n型铝背结太阳电池的前面场优化研究

■ 陈丽萍 钱洪强 葛剑 席曦 杨健 陈如龙 李果华 朱景兵,3 施正荣,3

(1.江南大学理学院；2.无锡尚德太阳能电力有限公司；3．江苏省(尚德)光伏技术研究院）

0 引言

最近几年随着光伏电池技术的发展，n型电池的关注度越来越高。对于太阳电池所用的硅片，最重要的参数之一是少子寿命，少子寿命越高，电池的光电转换效率就越高。而n型硅片最显著的特征就是对杂质不如p型硅片敏感[1-2]，少子寿命普遍比p型硅片高1～2个数量级，这是目前高效电池采用n型硅片的主要原因之一。此外n型电池采用磷掺杂，没有p型电池中由于硼氧复合体导致的光致衰减问题[3]，光致衰减是导致P型高效电池没有大规模产业化的主要因素。

目前n型电池技术有多种产业化方案，较出名的有日本松下公司的HIT电池[4-5]、美国Sunpower公司IBC结构电池[6-7]，效率都超过22%。这些结构的n型电池效率较高，但是工艺较复杂，工艺控制要求极高，所以生产成本较高。近年来通过铝浆高温烧结形成的铝背结电池效率较高，可达到19%以上，生产成本远低于上述的两种n型电池，而且将常规p型电池生产线稍加改造即可实现产业化生产[8-10]。在这种结构电池中，p-n结是通过印刷铝浆高温烧结形成，结合正面磷扩散形成的前面场，能实现较高的电池效率。

本文以n型铝背结(n+np+)电池为基础，重点研究不同前场磷扩散浓度、扩散深度对电池效率的影响。n型电池前面场与p型背面场不同，p型电池背面场没有表面电介质膜钝化，只有场效应钝化，所以掺杂浓度越高，掺杂深度越深，理论上得到的效率越高(不考虑电池片弯曲)；n型电池前场结合表面电介质膜钝化与场效应钝化，二者相互影响，掺杂浓度越高场效应钝化越强，但是表面钝化越差，如果表面钝化较差必须得加强场效应钝化才能得到较高电池效率。因此最佳电池效率是结合合适的表面掺杂浓度与最佳的正面钝化效果。

1 实验

实验中采用的硅片为n型156 mm×156 mm直拉单晶硅片，硅片面积为238.95 cm2，电阻率为厚度为(200±20) µm。电池结构如图1所示，工艺流程如图2所示。实验中通过调整扩散温度与时间来调整扩散结深，通过调整湿刻蚀工艺参数得到不同的表面浓度。为排除扩散深度对实验结果的影响，在进行不同前面场掺杂浓度的实验中保持相同扩散深度，在进行不同扩散深度的实验中保证相同的表面掺杂浓度。在实验中采用低成本工艺路线，因此采用PECVD沉积SiNx替代高温热氧化形成的SiO2与PECVD沉积SiNx叠层膜作为钝化减反射层，通过丝网印刷高温烧结工艺形成铝背结后，正面利用激光掺杂技术形成选择性前场，激光掺杂区域方块电阻较低，掺杂浓度较高，有利于正面电极与硅片形成较好的欧姆接触，从而降低电池的串联电阻，之后通过自对准电镀工艺形成正面电极。

图1 n型铝背结电池结构图

图2 n型铝背结电池工艺流程图

在电池工艺过程中，利用Sinton公司的QSSPC设备测试扩散后的少子寿命，用ECV测试电池前面场的扩散浓度与深度，利用四探针测量电池的扩散方块电阻，电池完成后利用optronic laboratories公司的光谱响应仪器测量量子效率与反射率。

2 结果与分析

2.1 PC1D模拟

文中利用PC1D模拟软件对目前的n型铝背结电池进行理论模拟，主要模拟不同表面复合速率下前面场浓度对电池效率的影响，模拟显示随着前面场表面浓度的提高，电池电压与电池效率呈先增大后减小的趋势；而p型电池背面场的模拟显示，随着背面掺杂浓度的提高电池效率越高，n型电池前面场与p型电池背面场对掺杂浓度的要求明显不同。

在PC1D模拟中先通过拟合实际测量得到的IQE与模拟得到的IQE曲线得到基本的模拟参数，然后再通过调整掺杂浓度与表面复合速率得到不同前面复合速率下掺杂浓度与电池效率的关系。不同前表面复合速率下电池效率与掺杂浓度的关系如图3所示。

图3 电池效率与前场掺杂浓度的关系

2.2 结果分析

实验中利用四探针测试扩散与湿化学刻蚀后的方块电阻，但是由于扩散层与衬底都是n型，所以四探针测试得到方块电阻并不准确，特别是n型电池衬底掺杂浓度较低的情况下，四探针测量得到的电阻与实际扩散得到的方块电阻差异很大，极大地影响对实验结果的判断。因此在实验过程中利用PC1D结合ECV曲线计算得到的方块电阻更接近实际的方块电阻，不同方阻对应的掺杂浓度与掺杂深度见表1，不同方块电阻对应的ECV掺杂曲线如图4所示。

表1 方块电阻与掺杂浓度和掺杂深度的对照表

图4 不同前场扩散方块电阻对应的ECV掺杂曲线

电池效率与不同的前场掺杂浓度关系如图5所示，可看出得到的关系曲线与PC1D模拟得到的结果一致。结合PC1D模拟结果，可看出n型电池前场与p型电池背面场对掺杂浓度的差异很大，主要原因在于n型电池前面场表面有电介质膜的化学钝化，掺杂浓度越高，电介质膜的表面钝化就越差[11-12]，因此n型电池前面场的最佳掺杂浓度与表面钝化有关，在适当的掺杂浓度范围内才能达到最佳前场钝化效果。而p型电池背面电场表面没有电介质膜钝化，背面钝化效果完全依赖于背场的掺杂浓度与深度，掺杂浓度越高掺杂深度越深，场效应钝化效果越好，电池效率越高。分别对表1中1、2、4进行了IQE测试，可看出掺杂深度越浅得到的量子响应越好，其中，表面浓度为7×1019/cm3的电池片的短波响应最好，得到的电池效率最高。3

图5 实际电池效率与前面场掺杂浓度的关系

表2 n型铝背结太阳电池电性能参数

图6 不同前表面场的内量子响应

3 结论

本文主要研究了n型铝背结电池选择性前面场的掺杂浓度与深度对电池效率的影响，结合PC1D理论模拟与实验结果得出了前面场的最佳浓度分布范围，详细分析了p型电池背面场与n型电池前面场对掺杂浓度、掺杂深度上的技术差异。p型电池背场掺杂浓度越高得到的效率越高，而n型电池前面场掺杂浓度在合适的范围内才能有效提高电池效率，最终经过优化得到的太阳电池效率达到19.25%。

[1] Macdonald D, Geerligs L, Azzizi A. Iron detection in crystalline silicon by carrier lifetime measurements for arbitrary injection and doping[J]. Journal of Applied Physics, 2004, 95:1021-1028.

[2] Das A, Rohatigi A. The impact of cell design on light induced degradation in p-type silicon solar cells [R]. 37th IEEE PVSC. 2011.

[3] Glunz S W, Benick J, Biro D, et al. N-type silicon-enabling efficiencies>20% in industrial production[R]. Proc.35th IEEE PVSC.USA : 2010,50-56.

[4]N. Guillevin et al. 19th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes [R]. 2009, p26.

[5] Mai L, et al. Improved process for the formation of Al-alloyed emitter in n-type solar cells[R].Proceeding of the 18th PVSEC. India: 2009.

[6] M Rauer, C Schmiga, M Hermle. Passivation of screen-printed aluminium-alloyed emitters for back junction n-type silicon solar cells[R]. Proceeding of the 24th EUPVSEC. Germany: 2009.

[7] Sheoran M, Emsley M, Yuan M, et al. Ion-implant doped large area n-type Czochralski high-efficiency industrial soalr cells[R].38th IEEE Photovoltaic SpecialistsConference, 2012.

[8] Hermle M, Benick J, RŸdiger M, et al. N-type silicon solar cells with implanted emitter [R]. 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2011.

[9] RŸdiger M, Schmiga C, Rauer M, et al. Efficiency potential of ntype silicon solar cells with aluminum-doped rear p+ emitter[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2012, 59:1295.

[10] Sugianto A, Mai L, Edwards M B, et al. Investigation of aluminum-doped emitter on N-type rear junction solar cells[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2010, 57:525.

[11]Book F, Weidenmann T, Gloger S, et al. Analysis of processing steps for industrial large area n-type solar cells with screen printed aluminum-alloyed rear emitter and selective FSF [R]. 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2011:1160.

[12] Schmiga C, Rauer M, RŸdiger M, et al. Status and perspectives of n-type silicon solar cells with aluminum-alloyed rear emitter [R]. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference,2010: 1163.