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少子寿命值对太阳电池生产的监控作用
2017-05-31 14:26:51   来源:   评论:0 点击:

研究了太阳电池工艺过程中少子寿命值的变化,揭示了少子寿命值在太阳电池生产过程中的应用。通过比较工艺前后少子寿命值的变化,可以优化生产工艺,提高电池转换效率,改善电池的性能。经过工艺优化后,多晶硅太
研究了太阳电池工艺过程中少子寿命值的变化,揭示了少子寿命值在太阳电池生产过程中的应用。通过比较工艺前后少子寿命值的变化,可以优化生产工艺,提高电池转换效率,改善电池的性能。经过工艺优化后,多晶硅太阳电池(非绒面)的平均转换效率将会提升

以多晶硅为基体材料制备太阳电池可降低太阳电池的成本。但是铸造多晶硅中一般存在高密度的缺陷和高浓度的杂质。通常这些杂质原子本身或通过与结晶学缺陷相互作用,会成为少数载流子(少子)的复合中心,大大降低少子寿命,进而影响太阳电池的转换效率。

少子寿命是太阳电池设计及生产过程中的一个重要参数。少子寿命反映了太阳电池表面和基体对光生载流子的复合程度,即反映了光生载流子的利用程度。为了提高太阳电池的光电转换效率,必须尽可能提高少子寿命,增加少数载流子的扩散长度。理论上,少子寿命越长,太阳电池的短路电流和开路电压越高,太阳电池的转换效率也相应地提高。在太阳电池制作过程中,硅片要经过表面清洗去损伤层、扩散磷吸杂、PECVD沉积SiNx:H膜钝化、铝背场以及烧结等工艺,在这些工艺过程中,硅片要经过不同的高温处理,少子寿命也会随之发生变化。

  为提高太阳电池的转换效率和控制工艺的稳定性,在工艺过程中增强少子寿命测试对生产过程的监控是非常重要和必要的。通过少子寿命的监控,明确地知道每个工艺过程的质量情况,可以及时调整生产工艺,获得良好的工艺流程,从而达到控制生产过程的目的。

结果与讨论
  1原材料质量与损伤层厚度的判定
  铸造多晶硅锭料由底部向顶部逐渐凝固的过程中,不同的杂质在硅中的分凝系数不同,杂质会向铸锭的顶部和底部集中,导致顶部和底部少子寿命较短。铸锭过程的生长速率和冷却速率对杂质的扩散、沉淀、分凝以及缺陷密度的形成都有着重要的影响,并最终影响铸锭的少子寿命和铸锭的质量。硅片的生产过程通常采用线切割方式,由于以机械研磨作用为主,常常会在硅片边沿造成微裂、破损,在硅片表面形成一定厚度的损伤层,加重了硅片表面的复合程度,此时测试的少子寿命通常反映的是硅片的表面寿命。此外损伤层的存在在太阳电池的工艺过程中亦会引发二次缺陷或硅片破裂,因此生产过程中需先将损伤层去除以确保太阳电池的质量,并使得少子寿命测试结果接近于硅片的体寿命值,从而反映出硅片质量的优劣。

扩散磷吸杂效果
  扩散制P-N结过程是制作太阳电池"心脏"的过程,利用高温过程将磷原子扩散到基体材料中,形成所需的P-N结。扩散过程中磷吸杂有助于消除杂质,特别是重金属杂质,可提高少数载流子的长波响应。多晶硅片通过长时间的高温磷扩散吸杂后,整个基片内少子的扩散长度将得到很大的提高。

扩散的均匀性通常通过测试方块电阻的方式来监控。实际上,通过对不同扩散位置的硅片少子寿命进行监控,一方面可以反映出吸杂效果的稳定性;另一方面也可以反映出扩散的均匀程度。此外,少子寿命的变化也可用来监控工装的清洁程度,一旦工装受到污染,尤其是金属粒子的污染,会在电池内部形成复合中心,明显降低硅片少子寿命。因此当出现少子寿命突然降低的信号时,可以从两个方面来思考,一是工艺的不稳定性;二是工装受到污染。

PECVD钝化效果
  PECVD沉积SiNx:H膜被广泛应用于太阳电池的生产中,一方面是因为SiNx:H膜具有良好的减反射作用;另一方面则归功于SiNx:H膜的钝化作用。良好的表面钝化可以饱和硅片表面的悬挂键,降低表面态密度,减少少数载流子在硅片表面的复合,少子寿命也相应地得到一定程度提高,从而降低暗电流,提高了电池的开路电压。由于多晶硅材料体内存在较多的杂质和缺陷,为提高太阳电池的效率,还必须对硅材料内具有电活性的杂质和缺陷进行钝化。在SiNx:H膜沉积时引入的H对多晶材料的体缺陷和晶界起到了良好的钝化作用,降低了少子复合速率,增加了少子寿命。此外在沉积薄膜之后的烧结过程中,快速热处理过程的短时间高温可促进氢向硅中扩散,达到更好的钝化效果。

铝背场吸杂工艺优化
  铝背场对太阳电池的作用有两点:(1)在合适的烧结条件下,使铝浆在电池背表面形成高浓度的P区,形成指向背表面的电场,阻止少数载流子向背表面的扩散运动,降低少数载流子在背表面的复合,有助于少子寿命的提高;(2)铝背场的吸杂作用,同扩散磷吸杂类似,同样有助于增加少子寿命,关于铝背场吸杂主要有两种机制解释,即分凝机制(杂质在AI/Si合金和硅之间分凝,而在合金中的固溶度高)和沉积机制(合金层中有大量的缺陷,杂质与缺陷结合能力更低)。

结论
  少子寿命是关系太阳能电池转换效率的重要参数,少子寿命值可以在一定程度上反应太阳能电池转换效率的高低。在太阳能电池制备过程中,每一个工艺流程对硅片的少子寿命都有一定的改善作用,通过对少子寿命的监控,可以对工艺过程进行跟踪。少子寿命值对原材料的判断和工艺过程的优化具有极高的参考价值和指导作用。少子寿命测试方法简便,对样品无损伤,可广泛用于太阳能电池的生产过程中,对优化工艺、提高工艺稳定性和成品率具有十分重要的作用。

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