太阳电池效率优化总体解决方案.docx
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太阳电池效率优化总体解决方案
太阳电池生产线效率优化方案
中科院电工所
InstituteofElectricalEngineering
王文静
WangWenjing
太阳电池生产线高效运作要素
高水平的设备——内在品质的保证
尽可能多的自动化——减少人为干预
净化系统的保证
工艺技术的深刻理解和彻底贯彻执行
完善的现场管理体系
+
+
好的硬件设施
好的管理体系
好的技术控制
30%
40%
30%
太阳电池生产线工艺控制的三个层次
可控制的平均效率+集中的分布
第三层次
第二层次
第一层次
高的平均效率+集中的分布
高的平均效率
提高太阳电池效率的技术总体解决方案
背面光反射层
背面光反射层
背场
背场
高欧姆接触的发射层
高欧姆接触的发射层
1.0
Leff=470祄
0.9
emitter:
43/sq->60/sq
Leff=350祄
43祍
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
refl.back
90%
Seff:
55000->40000cm/s
350cm/s
前表面钝化
前表面钝化
Multi1,14.8%
celleff.14.8%
ScanwaferTOPSICLE（June2003）
Al/P析杂
Al/P析杂
Baysix（processedin2003）
MultiRef,15.5%
celleff.15.5%
PC1d-simulation
PC1d-simulation18%cell
weightedrefl.15%->8%
（grid:
8%->6%）
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Wavelength（nm）
表面织构化
表面织构化
改进的反射膜
改进的反射膜
细栅线
细栅线
太阳电池的主要控制工艺
六大控制工艺
四大特性
三个参数
饱和电流
清洗
表面钝化特性
结特性
短路电流
开路电压
填充因子
织构化
扩散
制备SiN
丝印
电极接触特性
减反射特性
方块电阻
烧结
测试
串并联
电阻
量子响
应曲线
解决的问题归纳
织构化技术
减反射膜技术
高阻扩散技术
前表面钝化技术
背场技术
P/Al吸杂技术
背面光反射
细栅线技术
测试技术
净化间设计
晶体硅太阳电池生产工艺的关联性
洁净度
栅线面积
PECVD
清洗
钝化
时间比
扩散
烧结
温度
？
烧结曲线
一、发射区设计
各种电活性的磷扩散浓度的纵向分布
磷在硅中的固溶度为
1021cm-3。
对于32/的磷掺杂，其
表面杂质浓度已经接近固
溶度。
RƆ=/d
掺杂重RƆ
结浅dRƆ
掺杂轻RƆ
结深dRƆ
300K下硅的实测电阻率与杂质浓度的关系
掺杂的有效性
太阳电池发射极扩散设计1—掺杂浓度
在较高掺杂时空穴的迁移率
迅速下降
高掺杂低低D
低L
但是，在扩散层的扩散长度
L必须大于扩散层厚度，扩
散层的少子是空穴
L=D
D=（kT/q）
—迁移率
D—扩散系数（典型值：
50cm2/s）
—少子寿命（10-9s~ms）
太阳电池发射极扩散设计2—少子寿命
在高掺杂的情况
下少子寿命迅速
下降。
其原因是Auger
复合，与材料纯
度无关。
直线的斜率近似
为2，因此：
1/n2
Auger复合
Auger复合：
电子-空穴对发生符合将
能量或动量交给自由电子
或空穴。
电子或空穴越多，这种复
合的几率约高。
在高掺杂
2
条件下，少子寿命与n成
反比
Auger复合造成的问题
对于n型掺杂：
估计掺杂浓度：
10/cm
193
Dh~1…2cm/s
2
~10-9sec
Lh~10…10cm=0.1to1um
-4-5
为了收集在发射区的少数载流子，我们需要使其厚度低于
0.5um=>以确保发射层电阻率!
太阳电池发射极扩散设计3—吸收系数
值得庆幸的是：
在1m的层内的吸收需要
吸收系数：
>106m-1
从右图可以看出：
这样的
吸收系数对应着兰光。
即：
在发射区内只吸收兰
光
太阳电池发射极扩散设计4—与太阳光谱的匹配
发射极优化设计
发射极厚度<0.5m
高的掺杂以造成低的发射极电阻率
因为接触电极就在附近，因此应尽量将发射极
靠近电极处的少子寿命复合降至最低
尽可能地降低发射极的扩散浓度
有关低浓度发射区的矛盾
Voc↑
俄歇复合降低
Isc↑
↑
低浓度
PN结
Rs↑
FF↓
↓
有关发射区深度的矛盾
银原子不易
扩散到表面
Rsh↑
FF↑
深PN结
•PECVD的钝化特性要求更高
•表面清洗与织构化要求更高
•厂区洁净度要求更高
对表面钝化提出
了更高的要求
•表面金属覆盖面积降低
•自动化程度要求更高
接触电阻与功率损失及栅线宽度的关系
低浓度深结所带来的影响
Sp-前表面复合速率；
Sn-后表面复合速率
（1）对于同样的结深，表
面复合速率越高，其效率约
低
（2）对于低表面复合速
率，结深对电池效率的影响
不大
（3）对于很高的表面复合
速率，随着结深的增加使得
电池效率下降，因此只有在
表面复合速率大于1000cm/s
的情况浅结才有作用。
低浓度深结所带来的影响
当结的表面复合速率不能控制在较低水平时（如10，10），浅结是必要的；但是当表面复合速率可
45
以控制在较低水平时（如<1000cm/s），浅结电池没有必要
为了维持同样的方块电阻，对于浅结电池掺杂较重，而深结电池掺杂较轻，在同样的表面复合速率情
况下，深结电池紫光相应较差。
对于较低的表面复合速率，其短波响应较好、变化不大
浅结会引起发射极短路
如何的到低浓度深结？
1
2
•两步变温扩散
•增加在分布时间
两种扩散模式：
浅结重掺模式
深结轻掺模式
浅结轻掺模式
T:
较高的扩散温度
t：
通源：
20多分钟
无源：
几分钟。
T:
较高或中等的扩散温度
（最理想）
t：
通源：
10~20多分钟
无源：
20~30。
分布：
有源扩散型，呈余误
差分布
分布：
无源扩散型，呈高斯
分布
表面复合较重的电池
硅片质量较差
表面复合较轻的电池
硅片质量较好
开压较高
FF较大
较易漏电
不易漏电
开压较低
对烧结工
艺要求很
严
对烧结工
艺要求不
FF适中
电流较小
电流较大
严
二、基区设计
1、基区设计原则
基区必须足够厚以全部吸收AM1.5光谱的光
在基区产生的少数载流子必须足以达到结区，因此电子扩散长度
Le应大于基区厚度
为降低少子的复合，必须减小下述过程：
–体复合
–表面复合
–接触复合
基区厚度
为吸收每一个可见光子Si
的厚度应大于300m。
如果要吸收红外光则需要
1000m。
相比，GaAs只需要1m
就可以吸收大部分光。
De=（kT/e）u=39cm/s
2
电子的迁移率
基区设计参数
1.Ln>300um
2.Requires
L>300um>D.
3.D在掺杂区几乎是一个常数，数值在30到40cm
此，>2.5x10
sec（25um）
2
/s因
-5
基区的少子寿命
可以看到在较低的掺杂浓
度下（<10cm）已经
17-2
不是Auger复合为主了
基区设计考虑因素
在基区中掺杂时均匀的，因此在基区中没有
场
电子呈无规自由运动
结成为少子收集区，边界条件：
ce,exces
=0
因此收集效率随距结区的距离（x）而减小
exp（-x/L）
如果电子在电极处复合，
将失去一个电子
基区设计考虑因素1—收集几率
基区设计考虑因
素2—收集数量
少数载流子收集的数量
（忽略体复合）等于载
流子产生率与收集几率
的乘积
在端点的收集几率为零因
为表面复合
三、钝化膜设计
基区少数载流子收集的重要目标
降低复合：
体内复合
表面复合
电极复合
表面钝化要点
表面钝化层自身的薄膜
质量
SiN层
自然SiO2层
表面自然氧化层的作用
N型层
结深与表面钝化的关系
结深与表面钝化的关系
多晶硅晶界钝化
P型层
背表面钝化
1、体复合
体复合在较低的掺
杂浓度下主要是缺
陷和杂质复合为主
背场效应
Ef
在p区与电极交界处制
备一层同质重掺P+层
，将电子推回结区
Rear
contact
Frontcontact
有背场后，收集效率
衰减仅为exp（x/Le）
各种体内杂质
（a）外来间隙原子
（b）位错
（c）自间隙
（d）沉淀杂质
（e）堆垛层错
（f）体位杂质
（g）空穴
（h）在外来离子位错附近的
晶格畸变
（i）外来替位杂质
各种杂质在硅中造成电池效率的下降
各种杂质在硅中的实测电离能
位于禁带靠近中间部位的那些杂质最容易造成符合
材料的少子寿命与掺杂的关系
硅材料的少子寿命与
杂值能级深度inm之
间以及掺杂浓度之间
的关系
可见，在同样掺杂浓
度的情况下，杂质能
级越靠近能带中心，
其少子寿命越低
对于同样的能级深
度，掺杂越重，其少
子寿命越小
掺杂杂质的费米能级位置与浓度和温度的关系
体内钝化方案
将杂质移动到无害位置（铝背场、发射区）
用氢钝化悬挂键，这些悬挂键位于晶粒边界、位错附近
Glassydiffusionsource
扩散时形成磷硅玻璃，是一种非晶结
构，杂质趋于移动到这些区域，在后
续工艺中这层磷硅玻璃将被出去，带
走杂质
SolarCellblank
Al-Si在高温下形成液态，在降温后
形成合金区和Al扩散层，杂质在这
些区域富集
Albackcontact
体内钝化方案
PECVDSiNx
PECVD制备的SiN含有百分之几的原子氢
，在后续的快速热退火中这些氢会进入体
内。
在750°C，氢原子在1秒时间内将会穿过
整个太阳电池。
氢钝化机理
氢钝化前
氢钝化后
Si:
H反键态
Conductionband
Valenceband
Si:
H键
Danglingbond
Si:
H的键态和反键态位于禁带之外，使其缺陷态的特性消失了
2、表面复合
看来：
高电阻率、低
掺杂的硅有好
的结果
一般当表面复合
速率低于30cm/s
时，表面复合速
率才不占主导作
用
SiO2膜结构
SiO2膜没有场钝化效应
SiO2膜的表面电荷
在SiO2-Si界面存在着四种电荷:
–界面陷阱电荷（Interfacetrappedcharge）——Qit
–氧化层陷阱电荷（Oxidetrappedcharge）——Qot
–固定氧化电荷（Fixedoxidecharge）——Qf
–可移动离子电荷（MobileIoniccharge）——Qm
表面固定电荷Qf
在SiO2-Si界面SiO2一侧20nm内
此层电荷引起场钝化效应。
Qf对表面复合速率（Seff）有很强的影响，如：
Qf从
2x1012降低到1x1012cm-2，Seff增加因子8。
该种电荷通常是带正电性的、不动的、对于费米能级位置很敏感
密度在1011~1012cm-2
这种电荷与三氧悬挂键O3≡Si•（Pox）有关
Qf依赖于：
–晶面取向：
Qf（100）–硅掺杂浓度：
Qf（高掺杂）>Qf（低掺杂）
–氧化方式：
Qf（湿氧）>Qf（干氧）
–冷却率：
Qf（慢）>Qf（快）
界面陷阱电荷Qit
位于SiO2-Si界面。
可以是正的，也可以是负的。
通过改变硅表面势，使之荷电或不荷电。
未钝化硅表面：
1013cm-2，热氧化钝化硅表面：
109cm-2；
Dit（Nit≡DitEg）为该种电荷在禁带种的态密度，表面复合速率强烈地依赖于Dit。
表面氢钝化（例如：
FMG）可以大量减小Dit。
Dit与过程参数有关：
–与氧化温度有关：
Dit（高T）–方式有关：
Dit（干氧）=Dit（湿氧）
氧化层陷阱电荷Qot
根据在氧化层中陷入电子、空穴，使得这种陷阱可以使带正电、负电或不带电。
密度为109~1013cm-2
其产生的原因主要是SiO2层中的缺陷有关，包括：
–离子辐照
–雪崩注入
–氧化层中的大电流
这种缺陷可以通过低温退火予以消灭。
移动氧化层电荷Qm
主要是在氧化层中一些碱性正离子：
Li+、Na+、K+，也包括负离子或重金属离子。
当有电场存在时，碱性离子甚至在室温下就可以迁移。
Na+离子很重要，因为它存在于环境和人体中，并且其迁移性强；而Li+和K+的重
压性不高，主要是因为其在环境中的浓度不高，而且其迁移性较弱。
–迁移性：
Li>Na>K
–浓度：
Na=K>Li
密度为1010~1012cm-2
为减低此种电荷，可使用含氯氧化，进行化学钝化。
载流子通过表面的复合
在表面存在大量的悬挂
键，这些悬挂键会在表面
禁带中形成深能级，造成
载流子在表面的复合
电子表面复合速率为：
Rs,e=s,eens,hne
如果硅表面直接暴露在大气中，其表面复合速率将达到10~10cm/s。
56
如果表面经过很好的钝化，如镀制了SiN薄膜，则可以使表面复合速
率下降到1000cm/s左右。
氧化层界面缺陷模型
UT——带尾态
UM——对称带隙中间态
PL、PH——施主态
实验发现K+电荷对于少子寿命有非常强的钝化效应—场
SiN膜结构
钝化。
但是K+为可移动电荷，有光诱导衰退，这就是为
什么有的电池效率很高，但是衰退很严重的原因。
如果
在靠近硅片处的膜质量较差，则出现较多的K+，虽然可
以通过场钝化将效率提得很高，但是光衰退严重！
而对于N型硅片，此层就成了场致复合的源泉！
SiN膜比
SiO2膜的
Dit大2~3个
因子
直接法
减少了
此层
介电常数对于饱和电流的影响
JOE与介电常数存在着非常直接的相
关性。
特别是对于高频和离域
PECVD系统制备的SiN膜。
在介电
常数小于1.9时JOE迅速上升，表面
钝化特性变差。
而对于低频
PECVD，则在较低的折射率情况下
仍能保持较低的JOE。
但是，总体上看，高频PECVD比低
频的表面复合速率低。
从反射来看，折射率越高，其最低
点渐向长波段移动，因此，其短波
响应变差，在小于500nm处发生强
烈吸收，减小光电流，因此对于玻
璃封装材料，最佳折射系数应在2.2
不同介电常数的SiN膜的吸收系数
SiN薄膜的介电常数影响着其对
于不同波长的吸收系数
较低折射率的SiN膜在整个可见
光区段的吸收均较低。
折射率越
高在短波段的吸收越强。
折射系数n是在=630nm处的折
射率
小结
硅烷/氨大
硅烷/氨小
富硅
贫硅
n较大
SiN
n较小
钝化效果好
光吸收强
钝化效果差
光吸收弱
优化
3.金属/半导体表面的复合
当半导体和金属接触
时，半导体中的费米能
级弯曲向金属的费米能
级。
可以近似地认为在
这样的表面上的表面复
合速率为无穷大
所以一般应在半导体与金属之间加入一个绝缘层最为传冲层
各种表面钝化的特性
各种钝化技术与裸
硅片及100%金属
化表面的饱和电流
栅线电极对太阳电池钝化的影响
对于实际的太阳电池表面，总有一部分面积被金
属电极栅线遮挡，该部分面积的钝化特性为金属
类型的（4000fA/cm2），而被SiN钝化部分最低
可达到100fA/cm2。
而FM表示金属化电极所占的
面积比，总的饱和电流由上述简化公式确定。
有右图可见，随着金属电极所占的百分比的增
加，其饱和电流所会迅速增加。
实际来看，Voc（kT/q）ln（Jsc/J0）
（kT/q）=25.7（k=300K）；Jsc=44mA/cm2；衬底为
理想衬底（J0B=0）。
则：
无金属电极的SiN钝化的100/的电池的开压为
689mV
FM=2%，Voc=674mV
FM=6%，Voc=658mV
FM=10%，Voc=648mV（现实丝印技术所能达
到的范围）
具有不同电极面积的表面复合
不同钝化技术对织构化硅表面的钝化特性
与平面硅表面钝化特性相
比，织构化的饱和电流要
大1.5~2.5倍
方块电阻对裸硅片的影响
方块电阻对于裸硅片的影响与有
钝化膜的硅片正好相反，随着方
块电阻的增加，饱和电流上升，
Voc下降。
只有在更重掺杂的n+发射区才能
对于空穴的扩散造成更大的势
垒，因此才会得到更低的JOE。
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