0.2%转换效率提升的磷硅玻璃激光掺杂选择性发射极技术
Selective Emitter Cells with 0.2% efficiency gain by PSG lar-doping 刘仁中、杨红冬、李海波、赵晨、王冕、董经兵、陶龙忠、张斌、邢国强
Liu Renzhong, Yang Hongdong, Li Haibo, Zhao Chen, Wang Mian, Jeffrey Dong, Tao Longzhong, Steven
Zhang, Xing Guoqiang
海润光伏科技股份有限公司
Hareon Solar Technology Co., Ltd
作者简介：
验，现主要从事湿法、扩散方面的工作。
Liu Renzhong, joined Hareon Solar R&D Center in Aug. 2010, with ven years
experience in crystalline silicon solar cell development, now mainly working on wet
and diffusion process.
摘要：磷硅玻璃激光掺杂选择性发射极技术（PSG lar doping Selective Emitter: PSG-LD-SE）是低固定资产投入、经济效益高的太阳电池先进技术之一，它具有高产量、低耗材等优点。为了得到较高的转换效率，需对匹配工艺进行摸索，主要包括激光能量密度的选择和激光损伤去除等。激光掺杂后，通过湿法腐蚀可以很好的去除激光损伤和扩散死层。通过以上调整，156单晶电池有0.2%以上的效率提升，电流密度提高0.5mA/cm2，开路电压提高3mV以上。
关键词：选择性发射极；磷硅玻璃掺杂；表面腐蚀；太阳电池
Abstract: PSG-Lar-doping Selective Emitter (PSG-LD-SE) is one of the most cost-effective technologies to form lective emitter with low capex, high throughput and little consumable materials. In order to get higher conversion efficiency, lar-doping energy density and lar damage removal should be optimized. After lar-doping, the emitter need to be etched back precily to rem
ove the lar-damaged layer and diffud dead layer. We achieved 0.2%abs. efficiency gain on 156mm mono crystalline solar cells, with the improvement of ~0.5mA/cm2 in J sc, and ~3mV in V oc.颜色搭配
Keywords: Selective emitter, PSG-lar-doping, etch-back, solar cell
1引言
太阳电池的主要发展方向是低成本、高效率，而选择性发射极技术是可以实现高效率的技术之一，25%效率的PERL电池正是采用了选择性发射极技术。选择性发射极技术主要具有以下两个特征：1）金属栅线与硅片接触区域为重掺杂区；
2）受光区域为轻掺杂区。气节是什么意思
SE结构可提高短波响应、改善短路电流、开路电压，同时重掺区可以降低金属栅线与硅片接触部位的接触电阻，改善填充因子，从而提高转换效率[1]。
目前产业化的SE技术主要有[2]：
1）二次扩散法全国教书育人楷模
初期阶段制备SE太阳电池通常采用二次扩散法，重扩散和浅扩散分两次进行，工艺步骤比较复杂而且给硅片带来较大的热损伤，尤其对多晶硅片影响严重。
2）湿化学反刻法
湿化学反刻法是Schmid公司的专利技术，它的主要特点是在重扩硅片表面喷涂与印刷电极图形一致的有机Ink作为腐蚀阻挡层，在HF/HNO3/H2O腐蚀液中对阻挡层外的重扩区域进行腐蚀形成浅结。此方法的优点是流水线作业、产量大，易于产业化，它的缺点是反刻工艺控制困难，成本较高。
3）丝网印刷硅墨法
丝网印刷硅墨法是扩散前在硅片表面印刷与印刷图形一致的硅墨，通过高温加热进行扩散，印刷硅墨的区域形成重扩区，其他位置形成轻扩区。该方案的优点是工艺简单，硬件投资少，它的缺点是扩散温度高，硅墨价格高，图形稳定性差。
4）激光涂源掺杂法
激光涂源掺杂法是先在硅片表面喷涂磷浆，后用激光进行重掺，最后通过电镀的方式形成电极栅线。该方案的优点是细栅密排，栅线宽度达到40um以下，可有效增大光吸收面积，同时密排对改善FF有较大作用，该方案的缺点是硬件投资大，金属栅线拉力差。
5）激光磷硅玻璃掺杂法
激光磷硅玻璃掺杂法是近期研究较多的SE新技术，它主要是用磷硅玻璃（PSG）作为磷源，采用激光烧蚀的方式形成重掺，本文章将对激光磷硅玻璃掺杂法进行研究。
跳长绳技巧2实验方法
原料硅片采用156mm*156mm P型单晶硅片，硅片电阻率（1-3）Ω/sq，硅片厚度（200±20）µm，电池工艺流程请见图1[3]：
Conventional Lar Doping SE
图1：常规电池与PSG-LD-SE电池工艺流程对比
Figure1. Process scheme for a reference and PSG-LD-SE.
制绒采用Inline式（HF+HNO3+H2O）酸腐蚀体系制绒，制绒温度（6±0.5）℃，减重控制（0.40±0.02）
g 。扩散采用POCl3高温扩散，方阻控制100Ω/sq [4]。Lar 采用波长为532nm 的绿光激光器，激光能量(0.3-3)J/cm 2可调。Etch Back 采用浓度为5%的NaOH 溶液，非Doping 区域PSG 可作为保护层。ARC SiNx Coating 采用40KHz 管式PECVD ，膜厚控制84±2nm 。丝网印刷背银、背场、背极分别采用A 、B 、C 浆料，烧结温度采用930℃。
南方有令秧测试方面，扩散方阻采用七星四探针测试仪测试，表面浓度采用WEP-CVP21 ECV （Electrochemical Capacitance V oltage ）测试，硅片表面形貌图采用Hitachi S-4800 SEM （Scanning Electron Microscope ）测试，结区漏电测试采用Sinton WCT-120。
3结果和讨论
3.1激光能量密度对掺杂区方块电阻的影响
激光掺杂区的方块电阻是SE 电池性能的重要影响因素，实验中我们首先确认不同激光能量密度对掺杂区方块电阻的影响：扩散方阻固定为100Ω/sq ，方阻电阻测试区域大小4cm*4cm ，激光能量密度从（0.3-3）J/cm 2变化，实验结果请见图2：
图2：掺杂区方块电阻（重扩方阻）随激光能量密度的变化趋势 Figure2. Sheet resistance variation of different lar energy density,
before doping the emitter sheet resistance is 100Ω/sq.
图3：掺杂区表面浓度随激光能量密度的变化趋势 Figure3. Doping profile variation of different lar energy density.
从图2中可以看出，随着激光能量密度的增大，方块电阻逐步降低，激光能量密度从0.3J/cm 2升高
-3暗示教学法
到3J/cm2，掺杂区方块电阻从100Ω/sq依次降低至25Ω/sq，当激光能量密度达到1.5J/cm2后，方块电阻下降趋势明显减弱。同时激光掺杂区方阻在100Ω/sq到25Ω/sq之间变化，可以满足SE电池对重扩方阻的要求。
3.2激光能量密度对掺杂区表面磷浓度的影响[5] [6]
掺杂区表面磷浓度是接触电阻的重要影响因素，我们验证了激光能量密度对掺杂区表面P浓度的影响，扩散方阻保持100Ω/sq不变，请见图3：
从图3中可以看出，激光能量密度越大，掺杂区表面P浓度越低，当激光能量密度达到1.8J/cm2时，表面P浓度由未掺杂时的5.24*1020/cm3降低至2.85*1020/cm3，下降幅度明显。表面P浓度的降低导致接触电阻变差，为了得到较好的接触电阻，应选择适当的激光能量密度。
3.3激光损伤及激光损伤对结区的影响
本次实验通过SEM和结区漏电流J02对激光损伤进行了测试表征，激光掺杂前和激光掺杂后的SEM 对比请见图4：
A B C
图4：绒面图对比，A)掺杂前，B)掺杂后，C)反刻后
田野怎么形容Figure4. Texturization SEM comparison, A) Reference, B) After lar doping, C) After etch back.
从图4中可以看出，激光掺杂后硅片表面形貌有明显变化，绒面金字塔尖部破坏严重。
清蒸
常规电池与激光掺杂SE电池的结区漏电流J02对比请见图5：
图5：常规电池与激光PSG掺杂后、反刻后SE电池结区漏电流J02对比
Figure5. J02 comparison of reference, after lar doping and after etch back solar cell.
从图5中可以看出，PSG-LD-SE电池与常规电池相比J02有明显上升（约是常规电池的10倍），如何降低激光损伤、减少结区漏电是下一步的主要研究内容。
3.4 反刻（Etch Back）
我们尝试采用化学腐蚀的方法改善激光损伤，用浓度为5%的NaOH溶液对lar Doping区域进行反刻，
反刻前后SEM对比图请见图6：
从图4中可以看出，反刻对lar doping区域有较大影响，除金字塔尖部外其他区域改善明显。
图5对比了采用反刻工艺SE电池与没有采用反刻工艺SE电池的结区漏电流J02：
采用反刻工艺后，J02由1.0*10-8A/cm2降低至0.4*10-8 A/cm2，结区漏电已得到很好地改善。
3.5电池效率对比
较高的转换效率是SE电池的主要目的之一，我们通过对比实验确认了PSG-LD-SE电池的转换效
表1：没有采用与采用反刻工艺PSG-LD-SE电池J02对比
Table1. Conversion Efficiency comparison of reference, without etch back and with etch back PSG-LD-SE solar cell.
与常规电池相比，采用反刻工艺后PSG-LD-SE电池的Jsc提高0.48mA/cm2，Uoc提高2.9mV，Eta 提高0.24%，同时由于doping后表面P浓度的降低，PSG-LD-SE电池的FF低于常规电池。与不采用反刻工艺相比，采用反刻工艺电池的优势明显，Jsc提高0.29 mA/cm2，Uoc提高0.8mV。Eta提高0.20%。
4结论
PSG Lar-doping SE技术是一种易于实现量产的SE技术，其工艺流程简单、与现有产线兼容强、硬件投资少，与其他SE技术相比具有较大的优势。为了得到较好的效率提升，首先应在保证重扩条件下采用尽量小的激光能量密度，避免表面浓度过分降低导致接触电阻变差，其次应采用反刻或其他方式改善激光损伤，将激光损伤对电池性能的影响降至最低，通过以上优化，单晶PSG-LD-SE电池的转换效率可提高0.2%以上。
参考文献
1赵建华，王艾华，高鹏，倪志春，王继磊，一种选择性发射极晶体硅太阳电池及性能分析，10th中国太阳能光伏会议，2008
2沈辉，选择性发射极晶体硅太阳电池，2011第七届中国（杭州）太阳能级硅及光伏发电研讨会，2011
3Anne-Kristin V olk, Ulrich Jaeger, Jochen Rentsch and Ralf Preu, A Novel approach for mask-free lective emitter technology combining lar doping and wet chemical etch back, 26th European PV Solar Energy Conference and Exhibition, 2011
4Mohamed M.Hilali, Member, IEEE, Ajeet Rohatgi, Fellow, IEEE, and Sally Asher, Development of Screen-Printed Silicon Solar Cells With High Fill Factors on 100Ω/sq Emitters, IEEE, 2004
5Malte SCHULZ-RUHTENBERG, Anja HAEBERLE, Richard RUSSELL, Jo Luis HERNANDEZ and Stephan KRANTZ, Influence of the Pul Width for Visible Puld Lar Doping for Crystalline Solar Cells Using Phosphosilicate Glass, JLMN-Journal of Lar Micro/Nanoengineering V ol 6, No.1,2011
6Uorich Jager, Sebastian Mack, Achim Kimmerle, Andreas Wolf and Ralf Preu, INFLUENCE OF DOPING PROFILE OF HIGHLY DOPED REGIONS FOR SELECTIVE EMITTER SOLAR CELLS, IEEE,2010
