Al2 O3背鈍化太陽電池量產(chǎn)工藝研究

中電投西安太陽能電力有限公司 ■ 董鵬 陳璐 吳翔

0 引言

太陽能光伏發(fā)電隨著其轉(zhuǎn)換效率的不斷提升得到越來越廣泛的應(yīng)用，晶體硅太陽電池的應(yīng)用與發(fā)展一直是太陽能發(fā)電的主要發(fā)展方向。隨著晶體硅太陽電池技術(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的單晶硅太陽電池的量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率已達(dá)19.2%，多晶硅太陽電池量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率已達(dá)17.8%。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池效率已沒有太大的提升空間，電池效率的提升必須依靠新型結(jié)構(gòu)的晶體硅太陽電池發(fā)展。目前的新結(jié)構(gòu)電池主要有PERC電池、PERL電池、IBC電池、MWT電池、EWT電池及HIT電池等。

在目前已有的硅基體高效電池技術(shù)中，由于Al2O3背鈍化太陽電池(PERC電池)將提升電池效率的工藝移至電池背面，因此其與其他的高效電池技術(shù)及新的提高電池效率的制造工藝有非常好的兼容性。Al2O3背鈍化技術(shù)可與其他高效技術(shù)同時(shí)整合在硅太陽電池中。因此，目前Al2O3背鈍化太陽電池技術(shù)在所有高效電池技術(shù)中是最有可能被工業(yè)化推廣的技術(shù)，研究其量產(chǎn)工藝對(duì)Al2O3背鈍化電池的大規(guī)模生產(chǎn)具有非常好的指導(dǎo)性作用[1-3]。

1 Al2O3背鈍化太陽電池的結(jié)構(gòu)與原理

Al2O3背鈍化電池與常規(guī)電池結(jié)構(gòu)的不同之處在于其在電池硅片背面鍍有一層Al2O3薄膜，在Al2O3薄膜上又覆蓋有一層SiNx薄膜，然后用激光在硅片背面進(jìn)行打孔或開槽，將部分Al2O3與SiNx薄膜層打穿露出硅基體，背電場(chǎng)通過薄膜上的孔或槽與硅基體實(shí)現(xiàn)接觸[4]。

由于Al2O3/Si接觸面具有較高固定負(fù)電荷密度，通過屏蔽p型硅表面的少子電子而表現(xiàn)出顯著的場(chǎng)效應(yīng)鈍化特性，使得硅片背面的鈍化效果較傳統(tǒng)的鋁背場(chǎng)鈍化技術(shù)有較大的提高[5]。研究表明，使用Al2O3作為鈍化層可使硅片表面符合速率降低至102cm/s數(shù)量級(jí)。

有效少子壽命與表面復(fù)合有如下關(guān)系：

式中：τeff為有效少子壽命；τb為體壽命；S為材料表面復(fù)合速度；L為材料厚度。

由式(1)可知，τeff隨表面復(fù)合速度增大而減小。因此背鈍化電池有較高的有效少子壽命，進(jìn)而有較高的開路電壓與短路電流。

2 Al2O3背鈍化太陽電池的量產(chǎn)工藝

Al2O3背鈍化電池的工藝步驟為：制絨→擴(kuò)散→刻蝕→拋光→鍍Al2O3→鍍背面SiNx→鍍正面SiNx→激光開槽→絲網(wǎng)印刷→燒結(jié)→測(cè)試。

Al2O3背鈍化電池與傳統(tǒng)電池在工藝步驟上的區(qū)別主要在于多出4道工藝步驟，分別為：拋光、背面鍍Al2O3、背面鍍SiNx及背面激光開槽，其余工藝步驟均與常規(guī)電池產(chǎn)線相同。

3 實(shí)驗(yàn)

按照上述步驟進(jìn)行Al2O3背鈍化電池的生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用單晶156 mm×156 mm、φ200 mm硅片。實(shí)驗(yàn)中常規(guī)工藝采用生產(chǎn)線大規(guī)模正常的生產(chǎn)工藝進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)在不同時(shí)間共重復(fù)進(jìn)行3次，以排除實(shí)驗(yàn)過程中的偶然因素。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

通過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，背鈍化實(shí)驗(yàn)片的電性能參數(shù)特征基本相同，表現(xiàn)為Voc低、Isc低、Rs偏高。其效率平均值只有18.21%，與背鈍化電池應(yīng)有的效率偏差較大。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)片及實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，總結(jié)出對(duì)電池效率影響的原因主要有：

表1 正常背鈍化電池效率與傳統(tǒng)電池效率對(duì)比

表2 3次背鈍化電池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1)背鈍化電池使用的硅片電阻率應(yīng)比傳統(tǒng)工藝電池片使用的硅片電阻率小，一般為1～1.5 Ω·cm。由于背鈍化電池背面只有激光開槽處能夠與背場(chǎng)進(jìn)行接觸，導(dǎo)致其背場(chǎng)接觸電阻較傳統(tǒng)工藝電池偏大，因此，需選用電阻率略低的硅片才能確保最終電池片的串聯(lián)電阻不會(huì)過大。

2) 良好的背拋光工藝可明顯提升電池片的短路電流。硅片背拋光后，利用鏡面反射原理，光的背面反射率增加，透射損失減小，從而增加了輸出電流。同時(shí)由于拋光后背面的比表面積較少，使得背表面復(fù)合速率減小，硅片少子壽命顯著提升。

圖2 硅片拋光前后透射率比較

圖3 硅片拋光前后少子壽命比較

目前，一般將硅片背面的腐蝕深度控制在2 μm，以便達(dá)到較好的拋光效果。

3)硅片在拋光過后應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)完成Al2O3鍍膜工藝，如果停留時(shí)間過長(zhǎng)，硅片在鍍膜前表面受到污染，則做成電池片后會(huì)導(dǎo)致Voc與Isc偏低。

4)激光開槽工藝只需將硅片背面的SiNx薄膜與Al2O3薄膜劃開露出硅襯底即可，防止由于硅基體被激光劃開后引起的損傷造成少子壽命降低[6]。皮秒激光器開槽對(duì)硅片的損傷好于納秒激光器，納秒激光開膜過程中會(huì)有較多的殘?jiān)?，皮秒激光則不會(huì)有此問題。

圖4 納秒激光器與皮秒激光器打孔效果比較

5) 背鈍化電池背電場(chǎng)鋁漿對(duì)開槽處的填充無法達(dá)到100%，目前的鋁背場(chǎng)填充率達(dá)到80%即認(rèn)為鋁背場(chǎng)填充正常。影響鋁背場(chǎng)填充的主要因素有：激光開槽工藝的好壞，開槽處SiNx薄膜與Al2O3薄膜去除的好壞將直接影響鋁漿的填充情況；燒結(jié)工藝，降低電池的燒結(jié)溫度和冷卻速度可降低空洞率；背場(chǎng)鋁漿的選擇，應(yīng)選用專門為背鈍化電池研制的專用漿料；鋁背場(chǎng)印刷對(duì)鋁漿填充情況無明顯影響，鋁漿填充空洞主要是在燒結(jié)時(shí)硅鋁合金冷卻過程形成的。

圖5 激光刻槽效果對(duì)比圖

圖6 鋁背場(chǎng)填充效果

圖7 鋁背場(chǎng)填充正常與未填充比較

5 總結(jié)

通過在工業(yè)生產(chǎn)線上進(jìn)行Al2O3背鈍化電池的試制，并對(duì)其最終結(jié)果進(jìn)行分析?？偨Y(jié)出在大規(guī)模生產(chǎn)線上會(huì)對(duì)電池最終結(jié)果產(chǎn)生明顯影響的工藝因素：硅片電阻率的選擇、背表面拋光的狀態(tài)、硅片制程時(shí)間的控制、激光開槽工藝，以及激光器種類的選擇、合適的燒結(jié)工藝及鋁背場(chǎng)漿料選擇，都會(huì)對(duì)電池片最終效率產(chǎn)生明顯的影響。

感謝：

本次實(shí)驗(yàn)的完成得到了中電投西安太陽能電力有限公司技術(shù)工藝中心的大力支持，在此對(duì)中電投西安太陽能電力有限公司技術(shù)工藝中心的各位工程師表示衷心的感謝。

[1] 管紹茂, 王 迅. 半導(dǎo)體表面鈍化技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1981.

[2] 陳庭金, 劉祖明, 徐潔磊. 多晶硅太陽電池的表面和界面復(fù)合[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 2000, 21(2): 133 – 139.

[3] 闕端麟. 硅材料科學(xué)與技術(shù)[M]. 杭州: 浙江大學(xué)出版社,2000.

[4] 陶路平, 陳達(dá)明, 洪瑞江. 背面點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)在晶體硅太陽電池中的應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2011, 25(13): 124 – 129.

[5] Arm N G. Aberle cristalline silicon solar cells advanced surface passivation and analysis[M]. Printed by bloxham and chambers pty Ltd, 1 Leeds Street, Rhodes NSW2138, Austrlia.

[6] Brendle W，Nguyen V X, Grohe A，et a1．20.5% effi cient silicon solar cell with a low temperature rear side process using laser-fired contact [J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2006, 14 (7): 653 – 662.