利用受激發(fā)光特性分析n型太陽電池金屬電極性能研究

收稿日期：2021-11-02

基金項目：湖北省自然科學基金（2019CFB677）

通信作者：付 明（1967—），男，博士、副教授，主要從事光伏材料與太陽電池方面的研究。fuming@mail.hus.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1331 文章編號：0254-0096（2023）06-0193-05

摘 要：結合硅太陽電池電致發(fā)光（EL）和光致發(fā)光（PL）的原理分析，提出利用EL和PL圖像來分析太陽電池Ag-Si接觸電阻性能的新方法。制備用于n型太陽電池的兩組不同體系玻璃粉的正銀漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷、燒結后制得太陽電池。通過PL檢測、EL檢測和Ag-Si接觸電阻測試，對太陽電池正銀電極的歐姆接觸性能進行分析，發(fā)現(xiàn)Pb-B-Si體系玻璃制備的正銀漿料經(jīng)燒結后形成的電極性能較好。通過對玻璃粉的同步熱分析儀（TGA-DSC）分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度Tg較低的玻璃粉制備的電極漿料所形成的電極接觸性能較好。

關鍵詞：太陽電池；電致發(fā)光；光致發(fā)光；電極；接觸電阻

中圖分類號：TM914.4 """""" nbsp;" 文獻標志碼：A

0 引 言

目前，世界各國大力支持清潔能源，使光伏產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展。對光伏產(chǎn)業(yè)有兩大發(fā)展標桿：一是降低太陽電池的制造成本；二是盡可能控制制造成本的同時提高轉(zhuǎn)換效率。針對后者，近些年出現(xiàn)了大量高性能太陽電池結構，如：發(fā)射極背面鈍化（PERC）電池，異質(zhì)結（HJT）電池，n型硅太陽電池等。其中，n型硅相較p型硅，具有三大顯著優(yōu)勢：1）n型硅有更高的少子壽命；2）n型硅硼含量極低，本質(zhì)上消除了硼氧對的影響，幾乎無光致衰減效應［1］；3） n型硅材料對金屬雜質(zhì)具有更高容忍度。因此，n型硅太陽電池具備更高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。但同時也帶來了新的挑戰(zhàn)：n型硅太陽電池p+發(fā)射區(qū)的金屬化問題。

太陽電池的生產(chǎn)和研究也不能缺少性能檢測，檢測技術一方面提供了標準化的性能評估，另一方面為太陽電池的研究改進提供了很好的分析手段。本文使用的檢測技術主要是受激發(fā)光成像檢測技術，包括電致發(fā)光（electroluminescent，EL）成像檢測和光致發(fā)光（photoluminescence，PL）成像檢測。相比較其他檢測技術，發(fā)光成像檢測技術具有全面性好、無破壞性、分辨率較高和耗時更短等特點?；贓L檢測和PL檢測技術，本文提出一種新的表征太陽電池Ag-Si接觸電阻的檢測方法，該方法通過EL檢測、PL檢測以及接觸電阻測試，可對硅太陽電池的金屬電極的Ag-Si歐姆接觸特性進行完整、直觀的定量分析。

1 受激發(fā)光成像表征金屬電極接觸電阻的基本原理

在受激發(fā)光成像的圖像中，太陽電池上對應的每個像素單元可看作一個微型p-n結。在太陽電池受到外部激勵時，每個p-n結中都會發(fā)生自發(fā)輻射復合，向硅體外部發(fā)射受激發(fā)光子。

假設每個像素點只捕獲來自于其對應p-n結發(fā)出的光子，單個像素點，單位光子能量的自發(fā)輻射產(chǎn)生受激發(fā)光子的速率由非黑體輻射的普朗克定律可簡化表示為［2］：

[rsp≈αEE2exp-EkBTπ2?3c20dexpqVxkBTdx]"" （1）

式中：[αE]——光子的吸收系數(shù)，[cm-1]；[E]——輻射復合產(chǎn)生光子的能量，J；[q]——電子電量，C；[Vx]——p-n結中[x]處電勢，V；[d]——太陽電池厚度，μm；[?]——約化普朗克常數(shù)，J·s；[c]——真空中光速，m/s；[kB]——玻爾茲曼常數(shù)，J/K；[T]——絕對溫度，K。

因[Vx]可由過剩少數(shù)載流子[Δnx]表示［3］：

[qVx=kBTlnΔnxΔnx+NDn2i]"" （2）

式中：[ni]——本征載流子濃度，[m-3]；[ND]——摻雜濃度，[m-3]。

所以式（1）可改寫為：

[rsp=fEE0dΔnxΔnx+NDn2idx] （3）

式中：[fEE=αEE2exp-EkBTπ2?3c2]。

受激發(fā)光子的波長分布為950～1300 nm且硅對此波段的光子吸收效率極低，因此忽略受激發(fā)光子射出硅體前的再吸收。正表面發(fā)射光子電流值[Ij]為：

[Ij=Ω′aj4π1-rfE?rsp]" （4）

式中：[rfE]——正表面的反射率。射出硅體表面的受激發(fā)光子中僅一部分被自制測試儀中的CCD相機捕獲，故［4］：

[?=k0∞IjQETEdE]""" （5）

式中：[?]——CCD相機捕獲圖片上的像素單元的灰度值，同時也可理解為受激發(fā)光強度；[k]——被捕獲光子的百分比；[QE]——CCD傳感器的波長響應因子； [TE]——濾光片影響因子；將式（3）～式（5）結合得：

[?=CE?0dΔnxΔnx+NDn2idx]""" （6）

[CE=k0∞QETEΩ′aj4π1-rfEfEEdE]""" （7）

由式（6）可看出受激發(fā)光強度與其對應處的少數(shù)載流子濃度的相應關系。從原理上看，可將測得的強度曲線值和標準硅太陽電池做比對或?qū)⑹剑?）中所有相關參數(shù)值如數(shù)獲取，從而得到受激發(fā)光強度與少數(shù)載流子濃度的定量關系，但在實際情況下，這是非常復雜且困難的。通過式（6）可定性得出，受激發(fā)光強度與少數(shù)載流子濃度具有一定程度上的正比例關系。

對于電致發(fā)光成像，考慮小注入條件和突變耗盡層條件下的理想p-n結情況，p-n結兩端的外加正向偏壓為[Vi]，如圖1所示。

穩(wěn)態(tài)下p區(qū)注入的電子滿足擴散方程：

[Dnd2Δnxdx2=Δnxτn]"" （8）

式中：[Dn]——電子擴散系數(shù)，m2/s；[τn]——少子壽命，μm。

邊界條件為［5］：

1）耗盡層外的p區(qū)和n區(qū)為電中性，在外加偏壓[Vi]下，理想p-n結在[x=0]處有：

[Δn0=np0expqVikBT] （9）

2）太陽電池可簡化為p-n結，同時其處于正向偏壓下，故由p區(qū)注入的少子將在末端全部引出，則在[x=d]處有：

[Δnd=Aexp-dLn+BexpdLn=0]"" （10）

由式（6）、式（8）～式（10）以及擴散長度[Ln=Dn?τn]，可得輻射復合光子生成率為：

[?=CE?fLLn?expqVikBT] （11）

[fLLn=0dexp-x/Ln1-exp-2d/Ln+expxLn1-exp2d/Lndx] （12）

在實際的太陽電池中，施加在太陽電池兩端的外部穩(wěn)壓源電壓[Va]可表示為：

[Va=Vc+Vi+VAg]" （13）

式中：[Vc]——電極電觸點上的電壓降；[VAg]——銀柵線上的電壓降。所以式（11）可改寫為：

[?=CEfLLnexpqVa-Vc-VAgkBT]" （14）

由式（14）可知，在外部穩(wěn)壓源電壓一定時，電致發(fā)光強度不僅與擴散長度有關，還與電極接觸點電壓降有關。當電極與硅片形成歐姆接觸時，接觸電阻值很小，其兩端壓降[Vc]也很小，此時[Vi]近似等于外部穩(wěn)壓源電壓，電致發(fā)光強度只與擴散長度有關；當電極與硅片接觸不好時，接觸電阻值大，導致其兩端分到得壓降[Vc]也變大，這將會導致自發(fā)輻射復合光子生成率很小，電致發(fā)光強度變?nèi)?。由此，對于EL檢測，EL圖像中呈現(xiàn)暗色區(qū)域的原因主要有兩種：太陽電池缺陷和電極接觸不良。EL檢測在太陽電池電極接觸不好的情況下是分辨不出暗色區(qū)域的成因的。

對于光致發(fā)光成像，過剩載流子濃度為：

[Gx+Dnd2Δnxdx2=Δnxτn]""nbsp; （15）

式中：[Gx]——過剩載流子的生成率，[cm-3/s1]。利用表面復合速率來確定連續(xù)性方程的邊界條件［4］為：

[SfΔnx=0=DndΔndxx=0]" （16）

[-SbΔnx=d=DndΔndxx=d] （17）

式中：[Sf]和[Sb]——前后表面的表面復合速率。

通過式（15）～式（17）即可得出載流子濃度和少子壽命之間的關系，再結合式（6）可得出光致發(fā)光強度與少子壽命之間的定性關系。Trupke等［6］通過自洽方法證明了光致發(fā)光強度和少子壽命兩者之間的定量關系。因此，PL圖像可很好地表征太陽電池上的缺陷區(qū)域，而不會受到接觸性能和其他因素影響。

基于上述電致發(fā)光和光致發(fā)光的原理特性，本文提出一種新的表征太陽電池Ag-Si接觸電阻的方法，基本原理是對一塊太陽電池同時進行EL測試和PL測試以獲得其EL圖像和PL圖像，標記出太陽電池上的缺陷位置以及缺陷區(qū)域大小，然后對標記缺陷后的EL圖像進行處理，并配合大量太陽電池的接觸電阻數(shù)據(jù)所擬合的接觸電阻與受激發(fā)光強度之間的函數(shù)關系，實現(xiàn)太陽電池的二維Ag-Si接觸電阻（[Rc]）表征。

2 實 驗

2.1 正銀玻璃的制備

如表1所示，制備Pb-B-Te和Pb-B-Si兩種體系玻璃。按配方稱取PbO、B2O3、TeO2、SiO2以及其他氧化物于坩堝中并均勻混合，放入箱式電阻爐加熱至1000 ℃，保溫30 min后淬火，得到玻璃顆粒。將玻璃顆粒放入球磨機進行球磨，設置球磨時間為150 min，轉(zhuǎn)速為360 r/min，烘干后得到4組玻璃粉。

2.2 正銀漿料以及太陽電池的制備

按相同配比（金屬粉∶玻璃粉∶有機載體∶稀釋劑=86.0∶3.0∶5.7∶5.3）將金屬粉、玻璃粉和有機載體混合，并經(jīng)三輥機研磨制備出相應的4組正銀漿料P1～P4。

選取6英寸1/9大小（27 cm2）的單晶n型硅片為實驗片，背面印刷商用銀漿，正面印刷正銀漿料P1～P4，每組正銀漿料印刷3片，置入9溫區(qū)紅外隧道爐燒結，燒結峰值設置為870 ℃，最終獲得對應4組太陽電池樣品C1～C4。

2.3 分析測試

使用太陽電池綜合參數(shù)測試儀（型號：GSCT-B）測試太陽電池的I-V曲線以確定開路電壓（[Voc]）、填充因子（[FF]）、串聯(lián)電阻（[Rs]）以及轉(zhuǎn)化效率（[η]）。測試條件：溫度25 ℃，光強100 mW/cm2。

使用自制EL測試儀［7］和PL測試儀獲取太陽電池的EL圖像和PL圖像，并通過提出的Ag-Si接觸電阻表征方法獲得太陽電池的二維[Rc]圖像。

利用同步熱分析儀（TGA-DSC）對4組玻璃粉進行熱處理反應分析，測試條件：升溫速度20 ℃/min，溫度范圍25～750 ℃，加熱時通純凈空氣。

3 結果和分析

圖2為太陽電池的PL圖像，表2為PL測試儀缺陷檢測功能獲取缺陷區(qū)域的數(shù)據(jù)。

從圖2可看出，C1～C4太陽電池上除電池柵線外圖像灰度基本均勻。在每塊電池上都出現(xiàn)了一個或多個隱裂（用箭頭標識），它們有呈現(xiàn)十字形，有呈現(xiàn)線形，這些隱裂缺陷可能是由于印刷或燒結過程引起的。在C1和C2的PL圖像上可看到小區(qū)域黑斑（用圓圈標識），它們可能是太陽電池生產(chǎn)過程中引入的雜質(zhì)缺陷造成的。

從表2可看出，4組太陽電池的缺陷區(qū)域都很小，缺陷面積最大僅14.61 mm2，占整塊電池的0.54%，所以它們對電池的轉(zhuǎn)換效率影響較小。

圖3為太陽電池的EL圖像，表3為EL測試儀獲取的暗色區(qū)域的數(shù)據(jù)。

結合圖3和表3可看出，C1的EL圖片暗色區(qū)域最多，亮色區(qū)域面積小且分布不均勻，呈現(xiàn)亮斑出現(xiàn)，亮度值突變大；C4的EL圖片的暗色區(qū)域最少，亮色區(qū)域面積大且分布較均勻，成片出現(xiàn)，亮度值突變?。籆2和C3居中。僅從C4的EL圖片看，并不能確定圓圈標出的暗色區(qū)域成因。但結合C4的PL圖像后，可斷定此暗色區(qū)域為隱裂導致。結合上述PL圖像可知，太陽電池的暗色區(qū)域的主要影響因素來源于電極的接觸性能，暗色區(qū)域越大，太陽電池電極接觸性能越差。

圖4為太陽電池的[Rc]圖像，表4為太陽電池的平均Ag-Si接觸電阻值，記為[Rc，m]。[Rc]的測試精度主要取決于紅外照相機對電致發(fā)光強度的分辨率、曲線擬合偏差等因素。該EL測試儀配備的CCD紅外相機為140萬像素，近紅外光波段靈敏度為2000 mV-1/30 s，根據(jù)式（6）和式（14），[Rc]的測量精度約為1%，誤差范圍約為±0.1 Ω·cm2。

從圖4可看出，C1的Rc圖像上大片深黑色區(qū)域，即高的Ag-Si接觸電阻，C2到C4的淺白色區(qū)域逐漸增多，即電極接觸性能逐漸變好。從表4可看出，C1～C4的平均Ag-Si接觸電阻與暗色區(qū)域占比呈現(xiàn)相同的變化趨勢。由此，再次證實太陽電池的暗色區(qū)域主要成因為電極的接觸性能，即Ag-Si接觸電阻。

圖5為玻璃粉的TGA-DSC曲線，圖中標注的溫度值為各玻璃樣品的轉(zhuǎn)變溫度（[Tg]），表5為玻璃的[Tg]和其制備的太陽電池的電性能。

由表5可看出，G1～G4玻璃制備的太陽電池的平均轉(zhuǎn)換效率依次升高，最高達到19.58%，其主要原因為串聯(lián)電阻逐漸減小而導致的填充因子逐漸增加。

對于同一體系玻璃，玻璃粉的[Tg]越低，玻璃的流動性和浸潤性更好，在燒結時，玻璃腐蝕鈍化層越充分，電極漿料與硅基片有更充分的接觸，電極接觸性能更好，數(shù)據(jù)上反映為串聯(lián)電阻較低，直接導致轉(zhuǎn)換效率提高；對于不同體系的玻璃，Pb-B-Te和Pb-B-Si兩種體系玻璃粉制備的太陽電池的性能差別較大，轉(zhuǎn)換效率最大相差約12%，同時G3的[Tg]比G2的[Tg]高，但電極接觸性能卻比G2好，其原因應該是Pb-B-Si體系玻璃對正面鈍化層的腐蝕效果更好，導致其制備太陽電池的Ag-Si接觸電阻更小。

4 結 論

1）結合EL和PL的理論分析，本文提出利用PL和EL圖像分析相結合的方式來表征太陽電池的Ag-Si接觸電阻的新方法，并運用該方法實際分析了太陽電池的金屬電極歐姆接觸性能。

2） n型硅電池正面銀電極漿料對比實驗中，用Pb-B-Si體系玻璃比Pb-B-Te體系玻璃效果更好，轉(zhuǎn)換效率相差最大達到近12%，Pb-B-Si體系玻璃制備的太陽電池轉(zhuǎn)換效率最高達到19.58%。

3）對實驗中兩組玻璃粉的TGA-DSC分析發(fā)現(xiàn)，同組玻璃中，玻璃的Tg越低，由其制備的電極漿料與硅基片形成的電極的接觸性能越好；Pb-B-Si體系玻璃對n型電池正面鈍化層的腐蝕特性更好。

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STUDY ON METAL ELECTRODES PERFORMANCE OF n-TYPE SOLAR CELLS BY EXCITION LUMINESCENCE CHARACTERISTICS

Zhang Huguang1，2，F(xiàn)u Ming1，2，Wang Xiaohong1，2，Lyu Wenzhong1，2

（1. School of Optical and Electronic Information， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China；

2. Wenzhou Institute of Advanced Manufacturing Technology， Huazhong University of Science and Technology， Wenzhou 325035， China）

Keywords：solar cells； electroluminescence； photoluminescence； electrode； contact resistance