賈積凱

【摘 要】N型硅鋁背發(fā)射極太陽(yáng)電池具有高轉(zhuǎn)換效率、無(wú)光致衰減、與現(xiàn)有常規(guī)電池生產(chǎn)線兼容的有點(diǎn)，從而降低的N型電池的制造成本。而前面場(chǎng)是這一結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的重要組成部分。前面場(chǎng)的作用類(lèi)似于P型常規(guī)太陽(yáng)電池鋁背場(chǎng)的作用。前面場(chǎng)可以增強(qiáng)載流子的收集能力，提高電池的開(kāi)路電壓，以及電池的轉(zhuǎn)換效率。在本文中，前面場(chǎng)的摻雜分布進(jìn)行了細(xì)致的研究。優(yōu)化后的表面濃度在4E+20 cm-3，同時(shí)前面場(chǎng)的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之間。太低的摻雜濃度無(wú)法提供一個(gè)高強(qiáng)度的前面場(chǎng)，而太高的摻雜濃度則引入過(guò)多的載流子復(fù)合中心。對(duì)于前面場(chǎng)的深度，過(guò)薄會(huì)增加載流子的橫向電阻，過(guò)厚則會(huì)影響電池對(duì)于短波段光的吸收與轉(zhuǎn)化。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)電池；N型；鋁背發(fā)射極；前面場(chǎng)

引言

目前，大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的太陽(yáng)電池絕大部分還是基于P型硅材料的?；旧纤械奶?yáng)電池產(chǎn)品都是具有一個(gè)同質(zhì)的發(fā)射極、一層PECVD沉積的減反層、以及絲網(wǎng)印刷制備的前后電極?，F(xiàn)今，N型硅電池的開(kāi)發(fā)興趣越來(lái)越濃厚。N型電池具有更高的載流子壽命、更小的載流子俘獲截面、更高的金屬雜質(zhì)耐受性等[1； 2； 3.]同時(shí)，N型太陽(yáng)電池也克服了P型電池由于硼氧復(fù)合體導(dǎo)致的光致衰減的弱點(diǎn)[4.]近幾年，許多用于N型硅太陽(yáng)電池的技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)[6； 7； 8；9；10； 11； 12； 13.]許多N型硅太陽(yáng)電池產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng). 但是這些結(jié)構(gòu)的電池工藝與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝具有很大的差異，無(wú)法與現(xiàn)有P型硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)兼容，并且本身的工藝成本也非常高?？焖佟⒌统杀?、與現(xiàn)有P型太陽(yáng)電池生產(chǎn)兼容的N型太陽(yáng)電池的開(kāi)發(fā)就顯得非常重要，而N型鋁背發(fā)射極太陽(yáng)電池就可以完美做到這一點(diǎn)。Christian Schmiga等人就報(bào)道了他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室達(dá)到了19.2%的效率[20.]。Top cell Solar International 也已經(jīng)可以生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率19.2%的大面積（239 cm2），N型太陽(yáng)電池了[21.]。

一、實(shí)驗(yàn)

本論文的實(shí)驗(yàn)是基于6英寸（148.58 cm2）的單晶Cz N型硅片的。硅片的電阻率大約是5 ?·cm。整個(gè)制備工藝以堿制絨開(kāi)始，經(jīng)過(guò)清洗后進(jìn)行磷擴(kuò)散。擴(kuò)散后硅片方塊電阻為50 ?/□。之后進(jìn)行濕法刻蝕，去除邊緣和背面的多余擴(kuò)散部分。同時(shí)利用HNO3/HF的化學(xué)氣相腐蝕，控制前面場(chǎng)的表面濃度和深度。緊接著硅片正面使用PECVD進(jìn)行氮化硅減反膜的沉積，以及背面絲網(wǎng)印刷全鋁背場(chǎng)。最后進(jìn)行前面表面電極的制備。前表面電極的制備包括了電極下方的重?cái)U(kuò)散，使用表面噴涂磷源加激光擴(kuò)散的方法，使得重?cái)U(kuò)散區(qū)域的方阻降低到15 ?/□。

二、結(jié)果與討論

對(duì)于前面場(chǎng)的優(yōu)化主要包括兩個(gè)方面，一個(gè)是前面場(chǎng)的深度，另一個(gè)是表面濃度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先進(jìn)行重?cái)U(kuò)散，之后使用HNO3/HF的化學(xué)氣相腐蝕，配合低溫下KOH的浸泡，控制表面濃度和深度。

隨著前面場(chǎng)厚度的增大，電池的串聯(lián)電阻逐步減小，F(xiàn)F逐步增大，這主要是減少了前表面的橫向電阻。但是隨著前面場(chǎng)厚度的增加，電池的短路電流卻一直在減小，當(dāng)前面場(chǎng)厚度超過(guò)0.25 μm左右時(shí)短路電流減小的影響超過(guò)了FF增加的效果，所以電池轉(zhuǎn)換效率開(kāi)始下降。短路電流的下降主要來(lái)自于短波長(zhǎng)的響應(yīng)減小。

在固定前面場(chǎng)深度的情況下，改變表面濃度。根據(jù)前面的分析，前表面場(chǎng)的深度在0.25 μm到0.3 μm間效果最好。故這里基本控制在0.27 μm，表面濃度在1E+20 cm-3-8E+20 cm-3之間變化。

由于固定了前表面場(chǎng)的深度，電池短路電流基本穩(wěn)定。隨著表面濃度的提高，電池的串聯(lián)電阻減小，F(xiàn)F提升，這同樣也與前表面的橫向電阻降低有關(guān)。隨著表面濃度的提升，開(kāi)路電壓先升高后降低。表面濃度的提高，使得前表面場(chǎng)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)更加靠近導(dǎo)帶底，使得它與基底的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)差變大，這樣可以有效提高前面場(chǎng)的勢(shì)壘，提升開(kāi)路電壓。但是由于前表面場(chǎng)濃度的提高必然因擴(kuò)散而引入大量的擴(kuò)散雜質(zhì)和復(fù)合中心，使得少子壽命降低。因此少子壽命的降低與前表面場(chǎng)勢(shì)壘的提高有一個(gè)平衡和制約關(guān)系。大概表面濃度在4E+20 cm-3左右時(shí)，電池性能最好。

三、總結(jié)

N型硅鋁背發(fā)射極太陽(yáng)電池具有高轉(zhuǎn)換效率、無(wú)光致衰減、與現(xiàn)有常規(guī)電池生產(chǎn)線兼容的有點(diǎn)，從而降低的N型電池的制造成本。而前面場(chǎng)是這一結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的重要組成部分。前面場(chǎng)的作用類(lèi)似于P型常規(guī)太陽(yáng)電池鋁背場(chǎng)的作用。前面場(chǎng)可以增強(qiáng)載流子的收集能力，提高電池的開(kāi)路電壓，以及電池的轉(zhuǎn)換效率。在本文中，前面場(chǎng)的摻雜分布進(jìn)行了細(xì)致的研究。前面場(chǎng)的深度將主要影響電池的短路電流和FF；表面濃度主要影響電池的開(kāi)路電壓和FF。優(yōu)化后的表面濃度在4E+20 cm-3，同時(shí)前面場(chǎng)的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之間。太低的摻雜濃度無(wú)法提供一個(gè)高強(qiáng)度的前面場(chǎng)，而太高的摻雜濃度則引入過(guò)多的載流子復(fù)合中心。對(duì)于前面場(chǎng)的深度，過(guò)薄會(huì)增加載流子的橫向電阻，過(guò)厚則會(huì)影響電池對(duì)于短波段光的吸收與轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]Cotter， J.E.， Guo， J.H.， Cousins， P.J.， Abbott， M.D.， Chen， F.W.， Fisher， K.C.， 2006. P-type versus n-type silicon wafers： prospects for high efficiency commercial silicon solar cells. IEEE Trans. Electron Dev. 53，1893–1901.

[2]Macdonald， D.， Geerligs， L.J.， 2004. Recombination active of interstitial iron and other transition metal point defects in P- and n-type crystalline silicon. Appl. Phys. Lett. 85， 4061–4063.

[3]Schmidt， J.， Aberle， A.G.， Hezel， R.， 1997. Investigation of carrier lifetime instabilities in CZ grown silicon. In： 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， pp. 13–18.

[4]Bothe， K.， Sinton， R.， Schmidt， J.， 2005. Fundamental born-oxygen-related carrier lifetime limit in mono and multicrystalline silicon. Prog. Photovoltaics： Res. Appl. 13， 287–296.endprint