掺镓硅片电阻率对太阳电池性能的研究-宋志成 吴翔 陈璐 魏凯峰-国家电投集团西安太阳能电力有限公司 .pdf

SOLAR ENERGY 11/2017 0 引言 实现 “ 平价上网 null是光伏产业可持续发展的 关键，降低光伏成本既需要规模效应，也需要技 术创新及应用。随着钝化发射极和背面 PERC 技术的应用， P 型单晶硅太阳电池转换效率有了 1 的提升，达到了 21 以上。效率的巨大提升 凸显了掺硼硅片由于光致衰减所引起的效率损失 问题。 掺硼单晶硅片的光致衰减问题由来已久，硼 氧复合体的形成是造成该现象的根本原因，目前 行业内主要解决光致衰减的方式有 1 降低掺硼 硅片中的氧含量； 2 采用氢注入钝化工艺，电注 入或光注入法； 3 使用掺镓硅片。其中，使用掺 镓硅片的方式能彻底避免硼氧复合体的形成，是 一种解决 P 型单晶硅太阳电池光致衰减问题的有 效方式。但镓的分凝系数 0.008 远小于硼的 0.8， 因此，镓在晶体硅中掺杂浓度变化较大，导致硅 片纵向电阻率变化会很大，某些电阻率的硅片并 不适合制成太阳电池。 本文选取了不同电阻率的掺镓硅片，分别制 成常规铝背场电池和 PERC 电池，并针对其性能 进行了研究，最终提出了适合常规铝背场电池和 PERC 电池的掺镓硅片的电阻率范围。 1 实验 实验中使用的 P 型单晶硅片尺寸为 156.75 mm156.75 mm，面积为 244.32 cm 2 ，厚度为 19010 m。实验方案如表 1 所示，常规铝背 场电池基准组 1 和 PERC 电池基准组 2 都选用目 前工业化生产使用的掺硼硅片，电阻率为 1～ 3 Ωcm；常规铝背场电池实验组 1～ 4，选用电 阻率依次为 0.2～ 1 Ωcm、 1～ 2 Ωcm、 2～ 3 Ωcm、 3～ 4 Ωcm 的掺镓硅片； PERC 电池实验 组 5～ 8，同样选用电阻率依次为 0.2～ 1 Ωcm、 1～ 2 Ωcm、 2～ 3 Ωcm、 3～ 4 Ωcm 的掺镓硅片； 每组样品数量均为 400 片。 收稿日期 2017-06-22 通信作者 吴翔 1988，男，初级工程师，主要从事晶体硅太阳电池制造方面的研究。kkwuxiangqq.com 掺镓硅片电阻率对太阳电池性能的研究 国家电投集团西安太阳能电力有限公司 ■ 宋志成 吴翔 * 陈璐 魏凯峰 本文将电阻率为0.2～ 4 Ωcm的掺镓硅片分别制备成常规铝背场电池和PERC电池，并对电 池的少子寿命、电性能参数和光致衰减进行测量，研究了电池性能的差别，为掺镓硅片投入 工业化生产提供了参考。实验结果表明常规铝背场电池的转换效率随着电阻率的增加而增加， 电阻率为3～ 4 Ωcm的电池转换效率最高为20.30； PERC电池的转换效率随着电阻率的增 加而减小，电阻率为0.2～ 1 Ωcm的电池转换效率最高为21.38。 单晶硅片；掺镓硅片；电阻率；常规铝背场太阳电池； PERC太阳电池；电性能 摘 要 关键词 技术产品与工程 36 2017.11印刷.indd 36 2017-11-23 173007 SOLAR ENERGY 11/2017 所有的电池片生产工艺均在常规的单晶硅太 阳电池生产线上进行，主要工艺步骤 其中步骤 4 和 6 为 PERC 电池独有的工艺 如下 1 去损伤层、制绒制绒金字塔大小 1.5～ 2.5 μm； 2PCl 3 扩散高温扩散形成 n 发射极，方 块电阻为 90～ 98 Ω/ □ ； 3 刻蚀及去磷硅玻璃层 PSG； 4 硅片背面沉积 Al 2 O 3 和 SiN x 钝化膜 Al 2 O 3 薄膜厚度 20 nm， SiN x 薄膜厚度 130 nm； 5 硅片正面沉积 SiN x 减反射膜 SiN x 薄膜 厚度 78 nm，折射率 2.08； 6 硅片背面激光开窗 180 根线，线宽为 40 μm； 7 印刷电极； 8 高温烧结； 9 测试分选。 实验中采用 semilab RT-100 设备测量硅片 电阻率，四探针法测试扩散后硅片方块电阻， 使用 semilab WT-1200 设备测试少子寿命，选用 BERGER 在线 I-V 测试系统，在 25 ℃ 、 AM 1.5、 1个标准太阳的条件下测试太阳电池的开路电压、 短路电流、填充因子、转换效率等电性能参数。 2 结果与讨论 2.1 少子寿命 少子寿命是太阳电池设计和生产中的一个重 要参数。它反映了太阳电池基体和表面对光生载 流子的复合程度，表明了光生载流子的利用率。 少子寿命直接影响太阳电池的开路电压、短路电 流等电性能参数；若要提高太阳电池的转换效 率，必须尽可能提高少子寿命。测试不同电阻 率的掺镓硅片扩散后和镀完背面 Al 2 O 3 和正反面 SiN x 后的少子寿命，每种电阻率各随机抽取 5 片 测试，求出 5片的平均值。少子寿命对比如图 1所示。 表 1 实验电池分组 常规铝背场电池 硅片类型及电阻率 /Ωcm PERC 电池 硅片类型及电阻率 /Ωcm 基准组 1 掺硼硅片 1～ 3 基准组 2 掺硼硅片 1～ 3 实验组 1 掺镓硅片 0.2～ 1 实验组 5 掺镓硅片 0.2～ 1 实验组 2 掺镓硅片 1～ 2 实验组 6 掺镓硅片 1～ 2 实验组 3 掺镓硅片 2～ 3 实验组 7 掺镓硅片 2～ 3 实验组 4 掺镓硅片 3～ 4 实验组 8 掺镓硅片 3～ 4 由图 1 可知，在 0.2～ 4 Ωcm 的电阻率范围 内，不论是扩散后还是 PECVD 钝化后，硅片的 电阻率越高，其少子寿命也越高 [1] 。 在太阳电池中，少子寿命往往是由几种不同 能级状态的复合中心支配的，硅片的电阻率越低， 其基体掺杂浓度越高，硅片内部的杂质和晶格缺 陷就越多，相应的少子寿命就越短。值得一提的 是，相同的基体掺杂浓度，并不意味着有唯一的 少子寿命，硅基体的少子寿命还和晶体的生长方 式、退火时间和温度、晶体的冷却速度有关 [2] 。 2.2 电性能 每组实验电池均为 400 片，测试每片电池 的电性能，并计算各项参数的平均值。图 2a 为 不同电阻率的掺镓硅片制成常规铝背场电池的电 性能数据，图 2b 为不同电阻率的掺镓硅片制成 PERC 电池的电性能数据。 图 1 不同电阻率的掺镓硅片少子寿命对比 11 0.2～ 1 1～ 2 2～ 3 电阻率 /Ωcm 3～ 4 18 22 26 92 86 120 100 80 60 40 少子寿命 / s 20 0 56 112 扩散后 PECVD 钝化后 技术产品与工程 37 2017.11印刷.indd 37 2017-11-23 173007 SOLAR ENERGY 11/2017 2.2.1 开路电压 由图 2 可知，在 0.2～ 4 Ωcm 的电阻率范 a. 不同电阻率的掺镓硅片对常规铝背场电池电性能的影响 b. 不同电阻率的掺镓硅片对 PERC 电池电性能的影响 图 2 电性能数据 nkT q I L I 0 V m I m V oc I sc 0.2035 0.2145 0.2025 0.2028 0.2017 0.2027 0.2029 0.2030 0.2115 0.2126 0.2138 0.2122 0.2107 0.2094 0.2030 0.2130 0.2020 0.2100 0.2015 80.94 80.46 80.06 80.49 80.75 79.92 79.96 79.35 80.56 79.38 80.37 80.53 80.78 80.65 80.52 80.31 78.84 78.83 9.558 9.760 9.739 9.732 9.714 9.756 9.762 9.714 0.668 0.6660.666 0.665 0.665 9.504 9.446 0.651 0.651 0.651 0.650 0.649 9.371 9.430 9.473 9.518 9.450 9.744 9.396 9.728 9.712 0.653 0.668 0.651 0.667 0.650 0.666 0.649 0.665 2.00 3.24 3.2 2.9 2.4 2.1 2.1 1.80 2.88 1.40 2.16 1.60 1.5 1.3 1.5 1.6 1.8 2.52 1.20 N cell / N cell / FF / FF / R s /m Ω R s /m Ω I sc /A I sc /A V oc /V V oc /V 掺硼 1 ～ 3 掺硼 1 ～ 3 掺镓 1 ～ 2 掺镓 1 ～ 2 掺镓 2 ～ 3 掺镓 2 ～ 3 掺镓 3 ～ 4 掺镓 3 ～ 4 掺镓 0.2 ～ 1 掺镓 0.2 ～ 1 电阻率 /Ωcm 电阻率 /Ωcm 0 围内，随着硅片电阻率的增加，相应太阳电池 的开路电压会随之减少。太阳电池的开路电压 V oc 为 V oc ln 1 1 式中， I 0 为太阳电池反向饱和电流； I L 为太 阳电池光生电流； n 为理想因子； k 为玻尔兹曼 常数； T 为绝对温度； q 为电子电荷。 I 0 与基区 的掺杂浓度成反比 [2] ，即在一定电阻率范围内， 硅片的电阻率越大，基区掺杂浓度越低，反向饱 和电流越高，开路电压会减小。 2.2.2 短路电流 由图 2 可知，在 0.2～ 4 Ωcm 的电阻率范围 内，随着硅片电阻率的增加，相应太阳电池的短路 电流会随之增加，常规铝背场电池相比 PERC 电池， 增加趋势更大。这是因为太阳电池的光生电流密度 J ph 由光子流密度 Fλ 和光谱响应 SRλ 决定 [2] J ph q FλSRλdλ 2 通 过 Panek P [3] 的研究，测试并对比不同电 阻率电池的光谱响应发现，高电阻率硅片制备 的太阳电池在 600～ 1100 nm 的长波段光谱响 应更好，而在短波段的光谱响应无太大差异。 由此可知，高电阻率的硅片对于太阳电池短路 电流的贡献主要表现在长波段光谱响应上。 2.2.3 串联电阻和填充因子 由图 2 可知，在 0.2～ 4 Ωcm 的电阻率范围 内，随着硅片电阻率的增加，无论是常规铝背场 电池，还是 PERC 电池，串联电阻都逐渐增大， 填充因子都显著减小。 影响电池填充因子的因素有很多，串联电阻 对电池的填充因子有着 直接影响。填充因子 FF 表达式为 FF 3 式中， V m 为电池最大功率点的电压值； I m 为电池最大功率点的电流值。串联电阻对太阳 电池 I-V 特性的影响如图 3 [4] 所示，随着串联电 技术产品与工程 38 2017.11印刷.indd 38 2017-11-23 173009 SOLAR ENERGY 11/2017 阻的增大， V m 和 I m 逐渐减小， V oc 和 I sc 不发生 改变，因此 FF 随之减小。 2.2.4 转换效率 由图 2 可知，在 0.2～ 4 Ωcm 的电阻率范 围内，随着硅片电阻率的增加，相应常规铝背 场太阳电池的转换效率逐渐增大，实验组 4 电 阻率 3～ 4 Ωcm 的转换效率最高，为 20.30； PERC 电池的转换效率逐渐减小，实验组 5 电阻 率 0.2～ 1 Ωcm 的转换效率最高，为 21.38。 另一方面，与目前工业化生产使用的电阻 率 1～ 3 Ωcm 的掺硼硅片相比较，若使用掺 镓硅片生产，对于常规铝背场电池，其电阻率 选择范围应为 2～ 4 Ωcm；对于 PERC 电池， 其电阻率选择范围应为 0.2～ 2 Ωcm。 2.3 光致衰减 每组电池分别随机抽取 5 片，进行光致衰减 前电性能参数测量，然后开始初始光致衰减实验 光照强度 1000 W/m 2 ，时间 6 h；完成光致衰 减后，测试各片电性能参数，与光致衰减前进行 计算，得到初始光致衰减值 光衰前转换效率 – 光致衰减后转换效率 / 光致衰减前转换效率；求 出每组 5 片电池初始光致衰减值的平均值，初始 光致衰减值对比如图 4 所示。 由图 4 可知，由于硼氧复合体的存在， 掺硼 单晶硅片制备成的常规铝背场电池和 PERC 电池 的光致衰减值高达 2.21、 4.07；使用掺镓单 晶硅片制备成的太阳电池的光致衰减值远小于掺 硼单晶硅片。 3 结论 实验结果表明 1 电阻率为 0.2～ 4 Ωcm 时，扩散后、 PECVD 钝化后硅片少子寿命随电阻率的增加而 增加，这是由于硅片电阻率越高其体复合越小。 2 电阻率为 3～ 4 Ωcm 的掺镓硅片制备的 常规铝背场电池，其转换效率最高，为 20.30。 3 电阻率为 0.2～ 1 Ωcm 的掺镓硅片制备 的 PERC 电池，其转换效率最高，为 21.38。 4 与目前工业化生产使用的电阻率 1～ 3 Ωcm 的掺硼硅片相比，常规铝背场电池若使用掺镓硅 片生产，其电阻率应选择 2～ 4 Ωcm； PERC 电 池若使用掺镓硅片生产，其电阻率应选择 0.2～ 2 Ωcm。 5 电阻率为 0.2～ 4 Ωcm 的掺镓硅片无论 制备成常规铝背场电池还是 PERC 电池，其光致 衰减值随着电阻率的增加而降低，且都远小于掺 硼硅片制备成的太阳电池。 参考文献 [1] Hilali M, Ebong A, Rohatgi A, et al. Resistivity dependence of minority carrier lifetime and cell performance in p-type dendritic web silicon ribbon[J]. Solid-State Electronics, 2001, 4512 1973 － 1978. [2] 赵富鑫，魏彦章. 太阳电池及其应用[M]. 北京 国防工业出 版社, 1985 314 － 315. [3] Panek P. The Influence of the Base Material Parameters on Quantum and Photoconversion Efficiency of the Si Solar Cells[J]. Archives of Metallurgy and Materials, 2016, 614 1889 － 1894. [4] 马丁格林. 太阳电池工作原理、工艺和系统的应用[M]. 北 京 电子工业出版社, 1987 90 － 93. 图 3 串联电阻对太阳电池 I-V 特性的影响 图 4 不同电阻率的硅片制成常规铝背场电池和 PERC 电池的光致衰减对比 I sc R S 0 大 R S 中等 R S ΔVIR S ΔV V oc输出电压 输出电流 电阻率 /Ωcm 5.00 3.00 4.00 4.07 2.21 1.79 1.73 1.61 1.43 0.69 0.770.82 1.18 2.00 1.00 0.00 初始光致衰减 / 掺硼 1 ～ 3 掺镓 1 ～ 2 掺镓 2 ～ 3 掺镓 3 ～ 4 掺镓 0.2 ～ 1 常规铝背场电池 PERC 电池 技术产品与工程 39 2017.11印刷.indd 39 2017-11-23 173010 word版下载http//www.ixueshu.com 免费论文查重http//www.paperyy.com 3亿免费文献下载http//www.ixueshu.com 超值论文自动降重http//www.paperyy.com/reduce_repetition PPT免费模版下载http//ppt.ixueshu.com ------------------------------------------------------------------------------- 阅读此文的还阅读了 1. 烫金的硅片 2. 纳米技术可改善太阳电池性能 3. 工作电解液电阻率对电容器电性能的影响 4. 全球各大硅片公司积极投资300mm硅片 5. 多结GaAs太阳电池技术参数和性能指标简介 6. Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的研究和应用 7. 浅谈硅片缺陷的控制 8. 新型完美硅片 9. 加热低电阻率硅带和硅片用的行波谐振器 10. 太阳电池暗电流的研究 11. 硅片清洗技术进展 12. 提高硅片切割质量的研究 13. 硅片及其太阳电池的光衰规律研究 14. 背处理对背钝化晶体硅太阳电池性能的影响 15. 太阳电池用晶体硅片及其技术标准发展现状 16. 形形色色的太阳电池3多晶硅太阳电池 17. 玻璃粉的腐蚀性对太阳电池性能的影响 18. 硅片清洗技术的研究进展 19. In Silico硅片上的研究 20. 硅片倒角磨轮的研究 21. 不同折射率对N型单晶硅太阳电池电性能的影响 22. 石墨电极电阻率的检测方法的研究 23. Ⅱ类单晶硅片太阳电池扩散工艺的优化研究 24. 薄晶硅太阳电池的研究进展 25. 不同硅材料太阳电池性能的研究 26. 硅片清洗助手 27. 原始硅片电阻率的分档 28. 双位组合四探计法测量硅片电阻率 29. 全自动硅片显影设备的研究 30. 太阳电池积灰对其发电性能影响的研究 31. 锗片清洗工艺对太阳电池性能影响的研究 32. 太阳电池及其应用技术讲座二 太阳电池的原理和性能 33. 基于半残次硅片的太阳电池性能研究 34. 薄膜太阳电池的研究与发展 35. 核心硅片市场大者恒大 36. 染料敏化太阳电池的研究进展 37. 用SPV法对影响硅片少子寿命因素的研究 38. 太阳能硅片切割技术的研究、 39. 染料敏化太阳电池的结构及其性能研究 40. 铜铟硒薄膜太阳电池的研究进展 41. Mn2掺杂CdS量子点敏化太阳电池的性能 42. 原生硅片 在线电性能质量控制已成可能BT Imaging最新推出QSW1硅片分选机 43. 江西欲打造“硅片之都” 44. 晶硅掺镓抑制太阳电池光致衰减效应的研究 45. 外延晶体硅薄膜太阳电池的器件模拟及性能优化的研究 46. 不同硅材料太阳电池性能的研究 47. 太阳电池用硅片表面钝化研究 48. 功率器件生产过程中对硅片电阻率下滑的补偿 49. 硅基太阳电池表面织构的研究进展 50. 核心硅片的突破时机