張建軍，張志敏，張進臣，靳迎松，劉 苗

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

晶體硅太陽電池PERC技術已成為提高太陽電池效率的主流技術，在此基礎上，選擇性發(fā)射極(selective emiter，SE)激光摻雜技術也已實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，成為新一代主流技術。SE晶體硅太陽電池是在電極區(qū)域進行高濃度摻雜，在光吸收區(qū)域進行低濃度輕摻雜，這樣可在輕摻雜區(qū)和高摻雜區(qū)的交界處獲得1個橫向n+/n高低結，并在電極柵線下獲得1個n+/p結。該結構可以降低發(fā)射極接觸電阻和發(fā)射區(qū)暗飽和電流，提升填充因子、短路電流和開路電壓，從而提高電池的轉換效率[1]。在諸多SE的制備方案中，激光磷硅玻璃(Phospho Silicate Glass，PSG)摻雜法憑借其產(chǎn)線兼容性高的優(yōu)點，迅速被各大太陽電池制造公司引進，并且這些太陽電池制造公司在短時間內(nèi)完成了產(chǎn)線的技術升級改造。

SE激光PSG摻雜法的原理為：p型硅片擴散后，在硅片表面形成一層富磷的PSG層，SE激光發(fā)射器利用這層富磷PSG層作為摻雜源，高頻下發(fā)射激光脈沖熔融硅片表層，使PSG層中的磷原子推進到硅片表層，摻雜磷原子固化后會快速取代硅原子的位置，從而達到摻雜原子擴散推進的目的[2]。

在這一過程中，為了使PSG層中的“P”(即磷原子)更多的摻雜到硅中，弭轍等[3]對比了不同激光功率摻雜條件下制備的太陽電池的電性能，然后發(fā)現(xiàn)，當激光功率在某個范圍內(nèi)時，SE太陽電池的串聯(lián)電阻會隨著激光功率的升高而下降；但當激光功率達到閾值時，磷原子在硅片表層的濃度會隨著功率的增強而下降，導致發(fā)射極與金屬電極歐姆接觸變差。同時，在掃描顯微鏡下觀察激光摻雜后的硅片表面也可以發(fā)現(xiàn)，較低的激光功率對絨面尖端造成的損傷較小，而較強的激光功率則會破壞整個絨面結構。

激光摻雜設備以PSG作為摻雜源，設備功率的閾值與PSG層有密切的相關性；一是PSG層中“P”的濃度；二是PSG層的厚度。激光摻雜作用下，PSG層中充足的“P”可以保證激光功率的持續(xù)作用，而致密且足夠厚的PSG層可以保證激光脈沖轟擊硅片表面時減輕絨面的損傷，降低懸掛鍵、位錯缺陷，從而提高電池的開路電壓[3]。

根據(jù)上述理論分析，本文研究了一種適用于SE+PERC太陽電池的新擴散工藝，可以提高擴散后硅片表層PSG層的厚度及“P”的摻雜濃度，在激光摻雜過程中保護激光摻雜區(qū)域的p-n結和提高摻雜區(qū)域“P”的濃度，改善電池的開路電壓和串聯(lián)電阻，進而有效提升電池的轉換效率。

1 實驗儀器與設計

1.1 實驗儀器

本文采用德國PV-tools的TLM測試儀測量成品電池的方塊電阻和接觸電阻；采用美國Sinton的WCT120少子壽命測試儀測量硅片擴散后的少子壽命；采用美國四維方塊電阻測試儀測量硅片擴散后的方塊電阻；采用德國WEP公司的CVP21測量激光摻雜后硅片表面p-n結的深度(下文簡稱“結深”)及擴散層的表面磷擴散濃度；采用德國Sentech的SE400激光橢偏儀測量擴散后硅片表面的PSG層厚度；采用日本JSM-6510掃描電鏡掃描激光摻雜后硅片的絨面形貌；采用德國Halm高精度I-V測量系統(tǒng)測量成品電池的轉換效率。

1.2 實驗設計

選用1600片邢臺晶龍電子材料有限公司生產(chǎn)的同一根硅棒切片的p型直拉單晶硅片，硅片厚度為 180±10 μm，電阻率為 0.8～1.2 Ω·cm，硅片尺寸為157 mm×157 mm，少子壽命為80 μs以上。

利用RENA單晶制絨機對選取的1600片硅片樣品進行堿制絨及清洗處理，制絨減薄量控制在0.5～0.6 g。將制絨后的硅片平均分為2組(下文簡稱“1#組樣品”“2#組樣品”)，每組各800片；1#組樣品采用常規(guī)擴散工藝制備p-n結，2#組樣品采用本文提出的新擴散工藝制備p-n結。2種擴散工藝的步驟分別為：

1)常規(guī)擴散工藝(兩步擴散法)：進舟→升溫→抽真空→檢漏→前氧→低溫通源→低溫推進→高溫通源→高溫推進/再分布→后氧。

2)新擴散工藝：進舟→升溫→抽真空→檢漏→前氧→低溫通源→低溫推進→高溫通源→高溫推進/再分布→原位氧化→低溫補源→后氧。

新擴散工藝與常規(guī)擴散工藝的區(qū)別在于其增加了原位氧化和低溫補源這2個步聚。

將2組樣品采用相同的摻雜激光、刻蝕、鍍膜、開槽激光及印刷燒結工藝處理之后，測試制備出的電池(下文簡稱“1#組電池”“2#組電池”)的電性能參數(shù)。SE+PERC太陽電池的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 SE+PERC太陽電池的生產(chǎn)流程圖Fig. 1 SE+PERC solar cell process flow

2 結果及分析

2.1 方塊電阻分析

分別抽取位于爐口、爐中及爐尾位置的1#組樣品和2#組樣品各2片，測試其擴散后的方塊電阻及激光摻雜后的方塊電阻；同時經(jīng)統(tǒng)一工序?qū)?組樣品制成成品電池，采集電池的電性能參數(shù)并測試其接觸電阻值。

1#組樣品、2#組樣品擴散后，在相同方塊電阻的情況下，經(jīng)過相同的激光摻雜工藝(功率30 W、單脈沖能力0.12 mJ、線寬120 μm)處理之后，2#組樣品摻雜前、后方塊電阻的下降值比1#組樣品的提升了17 Ω，如表1所示。

表1 2組樣品激光摻雜前、后的方塊電阻數(shù)據(jù)Table 1 Before and after laser doping of square resistance data of two groups of samples

采用新擴散工藝使PSG層含“P”量更高，在激光高溫推進下，PSG中更多的磷原子會擴散到硅片內(nèi)部，硅片表面磷原子濃度得到提高，與金屬柵線可以形成更好的歐姆接觸，降低接觸電阻，從而改善電池的串聯(lián)電阻。因此，2#組電池的接觸電阻比1#組電池有所降低，導致2#組電池的串聯(lián)電阻降低，效率提升明顯，如圖2所示。

圖2 2組電池的接觸電阻和串聯(lián)電阻Fig. 2 Contact resistances and series resistances of two groups of solar cells

2.2 擴散結深、表面磷濃度測試

從2種擴散工藝制備的1#組樣品和2#組樣品中，各取3片樣品進行SE激光摻雜，每片硅片樣品均測試其中央點。利用肖特基勢壘在反向偏壓時的電容特性，使用ECV電化學電容電壓方法測量硅片中磷原子摻雜濃度及其深度分布，結果如圖3所示。

圖3 不同擴散工藝在激光摻雜后，硅片中磷原子摻雜濃度及其深度分布Fig. 3 Doping concentration and depth distribution of phosphorus atom in silicon wafers after laser doping with different diffusion processes

硅片表面摻雜濃度較低(＜1019cm-3)時，電流傳輸主要依賴于熱電子發(fā)射；摻雜濃度較高(＞1019cm-3)時，勢壘寬度變窄，導電主要依賴于隧道效應，接觸電阻會大幅下降，二者的接觸電阻值相差幾個數(shù)量級。從圖3中可以看出，新擴散工藝通過增加原位氧化+低溫補源2個步驟后，硅片表面磷擴散濃度較常規(guī)擴散工藝的要高很多，這樣硅片采用新擴散工藝后制備的電池的金屬電極與發(fā)射極之間可以形成更好的歐姆接觸，串聯(lián)電阻會更低。

2.3 PSG層厚度及重摻區(qū)域SEM電子掃描微觀形貌分析

利用拋光片測試1#組樣品、2#組樣品擴散后的PSG層厚度，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 2組樣品擴散后的PSG層厚度Table 2 Thickness of PSG layer after diffusion of two groups of samples

從表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，新擴散工藝在擴散爐管內(nèi)石英舟不同位置的硅片生長PSG層厚度的均值約為32.8 nm，較常規(guī)擴散工藝提升了6 nm以上。新擴散工藝使PSG層厚度變厚，更利于保護硅片表面的n型結，避免了激光摻雜過程中的晶格損傷。

利用HF酸洗掉硅片表面的PSG層后，采用SEM電子顯微鏡觀察硅片可以看出，使用常規(guī)擴散工藝制備的PSG層在SE激光摻雜過程中不能完全保護硅片絨面，部分金字塔被破壞，這對硅片表面鈍化產(chǎn)生不利影響。而新擴散工藝的PSG層更厚且更致密，在SE激光摻雜過程中絨面得到了很好的保護，未出現(xiàn)絨面損傷的現(xiàn)象，避免了硅片少子壽命的下降。

圖4 2組樣品SE激光摻雜后硅片的絨面形貌Fig. 4 Textural morphology of silicon wafers after SE laser doping of two groups of samples

2.4 電性能數(shù)據(jù)

將2組樣品分別按正常SE+ PERC太陽電池制備工藝流程制備成品電池，新擴散工藝制備的電池在開路電壓、填充因子上有明顯優(yōu)勢，原因是SE擴散的輕摻區(qū)域表面磷濃度更低、開路電壓更高，同時重摻區(qū)域晶格損傷小、開路電壓也有優(yōu)勢；此外，在0.05～0.1 μm結深范圍內(nèi)，漿料與硅片歐姆接觸區(qū)域的接觸電阻更小，填充因子更高；新擴散工藝制備的電池效率提升了0.2%，如表3所示。

表3 2種工藝制備的電池的電性能對比數(shù)據(jù)Table 3 Comparison of electrical performance of solar cells prepared by two processes

3 結論

本文針對激光摻雜技術匹配的擴散工藝進行了優(yōu)化調(diào)整，新擴散工藝增加了原位氧化+低溫補源2個步驟，其主要優(yōu)勢是擴散后在硅片表面生長出的PSG層更厚，在激光設備對硅片摻雜時減輕了激光損傷；同時，表面更高濃度的磷摻雜可以保證激光高功率摻雜時有足夠的磷原子可供使用。利用新擴散工藝制備的SE+PERC太陽電池的轉換效率可提升0.2%，開路電壓可提升0.0085 V，填充因子可提升0.9%。