“高效”硅片以及电池的研究

第 34 卷 第 12 期2013 年 12 月太 阳 能 学 报ACTA ENEＲ GIAE SOLAＲ IS SINICAVol. 34， No． 12Dec． ， 2013收稿日期 2013-09-01通讯作者 张 东 （ 1980 ） ， 男 ， 大专 、 助理工程师 ， 主要从事晶体硅太阳电池工艺方面的研究 。 jllsjsb 163． com文章编号 0254-0096（ 2013） 12-2159-05张 东 ， 卢 川 ， 张大雨 ， 杨艳景 ， 刘玉海 ，田 娜 ， 王春燕 ， 许 颖 ， 杜学国（ 巨力新能源股份有限公司 ， 保定 072550 ）摘 要 报道了实现可控晶粒大小的 “ 高效 ” 多晶硅片技术 ， 并将 3 种平均晶粒尺寸分别为 1 ～ 2cm， 2 ～ 3cm 和大于3cm 的高效多晶硅片命名为 “ 小花 ” 、 “ 中花 ” 和 “ 大花 ” 硅片 。 研究表明 ， 晶粒越大硅片的绕曲度越小 ， 应力越小 ；“ 中花 ” 硅片的的位错密度最小 ； 数值模拟研究了硅片少子寿命与效率的关系 ； 采用 3 种 “ 高效 ” 硅片制备的太阳电池平均效率可达 17． 3 ～ 17． 6 ， 其中 “ 中花 ” 制备的电池最高比其他两种平均高出 0． 2 。关键词 “ 高效 ” 硅片 ； 晶粒大小 ； 位错密度 ； 少子寿命 ； 效率中图分类号 TP394． 1 文献标识码 A0 引 言晶硅太阳电池是目前技术最成熟 、 应用最广泛的太阳能光伏产品 ， 由于技术的进步 （ 包括多晶硅原材料质量提高 、 铸锭工艺和切片工艺的改进 、 电池工艺和电极浆料的改进以及新型电池结构 ［ 1 ～ 4］ 等 ）转换效率逐年提高 。 然而 ， 采用常规工艺条件下多晶硅电池的转换效率普遍比单晶硅电池低 1 。同单晶硅材料相比 ， 多晶硅内部存在更多的缺陷和杂质 ， 从太阳电池纵向结构上可看成是无数个微小二极管的并联 ， 在缺陷态处会造成并联电阻的降低 ， Sopori B 等 ［ 5］ 通过计算得出不同缺陷密度会降低太阳电池的转换效率 。 因此 ， 对于如何改善硅片质量一直是人们关注的课题 。近年来 ， 中 国 厂 家 对 铸 锭 技 术 进 行 了 创 新 。2009 ～ 2011 年 ， 大晶粒准单晶铸锭技术得到长足发展 ［ 6］ ， 其目的在于提高硅片的质量技术参数 ， 从而得到比常规铸锭硅片更高的电池效率 ， 准单晶硅太阳电池平均光电转换效率可达到 17． 3 ， 比相同工艺生产的多晶硅太阳电池光电转换效率绝对值高0． 3 ～ 0． 5 。 但事实证明准单晶电池某些部位易形成位错聚集体导致可利用率较低从而在成本上无优势 。自 2012 年开始 ， 我国关于高效硅片的研发方面的报道有 宜昌南玻公司成功制成具有粒径均匀 、少子寿命高等优点的高效多晶硅片 ， 由该硅片制成的太阳电池的平均转换效率在 17． 1 ～ 17． 5之间 ； 台湾旭晶生产的多晶硅片可使电池效率达到17． 5 。 本文对一种制备高效硅片的技术进行性能表征 。1 实 验铸锭采用 GT DSS450多晶硅铸锭炉 ， 在铸锭坩埚底部铺一层 2 ～ 4cm 碎硅片 、 控制铸锭炉加热方式 ， 使底层碎料部分融化后开始长晶并控制长晶速度 ， 最终使得硅锭由尽量均匀的晶粒形成 。 根据平均晶粒尺寸分别定义 1 ～ 2cm， 2 ～ 3cm 和大于 3cm的硅片为 “ 小花 ” 、 “ 中花 ” 和 “ 大花 ” 。 在同一条生产线 ， 采用高方块电阻工艺制备了 3 种硅片的太阳电池 。位 错 密 度 的 分 析 方 法 参 考 国 家 标 准 GB/T1554 2009 中硅晶体完整性化学择优腐蚀检验方法 。 需要说明的是 ， 硅片表面不平 ， 故制作时需化学抛光 ， 位错腐蚀液腐蚀时间为 30s。采用北京光电技术研究所的 BGS6341 型电子薄膜应力分布仪测试硅片应力 ， 采用 WT-2000 少子寿命 仪 测 量 比 较 3 种 硅 片 原 始 寿 命 和 扩 散 后寿命 。太 阳 能 学 报 34 卷2 结果与分析图 1 为常规硅片和 “ 高效 ” 硅片的照片 ， 从图中可看到 “ 高效 ” 硅片晶粒均匀 。图 1 不同类型硅片外观照片Fig ． 1 Surface topographyof multi- cyrstalline silicon wafers图 2 为 3 种 “ 高效 ” 硅片的位错显微图 。“ 小花 ” 、 “ 中花 ” 和 “ 大花 ” 3 种硅片位错 密 度 分 别 为3 104 、 5 103 和 6 103 个 /cm2 ， 其中 “ 中花 ” 硅片位错密度最低 ； 从图 2c 可看到 “ 小花 ” 硅片晶界多 。常规铸锭制备硅片的位错密度一般在 1 104 个 /cm2以上 ， “ 高效 ” 硅片位错密度均低于常规技术制备硅片的位错密度 。 缺陷 （ 位错 ） 的形成与多晶硅原材料中的杂质有关 ， 杂质在电池中对载流子的散射导致迁移率下降 ， 从而缩短少子寿命 ； 也会使 pn 结耗尽区的复合电流增加 、 易造成器件短路等 ， 耗尽层中的杂质还可能成为击穿点 ［ 5］ 。图 3 给出 3 种 “ 高效 ” 硅片的应力测试图 。 表 1为应力变化量的数值 ， 可看到 ， “ 小花 ” 硅片的变形量最大 ， 晶粒越大硅片的绕曲度越小 ， 应力越小 。在实际电池制备过程中 ， 发现 “ 高效 ” 硅片制备的电池比常规铸锭方法硅片电池的开路电压和短路电流数值都高 。 本文试图通过一些理论模拟来说明图 2 高效硅片位错的金相显微镜图Fig ． 2 Microscope imagesof high quality wafers表 1 “ 高效 ” 硅片的变形量数值Table 1 The shift of three kinds of high quality wafers大花 中花 小花应力 /MPa－ 5 ～ 5 － 9． 8 ～ 10 － 11 ～ 20小 中 大其中的原因 。 采用 PC1D 模拟本文硅片 （ 电池片 ） 少子寿命与开路电压和效率的关系 。 模拟参数为 P型硅片 ， 电阻率分别为 1． 5 和 3． 0Ω cm， 面积为15. 6cm 15. 6cm， 厚度为 180μ m； 结深 0． 3μ m， 呈高斯分布 ； 电池的少子寿命为 23μ s； 表面反射用 PE 后测量值平均为 6． 7 ； 背表面铝形成高掺杂的 p 区掺杂浓度 1 1019 cm － 3， 结深 5μ m； 正 、 背表面复合速度为 1000cm /s。061212 期 张 东等 “ 高效 ” 硅片以及电池的研究图 3 高效硅片应力测试图Fig ．3 Stressdistribution of high quality wafers模拟结果如图 4， 其中有连线的曲线表示效率 。随着硅片 （ 电池 ） 少子寿命的提高 ， 开路电压和电池效率均增大 ， 电阻率为 3． 0Ω cm 的硅片比电阻率为1． 5Ω cm 的硅片效率低 。 从模拟结果看 ， 只有少子寿命达到 23μ s 以上的电阻率为 1． 5Ω cm 的硅片或少子寿命达到 45μ s 以上的电阻率为 3． 0Ω cm 的硅片开路电压才能达到 630mV 以上 。 假设硅片的少子寿命在电池制备过程中无变化 （ 即不考虑磷吸杂和铝吸杂 、 外来污染 、 高温下体内杂质 （ 如氧 ） 或缺陷的变化 、 杂质钝化等因素 ） ， 那么提高硅片本身的少子寿命很有必要 ， 制备 “ 高效 ” 硅片无疑是硅片的发展趋势 。图 5 为假定电池的少子寿命固定为 23μ s 时模拟不同方块电阻对电池效率的影响 ， 发射区方阻分别设定为 60、 70、 80、 90、 100、 110、 120Ω /□ 。 从图 5中可看到随着方块电阻的上升 ， 电池的开路电压和效率增大 ； 与图 3 对应的只有满足电池少子寿命达到 23μ s、 方块电阻在 90Ω /□ 以上电池的开路电压才会达到 630mV 以上 ， 表 2 给出的实验数据也证明了这一点 。图 4 少子寿命与电池开压和效率的关系Fig ． 4 Voc ＆ Eff vs lifetime图 5 不同方块电阻对应的电池开路电压和效率Fig ． 5 Voc and Eff of solar cells under differentdiffusion square resistances采用常规硅片和 3 种 “ 高效 ” 硅片各 500 片 ， 在同一条生产线上采用相同工艺制备电池 ， 其中硅片的电阻率均为 1． 5Ω cm。 实际测得的常规硅片和 3种 “ 高效 ” 硅片的少子寿命如表 2。表 2 “ 高效 ” 硅片的少子寿命Table 2 Lifetime of high quality wafers少子寿命 / μ s 常规 大花 中花 小花原始 1 ～ 2 1 ～ 4 2 ～ 4 1． 2 ～ 3扩散后 18 17 28 26PE 后 3． 5 4． 7 6． 8 6． 4高方块电阻工艺由于较低的表面杂质浓度可有效降低表面的杂质复合中心 、 增加短波的响应 ， 从而增加短路电流和开路电压达到提高效率的目的 ， 但也增加了发射区的电阻 ， 不仅对正面银浆要求更高 ，也涉及正面电极图形的优化设计 ， 使光电流到达电1612太 阳 能 学 报 34 卷极前和在电极上的损耗尽量小 。 根据短路电流密度为 Jsc 及 表 面 扩 散 层 薄 层 电 阻 Ｒ □ ， 求 出 电 极 栅间距 ［ 7］ 。d ＜ 12KT/ （ qJscＲ □槡 ） （ 1）假定 Jsc 最 大 为 36mA， Ｒ □ 为 90Ω /□ ， 则 d ＜2. 9mm。 本文 采 用 Ｒ □ 为 90Ω /□ ， 细 栅 线 间 距 为1. 76mm， 细栅 88 线的的工艺得到 3 种电池平均转换效率 ， 如表 3 所示 。 实际测量值开路电压和与图 4 和图 5 理论模拟非常符合 ， 但转换效率相差甚远 ， 主要原因是影响电池电流的因素太多 ， 如 pn 结区的杂质散射 、 表面复合以及电池工艺等 ， 而在模拟中取的相关参数都是理论值 。表 3 “ 高效 ” 电池的电性能参数Table 3 Parametersof solar cells with high quality wafersVoc /mV Isc /A FF Eff /常规 627 8． 45 78． 5 17． 09大花 631 8． 52 78． 8 17． 41中花 632 8． 61 78． 8 17． 62小花 630 8． 49 78． 8 17． 323 结 论实现了一种 “ 高效 ” 硅片技术 ， 比较不同晶粒尺寸硅片的位错密度 、 应力 。 结果表明 晶粒在尺寸在1 ～ 2cm 的 “ 中花 ” 硅片线位错密度最低 ； 晶粒越大硅片的绕曲度越小 ， 应力越小 ； “ 高效 ” 硅片制备的电池效率均在 17． 3 ～ 17． 6； “ 中花 ” 的原始硅片和扩散后硅片少子寿命均高于其他两种硅片且制备的电池平均转换最高比其他两种平均高出 0． 2 。模拟结果表明 ， 提高硅片质量 ， 增加硅片的少子寿命可提高电池的转换效率 。［ 参考文献 ］［ 1］ Chen Xudong， Kenneth Church， Yang Haixin， et al ．High aspectratiofine gridline for front side metalizing ofindustial silicon solar cell by direct printing［ A］ ． 26thEuropean Photovoltaic Solar Energy Conference andExhibition［ C］ ， Hamburg， Germany， 2011．［ 2］ 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