不同方阻对高电阻率太阳能电池片电性能的影响

摘要：主要研究了不同方阻对高电阻率太阳能电池片电性能的影响，高电阻率电池片其短路电流(Isc)、开路电压(Uoc)会随着扩散方阻的增大呈线性增长，填充因子(FF) 会随着扩散方阻的增大呈线性减少，而光电转换效率(Eta)会随着扩散方阻的增大先平缓增长至峰值后迅速下降。

0 引言

太阳能电池是一个巨大的半导体二极管，以半导体材料为基础进行能量转换。目前，光伏行业中硅太阳能电池还是占主导位置。

太阳能电池普遍使用硅晶体做基体，通常是将圆柱形的单晶硅棒切割成片，所以硅片的质量在很大程度上决定了太阳能电池的性能。

人们从石英砂中用碳还原的方法制得工业硅，但此时的工业硅纯度不是很高，其中还含有铁、铝、钙、镁等很多金属杂质;然后，再提纯去除这些金属杂质，还原沉积出来高纯的多晶硅;而多晶硅的纯度并没有达到太阳能电池所要求的硅片的纯度，所以还需进一步提纯制得单晶硅。

目前大多使用直拉法制造的单晶硅，在石英坩埚中将多晶硅加热熔化，加入掺杂剂，用一小块籽晶从熔融硅拉出圆柱形的单晶硅。由于掺杂的浓度不同，单晶硅的电阻率也会不同。硅片的电阻率的范围相当宽泛，可针对于太阳能电池来说，电阻率较低的硅片能得到较高的开路电压和光电转换效率，高电阻率硅片制成的太阳能电池的开路电压较低，进而导致填充因子下降，所以转换效率很低[1、2]。

近几年，我国的硅片生产技术已经有了相当大的进步，但是还是不能精确地控制硅片的电阻率值，只能将硅片的电阻率控制在一定范围内，所以对于部分高电阻率的硅片，需要人们更加了解它们的性能进而提高其光电转换效率[3-5]。

1 实验

本文选取电阻率在3.5-4.5Ω·cm范围内的高电阻率的单晶硅片210片，规格为156mm×156mm，厚度为200μm。首先在210片硅片表面利用碱腐蚀制备绒面结构，即在硅表面利用硅的各向异性腐蚀制得千千万万个小金字塔，形成陷光，增加光的吸收，提高电池的短路电流和转换效率。清洗后进行制p-n结，也就是在硅片表面掺杂与硅片基体杂质导电类型不同的杂质层。目前，硅太阳能电池常用的方法在高温下在P型硅中掺杂Ⅴ族杂质或在n型硅中掺杂Ⅲ族

杂质，由于高温作用杂质元素通过热扩散运动进入基体，而杂质的浓度和p-n结的深度因杂质的元素种类、初始浓度和扩散温度而异。这种扩散的分布方式对电池的电性能影响很大，因工艺不同，扩散分布方式也不同。而在扩散环节，将210片硅片分成7组，这7组分别进行扩散，最后这7组制得的方阻分别为70Ω、75Ω、80Ω、85Ω、90Ω、100Ω、105Ω。然后分别除去背结，再通过化学气相沉积法制减反射膜。最后用丝网印刷的方法印刷电极并烧结成片。

取这7组不同方阻的电池片进行电性能检测，并分别收集电性能数据。

2 液态源扩散原理

现在，在太阳能电池中普遍使用的扩散工艺是三氯氧磷液态源扩散，液态磷源扩散有空位扩散、替位填隙两种机制。三氯氧磷是无色透明的液体，具有强烈刺激性气味，有毒性，熔点是2℃，沸点是107℃，在潮湿空气中会发烟，极容易挥发，容易水解。所以，对于三氯氧磷的使用要特别注意源瓶的密封性[56]。

三氯氧磷在高温下分解成五氯化磷和五氧化二磷，生成的五氧化二磷又进一步与硅反应生成二氧化硅和磷，三氯氧磷热分解时，如果没有外来的氧气参与，其分解时不充分的，生成的五氯化磷不易分解，并且对硅有腐蚀作用，破坏硅片表面，但外加氧气 的话，五氯化磷会进一步分解生成五氧化二磷和氯气，生成的五氧化二磷又进一步与硅反应生成二氧化硅和磷，所以在磷扩散时，为了促进三氯氧磷充分分解而避免五氯化磷对硅片表面的腐蚀，必须在通氮气的同时通氧气，有充足的氧气时，三氯氧磷热分解生成五氧化二磷和氯气，三氯氧磷分解产生的五氧化二磷沉积在硅片表面，五氧化二磷与硅反应成二氧化硅和磷，并在硅片表面形成一层磷硅玻璃，然后磷在向硅中扩散[7、8]。

三氯氧磷液态源的扩散装置如图1所示。

3 结果与分析

用来表征太阳能电池的输出特性的参数是短路电流Isc、开路电压Uoc以及填充因子FF。太阳能电池的固有电阻率在一定程度上影响了其输出特性。

实验结果表明：对于高电阻率的太阳能电池片，其输出特性短路电流Isc和开路电压Uoc会随着方阻的增长呈线性增长趋势，如图2、3所示;填充因子FF会随着方阻的增加呈缓慢下降

趋势，如图4所示;而转换效率Eta随着方阻的增加，开始是平缓增长，直至达到峰值后迅速降低，如图5所示。(本文作者：晶澳太阳能有限公司，王惠)

[参考文献]

[1] 沈洲。高方块电阻发射区单晶硅太阳电池的制备与性能的研究[D].南京航空航天大学学报，2011.

[2] 贾琰，王振交，严慧敏等。电阻率对N型单晶硅电池电性能影响的研究[J].硅酸盐通报，2014(08)。

[3] 周春兰，王文静，李海玲等。用电学参数表征晶体硅太阳电池特性[J].光学精密工程。2008(07)。

[4] 郑建邦，任驹，郭文阁等。太阳电池内部电阻对其输出特性的仿真[J].太阳能学报，2006(02)。

[5] 刘长青，钟水库，张纪波。太阳能电池输出特性的研究[J].广西物理，2007(01)。

[6] 沈洲，沈鸿烈，马跃等。 高方块电阻发射区单晶硅太阳电池的性能优化[J].微纳电子技术，2011(02)。

[7] 李荣鹏，吴伟，马钟权等。扩散方阻对多晶硅太阳能电池效率的影响[J].上海大学学报，2012(03)。

[8]A.Bentzen,E.S.Marstein,R.Kopecek,A.Holt.Phosphorus diffusion and gettering in multi-crystalline silicon solar cell processing[J]. 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference . 2004