32-晶硅太阳电池亚微米绒面技术研究与应用

1 / 5 第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（先进太阳电池；新概念、新材料和新结构）晶硅晶硅太阳 太阳太阳电池亚微米绒面技术研究与应用 电池亚微米绒面技术研究与应用沈军林沈军林 严婷婷严婷婷 艾凡凡艾凡凡 杨健杨健 陈如龙陈如龙 张光春（无锡尚德太阳能电力有限公司，江苏 无锡 214028）摘要摘要： ： 利用反应离子刻蚀（ RIE）技术，可实现晶体硅太阳能电池的亚微米绒面，本文介绍了在多晶硅预制绒基片上进行等离子强化制绒形成亚微米绒面，得到的硅片表面具有优良的陷光效果，硅片表面平均反射率在 9%左右，淀积 SiNx 减反射膜后，反射率能够降到 4%左右。但在等离子强化制绒过程中，由于等离子轰击所产生的表面损伤降低了电池短波段的内量子效率（ IQE），实验研究发现，通过加强淀积 SiNx 减反射膜过程中的氢钝化效果、高方阻工艺等措施，可修复电池的前表面损伤，得到较高的有效少子寿命。最终在表面减反射优势明显的情况下，电池的外量子效率（ EQE）大幅提升，电池转换效率较常规微米级绒面电池提升 0.5%以上。关键词关键词： ： 反应离子刻蚀 多晶硅太阳电池 绒面 表面损伤 I-V 特性Investigation and Application on the Sub-micron Grid Textured Crystalline Silicon Solar Cell SHEN Junlin 1 YAN Tingting 1 AI Fanfan 1 YANG Jian 1 CHEN Rulong 1 ZHANG Guangchun 1, 2(1. Wuxi Suntech-power Co., Ltd. Wuxi Jiangsu 214028; 2. Jiangsu (Suntech) Institute of Photovoltaic Technology, Wuxi, 214028) Abstract: With the application of Reaction Ion Etch (RIE) technology, the crystalline silicon solar cell can receive the sub-micron grid texture. In this investigation with the application of RIE after pre-texturing, we got a perfect light-trapping texture with the wafer surface reflectivity only around 9% and 4% with SiN xanti-reflectivity layer respectively based on multi-crystal Si wafer. The front surface damages involved in the bombardment of ions with the process of plasma etching texturing for multi-crystalline silicon solar cell affect the Internal Quantum Efficiency (IQE) between the RIE cell and conventional micron grid multi-crystal solar cell. Via the emphasis on hydrogen passivation in the SiN x anti-reflectivity layer ’ s deposition process and the high square sheet procedure, realize the recovery of the front surface damages; receive the higher lifetime of the valid minority carrier. In all, with the obvious surface anti-reflectivity degree, the RIE solar cell receives the advantage of External Quantum Efficiency (EQE) and at least 0.5% promotion onto transition efficiency summarily, relative to the conventional micron grid solar cell.Keywords: RIE; multi-crystalline silicon solar cell; surface texturing; surface damage, I-V 1、 引言一直以来，由于多晶硅的晶向各异，产业化当中常规的多晶硅太阳能电池的绒面采用 HF/HNO 3的混酸体系利用缺陷诱导腐蚀的方法腐蚀硅片的切割损伤层的方法制备 [1]，工艺简单易控，但过高的表面光反射损失成了限制多晶硅太阳能电池向高效电池的发展的瓶颈。相比单晶硅太阳能电池的表面结构的低光反射水平，越来越多的降低多晶硅太阳能电池表面光反射的新型表面织构化技术成为研究的重点 [2]。在此背景下，反应离子刻蚀 (RIE)技术被引入到多晶硅太阳能电池的制作工艺当中，制备出了晶体硅太阳能电池的亚微米数量级的表面绒面结构，实现了多晶电池的表面反射率低于单晶硅电池表面的 “ 金字塔 ” 结构的反射水平，大幅提升了多晶电池的光电转换效率。2、 实验2 / 5 2.1 实验样品及表征设备实验采用 P 型太阳能级多晶硅片，电阻率2.0? · cm， 尺寸为 156mm× 156mm， 厚度为 200± 20um。RIE 绒面的制备采用化学反应与物理反应相结合的路线工艺。利用 D8 反射仪测试样片表面的平均反射率， 光谱响应测试仪对其进行量子效率 （ QE） 测试， 利用 Semi lab 公司的 WT2000 型微波光电导衰退测试仪（ μ -PCD ）测量硅片的有效少子寿命，广半公司四探针测试仪测试扩散薄层方块电阻。2.2 亚微米绒面亚微米绒面电池的制备 电池的制备反应离子刻蚀技术通过在等离子场过程中利用腐蚀气体的解离形成活性带电基团、电粒子等与硅本体表面的化学腐蚀反应，以及等离子射频源对大粒径原子的定向加速产生对硅片表面的物理轰击作用，加速了辉光放电过程中形成的氟基活性基团与氯基活性基团与硅体表面的腐蚀速率，实现亚微米数量级的晶硅电池的表面绒面。但在等离子轰击形成的电池表面织构化的过程中，由于高速粒子产生的巨大能量形成了晶硅电池表面的轰击损伤，提高了光生载流子的表面复合速率，降低了 p-n 结对光生载流子的收集性能，需要通过后续的匹配性工艺进行损伤的修复及加强电池表面的钝化等 [3]。来降低因轰击损伤造成的电池性能损失。原始硅片需进行去除硅片切割过程中的表面损伤层的预处理形成 RIE 基片， 为了进一步体现亚微米绒面电池表面低光反射的优势，本文采用的基片为混酸体系化学腐蚀的预制绒硅片，并利用匹配性工艺来改善表面损伤，加强电池表面钝化等。具体的 RIE 电池的工艺流程如下：图 1 实验工艺流程图Fig.1 Applied processing sequence 3、 结果与讨论3.1 表面表面光 光 反射的测试及分析产业化当中采用混酸体系制备的常规多晶太阳能电池的绒面尺寸大致为 4-8 um， 而 RIE 的绒面尺寸在 200 nm 左右。我们采用多晶预制绒的硅片作为 RIE 的基片，预制绒的绒面 “ 坑洞 ” 不追求表面反射率，一方面保证表面损伤的完全去除，另外就是在 “ 坑洞 ” 中形成 RIE 亚微米绒面，形成保护，避免了因此类小绒面的磨损而造成的减反损失，并增加了表面陷光，进一步来降低表面的反射率。以下分别为预处理基片的表面形貌及 RIE 亚微米绒面的表面形貌。图 2 预处理基片的表面形貌Fig. 2 the SEM of the pre-textured wafer Raw wafer Pre-texturing Rinse RIE Post-cleaning Diffusion PSG removal Isolation SiN x deposition …… RIE cell 3 / 5 图 3 亚微米绒面的表面形貌Fig. 3 SEM of the sub-micron grid texture 从图 2 与图 3 的对比中可以看出，预处理基片的绒面为间隔的 “ 坑洞 ” ，而亚微米绒面则为生长在“ 坑洞 ” 中的针形尖状小绒面， 尺寸数量级为 200 nm左右的亚微米级。图 4 不同绒面多晶硅电池的表面反射率曲线对比Fig. 4 the surface reflectivity comparison between the conventional textured cell and RIE cell图 4 为常规多晶绒面与亚微米绒面的表面反射率曲线图对比，从图中可以看出， RIE 绒面的表面反射率在 9%左右，远低于混酸体系腐蚀形成的常规多晶绒面的反射率，陷光效果优势明显。并且在淀积 SiN x 减反射层后，表面反射率进一步下降到4%左右， 减反效果更加明显， 尤其短波处的优势更加突出。3.2 RIE 绒面的影响RIE 技术通过在等离子场中采用腐蚀气体的活性基团与硅片的化学反应，利用等离子射频源对硅片表面的轰击作用，加速活性氟基团对硅表面的刻蚀速率，实现了亚微米数量级的晶硅电池表面绒面，大幅降低表面反射率。但过程中等离子轰击形成的电池表面织构化引入了电池表面的损伤，提高了光生载流子的表面复合速率，影响了太阳能电池的性能表现 [4] [5] 。下图为常规绒面电池与亚微米绒面电池的 IQE对比，从图中可以看出，在短波处的量子效率的劣势，证明了 RIE 电池前表面的损伤的存在， RIE 技术在电池表面的陷光优势并没有转化为电池短路电流的提升，主要因为等离子轰击使硅片表面存在严重损伤，这些损伤成为强复合中心，降低了 p-n结对少数载流子的收集率。图 5 不同绒面多晶硅电池的内量子效率对比Fig. 5 the IQE comparison between the conventional textured cell and RIE cell3.3 高方阻工艺的影响由于 RIE 亚微米绒面形貌尖细，尺寸小，在扩散时形成交叉扩散，在绒面顶端的掺杂浓度很高，高浓度的磷容易造成晶格失配，形成 “ 死层 ” ，另外高浓度的掺杂易形成复合中心， 削弱了 RIE 绒面的减反优势，降低了电池性能表现。对此，在保证适当结深的前提下，采用低表面掺杂浓度的高方阻工艺 (lightly doped emitter, LDE) ，一方面浅结保证了RIE 的短波响应，另外就是降低了电池表面的复合速率， 更加能够将 RIE 的整体低表面反射优势转化为电池的性能的提升。表 2 为控制不同方阻条件下的亚微米绒面电池的性能对比，从表中可以看出，高方阻工艺进一步降低了前表面的复合，增强了后续过程中减反射膜的钝化效果，更能发挥亚微米绒面的陷光效应的优势，最终体现在太阳能电池转换效率上有 0.15%左4 / 5 右的提升。表 2 不同方阻条件下的亚微米绒面电池电性能对比Tab.2 Electrical properties of processed respective R □values in RIE textured cell R□ /? · sq-1 Voc/mV Isc/mA · cm-2 FF/% Eff./% 70 618 35.01 78.5 17.00 85 619 35.35 78.4 17.16 3.4 H 钝化效果的影响 [6]RIE 亚微米绒面电池的淀积 SiNx 减反射膜工艺，采用低功率慢速分阶段沉积的方式，可以有效增强等离子体在硅片表面的横向移动，使氮化硅对尖细绒面有更好的覆盖效果，增强钝化效果。下图为分别采用 H 钝化效果的工艺与常规工艺的有效少子寿命对比，采用沉积双面减反射膜，850℃下共烧后进行测试数据。从图中可以看出，匹配的 H 钝化沉积 SiN x 减反射膜工艺对有效少子寿命的提升较为明显。图 6 常规工艺与 H 钝化工艺下的亚微米绒面电池有效少子寿命对比Fig. 6 the effective lifetime between the normal process and H passivation process with RIE cell3.5 整合优化工艺 RIE 电池的性能表征采用多晶硅姊妹片，分别制备常规微米级绒面多晶太阳能电池与亚微米绒面多晶电池进行电池性能方面的量子响应效率的表征对比。其中亚微米绒面电池是在等离子强化制绒后化学清洗去除表面的 polymer ，采用扩散低表面掺杂的高方阻工艺、湿法隔离 p-n 结、 淀积 SiN x 减反射膜 H 钝化工艺等，制备成品太阳能电池。下图为整合优化工艺后的RIE 多晶电池与常规多晶电池的 QE 对比。图 8 工艺优化后亚微米绒面与常规绒面多晶硅电池的量子效率对比Fig. 8 QE comparison between the normal multi-Si cell and RIE cell with optimal process从图中可以看出，采用匹配性的优化工艺后，亚微米绒面多晶硅电池的前表面损伤得到修复，在表面光减反优势明显的条件下，亚微米绒面电池的量子效率得到大幅提升。3.6 RIE 电池电池的 的 产业化产业化表现 表现采用同一批硅料的多晶硅片，利用相同的产业化条件，分别批量制备常规微米级绒面与亚微米绒面的多晶太阳能电池，进行产业化的性能评估。表 3 工艺优化后亚微米绒面与常规绒面多晶硅电池的性能对比Tab.3 Electrical properties comparison between the normal multi-Si cell and RIE cell with optimal process Batch Voc/mV Isc/mA · cm-2 FF/% Eff./% Conventional cell 621 34.29 78.91 16.79 RIE cell 620 35.50 78.65 17.31 从表中可以看出，采用匹配工艺后，亚微米绒面电池的前表面损伤得到修复，开路电压参数值得到保障，与常规一致，并在优良的陷光效应下，电流密度优势明显，从产业化的批量生产数据来看，电池的光电转换效率得到至少 0.5%的绝对提升。4. 结论在多晶硅化学预处理的基片上进行等离子强化制绒形成亚微米绒面，得到的硅片表面具有优良的陷光效果，硅片表面平均反射率在 9%左右，淀积 SiN x 减反射膜后，反射率能够降到 4%左右。但在等离子强化制绒过程中，由于等离子轰击所产生5 / 5 的表面损伤降低了电池短波段的内量子效率，影响了太阳电池性能表现。通过氢钝化工艺及高方阻工艺等优化条件，亚微米绒面电池的前表面损伤得到修复，得到较高的有效少子寿命。最终在表面减反射优势明显的情况下，电池的外量子效率大幅提升；产业化的批量统计数据来看，电池转换效率较常规微米级绒面的电池提升 0.5%以上。参 考 文 献[1] Tom Markvart Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation [M]. 2003 [2] D. S. Ruby S. H. Zaidi S. Narayanan et al. Rie-texturing of multicrystalline silicon solar cells Solar Energy Materials & Solar Cells 74(2002) 133-137 [3] Ralf Ludemann, Hydrogen Passivation of Multicrystalline Silicon Solar Cells, Materials Science & Engineering B58(1999) 86-90 [4] 杨德仁 .太阳电池材料 [M]. 北京 :化学工业出版社 , 2007.57-63 [5] Ngwe soe Zin, Andrew Blakers et al. RIE induced lifetime degradation of silicon solar cells and methods to reverse degradations. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg Germany [6] M Ghannam, G Palmer et al. comparison between different schemes for passivation of multicrystalline silicon solar cells by means of hydrogen plasma and front side oxidation. Applied Physics Letter 1993, 3, 62(11)