【摘要】研究了激光摻雜選擇性發(fā)射極匹配的擴散工藝，通過(guò)調整不同的工藝參數，達到相同的高方阻，比較了不同方法獲得的高方阻的均勻性，得到了在105Ω/□左右的高方阻仍能保持較好均勻性的擴散工藝。通過(guò)調整激光功率形成不同的重摻雜區方塊電阻，研究了不同的重摻雜區方塊電阻對電池主要電性能參數的影響，分析了變化原因。最后比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池和傳統太陽(yáng)電池的電性能及外量子效率。工藝優(yōu)化后，激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的轉換效率相比傳統太陽(yáng)電池有0.24%的提升。

引言

提高太陽(yáng)電池的光電轉換效率是提高行業(yè)競爭力的重要途徑。發(fā)射極摻雜濃度對太陽(yáng)電池轉換效率的影響是雙重的，采用高濃度的摻雜，可以減小硅片和電極之間的接觸電阻，降低電池的串聯(lián)電阻，但是高的摻雜濃度會(huì )導致載流子復合變大，少子壽命降低，影響電池的開(kāi)路電壓和短路電流。采用低濃度的摻雜，可以降低表面復合，提高少子壽命，但是必然會(huì )導致接觸電阻的增大，影響電池的串聯(lián)。選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的結構設計可以很好地解決這一矛盾[1]。選擇性發(fā)射極(iveemitter,SE)太陽(yáng)電池，即在金屬柵線(xiàn)與硅片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜，而在電極以外的區域進(jìn)行低濃度摻雜。這樣既降低了硅片和電極之間的接觸電阻，又降低了表面的復合[2]，提高了少子壽命。這種結構的電池具有以下3點(diǎn)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1)降低串聯(lián)電阻，提高填充因子;

(2)減少載流子復合，提高表面鈍化效果;

(3)增強電池短波光譜響應，提高短路電流和開(kāi)路電壓。

目前選擇性發(fā)射極的主要實(shí)現工藝[3]有氧化物掩膜法、絲網(wǎng)印刷硅墨水法、離子注入法和激光摻雜法等，其中激光PSG摻雜法由于其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，從圖1可以看出從太陽(yáng)電池常規產(chǎn)線(xiàn)升級成激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池生產(chǎn)線(xiàn)，工藝上只需增加激光摻雜一個(gè)步驟，從設備上來(lái)說(shuō)，只需增加摻雜用激光設備，與常規產(chǎn)線(xiàn)的工藝及設備兼容性很高，是行業(yè)研究的熱點(diǎn)。激光PSG摻雜法是采用擴散時(shí)產(chǎn)生的磷硅玻璃層作為摻雜源進(jìn)行激光掃描，形成重摻雜區。目前雖然對激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的理論研究和實(shí)驗的報道很多，但是在實(shí)際的大規模生產(chǎn)中，仍然存在著(zhù)擴散高方阻的均勻性、輕重摻雜區方塊電阻匹配和印刷正電極的精確對位等問(wèn)題，本文主要對前兩個(gè)問(wèn)題相關(guān)工藝進(jìn)行研究。

2.實(shí)驗過(guò)程

2.1實(shí)驗原材料

實(shí)驗采用156.75156.75mm的單晶硅片，厚度180～200μm，電阻率范圍1～3Ω˙cm.

2.2擴散工藝的實(shí)驗設計

擴散工藝的基本步驟如圖2所示。在擴散工藝中，影響擴散后硅片方塊電阻的工藝參數有大氮氣體流量、小氮氣體流量、氧氣流量、擴散溫度、擴散時(shí)間和源瓶溫度等參數。其中，擴散時(shí)間和擴散溫度是大規模生產(chǎn)中常用的調整方阻的工藝參數。目前，激光摻雜選擇性發(fā)射極擴散輕摻雜的方快電阻一般在100～110Ω/□之間。本實(shí)驗以105Ω/□為目標方快電阻，通過(guò)縮短擴散時(shí)間和降低擴散溫度兩種方式將正常的85Ω/□升高至目標方阻。實(shí)驗使用Tempress4管5恒溫區擴散爐進(jìn)行，實(shí)驗1為將原擴散工藝的擴散時(shí)間縮短4min,實(shí)驗2為將原擴散工藝的擴散溫度降低12℃。每組實(shí)驗做一管(500片)，擴散工藝完成后，從每個(gè)恒溫區的中間位置各抽取一片，使用四探針?lè )綁K電阻測試儀測試硅片中心點(diǎn)和四個(gè)邊角的方塊電阻。

2.3激光摻雜工藝的實(shí)驗設計

在激光摻雜工藝中，利用激光的熱效應，熔融硅片表層，覆蓋在發(fā)射極頂部的磷硅玻璃(PSG)中的磷原子進(jìn)入硅片表層，磷原子在液態(tài)硅中的擴散系數要比在固態(tài)硅中高數個(gè)數量級[4]。固化后摻雜磷原子取代硅原子的位置，形成重摻雜層。使用優(yōu)化后的擴散工藝，制作方快電阻在105Ω/□的實(shí)驗樣片400片，分成四組，每組100片。激光摻雜使用波長(cháng)532nm的納秒脈沖激光器，分別調整激光功率至20W、30W、40W和50W,對四組實(shí)驗樣片進(jìn)行掃描，形成每條120μm寬的重摻雜區。對于各組中用于測試方阻的樣品硅片，使用激光掃描20mm20mm的方塊面積。以得到均勻的激光重摻雜區域，用四探針測試其方塊電阻。

3.實(shí)驗結果與分析

3.1擴散方塊電阻結果

方塊電阻是衡量擴散質(zhì)量是否符合工藝要求的重要指標，擴散方塊電阻的均勻性尤其重要，直接關(guān)系到后續工藝的匹配，并最終對太陽(yáng)電池轉換效率產(chǎn)生影響，用方塊電阻的不均勻度來(lái)反應方塊電阻的均勻性，不均勻度的計算公式為：

以下是兩組實(shí)驗擴散方塊電阻數據，并計算了方塊電阻的片內均勻性，數據見(jiàn)表1和表2。

從表1和表2兩組數據中可以看出，實(shí)驗1方塊電阻的片內不均勻度大多數都在4.0%之內，均勻性較好，而實(shí)驗2方塊電阻的片內不均勻度大多數都在4.0%以上，其中有三個(gè)溫區在5.0%以上，均勻性較差。通過(guò)縮短擴散時(shí)間減少摻雜雜質(zhì)總量提高方塊電阻，對于工藝氣體流量、溫度場(chǎng)等均沒(méi)有較大的影響，因此可以最大程度地保持片內方塊電阻的均勻性。擴散溫度的降低影響硅片表面磷硅玻璃層的形成，減弱了磷硅玻璃層對磷擴散的阻礙作用，使方塊電阻的片內均勻性偏差。另外，在大規模生產(chǎn)中，縮短工藝實(shí)驗可以提高產(chǎn)量，節約生產(chǎn)成本。

3.2激光摻雜實(shí)驗結果

用四探針對激光掃描的2020mm的樣片進(jìn)行方塊電阻的測量，然后四組實(shí)驗在相同的工藝條件下進(jìn)行洗磷刻蝕、PECVD鍍減反膜、絲網(wǎng)印刷電極和燒結，制成成品電池片，并測試其電性能參數，不同激光功率對重摻雜區方塊電阻以及最終對電池串聯(lián)電阻的影響如表3所示：

從表3中可以看出，當激光功率為20W時(shí)，方塊電阻變化較小，僅有5Ω/□的降低，電池的串聯(lián)電阻較高。隨著(zhù)激光功率的增加，方塊電阻明顯降低，電池串聯(lián)電阻呈現先下降后升高的趨勢。這主要是由于激光功率較小時(shí)，不足以使硅片表面溶化，磷原子向硅片表面的摻雜較少，不能形成重摻雜區，導致金屬電極與發(fā)射極之間無(wú)法形成良好的歐姆接觸，使電池的串聯(lián)電阻處于較高的水平。當激光功率上升到30W以上時(shí)，隨著(zhù)激光功率的增加，硅片表面溶化的深度不斷加深，摻雜磷原子在硅片表面所能達到的深度也隨之增加，因此方塊電阻有明顯的降低，低方塊電阻的重摻雜區與金屬柵線(xiàn)形成良好的歐姆接觸，接觸電阻降低，電池的串聯(lián)電阻得到明顯的改善。當激光功率達到50W時(shí)，電池的串聯(lián)電阻有升高的趨勢，這一方面是由于過(guò)高的激光功率會(huì )使磷硅玻璃部分蒸發(fā)而減少摻雜源[5]，導致磷原子的表面濃度降低，另一方面，激光摻雜，磷硅玻璃作為有限源，當激光功率較高時(shí)，隨著(zhù)硅片表面溶化時(shí)間和溶化層厚度的增加高濃度區域加深，磷硅玻璃中更多的磷原子被驅趕到硅片表層，導致磷原子表面的濃度降低?？傊?，過(guò)高的激光功率會(huì )使磷原子的表面濃度降低，不能與金屬電極形成良好的歐姆接觸導致串聯(lián)電阻的升高。

3.3激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池電性能結果

從表4中可以看出，與常規電池相比較，激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓和短路電流都有明顯的提升。原因是高方塊電阻的輕摻雜發(fā)射極可以有效減少載流子的復合幾率，提高載流子的收集效率，低表面摻雜濃度還可以使表面態(tài)密度降低，提高表面鈍化效果，最終提高電池的開(kāi)路電壓和短路電流。另外，選擇性發(fā)射極輕、重摻雜區的摻雜濃度差形成高低結，進(jìn)一步提高電池的開(kāi)路電壓。

不同激光功率對電池轉換效率的影響，從上表中可以看出，當激光功率為20W時(shí)，激光摻雜對硅片重摻雜區方阻影響不大，雖然由于發(fā)射極的輕摻雜使電池的開(kāi)路電壓和短路電流都有明顯的提升，但是串聯(lián)電阻過(guò)大，導致最終效率較低。當激光功率在30W～50W之間時(shí)，電池的開(kāi)路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻等電性能參數相比常規電池都有明顯的改善。激光功率在此區間內，隨著(zhù)功率的增加，開(kāi)路電壓沒(méi)有明顯變化，短路電流隨著(zhù)功率的增加呈下降的趨勢，主要是激光功率過(guò)高時(shí)對摻雜區的絨面有損傷，影響對光的吸收。激光功率大小對串聯(lián)電阻的影響前文已進(jìn)行分析，不再重復。綜上所述，當激光功率在40W,重摻雜區方阻降至63Ω/□左右時(shí)，輕、重摻雜區工藝匹配達到最優(yōu)，相比傳統電池，效率有0.24%的提升。

3.4外量子效率測試結果

對工藝優(yōu)化的激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池和常規太陽(yáng)電池進(jìn)行外量子效率的測試分析，如圖3所示，從圖中可以看出在300nm～520nm波段范圍內，激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池的外量子效率相比常規太陽(yáng)電池有較明顯的提升，但是在中長(cháng)波段基本與常規電池一致。主要是由于激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池發(fā)射極區域摻雜濃度低，前表面的載流子復合幾率降低，對光生載流子的收集增加，電池的光譜響應增強。

4.結論

通過(guò)縮短擴散時(shí)間和降低擴散溫度兩種方法提高擴散的方塊電阻，形成輕摻雜，比較了兩種方法形成的高方塊電阻的均勻性，發(fā)現縮短擴散時(shí)間提高方塊電阻的方法得到的高方塊電阻的均勻性較好。重摻雜區方塊電阻匹配的研究，通過(guò)改變激光功率形成不同的重摻雜區方塊電阻，發(fā)現當激光功率在40W左右，重摻雜區方塊電阻在66Ω/□左右時(shí)，工藝達到最優(yōu)，電池的開(kāi)路電壓、短路電流和串聯(lián)電阻等參數均有明顯的改善，最終轉換效率相比傳統電池有0.24%的提升。比較了激光摻雜選擇性發(fā)射極太陽(yáng)電池和傳統太陽(yáng)電池的外量子效率，相比傳統太陽(yáng)電池，激光摻雜選擇性太陽(yáng)電池主要在300～520nm的短波范圍內有較明顯的提升。柴油發(fā)電機組