用开路电压法测硅太阳电池中少数载流子寿命

　　收稿日期 :2002203212 文章编号 :025420096 (2003) 0320340204 用开路电压法测硅太阳电池中 少数载流子寿命 陈凤翔1 ,崔容强1 ,孟凡英1 ,林书铨1 ,唐敦乙1 ,罗售余2 (1. 上海交通大学物理系太阳能研究所 ,上海 200240 ;2. 上海交通大学物理系光学与光子学研究所 ,上海 200240) 摘 　要 :太阳电池基区的少数载流子寿命是影响电池效率的重要因素之一。开路电压衰减法 (OCVD) 具有直接、简单、 重复性好等特点 ,可准确测量器件的少数载流子寿命。该文分别介绍了利用纳秒激光器和发光二极管 (L ED) 作为 OCVD 的光源 ,测量晶体硅太阳电池的少子寿命 ,结果发现可以利用脉冲信号发生器带动发光二极管作为脉冲光源 ,取 代纳秒激光器 ,来测量单晶硅和多晶硅太阳电池的少子寿命。 关键词 :多晶硅太阳电池 ;开路电压衰减法 ;少数载流子寿命 中图分类号 : TN307 　　　　文献标识码 :A 0 　引　言 太阳电池基区的少数载流子寿命 (τ) 是影响器 件光电转换效率的重要参数之一[1 ] 。目前世界上 最高的单晶硅太阳电池的效率为 24. 7 %[2 ] ;对于多 晶硅 ,由于大量的晶界充当了陷阱和复合中心 ,导致 电池转换效率的下降 ,最高效率的多晶电池的效率 只有 19. 8 %[2 ] 。为了进一步提高电池的性能 ,降低 器件的复合损失 ,就必须不断优化电池的体参数及 表面参数 ,这其中就包括了电池基区的少数载流子 寿命。可以说 ,准确地测量硅中少数载流子寿命对 提高太阳电池性能至关重要。人们已经采用一系列 方法 ,如光电导衰减 ( PCD) [3 ] 、双脉冲法[4 ]等来测量 少数载流子寿命 ,但这些方法只能测量原始的硅材 料。但少数载流子寿命是一个对材料和器件的加工 过程非常敏感的参数 ,在器件 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 流程中一般都会 发生很大的变化。因此 ,对少数载流子寿命的测试 和研究 ,需要有对成品或半成品器件芯片的特殊区 域进行测试的手段 ,而开路电压衰减法 (OCVD) 正 适应了这一需要[5 ] 。在器件加工过程中 ,常常用这 种方法来测量 pn 结低掺杂区的少数载流子寿命 ,即 太阳电池基区的少数载流子寿命。 本文利用两种光源通过 OCVD 方法测量了硅 太阳电池中的少子寿命 ,并分析了两种不同光源对 少子寿命测量结果的影响。 1 　理论 当一束脉冲光照到 n + p 半导体上时 ,在半导体 内将产生大量的光生载流子 ,从 n +区注入到 p 区的 大量电子形成稳定的过剩少子Δn。在脉冲光结束 后 ,积累在 p 区的过剩少子如同一个充电电容器 ,在 充电电源撤销后仍储存在电容器中的电荷将使样品 两端仍有电压存在[5 ] 。采用外加示波器 (探头电阻 不低于 10MΩ ,认为太阳电池处于开路状态) 探测太 阳电池上存在的电压。由于开路状态下样品 p 区电 子只能通过复合来逐渐消失 ,因此 ,样品两端剩余电 压随时间下降的快慢 ,将反映过剩载流子在 p 区复 合的快慢。通过示波器显示光电压的衰减速率 ,就 可推算出 p 区的少数载流子寿命。 根据脉冲光强度的不同 ,可以将 V oc衰减曲线 分为强注入和小注入两类。通常将脉冲结束后开路 电压高于 0. 4V 的情况称为强注入。在测量少子寿 命的实验中 ,一般都控制在小注入程度 ,此时基区中 的过剩少数载流子远大于热平衡时少数载流子浓 度 ,却远远低于平衡时多数载流子浓度 , V oc的衰减 曲线为近似直线。 我们做下面的假设 : 1) 在光脉冲下 ,电池中 n + 区和空间电荷区所 产生的过剩载流子忽略不计 (因为 p 区的厚度远大 于 n +区及空间电荷区厚度) ; 第 24 卷 　第 3 期 2003 年 6 月 　　　　　　　　　　　　　 太　阳　能　学　报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 　　　　　　　　　　　　　 Vol124 ,No13 J un. ,2003 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2) 满足小注入条件 ; 3) 光注入时在 p 区中产生的少数载流子分布 均匀。 在以上假设成立时 ,光电压与少数载流子寿命 的关系为[6 ] τ = k Tq 1 d V oc d t = 0 . 026 ΔtΔV (1) 其中Δt ———时间的变化量 ;ΔV ———光电压的变化 量 ;τ———少子寿命 ; k ———玻尔兹曼常数 ; q ———电 子电量 ; T ———温度。在室温附近 T = 300 K 时 , k T/ q≈0. 026V (伏特) 。考虑注入水平的高低 ,更 精确的求值应当对实验求出的Δt/ΔV 乘一个修正 因子 C ( C 值通常在 1 - 2 之间) ,由于文中主要考虑 小注入 ,认为 C = 1。 2 　实验 实验线路如图 1 ,将脉冲光作为激励源 ,照射到 太阳电池上。用示波器观察电池两端电压的衰减 情况。 图 1 　开路电压衰减法的实验线路 Fig. 1 　The schematic of the open circuit voltage decay 本实验使用两种脉冲光源 :一种是脉冲信号发 生器 ,脉冲宽度 13μs ,下降沿 1μs ,带动发光二极管 发出脉冲光 (波长 950nm ,上升、下降沿 400ns) ,即 使用电脉冲来带动光脉冲 ; 另一种则直接使用 Continuum 公司生产的 Surlite Ⅱ10 纳秒激光器 ,波 长为 1. 06μm。两种光源的光强度利用 Molectron 生产的 powermax 500D 激光功率计进行测量。 脉冲信号发生器带动的发光二极管和纳秒激光 器的主要参数列于表 1。 表 1 　发光二极管和纳秒激光器的主要参数 Table 1 　The major parameters for L ED and nanosecond laser 光源 信号周期 脉冲下 降后沿 脉冲宽度 光强度 照射面积 发光二极管 0. 1ms 1μs 3 13μs 1mW Ф1mm 纳秒激光器 0. 1s 3～6ns 6ns 54mW Ф7mm3 发光二极管的后沿为 400ns ,但由于脉冲信号发生器的下降沿为 1μs ,则发光二极管发出的脉冲光后沿为 1μs。 实验过程中使用的单晶硅片由西安骊山半导体 材料厂提供 ,电阻率 0. 5～1. 0Ω·cm。多晶硅片则 为台湾茂迪公司生产的掺 B 的 P 型硅片 ,电阻率为 0. 5～1. 5Ω·cm。将被测量的太阳电池片分为四类 : 1)单晶硅太阳电池未镀 SiN x 钝化减反射膜 ;2)单晶 硅太阳电池镀 SiN x ;3) 多晶硅太阳电池未镀 SiN x ; 4)多晶硅太阳电池镀 SiN x 。每类电池以两片为例 , 电池的基本参数列于表 2。 表 2 　太阳电池的基本参数 Table 2 　Solar cell parameters under standard condition 太阳电池 类型 编号 开路电压 / V 短路电流 / A FF 效率 / % 单晶硅未镀膜 1 2 0. 581 0. 584 0. 513 0. 509 0. 604 0. 635 9. 2 9. 5 单晶硅镀膜 3 4 0. 583 0. 573 0. 762 0. 744 0. 561 0. 610 10. 0 10. 4 多晶硅未镀膜 5 6 0. 571 0. 570 0. 510 0. 538 0. 464 0. 574 5. 4 7. 0 多晶硅镀膜 7 8 0. 584 0. 586 0. 759 0. 747 0. 613 0. 603 10. 9 10. 6 其中单晶硅未镀 SiN x 的电池片为圆片 , 直径 50mm ;其他的各类电池片均为 50mm ×50mm 的方 片。太阳电池效率偏低主要是由于两个原因 :第一 , 所有电池的工艺均采用产业化工艺制造 ,所以效率 低于一般的实验电池片 ;第二 ,是为了验证方法的一 般性。 3 　结果和讨论 图 2 和图 3 分别是使用 L ED 脉冲光和纳秒激 光器测到的太阳电池光电压衰减 (OCVD) 曲线。从 图中可以看到 ,在脉冲信号结束后 ,整个曲线开始呈 下降趋势 ,光电压减小 ,显示了硅太阳电池中的少数 载流子发生复合。从图 2 可以看出 ,OCVD 曲线在 小注入时为近似直线衰减 ,反映了瞬时注入后电池 中的少数载流子复合很快 ;弱注入时呈指数衰减形 式 ,这主要是由电池中的 RC 时间常数决定的。因 为在硅太阳电池的等效电路图中 ,存在电容 C 和电 池的并联电阻 R sh。在硅太阳电池上的光脉冲结束 之后 ,它们会形成 RC 回路 ,即电容逐渐放电 ,对外 也产生一定的电压。图 3 中的 OCVD 曲线在下降 时表现出两段不同的衰减趋势。前段小注入反映了 143　3 期 　　　　　　　　 　　　陈凤翔等 :用开路电压法测硅太阳电池中少数载流子寿命 　　　　　　　　　　 　 　　　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电池中的少子复合 ,后段是弱注入情况。同理 ,认为 弱注入时受 RC 的影响。对于纳秒激光器 ,由于脉 冲持续的时间很短 (只有 6ns) ,所以在光脉冲的上 升端对电容的充电量少 ,放电就快 ,形成比小注入下 降趋势更明显的一条衰减曲线。 图 2 　太阳电池的 OCVD 曲线 ,使用 L ED 照射 Fig. 2 　Photo2induced OCVD curve for solar cell , obtained with L ED as an excited source 图 3 　太阳电池的 OCVD 曲线 ,使用纳秒激光器照射 Fig. 3 　Photo2induced OCVD curve for solar obtained with a nanosecond laser as an excited source 　　任一曲线中 ,根据单位时间内衰减的光电压 ,利 用公式 (1)可算出太阳电池的少数载流子寿命τ,列 于表 3。 表 3 　太阳电池效率与少子寿命 Table 3 　The relationship between solar cell efficiency and minority lifetime 电池类型 编号 效率/ % 少数载流子寿命/μs 脉冲信号发生器 纳秒激光器 单晶未镀膜 1 2 9. 2 9. 5 19 21 17 12 单晶镀膜 3 4 10. 0 10. 4 46 53 43 52 多晶未镀膜 5 6 5. 4 7. 0 12 14 10 12 多晶镀膜 7 8 10. 9 10. 6 43 41 42 39 　　对比以上的四类电池 ,发现无论是单晶电池还 是多晶电池 ,镀膜前后少数载流子寿命的变化都很 大 ,说明在 PECVD 镀膜过程中 SiH4 和 N H3 反应生 成的 H 原子对硅中的杂质和缺陷起着良好的钝化 作用 ,使电池的少子寿命得到较大的提高 ,从而转换 效率也增加。其中对于镀膜后的单晶电池 ,少数载 流子寿命值与文献[6 ]中报道的结果相接近。 从表 3 中可以看出 ,对于硅太阳电池 ,光电转换 效率越高 ,少子寿命越长 ,但少数载流子寿命并不是 决定电池效率的唯一因素。在多晶电池和单晶电池 效率相当的情况下 ,多晶中的少子寿命仍低于单晶 , 说明多晶硅中的晶界严重影响载流子的输运性质 , 晶界中大量的杂质 ,缺陷、位错等对少子输运起着 “陷阱”作用 ,容易俘获少子 ,从而减少了有效载流子 数 ,降低了光电流。 在表 3 中 ,虽然使用了两种不同的脉冲光源 ,但 对少数载流子寿命测量的结果近乎一致 (除 2 # 样 品有较大差异外) 。所以 ,在较长寿命的情况下 ,如 τ> 5μs ,可以使用脉冲信号发生器带动发光二极管 作为脉冲光源来替代脉冲激光器。此外 ,对于多晶 243　　　　　　　　　　　　　　　　　　　太 　　阳 　　能 　　学 　　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　24 卷 　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电池 ,我们在实验过程中发现 ,当脉冲光照到不同的 晶面上 ,由于各个晶面的表面状态不完全相同 ,会影 响开路电压衰减曲线的形状。最好配以 X - Y坐标 仪对多晶电池中的不同点的少子寿命进行扫描 标定。 一般来说 ,精确测量少数载流子寿命具有一定 的困难 ,在一个数量级范围内的结果通常就认为是 可以接受的。如 ASTM 标准[7 ]中 ,不同实验室之间 对 Si 的少子寿命测量精度范围为 ±135 %。采用不 同的方法 ,在理论上可以进行比较 ,但在实验上必须 满足一定的条件 ,才能使两种或几种不同方法得出 的结果完全符合 ,所以本文没有涉及两种不同测量 方法之间的比较 ,这将是下一步的努力方向。 4 　结论 本文主要研究了采用两种不同的脉冲光源 ,利 用 OCVD 方法测量硅太阳电池中的少数载流子寿 命。对比 L ED 脉冲光和纳秒激光器测出的少子寿 命值 ,发现在较长寿命的情况下 ,完全可以采用简单 的脉冲信号发生器驱动发光二极管代替脉冲激光 器。此外若配以 X - Y坐标仪 ,可利用脉冲光源对 整个硅太阳电池的少数载流子寿命进行扫描 ,实现 工业化生产情况下对少数载流子寿命的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 。 感谢 本文作者在此感谢林书铨、唐敦乙教授的指导 ,感谢罗 售余老师与徐林博士提供实验所需的设备及仪器。 [参考文献 ] [1 ] Garrido C L ,Stolik D ,et al , Influence of carrier recombi2 nation in the space charge region on minority carrier life2 time in the base region of solar cells[J ] . Solar Energy ma2 terial & Solar Cell ,1999 ,57 :239 —247. [2 ] 孟凡英 . 多晶硅晶界理论与太阳电池工艺的研究 [ D ] , 上海 :上海交通大学物理系 ,2000. [3 ] 陈治明 ,王建农. 半导体器件的材料物理学基础 [ M ] . 北京 :科学出版社 ,1999. [4 ] 孙恒慧 ,包宗明 . 半导体物理实验 [ M ] . 北京 :高等教育 出版社 ,1986. [5 ] 周永溶 . 半导体材料[ M ] . 北京 :北京理工大学出版社 , 1992. [6 ] Ulrich Stutenbaeumer , Elias Lewetegn. Comparison of minority lifetime carrier diffusion length measurements in silicon solar cells by the photo2induced open2circuit voltage decay (OCVD) with different excitation sources[J ] . Re2 newable Energy ,2000 ,20 :65 —74. [7 ] ASTM F28291. Standard Test Methods for Minority2Car2 rier Lifetime in Bulk Germanium And Silicon by Measure2 ment of Photoconductivity Decay[ S] ,1997. MEASUREING MINORITY CARRIER L IFETIME IN SIL ICON SOLAR CELLS BY OPEN CIRCUIT VOLTAGE DECAY ( OCVD) Chen Fengxiang1 ,Cui Rongqiang1 ,Meng Fanying1 ,Lin Shuquan1 , Tang Dunyi1 ,Luo shouyu2 (1 . Solar Energy Instit ute , S hanghai Jiaotong U niversity , S hanghai 200240 , Chi na ; 2 . Instit ute of optics and photonic , S hanghai Jiaotong U niversity , S hanghai 200240 , Chi na) Abstract :The minority carrier lifetime (τ) in the base region of a solar cell is one of the most important parameters that affects the conversion efficiency of the device. Open circuit voltage decay (OCVD) is att ractive in the measurement of the minority carrier lifetime in the devices due to its st raight ,easy operation and good repeatability. In this paper we compare the minority carrier lifetimes from nanosecond laser and pulsed generator source ,the results indicate that we can use a pulsed generator source with L ED instead of nanosecond laser when we measure the minority carrier lifetime of monosilicon solar cells and polysilicon solar cells. Keywords :polysilicon solar cell ;open circuit voltage decay ;minority carrier lifetime 联系人 E - mail :rqcui @sjtu. edu. cn 343　3 期 　　　　　　　　 　　　陈凤翔等 :用开路电压法测硅太阳电池中少数载流子寿命 　　　　　　　　　　 　 　　　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net