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II类单晶硅片太阳电池扩散工艺的优化研究

发布日期:2017-11-20 来源: 本网 查看次数: 141 作者:admin

核心提示:  材料、结构及工艺bookmark0杨超沈鸿烈吴京波2,李琼2,李斌斌冯晓梅1(1.南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016 2南京沙宁申光伏有限公司,南京211300)杂浓度和结深研究

  材料、结构及工艺bookmark0杨超沈鸿烈吴京波2,李琼2,李斌斌冯晓梅1(1.南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016 2南京沙宁申光伏有限公司,南京211300)杂浓度和结深研究了扩散时间对太阳电池性能的影响。通过太阳电池单片测试仪(XCM―9)测试电池性能。得到了为850°C的扩散温度下再分布时间分别为5、10和15min时方块电阻随主扩时间的变化关系。由可知,当扩散温度和再分布时间固定时,方块电阻随着主扩时间的增加而逐渐减小,这是由式(1)决定的。

  荷,/l为光生电流。

  再分布时间不变,主扩时间增加,使得施主杂质浓度Nd增大,则由式(2)可知反向饱和电流/.减小,导致光生电流/l与反向饱和电流/0的比值增大,由式(3)可以得出开路电压会逐渐增大131.所示为850°C的扩散温度下再分布时间分别为5、10和15min时开路电压随主扩时间的变化关系。由可知,当扩散温度和再分布时间固定时,开路电压随着主扩时间的增加而逐渐增大,这是还显示出主扩时间相同再分布时间增加时,电池开路电压逐渐减小。这是因为主扩时间不变,再分布时间增加,扩散层施主杂质浓度Nd将减小,则由式⑵可知反向饱和电流/增大,导致光生电流IL与反向饱和电流/.的比值减小,由式(3)可知开路电压会逐渐减小。

  并且由可以推测出当再分布时间分别为5、10和15min时,即使主扩时间增加到50min时,仍然没有出现重掺杂效应,使得硅禁带宽度收缩,导致电池开路电压下降14.当主扩时间为50min,再分布时间为5min时,电池开路电压达到了本文,此时电池短路电流密度(。、填充因子FF和转换效率n分别为2.3短路电流密度与扩散时间的关系所示为850°C的扩散温度下再分布时间分别为5、10和15min时短路电流密度随主扩时间的变化关系。由可知,当扩散温度和再分布时间固定时,短路电流密度随着主扩时间的增加而逐渐减小,这是以下两方面的原因导致的。

  (1)主扩时间增加,导致pn结的结深增大,使得电池对高能量的短波响应降低;并且结深增加后,光进入硅片后到达耗尽区的距离增加,光衰减长度增加使得射入耗尽区的光减少,而耗尽区正好是载流子收集几率最高的区域;(2)主扩时间增加,顶层掺杂浓度变大,出现更多的杂质与缺陷,复合中心数量增大,掺杂层少子寿命减小,导致电池短路电流密度减小。

  还显示出在每个主扩时间下,再分布时间为15min时的电池短路电流密度都大于再分布时间为5min和10min时。然而并不是再分布时间越大越好,过大的再分布时间会使得扩散层掺杂浓度过低及pn结结深过大,反而会使短路电流密度减小,本,此时电池开路电压Vc、填充因子FF和转换效率n分别为2.4并联电阻与扩散时间的关系0的扩散温度下再分布时间分别为5、10和15min时并联电阻随主扩时间的变化关系。由可知,当扩散温度和再分布时间固定时,并联电阻随着主扩时间的增加而逐渐减小。

  并联电阻的主要来源是:pn结漏电,其中包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电18,它们与扩散制结、PECVD镀膜、印刷烧结等工艺有关。再分布时间不变,主扩时间变大后,顶层掺杂浓度变大,出现更多的杂质与缺陷,复合中心数量增大,掺杂层少子寿命减小,因而漏电流增大,电池并联电阻减小。

  还显示当主扩时间不变,再分布时间增大时,电池并联电阻逐渐增大。这是因为主扩时间不变再分布时间增大会明显减小电池表面的杂质浓度,而电池表面又是载流子复合速度最大的区域这样就会有效减少载流子的表面复合,从而使得电池并联电阻增大。

  2.5串联电阻与扩散时间的关系°C的扩散温度下再分布时间分别为5、10和15min时串联电阻随主扩时间的变化关系。由可知,当扩散温度和再分布时间固定时,串联电阻随着主扩时间的增加而逐渐减小。

  串联电阻的主要来源是:制造电池的硅材料的体电阻、电极及互联金属的电阻以及电极和半导体之间的接触电阻181,它们与扩散制结、印刷烧结等工艺有关。再分布时间不变,主扩时间增大,扩散掺杂浓度变大,在后续电极烧结中更利于制备良好的欧姆接触,使得电池金属一半导体接触电阻减小,从而导致串联电阻逐渐减小。

  从还可看出,当主扩时间不变,电池串联电阻随再分布时间没有表现出明显的规律。这是因为主扩时间不变再分布时间增加使得扩散层电阻减小,但是会增大后续电极烧结后的金属一半导体接触电阻,这两者之间的矛盾使得串联电阻随再分布2.6填充因子及转换效率与扩散时间的关系0再分布时间为5min时不同主扩时间对应的电池填充因子和转换效率,由表1可知,当再分布时间确定在5min时,电池填充因子随主扩时间增加而逐渐减小。

  电池的填充因子FF会随着并联电阻R的减小和串联电阻Rs的增大而降低9,Rsh的减小和Rs的增大会使得太阳电池最大功率输出点的输出电流Im发生下降,这是Rsh和Rs影响电池填充因子的主要机制1101.由和可以看出当再分布时间为5min时,电池的Rsh和Rs都是随主扩时间增加而逐渐减小的,在串联电阻减小的情况下填充因子仍然逐渐下降,这是因为此时并联电阻的减小对填充因子的影响起了主要作用。

  太阳电池的理论能量转换效率n表达式如下:最高转换效率电池-V曲线由(4)式可知,当入射太阳光谱AM0或AM1. 5确定以后,太阳电池效率n则取决于开路电压v.、短路电流密度心和填充因子ff.要提高太阳电池转换效率,则需要提高V,c、s.和FF这三个基本参量,但是,由于电池的基本参数对这三个参量的影响机制不同,从而使得它们之间往往是相互制约的,单方面提高其中一个,可能会因此降低另外一个,所以在现实生产中,通过工艺的改进使得三者同时提高是比较困难的,往往是统筹考虑对三者的影响实现效率的提高1101.由、和表1可以看出当再分布时间为5min时,随着主扩时间的增加,电池开路电压逐渐增大,短路电流密度人。和填充因子FF逐渐减小,而表1显示电池转换效率随主扩时间的增加先增大后减小,在主扩时间为20min时达到最大值,不过效率增大和减小的幅度都较小,由式(4)可知这是主扩时间对开路电压短路电流密度人。和填充因子FF影响的统筹结果。

  表2和表3分别给出了扩散温度850G再分布时间为10min和15min时不同主扩时间对应的电池填充因子和转换效率。

  表1再分布时间为5min时不同主扩时间对应的电池填充因子和转换效率再分布时间/min主扩时丨间/表2再分布时间为10min时不同主扩时间对应的电池填充因子和转换效率再分布时间/min主扩时丨间/表3再分布时间为15min时不同主扩时间对应的电池填充因子和转换效率再分布时间/min主扩时丨间/由表2和表3可知,当再分布时间确定在10min和15min时,电池填充因子随主扩时间增加先增大后减小,都是在主扩时间为40min时达到最大值,而由和可以看出当再分布时间为10min和15min时,电池的并联电阻Rsh和串联电阻Rs都是随主扩时间而逐渐减小的,主扩时间为40min之前,再分布时间为10min和15min两种电池在并联电阻减小的情况下填充因子仍然逐渐增大,这是因为此时串联电阻的减小对填充因子的影响起了主要作用;主扩时间为50min时,两种电池填充因子又都有所下降,说明此时并联电阻的下降对填充因子的影响起了主要作用。

  表2和表3显示当再分布时间为10min和15min时,电池转换效率随主扩时间的增加先增大后减小,都是在主扩时间为40min时达到最大值,并且效率增大和减小的幅度都不小,如同再分布时间为5min时效率的分析,这也是主扩时间对开路电压心,短路电流密度人。和填充因子FF影响的统筹结果。当主扩时间为40min、再分布时间为15min时,电池效率达到本文,此时电池开路电压心、短路电流密度人。和填充因子FF分别为657mV、33.57mA/cm2和74.36% 3结论本文通过改变扩散时间来改变发射区的掺杂浓度和结深,研究了扩散时间对太阳电池性能的影响。

  发现改变扩散时间后,太阳电池的开路电压和短路电流密度呈现相反的变化趋势,这与单晶硅太阳电池的理论计算相符。在本文实验条件下,当扩散温度为850C,主扩时间和再分布时间分别为50min和5min时,电池得到最高的开路电压为668mV,但短路电流密度仅32.8mA/cm2,填充因子FF也只有70.51%,转换效率n为15.45%当扩散温度为850G主扩时间和再分布时间分别为10min和15min时,电池得到最大的短路电流密度为33. 87mA/cm2,但开路电压仅621mV,填充因子FF为72.59%转换效率为15.27%;最终得到了本文实验条件下较为优化的扩散工艺,此工艺条件既考虑到开路电压,又兼顾了短路电流密度,工艺参数为扩散温度850G主扩时间和再分布时间分别为40min和15min,此时电池得到最高的转换效率为16.4%电池的开路电压、短路电流密度和填充因子分别为657mV、33.57mA/cm2和74.36%以此优化扩散工艺制备电池的效率较公司原扩散工艺电池提高了约0.3%

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