晶體硅太陽能電池黑心片的分析及處理方案

三江學院 趙俊霞

晶體硅太陽能電池黑心片的分析及處理方案

三江學院 趙俊霞

為節約能源，高轉換率的晶體硅太陽能電池被廣泛應用，而在低檔片中黑心片占有很大的比例，本文對該類硅片進行測試、分析、查找原因，發現轉換率低的主要原因是襯底含有大量的位錯，形成少數載流子的強復合中心，嚴重影響硅片的少子壽命，最終影響電池轉換率，發電量的減少。依據分析，為提高轉換率，電池廠商應提出位錯的供貨標準，硅片廠商改善工藝方案。

太陽能電池；位錯；少子壽命

引言

目前全世界都在積極生產各種相關的節能新產品,晶體硅太陽電池被廣泛應用,占據太陽電池的主要市場。但是,晶體硅太陽電池存在著固有弱點,降低成本與提高效率是現在兩大主要任務單晶硅由于其本身內部完整的晶體結構,其電池效率明顯高于多晶硅電池,是硅基高效太陽能電池的首選材料[1]。而在一些低轉換率電池片中,黑心片占有很高的比例,本文對該類硅片進行分析,查找原因,提出要求,進而提高轉換率。而少數載流子的強復合中心,嚴重影響硅片的少子壽命,最終影響電池和組件性能,本文針對該現象進行研究,解決黑心片的問題,從而提高效率。

1 晶體硅太陽能電池黑心片的分析

單晶硅內部雜質和晶體缺陷的存在會嚴重影響太陽能電池的效率,比如:光照條件下B-O復合體的產生會導致單晶電池的光致衰減;內部金屬雜質和晶體缺陷(位錯等)的存在會成為少數載流子的復合中心,影響其少子壽命。本文通過圖1的實驗流程來分析黑心片的內在形成機理,分析原因,針對問題,提出解決方案。

本實驗對大量低檔電池片及其組件進行了研究,現從中選取兩片電池片舉例說明。完成測試分析流程:電池做電致發光EL測試 →光照條件電池電性能測試 → 電池光誘導電流(LBIC Current)測試 → 硅片少子壽命測試 → 化學拋光腐蝕后觀察位錯 → SIMS元素分析。

圖1 電池黑心片的分析流程

圖2 電池片黑心片

1.1 EL測試

本文對大量低檔電池片及其組件進行分析,在通電情況下,部分EL照片中黑心和黑斑處發出的1150nm 紅外光相對弱,顯示為黑心如圖2所示,因為電池片中心呈現黑色所以稱這類硅片為“黑心片”。

1.2 光照條件電池電性能測試

本文從中隨機選取2塊黑心片和2片電池片,進行電性能測試,其測試結果如表1所示。通過對比,可以直觀發現黑心片的Isc,FF,Ncell平均分別為4.702,66.761,12.55%;而正常片的Isc,FF,Ncell平均分別為8.321,78.012,16.45%。黑心片的這三個參數都比正常片低很多,這也直接導致黑心片的功率低下的原因。

表1 黑心片和正常電池片的參數

1.3 光誘導電流（LBlC Current）測試和少子壽命測試

對太陽能電池片進行LBIC Current測試,黑心片的測試結果如圖3左圖所示。電池片中心的電流為60μA,邊緣處126μA,說明電池片中心光電轉換率比邊緣處低約47.6%。

為區別是硅片還是后端工藝因素導致黑芯片出現,本文對黑心電池片進行去正反電極、去鋁背場、去SiN膜、N型層,而后經碘酒鈍化后,對電池片進行少子壽命測試,其測試結果如圖3右圖所示。圖3中檢測出電池片黑心處硅襯底少數載流子壽命是0.4μs,遠低于邊緣處7.2μs,兩幅圖進行對比,得出硅片本身內部缺陷所致導致電池片轉換效率低,與后端工藝沒有直接關系。

圖3 LBlC Current測試圖（左）和少子壽命測試圖（右）

1.4 位錯分析

太陽能電池片中影響少數載流子的壽命長短的因素,主要是載流子的復合機理(直接復合、間接復合、表面復合、Auger復合等)及其相關的問題[2]。其中,有害的雜質和缺陷在促進復合、減短壽命方面起決定作用。本文對黑心片中黑心處進行位錯分析,在光學顯微鏡下黑心樣片中心圓形部分的測試如圖4所示,其位錯密度均高達10E6～10E7左右,為單晶硅片中少數載流子的強復合中心,嚴重影響硅片的少子壽命,從而影響太陽能電池片和組件性能。

圖4 黑心片中心區域位錯

1.5 SlMS元素分析

有害的雜質對少數載流子的壽命有重要的影響,本文對黑心片進行SIMS測試,分別測量了黑心片內外的雜質濃度,如表2所示。通過表里的數據,我們可以很直觀的看出黑圈內O的濃度為1.06E+18而在黑圈外O的濃度為1.02E+18,兩者幾乎相等,黑心處邊界兩邊雜質原子含量一樣,沒有變化。所以黑心片的形成和少數載流子的壽命有關,但和摻雜雜質濃度無關。

表2 SlMS測試結果

2 位錯原因分析

單晶硅片制備過程中產生位錯的因素:

1)引頸長度小。高質量的無位錯拉晶工藝,在拉晶過程中下種引頸長度要大于一個晶錠直徑方可放肩,才能消除位錯。受市場經濟的影響,單晶硅片供應商為追求利益,降低工藝要求:引頸長度120-140mm完全低于直徑150mm單晶。

2)底料留量過少。一般晶體硅工藝中,單晶收尾時鍋底料是投料量的10%左右。現單晶供應商,為取得最大化的利潤,只追求把坩堝內硅料最大量地拉完提盡。然而晶體硅拉升結束時,鍋內料過少,造成坩堝內熔體過冷,一旦材料過冷必然掉苞[3]。拉出的單晶表面顯示出完整收尾,實際早已掉苞,切割完成的單晶為錯片,供應商直接出售給用戶該部分單晶硅片。

3 小結

為制備出轉換率高的太陽能電池,減少黑心片,電池片生產廠商要求硅片廠家供應合格的硅片,單晶多晶硅片位錯密度〈3000個/cm2,研究快速廉價的位錯檢測方法。

硅片供應商通過調整引頸、放肩、等徑生長和收尾等步驟的工藝參數,以及控制拉速和改善溫場等方法,減少位錯的產生,達到控制位錯密度的目的,從而消除或降低其對太陽能電池的不良影響,提高光電轉換率。

［1］羅承先.太陽能發電的普及與前景［J］.中外能源,2010:35.

［2］〈美〉Donald A.Neamen著.趙毅強等譯.半導體物理與器件(第三版)［M］.北京:電子工業出版社,2012.

［3］董建明,張波等.直拉法硅單晶生長中斷棱與掉苞問題的探討［J］.材料導報,2013,5(27):158.

The analysis and treatment of the black heart wafers in silicon solar battery

Zhao Junxia
(Sanjiang University)

In order to save energy,high conversion rate of crystalline silicon solar battery is widely used.The black heart wafer occupies a large proportion of low-grade wafer.In this paper,these silicon wafers are tested,analyzed and searched.There are lots of dislocations in the kind of wafers.Dislocation is the strong recombination center of minority carrier.This sriously affects minority-carrier lifetime lower than usually.Battery conversion rate is low.Power generation reduces.In order to improve the conversion rate,the battery manufacturer should put forward the dislocation supply standard.The silicon wafer manufacturer improves the production process.

Solar battery;Dislocation;minority-carrier lifetime

趙俊霞（1979—）, 女，碩士，現為三江學院講師，從事太陽能電池片研究工作。

項目來源:教育部 “本科教學工程”大學生校外實踐教育基地建設項目：三江學院-中電電氣（南京）光伏有限公司工程實踐教育中心，序號：186。