管式炉扩散法制备20%效率的n 型双面电池

管式炉扩散法制备20%效率的n 型双面电池
Admin     2016-12-23 21:08:28

摘要:采用一种管式扩散炉工艺制备了平均效率为20%的n型双面晶硅太阳电池。制得的n型双面晶硅电池峰值正面效率为20.30%、背面效率为17.59%。硼、磷扩散工艺分别在硼、磷高温管式扩散炉中实现,POCl3气氛的高温扩散工艺沉积PSG/SiOx层,BBr3气氛的高温扩散工艺沉积BSG/SiOx层。电化学电容-电压法测试显示正面硼发射极没有受到POCl3高温扩散的影响。采用电致发光测试方法研究了该n型双面电池的边缘漏电情况。该n型双面电池工艺制作流程采用常规的产线设备,适合大规模生产。

0引言

  目前,p型普通单晶硅电池的产业化转换效率已经稳定在19.6%以上,效率提升的空间已十分有限。n型单晶硅较常规的p型单晶硅具有体少子寿命高、无光衰等优点[1],具有更大的效率提升空间。同时n型单晶组件具有弱光响应好、温度系数低等优点,相应的n型单晶太阳电池具有发电量高和低衰减等优势,因此n型电池研发越来越受到人们的关注。光伏市场报道的n型双面电池的转换效率已超过20.6%[2],同时展示了该双面电池的一维电池结构图。n型双面电池可以提高组件端功率输出,提高组件发电量[3]。目前困扰该结构电池量产推广的问题主要有4个:高的n型硅片价格、金属化导致的开路电压损失[4]、高的反向电流及复杂的生产工艺带来的较高投资成本[5]。目前形成n型硅电池发射极的硼扩散方式主要有管式炉扩散法、旋涂硼源法、APCVD法和离子注入法等[6-9],其中管式炉扩散法因设备应用普遍、投资成本低等优点一直受到人们的青睐,但因扩散方阻均匀性差,硼扩散工艺一直较难实现而无法推广[10]。本文展示了一种采用管式扩散炉方式进行硼、磷扩散的方法,并对硼扩散工艺扩散均匀性进行了研究,同时采用优化后的硼扩散条件制备了n型双面电池。
  管式扩散炉已经成为现在的p型太阳电池产线工艺的标准设备,采用管式扩散炉进行硼扩散及磷扩散,可以最大限度地应用现行的生产设备,从而降低n型双面电池的生产投资成本,提高投资回报率。

1实验

  采用如图1所示的工艺流程,制备n型双面太阳电池。实验过程基于现有的太阳电池生产线设备而实现,所用实验材料均采购于知名生产厂商。


  实验采用尺寸为边长156mm×156mm、面积238.95cm2的直拉单晶n型Cz硅片,电阻率为3Ω·cm。电池正面和背面均采用金属栅线结构,制备的n型双面电池具备双面受光特性,其剖面结构如图2所示。首先对n型单晶原始硅片进行碱制绒和清洗,通过管式扩散炉在硅片表面沉积覆盖有SiOx的BSG层形成p+结,硼扩散源为太阳电池生产常用的三溴化硼(BBr3)液态源,分别采用三个不同条件进行实验,优化硼扩散均匀性。之后在HNO3/HF混合溶液中进行化学腐蚀清洗,去除硼扩散过程中绕射到硅片背面的BSG层,防止边缘漏电。通过携有POCl3气氛的管式扩散炉在850℃左右条件下在硅片的背面磷扩形成n+层[6-7],在一定浓度的HF溶液中去除PSG层和BSG/SiOx层。
  通过原子层沉积设备(ALD)沉积5nm厚的Al2O3层对硼发射极表面进行钝化,正面沉积约75nm厚的SiNx层,背面沉积约80nm厚的SiNx层[11-12]。SiNx膜层通过等离子化学气相沉积设备制备,随后采用二次丝网印刷技术在正背面形成金属化接触。

  磷扩面采用在p型太阳电池中应用的相同浆料。硼扩面采用含有银和铝的浆料和二次印刷技术在硼发射极形成金属栅线。通过履带烧结炉进行烧结完成金属化接触,最后在电池正面采用激光划线方式进行边缘隔离。使用太阳光模拟器测量电池效率,同时获得并联电阻和反向漏电流等电池参数。为了表征硼、磷扩散工艺,采用直径125mm的n型FZ抛光片(电阻率3Ω·cm左右),通过管式扩散炉沉积BSG/SiOx层之后,将一组硅片置于POCl3气氛的高温扩散炉当中,用于电池制作。另一组置于相同的高温工艺但没有POCl3工艺气氛的管式扩散炉中。在质量分数5%的HF溶液中通过湿法化学法去除沉积的玻璃层,通过电化学电容-电压法检测沉积的硼结区状态。


2结果

  BSG/SiOx层通过管式扩散炉工艺形成,采用三个不同的实验条件,评估硼扩散均匀性,硼扩散均匀性的好坏直接关系到形成的pn结质量。BSG/SiOx层一方面需要形成合适的硼沉积状态以形成p+层,另一方面作为阻止气态磷扩散到硼发射极的阻挡层,避免在硼发射极中沉积磷原子。
  2.1硼扩散工艺均匀性优化
  采用不同的实验条件进行实验,四探针方阻测试仪测试硼扩散后芯片的方阻,评估扩散均匀性。以氮气流量为实验条件,设计为10,20和30L/min三个条件,分别标记为实验1、实验2、实验3。硼扩散方阻控制在60Ω/□左右,测试整管芯片的方阻均匀性,得到的方阻的标准偏差(S),如图3所示。


  从数据结果来看,实验3的扩散方阻S值最低,扩散均匀性最好,最终选择采用实验条件3进行硼扩散制备n型双面电池。
  2.2BSG/SiOx
  层的阻挡性质图4为硼发射区不同磷扩散工艺条件下的电化学电容-电压法测试(electrochemicalcapacitancevoltagemeasurements,ECV)的杂质浓度NB分布曲线,图中d为结深。


  两种不同磷扩散工艺沉积的ECV测试曲线是相同的,两条测试曲线显示结区的最大沉积浓度和结深没有明显区别,进一步验证了假设的正确性,即在POCl3工艺气氛中没有显著影响硼扩散结区状态。对于采用950℃的高温工艺步骤,从ECV曲线可以看出硼的最大沉积浓度为6.8×1020cm3,高于硼在硅中的固溶度9×1019cm3[13]。因此较高的B含量可能导致富硼层的产生,从而影响短路电流Isc和开路电压Voc。

  2.3Al2O3钝化表征
  为了表征Al2O3膜层的钝化特性,采用电阻率3Ω·cm左右的Czn型硅片20片,硅片在80℃的NaOH溶液中进行双面抛光,经过RCA标准清洗法清洗后,其中10片在硅片两面沉积约5nm厚的Al2O3钝化层,10片在硅片两面热氧生长SiO2钝化层,采用视通(Sinton)少子寿命测试仪测试其少子寿命,测试结果如图5所示,从图中可以发现,Al2O3钝化的少子寿命在866.5~2550.7μs,而热氧化生长SiO2钝化层的硅片少子寿命测试在115.6~311.5μs,Al2O3钝化的硅片少子寿命远远高于热氧化生长SiO2硅片的少子寿命τ,表现出了优良的表面钝化特性。


  2.4太阳电池电性能结果
  硼、磷管式扩散制备的n型双面电池进行了IV特性测试。经过效率测试仪测试,最高效率电池的Voc为653mV,短路电流密度Jsc为39.2mA/cm2,填充因子FF为79.3%,电池效率η为20.3%。制备的n型双面电池采用两种测试方法进行测试,其中一种测试方法在效率测试仪上直接测试,另一种测试方法是在电池背面加遮盖电池背面的导电吸盘进行测试,测试结果如表1所示,表中Rch为并联电阻。表中A组为激光工艺优化前直接测试电池正背面,A*组为激光工艺优化前在电池背面加遮盖导电吸盘测试电池正面。相对于电池背面加遮盖导电吸盘的测试方法,直接测试法会提高电池的Voc和Jsc。


  由于n型双面电池的双面受光性、测试结果显示电池正背面均有光电转换效率,其中背面效率/正面效率=86.65%。同时该电池在背面加遮盖导电吸盘测试的电池电性能低于常规直接测试显示的电性能,主要原因是在直接测试条件下测试正面效率时,由于电池的双面受光性,测试环境中光的散射及折射等,电池背面同时受到一定强度的光照,产生光电转换效率,从而提升了正面测试时电池的Voc及Isc。
  2.5量子效率测试
  抽取其中1片效率20.3%的n型双面电池,采用美国PVmeasurements公司的量子效率测试系统分别测试其正背面量子效率,测试结果如图6所示。其中IQE-B和EQE-B分别为B扩面的IQE及EQE曲线,IQE-P及EQE-P分别为P扩面的IQE及EQE曲线,从图中可以看出该制备的n型双面电池正面的量子效率优于背面的量子效率,测试结果与电池效率测试结果是一致的。


  2.6n型双面电池的漏电行为研究
  研究了在反向电压条件下该n型双面电池的漏电行为。该n型双面太阳电池在反向电压12V下测试,并联电阻为53Ω·cm2,反向电流为503mA/cm2。对电池进行电致发光测试(electroluminescence,EL),如图7所示。EL测试显示硼扩面背面有明显的边缘漏电,与反向电流一致性较高。通过测试硼、磷正面及反偏面对比显示,主要为硼扩面反偏下边缘漏电明显。反偏电流密度较高主要是电池的边缘pn结未隔离完全导致。为确保电池边缘pn结刻蚀干净,优化了激光刻边工艺,电池的并联电阻提高至152Ω·cm2,反向电流降至102mA/cm2,激光刻边工艺对电池边缘漏电有明显的改善,2000片批量生产电池的平均测试结果为:Voc为653mV,Jsc为38.6mA/cm2,FF为79.5%,η为20.04%。



3结论

  展示了在n型Cz硅片上采用硼、磷管式扩散法制备的双面电池,正面峰值效率达到20.3%,背面峰值效率达到17.59%。采用不同的扩散条件对硼扩散方阻均匀性进行了优化。采用管式扩散炉制备的BSG/SiOx沉积层,可作为一个有效的磷扩散阻挡层。ALD沉积的Al2O3层可对电池表面起到良好的钝化效果。采用不同的测试方法,n型双面电池测试结果会有一定差别,优化激光刻边工艺对电池的边缘漏电有明显的改善作用。



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