單晶硅太陽(yáng)能電池硅與電極間的歐姆接觸1

1、單晶硅太陽(yáng)能電池硅與電極間的歐姆接觸譚富彬趙玲陳亮維蔡云卓黃富春李茜(昆明貴金屬研究所,中國(guó)昆明650221Ohmic Contact betw een Monocrystalline Silicon and E lectrode in Solar CellT an Fubin ,Zhao Ling ,Chen Liangw ei ,C ai Yunzhuo ,H uang Fuchun ,Li Q ian(K unming Institute of Precious Metals ,K unming 650221,China Abstract :The sintering process b

2、etween m onocrystalline silicon and silver paster or aluminium paster or silver -aluminium paster was observed and analyzed by metallography ,X -ray diffraction and dif 2ferential thermal analysis.The results show that alloys have formed between them ,the Schottky Bar 2ries has eliminated and the Oh

3、mic contact has established between silicon and electrode.K eyw ords :M onocrystalline silicon ;S olar cell ;Silicon ;Electrode ;Ohmic contact摘要:,TG-DT A 及X -射線衍射分析,證明單晶硅與銀漿、鋁漿(銀鋁漿在燒結(jié)過(guò)程中形成合金,消除硅與電極間的肖特基勢(shì)壘,使電極與硅形成歐姆接觸。關(guān)鍵詞:單晶硅;太陽(yáng)能電池;硅;電極;歐姆接觸中圖分類號(hào):T M615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-0676(200101-0012-05太陽(yáng)能是取之不盡,無(wú)污

4、染、無(wú)噪音的新能源。隨工業(yè)發(fā)展及人類活動(dòng)的增加,地下礦物能源日趨短缺,開(kāi)發(fā)、利用太陽(yáng)能已是當(dāng)務(wù)之急。太陽(yáng)能電池是開(kāi)發(fā)、利用太陽(yáng)能的手段之一,它是直接將太陽(yáng)能變成電能的半導(dǎo)體器件,然后組裝成不同電壓、電流和功率的裝置,從而使人們獲得新能源。電池可以用于空間技術(shù)、兵站、航標(biāo)及其他缺電無(wú)電的邊遠(yuǎn)地區(qū)。電池的電極引出線通過(guò)蒸鍍、化學(xué)鍍、壓結(jié)、印刷燒結(jié)的方法獲得。不管那種方法,要消除電極與硅間的肖特基勢(shì)壘,形成歐姆接觸。本文重點(diǎn)討論用厚膜工藝印刷、燒結(jié)后與硅生成合金,使電極與硅形成歐姆接觸1。電池柵極(受光面是摻雜了其他元素的銀電極,背場(chǎng)電極(背陽(yáng)面用鋁電極及銀鋁電極。作者通過(guò)電極與硅形成合金,從而使硅

5、與電極間消除了肖特基勢(shì)壘,實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。這樣拓寬了厚膜漿料的應(yīng)用范圍(即印刷在導(dǎo)電基片上,也提高了硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)效率2。1實(shí)驗(yàn)111銀電極的制備:選用粒度012m 的銀粉,摻雜少量過(guò)渡族或、族元素,按比例加入玻璃粉,再用乙基纖維素松油醇配成厚膜漿料,絲網(wǎng)漏印在單晶硅片上,烘干、在700左右燒結(jié)后得硅太陽(yáng)能電池受光面柵極,呈歐姆接觸,用鉛錫漿載流焊得引出線。2001年3月第22卷第1期貴金屬Precious Metals Mar.2001V ol.22,N o.1收稿日期:19991011基金項(xiàng)目:云南省科委應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(1993-06112鋁電極的制備:將粒度10m 的鋁粉,按比例

6、加入玻璃粉,再加入乙基纖維素松油醇制成漿料。然后經(jīng)印刷、烘干,650左右燒結(jié)后得硅太陽(yáng)能電池背場(chǎng)電極,呈歐姆接觸。113銀鋁電極的制備:選擇粒度10m 的鋁粉,按比例與粒度012m 的銀粉混合,加入玻璃粉,再用乙基纖維素松油醇混合得漿料。然后絲網(wǎng)漏印、烘干在硅片上,經(jīng)650左右燒結(jié)得背場(chǎng)銀鋁電極,呈歐姆接觸,用鉛錫漿載流焊得引出線。114金相樣品的制備:將已燒結(jié)的Ag -Si 、AgAl -Si 、Al -Si 片放在鑲樣粉中,加熱壓結(jié)成塊,經(jīng)金相制樣,然后用MeF 2萬(wàn)能金相顯微鏡,在明場(chǎng)條件觀察其界面。115TG -DT A 實(shí)驗(yàn):將印刷烘干未燒結(jié)的Ag -Si 、AgAl -Si 、Al

7、 -Si 電極,在Therm ofler TG -DT A上進(jìn)行升溫測(cè)定,加熱速度10K /min ,熱重靈敏度為2mg 滿刻度,差熱靈敏度±50V 滿刻度,圖速215mm/min ,氣氛為靜態(tài)空氣。3種電極測(cè)試用量分別為1416mg 、1814mg 、1815mg ,參比物Al 2O 3粉,樣品皿均為Al 2O 3坩堝。116X -射線衍射實(shí)驗(yàn):用日本理學(xué)公司的D/max -RC 型旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極銅靶衍射儀進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)條件:管壓40kV ,管流80mA ,DS 、SS 分別為1°,RC 為013mm ,用石墨單色器濾去CuK 線,用軟件進(jìn)行CuK 2剝離。Ag -Si 、Ag

8、Al -Si 、Al -Si 電極燒結(jié)后逐層拋磨,逐層X(jué) -射線衍射,直至露出硅為止。2結(jié)果與討論211銀電極:銀電極又稱柵極或受光面電極2。用網(wǎng)狀圖案的目的是提高受光面積,電極復(fù)蓋面允許占受光面積的8%10%。Ag 電極是通過(guò)摻雜少量、族或過(guò)渡族元素,燒結(jié)而成。在理論上,摻雜元素與硅形成合金或金屬間化合物,形成歐姆接觸。作者進(jìn)行了以上元素的摻雜試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)與硅形成的合金相或金屬間化合物。圖1是銀漿燒結(jié)在單晶硅片上的X -射線衍射的結(jié)果。圖1a 是低濃度摻雜,圖1b 是高濃度摻雜,不同濃度的元素M 都未發(fā)現(xiàn)與硅形成合金或金屬間化圖1銀電極的X -射線衍射圖Fig.1The X -ray dif

9、fraction pat 2tern of the silver electrode(a Ag a M ,b Ag b M 合物。金相觀察只發(fā)現(xiàn)銀與硅的界面有鋸形花樣出現(xiàn)。企圖通過(guò)X -射線衍射分析硅與摻雜元素M 形成合金或金屬間化合物是很困難的。通過(guò)計(jì)算單晶硅及燒結(jié)銀漿后硅的點(diǎn)陣參數(shù)變化,判斷單晶硅燒結(jié)前后的界面狀態(tài)。計(jì)算依據(jù),單晶硅屬立方晶系,晶面間距d hkl 與晶面指數(shù)(hkl 的關(guān)系:31譚富彬等:單晶硅太陽(yáng)能電池硅與電極間的歐姆接觸因?yàn)?d hkl =a h 2+k 2+L2所以:a =h 2+k 2+L 2d hkl對(duì)于(400晶面,h =4,k =L = 0,a =4d hkl

10、 ,d 為實(shí)驗(yàn)值,計(jì)算結(jié)果列于表1中。圖2不同摻雜元素量的銀電極金相(300×Fig.2The metallograpy of the silver electrode containing the different added elements(a Ag a M ,b Ag b M 表1不同摻雜濃度的單晶硅點(diǎn)陣參數(shù)T ab.1The structure parameters of the m onocrystalline silicon with the different content of added elements樣品晶面(hkl 晶面間距(nm 點(diǎn)陣參數(shù)(nm Ag

11、a 與單晶硅(400011357015428Ag b 與單晶硅(400011356015424單晶硅(40001135 5015420從表中結(jié)果知道,單晶硅與Ag a 、Ag b 比較,單晶硅點(diǎn)陣參數(shù)小些,這是摻雜引起的。點(diǎn)陣參數(shù)的微小變化 ,消除了銀與硅之間的界面勢(shì)壘,形成了歐姆接觸。在文獻(xiàn)2中,摻鈦時(shí)出現(xiàn)敏銳的衍射峰。摻雜元素M 可以是P 、As 、Sb 、Bi 、Ni 、Sn 、T i 、G e 、Pb 、Zn 、Cd 、Ag 、Au 、Hg 、Pd 等,選擇范圍很廣。通過(guò)差熱分析發(fā)現(xiàn)(圖3在294有機(jī)物燃燒放熱。在480處有吸熱峰,比生產(chǎn)線低約50,吸熱峰溫度與摻雜元素M 有關(guān),作者認(rèn)

12、為是合金或金屬間化合物形成吸熱。TG -DT A 的特征溫度與元素M 有關(guān),在工藝上往往是多種元素按不同比例混合而成。圖3銀電極的TG-DT A 曲線Fig.3The TG-DT A curve of silver electrode 圖4鋁電極的TG-DT A 曲線Fig.4The TG-DT A curve of Al electrode41貴金屬212鋁電極:單晶硅太陽(yáng)能電池背場(chǎng)印燒了鋁電極3。鋁與硅容易形成合金,圖4是鋁電極的TG -DT A 分析結(jié)果,在621有吸熱峰,比生產(chǎn)上實(shí)際燒結(jié)溫度低30。通過(guò)X -射線衍射分析(圖5,發(fā)現(xiàn)Al 3121Si 0147的鋁硅合金,這樣消除了硅鋁

13、界面的肖特基勢(shì)壘,使硅鋁間呈歐姆接觸 。圖5鋁電極的X -射線衍射圖Fig.5The X -raydiffraction spectroscopy of Alelectrode(1Al 3121、S i 0147,2Al ,3S i 圖6銀鋁電極的DT A 曲線Fig.6The DT A curve of Ag -Al electrode 213銀鋁電極:由于鋁電極不能鉛錫漿載流焊,因而在背場(chǎng)同時(shí)印燒了銀鋁電極,除了要求硅鋁間呈歐姆接觸外,必須鋁錫漿載流焊4。有些工藝不用鋁電極,僅用銀鋁電極,為了降低成本,電極設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。用TG-DT A 分析發(fā)現(xiàn)(圖6,在316有放熱峰,鋁電極無(wú)此現(xiàn)象,可以

14、認(rèn)為是AgAl合金的生成熱。在542有吸熱現(xiàn)象,比鋁電極低約80,與銀存在有關(guān)?？梢岳斫馊藗儾捎帽蠕X電極高出數(shù)倍價(jià)格的銀鋁電極了。圖7是銀鋁電極的X -射線衍射結(jié)果。證明經(jīng)燒結(jié)后生成了Ag 2Al 、Al 3121Si 0147及AlSi 等。圖8是銀鋁電極的金相照片,在界面有硅、黑色層及AgAl 合金存在。在硅與銀鋁之間的黑色層正是作者所希望的,X -射線衍射證明它們是AlSi 、Al 3121Si 0147合金,使硅與電極呈歐姆接觸。3種電極由于有機(jī)物燃燒失重。214電池性能:印燒了銀漿、鋁漿(或銀鋁漿的單晶硅,它就是已具有光伏特性的太陽(yáng)能電池,當(dāng)受光面(銀電極受陽(yáng)光照射,光能轉(zhuǎn)換為電能時(shí)

15、,電池即有電流、電壓輸出5。作者用晶體管特性儀定性測(cè)定I -V 特性,結(jié)果見(jiàn)圖9。如果OA 與y (I 軸平行,電極與硅呈最佳歐姆接觸,串聯(lián)電阻為最小值;當(dāng)OA 與y (I 軸成夾角,歐姆接觸不良,串聯(lián)電阻偏大,電池光電轉(zhuǎn)換效率偏小。串聯(lián)電阻與電極漿料密切相關(guān)。當(dāng)OB 與x (v 軸平行,并聯(lián)電阻達(dá)最大值;當(dāng)OB 與x (v 軸成夾角,并聯(lián)電阻偏小,電池在使用過(guò)程中P -N 結(jié)易擊穿。并聯(lián)電阻除與硅雜質(zhì)擴(kuò)散、切削、等離子腐蝕等有關(guān)外,與電極漿料也有關(guān)5。串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻為最佳值時(shí),電池短路電流>2600mA 、開(kāi)路電壓>610mV 、并聯(lián)電阻>15、串聯(lián)電阻<0102

16、0、填充因子>75%,光電轉(zhuǎn)換效率>15%。3結(jié)論通過(guò)樣品橫斷面金相觀察,TG-DT A 及X -射線衍射分析,包括計(jì)算樣品的點(diǎn)陣參數(shù),證明單晶硅與銀漿、鋁漿(銀鋁漿在燒結(jié)過(guò)程中形成合金,消除硅與電極間的肖特基勢(shì)壘,使電極與硅形成歐姆接觸。劉雄教授、趙萬(wàn)春同志提供TG-DT A 分析數(shù)據(jù),特此表示致謝!51譚富彬等:單晶硅太陽(yáng)能電池硅與電極間的歐姆接觸 圖7銀鋁電極的X -射線衍射圖Fig.7The X -ray diffractionspectroscopy of Ag -Al electrode圖8 銀鋁電極的金相照片(300×Fig.8The metallography of Ag -Al electrode 圖9硅太陽(yáng)能電池的I -V 特性示意圖Fig.9The I -V characteristic of the si