材料、結(jié)構(gòu)及工藝bookmark0楊超沈鴻烈吳京波2，李瓊2，李斌斌馮曉梅1（1.南京特種航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京2100162南京沙寧申光伏有限公司，南京211300）雜濃度和結(jié)深研究了擴(kuò)散時(shí)間對(duì)太陽電池性能的影響。通過太陽電池單片測(cè)試儀（XCM―9）測(cè)試電池性能。得到了為850°C的擴(kuò)散溫度下再分布時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)方塊電阻隨主擴(kuò)時(shí)間的變化關(guān)系。由可知，當(dāng)擴(kuò)散溫度和再分布時(shí)間固定時(shí)，方塊電阻隨著主擴(kuò)時(shí)間的增加而逐漸減小，這是由式（1）決定的。

荷，/l為光生電流。

再分布時(shí)間不變，主擴(kuò)時(shí)間增加，使得施主雜質(zhì)濃度Nd增大，則由式（2）可知反向飽和電流/.減小，導(dǎo)致光生電流/l與反向飽和電流/0的比值增大，由式（3）可以得出開路電壓會(huì)逐漸增大131.所示為850°C的擴(kuò)散溫度下再分布時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)開路電壓隨主擴(kuò)時(shí)間的變化關(guān)系。由可知，當(dāng)擴(kuò)散溫度和再分布時(shí)間固定時(shí)，開路電壓隨著主擴(kuò)時(shí)間的增加而逐漸增大，這是還顯示出主擴(kuò)時(shí)間相同再分布時(shí)間增加時(shí)，電池開路電壓逐漸減小。這是因?yàn)橹鲾U(kuò)時(shí)間不變，再分布時(shí)間增加，擴(kuò)散層施主雜質(zhì)濃度Nd將減小，則由式⑵可知反向飽和電流/增大，導(dǎo)致光生電流IL與反向飽和電流/.的比值減小，由式（3）可知開路電壓會(huì)逐漸減小。

并且由可以推測(cè)出當(dāng)再分布時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)，即使主擴(kuò)時(shí)間增加到50min時(shí)，仍然沒有出現(xiàn)重?fù)诫s效應(yīng)，使得硅禁帶寬度收縮，導(dǎo)致電池開路電壓下降14.當(dāng)主擴(kuò)時(shí)間為50min，再分布時(shí)間為5min時(shí)，電池開路電壓達(dá)到了本文，此時(shí)電池短路電流密度（。、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率n分別為2.3短路電流密度與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系所示為850°C的擴(kuò)散溫度下再分布時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)短路電流密度隨主擴(kuò)時(shí)間的變化關(guān)系。由可知，當(dāng)擴(kuò)散溫度和再分布時(shí)間固定時(shí)，短路電流密度隨著主擴(kuò)時(shí)間的增加而逐漸減小，這是以下兩方面的原因?qū)е碌摹?br/>
（1）主擴(kuò)時(shí)間增加，導(dǎo)致pn結(jié)的結(jié)深增大，使得電池對(duì)高能量的短波響應(yīng)降低；并且結(jié)深增加后，光進(jìn)入硅片后到達(dá)耗盡區(qū)的距離增加，光衰減長(zhǎng)度增加使得射入耗盡區(qū)的光減少，而耗盡區(qū)正好是載流子收集幾率最高的區(qū)域；（2）主擴(kuò)時(shí)間增加，頂層摻雜濃度變大，出現(xiàn)更多的雜質(zhì)與缺陷，復(fù)合中心數(shù)量增大，摻雜層少子壽命減小，導(dǎo)致電池短路電流密度減小。

還顯示出在每個(gè)主擴(kuò)時(shí)間下，再分布時(shí)間為15min時(shí)的電池短路電流密度都大于再分布時(shí)間為5min和10min時(shí)。然而并不是再分布時(shí)間越大越好，過大的再分布時(shí)間會(huì)使得擴(kuò)散層摻雜濃度過低及pn結(jié)結(jié)深過大，反而會(huì)使短路電流密度減小，本，此時(shí)電池開路電壓Vc、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率n分別為2.4并聯(lián)電阻與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系0的擴(kuò)散溫度下再分布時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)并聯(lián)電阻隨主擴(kuò)時(shí)間的變化關(guān)系。由可知，當(dāng)擴(kuò)散溫度和再分布時(shí)間固定時(shí)，并聯(lián)電阻隨著主擴(kuò)時(shí)間的增加而逐漸減小。

并聯(lián)電阻的主要來源是：pn結(jié)漏電，其中包括繞過電池邊緣的漏電及由于結(jié)區(qū)存在體缺陷和外來雜質(zhì)的沉淀物所引起的內(nèi)部漏電18，它們與擴(kuò)散制結(jié)、PECVD鍍膜、印刷燒結(jié)等工藝有關(guān)。再分布時(shí)間不變，主擴(kuò)時(shí)間變大后，頂層摻雜濃度變大，出現(xiàn)更多的雜質(zhì)與缺陷，復(fù)合中心數(shù)量增大，摻雜層少子壽命減小，因而漏電流增大，電池并聯(lián)電阻減小。

還顯示當(dāng)主擴(kuò)時(shí)間不變，再分布時(shí)間增大時(shí)，電池并聯(lián)電阻逐漸增大。這是因?yàn)橹鲾U(kuò)時(shí)間不變?cè)俜植紩r(shí)間增大會(huì)明顯減小電池表面的雜質(zhì)濃度，而電池表面又是載流子復(fù)合速度最大的區(qū)域這樣就會(huì)有效減少載流子的表面復(fù)合，從而使得電池并聯(lián)電阻增大。

2.5串聯(lián)電阻與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系°C的擴(kuò)散溫度下再分布時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)串聯(lián)電阻隨主擴(kuò)時(shí)間的變化關(guān)系。由可知，當(dāng)擴(kuò)散溫度和再分布時(shí)間固定時(shí)，串聯(lián)電阻隨著主擴(kuò)時(shí)間的增加而逐漸減小。

串聯(lián)電阻的主要來源是：制造電池的硅材料的體電阻、電極及互聯(lián)金屬的電阻以及電極和半導(dǎo)體之間的接觸電阻181，它們與擴(kuò)散制結(jié)、印刷燒結(jié)等工藝有關(guān)。再分布時(shí)間不變，主擴(kuò)時(shí)間增大，擴(kuò)散摻雜濃度變大，在后續(xù)電極燒結(jié)中更利于制備良好的歐姆接觸，使得電池金屬一半導(dǎo)體接觸電阻減小，從而導(dǎo)致串聯(lián)電阻逐漸減小。

從還可看出，當(dāng)主擴(kuò)時(shí)間不變，電池串聯(lián)電阻隨再分布時(shí)間沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。這是因?yàn)橹鲾U(kuò)時(shí)間不變?cè)俜植紩r(shí)間增加使得擴(kuò)散層電阻減小，但是會(huì)增大后續(xù)電極燒結(jié)后的金屬一半導(dǎo)體接觸電阻，這兩者之間的矛盾使得串聯(lián)電阻隨再分布2.6填充因子及轉(zhuǎn)換效率與擴(kuò)散時(shí)間的關(guān)系0再分布時(shí)間為5min時(shí)不同主擴(kuò)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電池填充因子和轉(zhuǎn)換效率，由表1可知，當(dāng)再分布時(shí)間確定在5min時(shí)，電池填充因子隨主擴(kuò)時(shí)間增加而逐漸減小。

電池的填充因子FF會(huì)隨著并聯(lián)電阻R的減小和串聯(lián)電阻Rs的增大而降低9，Rsh的減小和Rs的增大會(huì)使得太陽電池最大功率輸出點(diǎn)的輸出電流Im發(fā)生下降，這是Rsh和Rs影響電池填充因子的主要機(jī)制1101.由和可以看出當(dāng)再分布時(shí)間為5min時(shí)，電池的Rsh和Rs都是隨主擴(kuò)時(shí)間增加而逐漸減小的，在串聯(lián)電阻減小的情況下填充因子仍然逐漸下降，這是因?yàn)榇藭r(shí)并聯(lián)電阻的減小對(duì)填充因子的影響起了主要作用。

太陽電池的理論能量轉(zhuǎn)換效率n表達(dá)式如下：最高轉(zhuǎn)換效率電池-V曲線由（4）式可知，當(dāng)入射太陽光譜AM0或AM1.5確定以后，太陽電池效率n則取決于開路電壓v.、短路電流密度心和填充因子ff.要提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率，則需要提高V，c、s.和FF這三個(gè)基本參量，但是，由于電池的基本參數(shù)對(duì)這三個(gè)參量的影響機(jī)制不同，從而使得它們之間往往是相互制約的，單方面提高其中一個(gè)，可能會(huì)因此降低另外一個(gè)，所以在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，通過工藝的改進(jìn)使得三者同時(shí)提高是比較困難的，往往是統(tǒng)籌考慮對(duì)三者的影響實(shí)現(xiàn)效率的提高1101.由、和表1可以看出當(dāng)再分布時(shí)間為5min時(shí)，隨著主擴(kuò)時(shí)間的增加，電池開路電壓逐漸增大，短路電流密度人。和填充因子FF逐漸減小，而表1顯示電池轉(zhuǎn)換效率隨主擴(kuò)時(shí)間的增加先增大后減小，在主擴(kuò)時(shí)間為20min時(shí)達(dá)到最大值，不過效率增大和減小的幅度都較小，由式（4）可知這是主擴(kuò)時(shí)間對(duì)開路電壓短路電流密度人。和填充因子FF影響的統(tǒng)籌結(jié)果。

分別給出了擴(kuò)散溫度850G再分布時(shí)間為10min和15min時(shí)不同主擴(kuò)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電池填充因子和轉(zhuǎn)換效率。

再分布時(shí)間為5min時(shí)不同主擴(kuò)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電池填充因子和轉(zhuǎn)換效率再分布時(shí)間/min主擴(kuò)時(shí)丨間/表2再分布時(shí)間為10min時(shí)不同主擴(kuò)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電池填充因子和轉(zhuǎn)換效率再分布時(shí)間/min主擴(kuò)時(shí)丨間/表3再分布時(shí)間為15min時(shí)不同主擴(kuò)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電池填充因子和轉(zhuǎn)換效率再分布時(shí)間/min主擴(kuò)時(shí)丨間/由表2和表3可知，當(dāng)再分布時(shí)間確定在10min和15min時(shí)，電池填充因子隨主擴(kuò)時(shí)間增加先增大后減小，都是在主擴(kuò)時(shí)間為40min時(shí)達(dá)到最大值，而由和可以看出當(dāng)再分布時(shí)間為10min和15min時(shí)，電池的并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs都是隨主擴(kuò)時(shí)間而逐漸減小的，主擴(kuò)時(shí)間為40min之前，再分布時(shí)間為10min和15min兩種電池在并聯(lián)電阻減小的情況下填充因子仍然逐漸增大，這是因?yàn)榇藭r(shí)串聯(lián)電阻的減小對(duì)填充因子的影響起了主要作用；主擴(kuò)時(shí)間為50min時(shí)，兩種電池填充因子又都有所下降，說明此時(shí)并聯(lián)電阻的下降對(duì)填充因子的影響起了主要作用。

當(dāng)再分布時(shí)間為10min和15min時(shí)，電池轉(zhuǎn)換效率隨主擴(kuò)時(shí)間的增加先增大后減小，都是在主擴(kuò)時(shí)間為40min時(shí)達(dá)到最大值，并且效率增大和減小的幅度都不小，如同再分布時(shí)間為5min時(shí)效率的分析，這也是主擴(kuò)時(shí)間對(duì)開路電壓心，短路電流密度人。和填充因子FF影響的統(tǒng)籌結(jié)果。當(dāng)主擴(kuò)時(shí)間為40min、再分布時(shí)間為15min時(shí)，電池效率達(dá)到本文，此時(shí)電池開路電壓心、短路電流密度人。和填充因子FF分別為657mV、33.57mA/cm2和74.36%3結(jié)論本文通過改變擴(kuò)散時(shí)間來改變發(fā)射區(qū)的摻雜濃度和結(jié)深，研究了擴(kuò)散時(shí)間對(duì)太陽電池性能的影響。

發(fā)現(xiàn)改變擴(kuò)散時(shí)間后，太陽電池的開路電壓和短路電流密度呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，這與單晶硅太陽電池的理論計(jì)算相符。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)擴(kuò)散溫度為850C，主擴(kuò)時(shí)間和再分布時(shí)間分別為50min和5min時(shí)，電池得到最高的開路電壓為668mV，但短路電流密度僅32.8mA/cm2，填充因子FF也只有70.51%，轉(zhuǎn)換效率n為15.45%當(dāng)擴(kuò)散溫度為850G主擴(kuò)時(shí)間和再分布時(shí)間分別為10min和15min時(shí)，電池得到最大的短路電流密度為33.87mA/cm2，但開路電壓僅621mV，填充因子FF為72.59%轉(zhuǎn)換效率為15.27%；最終得到了本文實(shí)驗(yàn)條件下較為優(yōu)化的擴(kuò)散工藝，此工藝條件既考慮到開路電壓，又兼顧了短路電流密度，工藝參數(shù)為擴(kuò)散溫度850G主擴(kuò)時(shí)間和再分布時(shí)間分別為40min和15min，此時(shí)電池得到最高的轉(zhuǎn)換效率為16.4%電池的開路電壓、短路電流密度和填充因子分別為657mV、33.57mA/cm2和74.36%以此優(yōu)化擴(kuò)散工藝制備電池的效率較公司原擴(kuò)散工藝電池提高了約0.3%。