三层堆叠POCl3扩散的PN结优化及太阳能电池性能分析

1、三层堆叠POCl3扩散的PN结优化及太阳能电池性能分析作者：S.L.Cheow、A.G.N.Salwa、M.Y.Khairy、A.W.Shahrul、N.Amin、K.Sopian、S.H.Zaidi，National晶体硅太阳能电池的效率在全球范围内得到广泛的探讨。一些研究人员试图发现硅片厚度对晶体硅电池性能的影响。厚度小于200m的硅片上，最佳转换效率通常为14-15.5%。制造高转换效率电池的关键在于光陷、表面钝化、抗反射层及金属化。最近的研究表明，在很窄且薄的发射极上增加方块电阻有助于获得更高的转换效率。然而较高的发射极表面复合率和衰减限制了方块电阻，即使最好性能的电池其方块电阻也只有

2、70/sq。另外，设计具有吸收虽有光产生的载荷的能力，且具有较低的欧姆接触电阻的发射极是产业提升太阳能电池的主要任务之一。最简单和可靠的减少表面再复合损失的技术史热氧化。因此，具有钝化作用的低再复合率的结是制造高转换效率的晶体硅电池的关键步骤。高温下的较长注入时间磷注入有助于制造更深的结以及横多的表面缺陷。增加体缺陷有可能减少少子的寿命，因此限制了电池性能。研究表明，更低的温度和较短的扩散时间可以显著的改善太阳能电池的转换效率。本文研究了采用热氧化进行更好的表面钝化的潜力。也探讨了通过改变发射极形成温度和扩散时间，并结合热氧化技术来提升太阳能电池性能。实验过程采用<100>方向、1

3、2.5x12.5cm2的CZ法单晶硅。图1是标准太阳能电池工艺。工艺步骤由一系列湿法化学处理开始，即KOH刻蚀(HNO3:HF, H2O:HF, KOH,H2O:HF, HNO3:HF, HCl, H2O:HF)。紧接着制绒工艺，硅片被送入三段式炉子，该设备具有定制化的注入石英管与干法氧化和湿法氧化石英管，这些使该炉子具有高生产率和快速的时间响应。 为了优化扩散曲线，在扩散腔中采用了不同的POCl3扩散工艺（950，25min；950，30min；1000，25min）。扩散工艺后，硅片在氧气氛围内、1000下进行30分钟的热处理，以沉积一层钝化膜。在丝网印刷前，边缘的寄生结通过氙气二氟化物技

4、术去除。金属化是指用Ag&Al浆料在硅片正反两面进行丝网印刷，以形成一定厚度和最小电阻。硅片随后在RTP炉中退火，目的是改变衬底交界面，活化掺杂物并提高电学性能。最后，太阳能电池被切割成7x7cm2的样品，进行方块电阻、拓展电阻和I-V曲线的测量。提高n型发射极区域的方块电阻是改善太阳能电池转换效率的关键，因为这样一来太阳光谱中的蓝光更容易被吸收。同时，增加方块电阻也会降低表面磷的浓度。为了优化发射极层，我们通过不同的注入工艺研究了方块电阻的影响。方块电阻是由四探针测量的，每个电池片测试了五个不同的点。另外，掺杂曲线是采用拓展电阻分析法(SRA)测量的，分析了电阻与电池片深度的关系。由

5、于光产生的横跨PN结的电子-空穴对会决定太阳能电池的转换效率，因此，SRA测试是衡量电池性能的关键。更重要的是，我们进行了LIV测试以明确电学特性和分析太阳能电池转换效率。结果与讨论四探针测量图2(a)表示的是扩散工艺前后方块电阻随温度变化的关系，这样我们就可以得知起始材料的质量从而优化扩散曲线。从结果可以看出，平均电阻变得更低，因为随着温度的升高，进入发射极层的杂质的数量也增多，从而降低了电阻。图2(b)是预沉积温度为1000的电池片上测量得到的方块电阻的均匀性，结果显示均匀性良好。我们可以看到，磷扩散的预沉积时间表明了较低的方块电阻，这说明形成了重掺杂的一致发射极。图3是预沉积温度与推进时

6、间的关系。如所期望的一样，重掺杂的发射极的预沉积温度的增大会明显导致更低的方块电阻。更重要的是，与优化的注入工艺相比，在电池片正面用热生长的氧化层做钝化层，而背面在接触层下面采用厚氧化层，将会导致更低的方块电阻。在重掺杂的发射极上采用热生长的氧化层减少了表面缺陷，这样可以减少背面损伤，改善内部的反射，增加载子的浓度。虽然结果看起来很好，但对于高转换效率的太阳能电池制造来说，该工艺还未得到完全优化。拓展电阻分析图4是900生长热氧化层后用SRA测量的窄且深的扩散曲线。重掺杂的发射极层的结深为0.159m。我们观察到，与图5中950的预沉积相比，结深增加到0.111m。这说明，更高的温度会带来更深

7、的结深。除此之外，950时的掺杂曲线中观察到更大的载子浓度。该曲线表示了较低温度(900)和较高温度(950)相比较的高浓度区域和浅结深度的特性。这将使发射极有更多的光吸收，并增加短路电流。考虑到曲线的“尾部”，我们还可以进一步的优化扩散工艺，以及减少表面缺陷。太阳能电池特性表1总结了所得到的单结c-Si太阳能电池的特性。作为参考，采用PECVD SiN的最佳电池结果也列在这里。需要注意的是，这里是将浅和深注入的发射极特性与SiN和热生长的氧化物薄膜相关联。优化后的重掺杂发射极上的表面钝化前后的结果都包含在这里了。重掺杂发射极的电池的IV参数比较显示，前后钝化的电池的IV值有的增长1.10%。前后钝化的电池的更高的转换效率归结于高的Voc，它表明了发射极增加的载子浓度，以及表面的低再复合率。SiN层工艺会带来最高的短路电流和开路电压，这无疑是由于抗反射层的光限制。然而，在重掺杂的发射极上沉积热生长的氧化物薄膜将很有希望进一步改善转换效率，因为这是一种成本相对较低的技术。结论工业化制造的高生产率的太阳能电池工艺可使单结晶体硅太阳能电池的转换效率达到13.36%。采用SiO2以及优化的扩散曲线工艺的电池