电池片制作工艺对硅片中同心圆的影响
0引言
近年来，光伏产业发展迅猛，提高效率和降低成本成为整个行业的目标。在晶体硅太阳电池的薄片化发展过程中，出现了许多严重的质量问题，如碎片、隐裂、表面污染、电极不良等，正是这些缺陷限制了电池片的光电转化效率和使用寿命。同时，由于没有完善的行业标准，硅片原材料的质量也是参差不齐，一些缺陷片的存在直接影响到组件乃至光伏系统的稳定性。
硅是地球外壳第二位最丰富的元素。提炼硅的原材料是SiO2，它是砂子的主要成分。工业上使用石英岩生产冶金级硅。用于太阳能电池以及其他半导体器件的硅，其纯度级比冶金级更高。而对于半导体电子工业来说，硅不仅要很纯，而且必须是晶体结构中基本上没有缺陷的单晶形式。工业上生产太阳能电池硅片所用的主要方法是直拉工艺。在坩埚中，将半导体级多晶硅熔融，同时加入掺杂剂。在温度可以精细控制的情况下用籽晶能够从熔融硅中拉出大圆柱形的单晶硅。
半导体硅的性质依赖于它在制作过程的工艺，其中最重要的是最终产品所表现出来的晶体完美程度。
在一个理想的单晶体中，在任何一个晶体点阵附近排列的原子，严格地与所有其他格点重复。实际晶体可接近于这样的完整排列。在多晶固体中，在单个晶粒内存在着这类长程有序性，晶粒的直径可以从几分之一微米到毫米。多晶晶粒的取向彼此之间也不尽相同，因而在这些地方相邻原子之间不能完美地“配合”，结果在晶粒的边界处出现局部应变和畸变。
硅太阳能电池一直使用单晶材料制造，因为它具有优良的电特性。它们的载流子的迁移率很高，没有晶粒边界，很少有促使光生电子和空穴复合的缺陷。缺陷处的复合会降低少数载流子的寿命，因而也降低了电池效率。
少子寿命是太阳能电池中半导体的最重要的电性能之一，不过它并不是所用半导体的本征特性。甚至，同一种半导体不同的样品之间，其数值也可有很大变化，而且还会在电池的加工过程中发生变化，其加工步骤会影响材料的性质，并因此影响太阳能电池的性能。
生产单晶硅的常见的方法是提纯原材料，熔融物在严格控制的温度变化速率下凝固并生长出单晶以及最后将单晶锭锯成薄片并抛光。而在硅材料的生产过程中会造成很多缺陷，而这些缺陷势必会导致晶体硅片的少数载流子浓度降低，从而导致硅片中有此类缺陷的部分在PL测试中表现为发光强度较弱或是不发光，而因原料硅片的制作工艺的不同，较常见的是硅片中存在同心圆。
1 实验
本文中选取存在同心圆的单晶硅片90片，规格为156mm×156mm，厚度为200μm。将这90片硅片进行正常生产工序，首先对硅片进行腐蚀制绒，得到陷光良好的绒面，清洗后用高温杂质扩散工艺有控制地向硅片中掺入另一种杂质。在标准的太阳能电池工艺中，通常将硼掺杂到直拉工艺的熔料中，从而生产出P型硅片。为了制造太阳电池，必须掺入n型杂质，以形成p-n结。磷是常用的n型杂质，现在常用的工艺是载气通过液态的POCl3混入少量的氧后通过排放有硅片的加热炉管，这样硅片表面就生成含磷的氧化层。在规定的炉温下（800℃到900℃），磷从氧化层扩散到硅片中。约20分钟之后，靠近硅片表面的区域，磷杂质浓度超过硼杂质浓度，从而制得一层薄的、重掺杂的n型区。之后去除电池片的氧化层和侧面及背面的结。再通过化学气相沉积法制成一层减反射膜——氮化硅膜。最后用丝网印刷的方法印刷电极并烧结成片[3]。实验过程中，分别取原硅片、扩散后、湿刻后、印刷烧结后各10片进行测试对比分析。
2 PL光致发光测试仪测试原理
Photoluminescence光致发光检测过程大致包括激光被样品吸收、能量传递、光发射及CCD成像等四个阶段。通常利用激光作为激发光源，提供一定能量的光子，硅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，并发出以1150nm的红外光为波峰的荧光，利用冷却的照相机镜头进行感光，将图像通过计算机显示出来，发光的强度以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硅片或电池片是否存在缺陷。PL测试仪的基本结构如1所示。
3 结果与分析
单晶硅由于本身内部长程有序的晶格结构，其电池效率明显高于多晶硅电池，是硅基高效太阳电池的首选材料。然而，单晶硅内部杂质和晶体缺陷的存在会影响太阳能电池的效率，比如：B-O复合体的存在会导致单晶电池的光致衰减；内部金属杂质和晶体缺陷（位错、同心圆等）的存在会成为少数载流子的复合中心，影响其少子寿命。
扩散是制备太阳能电池的关键工艺步骤，其直接决定着电池的光电转换效率。存在同心圆的原硅片在经过扩散工艺步骤后，同心圆消失，其PL测试图像如图3所示。原硅片出现同心圆是因为同心圆的部分其少数载流子大量复合，而经过扩散磷起到吸杂作用，减少了复合中心，增加了少子寿命而使同心圆消失。（作者：王惠 杨伟强 严金梅 魏红军 晶澳太阳能有限公司）
存在同心圆的硅片经过湿刻后，其PL测试图像如图所示。从图中可以看到，经扩散消失的同心圆又出现了，这是因为硅片背面扩散的杂质层经过湿刻后被腐蚀掉了，所以背面的同心圆就出现了。
而下图所示的是存在同心圆的硅片经过印刷烧结后的PL测试图像。在印刷烧结工序后，同心圆又再一次消失了，这是因为Al形成重掺杂，Si-Al合金层烧结后产生的晶格应力对杂质起到有效的吸附作用，从而减少了硅片体内的载流子复合中心，使非平衡少子寿命提高。