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象，分析了晶體硅硅片及電池生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的漏電原因及預防措施。電池生產(chǎn)過(guò)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，嚴重影響電池片的品質(zhì)，另外發(fā)現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)巨大的半導體二極管，以半導體材料為基礎進(jìn)行能量轉換。目前，光伏行業(yè)中晶體硅太陽(yáng)能電池還是占主導位置。

　　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(guò)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(zhù)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(wèn)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(guò)程中，部分晶體硅太陽(yáng)電池難免會(huì )因為各種原因導致局部漏電，甚至短路。晶體硅片在制作生產(chǎn)過(guò)程中導致局部漏電主要原因為1）通過(guò)PN結的漏電流；2）沿電池邊緣的表面漏電流；3）金屬化處理后沿著(zhù)微觀(guān)裂紋或晶界形成的微觀(guān)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，當處于開(kāi)路的情況下，當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區和P區，使N區的費米能級比P區的費米能級高，在這兩個(gè)費米能級之間，P-N結兩端將建立起穩定的電勢差Voc（P區為正，N區為負）。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(guò)，這個(gè)電流稱(chēng)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(guò)電路，P-N結起到了一個(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結光生伏特效應做成的理想光電池的等效電路圖。

　　圖中把光照下的p-n結看作一個(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(guò)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(lái)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，使一部分本應通過(guò)負載的電流短路，這種作用的大小可用一并聯(lián)電阻RSH來(lái)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。對上述三方面進(jìn)行實(shí)驗研究，在研究過(guò)程中發(fā)現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

　　擴散工藝中在硅片的上表面和周邊都擴散上了N型結，如果不去除周邊的N型結會(huì )導致電池片正負極被周邊的N型結聯(lián)接起來(lái)，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(yáng)能電池的周邊結，其腐蝕反應方程為：

　　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，使反應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(jìn)行反應，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(méi)有及時(shí)發(fā)現，并且下傳印刷，將產(chǎn)生局部漏電的電池片，我們可以通過(guò)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(shí)，使電池片上會(huì )形成一個(gè)電流回路，當有區域漏電時(shí)，該區域的電流就會(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硅片表面產(chǎn)生的不同熱量轉換為電信號，進(jìn)而在顯示器上形成熱圖像，可以對發(fā)熱的異常區域進(jìn)行準確的識別。

　　刻蝕不完全或未刻蝕的硅片在IR下表現為電池片邊緣發(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?？涛g不完全主要是由于硅片邊結由于設備原因或人為原因未去除干凈，導致漏電過(guò)大的異?，F象主要有以下原因：1）刻蝕功率過(guò)??；2）刻蝕時(shí)間不足；3）刻蝕壓力波動(dòng)導致刻蝕不均；4）刻蝕時(shí)機臺故障，以致刻蝕未進(jìn)行完全；5）刻蝕時(shí)，硅片底部托盤(pán)未旋轉，導致刻蝕不均；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控，增加人員的責任意識。

　　2、點(diǎn)狀燒穿造成的漏電

　　點(diǎn)狀燒穿通常意義上指IR拍攝出呈現點(diǎn)狀發(fā)紅的漏電現象，具體表現如圖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）擴散前隱裂即在擴散步磷源順著(zhù)裂縫擴散，從而導致上下導通，產(chǎn)生點(diǎn)狀燒穿；2）印刷前隱裂即在印刷過(guò)程中，漿料恰巧印過(guò)裂縫，銀漿通過(guò)裂縫滲透到背面產(chǎn)生點(diǎn)狀燒穿。對于由隱裂而產(chǎn)生的點(diǎn)狀燒穿，我們必須規范生產(chǎn)現場(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，保持印刷機臺干凈平整等等。

　　微隱裂引起的點(diǎn)狀燒穿主要是因為硅片本身晶體結構存在缺陷，在燒結過(guò)程中會(huì )破壞晶體結構，銀漿順著(zhù)晶界滲透至基區，從而產(chǎn)生漏電。我們通常也稱(chēng)此現象為微隱裂。判斷是硅片本身的缺陷還是晶體硅電池生產(chǎn)過(guò)程中導致的點(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(chēng)SEM），主要用于觀(guān)察樣品的表面形貌、割裂面結構、管腔內表面的結構等，所獲得的圖像立體感強，可用來(lái)觀(guān)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，導致點(diǎn)狀燒穿，如圖5所示。對于此類(lèi)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(shí)費力，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(guò)程中出現的印刷不良片用酒精等將柵線(xiàn)擦拭干凈后重新印刷的電池片。這些電池片如果沒(méi)有處理好，可以看到如圖6所示的形貌。在顯微鏡下觀(guān)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(diǎn)，這些細點(diǎn)即為銀漿，在擦片的過(guò)程中銀漿滲進(jìn)電池片里；小顆粒銀漿是團狀銀漿在燒結過(guò)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范導致的，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(guò)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通發(fā)生短路；3）即使擦片后表觀(guān)看來(lái)已無(wú)漿料，但仍會(huì )有少量漿料殘留在絨面凹陷處，燒結后成為金屬復合中心，降低少子壽命，漏電明顯增大；4）擦片過(guò)程中難免使電池片四周沾到漿料，造成pn結導通，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圖像很難區分，必須在SEM或者基恩士下觀(guān)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(shí)隱裂處沾染上鋁漿，燒結時(shí)鋁漿隨銀漿一起被燒進(jìn)PN結，而導致PN結被燒穿，引起的漏電如圖8所示。平面圖上明顯看到漿料（紅色線(xiàn)條包圍的區域），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(lái)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，使PN結導通而導致漏電。

　　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(lèi)缺陷和復合中心；2）高溫擴散的原子也容易沿著(zhù)位錯和晶界形成微小的橋路漏電。

　　三、結論

　　分析了晶體硅硅片及電池生產(chǎn)階段可能產(chǎn)生的漏電原因及預防措施。在電池生產(chǎn)過(guò)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(diǎn)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(guò)程中還發(fā)現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。