背面局域點(diǎn)接觸對(duì)PERC太陽電池性能的影響

龐恒強(qiáng)，周 雨，賀茂雙，王凱輝，常輝東，卞 濤，薛 凱

(浙江晶科能源有限公司，海寧 314000)

0 引言

晶體硅太陽電池背表面場(chǎng)的鈍化效果是衡量電池背表面復(fù)合速率的主要依據(jù)[1]，常規(guī)的全鋁背場(chǎng) (Al-BSF) 太陽電池是目前太陽電池量產(chǎn)最成熟的工藝方案，但較高的背表面復(fù)合速率限制了其轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。因此，降低背表面復(fù)合速率逐漸成為提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的重要途徑之一。

全鋁背場(chǎng)太陽電池的正面采用氮化硅鈍化來降低復(fù)合速率，背面則采用鋁背場(chǎng)來降低復(fù)合速率，但其背表面復(fù)合速率很難降至200 cm/s以下，較低的背面長波反射率限制了該類太陽電池背面光譜的長波響應(yīng)[2]。與全鋁背場(chǎng)太陽電池的制備工藝相比，PERC太陽電池僅新增了3個(gè)工藝步驟，但其背表面復(fù)合速率卻可以降至20 cm/s以下[3]，界面態(tài)密度可降至1011eV-1cm-2以下[4]；而且PERC太陽電池中硅片背面的鈍化介質(zhì)膜還起到了減少紅外波段反射的作用，提高了電池的短路電流[2]，使更多的光被反射回電池，從而被吸收，增加了電池的背面光譜長波響應(yīng)，降低了長波的光學(xué)損失。同時(shí)，PERC太陽電池還擁有更低的溫度系數(shù)和更好的弱光響應(yīng)能力。德國IFSH實(shí)驗(yàn)室于2015年提出了PERC單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24%的技術(shù)方案[5]。因此，PERC太陽電池逐漸成為替代全鋁背場(chǎng)太陽電池最具潛力的技術(shù)路線[6-7]。

在PERC太陽電池中，硅片背面的鈍化介質(zhì)膜屬于絕緣層，因此需要采用激光開槽技術(shù)使硅片背面形成局域點(diǎn)接觸。激光開槽是利用激光在硅片背面進(jìn)行打孔或開槽，消融背面介質(zhì)層，與襯底形成良好的局域點(diǎn)接觸，用于收集電流。激光開槽過程不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力、無污染、精度高。最初的激光開槽技術(shù)是采用光刻，實(shí)現(xiàn)了PERC太陽電池23%的轉(zhuǎn)換效率[8]，但是該技術(shù)的工藝復(fù)雜，不適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[9]。2000年，德國ISE實(shí)驗(yàn)室提出將激光技術(shù)應(yīng)用于太陽電池領(lǐng)域，之后使用Nd:YAG泵浦半導(dǎo)體激光器將PERC太陽電池的轉(zhuǎn)換效率提升至21.3%[10]。2007年，德國ISE實(shí)驗(yàn)室在利用激光技術(shù)去除硅表面SiO2膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)激光對(duì)硅片的損傷很小，而且表面基本無殘留雜質(zhì)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于PERC太陽電池的量產(chǎn)起到了非常關(guān)鍵的作用[11]。目前，PERC太陽電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線已全部使用激光開槽形成局域背表面場(chǎng)。因此，進(jìn)一步研究和完善激光開槽的工藝參數(shù)在PERC太陽電池產(chǎn)業(yè)化中顯得尤為重要。

本文采用控制變量法，首先研究了工業(yè)化生產(chǎn)過程中激光開槽技術(shù)的工藝參數(shù)對(duì)PERC太陽電池性能的影響，然后研究了背電極電阻對(duì)PERC太陽電池性能的影響，最后研究了PERC太陽電池在燒結(jié)過程中，由歐姆接觸向肖特基接觸轉(zhuǎn)變過程中空洞的產(chǎn)生原因及改善方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用硅片均為來自同一根硅棒的p型太陽能級(jí)金剛線切割單晶硅片，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，襯底厚度為180 μm，電阻率為0.75～0.85 Ω·cm。

激光器采用532 nm納秒綠光激光器，其工作原理為：532 nm激光從激光器輸出后，先經(jīng)過第1個(gè)反射鏡，其傳輸方向改變了90°；再經(jīng)過第2個(gè)反射鏡，其傳輸方向又改變了90°；然后經(jīng)過擴(kuò)束鏡和光闌，分別輸入至激光掃描振鏡、聚焦透鏡后，輸出經(jīng)過聚焦后的激光，并作用于硅片表面。激光開槽方式采用點(diǎn)開槽，激光開槽的圖形為垂直主柵，線段數(shù)量為162個(gè)，激光開槽線間距為975 μm。

通過調(diào)整激光器擴(kuò)束鏡得出最佳激光光斑直徑，然后調(diào)整激光器功率得出不同的激光光斑形貌，并使用3D顯微鏡對(duì)比硅片表面的激光光斑微觀形貌，分析不同激光光斑直徑與激光光斑形貌對(duì)PERC太陽電池性能的影響。通過調(diào)整激光器頻率和速度得出激光光斑的重疊率，通過調(diào)整虛實(shí)比和雕刻頻率得出開孔率，然后分析重疊率和開孔率對(duì)PERC太陽電池性能的影響。

實(shí)驗(yàn)硅片按照5主柵單面PERC太陽電池(下文簡(jiǎn)稱“PERC太陽電池”)制備工藝進(jìn)行制備。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光光斑直徑與形貌對(duì)PERC太陽電池性能的影響

2.1.1激光光斑直徑對(duì)電池性能的影響

本實(shí)驗(yàn)選取4組硅片，每組500片。采用控制變量法，硅片背面激光開槽圖形參數(shù)及激光參數(shù)保持不變，僅通過調(diào)整擴(kuò)束鏡來改變激光光斑的直徑。然后按照PERC太陽電池的制備流程，將4組采用不同激光光斑直徑的硅片制備成4組電池樣品(樣品編號(hào)分別為1～4)，分析激光光斑直徑對(duì)電池電性能的影響。不同激光光斑直徑時(shí)電池的電性能參數(shù)如表1所示。

由表1可知，當(dāng)激光光斑直徑為40～45 μm時(shí)，樣品電池的電性能差異較??；而當(dāng)激光光斑直徑增至50 μm時(shí)，電池的開路電壓Voc下降較為明顯。與激光光斑直徑為40～45 μm時(shí)相比，激光光斑直徑為35 μm時(shí)樣品電池的電性能呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著激光光斑直徑逐漸減小，激光光斑之間的間距增大，激光光斑的接觸面積減小，背表面復(fù)合速率持續(xù)降低。

激光光斑接觸面積S的表達(dá)式為：

表1 不同激光光斑直徑時(shí)PERC太陽電池的電性能參數(shù)Table 1 Electrical performance parameters of PERC solar cells with different laser spot diameters

式(1)中，r為激光光斑半徑；p為每2個(gè)激光光斑的中心間距。

由式(1)可知，隨著激光光斑直徑的逐漸變小，激光光斑的接觸面積也在減小。

激光開槽后的硅片經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，鋁硅合金層由外向內(nèi)滲透，使更多鋁漿被填充進(jìn)激光開槽區(qū)域，背表面場(chǎng)將會(huì)收集更多的載流子，并通過背電極導(dǎo)出。然而隨著激光光斑直徑逐漸增大，鋁硅接觸區(qū)域的面積也隨之增大，這表明激光作用于硅片的范圍增大，鋁硅合金層向襯底擴(kuò)散的速度變慢，電極區(qū)域的復(fù)合增大，鋁背場(chǎng)收集載流子的能力下降，最終Voc逐漸下降，Rs升高。因此，在每2個(gè)激光光斑之間的中心間距和鋁硅接觸區(qū)域面積達(dá)到最佳的前提下，直徑較小的激光光斑是未來提高PERC太陽電池轉(zhuǎn)換效率的主要方向。

2.1.2激光光斑形貌對(duì)電池性能的影響

采用控制變量法，將激光器功率分別設(shè)置為80%、85%、90%、95%、100%，其他激光參數(shù)保持不變，分別選取5組硅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同激光器功率時(shí)硅片背面的激光光斑形貌圖如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)激光器功率為90%和95%時(shí)，激光光斑的形貌基本無差異。但當(dāng)激光器功率小于90%時(shí)，開槽界面位置有很多殘留物。這是氧化鋁與氮化硅未去除干凈的表現(xiàn)，而且光斑邊緣也非常不規(guī)整，一定程度上阻擋了鋁硅合金層向襯底擴(kuò)散。因此，采用此激光器功率的硅片經(jīng)過燒結(jié)后，鋁與硅很難形成良好的共晶層，此時(shí)FF勢(shì)必呈下降趨勢(shì)。相反，當(dāng)激光器功率逐漸增大至90%～95%后，激光光斑邊緣的形貌非常整潔，此激光器功率下硅片背面的介質(zhì)層完全消融，形成了良好的背場(chǎng)局域點(diǎn)接觸。而當(dāng)激光器功率大于95%時(shí)，硅片背面鈍化介質(zhì)膜不能接收全部的激光能量，剩余的激光能量將會(huì)被襯底吸收[12]，這將對(duì)背面鈍化介質(zhì)膜產(chǎn)生損傷，進(jìn)而影響電池的電性能。因此，激光器功率不宜過大，這樣才能減小硅片的損傷。

具體而言，當(dāng)激光作用于硅片表面后，激光能量同時(shí)會(huì)被襯底吸收，硅片背表面溫度出現(xiàn)急劇升高，從而導(dǎo)致材料熔化，這一系列的現(xiàn)象被稱為激光熱效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)使用的納秒綠光激光器屬于短脈沖激光，不同波長的激光具有不同的加工機(jī)理。長脈沖激光的熱效應(yīng)易引起材料熔融損傷[13]；而短脈沖激光因光子能量較高，且硅的禁帶寬度小于光子能量，使硅與載流子同時(shí)具有本征吸收特性[14]。當(dāng)激光能量過低時(shí)，達(dá)不到材料的熔點(diǎn)，激光區(qū)域僅起到退火效果，而激光能量過高時(shí)，達(dá)到材料的熔點(diǎn)后激光區(qū)域的材料將熔化，并在降溫的過程中再結(jié)晶。激光熱效應(yīng)將帶來材料內(nèi)部原子擴(kuò)散或晶格空位的移動(dòng)，一定程度上會(huì)改變材料的特性，甚至導(dǎo)致原子、分子、離子的重新排列。據(jù)研究表明，在不同的激光峰值功率密度下，材料將發(fā)生不同的物理現(xiàn)象[15]，具體如表2所示。

表2 不同激光峰值功率密度下材料的物理現(xiàn)象[15]Table 2 Physical phenomena of material under different laser peak power densities[15]

2.2 重疊率對(duì)電池性能的影響

硅片背面的激光光斑中，通常將相鄰的2個(gè)激光光斑之間的重疊程度稱為重疊率。圖3為激光光斑距離與重疊率的關(guān)系圖。

當(dāng)激光光斑完全重合時(shí)，重疊率為100%；相切時(shí)，重疊率為0%；相交時(shí)，重疊率介于0%～100%之間。激光光斑重疊率η的計(jì)算公式為：

式中，v為激光雕刻速度；f為激光器頻率；d為激光光斑直徑。

根據(jù)式(2)可知，激光光斑重疊率主要與激光雕刻速度、激光器頻率、激光光斑直徑這3個(gè)因素有關(guān)。當(dāng)光斑直徑恒定不變、激光雕刻速度加快、激光器頻率減小時(shí)，激光光斑重疊率也隨之減??；在重疊率逐漸減小的過程中，硅片背面的接觸面積也在不斷減小，每2個(gè)激光光斑之間的中心間距逐漸變大；這有利于橫向串聯(lián)電阻的減小，從而使FF得到提升，電池接觸性能得到改善。隨著激光光斑重疊率的進(jìn)一步減小，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更低的接觸電阻。

2.3 開孔率對(duì)電池性能的影響

開孔率是指開孔區(qū)面積與硅片總面積的比值。開孔率Φ可表示為：

式中，S1為開孔區(qū)面積；S2為硅片總面積。

開孔區(qū)面積主要涉及激光光斑直徑、激光光斑數(shù)量、實(shí)虛總長、線段長度及線段數(shù)量這些參數(shù)。由于硅片總面積恒定不變，當(dāng)激光開槽圖案和擴(kuò)束鏡保持不變時(shí)，激光光斑直徑、激光光斑數(shù)量、線段長度、線段數(shù)量也將恒定不變。因此，開孔率主要與實(shí)虛總長有關(guān)，而實(shí)虛總長由虛實(shí)比和雕刻頻率決定。因此，實(shí)驗(yàn)選取了3組硅片，每組500片，通過改變虛實(shí)比與雕刻頻率將3組硅片制備成3組PERC太陽電池樣品，樣品編號(hào)為A、B、C。對(duì)3組電池樣品進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同開孔率對(duì)電池電性能的影響，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，B組樣品的Voc與Rs均低于其他2組樣品，但其FF遠(yuǎn)高于另外2組樣品，達(dá)到了80.35%；且因較低的Rs和較高的FF使其Eff為3組樣品中最高。雖然C組樣品的FF比B組樣品的稍差，但其Voc是3組樣品中最高的。B組和C組樣品的Isc差異不大，且明顯均比A組樣品的高。為了揭示樣品Isc產(chǎn)生差異的原因，測(cè)量了A組和B組樣品的內(nèi)部量子效率(IQE)，如圖4所示。

表3 不同開孔率時(shí)PERC太陽電池的電性能參數(shù)Table 3 Electrical performance parameters of PERC solar cells with different opening ratios

由于B組樣品的開孔率高于A組樣品，從圖4中可以看出，當(dāng)開孔率較高時(shí)，該樣品在短波段的光譜響應(yīng)也相對(duì)偏高，因此，B組樣品的Isc遠(yuǎn)大于A組樣品的。這是因?yàn)锽組樣品良好的鋁硅界面效應(yīng)為電池提供了一個(gè)很好的反射結(jié)構(gòu)，使金屬電極與硅基底接觸(即背接觸)面積變大，最終電池的內(nèi)反射效應(yīng)對(duì)Isc起到了較大的提升作用。相反，隨著開孔率的逐漸減小，背接觸面積也在逐漸減?。欢^小的背接觸面積意味著更大的鈍化區(qū)域，這有利于降低背表面復(fù)合速率，因此A組樣品的Voc比B組樣品的略高。太陽光由電池正面照射進(jìn)硅基體后，一部分會(huì)被電池吸收，還有一部分會(huì)穿過電池背面流失；而長波段(900～1200 nm)的太陽光主要是被反射回電池內(nèi)部的p-n結(jié)區(qū)吸收利用，減少了紅外光穿透電池背面的損失，從而使Voc得到相應(yīng)的提升，這也是A組樣品Voc提升的主要原因。

綜上，為獲得較高的Voc，低開孔率是未來主要的發(fā)展方向。然而，低開孔率意味著較小的接觸面積，較小的接觸面積會(huì)導(dǎo)致較高的橫向串聯(lián)電阻，而橫向串聯(lián)電阻是Rs的一部分，因此，A組樣品的Rs比B組樣品的高0.136 mΩ；與此同時(shí)，較小的接觸面積會(huì)使電流產(chǎn)生堆積效應(yīng)，因此，A組樣品的Isc比B組樣品的低7.6 mA。相對(duì)地，B組樣品的Voc比A組樣品的低0.5 mV，F(xiàn)F高0.24%。由于B組樣品FF的提升超過了Voc對(duì)Eff的影響，因此其Eff成為3組樣品的最優(yōu)。未來通過低開口率匹配PERC太陽電池專用鋁漿以實(shí)現(xiàn)低背表面復(fù)合速率是重要的提升電池轉(zhuǎn)換效率的方向。

2.4 背電極電阻對(duì)電池性能的影響

PERC太陽電池的FF一直是限制其效率提升的重要因素之一，因此，F(xiàn)F是衡量PERC太陽電池輸出特性的重要依據(jù)。雖然PERC太陽電池經(jīng)過鈍化后，少數(shù)載流子復(fù)合速率得到顯著降低，但與此同時(shí)，背面接觸電阻也會(huì)顯著增大，F(xiàn)F下降。限制PERC太陽電池的FF提升的最主要原因是少數(shù)載流子在電池背面需橫向擴(kuò)散到背場(chǎng)才會(huì)被電極收集，而這樣會(huì)增大橫向串聯(lián)電阻即增大背接觸電阻和背電極電阻。

背電極的圖形面積是限制FF的一個(gè)因素，PERC太陽電池一般采用絲網(wǎng)印刷鋁漿形成鋁背場(chǎng)，主要作用是形成p+鈍化層，提升Voc，降低背表面復(fù)合速率，與此同時(shí)進(jìn)行鋁吸雜，提高少子壽命；同時(shí)，鋁背場(chǎng)還可以作為背反射器，增加電池對(duì)長波段的響應(yīng)，提升Isc。一般情況下，隨著硅片背電場(chǎng)與背電極重疊面積的逐漸減小，電池轉(zhuǎn)換效率將逐漸提升。這是因?yàn)楸畴姌O所使用漿料中的鋁含量非常少，不利于硅片背表面的鈍化，增加了漏電流。電池在燒結(jié)過程中，在背電場(chǎng)與背電極重疊處，漿料中的有機(jī)溶液不易揮發(fā)，導(dǎo)致Rs升高，Voc下降，Eff偏低。而背電極的主要作用是收集并導(dǎo)出電流，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，當(dāng)背電極面積只占整個(gè)硅片表面的1%、背表面全部電極覆蓋時(shí)的暗電流僅占背表面全部背金屬覆蓋時(shí)的5%時(shí)，有利于減小背表面復(fù)合速率。

總體來說，鋁背場(chǎng)與背電極重疊面積越大，Rs越大，Voc會(huì)隨之下降。隨著背電極重疊面積的逐漸減小，鈍化層的接觸面積越來越大，背表面復(fù)合越來越少。而鋁漿在背場(chǎng)覆蓋的面積越大，Eff也會(huì)越高。另外，除背電極外，所有鋁背場(chǎng)必須經(jīng)過激光開槽，目的是讓鈍化介質(zhì)膜與襯底之間形成合金層，即形成背面局域點(diǎn)接觸。在這種背面局域點(diǎn)接觸的電池結(jié)構(gòu)中，激光區(qū)域以點(diǎn)開槽的形式存在，所以只有這些區(qū)域才具有背電場(chǎng)的作用。除了激光開槽區(qū)域外，剩余區(qū)域是經(jīng)過鈍化的背表面場(chǎng)。經(jīng)過鈍化的背表面場(chǎng)可以降低這個(gè)區(qū)域的表面復(fù)合速率，提升Voc。但是未經(jīng)過激光開槽的區(qū)域不能產(chǎn)生光生載流子的加速作用，所以，激光開槽的開孔率和虛實(shí)比是加速光生載流子在背表面場(chǎng)傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。

2.5 燒結(jié)工藝與空洞率對(duì)電池性能的影響

硅片經(jīng)過絲網(wǎng)印刷后，需要進(jìn)行燒結(jié)形成歐姆接觸。高質(zhì)量的歐姆接觸意味著良好的接觸性能和較低的空洞率。因此需尋找一個(gè)合適的燒結(jié)溫度以匹配激光開槽與鋁漿填充率。為對(duì)比不同燒結(jié)溫度對(duì)電池電性能的影響，選取了5組硅片，每組硅片500片；選用最佳激光工藝參數(shù)進(jìn)行硅片背面的激光開槽，然后選取5個(gè)不同燒結(jié)溫度(包括預(yù)燒區(qū)溫度和峰值區(qū)溫度)進(jìn)行快速燒結(jié)；將燒結(jié)完成后的硅片制備成5組PERC太陽電池樣品，樣品編號(hào)為a、b、c、d、e。實(shí)驗(yàn)采用科隆威PV-HF1050型燒結(jié)爐，鋁漿采用杭州正銀RS2330B30型鋁漿。不同燒結(jié)溫度時(shí)電池的電性能參數(shù)如表4所示。

由表4可知，預(yù)燒區(qū)溫度為650 ℃、峰值區(qū)溫度為770 ℃時(shí)的b組樣品的Eff最高。這說明此時(shí)的燒結(jié)溫度最優(yōu)。出于保護(hù)硅片背面氧化鋁鈍化層的目的，通常采用弱刻蝕性的玻璃體與粉徑更大、氧含量更高的鋁粉作為漿料的基礎(chǔ)配方。這種工藝配方最顯著的優(yōu)勢(shì)就是不會(huì)嚴(yán)重侵蝕鈍化層，同時(shí)可使鋁漿填充率上升，促進(jìn)鋁硅合金層的形成，抑制背場(chǎng)空洞的形成，增加鋁硅合金層厚度。鋁硅合金層的厚度會(huì)隨著燒結(jié)溫度的增加而增厚，在燒結(jié)過程中，鋁硅合金層隨燒結(jié)溫度變化的相圖，如圖5所示[17-18]。隨著鋁硅合金層厚度的逐漸增加，少數(shù)載流子復(fù)合速率被降低，鋁背場(chǎng)收集載流子的能力得到提升。有研究表明，當(dāng)鋁硅合金層厚度大于2 μm時(shí)，可以有效降低少數(shù)載流子的復(fù)合速率[19]。

表4 不同燒結(jié)溫度時(shí)PERC太陽電池的電性能參數(shù)Table 4 Electrical performance parameters of PERC solar cells with different firing temperatures

常規(guī)單晶硅太陽電池?zé)Y(jié)時(shí)峰值區(qū)溫度一般是800～900 ℃，而 PERC太陽電池為了形成局域鋁背場(chǎng)，燒結(jié)時(shí)的峰值區(qū)溫度不能達(dá)到該溫度范圍，否則會(huì)導(dǎo)致其電性能下降。圖6是PERC太陽電池?zé)Y(jié)時(shí)的爐溫曲線。

結(jié)合表4與圖6可知，當(dāng)峰值區(qū)溫度逐漸增加后，電池體內(nèi)的歐姆接觸會(huì)得到優(yōu)化。但當(dāng)峰值區(qū)溫度增至800 ℃后，電池電性能呈逐漸下降趨勢(shì)。這是因?yàn)?)高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致SiNx鈍化層被燒穿，燒穿后其鈍化性能下降，導(dǎo)致電性能也隨之下降。峰值區(qū)溫度由750 ℃逐漸升溫至800 ℃時(shí)，Rs不斷增大，F(xiàn)F出現(xiàn)先升高、再降低的現(xiàn)象。這是因?yàn)榇穗A段中鋁漿很難侵蝕SiNx鈍化層，所以在預(yù)燒區(qū)溫度快速升溫的過程中，SiNx鈍化層起到保護(hù)硅基體不受鋁漿侵蝕的作用。但當(dāng)燒結(jié)溫度逐漸達(dá)到峰值后，背場(chǎng)鋁漿會(huì)局部燒穿SiNx與Al2O3鈍化層。隨后鋁漿進(jìn)一步接觸硅基體，會(huì)形成額外的電流通道。2)峰值區(qū)溫度由750 ℃升溫至800 ℃時(shí)，鋁漿填充率也在不斷下降，溫度越高，燒結(jié)越充分，鋁與硅之間的相互滲透越徹底，但當(dāng)鋁硅合金層區(qū)域遠(yuǎn)超過鋁漿可填充區(qū)域時(shí)，增加了空洞形成的幾率。

當(dāng)峰值區(qū)溫度為750 ℃時(shí)，電池體內(nèi)未形成良好的歐姆接觸，導(dǎo)致d組樣品的Rs高達(dá)2.348 mΩ，F(xiàn)F也最低。當(dāng)燒結(jié)溫度逐漸增加后，通過與燒結(jié)時(shí)間合理匹配，最終c組樣品的FF比e組樣品的高0.17%，Rs低0.116 mΩ。當(dāng)背激光圖形和背激光工藝參數(shù)完全相同時(shí)，隨著燒結(jié)溫度逐漸增加，會(huì)使鋁硅接觸面積增大，直接降低橫向串聯(lián)電阻，間接降低接觸電阻。通過分析FF與Isc、Voc之間此消彼長的關(guān)系后可以發(fā)現(xiàn)，770 ℃是峰值區(qū)溫度的最佳設(shè)置，燒結(jié)后的電池轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)22.182%。

高溫?zé)Y(jié)易導(dǎo)致鋁漿填充率下降，為驗(yàn)證鋁漿填充率與空洞產(chǎn)生的物理機(jī)制，對(duì)2個(gè)電池樣品(樣品g和樣品f)進(jìn)行SEM表征測(cè)試和EL、PL測(cè)試，具體如圖7、圖8所示。其中，樣品g的鋁漿填充率大于70%，樣品f的鋁漿填充率小于70%。

樣品g是低溫?zé)Y(jié)，鋁漿填充率大于70%，從EL圖及PL圖中可看出其表面光潔、幾乎無黑點(diǎn)；SEM測(cè)試結(jié)果表明，鋁漿填充了整個(gè)接觸區(qū)域，且鋁硅接觸性能會(huì)較好。樣品f是高溫?zé)Y(jié)，鋁漿填充率小于70%，其EL圖表現(xiàn)為電池表面有大量黑點(diǎn)出現(xiàn)，PL圖表現(xiàn)為電池體內(nèi)存在缺陷，從而引起局部少子壽命異常偏低；SEM圖顯示，硅片背表面局域接觸區(qū)產(chǎn)生了大量空洞，這些空洞存在于激光開口的接觸區(qū)域，當(dāng)鋁漿不能完全填充接觸區(qū)域時(shí)，硅片中間位置未形成鋁硅合金，導(dǎo)致電極導(dǎo)電能力很差。

通過SEM測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背面某個(gè)位置出現(xiàn)空洞后，其附近區(qū)域很容易連續(xù)出現(xiàn)空洞，甚至出現(xiàn)接觸處大部分都是空洞的情況。這是因?yàn)殇X硅合金層未形成良好的共熔，與接觸區(qū)域產(chǎn)生了較多空隙，這些空隙的高度越高、長度越長，就意味著背場(chǎng)的漏電通道越大，歐姆接觸越差。當(dāng)鋁漿無法填充進(jìn)這些空隙時(shí)，背場(chǎng)鋁漿將無法完全覆蓋鋁背場(chǎng)。隨著空隙越深，空洞越大，鋁硅合金層將變?yōu)樾ぬ鼗佑|而非歐姆接觸。這不僅會(huì)產(chǎn)生漏電通道，還會(huì)加劇此處少數(shù)載流子的復(fù)合速率，直接導(dǎo)致Voc異常偏低。

根據(jù)柯肯達(dá)爾效應(yīng)可知，由于Si跟Al這2種原子的擴(kuò)散系數(shù)不同，在合金形成的過程中產(chǎn)生的缺陷融合在一起會(huì)形成空洞，取代了鋁硅合金層。隨著峰值區(qū)溫度的不斷升高，硅基底中的硅向鋁層的擴(kuò)散速度加快，同時(shí)伴隨著摻雜濃度及結(jié)深的增加[20]。在峰值區(qū)完成燒結(jié)后，會(huì)經(jīng)過降溫階段，當(dāng)溫度降至共晶狀態(tài)時(shí)，鋁硅合金層中的硅無法及時(shí)返回局域接觸位置，會(huì)減少激光局域開口位置的硅元素。最終，激光局域接觸位置因未形成鋁硅合金層而產(chǎn)生空洞[21-25]。為抑制空洞的形成，可以先固定燒結(jié)時(shí)峰值區(qū)溫度不變，然后通過延長降溫速率減少空洞的產(chǎn)生[26]。這是因?yàn)樵跓Y(jié)過程中，鋁含量小于硅含量，硅很難持續(xù)向鋁硅合金層進(jìn)行擴(kuò)散，因此此方法可以減少空洞產(chǎn)生的幾率[27-28]。而且通過合理匹配背激光工藝與燒結(jié)工藝，可以實(shí)現(xiàn)100%鋁漿填充率[29]。

3 結(jié)論

本文通過采用控制變量法，研究了產(chǎn)業(yè)化PERC太陽電池中激光開槽的工藝參數(shù)對(duì)電池電性能的影響，并得出了不同工藝參數(shù)與轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系，探討了燒結(jié)過程對(duì)PERC太陽電池性能的影響及背電極電阻對(duì)電池電性能的影響，結(jié)果表明：

1)鋁硅合金層的復(fù)合速率增大易導(dǎo)致Voc偏低；而鋁硅合金層厚度逐漸增加有利于形成良好的歐姆接觸；鋁漿完全覆蓋鋁硅合金層使電池的Rs降低，F(xiàn)F提高。

2)減少背面接觸面積和背接觸電阻，有助于降低鋁硅合金層復(fù)合速率和接觸電阻，從而提高電池的Isc和Voc。

3)降低燒結(jié)時(shí)峰值區(qū)溫度、延長降溫速率、提高預(yù)燒區(qū)溫度，會(huì)獲得更低的接觸電阻。

4)小中心間距和大接觸面積會(huì)得到低接觸電阻，大中心間距和小接觸面積會(huì)得到低背表面復(fù)合速率。需要權(quán)衡FF與Isc、Voc之間此消彼長的關(guān)系，合理設(shè)計(jì)背表面場(chǎng)的接觸面積與中心間距，最終實(shí)現(xiàn)低接觸電阻和低背表面復(fù)合速率。