太阳电池在反向偏压下的发光现象研究

晶澳太阳能控股有限公司 ■ 裴贺强 王贵梅 李影影 刘苗 朱少杰

0 引言

在太阳电池生产领域，较低的并联电阻值(下文简称“并阻值”)及较大的漏电电流值(下文简称“漏电值”)均会对太阳电池的可靠性产生极大影响。在传统的太阳电池生产工艺中，电池生产车间一般使用红外热成像测试技术对并阻值偏低或漏电值偏大的异常太阳电池进行测试分析，通过热成像可以收集外加反向偏置电压(下文简称“反向偏压”)下的远红外波段的辐射，可以很快地显示出电池的主要漏电缺陷及并联电阻的分布情况。但在实际生产过程中，会有一类由特定原因导致的漏电值偏大的异常电池，往往在外加反向偏压时会在异常位置发出肉眼可见的可见光，与常见的由制程污染导致的并阻值偏低、漏电值偏高的异常电池呈现出明显不同的特征。因此，本文基于目前主流的常规多晶硅太阳电池生产工艺，对太阳电池在反向偏压下发出可见光的形成原因和发光机理进行分析，通过在不同工序引入金属污染，验证其对电池并阻、漏电，以及外加反向偏压时发光现象的影响。

1 实验

1.1 实验仪器

本实验中，电池的电性能测试采用HALM检测系统，热成像测试采用Fluke公司的Ti55FT红外热像仪。

1.2 实验设计

目前市场上主流的常规多晶硅太阳电池生产工艺流程如图1所示。本实验采用由松宫电子材料有限公司生产的多晶硅片，并基于同样的主流生产工艺制成太阳电池成品。在制备过程中，在不同环节人为地引入金属杂质污染，具体引入污染的环节及位置如表1所示，由此制备出a、b、c、d 4种实验样品；另外，按照同一主流生产工艺制成常规太阳电池作为对比组。制备完成后，通过测试观察哪种样品会在反向偏压下出现发光的现象。

图1 主流的常规多晶硅太阳电池生产工艺流程

表1 实验样品的制备情况

2 实验结果与讨论

2.1 电性能差异

通过HALM检测系统对实验样品及对比组太阳电池进行测试，然后对比这些电池的电性能差异，具体对比结果如表2所示。表2中的电性能数据为实验样品太阳电池的电性能数据减去对比组太阳电池的电性能数据的差值，非绝对值。

表2 实验样品与对比组太阳电池的电性能差异值

从表2的数据可以看出，4种实验样品均表现出反向电流IRev2明显增大且并阻值Rsh明显降低。其中，实验样品a的并阻值下降幅度相对较小，反向电流上升幅度相对较大，与实验样品b、c、d存在差异。造成这一现象的原因可能与污染的严重程度、“扩散”环节制造p-n结的过程，以及后续的“湿刻去PSG”环节有关。

2.2 外加反向偏压时实验样品的表现

各实验样品的外观如图2所示。其中，实验样品a的外观无明显异常，实验样品b、c、d的外观均展现出不同程度的异常。

对实验样品的外观产生异常的原因进行分析。实验样品a的污染发生在“扩散”前，由于“扩散”后的“湿刻去PSG”会将硅片表层污染清洗掉，因此该样品的外观异常不明显。而实验样品b、c、d均为在“湿刻去PSG”之后再引入金属污染，因此实验样品外观的异常相对明显。

图2 4种实验样品的外观

对4种实验样品均外加10 V的反向偏压，使用Fluke公司的Ti55FT红外热像仪测试外加反向偏压时实验样品的热成像，结果如图3所示。

热成像图像显示，4种实验样品的污染位置均有明显的发红现象，这与表2中反向电流值较大这一结果相一致。此外，实验样品a在外加反向偏压时，污染位置还存在明显的发光痕迹，如图4所示；而实验样品b、c、d在外加反向偏压时，样品外观无明显变化。

图3 外加反向偏压时4种实验样品的热成像图像

图4 实验样品a外加反向偏压时外观发光

2.3 对实验结果的讨论

对实验样品a外加反向偏压时外观发光的原因进行分析。在现有的生产工艺中，为制备p-n结，“扩散”环节需经过长时间的高温以推进扩散，因此，在“扩散”前引入的金属杂质原子会更容易扩散至p-n结的耗尽区或接近耗尽区的位置。当太阳电池处于反向偏压时，其耗尽区的电场会得到增强，导致耗尽区范围加大，有可能使那些在零偏压下原本处于耗尽区之外的杂质缺陷进入耗尽区中[1]，如图5所示。进入耗尽区的杂质缺陷会导致局部电场的弯曲和进一步增强，在这些位置实现局部预击穿。预击穿导致的反向电流会引起对应位置的温度升高，与热成像发红的表现一致。光发射与反向电流密度及温度呈正相关[2]。

图5 p-n结在外加反向偏压前、后耗尽区的变化

3 结语

本文基于目前主流的常规多晶硅太阳电池生产工艺，对太阳电池在反向偏压下发出可见光的形成原因和发光机理进行了分析和验证，发现只有在“扩散”环节前引入金属污染，才会在外加反向偏压时发生发光现象。这一发现有助于现场技术人员尽快锁定存在污染的环节并进行改善，可缩短异常排查时间，对降低产线不良率有一定的积极作用。