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單晶硅與多晶硅電池衰減特性研究

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月02日  

著重研究直拉單晶硅電池及鑄錠多晶硅電池衰減的差異,以及導致差異形成的原因。結果表明,該差異的形成主要受B-O 復合體、碳含量、分凝系數及金屬離子的影響。


引言


太陽電池和發電技術的大面積推廣,對傳統化石燃料發電技術形成了強大沖擊,在能源日益枯竭和環境污染日趨加劇的今天,其研究備受關注。太陽電池按照所用材料的區別,主要分為硅材料電池、半導體化合物電池、有機化合物電池,以及近年來研究活躍的鈣鈦礦電池。其中,硅材料電池中的晶體硅電池又分為單晶硅和多晶硅電池兩大類,占據了90%左右的市場份額[1]。眾所周知,單晶硅電池光致衰減(LID)一直是困擾行業的一大難題,特別是近年來新開發和產業化的鈍化發射極和局部背接觸(PERC)電池,其LID值更是高達3%~5%;然而同為p型多晶硅電池的LID卻始終較低。同樣的摻硼電池,不同的晶體生長方式最終導致不同的LID值。本文著重研究LID的影響因素,以及不同晶體生長方式對LID值的影響。


1、LID的影響因素


影響LID的因素為:1)硼氧(B-O)復合體。B-O復合體是影響LID的主要因素之一,LID值與B濃度成正比,與O濃度平方成正比[2]。2)晶體內部碳(C)含量。高濃度的C對B-O復合體存在抑制作用[3]。3)分凝系數。氧在硅中的分凝系數為1.25,因此對于直拉單晶硅來說,頭部的O含量相對較高,尾部相對較低;而對于鑄錠多晶硅來說,底部先凝固,則O濃度最高;頂部后凝固,則O濃度最低。4)硼鐵(Fe-B)對的分解-復合模型。Fe-B對分解成Fe和B,高能級的Fe復合中心使硅片受到Fe污染,從而引起電池性能下降。


2、試驗設計


2.1試驗儀器


硅片C/O含量、少子壽命,以及硅片厚度等參數分別采用Nicolet8700傅立葉紅外(FT-IR)光譜儀、德國SemilabWT-1000少子壽命測試儀、上海星納MS203晶片多功能參數檢測儀進行測試;電池光照處理采用上海太陽能工程技術研究中心HS1610C熱斑耐久試驗裝置;光照前后的電池性能參數測量采用德國H.A.L.M高精度I-V測量系統;采用中導光電設備有限公司的FL-01一體機進行硅片的光致發光(PL)和電池的電致發光(EL)測量。


2.2試驗樣品及處理


樣品采集相同電阻率(1~3Ω)的鑄錠多晶硅(MC-Si)及直拉單晶硅(CZ-Si),測試其原料硅片各項參數并作相應記錄;然后將樣品經過相同電池加工工藝處理后,分別選取10片電池片,


采用熱斑耐久試驗箱進行光照處理,光照強度1000W/m2,時間5h;采用相同系統測量光照后的電池性能參數,計算光照過程中衰減比例。


3、結果與分析


硅片各項參數對應光致衰減值見表1,其中,衰減1和衰減2代表同一條件下電池衰減的兩次測試。由表1可知,相同電阻率的MC-Si及CZ-Si衰減的差異主要來源于O濃度和C濃度的變化。由于MC-Si鑄錠過程中采用的是陶瓷坩堝,其主要化學成分SiO2(99%)、Al2O3(0.5%)、GaO(0.5%)和Si3N4涂層;而CZ-Si拉晶過程中采用石英玻璃坩堝,其主要化學成分是單一高純度的SiO2(100%),并且采用高純SiO2作為涂層材料[4]。


陶瓷坩堝本身的SiO2含量較石英玻璃坩堝偏低,并且Si3N4涂層中O含量較高純SiO2涂層偏低,從而導致多晶硅較單晶硅O含量明顯偏低;此外,B-O復合體是影響LID的主要因素之一,LID值跟B濃度成正比,與O濃度平方成正比[2];所以說,多晶硅O含量偏低是導致多晶硅電池衰減偏低的主要原因(如圖1所示)。


其次是碳含量,碳的分凝系數以及拉晶和鑄錠過程中的熱場分布的不同,造成MC-Si中C含量明顯高于CZ-Si,而高濃度的C對B-O復合體存在抑制作用[3]。這也是導致多晶硅電池衰減低于單晶硅電池的原因之一如圖2所示。另外,影響LID的因素還有分凝系數,O在硅中的分凝系數為1.25,對于CZ-Si來說,拉晶過程中頭部先凝固,因此頭部O含量最高;隨著熔體的減少,坩堝貢獻的溶解O的濃度再次增加,受熔體對流的影響,晶體中O濃度后期再次升高;整個晶體中O濃度呈現連續變化的曲線關系,稱之為軸向O曲線[5]。而對于MC-Si來說,底部先凝固,O濃度最高;頂部最后凝固,O濃度最低。


MC-Si相比較CZ-Si晶界以及缺陷較多,針對缺陷是否會造成LID的差異這一問題,我們進行了研究,結果表明,缺陷對LID影響不大。這與王朋[6]等對關于MC-Si中缺陷對LID的影響研究結果相吻合。


4、結論


通過以上分析得出,導致MC-Si與CZ-Si光致衰減差異的因素主要有以下幾點:


1)硼氧(B-O)復合體。不同的工裝器具導致MC-Si與CZ-Si中O含量的差異。多晶硅O含量偏低是導致多晶硅電池衰減偏低的主要原因。


2)晶體內部C含量。碳的分凝系數以及不同的熱場分布導致MC-Si中C含量高于CZ-Si,多晶硅C含量偏高是導致多晶硅電池偏低的原因之一。


3)分凝系數。對于CZ-Si來說,整個晶體中O濃度呈現連續變化的軸向O曲線。


4)缺陷對LID影響不大。


參考文獻


[1] 肖煥成. 未來五年太陽能電池市場屬于單晶硅[EB/OL].http://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/141119-621f6fbf.html, 2014-11-19.


[2] Schmidt J, Bothe K. Structure and transformation of themetastable boron- and oxygen-related defect center in crystallinesilicon[J]. Physical Review B, 2004, 69(2): 024107.


[3] Macdonald D H, Geerligs L J, Azzizi A. Iron detection incrystalline silicon by carrier lifetime measurements for arbitraryinjection and doping[J]. Journal of Applied Physics, 2004, 95(3):1021 - 1028.


[4] 陳圣賢, 汪釘崇. 多晶硅鑄錠石英陶瓷坩堝及涂層[A]. 第十屆中國太陽能光伏會議論文集[C], 常州, 2008.


[5] Ben D, Mohamed H, Ajeet R. Light induced degradationin Cochralski silicon during illuminated high temperatureprocessing[A]. Conference Record of the 29th IEEE[C], NewOrleans, Louisiana, 2002, 348 - 351.


[6] Damiani B M. Investigation of light induced degradation inpromising photovoltaic grade silicon and development of poroussilicon anti-reflection coatings for silicon solar cells[D]. Georgia:Georgia Institute of Technology, 2004.


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