趙燕嬌， 楊飛飛， 王海剛

（山西潞安太陽能科技有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

引 言

隨著歐盟、美國對我國光伏產(chǎn)品的貿(mào)易爭端增多，我國光伏產(chǎn)業(yè)面臨的壓力日益增大。在此背景之下，如何制造高效率、低成本的硅太陽能電池成為光伏能源領(lǐng)域的主要研究熱點。如，提高基體材料質(zhì)量；降低表面復(fù)合，以增加少子壽命、提高光子利用率和電池片的外量子效率；通過減少硅片厚度降低硅太陽電池成本等。如何監(jiān)控電池片的性能，監(jiān)測哪些工藝參數(shù)，使用什么樣的方法監(jiān)測，顯得尤為重要。研究電池片工藝參數(shù)對效率的影響，有利于更好地優(yōu)化參數(shù)，為高質(zhì)量的電池片提供依據(jù)和保證。

1 電學(xué)參數(shù)及檢測技術(shù)

1.1 電阻率

半導(dǎo)體的電阻率代表著半導(dǎo)體中載流子的濃度，即施主或受主雜質(zhì)的濃度，它是表征硅片摻雜濃度的一項重要參數(shù)。

電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)。電導(dǎo)率的大小取決于半導(dǎo)體載流子濃度n和載流子遷移率μ，即，σ＝nqμ。對于摻雜濃度不均勻的擴(kuò)散區(qū)，往往采用平均電導(dǎo)率的概念。

低溫下：由于載流子濃度指數(shù)式增大，而遷移率也是增大的，所以，電導(dǎo)率隨著溫度的升高而上升（即電阻率下降）。

室溫下：由于施主或受主雜質(zhì)已經(jīng)完全電離，則載流子濃度不變，但遷移率隨著溫度的升高而降低，所以，電導(dǎo)率將隨著溫度的升高而減?。措娮杪试龃螅?/p>

高溫下：本征激發(fā)開始起作用，載流子濃度將指數(shù)式增大。雖然這時遷移率仍然隨著溫度的升高而降低，但是這種遷移率降低的作用不如載流子濃度增大得強(qiáng)，所以總的效果是，電導(dǎo)率隨著溫度的升高而上升（即電阻率下降）。

電阻率的在線檢測主要使用非接觸式渦流傳感器，如，Simelab公司生產(chǎn)的 WMT-5及 WMT-3。離線檢測主要通過接觸式原理，如，GP4test四探針測試儀，主要針對硅片屬于極薄、厚度d相對于探針間距小很多而橫向尺寸為無窮大的樣品。如圖1所示，從探針1流入和從探針4流出的電流，測出探針2和探針3的電壓值，則電阻率可表示為式（1）。

圖1 極薄樣品電阻率

1.2 擴(kuò)散方塊電阻

方塊電阻是標(biāo)志擴(kuò)散到半導(dǎo)體中的雜質(zhì)總量的一個重要參數(shù)，它是工藝中最常需要的檢測參數(shù)之一。

如圖2所示，對于一塊長為l、寬為a、厚為t的薄層，假設(shè)該薄層的電阻率為ρ，則這個薄層的電阻可表示為式（2）。

當(dāng)長l與寬a相等時，這時的電阻代表一個方塊的電阻，稱為方阻。

圖2 擴(kuò)散薄層圖

方塊電阻的在線檢測主要通過表面光電壓法對具有PN或NP結(jié)構(gòu)表層的方塊電阻進(jìn)行無接觸測量。方阻探頭中心有一個LED光源，光注入PN結(jié)產(chǎn)生電子空穴對，PN結(jié)或NP結(jié)的內(nèi)建電場將電子和空穴分離，從而在光激發(fā)位置產(chǎn)生表面勢。該表面勢的大小沿橫向方向會有一定的衰減，而衰減的快慢恰恰反映了表層方塊電阻的大小。儀器正是通過測量環(huán)形電容內(nèi)外電極上的電勢差間接得到材料的方塊電阻。

方阻的離線設(shè)備通常使用四探針來測試，其原理如圖1所示。根據(jù)方阻的定義將公式（1）中的電阻率代入公式（2），就可得到方阻的計算公式（3）。

1.3 接觸電阻及線電阻

電池片的內(nèi)阻直接影響短路電流的輸出。電池片內(nèi)阻包括金屬柵線電阻、薄層電阻、體電阻、接觸電阻。在電池片生產(chǎn)中，印刷工藝會影響接觸電阻與柵線電阻。

接觸電阻表示印刷工藝中金屬電極與電池片接觸電阻的大??；線電阻指金屬柵線單位長度的電阻。

接觸電阻與線電阻可通過四探針原理測試。

2 硅片厚度

大幅度降低材料的用量是降低太陽能電池成本最有效的手段，在保證太陽能電池性能不變甚至提高的前提下，減少硅片厚度對降低電池片成本具有重要意義。

當(dāng)硅片的厚度變得更薄時，面臨的一個問題是表面復(fù)合的增多和吸收光波的減少，這會導(dǎo)致短路電流與開路電壓劇降。因此，電池片生產(chǎn)工藝中，硅片厚度小于200μm時，絲網(wǎng)印刷背電場鈍化可以對低能量的光波形成背面反射，增加光的吸收［1］。

如果硅片厚度大于200μm，開路電壓與硅片厚度就是獨立的關(guān)系。開路電壓可表示為溫度、光生電流、飽和電流的函數(shù)，見式（4）。

其中，飽和電流取決于有效的復(fù)合速度?；鶇^(qū)對于飽和電流的作用可以表示為式（5）、（6）。

由式（5）、（6）可以看出，當(dāng)厚度遠(yuǎn)大于基區(qū)載流子的擴(kuò)散長度時，F(xiàn)p變?yōu)槌?shù)1，硅片厚度對飽和電流的影響就可忽略；當(dāng)厚度小于擴(kuò)散長度時，就會降低開路電壓。

3 少數(shù)載流子壽命

當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射半導(dǎo)體時，只要能量大于該半導(dǎo)體禁帶寬度，光子就能把價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子-空穴對，使導(dǎo)帶比平衡時多出一部分電子Δn，價帶比平衡時多出一部分空穴Δp。光照停止后，非平衡載流子隨時間按指數(shù)規(guī)律減少，它們在導(dǎo)帶和價帶中有一定的生存時間，其平均生存時間稱為少數(shù)載流子的壽命。

少數(shù)載流子壽命反映了太陽能電池表面和基體對光生載流子的復(fù)合程度（利用程度），會影響電池片的短路電流和開路電壓［2］。少數(shù)載流子壽命在電池片的生產(chǎn)過程中受到的影響因素可概括如下幾類：

1）雜質(zhì)能級與雜質(zhì)濃度的影響。

2）擴(kuò)散重?fù)诫s導(dǎo)致的禁帶寬度收縮，阻礙少數(shù)載流子向PN結(jié)移動，增加了復(fù)合幾率。而且，重?fù)诫s會引入各種缺陷，增加復(fù)合中心濃度。

3）熱處理工藝。電池片生產(chǎn)中經(jīng)過幾道熱處理工藝，硅片中雜質(zhì)的含量會因熱處理而對少數(shù)載流子壽命造成影響。

4）表面復(fù)合及晶界影響。表面界面態(tài)密度、晶界勢壘和界面態(tài)都會降低少數(shù)載流子壽命。

少數(shù)載流子壽命的測試方法很多，常用的有開路電壓衰減法、微波光電導(dǎo)衰減法和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法等。Simelab公司的WT2000使用波長為904nm的激光激發(fā)硅片產(chǎn)生電子-空穴對，導(dǎo)致樣品電導(dǎo)率增加。當(dāng)撤去外界光注入時，電導(dǎo)率隨時間呈指數(shù)衰減，這一趨勢間接反映了少數(shù)載流子數(shù)量的衰減趨勢。通過微波探測硅片電導(dǎo)率隨時間的變化就可以得到少數(shù)載流子的壽命。其原理如圖3。

圖3 激光激發(fā)與微波探測原理

實際測得的少數(shù)載流子壽命應(yīng)是體內(nèi)壽命τv和表面壽命τs的綜合結(jié)果，稱為有效壽命τeff。它們之間的計算關(guān)系如式（7）。

由式（7）可以看出，表面壽命τs越大，有效壽命τeff越大。

4 光譜響應(yīng)

外量子效率的測量主要通過測試電池片的輸出電流與入射波長光的能量比來獲得。為了測試太陽能電池內(nèi)量子效率，首先得測試太陽能電池的外量子效率，然后測試太陽能電池的透射和反射，通過綜合這些測試數(shù)據(jù)來得出內(nèi)量子效率［3］。其原理如圖5所示。

太陽能電池的光譜響應(yīng)也稱為量子效應(yīng)，表示不同波長的光子產(chǎn)生電子-空穴對的能力。定量地說，就是當(dāng)某一波長的光照射在電池表面上時，每一光子平均所能收集到的載流子數(shù)［3］。

太陽能電池的量子效率與光的波長或者能量有關(guān)。對于一定的波長，如果太陽能電池完全吸收了所有的光子，并且搜集到由此產(chǎn)生的少數(shù)載流子，那么太陽能電池在該波段的量子效率為1；對于能量低于能帶隙的光子，太陽能電池的量子效率為0。理想中的太陽能電池對應(yīng)各個波長的量子效率是一個常數(shù)。但是，在電池片的表面復(fù)合、晶界、體內(nèi)雜質(zhì)和缺陷都會影響載流子的收集，實際量子效率有所不同。太陽能電池量子效率分為外量子效率和內(nèi)量子效率2種。

外量子效率 （external quantum efficiency，EQE），太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與外部入射到太陽能電池表面的一定能量的光子數(shù)目之比。

內(nèi)量 子 效 率 （internal quantum efficiency，IQE），太陽能電池的電荷載流子數(shù)目與外部入射到太陽能電池表面的、沒有被太陽能電池反射回去的、沒有透射過太陽能電池的、一定能量的光子數(shù)目之比。

圖4 減反射膜的典型反射光譜

量子效率越高，電池片的光電轉(zhuǎn)換率越高。提高量子效率可從內(nèi)、外量子效率分別著手，如，制絨工藝中的陷光效應(yīng)、PECVD工藝中的減反射膜就是通過提高外量子效率來增加電池片轉(zhuǎn)換效率的。圖4顯示了減反射膜的光譜圖。同樣，PECVD的氫鈍化、絲網(wǎng)印刷中的背電場鈍化則是提高內(nèi)量子效率的。

圖5 LBIC及反射率測量原理

Simelab的WT2000可以測出電池片的光誘導(dǎo)電流LBIC、反射率，由此可以計算出內(nèi)量子效率。計算公式如式（8）。

式中：R為反射率；φ為光通量；ISC為短路電流。

5 結(jié)語

電池片的生產(chǎn)是個復(fù)雜的過程，每個工藝都需要精確地控制，生產(chǎn)工藝過程控制的精確性關(guān)乎電池片的轉(zhuǎn)化效率。只有通過將每個過程參數(shù)化、參數(shù)精確化，才能保證生產(chǎn)工藝按預(yù)想的結(jié)果發(fā)展，極大地提高工藝水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而提高市場競爭力。

［1］ 廖華，林理彬，劉祖明，等.多晶硅薄膜太陽電池厚度和晶粒尺寸對其性能的影響［J］.太陽能學(xué)報，2003，24（2）：264.

［2］ 馬遜.硅太陽電池少數(shù)載流子壽命研究與測量［D］.昆明：云南師范大學(xué)，2005.

［3］ 安其霖，曹國琛，李國欣，等.太陽電池原理與工藝［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984：18-22.