單晶位錯(cuò)對(duì)電池性能的影響

單晶位錯(cuò)對(duì)電池性能的影響1.引言單晶硅由于其本身內(nèi)部完整的晶體結(jié)構(gòu)，其電池效率明顯高于多晶硅電池，是硅基高效太陽能電池的首選材料。然而，單晶硅內(nèi)部雜質(zhì)和晶體缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響太陽能電池的效率，比如：光照條件下B-O復(fù)合體的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致單晶電池的光致衰減；內(nèi)部金屬雜質(zhì)和晶體缺陷(位錯(cuò)等)的存在會(huì)成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，影響其少子壽命。本文研究了單晶硅片位錯(cuò)對(duì)電池性能的影響，并討論了單晶拉制工藝對(duì)位錯(cuò)的影響。作為少數(shù)載流子的強(qiáng)復(fù)合中心，位錯(cuò)會(huì)嚴(yán)重影響硅片的少子壽命，最終影響電池和組件性能。2.實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)對(duì)大量低檔電池片及其組件進(jìn)行了研究，現(xiàn)從中選取一塊典型組件和兩片典型電池片舉例說明。實(shí)驗(yàn)過程如下：組件做電致發(fā)光EL(electroluminescenee)測(cè)試f光照條件組件電性能測(cè)試。電池做電致發(fā)光EL測(cè)試f光照條件電池電性能測(cè)試f電池光誘導(dǎo)電流密度(LBICCurrent)測(cè)試f硅片少子壽命測(cè)試f化學(xué)拋光腐蝕后觀察位錯(cuò)fSIMS元素分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析組件電致發(fā)光EL測(cè)試如下圖1所示。由圖可見，組件的電池片中存在著大量黑心和黑斑的情況。圖1組件EL測(cè)試電致發(fā)光EL測(cè)試使用的是某公司的ElectroluminescenceInspection設(shè)備。EL照片中黑心和黑斑反映的是在通電情況下該部分發(fā)出的115Onm紅外光相對(duì)弱，故在EL相片中顯示為黑心和黑斑，發(fā)光現(xiàn)象和硅襯底少數(shù)載流子壽命有關(guān)。由此可見，黑心和黑斑處硅襯底少數(shù)載流子壽命明顯偏低。組件電性能測(cè)試如圖2所示。由圖可見，組件短路電流Ise(4.588A)和最大功率Pmax(143.028W)明顯偏低；此類正常組件短路電流Ise一般為5.2A，最大功率Pmax一般為175W以上。說明組件中存在著大量低效率電池片，導(dǎo)致組件功率的嚴(yán)重下降。

TempTempUoc.IscTempTempUoc.IscUmpImpPmastlopSTC1000.00STC麗］藥.00meas；1083,27meas-.陲]25.60[V]42.823[A]4.588[V]35.024[A]4.084[W]143.028[%]7279[A]at：24.00V4.483圖2光照條件組件電性能測(cè)試而后，我們進(jìn)行了電池片電致發(fā)光EL測(cè)試，如下圖3和4所示。其黑心和黑斑現(xiàn)象如組件EL測(cè)試所見。圖3樣片1EL圖3樣片1EL測(cè)試圖4樣片2EL測(cè)試光照條件電池電性能測(cè)試如表1所示。表1光照條件電池電性能測(cè)試UocIscRsRshFFNCellUrev1Irev1Urev2Irev2樣片10.6134.730.02616.9956.670.1106-100.874-121.041樣片20.5874.620.005104.2176.60.1399-100.131-120.1653兩片電池效率分別為11.06%和13.99%,Isc分別為4.73A和4.62A,均明顯偏低；而此類正常電池片效率一般為17.5%左右，Isc為5.3A左右。電池光誘導(dǎo)電流密度(LBICCurrent)測(cè)試如圖5和6所示。

圖5樣片1LBICCurrent測(cè)試圖6圖5樣片1LBICCurrent測(cè)試圖6樣片2LBICCurrent測(cè)試然后，電池經(jīng)過去SiN膜、去正反電極、子壽命測(cè)試如圖7和8所示。去鋁背場(chǎng)和n型層，再經(jīng)碘酒鈍化后，硅片少圖7樣片1少子壽命測(cè)試 圖8樣片2少子壽命測(cè)試硅片少子壽命測(cè)試與電池光誘導(dǎo)電流密度(LBICCurrent)測(cè)試和電池EL測(cè)試具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明造成電池效率低的原因?yàn)楣杵旧韮?nèi)部缺陷所致，與電池工藝沒有直接關(guān)系。而后，對(duì)硅片進(jìn)行化學(xué)拋光和Wright液腐蝕，樣片2呈現(xiàn)出明顯的與EL測(cè)試、電流密度(LBICCurrent)測(cè)試和少子壽命測(cè)試相對(duì)應(yīng)的圖案形貌，如圖9所示。

黑心內(nèi)黑心外黑心內(nèi)黑心外圖9樣片2經(jīng)化學(xué)腐蝕后圖案形貌樣片1的光學(xué)顯微觀察如圖10和11所示，局部區(qū)域具有很高的位錯(cuò)密度達(dá)10E5~10E6左右。樣片2的光學(xué)顯微觀察如圖12和13所示，在如圖9所示的中心圓形圖案形貌內(nèi)，其位錯(cuò)密度均高達(dá)10E6~10E7左右。圖11樣片1位錯(cuò)密度10E5~10E6（X圖11樣片1位錯(cuò)密度10E5~10E6（X500倍）圖10樣片1位錯(cuò)密度10E5~10E6（X500倍）圖12樣片2位錯(cuò)密度10E6~10E7（X200倍）圖13樣片2位錯(cuò)密度10E6~10E7（X500倍）最后，我們對(duì)如圖9中，樣片2所示的黑心內(nèi)外做SIMS測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。SIMS測(cè)試結(jié)果顯示，黑心內(nèi)外各種雜質(zhì)含量正常。表2樣片2SIMS測(cè)試Concentration(at/cm3)樣片2BPCOAlCrMnFeNi黑心內(nèi)1.30E+16<2E14<1e161.06E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E14黑心外1.31E+16<2e14<1e161.02E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E14綜上所述，正是由于硅片中存在著極高的位錯(cuò)密度，成為少數(shù)載流子的強(qiáng)復(fù)合中心，最終導(dǎo)致電池性能的嚴(yán)重下降。而與電池工藝和材料內(nèi)部雜質(zhì)無直接關(guān)系。拉晶工藝對(duì)單晶位錯(cuò)的影響引頸對(duì)單晶位錯(cuò)的影響由于籽晶和硅熔液接觸時(shí)的熱應(yīng)力，會(huì)使籽晶產(chǎn)生位錯(cuò)，這些位錯(cuò)必須利用引頸生長使之消失。引頸是將籽晶快速往上提升，使長出的晶體直徑縮小到一定的大小(4~6mm)。由于位錯(cuò)線通常與生長軸成一個(gè)夾角，只要引頸足夠長，位錯(cuò)便能長出晶體表面，得到無位錯(cuò)的晶體，如圖14所示。為了能完全消除位錯(cuò)，一般的原則是讓引頸長度約等于一個(gè)晶棒直徑的長度，即對(duì)于直徑為150mm的晶棒，引頸長度約為150mm。圖14利用引晶生長以消除位錯(cuò)的技術(shù)(DashTechnique)如果在引頸過程中，由于引頸長度不足等原因未能將位錯(cuò)完全消除，將造成單晶位錯(cuò)密度的增加，甚至在單晶生長過程中引起斷苞。放肩對(duì)單晶位錯(cuò)的影響出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，放肩的形狀通常較平。如果降溫太快，液面呈現(xiàn)過冷情況，肩的形狀因直徑快速放大而變成方形，嚴(yán)重時(shí)易導(dǎo)致位錯(cuò)的重新產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)斷苞而失去單晶的結(jié)構(gòu)。等徑生長時(shí)，斷苞對(duì)單晶位錯(cuò)的影響等徑生長時(shí)，如果出現(xiàn)斷苞，晶棒又足夠長時(shí)，我們會(huì)收尾后作為A段取出。但在斷苞處會(huì)有大量位錯(cuò)存在，而且位錯(cuò)會(huì)沿晶棒向上返一個(gè)直徑左右，我們稱之為位錯(cuò)段。因此，雖然此位錯(cuò)段具有完整的晶線，但往往具有比較高的位錯(cuò)密度，我們經(jīng)切片腐蝕之后，發(fā)現(xiàn)此類硅片的局部位錯(cuò)密度高達(dá)2X10E4左右，如圖15、16所示。圖15圖15位錯(cuò)段光學(xué)顯微照片1（X200倍）圖16位錯(cuò)段光學(xué)顯微照片2（X500倍）收尾對(duì)單晶位錯(cuò)的影響一般而言，單晶收尾時(shí)鍋里的料要保證是投料量的5~10%左右。如果收尾時(shí)，鍋里的料太少，很容易造成坩堝內(nèi)熔體過冷，一旦過冷必然造成收尾時(shí)掉苞，表面看起來是完整的收尾，實(shí)際已經(jīng)失去單晶的結(jié)構(gòu)。這樣由斷苞處上返一個(gè)直徑的單晶會(huì)存在比較高的位錯(cuò)密度。拉速和熱場(chǎng)對(duì)單晶位錯(cuò)的影響由于硅片來自于等徑生長時(shí)的晶身，所以此階段的參數(shù)控制是非常重要的。等徑生長時(shí)，拉速和熱場(chǎng)直接關(guān)系著晶棒內(nèi)部缺陷的形成（OISF、D-defects、COP等）。根據(jù)熱力學(xué)原理，拉晶過程中，本質(zhì)點(diǎn)缺陷一定會(huì)出現(xiàn)在晶體中。從固液界面形成的點(diǎn)缺陷，在隨著晶棒的冷卻過程中，可能發(fā)生擴(kuò)散、再結(jié)合等反應(yīng)，最后在特定溫度范圍內(nèi)，通過過飽和析出而聚集形成微缺陷（OISF、D-defects、COP等），大量的微缺陷又可能形成位錯(cuò)。根據(jù)Voronkov的模型和其V/G理論，點(diǎn)缺陷和微缺陷的形成與拉晶速度V和溫度梯度G有直接的關(guān)系。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過調(diào)整拉晶