N型鋁背發射極太陽電池前面場摻雜分布的優化研究

賈積凱

【摘 要】N型硅鋁背發射極太陽電池具有高轉換效率、無光致衰減、與現有常規電池生產線兼容的有點，從而降低的N型電池的制造成本。而前面場是這一結構太陽電池的重要組成部分。前面場的作用類似于P型常規太陽電池鋁背場的作用。前面場可以增強載流子的收集能力，提高電池的開路電壓，以及電池的轉換效率。在本文中，前面場的摻雜分布進行了細致的研究。優化后的表面濃度在4E+20 cm-3，同時前面場的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之間。太低的摻雜濃度無法提供一個高強度的前面場，而太高的摻雜濃度則引入過多的載流子復合中心。對于前面場的深度，過薄會增加載流子的橫向電阻，過厚則會影響電池對于短波段光的吸收與轉化。

【關鍵詞】太陽電池；N型；鋁背發射極；前面場

引言

目前，大規模商業化生產的太陽電池絕大部分還是基于P型硅材料的。基本上所有的太陽電池產品都是具有一個同質的發射極、一層PECVD沉積的減反層、以及絲網印刷制備的前后電極。現今，N型硅電池的開發興趣越來越濃厚。N型電池具有更高的載流子壽命、更小的載流子俘獲截面、更高的金屬雜質耐受性等[1； 2； 3.]同時，N型太陽電池也克服了P型電池由于硼氧復合體導致的光致衰減的弱點[4.]近幾年，許多用于N型硅太陽電池的技術被開發出來[6； 7； 8；9；10； 11； 12； 13.]許多N型硅太陽電池產品開始進入市場. 但是這些結構的電池工藝與現有的生產工藝具有很大的差異，無法與現有P型硅太陽電池生產兼容，并且本身的工藝成本也非常高。快速、低成本、與現有P型太陽電池生產兼容的N型太陽電池的開發就顯得非常重要，而N型鋁背發射極太陽電池就可以完美做到這一點。Christian Schmiga等人就報道了他們在實驗室達到了19.2%的效率[20.]。Top cell Solar International 也已經可以生產轉換效率19.2%的大面積（239 cm2），N型太陽電池了[21.]。

一、實驗

本論文的實驗是基于6英寸（148.58 cm2）的單晶Cz N型硅片的。硅片的電阻率大約是5 ?·cm。整個制備工藝以堿制絨開始，經過清洗后進行磷擴散。擴散后硅片方塊電阻為50 ?/□。之后進行濕法刻蝕，去除邊緣和背面的多余擴散部分。同時利用HNO3/HF的化學氣相腐蝕，控制前面場的表面濃度和深度。緊接著硅片正面使用PECVD進行氮化硅減反膜的沉積，以及背面絲網印刷全鋁背場。最后進行前面表面電極的制備。前表面電極的制備包括了電極下方的重擴散，使用表面噴涂磷源加激光擴散的方法，使得重擴散區域的方阻降低到15 ?/□。

二、結果與討論

對于前面場的優化主要包括兩個方面，一個是前面場的深度，另一個是表面濃度。在實驗過程中首先進行重擴散，之后使用HNO3/HF的化學氣相腐蝕，配合低溫下KOH的浸泡，控制表面濃度和深度。

隨著前面場厚度的增大，電池的串聯電阻逐步減小，FF逐步增大，這主要是減少了前表面的橫向電阻。但是隨著前面場厚度的增加，電池的短路電流卻一直在減小，當前面場厚度超過0.25 μm左右時短路電流減小的影響超過了FF增加的效果，所以電池轉換效率開始下降。短路電流的下降主要來自于短波長的響應減小。

在固定前面場深度的情況下，改變表面濃度。根據前面的分析，前表面場的深度在0.25 μm到0.3 μm間效果最好。故這里基本控制在0.27 μm，表面濃度在1E+20 cm-3-8E+20 cm-3之間變化。

由于固定了前表面場的深度，電池短路電流基本穩定。隨著表面濃度的提高，電池的串聯電阻減小，FF提升，這同樣也與前表面的橫向電阻降低有關。隨著表面濃度的提升，開路電壓先升高后降低。表面濃度的提高，使得前表面場的準費米能級更加靠近導帶底，使得它與基底的準費米能級的能級差變大，這樣可以有效提高前面場的勢壘，提升開路電壓。但是由于前表面場濃度的提高必然因擴散而引入大量的擴散雜質和復合中心，使得少子壽命降低。因此少子壽命的降低與前表面場勢壘的提高有一個平衡和制約關系。大概表面濃度在4E+20 cm-3左右時，電池性能最好。

三、總結

N型硅鋁背發射極太陽電池具有高轉換效率、無光致衰減、與現有常規電池生產線兼容的有點，從而降低的N型電池的制造成本。而前面場是這一結構太陽電池的重要組成部分。前面場的作用類似于P型常規太陽電池鋁背場的作用。前面場可以增強載流子的收集能力，提高電池的開路電壓，以及電池的轉換效率。在本文中，前面場的摻雜分布進行了細致的研究。前面場的深度將主要影響電池的短路電流和FF；表面濃度主要影響電池的開路電壓和FF。優化后的表面濃度在4E+20 cm-3，同時前面場的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之間。太低的摻雜濃度無法提供一個高強度的前面場，而太高的摻雜濃度則引入過多的載流子復合中心。對于前面場的深度，過薄會增加載流子的橫向電阻，過厚則會影響電池對于短波段光的吸收與轉化。

參考文獻：

[1]Cotter， J.E.， Guo， J.H.， Cousins， P.J.， Abbott， M.D.， Chen， F.W.， Fisher， K.C.， 2006. P-type versus n-type silicon wafers： prospects for high efficiency commercial silicon solar cells. IEEE Trans. Electron Dev. 53，1893–1901.

[2]Macdonald， D.， Geerligs， L.J.， 2004. Recombination active of interstitial iron and other transition metal point defects in P- and n-type crystalline silicon. Appl. Phys. Lett. 85， 4061–4063.

[3]Schmidt， J.， Aberle， A.G.， Hezel， R.， 1997. Investigation of carrier lifetime instabilities in CZ grown silicon. In： 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， pp. 13–18.

[4]Bothe， K.， Sinton， R.， Schmidt， J.， 2005. Fundamental born-oxygen-related carrier lifetime limit in mono and multicrystalline silicon. Prog. Photovoltaics： Res. Appl. 13， 287–296.endprint