氧環

太陽能和半導體行業中，由於基材所用的矽片氧含量過高，導致矽片在高溫過程中產生的沿徑向分布的環形或者螺旋形氧沉澱，其會在EL或PL掃描下顯現出來，這一現象被稱為氧環。

基本介紹

• 中文名：氧環
• 外文名：ANOMLOUS OXYGEN PRECIPITON(AOP) IN RING STRUCTURE
• 材料種類：單晶矽
• 分類：矽基半導體器件，矽基太陽能電池

背景

在晶體矽太陽電池的製造過程中，會出現如碎片、隱裂、表面污染、電極不良等問題缺陷，部分缺陷可能限制了電池片的光電轉化效率和使用壽命。在光伏行業中，PL（光致發光）和EL（電致發光）常常用來作為光伏和半導體中間過程的質量控制和檢測表征手段。

PL和EL的發光的強度與非平衡少數載流子的密度成正比，而缺陷處會成為少數載流子的複合中心，因此該區域的少數載流子密度變小導致螢光效應減弱，在圖像上表現出來就成為暗色的點、線，或一定的區域，而複合較少的區域則表現為比較亮的區域。

現象

現有太陽能電池製造工藝通常採用850°C-950°C高溫處理實現發射極和背場的製備，該高溫過程會導致基材中過飽和的氧產生沉澱，在矽片中呈現徑向分布，呈現同心環形或螺旋形。

氧環PL圖

成因

PL和EL中同心環形或螺旋形分布的條紋反映了該區域少子壽命的變化，這是由雜質、位錯、層錯、氧沉澱等複合中心導致的，其中，由氧沉澱引起的被稱為氧環。

矽片中的缺陷及其徑向分布

晶體生長過程中會產生本徵點缺陷，冷卻後矽中本徵點缺陷是過飽和的。同時，晶體生長過程中，熔融態矽會腐蝕石英坩堝，從而在晶體中引入氧，冷卻後矽中的氧是過飽和的。此外，晶體生長還會引入一些雜質，這是由原矽料、坩堝和晶體生長製程引入的。

晶體生長時，籽晶和坩堝都在轉動，我們可以認為熱場是軸對稱的，因此，由晶體生長參數（生長速度、固液界面處的溫度梯度，雜質濃度）決定的缺陷是沿徑向分布的。

氧沉澱及原生氧沉澱環

當晶體冷卻時，部分空位（vacancy, V）和自間隙矽原子（self-interstitial）相複合，過剩的自間隙可形成位錯環（Dislocation Loop），過剩的空位凝聚成空位團（Void），或與氧相互作用形成V-O複合體，並聚集成團，隨著氧的擴散，在特定條件下，團聚逐漸成長為氧沉澱（Oxygen Precipitates），其主要成分為SiOx。

根據徑向分布的特點，矽片中可能存一些特定區域，此處空位濃度（V）=間隙矽原子濃度（I），內部則V>I，外部V<I。當V高時，形成空位，較低時V與O結合，形成V-O複合體，在後續的熱處理中長大成氧沉澱；在V=I處，如果矽片中的氧含量過高，氧產生異常沉澱，產生原生氧沉澱環。

原生氧沉澱環少子壽命掃描圖

氧環產生的現象及原理

由於電池製程溫度較高，自間隙原子會隨著溫度的升高而增多，此外，電池製程中往往會採用氧化製程，在矽的氧化過程中產生的二氧化矽體積大於矽的兩倍，局部產生應力，二氧化矽/矽界面處產生扭折，從而進一步激發自間隙矽原子。

對於沒有黑心和原生氧沉澱環的矽片，在電池工藝製程中，自間隙矽原子濃度隨著溫度的升高而增多，存在部分氧含量偏高的矽片或者矽片內的部分區域，滿足氧沉澱的條件，而發生異常的氧沉澱，形成具有較低複合活性的SiOx，從而在PL或EL檢測中表現為較暗的環形或者螺旋形分布的圖案，這一現象被稱為氧環。

氧環是高溫處理所誘發的一種現象，其形成的根本原因是氧含量過高環境下點缺陷和自間隙的相互作用，而自間隙的原因則是高溫處理過程中激發了自間隙矽原子。

消除氧環通常需要採用較為極端的條件來避免氧沉澱的形成，由於熱製程在光伏電池製備中的不可避免性，因此該方案實施的代價較高。半導體上通常採用更高質量的矽片（氧含量也更低）來避免產生該現象。

影響

對於p型電池，由於其製程工藝溫度相對較低，氧環是一個較為不常見的現象，通常出現的都是由於矽片質量問題導致的黑心問題；對於n型電池，由於其製程工藝溫度相對較高，因此氧環是一個較為常見的現象。電池一旦發生氧環現象，這就意味著這些電池採用的矽片中的氧含量過高。

研究結果顯示，p型直拉單晶矽太陽電池由於其基底摻硼，在光照條件下，矽片基底中會形成具有較高複合活性的硼氧複合對，導致矽片體壽命下降，從而引起電池和組件的性能衰減。

對於n型直拉單晶，由於基底採用了磷摻雜，其少子壽命穩定，不會隨著光照而衰減，表現出了良好的光學穩定性。

不同摻雜Cz矽材料體少子壽命的光衰減圖

進一步研究表明，p型直拉單晶矽太陽電池的光衰大小，與矽片中的硼摻雜濃度成正相關關係，與矽片中間隙氧濃度成正相關關係。

光衰減的大小與硼摻雜濃度的關係圖

光衰減的大小與間隙氧濃度的關係

因此，帶有氧環的p型電池將面臨巨大的光致衰減風險；但是對於n型電池來說，即使帶有氧環的n型電池也不存在光致衰減的風險。

除了光致衰減之外，由於氧環在850°C-950°C左右的高溫下形成，形成後在常溫下不發生特性的改變，因此，電池中的氧環對電池其它性能的影響，在高溫過程結束後就不再發生變化。即使是採用帶氧環電池封裝的組件，在使用過程中也不會因為氧環的存在而導致組件其它工作特性隨時間發生改變。

實測數據顯示，帶有氧環電池的n型組件，可以通過TUV北德3倍IEC組件可靠性測試序列，如圖所示：

通過3倍IEC可靠性測試的組件EL圖（紅框內為帶有氧環的電池）

結論

氧環是高溫處理所誘發的一種現象，其形成的根本原因是在氧含量過高的矽片中，高溫處理過程中激發了自間隙矽原子，和矽片中的點缺陷相互作用，局部形成具有較弱複合活性的氧沉澱（SiOx）。而黑心則通常是由矽片固有的質量問題所導致的，這兩者有著本質上的區別。

由於較高的氧含量是誘發氧環的一個必要因素，氧環的存在預示著矽片中的氧含量過高，因此帶有氧環的p型電池往往面臨較高的光致衰減的風險；而對於n型電池來說，由於其不存導致光致衰減的硼氧複合對，帶有氧環的n型電池不存在光致衰減的風險。

此外，氧環是900°C左右高溫下的變化過程，在組件通常的工作溫度下（<100°C），氧環不會發生改變，因此氧環對於組件的其他性能和可靠性來說是安全的。