單晶硅與多晶硅電池衰減特性研究
著重研究直拉單晶硅電池及鑄錠多晶硅電池衰減的差異,以及導(dǎo)致差異形成的原因。結(jié)果表明,該差異的形成主要受B-O 復(fù)合體、碳含量、分凝系數(shù)及金屬離子的影響。
引言
太陽(yáng)電池和發(fā)電技術(shù)的大面積推廣,對(duì)傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電技術(shù)形成了強(qiáng)大沖擊,在能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨加劇的今天,其研究備受關(guān)注。太陽(yáng)電池按照所用材料的區(qū)別,主要分為硅材料電池、半導(dǎo)體化合物電池、有機(jī)化合物電池,以及近年來(lái)研究活躍的鈣鈦礦電池。其中,硅材料電池中的晶體硅電池又分為單晶硅和多晶硅電池兩大類(lèi),占據(jù)了90%左右的市場(chǎng)份額[1]。眾所周知,單晶硅電池光致衰減(LID)一直是困擾行業(yè)的一大難題,特別是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的鈍化發(fā)射極和局部背接觸(PERC)電池,其LID值更是高達(dá)3%~5%;然而同為p型多晶硅電池的LID卻始終較低。同樣的摻硼電池,不同的晶體生長(zhǎng)方式最終導(dǎo)致不同的LID值。本文著重研究LID的影響因素,以及不同晶體生長(zhǎng)方式對(duì)LID值的影響。
1、LID的影響因素
影響LID的因素為:1)硼氧(B-O)復(fù)合體。B-O復(fù)合體是影響LID的主要因素之一,LID值與B濃度成正比,與O濃度平方成正比[2]。2)晶體內(nèi)部碳(C)含量。高濃度的C對(duì)B-O復(fù)合體存在抑制作用[3]。3)分凝系數(shù)。氧在硅中的分凝系數(shù)為1.25,因此對(duì)于直拉單晶硅來(lái)說(shuō),頭部的O含量相對(duì)較高,尾部相對(duì)較低;而對(duì)于鑄錠多晶硅來(lái)說(shuō),底部先凝固,則O濃度最高;頂部后凝固,則O濃度最低。4)硼鐵(Fe-B)對(duì)的分解-復(fù)合模型。Fe-B對(duì)分解成Fe和B,高能級(jí)的Fe復(fù)合中心使硅片受到Fe污染,從而引起電池性能下降。
2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1試驗(yàn)儀器
硅片C/O含量、少子壽命,以及硅片厚度等參數(shù)分別采用Nicolet8700傅立葉紅外(FT-IR)光譜儀、德國(guó)SemilabWT-1000少子壽命測(cè)試儀、上海星納MS203晶片多功能參數(shù)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試;電池光照處理采用上海太陽(yáng)能工程技術(shù)研究中心HS1610C熱斑耐久試驗(yàn)裝置;光照前后的電池性能參數(shù)測(cè)量采用德國(guó)H.A.L.M高精度I-V測(cè)量系統(tǒng);采用中導(dǎo)光電設(shè)備有限公司的FL-01一體機(jī)進(jìn)行硅片的光致發(fā)光(PL)和電池的電致發(fā)光(EL)測(cè)量。
2.2試驗(yàn)樣品及處理
樣品采集相同電阻率(1~3Ω)的鑄錠多晶硅(MC-Si)及直拉單晶硅(CZ-Si),測(cè)試其原料硅片各項(xiàng)參數(shù)并作相應(yīng)記錄;然后將樣品經(jīng)過(guò)相同電池加工工藝處理后,分別選取10片電池片,
采用熱斑耐久試驗(yàn)箱進(jìn)行光照處理,光照強(qiáng)度1000W/m2,時(shí)間5h;采用相同系統(tǒng)測(cè)量光照后的電池性能參數(shù),計(jì)算光照過(guò)程中衰減比例。
3、結(jié)果與分析
硅片各項(xiàng)參數(shù)對(duì)應(yīng)光致衰減值見(jiàn)表1,其中,衰減1和衰減2代表同一條件下電池衰減的兩次測(cè)試。由表1可知,相同電阻率的MC-Si及CZ-Si衰減的差異主要來(lái)源于O濃度和C濃度的變化。由于MC-Si鑄錠過(guò)程中采用的是陶瓷坩堝,其主要化學(xué)成分SiO2(99%)、Al2O3(0.5%)、GaO(0.5%)和Si3N4涂層;而CZ-Si拉晶過(guò)程中采用石英玻璃坩堝,其主要化學(xué)成分是單一高純度的SiO2(100%),并且采用高純SiO2作為涂層材料[4]。
陶瓷坩堝本身的SiO2含量較石英玻璃坩堝偏低,并且Si3N4涂層中O含量較高純SiO2涂層偏低,從而導(dǎo)致多晶硅較單晶硅O含量明顯偏低;此外,B-O復(fù)合體是影響LID的主要因素之一,LID值跟B濃度成正比,與O濃度平方成正比[2];所以說(shuō),多晶硅O含量偏低是導(dǎo)致多晶硅電池衰減偏低的主要原因(如圖1所示)。
其次是碳含量,碳的分凝系數(shù)以及拉晶和鑄錠過(guò)程中的熱場(chǎng)分布的不同,造成MC-Si中C含量明顯高于CZ-Si,而高濃度的C對(duì)B-O復(fù)合體存在抑制作用[3]。這也是導(dǎo)致多晶硅電池衰減低于單晶硅電池的原因之一如圖2所示。另外,影響LID的因素還有分凝系數(shù),O在硅中的分凝系數(shù)為1.25,對(duì)于CZ-Si來(lái)說(shuō),拉晶過(guò)程中頭部先凝固,因此頭部O含量最高;隨著熔體的減少,坩堝貢獻(xiàn)的溶解O的濃度再次增加,受熔體對(duì)流的影響,晶體中O濃度后期再次升高;整個(gè)晶體中O濃度呈現(xiàn)連續(xù)變化的曲線關(guān)系,稱(chēng)之為軸向O曲線[5]。而對(duì)于MC-Si來(lái)說(shuō),底部先凝固,O濃度最高;頂部最后凝固,O濃度最低。
MC-Si相比較CZ-Si晶界以及缺陷較多,針對(duì)缺陷是否會(huì)造成LID的差異這一問(wèn)題,我們進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,缺陷對(duì)LID影響不大。這與王朋[6]等對(duì)關(guān)于MC-Si中缺陷對(duì)LID的影響研究結(jié)果相吻合。
4、結(jié)論
通過(guò)以上分析得出,導(dǎo)致MC-Si與CZ-Si光致衰減差異的因素主要有以下幾點(diǎn):
1)硼氧(B-O)復(fù)合體。不同的工裝器具導(dǎo)致MC-Si與CZ-Si中O含量的差異。多晶硅O含量偏低是導(dǎo)致多晶硅電池衰減偏低的主要原因。
2)晶體內(nèi)部C含量。碳的分凝系數(shù)以及不同的熱場(chǎng)分布導(dǎo)致MC-Si中C含量高于CZ-Si,多晶硅C含量偏高是導(dǎo)致多晶硅電池偏低的原因之一。
3)分凝系數(shù)。對(duì)于CZ-Si來(lái)說(shuō),整個(gè)晶體中O濃度呈現(xiàn)連續(xù)變化的軸向O曲線。
4)缺陷對(duì)LID影響不大。
參考文獻(xiàn)
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責(zé)任編輯:蔣桂云
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