保定光為綠色能源科技有限公司 ■ 于琨 王占友 鄭海陸 郭明州 孫亞娟 賀美亮 李會玲

0 引言

在高效晶體硅太陽電池技術(shù)中，最利于產(chǎn)業(yè)化的是PERC技術(shù)，即鈍化膜氧化鋁/氧化硅、氧化鋁/氮化硅疊層鈍化技術(shù)，文獻(xiàn)[1-2]對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹。采用SE激光摻雜、熱氧化技術(shù)及先進(jìn)金屬化技術(shù)的PERC單晶硅太陽電池的效率可超過22%，PERC多晶硅太陽電池的效率可達(dá)20%以上。PERC太陽電池的Al2O3鈍化膜制備技術(shù)主要有3種：原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)技術(shù)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，PECVD)技術(shù)，以及印刷氧化鋁技術(shù)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，2015年采用印刷氧化鋁技術(shù)制備的PERC多晶硅太陽電池的效率為18.77%[3]，2017年采用印刷氧化鋁技術(shù)結(jié)合SE工藝制備的PERC單晶硅太陽電池的效率為21.44%[4]。但關(guān)于印刷氧化鋁技術(shù)在黑硅PERC多晶太陽電池中的應(yīng)用卻鮮有報道。

本文采用背拋光工藝制備了黑硅PERC多晶太陽電池，并采用氧化鋁及氮化硅鈍化所制備的電池，以求達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及制備流程

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1)物料：采用p型多晶硅片，尺寸規(guī)格為156.75±0.25 mm，厚度為190 μm，電阻率為1～3 Ω·cm。

2)化學(xué)品：時創(chuàng)PS30拋光劑，臺灣長陽IP1257-L型氧化鋁漿料。

3)檢測設(shè)備：膜厚測試設(shè)備SE400橢偏儀、D8-4積分反射儀、少子壽命測試儀WT-2000、JJ224BC電子天平、蔡司Axio Scope A1顯微鏡、Gemini Sigma 300 SEM場發(fā)射掃描電鏡、I-V測試設(shè)備Berger PSS10。

1.2 制備流程

采用氧化鋁漿料制備黑硅PERC多晶太陽電池的工藝流程為：①黑硅制絨→②擴(kuò)散→③刻蝕去PSG→④背面拋光→⑤印刷氧化鋁漿料/燒結(jié)→⑥PECVD正面鍍膜→⑦PECVD背面鍍膜→⑧激光開槽→⑨印刷燒結(jié)測試→⑩電注入退火。相對黑硅多晶太陽電池的制備，增加了步驟④、⑤、⑦、⑧、⑩。

2 結(jié)果討論

2.1 背拋光效果

化學(xué)清洗對PERC結(jié)構(gòu)的太陽電池的開路電壓有影響。Huang等[5]發(fā)現(xiàn)，使用HF→SC1→SC2→HF溶液清洗硅片后制備的太陽電池，較使用常規(guī)HCl→HF溶液清洗的開路電壓提升了3～4 mV。由于黑硅制絨已經(jīng)使用SC1去除金屬污染，因此背面拋光及清洗采用槽式設(shè)備依次經(jīng)過KOH+H2O2→KOH+PS30→DI→HCl+H2O2(SC2)→DI→HCl+HF→DI→加熱DI→N2烘干。其中，拋光槽體積配比為DI:KOH:PS30=280:13.5:7.5，溫度為70 ℃，時間為200～240 s，硅片減重在0.22～0.24 g/片，背面刻蝕深度在4.0±0.2 μm。使用Gemini Sigma 300 SEM場發(fā)射掃描電鏡觀察拋光效果，如圖1所示。

從圖1中可以看出，5000倍放大觀察，硅片部分區(qū)域存在凹凸；而圖1b是20000倍觀察，硅片表面相對平整，拋光效果較好。

圖1 多晶黑硅片SEM背拋光圖

背拋光后硅片背面反射率為47%～50%，比常規(guī)刻蝕后的背面反射率高15%左右，如圖2所示。由于短波段(＜500 nm)在硅片表面 1 μm深度內(nèi)會被吸收，所以主要考慮硅片背面在長波段(800～1050 nm)的情況。背拋光硅片背面反射率為42.67%，較常規(guī)刻蝕的31.19%高出10%左右，結(jié)果也優(yōu)于鏈?zhǔn)綕窨痰?1.90%[6]。這表明，背拋光工藝在提升硅片背面反射率方面起到了重要作用。

圖2 背拋光與常規(guī)刻蝕后硅片的背面反射率對比

2.2 印刷氧化鋁

氧化鋁漿料的主要成分為：納米級氧化鋁前驅(qū)物、穩(wěn)定劑、四配位誘導(dǎo)劑。印刷氧化鋁后電池增重為0.22～0.24 g/片，漿料膜厚約20 μm。氧化鋁分子間主要由穩(wěn)定劑的空間位阻進(jìn)行分散與支撐，使用Despatch燒結(jié)爐預(yù)燒結(jié)，氧化鋁分子開始聚集，經(jīng)過860 ℃峰值溫度燒結(jié)后形成較為致密的鈍化層，如圖3所示。鈍化層與硅接觸部分形成正四面體結(jié)構(gòu)，晶體中多了1個氧的負(fù)電荷，可將p型電池的少子(電子)反射回去減少復(fù)合，實(shí)現(xiàn)電池背面的有效鈍化。

圖3 氧化鋁漿料燒結(jié)形成鈍化膜的示意圖

文獻(xiàn)[7]指出，峰值溫度過高將導(dǎo)致Al-O4減少，氧化鋁漿料燒結(jié)溫度通常低于金屬化燒結(jié)溫度，介質(zhì)層中H的含量隨著氧化鋁沉積溫度的升高而降低，所以降低溫度有利于氫鈍化與氧化鋁鈍化平衡，以形成良好的鈍化效果[8]。

氧化鋁燒結(jié)后膜厚約為110～130 nm，如圖4所示。使用Roth & Rau SiNA XXL平板式鍍膜設(shè)備制備厚度為84～88 nm的正面氮化硅膜和厚度為130～140 nm的背面氮化硅膜，折射率范圍為2.08～2.10，背面氮化硅膜較厚是因?yàn)樾枰苊怃X漿中的侵蝕性成分腐蝕減薄氮化硅層，最后形成的氧化鋁/背面氮化硅疊層厚度約為230～250 nm，如圖5所示。

圖4 燒結(jié)后氧化鋁厚度

圖5 氧化鋁/背面氮化硅疊層厚度

背拋光后硅片印刷氧化鋁并燒結(jié)，使用WT-2000設(shè)備測試少子壽命值在10 μs左右；完成氧化鋁及正、背面氮化硅鍍膜后進(jìn)行燒結(jié)，測試少子壽命，達(dá)到33 μs以上，如圖6所示；這與采用ALD方式制備的黑硅PERC多晶太陽電池的少子壽命38.92 μs相近[9]，但存在一定的波動性。

圖6 鈍化后硅片少子壽命情況

使用蔡司Axio Scope A1顯微鏡觀察氧化鋁燒結(jié)后的硅片背面，如圖7所示。背面局部存在一些微小的孔隙，造成這一現(xiàn)象的原因是燒結(jié)后氧化鋁漿料厚度驟降約200倍，分子成膜存在不均勻性。采用PECVD、ALD技術(shù)制備的氧化鋁膜厚度分別在8～20 nm、4～7 nm以內(nèi)[10-11]，印刷氧化鋁膜厚是前者的幾十倍，其膜層較厚處比較薄處增加了10 nm以上(見圖4)。文獻(xiàn)[12]指出，采用ALD技術(shù)制備氧化鋁膜，隨著膜厚增加，樣品的少子壽命退化，由此推測印刷氧化鋁膜厚差異會影響少子壽命的穩(wěn)定性。

圖7 氧化鋁膜外觀

2.3 黑硅PERC多晶太陽電池的電性能分析

鍍膜鈍化后的硅片進(jìn)行激光開槽，使用PERC經(jīng)印刷燒結(jié)進(jìn)行五主柵太陽電池的制備；制備完成后使用時創(chuàng)Anti-LID 4800電注入設(shè)備進(jìn)行退火處理，然后測試電池效率達(dá)到了20.06%，具體如表1所示。表1中的對比組為未經(jīng)過電注入處理的黑硅多晶太陽電池。

表1 制備的PERC多晶太陽電池的效率

采用背拋光結(jié)合氧化鋁/氮化硅疊層鈍化制備的電池的短路電流比黑硅多晶太陽電池提升了0.372 A；少子壽命達(dá)到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV；激光開槽造成電池背面鈍化層損傷，降低了填充因子；電注入退火后測試電池效率提升了0.98%，效率達(dá)到20%以上。

2017年12 月，協(xié)鑫集成、上海神舟新能源采用PECVD/ALD技術(shù)制備PERC多晶硅太陽電池，效率分別達(dá)到了20.15%和20.32%。采用印刷氧化鋁方式制備的太陽電池效率較前者約低0.1%～0.2%，可能的原因在于：1)燒結(jié)過程中氧化鋁膜厚急劇降至100 nm左右，顯微鏡觀察到膜存在一些孔隙，因此，成膜存在不均勻性；2)氧化鋁燒結(jié)后成膜的厚度差異超過10 nm，場鈍化存在不均勻性。

3 結(jié)論

本文制備了黑硅PERC多晶太陽電池，采用拋光工藝使硅片背面反射率較黑硅多晶太陽電池提升了10%以上；結(jié)合印刷氧化鋁及氮化硅鈍化后，制備的電池的少子壽命達(dá)到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV，效率提升了0.98%，達(dá)到了20.06%。