梁玲 郭麗 張波 孟秀峰

【摘 要】 區(qū)別于太陽(yáng)能電池采用SiOx或AlOx與SiNx的疊層結(jié)構(gòu)的背面鈍化工藝，本文采用一種PERC太陽(yáng)能電池的背面鈍化工藝的新方法來(lái)疊層表面具有較高的固定正電荷。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的新工藝制得的PERC高效電池具有更好的光電轉(zhuǎn)換效率，較常規(guī)工藝電池片效率提高了0.4%。并對(duì) PERC高效電池的下一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)以及對(duì)工業(yè)應(yīng)用提供了方法。

【關(guān)鍵詞】 太陽(yáng)能電池;硅片;背面鈍化;轉(zhuǎn)化效率;工藝研究

隨著高效太陽(yáng)能電池研發(fā)的不斷推進(jìn)，優(yōu)質(zhì)的表面鈍化已成為高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池不可或缺的組成部分。表面鈍化通過(guò)飽和半導(dǎo)體表面處的懸掛鍵，可降低界面態(tài)密度;同時(shí)鈍化膜的存在避免了雜質(zhì)在表面層的引入，而形成復(fù)合中心，降低了表面活性，以此來(lái)降低少數(shù)載流子的表面復(fù)合速率，提高少子壽命。同時(shí)鈍化膜中的固定電荷能使半導(dǎo)體表面反型或堆積，形成表面結(jié)，阻止少子載流子流向表面，減小了表面復(fù)合的損失，從而提高了表面光生載流子的收集率。

但常規(guī)PECVD法制備的SiON與SiNx的疊層膜中，缺陷主要以K0、K+和N-三種形式存在，由于薄膜中的K中心的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于N中心，從而使薄膜與晶體硅的界面表現(xiàn)為正電性。在P型硅背面出現(xiàn)正電荷層，會(huì)形成反轉(zhuǎn)層造成漏電，增加表面復(fù)合速率。通用的太陽(yáng)能電池采用SiOx或AlOx與SiNx的疊層結(jié)構(gòu)的背面鈍化工藝，會(huì)使疊層表面具有較高的固定正電荷。鑒于此，如何合理、有效地降低疊層表面固定正電荷，是優(yōu)化電池PECVD鍍減反射膜鈍化工藝重點(diǎn)。為此，本文對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。

1實(shí)驗(yàn)方案及過(guò)程

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原料介紹

實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備為PECVD，用于晶體硅太陽(yáng)能電池制造中電池片的減反射膜生長(zhǎng)，以達(dá)到減反射和鈍化作用目的。它主要由冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、反應(yīng)室、抽排系統(tǒng)、軟著陸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。PECVD設(shè)備其控制系統(tǒng)為德國(guó)BECKHOFF PLC與研華工控機(jī)人機(jī)界面相結(jié)合，可提供自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)操作。利用工控機(jī)提供人機(jī)操作界面，對(duì)鍍膜過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)視與控制。其工藝流程為：石墨舟及硅片準(zhǔn)備→插片→上料→選擇工藝運(yùn)行→進(jìn)舟→抽真空→升溫穩(wěn)定→通特氣→抽尾氣→充氮?dú)狻鲋邸轮劾鋮s→測(cè)試→卸片。

實(shí)驗(yàn)中，單晶電池片外觀尺寸為156mm×156mm，厚度為200μm，電阻率為1～3Ω·cm。該單晶電池片為市場(chǎng)常見電池片。電池片生產(chǎn)工藝采用車間量產(chǎn)的PERC單晶電池生產(chǎn)工藝。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

本文是在保留AlOx膜較高固定的表面負(fù)電荷的基礎(chǔ)上，對(duì)AlOx與SiON、SiNx的疊層結(jié)構(gòu)熱處理，控制熱處理過(guò)程中特定的溫度和時(shí)間，使薄膜內(nèi)部較弱的N-H鍵斷裂，較強(qiáng)的Si-H未斷裂。這種N-H鍵斷裂后釋放出的氫原子，一部分與薄膜中的Si的懸掛鍵結(jié)合，使薄膜中K中心（N3≡Si）的數(shù)量減少;另一部分鈍化了晶體硅表面的懸掛鍵，使晶體硅表面的復(fù)合程度減小，從而提高了少數(shù)載流子壽命過(guò)程。

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)單晶硅片依次進(jìn)行單晶堿制絨→擴(kuò)散制結(jié)→堿拋光濕法切邊;

將已背面拋光的硅片，兩兩正面對(duì)正面插入載體中，送入原子層沉積設(shè)備中;

在溫度300攝氏度條件下，使用流量為500sccm的攜帶有三甲基鋁TMA的氮?dú)馔ㄈ氤练e設(shè)備中，同時(shí)通入水蒸氣，輸入到沉積設(shè)備中的水蒸氣的質(zhì)量與三甲基鋁TMA的質(zhì)量比為3∶1，在硅片背面表面生成一層3-30nm的AlOx層，x為每個(gè)鋁原子與x個(gè)氧原子鍵合;

將沉積好AlOx層的硅片面作為鍍膜面反插入PECVD石墨舟，使在鍍膜時(shí)，電池片發(fā)射極面不被鍍膜，送入PECVD爐管;

采用PECVD法在硅片背面依次沉積SiON薄膜和SiNx薄膜，所述PECVD法的工藝參數(shù)為：第一層氮氧化硅，以氨氣、硅烷、笑氣為反應(yīng)物，氨氣流量為3-6slm，硅烷流量為1-5slm，一氧化二氮流量為300-1000sccm，射頻功率為5700w，時(shí)間為800s;第二層氮化硅，以氨氣、硅烷為反應(yīng)物，氨氣流量為3-6slm，硅烷流量為0.5-3slm，射頻功率為5700w，時(shí)間為800s;所述SiON與SiNx的疊層膜厚度為160-200nm;對(duì)完成背面SiON、SiNx疊層膜的硅片進(jìn)行熱處理工藝;在N2（10slm）的氣氛下，進(jìn)行升溫，將爐體溫度升至700℃;穩(wěn)定2min;在N2（25slm）的氣氛下，以4℃/min的速度將環(huán)境溫度降至670℃;出舟，自然冷卻，完成;

將完成熱處理后的硅片進(jìn)行后續(xù)激光開槽→絲網(wǎng)印刷燒結(jié)→制備得到高效電池片;

取各2000片單晶硅片，按照PERC高效電池和常規(guī)制備的電池實(shí)驗(yàn)方案不鍍氧化鋁層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2結(jié)果與討論

將兩種工藝制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。

通過(guò)兩種工藝制備的電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行對(duì)比可知，在電性能測(cè)試上，SiON、SiNx疊層膜鈍化層能有效提高開路電壓Uoc、短路電流Isc。新工藝制得的PERC高效電池具有更好的光電轉(zhuǎn)換效率為21.4%，普通產(chǎn)線制備高效電池光電轉(zhuǎn)換效率為21%，新工藝較常規(guī)工藝光電轉(zhuǎn)換效率提高了0.4%，并且開路電壓與短路電流都有明顯的提升，說(shuō)明增加了AlOx膜層后，由于自身攜帶負(fù)電荷，它比常規(guī)氮氧化硅層更好地起到場(chǎng)鈍化與化學(xué)鈍化的效果，降低了背表面的缺陷，從而降低背表面復(fù)合，增強(qiáng)了鈍化效果，提升了少子壽命，進(jìn)而提升了短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

3結(jié)論

優(yōu)化后的新工藝制得的PERC高效電池由于提高了鈍化效果具有更好的光電轉(zhuǎn)換效率，并且開路電壓與短路電流都有明顯的提升，較常規(guī)工藝電池片效率提高了0.4%。

有效地改善了電池PECVD鍍減反射膜鈍化效果。此類工藝參數(shù)的優(yōu)化提升，對(duì)于PERC高效電池工藝的下一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)開拓了更為廣泛的思路，一定程度上促進(jìn)PERC電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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