收稿日期：2022-01-17

基金項(xiàng)目：河南省中國(guó)科學(xué)院科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2020108）

通信作者：夏中高（1979—），男，碩士、高級(jí)工程師，主要從事晶硅太陽(yáng)電池方面的研究。xiazhonggao@pingmeilongi.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0069 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0198-06

摘 要：電致發(fā)光（EL）檢測(cè)是PERC太陽(yáng)電池生產(chǎn)中常用的缺陷檢測(cè)方法，其中位于太陽(yáng)電池中間位置缺陷的降級(jí)占EL檢測(cè)不良降級(jí)的50%以上，成為了各大太陽(yáng)電池制造企業(yè)EL檢測(cè)良率突破99%的主要障礙。為找到缺陷的成因并改善這種問(wèn)題，進(jìn)而提升太陽(yáng)電池的質(zhì)量降低制造成本，該文對(duì)太陽(yáng)電池EL檢測(cè)下中間位置出現(xiàn)缺陷的原因進(jìn)行分析研究。通過(guò)QE測(cè)試和元素成分分析排除由硅片質(zhì)量和雜質(zhì)污染所引起缺陷的可能性，再結(jié)合電化學(xué)電容-電壓方法（ECV）及掃描電鏡（SEM）測(cè)試，確定PERC電池中間位置缺陷的產(chǎn)生是由于擴(kuò)散工藝表面雜質(zhì)濃度過(guò)高所導(dǎo)致的。該文針對(duì)缺陷成因提出有效的解決方案有助于提升太陽(yáng)電池的質(zhì)量及EL檢測(cè)良率。

關(guān)鍵詞：PERC電池；缺陷；表面摻雜濃度；EL；絨面形貌

中圖分類號(hào)：TM914.4 """""" """" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

鈍化發(fā)射極和背面電池（passivated emitter and rear cell，PERC）隨著新材料、新工藝的導(dǎo)入優(yōu)化已接近其轉(zhuǎn)換效率的天花板，因此減少表面缺陷增強(qiáng)太陽(yáng)電池前表面的鈍化效果越來(lái)越重要［1-2］。太陽(yáng)電池的制造過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生肉眼無(wú)法識(shí)別的缺陷從而影響電池的轉(zhuǎn)換效率，因此檢測(cè)電池缺陷并進(jìn)行改善尤為重要。

PERC電池的制造過(guò)程包括制絨、擴(kuò)散、刻蝕、熱氧化、背面鈍化、PECVD鍍膜和印刷燒結(jié)等工藝。在批量生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)因?yàn)槟承┮蛩貙?dǎo)致太陽(yáng)電池在EL檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)某種或某幾種缺陷而降級(jí)處理。缺陷的成因涉及人為、原材料、環(huán)境和工藝、機(jī)械不穩(wěn)定等方面。比如硅片自身存在質(zhì)量問(wèn)題、員工違規(guī)操作、制程引入雜質(zhì)污染或生產(chǎn)工藝出現(xiàn)問(wèn)題等均會(huì)影響太陽(yáng)電池的性能。

電致發(fā)光（electroluminescence，EL）檢測(cè)作為一種有效的晶體硅太陽(yáng)電池缺陷檢測(cè)技術(shù)，因其具有操作簡(jiǎn)便、成本低、檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。EL檢測(cè)的原理是：當(dāng)給太陽(yáng)電池加正向偏壓，p-n結(jié)的勢(shì)壘降低，載流子通過(guò)勢(shì)壘進(jìn)行相互擴(kuò)散，這些載流子被稱為非平衡少數(shù)載流子，其注入P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)與多數(shù)載流子發(fā)生輻射復(fù)合并發(fā)出光子，再通過(guò)CCD相機(jī)采集并轉(zhuǎn)換成圖像。載流子復(fù)合越少，相應(yīng)的EL圖像越亮，反之圖像越暗。通過(guò)EL測(cè)試圖像可清晰的發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池及組件存在的隱性缺陷，這些缺陷包括硅材料缺陷、擴(kuò)散缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷以及組件封裝過(guò)程中的裂紋等［3］，需有效避免有缺陷的太陽(yáng)電池流入組件端，從而避免影響組件使用壽命。

太陽(yáng)電池制造過(guò)程中產(chǎn)生的這些缺陷影響企業(yè)成品良率突破99%。良率計(jì)算是將原硅片投入數(shù)量減去碎片率、B類、C類、D類降級(jí)后得到A級(jí)品率。受制程自身固有的限制，成熟穩(wěn)定的太陽(yáng)電池生產(chǎn)線碎片率及各種外觀降級(jí)已做到極致，幾乎無(wú)改善空間。成品良率突破99%已是電池制造企業(yè)的巔峰。主要受EL缺陷降級(jí)的制約，目前PERC電池制造企業(yè)良率均在96%～98%，因此對(duì)太陽(yáng)電池缺陷的成因進(jìn)行研究，針對(duì)性地管控制程細(xì)節(jié)和優(yōu)化電池制造工藝，才能提升太陽(yáng)電池EL檢測(cè)良率，保障太陽(yáng)電池質(zhì)量。這也成為各大太陽(yáng)電池制造企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)力的重點(diǎn)攻克項(xiàng)目。

本文通過(guò)對(duì)比分析太陽(yáng)電池缺陷位置與正常位置的元素成分及含量、QE曲線、擴(kuò)散摻雜曲線和絨面微觀形貌等差異，對(duì)缺陷的成因進(jìn)行研究，并提出有效的改善方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

利用沛德光電EL檢測(cè)設(shè)備對(duì)經(jīng)在線EL挑選出來(lái)的100片降級(jí)太陽(yáng)電池進(jìn)行二次檢測(cè)，挑選出中間位置存在缺陷的太陽(yáng)電池51片，占比51%。隨機(jī)選取2片不同程度缺陷的太陽(yáng)電池作為分析樣品，編號(hào)為a、b。

因PERC太陽(yáng)電池具有多層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，故需利用化學(xué)藥液逐層腐蝕進(jìn)行分析，該過(guò)程在環(huán)境潔凈度為10000級(jí)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

1.2 測(cè)試樣品QE曲線

利用新加坡PVE300-IVT210測(cè)試對(duì)比樣品缺陷位置與周邊亮度正常位置的QE曲線。

1.3 測(cè)試樣品正背面膜厚、折射率

首先利用37%HCl、69%HNO3、去離子（DI）水（3∶1∶5）混合液腐蝕太陽(yáng)電池5～10 min去掉樣品a、b正面的銀電極，再用DI水將表面的酸液沖洗干凈，最后用氮?dú)鈽寣悠繁砻娲蹈桑箻悠繁砻姹３指稍?。利用系科COSE全光譜橢偏儀測(cè)量樣品正背面中間缺陷位置與周邊正常位置的氮化硅厚度和折射率。

1.4 測(cè)試樣品方阻值和ECV曲線

利用49%HF、DI水（2∶6）混合液腐蝕太陽(yáng)電池3～8 min去掉樣品a、b表面的氮化硅減反射膜。利用賽倫科技（Saratoga technology international）的離線自動(dòng)四探針Model 300測(cè)試2個(gè)樣品中間缺陷位置及四周正常位置的方阻。用電化學(xué)電容-電壓法（ECV）測(cè)試樣品a中間缺陷位置與四周正常位置的摻雜濃度及結(jié)深。

1.5 樣品SEM分析絨面

使用美國(guó)NXT反射率測(cè)試儀測(cè)試樣品正面反射率，使用日本電子JSM-6010LA系列SEM觀察樣品a中間缺陷位置與周邊位置的絨面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 EL檢測(cè)分析

從EL檢測(cè)圖像可清晰看出樣品太陽(yáng)電池上缺陷的形狀和位置，如圖2a和圖2b所示。2個(gè)樣品太陽(yáng)電池均有一個(gè)從中心到邊緣逐漸變亮的黑色同心圓。經(jīng)過(guò)BT imaging LIS-R3（澳大利亞）儀器測(cè)試，初步確定該缺陷位于太陽(yáng)電池的正面，其成因分析可能與太陽(yáng)電池正面制造工序過(guò)程相關(guān)聯(lián)。硅片表面產(chǎn)生缺陷造成載流子嚴(yán)重復(fù)合，少數(shù)載流子的壽命降低［3］。由于載流子復(fù)合量、少子壽命不同，2個(gè)樣品呈現(xiàn)的同心圓亮度不同，樣品a上載流子復(fù)合更嚴(yán)重，同心圓顏色較暗。

2.2 PL檢測(cè)分析

借助PL測(cè)試進(jìn)一步檢測(cè)少數(shù)載流子的壽命成像。如圖3所示，經(jīng)過(guò)BT imaging LIS-R3（澳大利亞）PL測(cè)試發(fā)現(xiàn)缺陷位置圖像亮度偏暗，PL值較正常位置的偏低100以上，說(shuō)明出現(xiàn)缺陷位置的少數(shù)載流子壽命對(duì)比正常位置的少數(shù)載流子壽命低。

由于PL不受串聯(lián)電阻的影響，因此可將正向EL圖與PL圖進(jìn)行對(duì)比，如果兩者均為暗區(qū)域，則說(shuō)明太陽(yáng)電池中間缺陷位置是由復(fù)合或串聯(lián)電阻所導(dǎo)致的，反之如果PL圖是亮的而EL圖暗，則說(shuō)明是串聯(lián)電阻問(wèn)題所導(dǎo)致的。樣品a、b太陽(yáng)電池中間缺陷位置EL和PL圖像都是偏暗的，說(shuō)明該缺陷與載流子復(fù)合相關(guān)。

2.3 量子效率測(cè)試分析

對(duì)樣品a太陽(yáng)電池的缺陷位置與正常位置進(jìn)行量子效率測(cè)試，如圖4所示。缺陷位置與正常位置量子效率隨波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)整體相同。在小于350 nm短波范圍內(nèi)，量子效率較低，這是因?yàn)槎滩ㄔ诮咏姵乇砻娴膮^(qū)域大部分光被反射，少量被吸收，加上表面復(fù)合作用較強(qiáng)，使其產(chǎn)生的載流子不能被電極有效收集，導(dǎo)致該波長(zhǎng)附近的電池量子效率較低［4］。

在350～500 nm波段，量子效率隨波長(zhǎng)的增加而提升，因中長(zhǎng)波長(zhǎng)光子穿透深度較深，接近p-n結(jié)面，少數(shù)載流子壽命長(zhǎng)，收集率增加，因此轉(zhuǎn)換效率提升。同時(shí)在此波段范圍內(nèi)缺陷位置的量子效率較正常位置偏低，因此說(shuō)明缺陷位置的p-n結(jié)質(zhì)量較正常位置差，太陽(yáng)電池中的缺陷導(dǎo)致載流子復(fù)合增加。中長(zhǎng)波段600～1000 nm范圍內(nèi)的量子效率可反映出太陽(yáng)電池基體材料（P型硅）和背面制造工序?qū)Υ瞬ǘ蔚墓怆娹D(zhuǎn)換能力。樣品a中間缺陷位置與四周正常位置的中波段量子效率測(cè)試曲線趨勢(shì)一致，表明缺陷位置產(chǎn)生原因與硅片自身質(zhì)量及背面制造工序無(wú)關(guān)。此外，從波段300～500 nm和900～1000 nm反射率曲線可看出缺陷位置對(duì)近紫外和近紅外區(qū)域光的反射率比正常位置的大，說(shuō)明缺陷的存在對(duì)太陽(yáng)電池光的吸收具有不利影響。

2.4 元素成分分析

太陽(yáng)電池的制造工序多，難免會(huì)引入雜質(zhì)影響太陽(yáng)電池質(zhì)量，因此對(duì)太陽(yáng)電池樣品a進(jìn)行元素成分分析。從圖5的定性結(jié)果可看出，缺陷位置與正常位置的主要成分相同，都含有C、N、O、Al、Si這5種元素，缺陷位置無(wú)其他金屬或非金屬雜質(zhì)元素引入。從表1的定量結(jié)果看，缺陷位置與正常位置的主要成分含量占比存在差異，缺陷位置較正常位置的C元素含量增加了1.32%，增加較多，而N、O、Al、Si含量相應(yīng)降低?？紤]到樣品在生產(chǎn)過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的設(shè)備機(jī)臺(tái)不同，加上人為操作及環(huán)境等因素的影響并不能完全保證太陽(yáng)電池的均一性，所以C、N、O、Al、Si含量差別在一定范圍內(nèi)是允許的。從元素成分分析結(jié)果可得出，樣品缺陷不是由于清洗制程酸、堿類化學(xué)品殘留污染所致或工裝夾具帶入污染源所致，排除污染原因。

2.5 過(guò)程參數(shù)分析

2.5.1 鈍化減反射層膜厚和折射率測(cè)試分析

使用系科COSE全光譜橢偏儀測(cè)量樣品a和樣品b的中間缺陷位置與四周正常位置的膜厚和折射率，太陽(yáng)電池的正面為氮化硅減反射膜，背面為氮化硅鈍化層。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可發(fā)現(xiàn)樣品a和樣品b的正面、背面的膜厚和折射率差別不大，2個(gè)樣品缺陷位置和正常位置的制造過(guò)程工藝參數(shù)都在技術(shù)要求范圍內(nèi)。因此，可說(shuō)明太陽(yáng)電池中間缺陷的產(chǎn)生與正面氮化硅減反射工序及背面氮化硅鈍化工序的工藝過(guò)程無(wú)關(guān)，不是由于這2個(gè)工序工藝波動(dòng)導(dǎo)致的。

2.5.2 擴(kuò)散方阻測(cè)試分析

方塊電阻是擴(kuò)散工序中重要的監(jiān)控指標(biāo)，方阻均勻性通過(guò)式（1）計(jì)算。對(duì)樣品a、b進(jìn)行5點(diǎn)方阻測(cè)試，其方阻數(shù)值見(jiàn)表3。樣品a的5點(diǎn)平均方阻為179 Ω，片內(nèi)均勻性6.32%；樣品b的5點(diǎn)平均方阻為184 Ω，片內(nèi)均勻性3.80%，兩者的方阻片內(nèi)均勻性均較差。圖6為樣品a、b的49點(diǎn)方阻Map圖，可看出樣品a的整體方阻左側(cè)低，右側(cè)高；樣品b的整體方阻呈現(xiàn)左上部分偏高、中間和右側(cè)低分布。方阻分布均勻性較差。

[M=（max-min）（max+min）×100%]""" （1）

2.5.3 擴(kuò)散ECV曲線測(cè)試分析

測(cè)量樣品a中間缺陷位置與周邊正常位置的電化學(xué)電容電壓（electrochemical capacitance-voltage profiler，ECV）曲線，對(duì)比兩者擴(kuò)散后表面摻雜濃度及p-n結(jié)結(jié)深的差異（圖7）。中間缺陷位置表面摻雜濃度為5.80×1020 cm-3，p-n結(jié)深度為0.18 μm；正常位置表面摻雜濃度為4.23×1020 cm-3，p-n結(jié)深度為0.19 μm。中間缺陷位置的表面摻雜濃度較正常位置偏1.57×1020 cm-3，偏高較多。結(jié)深淺了0.01 μm，兩者接近。缺

陷位置的表面摻雜濃度高會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)能帶收縮，缺陷增加，出現(xiàn)較厚“死層”，復(fù)合中心增加，導(dǎo)致載流子復(fù)合越嚴(yán)重，從而使轉(zhuǎn)換效率降低藍(lán)光響應(yīng)變差［5］，這與QE測(cè)試結(jié)果吻合。從ECV曲線可得出，太陽(yáng)電池中間缺陷位置受到擴(kuò)散工藝中表面雜質(zhì)濃度較高影響。這也反映出由于太陽(yáng)電池表面摻雜濃度高且擴(kuò)散過(guò)程雜質(zhì)原子擴(kuò)散不均勻?qū)е路阶杵瑑?nèi)均勻性較差。

2.6 SEM形貌分析

利用日本電子JSM-6010LA系列掃描電鏡（SEM）觀察樣品a中間缺陷位置與周邊正常位置的微觀絨面形貌。圖8為中間缺陷位置和四周正常位置的SEM圖。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，缺陷位置的金字塔尺寸比正常位置小0.05～0.21 μm，金字塔高度較正常位置小0.20～0.31 μm，比表面積較正常位置小0.09～0.13。樣品a和樣品b的絨面的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

樣品a缺陷位置的反射率比正常位置低0.28%，樣品b缺陷位置的反射率比正常位置高0.05%。樣品b不同位置的金字塔反射率接近，但樣品a不同位置的金字塔反射率差別略大，說(shuō)明缺陷位置的金字塔分布不均，不利于光線二次反射或多次反射。從圖8可看出樣品a金字塔的分布有明顯的差異，缺陷位置的金字塔大小分布密集且不均勻，部分金字塔大小相間分布，有的小尺寸金字塔成簇分布。均勻的金字塔有利于在擴(kuò)散工藝中實(shí)現(xiàn)更好的擴(kuò)散效果，形成的p-n結(jié)質(zhì)量好，表面雜質(zhì)濃度可能會(huì)降低，擴(kuò)散后的硅片表面“死層”薄，從而降低少數(shù)載流子復(fù)合速率［6］，這一點(diǎn)與ECV曲線測(cè)試結(jié)果相吻合。

2.7 缺陷成因總結(jié)

從對(duì)樣品太陽(yáng)電池的層層剖析可得出，PERC電池在EL檢測(cè)下呈現(xiàn)出的中間黑影缺陷與擴(kuò)散后表面雜質(zhì)濃度過(guò)高有關(guān)。其直接成因是表面雜質(zhì)濃度增加活性磷原子分布不均勻?qū)е律贁?shù)載流子復(fù)合增加，鈍化效果變差，從而使太陽(yáng)電池局部轉(zhuǎn)換效率降低，在EL檢測(cè)下呈現(xiàn)為黑影缺陷。要解決此類型缺陷需降低硅片表面摻雜濃度，比如減少雜質(zhì)源的通入時(shí)間、降低擴(kuò)散溫度、調(diào)整工藝氣體流量及配比等，還可在通入摻雜源之前先對(duì)硅片表面進(jìn)行氧化形成二氧化硅（SiO2）阻擋層來(lái)降低表面雜質(zhì)濃度，提升活性雜質(zhì)原子擴(kuò)散的均勻度［7-8］。

制絨工藝硅片表面產(chǎn)生的缺陷會(huì)加劇擴(kuò)散活性磷原子分布的不均勻性從而影響p-n結(jié)的質(zhì)量，不能表明絨面存在的缺陷是太陽(yáng)電池此類缺陷的根本原因。但是調(diào)整制絨槽的工藝參數(shù)［9-11］，如溫度、時(shí)間、堿與添加劑的配比及藥液濃度，保證絨面金字塔的尺寸大小統(tǒng)一，分布均勻，從而減少表面缺陷，也有利于后續(xù)擴(kuò)散及沉積工藝穩(wěn)定進(jìn)行。

3 結(jié) 論

太陽(yáng)電池的缺陷檢測(cè)是電池生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，太陽(yáng)電池上存在的缺陷會(huì)嚴(yán)重影響電池質(zhì)量和組件壽命，其成因涉及到從原料采購(gòu)到電池制造過(guò)程的許多方面。本文對(duì)EL檢測(cè)出的位于PERC太陽(yáng)電池中間位置的缺陷成因進(jìn)行了研究，先對(duì)樣品太陽(yáng)電池逐層腐蝕分析排除可能的缺陷成因，再分析擴(kuò)散摻雜曲線差異、SEM測(cè)試的絨面微觀形貌差異確定太陽(yáng)電池此類缺陷是因?yàn)閿U(kuò)散后表面雜質(zhì)濃度過(guò)高。表面雜質(zhì)濃度越高缺陷越多，載流子復(fù)合越嚴(yán)重，該區(qū)域的轉(zhuǎn)換效率則越低，EL下呈黑影缺陷。因此，優(yōu)化擴(kuò)散工藝、降低表面雜質(zhì)濃度是解決此類PERC電池中間黑影缺陷的關(guān)鍵。低表面摻雜濃度可有效減少表面缺陷中心，降低載流子復(fù)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提升電池質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本的目的。

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STUDY ON CAUSES AND IMPROVEMENT METHODS OF INTERMEDIATE DEFECTS IN PERC CELLS DETECTED BY EL

Xia Zhonggao1，Peng Ping1，Jing Yanjiao1，Chen Lei1，Wang Wenjing2，Zhou Chunlan2

（1. Pingmei Longji New Energy Technology Co.， Ltd.， Xuchang 461700， China；

2. Institute of Electrical Engineering， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract：Electroluminescence （EL） inspection is a common defect detection method in PERC solar cell production， in which degradation of defect located in the middle of the cell accounts for more than 50% of total undesirable degradation detected by EL and has become a major obstacle for major PV manufacturing companies to break 99% of EL inspection yields. In order to find the causes of defects and improve this problem， improve the quality of solar cells and reduce cell manufacturing costs， this paper analyses and investigates the causes of defects that occur in the middle of the cell under EL inspection. Using quantum efficiency test and elemental analysis to rule out the possibility of defects caused by wafer quality and impurity contamination， combined with electrochemical capacitance-voltage（ECV） and scanning electron microscopy（SEM） tests， it is determined that the defects in the intermediate position of PERC cells are caused by a too high concentration of impurities on the surface of the diffusion process. Effective solutions are proposed to address the causes of defects， which can help to improve the quality of solar cells and increase the yield of cell EL inspection.

Keywords：PERC cell； defect； surface doping concentration； EL； surface morphology of texture