11-利用离子注入技术改善晶硅太阳能电池性能

2 工艺流程
晶澳太阳能的离子注入实验中所选用的原 料硅片为商业化生产的 156mm P-型单晶硅， 电阻率为 1-3 cm，厚度为 20010 um，制 作的电池结构为传统的 n+/p/p+ 全铝背场 电池。 表 1 中给出了利用离子注入技术制作 p-型单晶硅电池的工艺流程，为了便于说明， POCl3 热扩散 P 型电池制作工艺将作为对照。 通过对比可以发现， 除了制绒后对硅片的掺 杂采用离子注入的方式外， 离子注入技术不 需要 “去磷硅玻璃 （PSG） ” 和 “边缘刻蚀” 工艺步骤， 取而代之的是离子注入后的退火 工艺， 其目的是修复离子注入造成的晶格损 伤和激活杂质离子， 同时还可以生长较为致 密的二氧化硅钝化层。 紧跟在退火工艺后的 是 PECVD 氮化硅减反射膜， 然后完成印刷、 烧结和测试。
12 伏电压下的平均漏电流， 可以发现平均漏 电流基本上在 0.5A 以上。 图 3(a) 中给出的是不同注入剂量下电 池的平均漏电流， 可以清楚的看到随着注入 剂量的增加，漏电流成增加趋势。这是由于 注入的剂量越大， 被散射到硅片边缘的离子 数也会相应的增加所致。图 3(b) 给出的是 在注入剂量 3.4E15/cm2 下漏电流随着注入 能量的分布图， 可以发现随着注入能量的升 高，漏电流也会增大，特别到 15KeV 时， 漏电流急剧增加。 这一现象也说明了漏电流 的产生是由于散射所致， 因为注入的能量越 高， 被硅片载盘反弹回来的可以散射到硅片 边缘的离子数目也会增多， 从而导致边缘漏 电加剧。 为了在不增加“边缘刻蚀”工艺步骤的 情况下解决漏电问题， 我们一般选用低注入 剂量和较低注入能量。 另外为了降低发射极 与基底的导通的几率， 印刷工艺和背场网版
关键词：太阳能电池 离子注入 低表面浓度 热氧钝化层 1 引言
高效率， 低成本一直是太阳能电池发展的方 向。 提高电池光转换效率的途径主要有两方 面，一是增加太阳能电池对光的吸收，二是 减少光生载流子在电池片的表面和体内复 合，即所谓的钝化。目前商业化生产的晶硅 太阳能电池的发射极大都是通过热扩散的 方式形成的，以 n+/P/P+ 型电池为例，该电 池的 PN 结是通过高温下 POCl3 扩散形成的 高浓度掺杂区域，在该区域中，由于高浓度 的磷与硅的晶格失配以及未被激活的磷引 起的晶格缺陷使得磷扩散电池表层中少数 载流子的寿命极低, 以至于表层吸收的蓝光 光子所产生的光生载流子对电池的光电流 输出贡献很小， 即蓝光波段量子效率较差[1]。 为了改善电池的蓝光光谱响应， 低表面浓度 发射极及其表面钝化一直是大家追求的目 标。但是由于受磷在硅中的固溶度影响，采 用热扩散的方式很难降低其表面杂质浓度。 为此， 一些研究者采用在去磷硅玻璃后增加 退火工艺和等离子体掺杂等方法制作低表 面浓度发射极[1]， 但是工艺相对复杂， 工艺 窗口较小， 所以一直以来很少有商业化生产。 上世纪 80 年代，一些研究者已证实采 用离子注入的方式实现前表面掺杂， 可以形 成低表面浓度的 PN 结发射极，从而改善太 阳能电池的短波响应， 提高光转换效率[2-4]。 但由于当时离子注入技术昂贵的制造成本 使得该技术一直停留在实验阶段。 直到 2010 年， 适用于太阳能电池量产的离子注入机开 始问世[5，6]，使离子注入晶硅太阳能电池 技术商业化成为可能。2011 年，Suniva 首 先开发了离子注入太阳能电池技术， 实现了 单晶>18.6% 的平均光转换效率并将其推向 商业化生产[7]， 该商业化推广使得离子注入 技术在太阳能电池领域得到了快速发展 [8,9]。
图 2. 离子注入电池与热扩散电池的内量子效率对比
出了不同注入剂量和能量下的电池片在负
4.遇到的问题
4.1 边缘漏电 在采用热扩散的方式形成 PN 结时， 硅片 边缘及背面也将不可避免的接触磷源气体 形成 n 型区， 从而导致发射极产生的光生载 流子通过边缘 n 型区与电池基区短路， 进而 导致漏电流升高， 并联电阻和填充因子下降， 影响电池效率。 因此， 对于热扩散电池来讲， 边缘刻蚀是必不可少的工艺步骤。 而对于离子注入电池， 由于其掺杂方式 是通过高能离子束以近乎垂直于硅片表面 的角度注入到硅片表面。因此，离子束几乎 不可能入射到硅片边缘， 这也是离子注入电 池不需要边缘刻蚀的主要原因。然而，实际 上并非如此， 由于高能离子束在入射到硅片 表面同时， 也会有部分离子入射到硅片载盘 上， 入射到载盘上的这一部分离子会反弹散 射到硅片边缘，导致硅片边缘出现 n 型区， 以至于离子注入电池边缘漏电较大。 图3给
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了两种分布。一般来讲，造成 PN 结耗尽层 内的复合往往是深能级杂质或缺陷态， 一种 原因是与原料硅片有关， 不过我们已经尝试 了多种原料片并且也做了与热扩散电池的 对比，依然有分层现象，因此该因素可以被 排除。 另一种可能性就是工艺过程中引入的 杂质或缺陷。 由于离子注入机的硅片载盘是 石墨载盘， 因此工艺中引入的缺陷态就有两 种可能性， 一是由于离子注入所导致的晶格 损伤在退火过程没能完全修复， 其二就是由 石墨载盘所引入的石墨污染， 在退火过程中 这些石墨颗粒将会扩散到硅体表面， 从而导 致出现晶格缺陷，形成深能级缺陷态。
暗电压也会随着降低。
表 2. WCT-120 测得的暗电压，发射极的反向饱和 电流 Joe 和有效少子寿命eff。
3.3．蓝光响应的明显改善 低的表面浓度， 热氧钝化的发射极是离子注 入电池的明显特征。 这两者的有机结合使得 电池片有较小的表面复合， 因此离子注入电 池对太阳光的短波响应较热扩散电池有明 显改善。 图 2 给出的是离子注入电池和热扩 散电池的内量子效率（IQE）曲线，从图中 可以明显看出，离子注入电池对波长 300-450nm 区域的太阳光响应要远好于热扩 散电池。 因此， 离子注入电池的短路电流 （Isc） 相对于常规热扩散电池的 Isc 将会有所增加。
图 4. 注入剂量为 2.6E15/cm2 和 3.0E15/cm2 下的离子注入电池的 Voc 分布
表 3. Suns-Voc 测得的 PFF、J01、J02 和理想因子 n
5．实验结果
5.1 电性能 离子注入电池由于其良好的表面钝化和出 色蓝光响应， 使得该电池可以具有较高的光 转化效率。 表 4 中给出的是一组最近的电性 能测试数据， 与热扩散电池的电性能数据相 比，可以看到离子注入电池的开路电压，短 路电流较常规热扩散电池都有明显的增益。 离子注入电池的平均光转化效率可以达到 19.02%，高出常规电池 0.36%。单片最高光 转换效率可以达到 19.23%。 图 5 中给出了这组电池（共计 298 片） 转化效率的一个统计分布， 该组电池片转化 效率的中位数为 19.02%，最低转化效率为 18.83%，分布较为集中。从这组结果中可以
表 1. 离子注入电池与热扩散电池的制作工艺对比
个重要原因。
3 技术优势
3.1 低表面浓度发射极 低表面浓度发射极是改善电池光转化效率 的一个重要途径， 表面杂质浓度的大小直接 决定了表面复合速率 s 的大小。研究表明， 表面复合速率 s 是表面掺杂浓度的函数。在 表面浓度 2E15/cm3 到 1E18/cm3 范围内, s 随 着表面掺杂浓度增加呈亚线性增加趋势， 在 4E18/cm3 到 1E20/cm3 区间内是线性增加关 系[10]。因此降低表面掺杂浓度可以有效降 低太阳能电池的表面复合， 尤其对于较高表 面浓度的发射极。 采用离子注入的方式进行硅片前表面 掺杂， 该掺杂方式不受热扩散中所面临的固 溶度限制， 掺入杂质的浓度分布可以通过离 子注入的能量、剂量和退火工艺来调节，因 而可以实现低表面浓度掺杂。 为了说明这一 点，图 1 给出了 ECV 测量的不同注入剂量 和不同退火温度下的硅片表面的杂质浓度 分布。可以发现在同样的退火温度下（图中 的标准温度），发射极的表面浓度随着注入 剂量的降低而下降，对于注入剂量 2.3E15/cm2，其表面浓度为 3.4E20/cm3,远远 低于 POCl3 扩散形成的 8.5E20/cm3 的表面浓
由于离子注入电池的制作工艺中不需 要“去 PSG”和“边缘刻蚀”，因此不仅可 以节省相关设备和化学药品， 而且还可以缩 减该化学药品的废弃处理费用以及避免这 些废弃药品对环境的污染。因此，在成本测 算过程中， 离子注入技术成本控制要优于热 扩散电池， 这也是该技术可以商业化生产一
Байду номын сангаас
度，如图 1 中曲线 6 所示。对于同样的注入 剂量，退火温度越高，表面浓度越低，相应 的 PN 结结深也越大。这是由于温度越高， 注入的磷就会扩散到更深的距离， 在注入剂 量一定的情况下， 硅片表面电活性型磷浓度 必然会下降；相反，对于低温退火工艺，表 面浓度会有所上升，如图曲线 3 和 4 所示。
第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（晶体硅材料及电池）
利用离子注入技术改善晶硅太阳能电池性能
刘志锋 张峰 殷磊 菅彦珍 朴松源 单伟
晶澳太阳能
摘要： 离子注入技术是一种行之有效的半导体掺杂技术。 利用离子注入方法对半导体掺杂，
在高温下退火激活杂质离子可形成高品质 PN 结。近年来，随着光伏行业的飞速发展，离子 注入技术逐渐被引入晶硅太阳能电池制造过程。 该技术的应用可以实现低表面浓度均匀掺杂 并在退火过程中形成热氧钝化层， 从而改善晶硅太阳能电池的蓝光响应， 使得太阳能电池的 光转换效率得以提高。在利用离子注入技术制作 p-型 156mm 单晶硅电池过程中，我们发现 离子注入电池边缘漏电比较严重，同时会出现开路电压（Voc）分层现象。为此，我们对离 子注入剂量和能量， 退火工艺以及印刷工艺进行了大量的实验调整并解决了这些问题。 实验 结果表明，与传统磷扩散工艺相比，离子注入技术不仅可以改善电池的光转化效率，而且效 率分布也比较集中，良率较高，最近在实验室内我们可以实现 19%的平均光转化效率。
图 1. ECV 测量的不同注入剂量和能量下的硅片表面的杂质浓度分布，如图曲线 1-5 所示。曲线 6 为热扩散后硅片表面的杂质浓度分布。
3.2 热氧钝化层 利用离子注入方法对半导体掺杂后， 需要高 温通氧的环境下退火激活杂质离子， 因此退 火后的硅片表面将会生长出较为致密的二 氧化硅钝化层， 从而进一步减少硅片表面的 复合。由于表面复合速率 s 是表征发射极反 向饱和电流 Joe 和少子有效寿命eff 的一个非 常重要的参数。由图 1 可以知道，随着注入 剂量的降低， 发射极的表面浓度也随之降低， 因此，反向饱和电流 Joe 也将随着降低，少 子寿命增加。 表 2 给出用 WCT-120 测量的双面离子 注入、退火、PECVD 氮化硅后的暗电压、 发射极反向饱和电流 Joe、和有效寿命eff。 通过对比可以发现，随着注入剂量的增加， 暗电压、有效寿命eff 逐渐降低、发射极反 向饱和电流 Joe 也逐渐增加，这主要是由于 发射极表面浓度增大导致表面复合增加的 缘故。对于 POCl3 扩散形成的发射极，由于 其较高的表面浓度并且没有热氧钝化层， 因 此相应的有效少子寿命eff、Joe 都会变差，
设计也必须做相应的优化。图 3(a) 中红色 的柱形图是工艺优化后的平均漏电流， 可以
看到漏电情况得到了明显的改善。
图 3. 不同注入剂量和能量下的平均漏电流
该数据结果表明 PN 结耗尽层内的复合出现 4.2． Voc 分层 离子注入电池发射极的低表面复合速 率使得该电池的 Voc 比传统热扩散电池通 常高 5-10mV。但在实验过程中我们发现随 着注入剂量的降低，Voc 有分层的现象，并 且随着注入剂量的进一步降低， 分层现象加 剧。图 4 给出了两种不同注入剂量下 Voc 的分布， 从图中可以明显的看到对于注入剂 量 2.6E15/cm2, Voc 分层现象非常严重，对 于剂量 3.0E15/cm ，情况有所改善。 为了分析 Voc 分层的物理机制，表 3 给出了注入剂量为 2.6E15/cm 的离子注入 电池的 Suns-voc 特征数据。 从表 3 中可以清 楚看到， Voc 的分层是由于 J02 的分层所致。