（凝聚态物理专业论文）铝背发射极n型太阳电池结构与工艺研究.pdf

铝背发射极1 1 型太阳电池结构与工艺研究 专业：凝聚态物理 硕士生：杨灼坚 指导教师：闻立时院士，沈辉教授 摘要 n 型晶体硅具有体少子寿命高，无光致衰减等优点，非常适合制作高效低成 本太阳电池。为了充分发挥n 型晶体硅材料性能上的优势，本文对铝背发射极n 型太阳电池结构及其制作工艺进行研究。通过对去背结、扩散和烧结等关键工艺 进行优化，结合精细印刷和电镀技术制作银电极，在面积为1 4 8 6e m ：，体电阻 率为3q c m 的n 型c z 硅上制作出效率达1 6 4 的铝背发射极n 型太阳电池。 本论文共分成五章： 第一章是引言，主要对n 型晶体硅太阳电池的最新研究进展进行综述。在三 种基本结构中，铝背发射极太阳电池由于结构和工艺都相对简单，因此具有良好 的产业化前景。如何采用大规模生产技术制作高转化效率的铝背发射极n 型太阳 电池是其面临的主要问题。 第二章对n 型硅片体少子寿命的测试进行研究。通过p c i d 模拟发现，体少 子寿命对铝背发射极n 型太阳电池性能具有很大影响。因此，准确测量n 型硅片 体少子寿命具有重要意义。为了消除表面复合对测试结果的影响，对不同表面钝 化方案进行了比较。实验发现，在各种钝化方式中，1 0g l 碘酒的表面钝化效果 最好，但其钝化性能随钝化时间增长而变差。利用碘酒进行表面钝化，采用p p c d 方法测量的n 型c z 硅有效少子寿命超过4 0 0i ls 。 第三章对铝背发射极太阳电池的背表面边缘漏电及去背结工艺进行研究。通 过i v 测试和红外热像分析发现，背表面边缘漏电对铝背发射极太阳电池性能的 影响极大。采用h f 和n a o h 溶液去除背表面n + 层可以彻底消除背表面边缘漏电 v l 的问题。但是，酸、碱长时间浸泡会导致电池前表面性能恶化。通过实验，确定 优化的去背结方案为5 h f 浸泡3 0s ，8 5 ，2 0 w t n a o h 浸泡3 0s 。 第四章对铝背发射极太阳电池的扩散和烧结工艺进行研究。扩散、烧结是形 成电池前表面场及背表面p n 结的关键工序，其工艺条件对电池性能有重要影响。 对扩散工艺的研究发现，降低前表面扩散浓度可以明显提高短路电流和开路电压， 但是前表面掺杂浓度过低会导致串联电阻明显增加，并导致电池性能下降。对烧 结工艺的研究发现，背表面形貌对烧结效果有明显影响，背表面为抛光状态时， 电池开路电压比背表面为绒面时高。相同的背表面状态下，烧结温度越高，网带 速度越慢，电池的开路电压越高。此外，烧结温度过高会导致电池串联电阻增大， 最优的烧结温度在8 8 0 “ - 9 0 0 范围内。 第五章利用优化后的工艺制作铝背发射极太阳电池。采用高方阻浆料，结合 精细印刷及电镀技术制作前电极，成功在低表面掺杂浓度( 6 0q i - - i ) 的n 型 c z 硅片上制作出低串联电阻的铝背发射极n 型太阳电池，该电池面积为1 4 8 6 c m 2 ，转换效率达1 6 4 。 关键词：n 型太阳电池，铝发射极，背发射极 v r e s e a r c ho ns t r u c t u r ea n dp r o c e s s e so fa i a l l o y e dr e a r e m i t t e rn t y p es o l a rc e l l s m a j o r “ c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：y a n gz h u o i i a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw e nl i s h i ，p r o f e s s o rs h e nh u i a b s t r a c t d u et oi t sl o n gm i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ea n da b s e n c eo fl i g h ti n d u c e dd e g r a d a t i o n , n - t y p ec r y s t a l l i n es i l i c o ni sr e g a r d e da sap r o m i s i n gm a t e r i a lf o rc o s t - e f f e c t i v es o l a r c e u s i no r d e rt od e v e l o pt h em a t e r i a la d v a n t a g e so fn - t y p ec r y s t a l l i n es i l i c o n , s t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o np r o c e s s e so fa l u m i n u m a l l o y e dr e a re m i t t e rn - t y p es o l a rc e h s a r es t u d i e di l lt h i st h e s i s k e yp r o c e s s e ss u c ha sr e a re t c h i n g ，d i f f u s i o na n dc o f i r i n g a r eo p t i m i z e d c o m b i n i n gw i t hf i n e l i n ep r 硫i i l ga n dp l a t i n gt e c h n i q u e s , e f f i c i e n c yu p t 016 4 i sa c h i e v e do na na i a l l o y e dr e a re m i t t e rn - t y p es o l a rc e l l , w h i c hi s f a b r i c a t e do n3qc m , 14 8 6c n l 2n - t y p ec zs i l i c o nw a f e r t h i st h e s i si n c l u d e sf i v ec h a p t e r s ： i nc h a p t e r1 ，r e c e n td e v e l o p m e n t si l ln - t y p ec r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sa r e r e v i e w e d t h a n k st ot h e i rs i m p l es t r u c t u r ea n df a b r i c a t i o np r o c e s s e s ，a l - a l l o y e dr e a l “ e m i t t e rs o l a rc e l l sh a v eg o o dp r o s p e c to fi n d u s t r i a l i z a t i o n t h em a i ni s s u ei sh o wt o p r o d u c eh i g h - e f f i c i e n c ym - a l l o y e dr e a re m i t t e rs o l a rc e l l sb ym a s sp r o d u c t i o n t e c h n i q u e s i nc h a p t e r2 ，c h a r a c t e r i z a t i o no fb u l km i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m eo fn - t y p es i l i c o n w a f e r si si n t r o d u c e db r i e f l y a c c o r d i n gt od e v m es i m u l a t i o nb yp c1d ，b u l km i n o r r y c a r r i e rl i f e t i m ei sf o u n dt ob ev e r ya f f e c t i v eo nt h ep e r f o r m a n c eo fa i a l l o y e dr e a r e m i t t e rs o l a rc e l l s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt om e a s u r et h eb u l km i n o r i t yc a r r i e r l i f e t i m eo fn - t y p es i l i c o nw a f e r sw i t hh i g hp r e c i s i o n i no r d e rt oe l i m i n a t et h en e g a t i v e v i i m p a c to fs u r f a c er e c o m b i n a t i o no nt h em e a s u r e m e n t ，d i f f e r e n tp a s s i v a t i o ns c h e m e s a r er e s e a r c h e d c o m p a r et oo t h e rm e t h o d s ，i o d i n ei na l c o h o lw i t hc o n c e n t r a t i o no f lo g ls h o w st h em o s te f f e c t i v ep a s s i v a t i o na b i l i t y f u r t h e rm o r e ，i ti sf o u n dt h a t p a s s i v a t i o ne f f e c to fi o d i n ew e a k e n sw i t ht h eg r o w t ho fp a s s i v a t i o nt i m e u s i n g l l - p c dm e t h o d ，e f f e c t i v em i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ee x c e e d4 0 0l lsi sm e a s u r e do fa i o d i n ep a s s i v a t e dn - t y p ec zs i l i c o nw a 凫r i nc h a p t e r3 ，s h u n t sa tt h ee d g eo fa 1 - a l l o y e dr e a re m i t t e rs o l a rc e l l sa n dr e a r e t c h i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt oi vt e s ta n dt h e r m a l - i m a g i n ga n a l y s i s ， s h u n t sa tt h ee d g ea r ef o u n dt oh ef a t a lt ot h ed e v i c ep e r f o r m a n c e s u c ht y p eo fs h u n t i se l i m i n a t e da f t e rc o m p l e t er e m o v a lo fr e a rn + l a y e rb yh fa n dn a o he t c h i n g h o w e v e r , h fa n dn a o hd i p p i n gt i m ei sr e s t r i c t e db ys i d e e f f e c to nf r o n tp r o p e r t i e s a c o m p r o m i s es o l u t i o ni ss h o r t e nh f ( 5 ) d i p p i n gt i m et o3 0sa n dn a o h ( 2 0 w t , 8 5 ) e t c h i n gt i m et o3 0s i nc h a p t e r4 ，d i f f u s i o na n dc o - f i r i n gp r o c e s s e sa r ed i s c u s s e d d i f f u s i o na n d c o f i r i n ga r et w ok e yp r o c e s s e st of o r mt h ef r o n ts u r f a c ef i e l da n dr e a rp - nj u n c t i o no f a 1 - a l l o y e dr e a l “ e m i t t e rs o l a rc e l l s ，s o i t si m p o r t a n tt oo p t i m i z et h ed i f f u s i o na n d c o - f i r i n gp a r a m e t e r st og e tb e t t e rd e v i c ep e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho n d i f f u s i o np r o c e s s ，i t sf o u n dt h a tas u b s t a n t i a li n c r e a s eo fv o ca n di s cc a nb ea c h i e v e d b yd e c r e a s i n gf r o n ts u r f a c ed o p i n gc o n c e n t r a t i o n h o w e v e r , r si n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y a tt h es a m et i m ea n dr e s u l ti np o o rc e l le f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho n c o - f i r i n gp r o c e s s ，r e a rs u r f a c em o r p h o l o g yi sf o u n dt ob ea f f e c t i v eo nt h es i n t e r i n g e f f e c t r e a r - p o l i s h e ds a m p l e sh a v em u c hh i g h e rv o ct h a nt h ec o u n t e r p a r t sw i t h t e x t u r e dr e a rs u r f a c ea f t e rt h es a m ef i r i n gp r o c e s s f o rb o t ht y p e so fr e a rs u r f a c e m o r p h o l o g y , h i g h e rv o cv a l u ei sa t t a i n e dw i t hh i g h e rf i r i n gt e m p e r a t u r ea n dl o w e r b e l ts p e e d c o n s i d e r i n gt h es i d e - e f f e c to nr so fh i g ht e m p e r a t u r e ，t h eo p t i m i z e df i r i n g t e m p e r a t u r ei ss e ta tt h er a n g eo f8 8 0 9 0 0 i nc h a p t e r5 ，o p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v ea r eu s e dt of a b r i c a t e a i a l l o y e dr e a re m i t t e rs o l a rc e l l s c o m b i n i n gw i t hf i n e - l i n ep r i n t i n ga n dp l a t i n g t e c h n i q u e s ，ah i g h s h e e t - r e s i s t a n c es i l v e rp a s t ei su s e d ，r e s u l t si np r e t t yl o wr so na l i g h td o p i n gn - t y p es i l i c o ns u r f a c e ( 6 0o e 3 ) e f f i c i e n c y 印t o1 6 4 i sa c h i e v e do n al a r g ea r e a ( 14 8 6c m 2 ) n - t y p ec zs i l i c o ns o l a rc e l lw i t ha i a l l o y e dr e a re m i t t e r k e yw o r d s ：n - t y p es o l a rc e l l ，a l - e m i t t e r , r e a l “ e m i t t e r 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：聿匆必匀竖 日期：- 。lo 年了月日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构 送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：聿切吠急、登 导师签名：沈衫扩 日期：歹o f 。年厂月2 。日日期：沙lq 年厂月训日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：奢匆灼坚 日期：z t ，lu 年厂月2u 日 第一章引言 i , i 研究背景 第一章引言 1 1 1 太阳电池结构及其工作原理 太阳电池是一种把光能直接转化为电能的半导体器件。晶体硅太阳电池是目 前应用最广的一类太阳电池，其基本结构如图卜1 所示。从图中可以看出，晶体 硅太阳电池实际是一个大面积二极管。太阳光入射到太阳电池体内后，能量高于 硅材料禁带宽度的光子可以激发一对电子一空穴对。电子和空穴在随后的迁移过 程中可能通过复合而消失，也可能在p - n 结内建电池的作用下被分离，电子聚集 在n 型区域，而空穴聚集在p 型区域。这样，p _ n 结两端便形成了一定的电势差。 这一现象称作光生伏特效应，它是太阳电池的基本工作原理。分别在p _ n 结两端 制作电极，便可以利用上述电势差驱动外电路上的负载。 上 s u n l i g l a l 艇谢g 喇_ 枷偿鼍-_ _囝譬 一 j ，- t y p el a y e r h + ，l e l p t y p eh y e f h + ， l t “。一 缀鞠疆鲻籀隧缓鳗糊 一l _ m 一 m 觇m 枷l 嚣l 。 图卜1晶体硅太阳电池结构示意图 1 1 2 太阳电池发展现状 太阳能是一种极具潜力的可再生能源，近年来得到各国政府的大力扶持。据 行业网站s o l a r b u z z 的最新统计口1 ，尽管受到全球金融危机的影响，2 0 0 9 年全球 。1 1 m 大 碗十学位论文 太阳电池安装量仍然达到破纪录的7 3g w ，比2 0 0 8 年增长了2 0 。这显示出各 国对太阳能这种绿色能源的强劲需求。其中德国依然是年安装量堆多的国家。 德国、意大利和捷克三个欧洲国家的总安装量达到56g w ，占2 0 0 9 年全球安装 量的7 7 。美国和开本对太阳电池的需求也大幅增加两国的安装量分别增长了 3 6 和1 0 9 5 。 p h o t o v o l t a l cb t a r k e t n2 0 0 9 t o t a i ：7 3g w 谎：吕 s o ur c e ：s o l a r b u z z ad a no f t h enp dg r o u p 图卜22 0 0 9 年全球光伏市场份额“ 在生产端，前期制约太阳电池发展的多晶硅原料紧张问题得到大幅舒缓。 2 0 0 9 年，全球7 太多晶硅原料制造商的产能达到1 1 4 ，5 0 0 吨，比2 0 0 8 年增长了 9 2 。受此刺激，2 0 0 9 年太阳电池产量飙升至93 4g w ，比2 0 0 8 年增长了3 6 5 。 中国( 包括台湾地区) 依然是太阳电池的最大生产国产量占全球市场的4 9 。 根据s o l a r b u z z 网站的预测，随着全球金融环境转好，光伏行业将在2 0 1 0 年恢复到过去的高增长模式，并会一直维持到未来5 年。按照这种预计，到2 0 1 4 年全球光伏市场规模将增长为目前的25 倍。 1 , l3n 型晶体硅太阳电池 按照衬底导电类型进行区分，晶体硅太阳电池可以分为p 型和n 型两种。p 型晶体硅太阳电池一直是光伏市场的主力，目前只有8 u n p o w e r 和s a n y o 公司以 n 型晶体硅制作太用电池。2 0 0 8 年，n 型晶体硅太阳电池产量只占晶体硅太阳电 2 第一章引言 池总产量的8 瞳1 。然而，s u n p o w e r 公司的i b c ( i n t e r d i g i t a t e db a c k - c o n t a c t e d ) 电池以及s a n y o 公司的h i t ( h e t e r o j u n c t i o nw i t hi n t r i n s i ct h i nl a y e r ) 电 池却是目前效率最高的两款商品化太阳电池，其转换效率都在2 0 以上。这两种 电池的实验室效率更是高达2 3 b ，4 o 这显示n 型太阳电池在高效低成本太阳电 池方面具有良好的发展潜力。 ( 1 ) 1 1 型晶体硅材料性质 在发展初期，太阳电池主要应用于航天领域，因此在选择基体材料时必须考 虑其抗辐射能力。1 9 6 3 年，b e ll 实验室发现在高能辐射下，n 型太阳电池性衰 减严重，稳定后的转换效率低于类似结构的p 型太阳电池嘲。这一结果使p 型太 阳电池成为太空应用的优先选择，其电池结构和生产技术得到不断完善。在随后 太阳电池转向地面应用的过程中，p 型电池结构得以沿用，p 型晶体硅太阳电池 因此成为主流。但是，地面应用中并不存在太空辐射的威胁，采用p 型晶体硅作 为衬底并不见得是最明智的选择。 一方面，p 型晶体硅在地面应用中仍然存在衰减，而n 型晶体硅的性能则更 为稳定。早在1 9 7 3 年，h f i s c h e r 和w p s c h u n d e r 婀就发现刚制作好的硼掺杂 p 型直拉法单晶硅( c z 硅) 太阳电池在光照下会出现明显的性能衰减。1 9 9 7 年， j s c h m i d t 等人p 3 证实硼掺杂c z 硅出现的光致衰减现象是由材料中的硼氧对所 引起( 如图卜3 所示) ，而由于磷掺杂n 型c z 硅中硼含量极低，因此由硼氧对所 导致的光致衰减并不明显( 如图1 - 4 所示) 。 o 尊 们 t - 伊 钿 心 k o i 飘舯1 l n ；出口nt i m el m 撕哆 02 04 06 08 01 1 1 4 0 1 1 8 09 7 0 j l l u m i n o l i o n 铂m e ( r a i n ) 图1 - 3p 型和n 型晶体硅光致衰减特性的对吖力 ( 左) p 型晶体硅；( 右) n 型晶体硅 3 中山大学硕士学位论文 另一方面，在太阳能级硅材料中，n 型晶体硅比p 型晶体硅具有更高的少子 寿命。据j z h a o 等人报道陋1 ，不同体电阻率的n 型c z 硅有效少子寿命都在1m s 以上( 如图1 - 4 所示) 。这远远高于p 型c z 硅的水平，甚至比p 型区熔法单晶硅 ( f z 硅) 少子寿命要高。而据a c u e v a s 等人报道阳1 ，n 型多晶硅( m c 硅) 有效 少子寿命也能达到1 0 01 1s ，经过磷吸杂后，更可以大幅提升到lm s 。d m a c d o n a l d 和l j g e e r l i g s n 岫对n 型和p 型晶体硅少子寿命的差异进行了解释： 因为铁等常见金属杂质对电子的俘获截面比对空穴的俘获截面大，所以在低注入 情况下，n 型硅比p 型硅具有更高的少子寿命。 o - s e hn c z l 3 一 + s e h n f z o 9 厂 _ 卜- t o p s w n f z l5 - s e hn c z o 4 - s e hn c z 5 5 以 一一 式 叭 一广 、= 乙一 、 一、_ 、 一 一一 一一 一 图卜4 不同电阻率n 型晶体硅的有效少子寿命 ( 2 ) n 型晶体硅太阳电池基本结构 按照发射极的位置和形成方式区分，n 型晶体硅太阳电池可以分为铝背发射 极、硼前发射极和硼背发射极三种结构。铝背发射极n 型太阳电池是本论文的研 究对象，其结构如图卜5 所示。铝背发射极太阳电池的p - n 结位于电池背表面， 作为电池发射极的p + 区域由铝电极和硅衬底之间的铝硅合金化过程所形成。硼前 发射极和硼背发射极太阳电池结构如图1 - 6 所示，两者的发射极一般都是通过硼 扩散形成，前者发射极位于电池前表面，后者发射极则位于电池背表面。 4 o o o o o 0 o 加 鲫 砌 7 6 5 4 3 2 1 dcoooooee譬霪j j。鼍再u o嚣。目!l=im 第一章引言 n 型钝化介质膜 n 型金属电极 ：己，j r j j j j f j t j f j f f j j f f j j f j j l t ，川厶 n + + 前袭面场 n 型基体 铝合金p + 发射极 | 一，? j ，一， 图1 - 5 铝背发射极1 “ 1 型太阳电池结构示意图 p 型金属电极 p 型钝化介质膜 n 型钝化介质膜 n 型金属电极 n + + 前表面场 n 型基体 硼扩散p + 发射极 “；二7 。二7 77 二i0 i ：。巴；。二j 二；7 ：二 p 型钝化介质膜p 型金属电极 ( a )( b ) 图1 - 6 硼发射极r l 型太阳电池结构示意图 ( a ) 硼i ； f 发射极结构；( b ) 硼背发射极结构 ( 3 ) 铝背发射极n 型太阳电池结构及其制作工艺 图1 - 7 对比了传统p 型太阳电池和铝背发射极n 型太阳电池的结构。从图中 可以看出，铝背发射极n 型太阳电池的结构和传统太阳电池几乎一致，两者只是 衬底导电类型有所不同。这一区别导致以下两个结果：l 、p 型太阳电池p - n 结 位于电池前表面，而铝背发射极1 1 型太阳电池p - n 结位于电池背表面。2 、对于 p 型太阳电池，背表面p + 层作为背表面场，用于减少背表面复合；对于铝背发射 极n 型太阳电池，背表面p + 层则作为发射极，起到收集光生载流子的作用，该 p + 层的质量对铝背发射极太阳电池性能的影响更大。 s 中山大学硕学位论立 a u 搬 图卜7 传统p 型太阳电池和铝背发射极n 型太阳电池结构示意图 ( 左) 传统p 型太阳电池结杓；( 右) 错背发射撮n 型 阳电池结构 如图卜8 所示，铝背发射极n 型太阳电池的制作流程也跟传统p 型太阳电池 相似，具体包括以下步骤： ( 1 ) 制绒清洗：制绒的作用是在硅片表面形成金字塔路光结构，用于减少 反射并增加入射光在硅片体内的传输距离；清洗的作用是去除硅片表面的有机物 和金属离子。 ( 2 ) p o c l ，扩散前表面场：这一步骤与p 型太阳电池的扩敲制结类似，通过 p g c l ，扩散在硅片前表面形成一层重掺杂n + 层。对于铝背发射极n 型电池，该结 构被用作前表面场作用类似于d 型太阳电池的背表面场，通过在表面附近形成 高低结来减少光生载流子在表面的复音。通过器件模拟和实验发现，n 层前表面 场的掺杂浓度对铝背发射极电池性能具有重要影响，这将在第四章进行讨论。 ( 3 ) p e c v d 镀s i n ，减反射膜：主要用于减少表面反射，并起到定的表面 钝化和体钝化作用。 ( 4 ) 去背结：扩散时，硅片背表面也会沉积上一层重掺杂n + 层。如果不把 背表面n 层去除干净，铝背发射极电池将会出现严重的背面漏电。这将在第三章 进行详细讨论。 ( 5 ) 丝网印刷电极：通过丝网印刷的方法制作前、背电极，除此之外，还 可以采用电镀等手段制作电极，这将在第五章进行讨论。 ( 6 ) 烧结：烧结的作用是使金属浆料和硅衬底之问形成良好接触。对于铝 背发射极n 型太阳电池，其p - n 结是在烧结过程中形成的。当烧结温度达到铝硅 共晶点温度时( 约5 7 7 ) ，背铝电极中的部分铝将与硅形成熔融盼a 卜s 1 合金， 黉耋 第章引i 部分a l 原子在随后的冷却过程中残留在再结晶的硅层内，从而形成重掺杂p 层。 这一区域与1 1 型材底构成p - n 结。烧结工艺对铝背发射极n 型电池的p - n 结特性 有很大影响，这将在第四章进行讨论。 案+ 喜： 目s 置篡复j 。眨黧黝置= 型 p e c v d 镀sn x 膜烧结 图一铝背发射极n 型太阳电池结构及生产工艺 研究现状 u inn 由于n 型晶体硅具有体少子寿命高、无光致衰减等优点近年来引起了众多 研究人员的关注，各种n 型太阳电池结构和制作工艺得到长足发展。以下将对三 种基本n 型太阳电池结构进行简单分析，并对其最新研究成果进行评述。 1 铝背发射极n 型太阳电池 如图卜7 所示铝背发射极太阳电池的结构与传统型太阳电池几乎一样 只是基体导电类型有所区别。 为了了解铝背发射极太阳电池的特性，采用软件对其进行模拟，结果 如图卜9 所示。从模拟结果可以得出以下结论：要获得高的转换效率，需要满足 以下三点： o 硅基体体少子寿命要高。从图卜可以看出，体少子寿命对电池效率的影 中山大学硕士学位论文 响非常明显。当体少子寿命从1 0 0 0us 降低到1 0 0i ls 时，电池绝对效率下降 超过4 。 前表面掺杂浓度和表面复合速率要低。 o 背表面复合速率要低。特别是在前两个条件已经满足的情况下，背表面复 合速率对太阳电池性能的影响变得明显。图1 - 5 所示结构的背表面具有大面积的 金属一半导体界面，这种界面的表面复合速率极高。在背表面沉积钝化介质膜可 以减小金属一半导体的接触面积，从而降低背表面复合，有利于获得更高的转换 效率。 邑 褥 较 辎 蛑 背表面复合速率s 。( c ms - 1 ) _ l 卜一丁b i i i k2 1 0 0 0 肛s ，r s h 24 5 i 2 口，s f2 1 0 c ms - + 7 姒2 1 0 0 0p s ，r s h 2 6 0i - , o ，s f21 0 c ms 1 一丁b u i k2 1 0 0 0i l s ，r s h26 0 ( ? 口，s f2 1 0 c ms 。 卜7 b u l k2 1 0 0 0 s ，r s h 21 2 0 f ，口，s f2l o c m s - 。 一一丁呲2 1 0 0 “s ，r s h 2 1 2 0 ( y o ，s f 2 l o c ms “ 图1 - 9p c i d 模拟背表面复合速率对铝背发射极太阳电池性能的影响 丁b 。广体少子寿命；r s h 一前表面方块电阻；s r 前表面复合速率其它模拟参数设置如下，硅片厚 度：2 0 0 “m ：体电阻率：3f 2 c m ；扩散曲线模型：e r f c ；光学部分由光线跟踪软件进行模拟。 由于n 型单晶硅( f z 、c z ) 已被证实具有极高的体少子寿命，s i 0 ：、s i n 。等 钝化介质膜也被证实对重掺杂r l 型硅表面具有良好钝化效果。所以，近期的研究 主要集中在电池背表面的p 型硅表面钝化上。前期研究发现，常用的s i 0 2 、s i n 。 介质膜在重掺杂p 型硅表面上的钝化效果并不理想，而等离子体化学气相沉积 ( p l a s m ae n h a n c ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p e c v d ) a - s i 叫鄙和原子层沉 8 第章引青 积( a c t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ，a l d ) a 1 ：0 i 1 “1 却显示出优异的钝化性能。 2 0 0 8 年，cs c h m i g a 等人“”采用a 1 ：o 。s i 如叠层介质膜钝化电池背表面， 在l ooc m ，4c 口2 的f z 硅片上制作出效率达2 01 的铝背发射极太阳电池。这 是铝背发射极太阳电池的最高效率。该电池结构如图卜l o 所示。在相同结构上 采用a s i s i 吼叠层介质膜进行背表面钝化的样品转换效率为1 95 。 g 帕 图卜i i 高效铝背发射极太阳电池结构示意图i i 中山大学硕士学位论文 上述高效太阳电池均采用了t i p d h g 前电极结构以及背表面钝化方案，这 种结构目前只能在实验阶段实现。为了满足产业化要求，2 0 0 6 年，c s c h m i g a 等人n 7 1 采用丝网印刷前、背电极的方式制作了如图1 - 5 所示的电池结构，在4 qa m ，1 0 0c d 的c z 硅上获得1 7 0 9 6 的转换效率。 以上结果证明铝背发射极结构能在f z 和c z 硅基体上获得较高效率，但是该 结构应用到m e 硅基体时效果并不理想n8 川。这是因为铝背发射极太阳电池的p n 结位于电池背表面，大量光生载流子需要从前表面附近迁移到背表面才能被内建 电场分离，而m c 硅材料体少子寿命较低，光生载流子在迁移过程中大量复合， 并最终导致电池效率降低。 1 2 2 硼前发射极n 型太阳电池 硼前发射极太阳电池的基本结构如图1 - 6 ( a ) 所示。采用p c i d 软件对其进 行模拟，得到如图卜1 2 所示结果。与铝背发射极结构相比，少子寿命对硼前发 射极太阳电池的影响较小。从这点上看，该结构适合应用于n 型m c 硅等质量较 差的材料上。 前表面复合速率s f ( c ms 。1 ) 0 0 0 肛 0 0 0 肚 0 0 0p o o 肛s ，r s = 4 5n o ，r 酬= 6 0o 口 ，r s 21 2 0o 口 = 1 2 0o 口 图1 1 2 前表面复合速率对硼扩散发射极太阳电池性能的影响 模拟参数如下：背表面复合速率s r - l o s 心1 ，其余模拟参数与图1 9 所用参数一样。 1 0 “ 一一一 一 第一章引言 从p c i d 模拟结果还可以看出，要获得高转换效率，必须尽量降低前表面掺 杂浓度和前表面复合速率。这给扩散和表面钝化提出t高要求。此外，实际应 用中，硼发射极表面金属化也是一个有待解决的问题。以下将对这三方面进行讨 论： 硼扩散 硼扩散的方法很多，按硼源分，有液态b b r 。以及各种用于丝网印刷和旋涂 的商品化硼浆，从扩散设备来分主要有管式扩散和链式扩散两种。y k o m a t s u 等人1 2 0 研究发现，在众多硼扩散方式中，用氮气携带液态b b r 。进行管式扩散的 效果最好。与其它方法相比，该方法更有利于避免金属污染。采用该扩散方法， 硅片有效少子寿命比用其它方法扩散的样品高5 倍以上。 硼扩散的一个问题是均匀性难以控制。在扩散前期，b b r 。反应生成b 2 0 3 ，后 者沉积在硅片表面，并在高温作用下扩散进入硅基体。这与磷扩散时p o c l 。先生 成p 她再沉积到硅片表面的过程相类似。不同的是，p 2 傀在8 5 0 时为气相，可 以均匀沉积在硅片表面。而b ：0 3 的沸点较高，扩散过程中b 2 砚一直处于液相状态， 难以均匀覆盖在硅片表面，扩散均匀性因而难以控制。 硼扩散的另一个问题是高温导致材料性能变坏。一方面，硼原子在硅中的扩 散系数较低。与磷扩散相比，硼扩散需要用更高温度或更长时间来获得相同的方 块电阻。另一方面，硼前发射极太阳电池多采用磷扩散来制作背表面场，一般还 需要采用热氧化方法来制作掩模。多次高温不仅浪费能源，还会导致硅片少子寿 命下降。多次高温严重限制了m e 硅的应用。 0 前表面钝化 如前所述，a l da l ：0 3 以及p e c v da s i 对p 型硅表面具有良好的钝化效果， 但将其应用到硼前发射极结构时还必须考虑该介质膜的透光率。a - s i 对短波段 具有较强吸收，厚度不宜过大。a r i c h t e r 等人【1 5 1 认为a - s i 的最佳厚度为8 - 1 0 n m 。a 1 ：0 3 则无论在钝化效果还是透光率方面都比a s i 好，但是a l da 1 ：0 3 的沉积 速度较型1 6 , 2 1 】，这影响了它的应用。v d m i h a i l e t c h i 等人【2 l 】用硝酸氧化生成 s i o , 并用p e c v d 沉积s i n , 组成叠层钝化膜，采用这种钝化膜的硼前发射极太阳 电池比只使用s i n 。单层膜钝化的样品效率提高2 。该叠层钝化膜的钝化效果甚 至比热氧氧化s i 0 2 和p e c v ds i n 。的叠层膜好。 1 1 r 】大学硕士学位论文 。金属化 目前的商品化银浆并不适用于硼前发射极。这是因为银和p 型硅之间的接触 电阻较大，特别是在硼发射授表面存在“硼耗尽区”时。硼耗尽区是指硅片表面 硼含量较低的薄层区域，该区域的存在不利于硅片和银电极间通过隧穿效应来实 现欧姆接触。rl a g o 等人1 研究发现采用银铝浆代替银浆料可以有效降低接 触电阻，但是在烧结过程中，发射极的部分区域会熔融到铝当中。这可能导致发 射极局部区域被电极贯穿，使p - n 结短路。在银铝浆中加入适量硅可以降低硼发 射极被电极贯穿的几率，但是掺硅的银铝浆导电性比银浆料差，这将导致栅线体 电阻增大。 尽管存在以上问题，研究人员仍然开发出大量新材料、新工艺，使硼发射极 太阳电池的性能得到不断完善。 2 0 0 2 年，jz h a o 等人1 8 采用如图卜1 3 所示的p e r t ( p a s s i v a t e de 州t t e r ， r e a rt o t a l l yd i f f u s e d ) 结构在09n c m ，4c m 2 的f z 硅上制作出效率达 2 1 9 的硼前发射极太阳电池。该电池采用t c a ( t r i c h l o r o e t h a n e ) 氧化以及 a l n e a l 工艺进行钝亿，开路电压达6 9 5m v ，显示出良好的钝化效果。采用同样 结构，j z h a o 还在不同体电阻率的c z 硅片上制作p e r t 电池，其效率都在2 l0 以上。 图卜1 3 珊前发射极n 型p e r t 电池结构 2 0 0 8 年，jb e n i c k 等人1 0 采用如图卜1 4 所示的p e r l ( p a s s i v a t e d 第一章引言 e m i t t e r ，r e a rl o c a l l yd i f f u s e d ) 结构，在1q c m ，4c m 7 的f z 硅上制作出 2 34 的硼前发射极太阳电池。该电池硼发射极采用 【，da iz o , 进行钝化，开路电 压达7 0 36m v 。2 34 的转换效率是目前n 型硅太阳电池的最高记录，而且这个 效率是在未采用选择性发射极结构的情况下获得的。在相同结构上，采用s i r ， 代替a l ，如作为背表面钝化膜的样品效率也达到2 1 8 。 p ，絮籍1 竺：“”9 叱a n ”8 警“o “n g n l y p e b a s m 王叠皇曩曩墨墨墨皇目高 s i n p a s g v a f i o nt a y e r 图卜1 4 硼前发射极n 型p e r l 电池结构“” 2 0 0 9 年，在未对硅基体进行制绒的情况下，ar i c h t e r 等人阱1 通过