多晶電池工藝控制
Date de sortie:
2019-05-13

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0 引言

  如何制造高效率、低成本的硅太陽能電池成為光伏能源領域的主要研究熱點。如,提高基體材料質量;降低表面復合,以增加少子壽命、提高光子利用率和電池片的外量子效率;通過減少硅片厚度降低硅太陽電池成本等。如何監控電池片的性能,監測哪些工藝參數,使用什么樣的方法監測,顯得尤為重要。研究電池片工藝參數對效率的影響,有利于更好地優化參數,為高質量的電池片提供依據和保證。

1 電學參數及檢測技術

  1.1電阻率

  半導體的電阻率代表著半導體中載流子的濃度,即施主或受主雜質的濃度,它是表征硅片摻雜濃度的一項重要參數。

  電阻率是電導率的倒數。電導率的大小取決于半導體載流子濃度n和載流子遷移率μ,即,σ=nqμ。對于摻雜濃度不均勻的擴散區,往往采用平均電導率的概念。

  低溫下:由于載流子濃度指數式增大,而遷移率也是增大的,所以,電導率隨著溫度的升高而上升(即電阻率下降)。

  室溫下:由于施主或受主雜質已經完全電離,則載流子濃度不變,但遷移率隨著溫度的升高而降低,所以,電導率將隨著溫度的升高而減?。措娮杪试龃螅?。

  高溫下:本征激發開始起作用,載流子濃度將指數式增大。雖然這時遷移率仍然隨著溫度的升高而降低,但是這種遷移率降低的作用不如載流子濃度增大得強,所以總的效果是,電導率隨著溫度的升高而上升(即電阻率下降)。

  電阻率的在線檢測主要使用非接觸式渦流傳感器,如,Simelab公司生產的WMT-5及WMT-3。離線檢測主要通過接觸式原理,如,GP4test四探針測試儀,主要針對硅片屬于極薄、厚度d相對于探針間距小很多而橫向尺寸為無窮大的樣品。如圖1所示,從探針1流入和從探針4流出的電流,測出探針2和探針3的電壓值,則電阻率可表示為式(1)。

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  1.2擴散方塊電阻

  方塊電阻是標志擴散到半導體中的雜質總量的一個重要參數,它是工藝中最常需要的檢測參數之一。如圖2所示,對于一塊長為l、寬為a、厚為t的薄層,假設該薄層的電阻率為ρ,則這個薄層的電阻可表示為式(2)。


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  當長l與寬a相等時,這時的電阻代表一個方塊的電阻,稱為方阻。


  方塊電阻的在線檢測主要通過表面光電壓法對具有PN或NP結構表層的方塊電阻進行無接觸測量。方阻探頭中心有一個LED光源,光注入PN結產生電子空穴對,PN結或NP結的內建電場將電子和空穴分離,從而在光激發位置產生表面勢。該表面勢的大小沿橫向方向會有一定的衰減,而衰減的快慢恰恰反映了表層方塊電阻的大小。儀器正是通過測量環形電容內外電極上的電勢差間接得到材料的方塊電阻。

  方阻的離線設備通常使用四探針來測試,其原理如圖1所示。根據方阻的定義將公式(1)中的電阻率代入公式(2),就可得到方阻的計算公式(3)。


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  1.3接觸電阻及線電阻


  電池片的內阻直接影響短路電流的輸出。電池片內阻包括金屬柵線電阻、薄層電阻、體電阻、接觸電阻。在電池片生產中,印刷工藝會影響接觸電阻與柵線電阻。

  接觸電阻表示印刷工藝中金屬電極與電池片接觸電阻的大??;線電阻指金屬柵線單位長度的電阻。接觸電阻與線電阻可通過四探針原理測試。

2 硅片厚度

  大幅度降低材料的用量是降低太陽能電池成本最有效的手段,在保證太陽能電池性能不變甚至提高的前提下,減少硅片厚度對降低電池片成本具有重要意義。

  當硅片的厚度變得更薄時,面臨的一個問題是表面復合的增多和吸收光波的減少,這會導致短路電流與開路電壓劇降。因此,電池片生產工藝中,硅片厚度小于200μm時,絲網印刷背電場鈍化可以對低能量的光波形成背面反射,增加光的吸收[1]。如果硅片厚度大于200μm,開路電壓與硅片厚度就是獨立的關系。開路電壓可表示為溫度、光生電流、飽和電流的函數,見式(4)。

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  其中,飽和電流取決于有效的復合速度?;鶇^對于飽和電流的作用可以表示為式(5)、(6)。


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  由式(5)、(6)可以看出,當厚度遠大于基區載流子的擴散長度時,Fp變為常數1,硅片厚度對飽和電流的影響就可忽略;當厚度小于擴散長度時,就會降低開路電壓。


3 少數載流子壽命

  當用適當波長的光照射半導體時,只要能量大于該半導體禁帶寬度,光子就能把價帶電子激發到導帶上去,產生電子-空穴對,使導帶比平衡時多出一部分電子Δn,價帶比平衡時多出一部分空穴Δp。光照停止后,非平衡載流子隨時間按指數規律減少,它們在導帶和價帶中有一定的生存時間,其平均生存時間稱為少數載流子的壽命。

  少數載流子壽命反映了太陽能電池表面和基體對光生載流子的復合程度(利用程度),會影響電池片的短路電流和開路電壓[2]。少數載流子壽命在電池片的生產過程中受到的影響因素可概括如下幾類:

  1)雜質能級與雜質濃度的影響。

  2)擴散重摻雜導致的禁帶寬度收縮,阻礙少數載流子向PN結移動,增加了復合幾率。而且,重摻雜會引入各種缺陷,增加復合中心濃度。

  3)熱處理工藝。電池片生產中經過幾道熱處理工藝,硅片中雜質的含量會因熱處理而對少數載流子壽命造成影響。

  4)表面復合及晶界影響。表面界面態密度、晶界勢壘和界面態都會降低少數載流子壽命。少數載流子壽命的測試方法很多,常用的有開路電壓衰減法、微波光電導衰減法和準穩態光電導法等。Simelab公司的WT2000使用波長為904nm的激光激發硅片產生電子-空穴對,導致樣品電導率增加。當撤去外界光注入時,電導率隨時間呈指數衰減,這一趨勢間接反映了少數載流子數量的衰減趨勢。通過微波探測硅片電導率隨時間的變化就可以得到少數載流子的壽命。其原理如圖3。


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  實際測得的少數載流子壽命應是體內壽命τv和表面壽命τs的綜合結果,稱為有效壽命τeff。它們之間的計算關系如式(7)。



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  由式(7)可以看出,表面壽命τs越大,有效壽命τeff越大。


4 光譜響應

  太陽能電池的光譜響應也稱為量子效應,表示不同波長的光子產生電子-空穴對的能力。定量地說,就是當某一波長的光照射在電池表面上時,每一光子平均所能收集到的載流子數[3]。

  太陽能電池的量子效率與光的波長或者能量有關。對于一定的波長,如果太陽能電池完全吸收了所有的光子,并且搜集到由此產生的少數載流子,那么太陽能電池在該波段的量子效率為1;對于能量低于能帶隙的光子,太陽能電池的量子效率為0。理想中的太陽能電池對應各個波長的量子效率是一個常數。但是,在電池片的表面復合、晶界、體內雜質和缺陷都會影響載流子的收集,實際量子效率有所不同。太陽能電池量子效率分為外量子效率和內量子效率2種。

  外量子效率(externalquantumefficiency,EQE),太陽能電池的電荷載流子數目與外部入射到太陽能電池表面的一定能量的光子數目之比。內量子效率(internalquantumefficiency,IQE),太陽能電池的電荷載流子數目與外部入射到太陽能電池表面的、沒有被太陽能電池反射回去的、沒有透射過太陽能電池的、一定能量的光子數目之比。

  量子效率越高,電池片的光電轉換率越高。提高量子效率可從內、外量子效率分別著手,如,制絨工藝中的陷光效應、PECVD工藝中的減反射膜就是通過提高外量子效率來增加電池片轉換效率的。圖4顯示了減反射膜的光譜圖。同樣,PECVD的氫鈍化、絲網印刷中的背電場鈍化則是提高內量子效率的。


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  外量子效率的測量主要通過測試電池片的輸出電流與入射波長光的能量比來獲得。為了測試太陽能電池內量子效率,首先得測試太陽能電池的外量子效率,然后測試太陽能電池的透射和反射,通過綜合這些測試數據來得出內量子效率[3]。其原理如圖5所示。



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  Simelab的WT2000可以測出電池片的光誘導電流LBIC、反射率,由此可以計算出內量子效率。計算公式如式(8)。


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  式中:R為反射率;Φ為光通量;ISC為短路電流。


5 結語

  電池片的生產是個復雜的過程,每個工藝都需要精確地控制,生產工藝過程控制的精確性關乎電池片的轉化效率。只有通過將每個過程參數化、參數精確化,才能保證生產工藝按預想的結果發展,極大地提高工藝水平,保證產品質量,進而提高市場競爭力。

參考文獻:

[1] 廖華,林理彬,劉祖明,等.多晶硅薄膜太陽電池厚度和晶粒尺寸對其性能的影響[J].太陽能學報,2003,24(2):264.

[2] 馬遜.硅太陽電池少數載流子壽命研究與測量[D].昆明:云南師范大學,2005.

[3] 安其霖,曹國琛,李國欣,等.太陽電池原理與工藝[M].上海:上??茖W技術出版社,1984:18-22.


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