N型铝背发射极太阳电池前面场掺杂分布的优化研究

贾积凯

【摘 要】N型硅鋁背发射极太阳电池具有高转换效率、无光致衰减、与现有常规电池生产线兼容的有点，从而降低的N型电池的制造成本。而前面场是这一结构太阳电池的重要组成部分。前面场的作用类似于P型常规太阳电池铝背场的作用。前面场可以增强载流子的收集能力，提高电池的开路电压，以及电池的转换效率。在本文中，前面场的掺杂分布进行了细致的研究。优化后的表面浓度在4E+20 cm-3，同时前面场的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之间。太低的掺杂浓度无法提供一个高强度的前面场，而太高的掺杂浓度则引入过多的载流子复合中心。对于前面场的深度，过薄会增加载流子的横向电阻，过厚则会影响电池对于短波段光的吸收与转化。

【关键词】太阳电池；N型；铝背发射极；前面场

引言

目前，大规模商业化生产的太阳电池绝大部分还是基于P型硅材料的。基本上所有的太阳电池产品都是具有一个同质的发射极、一层PECVD沉积的减反层、以及丝网印刷制备的前后电极。现今，N型硅电池的开发兴趣越来越浓厚。N型电池具有更高的载流子寿命、更小的载流子俘获截面、更高的金属杂质耐受性等[1； 2； 3.]同时，N型太阳电池也克服了P型电池由于硼氧复合体导致的光致衰减的弱点[4.]近几年，许多用于N型硅太阳电池的技术被开发出来[6； 7； 8；9；10； 11； 12； 13.]许多N型硅太阳电池产品开始进入市场. 但是这些结构的电池工艺与现有的生产工艺具有很大的差异，无法与现有P型硅太阳电池生产兼容，并且本身的工艺成本也非常高。快速、低成本、与现有P型太阳电池生产兼容的N型太阳电池的开发就显得非常重要，而N型铝背发射极太阳电池就可以完美做到这一点。Christian Schmiga等人就报道了他们在实验室达到了19.2%的效率[20.]。Top cell Solar International 也已经可以生产转换效率19.2%的大面积（239 cm2），N型太阳电池了[21.]。

一、实验

本论文的实验是基于6英寸（148.58 cm2）的单晶Cz N型硅片的。硅片的电阻率大约是5 ?·cm。整个制备工艺以碱制绒开始，经过清洗后进行磷扩散。扩散后硅片方块电阻为50 ?/□。之后进行湿法刻蚀，去除边缘和背面的多余扩散部分。同时利用HNO3/HF的化学气相腐蚀，控制前面场的表面浓度和深度。紧接着硅片正面使用PECVD进行氮化硅减反膜的沉积，以及背面丝网印刷全铝背场。最后进行前面表面电极的制备。前表面电极的制备包括了电极下方的重扩散，使用表面喷涂磷源加激光扩散的方法，使得重扩散区域的方阻降低到15 ?/□。

二、结果与讨论

对于前面场的优化主要包括两个方面，一个是前面场的深度，另一个是表面浓度。在实验过程中首先进行重扩散，之后使用HNO3/HF的化学气相腐蚀，配合低温下KOH的浸泡，控制表面浓度和深度。

随着前面场厚度的增大，电池的串联电阻逐步减小，FF逐步增大，这主要是减少了前表面的横向电阻。但是随着前面场厚度的增加，电池的短路电流却一直在减小，当前面场厚度超过0.25 μm左右时短路电流减小的影响超过了FF增加的效果，所以电池转换效率开始下降。短路电流的下降主要来自于短波长的响应减小。

在固定前面场深度的情况下，改变表面浓度。根据前面的分析，前表面场的深度在0.25 μm到0.3 μm间效果最好。故这里基本控制在0.27 μm，表面浓度在1E+20 cm-3-8E+20 cm-3之间变化。

由于固定了前表面场的深度，电池短路电流基本稳定。随着表面浓度的提高，电池的串联电阻减小，FF提升，这同样也与前表面的横向电阻降低有关。随着表面浓度的提升，开路电压先升高后降低。表面浓度的提高，使得前表面场的准费米能级更加靠近导带底，使得它与基底的准费米能级的能级差变大，这样可以有效提高前面场的势垒，提升开路电压。但是由于前表面场浓度的提高必然因扩散而引入大量的扩散杂质和复合中心，使得少子寿命降低。因此少子寿命的降低与前表面场势垒的提高有一个平衡和制约关系。大概表面浓度在4E+20 cm-3左右时，电池性能最好。

三、总结

N型硅铝背发射极太阳电池具有高转换效率、无光致衰减、与现有常规电池生产线兼容的有点，从而降低的N型电池的制造成本。而前面场是这一结构太阳电池的重要组成部分。前面场的作用类似于P型常规太阳电池铝背场的作用。前面场可以增强载流子的收集能力，提高电池的开路电压，以及电池的转换效率。在本文中，前面场的掺杂分布进行了细致的研究。前面场的深度将主要影响电池的短路电流和FF；表面浓度主要影响电池的开路电压和FF。优化后的表面浓度在4E+20 cm-3，同时前面场的深度控制在0.25 μm到0.3 μm之间。太低的掺杂浓度无法提供一个高强度的前面场，而太高的掺杂浓度则引入过多的载流子复合中心。对于前面场的深度，过薄会增加载流子的横向电阻，过厚则会影响电池对于短波段光的吸收与转化。

参考文献：

[1]Cotter， J.E.， Guo， J.H.， Cousins， P.J.， Abbott， M.D.， Chen， F.W.， Fisher， K.C.， 2006. P-type versus n-type silicon wafers： prospects for high efficiency commercial silicon solar cells. IEEE Trans. Electron Dev. 53，1893–1901.

[2]Macdonald， D.， Geerligs， L.J.， 2004. Recombination active of interstitial iron and other transition metal point defects in P- and n-type crystalline silicon. Appl. Phys. Lett. 85， 4061–4063.

[3]Schmidt， J.， Aberle， A.G.， Hezel， R.， 1997. Investigation of carrier lifetime instabilities in CZ grown silicon. In： 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， pp. 13–18.

[4]Bothe， K.， Sinton， R.， Schmidt， J.， 2005. Fundamental born-oxygen-related carrier lifetime limit in mono and multicrystalline silicon. Prog. Photovoltaics： Res. Appl. 13， 287–296.endprint