本文選題：晶體硅太陽電池　切入點：選擇性發(fā)射極　出處：《江南大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著能源問題的日益突出,太陽能作為一種可再生的清潔能源,越來越受到人們的關(guān)注,太陽電池的應(yīng)用前景也越來越廣泛。無論是在生產(chǎn)還是實用中,晶體硅太陽電池一直是太陽電池領(lǐng)域的主力軍。但是,國內(nèi)民用太陽電池的普及率依然很低,因此降低生產(chǎn)成本和提高效率一直是太陽電池制造公司的努力方向。本論文以選擇性發(fā)射極和背鈍化背摻雜(PERL)結(jié)構(gòu)的晶體硅太陽電池作為研究對象,重點研究了PERL太陽電池的正面選擇性發(fā)射極的制備方法、背表面處理方法、擴散和氧化之前硅片表面清洗方法的改進(jìn)、AlO_x/SiN_x疊層膜的鈍化效果的改善、背面局部硼摻雜及金屬化、PERL結(jié)構(gòu)與鑄造單晶襯底的匹配與衰減情況等。本論文首先研究正面選擇性發(fā)射極的摻雜激光。分別選用1064 nm的紅外調(diào)Q激光和532 nm的連續(xù)激光對電池進(jìn)行磷摻雜,考慮摻雜后樣品的方塊電阻、少子壽命后,確定合適的激光器。在平衡磷摻雜濃度和激光損傷之間的關(guān)系后,確定最適宜的激光功率值。并且研究發(fā)現(xiàn)選擇性發(fā)射極電池具備匹配高方塊電阻的能力。最后優(yōu)化了正面柵線間距。在得到最佳正面選擇性發(fā)射極的制備方案之后,通過改變背面形貌、改善熱擴散/氧化前的高效清洗可以非常顯著地改善PERL太陽電池的電性能。本論文中分別用堿拋光和酸拋光兩種方法對電池背面進(jìn)行處理。堿拋光處理部分具體研究了兩種背面SiN_x鈍化膜的厚度。綜合考慮背鈍化效果、對摻雜激光反射的效應(yīng)、背面反射率和IQE(Internal Quantum Efficiency)以及背面Al金屬附著力的因素后,確定了SiN_x鈍化膜的厚度。隨后嘗試用酸拋光實現(xiàn)硅片背面平坦化,確定酸拋光的減薄量。高效清洗部分討論了RCA和SPM兩種清洗方法。在對比了兩種清洗方法的清洗效果、穩(wěn)定性、可重復(fù)性和物料成本、人力時間成本后,確定SPM為PERL高效電池的清洗方法。之后繼續(xù)后道背鈍化的研究。背鈍化部分主要優(yōu)化并評估AlO_x/SiN_x疊層膜對PERL電池的鈍化效果。首先用Matlab結(jié)合光學(xué)導(dǎo)納特征矩陣法,擬合出最高背反射率對應(yīng)的AlO_x/SiN_x疊層膜厚值。然后進(jìn)行AlO_x/SiN_x疊層膜制備初期調(diào)整,包括評估熱退火及退火方法、鈍化層的沉積順序?qū)杵僮訅勖挠绊�。結(jié)果發(fā)現(xiàn) 背面AlO_x—背面SiN_x—正面SiN_x‖的鈍化層沉積順序配合鏈?zhǔn)綘t退火可最大程度上利用場效應(yīng)鈍化和化學(xué)鈍化。最后經(jīng)過大量實驗對AlO_x/SiN_x疊層鈍化膜厚度的模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證。AlO_x過厚的話,薄膜表面會出現(xiàn)氣泡,而氣泡會降低背鈍化、背反射效果,所以AlO_x不能過厚。在平衡SiN_x的氫鈍化作用和對AlO_x場效應(yīng)鈍化的削弱作用后,確定其厚度。除了PERL電池的背鈍化以外,本論文對器件的背面硼摻雜做了大量的研究工作,包括背面激光摻雜硼、激光損傷修復(fù)、背金屬接觸以及N2氛圍低溫?zé)嵬嘶饘ERL電池的影響,并開發(fā)PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法制備摻硼非晶介質(zhì)硼源的方法。背面激光摻雜硼部分,試驗了兩種激光器,測試硼摻雜濃度和深度之后選定了355 nm準(zhǔn)連續(xù)紫外高頻鎖模激光器。然后通過實驗分析激光摻雜后的少子壽命(τeff)、ECV(Electrochemical Capacitance-voltage)摻雜曲線、SEM(Scanning Electronic Microscopy)激光剖面圖,確定激光掃描速率和功率。為了修復(fù)激光損傷,首先用堿溶液腐蝕激光輻照處。結(jié)果表明,堿溶液腐蝕會過度,激光摻雜進(jìn)硅片的硼原子會被腐蝕掉,此方法不可行。而后又嘗試使用FGA(Forming Gas Annealing)對摻雜后的硅片進(jìn)行熱處理。這一方法利用氫鈍化效應(yīng),可有效恢復(fù)硅片的少子壽命、修復(fù)激光損傷。背金屬接觸部分主要研究了三種燒結(jié)溫度。考慮到對太陽光的背反射效果、形成的背場類型(B-BSF或Al-BSF)以及金-半接觸效果,確定了使用旋涂法制備激光摻雜源的電池的燒結(jié)溫度。PERL電池制備完成后,經(jīng)過一個特定的熱退火過程,效率可得到一定的提升。這一過程的作用機理是:被氫鈍化的硼原子呈電中性狀態(tài),導(dǎo)電能力下降;低溫?zé)嵬嘶鹂杉せ钆鹪?電活性硼原子含量的上升有助于降低飽和電流密度和串聯(lián)電阻,提升電池效率。另外,為了增強工藝的集成性、減少工藝步驟并實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié),對PECVD法制備摻硼非晶介質(zhì)硼源作了研究。實驗首先對比了用乙硼烷和三甲基硼為硼源制備出的SiO_2(B)的ECV摻雜曲線,選定乙硼烷為摻雜硼源。然后,分別研究了不同厚度SiO_2(B)電池的摻雜特性、背面光特性以及電性能,確定介質(zhì)厚度。接下來討論了不同折射率的SiN_x(B)對PERL電池的影響。最后,a-Si(B)部分具體研究了五種不同的燒結(jié)條件。結(jié)果表明,使用a-Si(B)作為激光摻雜的硼源載體,可在保證電池效率的同時實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)。最后,本論文還進(jìn)行了將硼摻雜PERL結(jié)構(gòu)的太陽電池匹配在鑄造單晶襯底上的研究,然后評估其對光致衰減的抗性。首先優(yōu)化了一些重要的制備參數(shù),包括發(fā)射極方塊電阻、背面SiN_x厚度、背面激光圖形和背面Al電極燒結(jié)溫度。然后對制備好的電池進(jìn)行特定氛圍下的低溫?zé)嵬嘶�。退火后BOi對被轉(zhuǎn)化成電活性的硼原子,電池的效率得到了小范圍的提升。最后用氙燈連續(xù)照射電池進(jìn)行光致衰減研究,發(fā)現(xiàn)鑄造單晶PERL電池效率衰減遠(yuǎn)小于單晶PERL電池效率的衰減。這是因為鑄造單晶硅襯底中的間隙氧含量比單晶硅襯底的間隙氧含量低接近一個數(shù)量級。這一穩(wěn)定性的優(yōu)勢使得鑄造單晶PERL電池適用于大規(guī)模生產(chǎn)。本論文的重點在于解決PERL電池背面的問題,即背拋光、背鈍化、背摻雜、背金屬化問題;適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化的問題,即正面光導(dǎo)電鍍、高效清洗、PECVD沉積硼源法的問題;重?fù)脚餚ERL電池衰減的問題等。論文側(cè)重于對實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析,希望通過這些研究能夠?qū)ERL太陽電池有更深刻的理解,對今后的研究工作能夠提供某些指導(dǎo)性的建議。
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【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1596879