n型鋁背結太陽電池的前面場優化研究

■ 陳麗萍 錢洪強 葛劍 席曦 楊健 陳如龍 李果華 朱景兵,3 施正榮,3

(1.江南大學理學院；2.無錫尚德太陽能電力有限公司；3．江蘇省(尚德)光伏技術研究院）

0 引言

最近幾年隨著光伏電池技術的發展，n型電池的關注度越來越高。對于太陽電池所用的硅片，最重要的參數之一是少子壽命，少子壽命越高，電池的光電轉換效率就越高。而n型硅片最顯著的特征就是對雜質不如p型硅片敏感[1-2]，少子壽命普遍比p型硅片高1～2個數量級，這是目前高效電池采用n型硅片的主要原因之一。此外n型電池采用磷摻雜，沒有p型電池中由于硼氧復合體導致的光致衰減問題[3]，光致衰減是導致P型高效電池沒有大規模產業化的主要因素。

目前n型電池技術有多種產業化方案，較出名的有日本松下公司的HIT電池[4-5]、美國Sunpower公司IBC結構電池[6-7]，效率都超過22%。這些結構的n型電池效率較高，但是工藝較復雜，工藝控制要求極高，所以生產成本較高。近年來通過鋁漿高溫燒結形成的鋁背結電池效率較高，可達到19%以上，生產成本遠低于上述的兩種n型電池，而且將常規p型電池生產線稍加改造即可實現產業化生產[8-10]。在這種結構電池中，p-n結是通過印刷鋁漿高溫燒結形成，結合正面磷擴散形成的前面場，能實現較高的電池效率。

本文以n型鋁背結(n+np+)電池為基礎，重點研究不同前場磷擴散濃度、擴散深度對電池效率的影響。n型電池前面場與p型背面場不同，p型電池背面場沒有表面電介質膜鈍化，只有場效應鈍化，所以摻雜濃度越高，摻雜深度越深，理論上得到的效率越高(不考慮電池片彎曲)；n型電池前場結合表面電介質膜鈍化與場效應鈍化，二者相互影響，摻雜濃度越高場效應鈍化越強，但是表面鈍化越差，如果表面鈍化較差必須得加強場效應鈍化才能得到較高電池效率。因此最佳電池效率是結合合適的表面摻雜濃度與最佳的正面鈍化效果。

1 實驗

實驗中采用的硅片為n型156 mm×156 mm直拉單晶硅片，硅片面積為238.95 cm2，電阻率為厚度為(200±20) μm。電池結構如圖1所示，工藝流程如圖2所示。實驗中通過調整擴散溫度與時間來調整擴散結深，通過調整濕刻蝕工藝參數得到不同的表面濃度。為排除擴散深度對實驗結果的影響，在進行不同前面場摻雜濃度的實驗中保持相同擴散深度，在進行不同擴散深度的實驗中保證相同的表面摻雜濃度。在實驗中采用低成本工藝路線，因此采用PECVD沉積SiNx替代高溫熱氧化形成的SiO2與PECVD沉積SiNx疊層膜作為鈍化減反射層，通過絲網印刷高溫燒結工藝形成鋁背結后，正面利用激光摻雜技術形成選擇性前場，激光摻雜區域方塊電阻較低，摻雜濃度較高，有利于正面電極與硅片形成較好的歐姆接觸，從而降低電池的串聯電阻，之后通過自對準電鍍工藝形成正面電極。

圖1 n型鋁背結電池結構圖

圖2 n型鋁背結電池工藝流程圖

在電池工藝過程中，利用Sinton公司的QSSPC設備測試擴散后的少子壽命，用ECV測試電池前面場的擴散濃度與深度，利用四探針測量電池的擴散方塊電阻，電池完成后利用optronic laboratories公司的光譜響應儀器測量量子效率與反射率。

2 結果與分析

2.1 PC1D模擬

文中利用PC1D模擬軟件對目前的n型鋁背結電池進行理論模擬，主要模擬不同表面復合速率下前面場濃度對電池效率的影響，模擬顯示隨著前面場表面濃度的提高，電池電壓與電池效率呈先增大后減小的趨勢；而p型電池背面場的模擬顯示，隨著背面摻雜濃度的提高電池效率越高，n型電池前面場與p型電池背面場對摻雜濃度的要求明顯不同。

在PC1D模擬中先通過擬合實際測量得到的IQE與模擬得到的IQE曲線得到基本的模擬參數，然后再通過調整摻雜濃度與表面復合速率得到不同前面復合速率下摻雜濃度與電池效率的關系。不同前表面復合速率下電池效率與摻雜濃度的關系如圖3所示。

圖3 電池效率與前場摻雜濃度的關系

2.2 結果分析

實驗中利用四探針測試擴散與濕化學刻蝕后的方塊電阻，但是由于擴散層與襯底都是n型，所以四探針測試得到方塊電阻并不準確，特別是n型電池襯底摻雜濃度較低的情況下，四探針測量得到的電阻與實際擴散得到的方塊電阻差異很大，極大地影響對實驗結果的判斷。因此在實驗過程中利用PC1D結合ECV曲線計算得到的方塊電阻更接近實際的方塊電阻，不同方阻對應的摻雜濃度與摻雜深度見表1，不同方塊電阻對應的ECV摻雜曲線如圖4所示。

表1 方塊電阻與摻雜濃度和摻雜深度的對照表

圖4 不同前場擴散方塊電阻對應的ECV摻雜曲線

電池效率與不同的前場摻雜濃度關系如圖5所示，可看出得到的關系曲線與PC1D模擬得到的結果一致。結合PC1D模擬結果，可看出n型電池前場與p型電池背面場對摻雜濃度的差異很大，主要原因在于n型電池前面場表面有電介質膜的化學鈍化，摻雜濃度越高，電介質膜的表面鈍化就越差[11-12]，因此n型電池前面場的最佳摻雜濃度與表面鈍化有關，在適當的摻雜濃度范圍內才能達到最佳前場鈍化效果。而p型電池背面電場表面沒有電介質膜鈍化，背面鈍化效果完全依賴于背場的摻雜濃度與深度，摻雜濃度越高摻雜深度越深，場效應鈍化效果越好，電池效率越高。分別對表1中1、2、4進行了IQE測試，可看出摻雜深度越淺得到的量子響應越好，其中，表面濃度為7×1019/cm3的電池片的短波響應最好，得到的電池效率最高。3

圖5 實際電池效率與前面場摻雜濃度的關系

表2 n型鋁背結太陽電池電性能參數

圖6 不同前表面場的內量子響應

3 結論

本文主要研究了n型鋁背結電池選擇性前面場的摻雜濃度與深度對電池效率的影響，結合PC1D理論模擬與實驗結果得出了前面場的最佳濃度分布范圍，詳細分析了p型電池背面場與n型電池前面場對摻雜濃度、摻雜深度上的技術差異。p型電池背場摻雜濃度越高得到的效率越高，而n型電池前面場摻雜濃度在合適的范圍內才能有效提高電池效率，最終經過優化得到的太陽電池效率達到19.25%。

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