晶体硅太阳电池表面钝化的研究

1、晶体硅太阳电池表面钝化的研究彭银生,刘祖明,陈庭金(云南师范大学太阳能研究所,云南昆明650092摘要:文章从理论上分析了太阳电池的表面复合及重掺杂效应。在实验上采用二氧化硅作为钝化膜,比较了两种不同表面浓度的太阳电池片钝化效果,得出低表面浓度的太阳电池片比高表面浓度的太阳电池片的开路电压要高,短波光谱响应要好。开路电压和短波光谱响应的提高主要来自于前表面的钝化和适当地降低了表面浓度。关键词:表面钝化;开路电压;光谱响应;太阳电池中图分类号:文献标识码:A 文章编号:1007-9793(200403-0015-03理论上硅太阳电池的最高效率超过25%1,目前硅太阳电池的最高转换效率在实验室里已

2、基本接近最高效率值,其中单晶硅太阳电池转换效率为24.7%2,多晶硅太阳电池由于存在晶界,这些晶界都是有效的复合中心,一般转换效率低于单晶硅电池,最高转换效率为19.8%2。但对于工业化生产的电池来说,其电池的转换效率低于实验室水平,一方面与硅材料有关,另一方面主要是由于重掺杂引起的禁带收缩,以及前表面、背表面较大的光生少子复合率。降低表面复合是提高太阳电池性能的重要措施之一3,本文论述了表面复合的相关理论,报道了初步的实验结果。1理论分析1.1表面复合任何一种实用的半导体都有其表面,晶格在表面突然中止,在表面最外层的每个硅原子将有未配对的电子,即有未饱和的键,这个键称作悬挂键,与之对应的电子

3、能态称为表面态。这些表面态是半导体硅表面禁带中的一些分立的或连续的电子能态(即能级。表面态能级是有效的复合中心4,能与光生少数载流子发生复合,即表面复合。表面复合降低了p -n 结对少数载流子的收集率。对于n 型半导体的表面,表面复合率U s (单位时间内通过单位面积复合掉的或空穴数,称为表面复合率与表面处非平衡少数载流子浓度(p s 以及表面态数N s 成正比,即U s =r p N s (p s (1比例系数r p 称为空穴俘获系数。r p 与电子和空穴的热运动有关,载流子热运动速度v T 越快,那么其被复合的几率也就越大。俘获系数r p 与空穴俘获截面+满足以下关系式r p =+v T(

4、2假定单位表面积的复合中心总数为N st (即表面态密度,非平衡少数载流子的浓度为(p s ,则表面复合率为U s =+v T N st (p s(3由(3式可知,要提高表面光生载流子的收集率,必须减小表面态密度,减小表面的复合。1.2重掺杂效应理论上最大的开路电压极限应当由p -n 结的空间电荷区的接触电势差所决定,接触电势差为(V oc m ax =V D =kTqln (N A N D n i2(4从(4式来看,似乎掺杂浓度越高,其开路电压就越高,但实际上开路电压有一个峰值。这是由于在晶体硅太阳电池中,当掺杂浓度高于第24卷第3期2004年5月云南师范大学学报Jou rnal of Yu

5、nnan N o rm al U n iversity V o l .24N o.3M ay 2004收稿日期:2003-07-12基金项目:国家“863”资助项目(2001AA 513040作者简介:彭银生(1976-,男,江西省吉安县人,研究生,主要从事晶体硅太阳电池的研究.1018c m-3时,会引起重掺杂效应5,即禁带宽度的收缩。重掺杂引起禁带宽度的收缩有下列经验公式5:E g=-(0.45e V×N D 1021c m-3(5其中:N D是半导体的掺杂浓度,掺杂浓度越高,禁带收缩就越大。对于理想的硅太阳电池,开路电压V oc可以表示成如下:V oc=kTqlnJ scJ0+

6、1(6饱和电流密度J0与禁带宽度E g的关系有如下经验公式5:J0=1.5×105×exp-E gkTA c m2(7从(7式可以看出,反向饱和电流密度J0随着禁带宽度的减小而增大,从而就引起了开路电压随禁带宽度的减小而减小。同时由(5式可得,禁带宽度的收缩与半导体的掺杂浓度有关,掺杂浓度越高,其禁带收缩越严重,开路电压就越低。随着n型扩散区浓度的增大,其禁带宽度收缩的绝对值不断的增大,禁带宽度的收缩,使前表面的有效掺杂浓度降低,且越靠近表面,其有效掺杂浓度越低,这样就形成了一个电场方向指向表面的衰退场,这种衰退场促使光生少子空穴向表面运动,增大了少子的复合,从而增大了反向

7、饱和电流,降低了开路电压。所以为了获得较高的开路电压,我们应该适当地降低发射顶区的表面浓度。2实验所选硅片是由B ay er公司生产的单晶C Z硅片,电阻率约为348c m,厚度约为280 300m。经过一系列的化学清洗之后,再放进扩散炉里进行扩散,扩散温度为850,扩散时间分为两组,一组为60分钟,另一组为90分钟,用四探针法测得两组硅片对应的方块电阻分别为35 458 ,20308 。采用阳极氧化的方法,测得两组硅片的结深分别约为x j=0.340. 38m,x j=0.510.55m,经查阅P C1D软件可得,两组硅片对应的表面浓度均为:N s=3.2×1020c m-3。之后

8、,再对扩散90分钟的硅片进行轻抛光(5的抛光液,抛光液配比为H N O3:H F:CH3COO H=3:1:1,除去约0.2m,对应的表面浓度约为6×1019c m-3,剩余结深约为0.31 0.35m,而对60分钟的硅片不作任何处理。之后再进行表面钝化,温度为950,干氧氧化(氮气与氧气体积比为1:1,钝化时间为7分钟,经用椭圆测厚仪进行测量,其厚度约为80100。去周边后,再进行一系列的印刷与烧结,最后制成电池片。3测试结果在25,A M1.5,100mW c m2标准光照下测试得出两组电池片的实验数据,见下表:表1太阳电池片的参数表T ab.1T he p erfo r m a

9、nce of so lar cells电池片开路电压(mV平均开路电压( mV低表面浓度电池片A1592A2595594A3594高表面浓度电池片B1588B2583584.3B3582测量两组电池片的特性参数后,在波长为400 1200nm范围内,测量两组太阳电池片的光谱响应,光谱响应如下图所示:图1两组太阳电池片的光谱响应图F ig.1A comparisons of external quan tumefficiency by h igh su rface-dop ing and lowsurface-dop ing4分析与讨论对于这两组太阳电池片,在25,A M1.5,61云南师范大学

10、学报(自然科学版第24卷100mW c m 2的条件下进行测试,最后测试结果为:低表面浓度的开路电压要比高表面浓度的开路电压要高,高表面浓度的最高开路电压为588m V ,最低为583m V ,平均开路电压为584.3m V ;低表面浓度的最高开路电压为595m V ,最低为592m V ,平均开路电压为593m V ,低表面浓度的平均开路电压比高表面浓度的平均开路电压高出了大约10m V 。从以上结果基本可以看出,太阳电池片开路电压的值随着方块电阻的升高(即表面浓度的降低而增大,说明了在适当降低表面浓度的情况下,可以提高开路电压。这是由于表面掺杂浓度的降低,比起高掺杂的太阳电池片来说,其禁带

11、收缩要小,有效掺杂浓度要高。采用化学腐蚀的方法来降低表面浓度,这样就将表面那一层重掺杂层基本去掉,改善了表面特性,促进了光生少数载流子往p -n 边界移动,提高了光生载流子的收集率。而另外一组硅片未经过化学抛光,在其表面存在重掺杂效应,所以由光谱响应图可以看出,在短波范围内,通过化学抛光降低表面浓度之后,太阳电池的光谱响应增加了,提高了短波光子的光谱响应,这光谱响应的提高主要来自于前表面的表面钝化和降低了表面浓度。波长在1050nm 之后,高表面浓度太阳电池片的光谱响应比低表面浓度太阳电池片的光谱响应也低一点,这主要是由于本实验在扩散过程中硅片是两片夹在一起进行扩散的,背面方块电阻较高,经测定

12、在2008以上,扩散之后再进行酸腐蚀,背表面的n 型层大部分被去掉,经过铝背场烧结以后,很好地形成了一个p -p +高低结结构,这将有利于对背表面少数载流子的收集,所以表现出来的长波响应较好。从以上分析来看,低表面浓度太阳电池的开路电压的提高主要来自于前表面的贡献,这也就说明了在相同的钝化条件下,低表面浓度太阳电池片的钝化效果要比高表面浓度的钝化效果要好。5结论在相同的表面钝化条件下,高表面浓度的开路电压比低表面浓度的开路电压低,平均开路电压相差约10m V ,整个开路电压的提高主要来自于对前表面的处理,致使光谱响应值在短波范围之内大大提高。参考文献:1A JEET ROHA T G I .D

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16、he fron t-su rfaces of differen t su rface dop ing concen trati on so lar cells have been p assivated by therm al grow n Si O 2th in layer .T he resu lts show that the op en -circu it vo ltage and EQ E in h igh su rface dop ing concen trati on cell are low er com p ared to the cells in low su rface dop ing concen trati on .T he m ai