低温低压氧化工艺对PERC单晶硅太阳电池性能影响的研究

左克祥，王 安，张晋阳，钱金忠，李永田，杜东亚，凡金星*

(1.国家能源集团常州发电有限公司，常州 213031；2.常州天合智慧能源工程有限公司，常州 213031；3.天合光能股份有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，常州 213031)

0 引言

PERC单晶硅太阳电池是一种应用较为广泛的太阳电池类型，通过改变PERC单晶硅太阳电池的制备工艺，可进一步提高其光电转换效率，比如：吸杂[1]、在太阳电池发射极表面增加钝化层等。其中，在太阳电池发射极表面增加钝化层是降低太阳电池发射极表面载流子复合速率的重要方法[2]。氮化硅、氧化铝、二氧化硅等是钝化层广泛采用的材料[3]，而二氧化硅是最受欢迎的材料之一。通常是采用热氧化的方式在太阳电池发射极表面生长一层二氧化硅，并将其作为钝化层，可有效降低界面态密度，减少非平衡少数载流子在太阳电池发射极表面的复合损失[4-5]。增加二氧化硅层的PERC单晶硅太阳电池的横截面结构图如图1所示。

图1 增加二氧化硅层的PERC单晶硅太阳电池的横截面结构图Fig. 1 Cross sectional structure of PERC mono-Si solar cells with SiO2 layer

Srivastava等[6]通过在850 ℃的温度下制备二氧化硅层，发现使用高温(大于800 ℃)热氧化工艺可以获取具有较低界面态密度的二氧化硅层，但是高温会对硅片的体寿命造成影响，导致硅片的少子寿命降低。因此，若要获取低界面态密度的二氧化硅层，低温(500～700 ℃)热氧化工艺是最好的选择。Schmitt等[7]通过在500 ℃的低温下退火30 min 2次来制备二氧化硅层，但该工艺时间较长，不利于产业化生产。在大多数纳米级硅器件制备过程中，二氧化硅层必须在低于700 ℃的温度下制备，以防止温度过高对硅片质量造成影响。因此，有必要研究低温时制备的二氧化硅层的情况。基于此，本文选取600～700 ℃的低温段，在该温度及200 mbar低压的氧化工艺下制备二氧化硅层，并对采用此种钝化层的PERC单晶硅太阳电池的性能和内量子效率进行了测试。

1 实验

1.1 实验设计

实验原料采用p型直拉单晶硅硅片，尺寸为158.75 mm×158.75 mm，电阻率为0.5～1.5 Ω·cm，厚度为170～180 μm。首先，对原料硅片进行制绒处理；其次，通过热扩散工艺制备发射极，方块电阻为140 Ω/□；然后，通过激光掺杂工艺形成n++重掺杂；最后，通过刻蚀的方式去除磷硅玻璃。在完成刻蚀后，将硅片样品均分为2组，其中1组不采用氧化工艺，另1组按照图2所示的低温低压氧化工艺完成氧化；随后在2组样品的背表面沉积8 nm厚的三氧化二铝，并由深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司生产的管式等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备在样品前表面和背表面分别沉积氮化硅(SiNx)层。其中，前表面沉积厚度为80 nm、折射率为2.1的SiNx:H层；铝背场的接触通过激光开槽实现，并在硅基体中形成铝掺杂的p+层；电极由丝网印刷烧结实现。由此，包含氧化工艺和不包含氧化工艺的2种PERC单晶硅太阳电池 (下文简称为“太阳电池”)制备完成，具体流程如图3所示。

图2 低温低压氧化工艺方案Fig. 2 Low temperature and low pressure oxidation process scheme

图3 2种太阳电池的制备工艺流程Fig. 3 Preparation process of two kinds of solar cells

1.2 实验仪器

本文采用型号为WCT-120的少子寿命测试仪测试硅片的少子寿命；采用型号为QEX10的量子效率测试仪测量太阳电池的内量子效率(IQE)；采用脉冲太阳模拟器在环境温度25 ℃、AM1.5和太阳辐照度1000 W/m2的条件下测量太阳电池I-V特性；采用美国Four Dimensions公司生产的四探针测试仪测量太阳电池的方块方阻；采用D8型反射仪测试太阳电池在300～1100 nm波长范围内的反射率。

2 实验结果与分析

2.1 方块电阻测试结果与分析

分别对采用低温低压氧化工艺的太阳电池和未采用氧化工艺的太阳电池的方块电阻进行测试，测试结果如图4所示。

图4 2种太阳电池的方块电阻Fig. 4 Sheet resistance of two kinds of solar cells

从图4可以看出：采用低温低压氧化工艺的太阳电池的方块电阻为148.6 Ω/□，而未采用氧化工艺的太阳电池的方块电阻为140.3 Ω/□，前者比后者约高8.3 Ω/□，该结果与Yelundur等[8]的研究结果吻合。Yelundur等[8]的研究结果显示：相较于采用方块电阻为45 Ω/□的薄硅片时，采用方块电阻为95 Ω/□的薄硅片时太阳电池的光电转换效率提升了0.4%。因此，在制备二氧化硅层时获得较高的方块电阻非常重要。

此外，高的方块电阻能够有效减少载流子复合，Yelundur等[8]的实验结果显示：当薄硅片的方块电阻从88 Ω/□增加到93 Ω/□时，载流子复合值从150～175 fA/cm2降至100 fA/cm2以下；当引入二氧化硅层后，在氧化工艺期间硅片表面的磷会再次进行分布，从而进一步降低硅片表面的磷浓度，增加方块电阻，减少载流子复合。当引入二氧化硅层使方块电阻增加时，可以显著降低太阳电池发射极表面的载流子复合。

2.2 少子寿命测试结果与分析

分别对采用低温低压氧化工艺的太阳电池和未采用氧化工艺的太阳电池的少子寿命进行测试，测试结果显示：采用低温低压氧化工艺的太阳电池的少子寿命为140.32 μs，而未采用氧化工艺的太阳电池的少子寿命为80.56 μs。由此可知，二氧化硅层能显著提高太阳电池的少子寿命，这主要得益于钝化效果的提升。

采用低温低压氧化工艺的二氧化硅层的生长机理示意图如图5所示。

图5 采用低温低压氧化工艺的二氧化硅层的生长机理示意图Fig. 5 Schematic diagram of growth mechanism of SiO2 layer using low temperature and low pressure oxidation process

由图5可知：在通入氧气后，氧气分子附着在硅片表面，在达到气态平衡后，氧气分子在硅片表面均匀分布，最后形成致密的氧化物薄层。由于氧化物能够固定硅片表面的悬挂键，因此通过低压低温氧化工艺获得了用于表面钝化的具有低界面态密度的二氧化硅层。在该工艺中，低温工艺更适合于生长用于发射极表面钝化的低界面态密度的二氧化硅层，低压低温环境能够改善氧化层的均匀性并增加表面钝化层中的少子寿命。因此，采用低温低压氧化工艺的太阳电池比未采用氧化工艺的太阳电池具有更高的少子寿命和更好的氧化层均匀性。当少子寿命增加时，太阳电池的光电转换效率也会得到提高。

2.3 反射率测试结果及分析

对采用低温低压氧化工艺的太阳电池和未采用氧化工艺的太阳电池进行反射率测试，测试结果如图6所示。

图6 2种太阳电池的反射率Fig. 6 Reflectivity of two kinds of solar cells

从图6可以看出：在300～1100 nm波长范围内，采用低温低压氧化工艺和未采用氧化工艺的太阳电池的平均反射率分别为4.93%和6.44%，且前者比后者低1.51%。

采用低温低压氧化工艺和未采用氧化工艺的太阳电池的反射机制如图7所示。图中：n为空气的折射率。未采用氧化工艺的太阳电池具有与氮化硅单体相同的折射率(2.1)，且属于反射率较高的太阳电池；而对于采用低温低压氧化工艺的太阳电池，因为氮化硅与二氧化硅具有不同的折射率，所以当氮化硅的折射率n1与二氧化硅的折射率n2分别为2.1和1.5时，插入二氧化硅层可以有效减少光的反射，使从二氧化硅中反射的光再次进入氮化硅中时增加了反射次数。其中，在632.8 nm的波长下测得的硅基体n3的折射率为3.88。相较于未采用氧化工艺的太阳电池(即仅单层氮化硅)，采用低温低压氧化工艺 (即采用SiNx/SiO2叠层)的太阳电池在300～1100 nm波长范围内的平均反射率从6.44%降低到4.93%。因此，在太阳电池发射极表面制备二氧化硅层是减少光反射的有效方法。

图7 2种太阳电池的反射机制Fig. 7 Reflection mechanisms of two kinds of solar cells

2.4 IQE测试结果及分析

对采用低温低压氧化工艺的太阳电池和未采用氧化工艺的太阳电池进行IQE测试，测试结果如图8所示。

图8 2种太阳电池的IQEFig. 8 IQE of two kinds of solar cells

从图8中可以看出：在300～1100 nm波长范围内，采用低温低压氧化工艺的太阳电池的IQE高于未采用氧化工艺的太阳电池的IQE。对于在750～1100 nm波长范围内采用低温低压氧化工艺的太阳电池的IQE明显高于未采用氧化工艺的太阳电池的IQE的现象，说明SiNx/SiO2叠层的结构增强了光吸收。因此，对于波长大于750 nm的波段，采用低温低压氧化工艺的太阳电池的IQE比未采用氧化工艺的太阳电池的IQE提高了6.03%。这说明低压低温处理的氧化层有效增加了光吸收，并提高了太阳电池的IQE。

2.5 太阳电池电性能测试结果及分析

对采用低温低压氧化工艺的太阳电池和未采用氧化工艺的太阳电池的电性能进行测试，测试结果如表1所示。

从表1中可以看出：采用低温低压氧化工艺的太阳电池的光电转换效率和未采用氧化工艺的太阳电池的光电转换效率分别为22.45%和21.81%，前者比后者提高了0.64%；此外，采用

表1 2种太阳电池的电性能测试结果Table 1 Electrical performance test results of two kinds of solar cells

低温低压氧化工艺的太阳电池的开路电压、短路电流和填充因子分别比未采用氧化工艺的太阳电池的提高了0.0108 V、0.13 A和0.14%。

2.6 小结

综上可知，相较于未采用氧化工艺的太阳电池，采用低温低压氧化工艺的太阳电池的方块电阻、少子寿命、光电转换效率、开路电压、短路电流和填充因子均得到了提升，这主要得益于引入二氧化硅层后，提升了太阳电池发射极表面的钝化效果，增加了太阳电池的光吸收。

3 结论

本文对采用低温低压氧化工艺的PERC单晶硅太阳电池的方块电阻、少子寿命及电性能等进行了研究，并与未采用氧化工艺的PERC单晶硅太阳电池进行了对比，得到以下结论：

1)采用低温低压氧化工艺的太阳电池的方块电阻为148.6 Ω/□，而未采用氧化工艺的太阳电池的方块电阻为140.3 Ω/□，前者比后者约高8.3 Ω/□；

2)采用低温低压氧化工艺的太阳电池的光电转换效率和未采用氧化工艺的太阳电池的光电转换效率分别为22.45%和21.81%，前者比后者提高了0.64%；

3) 采用低温低压氧化工艺的太阳电池的开路电压、短路电流和填充因子分别比未采用氧化工艺的太阳电池的提高了0.0108 V、0.13 A和0.14%。

综上可知，在低压低温条件下制备的二氧化硅层可以有效地改善PERC单晶硅太阳电池的性能。