背處理對背鈍化晶體硅太陽電池性能的影響

■ 錢洪強(qiáng) 席曦 喬琦 陳麗萍 葛劍 吳文娟 陳如龍 楊健 朱景兵 施正榮 李果華

（1.江南大學(xué)理學(xué)院；2.無錫尚德太陽能電力有限公司）

0 引言

光伏行業(yè)雖然是新型綠色產(chǎn)業(yè)，但由于受到現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)過剩和無序競爭，以及各種“雙反”和削減補(bǔ)貼等影響，光伏企業(yè)的生存壓力增大。在此背景下，如何降低生產(chǎn)成本和提高太陽電池效率是企業(yè)最重視的兩個(gè)方面。不管是為了降低成本減薄硅片，還是高效電池如PERC(passivated emitter and rear cell)和PERL電池(passivated emitter and rear locally diffused)，都需通過背處理結(jié)合背鈍化來提高電池對長波段的反射和再吸收利用。

本文采用生產(chǎn)所使用的p型CZ單晶硅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采用大規(guī)模應(yīng)用的Roth&Rau平板PECVD沉積正反兩面鈍化減反膜(SiNx)。SiNx膜是目前太陽電池最常用的鈍化減反膜，Schmidt J 等人使用HF-PECVD沉積SiNx在1 Ω·cm的SiNx型硅片上得到低于10 cm/s的復(fù)合速率[1]。由于SiNx膜固有正束縛電荷(約1×1012cm-2)[2]，在p型硅片背表面會形成反型層而造成電池的寄生電容效應(yīng)[3]，因此本文使用含有固定負(fù)束縛電荷的AlOx(電荷密度在1012～1013 cm-2)鈍化膜來消除該負(fù)面影響[4-7]。

本文首先使用PC1D模擬研究不同背反射對電池電性能參數(shù)的影響，在此基礎(chǔ)上理論和實(shí)驗(yàn)分析堿性和酸性背面處理的差異，以及背處理對晶體硅太陽電池性能的影響。

1 PC1D模擬

采用常用的PC1D模擬軟件進(jìn)行電池理論模擬，其中，設(shè)定面積1 cm2、標(biāo)準(zhǔn)絨面結(jié)構(gòu)(絨面大小在3 μm)、表面沉積厚80 nm、折射率為2的減反膜，本體p型硅片(電阻率1.5 Ω·cm，體少子壽命150 μs)，擴(kuò)散方塊電阻85 Ω/□，結(jié)深控制在0.3 μm，固定電池正反面復(fù)合速率1000 cm/s的情況下進(jìn)行模擬。不同背面反射率情況下，電池表征出來的短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Uoc)的變化情況如圖1、2所示。

從模擬仿真結(jié)果看，背面反射率越高，電池的Jsc和Uoc就越高，綜合而言，電池的轉(zhuǎn)換效率應(yīng)隨著背面反射率的提高而增大。因此，提高背面反射率，進(jìn)行背處理是制備高效太陽電池的關(guān)鍵工藝點(diǎn)之一。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

從以上PC1D的模擬可看出，對于如何提高電池背面反射率對太陽電池的電性能改善也尤為重要。采用常規(guī)p型CZ硅片，厚度200±20 μm，電阻率1～3Ω·cm，硅片尺寸156 mm×200 mm，經(jīng)過正常制絨和清洗后進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.1 酸性背處理和堿性背處理的比較

對制絨清洗后的硅片分別進(jìn)行酸性背面處理(HNO3:HF:H2O=6:1:1)和堿性背面處理(NaOH 10 wt% 80 ℃)。酸處理采用水平鏈?zhǔn)礁g設(shè)備，背面腐蝕約5 min；堿處理采用恒溫水浴浸泡式處理，時(shí)間約5 min。由處理后的形貌(圖3、圖4)可看出，各項(xiàng)同性腐蝕和各項(xiàng)異性腐蝕的差異。但是經(jīng)過激光顯微鏡掃描測試粗糙度，得出酸處理平均粗糙度為0.6 μm，堿處理平均粗糙度為0.5 μm，相差不大。然后在處理過的硅片正反面上使用PECVD沉積SiNx膜后進(jìn)行測試反射率。由于入射光波傳輸通過整個(gè)電池到達(dá)背面，中短波長的光基本全部被吸收，僅剩長波段的光可重新被背面反射回電池內(nèi)部，因此電池內(nèi)部背面反射情況可通過正常測試電池反射率曲線中的長波區(qū)域來考查，結(jié)果如圖5所示。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，背面印刷鋁漿后再次測試其反射率，結(jié)果如圖6所示。

圖3 酸性背面處理后的形貌

圖4 堿性背面處理后的形貌

對比圖5和圖6可知，進(jìn)行堿性背處理的背面反射率比酸性背處理的略高，這是由于堿性處理比酸性處理后的背面形貌更易趨向鏡面拋光狀態(tài)。不過該差距會在背面存在金屬背場后縮小。

經(jīng)過平整化后的晶體硅電池背面更加平緩，趨向于“鏡面”，這樣在太陽電池金屬化方面會有很大幫助。主要作用是背場印刷的漿料和硅片更加緊密，經(jīng)過燒結(jié)爐共燒時(shí)受熱更加均勻，從而形成的合金層均勻性更好。將經(jīng)過酸處理和堿處理的硅片，在不進(jìn)行鈍化的基礎(chǔ)上直接印刷全鋁背場，相同條件下進(jìn)行合金層的考查，從而對比酸、堿處理的差別，如圖7所示。

圖7 不同背處理后的背場合金情況

從圖7可看到，兩種處理結(jié)果對于合金層的影響幾乎一樣，沒有太大差別。也就是說，當(dāng)背面平整度達(dá)到一定程度后，合金層的厚度和均勻性都開始趨于穩(wěn)定。

堿性背面處理過程必須先在制絨清洗后的片子單面鍍較厚的保護(hù)膜(實(shí)驗(yàn)中使用SiNx)，然后背面平整化后再設(shè)法去除，工藝較為復(fù)雜。而且從結(jié)果來看，做成電池后兩種方式背處理測試的背面反射率差異很小，故在現(xiàn)有條件狀況下選擇進(jìn)行酸性背處理。

2.2 酸性背處理程度的比較

對制絨清洗后的硅片進(jìn)行酸性背處理，分別采用3種方式：背面不處理、酸性背處理1次和酸性背處理3次，然后測試反射率查看背面反射情況。處理3次的總時(shí)間約5 min，與之前對比酸堿處理的時(shí)間一致。堿處理已經(jīng)達(dá)到鏡面的效果，繼續(xù)增加酸處理時(shí)間或次數(shù)，背面平整度僅是趨于堿處理的效果。而上述已表明5 min的酸堿處理效果差異很小，因此這里對比的酸處理程度的上限設(shè)置為5 min。

從圖8和圖9可看出，酸性背面處理次數(shù)越多背面就越平整，其背面反射率會越高。

2.3 背面處理對電池性能影響的整體表現(xiàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定酸性背面處理程度的情況下使用酸性背處理3次后正面沉積80 nm、折射率為2的SiNx膜，背面沉積AlOx/SiNx疊層膜，AlOx的厚度僅為數(shù)納米，疊層膜的總膜厚為240 nm。有無背處理工藝的背鈍化電池的整體電性能情況見表1，QE情況如圖10所示。

表1 有無背處理工藝的背鈍化電池整體電性能情況

由表1和圖10可知，經(jīng)過背處理后，電池的轉(zhuǎn)換效率絕對值可提升0.12%以上。開路電壓方面，相對于無背處理的電池而言基本無變化，變化主要來自于電池的短路電流密度。由于背處理后背面的反射率增強(qiáng)，長波段的光經(jīng)過背反射后重新被電池吸收，光生載流子數(shù)量增加，因此電流會得到提升。

3 結(jié)論

PC1D模擬可知，較高的背面反射率對太陽電池電性能的改善很有幫助。從模擬計(jì)算可知，如果僅背反射率從40%提高到100%的情況下，Jsc提高5.31%，Uoc提高0.22%，短路電流密度的提升為主要貢獻(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)可知，使用堿性背處理的電池背面反射率略高于酸性背處理，但僅限于未經(jīng)過金屬化前的半成品。堿處理在反射率方面的優(yōu)勢會在制作電池工藝過程中的印刷鋁背場后被縮小，酸堿處理幾乎無差別?？紤]到工藝的復(fù)雜程度等方面因素，最終確定使用酸處理背面較為理想。酸處理過程中，酸處理時(shí)間越長或次數(shù)越多，背面的反射率將越高。但是酸處理最終也只是趨于堿處理的“鏡面”效果。當(dāng)背面平整度達(dá)到一定程度后，背處理的效果會趨于“飽和”，因此本文最終確定了背面酸處理的程度。在此基礎(chǔ)上，正面使用SiNx作為減反膜，背面使用AlOx/SiNx疊層鈍化膜，制備的電池背處理后電池轉(zhuǎn)換效率絕對值可提高0.1%以上。

[1] Schmidt J, Kerr M.Highest-quality surface passivation of low-resistivity p-type silicon using stoichiometric PECVD silicon nitride[J].Solar Energy Material & Solar Cells, 2001, 65(1-4): 585－591.

[2] Mart n I, L vblom R, Alcubilla R.High-efficiency solar cells based on inversion layer emitters[A].Photovoltaic Solar Energy Conference[C], Hamburg, Germany, 2009.

[3] Dauwe S, Mittelst?dt L, MetzA, et al.Experimental evidence of parasitic shunting in silicon nitride rear surface passivated solar cells[J].Photovoltaics, 2002, 10(4): 271－278.

[4] Hoex B, Schmidt J, Pohl P, et al.Silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3[J].Journal of Applied Physics, 2008,104: 044903－044905.

[5] Schmidt J, Merkle Agnes, Hoex B, et al.Atomic-layerdeposited aluminum oxide for the surface passivation of highefficiency silicon solar cells[A].Photovoltaic Specialists Conference[C], San Diego, CA, USA, 2008.

[6] Terlinden N M, Dingemans G, van de Sanden M C M, et al.Role of field-effect on c-Si surface passivation by ultrathin (2-20 nm)atomic layer deposited Al2O3[J].Applied Physics Letters,2010, 96: 112101－112103.

[7] Werner F, Veith B, Zielke D, et al.Electronic and chemical properties of the c-Si/Al2O3interface[J].Journal of Applied Physics, 2011, 109: 113701－113703.