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        單晶硅太陽電池黑角問題的研究

        2019-06-18 07:16:16和江變李顯光
        人工晶體學(xué)報 2019年5期
        關(guān)鍵詞:少子單晶硅壽命

        和江變,鄒 凱,李顯光

        (1.內(nèi)蒙古日月太陽能科技有限責(zé)任公司,呼和浩特 010111;2.內(nèi)蒙古太陽能電池產(chǎn)業(yè)化工程研究中心,呼和浩特 010111;3.包頭市山晟新能源有限責(zé)任公司,包頭 014100;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院,呼和浩特 010070)

        1 引 言

        太陽電池片作為光伏發(fā)電的主要部分,其質(zhì)量直接影響著太陽電池組件的壽命、穩(wěn)定性以及光電轉(zhuǎn)換的效率等。隨著光伏電池制造業(yè)的快速發(fā)展及各種外界對光伏市場的不斷促進,加快了光伏產(chǎn)業(yè)升級及成本降低的速度[1]。近年來,光伏發(fā)電領(lǐng)域?qū)﹄姵仄圃爝^程的檢驗手段越來越嚴(yán)格,如產(chǎn)業(yè)化晶體硅電池電學(xué)性能檢測、外觀顏色分選、電致發(fā)光(EL,Electroluminescence)、光致發(fā)光(PL,Photoluminescence)缺陷篩選等均已實現(xiàn)在線自動化操作,大大提高了太陽電池的制作質(zhì)量和可靠性,生產(chǎn)成本明顯降低。光伏電池的在線EL檢測技術(shù),可快速準(zhǔn)確地檢測晶硅太陽電池中存在的隱裂、斷柵、黑片、燒結(jié)污染和工藝污染等問題[2]。EL檢測出電池的各種缺陷問題中,如黑斑、黑芯、黑角等,對有些問題產(chǎn)生的原因、機制還沒有得到深入的研究分析。對單晶硅電池存在黑角的問題研究鮮有報道,僅查閱到2017年有篇關(guān)于晶硅太陽電池黑斑分析的文章[3]。因此,研究分析晶硅太陽電池產(chǎn)業(yè)化中EL黑角問題的原因,對生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量降低成本有著重要的意義及價值。文中EL黑角缺陷,是指電池片EL結(jié)果照片四個角中有一個或一個以上的角比其他位置的明顯偏暗,并且從外向內(nèi)慢慢變亮。

        通過對相同制作工藝、光電轉(zhuǎn)換效率相近的正常單晶硅太陽電池和出現(xiàn)黑角問題電池的電性能參數(shù)、EL和PL測試,對測試結(jié)果進行研究。主要對問題電池的黑角處的少子壽命、導(dǎo)電類型、電阻率、SEM等測試和電池體內(nèi)位錯腐蝕實驗,分析EL檢測電池呈現(xiàn)黑角現(xiàn)象的可能諸因素。

        2 實 驗

        2.1 單晶硅電池片生產(chǎn)制備過程

        實驗用的原始單晶硅片相關(guān)參數(shù):P型摻硼單晶硅,面積為156.75 mm×156.75 mm,厚度為(180±10) μm,電阻率為(1.5±0.5) Ω·cm,少子壽命大于 50 μs(Semilab WT-2010 μ-PCD測試)。

        電池生產(chǎn)工藝:堿腐蝕去損傷層、制備電池表面陷光層→單面磷(POCl3)擴散形成PN結(jié)→濕法刻蝕周邊結(jié)及清洗→電池上表面熱氧化制氧化硅薄層→等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)在電池上表面沉積SiNx∶H減反射膜及鈍化→絲網(wǎng)印刷電池的正反面銀電極和AL背電場→高溫?zé)Y(jié)形成良好的歐姆接觸。最后經(jīng)EL對電池片全面檢測,并用Baccini自動分選機Berger測試儀(意大利)測試電池片的電性能并分檔,篩選出問題電池。

        2.2 實驗樣品的選擇

        用紅外缺陷測試儀EL-scss(沛德光電)對在線生產(chǎn)的80000片電池全檢,黑角電池有315片,約占0.39%。出現(xiàn)問題的電池效率均低于19.90%,參見表1。隨機選出10片不同程度出現(xiàn)黑角缺陷的和3片相近電性能的正常電池進行編號。

        2.3 去除電池電極和N型擴散層的腐蝕

        首先對13個樣品電池用PL-OE(香港)檢測,然后對所有樣品進行腐蝕去除電池PN結(jié)只保留一定厚度的單晶硅片。

        腐蝕方法:首先用純鹽酸(EL級)浸泡樣品電池15 min,腐蝕掉電池的鋁背場;其次,再用純鹽酸和硝酸(3∶1,EL級)混合液腐蝕480 s去掉電池的正面銀電極;最后用氫氟酸和純水(6∶1,EL級)腐蝕120 s,去掉電池正面減反射膜。腐蝕過程均在室溫下進行。

        2.4 樣品性能測試

        對腐蝕后的13個P型單晶硅樣品,用四探針科技PN-30型冷熱探針(廣州)、RTS-4型四探針(廣州)、Semilab WT-2010 μ-PCD(匈牙利),進行導(dǎo)電類型、中心電阻率、少子壽命測試。少子壽命檢測時,對樣品清洗快速并烘干后,用工業(yè)碘酒保護裝袋。用掃描電鏡(HITACHI S-4800)測試典型樣品(樣品2和7)的中心及邊緣處的微結(jié)構(gòu)形貌。再用Schimmel A擇優(yōu)腐蝕液[4],在室溫下分別對樣品2和7中心和邊緣處腐蝕10~15 min,用金相顯微鏡(奧林巴斯MX51)觀察其表面。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 樣品的電參數(shù)及EL測試分析

        (1)樣品的EL測試分析

        EL檢測的原理:當(dāng)給太陽電池加正向偏壓,PN結(jié)的勢壘降低載流子通過勢壘注入到擴散區(qū)成為非平衡少數(shù)載流子(非少子),不斷與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光,被CCD采集經(jīng)轉(zhuǎn)換成圖像,載流子復(fù)合越多,相應(yīng)的EL圖像越亮,反之圖像發(fā)暗,因此通過EL檢測圖像,就可知電池不同區(qū)域的少子壽命的高低,則電池角部發(fā)黑區(qū)域的少子壽命低,復(fù)合較大[2]。

        用EL檢測13個樣品電池,圖1給出代表樣品的結(jié)果。由圖1知,樣品2和7電池的四個邊角區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的發(fā)黑現(xiàn)象,其他位置亮度正常;樣品13整體亮度均勻。

        (2)樣品的電參數(shù)分析

        Baccini自動分選測試儀測試樣品的電性能參見表1。其中,樣品1~10為EL測試出現(xiàn)黑角的電池,樣品11~13為EL正常電池。

        圖1 電池的EL測試結(jié)果 Fig.1 The EL testing result of solar cells

        從表1看到,樣品1~10的開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)均明顯低于正常電池,但串聯(lián)電阻(Rs)、并聯(lián)電阻(Rsh)及反向漏電流(Irev2)的數(shù)值基本正常。

        Eff=(FF×Isc×Voc)/Pin

        (1)

        式中,Eff為電池光電轉(zhuǎn)換效率,Pin為電池接收的總?cè)肷涔夤β省?/p>

        公式(1)給出電池效率與開路電壓和短路電流等的關(guān)系??梢?,當(dāng)電池Uoc、Isc較低時,電池的效率也較低,與電性能測試結(jié)果吻合。

        表1 電池片的電性能參數(shù)Table 1 The electricity performance parameters of the solar cells

        結(jié)合EL圖像,若從電池結(jié)構(gòu)來考慮,該測試結(jié)果可能與電池PN結(jié)質(zhì)量有關(guān)。因為當(dāng)電池的基底硅材料和串并聯(lián)電阻正常時,PN結(jié)的好壞則決定了電池內(nèi)建電場分離光生電子-空穴對的能力。當(dāng)然這與電池原材料質(zhì)量有直接關(guān)系。

        Ln=(Dn×τn)1/2

        (2)

        式中,Ln為擴散長度,Dn為擴散系數(shù),τn為少子壽命。

        (2)式給出少數(shù)載流子的壽命與擴散長度和擴散系數(shù)的關(guān)系。可見,若原始單晶硅片的少子壽命低,其少子擴散長度就會短,則光生載流子穿越勢壘區(qū)形成的光生電流低。

        (3)

        式中,q為電子電量,ni為本征濃度,NA為受主濃度,τn為少子壽命,xm為勢壘區(qū)寬度(即結(jié)深)。

        (3)式給出少數(shù)載流子的壽命與飽和暗電流的關(guān)系??梢姡粼紗尉Ч杵纳僮訅勖?,其暗電流高,則光生電流低。

        (4)

        式中,k為玻爾茲曼常數(shù),T為溫度參數(shù),q為電子電量,Ln為擴散長度,NA為受主濃度,ni為本征濃度,Dn為擴散系數(shù)。

        3.2 樣品的PL測試分析

        PL測試原理:半導(dǎo)體中的電子吸收外界光子后被激發(fā),處于激發(fā)態(tài)的電子是不穩(wěn)定的,可以向較低的能級躍遷,以光輻射的形式釋放出能量的過程。PL測試主要用于定性分析硅材料中淺雜質(zhì)濃度、位錯等缺陷及材料少子壽命。

        圖2 電池的PL測試結(jié)果 Fig.2 The PL testing result of solar cells

        用PL檢測13個電池樣品,圖2給出的結(jié)果與EL測試結(jié)果完全吻合,也進一步說明樣品1~10出現(xiàn)黑角邊問題,不是電池制作過程產(chǎn)生的。為尋找真正得原因,又對電池表面形貌和基底單晶硅材料進行測試分析。

        3.3 樣品的SEM測試分析

        SEM測試用的樣品,是已腐蝕掉了樣品電池正反面電極和正面減反射薄膜,沖洗干凈烘干,但未對其表面進行拋光酸洗。

        綜合分析黑角電池的EL、Eff及PL測試結(jié)果,選出樣品2和7,用掃描電鏡(HITACHI S-4800)觀察樣品中心及角部的SEM形貌,測試結(jié)果參見圖3。

        由圖3可見,2、7樣品表面整體均勻致密,邊緣處均有類似過腐蝕的凹坑,樣品表面白色顆粒可能是制作表面陷光結(jié)構(gòu)時,未徹底洗凈掉的NaOH。從SEM圖來看,樣品的表面形貌基本正常,未顯示有特殊問題出現(xiàn)。由此可見,電池的黑角邊與表面形貌無明顯的關(guān)聯(lián)。另外,參考表1樣品電性能參數(shù)分析,樣品2和7的Irev2大小與正常電池樣品的大小基本一致,由此可見,電池EL黑角并非濕法刻蝕過程中過度刻蝕所致。

        3.4 樣品單晶硅材料的測試分析

        3.4.1 導(dǎo)電類型測試結(jié)果

        如果要測試分析基底單晶硅材料的情況,必須要腐蝕掉電池N型擴散層,僅保留原始P型單晶硅的區(qū)域。用冷熱探針(PN-30型,廣州)測試樣品的導(dǎo)電類型和電阻率。如果結(jié)果顯示是N型,則說明電池的N型擴散層未去除干凈;反之是P型,說明擴散層已腐蝕干凈。腐蝕工藝按2.3 去除電池電極和N型擴散層的腐蝕方法進行。

        字如其人,你的字代表你的性格秉性,甚至你的處事藝術(shù)。見字如面,古人常說。灑脫的字體代表你的奔放,拘謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)說明你的謹(jǐn)慎,怪異的筆畫顯露出你的孤僻。字就是你,你就是字。揮毫潑墨之間,性情盡現(xiàn)。

        表2給出13個樣品硅基底材料的導(dǎo)電類型測試結(jié)果,由表2結(jié)果知,實驗用的樣品經(jīng)腐蝕后全部顯示為P型,說明擴散層已全部腐蝕干凈,只留基底硅材料。

        表2 腐蝕剝離后單晶硅基底的導(dǎo)電類型Table 2 The conductive type of base silicon material with stripping

        3.4.2 樣品的少子壽命測試分析

        用Semilab WT-2010 μ-PCD少子壽命測試儀,掃描測試樣品硅單晶基底材料的整體少子壽命分布,圖4給出樣品2 和7 的少子壽命分布。

        從圖4可看到,樣品2和7的P型硅片的四角呈紅色,說明樣品中這些區(qū)域的少子壽命低約50~60 μs,尤其是樣品2角部少子壽命僅50 μs以下。材料的少子壽命低,則電池效率也明顯低,為18.95%,其EL、PL的測試圖像也發(fā)暗,與各項測試結(jié)果相吻合。樣品13的四角位置少子壽命均大于80 μs,圖像未見四角發(fā)紅現(xiàn)象,樣品的中間少子壽命小于50 μs,整體分布較均勻,其電池效率為19.94%,與EL、PL及電性能測試結(jié)果相吻合。

        圖4 樣品少子壽命測試結(jié)果圖 Fig.4 The EL lifetime result of the samples

        圖5 黑角電池樣品體內(nèi)的間隙氧含量 Fig.5 The interstitial oxygen content of the black edge solar cells

        3.4.3 樣品的間隙氧含量測試

        由上述分析可知,EL測試電池四角邊發(fā)黑處少子壽命低,此區(qū)域則存在強復(fù)合中心,為進一步分析產(chǎn)生此強復(fù)合中心的原因,實驗需要檢驗硅材料角部是否存在間隙氧含量超標(biāo)的現(xiàn)象。用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet6700),測試黑角邊電池的邊緣和中心的間隙氧含量,結(jié)果如圖5所示。

        圖5給出,黑角邊樣品電池的間隙氧含量均在基準(zhǔn)線以下,中心處的氧含量約高出邊緣氧含量10%~25%,其氧含量分布正常[5],排除EL黑角邊的少子壽命復(fù)合中心與硅基底材料的間隙氧含量關(guān)系不大。

        3.4.4 材料內(nèi)部微缺陷的腐蝕觀測

        為進一步深入分析研究電池邊角部發(fā)黑區(qū)域處少子壽命低的問題,按照GB/T 1554《硅晶體完整性化學(xué)擇優(yōu)腐蝕檢驗方法》,將樣品2、7用氫氟酸和硝酸(1∶3)的拋光液腐蝕180 s,再選用Schimmel A擇優(yōu)腐蝕液[4],對樣品腐蝕10~15 min清洗并快速烘干,采用工業(yè)碘酒保護裝袋。用金相顯微鏡(奧林巴斯MX51)觀察材料體內(nèi)的結(jié)構(gòu),測試結(jié)果參見圖6。

        圖6 硅材料中的缺陷腐蝕坑 (a)樣品2中心;(b)樣品2邊角;(c)樣品7中心;(d)樣品7邊角 Fig.6 The defects of silicon materials with etched pit (a)sample 2 centre;(b)sample 2 corner;(c)sample 7 centre;(d)sample 7 corner

        圖7 樣品2和7的缺陷微結(jié)構(gòu) Fig.7 The microstructure defects of sample 2 and sample 7

        圖6給出,樣品2和7的硅材料邊角處均出現(xiàn)硅(100)晶向的典型位錯腐蝕坑(一個觀察視場)。位錯屬于一種線缺陷,是晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷,原子局部不規(guī)則排列產(chǎn)生位錯,它對材料的物理性能,尤其是力學(xué)性能,有極大的影響。

        當(dāng)單晶硅材料的區(qū)域中出現(xiàn)位錯,就會形成復(fù)合中心加快載流子的復(fù)合,從而降低了少子壽命,導(dǎo)致電池的短路電流密度和開路電壓大大降低。位錯還可吸引其他雜質(zhì)原子(如金屬雜質(zhì))在此沉淀,也會加快載流子復(fù)合降低了少子壽命、短路電流密度和開路電壓。

        造成材料中出現(xiàn)位錯的可能因素有:

        (1)拉晶過程中產(chǎn)生的原生缺陷[6];

        (2)電池在制作過程經(jīng)歷高溫過程產(chǎn)生的誘生缺陷;

        (3)單晶硅棒在滾磨和切片過程引入外應(yīng)力,磨料顆粒在加工沖擊零件表面時,因沖擊力作用使材料表面產(chǎn)生很大的應(yīng)變率,使表面位錯密度急速增加變大。

        電池制造過程中,只有擴散制PN結(jié)時要經(jīng)歷約1 h 840~860 ℃的高溫處理,其他地方都是低溫或快速高溫?zé)崽幚恚姵鼗坠璨牧闲律诲e的話需要經(jīng)歷900 ℃以上高溫才能顯現(xiàn)。因此,可以排除第(2)條因素,即不是電池在制造過程中產(chǎn)生的誘生缺陷。

        d=m/(S×ρsi)

        (5)

        式中,d為總腐蝕厚度,m為腐蝕掉的硅重量,S為硅片面積,ρsi為固體硅的密度。

        公式(5)給出腐蝕去除原始硅片損傷層總厚度的計算公式。

        在做單晶硅電池時,首先要腐蝕去除原始硅片損傷層同時制作電池表面的陷光結(jié)構(gòu),此工藝過程要腐蝕掉0.55~0.65 g/片硅料。目前,行業(yè)內(nèi)使用金剛線切單晶硅片的表面粗糙度(線痕)≤15 μm。根據(jù)公式(5)計算出硅片單面腐蝕深度約5~6 μm。由此可見,硅片的單面腐蝕深度是小于其表面粗糙度。

        若是第(3)條可能因素引起電池出現(xiàn)EL黑邊角問題,那么此批80000單晶硅片制成的電池,經(jīng)EL測試出現(xiàn)黑角問題比例應(yīng)非常高,不可能僅出現(xiàn)0.39%,所以,排除第(3)種可能性。

        排除第(2)和(3)種可能因素,問題就集中到可能因素(1)。

        為此將腐蝕后2和7樣品的中心、邊角區(qū)域再次同時用堿腐蝕拋光同樣的時間,觀察材料體內(nèi)的微缺陷。參見圖7。

        從圖7可清楚看到,出現(xiàn)黑角邊電池的硅材料的表面有許多的微坑,而材料的中心區(qū)域卻很干凈,說明在邊角區(qū)域存在許多微缺陷,無論是什么微缺陷都會破壞單晶硅晶體的周期性,形成復(fù)合中心導(dǎo)致電池的性能變差。

        4 結(jié) 論

        采用不同測試手段,對單晶硅太陽電池EL測試出現(xiàn)邊角發(fā)黑問題進行分析研究。測試結(jié)果顯示出現(xiàn)此問題與單晶硅材料的少子壽命低有關(guān),主要與原始單晶硅片的體內(nèi)缺陷有密切關(guān)系。研究給出,電池發(fā)黑的邊角硅材料處存在位錯及其他微缺陷,導(dǎo)致電池光電轉(zhuǎn)換效率降低。若要避免此類問題的出現(xiàn),必須從拉制優(yōu)化單晶硅材料的設(shè)備、工藝著手,同時也要嚴(yán)格控制電池生產(chǎn)相關(guān)的工藝過程,避免引進二次缺陷和污染。

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