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著重研究直拉單晶硅電池及鑄錠多晶硅電池衰減的差異，以及導(dǎo)致差異形成的原因。結(jié)果表明，該差異的形成主要受B-O 復(fù)合體、碳含量、分凝系數(shù)及金屬離子的影響。

引言

太陽(yáng)電池和發(fā)電技術(shù)的大面積推廣，對(duì)傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電技術(shù)形成了強(qiáng)大沖擊，在能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨加劇的今天，其研究備受關(guān)注。太陽(yáng)電池按照所用材料的區(qū)別，主要分為硅材料電池、半導(dǎo)體化合物電池、有機(jī)化合物電池，以及近年來(lái)研究活躍的鈣鈦礦電池。其中，硅材料電池中的晶體硅電池又分為單晶硅和多晶硅電池兩大類，占據(jù)了90%左右的市場(chǎng)份額[1]。眾所周知，單晶硅電池光致衰減(LID)一直是困擾行業(yè)的一大難題，特別是近年來(lái)新開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的鈍化發(fā)射極和局部背接觸(PERC)電池，其LID值更是高達(dá)3%～5%；然而同為p型多晶硅電池的LID卻始終較低。同樣的摻硼電池，不同的晶體生長(zhǎng)方式最終導(dǎo)致不同的LID值。本文著重研究LID的影響因素，以及不同晶體生長(zhǎng)方式對(duì)LID值的影響。

1、LID的影響因素

影響LID的因素為：1)硼氧(B-O)復(fù)合體。B-O復(fù)合體是影響LID的主要因素之一，LID值與B濃度成正比，與O濃度平方成正比[2]。2)晶體內(nèi)部碳(C)含量。高濃度的C對(duì)B-O復(fù)合體存在抑制作用[3]。3)分凝系數(shù)。氧在硅中的分凝系數(shù)為1.25，因此對(duì)于直拉單晶硅來(lái)說(shuō)，頭部的O含量相對(duì)較高，尾部相對(duì)較低；而對(duì)于鑄錠多晶硅來(lái)說(shuō)，底部先凝固，則O濃度高；頂部后凝固，則O濃度低。4)硼鐵(Fe-B)對(duì)的分解-復(fù)合模型。Fe-B對(duì)分解成Fe和B，高能級(jí)的Fe復(fù)合中心使硅片受到Fe污染，從而引起電池性能下降。

2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)儀器

硅片C/O含量、少子壽命，以及硅片厚度等參數(shù)分別采用Nicolet8700傅立葉紅外(FT-IR)光譜儀、德國(guó)SemilabWT-1000少子壽命測(cè)試儀、上海星納MS203晶片多功能參數(shù)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試；電池光照處理采用上海太陽(yáng)能工程技術(shù)研究中心HS1610C熱斑耐久試驗(yàn)裝置；光照前后的電池性能參數(shù)測(cè)量采用德國(guó)H.A.L.M高精度I-V測(cè)量系統(tǒng)；采用中導(dǎo)光電設(shè)備有限公司的FL-01一體機(jī)進(jìn)行硅片的光致發(fā)光(PL)和電池的電致發(fā)光(EL)測(cè)量。

2.2試驗(yàn)樣品及處理

樣品采集相同電阻率(1～3Ω)的鑄錠多晶硅(MC-Si)及直拉單晶硅(CZ-Si)，測(cè)試其原料硅片各項(xiàng)參數(shù)并作相應(yīng)記錄；然后將樣品經(jīng)過(guò)相同電池加工工藝處理后，分別選取10片電池片，

采用熱斑耐久試驗(yàn)箱進(jìn)行光照處理，光照強(qiáng)度1000W/m2，時(shí)間5h；采用相同系統(tǒng)測(cè)量光照后的電池性能參數(shù)，計(jì)算光照過(guò)程中衰減比例。

3、結(jié)果與分析

硅片各項(xiàng)參數(shù)對(duì)應(yīng)光致衰減值見(jiàn)表1，其中，衰減1和衰減2代表同一條件下電池衰減的兩次測(cè)試。由表1可知，相同電阻率的MC-Si及CZ-Si衰減的差異主要來(lái)源于O濃度和C濃度的變化。由于MC-Si鑄錠過(guò)程中采用的是陶瓷坩堝，其主要化學(xué)成分SiO2(99%)、Al2O3(0.5%)、GaO(0.5%)和Si3N4涂層；而CZ-Si拉晶過(guò)程中采用石英玻璃坩堝，其主要化學(xué)成分是單一高純度的SiO2(100%)，并且采用高純SiO2作為涂層材料[4]。

陶瓷坩堝本身的SiO2含量較石英玻璃坩堝偏低，并且Si3N4涂層中O含量較高純SiO2涂層偏低，從而導(dǎo)致多晶硅較單晶硅O含量明顯偏低；此外，B-O復(fù)合體是影響LID的主要因素之一，LID值跟B濃度成正比，與O濃度平方成正比[2]；所以說(shuō)，多晶硅O含量偏低是導(dǎo)致多晶硅電池衰減偏低的主要原因(如圖1所示)。

其次是碳含量，碳的分凝系數(shù)以及拉晶和鑄錠過(guò)程中的熱場(chǎng)分布的不同，造成MC-Si中C含量明顯高于CZ-Si，而高濃度的C對(duì)B-O復(fù)合體存在抑制作用[3]。這也是導(dǎo)致多晶硅電池衰減低于單晶硅電池的原因之一如圖2所示。另外，影響LID的因素還有分凝系數(shù)，O在硅中的分凝系數(shù)為1.25，對(duì)于CZ-Si來(lái)說(shuō)，拉晶過(guò)程中頭部先凝固，因此頭部O含量高；隨著熔體的減少，坩堝貢獻(xiàn)的溶解O的濃度再次增加，受熔體對(duì)流的影響，晶體中O濃度后期再次升高；整個(gè)晶體中O濃度呈現(xiàn)連續(xù)變化的曲線關(guān)系，稱之為軸向O曲線[5]。而對(duì)于MC-Si來(lái)說(shuō)，底部先凝固，O濃度高；頂部后凝固，O濃度低。

MC-Si相比較CZ-Si晶界以及缺陷較多，針對(duì)缺陷是否會(huì)造成LID的差異這一問(wèn)題，我們進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，缺陷對(duì)LID影響不大。這與王朋[6]等對(duì)關(guān)于MC-Si中缺陷對(duì)LID的影響研究結(jié)果相吻合。

4、結(jié)論

通過(guò)以上分析得出，導(dǎo)致MC-Si與CZ-Si光致衰減差異的因素主要有以下幾點(diǎn)：

1)硼氧(B-O)復(fù)合體。不同的工裝器具導(dǎo)致MC-Si與CZ-Si中O含量的差異。多晶硅O含量偏低是導(dǎo)致多晶硅電池衰減偏低的主要原因。

2)晶體內(nèi)部C含量。碳的分凝系數(shù)以及不同的熱場(chǎng)分布導(dǎo)致MC-Si中C含量高于CZ-Si，多晶硅C含量偏高是導(dǎo)致多晶硅電池偏低的原因之一。

3)分凝系數(shù)。對(duì)于CZ-Si來(lái)說(shuō)，整個(gè)晶體中O濃度呈現(xiàn)連續(xù)變化的軸向O曲線。

4)缺陷對(duì)LID影響不大。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖煥成. 未來(lái)五年太陽(yáng)能電池市場(chǎng)屬于單晶硅[EB/OL].http：//www.qianzhan.com/analyst/detail/220/141119-621f6fbf.html， 2014-11-19.

[2] Schmidt J， Bothe K. Structure and transformation of themetastable boron- and oxygen-related defect center in crystallinesilicon[J]. Physical Review B， 2004， 69(2)： 024107.

[3] Macdonald D H， Geerligs L J， Azzizi A. Iron detection incrystalline silicon by carrier lifetime measurements for arbitraryinjection and doping[J]. Journal of Applied Physics， 2004， 95(3)：1021 - 1028.

[4] 陳圣賢， 汪釘崇. 多晶硅鑄錠石英陶瓷坩堝及涂層[A]. 第十屆中國(guó)太陽(yáng)能光伏會(huì)議論文集[C]， 常州， 2008.

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[6] Damiani B M. Investigation of light induced degradation inpromising photovoltaic grade silicon and development of poroussilicon anti-reflection coatings for silicon solar cells[D]. Georgia：Georgia Institute of Technology， 2004.