10001613_N型单晶电池硼扩散工艺研究

N 型单晶电池硼扩散工艺研究 马红娜 王平 赵学玲 李拯宇 汤欢 李桐 （光伏材料与技术国家重点实验室, 英利能源（中国）有限公司，河北 保定 071051） 摘 要：对 N 型晶体硅双面发电电池工艺进行研究，分析其中重要步骤之一：高温硼扩散工艺 的优化。通过 PC1D 软件模拟，得到最佳的表面浓度和结深，经过对扩散工艺步骤中工艺时间， 气体流量，温度控制等的优化，根据硼扩散后硼硅玻璃层中硼浓度，扩散层深度及表面浓度， 及扩散后方阻测试，得到合适的硼扩散工艺。之后进行电池效率的对比，得出最佳的硼扩散工 艺。 ，效率比标准生产工艺电池提升约 0．.25%。 作者简介: 姓名:马红娜 从事研究方向:晶体硅太阳能电池 E-mail:hongna.ma@yingli.com 关键词：双面发电；离子注入；硼扩散；方块电阻 1 研究背景引言 采用 N 型晶硅材料的少子空穴的复合将远低于 P 型的少子电子的复合 [[1], 由于 N 型基体材 料高的少子寿命，N 型晶硅组件在弱光下表现出比常规 P 型晶硅组件更优异的发电特性; N 型晶 体硅中硼含量极低，本质上消除了硼氧对的影响，所以几乎没有光致衰减效应的存在; N 型晶硅 组件在光强小于 600W/m2 的弱光情况下，相对发电效率明显高于 P 型晶硅组件 [2];另外, ，N 型双 面晶体硅太阳电池由于双面发电特性，若将背面把接收到的环境反射、散射等功率等占比算为 2%【 3,4】 ，那么 N 型晶硅电池的综合效率会更高。基于上述优点， N 型单晶双面发电晶体硅电池 广受学术界和产业界的青睐。硼扩散是 N 型双面电池制作的核心工艺之一， .本文通过对硼扩散 工艺的模拟及实验，来得到最佳的，能有效提升 N 型双面电池效率的 硼扩散制备工艺。 2. 实验过程 2.1 实验材料 采用 156*156 N 型 CZ 硅片进行 ,硅片厚度 160um-200um，电阻率 1-2Ω·cm。 2.2 实验步骤 硼扩散影响太阳能电池转换效率的因素主要有: 第一，硼在硅表面堆积的浓度超过了硼在 硅中的固溶度，就会形成富硼层（BRL） 。BRL 尤其会在片子边缘形成，在这些边界的地方增加 的 B2O3 从气流中扩散到硅片表面将会产生气流的波动从而扰乱了边界，并且会导致出现晶体损 失，极大的减少了在硼沉淀区域的载流子寿命，因此在硅片表面形成死层，在这些区域光生载 流子很少有机会被收集 【4,5,6】 ，对太阳电池的开路电压和短路电流有负作用。第二，硼与硅之间 的晶格不匹配产生的位错也能够在后续工艺过程中在晶体结构中产生缺陷从而减少硅体少子的 寿命 【4,7,8】 。硼原子的直径为 0.85Å，而硅的原子直径为 1.10Å，两种原子在尺寸上的差别使得硼 掺杂容易形成位错。研究结果显示，硼杂质浓度越高，少子寿命衰减就越大。要避免以上问题， 就需要降低硅片表面附近过剩的硅原子，以得到较好的掺杂曲线。 使用 PC1D 软件对电池的硼掺杂进行模拟, ，分析硼扩散浓度、结深对电池性能的影响。 图 1 为硼扩散表面浓度不变，结深逐渐加深，电池的各项参数 Voc， 、Jsc， 、Eff 的变化趋 势。从模拟图看出, 在硼扩散表面浓度不变的条件下, ，随着结深的增加,，电池的 Voc,、Jsc 和 Eff 都是逐渐变低的趋势。 图 1 硼扩散表面浓度不变，结深逐渐加深 图 2 为硼扩散方块电阻不变，结深逐渐加深，电池的各项参数 Voc， 、Jsc， 、Eff 的变化趋势。 从模拟图看出,在硼扩散方块电阻不变的条件下, ，随着结深的增加,，电池的开路电压逐渐增加, ，短路电流密度逐渐降低,，转换效率逐渐增加. 图 2 硼扩散方块电阻不变，结深逐渐加深 结合上面的模拟结果,设计硼扩散的调整方向, ，即降低表面浓度,保证硼扩散方块电阻不变, ，来验证对电池转换效率的影响.。 影响硼扩散表面浓度和方阻的参数有工艺时间，气体流量，温度控制等.。实验中采用调整 工艺时间的方法, ，即降低气体沉积步骤的时间, ，增加推进步骤的时间. 。表一为原始标准生产 工艺与实验工艺参数:： 工艺名称 气体沉积时间 （min） 气体推进时间（min） 反应温度（℃） 原始标准生产硼 扩散工艺 25 18 940 试实验硼扩散工 艺 15 38 940 表 1 硼扩散工艺参数 3, 结果与讨论 3.1 方块电阻测试 采用四探针进行方块电阻的测试。原始标准生产工艺和试验工艺的方块电阻分别为 63.07ohm/□和 62.88 ohm/□，可以认为一致，未发生变化 3.2 扩散结深及硅片表面浓度测试 本文中，采用 ECV 法（电化学电容-电压法）对硼掺杂的结深和浓度进行测试。如图 2 两 种扩散工艺的 ECV 法（电化学电容-电压法）测试扩散的结深和浓度。如图 13 所示，实验工艺 较原始扩散工艺二相对于扩散工艺一，表面浓度低，且结深较深，这种低掺杂结构可以降低少 数载流子的体复合几率，且能进行更好的表面钝化，降低少数载流子的表面复合几率，从而减 小电流池的反向饱和电流，提高电池的开路电压和短路电流，同时也会减少因表面硼浓度降低 对欧姆接触产生的影响。 图 3 ECV 测试结果 3.3 电池参数 为了验证试验工艺的优势，分别采用原始标准生产硼扩散工艺和实验硼扩散工艺生产制备 N 型双面电池。表 2 为 IV 测试结果，： VOC/mV JSC/（ mA·cm-2） FF(%) Eff(%) 原始原始硼扩散工艺 641 38.65 81.80 20.29 优化后硼扩散工艺 646 38.57 82.57 20.54 表 2 IV 测试结果 4 结论 从上面的试验过程和各项测试参数能够得知，在保证正面硼扩散方阻不变的情况下，采用 低表面浓度深结工艺， PC1D 模拟结果显示，能够实现开路电压的有效提升，电池转换效率也 能够实现明显提升。通过模拟结果进行实验设计，并进行 N 型双面电池的实验验证，采用优化 后的硼扩散工艺，比采用原始的硼扩散工艺，开路电压提升 5mv，电池转换效率提升绝对值 0.25%。经分析，提升原因如下： 1）通过低表面浓度深结工艺,降低了硼在硅表面的堆积,从而 降低硅片表面附近过剩的硅原 子。 1）硅片表面附近过剩的硼原子的减少，减少了硅片表面的死层，从而提升了开路电压和短 路电流； 2）硼掺杂浓度的降低，减少了硼掺杂导致的位错。 参考文献： [[1]]KerschaverEV, Beaucarne G. Back-contact solar cells: A review. ProgPhotovoltaics-ResAppl, 2006,14 [[2]]DenyuanSong, JingfengXiong, et al. Progress in n-type Si solar cell andmoduletechnology for high efficiency and low cost. IEEE 38th Photovoltaic Specialists Conference , 2012.38th [【3】P. Sanchez-Friera et al. Deveopment and characterization of industrial bifacial PV modules with ultrathin screen-printed solar cells,22nd EU PVSEC,Milan,2007 [4] J. Guo, “High-efficiency n-type laser grooved buried contact silicon solar cells,“ PhD, University of New South Wales, 2004. [5]S. Prussin, “Generation and distribution of dislocations by solute diffusion,“ Journal of Applied Physics, vol. 32, pp. pp. 1876-1881, 1961. [6]T. Parker, “Diffusion in silicon. I. Effect of dislocation motion on the diffusion coefficients of boron and phosphorus in silicon,“ Journal of Applied Physics, vol. 38, pp. pp. 3471 -3477, 1967. [7] H. Queisser, “Slip patterns on boron-doped silicon surface,“ Journal of Applied Physics, vol. 32, pp. pp. 1776- 1780, 1961. [8]R. Sutherland, “Influence of boron induced and oxidation induced defects on bipolar transistor slice yield,“ Solid-State Electronics, vol. 25, pp. pp. 15-23, 1982. 【4 】 http://www.pvgs. Jp/en/earthon.html,http://www.b-solar.com/