摘要：采用电阻率为1.5-2.0Ω•cm的P型156*156的多晶硅片经制绒、扩散、湿法刻蚀、PECVD沉积和丝网印刷等工序制备了转换效率为17.25%的多晶太阳电池。光致发光（PL）和少子寿命测试仪，对高效率多晶硅片的各工序后的少子寿命以及太阳电池电学参数等特性进行了分析研究。结果指出，转换效率为17.25%的多晶硅电池原硅片有着较低的体缺陷密度，相对较高的少子寿命，尤其烧结后的少子寿命较扩散后少子寿命提高了76%。因此，在铸锭工序如何控制位错、微缺陷、晶界、金属杂质等提高硅片的少子寿命为提高太阳电池转换效率将会起到至关重要的作用。 

　　一、引言 

　　 目前，随着环境的不断恶化和能源日益紧缺，加强环境保护和开发清洁能源已成为世界各国高度关注的问题。作为一种重要的光电能量转换器件，太阳电池的研究受到了人们的热切关注。近年随着太阳电池新技术、新工艺和新结构的开发和利用使太阳电池行业得到了迅猛发展。多晶硅太阳电池因工序流程简单、工艺成熟和制造成本低，使其在太阳能电池市场占据着较大的比例。为了更快的推动绿色能源发展，降低太阳电池成本和提高电池转换效率已成为行业发展和竞争的两个主要目标。 

　　二、实验方法

　　取高效率和普通多晶硅片各5片，测试原硅片少子寿命随腐蚀深度的变化，以及原硅片的光致发光图（PL）对原硅片的质量进行表征和分析。随后各取200片硅片，经相同的制绒、扩散、PECVD以及丝网印刷和测试工序完成太阳电池的制备。分别对制绒后的表面形貌，原硅片、扩散后、PECVD和烧结后的少子寿命进行了测试。最后对两批太阳电池片在标准测试条件下进行了电学性能和EL测试。 

　　三、结果与讨论 

　　1.原硅片的少子寿命随腐蚀深度的变化 

　　通过对原硅片的不同深度的腐蚀和少子寿命测试结果（如图1）可以看出：普通多晶和高效多晶硅制绒前的寿命是相一致的，这是因为少子寿命是由表面寿命和体寿命两部分组成，然而在切割后的硅片表面存在着5-10um的损伤层，此时体现的则是表面的寿命。所以只测切割后硅片表面的少子寿命是不能体现硅片质量好坏的。随着腐蚀深度的增加，少子寿命逐渐增加。当4-8um时少子寿命趋于稳定，当腐蚀深度达到9um时，少子寿命达到了最大值，此时是因为硅片表面的损伤层被完全去除掉，少子寿命体现的则是硅片的体寿命；然而随着腐蚀深度增加到12um后少子寿命又出现下降的趋势，这是因为腐蚀液对硅片表面的腐蚀又出现了新的复合中心。从高效和普通多晶硅片对比来看，高效多晶硅片有着更高的体寿命，较普通多晶硅高了48.8%。原材料的少子寿命并不能反映材料的体寿命，不能用来判断材料质量的优劣，而去除损伤层后的少子寿命值才能真实地反映材料的体寿命，可作为原材料优劣的判据。 

　　2.硅片的PL测试 

　　发光成像方法为太阳电池缺陷检测提供了一种非常好的解决方案。PL通常利用激光作为激发光源，提供一定能量的光子，Si片中处于基态的电子在吸收这些光子后而进入激发态，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，并发出以1150 nm的红外光为波峰的荧光。发光的强度与本位置的非平衡少数载流子的密度成正比，而缺陷处会成为少数载流子的强复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而在电池片内复合较少的区域则表现为比较亮的区域。因此，通过观察光致发光成像能够判断Si片或电池片是否存在缺陷 [1-2] 。取高效和普通多晶硅片进行PL测试，结果如图2所示,发现高效率硅片PL图像灰度均匀，而普通多晶硅片中存在着较暗的区域，说明该处有影响电子和空穴的辐射复合的因素存在，一般是由缺陷和金属杂质因素导致。而原材料缺陷势必导致Si衬底非平衡少数载流子浓度降低，造成扩散结面不平整，p-n结反向电流变大，从而影响太阳电池效率 [3-4] 。 

　　3. 少子寿命 

　　少子寿命值是关系太阳电池设转换效率的重要参数，少子寿命值在一定程度上可以体现太阳电池转换效率的高低。理论上，少子寿命越长，太阳电池的短路电流和开路电压越高，太阳电池的转换效率也相应地提高。在太阳电池制作过程中，硅片经过制绒、扩散磷吸杂、PECVD沉积SiN：H膜钝化、铝背场以及烧结等工艺，少子寿命也会随之发生变化。通过对高效和普通多晶硅片对不同工序后的少子寿命进行了测试，结果如图4所示。可以看出，每个工序的少子寿命发生了明显的变化，具体原因分析如下： 

　　（1）原硅片时测得的少子寿命较低。这是因为硅片的生产过程通常采用线切割方式，会在硅片边沿造成微裂、破损，在硅片表面形成一定厚度的损伤层，因此加重了载流子在硅片表面的复合程度，此时测试的少子寿命通常反映的是硅片的表面寿命。 

　　（2）通过高温磷扩散后少子寿命明显变大。这是因为扩散过程中磷吸杂有助于消除杂质，长时间的高温磷扩散吸杂后，硅片内少子的扩散长度将得到很大的提高。 

　　（3）PECVD沉积SiNx膜后少子寿命较扩散后降低。PECVD沉积氮化硅膜不仅起到减反射的作用，同时良好的表面钝化可以饱和硅片表面的悬挂键，降低表面态密度，减少少数载流子在硅片表面的复合，从而一定程度提高了少子寿命。然而此处测得的少子寿命值下降，分析认为是因为：其一，在沉积氮化硅膜过程中PECVD微波对硅片表面的轰击造成了一定程度的损伤；其二，没有经过一定温度的退火处理，氮化硅膜中的H原子不能获得足够的能量向硅片内部移动从而不能起到较好的钝化作用。 

　　（4）通过快速烧结后，少子寿命显著增加。在SiN：H膜沉积时引入的H原子对多晶材料的体缺陷和晶界起到了良好的钝化作用，降低了少子复合速率增加了少子寿命。在沉积薄膜之后的烧结过程中，快速热处理过程的短时间高温可促进H原子向硅中扩散，达到更好的钝化效果 [5] 。 

　　四、结论 

　　通过对高效率和普通太阳电池原硅片和各工序的少子寿命、表面形貌、PL、EL以及电学参数上的分析对比，结果表明，具有较低的缺陷密度、较少的晶界和较高少子寿命的原硅片具有更高的太阳电池转换效率。因此，在铸锭工序如何控制位错、微缺陷、晶界、间隙氧、替位碳、过渡金属杂质（Fe、Cu、Ni、Cr）等提高硅片的少子寿命为提高太阳电池转换效率将会起到至关重要的作用。