太阳能电池生产的工艺技术南昌理工学院太阳能光电研究院(蔡勇军)光伏发电技术及应用

光伏科学实验讲义实验一 半导体导电类型测量 二、测准条件分析实验二方块电阻与电阻率的测量1、方块电阻2、方块电阻的测量3、方块电阻计算公式4、电阻率测量实验三阳极氧化法测结深 实验四非平衡少数载流子寿命测试 一、非平衡少数载流子寿命当用适当波长的光照射半导体时，只要能量大于该半导体禁带宽度，那么光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子 Δ n，价带比平衡时多出一部分空穴 Δ p。对于 p 型半导体把 Δn称为非平衡少数载流子，Δp 称为非平衡多数载流子；而 n 型半导体把 Δp 称为非平衡少数载流子，Δn 称为非平衡多数载流子。 用光照射使得半导体内部产生非平衡载流子的方法称为非平衡载流子的光注入，光注入时 Δ n＝Δ p （ 1－ 12）一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多，比平衡时的少数载流子浓度大得多。因此非平衡时少数载流子的影响显得十分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要作用， 通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子。当光照时， 在半导体内部产生非平衡载流子。 光照停止后， 非平衡载流子逐渐消失， 也就是原来激发到导带的电子又回到价带， 电子－空穴对又成对消失。最后，载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到了平衡状态。由此得出结论，产生非平衡载流子的外部作用撤出后，由于半导体内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态， 过剩载流子逐渐消失， 这一过程称为非平衡载流子的复合。光照停止后， 非平衡载流子随时间按指数规律减少。 这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命， 用 τ 表示。 由于相对于非平衡多数载流子， 非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位，因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。二、少数载流子寿命对太阳电池的影响少数载流子寿命反映了太阳电池表面和基体对光生载流子的复合程度，即1反映了光生载流子的利用程度。 光生载流子被内建电场分离开进入 n 区和 p 区，为太阳电池的光电流和光电压做出贡献。理论上近似考虑用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数规律下降，因而光生载流子产生率也随着光照深入而减小，即产生律 G是 x的函数。为了简化，用 G 表示在结的扩散长度（ Ln＋ Lp）内非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度 Lp内的空穴和 Ln内的电子都能扩散到 p－ n结面而进入另一边。这样光生电流 IL应该是 npL LLAGqI （ 1－ 13）式中 A是 p－ n结面积， q为电子电量。光生电流 IL 从 n区流向 p区。由于ppp DL τnnn DL τ （ 1－ 14）因此将（ 1－ 14）式代入（ 1－ 13）式，得到 ppnnL DDAGqI ττ （ 1－ 15）由（ 1－ 15）式我们可以看出少数载流子寿命长，光电流 IL大；由（ 1－ 2）式可以看出少数载流子寿命长， 暗饱和电流 I0小； 由 （ 1－ 1） 式看出光电流 IL大， I0小，从而开路电压 Voc大。因此从理论上可以证明少数载流子寿命越高，太阳电池的短路电流、开路电压会提高。少数载流子寿命是太阳电池设计及生产中的一个重要参数。由于在太阳电池的制作过程中少数载流子的寿命会受到高温处理过程的影响。因此在选择材料的少数载流子寿命一定情况下，我们希望监控生产工艺对少数载流子寿命的影响，为改善生产工艺提供科学信息。三、少数载流子寿命测试技术为提高太阳电池的效率最好能监控每项主要工艺过程后对少数载流子寿命带来的影响，从而及时调整生产工艺，获得良好的工艺流程，提高电池效率。希望准确地测量太阳电池少数载流子寿命，迄今为止人们发明了许多方法。目前最常用的是开路电压衰减法、微波光电导衰减法和准稳态光电导法等。21、 开路电压衰减法原理开路电压衰减法是一种测量少数载流子寿命常用的方法。待测硅片要求制作电极。在开路电压衰减法中当开路的 p－ n结受到光照时，势垒区边界将积累非平衡载流子， 中和掉部分空间电荷面使势垒降低， 相当于加了一个正向偏压。同时，结两边又将有非平衡少数载流子的电注入，其注入量决定于光致开路电压的大小。光照停止后，注入的非平衡少数载流子因复合而衰减，空间电荷向光照前的平衡态恢复，致使光致开路电压降低，电注入的少数载流子浓度随之衰减 [ ]1 。因此，这种光致开路电压的衰减过程就是电注入非平衡少数载流子的衰减过程，两者的衰减速率是相对应的。根据 n－ p 结太阳电池的工作原理，激光脉冲光照射到太阳电池上，一个周期内，太阳电池中非平衡光生载流子的分布如图所示激光脉冲光照后 p/n 结两侧载流子分布3光照后的能带示意图其中tt Δ- 00 ，脉冲宽度为 300ns， TT - 0 ，脉冲周期为 0.1s。激光脉冲照射到太阳电池上， 开路时产生的光生载流子在内建电场的作用下， 分别聚集在 n－ p结的两侧，建立光生电动势，同时，正偏 Voc将使 n－ p结两侧向对方注入非平衡少数载流子，即 n区向 p区边界注入电子，并聚集在 p区边界处。同样， n区边界聚集了由 p区注入的空穴。 当脉冲光停止后， 聚集在 n－ p结两侧的过剩光生少数载流子分别向两边扩散，边扩散边复合，光生开路电压随时间不断降低。下面研究 p区中，注入电子 U np（ 0）在一个周期内衰减的情况，即 U np（ t）随时间的变化。在小注入的条件下，光电压与少数载流子寿命的关系为 [ ]2 VtdtdVqkToc ΔΔ 026.01τ （ 1－ 16）其中 Δ t 是时间的变化量；Δ V 是光电压的变化量。在计算时只能选择示波器显示的线性部分进行计算，因此认为误差较大。开路电压法虽然具有设备简单，测试直接等特点，但是由于光照不均匀，4会导致过剩载流子的横向流动， 在发射区形成表面电压， 影响到最终测试结果。为了能够测试标准方片，我们加工了一套用于开路电压衰减法测试的夹具，如图所示。夹具背面为铜，与待测电池背面电极接触。夹具正面有四个接触点，分别接触正面电极主栅线。将其放置在激光测试台上，由于夹具有一定高度，待测电池不在激光焦点处，当激光照射时可避免发热问题。激光器的波长为1.06μ m，脉冲上升沿小于 200ns，下降沿小于 120ns，脉冲宽度为 300ns，激光工作电流为 18.6A，频率为 2.0kHZ。图 1 开路电压衰减法测量与结果Fig5. OCVD measurement and result 5实验五 太阳电池 I-V 特性测试 1、 p－ n 结特性测量61、 电池负载特性测试782、 电性能温度系数测试93、 串联电阻测量1011[ ]1 薄仕群，光致开路电压衰减法测量少数载流子的寿命 [J]，河北大学学报（自然科学版） ，1986 pp.62－ 66. [ ]2 彭银生， “ 晶体硅太阳电池表面钝化、 p－ n结、 铝背场及少数载流子寿命测量研究 ” [D], 云南师范大学硕士学位论文， 2003. 12