硅片中氧含量对太阳电池效率影响研究

       　　作者：钱 俊 何凤琴 卢 刚 张 治 郭灵山
　　单位：黄河水电光伏产业技术有限公司，青海 西宁 810000
　　摘 要：为研究太阳电池硅片中氧对电池效率的影响，实验中采用碳含量相近、氧含量相差较大的P型直拉硅（Cz-Si）片，进行了不同退火温度下的碳氧含 量测试、少子寿命测试；同时选取不同氧含量的硅片使用相同工艺做成电池片进行电性能及光衰情况对比。
　　关键词：氧含量 退火 太阳电池
　　引言：
　　直拉硅单晶中均存在少量的杂质，其中的一部分是人为掺入进去的，还 有一部分是生产过程中无法避免的无效或有害的杂质。在直拉单晶的生产过程 中，需要掺入一些用来增大电活性的杂质：制造P型硅时需要掺入三价元素杂 质，制造N型硅时需要掺入五价元素杂质。在直拉单晶硅的生长和加工过程中 掺入的这些杂质会影响单晶硅片中碳和氧含量[1-2]，而碳和氧可能会形成微沉 淀使硅片内的缺陷增多，从而影响所制造电池的性能。
　　1.氧施主的产生及消除 直拉单晶硅的生产过程中，硅在1417℃以上的高温下熔化形成硅熔体。硅 熔体和石英坩埚发生的化学反应为： Si（熔体）+Si02（固体）=2SiO ↑ 反应结束后部分SiO固化在石英坩埚表面，还有部分SiO在高温的环境下 熔进熔体硅中，从而使熔体硅中的氧含量不断增加。同时，熔体中热对流等因 素也导致坩埚中氧掺入熔体中，再通过晶体生长进入晶体中。在晶体降温过程 中，原来以间隙形式存在的氧（不显电活性）在450℃左右会聚集产生显电活 性的SiO4 2-，提供电子成为施主，称为氧施主现象。
　　P型硅中，氧施主与掺杂剂硼结合产生硼氧复合体： SiO4 2-+B+ =BSiO4 该现象会降低受主杂质B+含量，使晶体P型电阻率升高。当SiO4 2- 数目超 过一定数值时，甚至会导致晶体反型成为N型，严重影响硅片的质量。 晶体在550℃时氧施主SiO4 2-开始分解，因此将晶体（或硅片）升温至 550℃以上并恒温一段时间后迅速冷却，快速跳过450℃可消除SiO4 2-施主作 用，即退火。 退火后氧重新以间歇氧形式存在，不再提供电子，电阻率不再受其影响， 而由主要载流子硼的浓度以及分布决定，恢复正常值。
　　2.硅片中氧含量对少子寿命的影响 样品选择：实验中采用碳含最相近、氧含量相差较大的P型直拉硅（CzSi）片，厚度为200μm，电阻率0.5-3Ω*cm详细碳氧含量参数。 实验步骤：将选取的硅片样品使用RCA工艺清洗，然后置于扩散炉中进行 热退火处理。将硅片样品进行700℃的预处理；然后将每片硅片使用激光切割 成三等分，分别在900℃、1000℃、1100℃进行热退火处理：在恒温环境下退 火1.5小时。在每次热退火处理后测试硅片的少子寿命和氧碳含量的变化。 结合氧含量与少子寿命的数据可以发现：
　　氧含量越高，少子寿命越低。在硅片内大量的氧元素形成微缺陷，降低了 硅片的少子寿命。氧含量越大，越容易形成微缺陷，硅片的少子寿命越低。 经过700℃热处理后，少子寿命无明显增幅；随着温度的增大时，少子寿 命也随之增大；使用1100℃处理时少子寿命有所下降。1100℃热处理后样品中 氧的含量仍然比较高，说明只形成了较少的氧沉淀。该温度下热处理效果有所 下降。这是因为1100℃的高温下，硅片内不易于形成碳-硅-氧复合体来消除缺 陷。在该温度下，碳原子不能充分发挥消除间隙氧原子的作用；另一方面，在 氧沉淀的长大的过程中，极易产生位错环或产生自间隙硅原子，增大硅片内部 的缺陷，从而降低硅片的少子寿命。 从热处理后碳含量的变化分析可以看出，碳含量在高温情况下均降低，样 品中的碳元素参与了氧沉淀的过程。
　　3.硅片中氧含量对太阳能电池效率的影响 选取编号1、2、4的硅片相似的姊妹片各500片，在电池生产线使用相同的工艺条件进行实验，做成成品电池片并测试电性能。 开压及效率对比情况：
　　对比3组电池片的开路电压分布情况可知：编号4的一组电池片的开路电压 整体比编号1、编号2的电池片的开路电压低，且其开路电压低于0.638V的比例 明显比其他两组大。 对比3组电池片的转换效率分布情况可知：编号1和编号2的电池片的转换 效率分布较集中；编号4的电池片的转换效率整体低于编号1、编号2的电池片 的转换效率；编号4的电池片的转换效率比其他两组的分布范围更大、波动幅 度更大。 在电池片的制造过程中，部分氧含量过高的硅片经过高温退火处理后其中 仍存在大量的微缺陷，硅片内部的复合仍严重，硅片的少子寿命较低，导致电 池片的开路电压偏低，电池的转换效率偏低。
　　4.不同氧含量电池片的衰减对比 ：编号1与编号2的实验片光衰情况无明显差异；编号4的 实验片的衰减比例明显大于编号1、2。氧含量小于10E17atoms/cm3时，不同氧 含量的电池片的衰减差异不明显；氧含量增大到18 E17atoms/cm3左右时，衰 减明显增大。因此，在氧含量较小时，衰减差异较小，氧含量增大到一定范围 时，衰减明显增大。
　　5.总结
　　通过对碳含量相近、氧含量相差较大的P型直拉硅片（Cz-Si）进行不同退 火温度下的碳氧含量测试、少子寿命测试可知：氧含量越高，少子寿命越低； 经过700℃热处理后，少子寿命无明显增幅；随着温度的增大时，少子寿命也 随之增大；使用1100℃处理时少子寿命有所下降；碳含量在高温情况下均降 低，样品中的碳元素参与了氧沉淀的过程。 选取不同氧含量的硅片使用相同工艺做成电池片，对其电性能进行对比可 知，氧含量过高的硅片做成电池片后的整体开路电压较低，效率波动幅度大。 而且对氧含量过高的电池片进行光衰后，其衰减比例更大。
　　参考文献：
　　[1]瑞新，卢焕明．切割单晶硅表面损伤的研究[J]．材料科学与工程，1999，17 （2）：85-88．
　　[2]杨德仁．半导体硅材料[M]．北京：机械工业出版社，2005：32-35．

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2019-08-26