一种低成本高开压SE电池的优化工艺-戴晓伟-中利腾晖.pdf

第14届中国光伏大会（CPVC14）论文集 131 一种低成本高开压SE电池的优化工艺 戴晓伟1，陈宇晖2，连维飞1，倪志春1 （1. 中利腾晖光伏科技有限公司，江苏常熟 215500； 2. 阿特斯阳光电力科技有限公司，江苏苏州 215000） 摘 要当前选择性发射（SE）电池已经在许多公司大规模量产，形成SE结构的技术方案有 很多，但大多数都要求配套相关的新设备与辅材。投资成本巨大，高能耗，工艺整体耗时长已 经成为制约SE电池大规模推广的主要因素。本文着重阐述利用正常生产线的普通机台，无需 额外增加机台，同时通过在扩散设备引入大量程氧气流量计，可以在较低的温度以及较短的时 间内获得比较理想的SE结构，具体流程为制绒→富氧扩散→丝网印刷腐蚀浆料→重磷扩散形 成SE结构。利用该方法制备的SE结构在非栅线区具有极低的表面浓度，可以大幅度提升电池 片的开路电压，使得同档位的电池片在组件端获得更高的CTM。 关键词选择性发射；富氧扩散；低表面浓度；高开路电压；高CTM 1 引言 随着光伏产业的不断发展，组件对于 高效电池的需求量越来越大，尤其是对高 开压电池片的需求。在高效电池的工业化 生产中，选择性发射极（selective emitter， SE）技术被广泛的应用。 SE电池的结构特征为在丝网金属栅 线接触区域形成高掺杂深扩区，在非接触 区域形成低掺杂浅扩区，通过对发射区选 择性掺杂，在栅线接触区域和非接触区域 实现不同的扩散效果，从而实现降低串联 电阻，提升电池效率。 实现SE的方法有很多种，现列举其 中一种成本较低的制作工艺（本文简称为 ESE工艺），首先对硅片进行去损伤制绒， 然后用高温氧化的方法在硅表面形成掩 膜，将带有掩膜的硅片按照发射极区域图 形以及丝网对位所需特征点图形进行腐蚀 印刷，接着将带有选择性掩膜层的硅片进 行重扩，重扩完成后对硅片进行清洗，去 除掩膜，然后再次进入扩散炉进行轻扩。 通常由于氧化形成特定膜厚的掩膜需要较 长时间的高温，为了避免高温对设备、石 英工装以及硅片的损害，工业化生产常常 采用湿法氧化或者参氯氧化，但是这样形 成的氧化膜致密性没有纯干氧形成的好， 在后面的腐蚀印刷工序常常会造成腐蚀浆 料的横向拓宽，变相增加了重掺杂区域的 面积，同时用该方法形成的浅掺区域实际 上依然有较高的表面浓度，这些都将增加 电池表面的复合，不利于电池开压和电流 的提升。 本文论述了利用N型硅表面在富氧的 环境下，可以在相对较低的温度下实现快 第14届中国光伏大会（CPVC14）论文集 132 速氧化的技术原理，并配合改造的国产扩 散炉，实现工业化量产低成本高开压的SE 结构电池（本文简称为SSE工艺）。 2 实验过程 实验采用P型CZ单晶硅片，电阻率 为1-3 Ω㎝，大小为156㎜156㎜，对 径为200㎜。现场将制绒后的单晶硅片精 细混合后等分成三组实验片，分别用常规 单晶工艺以及ESE工艺，SSE工艺进行电 池片工艺加工，扩散管采用国产捷佳伟创 扩散炉，扩散后方阻测试采用4D测试仪， 扩散后P浓度分布采用SIMS进行分析， 电池效率在Berger测试仪上测试，其他电 性能参数均由Berger测试仪自动计算得 出。测试分选后，从三组实验片中选取出 18.8档位的电池片各60片做成组件，并 由沛德spire测试仪测试组件CTM。三种 不同工艺的流程简单示意如下 1）常规工艺制绒→扩散（1.5h）→ 后续工序； 2）ESE工艺制绒→高温氧化3h →腐蚀印刷开电极图形（0.5h）→栅线区 重扩（1.5h）→清洗（0.5h）→非栅区轻扩 （1.5h）→后续工序； 3）SSE工艺制绒→富氧扩散（2小 时）→腐蚀印刷开电极图形（0.5h）→栅 线区重扩（1.5h）→后续工序。 现对SSE工艺单独进行说明，在进行 富氧扩散的时候要求进行少量恒定源磷扩 散，使得硅表面成为N型半导体，之后关 闭磷源并通入大量氧气（本实验将捷佳伟 创扩散炉的氧气流量计最大量程改造为 30000SCCM，常规扩散管的氧气流量计最 大量程为3000SCCM），并保持扩散步的 温度进行硅表面氧化。 3 实验结果和分析 采用4D测试仪测试不同工艺扩散后 的方阻值，每片测试五个点，选取典型的 测试结果如表1所示 表1 不同工艺扩散后方阻测试结果 实验组别 中心 角1 角2 角3 角4 常规工艺 68 61 60 62 63 ESE栅线区 40 36 37 35 38 ESE非栅区 92 86 84 87 83 SSE栅线区 31 24 25 25 26 SSE非栅区 135 118 115 119 116 采用Berger测试仪测试电性能参数， 结果如表2所示 表2 不同工艺电性能测试对比 实验组别 Voc（V） Isc（A） FF（） Eff（） 常规工艺 0.6316 8.864 79.6 18.65 ESE工艺 0.6366 8.916 79.7 18.93 SSE工艺 0.6389 8.912 79.8 19.02 采用沛德spire测试仪测试组件CTM， 结果如表3所示 表3 不同工艺组件端CTM测试对比 实验组别 60片理论功 率 实际测试 功率 CTM 常规工艺 269.5W 260.2W 96.5 ESE工艺 269.5W 263.0W 97.6 SSE工艺 269.5W 264.6W 98.2 由于是在N型硅表面进行加压富氧氧 化，所以氧化速率能够得到大幅提升[1]， 只需一小时左右即可得到厚度大约为 第14届中国光伏大会（CPVC14）论文集 133 50nm的二氧化硅阻挡层，同时由于长时 间保持炉温在扩散步设定的温度，相当于 起到了重推进的作用，此时P原子将不断 的由硅表面向硅片基体内扩散，从而使得 硅片表面的P原子浓度能够大幅度的降 低，而基体内的P原子浓度得到有效的提 升。硅片表面P浓度的降低能够降低表面 复合速率，大大提升少子寿命，而基体内 的P浓度的提升能够增强内建电势差[2]， 这些都将提升电池片的开路电压。 为了确切定量ESE与SSE工艺在栅 线区和非栅区域的P浓度分布，实验中将 ESE与SSE工艺扩散后的半成品进行 SIMS分析，如图1所示。 从实验结果来看，SSE的非栅线区表 面浓度极低，仅为31019/cm3,而ESE的 非栅线区表面浓度为31020/cm3，比SSE 高出10倍左右，所以SSE工艺相对来说 具有更低的表面复合速率，P型硅掺杂浓 度由1020/cm3降低至1019/cm3时，硅中 少子寿命可以提升10倍以上[3],而在 0.2um至0.6um的基体内部，SSE工艺的 P浓度要高于ESE工艺，这将利于电池片 内电势差的增强；SSE的栅线区域有更高 的表面浓度，这决定了在丝网烧结端可以 获得更好的欧姆接触从而提升FF。 从工业化生产的角度出发，推行SSE 工艺无需额外购入设备，只需将扩散炉的 氧气流量计增大量程即可实现，SSE相比 ESE工艺节省时间3小时，比常规工艺仅 延长工艺时间2.5小时，同时能避免ESE 工艺在高温氧化步带来的高能耗和对硅片 本身的伤害，符合工业化大规模量产要求。 1.00E16 1.00E17 1.00E18 1.00E19 1.00E20 1.00E21 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 SSE-非栅区 SSE-栅线区 ESE-栅线区 ESE-非栅区 L o g N / c m - 3 x/um 图1 不同工艺扩散后的P浓度分布 4 结论 1）采用本实验方法生产的SE电池， 可以实现选择性发射极，平均效率比产线 正常工艺提高0.4左右，尤其是开路电压 第14届中国光伏大会（CPVC14）论文集 134 提升了7mV以上，同档位电池片生产的 组件CTM提升1.7。 2）采用本实验方法生产的SE电池， 无需额外购入设备，只需将扩散炉的氧气 流量计增大量程即可实现，比常规工艺仅 延长工艺时间2.5小时，无需经过长时间 高温处理，可以进行工业化大规模量产。 参考文献 [1]张爱珍，王阳元.1986.多晶硅膜的高压 氧化.半导体学报.第7卷，第4期.NO.1 [2]Martin A. Green 太阳能电池工作原理、 技术和系统应用.上海交通大学出版社 2010（1） 41. [3]Martin A. Green编著，狄大卫等译.硅太 阳能电池高级原理和实践.上海交通大学 出版社2011（1） 38 .