對(duì)降低單晶太陽電池組件光衰的擴(kuò)散工藝的研究分析

杜娟 張萬輝 侯雯文

摘? 要：太陽電池由于能夠?qū)μ柲苓M(jìn)行有效吸收，并轉(zhuǎn)換為電能，而得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，單晶太陽電池組件常常會(huì)出現(xiàn)光衰現(xiàn)象，因此對(duì)電池的整體性能造成影響。為此，可對(duì)太陽電池制備中的擴(kuò)散工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，借此來降低單晶太陽電池組件的光衰?；诖它c(diǎn)，該文從單晶太陽電池組件光衰的成因及危害分析入手，論述了降低單晶太陽電池組件光衰的擴(kuò)散工藝。希望通過該文的研究能夠?qū)尉栯姵匦阅艿倪M(jìn)一步提升有所幫助。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉栯姵?光衰;擴(kuò)散工藝

中圖分類號(hào)：TM914? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 單晶太陽電池組件光衰的成因及危害

1.1 光衰的成因

相關(guān)研究結(jié)果表明，單晶太陽電池組件輸出功率的衰減由2個(gè)階段組成，其中第一個(gè)階段為初始光衰，在這個(gè)階段，單晶太陽電池組件的輸出功率會(huì)出現(xiàn)較大幅度的下降，下降過程基本上都是出現(xiàn)在電池剛開始使用的一段時(shí)間，隨著使用時(shí)間的推移，電池的輸出功率會(huì)逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。引起單晶太陽電池組件初始光衰的主要原因如下：摻雜硼的晶體硅片中，硼氧復(fù)合體的存在使少數(shù)載流子的壽命降低，由于摻硼半導(dǎo)體中電子為少數(shù)載流子，電子的壽命降低，輸出功率自然會(huì)隨之下降;第二個(gè)階段是單晶太陽電池組件使用一段時(shí)間后，因組件出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，而引起輸出功率下降，這是自然的老化衰減，只要組件使用，就無法避免老化。

1.2 光衰的危害

當(dāng)單晶太陽電池出現(xiàn)光衰之后，組件的輸出功率會(huì)在最初使用階段大幅度下降，由此會(huì)導(dǎo)致太陽電池的標(biāo)稱功率與實(shí)際功率不符。同時(shí)單晶太陽電池組件是由多個(gè)電池片組合而成，如果電池片的光衰不一致，則會(huì)使電性能相同的電池片在光照之后，出現(xiàn)較大的偏差，這樣一來，組件的曲線會(huì)發(fā)生異常，并且還會(huì)形成熱斑現(xiàn)象，從而引起太陽電池組件失效。太陽電池出現(xiàn)熱斑后，溫度會(huì)顯著增大，隨著透光率的下降，熱斑會(huì)進(jìn)一步惡化，電池組件則會(huì)失效。

2 降低單晶太陽電池組件光衰的擴(kuò)散工藝

2.1 擴(kuò)散工藝的原理

當(dāng)太陽電池選用的硅片為P型半導(dǎo)體時(shí)，在對(duì)單晶進(jìn)行拉制的過程中，通常需要摻入硼這種金屬元素，利用切片機(jī)對(duì)硅棒進(jìn)行切割后，便可得到P型硅片。將硅片放入石英管內(nèi)，并通入含磷氣體，在高溫作用下，氣體中的磷會(huì)被分解出來，當(dāng)磷充滿石英管后，會(huì)將硅片包圍起來，這樣磷便會(huì)進(jìn)入硅片的表層，并逐步向內(nèi)部滲透擴(kuò)散。硅片上有磷的一面會(huì)形成N型半導(dǎo)體，未被磷滲透的另一面仍然為P型半導(dǎo)體，而在硅片內(nèi)部會(huì)形成太陽電池所需要的PN結(jié)，上述過程就是擴(kuò)散工藝的基本原理。

2.2 傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝的不足

單晶太陽電池組件的光衰現(xiàn)象是電池生產(chǎn)過程中需要解決的關(guān)鍵問題之一。目前，國(guó)內(nèi)的光伏行業(yè)在解決太陽電池組件光衰現(xiàn)象時(shí)，普遍采用的是擴(kuò)散工藝，經(jīng)過擴(kuò)散工藝處理后的電池片少數(shù)載流子的壽命可以達(dá)到10 ?s。通常情況下，想要使單晶太陽電池組件的光衰進(jìn)一步降低，擴(kuò)散后的電池片方塊電阻與少數(shù)載流子的壽命應(yīng)盡可能高，如果方塊電阻超過85Ω，會(huì)使電池片的輸出功率有所降低，這樣一來，太陽電池組件的輸出功率會(huì)隨之下降。

2.3 擴(kuò)散工藝的優(yōu)化途徑

由上文分析可知，傳統(tǒng)的擴(kuò)散工藝存在一定的缺陷，為了彌補(bǔ)這一缺陷，可對(duì)擴(kuò)散工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)過優(yōu)化之后的擴(kuò)散工藝流程如圖1所示。

2.3.1 優(yōu)化思路

在對(duì)傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，基于的是以下思路：通過對(duì)硅片表面進(jìn)行氧化處理，能夠使硅片形成一層較為均勻的二氧化硅薄膜，這層薄膜可以起到控制擴(kuò)散速率的作用，由此可使直接擴(kuò)散引起的缺陷問題隨之減少。不僅如此，隨著二氧化硅薄膜的加入，擴(kuò)散深度能夠得到有效控制，硅片表面的鈍化效果自然會(huì)隨之改善;首次擴(kuò)散主要是借助氮?dú)鈹y帶磷源加入反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散，由此可在硅片表面形成雜質(zhì)層;利用高溫推進(jìn)，能夠使硅片表面的雜質(zhì)層持續(xù)推進(jìn)到所需的深度，從而形成太陽電池的核心部分，即PN結(jié);當(dāng)PN結(jié)形成之后，可對(duì)硅片進(jìn)行二次擴(kuò)散，其目的是對(duì)首次擴(kuò)散中形成的雜質(zhì)濃度梯度進(jìn)行有效消除，當(dāng)雜質(zhì)濃度消除之后，PN結(jié)會(huì)變得更加均勻;最后對(duì)硅片進(jìn)行退火處理，以此來消除擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的死層。

2.3.2 優(yōu)化擴(kuò)散工藝的實(shí)現(xiàn)路徑

2.3.2.1 氧化處理

將預(yù)先準(zhǔn)備好的硅片，放入擴(kuò)散爐當(dāng)中，然后，將爐溫設(shè)定為800 ℃，向擴(kuò)散爐中通入氮?dú)?，流量控制?5 000 sccm，并將擴(kuò)散爐管的壓力設(shè)定為常壓，整個(gè)過程維持11 min，這樣做的主要目的是使?fàn)t管內(nèi)的氣場(chǎng)達(dá)到均勻。隨后再向擴(kuò)散爐中通入氮?dú)?，流量控制?4 000 sccm，同時(shí)通入氧氣，流量控制在1 000 sccm，借此來對(duì)硅片表面進(jìn)行氧化處理，時(shí)間控制在3 min。

2.3.2.2 首次擴(kuò)散

經(jīng)過氧化處理之后的硅片可進(jìn)行首次擴(kuò)散，整個(gè)過程分為2個(gè)環(huán)節(jié)，首先是擴(kuò)散環(huán)節(jié)，可將氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，通入流量控制在14 000 sccm，然后通入氧氣和磷源，前者的流量控制在500 sccm，而后者可由氮?dú)鈹y帶進(jìn)入反應(yīng)爐當(dāng)中，流量設(shè)定為675 sccm，擴(kuò)散后，硅片表面會(huì)形成雜質(zhì)層。其次是穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，在該環(huán)節(jié)中，可向爐內(nèi)通入氮?dú)?，流量控制?5 000 sccm，在常壓狀態(tài)下持續(xù)10 min，借此來使?fàn)t內(nèi)的氣場(chǎng)和熱場(chǎng)保持穩(wěn)定，為高溫推進(jìn)提供條件。

2.3.2.3 高溫持續(xù)推進(jìn)

向擴(kuò)散爐的爐管中通入氮?dú)?，流量控制?5 000 sccm，并將爐管壓力設(shè)定為常壓，將擴(kuò)散爐的溫度調(diào)整到850℃，持續(xù)時(shí)間控制在10 min。借助擴(kuò)散爐內(nèi)的溫度變化，使硅片表面的雜質(zhì)層向內(nèi)部滲透，由此可使磷進(jìn)入硅片內(nèi)部，從而形成太陽電池的核心，即PN結(jié)。

2.3.2.4 二次擴(kuò)散

該環(huán)節(jié)的操作方法與首次擴(kuò)散基本相同，在此不進(jìn)行贅述，其主要作用是將首次擴(kuò)散所形成的雜質(zhì)濃度梯度變化消除掉。

2.3.2.5 退火處理

受高溫持續(xù)推進(jìn)的作用，磷和硅發(fā)生反應(yīng)后會(huì)形成合金，通過退火處理，能夠使擴(kuò)散爐的爐管溫度隨之降低，從而達(dá)到消除合金層的目的。在操作時(shí)，可將爐管壓力設(shè)定為常壓，然后向擴(kuò)散爐中通入氮?dú)?，流量控制?5 000 sccm，并將降溫速率設(shè)定為-4℃/min，持續(xù)時(shí)間控制在15 min。經(jīng)過退火處理之后，合金會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱坠璨Ａ?，在太陽電池的刻蝕工序中可將其徹底清除。

3 結(jié)論

綜上所述，單晶太陽電池組件存在光衰的現(xiàn)象，為了有效降低光衰，可對(duì)傳統(tǒng)的擴(kuò)散工藝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，通過氧化處理、首次擴(kuò)散、高溫持續(xù)推進(jìn)、二次擴(kuò)散和退火處理，可以使太陽電池組件的光衰顯著降低，電池的輸出功率隨之提高。

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