PERC電池工藝探究

太陽能光伏發(fā)電是新能源的重要組成部分，近年來在國內(nèi)外受到了高度重視并迅速發(fā)展。光伏發(fā)電的核心技術(shù)——晶體硅電池技術(shù)也在取得持續(xù)進(jìn)步。鈍化發(fā)射極及背局域接觸電池（PERC）最早是由新南威爾士大學(xué)研發(fā)的，由于對電池進(jìn)行了雙面鈍化，背面電極采用局域接觸的形式，有效地降低了表面復(fù)合，減少了電池的翹曲斷裂。另外，對電池背面進(jìn)行了拋光處理，提高了對長波的吸收。PERC電池制作流程如圖1所示。目前，國內(nèi)晶體硅電池的硅片原始厚度為180~190μm，硅料消耗成本大幅降低，極大地促進(jìn)了光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。采用金剛線切割技術(shù)可以切割出厚度為100μm的硅片，將超薄電池的工藝技術(shù)又推進(jìn)了一步。JanHendrikPetermann采用蒸鍍的方法已制備出厚度為43μm、效率達(dá)19.1%的高效PERC電池。硅片減薄，會影響太陽電池的機(jī)械性能和吸光性能，而且必須對常規(guī)電池生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)，以適合批量投產(chǎn)。本文對不同厚度PERC電池的效率進(jìn)行了模擬，并對常規(guī)電池生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，制作出厚度分別為110，130，150，170μm的PERC電池。1.不同厚度電池的效率模擬PC1D是一款用于模擬晶體硅太陽電池的軟件，它通過求解太陽電池中電子和空穴在準(zhǔn)一維傳輸時所滿足的半導(dǎo)體基本方程進(jìn)行器件模擬。PC1D對計算機(jī)軟、硬件要求較低，操作簡單，可以輸出載流子濃度、電流密度、I-U特性、量子效率和反射率曲線等多種物理量關(guān)系圖。新版的PC1D完善了材料物理模型和特性等參數(shù)，對晶體硅電池模擬具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性。反射模型如圖2所示。在模擬中，硅的體電阻率設(shè)為3Ω·cm；背面場反射率為92%，即I4/I3=92%；前表面反射率平均值為7%，即I2/I1=7%；前表面二次反射率為90%，即I6/I5=90%。反射率、擴(kuò)散方阻以及硅材料本身的參數(shù)設(shè)定后，改變特定厚度下的表面復(fù)合速率，即可得到同一厚度下不同復(fù)合速率的硅片模擬效率。改變特定復(fù)合速率下的硅片厚度，即可得到同一復(fù)合速率下不同厚度的硅片模擬效率。JSchmidt通過ALD沉積Al2O3鈍化膜，將表面復(fù)合速率降低至20cm/s。硅片拋光后，結(jié)合高效的鈍化膜可以將表面復(fù)合降低至10cm/s以下。模擬中將背表面復(fù)合速率設(shè)置為10cm/s和100cm/s，忽略背面開膜部分的復(fù)合，得到不同厚度的PERC電池在不同復(fù)合速率下的模擬效率（圖3）。從圖3中可以看到，只有當(dāng)表面復(fù)合速率處于很低水平時，電池的效率才會超過21%。當(dāng)電池的厚度超過110μm時，效率的提升幅度明顯降低。2.實驗2.1PERC電池的制備工藝流程實驗采用標(biāo)準(zhǔn)156mm×156mmP型單晶硅片，擴(kuò)散后方阻均為75，厚度分別為110，130，150，170μm，其他各項參數(shù)基本一致。實驗采用單面雙層SiNx掩膜方法進(jìn)行背面拋光，這樣既能實現(xiàn)單面拋光，又可以防止堿液穿透掩膜層腐蝕絨面。拋光工藝如下：加熱質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的KOH溶液至80℃，并保持恒溫；將硅片放置其中，保持3min；硅片厚度約減去8～10μm。這個過程中會釋放大量的熱，經(jīng)過濃堿和高溫的作用，原來鍍的SiNx已經(jīng)失去了鈍化效果，必須洗掉，重新鍍膜。工藝流程如圖4所示。電池正面采用雙層SiNx膜鈍化，有效地起到減反射和鈍化的作用；背面采用3層膜鈍化，既能有效提高少子壽命，還能增加對長波的反射，起到背反射器的作用，增加硅片對長波的吸收。圖5為制作的PERC電池結(jié)構(gòu)圖。2.2少子壽命將鍍膜后的硅片放置于燒結(jié)爐上進(jìn)行1min的快速退火，激活A(yù)l2O3鈍化活性后進(jìn)行少子壽命測試。少子壽命測試采用WCT120少子壽命測試儀，經(jīng)退火處理的硅片平均少子壽命為70μs左右，最高值達(dá)89μs。如果能嚴(yán)控實驗過程中的表面污染，少子壽命還能有明顯提高。2.3激光燒蝕開膜實現(xiàn)PERC電池背面電極局域接觸，常見的方法有激光燒結(jié)和激光燒蝕。激光燒結(jié)要先印刷鋁漿再燒結(jié)，然后用激光逐點燒結(jié)，使鋁與硅基底融合形成鋁硅點接觸電極。激光燒蝕要在背面膜層上燒蝕出所需的圖案，再通過絲網(wǎng)印刷制作背電極。激光燒結(jié)方法要求激光有良好的熱效應(yīng)，常采用ns激光，在熔融背鋁的同時燒穿介質(zhì)膜。因此對激光的穩(wěn)定性要求很高，否則會出現(xiàn)介質(zhì)膜未燒穿或者對硅基底造成嚴(yán)重?zé)釗p傷的情況。實驗所用激光的波長為532nm，脈沖間隔為10ns。燒蝕時，激光的熱效應(yīng)會對硅片造成損傷。實驗中采用弱堿清洗和退火來降低激光的損傷。激光燒結(jié)工藝：將硅片放入1%的弱堿溶液1min，再將硅片放入退火爐中，在500℃下退火10min。燒蝕接觸采用線接觸的形式，比點接觸有更快的加工速度。通常開模比例控制在6%～10%。激光器開膜線寬為45μm，開膜間距分別設(shè)為640，562，500μm，去膜比例分別約為6%，7%，8%。激光的能量分布為高斯分布，去膜時要防止功率偏高，造成中間部分被刻出線槽。圖6為去膜區(qū)域的金相圖，邊緣部分膜層沒有去除干凈。這部分膜已經(jīng)失去了鈍化效果，燒結(jié)后存在于鋁和硅的中間層，會增加鋁硅的接觸電阻。3.測試及結(jié)果分析3.1QE及EL測試量子效率（QE）包括內(nèi)量子效率（IQE）和外量子效率（EQE）。通過收集各波段光生電流進(jìn)行積分運(yùn)算，可以得到短路電流，反應(yīng)出不同波長的入射光轉(zhuǎn)化為電子空穴對的能力。圖7為EQE測試曲線。從圖7可以看到不同厚度的PERC電池量子效率的差異主要集中在900～1100μm波段。這是因為晶體硅對長波的吸收較弱，硅片越薄，長波的吸收損失越明顯。電致發(fā)光（EL）又稱為電場發(fā)光。對電池加一正向偏壓后，p-n結(jié)勢壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)就會注入少數(shù)載流子，這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。EL結(jié)合紅外熱成像測試，可以了解電池結(jié)區(qū)有無損毀以及燒結(jié)工藝有無問題。實驗中，部分110μm電池樣品出現(xiàn)失效問題。圖8（a）、圖8（b）分別是失效電池樣品和正常樣品的EL測試圖。失效片只有邊緣部分可以導(dǎo)通，其原因有待探究，但不是電極反印造成。其他厚度的片子翹曲度不大，所以沒有出現(xiàn)失效的情況?？梢姽杵瑴p薄后機(jī)械強(qiáng)度有明顯降低，對電池工藝提出新的要求。3.2I-U測試將各種厚度的樣品設(shè)置了3組不同的開膜比例。在同一厚度，不同開膜比例的樣品間，整體效率沒有大的差異，這可能是因為設(shè)置的3組開膜比例對背電極電流的收集差異不大。各組電池的I-U測試最高效率如表1所示。I-U測試與QE吻合得很好。隨著厚度的增加，電池對長波的吸收增多，導(dǎo)致短路電流密度也隨之升高。開路電壓隨著厚度上升而上升，這是因為硅片減薄后，表面復(fù)合對效率的影響越來越大。實驗中表面鈍化的效果不理想，因此開路電壓隨著厚度的下降而下降。4.關(guān)鍵工藝問題分析4.1電極制備實驗中所用鋁漿是專為PERC電池局域接觸電極開發(fā)的漿料。常規(guī)鋁漿中的玻璃粉主要與硅基底作用，而PERC電池鋁漿中的玻璃粉主要與介質(zhì)膜作用，兩種漿料的區(qū)別主要在于添加劑和玻璃粉的不同。PERC電池漿料能夠使鋁和硅形成良好的歐姆接觸，降低接觸電阻，不會對介質(zhì)膜造成不良影響。PERC電池漿料的燒結(jié)溫度為930℃，高于常規(guī)電池鋁漿料的燒結(jié)溫度。在此燒結(jié)溫度下，厚度為110μm的電池出現(xiàn)了嚴(yán)重的翹曲，并導(dǎo)致部分電池片失效；厚度等于和大于130μm的電池沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的翹曲和測試失效（圖9）?？梢?，硅片在減薄至一定的厚度后，機(jī)械性能嚴(yán)重降低，極易產(chǎn)生不良電池片。研發(fā)低翹曲率漿料或者采用新的電極制備技術(shù)，可以解決電池翹曲的問題。尚德公司與新南威爾士大學(xué)采用電鍍方法制作的激光摻雜發(fā)射極電池（LDSE）的效率已突破20%。蒸鍍制備電極基本上不會導(dǎo)致電池翹曲，在導(dǎo)電性方面也優(yōu)于絲網(wǎng)印刷制備的電極。但電鍍和蒸鍍的成本問題制約了其發(fā)展。如果超薄硅片的生產(chǎn)成本能夠大幅度降低，那么蒸鍍和電鍍技術(shù)可成為制備優(yōu)良電極的手段。4.2去背結(jié)與拋光實驗中，硅片拋光是在SiNx掩膜下進(jìn)行的，由于實驗條件所限，拋光效果有待提高。目前，制作常規(guī)厚度的PERC電池，是在去背結(jié)后進(jìn)行背面拋光。企業(yè)生產(chǎn)時，普遍采用的是三線滾輪流水線去背結(jié)或拋光，酸液或者堿液可能漫過較薄的硅片，造成正面被腐蝕，破壞絨面和p-n結(jié)結(jié)構(gòu)。5.結(jié)語晶體硅電池薄片化是光伏技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文采用正面SiNx掩膜的方法對硅片進(jìn)行背面拋光，使電池開路電壓有一定的提升。影