CN113075172A - 一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法。所述测试方法包括如下步骤：制备双面对称钝化硅片，测试厚度和平均反射率；在一系列不同强度的光照条件下，测试双面对称钝化硅片的待测区域的过剩载流子浓度Δn和平均发光强度PL，根据Δn计算得出iVoC值；建立iVoc与ln(PL)之间的线性关系式iVoc＝a·ln(PL)+b；光照双面对称钝化硅片，测试任一区域的发光强度PLij，根据关系式iVOCij＝a·ln(PLij)+b和PLij值计算得到双面对称钝化硅片表面的复合电流密度分布J0ij。本发明提供的测试方法具有远高于少子寿命测试仪的分辨率，可以获取双面对称钝化硅片整面上的复合电流密度分布。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法。
背景技术
光致发光(PL)检测设备是表征太阳能电池对载流子复合能力的主要测试设备，它的工作原理是使用一定强度的激光照射样品，样品吸收光子并产生电子空穴对，电子空穴再直接复合并放出某一特定波长的光，该特定波长的光被探测器收集到并根据其强度转化成数值矩阵，形成图像。若太阳能电池中存在复合中心，如金属杂质，位错等，电子和空穴不会直接复合而是会与复合中心复合，产生不被探测器收集到的光，此复合中心的光强度会很低；相反，若不存在复合中心，这种情况下电子空穴对可以直接复合，此位置的光强度会很大。
PL设备就是通过对样品各个位置发光的强度来分析太阳能电池复合水平的高低，这种强度数值为PL数值，PL数值越大，复合越低；PL复合越小，复合越严重。
在太阳能电池生产和制造过程中，需要对硅片表面进行钝化，以降低表面复合电流密度，提高电池开压。因此，测试钝化硅片表面的复合电流密度值对于控制太阳能电池品质有重要意义。
一般的测试表面复合电流密度的方法是使用WCT-120少子寿命测试仪，直接获得样品表面复合电流密度，以下称J0。但WCT-120设备测试的值是一小片区域的综合值，一般代表的是其传感器范围(直径4cm的圆形区域)内复合电流密度的平均水平。这就造成了一些限制：一是无法获取样品整面上的复合电流密度分布，二是一些缺陷远小于WCT-120传感器面积，这部分区域无法被单独分离出来进行评估。
因此，在本领域期望得到一种具有更高分辨率的测试钝化硅片表面复合电流密度的方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法。通过该测试方法，可以获取双面对称钝化硅片整面上的复合电流密度分布，且分辨率远高于少子寿命测试仪。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法，所述测试方法包括如下步骤：
制备双面对称钝化硅片；
测试所述双面对称钝化硅片的厚度和对测试波段光的反射率；
测试iVoc和PL：在一系列不同强度的光照条件下，测试所述双面对称钝化硅片的待测区域的过剩载流子浓度Δn和平均发光强度PL，根据Δn计算得出隐式开路电压iVoc值；
建立线性关系：根据得到的iVoc值和PL值，建立iVoc与ln(PL)之间的线性关系式iVoc＝a·ln(PL)+b；
计算J0ij：光照所述双面对称钝化硅片，测试所述双面对称钝化硅片上任一区域(i，j)的发光强度PLij，根据关系式iVocij＝a·ln(PLij)+b和PLij值计算得到所述双面对称钝化硅片表面的复合电流密度分布J0ij。
本发明中，所述“一系列不同强度的光照条件”是指至少两个不同强度的光照条件，使用的不同强度的光越多，拟合得到的线性关系式iVoc＝a·ln(PL)+b就越准确。所述“测试波段光”是指后续进行过剩载流子浓度和发光强度测试时所使用的波段的光。
iVoc(implied Voc)为隐式开路电压。一般Voc是指实际开路电压。Voc的测试需要片子两面制作接触电极，电路导通测试。但iVoc是隐式开路电压，是指没有制作接触电极的片子的开路电压。通常情况下没有接触电极，电压是没法测试的，但对太阳能电池来说，测试过剩载流子浓度Δn可以计算出来这个开路电压，所以称为隐式开压iVoc。本发明中，根据Δn计算iVoc值的公式如下：
公式1：
其中，K为玻尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K；T为测试过程中的开尔文温度；q为元电荷量，为1.6×10-19C；NA为双面对称钝化硅片基材的体掺杂浓度，可根据基材的体积电阻率直接计算得到；ni为本征载流子浓度，在25℃下为固定值8.6×109cm-3。
本发明中，iVoc与ln(PL)之间的线性关系可根据少子寿命测试仪和光致发光检测设备(PL设备)的测试原理推导得知：
根据检测原理测试得到的PL值满足下列方程：
其中Ai是校准因子，B是辐射复合系数，ni为本征载流子浓度，在25℃下为固定值8.6×109cm-3，K是玻尔兹曼常数，T是测试过程中的开尔文温度。
对上述公式做变换后有iVoc＝a·ln(PL)+b；其中
本发明中，表面复合电流密度分布J0ij的计算公式如下公式2所示：
根据半导体器件基本原理，有
其中flux是PL设备的光通量，只与光照强度强度有关，光照强度为1000W/cm2时，flux约为1.27×1017cm-2·s-1，可在设备参数列表里直接读取出来。
表面复合电流密度J0是两个表面之和，因为样品是对称结构，所以一个面的表面电流电流密度是J0/2，对第(i，j)位置的J0，使用J0ij表示，有公式2：
其中，K为玻尔兹曼常数；T为测试过程中的开尔文温度；q为元电荷量，为1.6×10-19C；R为双面对称钝化硅片的平均反射率；对1000W/cm2的光照强度，flux·q＝43.6mA/cm2。
采用本发明提供的方法，可以通过测试双面对称钝化硅片表面任一区域在光照下的发光强度，计算得到该区域的复合电流密度。由于光致发光检测设备最小可测试0.16mm×0.16mm的范围，而少子寿命测试仪的传感器的测试范围为直径约4cm的圆，因此本发明提供的测试方法具有远高于少子寿命测试仪的分辨率，可以测试双面对称钝化硅片整面上的复合电流密度分布。
需要说明的是，太阳能电池常用的钝化硅片正面与背面结构不同，无法直接使用本发明的方法测试表面复合电流密度，这是因为iVoc反映的是测试区域内硅片整体的隐式开路电压，而表面复合电流密度只能反映测试区域表面的复合程度。因此，本发明中需要使用与非对称钝化硅片相同的基材和相同的制备待测面的工艺，制备双面对称钝化硅片，进行测试。由于双面对称钝化硅片两面结构相同，两面的复合电流密度也相同，因此可以根据公式2计算出其中一面的复合电流密度，该复合电流密度值即等于非对称钝化硅片待测面的复合电流密度值。
作为本发明的优选技术方案，所述双面对称钝化硅片的基材为N型硅片，且所述N型硅片的体积电阻率在5Ω·cm以上。
作为本发明的优选技术方案，所述双面对称钝化硅片的基材为P型硅片，且所述P型硅片的体积电阻率在10Ω·cm以上。
本发明所采用双面对称钝化硅片的基材优选为高电阻率、低掺杂浓度的硅片，这是因为高阻硅片的体内复合相对表面复合极小，在测试过程中可忽略体材料对表面电流密度测试结果的影响。
作为本发明的优选技术方案，所述双面对称钝化硅片的厚度在1000μm以下；例如可以是900μm、800μm、700μm、600μm、500μm、400μm、350μm、300μm、250μm、200μm、150μm、100μm、80μm或50μm等。
对本发明提供的测试方法，要求PL照射下，受光面产生的电子空穴对可以运动到非受光面(背面)。但因为体材料缺陷的存在，因此要求硅片厚度不可以太厚，优选在1000μm以下。
作为本发明的优选技术方案，所述测试中所照射的光的波长为800-1000nm，例如可以是800nm、820nm、850nm、880nm、900nm、915nm、950nm、980nm或1000nm等；进一步优选为915nm。
由于钝化硅片对短波长光的吸收较强，使用短波长光会影响测试结果的准确度；钝化硅片对长波长光的吸收较弱，使用长波长光则需要较大的光强度，因此本发明中优选使用波长为800-1000nm的光。
作为本发明的优选技术方案，步骤(1)中所照射的光强度为10-18000W/m2。
优选地，所述测试iVoc和PL的步骤中所照射的光的强度梯度为100-1800W/m2；例如可以是100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2、500W/m2、800W/m2、1000W/m2、1200W/m2、1500W/m2或1800W/m2等。
作为本发明的优选技术方案，所述测试是在20-25℃(例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或25℃等)下进行，优选为25℃。
作为本发明的优选技术方案，所述过剩载流子浓度采用少子寿命测试仪测试；
作为本发明的优选技术方案，所述发光强度采用光致发光检测设备测试。
在本发明一实施方式中，所述双面对称钝化硅片的制备方法为：使用N型硅片或P型硅片，依次进行双面制绒、双面扩散、双面去磷硅玻璃和双面镀钝化层，然后烧结，得到所述双面对称钝化硅片。
在本发明一实施方式中，所述双面对称钝化硅片的制备方法为：使用N型硅片或P型硅片，依次进行双面制绒、双面扩散、双面抛光、双面镀钝化层和任选地双面镀保护层，然后烧结，得到所述双面对称钝化硅片。
需要说明的是，上述制备方法中“任选地双面镀保护层”是指进行或不进行双面镀保护层的步骤。
本发明中，可以通过上述两种方法制备双面对称钝化硅片样品，各步骤可以采用本领域常规的产线工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的方法，可以通过测试双面对称钝化硅片表面任一区域的发光强度，计算得到该区域的复合电流密度。由于光致发光检测设备最小可测试0.16mm×0.16mm的范围，而少子寿命测试仪的传感器的测试范围为直径约4cm的圆，因此本发明提供的测试方法具有远高于少子寿命测试仪的分辨率，可以测试双面对称钝化硅片整面上的复合电流密度分布。
附图说明
图1为本发明实施例1中iVoc与ln(PL)的拟合关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法。
样品的制备：
1、挑选P型硅片，要求电阻率大于10Ω.cm，并实测硅片电阻率ρ＝25.4Ω·cm，计算得到体掺杂浓度NA为5.3×1014cm-3；
2、采用产线常规制绒工艺，在硅片两个表面形成绒面；
3、采用产线常规扩散工艺，在硅片两个表面形成扩散面；
4、配制质量浓度为8％的HF溶液，去掉扩散形成的磷硅玻璃；
5、双面镀氮化硅膜，形成保护层的同时，钝化样品表面；
6、过烧结炉烧结，使钝化效果更稳定，得到双面对称钝化硅片样品。
对上述双面对称钝化硅片样品的表面复合电流密度分布进行测试，步骤如下：
(1)使用厚度测试仪，测试双面对称钝化硅片样品实际厚度W，厚度是少子寿命测试仪和光致发光检测设备需要输入的参数；使用反射率测试仪，测试样品在915nm光照下的反射率R；本实施例中实测厚度W＝175μm，R＝2.01％；
(2)在双面对称钝化硅片样品上选取直径4cm的圆形待测区域，分别在100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2、500W/m2、600W/m2、700W/m2、800W/m2、900W/m2、1000W/m2的光照条件(波长915nm)下，用WCT-120少子寿命测试仪测试待测区域的过剩载流子浓度Δn；在相同条件下用光致发光检测设备测试待测区域的发光强度PL，并求平均值，测试温度保持25℃；
(3)根据公式1计算得到iVoc值；
公式1：
其中，K＝1.38×10-23J/K，T＝298.15K，q＝1.6×10-19C，ni＝8.6×109cm-3；
测试数据如下表1所示：
表1
| 光强(W/m<sup>2</sup>) | Δn(cm<sup>-3</sup>) | iVoc(V) | PL |
| 100 | 8.54×10<sup>14</sup> | 0.60567 | 5001 |
| 200 | 1.3×10<sup>15</sup> | 0.62369 | 10270 |
| 300 | 1.69×10<sup>15</sup> | 0.63524 | 15816 |
| 400 | 1.99×10<sup>15</sup> | 0.64272 | 21108 |
| 500 | 2.25×10<sup>15</sup> | 0.64849 | 27284 |
| 600 | 2.49×10<sup>15</sup> | 0.65324 | 32309 |
| 700 | 2.67×10<sup>15</sup> | 0.65649 | 38260 |
| 800 | 2.89×10<sup>15</sup> | 0.66021 | 44183 |
| 900 | 3.08×10<sup>15</sup> | 0.66326 | 49757 |
| 1000 | 3.28×10<sup>15</sup> | 0.66616 | 55355 |
iVoc与ln(PL)之间满足线性关系式iVoc＝a·ln(PL)+b，根据iVoc和PL值拟合得到a＝0.025，b＝0.3926，iVoc与ln(PL)的拟合关系曲线如图1所示；
(4)在1000W/m2的光照条件(波长915nm)下，使用光致发光检测设备测试双面对称钝化硅片样品上任一区域(i，j)的发光强度PLij，测试温度保持25℃，根据关系式iVocij＝0.025·ln(PLij)+0.3926算得到该区域的iVocij值，根据公式2计算得到双面对称钝化硅片表面的复合电流密度分布J0ij；
公式2：
对1000W/cm2的光照强度，flux·q＝43.6mA/cm2。
其中一个10×10点阵(每个点的尺寸为160μm×160μm)的PLij值如下表2所示
表2
该10×10点阵对应的复合电流密度值J0ij(fA·cm-3)如下表3所示：
表3
在双面对称钝化硅片表面选取一个直径4cm的圆形区域，在1000W/m2的光照条件(波长915nm)下，采用WCT-120少子寿命测试仪直接测得其复合电流密度为127fA·cm-3。根据本实施例测得的双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布，计算得到该区域内的平均复合电流密度为130fA·cm-3，与WCT-120少子寿命测试仪的测试结果误差为2.3％，表明本发明提供的测试方法准确可靠。
而由于光致发光检测设备最小可测试0.16mm×0.16mm的范围，而少子寿命测试仪的传感器的测试范围为直径约4cm的圆，因此本发明提供的测试方法具有远高于少子寿命测试仪的分辨率。
实施例2
本实施例提供一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法。
样品的制备：
1、挑选N型硅片，要求电阻率大于10Ω.cm，并实测硅片电阻率ρ＝7.1Ω·cm，计算得到体掺杂浓度NA为6.51×1014cm-3；
2、采用产线常规制绒工艺，在硅片两个表面形成绒面；
3、采用产线常规扩散工艺，在硅片两个表面形成扩散面，同时对体材料进行退火，提高材料的体寿命；
4、配制质量浓度为7.2％的KOH溶液，对硅片表面进行抛光，去掉表面扩散的pn结；
5、双面镀氧化铝，钝化样品表面；
6、双面镀氮化硅，对氧化铝退火的同时，保护氧化铝薄膜；
6、过烧结炉烧结，使钝化效果更稳定，得到双面对称钝化硅片样品。
对上述双面对称钝化硅片样品的表面复合电流密度分布进行测试，步骤如下：
(1)使用厚度测试仪，测试双面对称钝化硅片样品实际厚度W，厚度是少子寿命测试仪和光致发光检测设备需要输入的参数；使用反射率测试仪，测试样品在915nm光照下的反射率R；本实施例中实测厚度W＝165μm，R＝2.3％；
(2)在双面对称钝化硅片样品上选取直径4cm的圆形待测区域，分别在100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2、500W/m2、600W/m2、700W/m2、800W/m2、900W/m2、1000W/m2的光照条件(波长915nm)下，用WCT-120少子寿命测试仪测试待测区域的过剩载流子浓度Δn；在相同条件下用光致发光检测设备测试待测区域的发光强度PL，并求平均值，测试温度保持25℃；
(3)根据公式1计算得到iVoc值；
公式1：
其中，K＝1.38×10-23J/K，T＝298.15K，q＝1.6×10-19C，ni＝8.6×109cm-3；
测试数据如下表4所示：
表4
| 光强(W/m<sup>2</sup>) | Δn(cm<sup>-3</sup>) | iVoc(V) | PL |
| 100 | 3.63×10<sup>14</sup> | 0.625 | 2787 |
| 200 | 7.42×10<sup>14</sup> | 0.645 | 5532 |
| 300 | 1.50×10<sup>15</sup> | 0.665 | 11094 |
| 400 | 2.18×10<sup>15</sup> | 0.677 | 16720 |
| 500 | 2.81×10<sup>15</sup> | 0.685 | 22543 |
| 600 | 3.37×10<sup>15</sup> | 0.691 | 28328 |
| 700 | 3.88×10<sup>15</sup> | 0.696 | 34002 |
| 800 | 4.39×10<sup>15</sup> | 0.701 | 39854 |
| 900 | 4.83×10<sup>15</sup> | 0.704 | 45817 |
| 1000 | 5.25×10<sup>15</sup> | 0.707 | 51374 |
iVoc与ln(PL)之间满足线性关系式iVoc＝a·ln(PL)+b，根据iVoc和PL值拟合得到a＝0.028，b＝0.4022；
(4)在1000W/m2的光照条件(波长915nm)下，使用光致发光检测设备测试双面对称钝化硅片样品上任一区域(i，j)的发光强度PLij，测试温度保持25℃，根据关系式iVocij＝0.028ln(PLij)+0.4022计算得到该区域的iVocij值，根据公式2计算得到双面对称钝化硅片表面的复合电流密度分布J0ij；
公式2：
对1000W/cm2的光照强度，flux·q＝43.6mA/cm2。
其中一个10×10点阵(每个点的尺寸为160μm×160μm)的PLij值如下表5所示
表5
该10×10点阵对应的复合电流密度值J0ij(fA·cm-3)如下表6所示：
表6
在双面对称钝化硅片表面选取一个直径4cm的圆形区域，在1000W/m2的光照条件(波长915nm)下，采用WCT-120少子寿命测试仪直接测得其复合电流密度为25.3fA/cm2。根据本实施例测得的双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布，计算得到该区域内的平均复合电流密度为24.1fA/cm2，与WCT-120少子寿命测试仪的测试结果误差为4.7％，表明本发明提供的测试方法准确可靠。
而由于光致发光检测设备最小可测试0.16mm×0.16mm的范围，而少子寿命测试仪的传感器的测试范围为直径约4cm的圆，因此本发明提供的测试方法具有远高于少子寿命测试仪的分辨率。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种双面对称钝化硅片表面复合电流密度分布的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：
制备双面对称钝化硅片；
测试所述双面对称钝化硅片的厚度和对测试波段光的反射率；
测试iVoc和PL：在不同强度的光照条件下，测试所述双面对称钝化硅片的待测区域的过剩载流子浓度Δn和平均发光强度PL，根据Δn计算得出隐式开路电压iVoc值；
建立线性关系：根据得到的iVoc值和PL值，建立iVoc与ln(PL)之间的线性关系式iVoc＝a·ln(PL)+b；
计算J0ij：光照所述双面对称钝化硅片，测试所述双面对称钝化硅片上任一区域(i，j)的发光强度PLij，根据关系式iVocij＝a·ln(PLij)+b和PLij值计算得到所述双面对称钝化硅片表面的复合电流密度分布J0ij。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述双面对称钝化硅片的基材为N型硅片，且所述N型硅片的体积电阻率在5Ω·cm以上。
3.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，所述双面对称钝化硅片的基材为P型硅片，且所述P型硅片的体积电阻率在10Ω·cm以上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测试方法，其特征在于，所述双面对称钝化硅片的厚度在1000μm以下。
5.根据权利要求1-4任一项所述的测试方法，其特征在于，所述测试中所照射的光的波长为800-1000nm，优选为915nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的测试方法，其特征在于，所述测试iVoc和PL的步骤中所照射的光强度为10-18000W/m2；
优选地，所述测试iVoc和PL的步骤中所照射的光的强度梯度为100-1800W/m2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的测试方法，其特征在于，所述测试是在20-25℃下进行，优选为25℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述的测试方法，其特征在于，所述过剩载流子浓度采用少子寿命测试仪测试；
优选地，所述发光强度采用光致发光检测设备测试。
9.根据权利要求1-8任一项所述的测试方法，其特征在于，所述双面对称钝化硅片的制备方法为：使用N型硅片或P型硅片，依次进行双面制绒、双面扩散、双面去磷硅玻璃和双面镀钝化层，然后烧结，得到所述双面对称钝化硅片。
10.根据权利要求1-8任一项所述的测试方法，其特征在于，所述双面对称钝化硅片的制备方法为：使用N型硅片或P型硅片，依次进行双面制绒、双面扩散、双面抛光、双面镀钝化层和任选地双面镀保护层，然后烧结，得到所述双面对称钝化硅片。
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