“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池氧化工藝研究

劉 苗，張建軍，張 永，許志衛(wèi)，李 景

(晶澳太陽(yáng)能有限公司，邢臺(tái) 055550)

0 引言

提升太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率是光伏領(lǐng)域的重要研究方向。目前，太陽(yáng)電池的PERC技術(shù)均已升級(jí)為“PERC+”技術(shù)，即“PERC+選擇性發(fā)射極(SE)”技術(shù)，采用該技術(shù)的“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池的制備流程如圖1所示。

圖1 “PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池的制備流程示意圖Fig. 1 Preparation process of“PERC+SE”mono-Si solar cell

對(duì)于SE激光摻雜，光伏行業(yè)內(nèi)通常是采用532 nm納秒脈沖激光器在銀柵線位置對(duì)擴(kuò)散后的硅片進(jìn)行重?fù)诫s，從而降低銀柵線與硅片的接觸電阻，避免出現(xiàn)非柵線區(qū)域低濃度摻雜，以及提升開路電壓和短路電流的同時(shí)降低填充因子的問題?！癙ERC+”技術(shù)的推廣使單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了0.2%～0.4%，但“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池在采用SE激光摻雜工序的過(guò)程中，激光會(huì)熔融磷硅玻璃層，在高溫下使磷向硅片推進(jìn)、擴(kuò)散，同時(shí)將部分區(qū)域的磷硅玻璃層完全破壞，尤其是金字塔塔尖區(qū)域的磷硅玻璃層很薄，因此更容易被破壞，從而露出太陽(yáng)電池底部的硅基。

SE激光摻雜工序之后，在不影響硅片正面的前提下，利用酸拋或堿拋光工藝去除硅片四周的p-n結(jié)，以防止硅片正面與背面導(dǎo)通，并通過(guò)對(duì)硅片背面進(jìn)行拋光增加其長(zhǎng)波響應(yīng)，提升入射光的利用率。在酸拋或堿拋光環(huán)節(jié)，如果生產(chǎn)線使用常規(guī)的采用HF/HNO3刻蝕液的鏈?zhǔn)綕穹涛g設(shè)備，由于硅片在刻蝕槽內(nèi)是以“水上漂”的方式運(yùn)行，同時(shí)有水膜保護(hù)，則裸露處的硅片不容易接觸到刻蝕液，避免了出現(xiàn)SE激光摻雜區(qū)域裸露硅被腐蝕的問題。而在采用槽式機(jī)的堿拋光工藝中硅片完全浸沒在刻蝕液中，強(qiáng)堿溶液會(huì)刻蝕整個(gè)硅片，再加上SE激光摻雜區(qū)域因絨面發(fā)生變化，過(guò)腐蝕現(xiàn)象在該區(qū)域更容易發(fā)生。為了解決此問題，需要在SE激光摻雜后，即在氧化環(huán)節(jié)，在硅片正面制備一層SiO2膜作為掩膜，從而保護(hù)硅片正面，防止在堿拋光過(guò)程中SE激光摻雜位置發(fā)生過(guò)腐蝕現(xiàn)象。對(duì)于SiO2膜的制備，行業(yè)內(nèi)目前主要有2種技術(shù)方案：一種是采用管式擴(kuò)散爐高溫快速制備SiO2膜；另一種是采用鏈?zhǔn)窖趸癄t，以略低于管式擴(kuò)散爐的溫度快速制備SiO2膜。本文從制備的SiO2膜厚度，氧化前、后和堿拋光后的方塊電阻變化，以及制得的“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池的電性能3方面對(duì)比了這2種設(shè)備的優(yōu)劣，以期對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備的選型提供一定參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料采用從同一根硅棒上由金剛線切割的p型單晶硅片，尺寸為158.75 mm×158.75 mm，電阻率為0.4～1.1 Ω·cm，厚度為165～175 μm。

1.2 試驗(yàn)儀器

采用納秒激光器進(jìn)行SE激光摻雜，采用四探針方阻測(cè)試儀測(cè)試硅片的方塊電阻，采用EMPro-PV橢偏儀測(cè)試SiO2膜厚度，采用Halm高精度I-V測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試成品太陽(yáng)電池的電性能。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣品分為2組，每組800片，均按照?qǐng)D1所示的“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池制備流程，采用相同機(jī)臺(tái)、相同配方完成至SE激光摻雜環(huán)節(jié)，然后樣品1采用管式擴(kuò)散爐制備SiO2膜，樣品2采用鏈?zhǔn)窖趸癄t制備SiO2膜，并對(duì)制備的2種SiO2膜的厚度，以及氧化環(huán)節(jié)前后和堿拋光環(huán)節(jié)后的方塊電阻進(jìn)行測(cè)試；最后將2種制備了SiO2膜的硅片完成“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池的制備，并收集2種太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)。

氧化環(huán)節(jié)2種設(shè)備的氧化工藝參數(shù)對(duì)比如表1所示。其中，管式擴(kuò)散爐[1]和鏈?zhǔn)窖趸癄t的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

表1 氧化環(huán)節(jié)2種設(shè)備的氧化工藝參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of oxidation process parameters of two types of equipment in oxidation process

圖2 2種設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of structure of two types of equipments

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SiO2膜厚度測(cè)試結(jié)果與分析

高溫時(shí)SiO2膜的生長(zhǎng)機(jī)理是：初期O原子吸附在硅片表面的活性中心，吸附態(tài)的O原子與Si原子發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，生成SiO2，成為結(jié)晶核心；隨著SiO2膜層生成過(guò)程的繼續(xù)，SiO2向自由能低的方向生長(zhǎng)，先以枝狀晶的方式在二維方向生長(zhǎng)，當(dāng)枝狀晶前沿彼此連接時(shí)，SiO2在二維方向的增長(zhǎng)減緩，產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力，隨著其厚度不斷增長(zhǎng)，枝狀晶層次變得模糊，最后形成致密的SiO2膜[2]。2種設(shè)備制備的SiO2膜厚度如表2所示。

表2 不同設(shè)備制備的SiO2膜厚度Table 2 SiO2 film thickness prepared by different equipments

制備SiO2膜過(guò)程中，鏈?zhǔn)窖趸癄t與管式擴(kuò)散爐的主要區(qū)別在于氧化時(shí)間，兩者均是初期在高溫條件下在硅片表面快速形成一層SiO2膜，膜層達(dá)到一定厚度后，Si-O反應(yīng)不再由化學(xué)反應(yīng)控制，而逐漸過(guò)渡到由Si原子和O原子的擴(kuò)散控制。從表2中可以看出：鏈?zhǔn)窖趸癄t制備的SiO2膜的厚度均值為1.67 nm，比管式擴(kuò)散爐制備的SiO2膜厚度均值低，SiO2膜的均勻性也較差，這可能與氧化時(shí)間有關(guān)。但延長(zhǎng)氧化時(shí)間會(huì)影響設(shè)備的產(chǎn)能，增加太陽(yáng)電池的非硅成本，因此在生產(chǎn)過(guò)程中需兩者兼顧。本文在不增加氧化時(shí)間的基礎(chǔ)上對(duì)比現(xiàn)有SiO2膜厚度對(duì)SE激光摻雜工序后硅片的保護(hù)效果。

2.2 方塊電阻的變化

SE激光摻雜工序后硅片正面可以分為2個(gè)區(qū)域，一個(gè)是重?fù)絽^(qū)域，該區(qū)域?yàn)镾E激光摻雜工藝的工作位置，激光線寬度一般為100～120 μm，在印刷工序會(huì)通過(guò)定位點(diǎn)的定位將金屬柵線完全覆蓋?。涣硪粋€(gè)是輕摻區(qū)域，即硅片上除重?fù)絽^(qū)域以外的區(qū)域，均為低濃度摻雜的區(qū)域。在經(jīng)過(guò)SE激光摻雜處理后，重?fù)絽^(qū)域的金字塔塔尖會(huì)被消掉，從而裸露出硅基，并在堿拋光過(guò)程中被強(qiáng)堿溶液腐蝕。因此，行業(yè)內(nèi)一般會(huì)在SE激光摻雜后在硅片正面制備一層SiO2膜，作為掩膜，從而保護(hù)硅片正面[3]。

選取SE激光摻雜工藝后相同機(jī)臺(tái)上相鄰的10片硅片作為測(cè)試片，均分為2組，分別測(cè)試其方塊電阻；將這2組硅片分別由鏈?zhǔn)窖趸癄t和管式擴(kuò)散爐鍍制SiO2膜，并測(cè)試氧化環(huán)節(jié)后2組硅片的方塊電阻；在堿拋光環(huán)節(jié)后再次測(cè)試2組硅片的方塊電阻。具體結(jié)果如圖3所示。需要說(shuō)明的是：各個(gè)環(huán)節(jié)2組硅片得到的方塊電阻均取平均值。

從圖3中可以看出：在輕摻區(qū)域，相較于氧化后，堿拋光后采用鏈?zhǔn)窖趸癄t制備的SiO2膜的硅片的方塊電阻升高了12 Ω/□，而采用管式擴(kuò)散爐制備的SiO2膜的硅片的方塊電阻的升幅為10 Ω/□，這說(shuō)明鏈?zhǔn)窖趸癄t制備的SiO2膜對(duì)硅片輕摻雜區(qū)域的保護(hù)效果略弱于管式擴(kuò)散爐制備的SiO2膜，該結(jié)論與前文測(cè)試SiO2膜厚度后得到的結(jié)論一致；但SiO2膜厚度對(duì)太陽(yáng)電池電性能的影響不大，這是因?yàn)檩p摻區(qū)域有擴(kuò)散沉積的磷硅玻璃層的保護(hù)。而在重?fù)絽^(qū)域，從各環(huán)節(jié)的方塊電阻變化來(lái)看，鏈?zhǔn)窖趸癄t制備的SiO2膜的保護(hù)效果弱于管式擴(kuò)散爐制備的SiO2膜，不過(guò)方塊電阻差值為2.2 Ω/□。由于目前印刷細(xì)柵的銀漿的腐蝕性、歐姆接觸性能較好，方塊電阻只要低于90 Ω/□就不會(huì)損失很大的串聯(lián)電阻，但后續(xù)開發(fā)新銀漿料需要注意2種設(shè)備制備的SiO2膜對(duì)重?fù)诫s區(qū)域的保護(hù)程度不同的問題。

圖3 硅片不同摻雜區(qū)域的方塊電阻變化Fig. 3 Variation of sheet resistance in doped regions of silicon wafers

2.3 電性能測(cè)試

將分別涂有2種設(shè)備制備的SiO2膜的硅片制備成2種“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池，并進(jìn)行電性能測(cè)試，以涂有管式擴(kuò)散爐設(shè)備制備的SiO2膜的太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，得到另一種太陽(yáng)電池的電性能變化情況，具體如表3所示。

表3 2種“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池的電性能數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of electrical performance data of two types of“PERC+SE”mono-Si solar cells

從表3中可以看出：相較于采用管式擴(kuò)散爐設(shè)備制備的SiO2膜的“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池，采用鏈?zhǔn)窖趸癄t制備的SiO2膜的“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了0.01%，但二者在開路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻等方面的差異并不大，結(jié)果符合預(yù)期。

3 結(jié)論

本文對(duì)鏈?zhǔn)窖趸癄t和管式擴(kuò)散爐設(shè)備制備的SiO2膜對(duì)SE激光摻雜后的重?fù)絽^(qū)域的保護(hù)效果進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2種設(shè)備制備的掩膜對(duì)重?fù)絽^(qū)域的保護(hù)效果略有差異，但對(duì)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響較小。由于管式擴(kuò)散爐的氧化溫度略高、氧化時(shí)間較長(zhǎng)，從堿拋光前后重?fù)絽^(qū)域的方塊電阻差值及2種設(shè)備制備的SiO2膜厚度的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：管式擴(kuò)散爐制備的SiO2膜相對(duì)致密，但在現(xiàn)有條件下該情況對(duì)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響不大。出于產(chǎn)業(yè)化考慮，鏈?zhǔn)窖趸癄t在產(chǎn)能、占地空間、能耗等方面優(yōu)勢(shì)明顯，未來(lái)可作為“PERC+SE”單晶硅太陽(yáng)電池工藝路線制備掩膜(SiO2膜)的一種備選設(shè)備。