探析晶硅光伏電池漏電的原因

　　本文描述了晶體硅太陽(yáng)能電池片局部漏電現(xiàn)象，分析了晶體硅硅片及電池生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的漏電原因及預(yù)防措施。電池生產(chǎn)過程中刻蝕不完全或未刻蝕、點(diǎn)狀燒穿和印刷擦片或漏漿等情況會(huì)產(chǎn)生漏電，嚴(yán)重影響電池片的品質(zhì)，另外發(fā)現(xiàn)Si3N4顆粒、多晶硅晶界等也有可能造成電池片漏電。

　　太陽(yáng)能發(fā)電由于其具有環(huán)保、高效、節(jié)能以及取之不盡、用之不竭等特點(diǎn)，已成為新能源中最受矚目的能源。太陽(yáng)能電池是一個(gè)巨大的半導(dǎo)體二極管，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。目前，光伏行業(yè)中晶體硅太陽(yáng)能電池還是占主導(dǎo)位置。

　　晶體硅太陽(yáng)電池主要分為兩種，一種是將圓柱形的單晶硅棒切割成單晶硅片；一種是通過鑄錠方式生成多晶硅片。單晶硅棒和多晶鑄錠的質(zhì)量很大程度上可以影響晶體硅電池片的質(zhì)量。隨著晶體硅電池利用的日益廣泛，晶體硅太陽(yáng)電池局部漏電問題逐漸受到人們的關(guān)注與重視。因此晶體硅電池漏電原因的分析與討論成為晶體硅電池研究的熱點(diǎn)之一。

　　在晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)過程中，部分晶體硅太陽(yáng)電池難免會(huì)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е戮植柯╇姡踔炼搪?。晶體硅片在制作生產(chǎn)過程中導(dǎo)致局部漏電主要原因?yàn)?）通過PN結(jié)的漏電流；2）沿電池邊緣的表面漏電流；3）金屬化處理后沿著微觀裂紋或晶界形成的微觀通道的漏電流。本文主要探究了晶體硅電池漏電的原因，并進(jìn)行具體分析。

　　一、晶體硅太陽(yáng)電池工作原理

　　如圖1所示，當(dāng)處于開路的情況下，當(dāng)光生電流和正向電流相等的時(shí)候，則由于電子和空穴分別流入N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)比P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)高，在這兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)之間，P-N結(jié)兩端將建立起穩(wěn)定的電勢(shì)差Voc（P區(qū)為正，N區(qū)為負(fù)）。如果將外電路短路，則外電路中就有與入射光能量成正比的光電流流過，這個(gè)電流稱作短路電流，只要光生電流不停止，就會(huì)有源源不斷的電流通過電路，P-N結(jié)起到了一個(gè)電源的作用。這就是太陽(yáng)能電池的工作原理。

　　圖2是利用P/N結(jié)光生伏特效應(yīng)做成的理想光電池的等效電路圖。

　　圖中把光照下的p-n結(jié)看作一個(gè)理想二極管和恒流源并聯(lián)，恒流源的電流即為光生電流IL，由于前面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，基區(qū)和頂層都不可避免的要引入附加電阻。流經(jīng)負(fù)載的電流，經(jīng)過它們時(shí)，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻RS來表示。由于電池邊沿的漏電和制作金屬化電極時(shí)，在電池的微裂紋、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本應(yīng)通過負(fù)載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻RSH來等效。本文主要研究的就是在實(shí)際太陽(yáng)電池生產(chǎn)中的漏電原因。

　　二、晶體硅太陽(yáng)電池漏電分析

　　從晶體硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝流程看，以下幾個(gè)因素與電池片漏電有關(guān)：1）刻蝕不完全或未刻蝕；2）點(diǎn)狀燒穿；3）印刷擦片或漏漿。對(duì)上述三方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在研究過程中發(fā)現(xiàn)除了以上三種漏電原因外，還有Si3N4顆粒、多晶晶界等也會(huì)造成電池片漏電。

　　1、刻蝕不完全或未刻蝕造成的漏電

　　擴(kuò)散工藝中在硅片的上表面和周邊都擴(kuò)散上了N型結(jié)，如果不去除周邊的N型結(jié)會(huì)導(dǎo)致電池片正負(fù)極被周邊的N型結(jié)聯(lián)接起來，使電池正負(fù)極接通，起不到電池的作用了，我們用等離子刻蝕去除太陽(yáng)能電池的周邊結(jié)，其腐蝕反應(yīng)方程為：

　　CF4------C+4F*（1）

　　Si+4F------SiF4*↑（2）

　　等離子體刻蝕是采用高頻輝光放電反應(yīng)，使反應(yīng)氣體激活成活性粒子，如原子或游離基，這些活性粒子擴(kuò)散到需刻蝕的部位，在那里與被刻蝕材料進(jìn)行反應(yīng)，形成揮發(fā)性生成物而被去除。

　　如果硅片未刻蝕或刻蝕不完全沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并且下傳印刷，將產(chǎn)生局部漏電的電池片，我們可以通過IR紅外熱成像儀，判斷局部漏電硅片是否刻蝕原因產(chǎn)生的。

　　IR紅外熱成像儀的工作原理是在連接電池片的正負(fù)極時(shí)，使電池片上會(huì)形成一個(gè)電流回路，當(dāng)有區(qū)域漏電時(shí)，該區(qū)域的電流就會(huì)特別大，產(chǎn)生的熱量就會(huì)比較多，紅外成像儀可以根據(jù)硅片表面產(chǎn)生的不同熱量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上形成熱圖像，可以對(duì)發(fā)熱的異常區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。

　　刻蝕不完全或未刻蝕的硅片在IR下表現(xiàn)為電池片邊緣發(fā)紅，如圖3所示?？涛g不完全或未刻蝕的電池片在進(jìn)行四周打磨后漏電流會(huì)減少到2A以下，如表1所示。

　　以上幾點(diǎn)可以判斷為刻蝕不完全或未刻蝕造成的。刻蝕不完全主要是由于硅片邊結(jié)由于設(shè)備原因或人為原因未去除干凈，導(dǎo)致漏電過大的異常現(xiàn)象主要有以下原因：1）刻蝕功率過小；2）刻蝕時(shí)間不足；3）刻蝕壓力波動(dòng)導(dǎo)致刻蝕不均；4）刻蝕時(shí)機(jī)臺(tái)故障，以致刻蝕未進(jìn)行完全；5）刻蝕時(shí)，硅片底部托盤未旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致刻蝕不均；6）人為原因，將未刻蝕硅片下傳；針對(duì)以上原因需要加強(qiáng)刻蝕機(jī)的監(jiān)控，增加人員的責(zé)任意識(shí)。

　　2、點(diǎn)狀燒穿造成的漏電

　　點(diǎn)狀燒穿通常意義上指IR拍攝出呈現(xiàn)點(diǎn)狀發(fā)紅的漏電現(xiàn)象，具體表現(xiàn)如圖4所示，其主要由以下三種因素引起，1）隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿；2）微隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿；3）未知因素引起的點(diǎn)狀燒穿。

　　隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿主要有兩種方式產(chǎn)生，1）擴(kuò)散前隱裂即在擴(kuò)散步磷源順著裂縫擴(kuò)散，從而導(dǎo)致上下導(dǎo)通，產(chǎn)生點(diǎn)狀燒穿；2）印刷前隱裂即在印刷過程中，漿料恰巧印過裂縫，銀漿通過裂縫滲透到背面產(chǎn)生點(diǎn)狀燒穿。對(duì)于由隱裂而產(chǎn)生的點(diǎn)狀燒穿，我們必須規(guī)范生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作，盡量避免產(chǎn)生隱裂片的可能。比如裝舟卸舟時(shí)輕拿輕放，保持印刷機(jī)臺(tái)干凈平整等等。

　　微隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿主要是因?yàn)楣杵旧砭w結(jié)構(gòu)存在缺陷，在燒結(jié)過程中會(huì)破壞晶體結(jié)構(gòu)，銀漿順著晶界滲透至基區(qū)，從而產(chǎn)生漏電。我們通常也稱此現(xiàn)象為微隱裂。判斷是硅片本身的缺陷還是晶體硅電池生產(chǎn)過程中導(dǎo)致的點(diǎn)狀燒穿，我們需要借助掃描電鏡進(jìn)行分析。

　　由掃描電鏡即掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，簡(jiǎn)稱SEM），主要用于觀察樣品的表面形貌、割裂面結(jié)構(gòu)、管腔內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)等，所獲得的圖像立體感強(qiáng)，可用來觀察樣品的各種形貌特征。

　　由SEM圖片可知：微隱裂正面與背面均存在凹槽缺陷，導(dǎo)致點(diǎn)狀燒穿，如圖5所示。對(duì)于此類由晶體缺陷引起的點(diǎn)狀燒穿，如果要降低其產(chǎn)生的可能性，則需要在進(jìn)料時(shí)加一道檢測(cè)工序，測(cè)量每片原料片的少子壽命分布，剔除異常片。但該工序費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可行性有待進(jìn)一步商榷。

　　3、擦片或漏漿造成的漏電

　　擦片主要是指在印刷過程中出現(xiàn)的印刷不良片用酒精等將柵線擦拭干凈后重新印刷的電池片。這些電池片如果沒有處理好，可以看到如圖6所示的形貌。在顯微鏡下觀察可以看到還有部分漿料殘留在硅片表面，IR圖像顯示有大面積漏電，EL圖像顯示表面有大面積污染，

　　SEM圖像顯示可以看到密密麻麻的細(xì)點(diǎn)，這些細(xì)點(diǎn)即為銀漿，在擦片的過程中銀漿滲進(jìn)電池片里；小顆粒銀漿是團(tuán)狀銀漿在燒結(jié)過程中形成玻璃態(tài)造成的大面積漏電。

　　造成擦片漏電的原因主要為人為操作不規(guī)范導(dǎo)致的，1）人為的擦片破壞Si3N4膜面，使Si3N4鈍化效果失效；2）絨面凸起部分在人為摩擦過程中極易受損，使電池片p型裸露，印刷后直接與金屬電極導(dǎo)通發(fā)生短路；3）即使擦片后表觀看來已無漿料，但仍會(huì)有少量漿料殘留在絨面凹陷處，燒結(jié)后成為金屬?gòu)?fù)合中心，降低少子壽命，漏電明顯增大；4）擦片過程中難免使電池片四周沾到漿料，造成pn結(jié)導(dǎo)通，發(fā)生漏電。

　　漏漿主要包含邊緣漏漿和表面漏漿兩種，邊緣漏漿是指電池片四周沾到漿料，造成pn型導(dǎo)通，發(fā)生漏電如圖7所示；邊緣漏漿和刻蝕不完全只看IR圖像很難區(qū)分，必須在SEM或者基恩士下觀察方能準(zhǔn)確判斷。

　　表面漏漿是指電池片在印刷前有隱裂，印刷時(shí)隱裂處沾染上鋁漿，燒結(jié)時(shí)鋁漿隨銀漿一起被燒進(jìn)PN結(jié)，而導(dǎo)致PN結(jié)被燒穿，引起的漏電如圖8所示。平面圖上明顯看到漿料（紅色線條包圍的區(qū)域），這些漿料以鋁漿為主。

　　4、其他原因造成的漏電

　　Si3N4顆粒有可能造成漏電如圖9所示，Si3N4顆粒主要來源：1）鑄造多晶硅時(shí)在坩堝表面噴涂的Si3N4脫落融入硅錠所致；2）鍍膜時(shí)SiH4的含量偏高，形成Si3N4顆粒。Si3N4顆粒的晶粒貫穿電池片的層錯(cuò)，使PN結(jié)導(dǎo)通而導(dǎo)致漏電。

　　晶界缺陷有可能造成漏電如圖10所示，其原因主要為1）雜質(zhì)原子容易在晶界位置集中，形成各類缺陷和復(fù)合中心；2）高溫?cái)U(kuò)散的原子也容易沿著位錯(cuò)和晶界形成微小的橋路漏電。

　　三、結(jié)論

　　分析了晶體硅硅片及電池生產(chǎn)階段可能產(chǎn)生的漏電原因及預(yù)防措施。在電池生產(chǎn)過程中產(chǎn)生漏電的主要原因?yàn)椋?）刻蝕不完全或未刻蝕2）點(diǎn)狀燒穿3）印刷擦片或漏漿等，嚴(yán)重影響電池片的品質(zhì)。在分析過程中還發(fā)現(xiàn)Si3N4顆粒、多晶晶界等也有可能造成電池片漏電，在以后的研究中也需要重點(diǎn)關(guān)注。