浙江正泰太陽能科技有限公司■劉石勇 何勝 單偉

0 引言

在目前所有的高效晶體硅太陽電池技術(shù)中，背鈍化(Passivated Emitter and Rear Contact，PERC)技術(shù)與常規(guī)工藝的電池生產(chǎn)線兼容性高，生產(chǎn)線改造成本低，效率提升效果明顯，是近年來最具性價比、被工業(yè)化大規(guī)模推廣的技術(shù)。但是，背鈍化太陽電池面臨一個較大的技術(shù)難題——光致衰減(LID)較大。由于背鈍化太陽電池采用雙面鈍化結(jié)構(gòu)，大幅降低了表面復(fù)合速率，使電池效率得到了提升，但電池效率受體壽命降低的影響將增大，因此，LID導(dǎo)致的體壽命降低將會對電池效率產(chǎn)生致命的影響。此前，LID作為影響晶體硅太陽電池穩(wěn)定發(fā)電的最重要因素，一直未得到良好地解決，如今，背鈍化太陽電池相比常規(guī)工藝的晶體硅太陽電池的LID更加嚴(yán)重。因此，改善LID情況已成為背鈍化太陽電池能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣的關(guān)鍵。尋找可有效抑制背鈍化太陽電池LID的措施，仍是研究人員和產(chǎn)業(yè)界都非常關(guān)心的一個熱點問題。

影響晶體硅太陽電池LID的因素很多。對于摻B的p型多晶硅太陽電池而言，其最主要的影響因素是，光照后會在硅體內(nèi)形成B-O復(fù)合體的亞穩(wěn)態(tài)缺陷[1]。實驗發(fā)現(xiàn)，B-O缺陷的有效濃度正比于B濃度[2]，并與間隙O濃度的平方成正比[3]。此外，過渡金屬和金屬也會引起雜質(zhì)缺陷，比如，鐵硼對[4]、銅雜質(zhì)導(dǎo)致的缺陷[5]，在光照或少子注入后，這些缺陷都會捕獲少數(shù)載流子，從而降低體壽命，導(dǎo)致電池效率衰減。對于B-O復(fù)合體的亞穩(wěn)態(tài)缺陷，通常采用降低硅材料中B或O的含量，如用其他摻雜元素來替代B的方法來處理。對于鐵硼對和與銅雜質(zhì)相關(guān)的缺陷，可通過提高材料的純度來減弱或抑制LID；在雜質(zhì)含量不高的情況下，則可在電池工藝過程中通過吸雜和鈍化來減弱LID。本文對量產(chǎn)中的多晶硅背鈍化太陽電池的LID特性進行了系列研究，分析了硅片種類和氫鈍化技術(shù)對此類太陽電池LID情況的影響，最終使多晶硅背鈍化太陽電池的LID程度與常規(guī)工藝的太陽電池的程度相同。

1 實驗

本次實驗所使用的多晶硅片有摻B、摻Ga、B-Ga共摻3種類型，硅片厚度約為180 μm，電阻率范圍為0.5～3 Ω·cm，規(guī)格為156.75 mm×156.75 mm。多晶硅背鈍化太陽電池的制備流程為：1)硅片在HNO3/HF制絨、POCl3熱擴散制備p-n結(jié)、去磷硅玻璃工序之后，采用原子層沉積設(shè)備(ALD)在背表面沉積AlOx薄膜；2)采用等離子體增強化學(xué)的氣相沉積法(PECVD)在硅片前表面和背面的 AlOx薄膜上再沉積SiNx薄膜；3)背面激光開窗并印刷、燒結(jié)正電極和背電極。電池制備完成后，對電池進行暴曬，暴曬樣品選擇效率集中的幾個檔位的電池片，采用3B級太陽光模擬器，輻照度約為1000 W/m2，溫度約為60 ℃。然后，通過I-V測試儀在標(biāo)準(zhǔn)條件AM1.5下對實驗前、后的電池性能進行測試對比。

2 結(jié)果與討論

對采用不同摻雜類型的多晶硅片制備的背鈍化太陽電池進行暴曬測試，其LID結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同摻雜類型的多晶硅片制備的背鈍化太陽電池的LID情況

從圖1可以看出，不同摻雜類型的多晶硅片制備的背鈍化太陽電池的LID情況差別較大。經(jīng)過2 kWh/m2暴曬后，摻Ga和B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池的LID都較小，分別為0.76%和0.96%；而摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的LID已達(dá)到2.10%。隨著暴曬時間加長，LID逐漸增加，3種不同摻雜類型的多晶硅背鈍化太陽電池的LID差別也隨之增大。經(jīng)過60 kWh/m2的暴曬后，摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池的LID最小，為2.10%；其次是B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池，其LID為2.47%，而摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的功率衰減最大，LID達(dá)到6%。

摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的LID最嚴(yán)重，主要原因是光照會使摻B硅片中的B和間隙O形成 B-O復(fù)合體，從而捕獲少數(shù)載流子，降低了體壽命。硅片中B和O的含量越高，電池的LID越嚴(yán)重。為了降低硅片中B的含量，提出了Ga摻雜技術(shù)，使用Ga元素替代B元素。Ga在晶體硅中的共價原子半徑為126 pm，比B(82 pm)和Si(118 pm)都大，其較大的原子半徑阻礙了Ga和O在晶格中的復(fù)合，不能形成亞穩(wěn)態(tài)Ga-O復(fù)合體[6]，從而可以抑制晶體硅太陽電池的LID。因此，由圖1可以看出，摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池的LID最小。

B-Ga共摻是使用Ga元素替代部分B元素，降低硅片中B含量，也可以減少B-O復(fù)合體的形成幾率。從圖1可以看出，相比摻B的多晶硅背鈍化太陽電池，B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池的LID得到明顯改善，只是略高于摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池。雖然Ga摻雜技術(shù)可明顯降低電池的LID，但由于Ga的分凝系數(shù)低，會導(dǎo)致硅片電阻率分布不均勻，影響電池性能。尤其在產(chǎn)業(yè)化情況下，純摻Ga的硅片的質(zhì)量不均勻性會嚴(yán)重影響電池在量產(chǎn)中的質(zhì)量管控。因此，產(chǎn)業(yè)化中采用B-Ga共摻硅片來改善多晶硅背鈍化太陽電池的LID情況是更為可行的方案。

摻Ga硅片中無B原子，不會形成B-O復(fù)合體，但摻Ga的多晶硅背鈍化太陽電池仍存在LID現(xiàn)象。因此，在多晶硅背鈍化太陽電池中，除了B-O復(fù)合體外，還有硅片中的其他雜質(zhì)，如Fe等過渡金屬離子，也會導(dǎo)致電池的LID。Fe等過渡金屬雜質(zhì)的離子帶正電荷，將向帶負(fù)電荷的AlOx鈍化層方向的表面電荷區(qū)聚集，逐漸使背面鈍化效果部分失效，導(dǎo)致背鈍化太陽電池的LID比常規(guī)工藝的電池更大。因此，還需要通過其他技術(shù)，如吸雜預(yù)處理減少金屬雜質(zhì)或鈍化體缺陷等方法，來進一步改善背鈍化太陽電池的LID性能。

在太陽電池中，氫鈍化是一種常用的鈍化技術(shù)。硅片前表面SiNx薄膜中含有濃度很高的H原子，這些H原子能夠有效地鈍化晶體硅表面的懸掛鍵，降低表面復(fù)合速率，但是這些H原子卻很難擴散進入硅片基體中來鈍化體缺陷。由于太陽電池的發(fā)射結(jié)區(qū)域有大量的磷正離子(P+)，從SiNx層中擴散過來的H原子大部分會被P原子束縛住形成P-H復(fù)合體，即使有部分自由的H原子繼續(xù)向體內(nèi)擴散，其必須穿越具有勢壘高度的空間電荷區(qū)。因此，在SiNx層中，真正能擴散進入硅基體內(nèi)部的H原子濃度非常低，需要通過外界因素來誘導(dǎo)H原子鈍化體缺陷。

光注入與電注入都可改善多晶硅背鈍化太陽電池的LID情況。注入處理需在加熱環(huán)境下進行，在一定的溫度下，H元素以自由的H+形式存在，溫度增加可提高自由H+的濃度和擴散速率，這樣H+能以更快的速度擴散到硅基體。但溫度過高會對電池表面的電極性能造成一定的惡化，優(yōu)化后的溫度范圍為200～300 ℃。此外，電注入處理時需對電池施加正向直流偏壓，以降低空間電荷區(qū)中的勢壘高度，光注入處理是對電池的受光面進行強光照射，二者的目的都是使正面SiNx薄膜中H原子更容易穿越空間電荷區(qū)進入基體中來鈍化體缺陷。本實驗中電注入處理時采用10～20 A的電流，處理30～60 min；光注入處理是在20～30個太陽光強度下，照射約1 min。圖2為光注入和電注入處理對B-Ga共摻和摻B的多晶硅背鈍化太陽電池LID的影響。由圖2可知，電注入處理效果更佳。

由圖2可知，經(jīng)過24 kWh/m2暴曬后，電注入處理后的B-Ga共摻的多晶硅背鈍化太陽電池的LID降低到1.31%，光注入處理后的LID降低到1.93%，都已經(jīng)優(yōu)于常規(guī)工藝太陽電池的LID(圖1中，經(jīng)過24 kWh/m2暴曬后，常規(guī)工藝太陽電池的LID約為2.00%)。同樣，經(jīng)過24 kWh/m2暴曬后，未經(jīng)處理的摻B的多晶硅背鈍化太陽電池的LID為5.60%，電注入處理后LID降至2.37%，基本與常規(guī)工藝太陽電池的LID情況相當(dāng)。光注入處理雖能改善LID情況，但其值還是偏大，為3.90%。這是由于摻B的多晶硅太陽電池中含有較多的B-O復(fù)合體、晶界位錯和過渡金屬雜質(zhì)等缺陷，目前的光注入工藝誘導(dǎo)的H原子數(shù)量可能不足以鈍化這些缺陷；而電注入工藝通過調(diào)節(jié)不同的電流和注入時間更易于實現(xiàn)鈍化缺陷，因此，電注入工藝對降低LID的效果更好。

將采用不同工藝制備的電池分別制成組件，再進行長時間的戶外暴曬，然后跟蹤對比組件LID的變化趨勢，如圖3所示。

圖2 光注入和電注入處理對B-Ga共摻和摻B的多晶硅背鈍化太陽電池LID的影響

圖3 戶外暴曬時不同類型組件LID隨輻照量的變化關(guān)系

由圖3可知，隨著暴曬時間增加，前期組件LID快速增加；當(dāng)暴曬輻照量達(dá)到100 kWh/m2時，組件的LID增加幅度明顯減慢，功率逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)暴曬輻照量增加到350 kWh/m2后，電注入處理的B-Ga共摻的多晶硅背鈍化組件的LID最小，為1.81%，未處理的B-Ga共摻的多晶硅背鈍化組件和電注入處理的摻B的多晶硅背鈍化組件的LID都稍高于常規(guī)工藝組件，分別為2.02%和2.12%，但都屬于組件的LID的正常范圍。簡而言之，通過采用B-Ga共摻的硅片或電注入處理的摻B硅片，都可以較好的解決多晶硅背鈍化組件戶外暴曬時LID過大的問題，而采用電注入處理的B-Ga共摻的硅片可以制備出光穩(wěn)定性更高的組件。

3 結(jié)論

本文研究了不同摻雜類型的硅片和氫鈍化技術(shù)對量產(chǎn)多晶背鈍化太陽電池LID特性的影響，得到結(jié)論如下：

1)摻Ga或B-Ga共摻的多晶硅片都可顯著抑制背鈍化太陽電池的LID，但摻Ga電池的LID更小。然而由于摻Ga的硅片質(zhì)量不均勻，因此，量產(chǎn)中更多是采用B-Ga共摻硅片。

2)通過電注入或光注入誘導(dǎo)氫鈍化技術(shù)可進一步改善多晶硅背鈍化太陽電池的LID，其中，電注入處理對多晶硅背鈍化太陽電池的改善效果更佳。

3)采用B-Ga共摻的硅片或電注入處理的摻B硅片都能較好解決LID過大的問題。當(dāng)采用電注入處理的B-Ga共摻電池技術(shù)路線時，甚至可制備出光穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)工藝的組件，戶外暴曬350 kWh/m2后，制備出的組件的LID僅為1.81%。