湖南紅太陽光電科技有限公司 ■ 劉文峰 周子游 黃海龍 趙增超
隨著化石能源日益枯竭,環(huán)境問題日益凸顯,可再生能源越來越受到人們的關(guān)注。晶硅太陽電池是可再生能源的研究熱點之一[1-2],也是目前產(chǎn)業(yè)化最廣的太陽電池。工業(yè)型鈍化發(fā)射極背面接觸電池 (passivated emitter and rear cell,PERC)[3]是在常規(guī)鋁背場晶硅太陽電池的基礎(chǔ)上增加了背面鈍化疊層Al2O3/SiNxHy與激光開膜工藝,增加這兩道工序后的PERC單晶硅太陽電池比常規(guī)鋁背場單晶硅太陽電池的絕對轉(zhuǎn)換效率提高了1.0~1.2%[4-6]。PERC太陽電池作為一種高效太陽電池,成為近年來備受市場青睞的佼佼者。
與常規(guī)鋁背場晶硅太陽電池不同的是,PERC太陽電池對發(fā)射極表面的要求非常高。有研究表明,擴散時工藝氣體的比例[7]、表面摻雜濃度[8],以及擴散后表面方阻的均勻性[9]都會影響發(fā)射極表面的質(zhì)量。國內(nèi)有研究通過PC1D和PC2D軟件來模擬優(yōu)化PERC太陽電池,并得到了最優(yōu)鈍化條件和激光開膜參數(shù)[10-11]。本文通過PC2D軟件模擬分析了發(fā)射極表面復(fù)合速率對PERC太陽電池的影響,并利用工業(yè)生產(chǎn)型設(shè)備進行實驗,通過調(diào)整擴散和熱氧化工藝,得到優(yōu)化后的PERC太陽電池,并對結(jié)果進行擬合。
PC2D[12]于2011年由美國Hanwha Solar公司發(fā)布,是一款采用有限元方法進行網(wǎng)格剖分,用于晶硅太陽電池模擬研究的軟件。PC2D軟件將器件模擬區(qū)域設(shè)定為準中性,把任意大小的區(qū)域分成 20×20個大小相同的矩形格子,并對每個格子進行單獨定義。電子與空穴的漂移-擴散方程主要由電子、空穴準費米電勢和靜電勢來表示,通過熱電壓Vt歸一化后,每個格子的4個頂點處的靜電勢值就是該點電子和空穴準費米電勢的函數(shù)。
模擬區(qū)域如圖1中的虛線部分所示,其中,wf為柵線寬度,wb為背面開膜寬度,激光開膜間距l(xiāng)為正面柵線間距L的50%,使整個PERC太陽電池成為對稱結(jié)構(gòu)。
模擬的PERC太陽電池的主要參數(shù)如表1所示。
圖1 模擬區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖
表1 模擬的PERC太陽電池的主要參數(shù)
通過上述模型參數(shù)分別計算了發(fā)射極表面復(fù)合速率、硅片少子壽命、表面摻雜濃度和結(jié)深對PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響,模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。
圖2 表面摻雜濃度、結(jié)深與電池轉(zhuǎn)換效率三者之間的關(guān)系
圖3 表面復(fù)合速率、少子壽命與轉(zhuǎn)換效率三者之間的關(guān)系
由圖2可知,結(jié)深隨著表面摻雜濃度的增加逐漸變淺;并且隨著表面摻雜濃度的提高,表面復(fù)合速率增強,復(fù)合電流變大,導(dǎo)致電池轉(zhuǎn)換效率降低。當(dāng)表面摻雜濃度為3.12×1020cm-3時,表面飽和電流J0為22 fA/cm2,此時電池的轉(zhuǎn)換效率達到了21.58%;當(dāng)表面摻雜濃度增加到5.63×1020cm-3時,表面飽和電流J0為39 fA/cm2,飽和電流增加明顯,此時電池的轉(zhuǎn)換效率降至了21.32%。這說明對于片源質(zhì)量較好的硅片(少子壽命≥500 μs),表面摻雜濃度越低,結(jié)深越深,制成的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率越高。
由圖3可知,當(dāng)少子壽命低于350 μs時,少子壽命的增加對電池轉(zhuǎn)換效率的影響較大;當(dāng)少子壽命超過350 μs時,少子壽命的增加對電池轉(zhuǎn)換效率的影響變小。當(dāng)少子壽命為500 μs、表面復(fù)合速率為20000 cm/s時,電池的轉(zhuǎn)換效率達到最高,為21.86%。隨著表面復(fù)合速率的增加,電池轉(zhuǎn)換效率迅速下降,并且少子壽命越高,下降速率越快。也就是說,硅片的少子壽命越高,表面復(fù)合速率對電池轉(zhuǎn)換效率的影響越強。利用熱氧化技術(shù)[13]可在硅片表面生長二氧化硅層,能夠有效鈍化表面懸掛鍵,從而降低表面復(fù)合速率,提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。
通過以上分析可以發(fā)現(xiàn),發(fā)射極表面復(fù)合速率對PERC太陽電池的轉(zhuǎn)換效率影響顯著,并且較低的表面摻雜濃度及厚度適中、均勻性較好的氧化鈍化層,可有效抑制表面復(fù)合速率,提高短波利用率,減小發(fā)射極復(fù)合電流,有利于PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率的提高。
本文設(shè)計了不同的擴散、熱氧化實驗,以期通過調(diào)整擴散和熱氧化工藝,得到更高的PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率。
實驗樣品選用西安隆基硅材料股份有限公司生產(chǎn)的M2摻硼單晶硅片,具體參數(shù)如表2所示。
表2 實驗硅片的性能參數(shù)
實驗涉及到的設(shè)備信息如表3所示。
表3 實驗所用設(shè)備信息
測試儀器主要包括:ECV-CVP21型結(jié)深測試儀(德國WEP)、WCT-120少子壽命測試儀(美國Sinton)。
電性能測試軟件:Halm電性能測試軟件(德國HALM)。電性能標準測試條件為太陽輻照度1000 W·m-2、光譜 AM1.5、電池溫度 25±1 ℃。
實驗所用硅片均在相同量產(chǎn)型工業(yè)設(shè)備上進行制絨、擴散、刻蝕、激光選擇性摻雜、熱氧化、鍍膜、激光開膜、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等一系列電池制備流程,制備完成的電池由Halm電性能測試軟件進行電性能測試。
取600片相同的實驗硅片,經(jīng)過制絨后,分成A、B、C 3組,每組200片,分別對應(yīng)3組不同的擴散工藝;磷擴散工藝的壓強為125 mbar,溫度參數(shù)如圖4所示。實驗中,每組樣品均使用同一擴散爐管和石英載舟。
圖4 3組硅片的不同擴散工藝示意圖
A組的擴散工藝為恒溫擴散,擴散溫度保持在830 ℃;B組為變溫擴散,在800 ℃氧化5 min后再進行磷擴散,然后升溫至850 ℃進行推進;C組仍為變溫擴散,是在B組的基礎(chǔ)上,在磷擴散步驟后又增加了5 min的氧化步驟,然后升溫至870 ℃進行推進。工藝中的飽和步驟能起到修復(fù)缺陷和吸雜的作用。
ECV測試儀可以較為精確地測量出硅片縱向深度的活性磷原子濃度。為排除設(shè)備對實驗數(shù)據(jù)的影響,在對A、B、C 3組實驗硅片進行不同擴散工藝后,取每組石英載舟同一位置的硅片,使用ECV測試儀分別測試3組實驗硅片的表面摻雜濃度,結(jié)果如圖5所示。
圖5 擴散工藝后硅片縱向深度ECV測試數(shù)據(jù)曲線
由圖5可知,在不同擴散工藝后,A、B、C 3組實驗硅片的最大表面摻雜濃度分別為5.6×1020cm-3、4.5×1020cm-3、3.2×1020cm-3。其中,C 組硅片的最大表面摻雜濃度最低,并且其縱向深度小于0.10 μm時,表面摻雜濃度下降較為緩慢,說明其形成了良好的p-n結(jié)。這是由于在推進前通氧會在硅片表面形成一層氧化硅薄膜,阻擋磷原子的擴散,氧化硅薄膜越厚,阻擋效果就越明顯。
降低表面摻雜濃度、提高表面鈍化可有效降低發(fā)射極表面復(fù)合速率[14],從而提高PERC太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。但載流子需要橫向傳輸并被電極收集,若表面摻雜濃度太低,會使少子遷移率受到影響,因此,在降低表面摻雜濃度時,必須保證合適的少子遷移率。經(jīng)過擴散工序后,硅片的方塊電阻可以良好地反映硅片表面調(diào)整載流子遷移率后的效果。同時,載流子遷移率將直接影響電池的填充因子。
為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性,3組實驗硅片經(jīng)過擴散工藝后,進行后續(xù)的刻蝕、常壓熱氧化、背面沉積氧化鋁膜、正面沉積氮化硅膜、背面激光開膜、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)時的工藝條件、設(shè)備、分選測試條件均相同。
表4為采用不同擴散工藝制備的3組太陽電池的電性能參數(shù),圖6為3組太陽電池的轉(zhuǎn)換效率分布圖。
表4 采用不同擴散工藝制備的3組太陽電池的電性能參數(shù)
圖6 3組太陽電池的轉(zhuǎn)換效率分布圖
結(jié)合表4和圖6可知,相較于B組和C組,A組電池的開路電壓和短路電流較低;C組電池的平均轉(zhuǎn)換效率最高,且其開路電壓和短路電流也較高。這是因為C組的活性磷原子表面摻雜濃度最低,抑制了表面的俄歇復(fù)合,并且增加了短波響應(yīng)。相比A組電池21.62%的平均轉(zhuǎn)換效率,C組電池的平均轉(zhuǎn)換效率達到了21.85%,絕對效率提高了0.23%,這與圖2的模擬結(jié)果相一致。
在硅片正面通過熱氧化的方式生長一層二氧化硅可有效鈍化硅片表面的懸掛鍵[15],達到降低表面復(fù)合速率的目的。圖7為熱氧化工藝參數(shù)示意圖,從放舟到取舟共計40 min。
圖7 熱氧化工藝參數(shù)示意圖
取1200片相同的實驗硅片,經(jīng)過制絨、C組擴散工藝進行擴散、二次刻蝕、激光選擇性摻雜后,分成D、E、F、G、H、I 共6組樣品,每組200片。熱氧化設(shè)備為湖南紅太陽光電科技有限公司的五管氧化爐,溫度參數(shù)如圖7所示。調(diào)整6組硅片的熱氧化工藝,D組為不經(jīng)過熱氧化處理,僅在氧化爐中放置40 min;E組為常壓熱氧化,壓強為1000 mbar;F、G、H、I皆為低壓熱氧化,壓強分別為600、400、200、50 mbar。為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性,每組實驗中均使用同一熱氧化爐管和石英載舟,且后續(xù)制備電池流程中的工藝條件、設(shè)備和測試條件均相同。表5為采用不同氧化工藝制備的6組太陽電池的電性能參數(shù)。
表5 采用不同氧化工藝制備的6組太陽電池的電性能參數(shù)
由表5可知,相比未經(jīng)過熱氧化處理的D組電池的開路電壓,經(jīng)過常壓熱氧化處理后的E組電池的開路電壓提高了6 mV,短路電流提高了30 mA,填充因子降低了0.2%,平均轉(zhuǎn)換效率提升了0.22%。這是因為二氧化硅的表面鈍化作用降低了發(fā)射極表面復(fù)合速率,提高了開路電壓和短路電流。在高溫?zé)嵫趸^程中,硅片的方塊電阻上升了3~5 Ω/□,導(dǎo)致制備的電池的填充因子有所降低。在實驗中,隨著熱氧化工藝壓強降至200 mbar,開路電壓不斷增大;熱氧化工藝時壓強為200 mbar的H組電池的平均轉(zhuǎn)換效率最高,達到了22.04%,相比未進行熱氧化處理的D組電池的平均轉(zhuǎn)換效率提高了0.42%。這是由于氧化爐內(nèi)氧氣分子平均間距相近,低壓環(huán)境有利于雜質(zhì)氣體逃逸造成的。壓強降低,氧氣分子平均自由程越大,形成的二氧化硅層越均勻,有利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率。
氧氣分子平均自由程的計算式為:
式中,k為玻爾茲曼常數(shù),J·K-1,取1.38×10-23;T為環(huán)境溫度,K;d為氧氣分子有效直徑,m,取 3.46×10-10;p為壓強,Pa。
氧氣分子平均間距δ的計算式為:
式中,R為氣體常數(shù),mbar·m3/(mol·K),取8.314×10-2。
根據(jù)式(1)、式(2)計算出不同壓強下的氧氣分子平均自由程與分子平均間距,如表6所示。
表6 不同壓強下氧氣分子平均自由程與分子平均間距
由表6可知,在壓強從1000 mbar降至50 mbar的過程中,氧氣分子平均自由程均遠大于分子平均間距,且分子平均間距在壓強大于200 mbar時相互之間的變化不明顯。這是因為壓強會影響氧化硅層的均勻生長,壓強降低在提高氧氣分子平均自由程的同時,也會使吸附在硅片表面的雜質(zhì)氣體的逃逸機率相應(yīng)增加,而表面雜質(zhì)氣體的逃逸,提高了硅片表面的鈍化效果[16],結(jié)合表5可以發(fā)現(xiàn),在壓強為200 mbar時,H組電池的平均轉(zhuǎn)換效率達到了22.04%;而壓強降至50 mbar時二氧化硅的生長速率變慢,導(dǎo)致氧化硅層過薄,無法起到良好的鈍化效果[17],因此,I組電池的轉(zhuǎn)換效率降低,這與模擬結(jié)果一致。
圖8為H組電池的轉(zhuǎn)換效率分布圖,可以看出其最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%。圖9為最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%時的I-V曲線圖。
圖8 H組電池轉(zhuǎn)換效率分布圖
圖9 H組電池最高轉(zhuǎn)換效率時的I-V曲線圖
為了進一步研究影響PERC太陽電池電性能的關(guān)鍵因素,對實驗中最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%的電池的I-V曲線進行擬合,如圖10a所示,通過擬合計算出電池表面飽和電流J0=15.4 fA/cm2,其與表面摻雜濃度為3.12×1020cm-3、表面飽和電流為22 fA/cm2時相比,表面飽和電流明顯降低,這說明通過改變擴散和熱氧化工藝,有效地抑制了表面復(fù)合速率,形成了良好的發(fā)射極表面。
圖10b為最高轉(zhuǎn)換效率為22.30%的電池的外量子效率曲線圖。由圖可知,電池在短波區(qū)域的響應(yīng)高達70%~80%,這說明擴散和熱氧化工藝改進后有效地抑制了表面復(fù)合速率,提高了短波利用率,使得電池轉(zhuǎn)換效率提升明顯。
圖10 最高轉(zhuǎn)換效率時電池的I-V擬合曲線和外量子效率圖
本文使用PC2D軟件對PERC太陽電池進行了模擬分析,研究發(fā)射極表面摻雜濃度、少子壽命、表面復(fù)合速率對PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率的影響,證明了較低的表面摻雜濃度和厚度適中、均勻性好的鈍化膜可有效降低表面飽和電流,抑制PERC太陽電池發(fā)射極表面復(fù)合速率;并利用工業(yè)生產(chǎn)型設(shè)備進行實驗,通過調(diào)整擴散和熱氧化工藝,得到優(yōu)化后的PERC電池最高轉(zhuǎn)換效率達到22.30%,平均轉(zhuǎn)換效率達到22.04%。對實驗優(yōu)化后的電池進行了擬合,優(yōu)化后的擴散和熱氧化工藝使電池表面飽和電流J0降至15.4 fA/cm2,降低了發(fā)射極表面復(fù)合速率。由此可知,發(fā)射極的復(fù)合速率是制約PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率提升的關(guān)鍵因素。