激光摻雜對太陽能電池性能的影響

0晶硅太陽電池選擇性發(fā)射極的激光摻雜工藝提高太陽電池的電氣轉(zhuǎn)換效率和低生產(chǎn)成本一直是太陽電池研究的重點(diǎn)。提高太陽電池晶體硅光刻轉(zhuǎn)換效率的重要方法之一是采用選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)。選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，電極網(wǎng)的線下形成高混合和深擴(kuò)散區(qū)域，在發(fā)射極區(qū)域形成低混合和平擴(kuò)散區(qū)域。實(shí)現(xiàn)晶體硅太陽電池選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)的制備方法分為兩種:雙步擴(kuò)散法和單步擴(kuò)散法.雙步擴(kuò)散法是第一步熱擴(kuò)散形成淺摻雜區(qū)域,第二步熱擴(kuò)散形成局部重?fù)诫s區(qū)域,從而形成選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu);單步擴(kuò)散法是在一次熱擴(kuò)散中形成淺擴(kuò)散區(qū)域,然后通過其他工藝形成局部重?fù)诫s區(qū)域,從而形成選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu).單步擴(kuò)散法制備選擇性發(fā)射極工藝熱耗少,并且可以避免二次高溫處理對硅片帶來的熱沖擊損害.激光摻雜是單步擴(kuò)散法制備選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)的一種工藝.工藝流程簡單、可控,可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性重?fù)诫s,對晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率提升效果明顯,因此成為制造選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)的重要工藝方法之一.國內(nèi)外一些光伏研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對激光摻雜制備選擇性發(fā)射極技術(shù)有著濃厚的興趣,圍繞著提高單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率、摻雜工藝可靠性和降低工藝成本進(jìn)行了大量的研究.目前晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄保持者是新南威爾士大學(xué)馬丁格林實(shí)驗(yàn)組研制的發(fā)射極鈍化及背面局部擴(kuò)散小尺寸規(guī)格的晶體硅太陽電池,該電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%.此后新南威爾士大學(xué)又提出了單面激光摻雜和雙面激光摻雜的技術(shù)方法,雙面激光摻雜太陽能電池將在背面采用高摻雜點(diǎn)接觸電極和高效鈍化層設(shè)計(jì),通過提高開路電壓,P型Cz單晶硅和P型多晶硅雙面激光摻雜的效率將有望達(dá)到21%和19%.2010年,新南威爾士大學(xué)報(bào)導(dǎo)單面激光摻雜選擇性發(fā)射極的電池效率達(dá)到18.7%.2008年,德國夫瑯禾費(fèi)太陽能系統(tǒng)研究所報(bào)導(dǎo)了采用濕法化學(xué)激光摻雜法,制備的選擇性發(fā)射極電池效率超過20%.同年德國斯圖加特大學(xué)報(bào)道了直接在磷硅玻璃上進(jìn)行激光摻雜,獲得了0.4%絕對轉(zhuǎn)換效率的提高,2009年,報(bào)道了激光摻雜全面積發(fā)射極晶體硅太陽電池的世界記錄,效率達(dá)到18.9%.法國Paviet-SalomonB研究組分析和實(shí)驗(yàn)研究了激光功率、方阻以及飽和電流密度之間的關(guān)系.北京電工所王文靜研究組理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究了晶硅太陽能電池用532nm倍頻Nd∶YAG激光摻雜的方阻,并分析了激光能量與方阻的關(guān)系.中山大學(xué)沈輝、梁宗存研究組等進(jìn)行了激光摻雜工藝以及激光燒結(jié)背電極的研究,提出了濕法激光摻雜背表面場及背面點(diǎn)接觸電極工藝.中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所萬青研究組提出了一種交叉自對準(zhǔn)工藝,采用激光摻雜技術(shù)和普通絲網(wǎng)印刷設(shè)備研制了高效率的晶體硅太陽能電池,最佳電池光電轉(zhuǎn)化效率由激光摻雜前的~14.4%提高到激光摻雜后的~17.7%.此外,北京交通大學(xué)、云南師范大學(xué)等眾多研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了太陽電池選擇性發(fā)射極及相關(guān)工藝的研究.本文主要研究多晶硅太陽電池選擇性發(fā)射極的激光摻雜工藝,重點(diǎn)解決多晶硅片磷擴(kuò)散工藝與激光摻雜工藝的匹配性問題,期望在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高產(chǎn)業(yè)化多晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率.1實(shí)驗(yàn)過程1.1工藝實(shí)驗(yàn)和激光摻雜實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用156mm×156mm規(guī)格的P型多晶硅片,電阻率為1~3Ω·cm,厚度約為200μm.為了便于研究,首先通過熱擴(kuò)散制作方阻值為75Ω/

和85Ω/

的兩組硅片,每組300片,定為初始方阻值.再把每一組硅片三等分,分別進(jìn)行一組傳統(tǒng)工藝實(shí)驗(yàn)和兩組激光摻雜工藝實(shí)驗(yàn).激光實(shí)驗(yàn)由武漢帝爾激光公司協(xié)助進(jìn)行,采用波長532nm的納秒脈沖激光器,脈沖頻率25kHz,脈沖時(shí)間4μs,到達(dá)硅片上的聚焦光斑寬度270μm,掃描速度6.75m/s.實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)整激光器的工作電流來調(diào)整激光功率,電流分別調(diào)至26A和28A,激光功率分別為46W和54W.1.2選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常規(guī)工藝采用熱擴(kuò)散將硅片方阻降低至70Ω/

以下,進(jìn)行成品電池的制備和測試.激光摻雜選擇性發(fā)射極多晶硅太陽電池的工藝流程如圖1.首先對多晶硅片進(jìn)行清洗,去掉表面損傷層和雜質(zhì),然后對表面進(jìn)行酸腐蝕,增加電池表面的陷光率,再進(jìn)行磷擴(kuò)散工藝.擴(kuò)散工藝后,硅片表面形成磷硅玻璃層,其中含有大量的磷原子.采用脈沖激光掃描硅片,高能量密度使磷硅玻璃局部瞬間熔化,將其中的磷原子擴(kuò)散進(jìn)入硅片,使激光掃描區(qū)域形成重?fù)诫s區(qū)域,該區(qū)域?qū)挾葹?70μm.激光掃面后硅片表面形貌如圖2.從圖2可以看出,重?fù)诫s區(qū)域較為均勻,邊界整齊.在激光摻雜工藝完成后,使用氫氟酸溶液清洗掉磷硅玻璃層和損傷層,并進(jìn)行邊絕緣刻蝕,然后在硅片表面鍍減反膜,最后通過絲網(wǎng)印刷工藝制備背電極、鋁背場和正電極,然后進(jìn)行燒結(jié)并測試.絲網(wǎng)印刷正電極網(wǎng)版柵線寬度設(shè)計(jì)為40μm,燒結(jié)后實(shí)際正電極柵線約為80μm.激光摻雜掃描與絲網(wǎng)印刷均使用高清晰度的攝像頭和相同的中心定位方法,使正電極柵線與高摻雜區(qū)域在印刷時(shí)具有較高的對準(zhǔn)準(zhǔn)確度.由于燒結(jié)后正電極柵線寬度80μm遠(yuǎn)小于激光掃描寬度270μm,保證了正電極柵線可以完全覆蓋在重?fù)诫s區(qū)域內(nèi).制備完成的選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)如圖3.電池正面電極制作在重?fù)诫s區(qū)域,有利于減小金屬與硅的接觸電阻,從而形成良好的歐姆接觸;發(fā)射極形成低摻雜區(qū)可得到較好的表面鈍化,降低少數(shù)載流子在硅片表面的復(fù)合幾率,從而減小電池的反向飽和電流,提高電池的開路電壓Uoc和短路電流Isc.2結(jié)果2.1硅片的方阻測定在太陽電池?cái)U(kuò)散工藝中,薄層電阻是反映擴(kuò)散層質(zhì)量優(yōu)劣的重要工藝指標(biāo).薄層電阻的表達(dá)式為式中,l、a、t分別是硅片的長度、寬度和厚度,ρ為硅片的電阻率.對于方塊電池片,l=a,所以R=ρ/t,稱為方塊電阻,簡稱方阻.從式(1)可以看出,電阻率的大小直接影響電池方阻的大小,方阻和硅片的電阻率成正相關(guān).實(shí)驗(yàn)利用脈沖激光高能量密度使磷硅玻璃局部瞬間熔化,將其中的磷原子擴(kuò)散進(jìn)入硅片表面,增加電極覆蓋區(qū)的雜質(zhì)磷原子濃度,減小電阻率,降低方阻,從而增加該區(qū)域光生載流子的收集率.方阻值可以使用四探針法測得,由于選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)重?fù)诫s區(qū)域極窄,不能直接采用四探針法,因此我們在相同方阻值的多晶硅片表面用激光器進(jìn)行(4×4)cm2的全面積掃描,得到一個(gè)大面積重?fù)诫s區(qū)域,再使用四探針法進(jìn)行方阻測量,測得的結(jié)果可視為選擇性發(fā)射極結(jié)構(gòu)中重?fù)诫s區(qū)域的方阻值.圖4給出實(shí)驗(yàn)中激光摻雜工藝前后硅片方阻值.激光摻雜后,硅片方阻下降,降幅為50%左右.在不同功率激光下?lián)诫s,初始方阻85Ω/

的多晶硅片進(jìn)行激光摻雜后,方阻值依然大于初始方阻75Ω/

的硅片進(jìn)行激光摻雜后的方阻.因?yàn)槌跏挤阶柚荡蟮墓杵跓釘U(kuò)散時(shí)表面沉積的磷硅玻璃層薄,擴(kuò)散后表面殘留磷原子少.因此在進(jìn)行激光摻雜時(shí),從磷硅玻璃中擴(kuò)散進(jìn)入硅片表面的磷原子量少.初始方阻值不同的情況下,激勵(lì)電流為28A時(shí),方阻值降幅大于激勵(lì)電流為26A時(shí)的降幅.這是由于激光器功率越大,硅片表面熔融速度越快,熔融深度越大,擴(kuò)散進(jìn)入硅片的磷原子越多,從而方阻值降幅越大,但是激光器功率過大反而有可能損壞電池結(jié)構(gòu).2.2外量子效率曲線太陽電池的光譜響應(yīng)可以用來表征不同波長的光對短路電流的貢獻(xiàn).外量子效率(ExternalQuantumEfficiency,EQE)是光譜響應(yīng)的直接反映,增強(qiáng)電池的光譜響應(yīng),可以提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率.為了研究激光摻雜工藝對電池外量子效率的影響,對初始方阻值75Ω/

的電池,用PVmeasurements(型號(hào)QEX7)儀器測試常規(guī)工藝電池和激光摻雜工藝電池外量子效率,并繪制波長-外量子效率曲線,如圖5.從圖5可以看出,外量子效率在340~480nm波段范圍與常規(guī)多晶硅太陽電池相比提高18%~5%.這是由于長波長光子穿透能力強(qiáng),PN結(jié)深度不影響電池對長波段光子的吸收,而短波長光子穿透能力弱,PN結(jié)表面“死層”厚度會(huì)嚴(yán)重影響電池對藍(lán)光的吸收.選擇性發(fā)射極電池發(fā)射極區(qū)域摻雜濃度低,PN結(jié)表面形成“死層”厚度淺,藍(lán)光容易穿過被電池PN結(jié)吸收.由于發(fā)射極區(qū)域降低了PN結(jié)表面“死層”對電池的影響,減小了前表面少子的復(fù)合幾率,使該區(qū)域由藍(lán)光產(chǎn)生的光生載流子收集率增加,增強(qiáng)了電池對藍(lán)光的響應(yīng).2.3光學(xué)摻雜摻雜工藝對電池短路電流和填充因子的影響多晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率Eff與填充因子FF、開路電壓Uoc、短路電流Isc直接相關(guān)式中P是太陽輻射功率.從式(2)中可以看出電池的轉(zhuǎn)換效率正比于填充因子、短路電流和開路電壓.太陽電池的開路電壓為式中k為玻爾茲曼常量,T為溫度,q為電荷量,IL為光生電流,Is為暗飽和電流.Is包括反向飽和電流Ir和薄層漏電流ID,從式(3)可知Uoc與Is成負(fù)相關(guān).由于激光摻雜工藝在電極柵線下形成高濃度摻雜區(qū)域,在發(fā)射極形成低濃度摻雜區(qū)域,形成高低結(jié),有效阻止了光生載流子的橫向移動(dòng),從而減小反向飽和暗電流和薄層漏電流,提高了電池的開路電壓.理想的太陽電池,串聯(lián)電阻Rs小、并聯(lián)電阻Rsh大,電池短路電流近似等于光生電流,即Isc=IL.實(shí)際應(yīng)用中,受串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻影響,電池的短路電流總小于光生電流短路電流與串聯(lián)電阻成負(fù)相關(guān),與并聯(lián)電阻成正相關(guān).FF反映太陽電池的質(zhì)量,同短路電流一樣,FF也與串聯(lián)電阻成負(fù)相關(guān),與并聯(lián)電阻成正相關(guān).故串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻是影響電池短路電流、填充因子以及光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素.將進(jìn)行激光摻雜工藝實(shí)驗(yàn)后的多晶硅片印刷背電極、正電極以及鋁背場后,烘干燒結(jié),制成成品電池,再用一定強(qiáng)度的平行光源照射成品電池表面,即可測量光電轉(zhuǎn)換效率以及其他電性能參量.測得激光摻雜工藝電池的電性能參量和常規(guī)工藝電池片的電性能參量如表1.從表1可以看出,初始方阻為75Ω/

的電池經(jīng)過激光選擇性發(fā)射極工藝后,對比常規(guī)工藝電池串聯(lián)電阻減小、并聯(lián)電阻增大,開路電壓、短路電流和填充因子上均有很明顯的改善.原因是激光摻雜工藝在硅片內(nèi)部形成了N++/N+高低結(jié),有效防止載流子向結(jié)區(qū)滲透,降低體內(nèi)少子的復(fù)合率,提高了并聯(lián)電阻.重?fù)诫s區(qū)域可以降低硅表面與金屬電極的接觸電阻,提高光生載流子的收集率,降低串聯(lián)電阻,從而提高電池的短路電流Isc,改善電池的填充因子.激光摻雜選擇性發(fā)射極工藝,使多晶硅電池的平均轉(zhuǎn)換效率提升0.3%左右,電池的平均效率達(dá)到17.11%,單片最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.47%,這說明激光摻雜工藝在提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率上是可行的.但是對于初始方阻為85Ω/

的電池在通過較高功率激光摻雜工藝后電性能改善不明顯,平均轉(zhuǎn)換效率略有降低.2.4激光摻雜電流對電池實(shí)驗(yàn)中,對于初始方阻值85Ω/

的電池,使用26A的電流進(jìn)行激光摻雜時(shí),電池效率的提升沒有初始方阻值75Ω/

的電池片明顯,經(jīng)分析其主要原因是擴(kuò)散方阻的提高,大大超出了擴(kuò)散工藝設(shè)備的控制能力,導(dǎo)致硅片表面方阻的均勻性變差,經(jīng)過激光掃描摻雜,硅片方阻的均勻度進(jìn)一步降低,影響了電池效率的提升.當(dāng)激光摻雜電流提高到28A時(shí),電池效率略有降低,開路電壓、短路電流以及并聯(lián)電阻等電性能也有所降低.為了進(jìn)一步分析較高電流激光摻雜對電池的影響,將激光摻雜電流提高到29A,對應(yīng)激光器功率為58W.測得轉(zhuǎn)換效率分布如圖6.從圖6可以看出,電池效率很不穩(wěn)定,效率大于16.6%的只有70%左右,低于16.6%的電池達(dá)到30%左右,低于16.0%的占到13.26%,出現(xiàn)了較大比例的低效片,相當(dāng)于只有70%左右的電池達(dá)到了正常工藝電池的水平.說明過高的激光功率進(jìn)行掃描摻雜,不僅沒有提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率,反而造成了一些低效片.部分低效電池的電性能參量如表2.對比正常電池,失效電池的電性能參量均有所變化,開路電壓、短路電流和填充因子都有所降低,串聯(lián)電阻出現(xiàn)無規(guī)律變化.而并聯(lián)電阻大幅減小,漏電電流大大增加.這是由于激光摻雜功率較高時(shí),激光掃描的熔化區(qū)深度和熱影響區(qū)深度加深,對于初始方阻值85Ω/

的電池,由于初始擴(kuò)散的不均勻性,在后續(xù)的烘干燒結(jié)過程中重?fù)诫s區(qū)域的磷原子會(huì)沿著熔化及熱影響區(qū)通道繼續(xù)向電池內(nèi)部滲透,而鋁背場中的鋁原子反向滲透最終致使PN結(jié)局部擊穿,從而使并阻降低,漏電電流增大,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)電池片失效現(xiàn)象.3激光摻雜薄膜電導(dǎo)率測試通過改變激光摻雜工藝中激勵(lì)電流的大小,研究了多晶硅片在不同激光功率下與擴(kuò)散工藝的匹