高效率N型離子注入太陽電池技術的研究

光伏材料與技術國家重點實驗室 英利能源（中國）有限公司 劉 瑩 張 偉 吳萌萌 李英葉 陳志軍

離子注入技術已經成功的從IC(集成電路)制造中延伸到了太陽能池的制造過程中，并且成為N型單晶太陽能池的研究熱點。我們在電阻率為1-3Ω.cm的N型硅片基底上，采用離子注入技術工業化生產的太陽能電池的最高效率達到12.2%，平均轉化效率為20.9%。我們還進行了離子注入摻雜技術對方塊電阻的摻雜曲線、均勻性、及電池參數的影響研究。

1 研究背景與內容

高效率低成本是太陽能電池技術的發展方向，電池效率的提升將依賴于新材料，新結構，新工藝的建立。目前P型硅電池的效率瓶頸已越發明顯，N型晶體硅電池由于其高少子壽命和無光致衰減等特性，具有更大的效率提升空間和穩定性。N-PERT（N-type Passivated Emitter，Rear Totally-diffused cell），鈍化發射極背面全擴散電池的背場結構以及正背面的鈍化層都可以有效降低電池的表面復合，提高電池效率，同時，該結構電池具有具有結構簡單，制備成本低，工藝流程短等優點。本文研究主要內容有：（1）離子注入N-PERT的電池結構及制備過程；（2）將離子注入技術應用于N-PERT電池中，分析其對背場摻雜均勻性和電池參數的影響。

2 研究結果與討論

2.1 N-PERT電池結構及工藝流程

N-PERT電池是一種典型的雙面電池，其正面為硼摻雜的發射極，背面為磷摻雜的背場，正背面均有氧化硅鈍化層、氮化硅減反射膜和金屬電極。N-PERT電池的制備過程中硼、磷摻雜過程多采用了高溫熱擴散方式，在不增加其他工序的條件下，其他常規熱擴散方很難形成雙面均勻的摻雜層，成為N-PERT電池效率提升的技術難題。

為提高N-PERT電池的背場質量，同時簡化制備過程，我們引入了磷離子注入技術，用它代替常規的POCl3熱擴散，圖1為離子注入N-PERT電池的工藝流程圖。

圖1 離子注入N-PERT電池工藝流程圖

2.2 磷注入硅片方塊電阻均勻性和ECV的研究

分別采用磷離子注入方式以及常規管式POCl3擴散方式對硅片的表面進行磷摻雜，并使用四探針測試儀對方塊電阻進行測試。離子注入方式采用4.0E15 ions/cm2的注入劑量，POCl3擴散采用850℃、30min的工藝；后續進行900℃、15min的退火處理。為查看其均勻性，我們對硅片進行49點方塊電阻進行掃描測試，得出數據如圖2所示。同時，我們通過ECV測試對磷離子注入和磷擴散對應的磷摻雜濃度進行比對，如圖3所示。

圖2 磷擴散與磷離子注入方塊電阻對比

圖3 不同摻雜方式的磷摻雜濃度分布對比

表1 電池電學參數

圖2中可以看出通過磷擴散的方塊電阻在22-32Ω/□范圍內，標準偏差為2.45%；而磷離子注入的方塊電阻在28-32Ω/□范圍內，其標準偏差為0.64%，磷注入方式的均勻性明顯好于磷擴散方式。圖3中磷注入方式比磷擴散方式的摻雜濃度整體降低，雜質摻雜濃度低同樣可以降低其表面復合速率。

2.3 離子注入電池電學參數研究

為進一步驗證離子注入和磷擴散兩種方式引起的電池性能的差異，我們實驗兩組硅片，每組300片，G1為磷擴散電池，G2為磷離子注入電池。表1列出了電池的電學參數。磷擴散電池與磷離子注入電池的正面電池平均效率分別為20.40%和20.95%，磷離子注入電池有0.55%的效率增益，主要來自于開路電壓和電流密度的提升。這是因為受高溫下固溶度的影響，磷擴散的背面摻雜濃度很難降低，而磷離子注入技術能夠使電池背面的摻雜濃度得到有效降低。

結論：綜上所述，磷離子注入N型電池比磷擴散N型電池的電池性能有有顯著提高。磷離子注入后背場摻雜的均勻性明顯改善。另外，磷離子注入技術使背場摻雜濃度降低，有效降低電池背面的復合損失；磷離子注入電池的電池效率明顯高于磷擴散電池的電池效率，電池效率絕對值增益達到0.55%。