PC1D方法对铝背场钝化技术的分析-司丽-上海超日.pdf-solarbe文库

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第26卷第4圳 2011年8月光电技术应用 ELECTR00PTIC TECHN0L0GY APPLICATION Vo1_26．NO．4 August，201 1 光电器件与材料· PC1 D方法对铝背场钝化技术的分析司丽，高华卜海超日太阳能科技股份有限公司，上海201406 摘要降低单晶硅原材料成本，采用更薄的硅片作为太阳电池的原料是品体硅太阳电池产业发展的趋势之一。对薄片化的太阳电池，销背场的背表面钝化T艺显得愈加重要。采用PC1D太阳电池软件模拟的方法，对以商业用P型硅为衬底的单晶硅125x125太阳电池的铝背场的背表向钝化技术进行了模拟，分析得出，对一定厚度的电池片来说，尤其是当少数载流子的扩散长度大于硅片厚度时，背表而的复合速率对太阳电池效率的影响尤为明显。电池的效率随着铝背场结深的增加、背表面复合速率的降低、少数载流子寿命的提高而提高。铝背场能够改善背表面的钝化质量，降低背表面的复合速率，进而提高太阳能电池的光电转换效率，是目前商业化的晶体硅太阳电池普遍采用的背表面钝化技术。关键词铝背场；背表面饨化；内最子效率；复合速率；少子寿命中图分类号TM914．4 文献标识码A 文章编号16731255201104004904 Analysis of Aluminum Back-Surface Field Passivation Technique by PC1D YAN Li，GA0 Hua ShanghaiChaariSolarEnergyScience＆TechnologyCo．，Ltd，Shanghai 201406，China AbstractIn order to reduce the cost of silicon raw materials，thinner silicon wafers are used for crystalline silicon solar cells．Aluminum backsurface field passivation technique iS more important for thinner solar cells． PC1D method is used to model the aluminum backsurface field passivation technique of Ptype m0nOcrystalline silicon substrate 125x 125 solar cells．The mode1 results are analyzed．For a certain thickness solar cells，especial ly when the minority carrier diflusion length iS greater than the thickness of silicon warers，the back-surface re combination velocity iS particularly important for efficiency．The efficiency wil1 be increased with the increase of aluminum back-surface field iunction depth，the decrease of backsurface recombination velocity and the in crease of minority carrier lifetime．Aluminum back-surface field can improve the quality of the back-surface pas sivation．reduce the backsurface recombination velocity thus improve the efficiency of solar cells，which is commonly used for the commercia1 crystalline silicon solar cells． Key wordsaluminum backsurface field；back surface passivation；internal quantum efficiency fIQE；re combination velocity；minority carrier 1ifetime 太阳电池是利用半导体的光生伏特效应而直接将太阳转换成电能的物理器件。随着世界经济的飞速发展所带来的能源和环境问题，尤其是在日本福岛核泄漏危机发生以后，光伏发电作为绿色环保可再生能源将越发受到各国政府的重视。目前，提高太阳电池的光电转换效率及降低其发电成本是业界的两大研究热点。硅材料因其在自然界中的储量丰富及适合的半导体禁带宽度，是目前研究最多，技术最为成熟的材料。尤其是单晶硅电池的实验室最高光电转换效率已达到25％，该世界纪录南澳大利亚新南威尔士大学研究者所保持[¨。随着光伏产业竞争的日益激烈，进一步降低硅收稿日期2011一O622 作者简介闫丽1982一，女，硕士研究牛，辽宁抚顺人，研究方向为半导体光电材料与器什；高华1982一，男，Jq J『资阳人，硕十，I 程师，研究方向乃硅太阳电池技术．万方数据 50 光电技术应用第26卷材料成本大势所趋，硅片将向更薄的方向发展。目前硅片厚度已由原来的300多微米而降低到200微米左右，而且随着线切割技术的发展及电极制备技术的提高，硅片厚度将进一步降低。而降低硅片的厚度是否会影响电池的效率在线切割制作硅片过程造成硅片表面存在一定厚度的损伤层，在此硅片表面载流子的复合速率很高，通常将表面作为一个巨大的复合中心。为了进一步提高太阳电池的少数载流子的收集效率，进而提高电池的光电转换效率，如何降低表面复合速率一直是研究人员所关注的问题。表面复合对电池片少子寿命的影响主要取决于2个因素硅片厚度与表面复合速率。其中厚度影响少子寿命的机理是硅片越薄，在硅片体内产生的少数载流子通过扩散、漂移运动达到硅片表面的几率就越高。而当少数载流子的扩散长度大于硅片厚度时，电池片背表面复合速率对效率的影响就显得尤为重要。改善钝化的质量、降低表面复合率已经成为提高电池效率的主要手段之一【3J。铝背场能够有效降低电池背表面的复合速率，提高转换效率，是商业化晶体硅太阳电池普遍采用的主要背表面钝化技术l4J。 1 铝背场的形成机理铝背场可以通过表面蒸镀、溅射和丝网印刷等工艺实现。而丝网印刷技术凭借操作简便、成本低廉的特点而被广泛应用于晶体硅太阳能电池行业。其制备过程一般分为以下4个步骤[5J 1在硅片的背表面丝网印刷铝浆并烘干； 2在共晶温度577 oC以上烧结； 3冷却并生长出一层富含铝的硅层，即P 层，通常称其为铝背场； 4最后在共晶温度577℃下凝固。太阳电池用铝浆料的成分主要包含铝粉粒径通常为1～10 gm、玻璃粉、有机粘结剂和有机溶剂。电池片烧结时，红外烧结炉能够迅速加热至共晶温度，铝开始逐渐融化，随着链式烧结炉中温度继续上升，硅在熔融铝中的溶解度不断加大，越来越多的硅溶解在液态的铝中；冷却时，硅在熔融铝中的溶解度降低，逐渐析出再结晶，在硅片表面形成一层富含铝的硅，该层结构即为铝背场。铝背场中铝的浓度较高，通常为1 018 cm 数量级，相对于 B掺杂浓度小于210 cm。的P型硅衬底来说为重掺杂，因此，铝背场与P型硅之间形成高低结PP，该高低结将阻止少数载流子向背表面运动，降低其在背表面的复合，进而提高电池片的开路电压及填充因子，同时，铝背场还能作为背反射器，将穿过电池片入射到背表面的光再次反射回电池内部，提高电池片长波段光谱响应，进而增加电池片的光电转换效率。所以铝背场是利用场钝化原理来完成背表面钝化【，。根据铝一硅二元相图可知，铝背场的结深主要取决于铝层的厚度以及烧结温度，铝层厚度越大，烧结温度越高，最后得到的铝背场的结深也越深，具体结深关系式为[7] { 一 } ㈩其中，t为沉积在硅片上铝浆的厚度9·P 』、P 分别是铝和硅的密度；F 为峰值温度时，铝硅熔融态中硅原子的质量百分比；FTo为共晶温度577 时，硅原子的质量百分比约为12．2％． 2 PC ID模拟及结果分析 PC1D利用完全耦合的非线性方程模拟半导体器件中电子和空穴的准一维输运过程，并着重于光伏器件的模拟[8J。文中采用太阳人射光谱为AM1．5 100 mW／cm ，电池正面表面反射系数固定为 4．5％，PN结结深为0．5 gm，表面方块电阻为55 Q／口，基区掺杂浓度M1．510 cm～，整个电池片面积为154．8 cm 。在此前提下，文中讨论了以下3种情况1模拟了铝背场不同结深1～10 p,m对电池片光电换效率 r7的影响；2固定背场结深为10 pm，模拟了不同少子寿命对对电池片光电换效率叼的影响；3优化背场结深、背表面复合速率及少子寿命，给出了电池转换效率为18．2％的电性能曲线及其内量子效率IQE曲线。 2．1 铝背场结深对转换效率的影响铝背场的结深对转换效的关系如图1所示。由图1可知，随着铝背场结深的增加，无论是低背表面复合速率1．010。cm／s或是高背表面复合速率1．0 10 cm／s，转换效率均单调递增。尤其是当背表面复合速率为1．010 cm／s，表面质量很差时，销背场的万方数据第4期闫丽等PC1D方法对铝背场钝化技术的分析 51 结深对转换效率的影响尤为明显。转换效率随着铝背场结深的增加而增加主要原因有以下几点 1铝掺杂浓度较高，通常为10 数量级，与B掺杂的P型硅衬底形成高低结PP结构，铝背场结深越大，则在该区产生的光生载流子的积累越多，在P 端和P端产生光电压越大，进而增加电池的开路电压；2随着铝背场结深增大，PP结构更有利于P 区多子空穴向电极方向运动，降低了该区多子空穴与少子电子的复合几率，从而增加了填充因子；3 加大的铝背场结深可以加强进一步铝背场的背反射器作用，进而增加电池的短路电流。甜较铝背场结深／gm 图1铝背场的结深与转换效率的关系 2．2少子寿命对转换效率的影响文中还模拟了不同少子寿命对电池转换效率的影响。由图2可以看出，当少子寿命从1 gs增加到20 s时，电池片的转换效率将单调递增。尤其是当背复合速率为最低1．0x 10 cm／s时，其转换效率随着少子寿命的增加而增加的现象最为明显，从少子寿命1 gs时14．45％的转换效率增加到20 us时 18．44％。由此得知，电池的少子寿命对其转换效率起着至关重要的作用。背表面复合速率达到1．0 10 cm／s以下时，其表面缺陷态较少，在相同少子寿命的情况下，背表面复合速率越趋近1．0x 10 cm／s，则它与背复合速率1．0x 1 0 cm／s的电池效率越相近。少子寿命／ s 图2少子寿命与转换效率的关系 2．3 18．2％的电池l_V及IQE曲线目前，商业化单晶硅电池的平均转换效率为 17．5％，国际单晶硅电池常规工艺最高平均做到 18．2％非常规工艺如SE、赛秀、冥王星技术等除外。优化铝背场结深为10 gm，背表面复合速率为 200 cm／s，少子寿命为16 us，模拟得出电池片的开路电压为625 mV，短路电流为5．8A，填充因子77．7％，电池片的转换效率为18．2％，具体，_ 曲线由图3所示，其内量子效率由图4所示。由图4可知，该电池片在波长为1 000 nm时仍具有较高的光谱响应，此时内量子效率为78％左右。由此可见，性能优异的铝背场对电池片的长波响应的提高起着举足轻重的作用。芒蛰开路电压Uoc／V 图3转换效率为18．2％的电池，_ 曲线波长／nm 图4转换效率为18．2％时电池的IQE曲线 3结论通过PC1D模拟的方法，分别计算了铝背场结深、少子寿命对电池转换效率的影响。从模拟结果得出，随着铝背场结深加大、背表面复合速率降低及少子寿命的提高，电池效率将随之提高。最后，固定了优化后的各项参数，模拟给出商业化单晶电池效率为18．2％时的各项电性能参数、卜曲线及 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 0 ““ 一一＼斟狡毒毒万方数据 52 光电技术应用 IQE曲线，对实际电池生产或研发具有一定指导意义。参考文献 [2] [3] [4] Jianhua Z．Aihua W．Green M A．24．5％efficiency sili con PERT cells on MCZ substrates and 24．7％efficiency PERL cells on FZ substrates[J]．Progress in Photov．Re search andApp1．，1999，7471474．阙端麟．硅材料科学与技术[M]．杭州浙江大学版社，1998．管绍茂，土迅．半导体表面钝化技术及应用[M]．北京同防 I业版社，1981． Licht S，Maschhitz V，Lin B，et a1．Chemical synthesis of battery grade superiron barium and potassium Fe [5】 [6] [7] [8] 26替 VIferrate compounds[J]．Power．Source，200l，997～l4， Vichai Meemongkolkiat，Kenta Nakayashiki，Dong Seop Kim．Factors limiting the formation of uniform and thick aluminumbacksurface field and its potentia1．】． Journal of the Electrochemica1 Society，2006，l 531 G53一H58． J L Murray．A J McAlister．Bulletin of Alloy Phase Dia grams，5．741984． J D Alamo，J Eguren，A Luque．Operating limits 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