钜大LARGE | 点击量：871次 | 2021年09月26日
基于太阳能级硅激光刻槽埋栅电池的研究
摘要：探讨了廉价太阳能级硅材料对电池性能可能的影响，据此对激光刻槽埋栅电池的工艺加以优化.在此基础上制作的大面积太阳电池的转换效率达到16.59%。(本文乃11年资料，目前用此法在实验室制备的单晶硅电池效率已超25%多晶硅电池效率已超20.3%。)激光刻槽埋栅太阳电池(BCSC)的概念提出于80年代由于其光电转换效率高、工艺相对简单、适于规模生产，兼具高效和低成本两方面的优势，因而在实验室和产业化领域中都受到广泛重视.目前，大规模生产的激光刻槽埋栅电池其单位功率成本已接近甚至低于常规丝网印刷电池，并且由于其高效率而特别坐到某些特味领域的青睐.对刻槽电池的成本分析表明，即使在总成本中包含了封装成本的情况下，硅片成本依然占总成本的1/3。因而，降低硅片成本，采用廉价的太阳能级硅替代半导体级硅，对提高刻槽电池的竞争力具有十分重要的意义。
太阳能级硅与半导体级硅，特别是区熔硅的重要差别在于其含有较多的碳、氧及金属杂质.在电池制作过程中要充分考虑这些因素，针对杂质含量的不同，采用适当的、有别于区熔硅的工艺.然而，由于至今对太阳能级硅的质量没有一个明确的界定，不同来源的硅片杂质含量千差万别，造成了太阳能级硅电池工艺研究的复杂性。
1.硅中氧、碳及金属杂质的物理行为
太阳能级硅比区熔硅含有更多的氧杂质.这些氧杂质在经过不同的高温过程后，扮演不同的角色，对电池性能出现不同的影响.例如，450度的热处理会形成热施主.氧含量2x1018cm-3的硅经450度，lOmin热处理，可形成6.8X1014cm-3的氧施主.750度的热处理会形成新施主，而且，新施主一旦出现，就很难消除.热施主和新施主可以改变材料的载流子浓度;更重要的是，可以作为复合中心新增体复合，降低少子寿命，直接影响电池性能.氧杂质在650度左右可以形成氧沉淀.氧沉淀实质上是氧与硅反应出现的SiO，(重要是Si02)沉淀.在950-l000℃这些氧沉淀还可以长大，甚至形成层错.尽管氧沉淀通常是非电活性的.但它可以诱生缺陷，与一些金属杂质一起，形成复合中心.
太阳能级硅中也含有较多的碳杂质.碳在硅中不是电活性的，但它的影响亦不容忽视.如碳的分布可以影响金属杂质的分布i富碳的单晶硅在高温、长时间工艺后，会诱生缺陷;碳可以成为氧沉淀的成核中心，促进氧沉捷生长等等.
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
硅中的金属杂质，特别是能级靠近禁带中心的金属杂质，是有效的复合中心，对太阳电池的性能有致命的影响.
太阳能级硅中含量较多的杂质、缺陷决定了其电池制作工艺必须与高效电池常规工艺有所差别.例如，常规工艺中的吸杂过程(如磷吸杂、铝背场吸杂)可以将电池中大部分金属杂质吸除，改善材料品质和电池性能.但有关太阳能级硅而言，高温过程可能促进材料中热生长缺陷(重要是氧沉淀)的形成，这时，大部分金属杂质可能不被吸除反而与这些缺陷结合形成复合中心.有文献研究了磷吸杂的用途，发现当硅中含有较多氧时，磷吸杂不仅不提高少子寿命，反而使其有所下降.我们在实验中也发现，高温、长时间的铝烧结对某些太阳能级硅起不到应有的用途，反而有明显的负面影响.
2.实验
材料的选取：我们选择了4种不同来源的P型(100)晶向太阳能级硅片作为衬底。
工艺过程：工艺步骤依次为:硅片清洗→绒面制备→扩散制结→氧化→激光刻槽→去除槽内氧化物→槽内重扩散→背面蒸铝→烧结→电极制作→去边→减薄氧化层。工艺改进：电池制作过程中所有的高温过程都在820度以上进行。为尽量防止氧热施主和新施主的出现，实验中特别注意了升，降温过程的影响，在尽量防止热应力缺陷出现的前提下，减少硅片入炉(自炉口至恒温区)，出炉时间，缩短在炉口预热降温时间，以快速通过出现热施主和新施主的温度范围减少其不良影响.实验中特别研究了铝背场烧结条件对电池性能的影响，得到了下表所示结果。
可以看到，经高温，长时间烧结的电池比经低温短时间烧结的电池其填充因子Ff都有明显提高。说明这一烧结过程对改善欧姆接触有良好的用途。然而，对采用A,B,C3种来源硅材料的电池来说，这以过程明显降低了短路电流，开罗电压而且抵消了Ff的增益，使转换效率明显下降。而对D材料则完全不同，长时间的高温烧结使3个指标都有所改善，明显提高了转换效率。
为探求出现明显差异的原因，我们利用红外吸收谱对4种样品的氧，碳原子数密度分别作了测定。如下表。
从表中可看出，D材料与前3种材料的碳，氧含量无大的差别。因而，导致前述差异的原因可以排除氧，碳杂质含量的不同。可能的原因是A,B,C3种材料中金属杂质含量较多，高温过程促进了金属杂质与氧、碳沉淀的结合，使原本洁净的沉淀成为有效的复合中心，从而使高温吸杂达不到其应有的目的.另外，这一差异也可能是材料中不同生长缺陷在高温过程中发生不同演化造成的.
上述事实说明，由于太阳能级硅材料质量差别非常大，相同的工艺对不同材质的电池可能得到截然相反的结果.因而在电池制作过程中，必须针对不同的材料，寻求不同的优化工艺条件。
3.结果及讨论
在优化工艺的基础上，我们以太阳能级硅材料得到了转换效率为16.59%(VOC=624.1mV，JSC=35.24mA/cm2Ff=0.7544)的大面积(25.25cm2)太阳电池，其一致性、重复性较好.下表比较了采用不同材料的电池性能。
可以看到，采用太阳能级硅的电池，其开路电压和短路电流基本与采用半导体级直拉单晶的电池相当。填充因子的差异相差部分是由于材料电阻率不同引起的。这一结果显示，工艺的改进至少可以部分弥补材料质量带来的不利影响。同时，考虑到常规丝网印刷电池的效率为12%-14%。太阳能级硅BCSC的效率要高出20%-40%。显示了其巨大的市场潜力。
高效电池的产业化是光伏界面对的一个重要课题。包括对低成本材料的研究，适应产业化要求的低成本工艺的研究等。可以相见，拥有高效电池特点的太阳电池必然具有良好的应用前景。
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