通威太陽能(合肥)有限公司 ■ 李躍 蘇世杰 陳紹光 劉文國 代囟 晁穩(wěn) 彭春林 張龍飛

0 引言

自上世紀80年代新南威爾士大學Martin Green研究組提出鈍化發(fā)射極及背面接觸(PERC)太陽電池結構以來，PERC太陽電池因其高效率且逐漸成熟的產業(yè)化條件，受到越來越多研究人員及電池生產商的關注[1-2]。與常規(guī)鋁背場太陽電池的正面鈍化不同，PERC太陽電池的背鈍化不能以氮化硅膜直接作為背面鈍化材料[3]。由于氮化硅膜內含有的固定正電荷密度較高，導致其下方的p型硅片的電性能出現了反轉層，這一反轉層與基底中金屬接觸區(qū)的耦合產生了寄生電容效應，導致短路電流及填充因子出現一定程度的降低。研究發(fā)現，負電荷密度較高的氧化鋁膜能消除因氮化硅膜存在而產生的寄生電容效應[4]，并產生優(yōu)于氮氧化硅膜、氧化硅膜、碳化硅膜、非晶硅膜、氮化硅膜的鈍化效果。然而，氧化鋁膜不能與鋁背場直接接觸，因為金屬鋁經燒結后會對氧化鋁膜產生破壞。因此，目前業(yè)界普遍采用氧化鋁膜與氮化硅膜的疊層結構作為PERC太陽電池的背鈍化材料。這種背鈍化膜結構不僅可作為背反射器，增加硅基體對長波的吸收，還可有效減少電池片的翹曲。但更重要的是，此種結構可通過化學鈍化方式飽和硅片表面的懸掛鍵抑制雜質的引入，從而形成復合中心，而且背場的鈍化降低了載流子的表面復合速率，進一步提高了電池片的少子壽命。此外，背鈍化材料還可通過降低表面態(tài)密度，提高表面光生載流子的收集率[5-7]來提高少子壽命。

本文研究了氧化鋁膜與氮化硅膜厚度，以及氮化硅膜折射率對PERC單晶硅太陽電池電性能的影響。通過分析不同的電性能參數，并結合量子效率QE、少子壽命，對PERC單晶硅太陽電池的電性能狀況進行了分析。

1 實驗

實驗中所使用的單晶硅片是目前各廠家量產的主流硅片，其規(guī)格為：p型單晶硅片，尺寸為156.75 mm×156.75 mm，電阻率為1～1.5 Ω·cm，厚度為180 μm。此單晶硅片采用PERC太陽電池工藝流程制備，即制絨、擴散、堿拋光、熱氧化、背面鍍氧化鋁膜及氮化硅膜、正面鍍氮化硅膜、激光刻槽、印刷燒結，然后對制備的PERC單晶硅太陽電池進行電性能測試。

2 結果與討論

2.1 堿拋光

不同于傳統(tǒng)PERC單晶硅太陽電池生產中的酸拋光工藝，本實驗中的單晶硅片采用的刻蝕清洗方式是堿拋光。單晶硅片經制絨處理后，其雙面均存在金字塔絨面結構，經堿拋光處理后，背面金字塔塔脊首先被腐蝕[7]；隨著硅片背面金字塔絨面拋光程度的逐漸增大，硅片表面逐漸變得平整，形成較為明顯的鏡面結構，如圖1a所示。對比圖1a和圖1b可知，經酸拋光處理后的單晶硅片，其背面的粗糙度比堿拋光的大。因此，酸拋光處理后單晶硅片背面的反射率比堿拋光處理后的低，如圖1c所示。此外，經堿拋光處理后，硅片背面近似鏡面的絨面結構，可進一步增加背鈍化膜的膜厚均勻性及致密性，提高了硅片對長波的吸收。

堿拋光處理后，硅片背面近似鏡面的絨面結構使其表面的比表面積較小，從而使背面復合率降低，少子壽命也得到提升。此外，硅片背面近似鏡面的絨面結構也使印刷后的鋁漿能與硅片背面緊密接觸，共燒時更加均勻，從而形成的合金層也更為均勻。因此，背面采用堿拋光處理后，制備出的PERC單晶硅太陽電池的Voc和Isc都有一定幅度的提升。

圖1 單晶硅片背面經堿、酸拋光處理后的絨面及堿、酸拋光處理后硅片背面反射率與波長的關系

2.2 不同膜厚的氧化鋁膜及氮化硅膜對電池電性能的影響

本次實驗中，PERC單晶硅太陽電池背面氧化鋁膜的膜厚分別為23 nm和28 nm，氮化硅膜的膜厚分別為115 nm和125 nm，不同膜厚時電池所對應的電性能如表1所示。

表1 PERC單晶硅太陽電池背面氧化鋁膜與氮化硅膜不同膜厚時的電性能情況

由表1可知，氮化硅膜膜厚為125 nm、氧化鋁膜膜厚由28 nm降至23 nm時，電池所對應的Eff提升了0.172%，這主要是由于Voc與Isc分別提升了3 mV和35 mA。從表1中還可以看出，氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時，Voc與Isc均較高，電池的電性能優(yōu)勢較為明顯。當氮化硅膜較厚時，鋁背場與硅片形成的歐姆接觸效果更好，使得Rs偏小、Rsh偏大，因此，FF較大。當氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚由125 nm降至115 nm時，電池的Eff減小了0.019%，這主要是由于Voc、Isc及FF分別降低了2 mV、6 mA及0.04%。綜上所述，當氧化鋁膜較薄、氮化硅膜較厚時，PERC單晶太陽電池的電性能較好，這主要是來自Voc與Isc的貢獻。

在PERC單晶硅太陽電池中，由于背鈍化膜的存在，提高了電池對入射光長波的吸收，因此，背鈍化膜的鈍化效果可通過電池對長波的光譜響應來反映。此外，少數載流子的少子壽命也可以用來衡量太陽電池背面的鈍化效果。因此，可通過提高長波的光譜響應和提高少子壽命來改善背鈍化膜的鈍化效果，從而進一步提高太陽電池的轉換效率[8]。圖2為PERC單晶硅太陽電池背面氧化鋁膜與氮化硅膜不同膜厚時的少子壽命及不同膜厚時波長與量子效率的情況。其中，圖2a為氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時的少子壽命，圖2b為氧化鋁膜膜厚為28 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時的少子壽命。

圖2 PERC單晶太陽電池背面氧化鋁膜與氮化硅膜不同膜厚時的少子壽命及不同膜厚時波長與量子效率的關系

由圖2可知，當氮化硅膜厚一定時，相對于膜厚為28 nm的氧化鋁膜，氧化鋁膜厚為23 nm時的PERC單晶硅太陽電池的少子壽命較高，該類電池片在長波段(700～1100 nm)也有較為明顯的優(yōu)勢。這是因為在PERC單晶硅太陽電池中，氮化硅膜并不是直接鍍在硅片表面，為避免寄生電容效應，會有一層氧化鋁膜。但由于氧化鋁膜的存在，背面氮化硅膜中的氫所起的鈍化作用就會受到阻礙。所以，氧化鋁膜越薄，少子壽命越高，燒結過程中鈍化效果就會越好。此外，當氧化鋁膜厚度一定時，背面氮化硅膜越厚，由于背面非穿透性銀漿的存在，在燒結時主柵處的背鈍化質量會有所提高。因此，氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為125 nm時的量子效率較氧化鋁膜膜厚為23 nm、氮化硅膜膜厚為115 nm時的高。

結合表1和圖2可知，在背面氧化鋁膜較薄、氮化硅膜較厚時，PERC單晶硅太陽電池的電性能表現較為優(yōu)異。

2.3 背面氮化硅膜折射率對電池電性能的影響

除了氧化鋁膜與氮化硅膜的厚度會對電池電性能產生一定影響外，氮化硅膜的折射率也會對電池的電性能產生一定影響。

氮化硅膜在制備時，SiH4與NH3會有不同的流量比，相應的對應不同的折射率。本實驗中選取的SiH4與NH3的流量比，分別為1∶2.44和1∶2.63，其對應的折射率分別為2.10和2.08。兩種不同折射率的PERC單晶硅太陽電池的電性能如表2所示。

表2 背面氮化硅膜折射率不同時的PERC單晶硅太陽電池的電性能

由表2可知，低折射率時對應的Voc與Isc均高于高折射率時，分別提高了1 mV和23 mA，Eff提高了0.032%，電性能表現較為優(yōu)異。這是因為折射率較低時，氮化硅膜中硅的含量較少，在鋁漿金屬化過程中，其與背鈍化層的反應較弱，所以因鋁漿的侵蝕而帶來的背鈍化膜的破壞較少[8]，背面復合速率降低。因此，低折射率時的背面氮化硅膜對應的PERC單晶硅太陽電池的Voc與Isc比高折射率時的高。此外，低折射率時的背面氮化硅膜中硅氮鍵密度較高，氫向硅層的擴散越高，體鈍化也相應得到提高，進一步增加了背面鈍化效果，電性能較好。然而，低折射率時，Rs較高，所以FF偏低。

圖3為不同折射率時背面氮化硅膜對應的PERC單晶硅太陽電池少子壽命及QE情況。圖3a為折射率為2.10時的少子壽命情況，圖3b為折射率為2.08時的少子壽命情況。

由圖3可知，在折射率為2.08時，少子壽命為8.7359 μs；而折射率為2.10時，少子壽命僅為7.8597 μs。QE曲線也同樣顯示出PERC單晶硅太陽電池在低折射率時的長波光譜響應更具優(yōu)勢。

圖3 不同折射率時背面氮化硅膜對應的PERC單晶硅太陽電池少子壽命及QE情況

3 結論

PERC單晶硅太陽電池作為近期高效太陽電池的研究熱點，其背面氧化鋁膜與氮化硅膜的鈍化特性成為決定其電性能高低的關鍵影響因素。本文對氧化鋁膜及氮化硅膜在不同膜厚及不同折射率時的電性能進行了測試，并結合量子效率曲線，解釋了背面鈍化膜的鈍化特性對PERC單晶硅太陽電池電性能的影響。研究結果表明，背面氧化鋁膜較薄時，燒結時顯現出的鈍化效果較好。而在背面氮化硅膜較厚時，由于背面非穿透性銀漿的存在，在燒結時主柵處的背鈍化效果較好。以上得出的背鈍化膜的不同鈍化效果的結論，通過對應的量子效率在長波波段的響應給予了解釋。