單晶PERC電池串聯(lián)電阻Rs研究

郭衛(wèi) 賈宇龍 趙麗敏

【摘 要】 晶體硅太陽電池Rs（串聯(lián)電阻）是電池生產(chǎn)中一個重要參數(shù)，在實際生產(chǎn)線中，正銀印刷圖形、硅片本身性能等對Rs有不同影響，而PERC（鈍化發(fā)射極和背接觸）單晶電池片背面是激光開孔后的局部鋁背場燒結(jié)結(jié)構(gòu)，相比普通單晶電池片背面全燒結(jié)結(jié)構(gòu)，背面結(jié)構(gòu)設(shè)計對Rs也有重要影響。因此，對PERC單晶電池串聯(lián)電阻Rs進行研究，找到合適的控制參數(shù)等，可以有效地提高PERC單晶電池轉(zhuǎn)換效率。PERC單晶生產(chǎn)線平均效率能夠達到21.6%。

【關(guān)鍵詞】 PERC單晶;串聯(lián)電阻Rs;背激光

【中圖分類號】 TM914 【文獻標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）05-0099-04

太陽能是一種綠色無污染的可再生清潔能源，太陽能電池可以將太陽光能量轉(zhuǎn)換為電能，有效利用太陽光輻照能量。單晶硅電池由于較高的轉(zhuǎn)化效率和顏色較均一的外觀，在分布式發(fā)電和集中式太陽能電站市場均占有一定的市場份額。PERC電池背面鈍化工藝可以在普通單晶電池基礎(chǔ)上有1.1%左右的效率提升，是目前研究的熱點，PERC技術(shù)在目前的生產(chǎn)線基礎(chǔ)上增加2-3道工藝就可以達到提升效率的目的。串聯(lián)電阻Rs是影響電池轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)，通過對影響Rs的因素進行分析研究，適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)線工藝，可以降低電池片Rs，達到提高PERC單晶電池轉(zhuǎn)換效率的目的，使產(chǎn)線生產(chǎn)平均效率能夠達到21.6%。

1實驗材料及生產(chǎn)工藝

實驗全部采用目前市場主流的金剛線切割M2規(guī)格的P型單晶硅片，硅片尺寸為156.75×156.75 ±0.25mm，厚度為180±20μm，電阻率為1-3 Ω·cm。生產(chǎn)工藝采用公司生產(chǎn)線上成熟的生產(chǎn)流程。工藝流程為：堿制絨——P擴散——背面酸拋光——背鈍化PERC工藝——正面PECVD——背面激光開孔——絲網(wǎng)印刷——檢測分選。

PERC單晶電池背面覆蓋鈍化層和Si3N4層，經(jīng)過背面激光開孔，在開孔處將鈍化層和Si3N4使用激光消融處理后露出硅背面本體，在印刷燒結(jié)時，背面鋁漿通過這些激光開孔處與硅片背面接觸，經(jīng)過燒結(jié)形成局部鋁背場結(jié)構(gòu)。鈍化層采用N2O、SiH4、NH3制備SiON，管式PECVD（等離子體增強化學(xué)氣相沉積）設(shè)備可以在同一個工藝過程中完成SiON和Si3N4的制備。在生產(chǎn)中，正面電極圖形、背面開槽圖形、硅片本身品質(zhì)等對電池串聯(lián)電阻Rs有不同影響，通常我們希望電池片的Rs越低越好，但是電池片參數(shù)通常相互影響，在實驗中需要綜合考慮各類因素影響，以最終提高電池片效率為目的。

2不同工藝對串聯(lián)電阻的影響

2.1電池正面印刷圖形影響

電池片正面的細柵線是收集電流，將電流導(dǎo)出，細柵線數(shù)量直接影響電池片導(dǎo)電能力。實驗過程中，選取印刷工藝之前的相同前道工藝相同批次的半成品硅片，印刷工藝選擇相同軌道生產(chǎn)，確保全部實驗片處于相同的實驗條件。在實驗硅片分組時，使用專用晶片夾夾取硅片，避免人工接觸硅片造成的影響。

實驗結(jié)果如上表所示：隨著正電極細柵線數(shù)量的增多，電池片Uoc（開路電壓）無明顯變化，Rs逐漸降低，F(xiàn)F（填充因子）逐漸增大，說明細柵線數(shù)目的增多增強了電池片收集電流的能力，細柵線數(shù)目增加表明自由電子到柵線的傳輸距離減少，減小了電流傳送的電阻。但同時細柵線數(shù)量的增多導(dǎo)致Isc（短路電流）也逐漸降低，主要原因就是細柵線的增多會導(dǎo)致電池片正面電極遮光面積增大，電池片吸收陽光面積減少，導(dǎo)致Isc降低，在正電極115線條件下，Isc的降低已經(jīng)導(dǎo)致NCell（電池片效率）沒有明顯提升。

細柵線數(shù)目的增加會使電池串聯(lián)電阻Rs線性下降，但是電池效率并沒有線性變化，而是在106線條件下達到最高，可見在電池片正電極細柵線數(shù)量的選擇上，并不是數(shù)目越多，電池效率越高，還要考慮細柵線遮擋對電池短路電流Isc的影響，既要有足夠的細柵線數(shù)量保證良好的收集電流能力，降低串聯(lián)電阻Rs，同時細柵線數(shù)量還不能過多，對電池正面遮擋造成Isc的下降，最終選擇合適的細柵線數(shù)量，達到電池效率的最佳效果。

2.2背面激光開孔圖形對Rs的影響

PERC電池背面由鈍化層和Si3N4層覆蓋，這兩層薄膜是非導(dǎo)電介質(zhì)膜，因此，背面鋁漿直接印刷在背面時，鋁漿不能與硅片接觸，經(jīng)過燒結(jié)后不能形成背面電極，需要通過激光開孔工藝將硅片背面部分鈍化層和保護層去除，印刷時，背面鋁漿與硅片接觸，燒結(jié)后形成電極，所以背面激光的圖形對電池片性能有重要影響。背面激光開孔圖形實驗條件同細柵線實驗條件一致，激光開孔的不同圖形均在同一個激光器完成，其余工藝保證相同的條件。

實驗結(jié)果表明：背激光線之間的線距由1.3mm減小到0.9mm，單線圖形改為雙線圖形后，電池片Rs逐漸降低，F(xiàn)F逐漸升高，Uoc逐漸降低。綜合影響下，降低Rs對提高效率的作用非常明顯，1.0mm雙線結(jié)構(gòu)條件下，能夠達到20.06%的最佳轉(zhuǎn)換效率。

單線背面激光圖形是由單個圓形光斑相切而組成，光斑直徑由激光器性能決定，生產(chǎn)實際中，通常改變相鄰激光線之間的距離來改變背面激光開孔的面積。圖3中參數(shù)D就是激光線距。雙線結(jié)構(gòu)是在單線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在單個激光線旁邊再增加一條激光線，為了保證印刷工藝時鋁漿能夠更好地填充激光開槽位置，雙線結(jié)構(gòu)下，圖4中圓心距d1長度小于一個激光光斑直徑，這樣可以保證左右激光線有一定的相交重合，盡可能地減少激光光斑之間的未開槽區(qū)域，圓心距的d2長度等于激光光斑的半徑。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)下，可以保證開孔區(qū)域接觸更多的鋁漿，形成更好的燒結(jié)效果。

背激光單線結(jié)構(gòu)變雙線結(jié)構(gòu)，激光開孔線距減少，均是為了提高開孔面積，背激光由1.3mm單線結(jié)構(gòu)變?yōu)?.9mm雙線結(jié)構(gòu)的過程中，電池片Rs是始終下降的，是因為隨著開孔面積的增大，電池片背面有更多的鋁漿與硅片接觸，燒結(jié)后背電極的面積增加了，電流收集能力增強，電流傳輸距離減少，使Rs降低。在1.3mm雙線結(jié)構(gòu)到1.0mm雙線結(jié)構(gòu)變化過程中，激光開孔面積增加，Uoc并沒有明顯變化，說明背面鈍化的損失不大，而在1.0mm雙線結(jié)構(gòu)變?yōu)?.9mm雙線結(jié)構(gòu)的過程中，開路電壓Uoc降低了0.0019V，電池效率降低了0.05%，說明0.9mm雙線結(jié)構(gòu)條件下，電池片背面鈍化層去除過多，鈍化效果變差，因此，背面激光開孔工藝也需要綜合考慮開孔面積與鈍化能力的影響，在保證鈍化能力的前提下，提高開孔面積，增加漿料與硅片接觸燒結(jié)，降低Rs提高電池效率。

2.3硅片本身品質(zhì)的影響

通常單晶硅棒在拉制時，在原生硅料的基礎(chǔ)上會摻入一定量的回收料，混合熔化后拉制成單晶硅棒，這樣可以回收大量的硅料，節(jié)約成本，但是回收料通常是鑄錠邊皮料、拉晶頭尾料及碎硅片等來源，這些回收料中通常各類雜質(zhì)較多，甚至含有部分有害雜質(zhì)，在拉晶時熔解在硅棒內(nèi)部，通常回收料比例越高，硅片雜質(zhì)含量越多，硅片的品質(zhì)越差，而原生料是高純多晶硅料，雜質(zhì)含量少，對應(yīng)的硅片品質(zhì)也越好。

在進行硅片品質(zhì)影響實驗時，選取了在拉晶工藝中不同摻雜比例的硅棒，在后續(xù)的硅片切割時，使用相同的機臺進行切割。在電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)，全部采用同機臺爐管，同設(shè)備槽體，同軌道進行生產(chǎn)，保證兩組硅片處于相同的實驗條件。實驗結(jié)果如表3所示。

實驗表明：摻入一定量的回收料時（原生料占70%比例），電池片Rs達到0.0045Ω，而全原生料硅片電池的Rs只有0.0038Ω，說明回收料的加入，增加了硅片內(nèi)部的雜質(zhì)含量，過多的內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷的存在，增加了電池片內(nèi)部的電阻，導(dǎo)致電池片電流傳導(dǎo)能力變差，串聯(lián)電阻Rs增高，造成填充因子FF的降低，故轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)較大的下降趨勢。而全原生料條件下，雜質(zhì)與缺陷少，Rs較低，轉(zhuǎn)換效率可以達到20.21%，比混合料硅片電池效率提升了0.55%。

全原生料硅片可以很好地降低電池片Rs，從而提高電池片轉(zhuǎn)換效率，但同時帶來的是硅片成本的增加，因此在實際生產(chǎn)中，需要綜合計算硅片成本與效率提升之間的差異，找到合適的回收料摻入含量，在保持電池效率影響較小的前提下，降低硅片制造成本。

3結(jié)語

選擇合理的正面印刷圖形和背激光開孔圖形，可以達到降低串聯(lián)電阻Rs，同時對其他電學(xué)參數(shù)又無較大影響，提高電池轉(zhuǎn)換效率的效果。單晶拉棒過程中，原生硅料的純度越高，雜質(zhì)和晶體缺陷越少，對少子壽命的影響越小，可以獲得較低的Rs值，提高PERC單晶電池的轉(zhuǎn)換效率，保證電池良好的電學(xué)性能。

PERC技術(shù)目前已是一項成熟的技術(shù)，但PERC電池的量產(chǎn)歷史并不長，尋求合理、合適的工藝改進技術(shù)來提高轉(zhuǎn)換效率仍有很大的潛力發(fā)展空間，我們將繼續(xù)為此進行深入的研究和分析。

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