对降低单晶太阳电池组件光衰的扩散工艺的研究分析
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摘 要：太阳电池由于能够对太阳能进行有效吸收，并转换为电能，而得到广泛应用。在实际应用中发现，单晶太阳电池组件常常会出现光衰现象，因此对电池的整体性能造成影响。为此，可对太阳电池制备中的扩散工艺进行优化改进，借此来降低单晶太阳电池组件的光衰。基于此点，该文从单晶太阳电池组件光衰的成因及危害分析入手，论述了降低单晶太阳电池组件光衰的扩散工艺。希望通过该文的研究能够对单晶太阳电池性能的进一步提升有所帮助。
关键词：单晶太阳电池;光衰;扩散工艺
中图分类号：TM914 文献标志码：A
1 单晶太阳电池组件光衰的成因及危害
1.1 光衰的成因
相关研究结果表明，单晶太阳电池组件输出功率的衰减由2个阶段组成，其中第一个阶段为初始光衰，在这个阶段，单晶太阳电池组件的输出功率会出现较大幅度的下降，下降过程基本上都是出现在电池刚开始使用的一段时间，随着使用时间的推移，电池的输出功率会逐步趋于稳定状态。引起单晶太阳电池组件初始光衰的主要原因如下：掺杂硼的晶体硅片中，硼氧复合体的存在使少数载流子的寿命降低，由于掺硼半导体中电子为少数载流子，电子的寿命降低，输出功率自然会随之下降;第二个阶段是单晶太阳电池组件使用一段时间后，因组件出现老化的现象，而引起输出功率下降，这是自然的老化衰减，只要组件使用，就无法避免老化。
1.2 光衰的危害
当单晶太阳电池出现光衰之后，组件的输出功率会在最初使用阶段大幅度下降，由此会导致太阳电池的标称功率与实际功率不符。同时单晶太阳电池组件是由多个电池片组合而成，如果电池片的光衰不一致，则会使电性能相同的电池片在光照之后，出现较大的偏差，这样一来，组件的曲线会发生异常，并且还会形成热斑现象，从而引起太阳电池组件失效。太阳电池出现热斑后，温度会显著增大，随着透光率的下降，热斑会进一步恶化，电池组件则会失效。
2 降低单晶太阳电池组件光衰的扩散工艺
2.1 扩散工艺的原理
当太阳电池选用的硅片为P型半导体时，在对单晶进行拉制的过程中，通常需要掺入硼这种金属元素，利用切片机对硅棒进行切割后，便可得到P型硅片。将硅片放入石英管内，并通入含磷气体，在高温作用下，气体中的磷会被分解出来，当磷充满石英管后，会将硅片包围起来，这样磷便会进入硅片的表层，并逐步向内部渗透扩散。硅片上有磷的一面会形成N型半导体，未被磷渗透的另一面仍然为P型半导体，而在硅片内部会形成太阳电池所需要的PN结，上述过程就是扩散工艺的基本原理。
2.2 传统扩散工艺的不足
单晶太阳电池组件的光衰现象是电池生产过程中需要解决的关键问题之一。目前，国内的光伏行业在解决太阳电池组件光衰现象时，普遍采用的是扩散工艺，经过扩散工艺处理后的电池片少数载流子的寿命可以达到10 ?s。通常情况下，想要使单晶太阳电池组件的光衰进一步降低，扩散后的电池片方块电阻与少数载流子的寿命应尽可能高，如果方块电阻超过85Ω，会使电池片的输出功率有所降低，这样一来，太阳电池组件的输出功率会随之下降。
2.3 扩散工艺的优化途径
由上文分析可知，传统的扩散工艺存在一定的缺陷，为了弥补这一缺陷，可对扩散工艺进行优化改进，经过优化之后的扩散工艺流程如图1所示。
2.3.1 优化思路
在对传统扩散工艺进行优化时，基于的是以下思路：通过对硅片表面进行氧化处理，能够使硅片形成一层较为均匀的二氧化硅薄膜，这层薄膜可以起到控制扩散速率的作用，由此可使直接扩散引起的缺陷问题随之减少。不仅如此，随着二氧化硅薄膜的加入，扩散深度能够得到有效控制，硅片表面的钝化效果自然会随之改善;首次扩散主要是借助氮气携带磷源加入反应腔内进行高温扩散，由此可在硅片表面形成杂质层;利用高温推进，能够使硅片表面的杂质层持续推进到所需的深度，从而形成太阳电池的核心部分，即PN结;当PN结形成之后，可对硅片进行二次扩散，其目的是对首次扩散中形成的杂质浓度梯度进行有效消除，当杂质浓度消除之后，PN结会变得更加均匀;最后对硅片进行退火处理，以此来消除扩散过程中產生的死层。
2.3.2 优化扩散工艺的实现路径
2.3.2.1 氧化处理
将预先准备好的硅片，放入扩散炉当中，然后，将炉温设定为800 ℃，向扩散炉中通入氮气，流量控制在15 000 sccm，并将扩散炉管的压力设定为常压，整个过程维持11 min，这样做的主要目的是使炉管内的气场达到均匀。随后再向扩散炉中通入氮气，流量控制在14 000 sccm，同时通入氧气，流量控制在1 000 sccm，借此来对硅片表面进行氧化处理，时间控制在3 min。
2.3.2.2 首次扩散
经过氧化处理之后的硅片可进行首次扩散，整个过程分为2个环节，首先是扩散环节，可将氮气作为保护气体，通入流量控制在14 000 sccm，然后通入氧气和磷源，前者的流量控制在500 sccm，而后者可由氮气携带进入反应炉当中，流量设定为675 sccm，扩散后，硅片表面会形成杂质层。其次是稳压环节，在该环节中，可向炉内通入氮气，流量控制在15 000 sccm，在常压状态下持续10 min，借此来使炉内的气场和热场保持稳定，为高温推进提供条件。
2.3.2.3 高温持续推进
向扩散炉的炉管中通入氮气，流量控制在15 000 sccm，并将炉管压力设定为常压，将扩散炉的温度调整到850℃，持续时间控制在10 min。借助扩散炉内的温度变化，使硅片表面的杂质层向内部渗透，由此可使磷进入硅片内部，从而形成太阳电池的核心，即PN结。
2.3.2.4 二次扩散
该环节的操作方法与首次扩散基本相同，在此不进行赘述，其主要作用是将首次扩散所形成的杂质浓度梯度变化消除掉。
2.3.2.5 退火处理
受高温持续推进的作用，磷和硅发生反应后会形成合金，通过退火处理，能够使扩散炉的炉管温度随之降低，从而达到消除合金层的目的。在操作时，可将炉管压力设定为常压，然后向扩散炉中通入氮气，流量控制在25 000 sccm，并将降温速率设定为-4℃/min，持续时间控制在15 min。经过退火处理之后，合金会转变为磷硅玻璃，在太阳电池的刻蚀工序中可将其彻底清除。
3 结论
综上所述，单晶太阳电池组件存在光衰的现象，为了有效降低光衰，可对传统的扩散工艺进行改进优化，通过氧化处理、首次扩散、高温持续推进、二次扩散和退火处理，可以使太阳电池组件的光衰显著降低，电池的输出功率随之提高。
参考文献
[1]李能能，马继奎.n型晶体硅太阳电池光诱导衰减现象研究[J].半导体技术，2018（7）：78-80.
[2]张三洋，沈鸿烈，魏青竹，等.再生处理抑制单晶硅太阳电池光致衰减效应的研究[J].太阳能学报，2018（6）：75-77.
[3]刘苗，杨伟强，赵江雷，等.直拉单晶硅太阳电池光致衰减特性研究及模型建立[J].太阳能，2017（8）：92-94.
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