電池片制作工藝對硅片中同心圓的影響

1、電池片制作工藝對硅片中同心圓的影響摘要：主要研究了電池片生產(chǎn)工藝的各道工序會對存在同心圓的單晶硅片產(chǎn)生的影響，使用光致發(fā)光測試儀測試存在同心圓的單晶硅片經(jīng)過各道工序后的pl圖像，其pl圖像結(jié)果表明了電池片生產(chǎn)工藝中的擴(kuò)散工藝和印刷燒結(jié)工藝會使硅片中的同心圓消失。0引言近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，提高效率和降低成本成為整個行業(yè)的目標(biāo)。在晶體硅太陽電池的薄片化發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多嚴(yán)重的質(zhì)量問題，如碎片、隱裂、表面污染、電極不良等，正是這些缺陷限制了電池片的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。同時，由于沒有完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，硅片原材料的質(zhì)量也是參差不齊，一些缺陷片的存在直接影響到組件乃至光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性。硅是地球

2、外殼第二位最豐富的元素。提煉硅的原材料是sio2，它是砂子的主要成分。工業(yè)上使用石英巖生產(chǎn)冶金級硅。用于太陽能電池以及其他半導(dǎo)體器件的硅，其純度級比冶金級更高。而對于半導(dǎo)體電子工業(yè)來說，硅不僅要很純，而且必須是晶體結(jié)構(gòu)中基本上沒有缺陷的單晶形式。工業(yè)上生產(chǎn)太陽能電池硅片所用的主要方法是直拉工藝。在坩堝中，將半導(dǎo)體級多晶硅熔融，同時加入摻雜劑。在溫度可以精細(xì)控制的情況下用籽晶能夠從熔融硅中拉出大圓柱形的單晶硅。半導(dǎo)體硅的性質(zhì)依賴于它在制作過程的工藝，其中最重要的是最終產(chǎn)品所表現(xiàn)出來的晶體完美程度。在一個理想的單晶體中，在任何一個晶體點(diǎn)陣附近排列的原子，嚴(yán)格地與所有其他格點(diǎn)重復(fù)。實際晶體可接近于這

3、樣的完整排列。在多晶固體中，在單個晶粒內(nèi)存在著這類長程有序性，晶粒的直徑可以從幾分之一微米到毫米。多晶晶粒的取向彼此之間也不盡相同，因而在這些地方相鄰原子之間不能完美地“配合”，結(jié)果在晶粒的邊界處出現(xiàn)局部應(yīng)變和畸變。硅太陽能電池一直使用單晶材料制造，因為它具有優(yōu)良的電特性。它們的載流子的遷移率很高，沒有晶粒邊界，很少有促使光生電子和空穴復(fù)合的缺陷。缺陷處的復(fù)合會降低少數(shù)載流子的壽命，因而也降低了電池效率。少子壽命是太陽能電池中半導(dǎo)體的最重要的電性能之一，不過它并不是所用半導(dǎo)體的本征特性。甚至，同一種半導(dǎo)體不同的樣品之間，其數(shù)值也可有很大變化，而且還會在電池的加工過程中發(fā)生變化，其加工步驟會影響

4、材料的性質(zhì)，并因此影響太陽能電池的性能。生產(chǎn)單晶硅的常見的方法是提純原材料，熔融物在嚴(yán)格控制的溫度變化速率下凝固并生長出單晶以及最后將單晶錠鋸成薄片并拋光。而在硅材料的生產(chǎn)過程中會造成很多缺陷，而這些缺陷勢必會導(dǎo)致晶體硅片的少數(shù)載流子濃度降低，從而導(dǎo)致硅片中有此類缺陷的部分在pl測試中表現(xiàn)為發(fā)光強(qiáng)度較弱或是不發(fā)光，而因原料硅片的制作工藝的不同，較常見的是硅片中存在同心圓。1 實驗本文中選取存在同心圓的單晶硅片90片，規(guī)格為156mm156mm，厚度為200m。將這90片硅片進(jìn)行正常生產(chǎn)工序，首先對硅片進(jìn)行腐蝕制絨，得到陷光良好的絨面，清洗后用高溫雜質(zhì)擴(kuò)散工藝有控制地向硅片中摻入另一種雜質(zhì)。在標(biāo)

5、準(zhǔn)的太陽能電池工藝中，通常將硼摻雜到直拉工藝的熔料中，從而生產(chǎn)出p型硅片。為了制造太陽電池，必須摻入n型雜質(zhì)，以形成p-n結(jié)。磷是常用的n型雜質(zhì)，現(xiàn)在常用的工藝是載氣通過液態(tài)的pocl3混入少量的氧后通過排放有硅片的加熱爐管，這樣硅片表面就生成含磷的氧化層。在規(guī)定的爐溫下（800到900），磷從氧化層擴(kuò)散到硅片中。約20分鐘之后，靠近硅片表面的區(qū)域，磷雜質(zhì)濃度超過硼雜質(zhì)濃度，從而制得一層薄的、重?fù)诫s的n型區(qū)。之后去除電池片的氧化層和側(cè)面及背面的結(jié)。再通過化學(xué)氣相沉積法制成一層減反射膜氮化硅膜。最后用絲網(wǎng)印刷的方法印刷電極并燒結(jié)成片3。實驗過程中，分別取原硅片、擴(kuò)散后、濕刻后、印刷燒結(jié)后各10片

6、進(jìn)行測試對比分析。2 pl光致發(fā)光測試儀測試原理photoluminescence光致發(fā)光檢測過程大致包括激光被樣品吸收、能量傳遞、光發(fā)射及ccd成像等四個階段。通常利用激光作為激發(fā)光源，提供一定能量的光子，硅片中處于基態(tài)的電子在吸收這些光子后而進(jìn)入激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子屬于亞穩(wěn)態(tài)，在短時間內(nèi)會回到基態(tài)，并發(fā)出以1150nm的紅外光為波峰的熒光，利用冷卻的照相機(jī)鏡頭進(jìn)行感光，將圖像通過計算機(jī)顯示出來，發(fā)光的強(qiáng)度以本位置的非平衡少數(shù)載流子的密度成正比，而缺陷處會成為少數(shù)載流子的強(qiáng)復(fù)合中心，因此該區(qū)域的少數(shù)載流子密度變小導(dǎo)致熒光效應(yīng)減弱，在圖像上表現(xiàn)出來就成為暗色的點(diǎn)、線或一定的區(qū)域，而在電池片

7、內(nèi)復(fù)合較少的區(qū)域則表現(xiàn)為比較亮的區(qū)域。因此，通過觀察光致發(fā)光成像能夠判斷硅片或電池片是否存在缺陷。pl測試儀的基本結(jié)構(gòu)如1所示。3 結(jié)果與分析單晶硅由于本身內(nèi)部長程有序的晶格結(jié)構(gòu)，其電池效率明顯高于多晶硅電池，是硅基高效太陽電池的首選材料。然而，單晶硅內(nèi)部雜質(zhì)和晶體缺陷的存在會影響太陽能電池的效率，比如：b-o復(fù)合體的存在會導(dǎo)致單晶電池的光致衰減；內(nèi)部金屬雜質(zhì)和晶體缺陷（位錯、同心圓等）的存在會成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，影響其少子壽命。擴(kuò)散是制備太陽能電池的關(guān)鍵工藝步驟，其直接決定著電池的光電轉(zhuǎn)換效率。存在同心圓的原硅片在經(jīng)過擴(kuò)散工藝步驟后，同心圓消失，其pl測試圖像如圖3所示。原硅片出現(xiàn)同心圓是因為同心圓的部分其少數(shù)載流子大量復(fù)合，而經(jīng)過擴(kuò)散磷起到吸雜作用，減少了復(fù)合中心，增加了少子壽命而使同心圓消失。（作者：王惠 楊偉強(qiáng) 嚴(yán)金梅 魏紅軍晶澳太陽能有限公司）存在同心圓的硅片經(jīng)過濕刻后，其pl測試圖像如圖所示。從圖中可以看到，經(jīng)擴(kuò)散消失的同心圓又出現(xiàn)了，這是因為硅片背面擴(kuò)散的雜質(zhì)層經(jīng)過濕刻后被腐蝕掉了，所以背面的同心圓就出現(xiàn)了。而下圖