n型IBC太陽電池選擇性發(fā)射極工藝研究

高嘉慶，郭永剛，屈小勇，吳 翔，張?zhí)旖埽瑥?博，劉洪東

(1.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西寧太陽能電力分公司，西寧 810000；2.青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西安太陽能電力分公司，西安 710010)

0 引 言

近年來，以太陽能光伏電池為代表的可再生能源發(fā)展迅速，并且正在逐步替代傳統(tǒng)的化石能源，以更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的方式利用太陽能，為人類生存提供優(yōu)質(zhì)能源。晶體硅太陽電池是目前光伏行業(yè)內(nèi)技術(shù)最成熟且實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地面電站應(yīng)用的太陽電池，在整個(gè)光伏市場中的比例達(dá)到了90%以上。n型單晶硅因具有少子壽命高、光致衰減不明顯以及對(duì)金屬雜質(zhì)不敏感等優(yōu)勢(shì)，成為實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率晶體硅太陽電池的理想材料[1]。目前n型單晶硅太陽電池主要有隧穿氧化鈍化接觸(tunnel oxidation passivation contact， TOPCon)太陽電池[2]、異質(zhì)結(jié)(heterojunction with intrinsic thin-layer，HIT)太陽電池[3]、叉指背接觸(interdigitated back contact, IBC)太陽電池[4-5]等，其中IBC太陽電池由于正負(fù)電極均在電池背面形成交叉排列結(jié)構(gòu)，正面無金屬柵線遮擋，最大限度地利用了入射光，不需要考慮柵線遮擋和正面的接觸電阻問題，可以最大程度優(yōu)化背面金屬接觸的串聯(lián)電阻和前表面場的鈍化性能，從而獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率[6-7]。

IBC太陽電池因制備工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大的特點(diǎn)[8]，全球僅有美國SunPower公司和我國國家電投黃河水電公司實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；慨a(chǎn)。2014年，美國SunPower公司研發(fā)出了第三代IBC太陽電池，最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.2%[9]。2019年，國家電投黃河水電公司率先建成了國內(nèi)第一條200 MW 的n型IBC電池及組件量產(chǎn)線，IBC電池量產(chǎn)平均光電轉(zhuǎn)換效率突破23%[10]，經(jīng)過工藝不斷升級(jí)優(yōu)化，2022年2月量產(chǎn)的IBC電池平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.1%。除了大規(guī)模量產(chǎn)IBC電池的企業(yè)以外，2018年，德國ISFH研究所基于背接觸電池結(jié)構(gòu)制備的p型poly-IBC電池獲得了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率[11]。目前，各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)在IBC電池技術(shù)工藝路線上的差異性較大，保密性較高，且適用于IBC電池產(chǎn)業(yè)化的工藝技術(shù)成果很少，難以借鑒。

n型IBC太陽電池的p型發(fā)射極通常采用高溫硼擴(kuò)散的方式制備[12]，雖然其制備工藝成熟，但是整個(gè)發(fā)射極區(qū)域具有相同的表面摻雜濃度和方塊電阻，較低的表面摻雜濃度能夠獲得提升電池的短路電流，但是會(huì)影響電池的開路電壓；反之會(huì)改善電池的歐姆接觸，降低電池的串聯(lián)電阻，提高電池的填充因子，但限制了電池開路電壓的提升。因此，發(fā)射極的摻雜濃度對(duì)IBC電池短路電流和開路電壓的影響是對(duì)立矛盾的。為了最大化提升IBC電池的光電轉(zhuǎn)換效率，本文提出了一種應(yīng)用選擇性發(fā)射極的IBC太陽電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：在金屬電極柵線以下的發(fā)射極區(qū)域形成重?fù)诫s深結(jié)，通過與絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝匹配，獲得良好的歐姆接觸，從而降低串聯(lián)電阻；在電極以外的發(fā)射極區(qū)域形成輕摻雜淺結(jié)，以此獲得更高的鈍化性能。行業(yè)內(nèi)應(yīng)用選擇性摻雜技術(shù)制備太陽電池的方法有：兩步擴(kuò)散法[13]、光刻掩膜法[14]、激光摻雜法[15-17]和絲網(wǎng)印刷硼漿法[18]。其中激光摻雜制備的選擇性摻雜區(qū)域線性較好，但是激光不可避免地帶來了激光損傷的問題，一定程度上影響了重?fù)诫s區(qū)域的鈍化性能，而印刷摻雜漿料法則可以有效避免這一問題，且印刷均勻性較好。通過成熟的絲網(wǎng)印刷設(shè)備選擇性地印刷含硼漿料，可以非常方便地調(diào)節(jié)摻雜區(qū)域的摻雜濃度，且絲網(wǎng)印刷設(shè)備早已常規(guī)化，生產(chǎn)成本低廉，兼容性好，因此利用含硼漿料進(jìn)行選擇性絲網(wǎng)印刷的摻雜技術(shù)近幾年來得到了業(yè)內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注。例如，2015年Tomizawa等[19]報(bào)道配制了一種摻硼的硅納米漿料，并采用激光進(jìn)行選擇性摻雜，實(shí)驗(yàn)室制備的電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 20.6%。Cao等[20]采用等離子體法制備20 nm左右硼摻雜納米顆粒配制硼摻雜漿料，在硅片表面通過熱擴(kuò)散獲得的最高摻雜濃度達(dá)到 1.0×1021cm3。此外，杜國平[21]通過在鋁漿中調(diào)整硼元素比例而獲得一種硼摻雜鋁漿，在低溫下進(jìn)行熱處理可使背場的摻雜濃度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前在晶體硅太陽電池p型發(fā)射極區(qū)域應(yīng)用選擇性摻雜技術(shù)的相關(guān)報(bào)道較少，且尚未有在IBC太陽電池上應(yīng)用選擇性發(fā)射極的相關(guān)報(bào)道。本文基于國家電投黃河水電公司IBC電池的生產(chǎn)設(shè)備和工藝，在IBC電池發(fā)射極局部印刷摻硼漿料，制備出選擇性發(fā)射極，研究分析硼漿用量和硼擴(kuò)散工藝對(duì)發(fā)射極鈍化性能和接觸性能的影響，通過工藝參數(shù)優(yōu)化提高IBC電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備

首先采用高溫硼擴(kuò)散設(shè)備對(duì)n型單晶硅片進(jìn)行雙面硼擴(kuò)散，形成輕摻雜的p+區(qū)，制備出樣品1結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。然后采用絲網(wǎng)印刷設(shè)備在n型單晶硅片的正、背面分別印刷硼漿，在硼擴(kuò)散爐管中雙面硼擴(kuò)散，對(duì)印刷硼漿的區(qū)域進(jìn)行高溫退火形成重?fù)诫s的p++區(qū)，制備出樣品2結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，用于測試p++區(qū)和p+區(qū)的方塊電阻和摻雜濃度。對(duì)硼擴(kuò)散后的樣品2進(jìn)行表面清洗，雙面沉積氮化硅鈍化表面，再進(jìn)行快速燒結(jié)，激活氫鈍化，制備出樣品3結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示，用于測試p++區(qū)和p+區(qū)的鈍化性能。在樣品3結(jié)構(gòu)上用絲網(wǎng)印刷金屬電極制備出樣品4結(jié)構(gòu)，如圖1(d)所示，用于測試p++區(qū)的接觸電阻。圖2給出了本文所研究的n型IBC太陽電池結(jié)構(gòu)圖，其中p區(qū)為電池的發(fā)射極，n區(qū)為電池的背表面場。為了降低單晶硅片的電阻率和少子壽命對(duì)樣品測試結(jié)果的影響，本文選擇的n型Cz單晶硅片具有相似的電阻率，約為4～6 Ω·cm，原始硅片的厚度約180 μm，尺寸為166 mm×166 mm(M6規(guī)格)。

圖1 測試樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test sample structure

圖2 IBC太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 IBC solar cell structure diagram

1.2 性能測試與表征

采用四探針方阻測試儀(GP SOLAR，德國)對(duì)樣品1的摻雜區(qū)域進(jìn)行方塊電阻測試，更換接觸電阻測試探頭，測試樣品3的接觸電阻。采用ECV測試儀(WEP-Wafer Profiler CVP21，德國)對(duì)硼摻雜分布進(jìn)行摻雜濃度和摻雜結(jié)深測試。采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)(QSSPC)壽命測試儀(WCT-120，Sinton Instruments，美國)對(duì)樣品2進(jìn)行測試，分別測量每組樣品的有效少數(shù)載流子壽命(τeff)、隱開路電壓(iVoc)和飽和電流密度(J0)。

IBC太陽電池的光、暗電流電壓(I-V)和功率電壓(P-V)特性則通過使用發(fā)光二極管太陽模擬器(SINUS220，Wavelabs，德國)測試。在I-V測試之前，模擬的AM 1.5G太陽光譜的光強(qiáng)已經(jīng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，補(bǔ)償了因測試探針造成的陰影誤差[22]。

2 結(jié)果與討論

首先進(jìn)行硼擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，與時(shí)間相比，溫度對(duì)擴(kuò)散工藝的影響更大，因此本文固定擴(kuò)散過程中的沉積時(shí)間和退火時(shí)間分別為20 min和40 min，只分析通源流量、擴(kuò)散沉積溫度和退火溫度對(duì)p+區(qū)鈍化性能的影響，確定p+區(qū)最佳硼擴(kuò)散工藝參數(shù)。硼擴(kuò)散工藝確定后，進(jìn)行硼漿印刷實(shí)驗(yàn)，分析不同印刷濕重對(duì)p++區(qū)方塊電阻、鈍化性能和金屬接觸電阻的影響，根據(jù)最佳工藝參數(shù)制備IBC太陽電池。

2.1 硼擴(kuò)散通源流量對(duì)p+區(qū)鈍化性能的影響

圖3所示為不同通源條件下p+區(qū)的鈍化性能測試結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)硼擴(kuò)散沉積溫度和退火溫度分別為820 ℃和930 ℃時(shí)，隨著BBr3流量逐漸降低，p+對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣品的鈍化性能呈現(xiàn)逐漸提升的趨勢(shì)，這說明在通源流量可控的條件下，BBr3流量越小，擴(kuò)散進(jìn)入硅基體的雜質(zhì)濃度越低，鈍化性能更好。當(dāng)BBr3流量降低為100 mL/min時(shí)，其隱開路電壓平均可達(dá)到 699 mV，暗飽和電流密度平均可降低至15.7 fA/cm2。

圖3 不同通源條件下p+區(qū)的鈍化性能Fig.3 Passivation performance of p+ region under different BBr3 flow condition

2.2 硼沉積溫度對(duì)p+區(qū)鈍化性能的影響

根據(jù)2.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，硼沉積BBr3流量選擇100 mL/min，退火溫度為930 ℃。圖4所示為不同沉積溫度下p+區(qū)的鈍化性能，可以看出硼沉積溫度并非越高越好。硼沉積溫度為 830 ℃時(shí)，p+對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)片的鈍化性能最好；當(dāng)沉積溫度超過 830 ℃，經(jīng)過高溫退火，過多的硼原子摻雜進(jìn)入硅基體中，造成硅片表面摻雜濃度較高，少數(shù)載流子復(fù)合速率增大，導(dǎo)致鈍化性能降低；而當(dāng)沉積溫度低于 830 ℃，退火后，硼原子還未摻雜進(jìn)入硅基體中，硅片表面并沒有形成n-p+層，影響了實(shí)驗(yàn)片整體的鈍化性能，但是并沒有造成更多的載流子復(fù)合，所以低溫沉積(<830 ℃)的實(shí)驗(yàn)片的隱開路電壓高于高溫沉積(>830 ℃)。因此，當(dāng)沉積溫度控制在830 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品的隱開路電壓平均可提升到705 mV，暗飽和電流密度平均可降低至14.1 fA/cm2。

圖4 不同沉積溫度下p+區(qū)的鈍化性能Fig.4 Passivation performance of p+ region at different deposition temperatures

2.3 硼退火溫度對(duì)p+區(qū)鈍化性能的影響

確定BBr3流量和沉積溫度后，對(duì)硼擴(kuò)散退火溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。從圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，退火溫度與沉積溫度對(duì)p+對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣品的鈍化性能影響比較接近，過高的退火溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的隱開路電壓影響較大，當(dāng)退火溫度為920 ℃時(shí)，其隱開路電壓達(dá)到 710 mV，暗飽和電流密度低至12.2 fA/cm2。該實(shí)驗(yàn)樣品(Sample 2-p+區(qū))的ECV摻雜曲線如圖6所示，經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，樣品2-p+區(qū)與現(xiàn)有IBC產(chǎn)線p+區(qū)的表面摻雜濃度基本維持在同一水平(1.5×1019cm-3)，但其摻雜結(jié)深只有0.2 μm，且隨著摻雜結(jié)深的增加，摻雜濃度逐漸下降，硅片表面復(fù)合降低，因此該實(shí)驗(yàn)樣品獲得最佳的鈍化性能。

圖5 不同退火溫度下p+區(qū)的鈍化性能Fig.5 Passivation performance of p+ region at different annealing temperatures

2.4 硼漿印刷濕重對(duì)p++區(qū)方塊電阻和鈍化性能的影響

前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了 p+區(qū)最佳的硼擴(kuò)散工藝參數(shù)，在此工藝基礎(chǔ)上對(duì)印刷不同硼漿濕重的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過調(diào)整硼漿濕重來控制 p++區(qū)的方塊電阻和鈍化性能。從圖7所示結(jié)果來看，隨著硼漿印刷濕重的增加，硼漿印刷區(qū)(p++)的方塊電阻(Rsheet)逐漸下降，下降幅度逐漸減小，硼漿濕重達(dá)到220 mg時(shí)，方塊電阻低至 46 Ω/□，當(dāng)濕重繼續(xù)增加到300 mg時(shí)，方塊電阻也仍然保持在接近40 Ω/□的水平。然而硼漿濕重的增加對(duì) p++區(qū)的鈍化性能影響極大，如圖8所示，硼漿濕重達(dá)到 220 mg時(shí)，p++區(qū)的隱開路電壓降低至683 mV，暗飽和電流密度增大到28 fA/cm2。隨著硼漿濕重達(dá)到 260 mg，p++區(qū)的隱開路電壓降低至670 mV以下，表現(xiàn)出了極差的鈍化水平。選擇220 mg硼漿濕重的樣品2先進(jìn)行摻雜濃度測試，測試結(jié)果如圖6所示，明顯可以看出，相比現(xiàn)有IBC電池p+區(qū)的摻雜曲線，樣品2-p++區(qū)的表面摻雜濃度提升到了6.3×1019cm-3，其摻雜結(jié)深達(dá)到0.8 μm，和46 Ω/□的方塊電阻對(duì)應(yīng)。

圖7 不同印刷濕重下 p++區(qū)的方塊電阻Fig.7 Sheet resistance of p++ region under different printing consumption

圖8 不同印刷濕重下p++區(qū)的鈍化性能Fig.8 Passivation performance of p++ region under different printing consumption

2.5 接觸電阻測試結(jié)果

對(duì)印刷不同硼漿濕重的樣品4，在同一燒結(jié)工藝參數(shù)下進(jìn)行燒結(jié)，之后將樣品激光切割為適合測試臺(tái)面的條狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸電阻(Rcontact)測試，測試結(jié)果如圖9所示。硼漿濕重為140 mg時(shí)，樣品的接觸電阻高于現(xiàn)有IBC產(chǎn)線p區(qū)的接觸電阻值(3.2 mΩ·cm2)，硼漿濕重為220 mg時(shí)，樣品的接觸電阻降低至2.3 mΩ·cm2，保持在相對(duì)較低的水平，隨著硼漿濕重的增加，接觸電阻不斷降低，但下降幅度減小。為了兼顧p++區(qū)的鈍化性能和接觸性能，選擇220 mg濕重的硼漿制備IBC電池。

圖9 不同印刷濕重下p++區(qū)的接觸電阻Fig.9 Contact resistance of p++ region under different printing consumption

2.6 制備與測試結(jié)果

根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)得出的硼擴(kuò)散和硼漿印刷等工藝參數(shù)，按照優(yōu)化后的IBC電池工藝流程小批量制備了IBC電池，并與現(xiàn)有IBC電池電性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表1所示，表中n表示樣品數(shù)量。

表1 優(yōu)化前后IBC太陽電池的電性能參數(shù)Table 1 Electrical performance parameters of IBC solar cells before and after optimization

圖10 IBC太陽電池的I-V和P-V曲線Fig.10 I-V and P-V curves of IBC solar cells

表1反映了IBC電池應(yīng)用選擇性發(fā)射極技術(shù)對(duì)IBC電池電性能參數(shù)的提升?？梢钥闯?，在電池發(fā)射極與金屬電極接觸的區(qū)域進(jìn)行重?fù)诫s，通過降低該區(qū)域的方塊電阻，提升表面摻雜濃度，有效降低了其與金屬電極之間的接觸電阻，優(yōu)化后的IBC電池，其填充因子提升了0.32個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于發(fā)射極輕摻雜的區(qū)域，其較低表面摻雜濃度幫助IBC電池獲得良好的鈍化性能，使IBC電池的開路電壓提升了5 mV。該工藝方案使IBC電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升了0.28個(gè)百分點(diǎn)，小批量平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.32%。

圖10為優(yōu)化后得到的具有最高光電轉(zhuǎn)換效率的IBC太陽電池的I-V和P-V特性曲線。電池的短路電流Isc為11.708 A，開路電壓Voc為0.702 V，填充因子FF為81.39%，最大功率Pmpp為6.34 W，最大功率點(diǎn)電流Impp為11.02 A，最大功率點(diǎn)電壓Vmpp為0.575 V，電池光電轉(zhuǎn)換效率ηmax為24.40%。

3 結(jié) 論

為了改善IBC太陽電池發(fā)射極的鈍化性能和與金屬接觸性能，本文在IBC電池的發(fā)射極局部印刷摻硼漿料實(shí)現(xiàn)選擇性摻雜。通過實(shí)驗(yàn)研究了硼擴(kuò)散工藝和硼漿印刷工藝對(duì)IBC電池鈍化性能和接觸性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沉積時(shí)間和退火時(shí)間保持不變的情況下，硼擴(kuò)散通源(BBr3)流量為100 mL/min，沉積溫度為830 ℃，退火溫度為920 ℃時(shí)，發(fā)射極輕摻雜p+區(qū)的隱開路電壓(iVoc)達(dá)到710 mV，暗飽和電流密度低至12.2 fA/cm2。發(fā)射極局部印刷硼漿濕重為220 mg時(shí)，重?fù)诫sp++區(qū)的隱開路電壓(iVoc)保持在683 mV的水平，暗飽和電流密度為28 fA/cm2。該區(qū)域的方塊電阻可降低至46 Ω/□，金屬接觸電阻為2.3 mΩ·cm2。在該工藝參數(shù)下，IBC電池的發(fā)射極同時(shí)獲得優(yōu)異的鈍化性能和金屬接觸性能，小批量制備的IBC電池最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.40%，平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24.32%，對(duì)應(yīng)的短路電流為11.705 A，開路電壓為0.700 V，填充因子為81.36%。通過選擇性發(fā)射極技術(shù)的應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了IBC電池光電轉(zhuǎn)換效率的突破。