以多晶硅为基体材料制备太阳电池可降低太阳电池的成本。但是铸造多晶硅中一般存在高密度的缺陷和高浓度的杂质。通常这些杂质原子本身或通过与结晶学缺陷相互作用，会成为少数载流子(少子)的复合中心，大大降低少子寿命，进而影响太阳电池的转换效率。

　　少子寿命是太阳电池设计及生产过程中的一个重要参数。少子寿命反映了太阳电池表面和基体对光生载流子的复合程度，即反映了光生载流子的利用程度。为了提高太阳电池的光电转换效率，必须尽可能提高少子寿命，增加少数载流子的扩散长度。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，硅片要经过表面清洗去损伤层、扩散磷吸杂、PECVD沉积SiNx：H膜钝化、铝背场以及烧结等工艺，在这些工艺过程中，硅片要经过不同的高温处理，少子寿命也会随之发生变化。

　　为提高太阳电池的转换效率和控制工艺的稳定性，在工艺过程中增强少子寿命测试对生产过程的监控是非常重要和必要的。通过少子寿命的监控，明确地知道每个工艺过程的质量情况，可以及时调整生产工艺，获得良好的工艺流程，从而达到控制生产过程的目的。

　　二材料与方法

　　实验在本公司晶体硅太阳电池生产线上进行，采用工业标准太阳电池生产工艺流程(如图1)。实验材料选用几个不同厂家生产的mm×mm铸造多晶硅，电阻率为0.5～3.0Ω·cm，厚度为～μm。

　　采用微波光电导衰减法测试少子寿命，测试设备为Semilab公司生产的WT一型少子寿命测试仪，激光波长为nm，微波频率为10GHz。实验中每个工艺点选取25片样品，每片样品测试5个数据点，计算平均值。微波光电导衰减法是用红外激光器照射到待测样品表面，在样品体内产生自由电子一空穴对，这些非平衡的少数载流子会改变样品的电导率。由于自由电子和空穴的复合作用，少数载流子的浓度以及样品的电导率逐渐衰减。探测器通过测量微波入射信号与反射信号的变化得到待测材料电导变化，从而得到样品的有效测试寿命(τeff)。微波光电导衰减法测试的是样品的体寿命和表面寿命的复合参数。

　　三结果与讨论

　　1原材料质量与损伤层厚度的判定

　　铸造多晶硅锭料由底部向顶部逐渐凝固的过程中，不同的杂质在硅中的分凝系数不同，杂质会向铸锭的顶部和底部集中，导致顶部和底部少子寿命较短。铸锭过程的生长速率和冷却速率对杂质的扩散、沉淀、分凝以及缺陷密度的形成都有着重要的影响，并最终影响铸锭的少子寿命和铸锭的质量。硅片的生产过程通常采用线切割方式，由于以机械研磨作用为主，常常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，加重了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。此外损伤层的存在在太阳电池的工艺过程中亦会引发二次缺陷或硅片破裂，因此生产过程中需先将损伤层去除以确保太阳电池的质量，并使得少子寿命测试结果接近于硅片的体寿命值，从而反映出硅片质量的优劣。

　　图2是对四种不同来源的多晶硅片的原始少子寿命和去除损伤层后少子寿命的测量结果。从图2可以看出，四种材料的少子寿命具有明显的差异，材料一的少子寿命值最低，只有0.31μs；而材料四的少子寿命值最高，为2.88μs。经过NaOH溶液减薄去除损伤层后，材料一和材料二的少子寿命仅略有增加，变化很微弱；而材料三和材料四的少子寿命则分别增加了81％和％。可以断定材料一和材料二体内的杂质和缺陷密度较多，材料体寿命较低；材料三和材料四体内的杂质和缺陷密度相对较少，材料的体寿命相对较高，其中材料四的体寿命最高，材料质量最好。少子寿命的差距反映了材料本质的差别，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。

　　针对体寿命较高的材料三和材料四进行了NaOH溶液腐蚀实验，结果见图3。随着NaOH腐蚀时间的增长，硅片表面损伤层的厚度逐渐减少，少子寿命从最初的1.83μs和2.88μs开始逐渐增加，在经过8分钟的腐蚀后硅片少子寿命均达到最大值，表明此时表面损伤层已基本去除。随着时间的进一步增加，少子寿命则呈现下降趋势。由于多晶硅晶粒的取向具有随机性，NaOH溶液又具有各向异性的腐蚀特性，因此不同晶相的腐蚀速率存在差异，随着腐蚀时间的增长，这种差异愈发明显，导致晶界之间产生明显的台阶，复合能力增强，硅片的少子寿命随之下降。测试经过8分钟腐蚀后硅片的减薄量可知材料三和材料四的损伤层厚度大约为8μm／面。

　　根据上述结果，在太阳电池的生产过程中，针对清洗工艺，只需对硅片的减薄量或少子寿命进行监控，即可控制和保证清洗工艺的稳定性。

　　2扩散磷吸杂效果

　　扩散制P-N结过程是制作太阳电池心脏的过程，利用高温过程将磷原子扩散到基体材料中，形成所需的P-N结。扩散过程中磷吸杂有助于消除杂质，特别是重金属杂质，可提高少数载流子的长波响应。多晶硅片通过长时间的高温磷扩散吸杂后，整个基片内少子的扩散长度将得到很大的提高。从图4可以看出，经过扩散磷吸杂后，四种材料的少子寿命均有很大的提高。其中材料三和材料四由于原材料的少子寿命相对较高，体内杂质和缺陷相对较少，因此经磷吸杂后少子寿命增加的幅度较大，分别达到了8.5μs和12.8μs。

　　针对材料三，通过改变扩散温度、扩散时间以及气体流量等主要工艺参数，比较了五种不同的扩散工艺，测试了扩散后硅片的少子寿命，结果如图5所示。经过工艺四处理的硅片少子寿命最低，表明磷吸杂效果较差。而工艺二和工艺五的少子寿命相对较高，表明该工艺获得了较好的吸杂效果。

　　但是，值得注意的是，磷扩散后少子寿命高的样品并不一定意味着制得的太阳电池性能最佳。在太阳电池磷扩散过程中，还应考虑P-N结的结构、方块电阻的大小以及死层的厚度等多方面因素的综合结果。

　　扩散的均匀性通常通过测试方块电阻的方式来监控。实际上，通过对不同扩散位置的硅片少子寿命进行监控，一方面可以反映出吸杂效果的稳定性；另一方面也可以反映出扩散的均匀程度。此外，少子寿命的变化也可用来监控工装的清洁程度，一旦工装受到污染，尤其是金属粒子的污染，会在电池内部形成复合中心，明显降低硅片少子寿命。因此当出现少子寿命突然降低的信号时，可以从两个方面来思考，一是工艺的不稳定性；二是工装受到污染。

　　3PECVD钝化效果

　　PECVD沉积SiNx：H膜被广泛应用于太阳电池的生产中，一方面是因为SiNx：H膜具有良好的减反射作用；另一方面则归功于SiNx：H膜的钝化作用。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，少子寿命也相应地得到一定程度提高，从而降低暗电流，提高了电池的开路电压。由于多晶硅材料体内存在较多的杂质和缺陷，为提高太阳电池的效率，还必须对硅材料内具有电活性的杂质和缺陷进行钝化。在SiNx：H膜沉积时引入的H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。此外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氢向硅中扩散，达到更好的钝化效果。

　　如图6所示，选择了五种典型的PECVD艺进行比较，经PECVD工艺后，样品的少子寿命都有所提高，表明五种PECVD艺都起到了一定的钝化效果。其中工艺三是五个工艺中少子寿命变化最大的，从扩散后的8．5μs增加到13.9μs，增加了63.5％，钝化效果最为明显。

　　但是，同扩散工艺一样，PECVD工艺的优化也不能仅仅片面地追求少子寿命而忽视了SiNx：H膜的减反射作用。SiNx：H膜的厚度、折射率以及Si：N原子比等参数都是影响太阳电池性能的主要因素，也是工艺优化过程中需要加以考虑和 　　4铝背场吸杂工艺优化

　　铝背场对太阳电池的作用有两点：(1)在合适的烧结条件下，使铝浆在电池背表面形成高浓度的P区，形成指向背表面的电场，阻止少数载流子向背表面的扩散运动，降低少数载流子在背表面的复合，有助于少子寿命的提高；(2)铝背场的吸杂作用，同扩散磷吸杂类似，同样有助于增加少子寿命，关于铝背场吸杂主要有两种机制解释，即分凝机制(杂质在AI／Si合金和硅之间分凝，而在合金中的固溶度高)和沉积机制(合金层中有大量的缺陷，杂质与缺陷结合能力更低)。

　　图7显示的是不同铝背场印刷工艺对少子寿命的影响。铝背场印刷后少子寿命较印刷之前亦有明显提高，采用工艺二印刷后少子寿命值最高，为17.42μs。

　　5.电池性能测试

　　综合上述结果，选取最优化工艺制备太阳能电池。图8列出了工艺优化后太阳能电池制备过程中少子寿命经过一系列流程后的变化。工艺优化成产的0片电池片（未做绒面），平均功率为3.57W，光电转换效率≥14.75%，最高转换效率可达15.18%。

　　四结论

　　少子寿命是关系太阳能电池转换效率的重要参数，少子寿命值可以在一定程度上反应太阳能电池转换效率的高低。在太阳能电池制备过程中，每一个工艺流程对硅片的少子寿命都有一定的改善作用，通过对少子寿命的监控，可以对工艺过程进行跟踪。少子寿命值对原材料的判断和工艺过程的优化具有极高的参考价值和指导作用。少子寿命测试方法简便，对样品无损伤，可广泛用于太阳能电池的生产过程中，对优化工艺、提高工艺稳定性和成品率具有十分重要的作用。

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