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晶体硅电池片中杂质含量及状态研究
晶体硅电池片是目前太阳能电池发展的最主要技术路线之一，其性能表现及成本控制一直是研究者追求的目标。而杂质含量及状态是影响晶体硅电池性能的重要因素之一。本文将从杂质含量及状态的影响入手，分析晶体硅电池性能的变化规律，为晶体硅电池的研究提供理论依据。
一、杂质含量及状态的影响
晶体硅电池片主要制备工艺包括：多晶硅片加工、单晶硅生长、硅片切割、表面处理、电极沉积、热处理等过程。其中，硅片生长及表面处理是晶体硅电池片中可能存在杂质的步骤。杂质含量及状态对晶体硅电池性能的影响主要表现在以下方面。
1、能带结构的变化。杂质元素与硅元素之间的化学键的强度及离子半径的大小决定了杂质元素的作用。其中，在周期表左侧的元素称为施主杂质，它们的掺入能带底部增加了“自由电子”，增强了材料的导电性；而在周期表右侧的元素称为受主杂质，它们的掺入能带顶部形成空穴，增加了材料的性质。因此，杂质元素对晶体硅电池的导电性、载流子寿命以及光吸收等性能都有着重要的影响。
2、载流子的复合速率变化。杂质则会影响光电子与空穴的复合速率，通过“捕获”、“退火”等方式影响载流子在晶体硅电池中的转移和寿命。其中，铁、铝等杂质在晶体硅中的“捕获”作用非常强，可以有效减缓载流子复合速率；而金属铜、铜的氧化物等杂质对铝薄膜的“退火”作用也有一定的影响。
3、影响光吸收和传输。杂质元素的掺入也会影响光电电荷的吸收和传输，从而影响光电转换效率。特别的是，氧、碳等元素的存在会影响硅材料的光吸收，而如氮、磷等元素的“李纳特谷”形成则会增加硅材料的光吸收，并促进光电流产生。
二、晶体硅电池片表面杂质检测技术
晶体硅电池片
表面检测是晶体硅电池性能优化的重要环节之一，目前主要的表面检测技术包括：
1、反射电子能谱（REELS）。REELS根据杂质物质在晶体硅表面吸收电子的能量差异来确定表面杂质的类型以及浓度，并且可测定表面杂质在不同能量下的聚集状态及化学状态，可检测镓、铝等元素。
2、扫描探针显微镜（SPM）。SPM技术利用扫描探针测量表面形貌及表面结构，检测样品之间的空间电位分布和特别是表面杂质的分布情况，使得表面杂质分布密度较大的区域能够被准确定位；同时其还可以检测金属铊、铍等元素。
3、X射线光电子能谱（XPS）。XPS是利用X射线对样品表面材料激发较长时间后，测量其所散射的光电子束能量及数量来分析表面化学成分。该技术可检测到所有的表面元素，是当前最流行的表面分析技术之一。
以上方法会在评估晶体硅电池片的交付和进行性能优化及可靠性测试过程中被广泛使用。
三、杂质含量及状态对晶体硅电池性能的影响
1、晶体硅电池的开路电压（Voc）
考虑到杂质掺杂过程中的驰豫(Relaxation)现象，施主杂质Al和捕获态杂质Fe会降低硅晶体的开路电压(Voc)。在考虑受主杂质B等时，影响Voc可能更加复杂。Etching-InducedDamage(EI)是常见的表面粗化是否会因杂质的存在而减压Voc的研究课题之一。本节我们只关注杂质本身对Voc的影响，而忽略EI引发的Voc降低。
2、晶体硅电池的短路电流（Jsc）
杂质含量及状态对Jsc的影响机制如下：
制粒,晶化,金属化，P型，N型。制备过程中的杂质对钝化层有很强的影响。有时热蒸镀金属或者夹在PN结构中的金属会漏进晶体硅中，导致硅晶体局部的杂质局部部分浓度即下降同时也能激活depression的伏安特性(Depression)，从而影响片上Jsc。这种情况下应当密切关注金属在热处理过程中的行为。同时，夹在PN结构中的金属对片上杂质密度分布特别重要。
另外，表面杂质对Jsc的影响还与表面钝化层的涂层和杂质分布有关。对于该问题，可以使用各种流行的表面检测技术，如化学真空法(CVA)、反射电子能谱法(REELS)、二次离子质谱法(SIMS)等来确定杂质含量和位置。
3、晶体硅电池的填充因子（FF）
杂质含量和填充因子之间的关系还不甚清楚，可以考虑通过下面的机制来解释：
晶体硅电池的填充因子(FF)可能受到杂质的掺杂影响。但要量化不同杂质对FF的贡献还需要详细的实验和理论研究。针对这种情况研究者将重点放在了B,Cu/Ag,Fe等元素中。
B家族元素在制备N型层数浓晶体硅中的使用，被视为降低片上电阻和去除金属杂质的有效方法。而研究表明，N型层数浓晶体硅中B家族元素的含量过高会显著地降低填充因子，并可能对Voc、Jsc等其它性能有影响。
金属杂质如Cu和Ag可能使PN结界面处出现电子阻挡层，降低了填充因子和I-V曲线的斜率。一种警惕的方法是在不同反向偏压下测量FF。
如本文所述，杂质含量及状态对晶体硅电池性能有着重要的影响。晶体硅电池的制备过程中要去除杂质元素，控制杂质含量，优化制备过程，以提高晶体硅电池的性能。同时，表面杂质的