晶體硅太陽電池表面鈍化的研究

1、晶體硅太陽電池表面鈍化的研究彭銀生,劉祖明,陳庭金(云南師范大學(xué)太陽能研究所,云南昆明650092摘要:文章從理論上分析了太陽電池的表面復(fù)合及重?fù)诫s效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)上采用二氧化硅作為鈍化膜,比較了兩種不同表面濃度的太陽電池片鈍化效果,得出低表面濃度的太陽電池片比高表面濃度的太陽電池片的開路電壓要高,短波光譜響應(yīng)要好。開路電壓和短波光譜響應(yīng)的提高主要來自于前表面的鈍化和適當(dāng)?shù)亟档土吮砻鏉舛取ｊP(guān)鍵詞:表面鈍化;開路電壓;光譜響應(yīng);太陽電池中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9793(200403-0015-03理論上硅太陽電池的最高效率超過25%1,目前硅太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率在實(shí)驗(yàn)室里已

2、基本接近最高效率值,其中單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率為24.7%2,多晶硅太陽電池由于存在晶界,這些晶界都是有效的復(fù)合中心,一般轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅電池,最高轉(zhuǎn)換效率為19.8%2。但對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)的電池來說,其電池的轉(zhuǎn)換效率低于實(shí)驗(yàn)室水平,一方面與硅材料有關(guān),另一方面主要是由于重?fù)诫s引起的禁帶收縮,以及前表面、背表面較大的光生少子復(fù)合率。降低表面復(fù)合是提高太陽電池性能的重要措施之一3,本文論述了表面復(fù)合的相關(guān)理論,報(bào)道了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1理論分析1.1表面復(fù)合任何一種實(shí)用的半導(dǎo)體都有其表面,晶格在表面突然中止,在表面最外層的每個(gè)硅原子將有未配對(duì)的電子,即有未飽和的鍵,這個(gè)鍵稱作懸掛鍵,與之對(duì)應(yīng)的電子

3、能態(tài)稱為表面態(tài)。這些表面態(tài)是半導(dǎo)體硅表面禁帶中的一些分立的或連續(xù)的電子能態(tài)(即能級(jí)。表面態(tài)能級(jí)是有效的復(fù)合中心4,能與光生少數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合,即表面復(fù)合。表面復(fù)合降低了p -n 結(jié)對(duì)少數(shù)載流子的收集率。對(duì)于n 型半導(dǎo)體的表面,表面復(fù)合率U s (單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積復(fù)合掉的或空穴數(shù),稱為表面復(fù)合率與表面處非平衡少數(shù)載流子濃度(p s 以及表面態(tài)數(shù)N s 成正比,即U s =r p N s (p s (1比例系數(shù)r p 稱為空穴俘獲系數(shù)。r p 與電子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān),載流子熱運(yùn)動(dòng)速度v T 越快,那么其被復(fù)合的幾率也就越大。俘獲系數(shù)r p 與空穴俘獲截面+滿足以下關(guān)系式r p =+v T(

4、2假定單位表面積的復(fù)合中心總數(shù)為N st (即表面態(tài)密度,非平衡少數(shù)載流子的濃度為(p s ,則表面復(fù)合率為U s =+v T N st (p s(3由(3式可知,要提高表面光生載流子的收集率,必須減小表面態(tài)密度,減小表面的復(fù)合。1.2重?fù)诫s效應(yīng)理論上最大的開路電壓極限應(yīng)當(dāng)由p -n 結(jié)的空間電荷區(qū)的接觸電勢(shì)差所決定,接觸電勢(shì)差為(V oc m ax =V D =kTqln (N A N D n i2(4從(4式來看,似乎摻雜濃度越高,其開路電壓就越高,但實(shí)際上開路電壓有一個(gè)峰值。這是由于在晶體硅太陽電池中,當(dāng)摻雜濃度高于第24卷第3期2004年5月云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)Jou rnal of Yu

5、nnan N o rm al U n iversity V o l .24N o.3M ay 2004收稿日期:2003-07-12基金項(xiàng)目:國家“863”資助項(xiàng)目(2001AA 513040作者簡介:彭銀生(1976-,男,江西省吉安縣人,研究生,主要從事晶體硅太陽電池的研究.1018c m-3時(shí),會(huì)引起重?fù)诫s效應(yīng)5,即禁帶寬度的收縮。重?fù)诫s引起禁帶寬度的收縮有下列經(jīng)驗(yàn)公式5:E g=-(0.45e V×N D 1021c m-3(5其中:N D是半導(dǎo)體的摻雜濃度,摻雜濃度越高,禁帶收縮就越大。對(duì)于理想的硅太陽電池,開路電壓V oc可以表示成如下:V oc=kTqlnJ scJ0+

6、1(6飽和電流密度J0與禁帶寬度E g的關(guān)系有如下經(jīng)驗(yàn)公式5:J0=1.5×105×exp-E gkTA c m2(7從(7式可以看出,反向飽和電流密度J0隨著禁帶寬度的減小而增大,從而就引起了開路電壓隨禁帶寬度的減小而減小。同時(shí)由(5式可得,禁帶寬度的收縮與半導(dǎo)體的摻雜濃度有關(guān),摻雜濃度越高,其禁帶收縮越嚴(yán)重,開路電壓就越低。隨著n型擴(kuò)散區(qū)濃度的增大,其禁帶寬度收縮的絕對(duì)值不斷的增大,禁帶寬度的收縮,使前表面的有效摻雜濃度降低,且越靠近表面,其有效摻雜濃度越低,這樣就形成了一個(gè)電場方向指向表面的衰退場,這種衰退場促使光生少子空穴向表面運(yùn)動(dòng),增大了少子的復(fù)合,從而增大了反向

7、飽和電流,降低了開路電壓。所以為了獲得較高的開路電壓,我們應(yīng)該適當(dāng)?shù)亟档桶l(fā)射頂區(qū)的表面濃度。2實(shí)驗(yàn)所選硅片是由B ay er公司生產(chǎn)的單晶C Z硅片,電阻率約為348c m,厚度約為280 300m。經(jīng)過一系列的化學(xué)清洗之后,再放進(jìn)擴(kuò)散爐里進(jìn)行擴(kuò)散,擴(kuò)散溫度為850,擴(kuò)散時(shí)間分為兩組,一組為60分鐘,另一組為90分鐘,用四探針法測(cè)得兩組硅片對(duì)應(yīng)的方塊電阻分別為35 458 ,20308 。采用陽極氧化的方法,測(cè)得兩組硅片的結(jié)深分別約為x j=0.340. 38m,x j=0.510.55m,經(jīng)查閱P C1D軟件可得,兩組硅片對(duì)應(yīng)的表面濃度均為:N s=3.2×1020c m-3。之后

8、,再對(duì)擴(kuò)散90分鐘的硅片進(jìn)行輕拋光(5的拋光液,拋光液配比為H N O3:H F:CH3COO H=3:1:1,除去約0.2m,對(duì)應(yīng)的表面濃度約為6×1019c m-3,剩余結(jié)深約為0.31 0.35m,而對(duì)60分鐘的硅片不作任何處理。之后再進(jìn)行表面鈍化,溫度為950,干氧氧化(氮?dú)馀c氧氣體積比為1:1,鈍化時(shí)間為7分鐘,經(jīng)用橢圓測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量,其厚度約為80100。去周邊后,再進(jìn)行一系列的印刷與燒結(jié),最后制成電池片。3測(cè)試結(jié)果在25,A M1.5,100mW c m2標(biāo)準(zhǔn)光照下測(cè)試得出兩組電池片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),見下表:表1太陽電池片的參數(shù)表T ab.1T he p erfo r m a

9、nce of so lar cells電池片開路電壓(mV平均開路電壓( mV低表面濃度電池片A1592A2595594A3594高表面濃度電池片B1588B2583584.3B3582測(cè)量兩組電池片的特性參數(shù)后,在波長為400 1200nm范圍內(nèi),測(cè)量兩組太陽電池片的光譜響應(yīng),光譜響應(yīng)如下圖所示:圖1兩組太陽電池片的光譜響應(yīng)圖F ig.1A comparisons of external quan tumefficiency by h igh su rface-dop ing and lowsurface-dop ing4分析與討論對(duì)于這兩組太陽電池片,在25,A M1.5,61云南師范大學(xué)

10、學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第24卷100mW c m 2的條件下進(jìn)行測(cè)試,最后測(cè)試結(jié)果為:低表面濃度的開路電壓要比高表面濃度的開路電壓要高,高表面濃度的最高開路電壓為588m V ,最低為583m V ,平均開路電壓為584.3m V ;低表面濃度的最高開路電壓為595m V ,最低為592m V ,平均開路電壓為593m V ,低表面濃度的平均開路電壓比高表面濃度的平均開路電壓高出了大約10m V 。從以上結(jié)果基本可以看出,太陽電池片開路電壓的值隨著方塊電阻的升高(即表面濃度的降低而增大,說明了在適當(dāng)降低表面濃度的情況下,可以提高開路電壓。這是由于表面摻雜濃度的降低,比起高摻雜的太陽電池片來說,其禁帶

11、收縮要小,有效摻雜濃度要高。采用化學(xué)腐蝕的方法來降低表面濃度,這樣就將表面那一層重?fù)诫s層基本去掉,改善了表面特性,促進(jìn)了光生少數(shù)載流子往p -n 邊界移動(dòng),提高了光生載流子的收集率。而另外一組硅片未經(jīng)過化學(xué)拋光,在其表面存在重?fù)诫s效應(yīng),所以由光譜響應(yīng)圖可以看出,在短波范圍內(nèi),通過化學(xué)拋光降低表面濃度之后,太陽電池的光譜響應(yīng)增加了,提高了短波光子的光譜響應(yīng),這光譜響應(yīng)的提高主要來自于前表面的表面鈍化和降低了表面濃度。波長在1050nm 之后,高表面濃度太陽電池片的光譜響應(yīng)比低表面濃度太陽電池片的光譜響應(yīng)也低一點(diǎn),這主要是由于本實(shí)驗(yàn)在擴(kuò)散過程中硅片是兩片夾在一起進(jìn)行擴(kuò)散的,背面方塊電阻較高,經(jīng)測(cè)定

12、在2008以上,擴(kuò)散之后再進(jìn)行酸腐蝕,背表面的n 型層大部分被去掉,經(jīng)過鋁背場燒結(jié)以后,很好地形成了一個(gè)p -p +高低結(jié)結(jié)構(gòu),這將有利于對(duì)背表面少數(shù)載流子的收集,所以表現(xiàn)出來的長波響應(yīng)較好。從以上分析來看,低表面濃度太陽電池的開路電壓的提高主要來自于前表面的貢獻(xiàn),這也就說明了在相同的鈍化條件下,低表面濃度太陽電池片的鈍化效果要比高表面濃度的鈍化效果要好。5結(jié)論在相同的表面鈍化條件下,高表面濃度的開路電壓比低表面濃度的開路電壓低,平均開路電壓相差約10m V ,整個(gè)開路電壓的提高主要來自于對(duì)前表面的處理,致使光譜響應(yīng)值在短波范圍之內(nèi)大大提高。參考文獻(xiàn):1A JEET ROHA T G I .D

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16、he fron t-su rfaces of differen t su rface dop ing concen trati on so lar cells have been p assivated by therm al grow n Si O 2th in layer .T he resu lts show that the op en -circu it vo ltage and EQ E in h igh su rface dop ing concen trati on cell are low er com p ared to the cells in low su rface dop ing concen trati on .T he m ai