两步扩散法提高Si太阳电池效率的研究

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两步扩散法提高Si太阳电池效率的研究

2011-09-28 14:23:00
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　　摘要:提出先高温恒定源扩散后再低温恒量扩散的两步扩散法制作Si背面场太阳电池的新工艺。与常规的一步恒定源扩散工艺比较，所制作的太阳电池短路电流Isc提高了约20%,开路电压Voc也有明显的改善，光电转换效率提高了近4%。

　　关键词：太阳电池；扩散；效率；缺陷复合

　　目前背面场Si太阳电池的制作一般采用一步扩散工艺。这是由于一步扩散工艺有利于控制结深，便于制作浅结。但是，这样很容易导致表面杂质浓度过高，过高的表面杂质浓度会造成"死层"。"死层"中存在着大量的填隙原子、位错和缺陷，少子寿命远低于1ns以下。光在"死层"中发出的光生载流子都无谓地复合掉，导致效率下降。降低表面杂质浓度，减少缺陷，是提高效率的有效途径。本文以采用恒定源扩散加恒量扩散的两步扩散工艺对这一问题进行了研究，取得了较好的效果。

表 1不同结深两步扩散法的工艺参数

t₁/min	x_j1/μm	t₂/h	N_s2/10¹⁹cm^-3	x_j2/μm	x_j=x_j1+x_j2
		1	6.30	0.053	0.290
15	0.237	2	6.00	0.074	0.311
		3	5.75	0.089	0.326
		1	6.30	0.052	0.268
12	0.216	2	5.90	0.073	0.289
		3	5.60	0.089	0.305
		1	6.20	0.052	0.249
10	0.197	2	5.75	0.073	0.270
		3	5.43	0.089	0.286

　　1实验

　　1.1实验设计

　　结深x_j和方块电阻R□是制作Si太阳电池p-n结的两个基本衡量标准。x_j和R□的优化值分别为0.2～0.4μm和20～70Ω/□，而表面杂质浓度是决定xj和R□的一个重要参量。为了使杂质浓度快速达到方块电阻的要求，同时不会因为淀积时间过长而造成结深过深，第一步恒定源扩散拟采用1000℃的高温扩散，结深接近所要求的值，为0.2μm左右。第二步拟采用850℃的低温恒量扩散，适当选择扩散时间，使结深推进不深，最终结深为0.3μm左右.为了设计合理的扩散时间，必须知道恒定源扩散的表面杂质硼浓度N_s1。N_s1由下式给出：

　　N_s1=1/［1.13μqR_□(Dt)1/2］（1）

　　式中，μ为空穴迁移率，约为400cm2/(V.s)；q为电子电量；D为扩散系数(可查表得出）；t为扩散时间。为此，对给定的固态硼源，在1000℃的温度和氮气氛下，专门制作了三个不同扩散时间的样品，用四探针法测定R_□，由式（1）计算表面杂质浓度N_s1，取平均值，约为7.3×1019cm-3。根据式（1）和x_j=A(Dt)1/2得到x_j和R_□的关系［3］为

　　R_□=A/(1.13qμx_jN_s1),

　　式中A=2erfc-1(N_B/N_s1)，N_B为衬底掺杂浓度。选择三个不同的恒定源扩散时间t₁，分别为15min，12min和10min。对应的结深x_j1分别约为0.237μm,0.216μm和0.197μm，R□的计算值分别为45Ω/□,50Ω/□和55Ω/□。对应每个t₁，采用三个不同的恒量扩散时间t₂，分别为1h,2h和3h.恒量扩散后，xj与表面杂质浓度Ns2由表1给出。表中Ns2根据Smith函数计算:

　　N_s2=［(2N_s1)/π］×arctan［D₁t₁/(D₂t₂)］^{1/2

　　1.2样品制备
　　衬底是电阻率为1.8Ω.cm、表面为（111）面、杂质浓度为4×10¹⁵cm^-3、厚度约为400μm的n型Si片。Si片清洗后化学抛光，再清洗、干燥后与固态硼源交替置于扩散炉的恒温区中。恒定源扩散每组四个样品，在1000℃的温度和氮气氛保护下进行.扩散后自然冷却取出。再将其中三个Si片按不同的扩散时间在850℃的温度和氮气氛保护下进行第二步无固态硼源即恒量扩散，另外一片不作恒量扩散用于比较。扩散后的样品去除背面p层，化学镀Ni制作n+背电场及下电极，用栅条掩模真空蒸镀Al制作上电极，蒸SiO减反膜后划片制作成背面场Si太阳电池。

　　1.3测试
　　影响太阳电池光电转换效率的物理参量较多，如电池本身的串联电阻、并联电阻和工作温度等.就样品本身而言，除了扩散不同外，基体材料参量和其他制作工艺是相同的。考虑到可比性，测试的环境温度也必须一致.为此，特研制了一种恒温测试台。在25℃、卤钨灯AM1.5光照度下，通过改变负载电阻测试I-V特性。

　　2结果与讨论
　　FF=I_mV_m/(I_scV_oc),
η=I_scV_ocFF/P_in,式中，FF为填充因子；I_mV_m为电池的最大输出功率；I_scV_oc为电池的极限功率；P_in为入射光功率（AM1.5光照度下为100mW）；η为光电转换效率。根据I-V特性曲线及以上两式，用最小二乘法编程计算出FF和η（见表2）。

　　从表2明显看出，两步扩散后I_sc和V_oc较大幅度提高，FF也有所增加，效率改善较大.从表1的计算结果看，两步扩散后，表面杂质浓度下降了，这使得高掺杂效应有所改善，少子寿命延长.更重要的是，恒量扩散实际上是杂质再分布和退火过程，这使得由于杂质造成的缺陷大为下降，复合速率降低，有效地减少了因为复合带来的I_sc损失，且避免了"死层"出现。同时，耗尽区中陷阱能级的复合是限制V_oc的一个重要因素，所以两步扩散后，V_oc也有所提高。另外，结构因子因为缺陷下降得以改善，FF也得到改善。综合而论，由于减少了缺陷进而减少了复合，使得光谱响应增大，光电转换效率η提高，提高的幅度接近4%。从实验结果来看，由于设备等诸多方面的原因，效率并不算高，但两步扩散工艺的先进性是显而易见的。

　　表2一步法(a)和两步扩散法(b)制作的太阳电池的结果比较(t₁同表1)

t₂/h

I_sc/mA

V_oc/mV

FF

η

a

　

28.1

503

0.58

8.12

　

1

35.5

558

0.62

12.28

b

2

34.4

542

0.64

11.93

　

3

34.8

544

0.64

12.11

a

　

29.2

495

0.62

8.60

　

1

34.8

548

0.68

12.96

b

2

34.4

556

0.67

12.81

　

3

33.1

550

0.62

11.29

a

　

29.1

505

0.61

9.20

　

1

35.0

560

0.66

12.93

b

2

34.1

558

0.69

13.13

　

3

34.3

550

0.68

12.81}

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t₂/h		I_sc/mA	V_oc/mV	FF	η
a		28.1	503	0.58	8.12
	1	35.5	558	0.62	12.28
b	2	34.4	542	0.64	11.93
	3	34.8	544	0.64	12.11
a		29.2	495	0.62	8.60
	1	34.8	548	0.68	12.96
b	2	34.4	556	0.67	12.81
	3	33.1	550	0.62	11.29
a		29.1	505	0.61	9.20
	1	35.0	560	0.66	12.93
b	2	34.1	558	0.69	13.13
	3	34.3	550	0.68	12.81

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