激光參數(shù)對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響

韋 瑤，黃紅娜，劉 旭，呂鵬飛，李嚴(yán)明

(晶澳(揚(yáng)州)太陽能科技有限公司，揚(yáng)州 225000)

0 引言

太陽能作為資源最豐富、清潔、具有巨大開發(fā)潛力的一種可再生能源，成為目前能源研究熱點(diǎn)之一。光伏發(fā)電技術(shù)是太陽能最主要的應(yīng)用技術(shù)之一，作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率的提升一直是行業(yè)發(fā)展的研究重點(diǎn)。

近幾年，鈍化發(fā)射極和背接觸技術(shù)(passivated emitter and rear contact，PERC)疊加選擇性發(fā)射極(selective emitter，SE)技術(shù)的產(chǎn)品成為光伏行業(yè)的主流產(chǎn)品[1]。截至2019年底，“SE+PERC”太陽電池的市場占有率達(dá)到70%[2]。

SE技術(shù)是在金屬柵線與硅片接觸部位及其附近進(jìn)行高濃度摻雜，而在電極之外的區(qū)域進(jìn)行低濃度摻雜[3]。這種結(jié)構(gòu)不僅可以降低高濃度摻雜區(qū)域太陽電池的串聯(lián)電阻[4]，提高填充因子，還能降低太陽電池少數(shù)載流子的復(fù)合，提高其短路電流和開路電壓[5]；同時(shí)，低濃度摻雜還有利于實(shí)現(xiàn)更好的鈍化效果[6]。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)SE技術(shù)的工藝包括離子注入法、氧化物掩膜法和激光摻雜法等[7]，其中，被光伏行業(yè)廠商大規(guī)模應(yīng)用的工藝為激光摻雜法，因?yàn)樵摴に囘^程較為簡單，只需要在常規(guī)PERC太陽電池生產(chǎn)線上增加1個(gè)工序就能夠?qū)崿F(xiàn)SE技術(shù)。激光是激光摻雜法中最為重要的影響因素，激光參數(shù)選擇及其與現(xiàn)場其他工序的匹配性問題成為業(yè)內(nèi)必要的研究課題。

本文在標(biāo)準(zhǔn)的“SE+PERC”單晶硅太陽電池生產(chǎn)線上，通過改變SE激光摻雜設(shè)備的激光功率、激光頻率和激光掃描速度這3個(gè)影響因素，分析了進(jìn)行SE激光摻雜處理時(shí)主要參數(shù)變化對硅片及“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)儀器

使用的試驗(yàn)儀器有四探針方阻測試儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、Mirco-Vu視覺測量儀、HALM電性能測試儀。

1.2 試驗(yàn)樣品及設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用p型直拉摻鎵單晶硅片作為試驗(yàn)樣品，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，厚度為170 μm，電阻率范圍為0.4～1.1 Ω·cm。

在標(biāo)準(zhǔn)的“SE+PERC”單晶硅太陽電池生產(chǎn)線上，對硅片樣品進(jìn)行制絨清洗、擴(kuò)散工序處理。SE激光摻雜設(shè)備采用蘇州邁為科技股份有限公司生產(chǎn)的激光器，通過改變SE激光摻雜設(shè)備的激光功率、激光頻率、激光掃描速度這3個(gè)參數(shù)，對擴(kuò)散后的硅片樣品進(jìn)行SE激光摻雜處理；然后再對經(jīng)過SE激光摻雜處理后的不同樣品進(jìn)行濕刻→氧化→正、背面鈍化→激光開槽→絲網(wǎng)印刷等一系列工序的加工處理，制成“SE+PERC”單晶硅太陽電池。

試驗(yàn)中，利用四探針方阻測試儀分別測試硅片擴(kuò)散后和激光摻雜后的方阻值，利用Mirco-Vu視覺測試儀和SEM檢測硅片的絨面微觀結(jié)構(gòu)，利用HALM電性能測試儀檢測成品“SE+PERC”單晶硅太陽電池的各項(xiàng)電性能數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

SE激光摻雜設(shè)備的激光通過有固定大小的掩膜板形成光斑，目前“SE+PERC”單晶硅太陽電池生產(chǎn)線使用的激光光斑為120 μm×120 μm的正方形。通過改變SE激光摻雜設(shè)備的激光功率、激光頻率、激光掃描速度這3個(gè)參數(shù)可影響激光光斑的重疊率。激光光斑重疊示意圖如圖1所示，圖中：X為激光光斑的重疊率；L為激光光斑的邊長，μm；S為開始打一個(gè)激光光斑到開始打下一個(gè)激光光斑的時(shí)間內(nèi)激光前進(jìn)的距離，μm。

圖1 激光光斑重疊示意圖Fig. 1 Schematic diagram of laser spots overlap

激光光斑重疊率的計(jì)算式為：

其中，開始打一個(gè)激光光斑到開始打下一個(gè)激光光斑的時(shí)間內(nèi)激光前進(jìn)的距離可表示為：

式中：a為實(shí)際距離系數(shù)，即距離的修正理論值與實(shí)際值之間的差異，通常a=1；v為激光掃描速度，mm/s；f為激光頻率，kHz。

設(shè)同一塊硅片SE激光摻雜處理前、后的方阻差值為ΔY，其計(jì)算式為：

式中：Y1為擴(kuò)散后、激光摻雜前硅片的方阻值，Ω；Y2為激光摻雜后激光光斑處的硅片的方阻值，Ω。

本試驗(yàn)中，每個(gè)試驗(yàn)條件下各選取5片硅片樣品進(jìn)行方阻差值和熔融小球直徑(測試區(qū)域?yàn)榧す夤獍咧丿B和不重疊區(qū)域的平均值)的計(jì)算；然后選取500塊成品“SE+PERC”單晶硅太陽電池進(jìn)行電性能計(jì)算分析，電性能參數(shù)包括短路電流Isc、開路電壓Voc、填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率Eta。

本試驗(yàn)經(jīng)過前期的預(yù)試驗(yàn)并在保證“SE+PERC”單晶硅太陽電池較高光電轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，選取的激光功率范圍為25～35 W，激光頻率范圍為200～300 kHz，激光掃描速度范圍為12000～23500 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光功率對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響

當(dāng)SE激光摻雜設(shè)備的激光頻率為200 kHz、激光掃描速度為23500 mm/s時(shí)，設(shè)定激光功率分別為25、30、35 W。此條件下，激光功率對硅片各參數(shù)的影響如表1所示，激光功率對激光光斑形貌及硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)的影響分別如圖2、圖3所示。表中：R為熔融小球直徑，nm。

表1 激光功率對硅片各參數(shù)的影響Table 1 Influence of laser power on the each parameters of silicon wafer

圖2 激光功率對激光光斑形貌的影響Fig. 2 Influence of laser power on laser spot morphology

圖3 激光功率對硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig. 3 Influence of laser power on the textured microstructure of silicon wafer

從表1可以看出：激光功率的改變不影響激光光斑的重疊率。隨著激光功率的增加，硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值(即同一片硅片SE激光摻雜處理前、后的方阻差值)的平均值增大。由于磷原子在熔融態(tài)硅中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于其在固態(tài)硅中的[8]，當(dāng)激光獲得更大能量時(shí)，可以將更多磷硅玻璃(PSG)死層中的磷原子往更深的位置推進(jìn)[9]，使SE區(qū)域摻雜磷原子濃度更高，硅片的方阻值會更小，從而增強(qiáng)硅片與柵線的歐姆接觸，提高“SE+PERC”單晶硅太陽電池的填充因子。

從圖2可以看出：不同激光功率下的激光光斑亮度有較為明顯的變化，激光功率為35 W時(shí)的激光光斑亮度最亮、最均勻，且與未進(jìn)行激光摻雜處的分界線較為明顯；而在25 W和30 W的激光功率下，激光光斑亮度差異較??；當(dāng)激光功率為25 W時(shí)，激光光斑的均勻性最差。

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，激光光斑越亮，光斑所在位置的磷原子摻雜濃度越高，與未進(jìn)行激光摻雜處的摻雜濃度相差越大，即硅片的方阻差值越大。表1中硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值平均值隨激光功率的變大而變大，圖2中激光光斑亮度隨激光功率的變大而變亮，這兩個(gè)結(jié)果相吻合。

結(jié)合表1和圖3可以看出：激光功率越大，硅片絨面上的金字塔塔尖形成的熔融小球直徑越大，說明激光會對硅片絨面金字塔結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，激光功率越大，絨面金字塔結(jié)構(gòu)的損傷越大，從而會影響“SE+PERC”單晶硅太陽電池的各項(xiàng)電性能參數(shù)。

激光功率對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響如表2所示。

從表2可以看出：激光功率為25 W和30 W時(shí)，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率相等；激光功率為35 W時(shí)，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率略高出0.02%，填充因子有較為明顯的提升、短路電流降低。這是因?yàn)檩^大的激光功率可使SE區(qū)域的摻雜磷濃度更高，改善柵線與硅片的接觸，接觸電阻變小，從而提升填充因子，但過大的激光功率具有更多的能量，會破壞硅片絨面金字塔結(jié)構(gòu)，降低硅片表面的陷光效果，從而影響“SE+PERC”單晶硅太陽電池的短路電流。

表2 激光功率對“SE+PERC”單晶硅太陽電池 電性能的影響Table 2 Influence of laser power on the electrical performances of “SE+PERC” mono-Si solar cells

2.2 激光頻率對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響

當(dāng)SE激光摻雜設(shè)備的激光功率為30 W、激光掃描速度為23500 mm/s時(shí)，設(shè)定激光頻率分別為200、250、300 kHz。此條件下，激光頻率對硅片各參數(shù)的影響如表3所示，激光頻率對激光光斑形貌及硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)的影響分別如圖4、圖5所示。

圖4 激光頻率對激光光斑形貌的影響Fig. 4 Influence of laser frequency on the laser spot morphology

表3 激光頻率對硅片各參數(shù)的影響Table 3 Influence of laser frequency on the each parameters of silicon wafer

從表3可以看出：隨著激光頻率的增加，激光光斑的重疊率變大，硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值平均值逐漸減小。更高的激光光斑重疊率并未帶來更大的硅片方阻差值，這是因?yàn)榧す忸l率增大也說明單個(gè)激光光斑的能量減小，使磷原子獲得的激光能量減少，PSG死層中的磷原子只有較少部分被激活，導(dǎo)致激光光斑所在位置的磷原子摻雜濃度減小，使硅片的方阻值變大，因此未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值是減小的。

從圖4可以看出：不同激光頻率下的激光光斑亮度有較為明顯的變動，激光頻率越大，激光光斑的亮度越暗。該結(jié)果與表3中硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值平均值隨激光頻率增大而減小的結(jié)果相吻合。

結(jié)合表3和圖5可以看出：激光頻率越大，硅片絨面金字塔塔尖形成的熔融小球直徑越小。說明較大的激光頻率不會使硅片絨面金字塔塔尖結(jié)構(gòu)遭到較大的破壞且有較小的摻雜量。

圖5 激光頻率對硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig. 5 Influence of laser frequency on textured microstructure of silicon wafer

激光頻率對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響如表4所示。

表4 激光頻率對“SE+PERC”單晶硅太陽電池 電性能的影響Table 4 Influence of laser frequency on the electrical performances of “SE+PERC”mono-Si solar cells

從表4可以看出：隨著激光頻率的變大，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的短路電流、開路電壓和填充因子均有所降低，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率明顯下降。這是因?yàn)楣杵催M(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值減小，表明重?fù)教幍膿诫s濃度降低，使正面細(xì)柵線與硅片的歐姆接觸變差，串聯(lián)電阻變大，從而影響“SE+PERC”單晶硅太陽電池的各項(xiàng)電性能參數(shù)?？傮w體現(xiàn)為：隨著激光頻率增加，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降。

2.3 激光掃描速度對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響

當(dāng)SE激光摻雜設(shè)備的激光功率為30 W、激光頻率為200 kHz時(shí)，設(shè)定激光掃描速度分別為12000、16000、23500 mm/s。此條件下，激光掃描速度對硅片各參數(shù)的影響如表5所示，激光掃描速度對激光光斑形貌及硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)的影響分別如圖6、圖7所示。

表5 激光掃描速度對硅片各參數(shù)的影響Table 5 Influence of laser scanning speed on the each parameters of silicon wafer

圖6 激光掃描速度對激光光斑形貌的影響Fig. 6 Influence of laser scanning speed on the laser spot morphology

圖7 激光掃描速度對硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig. 7 Influence of laser scanning speed on the textured microstructure of silicon wafer

從表5可以看出：隨著激光掃描速度的變大，激光光斑的重疊率減小，硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值平均值減小。這是因?yàn)榧す夤獍咧丿B部分的磷原子比光斑不重疊部分的磷原子多接受一次激光能量的沖擊，由于激光掃描速度的改變，對單脈沖激光能量無影響且不影響激光與硅片的接觸時(shí)間，因此，硅片激光光斑重疊部分與未進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值增大；隨著激光光斑重疊率的增大，硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值平均值也是增大的。從圖6可以看出：不同激光掃描速度下的激光光斑亮度有較為明顯的變動；激光掃描速度為16000 mm/s時(shí)的激光光斑亮度最不均勻，明暗分界線較為明顯；激光掃描速度分別為12000 mm/s和23500 mm/s時(shí)，激光光斑亮度都較為均勻，但前者整體偏亮，后者整體偏暗。

結(jié)合表5和圖7可以看出：激光掃描速度越大，硅片絨面上激光光斑重疊區(qū)域的金字塔塔尖形成的熔融小球直徑越小，說明激光對硅片絨面金字塔形貌的破壞越小。

激光掃描速度對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響如表6所示。

表6 激光掃描速度對“SE+PERC”單晶硅太陽電池 電性能的影響Table 6 Influence of laser scanning speed on the electrical performances of “SE+PERC” mono-Si solar cells

結(jié)合表6和圖7可以看出：當(dāng)激光掃描速度從23500 mm/s下降到16000 mm/s時(shí)，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的短路電流有較為明顯地減少，這是因?yàn)榧す夤獍咧丿B率的增大使金字塔結(jié)構(gòu)受破壞的程度增大，影響絨面的陷光結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光掃描速度降到12000 mm/s時(shí)，“SE+PERC”單晶硅太陽電池的短路電流和開路電壓皆降低，但填充因子略有增加，這是因?yàn)榧す鈷呙杷俣葹?2000 mm/s時(shí)，硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值增大，硅片重?fù)教幍姆阶柚底冃。构杵c柵線的歐姆接觸得到較大的改善，但較高的方阻差值勢必表明有著較高的摻雜濃度且絨面金字塔結(jié)構(gòu)遭到了更大的破壞，綜合表現(xiàn)為“SE+PERC”單晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的整體降低。

3 結(jié)論

本文通過改變選擇性發(fā)射極(SE)激光摻雜設(shè)備的激光功率、激光頻率和激光掃描速度這3個(gè)影響因素，對經(jīng)過SE摻雜處理后硅片的方阻差值、激光光斑形貌、硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)，以及“SE+PERC”單晶硅太陽電池的電性能等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性測試分析，得到以下結(jié)論：

1)激光光斑的重疊率與激光頻率和激光掃描速度有關(guān)，與激光功率無關(guān)；激光光斑重疊率隨著激光頻率的增大而增大，隨著激光掃描速度的增大而減小。

2)激光功率的增大和激光頻率的減小，都會加強(qiáng)單個(gè)激光光斑的能量，使磷硅玻璃(PSG)死層中更多的磷原子被激活到硅片內(nèi)部，得到更大的摻雜濃度，導(dǎo)致硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值平均值變大；激光掃描速度則不影響單個(gè)激光光斑的能量，通過改變激光光斑的重疊率可以影響摻雜濃度；激光掃描速度越小，硅片未進(jìn)行激光摻雜處與進(jìn)行激光摻雜處的方阻差值平均值越大。

需要注意的是，各激光參數(shù)對“SE+PERC”單晶硅太陽電池電性能的影響需綜合考慮摻雜濃度、硅片絨面微觀結(jié)構(gòu)，以及硅片與柵線歐姆接觸的情況，因此“SE+PERC”單晶硅太陽電池生產(chǎn)線需結(jié)合自身情況，選擇合適的SE激光摻雜設(shè)備并匹配合適的激光功率、激光頻率和激光掃描速度等參數(shù)。本研究結(jié)果對今后“SE+PERC”單晶硅太陽電池生產(chǎn)線選擇合適的SE激光參數(shù)具有一定的參考價(jià)值。