單晶硅與多晶硅電池衰減特性研究

晶澳太陽能有限公司 ■ 劉苗趙江雷 王玉肖 張釗 趙朋松

單晶硅與多晶硅電池衰減特性研究

晶澳太陽能有限公司 ■ 劉苗*趙江雷 王玉肖 張釗 趙朋松

著重研究直拉單晶硅電池及鑄錠多晶硅電池衰減的差異，以及導致差異形成的原因。結果表明，該差異的形成主要受B-O復合體、碳含量、分凝系數(shù)及金屬離子的影響。

直拉單晶；鑄錠多晶硅；太陽電池；光致衰減

0　引言

太陽電池和發(fā)電技術的大面積推廣，對傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電技術形成了強大沖擊，在能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨加劇的今天，其研究備受關注。

太陽電池按照所用材料的區(qū)別，主要分為硅材料電池、半導體化合物電池、有機化合物電池，以及近年來研究活躍的鈣鈦礦電池。其中，硅材料電池中的晶體硅電池又分為單晶硅和多晶硅電池兩大類，占據(jù)了90％左右的市場份額［1］。眾所周知，單晶硅電池光致衰減（LID）一直是困擾行業(yè)的一大難題，特別是近年來新開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的鈍化發(fā)射極和局部背接觸（PERC）電池，其LID值更是高達3％～5％；然而同為p型多晶硅電池的LID卻始終較低。同樣的摻硼電池，不同的晶體生長方式最終導致不同的LID值。本文著重研究LID的影響因素，以及不同晶體生長方式對LID值的影響。

1　LID的影響因素

影響LID的因素為：1）硼氧（B-O）復合體。B-O復合體是影響LID的主要因素之一，LID值與B濃度成正比，與O濃度平方成正比［2］。2）晶體內部碳（C）含量。高濃度的C對B-O復合體存在抑制作用［3］。3）分凝系數(shù)。氧在硅中的分凝系數(shù)為1.25，因此對于直拉單晶硅來說，頭部的O含量相對較高，尾部相對較低；而對于鑄錠多晶硅來說，底部先凝固，則O濃度最高；頂部后凝固，則O濃度最低。4）硼鐵（Fe-B）對的分解-復合模型。Fe-B對分解成Fe和B，高能級的Fe復合中心使硅片受到Fe污染，從而引起電池性能下降。

2　試驗設計

2.1試驗儀器

硅片C/O含量、少子壽命，以及硅片厚度等參數(shù)分別采用Nicolet8700傅立葉紅外（FT-IR）光譜儀、德國Semilab WT-1000少子壽命測試儀、上海星納MS203晶片多功能參數(shù)檢測儀進行測試；電池光照處理采用上海太陽能工程技術研究中心HS1610C熱斑耐久試驗裝置；光照前后的電池性能參數(shù)測量采用德國H.A.L.M高精度I-V測量系統(tǒng)；采用中導光電設備有限公司的FL-01一體機進行硅片的光致發(fā)光（PL）和電池的電致發(fā)光（EL）測量。

2.2試驗樣品及處理

樣品采集相同電阻率（1～3 Ω）的鑄錠多晶硅（MC-Si）及直拉單晶硅（CZ-Si），測試其原料硅片各項參數(shù)并作相應記錄；然后將樣品經(jīng)過相同電池加工工藝處理后，分別選取10片電池片，采用熱斑耐久試驗箱進行光照處理，光照強度1000 W/m2，時間5 h；采用相同系統(tǒng)測量光照后的電池性能參數(shù)，計算光照過程中衰減比例。

3　結果與分析

硅片各項參數(shù)對應光致衰減值見表1，其中，衰減1和衰減2代表同一條件下電池衰減的兩次測試。由表1可知，相同電阻率的MC-Si及CZ-Si衰減的差異主要來源于O濃度和C濃度的變化 。

表1　硅片各項參數(shù)對應光致衰減值

由于MC-Si鑄錠過程中采用的是陶瓷坩堝，其主要化學成分為SiO2（99％）、Al2O3（0.5％）、GaO（0.5％）和Si3N4涂層；而CZ-Si拉晶過程中采用石英玻璃坩堝，其主要化學成分是單一高純度的SiO2（100％），并且采用高純SiO2作為涂層材料［4］。

陶瓷坩堝本身的SiO2含量較石英玻璃坩堝偏低，并且Si3N4涂層中O含量較高純SiO2涂層偏低，從而導致多晶硅較單晶硅O含量明顯偏低；此外，B-O復合體是影響LID的主要因素之一，LID值跟B濃度成正比，與O濃度平方成正比［2］；所以說，多晶硅O含量偏低是導致多晶硅電池衰減偏低的主要原因（如圖1所示）。其次是碳含量，碳的分凝系數(shù)以及拉晶和鑄錠過程中的熱場分布的不同，造成MC-Si中C含量明顯高于CZ-Si，而高濃度的C對B-O復合體存在抑制作用［3］。這也是導致多晶硅電池衰減低于單晶硅電池的原因之一如圖2所示。

圖1　硅片中O濃度對電池LID的影響

圖2　硅片中C濃度對電池LID的影響

圖3　直拉單晶硅中O含量分布

另外，影響LID的因素還有分凝系數(shù)，O在硅中的分凝系數(shù)為1.25，對于CZ-Si來說，拉晶過程中頭部先凝固，因此頭部O含量最高；隨著熔體的減少，坩堝貢獻的溶解O的濃度再次增加，受熔體對流的影響，晶體中O濃度后期再次升高；整個晶體中O濃度呈現(xiàn)連續(xù)變化的曲線關系，稱之為軸向O曲線［5］。而對于MC-Si來說，底部先凝固，O濃度最高；頂部最后凝固，O濃度最低。

MC-Si相比較CZ-Si晶界以及缺陷較多，針對缺陷是否會造成LID的差異這一問題，我們進行了研究，結果表明，缺陷對LID影響不大。這與王朋［6］等對關于MC-Si中缺陷對LID的影響研究結果相吻合。

4　結論

通過以上分析得出，導致MC-Si與CZ-Si光致衰減差異的因素主要有以下幾點：

1）硼氧（B-O）復合體。不同的工裝器具導致MC-Si與CZ-Si中O含量的差異。多晶硅O含量偏低是導致多晶硅電池衰減偏低的主要原因。

2）晶體內部C含量。碳的分凝系數(shù)以及不同的熱場分布導致MC-Si中C含量高于CZ-Si，多晶硅C含量偏高是導致多晶硅電池偏低的原因之一。

3）分凝系數(shù)。對于CZ-Si來說，整個晶體中O濃度呈現(xiàn)連續(xù)變化的軸向O曲線。

4）缺陷對LID影響不大。

［1］ 肖煥成.未來五年太陽能電池市場屬于單晶硅［EB/OL］. http：//www.qianzhan.com/analyst/detail/220/141119-621f6fbf. html， 2014-11-19.

［2］ Schmidt J， Bothe K. Structure and transformation of the metastable boron- and oxygen-related defect center in crystalline silicon［J］. Physical Review B， 2004， 69（2）： 024107.

［3］ Macdonald D H， Geerligs L J， Azzizi A. Iron detection in crystalline silicon by carrier lifetime measurements for arbitrary injection and doping［J］. Journal of Applied Physics， 2004， 95（3）：1021-1028.

［4］ 陳圣賢， 汪釘崇. 多晶硅鑄錠石英陶瓷坩堝及涂層［A］. 第十屆中國太陽能光伏會議論文集［C］，常州， 2008.

［5］ Ben D， Mohamed H， Ajeet R. Light induced degradation in Cochralski silicon during illuminated high temperature processing［A］. Conference Record of the 29th IEEE［C］， New Orleans， Louisiana， 2002， 348-351.

［6］ Damiani B M. Investigation of light induced degradation in promising photovoltaic grade silicon and development of porous silicon anti-reflection coatings for silicon solar cells［D］. Georgia：Georgia Institute of Technology， 2004.

2016-02-17

劉苗（1987—），女，工程師，主要從事晶體硅太陽電池方面的研究。liumiao@jasolar.com