引言

提高太陽電池的光電轉換效率是提高行業(ye) 競爭(zheng) 力的重要途徑。發射極摻雜濃度對太陽電池轉換效率的影響是雙重的，采用高濃度的摻雜，可以減小矽片和電極之間的接觸電阻，降低電池的串聯電阻，但是高的摻雜濃度會(hui) 導致載流子複合變大，少子壽命降低，影響電池的開路電壓和短路電流。采用低濃度的摻雜，可以降低表麵複合，提高少子壽命，但是必然會(hui) 導致接觸電阻的增大，影響電池的串聯。選擇性發射極太陽電池的結構設計可以很好地解決(jue) 這一矛盾[1]。選擇性發射極(selectiveemitter,SE)太陽電池，即在金屬柵線與(yu) 矽片接觸部位及其附近進行高濃度摻雜，而在電極以外的區域進行低濃度摻雜。這樣既降低了矽片和電極之間的接觸電阻，又降低了表麵的複合[2]，提高了少子壽命。這種結構的電池具有以下3點明顯的優(you) 點：

(1)降低串聯電阻，提高填充因子;

(2)減少載流子複合，提高表麵鈍化效果;

(3)增強電池短波光譜響應，提高短路電流和開路電壓。

目前選擇性發射極的主要實現工藝[3]有氧化物掩膜法、絲(si) 網印刷矽墨水法、離子注入法和激光摻雜法等，其中激光PSG摻雜法由於(yu) 其工藝過程簡單，從(cong) 圖1可以看出從(cong) 太陽電池常規產(chan) 線升級成激光摻雜選擇性發射極太陽電池生產(chan) 線，工藝上隻需增加激光摻雜一個(ge) 步驟，從(cong) 設備上來說，隻需增加摻雜用激光設備，與(yu) 常規產(chan) 線的工藝及設備兼容性很高，是行業(ye) 研究的熱點。激光PSG摻雜法是采用擴散時產(chan) 生的磷矽玻璃層作為(wei) 摻雜源進行激光掃描，形成重摻雜區。目前雖然對激光摻雜選擇性發射極太陽電池的理論研究和實驗的報道很多，但是在實際的大規模生產(chan) 中，仍然存在著擴散高方阻的均勻性、輕重摻雜區方塊電阻匹配和印刷正電極的精確對位等問題，本文主要對前兩(liang) 個(ge) 問題相關(guan) 工藝進行研究。

2.實驗過程

2.1實驗原材料

實驗采用156.75156.75mm的單晶矽片，厚度180～200μm，電阻率範圍1～3Ω·cm.

2.2擴散工藝的實驗設計

擴散工藝的基本步驟如圖2所示。在擴散工藝中，影響擴散後矽片方塊電阻的工藝參數有大氮氣體(ti) 流量、小氮氣體(ti) 流量、氧氣流量、擴散溫度、擴散時間和源瓶溫度等參數。其中，擴散時間和擴散溫度是大規模生產(chan) 中常用的調整方阻的工藝參數。目前，激光摻雜選擇性發射極擴散輕摻雜的方快電阻一般在100～110Ω/□之間。本實驗以105Ω/□為(wei) 目標方快電阻，通過縮短擴散時間和降低擴散溫度兩(liang) 種方式將正常的85Ω/□升高至目標方阻。實驗使用Tempress4管5恒溫區擴散爐進行，實驗1為(wei) 將原擴散工藝的擴散時間縮短4min,實驗2為(wei) 將原擴散工藝的擴散溫度降低12℃。每組實驗做一管(500片)，擴散工藝完成後，從(cong) 每個(ge) 恒溫區的中間位置各抽取一片，使用四探針方塊電阻測試儀(yi) 測試矽片中心點和四個(ge) 邊角的方塊電阻。

2.3激光摻雜工藝的實驗設計

在激光摻雜工藝中，利用激光的熱效應，熔融矽片表層，覆蓋在發射極頂部的磷矽玻璃(PSG)中的磷原子進入矽片表層，磷原子在液態矽中的擴散係數要比在固態矽中高數個(ge) 數量級[4]。固化後摻雜磷原子取代矽原子的位置，形成重摻雜層。使用優(you) 化後的擴散工藝，製作方快電阻在105Ω/□的實驗樣片400片，分成四組，每組100片。激光摻雜使用波長532nm的納秒脈衝(chong) 激光器，分別調整激光功率至20W、30W、40W和50W,對四組實驗樣片進行掃描，形成每條120μm寬的重摻雜區。對於(yu) 各組中用於(yu) 測試方阻的樣品矽片，使用激光掃描20mm20mm的方塊麵積。以得到均勻的激光重摻雜區域，用四探針測試其方塊電阻。

3.實驗結果與(yu) 分析

3.1擴散方塊電阻結果

方塊電阻是衡量擴散質量是否符合工藝要求的重要指標，擴散方塊電阻的均勻性尤其重要，直接關(guan) 係到後續工藝的匹配，並最終對太陽電池轉換效率產(chan) 生影響，用方塊電阻的不均勻度來反應方塊電阻的均勻性，不均勻度的計算公式為(wei) ：

以下是兩(liang) 組實驗擴散方塊電阻數據，並計算了方塊電阻的片內(nei) 均勻性，數據見表1和表2。

從(cong) 表1和表2兩(liang) 組數據中可以看出，實驗1方塊電阻的片內(nei) 不均勻度大多數都在4.0%之內(nei) ，均勻性較好，而實驗2方塊電阻的片內(nei) 不均勻度大多數都在4.0%以上，其中有三個(ge) 溫區在5.0%以上，均勻性較差。通過縮短擴散時間減少摻雜雜質總量提高方塊電阻，對於(yu) 工藝氣體(ti) 流量、溫度場等均沒有較大的影響，因此可以最大程度地保持片內(nei) 方塊電阻的均勻性。擴散溫度的降低影響矽片表麵磷矽玻璃層的形成，減弱了磷矽玻璃層對磷擴散的阻礙作用，使方塊電阻的片內(nei) 均勻性偏差。另外，在大規模生產(chan) 中，縮短工藝實驗可以提高產(chan) 量，節約生產(chan) 成本。3.2激光摻雜實驗結果

用四探針對激光掃描的2020mm的樣片進行方塊電阻的測量，然後四組實驗在相同的工藝條件下進行洗磷刻蝕、PECVD鍍減反膜、絲(si) 網印刷電極和燒結，製成成品電池片，並測試其電性能參數，不同激光功率對重摻雜區方塊電阻以及最終對電池串聯電阻的影響如表3所示：

從(cong) 表3中可以看出，當激光功率為(wei) 20W時，方塊電阻變化較小，僅(jin) 有5Ω/□的降低，電池的串聯電阻較高。隨著激光功率的增加，方塊電阻明顯降低，電池串聯電阻呈現先下降後升高的趨勢。這主要是由於(yu) 激光功率較小時，不足以使矽片表麵溶化，磷原子向矽片表麵的摻雜較少，不能形成重摻雜區，導致金屬電極與(yu) 發射極之間無法形成良好的歐姆接觸，使電池的串聯電阻處於(yu) 較高的水平。當激光功率上升到30W以上時，隨著激光功率的增加，矽片表麵溶化的深度不斷加深，摻雜磷原子在矽片表麵所能達到的深度也隨之增加，因此方塊電阻有明顯的降低，低方塊電阻的重摻雜區與(yu) 金屬柵線形成良好的歐姆接觸，接觸電阻降低，電池的串聯電阻得到明顯的改善。當激光功率達到50W時，電池的串聯電阻有升高的趨勢，這一方麵是由於(yu) 過高的激光功率會(hui) 使磷矽玻璃部分蒸發而減少摻雜源[5]，導致磷原子的表麵濃度降低，另一方麵，激光摻雜，磷矽玻璃作為(wei) 有限源，當激光功率較高時，隨著矽片表麵溶化時間和溶化層厚度的增加高濃度區域加深，磷矽玻璃中更多的磷原子被驅趕到矽片表層，導致磷原子表麵的濃度降低。總之，過高的激光功率會(hui) 使磷原子的表麵濃度降低，不能與(yu) 金屬電極形成良好的歐姆接觸導致串聯電阻的升高。

3.3激光摻雜選擇性發射極太陽電池電性能結果

從(cong) 表4中可以看出，與(yu) 常規電池相比較，激光摻雜選擇性發射極太陽電池的開路電壓和短路電流都有明顯的提升。原因是高方塊電阻的輕摻雜發射極可以有效減少載流子的複合幾率，提高載流子的收集效率，低表麵摻雜濃度還可以使表麵態密度降低，提高表麵鈍化效果，最終提高電池的開路電壓和短路電流。另外，選擇性發射極輕、重摻雜區的摻雜濃度差形成高低結，進一步提高電池的開路電壓。

不同激光功率對電池轉換效率的影響，從(cong) 上表中可以看出，當激光功率為(wei) 20W時，激光摻雜對矽片重摻雜區方阻影響不大，雖然由於(yu) 發射極的輕摻雜使電池的開路電壓和短路電流都有明顯的提升，但是串聯電阻過大，導致最終效率較低。當激光功率在30W～50W之間時，電池的開路電壓、短路電流、串聯電阻等電性能參數相比常規電池都有明顯的改善。激光功率在此區間內(nei) ，隨著功率的增加，開路電壓沒有明顯變化，短路電流隨著功率的增加呈下降的趨勢，主要是激光功率過高時對摻雜區的絨麵有損傷(shang) ，影響對光的吸收。激光功率大小對串聯電阻的影響前文已進行分析，不再重複。綜上所述，當激光功率在40W,重摻雜區方阻降至63Ω/□左右時，輕、重摻雜區工藝匹配達到最優(you) ，相比傳(chuan) 統電池，效率有0.24%的提升。

3.4外量子效率測試結果

對工藝優(you) 化的激光摻雜選擇性發射極太陽電池和常規太陽電池進行外量子效率的測試分析，如圖3所示，從(cong) 圖中可以看出在300nm～520nm波段範圍內(nei) ，激光摻雜選擇性發射極太陽電池的外量子效率相比常規太陽電池有較明顯的提升，但是在中長波段基本與(yu) 常規電池一致。主要是由於(yu) 激光摻雜選擇性發射極太陽電池發射極區域摻雜濃度低，前表麵的載流子複合幾率降低，對光生載流子的收集增加，電池的光譜響應增強。

4.結論

通過縮短擴散時間和降低擴散溫度兩(liang) 種方法提高擴散的方塊電阻，形成輕摻雜，比較了兩(liang) 種方法形成的高方塊電阻的均勻性，發現縮短擴散時間提高方塊電阻的方法得到的高方塊電阻的均勻性較好。重摻雜區方塊電阻匹配的研究，通過改變激光功率形成不同的重摻雜區方塊電阻，發現當激光功率在40W左右，重摻雜區方塊電阻在66Ω/□左右時，工藝達到最優(you) ，電池的開路電壓、短路電流和串聯電阻等參數均有明顯的改善，最終轉換效率相比傳(chuan) 統電池有0.24%的提升。比較了激光摻雜選擇性發射極太陽電池和傳(chuan) 統太陽電池的外量子效率，相比傳(chuan) 統太陽電池，激光摻雜選擇性太陽電池主要在300～520nm的短波範圍內(nei) 有較明顯的提升。