利用正交實(shí)驗(yàn)法探究摻硼p型單晶硅PERC電池的電致復(fù)原最優(yōu)條件

梁潤(rùn)雄，艾斌,，金井升，葉家興，張衛(wèi)民，龐毅聰，何溢懿，沈輝

(1.中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州510275；2.廣東省光伏技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州510006；3. 浙江晶科能源有限公司，浙江 海寧314416；4. 中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司, 廣東 廣州 510300)

摻硼p型晶體硅太陽(yáng)電池憑借其低成本、高效率、長(zhǎng)壽命以及成熟的工藝技術(shù)等競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，牢牢占據(jù)著光伏市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。根據(jù)2017年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]，基于摻硼p型晶體硅片的常規(guī)鋁背場(chǎng)(Al-BSF)電池占據(jù)著2017年市場(chǎng)份額的83%左右，而基于摻硼p型晶體硅片的高效PERC(passivated emitter and rear cell)電池占據(jù)著15%左右的市場(chǎng)份額，2018年預(yù)計(jì)將達(dá)到40%甚至更多。2017年產(chǎn)業(yè)化單晶Al-BSF電池和多晶Al-BSF電池的平均效率分別為20.3%和18.7%，而產(chǎn)業(yè)化單晶PERC電池和多晶PERC電池的平均效率分別為21.3%和20%。然而，基于摻硼p型晶體硅片的太陽(yáng)電池存在光衰的問(wèn)題。因摻硼p型直拉單晶硅片(Cz-Si)具有比鑄錠多晶硅(cast-Si)片更高的含氧量，由摻硼p型Cz-Si片制備的單晶硅電池因光衰(LID)造成的效率損失通常比p 型cast-Si片制備的多晶硅電池更嚴(yán)重，因光衰造成的效率損失可達(dá)2%(絕對(duì)值)[2-4]。由于PERC電池比較好地解決了電池表面鈍化的問(wèn)題，因光衰引起硅片體壽命的減小造成的效率損失將比常規(guī)Al-BSF電池更嚴(yán)重[5-6]。因此，PERC電池的光衰及其抑制的研究是全球光伏科技工作者高度關(guān)注的熱點(diǎn)。

通常人們會(huì)把基于直拉單晶硅片(Cz-Si)上的晶體硅太陽(yáng)電池的LID歸因于光照在Cz-Si片中產(chǎn)生了有復(fù)合活性的硼-氧缺陷(boron-oxygen defect)。但實(shí)際上，目前人們關(guān)于硼-氧缺陷的組成結(jié)構(gòu)等尚無(wú)定論[7]。在硼-氧缺陷致光衰(BO-LID)抑制研究方面，Herguth等[8-9]于2006年取得重大發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)摻硼Cz-Si片同時(shí)給予加熱和載流子注入時(shí)，B-O缺陷引起的少子壽命的衰減會(huì)發(fā)生“復(fù)原”(regeneration)反應(yīng)，即B-O缺陷會(huì)由具有復(fù)合活性的“衰減態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)閱适?fù)合活性的“復(fù)原態(tài)”，B-O缺陷造成的少子壽命的衰減基本能完全恢復(fù)，更重要的是B-O缺陷的“復(fù)原態(tài)”在太陽(yáng)電池工作條件下是穩(wěn)定的。在過(guò)去的幾年中，盡管人們已經(jīng)對(duì)BO-LID復(fù)原反應(yīng)與樣品制備條件、材料特性和復(fù)原參數(shù)(如溫度、光強(qiáng)和氫含量)的關(guān)系做了很多研究，并基本弄清了它們之間的關(guān)系和反應(yīng)的機(jī)理。但是，到目前為止，BO-LID復(fù)原技術(shù)仍主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，其原因在于：第一，與產(chǎn)業(yè)化密切相關(guān)的問(wèn)題仍沒(méi)有得到很好地解決[10-11]。例如：BO-LID復(fù)原反應(yīng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及復(fù)原過(guò)程的處理時(shí)間能否滿足生產(chǎn)流水線的要求等。第二，為了避免不可控因素的干擾，已發(fā)表的絕大部分有關(guān)BO-LID復(fù)原反應(yīng)的研究結(jié)果是在壽命樣品上獲得的，這些研究結(jié)果在多大程度上對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的太陽(yáng)電池有效仍是一個(gè)未知數(shù)[12]。第三，復(fù)原處理方法和復(fù)原處理工藝仍有待改進(jìn)，譬如文獻(xiàn)中所報(bào)道的復(fù)原過(guò)程絕大多數(shù)都采用“光照+加熱”這種處理方法，然而該方法存在能耗高(電轉(zhuǎn)變?yōu)楣猓庠俎D(zhuǎn)變?yōu)殡?、所需空間大(需要較長(zhǎng)的燈室以便對(duì)電池連續(xù)化處理時(shí)對(duì)單片電池的復(fù)原處理時(shí)間足夠長(zhǎng))、會(huì)對(duì)電池造成光損傷(特別是在高水平注入時(shí))等缺點(diǎn)[13]。作為比較，“電注入+加熱”復(fù)原處理方法直接將載流子注入電池，完全避免了電-光和光-電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、能耗低、注入電流大且不存在光損傷、可疊片批量化處理等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)電注入復(fù)原處理方法進(jìn)行深入研究十分必要。而且，人們對(duì)最新出現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)化PERC電池的復(fù)原處理研究也是不足的。雖然德國(guó)Konstanz大學(xué)的Herguth小組和德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所的Rein小組率先在2015年報(bào)道了他們?cè)赑ERC電池光衰及復(fù)原方面的研究成果[14-15]。但是，他們研究的都是實(shí)驗(yàn)室制備的不成熟的PERC電池，其光衰及復(fù)原情況不能代表真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的成熟的PERC電池。具體地說(shuō)，Herguth小組研究的PERC電池背面使用的是SiOx/SiNx:H疊層鈍化[14]，而Rein小組研究的PERC電池通過(guò)不成熟的LFC(laser-fired contacts)技術(shù)燒蝕絲網(wǎng)印刷在硅片背面的鋁層穿透AlOx/SiOx/SiNx鈍化層與硅片形成局部的電接觸[15]。

因目前人們對(duì)已產(chǎn)業(yè)化的PERC電池的光衰及其抑制的研究并不充分，本文擬采用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)量產(chǎn)的PERC電池的電注入復(fù)原處理工藝條件進(jìn)行最優(yōu)化研究。影響復(fù)原處理效果的因素有處理時(shí)間、溫度和電流強(qiáng)度，此外各因素之間的相互作用也會(huì)對(duì)復(fù)原處理效果產(chǎn)生影響，若做全面實(shí)驗(yàn)則實(shí)驗(yàn)量過(guò)大。正交實(shí)驗(yàn)方法在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果信度的前提下可大幅度減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，并能給出最佳的實(shí)驗(yàn)條件組合。此外，正交實(shí)驗(yàn)法還可對(duì)最佳條件組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出預(yù)測(cè)，并對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性作出評(píng)估。本文利用正交實(shí)驗(yàn)方法獲得了產(chǎn)業(yè)化PERC電池電注入復(fù)原處理的最佳工藝條件，可使PERC電池因光衰造成的效率損失降至最低。因此，本文的研究結(jié)果對(duì)于高效穩(wěn)定PERC電池的生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)過(guò)程(不含抗光衰處理步驟)將同一批次的電阻率為1 Ω·cm左右、尺寸為156 mm×156 mm的倒角方形摻硼Cz-Si片制成PERC電池。所制備的PERC電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(AM1.5光譜，1000 W/m2光強(qiáng)，25 ℃)下測(cè)得的初始效率在20.5%～20.9%之間。在電致復(fù)原處理之前，先利用新加坡偉信公司生產(chǎn)的VS-6821M 型太陽(yáng)電池I-V特性測(cè)試儀在45 ℃、1 Sun光照(AM1.5光譜，1 000 W/m2光強(qiáng))條件下測(cè)試PERC電池的I-V特性，以確定其初始效率Eff (t= -1)。然后，根據(jù)所選取的正交表給定的各因素水平組合(即實(shí)驗(yàn)條件)對(duì)PERC電池進(jìn)行電注入復(fù)原處理。接著，將PERC電池置于VS-6821M 型太陽(yáng)電池I-V特性測(cè)試儀，先對(duì)復(fù)原處理后的PERC電池在45 ℃、1 Sun光照條件下進(jìn)行一次I-V特性測(cè)試，以獲得其復(fù)原處理后的效率Eff(t=0)。然后再利用VS-6821M 型太陽(yáng)電池I-V特性測(cè)試儀對(duì)PERC電池進(jìn)行45 ℃、1 Sun光照條件下的12 h原位光衰。在原位光衰過(guò)程中，每隔10 min利用VS-6821M 型太陽(yáng)電池I-V特性測(cè)試儀測(cè)量一次PERC電池的I-V特性，任意t時(shí)刻測(cè)得的效率記為Eff(t)。

需要說(shuō)明的是，本文采用自主搭建的電致復(fù)原處理裝置對(duì)PERC電池進(jìn)行抗光衰處理。該電致復(fù)原處理裝置由威迅達(dá) WXD2620 型加熱臺(tái)(溫控范圍25～400 ℃)、安耐斯 JP8020D 型恒流源(可輸出 0～20 A 電流)、自主設(shè)計(jì)的探針架(用于接觸電池正面電極)、銅板(用于接觸電池背面電極)等組成，可在整個(gè)面積上對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行均勻的電注入，以獲得理想的電致復(fù)原處理效果。由于加熱臺(tái)控制器顯示的溫度不能準(zhǔn)確反映電池片的真實(shí)溫度，電池片的溫度由Fluke 562紅外測(cè)溫計(jì)測(cè)定。為方便進(jìn)行電池間的橫向比較，本文所給的圖示以效率η的相對(duì)值(ηt/ηinitial)作為縱坐標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 三水平正交實(shí)驗(yàn)

電致復(fù)原處理涉及時(shí)間、溫度和電流強(qiáng)度三個(gè)單因素，此外還存在各因素兩兩之間的相互作用。為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)及簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程，本文首先采用三水平正交實(shí)驗(yàn)方法檢查三個(gè)單因素及其相互作用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性，并初步給出最優(yōu)處理?xiàng)l件的組合。根據(jù)前人及我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16-18]， 140～200 ℃的溫度范圍、10～30 min的處理時(shí)間、6 ～18 A的電流強(qiáng)度復(fù)原處理的PERC電池具有較好的抗光衰性能。為此，選取10 min、20 min、30 min三個(gè)水平的處理時(shí)間，140 ℃、170 ℃、200 ℃三個(gè)水平的溫度，6 A、12 A、18 A三個(gè)水平的電流強(qiáng)度。采用L27(313)正交實(shí)驗(yàn)表安排每次實(shí)驗(yàn)的條件，如表1所示。處理時(shí)間(A)、溫度(B)和電流強(qiáng)度(C)作為表頭分別安排在第1、第2和第5列，A與B的交互作用作為表頭安排在第3、4列，A與C的交互作用作為表頭安排在第6、7列，B與C的交互作用作為表頭安排在第8、11列，用于顯著性判斷的誤差列(e)作為表頭安排在第9、10、12、13列。第14列放置電池的初始效率Eff(t= -1)，最后一列放置用于比較各處理?xiàng)l件組合優(yōu)劣的指標(biāo)，即經(jīng)過(guò)12 h光衰后電池的效率與初始效率之比Eff(t=12 h)/Eff(t= -1)。第一列表頭代表實(shí)驗(yàn)序號(hào)。每次實(shí)驗(yàn)的條件(各因素水平)由實(shí)驗(yàn)序號(hào)所在行與代表處理時(shí)間(A)、溫度(B)和電流強(qiáng)度(C)的1、2、5 列共同確定。譬如，序號(hào)為5的實(shí)驗(yàn)，1、2、5 列所對(duì)應(yīng)的因素水平分別為1、2、2，則第5組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件為處理時(shí)間10 min，溫度170 ℃，電流強(qiáng)度12 A。

表1 三水平L27(313)正交實(shí)驗(yàn)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 The three-level orthogonal layout L27(313) and experimental results

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表2 列出了主要的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。限于篇幅，以下僅簡(jiǎn)要給出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理步驟。

1)先求總平均值，即

≈0.993 5

(1)

2)求各因素水平平均值，即

≈0.991 2

(2)

=0.997 5

3)求各交互作用的水平組合平均值，即

=0.978 5

(3)

=0.997 0

4)求因素效應(yīng)值，即

≈0.991 2-0.993 5=-0.002 3

(4)

≈0.997 5-0.993 5=0.004 0

5)求交互作用的效應(yīng)值，即

≈0.978 5-(0.993 5-0.002 3-0.008 7)

=-0.004 0

(5)

≈0.997 0-(0.993 5+0.003 2+0.004 0)

=-0.003 7

6)計(jì)算因素及交互作用的方差，即

≈9×[(-0.002 3)2+(0.001 1)2

+(0.001 2)2]

=7.3×10-5

(6)

≈3×[(0.004 7)2+

+(-0.003 7)2]

=4.65×10-4

7)求誤差方差，即

-[27×(F0)2+∑D(Fi)+∑D(Fi,j)]

≈26.652 774-[27×0.987 047

+(0.000 073+0.001 044+0.000 229)

+(0.000 450+0.000 067+0.000 465)]

≈26.652 774-26.652 597

≈1.77×10-4

(7)

8)計(jì)算自由度。對(duì)于單因素，其自由度為fi=2；對(duì)于交互作用，其自由度為fi,j=2×2=4；對(duì)于誤差，共有四個(gè)誤差列，其自由度f(wàn)e=2+2+2+2=8。

9)計(jì)算F比。對(duì)于單因素，有

(8)

對(duì)于交互作用，有

=5.247 5

(9)

10)查F-分布表，得到

F0.05(2,8)=4.46，
F0.01(2,8)=8.65，
F0.001(2,8)=18.49
F0.05(4,8)=3.84，
F0.01(4,8)=7.01，
F0.001(4,8)=14.39

(10)

11)比較判斷。FA(fA,fe)

12)計(jì)算預(yù)測(cè)值的波動(dòng)范圍。時(shí)間因素(A)是不顯著的，但是AB交互作用是顯著的，所以A因素不能歸入誤差，而將交互作用AC的方差及自由度歸入誤差。有

≈0.000 177+0.000 067

=0.000 244

(11)

(12)

(13)

13)確定最優(yōu)組合。AC交互作用的F比最小，其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可忽略。雖然A因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也不顯著，但AB交互作用是顯著的，因此在確定最優(yōu)條件組合時(shí)不能剔除A因素。因此，不同條件組合的目標(biāo)函數(shù)的預(yù)測(cè)值公式為：

(15)

經(jīng)計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)的最大值為1.007±0.007，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)條件組合為(3,2,3)，相應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件為30 min，170 ℃，18 A；目標(biāo)函數(shù)的次最大值為1.006±0.007，對(duì)應(yīng)的次最優(yōu)組合為(2,2,3)，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件為20 min、170 ℃、18 A。

鑒于B因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響十分顯著，AB、BC交互作用的顯著有可能是B因素十分顯著造成的。若不考慮交互作用，不同條件組合的目標(biāo)函數(shù)的預(yù)測(cè)值公式可變?yōu)椋?/p>

(16)

經(jīng)計(jì)算，不考慮交互作用最優(yōu)組合仍為(3,2,3)組合，而且次最優(yōu)組合也是(2,2,3)。

表2 三水平正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 2 The data processing results of the three-level orthogonal experiment

2.2 五水平正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件不受交互作用影響的三水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們進(jìn)一步縮小參數(shù)范圍及水平間隔，以五水平正交實(shí)驗(yàn)來(lái)精確確定最優(yōu)化復(fù)原處理?xiàng)l件。具體地說(shuō)，我們將參數(shù)范圍縮小為復(fù)原處理時(shí)間(10～30 min)、溫度(160 ～180 ℃)、電流強(qiáng)度(6 ～18 A)，所選取的是10、15、20、25、30 min五個(gè)水平的處理時(shí)間，160、165、170、175、180 ℃五個(gè)水平的溫度，6、9、12、15、18 A五個(gè)水平的電流強(qiáng)度。采用L25(56)正交實(shí)驗(yàn)表安排每次實(shí)驗(yàn)的條件，如表3所示。處理時(shí)間(A)、溫度(B)和電流強(qiáng)度(C)作為表頭分別安排在第1、第2和第3列，用于顯著性判斷的誤差列(e)作為表頭安排在第4、5、6列。第7列放置電池的初始效率Eff (t= -1)，最后一列放置用于比較各處理?xiàng)l件組合優(yōu)劣的指標(biāo)，即經(jīng)過(guò)12 h光衰后電池的效率與初始效率之比Eff(t= 12 h)/ Eff(t= -1)。第一列表頭代表實(shí)驗(yàn)序號(hào)。

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表4列出了主要的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，數(shù)據(jù)處理方法及過(guò)程與三水平正交實(shí)驗(yàn)的類似，此處不再贅述。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)A(fA,fe)>F0.001(4,12)，所以A因素是極顯著的；F0.05(4,12)F0.001(4,12)，所以C因素也是極顯著的。此時(shí)，不同條件組合的目標(biāo)函數(shù)的預(yù)測(cè)值公式為：

(16)

經(jīng)計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)的最大值為1.019±0.007，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)條件組合為(5,4,5)，相應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件為30 min，175 ℃，18 A；目標(biāo)函數(shù)的次最大值為1.018±0.007，對(duì)應(yīng)的次最優(yōu)條件組合為(5,5,5)，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件為30 min，180 ℃，18 A。

圖1給出了兩組正交實(shí)驗(yàn)所確定的最優(yōu)及次最優(yōu)條件復(fù)原處理的PERC電池的效率在復(fù)原處理前后及12 h光衰過(guò)程中隨時(shí)間的變化。由圖1可知，經(jīng)4種優(yōu)化條件復(fù)原處理后，PERC電池的效率相對(duì)于初始效率上升了約1%～ 2%；在隨后的1 Sun 光強(qiáng)、45 ℃、12 h光衰過(guò)程中，其效率在初始的1 h內(nèi)雖然有一個(gè)輕微的下降，但隨后保持穩(wěn)定直至光衰結(jié)束，而且其最終效率仍比初始效率高約1%。

表3 五水平L25(56)正交實(shí)驗(yàn)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The five-level orthogonal layout L25(56) and experimental results

表4 五水平正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 4 The data processing results of the five-level orthogonal experiment

圖1 復(fù)原處理前后及12 h光衰過(guò)程中PERC電池的效率隨時(shí)間的變化曲線Fig.1 The variation of efficiencies of PERC solar cells with time which were regenerated before and after regeneration and during the 12 h LID process

作為比較，未經(jīng)復(fù)原處理的對(duì)照組在12 h光衰過(guò)程中，其效率在光衰的前2 h有約6%的大幅下降。以上結(jié)果充分說(shuō)明經(jīng)4種優(yōu)化條件復(fù)原處理的PERC電池表現(xiàn)出了良好的抗光衰性能。

3 結(jié) 論

本文首先使用三水平正交實(shí)驗(yàn)方法研究了處理時(shí)間、溫度、電流強(qiáng)度及其相互作用對(duì)復(fù)原處理后PERC電池的抗光衰性能的影響。結(jié)果表明，在10～30 min的復(fù)原處理時(shí)間、140～200 ℃的處理溫度、6～18 A的注入電流強(qiáng)度下，對(duì)PERC電池抗光衰性能有影響的復(fù)原處理?xiàng)l件按顯著性由大到小排序依次為：溫度、溫度和電流的交互作用、電流、時(shí)間和溫度的交互作用、處理時(shí)間、時(shí)間和電流的交互作用。不論是否考慮交互作用，由三水平正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的最佳復(fù)原處理?xiàng)l件均為30 min，170 ℃，18 A?？紤]到最佳復(fù)原處理?xiàng)l件不受交互作用的影響，本文以更小的參數(shù)變化范圍和水平間隔利用五水平正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化了復(fù)原處理?xiàng)l件。結(jié)果表明，在10～30 min的復(fù)原處理時(shí)間、160～180 ℃的處理溫度、6～18 A的注入電流強(qiáng)度下，對(duì)PERC電池抗光衰性能產(chǎn)生影響的復(fù)原處理?xiàng)l件按顯著性由大到小排序依次為：處理時(shí)間、電流、溫度。由五水平正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的最佳復(fù)原處理?xiàng)l件為30 min，175 ℃，18 A。經(jīng)優(yōu)化條件復(fù)原處理的PERC電池的效率相對(duì)于初始效率上升了約1%～2%，且在1 Sun 光強(qiáng)、45 ℃、12 h光衰過(guò)程中基本保持穩(wěn)定，其最終效率仍比初始效率高約1%，表現(xiàn)出良好的抗光衰性能。