淺析銀銅雙金屬一步法制備的黑硅多晶硅太陽(yáng)電池的性能

徐義勝，何保楊，單 偉，何 勝，周盛永，黃海燕，陸 川

(海寧正泰新能源科技有限公司，海寧 314400)

0 引言

近年隨著光伏行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，高效太陽(yáng)電池所占的市場(chǎng)份額呈逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)。高效太陽(yáng)電池的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)就是要增加太陽(yáng)光的吸收率，以便增加電子、空穴收集幾率[1]。

由于黑硅太陽(yáng)電池具有高太陽(yáng)光吸收率的優(yōu)點(diǎn)，這些年在光伏行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其以具有成本及效率雙重優(yōu)勢(shì)的濕法黑硅太陽(yáng)電池為代表[2]。黑硅太陽(yáng)電池是通過(guò)刻蝕法對(duì)硅片表面進(jìn)行再次改進(jìn)，從而形成納米級(jí)結(jié)構(gòu)。由于這種納米級(jí)結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)相當(dāng)大的光譜范圍(250～2500 nm)內(nèi)提升光的吸收率，因此可以顯著增加光的整體吸收率[3]。

現(xiàn)今市場(chǎng)上常見的濕法黑硅技術(shù)采用的是銀單金屬多步黑硅制絨方法，該方法存在工藝步驟多、槽體多不易控制、產(chǎn)能低、空間要求高與靈活性不佳等不足之處[4]。基于此，北京普揚(yáng)科技有限公司通過(guò)與中國(guó)科學(xué)院物理研究所合作，開創(chuàng)性地開發(fā)出了銀銅雙金屬一步法黑硅技術(shù)。該技術(shù)可以在控制縱向刻蝕的同時(shí)，通過(guò)特殊手段控制橫向刻蝕，僅需一次刻蝕便可得到合適高寬比的硅片表面微觀結(jié)構(gòu)；同時(shí)該技術(shù)也適合于現(xiàn)有太陽(yáng)電池工藝流程，具有工藝簡(jiǎn)單、槽體少等優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅降低生產(chǎn)成本[5-7]。

本文以北京普揚(yáng)科技有限公司采用銀銅雙金屬一步法制備的黑硅多晶硅硅片為基礎(chǔ)，以浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司的太陽(yáng)電池產(chǎn)線為載體，制備出黑硅多晶硅太陽(yáng)電池，并對(duì)制備出的黑硅多晶硅太陽(yáng)電池與常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池進(jìn)行了性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

黑硅多晶硅硅片(下文簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)組硅片”)與采用了常規(guī)制絨工藝的多晶硅硅片(下文簡(jiǎn)稱“對(duì)比組硅片”)的片源均為p型、尺寸均為157 mm×157 mm、電阻率均為 1～3 Ω·cm。已完成黑硅制絨的實(shí)驗(yàn)組硅片經(jīng)產(chǎn)線預(yù)清洗處理后，從擴(kuò)散工序開始采用常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池的后續(xù)制備流程，流程如圖1所示。對(duì)比組硅片則全程按照產(chǎn)線中常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池的流程制備。其中，實(shí)驗(yàn)組硅片的擴(kuò)散方阻為95 Ω/□，對(duì)比組硅片的擴(kuò)散方阻為85 Ω/□。

圖1 黑硅多晶硅太陽(yáng)電池制備流程Fig.1 Preparation process of black silicon multi-crystalline silicon solar cell

依據(jù)上述流程制備出黑硅多晶硅太陽(yáng)電池(下文簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)組電池”)，并利用對(duì)比組硅片制備出常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池(下文簡(jiǎn)稱“對(duì)比組電池”)；然后對(duì)實(shí)驗(yàn)組硅片、對(duì)比組硅片、實(shí)驗(yàn)組電池及對(duì)比組電池的性能進(jìn)行測(cè)試。采用D8反射率測(cè)試儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)組硅片與對(duì)比組硅片的反射率，利用Hitachi公司的S-4800掃描電鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)組硅片表面形貌與結(jié)構(gòu)測(cè)試，使用Berger公司的I-V測(cè)試儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)組電池與對(duì)比組電池的電性能參數(shù)，利用PV Measurements公司的QEX7量子效率測(cè)試儀檢測(cè)電池外量子效率(EQE)，使用思弗瑞公司型號(hào)為ZLL-6072C的太陽(yáng)電池光衰設(shè)備測(cè)試電池的光致衰減率。

2 結(jié)果與討論

2.1 反射率

硅片制絨后的反射率是檢測(cè)硅片品質(zhì)的重要指標(biāo)。因此，選取實(shí)驗(yàn)組硅片與對(duì)比組硅片各5片進(jìn)行反射率測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實(shí)驗(yàn)組硅片的平均反射率為18.1%，對(duì)比組硅片的平均反射率為25.1%，兩者相差7%。采用銀銅雙金屬一步法黑硅技術(shù)可使硅片生成一定光譜范圍內(nèi)的反射率，考慮到需要在短路電流提升與開路電壓降低之間取得平衡，因此，最佳的硅片反射率為18.1%左右。

表1 2類硅片的反射率Table 1 Reflectivities of 2 kinds of silicons

2.2 硅片表面形貌結(jié)構(gòu)

圖2 實(shí)驗(yàn)組硅片表面形貌Fig.2 Surface morphology of the experimental group silicon

圖2為實(shí)驗(yàn)組硅片表面形貌圖。由圖可知，制絨后實(shí)驗(yàn)組硅片表面會(huì)產(chǎn)生眾多不規(guī)則尺寸的孔洞。圖3為放大后的孔洞形貌，由圖可知，硅片表面已形成納米級(jí)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)選擇表面2處位置測(cè)試表面孔洞的寬度與深度，其中一處的寬度為580 nm，深度為314 nm；另一處的寬度為635 nm，深度為316 nm。

圖3 實(shí)驗(yàn)組硅片表面孔洞微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of the experimental group silicon

對(duì)實(shí)驗(yàn)組硅片表面進(jìn)行元素能譜分析，結(jié)果顯示，其表面僅有硅、碳2種元素，如圖4所示?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)組硅片表面的清洗效果較為徹底，并無(wú)銀、銅等金屬離子殘留；而能譜中的碳元素殘留可能是由于制程中的污染導(dǎo)致[8]。

圖4 實(shí)驗(yàn)組硅片表面能譜分析Fig.4 EDS of surface of the experimental group silicon

2.3 電池的實(shí)物形貌

實(shí)驗(yàn)組電池與對(duì)比組電池的實(shí)物圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)組電池的表面色差十分明顯，可能是由于銀銅雙金屬一步法黑硅技術(shù)加大了實(shí)驗(yàn)組硅片表面不同晶相之間的反射率差異[7]。

圖5 實(shí)驗(yàn)組電池與對(duì)比組電池的實(shí)物圖對(duì)比Fig.5 Comparison of physical pictures between the experimental group solar cell and the contrast group solar cell

2.4 電池的量子響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)組電池與對(duì)比組電池的EQE曲線如圖6所示。由于實(shí)驗(yàn)組硅片表面存在納米級(jí)結(jié)構(gòu)，其反射率更低，因而可以吸收更多的光。量子響應(yīng)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組電池的短波段EQE更優(yōu)。

2.5 電性能參數(shù)

從實(shí)驗(yàn)組電池與對(duì)比組電池分別選取371片電池，對(duì)2種電池的開路電壓Voc、短路電流Isc、填充因子FF、效率η進(jìn)行測(cè)試，然后取平均值，電性能結(jié)果如表2所示。由表可知，與對(duì)比組電池相比，實(shí)驗(yàn)組電池的η提高了0.27%；Isc提升了221 mA；而Voc降低了3.3 mV。

圖6 實(shí)驗(yàn)組電池與對(duì)比組電池的EQE曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of EQE curves between the experimental group solar cell and the contrast group solar cell

表2 2種電池的電性能參數(shù)Table 2 Electrical performance parameters of 2 kinds of solar cells

該電性能測(cè)試結(jié)果與硅片表面形貌及電池量子響應(yīng)測(cè)試結(jié)果相匹配。由于實(shí)驗(yàn)組硅片表面特殊的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)組電池的短波段EQE更佳，與對(duì)比組電池相比，其Isc數(shù)值更大。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)組硅片所形成的納米級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其比表面積較對(duì)比組硅片增大5倍，相應(yīng)的表面復(fù)合率也會(huì)增加，使實(shí)驗(yàn)組電池的Voc比對(duì)比組電池的低[4]。

2.6 電池的光致衰減

實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組電池各取10片，分別測(cè)試其初始效率、光致衰減4 h后與24 h后的效率，以及4 h后和12 h后的光致衰減率，結(jié)果如表3所示。由表可知，實(shí)驗(yàn)組電池的光致衰減率優(yōu)于對(duì)比組電池。

表3 2種電池的光致衰減數(shù)據(jù)Table 3 LID data of 2 kinds of solar cells

3 結(jié)論

本文對(duì)采用銀銅雙金屬一步法制備的黑硅多晶硅硅片與采用了常規(guī)制絨工藝的多晶硅硅片的性能，以及由2類硅片制備的2類太陽(yáng)電池的電性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：相同硅片片源條件下，黑硅多晶硅太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率比常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池提升0.27 %；黑硅多晶硅太陽(yáng)電池的短波響應(yīng)有顯著改善，短路電流提升了221 mA，同時(shí)其光致衰減結(jié)果也優(yōu)于常規(guī)多晶硅太陽(yáng)電池。銀銅雙金屬一步法黑硅技術(shù)成本更低，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了此方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。