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氧环

晶体硅太阳电池制造过程中出现的现象

太阳能和半导体行业中，由于基材所用的硅片氧含量过高，导致硅片在高温过程中产生的沿径向分布的环形或者螺旋形氧沉淀，其会在EL或PL扫描下显现出来，这一现象被称为氧环。

产品背景
在晶体硅太阳电池的制造过程中，会出现如碎片、隐裂、表面污染、电极不良等问题缺陷，部分缺陷可能限制了电池片的光电转化效率和使用寿命。在光伏行业中，PL（光致发光）和EL（电致发光）常常用来作为光伏和半导体中间过程的质量控制和检测表征手段。
PL和EL的发光的强度与非平衡少数载流子的密度成正比，而缺陷处会成为少数载流子的复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而复合较少的区域则表现为比较亮的区域。
现象
现有太阳能电池制造工艺通常采用850°C-950°C高温处理实现发射极和背场的制备，该高温过程会导致基材中过饱和的氧产生沉淀，在硅片中呈现径向分布，呈现同心环形或螺旋形。
成因
PL和EL中同心环形或螺旋形分布的条纹反映了该区域少子寿命的变化，这是由杂质、位错、层错、氧沉淀等复合中心导致的，其中，由氧沉淀引起的被称为氧环。
硅片中的缺陷及其径向分布
晶体生长过程中会产生本征点缺陷，冷却后硅中本征点缺陷是过饱和的。同时，晶体生长过程中，熔融态硅会腐蚀石英坩埚，从而在晶体中引入氧，冷却后硅中的氧是过饱和的。此外，晶体生长还会引入一些杂质，这是由原硅料、坩埚和晶体生长制程引入的。
晶体生长时，籽晶和坩埚都在转动，我们可以认为热场是轴对称的，因此，由晶体生长参数（生长速度、固液界面处的温度梯度，杂质浓度）决定的缺陷是沿径向分布的。
氧沉淀及原生氧沉淀环
当晶体冷却时，部分空位（vacancy, V）和自间隙硅原子（self-interstitial）相复合，过剩的自间隙可形成位错环（Dislocation Loop），过剩的空位凝聚成空位团（Void），或与氧相互作用形成V-O复合体，并聚集成团，随着氧的扩散，在特定条件下，团聚逐渐成长为氧沉淀（Oxygen Precipitates），其主要成分为SiOx。
根据径向分布的特点，硅片中可能存一些特定区域，此处空位浓度（V）=间隙硅原子浓度（I），内部则V＞I，外部V＜I。当V高时，形成空位，较低时V与O结合，形成V-O复合体，在后续的热处理中长大成氧沉淀；在V=I处，如果硅片中的氧含量过高，氧产生异常沉淀，产生原生氧沉淀环。
氧环产生的现象及原理
由于电池制程温度较高，自间隙原子会随着温度的升高而增多，此外，电池制程中往往会采用氧化制程，在硅的氧化过程中产生的二氧化硅体积大于硅的两倍，局部产生应力，二氧化硅/硅界面处产生扭折，从而进一步激发自间隙硅原子。
对于没有黑心和原生氧沉淀环的硅片，在电池工艺制程中，自间隙硅原子浓度随着温度的升高而增多，存在部分氧含量偏高的硅片或者硅片内的部分区域，满足氧沉淀的条件，而发生异常的氧沉淀，形成具有较低复合活性的SiOx，从而在PL或EL检测中表现为较暗的环形或者螺旋形分布的图案，这一现象被称为氧环。
氧环是高温处理所诱发的一种现象，其形成的根本原因是氧含量过高环境下点缺陷和自间隙的相互作用，而自间隙的原因则是高温处理过程中激发了自间隙硅原子。
消除氧环通常需要采用较为极端的条件来避免氧沉淀的形成，由于热制程在光伏电池制备中的不可避免性，因此该方案实施的代价较高。半导体上通常采用更高质量的硅片（氧含量也更低）来避免产生该现象。
主要影响
对于p型电池，由于其制程工艺温度相对较低，氧环是一个较为不常见的现象，通常出现的都是由于硅片质量问题导致的黑心问题；对于n型电池，由于其制程工艺温度相对较高，因此氧环是一个较为常见的现象。电池一旦发生氧环现象，这就意味着这些电池采用的硅片中的氧含量过高。
研究结果显示，p型直拉单晶硅太阳电池由于其基底掺硼，在光照条件下，硅片基底中会形成具有较高复合活性的硼氧复合对，导致硅片体寿命下降，从而引起电池和组件的性能衰减。
对于n型直拉单晶，由于基底采用了磷掺杂，其少子寿命稳定，不会随着光照而衰减，表现出了良好的光学稳定性。
进一步研究表明，p型直拉单晶硅太阳电池的光衰大小，与硅片中的硼掺杂浓度成正相关关系，与硅片中间隙氧浓度成正相关关系。
因此，带有氧环的p型电池将面临巨大的光致衰减风险；但是对于n型电池来说，即使带有氧环的n型电池也不存在光致衰减的风险。
除了光致衰减之外，由于氧环在850°C-950°C左右的高温下形成，形成后在常温下不发生特性的改变，因此，电池中的氧环对电池其它性能的影响，在高温过程结束后就不再发生变化。即使是采用带氧环电池封装的组件，在使用过程中也不会因为氧环的存在而导致组件其它工作特性随时间发生改变。
实测数据显示，带有氧环电池的n型组件，可以通过TUV北德3倍IEC组件可靠性测试序列，如图所示：
结论
氧环是高温处理所诱发的一种现象，其形成的根本原因是在氧含量过高的硅片中，高温处理过程中激发了自间隙硅原子，和硅片中的点缺陷相互作用，局部形成具有较弱复合活性的氧沉淀（SiOx）。而黑心则通常是由硅片固有的质量问题所导致的，这两者有着本质上的区别。
由于较高的氧含量是诱发氧环的一个必要因素，氧环的存在预示着硅片中的氧含量过高，因此带有氧环的p型电池往往面临较高的光致衰减的风险；而对于n型电池来说，由于其不存导致光致衰减的硼氧复合对，带有氧环的n型电池不存在光致衰减的风险。
此外，氧环是900°C左右高温下的变化过程，在组件通常的工作温度下（＜100°C），氧环不会发生改变，因此氧环对于组件的其他性能和可靠性来说是安全的。
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