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IBC电池扩散前表面特性研究

发表时间：2020/11/4 来源：《基层建设》2020年第21期作者：刘洪东宋标高艳飞董忠吉

[导读] 摘要：针对N型叉指背接触式（IBC）太阳能电池对载流子扩散长度有了更高要求的问题，对IBC电池扩散前表面结构从钝化层、掺杂层等方面进行特性研究，对比了不同SiO2薄膜、方阻（ReSistance）、饱和电流密（J0）的表面设计对IBC电池的影响，确定了磷扩散的最佳控制参数，保证了太阳能电池效率最大化。

        黄河水电西宁太阳能电力有限公司青海西宁 810000
        摘要：针对N型叉指背接触式（IBC）太阳能电池对载流子扩散长度有了更高要求的问题，对IBC电池扩散前表面结构从钝化层、掺杂层等方面进行特性研究，对比了不同SiO2薄膜、方阻（ReSistance）、饱和电流密（J0）的表面设计对IBC电池的影响，确定了磷扩散的最佳控制参数，保证了太阳能电池效率最大化。
        关键词：叉指背接触；SiO2薄膜；方阻；饱和电流密度；控制参数
        Study on the surface characteristics of IBC cell before diffusion
        Liu Hongdong    Song biao   Gao Yanfei   Dong Zhongji
        （1.HHDC Xining Solar Power Co.，Ltd，Xining 810000）
        Abstract：Aiming at the problem that N-type interdigital back contact（IBC）solar cells have higher requirements for carrier diffusion length，the characteristics of the surface structure of IBC cells before diffusion from the passivation layer，doping layer，etc.It compares the effects of surface design of different SiO2 films，resistance，and saturation current density（J0）on IBC cells，determines the optimal control parameters for phosphorus diffusion，and ensures the maximum efficiency of solar cell.
        Key words：Interdigital back contact；SiO2 film；Square resistance；Saturation current density；
        Control parameters
        1 引言
        太阳能具有资源丰富、绿色环保等优势，备受世界各国关注，已成为我国重点发展的新兴产业。晶体硅由于储量丰富，工艺成熟，成本较低，已占据光伏市场的90%以上[1]。其中N型叉指背接触式（IBC）太阳能电池便是太阳能电池中的佼佼者，因前表面无栅线，背面采用叉指式分布正负极的独特设计，提高了有效受光面积，大幅提升了电池效率，是太阳能电池历程中的一次技术革新。独特的设计也对原材料、制造工艺等有了更高的技术要求，因此对IBC电池扩散前表面特性进行研究，优化工艺参数就显得尤为重要。
        2 IBC电池扩散前表面
        N型IBC太阳能电池是一种以N型单晶硅作为衬底，并形成一种具有叉指背接触特点的新型结构太阳能电池[2]，IBC电池结构示意图如图1所示。

        图1 IBC太阳能电池示意图[3]
        Fig1.Schematic diagram of IBC solar cell
        本文中对IBC电池前表面进行磷掺杂，采用SiO2-SiNx叠层钝化和前表面场钝化形式，降低表面复合和提高扩散长度。
        在表面重掺杂情况下，会导致载流子发生严重复合，导致太阳能电池开路电压（Voc）、短路电流（Isc）等电性能下降[4]，通过高方阻和低表面浓度的前表面设计，可以有效降低高能量光在硅片表面的复合，增加短波效应[5]，表面复合暗电流也会减小，提高Voc和Isc来提升电池效率。
        2.1 钝化层
        一般常采用介质膜钝化的方式有SiO2钝化、SiNx钝化、AI2O3钝化、SiO2-SiNx叠层钝化等，不同的钝化方式有不同的优缺点。本中对TEX后单晶硅进行高温扩散工艺，再通过湿法工序优化均匀性后以PECVD方式镀SiNx薄膜，可以有减小表面光反射率和复合速率，提高短波效应和扩散长度，来提高电池片效率。
        2.2掺杂层
        对IBC电池前表面进行参杂的过程中，参杂区域的浓度、深度及表面复合等都会影响单晶硅太阳能电池的性能[6]，而IBC太阳能电池对表面复合要求更加严格，因此一般采用形成一个低掺杂的N＋浅表面场对其钝化[7]。前表面就结合了表面介质膜钝化和场效应钝化，两者互相影响，掺杂浓度越高场效应钝化越强，但是表面钝化越差[8]，为追求效率最大化，就需要进行在两者之间的权衡，通过不断验证来找到工艺参数的峰值。在实际生产过程中表面掺杂浓度不便监控，本文就通过不同方阻、不同表面饱和电流密度和电池效率建立关系进行效率研究。
        3实验和结果分析
        本次实验采用磷掺杂的N型单晶硅片，硅片尺寸为158.75×158.75mm，电阻率1-3Ω•cm，厚度为150-180um。
        3.1 Si02厚度
        取TEX后单晶硅片，在温度860℃，持续通入纯氧的条件下，通过更改高温氧化时间分别形成0nm、15nm、30nm、45nm SiO2薄膜，使用UH4150积分反射仪进行反射率测试，测试结果如图2所示。

        图2 不同SiO2薄膜厚度与反射率关系曲线
        Fig2.Relation curve between thickness and reflectivity of different SiO2 films
        在SiO2薄膜厚度在0-45nm范围内，随着SiO2膜厚的增加，反射率不断下降，对于短波长光效果尤为明显。
        3.1 Si02质量
        图3 不同温度、时间与SiO2厚度的关系
        Fig3.The relationship between different temperature，time and SiO2 thickness
        选用高温氧化工艺，对生产片分别进行800℃、860℃氧化验证，通过湿法工序进行氧化膜均匀性优化后，以 PECVD形式双面镀SiNx钝化层，进行印刷、测试效率。不同温度生长氧化膜对效率的影响如表1所示。
        表1 不同温度氧化对效率影响
        Table1.Effect of oxidation at different temperatures on efficiency

对比800℃条件下的氧化工艺，在温度为860℃进行氧化的电池片FF、Voc具有明显优势，效率有明显提高。
3.3方阻、饱和电流密度

        实验采用单一变量法，扩散时保证扩散温度、源瓶压力、源瓶压力等因素不变，通过单一改变通源时间，进行不同方阻：60、80、100、120、140、160ohm/sq的对比验证。
        测试设备：全自动方阻测试仪4-TEST和少子寿命测试仪 Sinton WCT120/Suns Voc；
        测试要求：方阻测试用电阻率为1-3Ω•cm的P型片；饱和电流密度、少子寿命（lifetime）测试需将N型片双面扩散、镀膜，形成对称结构，进行烧结测试。
        前表面磷扩散不同方阻对饱和电流密、少子寿命和效率影响如图4所示。

（a）

（b）

        （C）
        图4 不同表面方阻对单晶硅太阳能电池饱和电流密度、少子寿命、效率的影响
        Fig4.The influence of different surface resistance on the saturation current density，minority carrier lifetime and the efficiency of monocrystalline silicon solar cells
        在方阻为60-160ohm范围内，随着方阻的提升少子寿命和效率呈现不断上升趋势，饱和电流密度则不断下降；当方阻超过140ohm之后，少子寿命和效率出现大幅度下降，饱和电流密度依旧呈现下降趋势。
        4结论
        通过对IBC电池扩散前表面钝化层、掺杂层进行研究得出以下结论：
        1、随着SiO2薄膜厚度的增加，可以降低表面反射率，改善太阳能电池量子效应；
        2、较高温度的常压氧化条件下，SiO2薄膜形成速率更快，质量更好；
        3、扩散前表面140ohm方阻设计，更接近效率峰值；
        4、方阻和饱和电流成反比关系，保证方阻在合理范围内，有效降低饱和电流密度可以提升效率。
        参考文献：
        [1] METZ A，DEMENIK G，RICHTER A，el al.International technology roadmap for photovoltaic 2014 results [EB/OL].2015[2016-8-22].
        [2] 何志伟，刘丽.N型IBC太阳能电池工艺研究[J].2017，25（15）：14-18.
        [3] GRANEK F.High-efficiency back-contact back-junction Silicon solar cells[D].Freiburg：Universitat Freiburg，2009.
        [4] J Zhao，A Wang，M A Green，24%Efficient PERL strucyure silicon solor cells[M].Orlando，1990：333-335.
        [5] 高甜甜.高方阻太阳能电池的优化[D].北京：北京交通大学，2014.
        [6] 何堂贵.晶体硅太阳能电池制作中的扩散工艺研究[D].成都：电子科技大学，2009.
        [7]King R R，SINTON R A，SWANSON R M.Front and back surface fields for point-contact solar cells[C]//Proceedings of the Photovoltaic Specialists Conference，1988，Conference Record of the Twentieth IEEE.IEEE，1988：538-544.
        [8] 张伟康，陈群，王敏，等.叉指背接触硅太阳能电池[J].2016（5）：344-346.