太阳电池中串联和并联的影响

● ● 第 11卷 第 1期 1991年 3月 云南师范大学学报 Journal of Y — u — nn — a ． — ． n — — — — N — ． ． ． o ． ． ． r ． ． m ． ． ． ． ． a ． ． 1 ．． ． ． U ． ． ．． ． n ． ． ． i ． v ． ． ． ． e — r — s Vof．1l No．1 M af． 1991 太阳电池电极工艺对其并联电阻和影响 汪义川 陈庭金 (云南半导体器件厂) (云南师太太阳能所) 摘 要 本文通过 ~10Omm太阳电{忸 I进生产线上产品成批不合格的事例·发现了并联 电阻 R 低是影响大面积太阳电池效率舶重要参散．R h得到改善后，平均转换效率 >l3％- 本研究是对引进技术一次良好的消化吸收和充实过程．对指导生产起了关键作用． 关键词 太硐电池 电极工艺 并联电阻 1 f言 1987年 7月云南半导体厂引进 TPK公 司太阳电池生产线调试完毕，联动试车成功．产品 达到合 同规定：转换效率 ≥9％， ≥12％，台格率 ≥90％．验收产品电池 12．5％， 台格率为 91．3％．并生产了 5KM 电池出口．但是，好景不长，从 1988年 3月开始，出现了 一 个严峻的现象，即产品连续出现不台格 转换效率低，台格率低于 9％．经反复研究实 验，找到了影响产品质量的主要原因：R b值太低．并解决了提高R b值的工艺方法． 2 产品质量分析 引进线生产的TDBlo0太阳电池参数为： 短路 电流 ≥2300mA，开路电压 V。 ≥580my，串联电阻 R。≤0．03n，并联电阻 R ≥ 5~1，填充光因子 FF≥70％，转换效率 ≥l2％． 规范参数表明应达到的，但是，除 外，不要求同时达到．研究中，电池电学参数采 用 CT一100测试仪对单体太 阳电池进行全面测试，其终端可显示从零起，每隔 I2mV一 个电流值 ，或 固定显示每隔 24mV对 应的电流值 同时，可显示 I—V 曲线，给 出 、 V 、FF、P “、V ，I aI、R。h、R‘1叮等数据． 侧：光强 100row／ cm (AM1．5)，25"C， 100ram V(mV) I(mA) V(mv) I(mA) 0 2338 480 2024 24 233I 504． 1840 48 2329 '528 I522 72 2324 552 10l1 572 268 1989年一09-13收稿 维普资讯 http://www.cqvip.com 云南师范大学学报(自然科学版) 第 1l卷 I∞ 2338mA， voc= 584mA． FF= 71-3％ ， P = 974mw· V⋯ = 468m ， 一 2082， R 一 6．41D， R 一 0．03f~， 12 5％ · 下面表 (一)是多批各种档次的不台格产品，其参数的测试平均值． 表( 1 V。 FF Rsh RE 叼 档次 (mA) (mv) (％) (O) fn) (％) A l905 410 25．9 O．23 O．175 2．6 B 2077 470 27．4 O 26 0．146 3．4 C 2086 528 33．4 O．36 0．079 4．7 D L980 550 40．5 O 5O 0．048 5．7 E L944 565 47．9 O 69 0．045 6．7 F 2000 570 52．4 0 76 0．040 7 G 212L 572 ．55．3 O．96 0．040 8．2 表 中数据指 出： R 上升， R 下降 不影 响 I ．但影 响 V ；R 不影响 V口c， 而对 FF和 影响很大，卜V特性很坏． 则 FF和 上升．理论和实验结果一致指出 R“ 但影响I 由于 R R 分别影响 V。。和 I ，从 用 DT一830数字表测 电池的 P_N结正反 向特性．无一例外的显示出正向 反向有近 似相等 的阻抗值，且其值较低．结果列于表 (二)中 表 (二) 电池编号 l# 。 2# 3# d# 正 向 0．002 0003 0．009 O．OO5 反 向 0．002 0．003 0．010 0．006 显然，电池 P—N结处于空穿通状态 当我们把电池四周掰掉，直到只剩 t一2cⅢ时 再测量，其结果但然是正反向一样． 同样测 ≥12％的电池，其正 反向阻抗数据差别较大，结果如表 (三)所示． ， 表 (三) 电池编号 l# 2# 3# 4# 正 向 0．OO6 0．o09 O．Oo2 O．0O2 反 向 0．090 0．073 0．033 0．026 生产中还发现．在烧结电极时无论升温还是延时，只要 R 低，则 R。就偏 大．当 R 值台格时， R 也有好的值．以上分析表明 R 低是造成产品不合格的主要原因之一． 当我们调研提高 R 值的方法时，发现太阳电池 R。 的研究资料鲜为人见．人们多半 论述R；对 r／的影响．曹泽淳“ ．洪垣 的文章，以及书籍 0 ·’ 中．对 R h仅有一般论 述，或认为 可 以作得很大，因而对效率的影 响可以不考虑 值得指出的是：上述研究 都是以几个平方厘米的小面积太 阳电池作为对象得出的结论 ● 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 饪义川等：太阳电池电极工艺对其并联电阻和影响 45 3 实验研 究及其结果 一 从我们的生产工艺看，以下几个因素与 R 有关：1．硅材料，2．切片损伤层 3．太阳 电池周边扩散层的去除_4_绒面扩散层的保护．5 电极烧结温度和时间，为此，我们对上述五 方面进行了实验研究．在实验过程 中，我qlY-发现一个新的重要因素：R b与浆料有关．下 面简述实验研究结果． ． · ) ． 与 硅材料 的关系 ’ 用三 家的硅片做了对此 她 l蛄 果示干 表 表 (四) 硅材料厂家 电阻率)(0．cm) R b(0) FF(％) (％) 日本梧宫 1．18 2．56 63．1 9．64 739厂 O．96 3．66 66．4 1O．06 云南半导体器件厂 1．O8 2．25 62．2 9 34 表 (四)指出：R 与材料有关．739厂的单品硅片结果好一些，但总的讲来差别不大． 3．2 R 与切片机械损伤层的关系：单晶硅棒用切片机切割成片对，因机械切割使硅片表 受到损伤的 区域可分为四部分，即表面粗糙区、碎裂区，位错网络区和弹性应变区 对高 精度切片机，损伤区的总厚度约 10～2O m．这些表面损伤区若不去除，将在高温扩散时产生 大量的表面复合中心，增加表面复合速率，减少扩散区域流于寿命．从丽降低太阳电池效 率．制造太 阳电池时，去除表面损伤区，可通过制绒面减薄硅片实现 一步法制绒面工艺 中，NaOH浓度 2_3％，温度 78"C，时阊4o分钟．各向异性腐蚀结果列于表 (五)中 表 (五) ‘ 编 号 1 2 3 d 5 6 7 8 9 10 l】 12 平均 腐蚀前硅片厚度( m) 460 456 458 460 461 4．58 460 460 461 461 457 458 459 腐蚀后硅片厚度 m) 395 407 392 389 389 387 385 383 383 388 385 383 389 电阻率(Qcm) 0．88 0 90 0．90 0．91 0 88 0．87 O 87 0．86 0．86 O．85 O．85 O，87 O 88 厚度、电阻率均用 Sologon200无接触厚度电阻牢测试仪测得，表中所列硅片减薄厚度 均在 49,urn以上，因此所制出的绒面基片的表面机械损伤层B完全去除 但用这些基片作 的实验电池，其 Rgb=1．22~，故机械损伤不是我们生产工艺导致低 R h的原因 在生产 中t每批投料都把硅片减薄厚度作为个一重要参数来检测，并调整腐蚀温度和时间，保证 硅片减薄厚度在 40um 以上． 3．3 R b与周边扩散 P—N 结去踩的关系 ：基片周边因扩散形成 P—N 结，若去陈不尽， 将造成 电池短路．生产中我们用等离子体腐蚀法去除周边 p-N结 ，其腐蚀反应方程为： 射频电场 CF 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 e+4F’ si+ 4F ’一 一 一 一 一 一 一 一 一 SiF2十 维普资讯 http://www.cqvip.com 云南师范大学学报(自然科学版) 第 ll卷 上述反应与射频电场的能量，c 的流量，电池片数目和反应时问有关．腐蚀后可用 冷热探针法检查边缘 P_N 结是否去除干净．当电池边周均呈现 P型硅后，则确认同边 P-N 结巳被去除． 3．4 R 与绒面扩散层是否损坏有关：电池表面用腐蚀法制成的绒面，对人射光有强的减 反射性能，是其优点．但是，扩散后 的硅片在各种操作工序中必须精心-稍不注意就会把 蕞面的金字塔体的尖顶损坏，将P型基底暴露出来．如果又适逢在损坏处被金属电极覆 盖，便会造成短路 应该指出：这种损坏是随机的，不可能片片都有，且金属电极又总是 分布在损坏处．我们知道，上电极栅线的遮光面积占总受光面的 8～10％，因此，整批电 池由此引起短路机率是小的．另外，我们曾用同批扩散采用两种方法制作电极．其中一部分 采用化学镀镍电极，结果测得好的 1—_v特性；另一部分采用引进线的烧结银桨电极，结 果渤褥差的1—v特性 由此得到结论：整拙产品的R|h值低，主要不是扩敬层缄面金字塔 顶破坏被金属电极覆盖 l起短路造成的． 3．5 R 与上电极烧结温度和烧结时间的关系：引进线太阳电池采用厚薄化 电极工艺．在 扩散过的硅片上，通过丝网印刷 上银桨栅线，再在红外线炉中烧结形成欧姆接触 电极．它和 真空蒸镀，化学镀工艺制电极完全不 同．具有操作简单、重复性好、 自动化程度高， 因而 产量大、成本低等优点 红外线干燥炉具有 5米长的不锈钢传送带，带速每分钟 4～60 (10～ 150cm)连续 可调；温度 在 900~2以下 ，有 连续可 调的七段温 区 ，工作方便 ．表 (六)是在该炉中烧结电极的实验结果．七段炉温分布取 15012、250℃，350℃、45012， 775℃ ， 850℃ 表 (六) ’ I Voc R曲 R。 FF 珂 带 速 (英寸 ／分) ( ink) (mV) (Q) 心) (％) (％) 40 2137 567 0 71 0 039 51．7 8 4t 2t22 570 1．05 0．040 56．9 8．8 42 2198 568 0，95 0．035 56．4 9 43 2200 55l 0 91 0．055 44．5 6．9 表中数据指出：带速快、加热时问短， R 增加，特性恶化．另外也采用了低温低带速 (即长时间)烧结电极．但是，无一例外的表现出R。大，且 R。b无改善，I-V特性差．曾怀 疑银桨存放过久，采用新到货的银桨实验，也束打破困境．综合上述实验结果，在排除了 所有使 R 降低的因素之后，我们认为问题出在银桨上，出在对银桨的了解，使用有问题 ．从这个观点出发，我们终于找到了问题的症结． 3．6 R 与银桨的关系：受光面电极是由银粉 玻璃料和有机载体组成的银桨烧结丽成． 银粉纯度≥99．99％，粒度≤1,am，含银量75％，含锑 1％，呈鳞片或球粒状．银粉经高温 烧结后，形成三维网状结构，锑扩散到硅片中形成高掺杂 】l十层，使银硅有好的欧姆接触。 我们把未经扩散的 P型硅片 ，印刷银桨烧结，测试结果硅片显示 P—N 结特性，说明锑确 实是掺杂旖主，并形成 P—N结．玻璃料的主要作用是使网状结构的金属银牢固地粘附在硅 片上，增强电极牢固度．有机载体由松油醇、丁基卡必醇醋酸脂等有机溶剂和增稠剂组成． ● 维普资讯 http://www.cqvip.com 羹 簟 第 1期 汪义川等：太阳电池电极工艺对其并联电阻和影响 47 松油醇是牯稠液体．能溶解 乙基纤维素．增稠剂的作用是增加桨料的粘度度和塑性，在一 定的温度卞能成形坚膜，30012以上能完全燃烧挥发掉，且不留灰粉． 银桨中的银和玻璃料均匀分布在有机载体中组成的分散体系，属含有悬浮物和弥散物 液体的非牛顿流体．其粘度属于反常粘度 F／s)( )～ F／S是作用于流体上的切变力． 是流体的切应变的变化率．它不仅随温度而变化， 田 而且也随所受到的机械力而变化．厚膜桨料通常是具有触变型的塑流型或假塑型流体．触变 性是指流体受到外力作用时 ．粘度迅速下降，外力消失后，粘度迅速恢复原状的性质 桨 料的粘度和触变性对丝网印刷工艺极端重要．我们用不同粘度的银桨烧结时．发现银桨的 粘度对 R 值有很大的影响．当粘度达到某定值后．产品整台格．即 Rsh值都太于 5n，从 而船决了因 R 值低而造成的批量产品不台格的问题 在扩散条件优化，上述诸问题得到解决后，所有电池的电学参数均得到提高．整个电 池生产线面貌一新，批量产品达到并超过 了验 收标准要求．表 (七)、表 (八)是几组粘度 特 性不 同的银桨所 作实验 的结果．炉 温七段温 区分布：l 5012、250℃、25O℃、350℃、 45O℃、775~C、850℃．带速：39英寸／分 表 (七) 编 I Voc ．R R FF 叩 号 (mA) (mV) (n) m ) (％) (％) A 2l88 571 1．2l 0．038 60．4 9．7 B 2l72 674 1．98 0．035 65．6 lO．5 C 2035 570 3．89 0．033 68．1 lO．1 D 2230 575 5 97 0．034 66．8 l1．0 E 2267 579 7 28 0．029 71．1 l2．O F 2227 592 l4．26 0．026 73．8 12．5 G 2263 594 l3．90 0．024 75，9 l 3．0 袭中编号 A到 G表示具有不同粘度的银桨，从 E到 G致力于提高 I 和 V。。．最后 一 个 温区从 85O℃提高到 855U．显示出桨料是耐烧的 表 (八) I Voc R b R FF 珂 编 号 (mA) (mV) (n) (n) (％) (％) A 237l 600 14．26 0．026 75．2 l3．7 B 2667 61 3 l 5．99 0．026 73．1 15．3 表 (八)中的 A组为我们的最好实验电池结果，B组为日本夏普公司样片．二者的主 要差距在 k上． 维普资讯 http://www.cqvip.com 云南师范大学学报(自然科学版) 第 11卷 4 讨论和结论 ^1 为什么银桨的粘度特性会对 R 值有大的影响呢?我们认为：桨料中的银粉和玻璃 料 (由PbO、B，O SiO，．CdO，Bi203等组成)含量高．它们由分子，分子团和原子团 构成．当粘度高，印刷膜厚一定时．单位体积中的含银量高，因此．烧结成网状结构时， 其结构比粘度低紧密，网状空隙也小 这时，能流动的玻璃料，其粘度虽然也高，但较之 于粘度低，形成较疏较太空隙的银 网结构，紧密结构的银网将难于提供足够的 B O3分子 进入到硅 表面，因而硼原子扩散人硅表面内的浓度低，即不会造成表面扩散层的高度补 偿，更不会造成 P型沟道．加上锑的扩散系数比硼大一个数蜃级，形成施主作用强，结果 带来好的 R 和 R。值，以及好的 P—N结特性．相反，对粘度低的桨料，因含银量少，烧 结后，网格稀，硼原子可大量进到硅表面，并扩散人表面层中形成高度补偿层．甚至造成 P型沟道，作电极后，不仅显示出小的 R 还显示出大的R。值．银虽也是快扩散元素的 受主杂质，但有资料指出：玻璃料对远红外线能量的吸收率是银的 7—8倍 ，加之，在我 们的工作温度下Ag-Si界面的温度还低 Ag—Si低共熔台金温度，故Ag未带来危害． 4．2 在我们的生产线上．要莸得效率高的太阳电池产品，第三节中第 t到第 6项工艺必 须正常的得到保证． 最后．作者对云南半导体器件厂电池引进上工作的同志所给予的大力合作．以及对厂 长岳雷同志亲自关心并参加实验工作表示衷心的感谢 ．也对云南大学物理系陈学金剐教授 所给予的有益讨论的帮助深表谢意． 参 考 文 献 (1)曹泽淳。 国产太阳电池并联电阻的研究’。中国太阳能学会第一届光伏会。北京．1983年． C2)洪垣。《太阳能学报》，I 988年：vo1．9，No 2． (3)(澳太利亚)。马丁 ·格林I。李秀文等译。。太阳电池工作原理一工艺和系统的应用 电子工业出 版杜，l9184年：P．91． (4)安其幕等编。 太阳电池原理与工艺 ．上海科学技术出版社。I984~；P．65． (5)(美)-汉斯等著，张盒熹等译 太阳电弛阵设计手册一光电能转换原理及其应用 。宇航出版 杜。I 987年 ：P．140 、羹 维普资讯 http://www.cqvip.com ● 第 1期 任义川等：太阳电池电极工艺对其并联电阻和影响 ‘ 49 INFLUENCE OF THE 0H M IC C0NTACT TECHNo L0 GIES OF A SOLAR CELL oN ITS SHUNT RESISTAN CE W ang Yi—chuan (Yuanan Semiconductor Device Factory) Chen Ting-j LIR 。 (Yunan Normal University) ABSTRACT In this paper，the problems of products on silicon solar ecU process line of OlOOmm fr0m Canada，vc砧 studied It has becaa shown that low shunt resistance is the main parameter r sulting in low efficiency of the large area solar cel1．After improving Rsh。the average conversion efIi· eiencyis above13％ ．Thesefindings are veryimportant0nimprovingthequality oftheproducts． Key s Solar cell Ohmic contact technology Shunt resistance 维普资讯 http://www.cqvip.com