擴散、鍍膜、印刷、燒結(jié)各種典型缺陷成因

摘要晶體硅太陽電池缺陷的檢測問題，利用多種測試設(shè)備（EL、PL、Corescan等），在電池制作的主要工序段（擴散、鍍膜、印刷、燒結(jié)）對硅片和電池片進行檢測，歸納和總結(jié)了電池的各種典型缺陷的成因，利用這些檢測針對手段和分析結(jié)果，能夠及時有效地反饋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷類型，有利于生產(chǎn)工藝的改進和質(zhì)量的控制。1、引言在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中,晶硅太陽能電池占主導地位，其在制造過程中通常采用制絨、擴散、刻蝕、PECVD、印刷、燒結(jié)幾道工序，由于一些機械應力、熱應力及人為等不穩(wěn)定因素的存在，會不可避免的造成硅片的一些隱性缺陷如污染、裂紋、擴散不均勻等，這類缺陷的存在大大降低了電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，導致公司增加經(jīng)濟損失。利用多種測試設(shè)備如EL、PL、corescan等檢測硅片、半成品電池及成品電池存在的各種隱形缺陷，改善工藝參數(shù)，降低產(chǎn)品的不合格率，為公司提高成品率，大大的降低成本。2、檢測設(shè)備工作原理2.1光致發(fā)光（PL）

PL是檢測原材料的有效方法，如Fig.2-1所示，以大于半導體硅片禁帶寬度的光作為激發(fā)手段，激發(fā)硅中的載流子，當撤去光源后，處于激發(fā)態(tài)的電子屬于亞穩(wěn)態(tài)，在短時間內(nèi)會回到基態(tài)，這一過程中會釋放波長為1100nm的光子，光子被靈敏的CCD相機捕獲，得到硅片的輻射復合圖像[1]。

Fig.2-1光致發(fā)光2.2電致發(fā)光（EL）

EL與PL工作原理相似，但不同之處在于激發(fā)非平衡載流子的方式不同，即在電池的正向偏壓下，注入非平衡載流子（Fig.2-2）。

Fig.2-2電致發(fā)光2.3微波光電導衰減法（u-PCD）

u-PCD主要包括904nm的激光注入產(chǎn)生電子-空穴對（Fig.2-3a），導致樣品的電導率增加，當撤去外界光注入時（Fig.2-3b），電導率隨時間指數(shù)衰減，這一趨勢間接反應少數(shù)載流子的衰減趨勢，從而通過微波探測電導率隨時間變化的趨勢得到載流子的壽命。

Fig.2-3a激光激發(fā)

Fig.2-3b微波探測2.4方塊電阻掃描（SHR）

SHR測試探頭在中心有一個激光源（Fig.2-4），緊跟著有兩個同心圓環(huán)形電容電極，激光的頻率可以調(diào)整。激光注入產(chǎn)生電子空穴，內(nèi)建電場將電子空穴分離，將產(chǎn)生表面勢，表面勢反映了SHR信號并且向橫向擴散，內(nèi)外探頭獲取表面勢。硅片的方阻通過在兩個電容電極測量電勢的比率計算。

Fig.2-4SHR2.5串聯(lián)電阻掃描（Corescan）

Corescan的掃描頭包含一個光源和金屬探針（Fig.2-5），掃描過程中，將電池片短路連接,掃描頭以固定的掃描間距、速度移動，光源照射在電池片上產(chǎn)生光生電流，同時金屬探針在電池片表面劃動，測量光照位置的電壓值，電壓值即表征了電池片正面的串聯(lián)電阻的大小。

Fig.2-5Corescan3、結(jié)果及討論3.1原材料缺陷

原材料的優(yōu)劣影響電池片的光電轉(zhuǎn)換效率，有效的檢測原材料的優(yōu)劣，降低原材料的不合格率，能夠直接減少經(jīng)濟損失。Fig.3-1所示為“黑芯片”的PL圖片，在光照條件下，黑色區(qū)域存在大量的缺陷，它們起到復合中心作用，使得載流子在此處復合時發(fā)出較弱的光，而溫場不均勻造成的位錯或雜質(zhì)氧沉淀導致黑芯片的產(chǎn)生，其電池片的電性能一般顯示為Irev、Rs略高、Rsh較正常，Voc稍低，只是Isc明顯偏小。

Fig.3-1黑芯片F(xiàn)ig.3-2a為“四角黑”電池片的EL圖片，腐蝕掉正背面電極、氮化硅、PN結(jié)后測試其少子壽命，如Fig.3-2c所示，從圖中可看出，電池片黑角區(qū)域的壽命相對正常區(qū)域嚴重偏低，說明此處存在大量的缺陷，可能原因是硅棒在拉制過程中，外層有污染或有晶體缺陷產(chǎn)生，而導致硅材料的性能下降。一般電池片的電性能顯示為Voc稍低，Isc明顯偏小，其余性能參數(shù)較正常。

Fig.3-2四角黑從附表1的IV數(shù)據(jù)可以看出，整體暗電池片的Voc比正常片低了12mv，通過Fig.3-3的EL圖像（同一亮度）可以明顯看出兩片電池片的差異。腐蝕兩片電池片的氮化硅薄膜、正背面電極、電場及PN結(jié)后測得整體暗的電池片平均壽命為8.76us，而正常片的平均壽命為11.45us（Fig.3-3c、d），原材料中含有過多的雜質(zhì)導致復合增加是造成Voc偏低的主要原因。

Fig.3-3整體暗3.2工藝誘生缺陷--滑移位錯

當溫度在大約900℃以上時，硅晶體的屈服極限降低，晶體中位錯有可能發(fā)生運動而引起塑性形變。擴散、熱氧化等過程都是在900-1200℃范圍內(nèi)進行，硅片在加熱或冷卻過程中，由于各處受熱或冷卻不均勻而產(chǎn)生溫度梯度，熱膨脹情況各處不同，繼而產(chǎn)生熱應力。當晶體中的熱應力超過其彈性極限時，產(chǎn)生位錯，位錯通過位錯源發(fā)生增殖，最終產(chǎn)生滑移線。位錯源包括：a、晶體表面的機械損傷和微裂紋；b、雜質(zhì)或O-Si的原子集團，旋渦帶；c、摻雜劑的局部聚集等。一般而言，熱應力在硅片的邊緣比較大，因此邊緣的滑移位錯比較明顯，然后向中心蔓延，嚴重時可以出現(xiàn)星形結(jié)構(gòu)[2]如Fig.3-4a,Fig.3-4b為出現(xiàn)星形結(jié)構(gòu)硅片的u-PCD掃描結(jié)果，F(xiàn)ig.3-4c、d為生產(chǎn)過程中出現(xiàn)滑移線的電池片EL圖像。降低溫度梯度減少熱應力的產(chǎn)生是降低滑移位錯產(chǎn)生的有效方法之一。

Fig.3-4滑移位錯3.3工藝異常

3.3.1擴散異常

擴散制結(jié)為電池片制造過程中的核心步驟，P-N結(jié)的質(zhì)量直接影響電池片的轉(zhuǎn)換效率，結(jié)淺，電池片短波響應好，但會引起Rs增加；結(jié)過深，死層較明顯，如果擴散濃度太大，則引起重摻雜效應，使電池開路電壓和短路電流均下降，因此太陽電池的結(jié)深一般控制在0.3～0.5mm，方塊電阻在50W/□左右。附表2為失效電池片的IV數(shù)據(jù)，由Fig.3-5b圖可知電池片左下角黑色區(qū)域的電壓高達440mV，腐蝕掉正面電極及氮化硅薄膜后掃描方阻（Fig.3-5c）后明顯看出黑色區(qū)域的方阻比其他區(qū)域偏高，導致此區(qū)域與現(xiàn)有燒結(jié)工藝不匹配而沒有形成良好的歐姆接觸產(chǎn)生較大的Rs值。

Fig.3-5擴散異常3.3.2鍍膜異常

鋁背場（BSF）能夠降低電池片背面的少子復合，提高少子擴散長度；反射長波段光子，提高長波段的光譜響應，最終提升電池片的光電轉(zhuǎn)換效率。由附表3可知此電池片有很低的Voc和Isc，從Fig.3-6a、b可知鋁背場出現(xiàn)異常，腐蝕掉鋁層后發(fā)現(xiàn)（Fig.3-6c）電池片的背面的90%以上的區(qū)域含有氮化硅薄膜，由于電池片采用管式PECVD鍍膜方式，在舟中兩片電池片背靠背放置，由此可知電池片在鍍膜過程中，其中一片脫落或破碎，導致此片電池背面被鍍膜，背面由于氮化硅的存在，使得經(jīng)過絲網(wǎng)印刷后電池片在燒結(jié)過程中無法形成鋁背場，且鋁電極也無法與硅形成良好的歐姆接觸，最終形成此類低效電池片。

3.3.3燒結(jié)異常

附表4是電池片的IV數(shù)據(jù)，可以看出其Rs非常高，F(xiàn)ig.3-7為電池片的各種測試結(jié)果，通過掃描corescan（Fig.3-7b）得知缺陷處的電壓高達150mV，腐蝕后測試其方塊電阻

（Fig.3-7c）發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的方阻值沒有明顯的差異，此電池片的漏電流大約為1.23A，漏電的主要位置從Fig.3-7d可以看出，其原因是電池片此區(qū)域存在異物如Fig.3-7f所示，異物高度大約為3um，因此過高的燒結(jié)溫度及表面異物污染導致較大的反向漏電流造成低效片的產(chǎn)生。

Fig.3-7燒結(jié)異常EL和PL的區(qū)別上文中已經(jīng)提出，即EL通過電池的電極注入載流子而PL不通過電極注入載流子，因此如果電池片存在嚴重的燒結(jié)異常（Fig.3-8b）時，通過EL無法檢測出其他異常，但結(jié)合PL則可以檢測出除燒結(jié)異常外的其他缺陷（原材料缺陷Fig.3-8a、指紋印、隱裂等），因此在檢測電池片的過程中，EL結(jié)合PL能夠起到事半功倍的效果。

Fig.3-8PL結(jié)合EL3.3.4印刷異常

良好的印刷質(zhì)量,能夠減少金屬電極與硅片間的接觸電阻，影響電池的填充因子、短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率，斷柵、印刷不均勻都會導致線性電阻增大，降低轉(zhuǎn)換效率[3]。

Fig.3-9a為存在大量斷柵的電池片的EL圖片