多晶硅电池LID性能研究

张志敏 刘苗 王贵梅 张华灿 李力聪

（晶澳太阳能有限公司，河北邢台 055550）

0.引言

晶硅电池 LID（Light Induced Degradation,光致衰减）现象长期以来一直受到业界的广泛关注，尤其是近年来 PERC(Passivated Emitter and Rear Local Contact,钝化发射极和局部背接触)工艺推广以后，由于PERC工艺中氧化铝钝化膜的引入，增加了硅片中氧元素的浓度，从而导致LID现象更加严重。关于LID现象的原理解析，目前业界已经有了比较成熟的理论解释，即晶硅电池在阳光模拟器下曝晒过程中，在光注入条件下，硅基体内部形成B-O、B-Fe对或还有其他缺陷，这些缺陷成为复合中心导致电池功率衰减。

单晶硅由于拉晶过程中使用的石英坩埚（主要化学成分有：单一高纯度的SiO2）且坩埚内部采用高纯SiO2作为涂层材料，而多晶硅铸锭过程中采用陶瓷坩埚，内部涂层材料为Si3N4，所以单晶硅内部的氧含量较多晶硅偏高[1]。因此单晶硅的LID也较多晶硅偏高。

然而实际生产过程中，却出现多晶硅LID严重超标现象，这与之前理论不相符[2]，本文结合现场实际运行工艺参数，通过研究验证得到：印刷烧结曲线也会严重影响晶硅电池LID性能。同时针对研究结果提出更为合理的烧结曲线，以确保电池LID性能的稳定。

1 试验原料与设计

1.1 试验原料

试验选用晶澳太阳能有限公司东海基地，铸造掺硼P型多晶硅硅片，半熔铸锭多晶中部区域，硅片中晶粒尺寸均一，硅片厚度（180±10）μm，尺寸为157mm×157mm，电阻率为1.4Ω.cm～2.0Ω.cm,采用FT-IR（傅里叶变换红外分光法）对样品进行抽样测试，硅片碳含量均值为2.7×1017（atoms/cm3），氧含量均值为 0.11×1018（atoms/cm3）。

1.2 试验设计

试验电池样品，以P型多晶硅片作为基体材料，经清洗，去除表面损伤层，表面制绒，扩散制结，去除磷硅玻璃及边缘刻蚀，氮化硅减反射层沉积，丝网印刷电极及共烧结等工艺制备而成。具体试验步骤：

（1）制绒。对1600片多晶硅片利用RENA多晶酸制绒机进行酸制绒及清洗处理，去除硅片表面损伤层、金属离子，清洗制绒减薄量控制在0.4g～0.5g。

（2）扩散制p-n结。将制绒后的硅片放入扩散炉中，在800℃～900℃的温度下，以氮气作为载体携带POCl3气体进行40～60min的磷扩散，在硅片表面形成深度约为0.3μm～0.5μm，方块电阻为70Ω～90Ω的n型发射极。

（3）去磷硅玻璃。采用RENA湿法刻蚀机进行边缘刻蚀，减薄量控制在0.2g～0.25g。

（4）制SiNx减反射层。本试验采用通过的捷佳创管式PECVD进行沉积，厚度约为78nm的SiNx膜层，同时还生成了大量的氢原子，对电池表面具有很好的钝化作用，减少表面复合。

（5）丝网印刷。采用普遍的丝网印刷法印刷正面银栅线，背面为全铝BSF，以形成正负电极。

（6）烧结。将1600片试验片分为两个试验条件，每个条件800片，对烧结炉调试两种不同工艺，对两种烧结工艺的烧结曲线进行了备份，如图1所示。从曲线可以看到，A、B工艺主要差异在降温速率和峰值温度的差异，A工艺，峰值温度在750℃左右，烧结区，从550℃～750℃阶段升温速率约为50℃/s,冷却区，从峰值750℃～400℃阶段降温速率约为58℃/s；而B工艺，峰值温度在770℃左右，比A工艺高20℃，烧结区500℃～770℃阶段升温速率约为65℃/s，冷却区从峰值770℃～400℃阶段降温速率约为92℃/s；770℃～600℃阶段降温速率达到100℃/s。两种工艺条件，各投入800试验片，专人跟踪确保不混片，对两个烧结条件的试验片的主流档位，选同一档位电池各抽样10片，编号A(1-10)和B(1-10)。然后将20片电池送往实验室进行5kW•h LID测试。测试方法：将20片电池置于阳光模拟器下曝晒,总辐照量达到5kW•h。同时收集样品LID测试前后QE数据作为测试分析依据。

图1 不同烧结曲线

2.试验结果与分析

两种烧结工艺电性能参数以及LID数据如表1所示。

表1 两种烧结工艺对应电性能参数及LID

试验结果：B烧结条件生产的电池在经过5kWh-LID之后，LID严重偏大，如表1，数据汇总了两个烧结条件下，对应的10片试验片的电性均值，B工艺10片电池功率衰减均值达到4.36%，从电性参数看，UOC衰减了约0.01V，ISC衰减了0.124A，FF衰减了1.121%,而相对的A烧结工艺生产的电池，LID只有0.61%。电性参数也有衰减，但衰减幅度相对很小。

随后，针对B烧结工艺条件生产的电池，我们选择了几片衰减偏大的电池进行了QE测试，与LID前的QE曲线进行对比，如图2所示。电池在经过5kWh-LID之后，650nm～1000nm的中长波段响应变差，我们认为这是导致电池功率衰减的主要原因。650nm～1000nm的中长波的主要吸收区域在电池的硅基体内，基本在空间电荷区到铝背场之间的区域。硅基体内复合增大导致电池Isc，Uoc，FF各参数均出现较大幅度的下降。

图2 B烧结工艺对应电池LID前后QE曲线

硅基体内的复合中心是如何形成的？目前业界已经有了比较成熟的理论解释，即多晶硅电池在阳光模拟器下曝晒过程中，在光注入条件下，硅基体内部形成B-O、B-Fe对或还有其他缺陷，这些缺陷成为复合中心导致电池功率衰减[3-4]；本试验中，两组样品出现明显的LID差异，唯一的变量就是烧结工艺不同，B烧结工艺生产的电池衰减更大一些，我们分析可能是由于 B烧结工艺峰值偏高及降温速率过快，770℃～600℃阶段降温速率达到100℃/s，硅片在非常快的热瞬态中容易出现位错缺陷，可能属于热应力所致的滑移位错。这些位错缺陷，在后期会成为新的复合中心，导致电池的功率衰减[5]。A烧结工艺峰值温度较B工艺低了20℃，降温速率约58℃/s，工艺的相对均匀性，避免了对晶片的损坏。

3.结论与应用

对于晶硅电池LID现象除了业界公认的B-O复合导致以外，本文还发现不同的烧结曲线也会影响成品电池LID性能，经过优化烧结曲线，最终得到峰值温度在750℃左右，烧结区从550℃～750℃阶段升温速率约为50℃/s，冷却区从峰值750℃～400℃阶段降温速率约为58℃/s，此烧结曲线对于多晶硅电池LID降低非常明显，具有很大的实用价值。