網(wǎng)版參數(shù)對(duì)“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池電性能影響的研究

劉 陽(yáng)，王麗婷，周嘯穎，舒振興，王守志，黃國(guó)平

(中節(jié)能太陽(yáng)能科技(鎮(zhèn)江)有限公司，鎮(zhèn)江 212132)

0 引言

隨著平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，降低太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本和提高其光電轉(zhuǎn)換效率成為光伏行業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要方法[1-3]。目前，PERC單晶硅太陽(yáng)電池是晶體硅太陽(yáng)電池的主流產(chǎn)品，正面電極柵線是該類太陽(yáng)電池的重要組成部分，負(fù)責(zé)收集并傳輸太陽(yáng)電池產(chǎn)生的光生電流，對(duì)其光電轉(zhuǎn)換效率具有至關(guān)重要的影響作用[4-6]；絲網(wǎng)印刷工藝憑借工藝成熟、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前制備工業(yè)化PERC單晶硅太陽(yáng)電池電極的主流工藝[7-9]。

為了進(jìn)一步提高PERC雙面單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，該類太陽(yáng)電池常與選擇性發(fā)射極(SE)技術(shù)相結(jié)合。初期的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池在絲網(wǎng)印刷環(huán)節(jié)采用參數(shù)為430-13(即網(wǎng)紗目數(shù)為430目、線徑為13 μm)的乳劑網(wǎng)版，但該網(wǎng)版印刷精度差、副柵線高寬比小、使用壽命短，且易造成堵網(wǎng)，引起虛印和斷柵等問(wèn)題，從而影響“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池的印刷品質(zhì)和電性能[10-11]。隨著網(wǎng)版技術(shù)的改進(jìn)，以非感光性材料——聚酰亞胺(PI)膜代替了在網(wǎng)版表面涂覆感光乳劑，該方式可提升網(wǎng)版的耐磨性和使用壽命，同時(shí)可改善印刷精度、降低斷柵率。為了進(jìn)一步降本增效，“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池的正面電極柵線開(kāi)始向精細(xì)化、復(fù)雜化、大高寬比方向發(fā)展，網(wǎng)版也開(kāi)始向高網(wǎng)紗目數(shù)、超細(xì)線徑方向發(fā)展[12]。網(wǎng)版參數(shù)為520-11(即網(wǎng)紗目數(shù)為520目、線徑為11 μm)的PI膜網(wǎng)版開(kāi)創(chuàng)了絲網(wǎng)印刷技術(shù)的新紀(jì)元，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)柵線(柵線寬度小于30 μm)印刷，減少了遮光面積，提升了副柵線高寬比。但目前針對(duì)網(wǎng)版參數(shù)為520-11的PI膜網(wǎng)版的網(wǎng)紗厚度、PI膜厚度及網(wǎng)版開(kāi)口寬度之間如何匹配的研究較少?；诖?，本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)紗厚度、PI膜厚度及網(wǎng)版開(kāi)口寬度匹配實(shí)驗(yàn)，研究不同匹配方案對(duì)“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池正面柵線銀漿耗量及電性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用同一批次的金剛線切割的太陽(yáng)能級(jí)摻硼p型單晶硅片，尺寸為166 mm×166 mm，厚度為170～175 μm，電阻率為0.5～1.5 Ω·cm。

在上述硅片基礎(chǔ)上制備“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池，主要工藝流程包括：1)去除硅片表面損傷層，制備減反射結(jié)構(gòu)；2)在POCl3氣氛下進(jìn)行P擴(kuò)散，形成p-n結(jié)；3) SE激光重?fù)诫s；4)背面堿刻蝕；5)正面熱氧化；6)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法背面沉積Al2O3/SiNx疊層鈍化膜；7)采用PECVD法正面沉積SiNx減反射膜；8)激光開(kāi)槽；9)絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)電極和電注入退火。其中，印刷正面電極的網(wǎng)版使用新型無(wú)網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版(網(wǎng)紗目數(shù)為520目、線徑為11 μm，張力為15 N)。

1.2 新型無(wú)網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版的制備

新型無(wú)網(wǎng)結(jié)網(wǎng)版的制備工藝流程包括：裁片→對(duì)網(wǎng)→覆膜→壓合→張網(wǎng)→激光切割→清洗→檢測(cè)→成品。本實(shí)驗(yàn)中的網(wǎng)版以PI膜代替感光乳劑，并利用精密激光器切割形成圖形，取代了傳統(tǒng)網(wǎng)版制作過(guò)程中的脫脂、涂布、曬版和顯影等工藝。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到不同的使用效果，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了a、b、c共3種規(guī)格的網(wǎng)版，網(wǎng)版總厚度(包括網(wǎng)紗厚度和PI膜厚度)分別為25、27和29 μm。在保證印刷性的前提下，3種網(wǎng)版的使用效果有所不同，其中：a類網(wǎng)版的網(wǎng)紗厚度和PI膜厚度均較小，這樣印刷柵線時(shí)的透墨量會(huì)較小，印刷的柵線較細(xì)，相應(yīng)的銀漿耗量會(huì)較低；b類網(wǎng)版的PI膜厚度較高，印刷柵線時(shí)會(huì)有更好的塑形效果；c類網(wǎng)版的網(wǎng)紗厚度和PI膜厚度均較高，印刷的柵線較寬且具有更好的堆砌性，相應(yīng)得到的太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)較高。為了使3種規(guī)格的網(wǎng)版達(dá)到最佳使用效果，本實(shí)驗(yàn)對(duì)上述3種規(guī)格的網(wǎng)版進(jìn)行細(xì)化，并在同種規(guī)格網(wǎng)版的網(wǎng)紗厚度和PI膜厚度不變的情況下，對(duì)網(wǎng)版開(kāi)口寬度進(jìn)行調(diào)整，共得到9種網(wǎng)版參數(shù)匹配方案，具體如表1所示。

表1 網(wǎng)版參數(shù)匹配方案Table 1 Matching schemes of parameters of screen

在采用不同匹配方案的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池的制備過(guò)程中，僅改變網(wǎng)版參數(shù)，其他工藝條件均保持一致。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器

采用Zate 3D顯微鏡觀察柵線的3D形貌、測(cè)量柵線的寬度和高度；利用電子天平測(cè)量單片太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量；利用電學(xué)性能測(cè)試儀HALM測(cè)試太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率Eta、填充因子FF、開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh等電性能參數(shù)；利用電致發(fā)光(EL)測(cè)試儀測(cè)試太陽(yáng)電池的EL特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 最佳網(wǎng)版開(kāi)口寬度的確定

按照表1中的網(wǎng)版參數(shù)匹配方案分別制備9種“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池，編號(hào)分別為A1～A3、B1～B3、C1～C3，并將其分別歸類為A類太陽(yáng)電池、B類太陽(yáng)電池、C類太陽(yáng)電池；然后從9種“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池中隨機(jī)各取1片，分別在太陽(yáng)電池4個(gè)角及中心位置選取1個(gè)點(diǎn)，測(cè)量各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的柵線寬度和高度，并對(duì)5個(gè)點(diǎn)的柵線寬度和高度求平均值，利用該平均值計(jì)算高寬比，用于判斷網(wǎng)版開(kāi)口寬度對(duì)柵線寬度、高度和高寬比的影響。采用不同網(wǎng)版參數(shù)匹配方案時(shí)9種“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池的柵線寬度、高度和高寬比的變化曲線如圖1所示。

圖1 不同網(wǎng)版參數(shù)匹配方案時(shí)9種“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池的柵線寬度、高度和高寬比的變化曲線Fig. 1 Variation curves of grid line width，height and aspect ratio of nine kinds of“SE+PERC”bifacial mono-silicon solar cells with different screen parameters matching schemes

從圖1可以看出，在網(wǎng)版總厚度相同的情況下：柵線的寬度隨著網(wǎng)版開(kāi)口寬度的增加而增加；而柵線高度的變化受網(wǎng)版開(kāi)口寬度的影響較小，均在0.15 μm范圍內(nèi)波動(dòng)；柵線的高寬比隨著網(wǎng)版開(kāi)口寬度的增加而逐漸降低。文獻(xiàn)[4, 9-10]的研究發(fā)現(xiàn)：在其他網(wǎng)版參數(shù)均相同的情況下，網(wǎng)版開(kāi)口寬度越大，銀漿越容易透過(guò)網(wǎng)孔，越有利于銀漿的轉(zhuǎn)移，銀漿的透墨量也就越大，而透墨量與網(wǎng)版柵線的寬度呈正比關(guān)系，即透墨量越大，柵線寬度越大。在網(wǎng)版開(kāi)口寬度相同的情況下，通過(guò)對(duì)比A3、B2和C1太陽(yáng)電池可以發(fā)現(xiàn)，柵線高度主要受網(wǎng)版總厚度的影響，其隨著網(wǎng)版總厚度的增加而增加。這是因?yàn)殡S著網(wǎng)版總厚度的增加，銀漿的轉(zhuǎn)移量增多，墨層厚度隨之提高，柵線高度也相應(yīng)提高。此外，在網(wǎng)版開(kāi)口寬度相同的情況下，隨著網(wǎng)版總厚度的增加，柵線的寬度也隨之變寬，這是因?yàn)?，在網(wǎng)版開(kāi)口寬度相同的情況下，隨著網(wǎng)版總厚度的增加，銀漿與網(wǎng)版表面的接觸幾率變大，增加了銀漿在絲網(wǎng)邊緣粘附的幾率，使銀漿鋪展的幾率變大，造成柵線寬度增大，而且隨著網(wǎng)版總厚度繼續(xù)增加，銀漿轉(zhuǎn)移量也隨之增加，導(dǎo)致銀漿出現(xiàn)了一定程度的坍塌現(xiàn)象，從而使柵線寬度增加。

EL測(cè)試常用來(lái)判別太陽(yáng)電池的質(zhì)量，其測(cè)試原理是在太陽(yáng)電池兩端施加反向電壓，注入非平衡態(tài)載流子后，非平衡態(tài)載流子與電池內(nèi)部的載流子復(fù)合，從而產(chǎn)生光子，利用CCD 相機(jī)捕捉產(chǎn)生的光子并將其信息顯示在計(jì)算機(jī)上，由此發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池的缺陷。

在太陽(yáng)電池制備過(guò)程中，存在斷柵的太陽(yáng)電池的EL圖像如圖2a所示。而正常太陽(yáng)電池的EL圖像均勻、明亮，如圖2b所示，這說(shuō)明材料本身無(wú)缺陷，符合硅料及太陽(yáng)電池的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)也說(shuō)明在太陽(yáng)電池制備前序工藝中不存在工藝污染的情況。

圖2 斷柵和正常太陽(yáng)電池的EL圖像Fig. 2 EL images of broken grid line and normal solar cells

不同網(wǎng)版總厚度下柵線的斷柵率隨網(wǎng)版開(kāi)口寬度的變化情況如圖3所示。

圖3 不同網(wǎng)版總厚度時(shí)柵線的斷柵率隨網(wǎng)版 開(kāi)口寬度的變化情況Fig. 3 Variation of the broken grid line ratio of grid lines with screen opening width under different total screen thicknesses

從圖3可以看出，當(dāng)網(wǎng)版總厚度一定時(shí)，柵線的斷柵率隨網(wǎng)版開(kāi)口寬度的減小而逐漸增加。當(dāng)A類太陽(yáng)電池(A1～A3)的網(wǎng)版開(kāi)口寬度減小至16 μm時(shí)，斷柵率為0.09%，超過(guò)了產(chǎn)線斷柵率的標(biāo)準(zhǔn)值(0.08%)；當(dāng)B類太陽(yáng)電池(B1～B3)的網(wǎng)版開(kāi)口寬度減小至17 μm時(shí)，斷柵率為0.12%，也超過(guò)了產(chǎn)線斷柵率的標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)C類太陽(yáng)電池(C1～C3)的網(wǎng)版開(kāi)口寬度減小至19 μm后，斷柵率為0.11%，同樣超過(guò)了產(chǎn)線斷柵率的標(biāo)準(zhǔn)值。斷柵率超過(guò)產(chǎn)線斷柵率的標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)嚴(yán)重影響柵線的印刷效果，且斷柵會(huì)增加?xùn)啪€的接觸電阻，從而影響太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。為了降低斷柵率，產(chǎn)線往往會(huì)加大印刷壓力，且增加擦拭網(wǎng)板的頻率，但這一方式不僅會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)線的產(chǎn)能，還會(huì)降低網(wǎng)版的使用壽命，當(dāng)印刷壓力過(guò)大時(shí)還可能造成網(wǎng)版繃壞。因此，在不改善銀漿印刷性的條件下，僅依靠減小柵線寬度來(lái)降低單片太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量并不能達(dá)到節(jié)約成本的目的，而要綜合考慮印刷時(shí)柵線的斷柵情況。

通過(guò)綜合分析絲網(wǎng)印刷時(shí)柵線的高寬比和EL圖像的斷柵情況，從而確定a、b和c這3種規(guī)格網(wǎng)版的最佳網(wǎng)版開(kāi)口寬度分別為17、18和20 μm，即對(duì)應(yīng)a2、b2、c3的網(wǎng)版參數(shù)，后文依據(jù)這3種規(guī)格網(wǎng)版參數(shù)對(duì)應(yīng)制成A、B、C 3類“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池。

2.2 不同匹配方案時(shí)的銀漿耗量對(duì)比

理論上，太陽(yáng)電池的銀漿耗量增大會(huì)對(duì)其電性能起到積極作用，但會(huì)增大其成本，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，將單片太陽(yáng)電池的銀漿耗量作為印刷工藝的控制要點(diǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為測(cè)試A、B、C這3類“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量，每隔2 h從這3類太陽(yáng)電池中各選1片進(jìn)行正面柵線的銀漿耗量測(cè)量，然后取所有測(cè)量結(jié)果的平均值，作為該類太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量。3類太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量對(duì)比如圖4所示。

圖4 單片3類太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量對(duì)比Fig. 4 Comparison of front grid line silver paste consumption of a piece of solar cell for three types of solar cells

從圖4可以看出，不同網(wǎng)版參數(shù)對(duì)單片太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量有明顯影響。單片A、B、C 3類太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量分別為0.0584、0.0646和0.0699 g。采用a2網(wǎng)版參數(shù)制得的單片A類太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量比采用c3網(wǎng)版參數(shù)制得的單片C類太陽(yáng)電池的正面柵線的銀漿耗量節(jié)約11.5 mg，比采用b2網(wǎng)版參數(shù)制得的單片B類太陽(yáng)電池的節(jié)約了5.3 mg。在“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中，減少銀漿耗量可以明顯降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)收益；但從太陽(yáng)電池電性能的角度來(lái)說(shuō)，單片太陽(yáng)電池銀漿耗量的降低會(huì)影響柵線的接觸電阻，從而影響太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.3 不同網(wǎng)版參數(shù)下制備的“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池電性能對(duì)比

測(cè)試分別由a2、b2、c3網(wǎng)版參數(shù)制得的A、B、C 3類“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池的電性能，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 3類“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池的 電性能測(cè)試結(jié)果Fig. 5 Electrical performance test results of three kinds of “SE+PERC”bifacial mono-silicon solar cells

從圖5中可以看出：A類太陽(yáng)電池的Isc最高，為11.0739 A；FF最低，為81.69%；Eta最低，為22.808%。C類太陽(yáng)電池的Isc最低，為11.0702 A；FF最高，為82.29%；Eta最高，為22.961%；而這3類太陽(yáng)電池的Voc均無(wú)明顯變化。

Isc的大小是太陽(yáng)電池柵線處遮光面積增減的直觀體現(xiàn)[12]。比如：A類太陽(yáng)電池的柵線寬度最窄，使柵線處的遮光面積減少，光生載流子數(shù)量增加，其Isc得到提高；而C類太陽(yáng)電池的柵線寬度最大，柵線處的遮光面積也隨之增加，光生載流子數(shù)量相應(yīng)減少，因此其Isc最低。Voc的大小由p-n結(jié)和太陽(yáng)電池表面的復(fù)合速率共同決定，柵線寬度的增加不會(huì)對(duì)p-n結(jié)造成影響，但會(huì)直接影響太陽(yáng)電池表面復(fù)合速率，金屬與硅金屬化區(qū)域的能帶中存在較多的缺陷能級(jí)，這些缺陷能級(jí)的存在會(huì)充當(dāng)復(fù)合中心，導(dǎo)致復(fù)合電流的增大，從而影響Voc；而當(dāng)網(wǎng)版開(kāi)口寬度在3 μm之內(nèi)變化、柵線的寬度變化小于6 μm時(shí)，不會(huì)對(duì)Voc產(chǎn)生明顯影響。FF反映了太陽(yáng)電池材料的接觸性能，較低的柵線寬度會(huì)增加太陽(yáng)電池柵線的接觸電阻，從而使FF降低。A類太陽(yáng)電池的柵線不僅高寬比較小，而且虛印、斷柵現(xiàn)象較多，增加了柵線的接觸電阻，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池Rs較大，進(jìn)而導(dǎo)致FF減小，由于Isc的增長(zhǎng)量小于FF的減小量，從而使Eta降低。C類太陽(yáng)電池的柵線寬度較大，導(dǎo)致太陽(yáng)電池的遮光損失增大，但增大了柵線金屬化面積，使柵線電阻降低，Rs也隨之降低，進(jìn)而使FF增大，由于FF增長(zhǎng)量大于Isc和Voc的損失量，從而使Eta得到提升。

3 結(jié)論

本文研究了不同網(wǎng)紗厚度、PI膜厚度及網(wǎng)版開(kāi)口寬度對(duì)“SE+PERC”雙面單晶硅太陽(yáng)電池正面柵線銀漿耗量及電性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)單片太陽(yáng)電池正面柵線的銀漿耗量隨著網(wǎng)紗厚度、PI膜厚度及網(wǎng)版開(kāi)口寬度的增加而升高。

2)當(dāng)網(wǎng)紗厚度為17 μm、PI膜厚度為8 μm、網(wǎng)版開(kāi)口寬度為17 μm時(shí)：?jiǎn)纹?yáng)電池正面柵線的銀漿耗量最低，僅為0.0584 g；制得的太陽(yáng)電池的Isc最高，F(xiàn)F最低，Eta為22.808%；該匹配方案可最大限度地降低太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本。

3)當(dāng)網(wǎng)紗厚度為17 μm、PI膜厚度為10 μm、網(wǎng)版開(kāi)口寬度為18 μm時(shí)：?jiǎn)纹?yáng)電池正面柵線的銀漿耗量為0.0646 g，制得的太陽(yáng)電池的Eta為22.898%。

4)當(dāng)網(wǎng)紗厚度為19 μm、PI膜厚度為10 μm、網(wǎng)版開(kāi)口寬度為20 μm時(shí)：?jiǎn)纹?yáng)電池正面柵線的銀漿耗量為0.0699 g；印刷柵線寬度最寬，遮光損失增大，Isc最低，但柵線金屬化面積增大，使其電阻降低，F(xiàn)F增大，制得的太陽(yáng)電池的Eta最高，為22.961%；該匹配方案可最大限度地提升太陽(yáng)電池的Eta。