擴散方阻對單晶PERC電池電學性能的影響

賈艷飛

(山西機電職業技術學院材料工程系，山西 長治 046011)

1 PERC電池工藝原理

單晶PERC電池由于其成本優勢以及與現有設備兼容性高的特點，成為當今光伏電池產品的主流。各大廠商都在不斷加大研發投入，提升PERC電池轉換效率，以實現在目前激烈的行業競爭中占有一席之地。光伏電池發電的基本原理就是太陽光照在基體PN結上，形成新的空穴-電子對。在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。PN結相當于電池的心臟，制備過程直接決定了電池多項性能，進而影響光電轉換效率[1]。晶體硅電池結構示意圖見圖1，單晶PERC電池工藝流程見圖2。

圖1 晶體硅電池結構示意圖

圖2 單晶PERC電池工藝流程圖

晶體硅電池制造PN結時通過利用磷原子(N型)向晶體硅片(P型)內部擴散的方法改變硅片表面層的導電類型，從而形成PN結。因此擴散工序是光伏電池生產最為關鍵的工序之一。國內量產最通用的辦法是采用三氯氧磷液態源擴散的方法，制程穩定且可控性強。

POCl3擴散的工藝原理[2]具體如下：

1) POCl3在>600 ℃的高溫下分解成P2O5和PCl5，見式(1)。

(1)

2) P2O5在指定工藝溫度下與Si反應，生成SiO2和P(磷原子)，見式(2)。

(2)

3) 生成的PCl5不易分解且對硅有腐蝕作用，因此需要轉換為P2O5。在通N2情況下需通入O2，PCl5進一步反應成P2O5和Cl2，生產的P2O5進一步與Si生產SiO2和Cl2，見式(3)。

(3)

擴散工序制備過程最重要的監控指標是擴散方阻，在生產線，方阻測試通過測試5點(硅片中心+4個角)實現，除了方阻阻值的指標，還需要考慮方阻的均勻性。方阻控制的均勻性通過公式(1)來表征：

(1)

M值越大，說明方阻均勻性越差，反之M值越小，擴散方阻均勻性越好[3]。影響方阻控制的主要因素有擴散時間、擴散溫度、及氣體流量。本文通過實驗設計，對各項因素變化導致電池的電學性能變化進行測試，分析各項因素參數變化對單晶PERC電池轉換效率等電學性能指標的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗原料及設備

單晶硅片：摻鎵型，厚度190 μm，規格156.75 mm×156.75 mm；POCl3；N2、O2，廠區內空分站供應。

擴散爐：四十八所管式擴散爐；分選Halm機。

2.2 實驗設計

采用單面單晶PERC電池工藝進行電池片加工，為了保證實驗數據的可對比性，所有環節均采用同一種設備，除擴散外均保持工藝參數穩定不變。

實驗的主要思路從擴散時間、溫度和氣體流量入手，固定其他2個參數，考察其中一個參數對方阻變化以及電池電學性能的影響。另外，各組實驗中POCl3流量穩定在1 250 L/min，條件不變。

實驗一：溫度恒定在785 ℃，小N2流量1 050 mL/min，O2流量520 mL/min，時間選取1 000、1 180、1 260、1 340 s，測試A1、A2、A3、A4共4組實驗方阻以及電學性能參數，同時，實驗樣本數量為一管(1 200 pcs)；

實驗二：時間1000 s，小N2流量1 050 mL/min，O2流量520 mL/min，溫度選取770 、785、800、815 ℃，測試B1、B2、B3、B4共4組實驗方阻以及電學性能參數，同時，實驗樣本數量為一管(1 200 pcs)；

實驗三：溫度設定785 ℃，時間1 000 s，小N2流量1050 mL/min，O2流量選取440、480、520、560 mL/min，測試C1、C2、C3、C4共4組實驗方阻以及電學性能參數，同時，實驗樣本數量為一管(1 200 pcs)；

實驗四：溫度設定785 ℃，時間1 000 s，O2流量520 mL/min，小N2流量選取1 000、1 050、1 100、1 200 mL/min，測試D1、D2、D3、D4共4組實驗方阻以及電學性能參數，同時，實驗樣本數量為一管(1 200 pcs)。

3 實驗結果與討論

3.1 擴散工藝時間對電池方阻及性能指標的影響

對照表1及表2，擴散工藝時間的變化在一定程度會導致方阻均值均勻性的變化。隨著時間的延長，擴散方阻的均值逐漸變小，當時間為1 000 s時，方阻均值為134.22 Ω/□，最接近產線控制規格線。另外，隨著工藝時間的增加，方阻的均勻性在一定程度上趨于一致但整體變化不大。原因在于，PN結是通過擴散形成，時間長使得擴散過程更加均勻，各點方阻相互接近[4]。從電學性能指標來看，擴散時間為1 000 s時對應的轉換效率最高，且開路電壓和閉路電流均達到較優數值。但是擴散時間如果太短容易導致擴散程度淺導致電池失效。因此選取1 000 s時擴散效果最佳。

表1 不同擴散工藝時間對方阻的影響

表2 不同擴散工藝時間對電池電學性能的影響

3.2 擴散溫度對電池方阻及性能指標的影響

對照表3及表4，擴散溫度的變化對方阻均值以及均勻性的影響較大。隨著溫度的上升，擴散方阻的均值逐漸變小，當溫度為770 ℃時，方阻均值為136.22 Ω/□，與溫度785 ℃均較為接近產線控制規格線。原因是擴散溫度上升，原子活性增加，容易形成擴散，P原子含量高導致方阻下降。另外，隨著溫度降低，方阻的均勻性在一定程度上趨于一致。從電學性能指標來看，擴散溫度為770 ℃時對應的轉換效率最高，且開路電壓和閉路電流均達到較優數值。

表3 不同擴散溫度對擴散方阻的影響

表4 不同擴散溫度對電池電學性能的影響

3.3 擴散O2流量對電池方阻及性能指標的影響

對照第7頁表5、表6，擴散方阻的均值隨著O2流量的增加而升高，均勻性則有所提升。主要原因是O2流量的增加使產生的二氧化硅比例上升從而導致方阻值上升。之于電學性能變化，O2流量的增加，Voc、Rs均呈下降趨勢，而Isc呈上升趨勢，填充因子與轉換效率隨著O2流量增加先增加后降低。當O2流量為520 mL/min，轉換效率最佳達到22.23%。

表5 不同O2流量對擴散方阻的影響

表6 不同O2流量對電池電學性能的影響

3.4 擴散小N2流量對電池方阻及性能指標的影響

對照表7及表8，擴散方阻的均值隨著小N2流量的增加而降低，均勻性則有所提升。主要原因是POCl3通過小N2帶入，小N2流量的增加意味著POCl3流量的上升，POCl3濃度增加使得擴散過程中P原子擴散比例上升，導致方阻下降，同時,由于擴散反應更加充分進而方阻值趨于相近[5]。之于電學性能變化，小N2流量的增加，Voc、Isc和Rs均呈下降趨勢，而FF呈上升趨勢，當小N2流量為1 050 mL/min，轉換效率最佳達到22.21%。

表7 不同N2流量對擴散方阻的影響

表8 不同N2流量對電池電學性能的影響

4 結論

通過對擴散環節中工藝時間、溫度設定、O2以及小N2流量，對照電池片產品方阻以及電學性能變化，可以得出如下結論：

1) 隨著溫度的上升、以及工藝時間的延長，擴散方阻呈一定程度的下降趨勢，而均勻性有所提升，進而引起開路電壓以及閉路電流等性能指標的變化。當溫度為770 ℃、工藝時間為1 000 s時轉換效率最優；

2) 氣體流量的變化會導致擴散方阻產生顯著變化，主要是通過影響反應物的濃度進而對擴散反應產生作用。從總體效果來看，氣體流量不是越高或者越低最好，當O2流量達到520 mL/min，小N2流量為1 050 mL/min時轉換效率可以達到22.23%。

因此，在擴散工藝過程控制時，可以通過適當降低工藝時間，提升溫度同步加大N2流量能夠顯著改善電池片的電學性能。