PERC太陽能電池的背面鈍化工藝研究

梁玲 郭麗 張波 孟秀峰

【摘 要】 區(qū)別于太陽能電池采用SiOx或AlOx與SiNx的疊層結(jié)構(gòu)的背面鈍化工藝，本文采用一種PERC太陽能電池的背面鈍化工藝的新方法來疊層表面具有較高的固定正電荷。通過研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的新工藝制得的PERC高效電池具有更好的光電轉(zhuǎn)換效率，較常規(guī)工藝電池片效率提高了0.4%。并對 PERC高效電池的下一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)以及對工業(yè)應(yīng)用提供了方法。

【關(guān)鍵詞】 太陽能電池;硅片;背面鈍化;轉(zhuǎn)化效率;工藝研究

隨著高效太陽能電池研發(fā)的不斷推進(jìn)，優(yōu)質(zhì)的表面鈍化已成為高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池不可或缺的組成部分。表面鈍化通過飽和半導(dǎo)體表面處的懸掛鍵，可降低界面態(tài)密度;同時(shí)鈍化膜的存在避免了雜質(zhì)在表面層的引入，而形成復(fù)合中心，降低了表面活性，以此來降低少數(shù)載流子的表面復(fù)合速率，提高少子壽命。同時(shí)鈍化膜中的固定電荷能使半導(dǎo)體表面反型或堆積，形成表面結(jié)，阻止少子載流子流向表面，減小了表面復(fù)合的損失，從而提高了表面光生載流子的收集率。

但常規(guī)PECVD法制備的SiON與SiNx的疊層膜中，缺陷主要以K0、K+和N-三種形式存在，由于薄膜中的K中心的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于N中心，從而使薄膜與晶體硅的界面表現(xiàn)為正電性。在P型硅背面出現(xiàn)正電荷層，會(huì)形成反轉(zhuǎn)層造成漏電，增加表面復(fù)合速率。通用的太陽能電池采用SiOx或AlOx與SiNx的疊層結(jié)構(gòu)的背面鈍化工藝，會(huì)使疊層表面具有較高的固定正電荷。鑒于此，如何合理、有效地降低疊層表面固定正電荷，是優(yōu)化電池PECVD鍍減反射膜鈍化工藝重點(diǎn)。為此，本文對此進(jìn)行了深入的研究。

1實(shí)驗(yàn)方案及過程

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原料介紹

實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備為PECVD，用于晶體硅太陽能電池制造中電池片的減反射膜生長，以達(dá)到減反射和鈍化作用目的。它主要由冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、反應(yīng)室、抽排系統(tǒng)、軟著陸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。PECVD設(shè)備其控制系統(tǒng)為德國BECKHOFF PLC與研華工控機(jī)人機(jī)界面相結(jié)合，可提供自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)操作。利用工控機(jī)提供人機(jī)操作界面，對鍍膜過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)視與控制。其工藝流程為：石墨舟及硅片準(zhǔn)備→插片→上料→選擇工藝運(yùn)行→進(jìn)舟→抽真空→升溫穩(wěn)定→通特氣→抽尾氣→充氮?dú)狻鲋邸轮劾鋮s→測試→卸片。

實(shí)驗(yàn)中，單晶電池片外觀尺寸為156mm×156mm，厚度為200μm，電阻率為1～3Ω·cm。該單晶電池片為市場常見電池片。電池片生產(chǎn)工藝采用車間量產(chǎn)的PERC單晶電池生產(chǎn)工藝。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

本文是在保留AlOx膜較高固定的表面負(fù)電荷的基礎(chǔ)上，對AlOx與SiON、SiNx的疊層結(jié)構(gòu)熱處理，控制熱處理過程中特定的溫度和時(shí)間，使薄膜內(nèi)部較弱的N-H鍵斷裂，較強(qiáng)的Si-H未斷裂。這種N-H鍵斷裂后釋放出的氫原子，一部分與薄膜中的Si的懸掛鍵結(jié)合，使薄膜中K中心（N3≡Si）的數(shù)量減少;另一部分鈍化了晶體硅表面的懸掛鍵，使晶體硅表面的復(fù)合程度減小，從而提高了少數(shù)載流子壽命過程。

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

對單晶硅片依次進(jìn)行單晶堿制絨→擴(kuò)散制結(jié)→堿拋光濕法切邊;

將已背面拋光的硅片，兩兩正面對正面插入載體中，送入原子層沉積設(shè)備中;

在溫度300攝氏度條件下，使用流量為500sccm的攜帶有三甲基鋁TMA的氮?dú)馔ㄈ氤练e設(shè)備中，同時(shí)通入水蒸氣，輸入到沉積設(shè)備中的水蒸氣的質(zhì)量與三甲基鋁TMA的質(zhì)量比為3∶1，在硅片背面表面生成一層3-30nm的AlOx層，x為每個(gè)鋁原子與x個(gè)氧原子鍵合;

將沉積好AlOx層的硅片面作為鍍膜面反插入PECVD石墨舟，使在鍍膜時(shí)，電池片發(fā)射極面不被鍍膜，送入PECVD爐管;

采用PECVD法在硅片背面依次沉積SiON薄膜和SiNx薄膜，所述PECVD法的工藝參數(shù)為：第一層氮氧化硅，以氨氣、硅烷、笑氣為反應(yīng)物，氨氣流量為3-6slm，硅烷流量為1-5slm，一氧化二氮流量為300-1000sccm，射頻功率為5700w，時(shí)間為800s;第二層氮化硅，以氨氣、硅烷為反應(yīng)物，氨氣流量為3-6slm，硅烷流量為0.5-3slm，射頻功率為5700w，時(shí)間為800s;所述SiON與SiNx的疊層膜厚度為160-200nm;對完成背面SiON、SiNx疊層膜的硅片進(jìn)行熱處理工藝;在N2（10slm）的氣氛下，進(jìn)行升溫，將爐體溫度升至700℃;穩(wěn)定2min;在N2（25slm）的氣氛下，以4℃/min的速度將環(huán)境溫度降至670℃;出舟，自然冷卻，完成;

將完成熱處理后的硅片進(jìn)行后續(xù)激光開槽→絲網(wǎng)印刷燒結(jié)→制備得到高效電池片;

取各2000片單晶硅片，按照PERC高效電池和常規(guī)制備的電池實(shí)驗(yàn)方案不鍍氧化鋁層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2結(jié)果與討論

將兩種工藝制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行對比，其結(jié)果如表1所示。

通過兩種工藝制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行對比可知，在電性能測試上，SiON、SiNx疊層膜鈍化層能有效提高開路電壓Uoc、短路電流Isc。新工藝制得的PERC高效電池具有更好的光電轉(zhuǎn)換效率為21.4%，普通產(chǎn)線制備高效電池光電轉(zhuǎn)換效率為21%，新工藝較常規(guī)工藝光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.4%，并且開路電壓與短路電流都有明顯的提升，說明增加了AlOx膜層后，由于自身攜帶負(fù)電荷，它比常規(guī)氮氧化硅層更好地起到場鈍化與化學(xué)鈍化的效果，降低了背表面的缺陷，從而降低背表面復(fù)合，增強(qiáng)了鈍化效果，提升了少子壽命，進(jìn)而提升了短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

3結(jié)論

優(yōu)化后的新工藝制得的PERC高效電池由于提高了鈍化效果具有更好的光電轉(zhuǎn)換效率，并且開路電壓與短路電流都有明顯的提升，較常規(guī)工藝電池片效率提高了0.4%。

有效地改善了電池PECVD鍍減反射膜鈍化效果。此類工藝參數(shù)的優(yōu)化提升，對于PERC高效電池工藝的下一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)開拓了更為廣泛的思路，一定程度上促進(jìn)PERC電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈文忠.太陽能光伏技術(shù)與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2013.

[2]M.A.Green，Solar Cells：Operating Principles，Technology and System Applications， University of New South Wales， Australia，1998.

[3]劉志平，趙謖玲，徐玲，等.PECVD沉積氮化硅膜的工藝研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2011（1）：54-59.

[4]陶濤，蘇輝，謝自力，等.PECVD法氮化硅膜生長工藝的研究[J].微納電子技術(shù)，2010，47（5）：267-272，303.

[5]趙科巍，劉文超.管式PECVD鍍膜均勻性的研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（4）：100-102.

[6]郭衛(wèi)，賈宇龍，趙麗敏.單晶PERC電池串聯(lián)電阻Rs研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（5）：99-102.

[7]薛俊，杭凌俠，劉昊軒.PECVD制備光學(xué)薄膜材料折射率控制技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù)，2014，40（4）：353-356，361.