單硅片制備雙發(fā)電單元串聯(lián)的初步探索

浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司 ■ 黃海燕 胡金艷 單偉 王仕鵬 陸川

0 引言

全球能源日益殆盡，太陽(yáng)能發(fā)電憑借環(huán)境友好、取之不竭、使用靈活等優(yōu)勢(shì)得到廣泛重視和大力發(fā)展，近年來(lái)各大公司紛紛加大力度進(jìn)行技術(shù)革新及降低成本。提高電池效率是技術(shù)革新的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[1]，同時(shí)，降低電池到組件之間的功率損失 (POCTM)也至關(guān)重要。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在提高電池效率時(shí)，提高開(kāi)路電壓的提升比例可有效降低POCTM。目前多數(shù)廠家采用將電池片進(jìn)行切割，利用小面積電池進(jìn)行組件制備或利用激光對(duì)硅片表面的pn結(jié)進(jìn)行隔離制備成組件，以獲取更高開(kāi)路電壓及更低POCTM[2]。此種方法的不足之處在于，電池片進(jìn)行切割時(shí)使用激光設(shè)備，一方面增加成本，另一方面增加電池碎片風(fēng)險(xiǎn)。本文利用堿液腐蝕及絲網(wǎng)印刷技術(shù)在不切割硅片的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單硅片上制備兩個(gè)發(fā)電單元的串聯(lián)，進(jìn)而提高組件的開(kāi)路電壓及降低POCTM。

本文在常規(guī)多晶太陽(yáng)電池制備工藝的基礎(chǔ)上增加硅片中心線附近的pn結(jié)腐蝕，步驟位于制絨和擴(kuò)散之間。通過(guò)電性能測(cè)試顯示，本方法可實(shí)現(xiàn)雙發(fā)電單元的串聯(lián)。將該結(jié)構(gòu)電池定義為單片雙電池。本文主要介紹研究雙電池初步實(shí)驗(yàn)的的外觀形貌及初步性能。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)批量生產(chǎn)的p型多晶硅片，厚度約為180 μm，面積為156 mm×156 mm，電阻率0.5～1.0 Ω·cm。制備過(guò)程與常規(guī)多晶電池制備工藝類(lèi)似：利用HNO3/HF溶液去除硅片表面損傷層并制備絨面→POCl3為摻雜源高溫?cái)U(kuò)散→去除硅片中心線附近pn結(jié)→等離子刻蝕去除邊緣pn結(jié)→二次清洗去磷硅玻璃→PECVD制備減反射膜→絲網(wǎng)印刷制備電極→燒結(jié)→測(cè)試。流程如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)電池制備流程

去除硅片中心線附近pn結(jié)的方法為：利用在15%NaOH中浸泡約2 min的模板在85 ℃對(duì)硅片中心區(qū)域進(jìn)行腐蝕拋光，腐蝕時(shí)間為10～60 s。使用冷熱探針對(duì)拋光區(qū)域進(jìn)行pn型測(cè)試。雙發(fā)電單元電極形成方法為：利用特制圖形網(wǎng)版采用絲網(wǎng)印刷工藝，一次印刷即可完成正面電極印刷及電池正背面串聯(lián)。

2 結(jié)果及討論

2.1 堿液腐蝕硅片正背面結(jié)果

圖2為利用15%NaOH在85 ℃對(duì)硅片中心區(qū)域的腐蝕結(jié)果。為保證腐蝕區(qū)域完全去除pn結(jié)及后續(xù)絲網(wǎng)印刷對(duì)準(zhǔn)，絕緣區(qū)域?qū)挾榷? mm；腐蝕60 s后目測(cè)硅片表面已拋光，經(jīng)冷熱探針測(cè)試，腐蝕區(qū)域?yàn)閜型，即該區(qū)域pn結(jié)已經(jīng)完全去除。

圖2 硅片中心線區(qū)域腐蝕結(jié)果

中心線pn結(jié)去除后相當(dāng)于將硅片表面的pn結(jié)分成上、下對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)區(qū)域，當(dāng)有光照射在硅片表面時(shí)即形成相互獨(dú)立的兩個(gè)發(fā)電單元。此常規(guī)電池片與單片雙電池的結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 常規(guī)電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 單片雙電池結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 單片雙電池的絲網(wǎng)印刷及電性能結(jié)果

圖5a顯示的是單片雙電池正面電極圖形設(shè)計(jì)，圖形中的繞體柵線是實(shí)現(xiàn)雙電池串聯(lián)的關(guān)鍵部分。本繞體柵線借助絲網(wǎng)印刷與正面電極同時(shí)印刷于硅片上。繞體柵線需要覆蓋如圖5a所示的硅片側(cè)邊區(qū)域，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)正面繞體柵線(如圖5a)終點(diǎn)與硅片邊緣平行；印刷后效果如圖5b所示，印刷過(guò)程中由于漿料粘度、延展性等因素導(dǎo)致個(gè)別電池片繞體柵線印刷不完整，此類(lèi)電池片需人工手動(dòng)進(jìn)行修補(bǔ)。通過(guò)后續(xù)電性能結(jié)果可知，上述實(shí)驗(yàn)中的繞體柵線連接良好。

圖5 雙電池正面電極及繞體柵線示意圖

為增強(qiáng)導(dǎo)電性能，本實(shí)驗(yàn)中主柵采用實(shí)心設(shè)計(jì)；下電池與焊帶連接主柵采用分段設(shè)計(jì)。為更清晰理解組件焊接后上、下電池結(jié)構(gòu)，圖6為組件焊接示意圖。依照?qǐng)D示進(jìn)行焊接與現(xiàn)有傳統(tǒng)電池相比可節(jié)省50%焊帶。

圖7a為絲網(wǎng)印刷后的背電極圖，紅色區(qū)域?yàn)榕c正面繞體柵線對(duì)應(yīng)的背面繞體柵線。背電場(chǎng)不印刷絕緣區(qū)域，如圖7b所示，以便將上、下電池區(qū)分開(kāi)。圖7c顯示的是燒結(jié)后的雙電池。

表1顯示經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，雙電池具有均值約10.8%的轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)路電壓均大于1 V，短路電流均值約4.13 A，證明本結(jié)構(gòu)可正常收集電流并輸出電能。由于測(cè)試軟件最大電壓量程超出本結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生最大值，使得串聯(lián)電阻測(cè)試顯示異常。相信通過(guò)優(yōu)化測(cè)試軟件及繞體柵線設(shè)計(jì)可很大程度優(yōu)化本結(jié)構(gòu)電池電性能。單電池最優(yōu)效率10.9%，漏電流0.11 A，低于產(chǎn)線傳統(tǒng)電池漏電流均值，以上數(shù)據(jù)證實(shí)由單硅片作為基底的雙電池結(jié)構(gòu)并未因基底的導(dǎo)通而引起漏電流過(guò)大。

圖7 雙電池背電極、背電場(chǎng)及正面電極圖

表1 電池電性能參數(shù)

3 結(jié)論

本文通過(guò)堿液腐蝕硅片表面中心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了上、下電池的串聯(lián)，并使用絲網(wǎng)印刷技實(shí)現(xiàn)一次印刷制備單硅片兩個(gè)發(fā)電單元。I-V測(cè)試結(jié)果顯示，本結(jié)構(gòu)可有效收集硅片表面的載流子，并及時(shí)輸出電流，同時(shí)基底硅片并未引起漏電異常。雙電池電壓較傳統(tǒng)電池有明顯提升，由于測(cè)試系統(tǒng)原因并未測(cè)試出開(kāi)路電壓真實(shí)值，相信通過(guò)測(cè)試改進(jìn)繞體柵線可進(jìn)一步大幅提高雙電池效率。同時(shí)本結(jié)構(gòu)電池制備組件過(guò)程中可比目前傳統(tǒng)電池節(jié)省約50%焊帶用量。

[1]于世杰，何慧若[譯].太陽(yáng)能的光伏利用[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2]Abbott M D， Trupke T. Laser isolation of shunted regions in industrial solar cells[J]. Progress in Photovoltaic: Research and Applications， 2007， 15(7): 613 － 620.