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0引言
近年來，光伏產業發展迅猛，提高效率和降低成本成為整個行業的目標。在晶體硅太陽電池的薄片化發展過程中，出現了許多嚴重的質量問題，如碎片、隱裂、表面污染、電極不良等，正是這些缺陷限制了電池片的光電轉化效率和使用壽命。同時，由于沒有完善的行業標準，硅片原材料的質量也是參差不齊，一些缺陷片的存在直接影響到組件乃至光伏系統的穩定性。 硅是地球外殼第二位最豐富的元素。提煉硅的原材料是SiO2，它是砂子的主要成分。工業上使用石英巖生產冶金級硅。用于太陽能電池以及其他半導體器件的硅，其純度級比冶金級更高。而對于半導體電子工業來說，硅不僅要很純，而且必須是晶體結構中基本上沒有缺陷的單晶形式。工業上生產太陽能電池硅片所用的主要方法是直拉工藝。在坩堝中，將半導體級多晶硅熔融，同時加入摻雜劑。在溫度可以精細控制的情況下用籽晶能夠從熔融硅中拉出大圓柱形的單晶硅。 半導體硅的性質依賴于它在制作過程的工藝，其中最重要的是最終產品所表現出來的晶體完美程度。 在一個理想的單晶體中，在任何一個晶體點陣附近排列的原子，嚴格地與所有其他格點重復。實際晶體可接近于這樣的完整排列。在多晶固體中，在單個晶粒內存在著這類長程有序性，晶粒的直徑可以從幾分之一微米到毫米。多晶晶粒的取向彼此之間也不盡相同，因而在這些地方相鄰原子之間不能完美地“配合”，結果在晶粒的邊界處出現局部應變和畸變。 硅太陽能電池一直使用單晶材料制造，因為它具有優良的電特性。它們的載流子的遷移率很高，沒有晶粒邊界，很少有促使光生電子和空穴復合的缺陷。缺陷處的復合會降低少數載流子的壽命，因而也降低了電池效率。 少子壽命是太陽能電池中半導體的最重要的電性能之一，不過它并不是所用半導體的本征特性。甚至，同一種半導體不同的樣品之間，其數值也可有很大變化，而且還會在電池的加工過程中發生變化，其加工步驟會影響材料的性質，并因此影響太陽能電池的性能。 生產單晶硅的常見的方法是提純原材料，熔融物在嚴格控制的溫度變化速率下凝固并生長出單晶以及最后將單晶錠鋸成薄片并拋光。而在硅材料的生產過程中會造成很多缺陷，而這些缺陷勢必會導致晶體硅片的少數載流子濃度降低，從而導致硅片中有此類缺陷的部分在PL測試中表現為發光強度較弱或是不發光，而因原料硅片的制作工藝的不同，較常見的是硅片中存在同心圓。 1 實驗 本文中選取存在同心圓的單晶硅片90片，規格為156mm×156mm，厚度為200μm。將這90片硅片進行正常生產工序，首先對硅片進行腐蝕制絨，得到陷光良好的絨面，清洗后用高溫雜質擴散工藝有控制地向硅片中摻入另一種雜質。在標準的太陽能電池工藝中，通常將硼摻雜到直拉工藝的熔料中，從而生產出P型硅片。為了制造太陽電池，必須摻入n型雜質，以形成p-n結。磷是常用的n型雜質，現在常用的工藝是載氣通過液態的POCl3混入少量的氧后通過排放有硅片的加熱爐管，這樣硅片表面就生成含磷的氧化層。在規定的爐溫下（800℃到900℃），磷從氧化層擴散到硅片中。約20分鐘之后，靠近硅片表面的區域，磷雜質濃度超過硼雜質濃度，從而制得一層薄的、重摻雜的n型區。之后去除電池片的氧化層和側面及背面的結。再通過化學氣相沉積法制成一層減反射膜——氮化硅膜。最后用絲網印刷的方法印刷電極并燒結成片[3]。實驗過程中，分別取原硅片、擴散后、濕刻后、印刷燒結后各10片進行測試對比分析。 2 PL光致發光測試儀測試原理 Photoluminescence光致發光檢測過程大致包括激光被樣品吸收、能量傳遞、光發射及CCD成像等四個階段。通常利用激光作為激發光源，提供一定能量的光子，硅片中處于基態的電子在吸收這些光子后而進入激發態，處于激發態的電子屬于亞穩態，在短時間內會回到基態，并發出以1150nm的紅外光為波峰的熒光，利用冷卻的照相機鏡頭進行感光，將圖像通過計算機顯示出來，發光的強度以本位置的非平衡少數載流子的密度成正比，而缺陷處會成為少數載流子的強復合中心，因此該區域的少數載流子密度變小導致熒光效應減弱，在圖像上表現出來就成為暗色的點、線或一定的區域，而在電池片內復合較少的區域則表現為比較亮的區域。因此，通過觀察光致發光成像能夠判斷硅片或電池片是否存在缺陷。PL測試儀的基本結構如1所示。
3 結果與分析 單晶硅由于本身內部長程有序的晶格結構，其電池效率明顯高于多晶硅電池，是硅基高效太陽電池的首選材料。然而，單晶硅內部雜質和晶體缺陷的存在會影響太陽能電池的效率，比如：B-O復合體的存在會導致單晶電池的光致衰減；內部金屬雜質和晶體缺陷（位錯、同心圓等）的存在會成為少數載流子的復合中心，影響其少子壽命。
擴散是制備太陽能電池的關鍵工藝步驟，其直接決定著電池的光電轉換效率。存在同心圓的原硅片在經過擴散工藝步驟后，同心圓消失，其PL測試圖像如圖3所示。原硅片出現同心圓是因為同心圓的部分其少數載流子大量復合，而經過擴散磷起到吸雜作用，減少了復合中心，增加了少子壽命而使同心圓消失。（作者：王惠 楊偉強 嚴金梅 魏紅軍 晶澳太陽能有限公司）
存在同心圓的硅片經過濕刻后，其PL測試圖像如圖所示。從圖中可以看到，經擴散消失的同心圓又出現了，這是因為硅片背面擴散的雜質層經過濕刻后被腐蝕掉了，所以背面的同心圓就出現了。 而下圖所示的是存在同心圓的硅片經過印刷燒結后的PL測試圖像。在印刷燒結工序后，同心圓又再一次消失了，這是因為Al形成重摻雜，Si-Al合金層燒結后產生的晶格應力對雜質起到有效的吸附作用，從而減少了硅片體內的載流子復合中心，使非平衡少子壽命提高。
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