太阳能光伏技术：高效电池对晶体硅材料的要求

由于晶体硅是间接禁带半导体，它对光子的吸收系数较低，一部分长波光子要穿过几百微米厚的硅材料才能被吸收，这样在硅体内产生的少数载流子要穿过很长的距离才能到达电池的发射结被吸收形成电流，如果硅体内的载流子复合速率过高，光生载流子中的一部分在到达发射结以前就复合消失了，从而使电池的量子效率下降。因而高效电池的一个基本要求就是其材料体内的复合率要很低，即其载流子扩散长度要远大于电池的厚度。这个要求与前节所述的常规晶硅电池不同，常规电池的铝背场处复合较高，因此它只要求少子扩散长度覆盖衬底的主要厚度区域，而能把这一区域的光生载流子输运到表面发射结就可以了。穿过这一区域的载流子大半会在铝背场处复合损失掉了。图6．16给出了硅晶体内杂质浓度对硅太阳电池性能的影响［25］。可以看到能产生深能级的金属（主要是重金属）杂质会大大增加体复合率，从而降低载流子寿命。如：Au，Cu，Ag，Fe等［25］。

图6．16　各种杂质对硅太阳的电池性能影响［25］

对复合率影响最大的是能在禁带中央形成深能级的、并具有高扩散速率的杂质，如：Au，Cu，它们形成的复合中心复合率极高，它们又可以在300～400℃下几十分钟就可穿透整个硅片，大大降低硅体内的载流子寿命，以致降低电池性能。

而其他的一些金属元素，如Ag和Fe的扩散速率较低，在同样的300～400℃低温条件下不会对电池性能产生很大的影响。但在高温加工过程中（例如扩散和氧化工艺）这些元素也会被较深地扩散进硅体内，从而增加复合，影响电池的性能。由于高效电池对载流子寿命的要求远高于常规电池，高效电池在加工过程中会对这些影响载流子寿命的金属杂质更敏感些。另外，许多轻金属，如钠、钾等，则一般不会对电池性能产生明显的影响。

图6．17　CZ（B）电池的开路电压在光照下的衰退［26］(www.xing528.com)

此外，Knobloch等人在1996年发现，在CZ（B）（掺硼切克劳斯基方法直拉单晶硅）片上制造的电池的电性能会在光照下衰退［26］（见图6．17）。他们同时还发现，电池在750mV的正偏压下，即使在黑暗中也会产生同样的衰退［26］。这种衰退是由于载流子寿命的衰退而引起的。CZ（B）晶体硅中的载流子寿命在光照下的衰退来源于硼原子与氧原子的反应结果［27］。这种光致衰退效应现在已被晶硅电池业界广泛认识，并被定义为LID（光致衰退）效应。

但是，高氧含量是直拉（CZ）单晶硅中必然存在的。因而减小LID衰退的方法就是减少硼或氧的含量。

为避免CZ（B）单晶硅的载流子寿命衰退效应，日本信越半导体公司（Shin－Etsu Handotai Co（SEH））与UNSW和世界上几家著名的硅太阳电池实验室合作研究开发了各种高性能硅材料。在FZ（B），MCZ（B），CZ（Ga），CZ（In）和CZ（Ph）以及其他太阳电池用硅材料方面取得了大量的经验［28］。

这里特别值得一提的是，n型CZ（Ph）硅中的少数载流子寿命比p型CZ（B）中要高一两个数量级，可以达到几个毫秒［21B］。因此最近高效电池的研发和生产趋势是更多地转向CZ（Ph）硅片衬底。传统的两家高效电池公司：美国的SunPower和日本的Sanyo公司也都用CZ（Ph）硅片来生产他们的IBC和HIT电池。只是由于n型材料的高载流子寿命要求极高的洁净条件，以及硼扩散的高难度，使这种n型材料上的高效电池至今才得到广泛重视及效仿。

除了选取高载流子寿命的材料之外，不适当的加工方法可能会造成硅体内载流子寿命的大大衰退。比如没有完全去除表面机械损伤的硅片在热氧化时可能产生表面堆垛层错（stacking faults），不适当的硼扩散也会加大硅表面及体内的复合。因此，干氧氧化和BBr3扩散成为高效电池的主要加工方法。