新能源太陽電池材料評估方法研究

陳燕，陶延宏，海建平，梁瑜芯，李慧，閆光蕊

青海黃河上游水電開發有限責任公司光伏產業技術分公司

光伏發電是清潔能源領域一項重要工程，光伏發電的核心部位是太陽電池。太陽電池發電原理是光照下半導體材料光生伏特效應，一定頻率的太陽光照射在半導體材料表面，半導體材料獲得能量電子被激發躍遷，在半導體材料光照面產生光生電子，光生電子被太陽電池內部的PN結分離，太陽電池電極收集并且匯合光生電子形成光生電流。不同結構類型、不同基體材料的太陽電池制備方法不同，方塊電阻的測量數值能夠反映硅片的導電能力，硅片導電能力決定光生載流子傳輸能力。硅片光生載流子傳輸能力影響光生載流子收集和導出的數量。

太陽電池的發電能力簡稱光電轉換效率，太陽電池的最大輸出功率和照射在太陽電池上面總光能量之比稱為太陽電池光電轉換效率。決定太陽電池光電轉換效率的因素有內因和外因，外因主要有：太陽光波長、太陽光輻照度、環境溫度等；內因主要是太陽電池的制備工藝以及原材料選擇。

硅片方塊電阻測量作為太陽電池制備工藝過程中衡量太陽電池質量的一種方法，硅片方塊電阻測試方法有接觸和非接觸兩種。大規模用于產線上的硅片方阻測試方法的要求是無損傷測試，即無電學、光學損傷。

往往太陽電池功率測試工作中發現太陽電池實際功率和理論功率相差甚遠的情況下，要對太陽電池各個工藝環節進行排查，硅片方阻檢測是必須考慮的檢測環節，方阻檢測數值能夠反映電池片制備過程中和方塊電阻變化相關的工藝情況。所以真實客觀地對硅片方塊電阻進行測試尤其重要。

一、引言

近年來我國新能源行業發展迅速，這一結果使得我國在能源領域的地位得到一定提升，光伏發電作為新能源領域重要一部分當然也不甘落后，從原材料到光伏發電系統環節都有技術方面的更新。光伏原材料—硅片是制備晶體硅太陽電池的必備載體，未經摻雜的硅片光照下不能引出光生載流子，因為硅片薄層電阻過大從而阻礙光生載流子傳導，而摻雜硅片由于B或者P原子進入硅材料晶格中引入空穴或者電子使得硅材料電導率發生變化進而表現為硅片方塊電阻變化，太陽光照射下半導體光生載流子集中出現在硅片表面，而方塊電阻主要對硅片表面邊到邊之間的電阻進行表征，所以方塊電阻的測試對于太陽能級硅片相當重要，方塊電阻的檢測項目也成為光伏原材料性能檢測的重要項目。

接觸和非接觸硅片兩種方塊電阻測量方法在半導體行業被廣泛應用，數據的要求往往需要對測試方法進行慎重選擇。從測試原理和實際需要出發，用兩種不同測試方法對相同的樣品進行測試，并且對測試后的數據進行分析比對，分析測試數據的同時也分析測試原理，原理和數據相結合論述兩種測試方法的特性，指導實際測試中不同數據要求和不同樣品的方塊電阻測試方法選擇。

二、硅片方塊電阻的評估方法

（一）方法概述

兩種測試方法雖然都廣泛應用于硅片方塊電阻測試，但是哪種方法更適用于實際測試呢？目前量產的主流太陽電池類型為常規PN結、異質結、薄膜太陽電池三大類。對于常規PN結太陽電池方塊電阻能夠反映其摻雜濃度和結深，對于異質結太陽電池和薄膜太陽電池，方塊電阻可以評估導電薄膜的導電能力。但是無論常規PN結太陽電池還是異質結、薄膜太陽電池對于方塊電阻的檢測都需要將檢測中對材料的損傷降到最低。

方塊電阻又稱膜電阻，是用于間接表征薄膜膜層、玻璃鍍膜膜層等樣品上的真空鍍膜的熱紅外性能的測量值，該數值大小可直接換算為熱紅外輻射率。方塊電阻的大小與樣品尺寸無關，其單位為Siements/sq，后增加歐姆/sq表征方式。硅片電阻測量方法有接觸和非接觸兩種方法，兩種方法測量的硅片方阻可能由于測試方法不同而存在數值上的差異，研究兩種測量方法數值上的差異，根據太陽電池制備工藝需求，選擇適應于太陽電池產線的硅片方塊電阻測量方法，為太陽電池生產提供技術指導。

非接觸式方塊電阻測量法主要有：渦流法、非接觸結光電壓法、LCR數字電橋法等；接觸式方塊電阻測試方法主要有四探針法（見圖1、圖2）。

圖1 非接觸結光電壓法測硅片方阻原理圖

圖2 四探針方法測試硅片方阻原理圖

非接觸結光電壓法主要裝置：測量探頭中心裝有LED激發光源，用來刺激帶有PN結構的樣品表面產生表面電勢，此電勢由測試點的中心向四周擴散分布，測試探頭裝有內外兩個環狀電容電極，通過測量被測樣品表面受激發后的表面電勢得出樣品的方塊電阻。就測試原理和測試方法而言，這種方法對硅片沒有損傷。然而四探針法測試硅片由于測試時由于探針外觀形態尖銳并且測試時探針對硅片表面有壓力，造成壓強較大，所以會對硅片有一定壓力，會對硅片造成損傷，這種損傷不可逆轉，硅片由于損傷而產生缺陷。

（二）實驗分析

以單晶硅制備了PN結但是未制備銀電極的硅片為例，用非接觸結光電壓法和四探針法測試50片擴散后硅片的方塊電阻，這50張硅片同一批次制備，取10片具有代表性的方塊電阻數據進行分析。

由表1可見，四探針測試方法測試出來的硅片方阻數據普遍比非接觸結光電壓測量方法測試出來的方阻值要低一些。但是兩種方法測量的數據略微的差異說明了什么原因？硅片工藝問題已經排除，因為屬于同一工藝完成的硅片；會不會是測試方法導致的呢？測試方法為什么會導致這種差異化的測試結果呢？

表1 兩種測試方法測得方阻數據比較

首先測試原理：一種是數據采集探頭與樣品接觸，探頭和樣品屬于兩種不同材質，所以費米能級存在差異，所以存在不容忽視的接觸電阻，并且探針形狀尖銳劃傷硅片導致漏電；另一種方法基于一定頻率的LED燈光照射PN結激發光生電子，采集光生電勢差數據計算的方塊電阻值（見圖3）。

圖3 光照下PN結簡圖

四探針法測試方塊電阻原理式：

（1）注：R電阻，ρ電阻率，L長度，S橫截面積。

（2）注：ne、nh電子、空穴濃度，nμ、hμ電子、空穴遷移率，q基本電荷量。

（3）注：R具有一定導電能力的薄膜方阻，xi具有一定導電能力的薄膜厚度。

（4）注：R探針間距遠遠小于樣品長寬時候方阻，C修正系數4.53。

結合光照下PN結工作原理、接觸以及非接觸兩種測試方法所測試的數據和測試原理對兩種測試方法進行理論和實際分析，測試原理和測試方法的不同導致所測試的數據會存在差異，數據差異就是測試方法取舍的關鍵。實際測試需要根據對數據的要求進行測量方法的取舍。

三、結論

對于擴散制結后的單晶硅片，非接觸結點壓法和四探針法對于硅片方阻測量數據在數值上具有差異，這種差異的主要原因可能來源于測量方法的原理不同，對于公式作為測試依據而言，非接觸結電壓法測量的數據中沒有漏電流引起的電阻，所以可以判斷對于方阻要求較高的測試選擇非接觸結電壓法。可以預測，對于太陽電池用的導電薄膜、非晶硅薄膜而言，需要精確度較高的方阻表征方法，可以將兩種測量方法綜合考慮，將方阻值測量不確定度區間范圍定到最精確。