單晶位錯對電池性能的影響

單晶位錯對電池性能的影響1.引言單晶硅由于其本身內部完整的晶體結構，其電池效率明顯高于多晶硅電池，是硅基高效太陽能電池的首選材料。然而，單晶硅內部雜質和晶體缺陷的存在會嚴重影響太陽能電池的效率，比如：光照條件下B-O復合體的產(chǎn)生會導致單晶電池的光致衰減；內部金屬雜質和晶體缺陷(位錯等)的存在會成為少數(shù)載流子的復合中心，影響其少子壽命。本文研究了單晶硅片位錯對電池性能的影響，并討論了單晶拉制工藝對位錯的影響。作為少數(shù)載流子的強復合中心，位錯會嚴重影響硅片的少子壽命，最終影響電池和組件性能。2.實驗本實驗對大量低檔電池片及其組件進行了研究，現(xiàn)從中選取一塊典型組件和兩片典型電池片舉例說明。實驗過程如下：組件做電致發(fā)光EL(electroluminescenee)測試f光照條件組件電性能測試。電池做電致發(fā)光EL測試f光照條件電池電性能測試f電池光誘導電流密度(LBICCurrent)測試f硅片少子壽命測試f化學拋光腐蝕后觀察位錯fSIMS元素分析。實驗結果和分析組件電致發(fā)光EL測試如下圖1所示。由圖可見，組件的電池片中存在著大量黑心和黑斑的情況。圖1組件EL測試電致發(fā)光EL測試使用的是某公司的ElectroluminescenceInspection設備。EL照片中黑心和黑斑反映的是在通電情況下該部分發(fā)出的115Onm紅外光相對弱，故在EL相片中顯示為黑心和黑斑，發(fā)光現(xiàn)象和硅襯底少數(shù)載流子壽命有關。由此可見，黑心和黑斑處硅襯底少數(shù)載流子壽命明顯偏低。組件電性能測試如圖2所示。由圖可見，組件短路電流Ise(4.588A)和最大功率Pmax(143.028W)明顯偏低；此類正常組件短路電流Ise一般為5.2A，最大功率Pmax一般為175W以上。說明組件中存在著大量低效率電池片，導致組件功率的嚴重下降。

TempTempUoc.IscTempTempUoc.IscUmpImpPmastlopSTC1000.00STC麗］藥.00meas；1083,27meas-.陲]25.60[V]42.823[A]4.588[V]35.024[A]4.084[W]143.028[%]7279[A]at：24.00V4.483圖2光照條件組件電性能測試而后，我們進行了電池片電致發(fā)光EL測試，如下圖3和4所示。其黑心和黑斑現(xiàn)象如組件EL測試所見。圖3樣片1EL圖3樣片1EL測試圖4樣片2EL測試光照條件電池電性能測試如表1所示。表1光照條件電池電性能測試UocIscRsRshFFNCellUrev1Irev1Urev2Irev2樣片10.6134.730.02616.9956.670.1106-100.874-121.041樣片20.5874.620.005104.2176.60.1399-100.131-120.1653兩片電池效率分別為11.06%和13.99%,Isc分別為4.73A和4.62A,均明顯偏低；而此類正常電池片效率一般為17.5%左右，Isc為5.3A左右。電池光誘導電流密度(LBICCurrent)測試如圖5和6所示。

圖5樣片1LBICCurrent測試圖6圖5樣片1LBICCurrent測試圖6樣片2LBICCurrent測試然后，電池經(jīng)過去SiN膜、去正反電極、子壽命測試如圖7和8所示。去鋁背場和n型層，再經(jīng)碘酒鈍化后，硅片少圖7樣片1少子壽命測試 圖8樣片2少子壽命測試硅片少子壽命測試與電池光誘導電流密度(LBICCurrent)測試和電池EL測試具有很好的對應關系，說明造成電池效率低的原因為硅片本身內部缺陷所致，與電池工藝沒有直接關系。而后，對硅片進行化學拋光和Wright液腐蝕，樣片2呈現(xiàn)出明顯的與EL測試、電流密度(LBICCurrent)測試和少子壽命測試相對應的圖案形貌，如圖9所示。

黑心內黑心外黑心內黑心外圖9樣片2經(jīng)化學腐蝕后圖案形貌樣片1的光學顯微觀察如圖10和11所示，局部區(qū)域具有很高的位錯密度達10E5~10E6左右。樣片2的光學顯微觀察如圖12和13所示，在如圖9所示的中心圓形圖案形貌內，其位錯密度均高達10E6~10E7左右。圖11樣片1位錯密度10E5~10E6（X圖11樣片1位錯密度10E5~10E6（X500倍）圖10樣片1位錯密度10E5~10E6（X500倍）圖12樣片2位錯密度10E6~10E7（X200倍）圖13樣片2位錯密度10E6~10E7（X500倍）最后，我們對如圖9中，樣片2所示的黑心內外做SIMS測試，測試結果如表2所示。SIMS測試結果顯示，黑心內外各種雜質含量正常。表2樣片2SIMS測試Concentration(at/cm3)樣片2BPCOAlCrMnFeNi黑心內1.30E+16<2E14<1e161.06E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E14黑心外1.31E+16<2e14<1e161.02E+18<7E13<5E12<1E13<1E13<1E14綜上所述，正是由于硅片中存在著極高的位錯密度，成為少數(shù)載流子的強復合中心，最終導致電池性能的嚴重下降。而與電池工藝和材料內部雜質無直接關系。拉晶工藝對單晶位錯的影響引頸對單晶位錯的影響由于籽晶和硅熔液接觸時的熱應力，會使籽晶產(chǎn)生位錯，這些位錯必須利用引頸生長使之消失。引頸是將籽晶快速往上提升，使長出的晶體直徑縮小到一定的大小(4~6mm)。由于位錯線通常與生長軸成一個夾角，只要引頸足夠長，位錯便能長出晶體表面，得到無位錯的晶體，如圖14所示。為了能完全消除位錯，一般的原則是讓引頸長度約等于一個晶棒直徑的長度，即對于直徑為150mm的晶棒，引頸長度約為150mm。圖14利用引晶生長以消除位錯的技術(DashTechnique)如果在引頸過程中，由于引頸長度不足等原因未能將位錯完全消除，將造成單晶位錯密度的增加，甚至在單晶生長過程中引起斷苞。放肩對單晶位錯的影響出于經(jīng)濟方面的考慮，放肩的形狀通常較平。如果降溫太快，液面呈現(xiàn)過冷情況，肩的形狀因直徑快速放大而變成方形，嚴重時易導致位錯的重新產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)斷苞而失去單晶的結構。等徑生長時，斷苞對單晶位錯的影響等徑生長時，如果出現(xiàn)斷苞，晶棒又足夠長時，我們會收尾后作為A段取出。但在斷苞處會有大量位錯存在，而且位錯會沿晶棒向上返一個直徑左右，我們稱之為位錯段。因此，雖然此位錯段具有完整的晶線，但往往具有比較高的位錯密度，我們經(jīng)切片腐蝕之后，發(fā)現(xiàn)此類硅片的局部位錯密度高達2X10E4左右，如圖15、16所示。圖15圖15位錯段光學顯微照片1（X200倍）圖16位錯段光學顯微照片2（X500倍）收尾對單晶位錯的影響一般而言，單晶收尾時鍋里的料要保證是投料量的5~10%左右。如果收尾時，鍋里的料太少，很容易造成坩堝內熔體過冷，一旦過冷必然造成收尾時掉苞，表面看起來是完整的收尾，實際已經(jīng)失去單晶的結構。這樣由斷苞處上返一個直徑的單晶會存在比較高的位錯密度。拉速和熱場對單晶位錯的影響由于硅片來自于等徑生長時的晶身，所以此階段的參數(shù)控制是非常重要的。等徑生長時，拉速和熱場直接關系著晶棒內部缺陷的形成（OISF、D-defects、COP等）。根據(jù)熱力學原理，拉晶過程中，本質點缺陷一定會出現(xiàn)在晶體中。從固液界面形成的點缺陷，在隨著晶棒的冷卻過程中，可能發(fā)生擴散、再結合等反應，最后在特定溫度范圍內，通過過飽和析出而聚集形成微缺陷（OISF、D-defects、COP等），大量的微缺陷又可能形成位錯。根據(jù)Voronkov的模型和其V/G理論，點缺陷和微缺陷的形成與拉晶速度V和溫度梯度G有直接的關系。因此在實際生產(chǎn)中，可以通過調整拉晶