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user: 3. 实验及结果讨论 3.1. 实验流程 以156 mm × 156 mm的p型多晶硅(mc，p-Si)为衬底，电阻率约为1.5 W∙cm。首先进行表面清洗，使前表面织构形成具有减反射效果的结构，烘干后高温磷扩散使前表面薄层反型形成发射极区(n-Si)，扩散层方块电阻平均为85 W/□，二次清洗去除表面的磷硅玻璃并去边，烘干后在前表面用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法沉积氮化硅(SiN x )膜(膜厚约80 nm，折射率约2.18)。然后分成两组，如图1所示，一组是Al-BSF太阳电池，为参考组；另一组是LCC，在背表面采用PECVD沉积SiN x 膜后丝网印刷银(Ag)，烘干后在背表面丝网印刷Ag并烧结，完成LCC制备。用德国Berger测试仪测试两组太阳电池片在标准条件下的输出参数开路电压(V oc )、短路电流(I sc )、填充因子(FF)及转换效率(h)，分析串联电阻(R s )。 3.2. 结果及讨论 Al-BSF太阳电池及LCC标准测试条件下输出参数统计平均值如表1所示，Al-BSF太阳电池转换效率为17.44%，由于串联电阻过大，LCC的转换效率为8.95%，Al-BSF太阳电池串联电阻平均为2.74 mW，LCC串联电阻为21.34 mW，是Al-BSF太阳电池的8倍。串联电阻过高，不仅造成LCC的短路电流过小，为7.792 A，而且会降低LCC的填充因子，仅为48.20%，比Al-BSF太阳电池相对降低38.68%，LCC实现的转换效率仅为Al-BSF太阳电池的51.32%。从表中可以看出，LCC的开路电压为579.7 mV，比Al-BSF低44.9 mV (相对低7.19%)，其中LCC背面未进行良好抛光是原因之一，背面用SiN x 做钝化介质膜无法取得良好钝化效果是原因之二。 图1. 丝网印刷p-Si局域接触太阳电池制备流程 Table 1 Mean value for parameters of both reference cells (Al-BSF) and (LCC 分类 V oc /mV I sc /A R s /mW FF/% h/% Al-BSF 624.6 8.635 2.74 78.70 17.44 LCC 579.7 7.792 21.34 48.20 8.95 表1. 两组不同结构太阳电池I-V测试参数统计平均值 从制备流程(图1)可知，Al-BSF太阳电池及LCC之间的背面电极接触方式不同，串联电阻的差异由背面电极造成。表1中，LCC背面局域接触电极形成机理如下，Ag中含有对SiN x 介质膜具有良好刻蚀性的玻璃料，一定温度下玻璃料刻蚀SiN x 使Ag与p-Si接触形成合金，实现电极制备。串联电阻高可能由以下原因所致：1) 高温烧结过程中LCC背表面朝下放置在传送履带上，温度低于前表面，浆料刻蚀性能减弱使SiN x 介质膜成为接触阻挡层，从而提高串联电阻；2) 由于重力作用，Ag中的玻璃料下沉，削弱对SiN x 膜的刻蚀使之成为阻挡层，从而提高串联电阻；3) 常规Ag适用于与前表面磷扩散的n-Si发射区形成欧姆电极，而LCC背表面为p-Si，Ag在与p-Si合金形成电极过程中可能会由于接触区掺杂类型的改变而造成失配。 为能够具体分析LCC串联电阻高的原因，该文首先将表1中LCC进行二次烧结，为保证Ag中的玻璃料能充分刻蚀背面SiN x 膜，在第二次烧结过程中将LCC背表面朝上，而前表面朝下放置在烧结传送履带上。二次烧结后串联电阻降低幅度极小，仅降低约2 mW，但转换效率减小到4.26%。由此可见，二次烧结后LCC的串联电阻改善很小，但转换效率降低了52.40%，这是因为二次烧结造成前表面电极过烧而损坏发射极，导致漏电过大，故而转换效率急剧减小，开路电压降低为342.2 mV。可见，丝网印刷制备LCC电池时，Ag中玻璃料对背面SiN x 的刻蚀性能或者刻蚀程度不是串联电阻大的原因，可排除上述原因(1)和(2)。 为深入研究分析上述可能原因(3)，该文在Ag中掺入具有一定刻蚀性的铝浆料(Al)，Al在元素周期表中为III-A组元素，最外层电子数为3，Si为IV-A组元素，Al在半导体Si中扩散掺杂后，多数载流子为空穴，是p型杂质。试验测试发现，在Ag中进行Al掺杂后，串联电阻减小，极大地改善LCC输出参数，可见，背局域接触电极Ag中进行Al掺杂可有效改善Ag与p-Si之间接触的匹配性。为深入了解Al掺杂量对串联电阻的影响，该文对LCC背面局域接触电极的Ag进行不同程度的Al掺杂，同时采用双曲线法监测串联电阻，如图2所示。 图2. 串联电阻随Al掺杂量的变化趋势 可见，随着Ag中Al掺杂量的增大，串联电阻先减小后增大：当Al掺杂量为0%时，R s = 28.27 mW；随着Ag中Al掺杂量的逐渐增加，串联电阻逐渐减小，当Al掺杂量为60%时串联电阻达到最小值17.11 mW；此后，随着Al掺杂量的继续增加，串联电阻快速增大，当Al掺杂量为100%时，串联电阻为43.38 mW。 Al掺杂量小于60%，Ag中掺入Al后，在高温烧结过程中介质膜被刻蚀后形成混合金属(Ag、Al)与p-Si直接接触的通道，与Si共同合金形成电极。在这个过程中，Al还起到如下作用：1) Al向p-Si内扩散，使电极接触的区域掺杂形成p + -Si，与衬底p-Si构成高低结，形成局域背场，降低串联电阻的同时有效提高电池开路电压；2) Al掺杂后，p + -Si中空穴载流子浓度高于p-Si，降低电池串联电阻；3) Al掺杂的Ag电极，与p-Si接触形成电极，改善Ag与p-Si之间相互接触的性能，减小接触电阻，降低LCC的串联电阻。 但是，如果对Ag进行过量掺杂反而不利于串联电阻的降低，当Al掺杂量超过60%，串联电阻随着Al掺杂量的逐渐增大而快速增大，这有两个方面的因素：1) Al对SiN x 介质膜的刻蚀性比Ag弱，随着Al掺杂量不断提高，部分SiN x 介质膜介于金属与p-Si之间成为接触阻挡层，极大的提高了串联电阻；2) Ag电阻率约为1.65 × 10 −10 W∙cm，Al电阻率约为2.83 × 10 −10 W∙cm，相同形状及尺寸情况下，电极电阻随着Al掺杂量的提高而增大，串联电阻增大。 值得指出的是，Ag进行Al掺杂后，在丝网印刷区域形成LCC局域背接触电极过程中，Al向p-Si内扩散，使电极接触区域实现掺杂形成p + -Si，与p-Si共同构成高低结形成局域背场，有效提高LCC的开路电压，与文献 [ 2 ] 结论一致，如图3(a)所示。随着Al掺杂量的不断增加，p + -Si层的掺杂浓度不断提高，激发的局域背场效果更好，因而开路电压随Al掺杂量的不断增加而增大，当Al掺杂量为0%时开路电压为579.4 mV，Al掺杂量为100%时开路电压为597.4 mV，比掺杂前提高18 mV；若掺杂量较低(≤60%)，开路电压随着Al掺杂量的逐渐增加明显提高；若掺杂量较高(≥60%)，随着Al掺杂量逐渐增加，开路电压变化趋于平缓，改变幅度较小。 图3. 开路电压(V oc ) (a)；填充因子(FF) (b)及转换效率(h) (c)随Al掺杂量的变化 由式(5)、(6)知，单位面积太阳电池开路电压、短路电流、填充因子及转换效率之间的相互关系为h = V oc × I sc × FF/P in ，Al掺杂对开路电压的改善有利于提高转换效率。由式(2)知，串联电阻是影响填充因子的直接因素，填充因子随Al掺杂量变化如图3(b)所示，当掺杂量为60%时填充因子及转换效率达到最大值，此时，转换效率为11.57%，较未掺杂时(h = 8.98%)提高2.59%。过高(≥60%)掺杂量虽有利于提高LCC的开路电压，但由于串联电阻增大，填充因子减小，转换效率减小，如图3(c)所示。 由此，丝网印刷制备LCC时，与p-Si接触的金属电极Ag中掺入适量的p型杂质Al有助于改善串联电阻，同时在高温烧结过程中Al向p-Si内侧扩散形成重掺杂p + -Si区，形成局域背场提高开路电压，改善转换效率。但Al电阻率大，且对介质膜的刻蚀性弱，Al掺杂过量会提高串联电阻，降低转换效率。