一種基于傳統(tǒng)工藝的晶硅電池提效方案研究

國家電投集團(tuán)西安太陽能電力有限公司 劉軍保 李躍恒

從擴(kuò)散、燒結(jié)和絲網(wǎng)印刷圖形三方面對(duì)晶硅電池的電性能參數(shù)的影響進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)分析得出提升晶硅電池效率的工藝方向。通過柵線圖形線寬不細(xì)化來避免印刷質(zhì)量問題的困擾，最終通過優(yōu)化擴(kuò)散和燒結(jié)工藝匹配網(wǎng)版圖形密化設(shè)計(jì)的工藝方案制備具有低表面濃度和高印刷質(zhì)量的晶體硅光伏電池。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測試，該方案制備的晶硅電池片開路電壓Uoc和短路電流Isc分別獲得了1mV和50mA的提升，光伏電池的效率提升0.15%以上。

引言：隨著無網(wǎng)結(jié)和二次印刷等網(wǎng)版印刷技術(shù)的推廣應(yīng)用，柵線進(jìn)一步細(xì)化的空間已經(jīng)越來越小，對(duì)電池片印刷質(zhì)量的要求也在不斷的提高，在這種情況下，通過柵線細(xì)化提升晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)越來越困難，本文通過對(duì)電池端的工藝進(jìn)行分析，在柵線寬度不變的前提下，確定了一套涉及擴(kuò)散、絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝的前后匹配方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定，最終獲得了晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的提升，為以后進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用提供一些參考。

晶硅太陽能電池通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在電池的正面印刷絲網(wǎng)圖形，印刷技術(shù)已經(jīng)非常成熟。通過對(duì)絲網(wǎng)印刷圖形，包括對(duì)細(xì)柵線和主柵線的優(yōu)化，以提高電池效率、降低成本，是最終實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的重要方式。絲網(wǎng)印刷技術(shù)已經(jīng)非常成熟，特別是隨著無網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版技術(shù)的發(fā)展。雖然網(wǎng)版圖形的柵線細(xì)化已經(jīng)走在前面，但正電極銀漿的印刷質(zhì)量限制著印刷圖形的繼續(xù)細(xì)化。正電極銀漿的開發(fā)需要時(shí)間，從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到量產(chǎn)的時(shí)間段，決定了正電極銀漿對(duì)柵線細(xì)化的貢獻(xiàn)是臺(tái)階式進(jìn)步的。然而，光伏太陽能的市場的總是倒逼著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，這也是光伏太陽能走上成熟的過程。電池技術(shù)停滯不前，以后的日子將會(huì)越來越難過。PN結(jié)形成以后，載流子傳輸?shù)诫姵乇砻?，再橫向傳輸?shù)秸鏂啪€的過程，也是一個(gè)載流子復(fù)合的過程。硅晶體的禁帶寬度Eg為1.2eV，載流子的壽命是有限的，載流子一邊擴(kuò)散、一邊復(fù)合所能夠走過的平均距離即為擴(kuò)散長度，擴(kuò)散長度越大，太陽能電池的量子效率和轉(zhuǎn)換效率也就越高，它是反映半導(dǎo)體材料質(zhì)量很重要的一個(gè)參數(shù)。硅晶體的禁帶寬度是固定的，而從電池片表面?zhèn)鬏數(shù)秸鏂啪€的過程是載流子從電池片到外部輸出的最后一站，降低這一段的載流子復(fù)合是提高電池效率的重要手段。降低這一段的復(fù)合，我們確定了兩個(gè)方向，一個(gè)是降低電池片表面的摻雜濃度，也即需要改變擴(kuò)散過程中的工藝參數(shù)；另一個(gè)是降低這一段的傳輸距離，這需要對(duì)正面柵線圖形進(jìn)行改變，也即增加細(xì)柵線的根數(shù)。今后，在如何開發(fā)新技術(shù)以得到低價(jià)格、高效率的晶硅太陽能電池，早日實(shí)現(xiàn)綠色能源的普及，晶硅太陽能電池的工藝優(yōu)化等方面還有許多工作可做。

1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 擴(kuò)散工藝優(yōu)化

擴(kuò)散層結(jié)深和濃度是影響電池核心部件PN結(jié)質(zhì)量的決定性因素，一個(gè)適合實(shí)際電池生產(chǎn)需求的擴(kuò)散工藝需要恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)散結(jié)深和濃度，表面雜質(zhì)濃度過高會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散區(qū)能帶收縮、缺陷增加、“死層”明顯，低摻雜雖然死層小，但會(huì)導(dǎo)致表面接觸變差，引起串聯(lián)電阻增加。顧此失彼，都無法獲得最佳的電池轉(zhuǎn)換效率。

為了確定合適的擴(kuò)散工藝。本文選擇不改變通入三氯氧磷的流量及時(shí)間，即不改變擴(kuò)散的總摻雜量的情況下，通過改變有氧高溫推進(jìn)的溫度和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散表面濃度和結(jié)深的調(diào)整，提升方塊電阻，獲得如圖1中實(shí)線2的ECV曲線效果圖，最終實(shí)現(xiàn)電性能參數(shù)的提升。

圖1 擴(kuò)散優(yōu)化預(yù)期ECV曲線效果圖

1.2 印刷圖形優(yōu)化

絲網(wǎng)印刷正面柵線起到與硅形成良好的歐姆接觸，收集電子、空穴并導(dǎo)出到外電路的作用，所以為了提高歐姆接觸和電子傳輸能力，需要進(jìn)行必要的柵線細(xì)化和根數(shù)增加，也即金屬化柵線的細(xì)化和密化，在減小柵線寬度的同時(shí)增加?xùn)啪€橫截面積，降低正面柵線遮光面積和提升正面銀漿接觸性能。

然而隨著無網(wǎng)結(jié)和二次印刷等網(wǎng)版印刷技術(shù)的應(yīng)用，柵線進(jìn)一步變細(xì)的空間已經(jīng)越來越小，圖2為ITRPV2017年對(duì)于正面柵線寬度的細(xì)化趨勢(shì)預(yù)測，從中可以看出，柵線的細(xì)化趨勢(shì)會(huì)變緩，細(xì)化的幅度會(huì)變小，因此本實(shí)驗(yàn)在保持柵線寬度不變的前提下，通過增加?xùn)啪€的根數(shù)提高電流收集能力，提高金屬化柵線接觸橫截面積，最終實(shí)現(xiàn)電性能參數(shù)的提升。

1.3 燒結(jié)工藝優(yōu)化

燒結(jié)的目的是干燥硅片上的漿料，燃盡漿料的有機(jī)組分，使?jié){料和硅片形成良好的歐姆接觸。雖然高溫在晶硅電池的制作過程中普遍存在，但在燒結(jié)工序，在極短時(shí)間內(nèi)使硅片達(dá)到共晶溫度，才能減少高溫對(duì)硅片的損傷。

滿足燒結(jié)需求的情況下，為了提升晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率，需要盡量降低高溫對(duì)晶硅電池的損傷。所以本實(shí)驗(yàn)通過降低燒結(jié)爐的最高溫度，增加燒結(jié)爐的帶速，因此需要使用更低軟化溫度的正銀漿料，對(duì)比不同軟化溫度正銀對(duì)Rs和Eff的影響，本實(shí)驗(yàn)在保持良好歐姆接觸的同時(shí)，通過減少硅片在高溫中的時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)電性能參數(shù)的提升。

2.實(shí)驗(yàn)過程驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采用P型單晶硅片作為襯底，面積為156.75 mmX156 .75mm，厚度為200±20nm，使用Tempress擴(kuò)散和ASYS印刷設(shè)備。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用匹配疊加實(shí)驗(yàn)方案，即通過增加絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版圖形的細(xì)柵線根數(shù)，同步調(diào)整燒結(jié)爐的燒結(jié)溫度和時(shí)間，通過精確對(duì)比確定印刷圖形和燒結(jié)爐的參數(shù)優(yōu)化幅度；在確定后道工序參數(shù)的基礎(chǔ)下，以相同方式匹配疊加擴(kuò)散優(yōu)化工藝。擴(kuò)散優(yōu)化工藝是在不改變通入磷源總量的情況下，通過改變低溫、高溫推進(jìn)的時(shí)間和溫度，提高方塊電阻。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以下數(shù)據(jù)是持續(xù)精確對(duì)比試驗(yàn)中的代表性數(shù)據(jù)。

表1的對(duì)比數(shù)據(jù)中，實(shí)驗(yàn)組-A組是采用網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化后工藝的電性能參數(shù)，對(duì)比組-B組是采用網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化前工藝的電性能參數(shù)。

表1 印刷燒結(jié)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

表2的對(duì)比數(shù)據(jù)中，實(shí)驗(yàn)組-A組是采用擴(kuò)散、網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化后工藝的電性能參數(shù)，對(duì)比組-B組是采用擴(kuò)散、網(wǎng)版圖形和燒結(jié)優(yōu)化前工藝的電性能參數(shù)。

表2 印刷燒結(jié)擴(kuò)散優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過后道工序的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)效率提升0.1%以上，疊加前道擴(kuò)散工藝的優(yōu)化，累計(jì)實(shí)現(xiàn)0.15%的效率提升。效率提升主要來源于開路電壓和短路電流的提升，電性能參數(shù)的變化符合實(shí)驗(yàn)的預(yù)期。

3.結(jié)論

本文從影響晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素進(jìn)行研究，分別從擴(kuò)散、燒結(jié)和絲網(wǎng)印刷圖形三方面著手。通過擴(kuò)散和燒結(jié)工藝與絲網(wǎng)印刷網(wǎng)版圖形的優(yōu)化搭配，分析得出一種提升晶體硅太陽能電池的工藝方案。實(shí)驗(yàn)表明通過優(yōu)化擴(kuò)散和燒結(jié)工藝匹配網(wǎng)版圖形密化設(shè)計(jì)的工藝方案，制備的具有低表面濃度和高印刷質(zhì)量的晶體硅光伏電池, 開路電壓Uoc和短路電流Isc分別獲得了1mV和50mA的提升，光伏電池的效率提升0.15%以上，目前該方式制備的電池從生產(chǎn)可靠性、成本和效率方面都具備優(yōu)勢(shì)。