多晶硅電池LID性能研究

張志敏 劉苗 王貴梅 張華燦 李力聰

（晶澳太陽能有限公司，河北邢臺 055550）

0.引言

晶硅電池 LID（Light Induced Degradation,光致衰減）現(xiàn)象長期以來一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其是近年來 PERC(Passivated Emitter and Rear Local Contact,鈍化發(fā)射極和局部背接觸)工藝推廣以后，由于PERC工藝中氧化鋁鈍化膜的引入，增加了硅片中氧元素的濃度，從而導(dǎo)致LID現(xiàn)象更加嚴(yán)重。關(guān)于LID現(xiàn)象的原理解析，目前業(yè)界已經(jīng)有了比較成熟的理論解釋，即晶硅電池在陽光模擬器下曝曬過程中，在光注入條件下，硅基體內(nèi)部形成B-O、B-Fe對或還有其他缺陷，這些缺陷成為復(fù)合中心導(dǎo)致電池功率衰減。

單晶硅由于拉晶過程中使用的石英坩堝（主要化學(xué)成分有：單一高純度的SiO2）且坩堝內(nèi)部采用高純SiO2作為涂層材料，而多晶硅鑄錠過程中采用陶瓷坩堝，內(nèi)部涂層材料為Si3N4，所以單晶硅內(nèi)部的氧含量較多晶硅偏高[1]。因此單晶硅的LID也較多晶硅偏高。

然而實際生產(chǎn)過程中，卻出現(xiàn)多晶硅LID嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象，這與之前理論不相符[2]，本文結(jié)合現(xiàn)場實際運行工藝參數(shù)，通過研究驗證得到：印刷燒結(jié)曲線也會嚴(yán)重影響晶硅電池LID性能。同時針對研究結(jié)果提出更為合理的燒結(jié)曲線，以確保電池LID性能的穩(wěn)定。

1 試驗原料與設(shè)計

1.1 試驗原料

試驗選用晶澳太陽能有限公司東海基地，鑄造摻硼P型多晶硅硅片，半熔鑄錠多晶中部區(qū)域，硅片中晶粒尺寸均一，硅片厚度（180±10）μm，尺寸為157mm×157mm，電阻率為1.4Ω.cm～2.0Ω.cm,采用FT-IR（傅里葉變換紅外分光法）對樣品進行抽樣測試，硅片碳含量均值為2.7×1017（atoms/cm3），氧含量均值為 0.11×1018（atoms/cm3）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗電池樣品，以P型多晶硅片作為基體材料，經(jīng)清洗，去除表面損傷層，表面制絨，擴散制結(jié)，去除磷硅玻璃及邊緣刻蝕，氮化硅減反射層沉積，絲網(wǎng)印刷電極及共燒結(jié)等工藝制備而成。具體試驗步驟：

（1）制絨。對1600片多晶硅片利用RENA多晶酸制絨機進行酸制絨及清洗處理，去除硅片表面損傷層、金屬離子，清洗制絨減薄量控制在0.4g～0.5g。

（2）擴散制p-n結(jié)。將制絨后的硅片放入擴散爐中，在800℃～900℃的溫度下，以氮氣作為載體攜帶POCl3氣體進行40～60min的磷擴散，在硅片表面形成深度約為0.3μm～0.5μm，方塊電阻為70Ω～90Ω的n型發(fā)射極。

（3）去磷硅玻璃。采用RENA濕法刻蝕機進行邊緣刻蝕，減薄量控制在0.2g～0.25g。

（4）制SiNx減反射層。本試驗采用通過的捷佳創(chuàng)管式PECVD進行沉積，厚度約為78nm的SiNx膜層，同時還生成了大量的氫原子，對電池表面具有很好的鈍化作用，減少表面復(fù)合。

（5）絲網(wǎng)印刷。采用普遍的絲網(wǎng)印刷法印刷正面銀柵線，背面為全鋁BSF，以形成正負(fù)電極。

（6）燒結(jié)。將1600片試驗片分為兩個試驗條件，每個條件800片，對燒結(jié)爐調(diào)試兩種不同工藝，對兩種燒結(jié)工藝的燒結(jié)曲線進行了備份，如圖1所示。從曲線可以看到，A、B工藝主要差異在降溫速率和峰值溫度的差異，A工藝，峰值溫度在750℃左右，燒結(jié)區(qū)，從550℃～750℃階段升溫速率約為50℃/s,冷卻區(qū)，從峰值750℃～400℃階段降溫速率約為58℃/s；而B工藝，峰值溫度在770℃左右，比A工藝高20℃，燒結(jié)區(qū)500℃～770℃階段升溫速率約為65℃/s，冷卻區(qū)從峰值770℃～400℃階段降溫速率約為92℃/s；770℃～600℃階段降溫速率達(dá)到100℃/s。兩種工藝條件，各投入800試驗片，專人跟蹤確保不混片，對兩個燒結(jié)條件的試驗片的主流檔位，選同一檔位電池各抽樣10片，編號A(1-10)和B(1-10)。然后將20片電池送往實驗室進行5kW?h LID測試。測試方法：將20片電池置于陽光模擬器下曝曬,總輻照量達(dá)到5kW?h。同時收集樣品LID測試前后QE數(shù)據(jù)作為測試分析依據(jù)。

圖1 不同燒結(jié)曲線

2.試驗結(jié)果與分析

兩種燒結(jié)工藝電性能參數(shù)以及LID數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種燒結(jié)工藝對應(yīng)電性能參數(shù)及LID

試驗結(jié)果：B燒結(jié)條件生產(chǎn)的電池在經(jīng)過5kWh-LID之后，LID嚴(yán)重偏大，如表1，數(shù)據(jù)匯總了兩個燒結(jié)條件下，對應(yīng)的10片試驗片的電性均值，B工藝10片電池功率衰減均值達(dá)到4.36%，從電性參數(shù)看，UOC衰減了約0.01V，ISC衰減了0.124A，F(xiàn)F衰減了1.121%,而相對的A燒結(jié)工藝生產(chǎn)的電池，LID只有0.61%。電性參數(shù)也有衰減，但衰減幅度相對很小。

隨后，針對B燒結(jié)工藝條件生產(chǎn)的電池，我們選擇了幾片衰減偏大的電池進行了QE測試，與LID前的QE曲線進行對比，如圖2所示。電池在經(jīng)過5kWh-LID之后，650nm～1000nm的中長波段響應(yīng)變差，我們認(rèn)為這是導(dǎo)致電池功率衰減的主要原因。650nm～1000nm的中長波的主要吸收區(qū)域在電池的硅基體內(nèi)，基本在空間電荷區(qū)到鋁背場之間的區(qū)域。硅基體內(nèi)復(fù)合增大導(dǎo)致電池Isc，Uoc，F(xiàn)F各參數(shù)均出現(xiàn)較大幅度的下降。

圖2 B燒結(jié)工藝對應(yīng)電池LID前后QE曲線

硅基體內(nèi)的復(fù)合中心是如何形成的？目前業(yè)界已經(jīng)有了比較成熟的理論解釋，即多晶硅電池在陽光模擬器下曝曬過程中，在光注入條件下，硅基體內(nèi)部形成B-O、B-Fe對或還有其他缺陷，這些缺陷成為復(fù)合中心導(dǎo)致電池功率衰減[3-4]；本試驗中，兩組樣品出現(xiàn)明顯的LID差異，唯一的變量就是燒結(jié)工藝不同，B燒結(jié)工藝生產(chǎn)的電池衰減更大一些，我們分析可能是由于 B燒結(jié)工藝峰值偏高及降溫速率過快，770℃～600℃階段降溫速率達(dá)到100℃/s，硅片在非常快的熱瞬態(tài)中容易出現(xiàn)位錯缺陷，可能屬于熱應(yīng)力所致的滑移位錯。這些位錯缺陷，在后期會成為新的復(fù)合中心，導(dǎo)致電池的功率衰減[5]。A燒結(jié)工藝峰值溫度較B工藝低了20℃，降溫速率約58℃/s，工藝的相對均勻性，避免了對晶片的損壞。

3.結(jié)論與應(yīng)用

對于晶硅電池LID現(xiàn)象除了業(yè)界公認(rèn)的B-O復(fù)合導(dǎo)致以外，本文還發(fā)現(xiàn)不同的燒結(jié)曲線也會影響成品電池LID性能，經(jīng)過優(yōu)化燒結(jié)曲線，最終得到峰值溫度在750℃左右，燒結(jié)區(qū)從550℃～750℃階段升溫速率約為50℃/s，冷卻區(qū)從峰值750℃～400℃階段降溫速率約為58℃/s，此燒結(jié)曲線對于多晶硅電池LID降低非常明顯，具有很大的實用價值。