背膜工藝占功比對(duì)PERC太陽(yáng)電池效率影響的研究

浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司 ■ 陳剛 康忠平 江堅(jiān) 張劍峰

0 引言

隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，光伏發(fā)電以其清潔無(wú)污染、取之不盡用之不竭等特點(diǎn)成為國(guó)際公認(rèn)的理想替代能源[1-2]。如今，國(guó)際形勢(shì)日趨復(fù)雜，國(guó)內(nèi)政策逐漸收緊，光伏行業(yè)內(nèi)不斷洗牌重組，光伏企業(yè)的利潤(rùn)已不再是依靠盲目地追求擴(kuò)產(chǎn)而獲得，而是以不斷降低電池的生產(chǎn)成本，大力發(fā)展高效電池來(lái)提升企業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)力，在光伏行業(yè)內(nèi)取得先機(jī)。

工業(yè)化生產(chǎn)PERC 太陽(yáng)電池已經(jīng)是光伏行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。相較于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的太陽(yáng)電池，PERC 太陽(yáng)電池的效率提升明顯，這主要是因?yàn)槠涔に囀窃陔姵乇趁嫔L(zhǎng)一層A12O3薄膜作為鈍化層，然后在A12O3薄膜表面覆蓋一層SiNx薄膜，通過(guò)激光開槽的方式使金屬電極與硅形成歐姆接觸導(dǎo)出電流。從生產(chǎn)工藝來(lái)看，PERC 太陽(yáng)電池新增加的原子層沉積或化學(xué)氣相沉積A12O3、背面鍍膜、激光開槽這3 個(gè)工序?qū)﹄姵匦十a(chǎn)生了較大影響。

本公司引入了新廠家的A 型416 管式PECVD機(jī)臺(tái)，已完成安裝并交由工藝工程師調(diào)試。但在正常生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池的光電轉(zhuǎn)換效率較原本B 型308 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的低0.07%左右，嚴(yán)重影響了電池的性能。雖然A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)每爐生產(chǎn)電池的數(shù)量較B 型308 管式PECVD 機(jī)臺(tái)增加了108 片，但爐內(nèi)鍍膜的均勻性變差。生產(chǎn)的電池效率低是設(shè)備投產(chǎn)過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題，因此，本文以A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池效率偏低為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了其與B 型308 管式PECVD 機(jī)臺(tái)的差異，調(diào)整了背膜工藝，從而提高了電池效率，改善了電池性能。

1 影響效率的因素分析

PERC 太陽(yáng)電池是通過(guò)激光開槽的方式使金屬電極與硅形成歐姆接觸導(dǎo)出電流。其背面第一層為A12O3薄膜，厚度約為2～30 nm；第二層為SiNx薄膜，厚度約為100～150 nm，起到保護(hù)A12O3薄膜的作用。SiNx薄膜具有高反射率的特點(diǎn)，可以有效反射透射光；且SiNx薄膜中富含H 離子，能夠有效鈍化背面多晶硅中的懸掛鍵[3]，這樣可有效減少背面的載流子復(fù)合，從而提高少子壽命，對(duì)Voc和Jsc的提升明顯。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，A 型 416 管式 PECVD 機(jī)臺(tái)與B 型308 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池的效率存在明顯差異。A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池外觀均勻性差，主要是在爐口區(qū)域的電池的外觀均勻性較差，電池的中間偏薄。對(duì)A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)爐口區(qū)域外觀均勻性較差的電池進(jìn)行效率驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其效率較正常電池低0.35%，且其正面的EL 圖像有輕微發(fā)暗，如圖1所示。由此可以推斷，問(wèn)題在于A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)爐口區(qū)域的電池外觀均勻性較差。

表1 2 種類型的管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的太陽(yáng)電池的電性能

圖1 A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)爐口區(qū)域的電池EL 圖像

A 型 416 管式 PECVD 機(jī)臺(tái)使用的是 416 石墨舟載片，相較于B 型308 管式PECVD 使用的308 石墨舟載片，其增加了長(zhǎng)度和寬度，因此增加了工藝功率使鍍膜平均功率相同，平均沉積速率相同，但等離子體整體輝光放電均勻性變差，爐尾與電極接觸后，爐口區(qū)域輝光放電不穩(wěn)定，局部沉積速率較低，導(dǎo)致電池鍍膜不均勻，而膜厚偏薄的區(qū)域不能有效反射透射光，背面鈍化效果降低，導(dǎo)致Voc和Jsc偏低，降低了PERC 太陽(yáng)電池的效率。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果討論

為了提高A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池效率，提出了2 種實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)采用高佳太陽(yáng)能公司的156.75 mm×156.75 mm 多晶硅片作為襯底，電阻率為 1～3 Ω·cm，厚度為 200±20 μm。

電池制備工藝依次為：去除RENA 機(jī)械損傷層和酸制絨、POCl3磷源管式擴(kuò)散形成p-n結(jié)、干法刻蝕、背面ALD 沉積A12O3鈍化膜、正面管式PECVD 沉積SiNx鈍化膜、背面管式PECVD 沉積SiNx鈍化膜、激光開槽，以及絲網(wǎng)印刷燒結(jié)。

制造工藝主要的反應(yīng)方程式為：

原B 型308 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的太陽(yáng)電池的膜厚均勻性為2.56%，效率為19.68%。

2.1 方案1

在A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)原工藝壓力的基礎(chǔ)上提升壓力和降低壓力。

一方面，壓力提升后，反應(yīng)氣體濃度增加，生長(zhǎng)薄膜的沉積速率較快，電池自身的均勻性較差，容易有干涉條紋產(chǎn)生；另一方面，壓力降低后，生長(zhǎng)薄膜的沉積速率較慢[4]，需要增加淀積時(shí)間，以保持膜厚相對(duì)穩(wěn)定。方案1 制備的電池的膜厚均勻性和電池效率如圖2所示。

圖2 方案1 制備的電池的膜厚均勻性和電池效率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓力在200～260 Pa 的范圍內(nèi)時(shí)，生產(chǎn)的太陽(yáng)電池背膜外觀均勻性無(wú)明顯改善，且效率未提升。

2.2 方案2

在A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)原工藝基礎(chǔ)上提升占功比和降低占功比。

一方面，提升占功比后，電池平均功率增加，SiNx薄膜沉積速率會(huì)增加，淀積時(shí)間需要相應(yīng)減少，以保持膜厚相對(duì)穩(wěn)定；另一方面，降低占功比后，等離子輝光放電的均勻性會(huì)改善，SiNx薄膜沉積速率會(huì)降低，使反應(yīng)易于控制，制備的薄膜均勻，同時(shí)需要增加沉積時(shí)間，以保持膜厚相對(duì)穩(wěn)定。方案2 制備的電池的膜厚均勻性和電池效率如圖3所示。

從圖3可以看出，占功比越小，膜厚均勻性越好，效率越高；當(dāng)占功比降低到4/55 后，背膜外觀均勻性有明顯改善，效率恢復(fù)正常水平；但再繼續(xù)降低占功比得到的外觀均勻性和效率的變化不大。

圖3 方案2 制備的電池的膜厚均勻性和電池效率

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，占功比降低后需要增加沉積時(shí)間，以保持膜厚相對(duì)穩(wěn)定，從而導(dǎo)致硅烷和氨氣的消耗量增加，使成本上升；在占功比降低的前提下，通過(guò)增加瞬時(shí)的射頻電源功率使平均功率不變，縮短了沉積時(shí)間。調(diào)整占功比后2種類型管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池的電性能如表2所示。

驗(yàn)證結(jié)果表明，在原有工藝基礎(chǔ)上提升瞬時(shí)功率對(duì)等離子體輝光放電的均勻性無(wú)明顯影響，背膜外觀均勻性和效率正常，同時(shí)提升淀積速率，減少淀積時(shí)間，減少硅烷、氨氣消耗，節(jié)省成本。

表2 調(diào)整占功比后2 種類型管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池的電性能

3 結(jié)論

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，造成A 型416 管式PECVD 機(jī)臺(tái)較B 型308 管式PECVD 機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的電池效率明顯偏低的原因是其背膜工藝與416 石墨舟型號(hào)工藝不匹配，因此其爐口區(qū)域生產(chǎn)出的電池外觀均勻性較差，電池中間膜厚較薄，不能有效反射透射光，背面鈍化效果降低，且Voc和Jsc偏低，導(dǎo)致電池效率偏低。在工藝的探索中，通過(guò)降低背膜工藝占功比使等離子輝光放電穩(wěn)定均勻，改善了電池外觀的均勻性并提升了效率，但同時(shí)又造成了沉積時(shí)間增加、成本增加的問(wèn)題；后續(xù)通過(guò)增加射頻電源功率可有效降低淀積時(shí)間，使硅烷、氨氣耗量恢復(fù)正常，并保持電池外觀的均勻性和效率正常。