背鈍化膜特性對(duì)PERC單晶硅太陽電池的影響研究

通威太陽能(合肥)有限公司 ■ 李躍 蘇世杰 陳紹光 劉文國 代囟 晁穩(wěn) 彭春林 張龍飛

0 引言

自上世紀(jì)80年代新南威爾士大學(xué)Martin Green研究組提出鈍化發(fā)射極及背面接觸(PERC)太陽電池結(jié)構(gòu)以來，PERC太陽電池因其高效率且逐漸成熟的產(chǎn)業(yè)化條件，受到越來越多研究人員及電池生產(chǎn)商的關(guān)注[1-2]。與常規(guī)鋁背場太陽電池的正面鈍化不同，PERC太陽電池的背鈍化不能以氮化硅膜直接作為背面鈍化材料[3]。由于氮化硅膜內(nèi)含有的固定正電荷密度較高，導(dǎo)致其下方的p型硅片的電性能出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)層，這一反轉(zhuǎn)層與基底中金屬接觸區(qū)的耦合產(chǎn)生了寄生電容效應(yīng)，導(dǎo)致短路電流及填充因子出現(xiàn)一定程度的降低。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)電荷密度較高的氧化鋁膜能消除因氮化硅膜存在而產(chǎn)生的寄生電容效應(yīng)[4]，并產(chǎn)生優(yōu)于氮氧化硅膜、氧化硅膜、碳化硅膜、非晶硅膜、氮化硅膜的鈍化效果。然而，氧化鋁膜不能與鋁背場直接接觸，因?yàn)榻饘黉X經(jīng)燒結(jié)后會(huì)對(duì)氧化鋁膜產(chǎn)生破壞。因此，目前業(yè)界普遍采用氧化鋁膜與氮化硅膜的疊層結(jié)構(gòu)作為PERC太陽電池的背鈍化材料。這種背鈍化膜結(jié)構(gòu)不僅可作為背反射器，增加硅基體對(duì)長波的吸收，還可有效減少電池片的翹曲。但更重要的是，此種結(jié)構(gòu)可通過化學(xué)鈍化方式飽和硅片表面的懸掛鍵抑制雜質(zhì)的引入，從而形成復(fù)合中心，而且背場的鈍化降低了載流子的表面復(fù)合速率，進(jìn)一步提高了電池片的少子壽命。此外，背鈍化材料還可通過降低表面態(tài)密度，提高表面光生載流子的收集率[5-7]來提高少子壽命。

本文研究了氧化鋁膜與氮化硅膜厚度，以及氮化硅膜折射率對(duì)PERC單晶硅太陽電池電性能的影響。通過分析不同的電性能參數(shù)，并結(jié)合量子效率QE、少子壽命，對(duì)PERC單晶硅太陽電池的電性能狀況進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中所使用的單晶硅片是目前各廠家量產(chǎn)的主流硅片，其規(guī)格為：p型單晶硅片，尺寸為156.75 mm×156.75 mm，電阻率為1～1.5 Ω·cm，厚度為180 μm。此單晶硅片采用PERC太陽電池工藝流程制備，即制絨、擴(kuò)散、堿拋光、熱氧化、背面鍍氧化鋁膜及氮化硅膜、正面鍍氮化硅膜、激光刻槽、印刷燒結(jié)，然后對(duì)制備的PERC單晶硅太陽電池進(jìn)行電性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿拋光

不同于傳統(tǒng)PERC單晶硅太陽電池生產(chǎn)中的酸拋光工藝，本實(shí)驗(yàn)中的單晶硅片采用的刻蝕清洗方式是堿拋光。單晶硅片經(jīng)制絨處理后，其雙面均存在金字塔絨面結(jié)構(gòu)，經(jīng)堿拋光處理后，背面金字塔塔脊首先被腐蝕[7]；隨著硅片背面金字塔絨面拋光程度的逐漸增大，硅片表面逐漸變得平整，形成較為明顯的鏡面結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。對(duì)比圖1a和圖1b可知，經(jīng)酸拋光處理后的單晶硅片，其背面的粗糙度比堿拋光的大。因此，酸拋光處理后單晶硅片背面的反射率比堿拋光處理后的低，如圖1c所示。此外，經(jīng)堿拋光處理后，硅片背面近似鏡面的絨面結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步增加背鈍化膜的膜厚均勻性及致密性，提高了硅片對(duì)長波的吸收。

堿拋光處理后，硅片背面近似鏡面的絨面結(jié)構(gòu)使其表面的比表面積較小，從而使背面復(fù)合率降低，少子壽命也得到提升。此外，硅片背面近似鏡面的絨面結(jié)構(gòu)也使印刷后的鋁漿能與硅片背面緊密接觸，共燒時(shí)更加均勻，從而形成的合金層也更為均勻。因此，背面采用堿拋光處理后，制備出的PERC單晶硅太陽電池的Voc和Isc都有一定幅度的提升。

圖1 單晶硅片背面經(jīng)堿、酸拋光處理后的絨面及堿、酸拋光處理后硅片背面反射率與波長的關(guān)系

2.2 不同膜厚的氧化鋁膜及氮化硅膜對(duì)電池電性能的影響

本次實(shí)驗(yàn)中，PERC單晶硅太陽電池背面氧化鋁膜的膜厚分別為23 nm和28 nm，氮化硅膜的膜厚分別為115 nm和125 nm，不同膜厚時(shí)電池所對(duì)應(yīng)的電性能如表1所示。

表1 PERC單晶硅太陽電池背面氧化鋁膜與氮化硅膜不同膜厚時(shí)的電性能情況

由表1可知，氮化硅膜膜厚為125 nm、氧化鋁膜膜厚由28 nm降至23 nm時(shí)，電池所對(duì)應(yīng)的Eff提升了0.172%，這主要是由于Voc與Isc分別提升了3 mV和35 mA。從表1中還可以看出，氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時(shí)，Voc與Isc均較高，電池的電性能優(yōu)勢(shì)較為明顯。當(dāng)?shù)枘ぽ^厚時(shí)，鋁背場與硅片形成的歐姆接觸效果更好，使得Rs偏小、Rsh偏大，因此，F(xiàn)F較大。當(dāng)氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚由125 nm降至115 nm時(shí)，電池的Eff減小了0.019%，這主要是由于Voc、Isc及FF分別降低了2 mV、6 mA及0.04%。綜上所述，當(dāng)氧化鋁膜較薄、氮化硅膜較厚時(shí)，PERC單晶太陽電池的電性能較好，這主要是來自Voc與Isc的貢獻(xiàn)。

在PERC單晶硅太陽電池中，由于背鈍化膜的存在，提高了電池對(duì)入射光長波的吸收，因此，背鈍化膜的鈍化效果可通過電池對(duì)長波的光譜響應(yīng)來反映。此外，少數(shù)載流子的少子壽命也可以用來衡量太陽電池背面的鈍化效果。因此，可通過提高長波的光譜響應(yīng)和提高少子壽命來改善背鈍化膜的鈍化效果，從而進(jìn)一步提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率[8]。圖2為PERC單晶硅太陽電池背面氧化鋁膜與氮化硅膜不同膜厚時(shí)的少子壽命及不同膜厚時(shí)波長與量子效率的情況。其中，圖2a為氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時(shí)的少子壽命，圖2b為氧化鋁膜膜厚為28 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時(shí)的少子壽命。

圖2 PERC單晶太陽電池背面氧化鋁膜與氮化硅膜不同膜厚時(shí)的少子壽命及不同膜厚時(shí)波長與量子效率的關(guān)系

由圖2可知，當(dāng)?shù)枘ず褚欢〞r(shí)，相對(duì)于膜厚為28 nm的氧化鋁膜，氧化鋁膜厚為23 nm時(shí)的PERC單晶硅太陽電池的少子壽命較高，該類電池片在長波段(700～1100 nm)也有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)樵赑ERC單晶硅太陽電池中，氮化硅膜并不是直接鍍?cè)诠杵砻?，為避免寄生電容效?yīng)，會(huì)有一層氧化鋁膜。但由于氧化鋁膜的存在，背面氮化硅膜中的氫所起的鈍化作用就會(huì)受到阻礙。所以，氧化鋁膜越薄，少子壽命越高，燒結(jié)過程中鈍化效果就會(huì)越好。此外，當(dāng)氧化鋁膜厚度一定時(shí)，背面氮化硅膜越厚，由于背面非穿透性銀漿的存在，在燒結(jié)時(shí)主柵處的背鈍化質(zhì)量會(huì)有所提高。因此，氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時(shí)的量子效率較氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為115 nm時(shí)的高。

結(jié)合表1和圖2可知，在背面氧化鋁膜較薄、氮化硅膜較厚時(shí)，PERC單晶硅太陽電池的電性能表現(xiàn)較為優(yōu)異。

2.3 背面氮化硅膜折射率對(duì)電池電性能的影響

除了氧化鋁膜與氮化硅膜的厚度會(huì)對(duì)電池電性能產(chǎn)生一定影響外，氮化硅膜的折射率也會(huì)對(duì)電池的電性能產(chǎn)生一定影響。

氮化硅膜在制備時(shí)，SiH4與NH3會(huì)有不同的流量比，相應(yīng)的對(duì)應(yīng)不同的折射率。本實(shí)驗(yàn)中選取的SiH4與NH3的流量比，分別為1∶2.44和1∶2.63，其對(duì)應(yīng)的折射率分別為2.10和2.08。兩種不同折射率的PERC單晶硅太陽電池的電性能如表2所示。

表2 背面氮化硅膜折射率不同時(shí)的PERC單晶硅太陽電池的電性能

由表2可知，低折射率時(shí)對(duì)應(yīng)的Voc與Isc均高于高折射率時(shí)，分別提高了1 mV和23 mA，Eff提高了0.032%，電性能表現(xiàn)較為優(yōu)異。這是因?yàn)檎凵渎瘦^低時(shí)，氮化硅膜中硅的含量較少，在鋁漿金屬化過程中，其與背鈍化層的反應(yīng)較弱，所以因鋁漿的侵蝕而帶來的背鈍化膜的破壞較少[8]，背面復(fù)合速率降低。因此，低折射率時(shí)的背面氮化硅膜對(duì)應(yīng)的PERC單晶硅太陽電池的Voc與Isc比高折射率時(shí)的高。此外，低折射率時(shí)的背面氮化硅膜中硅氮鍵密度較高，氫向硅層的擴(kuò)散越高，體鈍化也相應(yīng)得到提高，進(jìn)一步增加了背面鈍化效果，電性能較好。然而，低折射率時(shí)，Rs較高，所以FF偏低。

圖3為不同折射率時(shí)背面氮化硅膜對(duì)應(yīng)的PERC單晶硅太陽電池少子壽命及QE情況。圖3a為折射率為2.10時(shí)的少子壽命情況，圖3b為折射率為2.08時(shí)的少子壽命情況。

由圖3可知，在折射率為2.08時(shí)，少子壽命為8.7359 μs；而折射率為2.10時(shí)，少子壽命僅為7.8597 μs。QE曲線也同樣顯示出PERC單晶硅太陽電池在低折射率時(shí)的長波光譜響應(yīng)更具優(yōu)勢(shì)。

圖3 不同折射率時(shí)背面氮化硅膜對(duì)應(yīng)的PERC單晶硅太陽電池少子壽命及QE情況

3 結(jié)論

PERC單晶硅太陽電池作為近期高效太陽電池的研究熱點(diǎn)，其背面氧化鋁膜與氮化硅膜的鈍化特性成為決定其電性能高低的關(guān)鍵影響因素。本文對(duì)氧化鋁膜及氮化硅膜在不同膜厚及不同折射率時(shí)的電性能進(jìn)行了測(cè)試，并結(jié)合量子效率曲線，解釋了背面鈍化膜的鈍化特性對(duì)PERC單晶硅太陽電池電性能的影響。研究結(jié)果表明，背面氧化鋁膜較薄時(shí)，燒結(jié)時(shí)顯現(xiàn)出的鈍化效果較好。而在背面氮化硅膜較厚時(shí)，由于背面非穿透性銀漿的存在，在燒結(jié)時(shí)主柵處的背鈍化效果較好。以上得出的背鈍化膜的不同鈍化效果的結(jié)論，通過對(duì)應(yīng)的量子效率在長波波段的響應(yīng)給予了解釋。