摘要：本文將電阻率為0.2～4Ω·cm的摻鎵硅片分別制備成常規(guī)鋁背場電池和PERC電池，并對電池的少子壽命、電性能參數(shù)和光致衰減進(jìn)行測量，研究了電池性能的差別，為摻鎵硅片投入工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考。實驗結(jié)果表明：常規(guī)鋁背場電池的轉(zhuǎn)換效率隨著電阻率的增加而增加，電阻率為3～4Ω·cm的電池轉(zhuǎn)換效率最高為20.30%；PERC電池的轉(zhuǎn)換效率隨著電阻率的增加而減小，電阻率為0.2～1Ω·cm的電池轉(zhuǎn)換效率最高為21.38%。
0引言
實現(xiàn)“平價上網(wǎng)”是光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，降低光伏成本既需要規(guī)模效應(yīng)，也需要技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用。隨著鈍化發(fā)射極和背面(PERC)技術(shù)的應(yīng)用，P型單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率有了1%的提升，達(dá)到了21%以上。效率的巨大提升凸顯了摻硼硅片由于光致衰減所引起的效率損失問題。
摻硼單晶硅片的光致衰減問題由來已久，硼氧復(fù)合體的形成是造成該現(xiàn)象的根本原因，目前行業(yè)內(nèi)主要解決光致衰減的方式有：1)降低摻硼硅片中的氧含量；2)采用氫注入鈍化工藝，電注入或光注入法；3)使用摻鎵硅片。其中，使用摻鎵硅片的方式能徹底避免硼氧復(fù)合體的形成，是一種解決P型單晶硅太陽電池光致衰減問題的有效方式。但鎵的分凝系數(shù)0.008遠(yuǎn)小于硼的0.8，因此，鎵在晶體硅中摻雜濃度變化較大，導(dǎo)致硅片縱向電阻率變化會很大，某些電阻率的硅片并不適合制成太陽電池。
本文選取了不同電阻率的摻鎵硅片，分別制成常規(guī)鋁背場電池和PERC電池，并針對其性能進(jìn)行了研究，最終提出了適合常規(guī)鋁背場電池和PERC電池的摻鎵硅片的電阻率范圍。
1實驗
實驗中使用的P型單晶硅片尺寸為156.75mm×156.75mm，面積為244.32cm2，厚度為190(±10)μm。實驗方案如表1所示，常規(guī)鋁背場電池基準(zhǔn)組1和PERC電池基準(zhǔn)組2都選用目前工業(yè)化生產(chǎn)使用的摻硼硅片，電阻率為1～3Ω·cm；常規(guī)鋁背場電池實驗組1～4，選用電阻率依次為0.2～1Ω·cm、1～2Ω·cm、2～3Ω·cm、3～4Ω·cm的摻鎵硅片；PERC電池實驗組5～8，同樣選用電阻率依次為0.2～1Ω·cm、1～2Ω·cm、2～3Ω·cm、3～4Ω·cm的摻鎵硅片；每組樣品數(shù)量均為400片。
所有的電池片生產(chǎn)工藝均在常規(guī)的單晶硅太陽電池生產(chǎn)線上進(jìn)行，主要工藝步驟(其中步驟4)和6)為PERC電池獨(dú)有的工藝)如下：
1)去損傷層、制絨：制絨金字塔大小1.5～2.5μm；
2)PCl3擴(kuò)散：高溫擴(kuò)散形成n+發(fā)射極，方塊電阻為90～98Ω/□；
3)刻蝕及去磷硅玻璃層(PSG)；
4)硅片背面沉積Al2O3和SiNx鈍化膜：Al2O3薄膜厚度20nm，SiNx薄膜厚度130nm；
5)硅片正面沉積SiNx減反射膜：SiNx薄膜厚度78nm，折射率2.08；
6)硅片背面激光開窗：180根線，線寬為40μm；
7)印刷電極；
8)高溫?zé)Y(jié)；
9)測試分選。
實驗中采用semilabRT-100設(shè)備測量硅片電阻率，四探針法測試擴(kuò)散后硅片方塊電阻，使用semilabWT-1200設(shè)備測試少子壽命，選用BERGER在線I-V測試系統(tǒng)，在25℃、AM1.5、1個標(biāo)準(zhǔn)太陽的條件下測試太陽電池的開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等電性能參數(shù)。
2結(jié)果與討論
2.1少子壽命
少子壽命是太陽電池設(shè)計和生產(chǎn)中的一個重要參數(shù)。它反映了太陽電池基體和表面對光生載流子的復(fù)合程度，表明了光生載流子的利用率。少子壽命直接影響太陽電池的開路電壓、短路電流等電性能參數(shù)；若要提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，必須盡可能提高少子壽命。測試不同電阻率的摻鎵硅片擴(kuò)散后和鍍完背面Al2O3和正反面SiNx后的少子壽命，每種電阻率各隨機(jī)抽取5片測試，求出5片的平均值。少子壽命對比如圖1所示。
由圖1可知，在0.2～4Ω·cm的電阻率范圍內(nèi)，不論是擴(kuò)散后還是PECVD鈍化后，硅片的電阻率越高，其少子壽命也越高[1]。在太陽電池中，少子壽命往往是由幾種不同能級狀態(tài)的復(fù)合中心支配的，硅片的電阻率越低，其基體摻雜濃度越高，硅片內(nèi)部的雜質(zhì)和晶格缺陷就越多，相應(yīng)的少子壽命就越短。值得一提的是，相同的基體摻雜濃度，并不意味著有唯一的少子壽命，硅基體的少子壽命還和晶體的生長方式、退火時間和溫度、晶體的冷卻速度有關(guān)[2]。
2.2電性能
每組實驗電池均為400片，測試每片電池的電性能，并計算各項參數(shù)的平均值。圖2a為不同電阻率的摻鎵硅片制成常規(guī)鋁背場電池的電性能數(shù)據(jù)，圖2b為不同電阻率的摻鎵硅片制成PERC電池的電性能數(shù)據(jù)。
2.2.1開路電壓
由圖2可知，在0.2～4Ω·cm的電阻率范圍內(nèi)，隨著硅片電阻率的增加，相應(yīng)太陽電池的開路電壓會隨之減少。太陽電池的開路電壓Voc為：
式中，I0為太陽電池反向飽和電流；IL為太陽電池光生電流；n為理想因子；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；q為電子電荷。I0與基區(qū)的摻雜濃度成反比[2]，即在一定電阻率范圍內(nèi)，硅片的電阻率越大，基區(qū)摻雜濃度越低，反向飽和電流越高，開路電壓會減小。
2.2.2短路電流
由圖2可知，在0.2～4Ω·cm的電阻率范圍內(nèi)，隨著硅片電阻率的增加，相應(yīng)太陽電池的短路電流會隨之增加，常規(guī)鋁背場電池相比PERC電池，增加趨勢更大。這是因為太陽電池的光生電流密度Jph由光子流密度F(λ)和光譜響應(yīng)SR(λ)決定[2]：
通過PanekP[3]的研究，測試并對比不同電阻率電池的光譜響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，高電阻率硅片制備的太陽電池在600～1100nm的長波段光譜響應(yīng)更好，而在短波段的光譜響應(yīng)無太大差異。由此可知，高電阻率的硅片對于太陽電池短路電流的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在長波段光譜響應(yīng)上。
2.2.3串聯(lián)電阻和填充因子
由圖2可知，在0.2～4Ω·cm的電阻率范圍內(nèi)，隨著硅片電阻率的增加，無論是常規(guī)鋁背場電池，還是PERC電池，串聯(lián)電阻都逐漸增大，填充因子都顯著減小。
影響電池填充因子的因素有很多，串聯(lián)電阻對電池的填充因子有著直接影響。填充因子FF表達(dá)式為：
式中，Vm為電池最大功率點的電壓值；Im為電池最大功率點的電流值。串聯(lián)電阻對太陽電池I-V特性的影響如圖3[4]所示，隨著串聯(lián)電阻的增大，Vm和Im逐漸減小，Voc和Isc不發(fā)生改變，因此FF隨之減小。
2.2.4轉(zhuǎn)換效率
由圖2可知，在0.2～4Ω·cm的電阻率范圍內(nèi)，隨著硅片電阻率的增加，相應(yīng)常規(guī)鋁背場太陽電池的轉(zhuǎn)換效率逐漸增大，實驗組4(電阻率3～4Ω·cm)的轉(zhuǎn)換效率最高，為20.30%；PERC電池的轉(zhuǎn)換效率逐漸減小，實驗組5(電阻率0.2～1Ω·cm)的轉(zhuǎn)換效率最高，為21.38%。
另一方面，與目前工業(yè)化生產(chǎn)使用的電阻率1～3Ω·cm的摻硼硅片相比較，若使用摻鎵硅片生產(chǎn)，對于常規(guī)鋁背場電池，其電阻率選擇范圍應(yīng)為2～4Ω·cm；對于PERC電池，其電阻率選擇范圍應(yīng)為0.2～2Ω·cm。
2.3光致衰減
每組電池分別隨機(jī)抽取5片，進(jìn)行光致衰減前電性能參數(shù)測量，然后開始初始光致衰減實驗(光照強(qiáng)度1000W/m2，時間6h)；完成光致衰減后，測試各片電性能參數(shù)，與光致衰減前進(jìn)行計算，得到初始光致衰減值=(光衰前轉(zhuǎn)換效率–光致衰減后轉(zhuǎn)換效率)/光致衰減前轉(zhuǎn)換效率；求出每組5片電池初始光致衰減值的平均值，初始光致衰減值對比如圖4所示。
由圖4可知，由于硼氧復(fù)合體的存在，摻硼單晶硅片制備成的常規(guī)鋁背場電池和PERC電池的光致衰減值高達(dá)2.21%、4.07%；使用摻鎵單晶硅片制備成的太陽電池的光致衰減值遠(yuǎn)小于摻硼單晶硅片。
3結(jié)論
實驗結(jié)果表明：
1)電阻率為0.2～4Ω·cm時，擴(kuò)散后、PECVD鈍化后硅片少子壽命隨電阻率的增加而增加，這是由于硅片電阻率越高其體復(fù)合越小。
2)電阻率為3～4Ω·cm的摻鎵硅片制備的常規(guī)鋁背場電池，其轉(zhuǎn)換效率最高，為20.30%。
3)電阻率為0.2～1Ω·cm的摻鎵硅片制備的PERC電池，其轉(zhuǎn)換效率最高，為21.38%。
4)與目前工業(yè)化生產(chǎn)使用的電阻率1～3Ω·cm的摻硼硅片相比，常規(guī)鋁背場電池若使用摻鎵硅片生產(chǎn)，其電阻率應(yīng)選擇2～4Ω·cm；PERC電池若使用摻鎵硅片生產(chǎn)，其電阻率應(yīng)選擇0.2～2Ω·cm。
5)電阻率為0.2～4Ω·cm的摻鎵硅片無論制備成常規(guī)鋁背場電池還是PERC電池，其光致衰減值隨著電阻率的增加而降低，且都遠(yuǎn)小于摻硼硅片制備成的太陽電池。
參考文獻(xiàn)略
國家電投集團(tuán)西安太陽能電力有限公司
宋志成 吳翔* 陳璐 魏凱峰
來源：太陽能雜志
