N型双面扩散工艺优化

作者: | 发布日期: 2018 年 07 月 10 日 14:44 | 分类: 新能源知识

摘要:采用磷硼共扩散的方法制备了N型高效双面电池,通过优化背场及发射极扩散工艺,研究了扩散工艺曲线对电池电性能参数的影响机理。实验结果表明,降低背场扩散方块电阻可提高电池填充因子,同时造成开路电压(Voc)和短路电流(Isc)降低,需要在背场饱和电流密度(J0BSF)和填充因子(FF)之间找到一个平衡点;降低发射极表面杂质浓度和方块电阻并适当的增加结深,可改善与金属化栅线的接触。正面采用低浓度深结扩散工艺可改善voc和ff,减少复合,提高Isc,电池效率增加了0.2%,平均效率达到20.41%。

引言

近年来,晶硅太阳电池产品价格大幅下降推动着低成本、高效率太阳电池技术的发展。常规太阳电池的技术发展已到瓶颈阶段,很难有新的突破。背钝化的PERC电池尽管能达到21%的电池效率,但是其组件端的衰减没有得到很好的解决。在此形势下,设计一款高效率并适用于规模化生产的电池结构显得尤为重要。HIT和IBC结构的N-Si太阳电池尽管效率较高,但由于这两种n型电池的制备过程与目前的p型si太阳电池的制备工艺不兼容,而且工艺复杂,导致了制备成本高。具有双面细栅线结构的N-pert电池兼顾了低成本、高效率两大特点,且n型晶硅电池具有少子寿命高、无光致衰减、弱光响应好、温度系数小等天然优势,成为行业关注和研究的热点。

在N-pert结构中,P-N结及背场的形成是获得高效率电池的关键步骤。有很多形成P-N结的方法,比较简单的如在n型si基体背面丝网印刷Al浆烧结形成P-N结,此方法虽然成本有优势但丝网印刷al浆烧结工艺用在N型电池中形成p型发射极还处在研究阶段,存在很多待解决的问题;也可以在硅片上面沉积一层非晶硅形成异质结构的发射极,同时起到很好的表面钝化效果,这种高效电池整个制备过程必须在200℃以下的温度下形成。

在商业化生产中通常采用硼原子掺杂的方法形成P-N结,可以用pecvd或apcvd在n型衬底上外延硼掺杂的SiO2,再在高温下剥离。另一方面可以将硼原子注入到硅片,再高温退火。一个简单且被广泛应用于规模化生产的方法就是直接将BBr3或bcl3源热扩散到N型硅片中。相比于印刷或旋涂硼浆来说,用氮气携带液态BBr3进行管式扩散效果最好,该方法有利于避免金属污染,硅片少子寿命比用其它方法扩散的样品高5倍以上。

发射极和背场的制备需经历两次高温过程,在硅片两面分别形成具有一定浓度梯度分布的发射极曲线和背场是一个技术难点,且栅线与发射极、背场间形成良好的接触是提高转换效率的关键。本文采用热扩散的方法对N型基体进行正背面掺杂,研究发射极和背场的扩散对双面电池电学性能的影响机理,所得结果对深入理解扩散工艺、提高太阳能电池转换效率具有参考价值。

1 实验原理

1.1 电池结构图

N-pert是发射极钝化全背场扩散电池,是最早由新南威尔士大学研发的一种N型硅电池。其结构特点是正面使用硼扩散形成发射极,背表面磷扩散全覆盖以降低电池的背面接触电阻和复合速率,然后在正背面丝网印刷电极,是一种典型的双面电池,其结构如图1所示。

1.2电池工艺流程

实验选用156.75mm×156.75mm直拉n型单晶硅片,厚度为190mm,电阻率为1~5Ω·cm。首先通过碱制绒在硅片两面形成随机的金字塔结构,再利用化学溶液进行背面腐蚀抛光,增加长波光的反射和减小表面复合。然后磷硼共扩散在前表面形成P+发射极以及背面横向导电性的n+背场;再经过等离子刻边绝缘和化学清洗去掉表面玻璃层及形成SiO2钝化层,然后通过pecvd技术在正、背面制备钝化和减反射膜,双面丝网印刷金属化过程;最后用远红外加热炉带共烧结形成发射极、背场界面的欧姆接触,其中背面采用开口网版图案,很好的避免P型电池全铝背场印刷造成电池弯曲的情况。在25℃、AM1.5、1000w/cm2的标准条件下用halm测试系统测试电池片I-V特性。

2 实验结果与性能分析

用电化学C-V法(ECV)测硅片表面掺杂的杂质浓度分布如图2所示,可以看出硅片表面硼原子浓度比较高,达到2×1020cm-3,结深在0.6mm,较高的表面浓度和扩散深度保证了与栅线良好的接触。其中先形成的背面磷杂质在发射极的高温扩散过程中进一步推进使得n+层结变深,结深在1.2mm左右。在电池结构中,磷背场、硼发射极及其与电极的接触对电池效率产生较大的影响,因此分别对它们进行分析。由于金属电极与P+发射极接触不良会产生较大的复合,导致电池产生较大的开路电压损耗(ΔVoc),由implied Voc降低到Voc(ΔVoc=Voc,impl.-Voc),implied Voc的计算方法如下:

其中k为玻尔兹曼常量,t为温度,q为电子电荷电量,Nd为硅片基体掺杂浓度,ni为本征载流子浓度,Δn是在1个标准光强下的过剩载流子浓度。因为在金属化之前硅片表面已经有较高的饱和电流密度(J0BSF),导致了Voc,impl.或极限开路电压(Voc,lim)的降低:

通过增大发射极结深同时降低峰值及表面浓度,可改善其与栅线的接触,降低开压损耗进而提高Voc和Isc。

2.1 背场浓度优化

通常采用对bsf重掺杂降低薄层电阻,提高横向导电性的方法来改善ff,但是背场重掺杂会产生大的俄歇复合而影响Voc和Isc。richter等人通过PC1D模拟n-pert结构中全铝背场和有钝化层局部接触的背场两种情况下Voc随背表面掺杂浓度的关系,发现局部接触情况下Voc随背场掺杂浓度降低而升高,与全铝背场不同。不仅BSF掺杂深度,而且其表面及峰值浓度对电性能也起到至关重要的作用。考虑到这些影响,逐步降低背场磷扩散方块电阻(从G1→G4),均分四组硅片,分别采用G1→G4对应的扩散工艺制作电池,得到电池各参数与背场方块电阻的关系如图3所示。随着背场方块电阻的降低,Voc和Isc逐步降低,FF逐渐升高。

ff的计算方法如下:

式中pff可通过Suns-Voc测量得出,试验中随着方块电阻降低,Rseries也逐渐减小,从公式(3)可以推导出ff将逐渐升高,同时背面较深的nn+结也会导致ff升高。但是重掺杂的磷背场钝化效果较差,产生较大的J0bsf影响电池的Voc和Isc,因此优化背面方阻需在J0bsf和ff之间找到一个平衡点。四组试验中G3组电池效率最高,考虑到硼发射极扩散会对背场浓度造成影响,因此背场选择G3组所对应的掺杂工艺再对发射极曲线进行分析。

2.2 发射极浓度优化

优化发射极结深实现金属栅线与P-N结良好的接触是获得高效率太阳电池的关键。从图2的ECV曲线中可以看出硅片表面硼原子浓度较高(2×1020cm-3),且浓度梯度趋势变化较小,发射极的薄层电阻与表面杂质浓度和扩散结深度的乘积成反比:

式中ρ为扩散薄层的平均电阻率,xj为扩散结深,N(x)为掺杂的平均杂质浓度,μ为迁移率,q为单位面积扩散层内的掺杂剂总量,从公式中可以看出方块电阻和硅片表面杂质浓度和扩散结深有关,与单位面积扩散层内的净杂质总量q成反比。选择背面最优的掺杂工艺逐步降低硅片正表面硼原子峰值浓度(G1→G3),以及对应的扩散深度和方块电阻值的变化如表1所示,均分三组硅片分别用G1、G2、G3对应的工艺扩散,制作电池后电性能参数对比如图4所示。

低表面浓度的深结发射极扩散(G2)对应Voc提高4mV,发射极方块电阻的降低和结深增加使得ff增加了0.33%,但是Isc损失较多。在调整发射极G2工艺的基础上进一步降低峰值浓度,同时获得适当的结深和方块电阻值(G3),在保持Voc和FF增益的同时减少复合,提高Isc,电池转换效率提高0.2%,电池效率达到20.41%。低表面浓度的深结扩散工艺可增加短波区蓝光响应、降低发射极缺陷密度和减小复合速率。

2.3 生产线数据分析

对优化发射极工艺的G3组数据做分布统计如图5所示,可以看出总数200片的电池实验品中,电池效率分布较集中,平均值为20.41%,最高效率达到20.69%,电性能参数如表2中所示。

3 结论

利用磷硼共扩散的方法制备了N型高效双面电池,20.41%的效率,最高转换效率达到20.69%,且效率分布较集中。

作者:马继奎,任军刚,董鹏,宋志成,程基宽,郭永刚

文章来源:光电子技术

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