多晶硅材料特性对太阳能电池效率的影响

刘林华 马玉英 任现坤

摘      要：研究了太阳能电池生产工艺中多晶硅片的电阻率、小方锭少子寿命及铸锭区域对电池转化效率的影响。以P型多晶硅片为原材料，通过常规晶硅电池制作工艺，对不同电阻率范围的硅片产出电池片性能进行测试分析;采用少子寿命分别为LT<5.5 μs、LT>6.0 μs的小方锭，统计产出硅片的少子寿命和电阻率，并对比分析产出电池片性能;对比多晶硅铸锭各区域硅片产出电池片的电性能。研究表明，1.4～2.0 Ω·cm为多晶硅电池制作的最优电阻率范围;方锭少子寿命>6.0 μs的硅片少子寿命与电阻率的平均值都高于方锭少子寿命<5.5 μs的硅片，电池转化效率同比高0.07%;铸锭中心区域的硅片产出电池片的转化效率要高于边角区域。

关  键  词：多晶硅;太阳能电池;电阻率;少子寿命;铸锭区域

中图分类号：TG441.7       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）06-1140-04

Abstract： The influences of poly-silicon wafer resistivity， minority carrier lifetime and ingot areas in solar cell production process on the conversion efficiency of solar cells were studied. Taking P-type silicon wafers as raw material， several kinds of wafer with different resistivity were screened by silicon inspection machine. And the respective solar cells electrical properties were measured and analyzed. The lifetime and resistivity of small silicon bricks with different lifetime were counted， and electrical properties of respective solar cells were contrasted. The electrical properties of solar cells located in different regions in poly-silicon ingot were analyzed. The results showed that， the best resistivity scope for the solar cells production was 1.4～2.0 Ω·cm. The average lifetime and resistivity of bricks whose lifetime was greater than 6.0 μs all were higher than those whose lifetime was below 5.5 μs; and the conversion efficiency was up 0.07 percent than another. The conversion efficiency of solar cells located in central area was higher than others.

Key words： Multi-crystalline silicon; Solar cell; Resistivity; Lifetime; Ingot area

能源短缺和環境污染等问题变得日益突出，晶硅太阳能电池已成为当前最为成熟的光伏发电技术，其中多晶硅太阳能电池的市场份额达70%，是光伏市场的主要产品[1，2]。然而，多晶硅材料特性如氧碳含量、电阻率、少子寿命、晶粒大小以及位错缺陷等严重制约着电池的转化效率，电阻率与少子寿命是影响多晶硅电池的重要因素[3]。

电阻率是检测原始硅片掺杂浓度的表征手段之一，多晶硅锭在生长过程中，由底部到顶部电阻率逐渐降低。因此，由不同部位硅锭切出的硅片电阻率不同，导致最终产出的电池转换效率出现较大差异[4];另外，同一铸锭角、边、中心区域硅片的杂质、位错等缺陷不一致[5]，这些缺陷会导致电池片产出后电性能存在差异。

少子寿命不仅是评价硅片质量的主要参数，而且可以作为评价太阳能电池生产工艺优劣的一种主要手段。在一定程度上，少子寿命反映了太阳电池表面和基体对光生载流子的复合程度，即反映了光生载流子的利用程度。为了进一步提升太阳电池的光电转换效率，必需尽量增加太阳能电池少子寿命，提高少数载流子扩散长度[7，8]。理论上，少子寿命越长，太阳电池的短路电流和开路电压越高，太阳电池的转换效率也会相应地提高[9]。

本文研究了P型多晶硅硅片，电阻率分别为1.0～1.3、1.3～1.4、1.4～1.6、1.6～1.7、1.7～1.8、1.8～2.0，2.0～3.0 Ω·cm的七组硅片经过相同的晶硅电池生产工艺流程加工成电池片，并对产出的电池片电性能进行讨论分析;统计了小方锭少子寿命与切片后硅片电阻率与少子寿命的关系，并探讨了其对电池转化效率的影响;另外，我们讨论了同一铸锭的角、边、中心等不同区域对电池产出性能的影响。

1  实验部分

实验选用尺寸为156.75 mm×156.75 mm，厚度为（190±20）μm，P型多晶硅片，图1所示为力诺公司2018年统计的某厂家约60 000余片来料硅片电阻率分布直方图，根据统计结果，使用硅检机筛选硅片少子寿命固定范围1.45～1.6 μs，电阻率分别为1.0～1.3、1.3～1.4、1.4～1.6、1.6～1.7、1.7～1.8、1.8～2.0，2.0～3.0 Ω·cm 7组硅片各400 Pcs，以常规多晶电池制作工艺（酸制绒→扩散→刻蚀洗磷→PECVD镀膜→丝网印刷→测试）制作电池，使用Berger机对各电池的电性能进行测试。

根据供应商提供的少子寿命LT>6.0 μs、LT<5.5 μs两组小方锭的硅片分别1 000、700 Pcs，先通過硅检机统计各自电阻率与少子寿命，然后采用相同工艺制作电池，利用Berger机对电性能进行测试分析。为研究铸锭不同区域硅片的差异，将G6炉铸锭（6×6）分为A、B、C区，如图2所示，每区域选取400 Pcs样品量，采用相同工艺制作电池，并测试分析电性能。

根据供应商提供的少子寿命LT>6.0 μs、LT<5.5 μs两组小方锭的硅片分别1 000、700 Pcs，先通过硅检机统计各自电阻率与少子寿命，然后采用相同工艺制作电池，利用Berger机对电性能进行测试分析。为研究铸锭不同区域硅片的差异，将G6炉铸锭（6×6）分为A、B、C区，如图2所示，每区域选取400 Pcs样品量，采用相同工艺制作电池，并测试分析电性能。

2  结果与讨论

2.1  硅片电阻率

一般情况下，电池片的Uoc随着电阻率的上升而降低，这是因为影响Uoc的主要因素是反向饱和电流，而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，电池片的Uoc越低[10]。

载流子密度和迁移率是决定电阻率的两个基本参数[11]。载流子密度除了受温度影响外，材料成分是其主要影响因素，而载流子迁移率则主要受材料晶体结构和晶体缺陷的影响。同一个硅锭下，每个部位的化学成分基本相同，载流子密度基本一致，载流子迁移率的变化主要来自晶界状态或数量的变化，进而影响了多晶硅材料的电阻率。金属杂质在晶界处沉积会使电阻率减小，晶粒越小，晶界面积越大，电阻率越小[12]。

Isc主要受以下两个方面的影响：一是来自金属杂质减少的电流增益，二是反向饱和电流的增加导致电流降低。从数据看，电阻率1.0～1.4 Ω·cm时，随着电阻率的降低金属杂质减少带来的电流增益大于反向饱和电流的增加导致电流降低，所以Isc随着电阻率增加而增加。当电阻率大于1.4 Ω·cm时，这两个方面对Isc的影响达到平衡，Isc趋于稳定。

表1为不同电阻率范围硅片产出的电池片电性能测试结果，图3给出了电池Uoc、Isc、Ncell与电阻率的变化趋势。可以看出，Uoc在电阻率1.0～2.0 Ω·cm内，随电阻率的增加Uoc呈上升趋势，2.0～3.0 Ω·cm时降低。同一硅锭时，当电阻率小于2 Ω·cm时，电阻率越低，金属杂质越多，导致反向饱和电流越大，电池片的Uoc越低。随着电阻率的上升，金属离子杂质减少，反向饱和电流降低，Uoc也随着上升。当电阻率大于2 Ω·cm时，基区掺杂浓度成为Uoc的主要影响因素，电阻率越大，电池片的Uoc越低。

根据太阳电池的光电转化效率公式[13]：

式中：Isc为短路电流， Uoc为开路电压， Pin为入射功率。显然地硅片电阻率对效率的影响有一定规律性，即在电阻率1.0～3.0 Ω·cm内，随电阻率的增加电池片效率呈先增后降的趋势，且1.4～2.0Ω·cm为多晶硅电池制作的最优电阻率范围。

图4为通过对来料硅片进行监督管控后电阻率的统计分布，与改善前图1相比，硅片的电阻率极差降低了0.055 1 Ω·cm，电阻率在2.0～3.0 Ω·cm的硅片消失;另外，硅片的电阻率更集中，是一组符合正态分布的数据。与此同时通过对产线电池片效率数据的统计，电池平均转换效率提升0.03%，低效电池片（<18.0%）占比同比降低了0.39%。

2.2 小方锭少子寿命

少子寿命作为半导体材料和器件的重要参数。它直接反映了材料的质量和器件特性，并且能够准确的得到这个参数，对于半导体器件制造具有重要意义。接下来我们针对小方锭的少子寿命进行了监控，并对不同少子寿命的小方锭切片后的电阻率与少子寿命的统计结果进行统计，详细分布如图5所示。根据图5中硅片电阻率与少子寿命直方图可以看出，少子寿命LT>6.0 μs的小方锭切出硅片的电阻率和少子寿命均高于LT<5.5 μs的小方锭。

少子寿命作为硅片质量的主要评价参数，在一定程度上影响电池片的最终转化效率。表2为不同少子寿命小方锭切片后按照相同生产工艺产出电池电性能测试结果，当方锭少子寿命LT>6.0 μs时，产出的电池转换效率比方锭少子寿命LT<5.5 μs时同比高0.07%。

由此可见，少子寿命对来料硅片的判断具有极高的参考价值和指导作用，在未来的生产中可以通过对原材料硅片或小方锭的少子寿命进行监控，可以有效提高晶硅电池片的转换效率及成品率。

2.3  晶硅铸锭A、B、C区域

为了研究不同晶硅铸锭区域对电池转化效率的影响，分别取晶硅铸锭A、B、C等三个不同区域的硅片，按照相同生产工艺产出的电池片电性能测试结果如表3所示。由表中数据分析得知，C区生产的电池片的转化效率较A区高0.18%，比B区高0.08%;其主要原因是硅锭在生长过程中，坩埚的纯度与热场均匀度不同。

对比单晶硅，多晶硅在铸造生产过程中会引入更多的缺陷和杂质，尤其是在接近坩埚的铸锭边沿区域，遭到坩埚污染和晶体生长热场的影响，晶体质量比较差。晶体中部和边沿部分存在温度梯度，铸造时的固液界面无法实现完全的均匀分布，致使铸锭中部和边沿部分的硅片质量会存在较大不同;同时还存在坩埚污染等因素的影响，在多晶硅铸造的边沿部分存在一层低质量的晶硅层，即使切除该部分，剩下的硅锭的边角部分质量还是要比中间部分差。作为电池生产厂家，我们优先选用C区的硅片，其次选用B区硅片。

3  结 论

实验研究了不同电阻率对多晶硅片电性能的影响，可以看出电池制作的最优电阻率范围为1.4～2.0Ω·cm，通过严格控制硅片电阻率，选取最优电阻率的硅片可以有效提高产出平均效率，降低低效电池片的产出比例。

少子寿命作为评价硅片质量的主要参数，针对小方锭少子寿命，进行LT>6.0 μs與LT<5.5 μs的实验，发现少子寿命LT>6.0μs时，切片后硅片电阻率与少子寿命的平均值都要高于LT<5.5 μs方锭的硅片，而且其制作的电池转换效率也同比高0.07%。

多晶硅铸锭中心C区域硅片质量最好，产出电池片转化效率比角边A、B区域硅片高0.18%、0.08%;多晶硅电池片的生产与硅片材料特性密切相关，对来料硅片的电阻率、少子寿命、铸锭不同区域比例等材料特性进行实时监控对提高电池产品效率、成品率具有十分重要的作用。

参考文献：

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[2] 王恩俊，武锦涛，银建中，等.太阳能级多晶硅生产工艺的现状与发展[J]. 当代化工，2012，41（12）：1340-1343.

[3] 张妹玉，张宁，翁铭华，等.表面处理对低成本多晶硅太阳电池性能的影响[J]. 半导体光电，2014，35（2）：233-236+240.

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[5] 吴珊珊.太阳电池用铸造多晶硅结构缺陷和杂质的研究[D]. 浙江：浙江大学，2011.

[6] Martin A.Green.Applied Photovoltaics[M]. USA：Earthscan，2007，1-20.

[7] 罗晓英.单晶硅生长过程中工艺参数对少子寿命的影响[D]. 天津：河北工业大学，2011.

[8] 柳翠，龚铁裕，袁晓，等.少子寿命值对太阳电池生产的监控作用[J]. 太阳能，2008，03：27-29+63.

[9] 王书荣，陈庭金，刘祖明，等.多晶硅太阳能电池的吸杂实验研究[J]. 云南师范大学学报，2001，21（6）：43-44.

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[11]陈治明，王建农.半导体器件的材料物理基础[M]. 北京：科学出版社，1999.

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[13]GREEN M A.太阳电池[M]. 李秀文，译. 北京：电子工业出版社，1987：46 -158.