硅墨选择性发射极电池的研究

摘要：伴随着太阳能电池工厂对电池转换效率的要求不断提升，各种新的提高电池转换效率的技术也应运而生。本文主要通过对硅墨法制作太阳能电池的制作过程和结果进行分析和研究，得出该方法可提高0.2个百分点电池转换效率的结论。

关键词：硅墨 选择性发射极 转换效率

中图分类号： TK511 文献标识码： A 文章编号：

引言

太阳能电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电电力。近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

硅墨选择性发射极电池工艺原理

选择性发射极的制作原理就是通过在浅结低浓度的硅片表面按照丝网设计图形印刷上一层特殊的物质，即硅墨，硅墨在后续的扩散工艺中会在印刷有该物质的地方形成重掺杂区，即高浓度深 P-N区，形成的高浓度深 P-N区会在后面的烧结过程中与电子浆料形成良好的欧姆接触，但浅结低浓度区则不会与电子浆料形成良好的欧姆接触，原因是现有的电子浆料只适合高浓度的磷掺杂区，对于低浓度的区域，会形成差的欧姆接触，即造成电池的串联电阻Rs的上升及填充因子FF的降低，最终导致电池光电转化效率的下降。如下图：

实验过程

准备同一硅块的连续切割的硅片400片(180微米厚度，2.0Ω.cm电阻率），按奇偶数平均分成两批。

经过第一道工序制绒工序后，我们得到了腐蚀深度在4-6微米的绒面，此绒面可以将硅片表面的对光的反射率从25%降低到20%左右。之后按照上面提到的硅墨印刷工序的步骤将硅墨通过丝网印刷的方式印刷到硅片上，这个过程完成了硅墨在硅片上的印刷和附着，印刷副栅线宽度约300微米。下面的工序是扩散工序，将印有硅墨的硅片在900℃的高温下和含有三氯氧磷的气氛中约半个小时，形成0.5微米左右深度的N型层，这就形成了我们常说的P-N结。在周边刻蚀中我们是将硅片四周的N型层通过硝酸和氢氟酸的混合物的腐蚀刻蚀掉，其主要作用是将P-N结的上下部分绝缘。然后进行的是PECVD工序，在该工序中是在硅片的表面形成已成90纳米厚度的蓝色的氮化硅膜，其主要作用是进一步将硅片表面的反射率进一步降低到15%左右。最后一道工序是印刷烧结，在这个过程中我们是将硅片以背银印刷、铝浆印刷和正银印刷的顺序进行，同时在正银印刷的过程中还要进行银浆栅线和前面硅墨印刷栅线的重合对准工作，一般情况下正银印刷宽度为100微米左右。在这个印刷过程完成后硅片在传送带的作用下进入烧结炉进行烧结过程，在900℃高温下银浆穿过表面的氮化硅层进入硅片并与之相结合形成电极，这样，我们的硅墨选择性发射极电池就制作完成了。正常生产工艺的普通工艺电池除没有硅墨印刷工序外，其他工艺步骤和硅墨选择性发射极电池电池制作工艺相同。完成电池的制作之后，最后的工作就是进行电性能测试了。

试验结果和分析

1.试验结果

经过严格的试验对比后，得到如下表数据

从以上数据可以看出，硅墨选择性发射极电池由于降低了电池受光部分的磷表面浓度，减少了死层对光生载流子的复合，其开路电压Voc和短路电流Isc都有所提升；同时，由于在与银浆接触的电极处是表面浓度很高的磷扩散层，故能与银浆在烧结过程中形成良好的欧姆接触，故其填充因子FF并未下降，而且有一定的提升。因此，体现到最终电池转化效率上，选择性发射极线电池比普通工艺电池有0.2个百分点以上的效率提升。

2.实验结果分析

在表面活性区形成低掺杂浅扩散区，就复合机理而言，表面复合主要是通过复合中心的复合，而表面复合速度也与电池表面的掺杂浓度有关系。表面掺杂浓度越高，复合速度越严重，因此，要获得较低的表面复合速度，应采用较低的表面杂志浓度。 因此，在此区低掺杂可以降低少数载流子的体复合几率，且可以进行较好的表面钝化，降低少数载流子的表面复合几率，从而减小电池的反向饱和电流，提高电池的开路电压Voc和短路电流Isc。另外，因越靠近太阳电池的表面，光生载流子的产生率越高，而越靠近扩散结光生载流子的收集率越高，故浅扩散结可以在高载流子产生率的区域获得高的收集率，提高电池的短路电流Isc。

新型结构电池的提高电池效率的主要途径是提高电池基体的寿命，降低表面电子-空穴对的复合从而提供短路电流。在常规电池的中的表面层内一般杂质浓度比较高，各种复合相当严重，该层内所产生的光生载流子很快就会被复合掉，而使得这一区域失去了效用，这就是通常所说的“死层”。该表面层往往是无杂质掺杂梯度的区域，所以通常称为“扩散死层”。很显然，扩散层得到的扩散浓度越高，得到的扩散死层就越厚。此外，掺杂浓度过高还会严重损坏晶格结构，引入高浓度的复合中心，而产生严重的通过复合中心的复合，而且会产生严重的禁带收缩，增加少子的跃迁几率，从而降低该区域的少子寿命。总之，“死层”内的少子寿命是非常低的。“死层”对太阳能电池的影响是非常严重的，因为太阳电池的对阳光的短波吸收主要是在很薄的表面区域内完成的。硅墨选择性发射极电池就是通过降低电池表面的P浓度，减少由于P浓度过高而产生的死层。并且通过丝网设计上的优化及氮化硅膜的设计优化相结合以更好的电池表面的钝化效果。

从上图的两种电池的光谱响应看，硅墨选择性发射极电池相对常规工艺电池有效的提高了电池的短波响应，其根本原因是降低了电池受光区的表面P浓度，从而在短波光产生电子-空穴对的区域降低了光生载流子的复合速率，从而增加了电子-空穴对到达P-N结的数量，因此增强了电池的短波响应。

四、结论

试验证明使用喷墨的方法在硅片表面形成高低浓度扩散成而制作的选择性发射极电池（多晶）提高了电池的开路电压，短路电流，降低了串联电阻，提高了填充因子，从而提高电池效率0.2个百分点以上。

因为喷墨的方法技术的可操作性强，且容易实现工业化，所以，硅墨选择性发射极技术是实现太阳能电池效率提高的最有效方法之一。

本实验采用的做标记和硅墨栅线印宽的方法有效得解决了二次印刷时对准的问题，从而有效的提高了大硅墨生产时的成品率。

与其他的实现选择性发射极电池的方法相比，硅墨选择性发射极的制作方法只增加了一个工艺步骤，同时在生产中大量使用的硅墨也实现了量产的可能性，所以该方法更适于在生产中应用，并实现大规模量产。

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