单晶位错对电池性能的影响

单晶位错对电池性能的影响

1. 引言

单晶硅由于其本身内部完整的晶体结构，其电池效率明显高于多晶硅电池，是硅基高效太阳能电池的首选材料。然而，单晶硅内部杂质和晶体缺陷的存在会严重影响太阳能电池的效率，比如：光照条件下B-O复合体的产生会导致单晶电池的光致衰减；内部金属杂质和晶体缺陷（位错等）的存在会成为少数载流子的复合中心，影响其少子寿命。本文研究了单晶硅片位错对电池性能的影响，并讨论了单晶拉制工艺对位错的影响。作为少数载流子的强复合中心，位错会严重影响硅片的少子寿命，最终影响电池和组件性能。

2.实验

本实验对大量低档电池片及其组件进行了研究，现从中选取一块典型组件和两片典型电池片举例说明。

实验过程如下：

组件做电致发光EL（electroluminescence）测试→光照条件组件电性能测试。

电池做电致发光EL测试→光照条件电池电性能测试→电池光诱导电流密度（LBIC Current）测试→硅片少子寿命测试→化学抛光腐蚀后观察位错→SIMS元素分析。

3. 实验结果和分析

组件电致发光EL测试如下图1所示。由图可见，组件的电池片中存在着大量黑心和黑斑的情况。

图1 组件EL测试

电致发光EL测试使用的是某公司的Electroluminescence Inspection设备。EL照片中黑心和黑斑反映的是在通电情况下该部分发出的1150nm红外光相对弱，故在EL相片中显示为黑心和黑斑，发光现象和硅衬底少数载流子寿命有关。由此可见，黑心和黑斑处硅衬底少数载流子寿命明显偏低。

组件电性能测试如图2所示。由图可见，组件短路电流Isc（4.588A）和最大功率Pmax （143.028W）明显偏低；此类正常组件短路电流Isc一般为5.2A，最大功率Pmax一般为175W以上。说明组件中存在着大量低效率电池片，导致组件功率的严重下降。

图2 光照条件组件电性能测试

而后，我们进行了电池片电致发光EL测试，如下图3和4所示。其黑心和黑斑现象如

组件EL测试所见。

图3 样片1EL测试图4 样片2EL测试光照条件电池电性能测试如表1所示。

表1光照条件电池电性能测试

两片电池效率分别为11.06%和13.99%，Isc分别为4.73A和4.62A，均明显偏低；而

此类正常电池片效率一般为17.5%左右，Isc为5.3A左右。

电池光诱导电流密度（LBIC Current）测试如图5和6所示。

图5 样片1 LBIC Current测试图6 样片2 LBIC Current测试然后，电池经过去SiN膜、去正反电极、去铝背场和n型层，再经碘酒钝化后，硅片少子寿命测试如图7和8所示。

图7 样片1少子寿命测试图8 样片2少子寿命测试硅片少子寿命测试与电池光诱导电流密度（LBIC Current）测试和电池EL测试具有很好的对应关系，说明造成电池效率低的原因为硅片本身内部缺陷所致，与电池工艺没有直接关系。

而后，对硅片进行化学抛光和Wright液腐蚀，样片2呈现出明显的与EL测试、电流密度（LBIC Current）测试和少子寿命测试相对应的图案形貌，如图9所示。

图9 样片2经化学腐蚀后图案形貌

样片1的光学显微观察如图10和11所示，局部区域具有很高的位错密度达10E5~10E6左右。样片2的光学显微观察如图12和13所示，在如图9所示的中心圆形图案形貌内，其位错密度均高达10E6~10E7左右。

图10 样片1位错密度10E5~10E6（×500倍）图11 样片1位错密度10E5~10E6（×500倍）

图12 样片2位错密度10E6~10E7（×200倍）图13 样片2位错密度10E6~10E7（×500倍）

最后，我们对如图9中，样片2所示的黑心内外做SIMS测试，测试结果如表2所示。SIMS测试结果显示，黑心内外各种杂质含量正常。

黑心内

黑心外

表2样片2 SIMS测试

综上所述，正是由于硅片中存在着极高的位错密度，成为少数载流子的强复合中心，最终导致电池性能的严重下降。而与电池工艺和材料内部杂质无直接关系。

4. 拉晶工艺对单晶位错的影响

4.1 引颈对单晶位错的影响

由于籽晶和硅熔液接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用引颈生长使之消失。引颈是将籽晶快速往上提升，使长出的晶体直径缩小到一定的大小（4~6mm）。由于位错线通常与生长轴成一个夹角，只要引颈足够长，位错便能长出晶体表面，得到无位错的晶体，如图14所示。为了能完全消除位错，一般的原则是让引颈长度约等于一个晶棒直径的长度，即对于直径为150mm的晶棒，引颈长度约为150mm。

图14 利用引晶生长以消除位错的技术（Dash Technique）

如果在引颈过程中，由于引颈长度不足等原因未能将位错完全消除，将造成单晶位错密度的增加，甚至在单晶生长过程中引起断苞。

4.2放肩对单晶位错的影响

出于经济方面的考虑，放肩的形状通常较平。如果降温太快，液面呈现过冷情况，肩的形状因直径快速放大而变成方形，严重时易导致位错的重新产生，甚至出现断苞而失去单晶的结构。

4.3 等径生长时，断苞对单晶位错的影响

等径生长时，如果出现断苞，晶棒又足够长时，我们会收尾后作为A段取出。但在断苞处会有大量位错存在，而且位错会沿晶棒向上返一个直径左右，我们称之为位错段。因此，虽然此位错段具有完整的晶线，但往往具有比较高的位错密度，我们经切片腐蚀之后，发现此类硅片的局部位错密度高达2×10E4左右，如图15、16所示。

图15 位错段光学显微照片1（×200倍） 图 16位错段光学显微照片2（×500倍）

4.4收尾对单晶位错的影响

一般而言，单晶收尾时锅里的料要保证是投料量的5~10%左右。如果收尾时，锅里的料太少，很容易造成坩埚内熔体过冷，一旦过冷必然造成收尾时掉苞，表面看起来是完整的收尾，实际已经失去单晶的结构。这样由断苞处上返一个直径的单晶会存在比较高的位错密度。

4.5 拉速和热场对单晶位错的影响

由于硅片来自于等径生长时的晶身，所以此阶段的参数控制是非常重要的。等径生长时，拉速和热场直接关系着晶棒内部缺陷的形成（OISF 、D-defects 、COP 等）。

根据热力学原理，拉晶过程中，本质点缺陷一定会出现在晶体中。从固液界面形成的点缺陷，在随着晶棒的冷却过程中，可能发生扩散、再结合等反应，最后在特定温度范围内，通过过饱和析出而聚集形成微缺陷（OISF 、D-defects 、COP 等），大量的微缺陷又可能形成位错。

根据Voronkov 的模型和其V/G 理论，点缺陷和微缺陷的形成与拉晶速度V 和温度梯度G 有直接的关系。因此在实际生产中，可以通过调整拉晶速度和改善保温系统等方法来达到控制点缺陷、微缺陷和位错的目的。

5. 结论

单晶硅片中的位错是少数载流子的强复合中心，会严重影响硅片的少子寿命，最终影响太阳能电池和组件性能。

通过调整引颈、放肩、等径生长和收尾等步骤的工艺参数，以及控制拉速和改善温场等方法，可以很好地减少位错的产生，达到控制位错密度的目的，消除或降低其对太阳能电池的不良影响。