“SE+PERC”單晶硅太陽電池制絨工藝中微觀絨面的研究

陳素素，閆會珍，劉 苗，張軍杰，李文濤

(晶澳太陽能有限公司，邢臺 055550)

0 引言

為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，光伏發(fā)電作為一種重要的可再生清潔能源利用方式，在我國的應(yīng)用將越來越廣泛。作為光伏發(fā)電的核心部件，近年來太陽電池的發(fā)展迅速，其中，單晶硅太陽電池憑借光電轉(zhuǎn)換效率高、性能好等優(yōu)勢一直占據(jù)著絕大多數(shù)的市場份額[1]。

單晶硅片表面的織構(gòu)化程度可直接影響其對太陽光的反射率，從而影響單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。硅片表面的織構(gòu)化是利用低濃度的NaOH溶液腐蝕硅片正面和背面，從而在硅片正面和背面形成金字塔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不但能增加太陽電池正面的光吸收率，還能將一次反射出去的太陽光再次反射回太陽電池內(nèi)部，實現(xiàn)二次吸收[2]，進而增大太陽電池的光生電流，提升太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而硅片背面的織構(gòu)化可以為后續(xù)的背鈍化工序做準備。

近年來，隨著制絨添加劑的普及，硅片表面的微觀絨面及制絨工藝的時間均得到了較大改善，微觀絨面上的金字塔尺寸由7 μm降至3 μm左右。對于硅片表面的織構(gòu)化而言，小而均勻的金字塔結(jié)構(gòu)可比大金字塔結(jié)構(gòu)擁有更多的吸光面積，從而可提升太陽電池的光吸收率。

為提升單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，本文以采用選擇性發(fā)射極(SE)及鈍化發(fā)射極和背接觸(PERC)技術(shù)的單晶硅太陽電池(即“SE+PERC”單晶硅太陽電池)為例，在不增加任何成本的前提下，通過對該太陽電池制絨工藝中的工序內(nèi)容進行優(yōu)化，從而得到小而均勻的金字塔結(jié)構(gòu)，并對由不同金字塔尺寸制備的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的性能進行了測試。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗儀器

硅片制絨后的微觀結(jié)構(gòu)由復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司生產(chǎn)的ProX能譜一體機進行掃描；硅片制絨后的反射率由系科光電科技(上海)有限公司生產(chǎn)的REF300反射儀進行測試；硅片制絨前、后的減重數(shù)據(jù)由高精度電子天平進行測量；成品太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率由德國HALM公司生產(chǎn)的高精度I-V測量系統(tǒng)測量。

1.2 實驗樣品處理及實驗過程設(shè)計

實驗硅片采用晶澳太陽能有限公司生產(chǎn)的從同一根硅棒上切割的尺寸為158 mm×158 mm的單晶硅片，硅片的電阻率范圍為0.4～1.1 Ω·cm，硅片厚度為165～175 μm。

單晶硅片的制絨工藝流程如圖1所示。本實驗通過改變制絨工藝流程中的某個工序的內(nèi)容，得到了9種不同的單晶硅片樣品；然后針對某個樣品改變的工序進行相應(yīng)的測試；最后將這9種硅片樣品在相同制備條件下，按照“SE+PERC”太陽電池的制備流程制成“SE+PERC”太陽電池，并對制備的太陽電池的性能進行測試。

圖1 單晶硅片的制絨工藝流程Fig. 1 Texturing process of mono-silicon wafers

9種單晶硅片樣品均僅改變制絨工藝中某一道工序的內(nèi)容，其他工序不變。9種樣品改變的工序內(nèi)容分別為：

1)樣品1：粗拋時低減重；

2)樣品2：粗拋時高減重；

3)樣品3：采用低濃度的制絨添加劑；

4)樣品4：采用高濃度的制絨添加劑；

5)樣品5：采用高濃度的NaOH溶液；

6)樣品6：采用低濃度的NaOH溶液；

7)樣品7：采用不同的制絨時間；

8)樣品8：制絨槽中排出的溶液量(下文簡稱為“定排”)小于補加進去的溶液量(下文簡稱為“補加”)；

9)樣品9：定排等于補加。

采用相應(yīng)儀器對這9種制絨后的硅片樣品進行制絨前、后的減重數(shù)據(jù)測量，微觀絨面掃描及反射率測試，并收集數(shù)據(jù)進行分析研究。

2 實驗結(jié)果與分析

由于樣品1和樣品2采用的NaOH溶液的濃度和溫度均相同，因此樣品2粗拋時若要實現(xiàn)高減重需增加拋光時間。將樣品1的拋光時間設(shè)為30 s，樣品2的拋光時間設(shè)為180 s，二者的減重測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，樣品1的減重為0.05 g，樣品2的減重為0.30 g。

圖2 樣品1和樣品2的減重測試結(jié)果Fig. 2 Results of weight loss test of sample 1 and sample 2

為分析粗拋時減重高低對金字塔尺寸的影響，對樣品1和樣品2的金字塔尺寸進行測試，測試結(jié)果如圖3所示。其中，圖中的槽次指制絨槽的使用次數(shù)，制絨槽中的腐蝕液一共可使用400次，本文選取制絨槽的前4次(1槽次～4槽次)和后面的100槽次～400槽次使用時的情況為例進行分析，以便于研究不同槽次時制絨槽中腐蝕液對金字塔尺寸的影響。

圖3 粗拋時不同減重下的樣品1和樣品2的金字塔尺寸Fig. 3 Pyramid size of sample 1 and sample 2 with different weight loss during rough polishing

雖然樣品1的減重小于樣品2的減重，但從圖3中可以看出，樣品1的金字塔尺寸大于樣品2的金字塔尺寸，這說明粗拋時減重越小，金字塔尺寸越大，粗拋時減重的大小與金字塔尺寸的大小成反比關(guān)系。這是因為對于低減重的單晶硅片而言，其表面切割形成的損傷層容易去除不干凈，導(dǎo)致表面存在“臺階”，而單晶硅片表面粗糙度差的位置在制絨過程中容易出現(xiàn)附著成核的情況，形成的金字塔尺寸也會較大。文獻[3]認為，制絨過程中的化學(xué)反應(yīng)一般是先從晶體硅表面的缺陷和雜質(zhì)處開始，而已去除損傷層的單晶硅片表面的缺陷和雜質(zhì)較少。因此，隨著反應(yīng)過程的進行，減重小的單晶硅片表面容易形成金字塔尺寸較大的大絨面，而減重大的單晶硅片表面則會形成金字塔尺寸較小的小絨面。

在制絨工藝中，制絨添加劑的濃度越低，意味著NaOH溶液的濃度越高。因此，樣品3～樣品6均可以認為是在制絨工藝中僅改變了制絨添加劑的濃度，而其他工序保持不變。不同制絨添加劑濃度和不同NaOH溶液濃度時的金字塔尺寸如圖4、圖5所示。

圖4 不同制絨添加劑濃度時的金字塔尺寸Fig. 4 Pyramids size of different texturing additives concentration

圖5 不同NaOH溶液濃度時的金字塔尺寸Fig. 5 Pyramids size of different NaOH solution concentration

從圖4、圖5可以看出，樣品3和樣品5的金字塔尺寸較大，這是因為制絨添加劑濃度越低，羥基(—OH)到達硅片表面的阻礙越小，越能促進腐蝕的進行，導(dǎo)致金字塔在硅片表面成核后快速成長，形成金字塔尺寸較大的大絨面。而樣品4和樣品6的金字塔尺寸相對較小，這是因為高濃度的制絨添加劑會阻礙—OH向腐蝕界面?zhèn)鬏敚鹱炙诠杵砻娉珊撕?，—OH的腐蝕速度緩慢，易形成金字塔尺寸較小的小絨面。但通過增加制絨添加劑濃度來實現(xiàn)金字塔尺寸較小的小絨面，效果也是有限的，當(dāng)制絨添加劑濃度高到一定程度后， 單晶硅片的各向異性減弱，粗拋作用增強，制絨工藝結(jié)束后會形成基本無金字塔結(jié)構(gòu)的絨面[4]。

對樣品7在不同制絨時間下的微觀形貌和反射率進行測試，得到其在不同制絨時間下的金字塔尺寸和反射率，分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同制絨時間下樣品7的金字塔尺寸Fig. 6 Pyramids size of sample 7 under different texture time

圖7 不同制絨時間下樣品7的反射率Fig. 7 Wafer reflectivity of sample 7 under different texture time

由圖6可知，隨著制絨時間的增加，在510 s以內(nèi)時，金字塔尺寸也隨之增大；但超過510 s之后，金字塔尺寸開始逐漸減?。唤鹱炙叽珉S制絨時間的變化近似正態(tài)分布。這是因為制絨時間過長會存在過腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致金字塔的尺寸反而減小。

由圖7可知，隨著制絨時間的增加，樣品7的反射率也隨之上升。

為了通過改善制絨時腐蝕液的新陳代謝量來改善腐蝕液的反應(yīng)活性，對定排和補加進行調(diào)整。在定排小于補加(即樣品8)和定排等于補加(即樣品9)的情況下，可分別得到制絨后的樣品的金字塔尺寸，具體如圖8所示。

圖8 在定排和補加不同狀態(tài)下得到的樣品的金字塔尺寸Fig. 8 Pyramids size of samples obtained in different alignment and supplementary states

從圖8可以看出，樣品8的金字塔尺寸大于樣品9的，這是因為在定排小于補加的情況下，制絨槽內(nèi)溶液的腐蝕產(chǎn)物硅酸鈉累積較多，溶液的粘稠度增加，若僅依靠制絨槽內(nèi)的溢流來排放多余的廢液，溶液的循環(huán)流動性會變差。因此，單晶硅片表面的腐蝕均勻性差，并且隨著制絨槽使用次數(shù)的累積，硅片表面的金字塔尺寸會越來越大。此外，當(dāng)腐蝕溶液中硅酸鈉的含量過高時，溶液的粘稠度增加，Si與—OH的反應(yīng)被遏制，NaOH溶液的腐蝕難以在單晶硅片表面形成理想的減反射絨面[5]。

而在定排等于補加的情況下，制絨槽內(nèi)的溶液量少，雖然溶液的液位較低，但可滿足浸沒需求，無溶液溢流現(xiàn)象，且溶液的循環(huán)較快，更新量較多，使溶液內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的累積量大幅減少，單晶硅片表面的腐蝕最勻速；同時，加快了單晶硅片表面反應(yīng)產(chǎn)物的脫離，NaOH溶液的自補量下降，溶液的活性變大，使單晶硅片表面的成核點較多，形成了金字塔尺寸較小的小絨面，并且隨著制絨槽使用次數(shù)的增加，絨面的穩(wěn)定性更好。因此，樣品9的絨面最穩(wěn)定，也是實際生產(chǎn)中追求的最佳狀態(tài)。

綜合上述幾個實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，制絨工藝在定排等于補加的基礎(chǔ)上，加大粗拋時的減重，降低NaOH溶液濃度或提高制絨添加劑濃度，均可在硅片表面形成小而均勻的金字塔結(jié)構(gòu)的絨面，如圖9所示。

圖9 小而均勻的金字塔結(jié)構(gòu)的絨面Fig. 9 Small and uniform pyramid-structured suede

在定排等于補加的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整粗拋時減重、制絨時間、NaOH溶液濃度及制絨添加劑濃度，制作得到不同金字塔尺寸的單晶硅片樣品，再將所有單晶硅片樣品制備成“SE+PERC”單晶硅太陽電池，然后通過測試得到不同金字塔尺寸時的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

表1 不同金字塔尺寸時的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能數(shù)據(jù)Table 1 Electrical performance data of “SE+PERC”mono-silicon solar cells with different pyramid sizes

由表1可知，在定排等于補加的基礎(chǔ)上，隨著金字塔尺寸的增大，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的Isc呈下降趨勢，Rs與IRev2均呈增大趨勢，這是因為擴散過程中金字塔頂部的摻雜較重、谷底的摻雜較弱，這種情況在金字塔尺寸較大的大絨面中較容易出現(xiàn)，而在金字塔尺寸較小的小絨面中很少出現(xiàn)。因此，金字塔尺寸較小時更有利于減小金屬電極的接觸電阻及太陽電池的IRev2

[2]，從而提升其Eta。

3 結(jié)論

本文通過對制絨工藝中的工序內(nèi)容進行調(diào)整，測試了調(diào)整后單晶硅片制絨面的金字塔尺寸，并對基于不同金字塔尺寸制備的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能進行了測試，得到以下結(jié)論：

1)粗拋時高減重更有利于形成金字塔尺寸較小的小絨面，同時更有利于去除硅片表面因切割形成的損傷層；

2)適當(dāng)提高制絨添加劑的濃度或降低NaOH溶液的濃度，均有助于減緩腐蝕反應(yīng)速度，形成金字塔尺寸較小的小絨面；

3)制絨時間與金字塔尺寸之間的關(guān)系呈近似正態(tài)分布；

4)在制絨槽排出的溶液量等于補加進去溶液量的情況下，溶液的新陳代謝較快，腐蝕反應(yīng)較為均勻，絨面的金字塔尺寸較小且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；

5)在制絨槽排出的溶液量等于補加進去溶液量的情況下，由小金字塔尺寸硅片制備的“SE+PERC”單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率更高。