晶体硅太阳电池丝网印刷电极接触电阻及其测量.pdf

第 2 4卷第 5期 2 0 0 3年 l 0月 太阳能学报 ACTA ENERGI AE S OLARI S SI NI CA Vo1 24 NO 5 Oc t ，2 0 0 3 文章 号：0 2 5 4 0 0 9 6(2 0 0 3)0 5 0 6 5 9 0 4 晶体 硅 太 阳 电池 丝 网印刷 电极 接 触 电 阻及 其测 量 刘祖明 ，苏里曼 K 特拉奥雷2，林理彬，张忠文3，陈庭金3，廖 华，罗 毅2 (1 四川 1 大 学物理 系，成都 6 1 0 0 6 4；2 清 华大 学 电子工程 系，北京 1 0 0 0 8 4；3 云南 师范 大学 太 阳能 研究 所，云南省 农村 能源 工程 重点试 验室，昆 明 6 5 0 0 9 2)擅要：金 属 电极 与硅 的接 触 电阻 是影 响太 阳电池 填充 因子 和短 路 电流进 而影 响 光 电转换 效率 的重要 因素 之 一，本文 研 究 了晶体 硅太 阳电池 丝 网印 刷烧 结银 电极 与 硅接 触 电阻及 其测 量。判 断 印刷烧 结工 艺 的好坏。应 在 保证 p n结 特性 良好 的前 提下使 接 触 电阻 最小 为最 佳。关 t词：晶体硅 太 阳 电池；丝 网印 刷 电极；接触 电阻测 量 中圈分 类号：TKS 1 3 文献 标识 码：A O 引 曷 太 阳电池是低 电压高电流 的发 电器 件，因此减 少 太阳电池 的串连 电阻是非常重要 的。串连电阻 由 金属 电极 的电阻、金属一 半 导 体接 触 电阻、发 射 区 薄层 电阻和基 区电阻等组成。串联 电阻是影响太 阳 电池 填充 因子和短路 电流进而影 响光电转换效率 的 重要 因素之一。金属 电极半导体 接触 电阻是 串联 电 阻的重要组成部分 之一。工业化 生产 的晶体硅太 阳 电池，通常采用 丝 网 印刷 烧结 银 导体 作 为上 电极。这种情况下，电极与 晶体硅之 间的接触 电阻与硅半 导体 的表 面掺 杂浓 度、表面状 态 及 电极烧 结温 度、时间等条 件有关。如何准确地 测量 电极接触 电阻是 把握 电极烧结 工艺好坏 的重要依 据。本文研究 了实 际规模化 生产晶体硅太 阳电池 丝 网印刷烧结 电极 接 触 电阻及其测 量，以此来判 断电极制作 的质量。l接 触 电 阻及 其 测试 方 法 由于金属功 函数和半导体 功 函数 的差别导致不 同的电极接触 电阻类型，有整 流型和欧姆型。因为 半导体表 面 晶格 周 期性 排 列 突 然 中 断而 产 生 表 面 态，金属半导体 接触势 的高度很 大程度上受表 面态 的影 响。电极 接触 电阻 的形 成 主要 是 半 导 体 的 段麓 日期：2 0 0 2 0 4 1 0 基金硬 目：云南 省省 院省校 合作 项 目(9 9 Y S J 0 1)；国家 8 6 3项 目(2 o 0 l AA _5 l 3 0 4 O)表 面态构成 的表面势与金属 的非欧姆接触所致。一 般要使用量 子隧道效应形成欧姆接触。丝网印刷电极与晶体硅之 间的接触 电阻测试采 用图 1所 示 的 图形：接 触 电极 宽 度 d，长 度 叫，测试样 品扩散薄层 电阻 R ，若 接触 电极 图形 下金 属半 导体之 间 的接 触 电 阻为 R，忽 略 金属 电极 本 身的 电阻(银 电极 的 电阻 率 为 71 0。7 Q c m)。L 为电极 A 与 B 之 间的距 离，L，为 电极 A 与 C 之 间的距 离，那 么 A、B 间 的电 阻 Rl，B、C 间 的 电 阻 R2 分 别 为：r。Rl=2 R+s q (1)r R 2=2R+5 q (2)厶 d 2 图 1 接 触 电阻测 试 图形 F i g I Co n t a c t s h a p e f o r c o n t a c t r e s i s t a nc e m e a s u r e me n t 维普资讯 太 阳 能 学 报 2 4卷 消 去 R w 得：一 Ll L2 R=在 L2=2 Ll 的情况 下 R=Rl 一 寺R2 (4)由(4)式，测 量 出 A、B 间 的 电 阻 Rl，B、C 间 的 电阻 R2，就可 以计 算 出该 电极 图形下 的金属 半 导 体接触电阻。2 实 验 试验 中使用 的硅 片为电阻率 0 9 1 2,Q c m 的 铸造多 晶硅 片和 1 2 1 5,Q c m 的单 晶硅片。硅 片 经过常规化学清 洗和 腐蚀。使 用 银浆 型号 为 F ER R O-3 3 4 9。应用丝 网印刷 烧结 厚膜 电极技 术在 晶体 硅太阳 电池上 制 作 了银 电极，尺 寸 为：1 8 ram 长，0 2 2 ram宽。在链式烧结 炉 中进 行烧结。电极 印刷 烧结 固化后 的厚 度 约为 1 2 m。实验研 究 了不 同 的 扩散表 面掺杂浓 度以及不 同的表 面介 质情 况下金属 半导体接 触电阻与 电极烧结温度 的关系。表 1为两种不 同的扩散掺 杂表面浓度条件：(1)N。=7 71 0 。e m，方块 电阻 R=1 3 0，Xi=0 5 5 t m (2)N=4 2 1 0 。c m，R3 q=3 0 0，Xj=0 3 5 t m。农 1 多 量硅样 品银 电极 金 属半 导体 比 接触 电阻 R (Q c m2)Ta b l e 1 S p e c i f i c c o n t a c t r e s i s t a n c e s o f s i l v e r c o n tac t t o mu l t i c r y s t a U i n e s i l i c o n wa f e r s 表 面具有磷硅玻璃(P S G)及 使用 HF溶液腐 蚀 去 除磷硅玻璃 后 的多 晶硅基 片上制作 电极样 品的测 试结果，按 单位面积来算，称 比接触 电阻。表中的 烧结温度 为烧 结炉 中最高温 区 的温度。表 2给出单 晶硅较低 的扩 散掺 杂表 面浓度(N=2 2 1 0 0 c m-3，R。=5 0 Q，Xi=0 3 6 t m)条件 下 表 面具有 磷硅玻璃(P S G)及 使用 I-I F 溶液腐 蚀去 除 磷 硅 玻 璃、去 除 磷 硅 玻 璃 后 进 行 干 氧 氧 化 钝 化 表 面、钝化后 淀积 Ti 0 2减 反射膜(AR C)的单 晶硅 基 片上制作 电极样 品的测 试结果。农 2 单 量 硅样 品 丝 网印刷 烧结 银 电极金 属 半导 体 比接触 电阻 R (Q J l fl l2)Ta b l e 2 S p e c i fi c co ntac t r e s i s t a n c e s o f s i l v e r co n t a c t t o mo n o e r y s t a U i n e s i l i co n wa f e r s 比接触 电阻 R 烧结 温(R 5 0 Q，xj 0 3 6 u rn，度 N。=2 2 1 0 。e r a。)WI TH P S G NO P S G S i o2 钝化Ti o 2 A RC 对制备 的太 阳电池(1 o 0)进行 了暗 J V 特 性 的测 量，结果见 图 4。3讨 论 由表 1、图 1和 表 2、图 2知：1)具 有磷 硅 玻璃 层 的硅 银 电极 的欧 姆接 触 电 阻在低温烧结 时最 大，这 主要是 由于磷硅玻璃层较 厚，扩散完后 的磷 硅玻璃 呈蓝色，厚度 约为 8 0 n m，在低温(6 2 0 )烧 结 时不 易烧 穿，因此 在两 组试 验 中其硅一 银 电极 的欧姆 接触 电阻均 为 最大。在较 高 的烧结温度下，掺杂浓度较高 的磷硅玻璃 薄膜 比其 他条件 的薄膜 更容 易“烧 穿”，而使金 属 电极与 高 掺杂 浓度 的 S i 表 面接 触形 成 良好 的欧姆 接触。在 7 2 0 烧结时较 低，之 后会 上 升，估 计 是在 此高 温 下硅表 面的磷原子易扩散进硅 片内部，使表面浓度 的降低，导致 欧姆接触 电阻增 大。2)对多晶硅样 品，表 面有磷硅玻璃或没有磷硅 玻璃，烧 结温度从 7 2 0 变化 到 7 8 5 时，硅 银 电 极 的欧姆接触 电阻变化不大，这 可能是 由于磷沿晶 维普资讯 5期 刘祖 明 等：晶体 硅太 阳 电池丝 网印刷 电极 接触 电 阻及 其测量 6 6 1 睾 a 宣 锄 蠢 譬 烧结温度，图 2多 晶硅 丝 网印刷 电极接 触 电阻 与烧 结温 度 的关 系 Fi g 2 Re l a t i on be t we e n mul t i c r y s t a l l i ne s i l i co n s c r e en print i ng co nt a c t r e s i s t a nc e a n d f i r i n g t e mpe r at u r e 睾 a 锄 蠢 丑 烧结 温度 图 3单 晶硅 丝网 印刷 电极 接 触 电阻 与烧 结温度 的关系(R =5 0 Q，Xj=0 3 6 u rn，N。=2 21 0 。c m。)Fi g 3 Re l a t i o n b e t we e n s i n g l e e r y s t a l l i n e s i l l i c o n s c r e e n p rint i n g c o nt a c t r es i s t a nc e a nd f i r i ng t e m p e r a t ur e 。：a a 烧结 温度 8 6 0 C；b 烧 结 温度 7 8 5 ：C 烧结 温度 7 6 0(3；d 烧 结 温度 7 2 0 C。图 4太 阳 电 池 n p结 在 不 同的 正面 电极 烧结 条 件下 的暗 Lv 特 性：Fi g 4 Da r k I-V c u r v es o f n p Si s ol a r c e l l s a t d i f f e r e nt f r ont co nt a c t f i ring co nd i t i o ns 界的扩散系数较 大，银 浆中的磷可 以及时补充硅 片 表面扩散，甚 至多 余扩 散进 去 的磷，使 硅一 银 电极 的欧姆接触 电阻变化不 大或还略有下降。3)对 表 面有 0 2、Ti 0 2层 的单 晶 硅样 品，烧 结温度从 7 2 0 变化到 8 0 0 时，硅一 银 电极 的欧姆 接触 电阻从高变 到低，又升高；存在一个最低的接 触电阻。这一结果说 明 7 2 0 下烧结，银浆 已能烧 穿和硅片表面接触，提 高温度时，银浆 中的磷搀杂 成份进 入硅片 的量增加，使 硅片表面的杂质浓度增 加，导致接触 电阻下降。但 当银浆 中的磷搀杂成份 基 本进 入硅片后，再提高温度则 已无 磷源补充，而 硅 片表 面 的 磷 由于 扩 散 进 入 内部 而减 少，硅 片 表 面 杂质浓度 下降，使接触 电阻上升。不 能仅 以欧姆接触 电阻最小来判 断印刷烧结工 艺的 好 坏。在 F E RR O一 3 3 4 9银浆 中，铅 硼 硅玻 璃 配料为氧化铅、氧化硼、氧化锆、氧化硅 等，约 占 浆料组分 的 5，银约 占浆料组分 的 8 0 ，磷掺杂 约为 1 5，其余 为有机载体。在高 温下烧结 可能 得到较小 的接 触电阻，此时若银等有害杂质原子扩 散进入结 区，会 形成 大量的复合 中心，大大降低少 子寿命，并严 重影响结 的性能。严重时，还会穿透 太 阳 电池 n p结 造 成 短 路。图 4为不 同烧结条 件下 太 阳电池 n p结 无光 照条件测量 的 L 特性 曲线，p n结正 向导通 电压 点后 曲线斜率与 串联 电阻对应成反 比例。在合适的 烧结条件下，银 电极浆料 中的玻璃 成分 使太阳电池 表面的减反射膜介质得 到充分 的融化，固化后 的厚 膜银电极与 n+高浓 度(Nn 21 0 0 e m0)表 面 形 成 良好 的欧姆接触。测量得 特性如图 4 c 所示。图 4 d为烧结温度低、时间短的情况。图 4 b为烧 结 温度较 高的情 况。此时，由于 电极浆料 中的有 害成 分 已开始进入 发射 区，破 坏 了 n p结 的特 性，使 接触 电阻增 大；这些进入发射 区的深能级杂质也使 n p结特性 变坏(漏 电流增 大、结 电压 降低)。图 4 a为 烧 结 温 度 过 高 的情 况。因此判 断印刷烧结 工艺 的好 坏，应 在保证 p n 结特性 良好 的前提 下使 接触 电阻最小为最佳。在试 验 中测 量 得 样 品 最 小 的 接 触 电 阻 为 0 0 0 6 5 l c m2 与 实 际 测 量 的 晶 体 硅 太 阳 电 池 串 联 电 阻 值 约 1 5 c m2相 比，在总 串联 电阻中是 可 以忽略的，说 明 目前的工艺条件基本 能满足要求。在优化的烧结 条件下，丝网印刷烧结银 电极 的 比接触电阻可 以达 H m O O O O O O O O O 维普资讯 太 阳 能 学 报 2 4卷 到 1 0 一 Qc m ，说 明 目前 的 工 艺 条 件 还 应 进 一 步 优 化。在 丝 网 印刷 电 极 图 形 下 进 行 适 当 的 高 浓 度 掺 杂磷扩散，制作 成选择性发射极太 阳电池，更有利 于改善 电极 欧 姆 接触 引，提 高太 阳 电池 的 光 电转 换效率。参 考文献 E H 罗 德 里 克著，周 章 文，齐 学 参译 金 属 不 同接 触 M 北 京：科 学 出版社，1 9 8 4 R h o d e ri c k E Ho Me t a l s e mi c o n d u c t o r c o n t a c t s M Cl a r e nd on Pr e s s，19 78 庄 同 曾 集 成 电 路 制 造 技 术 原 理 与 实 践 M 北 京：电 子 工 业 出 版 社，1 9 8 7 V i n od P N，La l M o ha n，Si n gh S N Sc r e e n Print e d Gr i d Cont a c t Re s i s t a n c e M e a s u r e me nt s o n Cz Si l i co n So l a r C e l l A P VS E C-1 1 C Scp 2 1 2 4，1 9 9 9，S a p p o r o，J a p a n 李 迎军 选 择 性 发 射极 太 阳 电池 的 研 究 及 光 伏 工 程 中最 佳倾 角 的 研 究 D 云 南 师 范 大 学 硕 士 毕 业 论 文，2 0 01 Li Yi n g j u nRe s e a r c h o n s e l e c t i v e e mi t t e r s o l a r c e l l s a n d Op t i mu m t i l t a n g l e i n p o t o v o l t a i c e n g i n e e r i n g D Yu nna n No r m a l Uni v e r s i t y，2 001 THE M EASUREM ENT oF SCREEN PRI NTED FI NGER CoNTACT RESI S TANCE oN CRYSTALLI NE SI LI CoN S oLAR CELL Li u Zu m i n g，So ul e y ma ne K Tr a o r 6 2，Li n Li bi n ，Zha n g Zh on gwe n 3，Ch e n Ti n g j i n 3，Li a o Hu a ，Lu o Yi (1 D e p t o fP h y s i c s，S i c h u a n Un i v e r s i t y，C h e n g d u 6 1 0 0 6 4，C h i n a；2 De p t of El e c t r o n i c En n e e r i n g，Ts i n gh l 口 Un i v e r s i t y，Be i j i n g 1 0 0 0 8 4，Ch i n a；3 S o larEn e r g yRe s e a r c h I n s t i t ut e，Yu n n anPr o vi n c ial Re n e wa b l eEn e r g yEn g f n e e r i n gKe yL a b o r a t o r y，Yu n n an No r ma l Un i ver s i t y，Ku n mi n g，Y u n n a n 6 5 0 0 9 2，C h i na)Ab s t r a c t：Fi n g e r c o n t a c t r e s i s t a n c e i s o n e o f t h e s i g n i f i c a n t f a c t o r s wh i c h a f f e c t s f i l l f a c t o r a n d e f f i c i e n c y o f S O l a L r c e l l s S c r e e n pr i n t a nd s i nt e r i n g c on t a c t a r e p o pu l a r i n PV i nd us t r y M e a s u r e m e n t o f O h m c ont a c t i s on e o f k e y e v a l u a t i o n f o r t h e p r o c e s s Th e me a s u r e me n t s o f t h e s c r e e n p r i n t e d s i l v e r f i n g e r c o n t a c t r e s i s t a n c e o n c r y s t a Ui n e s i l i c o n s ol a r c e l l s we r e i n ve s t i ga t e d The c r i t e r i o n f or c on t a c t s c r e e n pr i nt i n g a nd s i nt e r i ng i s t o m i n i m u m con t a c t r esi s t a n c e wi t h e x c e l l e n t j u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s Ke y wo r d s：c r y s t a l l i n e s i l i c o n sol a r c e l l；s c r e e n p r i n t e d c o n t a c t；Oh m c o n t a c t r e s i s t a n c e me a s u r e me n t 联 系人 E-ma i l：mz ml i u p u b l i c k m y n c n 维普资讯