晶體硅太陽(yáng)能電池作為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，其效率提升對(duì)降低成本和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。在晶體硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)射極的方阻均勻性對(duì)電池性能有顯著影響。方阻不均勻會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部電場(chǎng)分布不均，影響載流子的收集效率，從而降低電池的整體性能。通過(guò)探索新的擴(kuò)散技術(shù)和理論模擬方法，來(lái)解決傳統(tǒng)工藝中存在的方阻不均勻性問(wèn)題。

電池制備

超聲霧化器(左邊)和霧化硅片(右邊)

工業(yè)級(jí) p 型電阻率為 1.1–1.8 Ω·cm，厚度為 180±20 μm 的 156mm×156mm尺寸直拉單晶硅片通過(guò)產(chǎn)線濕化學(xué)方法進(jìn)行表面織構(gòu)化，隨后放入 KOHH2O = 1100 溶液中去尖2分鐘。將含 5% H3PO4 的去離子水溶液超聲霧化至制絨后的硅片表面以完成預(yù)沉積過(guò)程。

CRID 電池和 TD 電池工藝流程

采用 PECVD 方法在擴(kuò)散面沉積一層 70nm 厚的 SiNx 減反射層，溫度為400℃，隨后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，其中正面為銀柵線，背面為鋁背場(chǎng)，經(jīng)燒結(jié)爐中共燒最終完成電池制造。

改進(jìn)的CRID 擴(kuò)散爐

CRID 爐體結(jié)構(gòu)示意圖

CRID擴(kuò)散爐由預(yù)熱區(qū)、高溫區(qū)和冷卻區(qū)組成，使用自旋的Al2O3陶瓷輥軸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬網(wǎng)帶，以減少金屬污染。

發(fā)射極特點(diǎn)

不同擴(kuò)散溫度的方阻

由圖可知，擴(kuò)散溫度為 810°C 時(shí)，平均方阻最高約 132Ω/sq，擴(kuò)散溫度為 870°C 時(shí)， 平均方阻約 44Ω/sq?？梢?jiàn)，在相同的擴(kuò)散時(shí)間條件下，隨著擴(kuò)散溫度的增加，方阻不斷降低。

不同擴(kuò)散溫度的 ECV 分布

根據(jù)襯底的電阻率為 1.1–1.8 Ω·cm 可知， 結(jié)深位置大約在 1E16cm?3濃度附近，由圖可知，810°C 工藝的結(jié)深約為 0.16 μm，870°C工藝的結(jié)深為 0.37μm。隨著溫度的升高，結(jié)深不斷加深。

電池的方阻分布

TD 和 CRID 電池的方阻分布

方塊電阻的標(biāo)準(zhǔn)差是反映方塊電阻分布均勻性的重要參數(shù)。圖中顯示了 CRID 和 TD 硅片的方阻標(biāo)準(zhǔn)差分別為 2.1Ω/sq和 4Ω/sq，表明 CRID電池在目標(biāo)方阻70 Ω/sq 時(shí)方阻分布要比 TD電池以 75 Ω/sq 為目標(biāo)方阻時(shí)分布得更為均勻。

CRID工藝在方阻均勻性方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，這可能使其成為制造高效率太陽(yáng)能電池的更優(yōu)選擇。

TD和CRID的電性能比較

TD 與 CEID 電池性能

CRID 電池性能低于 TD 電池，在方塊電阻相近的情況下，開(kāi)路電壓相差過(guò)大，主要是 CRID 的復(fù)合過(guò)于嚴(yán)重，并聯(lián)電阻過(guò)小造成的。而 CRID 短路電流更低，主要反映的是光譜響應(yīng)過(guò)差。

TD 電池和 CRID 電池外量子效率

CRID 電池的短波響應(yīng)遠(yuǎn)低于 TD 電池，說(shuō)明 CRID 電池的表面復(fù)合更為嚴(yán)重，限制開(kāi)路電壓和短路電流，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)換效率偏低。經(jīng)四探針?lè)阶铚y(cè)試，CRID 經(jīng)去 PSG 后，表面方阻變化不明顯，約 72Ω/sq，而 TD 去完 PSG 后從 75Ω/sq 至升至 85Ω/sq 左右，方阻標(biāo)準(zhǔn)差為 5.65Ω/sq。

富磷層及其去除方法

富磷層的形成增加了電池的表面復(fù)合，限制了開(kāi)路電壓和短路電流，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)換效率。為了去除富磷層，采用了1% KOH溶液進(jìn)行刻蝕處理。通過(guò)不同時(shí)間的刻蝕實(shí)驗(yàn)，研究了刻蝕時(shí)間對(duì)方塊電阻的影響，以及對(duì)電池性能的影響。

不同刻蝕時(shí)間的方阻分布

由圖可知，隨著刻蝕時(shí)間的增加，平均方塊電阻從 71.1Ω/sq 增加至 115.6Ω/sq，與此同時(shí)，方塊電阻標(biāo)準(zhǔn)差也從 2.1Ω/sq 增加至5.2 Ω/sq。隨著刻蝕時(shí)間的增加，富磷層厚度在不斷降低，至于刻蝕多長(zhǎng)時(shí)間可最大程度甚至完全將富磷層去降干凈，而表面不被過(guò)度刻蝕，主要依賴不同刻蝕時(shí)間后的電性能參數(shù)。

不同擴(kuò)散工藝的電池效率分布及相應(yīng)的結(jié)深

實(shí)線代表的是不同擴(kuò)散溫度下獲得的結(jié)深，散點(diǎn)圖代表的是不同刻蝕時(shí)間獲得的效率。由圖可知，CRID 電池在 850℃，刻蝕時(shí)間為 200s 時(shí)，電池效率最高，這意味著 850℃是最適合當(dāng)前產(chǎn)線技術(shù)的工藝參數(shù)，并且富磷層已被盡可能去除了。

電池性能

CRID 電池去富磷層前后與 TD 電池的電性能參數(shù)對(duì)比

對(duì)比了CRID和TD電池的性能，發(fā)現(xiàn)CRID電池在去除富磷層后，開(kāi)路電壓、短路電流、填充因子和效率都有顯著提升。

硼發(fā)射極方阻標(biāo)準(zhǔn)差

以 81Ω/sq 為目標(biāo)方阻，通過(guò)管式擴(kuò)散完成硼發(fā)射極制備，分析了方阻標(biāo)準(zhǔn)差分別為 4.66Ω/sq、4.37Ω/sq 和 4.75Ω/sq 的電池性能。

三樣品的方塊方阻分布

上圖展示了方阻在硅片上的分布情況，顏色深淺或等高線密度可以表示方阻的大小，從而直觀地顯示方阻的均勻性。方阻均值提供了樣品整體方阻水平的信息，而標(biāo)準(zhǔn)差則反映了方阻分布的離散程度，即方阻的均勻性。

方阻標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)電性能影響

樣品 1、2 和 3 的 JV 曲線

方阻分布的均勻性對(duì)電池的電性能有顯著影響。方阻分布越均勻，電池的Voc、Jsc、FF和Eff通常越高。

通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)散溫度，使用CRID工藝成功實(shí)現(xiàn)了寬范圍的方塊電阻調(diào)節(jié)，同時(shí)獲得了較淺的結(jié)深。CRID電池在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，具有獲得更高效率的潛力，并且能更好地適應(yīng)多主柵設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)比不同方阻偏差的電池性能，研究發(fā)現(xiàn)方阻越均勻，電池性能越好。

美能在線方阻測(cè)試儀

美能在線方阻測(cè)試儀是專為光伏工藝監(jiān)控設(shè)計(jì)的在線四探針?lè)阶鑳x，可以對(duì)最大230mm×230mm的樣品進(jìn)行快速、自動(dòng)的掃描，獲得樣品不同位置的方阻/電阻率分布信息。

• 測(cè)量范圍：1mΩ~100MΩ
• 測(cè)量點(diǎn)數(shù)支持5點(diǎn)、9點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)測(cè)試5點(diǎn)滿足≤5秒，同時(shí)測(cè)試9點(diǎn)滿足≤10秒

測(cè)量精度：保證同種型號(hào)測(cè)量的精準(zhǔn)度不同測(cè)試儀器間測(cè)試誤差在±1%

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬深入分析了方阻均勻性對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響，美能在線方阻測(cè)試儀的集成應(yīng)用，為我們提供了一個(gè)高效、精確的方阻測(cè)量解決方案。

原文出處：《晶體硅太陽(yáng)能電池?fù)诫s與金屬化工藝研究》 黃志平 博士論文 2021

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