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激光摻雜選擇性發(fā)射極單晶硅太陽(yáng)電池的工藝研究

發(fā)布時(shí)間:2018-06-14 來(lái)源:元祿光電

【摘要】研究了激光摻雜選擇性發(fā)射極匹配的擴(kuò)散工藝,通過(guò)調(diào)整不同的工藝參數(shù),達(dá)到相同的高方阻,比較了不同方法獲得的高方阻的均勻性,得到了在105Ω左右的高方阻仍能保持較好均勻性的擴(kuò)散工藝。通過(guò)調(diào)整激光功率形成不同的重?fù)诫s區(qū)方塊電阻,研究了不同的重?fù)诫s區(qū)方塊電阻對(duì)電池主要電性能參數(shù)的影響,分析了變化原因。最后比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池和傳統(tǒng)太陽(yáng)電池的電性能及外量子效率。工藝優(yōu)化后,激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)太陽(yáng)電池有0.24%的提升。

引言

提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率是提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。發(fā)射極摻雜濃度對(duì)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的影響是雙重的,采用高濃度的摻雜,可以減小硅片和電極之間的接觸電阻,降低電池的串聯(lián)電阻,但是高的摻雜濃度會(huì)導(dǎo)致載流子復(fù)合變大,少子壽命降低,影響電池的開(kāi)路電壓和短路電流。采用低濃度的摻雜,可以降低表面復(fù)合,提高少子壽命,但是必然會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的增大,影響電池的串聯(lián)。選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以很好地解決這一矛盾。選擇性發(fā)射極(iveemitter,SE)太陽(yáng)電池,即在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜,而在電極以外的區(qū)域進(jìn)行低濃度摻雜。這樣既降低了硅片和電極之間的接觸電阻,又降低了表面的復(fù)合,提高了少子壽命。這種結(jié)構(gòu)的電池具有以下3點(diǎn)明顯的優(yōu)點(diǎn):

(1)降低串聯(lián)電阻,提高填充因子;

(2)減少載流子復(fù)合,提高表面鈍化效果;

(3)增強(qiáng)電池短波光譜響應(yīng),提高短路電流和開(kāi)路電壓。

目前選擇性發(fā)射極的主要實(shí)現(xiàn)工藝有氧化物掩膜法、絲網(wǎng)印刷硅墨水法、離子注入法和激光摻雜法等,其中激光PSG摻雜法由于其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單,從圖1可以看出從太陽(yáng)電池常規(guī)產(chǎn)線升級(jí)成激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池生產(chǎn)線,工藝上只需增加激光摻雜一個(gè)步驟,從設(shè)備上來(lái)說(shuō),只需增加摻雜用激光刻蝕設(shè)備,與常規(guī)產(chǎn)線的工藝及設(shè)備兼容性很高,是行業(yè)研究的熱點(diǎn)。激光PSG摻雜法是采用擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生的磷硅玻璃層作為摻雜源進(jìn)行激光掃描,形成重?fù)诫s區(qū)。目前雖然對(duì)激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的理論研究和實(shí)驗(yàn)的報(bào)道很多,但是在實(shí)際的大規(guī)模生產(chǎn)中,仍然存在著擴(kuò)散高方阻的均勻性、輕重?fù)诫s區(qū)方塊電阻匹配和印刷正電極的精確對(duì)位等問(wèn)題,本文主要對(duì)前兩個(gè)問(wèn)題相關(guān)工藝進(jìn)行研究。

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2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)采用156.75156.75mm的單晶硅片,厚度180200μm,電阻率范圍13Ω˙cm.

2.2擴(kuò)散工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

擴(kuò)散工藝的基本步驟如圖2所示。在擴(kuò)散工藝中,影響擴(kuò)散后硅片方塊電阻的工藝參數(shù)有大氮?dú)怏w流量、小氮?dú)怏w流量、氧氣流量、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間和源瓶溫度等參數(shù)。其中,擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散溫度是大規(guī)模生產(chǎn)中常用的調(diào)整方阻的工藝參數(shù)。目前,激光摻雜選擇性發(fā)射極擴(kuò)散輕摻雜的方快電阻一般在100110Ω/之間。本實(shí)驗(yàn)以105Ω/為目標(biāo)方快電阻,通過(guò)縮短擴(kuò)散時(shí)間和降低擴(kuò)散溫度兩種方式將正常的85Ω/升高至目標(biāo)方阻。實(shí)驗(yàn)使用Tempress45恒溫區(qū)擴(kuò)散爐進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)1為將原擴(kuò)散工藝的擴(kuò)散時(shí)間縮短4min,實(shí)驗(yàn)2為將原擴(kuò)散工藝的擴(kuò)散溫度降低12。每組實(shí)驗(yàn)做一管(500),擴(kuò)散工藝完成后,從每個(gè)恒溫區(qū)的中間位置各抽取一片,使用四探針?lè)綁K電阻測(cè)試儀測(cè)試硅片中心點(diǎn)和四個(gè)邊角的方塊電阻。

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2.3激光摻雜工藝的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在激光摻雜工藝中,利用激光的熱效應(yīng),熔融硅片表層,覆蓋在發(fā)射極頂部的磷硅玻璃(PSG)中的磷原子進(jìn)入硅片表層,磷原子在液態(tài)硅中的擴(kuò)散系數(shù)要比在固態(tài)硅中高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。固化后摻雜磷原子取代硅原子的位置,形成重?fù)诫s層。使用優(yōu)化后的擴(kuò)散工藝,制作方快電阻在105Ω/的實(shí)驗(yàn)樣片400片,分成四組,每組100片。激光摻雜使用波長(zhǎng)532nm的納秒脈沖激光器,分別調(diào)整激光功率至20W、30W40W50W,對(duì)四組實(shí)驗(yàn)樣片進(jìn)行掃描,形成每條120μm寬的重?fù)诫s區(qū)。對(duì)于各組中用于測(cè)試方阻的樣品硅片,使用激光掃描20mm*20mm的方塊面積。以得到均勻的激光重?fù)诫s區(qū)域,用四探針測(cè)試其方塊電阻。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1擴(kuò)散方塊電阻結(jié)果

方塊電阻是衡量擴(kuò)散質(zhì)量是否符合工藝要求的重要指標(biāo),擴(kuò)散方塊電阻的均勻性尤其重要,直接關(guān)系到后續(xù)工藝的匹配,并最終對(duì)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響,用方塊電阻的不均勻度來(lái)反應(yīng)方塊電阻的均勻性,不均勻度的計(jì)算公式為:

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以下是兩組實(shí)驗(yàn)擴(kuò)散方塊電阻數(shù)據(jù),并計(jì)算了方塊電阻的片內(nèi)均勻性,數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

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從表1和表2兩組數(shù)據(jù)中可以看出,實(shí)驗(yàn)1方塊電阻的片內(nèi)不均勻度大多數(shù)都在4.0%之內(nèi),均勻性較好,而實(shí)驗(yàn)2方塊電阻的片內(nèi)不均勻度大多數(shù)都在4.0%以上,其中有三個(gè)溫區(qū)在5.0%以上,均勻性較差。通過(guò)縮短擴(kuò)散時(shí)間減少摻雜雜質(zhì)總量提高方塊電阻,對(duì)于工藝氣體流量、溫度場(chǎng)等均沒(méi)有較大的影響,因此可以最大程度地保持片內(nèi)方塊電阻的均勻性。擴(kuò)散溫度的降低影響硅片表面磷硅玻璃層的形成,減弱了磷硅玻璃層對(duì)磷擴(kuò)散的阻礙作用,使方塊電阻的片內(nèi)均勻性偏差。另外,在大規(guī)模生產(chǎn)中,縮短工藝實(shí)驗(yàn)可以提高產(chǎn)量,節(jié)約生產(chǎn)成本。

3.2激光摻雜實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用四探針對(duì)激光掃描的20*20mm的樣片進(jìn)行方塊電阻的測(cè)量,然后四組實(shí)驗(yàn)在相同的工藝條件下進(jìn)行洗磷刻蝕、PECVD鍍減反膜、絲網(wǎng)印刷電極和燒結(jié),制成成品電池片,并測(cè)試其電性能參數(shù),不同激光功率對(duì)重?fù)诫s區(qū)方塊電阻以及最終對(duì)電池串聯(lián)電阻的影響如表3所示:

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從表3中可以看出,當(dāng)激光功率為20W時(shí),方塊電阻變化較小,僅有5Ω/的降低,電池的串聯(lián)電阻較高。隨著激光功率的增加,方塊電阻明顯降低,電池串聯(lián)電阻呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。這主要是由于激光功率較小時(shí),不足以使硅片表面溶化,磷原子向硅片表面的摻雜較少,不能形成重?fù)诫s區(qū),導(dǎo)致金屬電極與發(fā)射極之間無(wú)法形成良好的歐姆接觸,使電池的串聯(lián)電阻處于較高的水平。當(dāng)激光功率上升到30W以上時(shí),隨著激光功率的增加,硅片表面溶化的深度不斷加深,摻雜磷原子在硅片表面所能達(dá)到的深度也隨之增加,因此方塊電阻有明顯的降低,低方塊電阻的重?fù)诫s區(qū)與金屬柵線形成良好的歐姆接觸,接觸電阻降低,電池的串聯(lián)電阻得到明顯的改善。當(dāng)激光功率達(dá)到50W時(shí),電池的串聯(lián)電阻有升高的趨勢(shì),這一方面是由于過(guò)高的激光功率會(huì)使磷硅玻璃部分蒸發(fā)而減少摻雜源,導(dǎo)致磷原子的表面濃度降低,另一方面,激光摻雜,磷硅玻璃作為有限源,當(dāng)激光功率較高時(shí),隨著硅片表面溶化時(shí)間和溶化層厚度的增加高濃度區(qū)域加深,磷硅玻璃中更多的磷原子被驅(qū)趕到硅片表層,導(dǎo)致磷原子表面的濃度降低??傊?,過(guò)高的激光功率會(huì)使磷原子的表面濃度降低,不能與金屬電極形成良好的歐姆接觸導(dǎo)致串聯(lián)電阻的升高。

3.3激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池電性能結(jié)果

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從表4中可以看出,與常規(guī)電池相比較,激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓和短路電流都有明顯的提升。原因是高方塊電阻的輕摻雜發(fā)射極可以有效減少載流子的復(fù)合幾率,提高載流子的收集效率,低表面摻雜濃度還可以使表面態(tài)密度降低,提高表面鈍化效果,最終提高電池的開(kāi)路電壓和短路電流。另外,選擇性發(fā)射極輕、重?fù)诫s區(qū)的摻雜濃度差形成高低結(jié),進(jìn)一步提高電池的開(kāi)路電壓。

不同激光功率對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率的影響,從上表中可以看出,當(dāng)激光功率為20W時(shí),激光摻雜對(duì)硅片重?fù)诫s區(qū)方阻影響不大,雖然由于發(fā)射極的輕摻雜使電池的開(kāi)路電壓和短路電流都有明顯的提升,但是串聯(lián)電阻過(guò)大,導(dǎo)致最終效率較低。當(dāng)激光功率在30W50W之間時(shí),電池的開(kāi)路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻等電性能參數(shù)相比常規(guī)電池都有明顯的改善。激光功率在此區(qū)間內(nèi),隨著功率的增加,開(kāi)路電壓沒(méi)有明顯變化,短路電流隨著功率的增加呈下降的趨勢(shì),主要是激光功率過(guò)高時(shí)對(duì)摻雜區(qū)的絨面有損傷,影響對(duì)光的吸收。激光功率大小對(duì)串聯(lián)電阻的影響前文已進(jìn)行分析,不再重復(fù)。綜上所述,當(dāng)激光功率在40W,重?fù)诫s區(qū)方阻降至63Ω/□左右時(shí),輕、重?fù)诫s區(qū)工藝匹配達(dá)到最優(yōu),相比傳統(tǒng)電池,效率有0.24%的提升。

3.4外量子效率測(cè)試結(jié)果

對(duì)工藝優(yōu)化的激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池和常規(guī)太陽(yáng)電池進(jìn)行外量子效率的測(cè)試分析,如圖3所示,從圖中可以看出在300nm520nm波段范圍內(nèi),激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的外量子效率相比常規(guī)太陽(yáng)電池有較明顯的提升,但是在中長(zhǎng)波段基本與常規(guī)電池一致。主要是由于激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池發(fā)射極區(qū)域摻雜濃度低,前表面的載流子復(fù)合幾率降低,對(duì)光生載流子的收集增加,電池的光譜響應(yīng)增強(qiáng)。

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4.結(jié)論

通過(guò)縮短擴(kuò)散時(shí)間和降低擴(kuò)散溫度兩種方法提高擴(kuò)散的方塊電阻,形成輕摻雜,比較了兩種方法形成的高方塊電阻的均勻性,發(fā)現(xiàn)縮短擴(kuò)散時(shí)間提高方塊電阻的方法得到的高方塊電阻的均勻性較好。重?fù)诫s區(qū)方塊電阻匹配的研究,通過(guò)改變激光功率形成不同的重?fù)诫s區(qū)方塊電阻,發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率在40W左右,重?fù)诫s區(qū)方塊電阻在66Ω/□左右時(shí),工藝達(dá)到最優(yōu),電池的開(kāi)路電壓、短路電流和串聯(lián)電阻等參數(shù)均有明顯的改善,最終轉(zhuǎn)換效率相比傳統(tǒng)電池有0.24%的提升。比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池和傳統(tǒng)太陽(yáng)電池的外量子效率,相比傳統(tǒng)太陽(yáng)電池,激光摻雜選擇性太陽(yáng)電池主要在300520nm的短波范圍內(nèi)有較明顯的提升。

 


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