探析晶硅光伏電池漏電的原因

　　本文描述了晶體硅太陽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、點狀燒穿和印刷擦片或漏漿等情況會產(chǎn)生漏電，嚴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，已成為新能源中最受矚目的能源。太陽能電池是一個巨大的半導(dǎo)體二極管，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)進行能量轉(zhuǎn)換。目前，光伏行業(yè)中晶體硅太陽能電池還是占主導(dǎo)位置。

　　晶體硅太陽電池主要分為兩種，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之一。

　　在晶體硅太陽電池生產(chǎn)過程中，部分晶體硅太陽電池難免會因為各種原因?qū)е戮植柯╇?，甚至短路。晶體硅片在制作生產(chǎn)過程中導(dǎo)致局部漏電主要原因為1）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，并進行具體分析。

　　一、晶體硅太陽電池工作原理

　　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)的費米能級比P區(qū)的費米能級高，在這兩個費米能級之間，P-N結(jié)兩端將建立起穩(wěn)定的電勢差Voc（P區(qū)為正，N區(qū)為負）。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，這個電流稱作短路電流，只要光生電流不停止，就會有源源不斷的電流通過電路，P-N結(jié)起到了一個電源的作用。這就是太陽能電池的工作原理。

　　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)負載的電流，經(jīng)過它們時，必然引起損耗。在等效電路中，可將它們的總效果用一個串聯(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，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際太陽電池生產(chǎn)中的漏電原因。

　　二、晶體硅太陽電池漏電分析

　　從晶體硅太陽電池生產(chǎn)工藝流程看，以下幾個因素與電池片漏電有關(guān)：1）刻蝕不完全或未刻蝕；2）點狀燒穿；3）印刷擦片或漏漿。對上述三方面進行實驗研究，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、多晶晶界等也會造成電池片漏電。

　　1、刻蝕不完全或未刻蝕造成的漏電

　　擴散工藝中在硅片的上表面和周邊都擴散上了N型結(jié)，如果不去除周邊的N型結(jié)會導(dǎo)致電池片正負極被周邊的N型結(jié)聯(lián)接起來，使電池正負極接通，起不到電池的作用了，我們用等離子刻蝕去除太陽能電池的周邊結(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，這些活性粒子擴散到需刻蝕的部位，在那里與被刻蝕材料進行反應(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極時，使電池片上會形成一個電流回路，當(dāng)有區(qū)域漏電時，該區(qū)域的電流就會特別大，產(chǎn)生的熱量就會比較多，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，進而在顯示器上形成熱圖像，可以對發(fā)熱的異常區(qū)域進行準確的識別。

　　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行四周打磨后漏電流會減少到2A以下，如表1所示。

　　以上幾點可以判斷為刻蝕不完全或未刻蝕造成的?？涛g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?，F(xiàn)象主要有以下原因：1）刻蝕功率過??；2）刻蝕時間不足；3）刻蝕壓力波動導(dǎo)致刻蝕不均；4）刻蝕時機臺故障，以致刻蝕未進行完全；5）刻蝕時，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；針對以上原因需要加強刻蝕機的監(jiān)控，增加人員的責(zé)任意識。

　　2、點狀燒穿造成的漏電

　　點狀燒穿通常意義上指IR拍攝出呈現(xiàn)點狀發(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）隱裂引起的點狀燒穿；2）微隱裂引起的點狀燒穿；3）未知因素引起的點狀燒穿。

　　隱裂引起的點狀燒穿主要有兩種方式產(chǎn)生，1）擴散前隱裂即在擴散步磷源順著裂縫擴散，從而導(dǎo)致上下導(dǎo)通，產(chǎn)生點狀燒穿；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)生點狀燒穿。對于由隱裂而產(chǎn)生的點狀燒穿，我們必須規(guī)范生產(chǎn)現(xiàn)場操作，盡量避免產(chǎn)生隱裂片的可能。比如裝舟卸舟時輕拿輕放，保持印刷機臺干凈平整等等。

　　微隱裂引起的點狀燒穿主要是因為硅片本身晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，在燒結(jié)過程中會破壞晶體結(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)致的點狀燒穿，我們需要借助掃描電鏡進行分析。

　　由掃描電鏡即掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，簡稱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，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)致點狀燒穿，如圖5所示。對于此類由晶體缺陷引起的點狀燒穿，如果要降低其產(chǎn)生的可能性，則需要在進料時加一道檢測工序，測量每片原料片的少子壽命分布，剔除異常片。但該工序費時費力，可行性有待進一步商榷。

　　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點，這些細點即為銀漿，在擦片的過程中銀漿滲進電池片里；小顆粒銀漿是團狀銀漿在燒結(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，但仍會有少量漿料殘留在絨面凹陷處，燒結(jié)后成為金屬復(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確判斷。

　　表面漏漿是指電池片在印刷前有隱裂，印刷時隱裂處沾染上鋁漿，燒結(jié)時鋁漿隨銀漿一起被燒進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）鑄造多晶硅時在坩堝表面噴涂的Si3N4脫落融入硅錠所致；2）鍍膜時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，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）高溫擴散的原子也容易沿著位錯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)生漏電的主要原因為：1）刻蝕不完全或未刻蝕2）點狀燒穿3）印刷擦片或漏漿等，嚴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關(guān)注。