工业化生产硅太阳电池电阻率对电学性能的影响分析.docx
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工业化生产硅太阳电池电阻率对电学性能的影响分析
工业化生产硅太阳电池电阻率对电学性能的影响分析
龙维绪
摘要:
分析工业化生产硅太阳电池,不同硅材料的电阻率影响其短路电流、开路电压和填充因子等光电特性因素。
在材料电阻率较高时，能得到较高的短路电流，但开路电压、填充因子偏低，总的转换效率偏小。
针对高电阻率的材料，生产线的工艺参数有必要作出相应调整。
关键词:
硅太阳电池 电阻率 电性能变化工艺调整
1、引言
在太阳电池的工业化生产中，由于原材料料的变化，常会引起太阳电池转换效率的大幅度波动，表现为：
测试太阳电池的I-V特性时，其短路电流（Isc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）中有一个或两个,甚至三个因素均有下降所致。
目前在生产线上，在材料电阻率发生变化时，特别是遇到高电阻率材料时，工艺参数没有做出相应的调整。
本文结合SE线上硅太阳电池的电性能参数，在工业化生产中遇到的一些问题，通过总结分析,指出高电阻率硅太阳电池的电性能变化规律，并在此基础上讨论了高电阻率电池的转换效率的工艺调整方案。
2、不同电阻率硅太阳电池的电学性能
统计8月份SE生产线上生产不同电阻率的硅太阳电池的电性能参数，电阻率为0.5～1Ω-cm、1～3Ω-cm、3～6Ω-cm、6～10Ω-cm，生产厂家同为上海卡姆丹克批次，工序参数基本相同，没有经历大的调整，都采用相同工序。
其电性能参数平均值如表1：
（电性能参数见附件）
表1不同电阻率的电性能参数平均值
电阻率（Ω-cm）
Uoc（V）
Isc（A）
Rs（Ω）
Rsh（Ω）
FF（%）
Ncell（%）
0.5-1
0.633
5.295
0.006
98.952
77.996
17.600
1-3
0.631
5.325
0.0062
154.346
78.017
17.630
3-6
0.623
5.405
0.0063
317.933
77.184
17.500
6-10
0.619
5.399
0.007
335.537
76.593
17.220
2.1电阻率对短路电流的影响
硅的电阻率与掺杂浓度有关。
就太阳能电池制造而言，硅材料电阻率的范围相当宽，从0．1～50Ω-cm甚至更大均可采用。
利用PC1D软件对不同电阻率对应的掺杂浓度计算，如表2：
表2不同电阻率对应的基体掺杂浓度
电阻率（Ω-cm）
基体掺杂浓度NA
0.5--1
3.19e16--1.47e16
1--3
1.47e16--4.55e15
3--6
4.55e15--2.23e15
6--10
2.23e15--1.32e15
在实际半导体中，少子寿命往往是由几种不同能级状态的复合中心支配的，在硅材料中，少子寿命随着掺杂浓度的增大而衰减小[1]。
太阳电池的短路电流密度
由光子流密度
和光谱响应
、太阳电池表面的反射率
决定[1]：
（1）
基区掺杂浓度减小，增大了基区的少子寿命或扩散长度，使载流子的损失减少，因此增大了长波光谱响应。
随着基区电阻率的增大，势垒区宽度变宽，使原来属于基区的每一范围转变成势垒区，从而提高了势垒区的光谱响应，但势垒区对太阳电池的光谱响应始终占不了绝对优势。
另外，基区掺杂浓度对短波光谱响应几乎没有影响，这是因为高能光子的吸收系数比较大，投射到基区的高能光子已经十分微弱。
所以高电阻率的硅片对太阳电池短路电流的贡献主要表现在长波光谱响应上。
图1表示硅太阳电池基区电阻率对光谱响应的影响[2]。
电池基区的少子寿命由于存在俄歇复合中心，少子寿命依赖于掺杂浓度NA，在基区电阻率小于0.1Ω-cm中，随着掺杂浓度的增加，基区中少子寿命迅速下降，引起光谱响应急剧衰减。
图1N∕P硅太阳电池光谱响应与基区电阻率的关系[2]
图中：
○—重掺杂电池●—背面场重掺杂电池
图2表征了SE生产线上不同电阻率范围，电池短路电流的变化趋势，从总的趋势来看，短路电流的变化跟理论得出的结论基本一致。
图2不同电阻率范围内短路电流的变化趋势
2.2电阻率对开路电压的影响
对理想p－n结且不考虑太阳电池有限尺寸的影响，在开路情况下，光照p－n结两端产生的为开路电压Voc表达式如下[3]：
（2）
式中：
（3）
I0为没有考虑尺寸影响时的二极管反向饱和电流，其中
为p－n结面积，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，由
（2）、（3）可知基区掺杂浓度强烈地影响着反向饱和电流，表现为电阻率越大，基区掺杂浓度越小，反向饱和电流越大，电池的开路电压
明显下降。
图3显示了基区掺杂浓度与开路的的关系，从图中可以看出，当电阻率小于0.1Ω-cm左右时，开路电压反而随着掺杂浓度的增加而降低[2]。
图3基区掺杂浓度对
的影响（简单理论值与最佳测量值之间的比较）[2]
图中：
○—最佳测量值﹣﹣﹣—中掺杂理论
图4表征了SE生产线上不同电阻率范围，开路电压的变化趋势，从总的趋势来看，开路电压的变化跟理论得出的结论吻合很好。
图4不同电阻率范围内开路电压的变化趋势
2.3电阻率对填充因子的影响
电池基区的掺杂浓度影响电池的填充因子。
当掺杂浓度增加时，少子寿命会衰减。
填充因子与基区电阻率的关系如图5所示[2]：
图5基区电阻率对填充因素的影响[2]
图4表征了SE生产线上不同电阻率范围，开路电压的变化趋势，从图中可以看出在1-3（Ω-cm）范围内，填充变化不明显，在高电阻率区填充下降趋势比较大。
图6不同电阻率范围内填充因子的变化趋势
影响填充因子的因素很多。
串联电阻对填充因子有直接的影响，在太阳电池中，Rs值为四部分之和，即基片的体电阻（Rb）、扩散薄层电阻（Rt）、金属半导体的接触电阻（Rms）和金属电极本身的电阻（Rm）。
这四部分电阻中，在相同工艺的条件下，直接影响到电池串联电阻的是Rb，电阻率高的的硅材料体电阻（Rb）明显要高些，从而降低了电池的填充因子。
图7显示了不同电阻率范围内串联电阻的变化趋势，比较图6串联电阻的变化强烈地影响着填充因子。
图7不同电阻率范围内串联电阻的变化趋势
3、结论
在一定电阻率范围内，电池的开路电压随着硅基体电阻率的下降而增加，在材料电阻率较低时，能得到较高的开路电压，而短路电流略低，但总的转换效率较高。
比较0.5～1Ω-cm、1～3Ω-cm硅太阳电池效率，3～6Ω-cm、6～10Ω-cm波动比较比较大，而且平均效率小0.1～0.4%。
图8是其效率的波动曲线。
图8不同电阻率范围内的效率变化趋势
由于生产批次波动频繁，在生产线上分析电池效率波动时，考虑电阻率的影响，是完全有必要的。
另外，对于6～10Ω-cm的高阻片，可以考虑以下工艺尝试提高电池效率：
（1）增加扩散层的掺杂浓度
由（3）式可得适度增大ND，抑制暗电流的减小有一定的作用。
在扩散工艺控制上，减小3～5个方块电阻。
这将有利于后续的烧结工序，发射区不容易被烧穿，另外一个方面，直接减少了电池的串联电阻，抑制电池的填充FF的减小有很大的帮助。
当然，增大掺杂浓度，会增大发射区表面的少子的俄歇复合速度，降低电池的短波响应，但由于高阻片在长波光谱响应方面有增益，两个方面的作用使得短路电流在峰值附近保持一个平衡。
（2）增大AL背场的作用
因P+区的掺杂浓度
大于P区的掺杂浓度
，在这种P+/P高低结处，其接触电势差与掺杂浓度的关系为[4]：
（4）
在近似情况下，不考虑P区的影响,背场电池的开路电压可以近似写成：
（5）
式中，
为本征掺杂浓度。
由此式可看出：
因随着P+层掺杂浓度
的提高，层内电子扩散系数
减小，所以太阳电池的开路电压会提高。
对于电阻率为10Ω-cm的基片，有铝背场的晶体硅太阳电池，相比无铝背场的晶体硅太阳电池，开路电压Voc可以提高约40-60mV[4]。
在衬底电阻率较高的情况下，背电场电池的性能与常规电池差别很大，由于高电阻率的暗电流相对较高，适度增加背电场的烧结力度，补偿结果使输出功率在较大值上维持一个稳定值。
对于高阻片工艺改进后的电池性能分析，待续。
参考文献
[1]赵富鑫，魏彦章.太阳电池及其应用[M].北京：
国防工业出版社，1985.314-315.
[2]安其霖，曹国琛，李国欣等.太阳电池原理与工艺[M].上海：
上海科学技术出版1984.26-56.
[3]MartinA.Green..太阳电池工作原理、工艺和系统的应用[M].北京：
电子工业出版社，1987.68-76.
[4]陈庭金，马逊，夏朝凤，等.硅太阳电池铝背场的研究[J].中华学术论坛，2004年11月.15-17.
附件：
8月份SE线上上海卡姆丹克批次，不同电阻率电性能参数数据
电阻率
Uoc
Isc
Rs
Rsh
FF
Ncell
0.5-1
0.633
5.313
0.0060
119.66
78.205
0.1769
0.5-1
0.633
5.275
0.0057
99.69
78.451
0.1763
0.5-1
0.629
5.263
0.0064
114.86
77.654
0.1732
0.5-1
0.631
5.247
0.0056
67.96
78.235
0.1743
0.5-1
0.631
5.257
0.0062
91.77
77.992
0.1743
0.5-1
0.631
5.273
0.0061
92.70
77.823
0.1742
0.5-1
0.634
5.289
0.0060
83.53
78.228
0.1766
0.5-1
0.630
5.255
0.0058
78.57
78.236
0.1743
0.5-1
0.633
5.308
0.0060
101.92
78.059
0.1766
0.5-1
0.633
5.340
0.0062
125.00
77.759
0.1768
0.5-1
0.629
5.346
0.0064
165.31
77.456
0.1753
0.5-1
0.633
5.329
0.0062
171.47
77.992
0.1771
0.5-1
0.636
5.267
0.0062
88.16
78.250
0.1763
0.5-1
0.634
5.287
0.0061
84.61
78.034
0.1762
0.5-1
0.636
5.294
0.0065
86.41
78.021
0.1768
0.5-1
0.633
5.352
0.0063
167.21
77.722
0.1771
0.5-1
0.635
5.291
0.0061
80.24
78.174
0.1769
0.5-1
0.633
5.320
0.0060
119.17
78.133
0.1771
0.5-1
0.634
5.286
0.0062
81.05
78.108
0.1762
0.5-1
0.636
5.265
0.0063
64.56
78.151
0.1760
0.5-1
0.634
5.327
0.0063
101.52
77.934
0.1773
0.5-1
0.633
5.323
0.0061
108.44
77.944
0.1767
0.5-1
0.634
5.302
0.0061
91.30
78.066
0.1766
0.5-1
0.634
5.290
0.0062
74.55
77.957
0.1759
0.5-1
0.632
5.314
0.0062
92.24
77.884
0.1761
0.5-1
0.636
5.282
0.0064
67.01
77.988
0.1764
0.5-1
0.636
5.284
0.0068
52.80
77.436
0.1754
平均值
0.633
5.295
0.006
98.952
77.996
0.176
1-3
0.635
5.249
0.0062
79.21
78.157
0.1753
1-3
0.633
5.287
0.0061
81.53
78.122
0.1760
1-3
0.632
5.323
0.0062
122.46
77.983
0.1766
1-3
0.632
5.296
0.0060
114.23
78.099
0.1760
1-3
0.635
5.287
0.0063
122.02
78.037
0.1763
1-3
0.633
5.301
0.0061
139.41
78.101
0.1765
1-3
0.632
5.322
0.0061
133.97
77.994
0.1766
1-3
0.633
5.294
0.0063
88.92
78.084
0.1762
1-3
0.632
5.327
0.0062
175.02
78.016
0.1767
1-3
0.629
5.331
0.0062
229.53
77.777
0.1755
1-3
0.634
5.299
0.0063
163.26
78.030
0.1764
1-3
0.632
5.350
0.0063
195.21
77.928
0.1774
1-3
0.631
5.335
0.0062
199.65
77.887
0.1765
1-3
0.630
5.320
0.0061
195.43
77.914
0.1756
1-3
0.632
5.303
0.0060
166.02
78.181
0.1765
1-3
0.630
5.360
0.0062
158.88
77.867
0.1771
1-3
0.630
5.339
0.0061
213.25
77.998
0.1766
1-3
0.634
5.287
0.0065
132.80
78.066
0.1763
1-3
0.632
5.299
0.0063
142.21
77.907
0.1757
1-3
0.630
5.354
0.0061
156.21
77.833
0.1766
1-3
0.631
5.322
0.0060
136.22
78.034
0.1763
1-3
0.633
5.316
0.0063
144.82
77.916
0.1764
1-3
0.629
5.386
0.0065
247.16
77.497
0.1766
1-3
0.628
5.374
0.0061
236.63
77.746
0.1767
1-3
0.629
5.343
0.0065
154.93
77.584
0.1754
1-3
0.630
5.392
0.0065
221.63
77.465
0.1773
1-3
0.631
5.381
0.0062
201.42
77.763
0.1776
1-3
0.630
5.370
0.0061
162.46
77.835
0.1772
1-3
0.630
5.356
0.0061
210.09
77.850
0.1769
1-3
0.633
5.285
0.0060
83.34
78.203
0.1761
1-3
0.631
5.328
0.0059
159.36
78.132
0.1768
1-3
0.631
5.272
0.0058
106.67
78.345
0.1754
1-3
0.633
5.288
0.0061
108.14
78.248
0.1764
1-3
0.631
5.333
0.0060
151.29
78.054
0.1768
1-3
0.632
5.319
0.0061
116.02
78.106
0.1768
1-3
0.633
5.312
0.0059
111.32
78.302
0.1772
1-3
0.633
5.297
0.0060
113.27
78.293
0.1768
1-3
0.631
5.317
0.0059
138.43
78.250
0.1768
1-3
0.632
5.318
0.0059
116.90
78.242
0.1770
1-3
0.630
5.370
0.0061
215.48
77.891
0.1773
1-3
0.632
5.244
0.0059
128.99
78.292
0.1747
1-3
0.631
5.308
0.0058
167.39
78.451
0.1769
1-3
0.629
5.341
0.0064
182.55
77.747
0.1759
1-3
0.628
5.381
0.0062
269.73
77.767
0.1770
1-3
0.632
5.333
0.0061
146.07
78.135
0.1771
1-3
0.629
5.378
0.0060
238.29
77.945
0.1774
1-3
0.625
5.350
0.0068
239.13
77.189
0.1739
1-3
0.632
5.315
0.0060
86.30
78.247
0.1770
1-3
0.628
5.378
0.0062
235.14
77.771
0.1767
1-3
0.632
5.316
0.0060
117.57
78.197
0.1770
1-3
0.628
5.368
0.0061
203.88
77.831
0.1767
1-3
0.632
5.276
0.0066
88.28
77.995
0.1753
1-3
0.629
5.384
0.0062
230.16
77.810
0.1774
1-3
0.629
5.395
0.0062
224.74
77.736
0.1776
1-3
0.628
5.386
0.0061
235.67
77.756
0.1772
1-3
0.629
5.379
0.0062
194.16
77.702
0.1770
1-3
0.629
5.383
0.0062
227.32
77.717
0.1770
1-3
0.628
5.349
0.0065
208.05
77.581
0.1754
1-3
0.629
5.359
0.0059
170.11
78.013
0.1771
1-3
0.629
5.341
0.0059
176.96
78.048
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