大晶粒效应

2012年一月刊Solarzoom光伏杂志技术工艺/Technicalprocess大晶粒效应新疆大学物理科学与技术学院10级硕士研究生马琴摘要近年来，太阳能电池发电受到了人们的日益重视。太阳能电池的应用已从军事领域转向公用设施及民用。硅是当前用来制造太阳能电池的主要材料，目前铸造多晶硅已经成功取代直拉单晶硅而成为最主要的太阳能电池材料。与单晶品质相比，多晶的转化效率较低，单晶采用CZ法籽晶牵引生长，只有一个晶粒。那么多晶硅片的转化效率是否与晶粒大小有关？本文将通过实验说明这一问题。关键词：大晶粒、磷扩散、沉积、吸杂0、引言在光伏行业迅速发展的今天，用于制造太阳能电池的晶体硅主要是采用直拉法的单晶硅及采用铸锭技术的多晶硅。多晶硅铸锭，投料量大、操作简单、工艺成本低，但电池转换效率低、寿命短；直拉单晶硅转换效率高，但单次投料少，操作复杂，成本高。因此，怎样将结合两者的优点、扬长避短，生产高品质低成本的硅片成了国内外光伏企业竞相研究的热点和难点。生长大晶粒多晶硅是现在光伏行业较为热点的话题，晶粒越大晶界等缺陷就越少，从而影响多晶硅品质的因素就相应减少了。一、原理介绍多晶硅铸锭的微观理论基础是晶粒的形核长大过程，多晶硅铸锭采用定向凝固技术，无籽晶牵引生长，这就导致多晶硅中各晶粒的晶体学取向各不相同。不同晶粒间存在晶界，晶粒越小晶界密度越大，硅锭中的热应力容易促生位错。晶界和位错对杂质尤其扩散速度较快的金属杂质，具有很强的偏聚和沉淀作用，而且热处理过程会加速品界和位错对杂质的偏聚和沉淀。常见金属铁、钴、铜、镍和锌等在热处理过程中具有很快的扩散速率，所以晶体热处理过程会加速晶界和位错周边杂质在其上的偏聚和沉淀。当杂质在晶界和位错上偏聚、沉淀，就会造成新的电活性中心，成为少数载流子的强复台中心，导致材料电学性能的下降，影响硅片的少子寿命。现阶段多晶硅片主要采取掺硼的方式铸造P型硅，所以后期的电池制作过程主要采用扩磷的方式制作P-N结。在磷扩散制备PN结时生成的磷硅玻璃中存在大量的缺陷，这些缺陷能够吸引金属杂质的沉淀，因为金属杂质在磷硅玻璃中的固溶度要远远大于金属杂质在晶体硅中的固溶度，所以磷硅玻璃可以沉积更多的金属杂质。此外，磷在内扩散形成PN结时，在硅片近表面形成高浓度磷层，由于磷原子处于替换位置，所以大量的磷移向表面时，会在内部形成高密度的位错等缺陷，成为金属杂质原子的沉积点，起到吸杂的作用。根据磷吸杂效应可知，经过磷扩散后，硅片的少子寿命和电池效率都有所提升，现在将对比分析晶粒尺寸对吸杂效果的影响。二、实验原理及结论分析试验1：选取三组少子寿命较低的多晶硅样片进行磷扩散实验，最后对扩散后少子寿命变化和量子效率变化情况进行对比。考虑到不同扩散工艺对吸杂效果的影响，本实验进行了三组实验：①820℃磷扩散吸杂45min,②850℃磷扩散吸杂45min,③820℃磷扩散吸杂60min。试验中选定三组样片的晶粒分布相近、平均少子寿命相同，其中A片为小晶粒硅片、B片为大晶粒硅片。图1为试验后少子寿命变化对比图，从图中图1磷扩散后少子寿命测试A片测试图（1）A片测试图（2）A片测试图（3）A片测试图（4）可以看出：A、B片的少子寿命在磷扩散试验后都有增长，但是大晶粒变化较大，即大经理在磷扩散过程中的吸杂效果更明显。实验2：对少子寿命分布相近的样片进行LBIC测试，其中A片为小晶粒多晶样片、B为大晶粒多晶样片。测试过程中选用三种不同波长的激光进行扩散长度测试，测试波长分别为：407nm、637nm、878nm、976nm。图2为量子效应测试对比图，从图中可以看出：无论是在407nm波长的激光下进行测试还是在976nm波长的激光下进行测试，大晶粒的光谱效应都要优于小晶粒的光谱效应。三、结论晶粒的尺寸对磷吸杂和光谱效应的影响都较大，在少子寿命分布相同的情况下，大尺寸晶粒硅片的磷吸杂效果和光谱效应相对于小晶粒硅片都更好。从实验结果图中可以分析出：与大晶粒相比，经过磷扩散实验之后，小晶粒硅片中仍然含有较多的杂志，复合能力较强，从而导致硅片的体少子寿命相对大晶粒硅片较低、光谱效应较差。