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摘 要 随着晶硅太阳电池光电转换效率的提高，其光衰也随之提高，成为高效晶硅电池科技发展的瓶颈。本文介绍了近年来对掺硼晶硅太阳电池的光衰减问题及衰减机制，指出硼与间隙氧的存在是引起掺硼晶硅太阳电池光照衰减的主要因素，并对如何减小或避免光衰减的改善措施进行了分析。
关键词 光衰减；掺杂；单晶硅；太阳能电池
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0037-01
晶体硅太阳电池是最重要的光伏器件，近年来一直是硅材料研究界和光伏产业界的重点关注领域。众所周知，常规的晶体硅太阳电池都是基于P型掺硼硅晶体制造的，但这种电池存在着光衰减现象，也就是指电池在服役过程中转换效率会发生迅速衰减的现象。该现象已经成为制约高效太阳电池发展的一个重要瓶颈。
目前光衰减现象的性质和机理还未完全清楚，它是当前国际上晶体硅太阳电池材料和器件方向的研究热点之一。本文着重阐述了现有的P型晶体硅太阳电池光衰减的机理与抑制（或消除）光衰减的措施。
1 衰减机理
Fischer和Pschunder在1973年发现了掺硼Cz-Si太阳电池的光衰减问题[1]，如图1所示。该研究表示1Ωcm掺硼直拉硅电池在光照一段时间后电池性能衰减较为明显；随光照时间的延长，衰减趋于稳定达到饱和值；后在一定温度光照一定时长后，电池性能得到完全恢复。经过几年的联合研究[2]，通过大量的实验清楚的认识了Cz-Si光衰减的缺陷，证实了引起Cz-Si光衰减缺陷的主要成分是硼和氧。研究指出在晶体硅中硅的原子半径要比B的原子半径大25%，故后者更易于吸引硅中的间隙氧原子。同时，由两个间隙氧原子组成的双氧分子O2i与替位的硼原子结合，从而形成B-O复合体。这种观点已得到Adey等的理论计算支持，并提出了如下反应的B-O形成机制模型。
2 改进措施
对于硼氧复合体来说，通常是采用降低硅材料中硼或氧含量、用其他掺杂元素来替代硼等措施进行改善，主要有以下
几种。
1）N型电池。
使用N型硅片也是解决电池光衰减问题的方法之一，主要是由于N型硅太阳电池对杂质的容忍度要明显大于P型硅电池。但从P型电池工艺的丝网印刷来看，N型电池在转换效率上一些关键工艺还有待解决，而且制造成本也没有优势。
2）优化减反膜。
Kang研究发现，虽然采用沉积SiCxNy减反膜比SiNx沉积减反膜的电池初始效率要低一些，但在效率的绝对光衰减方面，采用沉积SiCxNy要比沉积SiNx的电池低0.3%，衰减后两者效率相当。其原因是在SiCxNy薄膜中含有较多的碳，其会通过高温烧结的过程扩散到硅材料中，与氧来形成碳氧相关的复合体，减少了硅中氧的浓度，进而减少了硼氧复合体的浓度。
3）掺镓。
Meemongkolkiat等研究发现掺镓能够完全抑制光衰减，掺镓Cz-Si作高效电池具有很大潜力。但由于镓在硅中的分凝系数比硼在硅中的分凝系数要低，以致掺硼的硅棒电阻率比掺镓的硅棒电阻率在沿晶体生长方向的变化较大，使得工艺控制相对较难，这也是其现阶段仍难较大推广的原因所在。
4）采用磁控直拉硅单晶技术或降低硼的掺杂浓度。
磁控直拉硅单晶技术已经在生产中得到较好的应用，已证明其不仅能良好的控制直拉硅单晶中的氧含量，且能有效改善硅单晶电阻率的均匀性，但需提供激磁电源并配置磁场设备，增加了工艺难度与生产成本。降低硼的掺杂浓度，使用得到的高阻材料制作电池（如5-10Ωcm），但在制作背场时需要较高的工艺要求。
5）采用区熔单晶硅技术。
区熔单晶硅技术不仅有效抑制了直拉工艺中大量氧进入硅晶体的固有缺陷，而且彻底解决了P型（掺硼）太阳电池的光衰减现象。区熔单晶硅主要用于IC和其它半导体器件的硅片制造，但由于其生产成本较高，迫使一些公司对区熔单晶硅工艺进行相关优化，降低了成本，以适合于太阳电池硅片的制造，目前该项技术已取得了一定的成绩。
6）适当增加补偿度。
研究表明，只有未被磷补偿的硼才能与氧二聚物形成硼氧复合体。因此为了减弱光衰减，可适当增加补偿度来减少净硼含量。这是因为在补偿硅材料中，硼氧缺陷的浓度与净硼浓度呈线性关系。闻震利[3]等人发现在含B和其它杂质含量都比较高的硅材料中，通过掺入P补偿过多的B，可以延长少数载流子的寿命、提高低质量硅片的电阻率，从而提高电池效率，同时还能够达到抑制光衰减的目的。
7）提高掺硼P型直拉单晶硅棒的质量。
首先从多晶硅料的料源入手，避免掺入过多的其他不合格的次品硅料，如IC的废N型硅片或复拉的埚底料等，均会造成晶棒的氧含量高，位错密度大，内应力大，电阻率不均匀等现象，进而会严重影响太阳能电池的效率与稳定性。
8）加强电池生产工艺的过程控制。
在制绒过程中，尽量要使绒面小而均匀，要求做到无色差、花篮印、发白及手指印等现象；扩散工序要求方阻均匀性与PN结的深浅一致性；切边要求切除边上的PN结，切后漏电流要小一些；去PSG工序要求腐蚀过后表面清洁，沥水效果要好；丝印工序要注意浆料粘稠度与网板、硅片等相匹配才能达到比较好的效果，同时也要注意背面铝浆的厚度，栅线的宽度和高度等。
3 结束语
本文从发生光衰减的原理出发，讨论了如何抑制或减弱单晶电池的光衰减，结合我公司的现状与行业内的技术革新，给出了具体的应对措施：使用N型硅片、优化减反膜、掺镓、采用磁控直拉硅单晶技术或区熔单晶硅技术、适当增加补偿度、提高掺硼P型直拉单晶硅棒的质量及加强电池生产工艺的过程控制等，并在实际的生产中取得了显著的效果。通过以上相关工艺的优化，使得单晶电池的光衰减平均降低了2.7%，极大地改善了单晶电池的性能，提高了产品的质量，变相地增加了公司的经济效益。
参考文献
[1]Fisher H， Pschunder W. Investigation of Photon and Thermal Induced Changes in Silicon Solar Cells[R].CA， USA ： Proceedings of the 10th IEEE PVSC Palo Alto， 1973.404 -441.
[2]Saitoh T， et al. Light Degradation and Control of Low-Resistivity CZ-Solar Cells [R].11thPVSEC， 1999.553.
[3]闻震利，郑智雄，洪紫州，等.低质量Si材料制备太阳电池[J].电子·激光，2011，22（1）：82.
关键词 光衰减；掺杂；单晶硅；太阳能电池
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0037-01
晶体硅太阳电池是最重要的光伏器件，近年来一直是硅材料研究界和光伏产业界的重点关注领域。众所周知，常规的晶体硅太阳电池都是基于P型掺硼硅晶体制造的，但这种电池存在着光衰减现象，也就是指电池在服役过程中转换效率会发生迅速衰减的现象。该现象已经成为制约高效太阳电池发展的一个重要瓶颈。
目前光衰减现象的性质和机理还未完全清楚，它是当前国际上晶体硅太阳电池材料和器件方向的研究热点之一。本文着重阐述了现有的P型晶体硅太阳电池光衰减的机理与抑制（或消除）光衰减的措施。
1 衰减机理
Fischer和Pschunder在1973年发现了掺硼Cz-Si太阳电池的光衰减问题[1]，如图1所示。该研究表示1Ωcm掺硼直拉硅电池在光照一段时间后电池性能衰减较为明显；随光照时间的延长，衰减趋于稳定达到饱和值；后在一定温度光照一定时长后，电池性能得到完全恢复。经过几年的联合研究[2]，通过大量的实验清楚的认识了Cz-Si光衰减的缺陷，证实了引起Cz-Si光衰减缺陷的主要成分是硼和氧。研究指出在晶体硅中硅的原子半径要比B的原子半径大25%，故后者更易于吸引硅中的间隙氧原子。同时，由两个间隙氧原子组成的双氧分子O2i与替位的硼原子结合，从而形成B-O复合体。这种观点已得到Adey等的理论计算支持，并提出了如下反应的B-O形成机制模型。
2 改进措施
对于硼氧复合体来说，通常是采用降低硅材料中硼或氧含量、用其他掺杂元素来替代硼等措施进行改善，主要有以下
几种。
1）N型电池。
使用N型硅片也是解决电池光衰减问题的方法之一，主要是由于N型硅太阳电池对杂质的容忍度要明显大于P型硅电池。但从P型电池工艺的丝网印刷来看，N型电池在转换效率上一些关键工艺还有待解决，而且制造成本也没有优势。
2）优化减反膜。
Kang研究发现，虽然采用沉积SiCxNy减反膜比SiNx沉积减反膜的电池初始效率要低一些，但在效率的绝对光衰减方面，采用沉积SiCxNy要比沉积SiNx的电池低0.3%，衰减后两者效率相当。其原因是在SiCxNy薄膜中含有较多的碳，其会通过高温烧结的过程扩散到硅材料中，与氧来形成碳氧相关的复合体，减少了硅中氧的浓度，进而减少了硼氧复合体的浓度。
3）掺镓。
Meemongkolkiat等研究发现掺镓能够完全抑制光衰减，掺镓Cz-Si作高效电池具有很大潜力。但由于镓在硅中的分凝系数比硼在硅中的分凝系数要低，以致掺硼的硅棒电阻率比掺镓的硅棒电阻率在沿晶体生长方向的变化较大，使得工艺控制相对较难，这也是其现阶段仍难较大推广的原因所在。
4）采用磁控直拉硅单晶技术或降低硼的掺杂浓度。
磁控直拉硅单晶技术已经在生产中得到较好的应用，已证明其不仅能良好的控制直拉硅单晶中的氧含量，且能有效改善硅单晶电阻率的均匀性，但需提供激磁电源并配置磁场设备，增加了工艺难度与生产成本。降低硼的掺杂浓度，使用得到的高阻材料制作电池（如5-10Ωcm），但在制作背场时需要较高的工艺要求。
5）采用区熔单晶硅技术。
区熔单晶硅技术不仅有效抑制了直拉工艺中大量氧进入硅晶体的固有缺陷，而且彻底解决了P型（掺硼）太阳电池的光衰减现象。区熔单晶硅主要用于IC和其它半导体器件的硅片制造，但由于其生产成本较高，迫使一些公司对区熔单晶硅工艺进行相关优化，降低了成本，以适合于太阳电池硅片的制造，目前该项技术已取得了一定的成绩。
6）适当增加补偿度。
研究表明，只有未被磷补偿的硼才能与氧二聚物形成硼氧复合体。因此为了减弱光衰减，可适当增加补偿度来减少净硼含量。这是因为在补偿硅材料中，硼氧缺陷的浓度与净硼浓度呈线性关系。闻震利[3]等人发现在含B和其它杂质含量都比较高的硅材料中，通过掺入P补偿过多的B，可以延长少数载流子的寿命、提高低质量硅片的电阻率，从而提高电池效率，同时还能够达到抑制光衰减的目的。
7）提高掺硼P型直拉单晶硅棒的质量。
首先从多晶硅料的料源入手，避免掺入过多的其他不合格的次品硅料，如IC的废N型硅片或复拉的埚底料等，均会造成晶棒的氧含量高，位错密度大，内应力大，电阻率不均匀等现象，进而会严重影响太阳能电池的效率与稳定性。
8）加强电池生产工艺的过程控制。
在制绒过程中，尽量要使绒面小而均匀，要求做到无色差、花篮印、发白及手指印等现象；扩散工序要求方阻均匀性与PN结的深浅一致性；切边要求切除边上的PN结，切后漏电流要小一些；去PSG工序要求腐蚀过后表面清洁，沥水效果要好；丝印工序要注意浆料粘稠度与网板、硅片等相匹配才能达到比较好的效果，同时也要注意背面铝浆的厚度，栅线的宽度和高度等。
3 结束语
本文从发生光衰减的原理出发，讨论了如何抑制或减弱单晶电池的光衰减，结合我公司的现状与行业内的技术革新，给出了具体的应对措施：使用N型硅片、优化减反膜、掺镓、采用磁控直拉硅单晶技术或区熔单晶硅技术、适当增加补偿度、提高掺硼P型直拉单晶硅棒的质量及加强电池生产工艺的过程控制等，并在实际的生产中取得了显著的效果。通过以上相关工艺的优化，使得单晶电池的光衰减平均降低了2.7%，极大地改善了单晶电池的性能，提高了产品的质量，变相地增加了公司的经济效益。
参考文献
[1]Fisher H， Pschunder W. Investigation of Photon and Thermal Induced Changes in Silicon Solar Cells[R].CA， USA ： Proceedings of the 10th IEEE PVSC Palo Alto， 1973.404 -441.
[2]Saitoh T， et al. Light Degradation and Control of Low-Resistivity CZ-Solar Cells [R].11thPVSEC， 1999.553.
[3]闻震利，郑智雄，洪紫州，等.低质量Si材料制备太阳电池[J].电子·激光，2011，22（1）：82.