太阳电池绒面测量与分析

太阳电池绒面测量与分析》 太阳电池绒面测量与分析。 孙铁囤 崔容强 王永东 (上海交通大学应用物理系太阳能研究所,上海 200240) 文 摘:通过对 MOS 结构电容的测量分析,计算出太阳电池表面积的变化,实现对电池绒面制作 工艺的控制与分析。实验数据与理论计算结果一致,通过 MOS 系统的 C-V 特性测量可进一步对太 阳电池的表面和界面特性作更加系统和深入的分析。 关键词:MOS,绒面,C-V 特性 0 引 言 为了进一步提高太阳电池的光电转换效率,在目前的工艺中,人们致力于降低电池表面的 光反射,增强光的有效吸收, 对电池表面进行钝化和通过改进电极的结构[1,2]。在增强对太阳光 的有效吸收方面采用了多种方法:如多层减反射膜,倒金字塔结构, 机械和化学刻槽等[3] 。而随 机产生的金字塔工艺是目前在商品化太阳电池中普遍采用的方法,其工艺简单,成本低廉,适 于大规模生产。但在绒面制作过程中,质量的监控比较困难,我们应用一种比较简单而准确的 MOS 测量技术,通过对所制作的绒面进行电容测量可间接得到电池的表面积数据 ,从而可对 绒面制作工艺进行分析和控制。通过对 MOS 系统的 C-V 特性测试还可进一步对太阳电池的 表面和界面性能作更加系统和全面的研究[4]。 1 样品制作 样品采用未经抛光的 p 型(100) 面硅单晶,厚度约 400Lm,电阻率 0.5-1.58·cm,未经 磨、抛的单晶硅片分别用酸性和碱性腐蚀液除去表面损伤层,酸性腐蚀液为硝酸和氢氟酸的混 合液,其反应为 3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO↑ SiO2+6HF→ H2[SiF6]+2H2↑ 碱性腐蚀液采用 KOH(20—25%)溶液,其反应为 Si+KOH+H2O→KSiO3+2H2 ↑ 用不同溶液及它们的组合进行系列实验,包括 1)KOH 表面腐蚀,(2)HNO3:HF 腐蚀, (3)NaOH 表面腐蚀后,再用 HNO3 和 HF 混合液腐蚀。绒面制作采用 KOH(1%)溶液在 80℃ 下腐蚀 30—40min,通过控制溶液的比例(如加异丙醇或无水乙醇等 )控制金字塔的大小。通过 对硅片表面 SEM 实验发现,用第三种方法制作的绒面,其金字塔结构分布比较均匀, 表面覆 盖效果良好。 。本文 1998-10-10 收到 2 分析与测试 为了精确判断腐蚀条件对绒面制作的影响,采用 MOS 结构进行电容测量, 以比较绒面表 面积的大小。设绒面制作前后由半导体氧化层或氮化硅层金属层所构成的电容值分别为 CA 和 C*A,则 CA=EiE0Ad C*A=EiE0A*d 其中,Ei、E0 为绝缘层和真空的介电常数,A 和 A*分别为绒面制作前后半导体的表面积,两者 的比值为 CA C*A=EiE0AdEiE0A*d=AA* 其中,d 为氮化硅的厚度。通过对制作绒面前后的电容比,可得出表面面积之比, 图 1 所示为不 同绒面制作时间与表面积的关系。从该图可见,随着腐蚀时间的加长,面积比逐渐增加,绒面制 作时间达到 35min 左右,其比值基本达到一个饱和值,最大值接近 1.80。从理论上分析,在 (100)面形成的金字塔为正方锥体结构, 假设每个正方锥体的底边长为 a,每个侧面的面积为 图 1 绒面制作前后电池表面积比 与腐蚀时间的关系 S 侧=12aa2cosA 其中,a 为正方锥的底面与斜边的夹角,达到饱 和程度时,正方锥的四个表面积之和与底面积 之比为 A* A= 4·a24cosA a2=1.73 斜面与底边的夹角一般为 54.7°[5],表面积之比 约为 3。 实验中分析了绒面腐蚀溶液中作为缓冲剂 的异丙醇对电池接触电阻的影响(如图 2)。接 触电阻的测量采用传输线方法[4],未加缓冲剂时,接触电阻随腐蚀时间很快达到一个稳定值, 且相对值比较大,这主要是未加缓冲剂时, 反应时大量的气泡附着在硅片表面不能及时排除, 使硅表面的有效面积相对减少。 在分析腐蚀时间与太阳电池的短路电流的相对变化中发现,随绒面腐蚀时间加长,短路电 流明显上升,约比未作绒面时增加 30%以上(如图 3)。这主要是光在绒面的反射次数增加,以 致提高了表面吸收能力。 太阳电池的开路电压和填充因子也随绒面制作时间而变化,随时间的增加,填充因子变化 很小,而电池的开路电压有所下降。这主要是电池的表面积增加时,电池的 pn 结面积增加,反 向饱和电流也随之增加所致。电池的开路电压为 423 4 期孙铁囤等:太阳电池绒面测量与分析图 2 缓冲剂对电池接触电阻的影响图 3 绒面腐蚀时间与电池短路电流的关系 Voc=nKTqlnIscI0+1 其中反向饱和电流 I0=AqDnn2LnNA+Dpn2iLpND 则 Voc 与电池的接受光的面积有关,如果 Dn、 Dp、Ln 、Lp、NA、ND 不随绒面制作时间变化,则有 I*0I0=A*A 所以 V*oc Voc=1+nKTqVoclnI*scIsc·AA* 在上式中,绒面腐蚀达到饱和时,I*scIsc 的比值没有 A*A 的大,则 Voc 随绒面制作时间有 所下降,但变化量比较小。实验还发现, 随绒面制作时间的加长,达到饱和时, 表面接触电阻相 对值下降幅度比较大,达 30—40%,而电池的填充因子没有上升,在表面扩散层方块电阻未变 的情况下,可以说电池的串联电阻没有明显下降,这主要是栅线之间有效距离增加所致,按照 电池栅线的一般设计规则,栅线间距应小于 12KTqJscR,由于电池表面绒面化,使栅线间距 相对加宽,则表面串联电阻分量同时增加, 所以, 在绒面电池的栅线设计中, 应考虑这一因素。 3 结 论 通过 MOS 结构电容的测量实现了对太阳电池表面积的测量,测量数据与理论计算结果 比较一致。对绒面制作前后的电池的性能进行了分析比较,该方法在太阳电池规模化生产中可 用于工艺监控。通过对 MOS 结构的 C-V 特性分析,可对电池的表面及界面进行更深入的分析 和研究。424 太 阳 能 学 报 20 卷