左克祥，王 安，張晉陽(yáng)，錢(qián)金忠，李永田，杜東亞，凡金星*

(1.國(guó)家能源集團(tuán)常州發(fā)電有限公司，常州 213031；2.常州天合智慧能源工程有限公司，常州 213031；3.天合光能股份有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213031)

0 引言

PERC單晶硅太陽(yáng)電池是一種應(yīng)用較為廣泛的太陽(yáng)電池類(lèi)型，通過(guò)改變PERC單晶硅太陽(yáng)電池的制備工藝，可進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率，比如：吸雜[1]、在太陽(yáng)電池發(fā)射極表面增加鈍化層等。其中，在太陽(yáng)電池發(fā)射極表面增加鈍化層是降低太陽(yáng)電池發(fā)射極表面載流子復(fù)合速率的重要方法[2]。氮化硅、氧化鋁、二氧化硅等是鈍化層廣泛采用的材料[3]，而二氧化硅是最受歡迎的材料之一。通常是采用熱氧化的方式在太陽(yáng)電池發(fā)射極表面生長(zhǎng)一層二氧化硅，并將其作為鈍化層，可有效降低界面態(tài)密度，減少非平衡少數(shù)載流子在太陽(yáng)電池發(fā)射極表面的復(fù)合損失[4-5]。增加二氧化硅層的PERC單晶硅太陽(yáng)電池的橫截面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 增加二氧化硅層的PERC單晶硅太陽(yáng)電池的橫截面結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Cross sectional structure of PERC mono-Si solar cells with SiO2 layer

Srivastava等[6]通過(guò)在850 ℃的溫度下制備二氧化硅層，發(fā)現(xiàn)使用高溫(大于800 ℃)熱氧化工藝可以獲取具有較低界面態(tài)密度的二氧化硅層，但是高溫會(huì)對(duì)硅片的體壽命造成影響，導(dǎo)致硅片的少子壽命降低。因此，若要獲取低界面態(tài)密度的二氧化硅層，低溫(500～700 ℃)熱氧化工藝是最好的選擇。Schmitt等[7]通過(guò)在500 ℃的低溫下退火30 min 2次來(lái)制備二氧化硅層，但該工藝時(shí)間較長(zhǎng)，不利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在大多數(shù)納米級(jí)硅器件制備過(guò)程中，二氧化硅層必須在低于700 ℃的溫度下制備，以防止溫度過(guò)高對(duì)硅片質(zhì)量造成影響。因此，有必要研究低溫時(shí)制備的二氧化硅層的情況?；诖?，本文選取600～700 ℃的低溫段，在該溫度及200 mbar低壓的氧化工藝下制備二氧化硅層，并對(duì)采用此種鈍化層的PERC單晶硅太陽(yáng)電池的性能和內(nèi)量子效率進(jìn)行了測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原料采用p型直拉單晶硅硅片，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，電阻率為0.5～1.5 Ω·cm，厚度為170～180 μm。首先，對(duì)原料硅片進(jìn)行制絨處理；其次，通過(guò)熱擴(kuò)散工藝制備發(fā)射極，方塊電阻為140 Ω/□；然后，通過(guò)激光摻雜工藝形成n++重?fù)诫s；最后，通過(guò)刻蝕的方式去除磷硅玻璃。在完成刻蝕后，將硅片樣品均分為2組，其中1組不采用氧化工藝，另1組按照?qǐng)D2所示的低溫低壓氧化工藝完成氧化；隨后在2組樣品的背表面沉積8 nm厚的三氧化二鋁，并由深圳市捷佳偉創(chuàng)新能源裝備股份有限公司生產(chǎn)的管式等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備在樣品前表面和背表面分別沉積氮化硅(SiNx)層。其中，前表面沉積厚度為80 nm、折射率為2.1的SiNx:H層；鋁背場(chǎng)的接觸通過(guò)激光開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)，并在硅基體中形成鋁摻雜的p+層；電極由絲網(wǎng)印刷燒結(jié)實(shí)現(xiàn)。由此，包含氧化工藝和不包含氧化工藝的2種PERC單晶硅太陽(yáng)電池 (下文簡(jiǎn)稱為“太陽(yáng)電池”)制備完成，具體流程如圖3所示。

圖2 低溫低壓氧化工藝方案Fig. 2 Low temperature and low pressure oxidation process scheme

圖3 2種太陽(yáng)電池的制備工藝流程Fig. 3 Preparation process of two kinds of solar cells

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用型號(hào)為WCT-120的少子壽命測(cè)試儀測(cè)試硅片的少子壽命；采用型號(hào)為QEX10的量子效率測(cè)試儀測(cè)量太陽(yáng)電池的內(nèi)量子效率(IQE)；采用脈沖太陽(yáng)模擬器在環(huán)境溫度25 ℃、AM1.5和太陽(yáng)輻照度1000 W/m2的條件下測(cè)量太陽(yáng)電池I-V特性；采用美國(guó)Four Dimensions公司生產(chǎn)的四探針測(cè)試儀測(cè)量太陽(yáng)電池的方塊方阻；采用D8型反射儀測(cè)試太陽(yáng)電池在300～1100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 方塊電阻測(cè)試結(jié)果與分析

分別對(duì)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的方塊電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 2種太陽(yáng)電池的方塊電阻Fig. 4 Sheet resistance of two kinds of solar cells

從圖4可以看出：采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的方塊電阻為148.6 Ω/□，而未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的方塊電阻為140.3 Ω/□，前者比后者約高8.3 Ω/□，該結(jié)果與Yelundur等[8]的研究結(jié)果吻合。Yelundur等[8]的研究結(jié)果顯示：相較于采用方塊電阻為45 Ω/□的薄硅片時(shí)，采用方塊電阻為95 Ω/□的薄硅片時(shí)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了0.4%。因此，在制備二氧化硅層時(shí)獲得較高的方塊電阻非常重要。

此外，高的方塊電阻能夠有效減少載流子復(fù)合，Yelundur等[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)薄硅片的方塊電阻從88 Ω/□增加到93 Ω/□時(shí)，載流子復(fù)合值從150～175 fA/cm2降至100 fA/cm2以下；當(dāng)引入二氧化硅層后，在氧化工藝期間硅片表面的磷會(huì)再次進(jìn)行分布，從而進(jìn)一步降低硅片表面的磷濃度，增加方塊電阻，減少載流子復(fù)合。當(dāng)引入二氧化硅層使方塊電阻增加時(shí)，可以顯著降低太陽(yáng)電池發(fā)射極表面的載流子復(fù)合。

2.2 少子壽命測(cè)試結(jié)果與分析

分別對(duì)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的少子壽命進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的少子壽命為140.32 μs，而未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的少子壽命為80.56 μs。由此可知，二氧化硅層能顯著提高太陽(yáng)電池的少子壽命，這主要得益于鈍化效果的提升。

采用低溫低壓氧化工藝的二氧化硅層的生長(zhǎng)機(jī)理示意圖如圖5所示。

圖5 采用低溫低壓氧化工藝的二氧化硅層的生長(zhǎng)機(jī)理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of growth mechanism of SiO2 layer using low temperature and low pressure oxidation process

由圖5可知：在通入氧氣后，氧氣分子附著在硅片表面，在達(dá)到氣態(tài)平衡后，氧氣分子在硅片表面均勻分布，最后形成致密的氧化物薄層。由于氧化物能夠固定硅片表面的懸掛鍵，因此通過(guò)低壓低溫氧化工藝獲得了用于表面鈍化的具有低界面態(tài)密度的二氧化硅層。在該工藝中，低溫工藝更適合于生長(zhǎng)用于發(fā)射極表面鈍化的低界面態(tài)密度的二氧化硅層，低壓低溫環(huán)境能夠改善氧化層的均勻性并增加表面鈍化層中的少子壽命。因此，采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池比未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池具有更高的少子壽命和更好的氧化層均勻性。當(dāng)少子壽命增加時(shí)，太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)得到提高。

2.3 反射率測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池進(jìn)行反射率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種太陽(yáng)電池的反射率Fig. 6 Reflectivity of two kinds of solar cells

從圖6可以看出：在300～1100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，采用低溫低壓氧化工藝和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的平均反射率分別為4.93%和6.44%，且前者比后者低1.51%。

采用低溫低壓氧化工藝和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的反射機(jī)制如圖7所示。圖中：n為空氣的折射率。未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池具有與氮化硅單體相同的折射率(2.1)，且屬于反射率較高的太陽(yáng)電池；而對(duì)于采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池，因?yàn)榈枧c二氧化硅具有不同的折射率，所以當(dāng)?shù)璧恼凵渎蕁1與二氧化硅的折射率n2分別為2.1和1.5時(shí)，插入二氧化硅層可以有效減少光的反射，使從二氧化硅中反射的光再次進(jìn)入氮化硅中時(shí)增加了反射次數(shù)。其中，在632.8 nm的波長(zhǎng)下測(cè)得的硅基體n3的折射率為3.88。相較于未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池(即僅單層氮化硅)，采用低溫低壓氧化工藝 (即采用SiNx/SiO2疊層)的太陽(yáng)電池在300～1100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均反射率從6.44%降低到4.93%。因此，在太陽(yáng)電池發(fā)射極表面制備二氧化硅層是減少光反射的有效方法。

圖7 2種太陽(yáng)電池的反射機(jī)制Fig. 7 Reflection mechanisms of two kinds of solar cells

2.4 IQE測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池進(jìn)行IQE測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 2種太陽(yáng)電池的IQEFig. 8 IQE of two kinds of solar cells

從圖8中可以看出：在300～1100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的IQE高于未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的IQE。對(duì)于在750～1100 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的IQE明顯高于未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的IQE的現(xiàn)象，說(shuō)明SiNx/SiO2疊層的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光吸收。因此，對(duì)于波長(zhǎng)大于750 nm的波段，采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的IQE比未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的IQE提高了6.03%。這說(shuō)明低壓低溫處理的氧化層有效增加了光吸收，并提高了太陽(yáng)電池的IQE。

2.5 太陽(yáng)電池電性能測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的電性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出：采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為22.45%和21.81%，前者比后者提高了0.64%；此外，采用

表1 2種太陽(yáng)電池的電性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Electrical performance test results of two kinds of solar cells

低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓、短路電流和填充因子分別比未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的提高了0.0108 V、0.13 A和0.14%。

2.6 小結(jié)

綜上可知，相較于未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池，采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的方塊電阻、少子壽命、光電轉(zhuǎn)換效率、開(kāi)路電壓、短路電流和填充因子均得到了提升，這主要得益于引入二氧化硅層后，提升了太陽(yáng)電池發(fā)射極表面的鈍化效果，增加了太陽(yáng)電池的光吸收。

3 結(jié)論

本文對(duì)采用低溫低壓氧化工藝的PERC單晶硅太陽(yáng)電池的方塊電阻、少子壽命及電性能等進(jìn)行了研究，并與未采用氧化工藝的PERC單晶硅太陽(yáng)電池進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論：

1)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的方塊電阻為148.6 Ω/□，而未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的方塊電阻為140.3 Ω/□，前者比后者約高8.3 Ω/□；

2)采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率和未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為22.45%和21.81%，前者比后者提高了0.64%；

3) 采用低溫低壓氧化工藝的太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓、短路電流和填充因子分別比未采用氧化工藝的太陽(yáng)電池的提高了0.0108 V、0.13 A和0.14%。

綜上可知，在低壓低溫條件下制備的二氧化硅層可以有效地改善PERC單晶硅太陽(yáng)電池的性能。