摘 要:以二合一管式PECVD背鈍化鍍膜工藝過(guò)程中出現(xiàn)的石墨舟空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑品質(zhì)異常為研究對(duì)象,分析討論二合一管式PECVD背鈍化工藝中射頻功率、工藝溫度、氧化鋁沉積厚度等對(duì)晶硅太陽(yáng)電池空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑品質(zhì)異常的影響。結(jié)果表明,在二合一管式PECVD背鈍化工藝時(shí)采用12~16 nm厚度的氧化鋁薄膜、350~370 ℃的預(yù)淀積工藝溫度,能有效解決鍍膜空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑品質(zhì)異常,顯著提升晶硅太陽(yáng)電池在二合一管式PECVD的鍍膜品質(zhì)。
關(guān)鍵詞:太陽(yáng)電池;EL發(fā)黑;背鈍化;預(yù)淀積;二合一管式PECVD;卡點(diǎn)鈍化缺陷
中圖分類(lèi)號(hào):TK514" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0628
文章編號(hào):0254-0096(2024)08-0385-06
晶澳太陽(yáng)能有限公司,邢臺(tái) 055550
0 引 言
在SE-PERC晶硅太陽(yáng)電池工業(yè)化生產(chǎn)中,使用二合一管式等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasmaenhanced chemical vapordeposition,PECVD)設(shè)備進(jìn)行背面鈍化沉積介質(zhì)膜非常廣泛。二合一管式PECVD背鈍化介質(zhì)膜沉積設(shè)備,是集氧化鋁薄膜沉積與氮化硅薄膜沉積于一體,采用石墨舟為硅片載體,在石墨舟上加裝電極,在射頻電源下對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行電離分解,其離子進(jìn)行重新結(jié)合完成鍍膜沉積。整個(gè)工藝過(guò)程在同一爐管內(nèi)完成,較大地提升了晶硅電池的生產(chǎn)效率,同時(shí)在晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率方面,二合一管式PECVD同樣具有一定的優(yōu)勢(shì)。
工業(yè)化晶硅太陽(yáng)電池二合一管式PECVD生產(chǎn)線,在二合一管式PECVD背面介質(zhì)膜沉積過(guò)程中,因工藝等問(wèn)題,會(huì)導(dǎo)致成品太陽(yáng)電池出現(xiàn)卡點(diǎn)位置EL發(fā)黑異常。EL發(fā)黑指的是,在電致發(fā)光(electroluminescence)測(cè)試下,晶硅電池的內(nèi)建電場(chǎng)處于平衡時(shí),兩區(qū)電流相互抵消。當(dāng)加入正向偏壓時(shí),會(huì)減弱內(nèi)建電場(chǎng)效應(yīng),電子與空穴的平衡被打破,會(huì)促使電子向P 區(qū)移動(dòng),空穴向N區(qū)移動(dòng)。這些進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入N區(qū)的空穴統(tǒng)稱(chēng)為非平衡少數(shù)載流子,與原區(qū)域的多數(shù)載流子相遇,復(fù)合發(fā)光??c(diǎn)位置因鈍化不足,懸掛鍵較多,將吞噬P區(qū)電子,導(dǎo)致光子釋放少,發(fā)光弱或不發(fā)光而顯示團(tuán)塊狀發(fā)黑[1]。EL發(fā)黑影響晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)品良率,對(duì)光伏組件功率產(chǎn)生一定的不良影響,影響產(chǎn)線整體效益。
本文以二合一管式PECVD背鈍化鍍膜工藝過(guò)程中出現(xiàn)的石墨舟空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑品質(zhì)異常為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)二合一管式PECVD背鈍化工藝中射頻功率、工藝溫度、氧化鋁薄膜沉積厚度的分析及驗(yàn)證,對(duì)二合一管式PECVD背鈍化鍍膜過(guò)程中空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑品質(zhì)異常進(jìn)行研究并提供解決方案。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)背景
1.1.1 空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑異常表現(xiàn)
二合一管式PECVD鍍膜過(guò)程是一個(gè)在低壓狀態(tài)下發(fā)生的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),所用的活性氣體為三甲基鋁Al(CH3)3、笑氣NO2、硅烷SiH4、氨氣NH3。實(shí)現(xiàn)低壓狀態(tài)的抽氣管道安裝在爐管尾部,活性氣體的進(jìn)氣管道安裝在爐管頭部。在工藝反應(yīng)過(guò)程中,利用真空泵的抽速和活性氣體的進(jìn)氣量,在爐管內(nèi)部使壓力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[2]。因活性氣體的進(jìn)氣口在爐管口下方,導(dǎo)致?tīng)t管口位置的氣流均勻性較差,所以石墨舟卡點(diǎn)對(duì)氣流的影響在爐管口位置表現(xiàn)地尤為突出,產(chǎn)生空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑的晶硅太陽(yáng)電池多集中爐口位置。這一點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可得出結(jié)論,如圖1所示。
根據(jù)圖1結(jié)果,對(duì)比爐管不同位置晶硅太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率情況,對(duì)比結(jié)果顯示,爐管位置太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率最低,爐管中部、爐管尾部太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率略高,且爐管尾部最高。具體電性表現(xiàn)如圖2所示。
空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑主要表現(xiàn)為:在測(cè)試EL過(guò)程中,卡點(diǎn)位置存在鍍膜缺陷,測(cè)試過(guò)程光子釋放少,而顯示團(tuán)塊狀發(fā)黑[3],如圖3所示;外觀肉眼觀察為輕微發(fā)白,如圖4所示;電子顯微鏡微觀下觀察,呈現(xiàn)許多燒焦點(diǎn),對(duì)應(yīng)位置氮化硅薄膜脫落,稱(chēng)為爆膜,如圖5所示,分析為氧化鋁(aluminium oxide,ALO)膜層中H對(duì)ALO的懸掛鍵飽和度差,在印刷高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中,導(dǎo)致H溢出,對(duì)應(yīng)位置氮化硅(silicon nitride,SIN)膜層同步脫落,產(chǎn)生燒焦類(lèi)微觀異常。表面復(fù)合、俄歇復(fù)合以及其他穩(wěn)定的復(fù)合的影響,對(duì)此位置的表面鈍化、體鈍化產(chǎn)生影響[4]。
1.1.2 異常原因分析
二合一管式PECVD背鈍化介質(zhì)膜沉積是以石墨舟為硅片載體,在管式爐內(nèi)通過(guò)輝光放電,使各活性氣體在氣相電離后進(jìn)行一系列化學(xué)反應(yīng)及等離子體反應(yīng),現(xiàn)有工藝下,主要包含氧化鋁薄膜沉積、預(yù)淀積工藝鈍化、氮化硅薄膜沉積。其中,預(yù)淀積工藝鈍化主要使用NH3和N2O電離,飽和硅片正表面懸掛鍵及另未完成形成正六面體氧化鋁的部分形成正六面體,達(dá)到進(jìn)一步鈍化表面的目的,在這一過(guò)程下,氧化鋁的致密性得到進(jìn)一步提升[5]。
針對(duì)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑電子顯微鏡微觀分析結(jié)果,異常位置表面存在燒焦痕跡,通過(guò)掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)元素分析,對(duì)異常位置和正常位置的元素含量進(jìn)行分析,分析結(jié)果顯示,異常位置較正常位置相比,無(wú)N、O元素,如表1所示。
選取卡點(diǎn)EL發(fā)黑太陽(yáng)電池進(jìn)行量子效應(yīng)(quantum efficiency,QE)分析,并與正常太陽(yáng)電池對(duì)比組(baseline,BL)進(jìn)行比較分析,結(jié)果見(jiàn)圖6??梢?jiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑太陽(yáng)電池異常位置,為長(zhǎng)波段量子效應(yīng)偏低明顯,短波段量子效應(yīng)正常。
晶硅太陽(yáng)電池量子效應(yīng)分析,短波段一般表征正面減反射和復(fù)合狀態(tài),長(zhǎng)波段一般表征背面減反射和復(fù)合狀態(tài)。通過(guò)QE測(cè)試分析結(jié)果可見(jiàn),異常表象與分析相吻合,空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑是背面異常,即由于背面氧化鋁或氮化硅鈍化效果差,復(fù)合增加導(dǎo)致[6]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行異常解決研究。
空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑,實(shí)質(zhì)是氧化鋁薄膜致密性異常的問(wèn)題。在二合一管式PECVD鍍膜過(guò)程中,工藝射頻功率大小、工藝溫度、氧化鋁薄膜厚度都是影響晶硅太陽(yáng)電池空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑的重要因素。導(dǎo)致卡點(diǎn)品質(zhì)異常的原因主要有兩個(gè),一是氧化鋁薄膜本身沉積致密性問(wèn)題;二是預(yù)淀積工藝對(duì)氧化鋁薄膜的修復(fù)問(wèn)題,最終導(dǎo)致晶硅太陽(yáng)電池空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑異常。
1.2 實(shí)驗(yàn)材料及表征
本文實(shí)驗(yàn)所用硅片為太陽(yáng)能級(jí)摻鎵襯底P 型金剛線切割單晶硅片,尺寸182 mm×182 mm,厚度150~155 μm,電阻率范圍0.4~1.1 Ω·cm,實(shí)驗(yàn)樣品為同一根硅棒切割硅片,均勻分組,每組500片。
采用捷佳偉創(chuàng)二合一管式PECVD進(jìn)行鍍膜,石金廠家石墨舟作為載體,采用卓勝型號(hào)EL機(jī)測(cè)試EL、偉信BENTHAM PVE300-IVT210設(shè)備測(cè)試儀進(jìn)行量子效應(yīng)分析、采用WaveLabs高精度I-V測(cè)量系統(tǒng)表征電池電性能、采用美國(guó)Sinton-WT1200測(cè)試少子壽命、采用系科syscos光譜橢偏儀測(cè)試氧化鋁介質(zhì)膜厚度。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析
分析研究空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑品質(zhì)異常與二合一管式PECVD氧化鋁介質(zhì)膜沉積功率及厚度、預(yù)淀積工藝溫度的關(guān)系。取10組硅片,每組558片,經(jīng)晶硅電池制絨-擴(kuò)散-SE激光摻雜-去PSG/拋光-退火氧化-背面二合一管式PECVD鍍膜-正面管式PECVD鍍膜-激光開(kāi)槽-絲網(wǎng)印刷-燒結(jié)-檢測(cè)工藝制程,其中,在管式PECVD鍍膜時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件變更,對(duì)成片晶硅太陽(yáng)電池進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。
2.1 氧化鋁介質(zhì)膜沉積功率對(duì)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑的影響
分析空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑與二合一管式PECVD沉積氧化鋁介質(zhì)膜過(guò)程中射頻功率的關(guān)系,使用同一爐管、射頻電源,選擇同一載片石墨舟。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,調(diào)整二合一管式PECVD沉積氧化鋁介質(zhì)膜過(guò)程中的射頻功率,調(diào)節(jié)PECVD鍍膜工藝氧化鋁鍍膜步射頻功率,分別為5000、10000、16000 W,其他條件保持一致,即實(shí)驗(yàn)組1~3。后依次進(jìn)行下道工序至成品太陽(yáng)電池,測(cè)試空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑數(shù)量,并對(duì)異常太陽(yáng)電池進(jìn)行儀器測(cè)試分析,各條件結(jié)果如表3所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在二合一管式PECVD工藝過(guò)程中,在氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度12 nm、預(yù)淀積工藝溫度330 ℃的條件下,單獨(dú)升高或降低二合一管式PECVD工藝過(guò)程中氧化鋁介質(zhì)膜沉積功率,對(duì)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑比例影響不大。本文實(shí)驗(yàn)組1~3,在5000、10000和16000 W條件下均出現(xiàn)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑異常。
對(duì)3組實(shí)驗(yàn)中的空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑成品太陽(yáng)電池進(jìn)行測(cè)試分析。通過(guò)QE測(cè)試分析,發(fā)黑位置均為長(zhǎng)波段光譜響應(yīng)差。通過(guò)奧林巴斯測(cè)試分析,發(fā)黑位置對(duì)應(yīng)外觀均有爆膜異常,出現(xiàn)微觀表面燒焦點(diǎn)情況。
2.2 氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度對(duì)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑的影響
分析空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑與二合一管式PECVD沉積氧化鋁介質(zhì)膜厚度的關(guān)系。選擇同一爐管、同一石墨舟進(jìn)行實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,調(diào)整二合一管式PECVD沉積氧化鋁介質(zhì)膜過(guò)程中的沉積厚度,沉積厚度通過(guò)系科光譜橢偏儀進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)沉積時(shí)間的調(diào)整改變氧化鋁介質(zhì)膜的沉積厚度。分別調(diào)整氧化鋁介質(zhì)膜的厚度為4、8、12和16 nm,即實(shí)驗(yàn)組4~7。后依次進(jìn)行下道工序至成品太陽(yáng)電池,測(cè)試空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑數(shù)量,并對(duì)異常太陽(yáng)電池進(jìn)行儀器測(cè)試分析,各條件結(jié)果如表4所示。
本文實(shí)驗(yàn)采用4個(gè)條件的氧化鋁介質(zhì)膜厚度進(jìn)行分析對(duì)比,可分析出空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑與氧化鋁介質(zhì)膜厚度的關(guān)系。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組4~7分別使用不同的氧化鋁介質(zhì)膜沉積時(shí)間40、80、120和160 s,使用橢偏儀測(cè)試出對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)組的氧化鋁介質(zhì)膜厚度,進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,二合一管式PECVD沉積氧化鋁介質(zhì)膜的過(guò)程中,在氧化鋁介質(zhì)膜沉積功率、預(yù)淀積工藝溫度一定時(shí),氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度越低,越易出現(xiàn)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑,本文實(shí)驗(yàn)中,在氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度降低至8 nm時(shí),即出現(xiàn)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑異常。在氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度降至4 nm時(shí),同時(shí)伴有大面積不規(guī)則發(fā)黑出現(xiàn),占比20.30%,如圖7所示;同時(shí),對(duì)不規(guī)則發(fā)黑背面外觀進(jìn)行奧林巴斯觀察分析,同樣為爆膜狀態(tài),表明為ALO膜層的H鈍化異常,如圖8所示;說(shuō)明此異常為空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑類(lèi)型的擴(kuò)大化,統(tǒng)計(jì)其光電轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重偏低,[Uoc、Isc]表現(xiàn)較差,如表5所示,其對(duì)應(yīng)電性數(shù)據(jù)箱形圖如圖9所示。
由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出,二合一管式PECVD背鈍化工藝時(shí),在一定條件下,隨著氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度的降低,空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑比例呈上升趨勢(shì),且在氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度降至一定程度時(shí),伴隨有大面積不規(guī)則EL發(fā)黑出現(xiàn),導(dǎo)致整體光電轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重偏低。分析為氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度下降時(shí),其自身均勻性和致密性也會(huì)受到影響,導(dǎo)致晶硅太陽(yáng)電池的部分區(qū)域氧化鋁介質(zhì)膜沉積過(guò)少,不能有效地對(duì)晶硅太陽(yáng)電池背表面起到表面鈍化、場(chǎng)鈍化作用[7]。同時(shí),印刷高溫?zé)Y(jié)時(shí),致密性較差的氧化鋁介質(zhì)膜易發(fā)生分解反應(yīng),失去僅有的輕微鈍化效果,導(dǎo)致出現(xiàn)EL發(fā)黑異常。同時(shí)考慮成本問(wèn)題,在二合一管式PECVD進(jìn)行背鈍化工藝時(shí),應(yīng)選用合適厚度的氧化鋁介質(zhì)膜,達(dá)到效益最優(yōu)。
2.3 預(yù)淀積工藝溫度對(duì)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑的影響
分析空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑與二合一管式PECVD預(yù)淀積溫度的關(guān)系。選擇同一爐管、同一石墨舟進(jìn)行實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,調(diào)整二合一管式PECVD預(yù)淀積工藝過(guò)程中的工藝溫度,將預(yù)淀積的溫度分別調(diào)整至320、350、370 ℃,即實(shí)驗(yàn)組8~10。后依次進(jìn)行下道工序至成品太陽(yáng)電池,測(cè)試空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑數(shù)量,并對(duì)異常太陽(yáng)電池進(jìn)行儀器測(cè)試分析,各條件結(jié)果如表6所示。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可見(jiàn),在二合一管式PECVD背鈍化氧化鋁介質(zhì)膜沉積功率及沉積厚度一定的條件下,不同的預(yù)淀積工藝溫度對(duì)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑的影響較大。本文實(shí)驗(yàn)二合一管式PECVD背鈍化預(yù)淀積工藝溫度偏低時(shí),爐管實(shí)際溫度為330 ℃,出現(xiàn)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑比例較高。而背鈍化預(yù)淀積溫度≥350 ℃時(shí),未出空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑情況。本文實(shí)驗(yàn)預(yù)淀積工藝用特氣為氨氣和笑氣,分析在相對(duì)高溫環(huán)境下,氨氣和笑氣的電離效果很好,離子態(tài)的H、O會(huì)獲取更大的能量,產(chǎn)生更大的動(dòng)能,更易實(shí)現(xiàn)對(duì)晶硅太陽(yáng)電池背表面的懸掛鍵飽和、氧化鋁介質(zhì)膜的致密性提升[8]。反之,在相對(duì)低溫狀態(tài)下,不易實(shí)現(xiàn)較好的鈍化及致密性提升效果。
3 結(jié) 論
本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析,研究晶硅太陽(yáng)電池在二合一管式PECVD鍍膜空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑的影響及解決方案,可得出以下主要結(jié)論:
1)在一定范圍內(nèi)二合一管式PECVD沉積氧化鋁介質(zhì)膜過(guò)程中射頻電源功率的大小對(duì)空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑比例影響不大。但綜合考慮到卡點(diǎn)燒焦、電源壽命等問(wèn)題,不適合使用較大射頻電源功率進(jìn)行工藝。
2)二合一管式PECVD背鈍化工藝時(shí),在一定條件下,隨著氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度的降低,空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑比例呈上升趨勢(shì),且在氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度降至一定程度時(shí),伴隨有大面積不規(guī)則EL發(fā)黑出現(xiàn),導(dǎo)致整體光電轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重偏低。本文中氧化鋁介質(zhì)膜沉積厚度≤8 nm時(shí),出現(xiàn)EL發(fā)黑比例較高。
3)在二合一管式PECVD背鈍化氧化鋁介質(zhì)膜沉積功率及沉積厚度一定的條件下,較低的預(yù)淀積工藝溫度會(huì)影響電離態(tài)的氫原子、氧原子活性,從而影響氧化鋁介質(zhì)膜的致密性,產(chǎn)生空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑;因此在二合一管式PECVD背鈍化工藝時(shí),應(yīng)采用高溫預(yù)淀積工藝配方,以保證鈍化品質(zhì)。
在晶硅太陽(yáng)電池的具體生產(chǎn)制程中,還會(huì)有其他因素,如壓力、中斷等,會(huì)影響空心卡點(diǎn)EL發(fā)黑,仍需對(duì)二合一管式PECVD沉積鍍膜工藝進(jìn)行深入研究、驗(yàn)證、探討。
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STUDY ON EL DEFECTS CAUSED BY DEFECT OF STUCK POINT POSITION IN BACK PASSIVATION PROCESS OF PERC SOLAR CELLS
Zhang Fuqing,Li Wentao,Zhang Ruofan,Hu Mingqiang,Zhang Shuolong
(Jing Ao Solar Co., Ltd., Xingtai 055550, China)
Absrtact:In this paper, the abnormal EL blackening quality of graphite boat hollow stuck point occurred in the process of two-in-one tube PECVD back passivation coating was studied. The influences of RF power, process temperature and Al2O3 deposition thickness on the abnormal blackening quality of hollow stuck point EL of crystalline silicon solar cells in two-in-one tube PECVD back passivation process were analyzed and discussed. The results show that, in two-in-one tube PECVD back passivation process, when an aluminum oxide film with a thickness of 12-16 nm and a pre-deposition process temperature of 350-370 ℃ are used, it can effectively improve and solve that abnormal black quality of the EL of the hollow stuck point of the coating can be improved effectively, the coating quality of crystalline silicon solar cells in two-in-one tube PECVD is significantly elevated.
Keywords:solar cell; EL black; dorsal passivation; predeposition;two-in-one tubular PECVD; stuck point passivation defect