掺镓硅片电阻率对太阳电池性能的研究

本文将电阻率为0.2～4 Ω•cm 的掺镓硅片分别制备成常规铝背场电池和PERC 电池，并对电池的少子寿命、电性能参数和光致衰减进行测量，研究了电池性能的差别，为掺镓硅片投入工业化生产提供了参考。

实验结果表明：常规铝背场电池的转换效率随着电阻率的增加而增加，电阻率为3～4 Ω•cm 的电池转换效率最高为20.30%;PERC 电池的转换效率随着电阻率的增加而减小，电阻率为0.2～1 Ω•cm 的电池转换效率最高为21.38%。

实验

实验中使用的P 型单晶硅片尺寸为156.75mm×156.75 mm， 面积为244.32 cm2， 厚度为190(±10) μm。实验方案如表1 所示，常规铝背场电池基准组1 和PERC 电池基准组2 都选用目前工业化生产使用的掺硼硅片，电阻率为1～3Ω•cm;常规铝背场电池实验组1～4，选用电阻率依次为0.2～1 Ω•cm、1～2 Ω•cm、2～3Ω•cm、3～4 Ω•cm 的掺镓硅片;PERC 电池实验组5～8，同样选用电阻率依次为0.2～1 Ω•cm、1～2 Ω•cm、2～3 Ω•cm、3～4 Ω•cm 的掺镓硅片;每组样品数量均为400 片。

所有的电池片生产工艺均在常规的单晶硅太阳电池生产线上进行，主要工艺步骤( 其中步骤4)和6) 为PERC 电池独有的工艺) 如下：

1) 去损伤层、制绒：制绒金字塔大小1.5～2.5 μm;

2)PCl3 扩散：高温扩散形成n+ 发射极，方块电阻为90～98 Ω/ □;

3) 刻蚀及去磷硅玻璃层(PSG);

4) 硅片背面沉积Al2O3 和SiNx 钝化膜：Al2O3 薄膜厚度20 nm，SiNx 薄膜厚度130 nm;

5) 硅片正面沉积SiNx 减反射膜：SiNx 薄膜厚度78 nm，折射率2.08;

6) 硅片背面激光开窗：180 根线，线宽为40 μm;

7) 印刷电极;

8) 高温烧结;

9) 测试分选。实验中采用semilab RT-100 设备测量硅片电阻率，四探针法测试扩散后硅片方块电阻，使用semilab WT-1200 设备测试少子寿命，选用BERGER 在线I-V 测试系统，在25 ℃、AM 1.5、1 个标准太阳的条件下测试太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子、转换效率等电性能参数。

结果与讨论

少子寿命

少子寿命是太阳电池设计和生产中的一个重要参数。它反映了太阳电池基体和表面对光生载流子的复合程度，表明了光生载流子的利用率。少子寿命直接影响太阳电池的开路电压、短路电流等电性能参数;若要提高太阳电池的转换效率，必须尽可能提高少子寿命。测试不同电阻率的掺镓硅片扩散后和镀完背面Al2O3 和正反面SiNx 后的少子寿命，每种电阻率各随机抽取5 片测试，求出5片的平均值。少子寿命对比如图1所示。

由图1 可知，在0.2～4 Ω•cm 的电阻率范围内，不论是扩散后还是PECVD 钝化后，硅片的电阻率越高，其少子寿命也越高[1]。在太阳电池中，少子寿命往往是由几种不同能级状态的复合中心支配的，硅片的电阻率越低，其基体掺杂浓度越高，硅片内部的杂质和晶格缺陷就越多，相应的少子寿命就越短。值得一提的是，相同的基体掺杂浓度，并不意味着有唯一的少子寿命，硅基体的少子寿命还和晶体的生长方式、退火时间和温度、晶体的冷却速度有关[2]。

电池性能

每组实验电池均为400 片，测试每片电池的电性能，并计算各项参数的平均值。图2a 为不同电阻率的掺镓硅片制成常规铝背场电池的电性能数据，图2b 为不同电阻率的掺镓硅片制成PERC 电池的电性能数据。

开路电压

由图2 可知，在0.2～4 Ω•cm 的电阻率范围内，随着硅片电阻率的增加，相应太阳电池的开路电压会随之减少。太阳电池的开路电压Voc 为：

式中，I0 为太阳电池反向饱和电流;IL 为太阳电池光生电流;n 为理想因子;k 为玻尔兹曼常数;T 为绝对温度;q 为电子电荷。I0 与基区的掺杂浓度成反比[2]，即在一定电阻率范围内，硅片的电阻率越大，基区掺杂浓度越低，反向饱和电流越高，开路电压会减小。

短路电流

由图2 可知，在0.2～4 Ω•cm 的电阻率范围内，随着硅片电阻率的增加，相应太阳电池的短路电流会随之增加，常规铝背场电池相比PERC 电池，增加趋势更大。这是因为太阳电池的光生电流密度Jph由光子流密度F(λ) 和光谱响应SR(λ) 决定[2]：

通过Panek P[3] 的研究，测试并对比不同电阻率电池的光谱响应发现，高电阻率硅片制备的太阳电池在600～1100 nm 的长波段光谱响应更好，而在短波段的光谱响应无太大差异。由此可知，高电阻率的硅片对于太阳电池短路电流的贡献主要表现在长波段光谱响应上。

串联电阻

由图2 可知，在0.2～4 Ω•cm 的电阻率范围内，随着硅片电阻率的增加，无论是常规铝背场电池，还是PERC 电池，串联电阻都逐渐增大，填充因子都显著减小。影响电池填充因子的因素有很多，串联电阻对电池的填充因子有着直接影响。填充因子FF表达式为：

式中，Vm为电池最大功率点的电压值;Im为电池最大功率点的电流值。串联电阻对太阳电池I-V 特性的影响如图3[4] 所示，随着串联电阻的增大，Vm和Im逐渐减小，Voc和Isc不发生改变，因此FF 随之减小。

转换效率

由图2 可知，在0.2～4 Ω•cm 的电阻率范围内，随着硅片电阻率的增加，相应常规铝背场太阳电池的转换效率逐渐增大，实验组4( 电阻率3～4 Ω•cm) 的转换效率最高，为20.30%PERC 电池的转换效率逐渐减小，实验组5( 电阻率0.2～1 Ω•cm) 的转换效率最高，为21.38%。另一方面，与目前工业化生产使用的电阻率1 ～3 Ω •cm 的掺硼硅片相比较，若使用掺镓硅片生产，对于常规铝背场电池，其电阻率选择范围应为2～4 Ω•cm;对于PERC 电池，其电阻率选择范围应为0.2～2 Ω•cm。

光致衰减

每组电池分别随机抽取5 片，进行光致衰减前电性能参数测量，然后开始初始光致衰减实验( 光照强度1000 W/m2，时间6 h);完成光致衰减后，测试各片电性能参数，与光致衰减前进行计算，得到初始光致衰减值=( 光衰前转换效率–光致衰减后转换效率)/ 光致衰减前转换效率;求出每组5 片电池初始光致衰减值的平均值，初始光致衰减值对比如图4 所示。由图4 可知，由于硼氧复合体的存在，掺硼单晶硅片制备成的常规铝背场电池和PERC 电池的光致衰减值高达2.21%、4.07%;使用掺镓单晶硅片制备成的太阳电池的光致衰减值远小于掺硼单晶硅片。

结论

实验结果表明：

1) 电阻率为0.2～ 4 Ω •cm 时， 扩散后、PECVD 钝化后硅片少子寿命随电阻率的增加而增加，这是由于硅片电阻率越高其体复合越小。

2) 电阻率为3～4 Ω •cm 的掺镓硅片制备的常规铝背场电池，其转换效率最高，为20.30%。

3) 电阻率为0.2～1 Ω •cm 的掺镓硅片制备的PERC 电池，其转换效率最高，为21.38%。

4) 与目前工业化生产使用的电阻率1～3 Ω•cm的掺硼硅片相比，常规铝背场电池若使用掺镓硅片生产，其电阻率应选择2～4 Ω•cm;PERC 电池若使用掺镓硅片生产，其电阻率应选择0.2～2Ω•cm。

5) 电阻率为0.2～4 Ω •cm 的掺镓硅片无论制备成常规铝背场电池还是PERC 电池，其光致衰减值随着电阻率的增加而降低，且都远小于掺硼硅片制备成的太阳电池。

国家电投集团西安太阳能电力有限公司

■ 宋志成 吴翔* 陈璐 魏凯峰

来源《太阳能》杂志社2018 年 第 7 期( 总第291 期)

文章作者：宋志成 等