單晶硅與多晶硅電池衰減特性研究

著重研究直拉單晶硅電池及鑄錠多晶硅電池衰減的差異，以及導致差異形成的原由。結果聲明，該差異的形成主要受B-O 復合體、碳含量、分凝系數及金屬離子的影響。

引言

太陽電池和發電技術的大面積推廣，對傳統化石燃料發電技術形成了強大沖擊，在能源日益枯竭和環境污染日趨加劇的今天，其研究備受關注。太陽電池按照所用材料的區別，主要分為硅材料電池、半導體化合物電池、有機化合物電池，以及近年來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，占據了90%左右的市場份額[1]。眾所周知，單晶硅電池光致衰減(LID)一直是困擾行業的一大難題，特別是近年來新開發和產業化的鈍化發射極和局部背接觸(PERC)電池，其LID值更是高達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，不同的晶體生長方式最終導致不同的LID值。本文著重研究LID的影響因素，以及不同晶體生長方式對LID值的影響。

1、LID的影響因素

影響LID的因素為：1)硼氧(B-O)復合體。B-O復合體是影響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)晶體內部碳(C)含量。高濃度的C對B-O復合體存在抑制作用[3]。3)分凝系數。氧在硅中的分凝系數為1.25，因此對于直拉單晶硅來說，頭部的O含量相對較高，尾部相對較低；而對于鑄錠多晶硅來說，底部先凝固，則O濃度最高；頂部后凝固，則O濃度最低。4)硼鐵(Fe-B)對的分析-復合模型。Fe-B對分析成Fe和B，高能級的Fe復合中心使硅片受到Fe污染，從而引起電池性能下降。

2、實驗設計

2.1實驗儀器

硅片C/O含量、少子壽命，以及硅片厚度等參數分別采用Nicolet8700傅立葉紅外(FT-IR)光譜儀、德國SemilabWT-1000少子壽命探測儀、上海星納MS203晶片多功能參數測試儀進行探測；電池光照解決采用上海太陽能工程技術研究中心HS1610C熱斑耐久實驗裝置；光照前后的電池性能參數測量采用德國H.A.L.M高精度I-V測量系統；采用中導光電設備有限公司的FL-01一體機進行硅片的光致發光(PL)和電池的電致發光(EL)測量。

2.2實驗樣品及解決

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)，探測其原料硅片各項參數并作相應記錄；然后將樣品經過相同電池出產工藝解決后，分別選取10片電池片，

采用熱斑耐久實驗箱進行光照解決，光照強度1000W/m2，時間5h；采用相同系統測量光照后的電池性能參數，計算光照過程中衰減比例。

3、結果與分解

硅片各項參數對應光致衰減值見表1，其中，衰減1和衰減2代表同一條件下電池衰減的兩次探測。由表1可知，相同電阻率的MC-Si及CZ-Si衰減的差異主要來源于O濃度和C濃度的變化。由于MC-Si鑄錠過程中采用的是陶瓷坩堝，其主要化學成分SiO2(99%)、Al2O3(0.5%)、GaO(0.5%)和Si3N4涂層；而CZ-Si拉晶過程中采用石英玻璃坩堝，其主要化學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，從而導致多晶硅較單晶硅O含量分明偏低；此外，B-O復合體是影響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，多晶硅O含量偏低是導致多晶硅電池衰減偏低的主要原由(如圖1所示)。

其次是碳含量，碳的分凝系數以及拉晶和鑄錠過程中的熱場分布的不同，造成MC-Si中C含量分明高于CZ-Si，而高濃度的C對B-O復合體存在抑制作用[3]。這也是導致多晶硅電池衰減低于單晶硅電池的原由之一如圖2所示。另外，影響LID的因素還有分凝系數，O在硅中的分凝系數為1.25，對于CZ-Si來說，拉晶過程中頭部先凝固，因此頭部O含量最高；隨著熔體的減少，坩堝貢獻的溶解O的濃度再次增加，受熔體對流的影響，晶體中O濃度后期再次升高；整個晶體中O濃度呈現連續變化的曲線關系，稱之為軸向O曲線[5]。而對于MC-Si來說，底部先凝固，O濃度最高；頂部最后凝固，O濃度最低。

MC-Si相比較CZ-Si晶界以及缺陷較多，針對缺陷是不是會造成LID的差異這一問題，我們進行了研究，結果聲明，缺陷對LID影響不大。這與王朋[6]等對關于MC-Si中缺陷對LID的影響研究結果相吻合。

4、結論

通過以上分解得出，導致MC-Si與CZ-Si光致衰減差異的因素主要有以下幾點：

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

2)晶體內部C含量。碳的分凝系數以及不同的熱場分布導致MC-Si中C含量高于CZ-Si，多晶硅C含量偏高是導致多晶硅電池偏低的原由之一。

3)分凝系數。對于CZ-Si來說，整個晶體中O濃度呈現連續變化的軸向O曲線。

4)缺陷對LID影響不大。

參考文獻

[1] 肖煥成. 將來五年太陽能電池市場屬于單晶硅[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]. 第十屆中國太陽能光伏會議論文集[C]， 常州， 2008.

[5] Ben D， Mohamed H， Ajeet R. Light induced degradationin Cochralski silicon during illuminated high temperatureprocessing[A]. Conference Record of the 29th IEEE[C]， NewOrleans， Louisiana， 2002， 348 - 351.

[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.

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