单晶硅与多晶硅电池衰减特性研究

着重研究直拉单晶硅电池及铸锭多晶硅电池衰减的差异，以及导致差异形成的原因。结果表明，该差异的形成主要受B-O 复合体、碳含量、分凝系数及金属离子的影响。

引言

太阳电池和发电技术的大面积推广，对传统化石燃料发电技术形成了强大冲击，在能源日益枯竭和环境污染日趋加剧的今天，其研究备受关注。太阳电池按照所用材料的区别，主要分为硅材料电池、半导体化合物电池、有机化合物电池，以及近年来研究活跃的钙钛矿电池。其中，硅材料电池中的晶体硅电池又分为单晶硅和多晶硅电池两大类，占据了90%左右的市场份额[1]。众所周知，单晶硅电池光致衰减(LID)一直是困扰行业的一大难题，特别是近年来新开发和产业化的钝化发射极和局部背接触(PERC)电池，其LID值更是高达3%～5%;然而同为p型多晶硅电池的LID却始终较低。同样的掺硼电池，不同的晶体生长方式最终导致不同的LID值。本文着重研究LID的影响因素，以及不同晶体生长方式对LID值的影响。

1、LID的影响因素

影响LID的因素为：1)硼氧(B-O)复合体。B-O复合体是影响LID的主要因素之一，LID值与B浓度成正比，与O浓度平方成正比[2]。2)晶体内部碳(C)含量。高浓度的C对B-O复合体存在抑制作用[3]。3)分凝系数。氧在硅中的分凝系数为1.25，因此对于直拉单晶硅来说，头部的O含量相对较高，尾部相对较低;而对于铸锭多晶硅来说，底部先凝固，则O浓度最高;顶部后凝固，则O浓度最低。4)硼铁(Fe-B)对的分解-复合模型。Fe-B对分解成Fe和B，高能级的Fe复合中心使硅片受到Fe污染，从而引起电池性能下降。

2、试验设计

2.1试验仪器

硅片C/O含量、少子寿命，以及硅片厚度等参数分别采用Nicolet8700傅立叶红外(FT-IR)光谱仪、德国SemilabWT-1000少子寿命测试仪、上海星纳MS203晶片多功能参数检测仪进行测试;电池光照处理采用上海太阳能工程技术研究中心HS1610C热斑耐久试验装置;光照前后的电池性能参数测量采用德国H.A.L.M高精度I-V测量系统;采用中导光电设备有限公司的FL-01一体机进行硅片的光致发光(PL)和电池的电致发光(EL)测量。

2.2试验样品及处理

样品采集相同电阻率(1～3Ω)的铸锭多晶硅(MC-Si)及直拉单晶硅(CZ-Si)，测试其原料硅片各项参数并作相应记录;然后将样品经过相同电池加工工艺处理后，分别选取10片电池片，

采用热斑耐久试验箱进行光照处理，光照强度1000W/m2，时间5h;采用相同系统测量光照后的电池性能参数，计算光照过程中衰减比例。

3、结果与分析

硅片各项参数对应光致衰减值见表1，其中，衰减1和衰减2代表同一条件下电池衰减的两次测试。由表1可知，相同电阻率的MC-Si及CZ-Si衰减的差异主要来源于O浓度和C浓度的变化。由于MC-Si铸锭过程中采用的是陶瓷坩埚，其主要化学成分SiO2(99%)、Al2O3(0.5%)、GaO(0.5%)和Si3N4涂层;而CZ-Si拉晶过程中采用石英玻璃坩埚，其主要化学成分是单一高纯度的SiO2(100%)，并且采用高纯SiO2作为涂层材料[4]。

陶瓷坩埚本身的SiO2含量较石英玻璃坩埚偏低，并且Si3N4涂层中O含量较高纯SiO2涂层偏低，从而导致多晶硅较单晶硅O含量明显偏低;此外，B-O复合体是影响LID的主要因素之一，LID值跟B浓度成正比，与O浓度平方成正比[2];所以说，多晶硅O含量偏低是导致多晶硅电池衰减偏低的主要原因(如图1所示)。

其次是碳含量，碳的分凝系数以及拉晶和铸锭过程中的热场分布的不同，造成MC-Si中C含量明显高于CZ-Si，而高浓度的C对B-O复合体存在抑制作用[3]。这也是导致多晶硅电池衰减低于单晶硅电池的原因之一如图2所示。另外，影响LID的因素还有分凝系数，O在硅中的分凝系数为1.25，对于CZ-Si来说，拉晶过程中头部先凝固，因此头部O含量最高;随着熔体的减少，坩埚贡献的溶解O的浓度再次增加，受熔体对流的影响，晶体中O浓度后期再次升高;整个晶体中O浓度呈现连续变化的曲线关系，称之为轴向O曲线[5]。而对于MC-Si来说，底部先凝固，O浓度最高;顶部最后凝固，O浓度最低。

MC-Si相比较CZ-Si晶界以及缺陷较多，针对缺陷是否会造成LID的差异这一问题，我们进行了研究，结果表明，缺陷对LID影响不大。这与王朋[6]等对关于MC-Si中缺陷对LID的影响研究结果相吻合。

4、结论

通过以上分析得出，导致MC-Si与CZ-Si光致衰减差异的因素主要有以下几点：

1)硼氧(B-O)复合体。不同的工装器具导致MC-Si与CZ-Si中O含量的差异。多晶硅O含量偏低是导致多晶硅电池衰减偏低的主要原因。

2)晶体内部C含量。碳的分凝系数以及不同的热场分布导致MC-Si中C含量高于CZ-Si，多晶硅C含量偏高是导致多晶硅电池偏低的原因之一。

3)分凝系数。对于CZ-Si来说，整个晶体中O浓度呈现连续变化的轴向O曲线。

4)缺陷对LID影响不大。

参考文献

[1] 肖焕成. 未来五年太阳能电池市场属于单晶硅[EB/OL].http：//www.qianzhan.com/analyst/detail/220/141119-621f6fbf.html， 2014-11-19.

[2] Schmidt J， Bothe K. Structure and transformation of themetastable boron- and oxygen-related defect center in crystallinesilicon[J]. Physical Review B， 2004， 69(2)： 024107.

[3] Macdonald D H， Geerligs L J， Azzizi A. Iron detection incrystalline silicon by carrier lifetime measurements for arbitraryinjection and doping[J]. Journal of Applied Physics， 2004， 95(3)：1021 - 1028.

[4] 陈圣贤， 汪钉崇. 多晶硅铸锭石英陶瓷坩埚及涂层[A]. 第十届中国太阳能光伏会议论文集[C]， 常州， 2008.

[5] Ben D， Mohamed H， Ajeet R. Light induced degradationin Cochralski silicon during illuminated high temperatureprocessing[A]. Conference Record of the 29th IEEE[C]， NewOrleans， Louisiana， 2002， 348 - 351.

[6] Damiani B M. Investigation of light induced degradation inpromising photovoltaic grade silicon and development of poroussilicon anti-reflection coatings for silicon solar cells[D]. Georgia：Georgia Institute of Technology， 2004.