优化方阻分布：晶体硅电池基于陶瓷辊式扩散（CRID）的高均匀磷发射极均匀性研究

 

晶体硅太阳能电池作为市场上的主流产品，其效率提升对降低成本和提高市场竞争力至关重要。在晶体硅太阳能电池的生产过程中，发射极的方阻均匀性对电池性能有显著影响。方阻不均匀会导致电池内部电场分布不均，影响载流子的收集效率，从而降低电池的整体性能。通过探索新的扩散技术和理论模拟方法，来解决传统工艺中存在的方阻不均匀性问题。

 

 

    电池制备

 

 

超声雾化器(左边)和雾化硅片(右边)

 

工业级 p 型电阻率为 1.1–1.8 Ω·cm，厚度为 180±20 μm 的 156mm×156mm尺寸直拉单晶硅片通过产线湿化学方法进行表面织构化，随后放入 KOHH2O = 1100 溶液中去尖2分钟。将含 5% H3PO4 的去离子水溶液超声雾化至制绒后的硅片表面以完成预沉积过程。

 

CRID 电池和 TD 电池工艺流程

 

 

采用 PECVD 方法在扩散面沉积一层 70nm 厚的 SiNx 减反射层，温度为400℃，随后进行丝网印刷，其中正面为银栅线，背面为铝背场，经烧结炉中共烧最终完成电池制造。

 

    改进的 CRID 扩散炉

 

 

 

 

 

CRID 炉体结构示意图

 

 

CRID扩散炉由预热区、高温区和冷却区组成，使用自旋的Al2O3陶瓷辊轴代替传统的金属网带，以减少金属污染。

 

    发射极特点

 

 

 

 

 

 

不同扩散温度的方阻

 

 

由图可知，扩散温度为 810°C 时，平均方阻最高约 132Ω/sq，扩散温度为 870°C 时， 平均方阻约 44Ω/sq。可见，在相同的扩散时间条件下，随着扩散温度的增加，方阻不断降低。

 

不同扩散温度的 ECV 分布

 

 

根据衬底的电阻率为 1.1–1.8 Ω·cm 可知， 结深位置大约在 1E16cm−3浓度附近，由图可知，810°C 工艺的结深约为 0.16 μm，870°C工艺的结深为 0.37μm。随着温度的升高，结深不断加深。

 

    电池的方阻分布

 

 

TD 和 CRID 电池的方阻分布

 

 

方块电阻的标准差是反映方块电阻分布均匀性的重要参数。图中显示了 CRID 和 TD 硅片的方阻标准差分别为 2.1Ω/sq和 4Ω/sq，表明 CRID电池在目标方阻70 Ω/sq 时方阻分布要比 TD电池以 75 Ω/sq 为目标方阻时分布得更为均匀。

CRID工艺在方阻均匀性方面表现出优势，这可能使其成为制造高效率太阳能电池的更优选择。

 

    TD和CRID的电性能比较

 

 

TD 与 CEID 电池性能

 

 

CRID 电池性能低于 TD 电池，在方块电阻相近的情况下，开路电压相差过大，主要是 CRID 的复合过于严重，并联电阻过小造成的。而 CRID 短路电流更低，主要反映的是光谱响应过差。

TD 电池和 CRID 电池外量子效率

 

 

CRID 电池的短波响应远低于 TD 电池，说明 CRID 电池的表面复合更为严重，限制开路电压和短路电流，进而使得转换效率偏低。经四探针方阻测试，CRID 经去 PSG 后，表面方阻变化不明显，约 72Ω/sq，而 TD 去完 PSG 后从 75Ω/sq 至升至 85Ω/sq 左右，方阻标准差为 5.65Ω/sq。

 

    富磷层及其去除方法

 

 

 

富磷层的形成增加了电池的表面复合，限制了开路电压和短路电流，进而影响转换效率。为了去除富磷层，采用了1% KOH溶液进行刻蚀处理。通过不同时间的刻蚀实验，研究了刻蚀时间对方块电阻的影响，以及对电池性能的影响。

不同刻蚀时间的方阻分布

 

 

由图可知，随着刻蚀时间的增加，平均方块电阻从 71.1Ω/sq 增加至 115.6Ω/sq，与此同时，方块电阻标准差也从 2.1Ω/sq 增加至5.2 Ω/sq。随着刻蚀时间的增加，富磷层厚度在不断降低，至于刻蚀多长时间可最大程度甚至完全将富磷层去降干净，而表面不被过度刻蚀，主要依赖不同刻蚀时间后的电性能参数。

 

 

不同扩散工艺的电池效率分布及相应的结深

 

 

实线代表的是不同扩散温度下获得的结深，散点图代表的是不同刻蚀时间获得的效率。由图可知，CRID 电池在 850℃，刻蚀时间为 200s 时，电池效率最高，这意味着 850℃是最适合当前产线技术的工艺参数，并且富磷层已被尽可能去除了。

 

    电池性能

 

 

 

CRID 电池去富磷层前后与 TD 电池的电性能参数对比

 

 

对比了CRID和TD电池的性能，发现CRID电池在去除富磷层后，开路电压、短路电流、填充因子和效率都有显著提升。

 

 

 

    硼发射极方阻标准差

 

 

以 81Ω/sq 为目标方阻，通过管式扩散完成硼发射极制备，分析了方阻标准差分别为 4.66Ω/sq、4.37Ω/sq 和 4.75Ω/sq 的电池性能。

三样品的方块方阻分布

上图展示了方阻在硅片上的分布情况，颜色深浅或等高线密度可以表示方阻的大小，从而直观地显示方阻的均匀性。方阻均值提供了样品整体方阻水平的信息，而标准差则反映了方阻分布的离散程度，即方阻的均匀性。

 

    方阻标准差对电性能影响

 

 

 

样品 1、2 和 3 的 JV 曲线

 

 

方阻分布的均匀性对电池的电性能有显著影响。方阻分布越均匀，电池的Voc、Jsc、FF和Eff通常越高。

 

通过调节扩散温度，使用CRID工艺成功实现了宽范围的方块电阻调节，同时获得了较浅的结深。CRID电池在适当的工艺条件下，具有获得更高效率的潜力，并且能更好地适应多主栅设计。通过对比不同方阻偏差的电池性能，研究发现方阻越均匀，电池性能越好。

 

    美能在线方阻测试仪

 

 

 

 

美能在线方阻测试仪是专为光伏工艺监控设计的在线四探针方阻仪，可以对最大230mm×230mm的样品进行快速、自动的扫描，获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

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测量精度：保证同种型号测量的精准度不同测试仪器间测试误差在±1%

通过实验和模拟深入分析了方阻均匀性对太阳能电池性能的影响，美能在线方阻测试仪的集成应用，为我们提供了一个高效、精确的方阻测量解决方案。

 

原文出处：《晶体硅太阳能电池掺杂与金属化工艺研究》 黄志平 博士论文 2021

 

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