正常位置的摻雜濃度及結(jié)深。

1.5 樣品SEM分析絨面

使用美國NXT反射率測試儀測試樣品正面反射率，使用日本電子JSM-6010LA系列SEM觀察樣品a中間缺陷位置與周邊位置的絨面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 EL檢測分析

從EL檢測圖像可清晰看出樣品太陽電池上缺陷的形狀和位置，如圖2a和圖2b所示。2個樣品太陽電池均有一個從中心到邊緣逐漸變亮的黑色同心圓。經(jīng)過BT imaging LIS-R3（澳大利亞）儀器測試，初步確定該缺陷位于太陽電池的正面，其成因分析可能與太陽電池正面制造工序過程相關(guān)聯(lián)。硅片表面產(chǎn)生缺陷造成載流子嚴(yán)重復(fù)合，少數(shù)載流子的壽命降低［3］。由于載流子復(fù)合量、少子壽命不同，2個樣品呈現(xiàn)的同心圓亮度不同，樣品a上載流子復(fù)合更嚴(yán)重，同心圓顏色較暗。

2.2 PL檢測分析

借助PL測試進(jìn)一步檢測少數(shù)載流子的壽命成像。如圖3所示，經(jīng)過BT imaging LIS-R3（澳大利亞）PL測試發(fā)現(xiàn)缺陷位置圖像亮度偏暗，PL值較正常位置的偏低100以上，說明出現(xiàn)缺陷位置的少數(shù)載流子壽命對比正常位置的少數(shù)載流子壽命低。

由于PL不受串聯(lián)電阻的影響，因此可將正向EL圖與PL圖進(jìn)行對比，如果兩者均為暗區(qū)域，則說明太陽電池中間缺陷位置是由復(fù)合或串聯(lián)電阻所導(dǎo)致的，反之如果PL圖是亮的而EL圖暗，則說明是串聯(lián)電阻問題所導(dǎo)致的。樣品a、b太陽電池中間缺陷位置EL和PL圖像都是偏暗的，說明該缺陷與載流子復(fù)合相關(guān)。

2.3 量子效率測試分析

對樣品a太陽電池的缺陷位置與正常位置進(jìn)行量子效率測試，如圖4所示。缺陷位置與正常位置量子效率隨波長的變化趨勢整體相同。在小于350 nm短波范圍內(nèi)，量子效率較低，這是因為短波在接近電池表面的區(qū)域大部分光被反射，少量被吸收，加上表面復(fù)合作用較強(qiáng)，使其產(chǎn)生的載流子不能被電極有效收集，導(dǎo)致該波長附近的電池量子效率較低［4］。

在350～500 nm波段，量子效率隨波長的增加而提升，因中長波長光子穿透深度較深，接近p-n結(jié)面，少數(shù)載流子壽命長，收集率增加，因此轉(zhuǎn)換效率提升。同時在此波段范圍內(nèi)缺陷位置的量子效率較正常位置偏低，因此說明缺陷位置的p-n結(jié)質(zhì)量較正常位置差，太陽電池中的缺陷導(dǎo)致載流子復(fù)合增加。中長波段600～1000 nm范圍內(nèi)的量子效率可反映出太陽電池基體材料（P型硅）和背面制造工序?qū)Υ瞬ǘ蔚墓怆娹D(zhuǎn)換能力。樣品a中間缺陷位置與四周正常位置的中波段量子效率測試曲線趨勢一致，表明缺陷位置產(chǎn)生原因與硅片自身質(zhì)量及背面制造工序無關(guān)。此外，從波段300～500 nm和900～1000 nm反射率曲線可看出缺陷位置對近紫外和近紅外區(qū)域光的反射率比正常位置的大，說明缺陷的存在對太陽電池光的吸收具有不利影響。

2.4 元素成分分析

太陽電池的制造工序多，難免會引入雜質(zhì)影響太陽電池質(zhì)量，因此對太陽電池樣品a進(jìn)行元素成分分析。從圖5的定性結(jié)果可看出，缺陷位置與正常位置的主要成分相同，都含有C、N、O、Al、Si這5種元素，缺陷位置無其他金屬或非金屬雜質(zhì)元素引入。從表1的定量結(jié)果看，缺陷位置與正常位置的主要成分含量占比存在差異，缺陷位置較正常位置的C元素含量增加了1.32%，增加較多，而N、O、Al、Si含量相應(yīng)降低。考慮到樣品在生產(chǎn)過程中所經(jīng)過的設(shè)備機(jī)臺不同，加上人為操作及環(huán)境等因素的影響并不能完全保證太陽電池的均一性，所以C、N、O、Al、Si含量差別在一定范圍內(nèi)是允許的。從元素成分分析結(jié)果可得出，樣品缺陷不是由于清洗制程酸、堿類化學(xué)品殘留污染所致或工裝夾具帶入污染源所致，排除污染原因。

2.5 過程參數(shù)分析

2.5.1 鈍化減反射層膜厚和折射率測試分析

使用系科COSE全光譜橢偏儀測量樣品a和樣品b的中間缺陷位置與四周正常位置的膜厚和折射率，太陽電池的正面為氮化硅減反射膜，背面為氮化硅鈍化層。測量結(jié)果見表2。由表2可發(fā)現(xiàn)樣品a和樣品b的正面、背面的膜厚和折射率差別不大，2個樣品缺陷位置和正常位置的制造過程工藝參數(shù)都在技術(shù)要求范圍內(nèi)。因此，可說明太陽電池中間缺陷的產(chǎn)生與正面氮化硅減反射工序及背面氮化硅鈍化工序的工藝過程無關(guān)，不是由于這2個工序工藝波動導(dǎo)致的。

2.5.2 擴(kuò)散方阻測試分析

方塊電阻是擴(kuò)散工序中重要的監(jiān)控指標(biāo)，方阻均勻性通過式（1）計算。對樣品a、b進(jìn)行5點方阻測試，其方阻數(shù)值見表3。樣品a的5點平均方阻為179 Ω，片內(nèi)均勻性6.32%；樣品b的5點平均方阻為184 Ω，片內(nèi)均勻性3.80%，兩者的方阻片內(nèi)均勻性均較差。圖6為樣品a、b的49點方阻Map圖，可看出樣品a的整體方阻左側(cè)低，右側(cè)高；樣品b的整體方阻呈現(xiàn)左上部分偏高、中間和右側(cè)低分布。方阻分布均勻性較差。

[M=（max-min）（max+min）×100%]""" （1）

2.5.3 擴(kuò)散ECV曲線測試分析

測量樣品a中間缺陷位置與周邊正常位置的電化學(xué)電容電壓（electrochemical capacitance-voltage profiler，ECV）曲線，對比兩者擴(kuò)散后表面摻雜濃度及p-n結(jié)結(jié)深的差異（圖7）。中間缺陷位置表面摻雜濃度為5.80×1020 cm-3，p-n結(jié)深度為0.18 μm；正常位置表面摻雜濃度為4.23×1020 cm-3，p-n結(jié)深度為0.19 μm。中間缺陷位置的表面摻雜濃度較正常位置偏1.57×1020 cm-3，偏高較多。結(jié)深淺了0.01 μm，兩者接近。缺

陷位置的表面摻雜濃度高會導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)能帶收縮，缺陷增加，出現(xiàn)較厚“死層”，復(fù)合中心增加，導(dǎo)致載流子復(fù)合越嚴(yán)重，從而使轉(zhuǎn)換效率降低藍(lán)光響應(yīng)變差［5］，這與QE測試結(jié)果吻合。從ECV曲線可得出，太陽電池中間缺陷位置受到擴(kuò)散工藝中表面雜質(zhì)濃度較高影響。這也反映出由于太陽電池表面摻雜濃度高且擴(kuò)散過程雜質(zhì)原子擴(kuò)散不均勻?qū)е路阶杵瑑?nèi)均勻性較差。

2.6 SEM形貌分析

利用日本電子JSM-6010LA系列掃描電鏡（SEM）觀察樣品a中間缺陷位置與周邊正常位置的微觀絨面形貌。圖8為中間缺陷位置和四周正常位置的SEM圖。通過測量和計算發(fā)現(xiàn)，缺陷位置的金字塔尺寸比正常位置小0.05～0.21 μm，金字塔高度較正常位置小0.20～0.31 μm，比表面積較正常位置小0.09～0.13。樣品a和樣品b的絨面的具體數(shù)據(jù)見表4。

樣品a缺陷位置的反射率比正常位置低0.28%，樣品b缺陷位置的反射率比正常位置高0.05%。樣品b不同位置的金字塔反射率接近，但樣品a不同位置的金字塔反射率差別略大，說明缺陷位置的金字塔分布不均，不利于光線二次反射或多次反射。從圖8可看出樣品a金字塔的分布有明顯的差異，缺陷位置的金字塔大小分布密集且不均勻，部分金字塔大小相間分布，有的小尺寸金字塔成簇分布。均勻的金字塔有利于在擴(kuò)散工藝中實現(xiàn)更好的擴(kuò)散效果，形成的p-n結(jié)質(zhì)量好，表面雜質(zhì)濃度可能會降低，擴(kuò)散后的硅片表面“死層”薄，從而降低少數(shù)載流子復(fù)合速率［6］，這一點與ECV曲線測試結(jié)果相吻合。

2.7 缺陷成因總結(jié)

從對樣品太陽電池的層層剖析可得出，PERC電池在EL檢測下呈現(xiàn)出的中間黑影缺陷與擴(kuò)散后表面雜質(zhì)濃度過高有關(guān)。其直接成因是表面雜質(zhì)濃度增加活性磷原子分布不均勻?qū)е律贁?shù)載流子復(fù)合增加，鈍化效果變差，從而使太陽電池局部轉(zhuǎn)換效率降低，在EL檢測下呈現(xiàn)為黑影缺陷。要解決此類型缺陷需降低硅片表面摻雜濃度，比如減少雜質(zhì)源的通入時間、降低擴(kuò)散溫度、調(diào)整工藝氣體流量及配比等，還可在通入摻雜源之前先對硅片表面進(jìn)行氧化形成二氧化硅（SiO2）阻擋層來降低表面雜質(zhì)濃度，提升活性雜質(zhì)原子擴(kuò)散的均勻度［7-8］。

制絨工藝硅片表面產(chǎn)生的缺陷會加劇擴(kuò)散活性磷原子分布的不均勻性從而影響p-n結(jié)的質(zhì)量，不能表明絨面存在的缺陷是太陽電池此類缺陷的根本原因。但是調(diào)整制絨槽的工藝參數(shù)［9-11］，如溫度、時間、堿與添加劑的配比及藥液濃度，保證絨面金字塔的尺寸大小統(tǒng)一，分布均勻，從而減少表面缺陷，也有利于后續(xù)擴(kuò)散及沉積工藝穩(wěn)定進(jìn)行。

3 結(jié) 論

太陽電池的缺陷檢測是電池生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵步驟，太陽電池上存在的缺陷會嚴(yán)重影響電池質(zhì)量和組件壽命，其成因涉及到從原料采購到電池制造過程的許多方面。本文對EL檢測出的位于PERC太陽電池中間位置的缺陷成因進(jìn)行了研究，先對樣品太陽電池逐層腐蝕分析排除可能的缺陷成因，再分析擴(kuò)散摻雜曲線差異、SEM測試的絨面微觀形貌差異確定太陽電池此類缺陷是因為擴(kuò)散后表面雜質(zhì)濃度過高。表面雜質(zhì)濃度越高缺陷越多，載流子復(fù)合越嚴(yán)重，該區(qū)域的轉(zhuǎn)換效率則越低，EL下呈黑影缺陷。因此，優(yōu)化擴(kuò)散工藝、降低表面雜質(zhì)濃度是解決此類PERC電池中間黑影缺陷的關(guān)鍵。低表面摻雜濃度可有效減少表面缺陷中心，降低載流子復(fù)合，進(jìn)而實現(xiàn)提升電池質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本的目的。

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STUDY ON CAUSES AND IMPROVEMENT METHODS OF INTERMEDIATE DEFECTS IN PERC CELLS DETECTED BY EL

Xia Zhonggao1，Peng Ping1，Jing Yanjiao1，Chen Lei1，Wang Wenjing2，Zhou Chunlan2

（1. Pingmei Longji New Energy Technology Co.， Ltd.， Xuchang 461700， China；

2. Institute of Electrical Engineering， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract：Electroluminescence （EL） inspection is a common defect detection method in PERC solar cell production， in which degradation of defect located in the middle of the cell accounts for more than 50% of total undesirable degradation detected by EL and has become a major obstacle for major PV manufacturing companies to break 99% of EL inspection yields. In order to find the causes of defects and improve this problem， improve the quality of solar cells and reduce cell manufacturing costs， this paper analyses and investigates the causes of defects that occur in the middle of the cell under EL inspection. Using quantum efficiency test and elemental analysis to rule out the possibility of defects caused by wafer quality and impurity contamination， combined with electrochemical capacitance-voltage（ECV） and scanning electron microscopy（SEM） tests， it is determined that the defects in the intermediate position of PERC cells are caused by a too high concentration of impurities on the surface of the diffusion process. Effective solutions are proposed to address the causes of defects， which can help to improve the quality of solar cells and increase the yield of cell EL inspection.

Keywords：PERC cell； defect； surface doping concentration； EL； surface morphology of texture