EL和PL测试分析在太阳电池生产中的应用

摘要：采用电阻率为1.5-2.0Ω•cm的P型156*156cm的多晶硅片经制绒、扩散、湿法刻蚀、PECVD沉积和丝网印刷等工序制备了转换效率为17.25%的多晶太阳电池。利用光致发光（PL）和少子寿命测试仪对原硅片的缺陷和寿命进行了测量和表征；同时，对高效率多晶硅片和普通太阳电池的电学参数和电致发光（el）等特性进行了分析对比。结果表明，pl检测为制备高效电池提供了保障，而EL检测为丝网印刷质量、烧结等提供了后续的检测手段。因此，有效利用一定的检测手段对分析太阳电池转换效率以及生产工艺的优化和改进会起到重要的作用。

关键词: EL；PL；太阳电池；少子寿命

中图分类号：TM914文献标识码： A

一、引言

目前，随着环境的不断恶化和能源日益紧缺，加强环境保护和开发清洁能源已成为世界各国高度关注的问题。作为一种重要的光电能量转换器件，太阳电池的研究受到了人们的热切关注。近年随着太阳电池新技术、新工艺和新结构的开发和利用使太阳电池行业得到了迅猛发展。多晶硅太阳电池因工序流程简单、工艺成熟和制造成本低，使其在太阳能电池市场占据着较大的比例。为了更快的推动绿色能源发展，降低太阳电池成本和提高电池转换效率已成为行业发展和竞争的两个主要目标。EL和PL测试对原硅片和太阳电池性能测试分析中起到了重要的作用。

二、实验方法

取高效率和普通多晶硅片各5片，测试硅片的PL图对原硅片的质量进行表征和分析以及沉积氮化硅后硅片的少子寿命。随后各取200片硅片，经相同的制绒、扩散、PECVD以及丝网印刷和测试工序完成太阳电池的制备。最后，两批太阳电池片在标准测试条件下进行了电学性能和EL测试。

三、结果与讨论

1.硅片的PL测试

PL通常利用激光作为激发光源，提供一定能量的光子，Si片中处于基态的电子在吸收这些光子后而进入激发态，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，并发红外光为波峰的荧光。发光的强度与本位置的非平衡少数载流子的密度成正比，而缺陷处会成为少数载流子的强复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而在电池片内复合较少的区域则表现为比较亮的区域。因此，通过观察光致发光成像能够判断Si片或电池片是否存在缺陷 [1] 。取高效和普通多晶硅片进行PL测试，结果如图1所示,发现高效率硅片PL图像灰度均匀，而普通多晶硅片中存在着较暗的区域，说明该处有影响电子和空穴的辐射复合的因素存在，一般是由缺陷和金属杂质因素导致。而原材料缺陷势必导致Si衬底非平衡少数载流子浓度降低，造成扩散结面不平整，pn结反向电流变大，从而影响太阳电池效率 [2] 。因此，选择缺陷较少的原硅片是制备高效太阳电池的物质基础，而PL成像方法为太阳电池缺陷检测提供了一种非常好的解决方案。

（1）高效多晶硅片 （2）普通多晶硅片

图1硅片的PL测试图

2. 少子寿命

少子寿命的高低是决定着太阳电池转换效率高低的重要因素，少子寿命值在一定程度上可以体现太阳电池转换效率的高低。理论上，少子寿命越长，太阳电池的短路电流和开路电压越高，太阳电池的转换效率也相应地[3] 。在太阳电池制作过程中，硅片经过制绒、扩散磷吸杂、PECVD沉积氮化硅膜钝化、铝背场以及烧结等工艺，少子寿命也会随之发生变化。通过对高效和普通多晶硅片沉积氮化硅膜后的少子寿命测试。其中，高效率和普通多晶硅片的烧结后少子寿命分布直方图如图2所示。结果示出，高效硅片少子寿命分布均匀性较好，大部分都为寿命较高的区域，而普通多晶硅片寿命区域分布较为分散且存在大面积的低寿命区域。

（a）高效多晶硅片

（b）普通多晶硅片

图2高效和普通多晶硅片PECVD烧结后少子寿命分布直方图

3. 太阳电池片的电学性能及EL测试

经过对高效率和普通多晶硅片的太阳电池的制备和测试，结果如表1所示。结果表明，高效多晶硅在开路电压（Uoc）较普通多晶硅提高了0.6%，而短路电流（Isc）则提高了1.72%，最终太阳电池的转换效率提高了0.41%。

表1 太阳电池的电学参数

太阳电池的电致发光亮度正比于少子扩散长度，正比于电流密度，缺陷处因具有较低的少子扩散长度而发出较弱的光，从而形成较暗的影像。通过EL图像的分析可以有效地发现硅片、扩散、钝化、网印及烧结各个环节可能存在的问题，对改进工艺、提高效率和稳定生产都有重要的作用。在此，对两种硅片制成的太阳电池片进行了EL测试，结果如图3所示。结果显示，两种电池片印刷效果较好。但是，普通多晶硅片上较暗的影像较多、面积较大，主要是因为原硅片晶界、清洗制绒后的“黑线”较多导致的漏电较大[4]。

（1）高效多晶硅片 （2）普通多晶硅片

图3高效和普通多晶硅片EL测试图

四、结论

通过对高效率和普通太阳电池原硅片PL的检测、少子寿命的测试和EL以及电学参数上的分析对比，结果表明，具有较低的缺陷密度、较少的晶界和较高少子寿命的原硅片具有更高的太阳电池转换效率。因此，在铸锭工序如何控制位错、微缺陷、晶界等提高硅片的少子寿命为提高太阳电池转换效率将会起到至关重要的作用。同时，PL成像方法为太阳电池缺陷检测提供了一种非常好的解决方案，而EL对太阳电池的后续丝网印刷和烧结工序提供检测手段，为制备出高效率太阳电池提供了保障。

参考文献

[1] FUYUKI T, KONDO H, YAMAZAKI T, et al. Photographic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence [ J] . APL, 2005,86( 26):2621081.1-262108.3.

[2] 严婷婷,张光春,李果华等.光致发光技术在Si基太阳电池缺陷检测中的应用[J].半导体技术,2010,35(5):454-457.

[3] 柳翠，龚铁裕，袁晓，汪乐. 少子寿命值对太阳电池生产的监控作用[J].太阳能，2008,3:27-29.

[4] 肖娇,徐林,.缺陷太阳电池 EL 图像及伏安特性分析[J]. 现代科学仪器,2010,5:105-108.