PC1D方法对铝背场钝化技术的分析-司丽-上海超日.pdf

第26卷第4圳 2011年8月 光电技术应用 ELECTR00PTIC TECHN0L0GY APPLICATION Vo1_26．NO．4 August，201 1 光电器件与材料 PC1 D方法对铝背场钝化技术的分析 司 丽，高 华 卜海超日太阳能科技股份有限公司，上海201406 摘要降低单晶硅原材料成本，采用更薄的硅片作为太阳电池的原料是品体硅太阳电池产业发展的趋势之一。对薄片 化的太阳电池，销背场的背表面钝化T艺显得愈加重要。采用PC1D太阳电池软件模拟的方法，对以商业用P型硅为衬底的单 晶硅125x125太阳电池的铝背场的背表向钝化技术进行了模拟，分析得出，对一定厚度的电池片来说，尤其是当少数载流子的 扩散长度大于硅片厚度时，背表而的复合速率对太阳电池效率的影响尤为明显。电池的效率随着铝背场结深的增加、背表面 复合速率的降低、少数载流子寿命的提高而提高。铝背场能够改善背表面的钝化质量，降低背表面的复合速率，进而提高太阳 能电池的光电转换效率，是目前商业化的晶体硅太阳电池普遍采用的背表面钝化技术。 关键词铝背场；背表面饨化；内最子效率；复合速率；少子寿命 中图分类号TM914．4 文献标识码A 文章编号16731255201104004904 Analysis of Aluminum Back-Surface Field Passivation Technique by PC1D YAN Li，GA0 Hua ShanghaiChaariSolarEnergyScience＆TechnologyCo．，Ltd，Shanghai 201406，China AbstractIn order to reduce the cost of silicon raw materials，thinner silicon wafers are used for crystalline silicon solar cells．Aluminum backsurface field passivation technique iS more important for thinner solar cells． PC1D method is used to model the aluminum backsurface field passivation technique of Ptype m0nOcrystalline silicon substrate 125x 125 solar cells．The mode1 results are analyzed．For a certain thickness solar cells，especial ly when the minority carrier diflusion length iS greater than the thickness of silicon warers，the back-surface re combination velocity iS particularly important for efficiency．The efficiency wil1 be increased with the increase of aluminum back-surface field iunction depth，the decrease of backsurface recombination velocity and the in crease of minority carrier lifetime．Aluminum back-surface field can improve the quality of the back-surface pas sivation．reduce the backsurface recombination velocity thus improve the efficiency of solar cells，which is commonly used for the commercia1 crystalline silicon solar cells． Key wordsaluminum backsurface field；back surface passivation；internal quantum efficiency fIQE；re combination velocity；minority carrier 1ifetime 太阳电池是利用半导体的光生伏特效应而直 接将太阳转换成电能的物理器件。随着世界经济 的飞速发展所带来的能源和环境问题，尤其是在日 本福岛核泄漏危机发生以后，光伏发电作为绿色环 保可再生能源将越发受到各国政府的重视。目前， 提高太阳电池的光电转换效率及降低其发电成本 是业界的两大研究热点。硅材料因其在自然界中 的储量丰富及适合的半导体禁带宽度，是目前研究 最多，技术最为成熟的材料。尤其是单晶硅电池的 实验室最高光电转换效率已达到25％，该世界纪录 南澳大利亚新南威尔士大学研究者所保持[。 随着光伏产业竞争的日益激烈，进一步降低硅 收稿日期2011一O622 作者简介闫丽1982一，女，硕士研究牛，辽宁抚顺人，研究方向为半导体光电材料与器什；高华1982一，男，Jq J『资阳人，硕十，I 程师，研究 方向乃硅太阳电池技术． 万方数据 50 光电技术应用 第26卷 材料成本大势所趋，硅片将向更薄的方向发展。目 前硅片厚度已由原来的300多微米而降低到200微 米左右，而且随着线切割技术的发展及电极制备技 术的提高，硅片厚度将进一步降低。而降低硅片的 厚度是否会影响电池的效率在线切割制作硅片 过程造成硅片表面存在一定厚度的损伤层，在此硅 片表面载流子的复合速率很高，通常将表面作为一 个巨大的复合中心。为了进一步提高太阳电池的 少数载流子的收集效率，进而提高电池的光电转换 效率，如何降低表面复合速率一直是研究人员所关 注的问题。表面复合对电池片少子寿命的影响主 要取决于2个因素硅片厚度与表面复合速率。其 中厚度影响少子寿命的机理是 硅片越薄，在硅片 体内产生的少数载流子通过扩散、漂移运动达到硅 片表面的几率就越高。而当少数载流子的扩散长度 大于硅片厚度时，电池片背表面复合速率对效率的 影响就显得尤为重要。改善钝化的质量、降低表面 复合率已经成为提高电池效率的主要手段之一【3J。 铝背场能够有效降低电池背表面的复合速率，提高 转换效率，是商业化晶体硅太阳电池普遍采用的主 要背表面钝化技术l4J。 1 铝背场的形成机理 铝背场可以通过表面蒸镀、溅射和丝网印刷等 工艺实现。而丝网印刷技术凭借操作简便、成本低 廉的特点而被广泛应用于晶体硅太阳能电池行 业。其制备过程一般分为以下4个步骤[5J 1在硅片的背表面丝网印刷铝浆并烘干； 2在共晶温度577 oC以上烧结； 3冷却并生长出一层富含铝的硅层，即P 层，通常称其为铝背场； 4最后在共晶温度577℃下凝固。 太阳电池用铝浆料的成分主要包含铝粉粒径 通常为1～10 gm、玻璃粉、有机粘结剂和有机溶 剂。电池片烧结时，红外烧结炉能够迅速加热至共 晶温度，铝开始逐渐融化，随着链式烧结炉中温度 继续上升，硅在熔融铝中的溶解度不断加大，越来 越多的硅溶解在液态的铝中；冷却时，硅在熔融铝 中的溶解度降低，逐渐析出再结晶，在硅片表面形 成一层富含铝的硅，该层结构即为铝背场。铝背场 中铝的浓度较高，通常为1 018 cm 数量级，相对于 B掺杂浓度小于210 cm。的P型硅衬底来说为重 掺杂，因此，铝背场与P型硅之间形成高低结PP， 该高低结将阻止少数载流子向背表面运动，降低其 在背表面的复合，进而提高电池片的开路电压及填 充因子，同时，铝背场还能作为背反射器，将穿过电 池片入射到背表面的光再次反射回电池内部，提高 电池片长波段光谱响应，进而增加电池片的光电转 换效率。所以铝背场是利用场钝化原理来完成背 表面钝化【 ， 。 根据铝一硅二元相图可知，铝背场的结深主要 取决于铝层的厚度以及烧结温度，铝层厚度越大， 烧结温度越高，最后得到的铝背场的结深也越深， 具体结深关系式为[7] { 一 } ㈩ 其中，t为沉积在硅片上铝浆的厚度9P 』、P 分别 是铝和硅的密度；F 为峰值温度时，铝硅熔融态 中硅原子的质量百分比；FTo为共晶温度577 时，硅原子的质量百分比约为12．2％． 2 PCID模拟及结果分析 PC1D利用完全耦合的非线性方程模拟半导体 器件中电子和空穴的准一维输运过程，并着重于光 伏器件的模拟[8J。文中采用太阳人射光谱为AM1．5 100 mW／cm ，电池正面表面反射系数固定为 4．5％，PN结结深为0．5 gm，表面方块电阻为55 Q／ 口，基区掺杂浓度M1．510 cm～，整个电池片面积 为154．8 cm 。在此前提下，文中讨论了以下3种情 况1模拟了铝背场不同结深1～10 p,m对电池片 光电换效率 r7的影响；2固定背场结深为10 pm，模 拟了不同少子寿命对对电池片光电换效率叼的影 响；3优化背场结深、背表面复合速率及少子寿 命，给出了电池转换效率为18．2％的电性能曲线及 其内量子效率IQE曲线。 2．1 铝背场结深对转换效率的影响 铝背场的结深对转换效的关系如图1所示。由 图1可知，随着铝背场结深的增加，无论是低背表面 复合速率1．010。cm／s或是高背表面复合速率1．0 10 cm／s，转换效率均单调递增。尤其是当背表面复 合速率为1．010 cm／s，表面质量很差时，销背场的 万方数据 第4期 闫丽等PC1D方法对铝背场钝化技术的分析 51 结深对转换效率的影响尤为明显。转换效率随着 铝背场结深的增加而增加主要原因有以下几点 1铝掺杂浓度较高，通常为10 数量级，与B掺杂 的P型硅衬底形成高低结PP结构，铝背场结深越 大，则在该区产生的光生载流子的积累越多，在P 端和P端产生光电压越大，进而增加电池的开路电 压；2随着铝背场结深增大，PP结构更有利于P 区多子空穴向电极方向运动，降低了该区多子空穴 与少子电子的复合几率，从而增加了填充因子；3 加大的铝背场结深可以加强进一步铝背场的背反 射器作用，进而增加电池的短路电流。 甜 较 铝背场结深／gm 图1铝背场的结深与转换效率的关系 2．2少子寿命对转换效率的影响 文中还模拟了不同少子寿命对电池转换效率 的影响。由图2可以看出，当少子寿命从1 gs增加 到20 s时，电池片的转换效率将单调递增。尤其是 当背复合速率为最低1．0x 10 cm／s时，其转换效率 随着少子寿命的增加而增加的现象最为明显，从少 子寿命1 gs时14．45％的转换效率增加到20 us时 18．44％。由此得知，电池的少子寿命对其转换效率 起着至关重要的作用。背表面复合速率达到1．0 10 cm／s以下时，其表面缺陷态较少，在相同少子寿 命的情况下，背表面复合速率越趋近1．0x 10 cm／s， 则它与背复合速率1．0x 1 0 cm／s的电池效率越相近。 少子寿命／ s 图2少子寿命与转换效率的关系 2．3 18．2％的电池l_V及IQE曲线 目前，商业化单晶硅电池的平均转换效率为 17．5％，国际单晶硅电池常规工艺最高平均做到 18．2％非常规工艺如SE、赛秀、冥王星技术等除 外。优化铝背场结深为10 gm，背表面复合速率为 200 cm／s，少子寿命为16 us，模拟得出电池片的开路 电压为625 mV，短路电流为5．8A，填充因子77．7％， 电池片的转换效率为18．2％，具体，_ 曲线由图3所 示，其内量子效率由图4所示。由图4可知，该电池 片在波长为1 000 nm时仍具有较高的光谱响应，此 时内量子效率为78％左右。由此可见，性能优异的 铝背场对电池片的长波响应的提高起着举足轻重 的作用。 芒 蛰 开路电压Uoc／V 图3转换效率为18．2％的电池，_ 曲线 波长／nm 图4转换效率为18．2％时电池的IQE曲线 3结论 通过PC1D模拟的方法，分别计算了铝背场结 深、少子寿命对电池转换效率的影响。从模拟结果 得出，随着铝背场结深加大、背表面复合速率降低 及少子寿命的提高，电池效率将随之提高。最后， 固定了优化后的各项参数，模拟给出商业化单晶电 池效率为18．2％时的各项电性能参数、卜 曲线及 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 0 ““ 一 一＼斟狡 毒毒 万方数据 52 光电技术应用 IQE曲线，对实际电池生产或研发具有一定指导意 义。 参考文献 [2] [3] [4] Jianhua Z．Aihua W．Green M A．24．5％efficiency sili con PERT cells on MCZ substrates and 24．7％efficiency PERL cells on FZ substrates[J]．Progress in Photov．Re search andApp1．，1999，7471474． 阙端麟．硅材料科学与技术[M]．杭州浙江大学 版 社，1998． 管绍茂，土迅．半导体表面钝化技术及应用[M]．北京 同防 I业 版社，1981． Licht S，Maschhitz V，Lin B，et a1．Chemical synthesis of battery grade superiron barium and potassium Fe [5】 [6] [7] [8] 26替 VIferrate compounds[J]．Power．Source，200l，997～l4， Vichai Meemongkolkiat，Kenta Nakayashiki，Dong Seop Kim．Factors limiting the formation of uniform and thick aluminumbacksurface field and its potentia1． 】． Journal of the Electrochemica1 Society，2006，l 531 G53一H58． J L Murray．A J McAlister．Bulletin of Alloy Phase Dia grams，5．741984． J 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对精确的估算模型，以上分析只提供了一种建立估 算模型的新思路。 参考文献 [1]刘昌蓉，何政伟，黄爽兵．多元回归分析在地质灾害危 险性评价中的应J1J【J]．环保科技．2008，14131-33． [2] [3] [4】 [5] [6] [7] [8] 张小蒂．膻川同归分析[M]．杭州浙fI 人 ’ 版}I ， 199l16l一209． 陈永胜．多元线性【口1归建模以及MATLAB和SPSS求州 Ⅲ．绥化学院学报，2007，276}66168． 上振友，陈莉娥．多元线性【l『l 统汁预测帙J㈨ 川I． 统计 决策，200854647． 曾建军，李世航， f永 ，锋．MATLAB i J教 、 帧 『M]．合肥安徽大学；版十{，2005 曹义，才鸿年， 海峰，等．林地J 伪 热红外发 卒 取值分析『J]．激光 红外．2008767l一675 王友 ，胡江华，吕绪良，等．林地}llJ J sj．,热 Ii外伪 的 温差阈值试验研究l J1．红外技术，20086361364 盛骤，谢式1I，藩承毅．概率沦 数 统 卜l lf_ 等教育 版社，2001． 万方数据 PC1D方法对铝背场钝化技术的分析 作者 闫丽， 高华 作者单位 上海超日太阳能科技股份有限公司,上海,201406 刊名 光电技术应用 英文刊名 Electro-Optic Technology Application 年，卷期 2011,264 本文链接http//d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdjsyy201104013.aspx