賈艷飛

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)治 046011)

0 引 言

目前光伏行業(yè)發(fā)展迅猛，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)成本的下降和電池轉(zhuǎn)換效率的提升，為太陽(yáng)能發(fā)電具備平價(jià)上網(wǎng)提供可能，從而實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)的互補(bǔ)。新的電池技術(shù)日新月異，單晶背鈍化發(fā)射極背面接觸電池(單晶PERC)、多晶背鈍化發(fā)射極背面接觸電池(多晶PERC)、鑄錠單晶電池、異質(zhì)結(jié)電池(HJT)以及鈣鈦礦等開始引領(lǐng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。其中單晶背鈍化PERC電池由于成本低、轉(zhuǎn)換效率低，且與各電池廠商自有設(shè)備兼容性好，迅速成為現(xiàn)今太陽(yáng)能電池環(huán)節(jié)的主流產(chǎn)品。據(jù)最新報(bào)道，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化的單晶PERC中，蘇民新能源采用了優(yōu)化柵線以及絨面實(shí)現(xiàn)平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.63%；而2019年初隆基單晶雙面PERC電池經(jīng)國(guó)家光伏質(zhì)檢中心(CPVT)測(cè)試，正面轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了24.06%。

單晶背鈍化PERC電池技術(shù)的核心即在常規(guī)電池沉積背面鈍化層，并通過開口形成背面接觸[2]，圖1是單晶PERC被鈍化示意圖。

圖1 單晶PERC電池背鈍化示意圖Fig.1 Schematic diagram of the monocrystal back passivation PERC cell

由于硅片內(nèi)部和硅片表面存在一定的雜質(zhì)及缺陷，會(huì)加速表面載流子的復(fù)合從而對(duì)光伏電池的性能造成負(fù)面影響，鈍化主要通過以化學(xué)鈍化和場(chǎng)效應(yīng)鈍化的方式來減小復(fù)合速率，提高少數(shù)載流子壽命?；瘜W(xué)鈍化，即使界面的各種缺陷態(tài)飽和，降低界面缺陷濃度，從而減少禁帶內(nèi)的復(fù)合中心；場(chǎng)效應(yīng)鈍化，是通過電荷積累，在界面處形成靜電場(chǎng)，從而降低少數(shù)載流子濃度。目前應(yīng)用于單晶PERC背鈍化的材料主要有Al2O3，氧化硅以及氮氧化硅等，其中Al2O3由于電荷密度較高，在量產(chǎn)化產(chǎn)線背鈍化環(huán)節(jié)普遍應(yīng)用的是Al2O3/SiNx雙層結(jié)構(gòu)[3]。目前已產(chǎn)業(yè)化的單晶背鈍化PERC電池鈍化效果處于不斷持續(xù)優(yōu)化中，本文擬采用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)背鈍化鍍膜工藝條件進(jìn)行最優(yōu)化研究。影響鈍化效果的主要因素有工藝腔壓強(qiáng)、溫度、特氣流量以及微波功率等。為了提升實(shí)驗(yàn)效率，通過正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)次數(shù)，快速找出鈍化工藝的最優(yōu)化條件，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)并做出可靠性評(píng)估，對(duì)產(chǎn)線工藝設(shè)定起到很好的指導(dǎo)作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

硅片：電阻率0.4～1.2 Ω·cm，規(guī)格156.75 mm×156.75 mm，厚度190 μm；摻鎵型特氣：SiH4/NH3，9 N，上海正帆科技股份有限公司；設(shè)備：IV測(cè)試儀(Meyer Burger)，背鈍化設(shè)備(MAIA3400 2in1 R2.1),橢偏儀(SE400adv PV)。

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

選取同一批次摻鎵硅片制作成電池片(每組實(shí)驗(yàn)800 pcs)，為保證實(shí)驗(yàn)可對(duì)照性，在電池片制作過程中各工序環(huán)節(jié)都選用同一設(shè)備，且工藝參數(shù)不做調(diào)整，以減小誤差。圖2為單晶背鈍化PERC電池工藝流程圖。

圖2 單晶背鈍化PERC電池工藝流程圖Fig.2 Process flow of the monocrystal back passivation PERC cell

通過對(duì)背鈍化工序設(shè)定不同的工藝參數(shù)，加工成電池片。對(duì)電池片膜厚、折射率等選取2%進(jìn)行抽測(cè)，并且通過電致發(fā)光(EL)測(cè)試和I-V測(cè)試進(jìn)行全檢，對(duì)鈍化質(zhì)量進(jìn)行最終評(píng)估。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

背鈍化最終效果涉及工藝腔壓強(qiáng)、溫度、特氣流量以及微波功率四個(gè)單因素，此外還存在各因素兩兩之間的相互作用[4]。本文采用三水平正交實(shí)驗(yàn)方法檢查四個(gè)單因素及其相互作用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的效果，并初步給出最優(yōu)工藝條件的組合。結(jié)合目前兩次量產(chǎn)背鈍化工藝：0.1～0.3 mbar工藝腔壓強(qiáng)、300～400 ℃的溫度設(shè)定、2.0～3.0的NH3/SiH4比率以及1 000～2 000 W的微波功率，實(shí)驗(yàn)選取0.15 mbar、0.2 mbar、0.25 mbar三個(gè)水平的工藝腔壓強(qiáng)，360 ℃、370 ℃、380 ℃三個(gè)水平的溫度設(shè)定，2.4、2.6、2.8三個(gè)水平的NH3/SiH4比率以及1 200 W，1 500 W，1 800 W三個(gè)水平的微波功率。采用正交實(shí)驗(yàn)表，安排每次實(shí)驗(yàn)的條件，如表1所示。工藝腔壓強(qiáng)(A)、溫度(B)、NH3/SiH4比率(C)、微波功率(D)為第1、2、3、4列，第5列為各組實(shí)驗(yàn)電池片的測(cè)試效率，每次實(shí)驗(yàn)的條件(各因素水平)由實(shí)驗(yàn)序號(hào)所在行與代表處理工藝腔壓強(qiáng)(A)、溫度(B)、NH3/SiH4比率(C)、微波功率(D)的1、2、3、4列共同確定。比如序號(hào)為3的實(shí)驗(yàn),1、2、3、4列所對(duì)應(yīng)的因素水平分別為1、3、3、3，則第3組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件為工藝腔壓強(qiáng)0.15 mbar，溫度380 ℃，NH3/SiH4比率2.8，微波功率為1 800 W。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Orthogonal experimental design and experimental results

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表2、表3列出了主要的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，以下簡(jiǎn)要給出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理步驟[5]。

(1)均值計(jì)算

取表1中9組實(shí)驗(yàn)第5列Eff(轉(zhuǎn)換效率)的平均值(F0代表平均值，F(xiàn)(Xi)代表每組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率值)。

(2)各因素水平均值計(jì)算

(3)極差計(jì)算

FAmax-FAmin≈22.23%-22.15%≈0.08%

極差即因素水平均值的最大值與最小值之差。

(4)因素效應(yīng)值計(jì)算

(5)因素方差計(jì)算

式中的n為實(shí)驗(yàn)組數(shù)量。

(6)誤差方差計(jì)算

式中的F(Xi)代表每組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率值，D(Fi)代表因素方差，i代表因素(A,B,C,D)。

(7)自由度計(jì)算

對(duì)于單因素，自由度fA=3-1=2

總自由度f=9-1=8

(8)F比計(jì)算

表2 正交實(shí)驗(yàn)極差計(jì)算分析Table 2 Calculation and analysis of range in orthogonal experiment /%

從表2數(shù)據(jù)中可以得出對(duì)于A，B，C，D 4個(gè)因素，通過計(jì)算，D因素對(duì)應(yīng)的效率數(shù)值極差最大，其因素變化影響作用相對(duì)其他3個(gè)因素較為顯著。即對(duì)鈍化質(zhì)量影響相對(duì)最顯著的因素為微波功率，其次為NH3/SiH4比率、工藝腔壓強(qiáng)、溫度設(shè)定。

表3 正交實(shí)驗(yàn)方差計(jì)算分析Table 3 Calculation and analysis of variance in orthogonal experiment

從表3分析技術(shù)的數(shù)據(jù)可以看出，通過F檢驗(yàn)，對(duì)照F分布表(自由度為n-1=3-1=2)查得F表=4.46，F(xiàn)均小于F表，四個(gè)因素對(duì)測(cè)試效率的影響顯著性不明顯，其顯著性排列順序?yàn)镈>C>A>B。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表1中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇各組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的電池片進(jìn)行相應(yīng)性能測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.1 膜厚以及折射率分析

對(duì)每組實(shí)驗(yàn)選取2%(40 pcs)進(jìn)行膜厚和折射率測(cè)試，表4為正交各組實(shí)驗(yàn)?zāi)ず窦罢凵渎食闇y(cè)平均值。

表4 正交各組實(shí)驗(yàn)?zāi)ず窦罢凵渎食闇y(cè)Table 4 Measurement of film thickness and refractive index by orthogonal test

通過表4中數(shù)據(jù)分析可以看出：

(1)微波功率的變化對(duì)膜厚的影響不明顯，但是能夠在一定程度上顯著影響折射率，當(dāng)微波功率1 500 W時(shí)折射率達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)組轉(zhuǎn)換效率最高，可推知鈍化效果最好；

(2)NH3/SiH4比率的增加能夠一定程度上提升樣片折射率，而膜厚隨該因素變化的幅度不大，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換效率有所增加；工藝腔壓強(qiáng)以及溫度增加時(shí)，膜厚與折射率沒有呈現(xiàn)相應(yīng)變化，故影響相對(duì)較小；

(3)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出背鈍化鍍膜工藝保持低膜厚和高折射率能夠控制光線的發(fā)射，避免反射太多導(dǎo)致基體對(duì)光線的吸收減少，進(jìn)而影響光電轉(zhuǎn)換效率[6]。

2.2.2 電學(xué)性能測(cè)試

對(duì)每組實(shí)驗(yàn)制作的電池片進(jìn)行相關(guān)電學(xué)性能測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 正交各組實(shí)驗(yàn)電學(xué)性能測(cè)試Table 5 Electrical performance test of orthogonal group experiment

通過對(duì)電學(xué)性能數(shù)據(jù)分析，鈍化質(zhì)量的提升主要是體現(xiàn)在降低硅片表面雜質(zhì)造成缺陷對(duì)載流子復(fù)合的影響[7]。實(shí)驗(yàn)7的Voc和Isc均處于一個(gè)相對(duì)較好的水平，因此對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率最高。另外從表5數(shù)據(jù)中可以看出實(shí)驗(yàn)7的串聯(lián)電阻為各組實(shí)驗(yàn)中最高，而填充因子偏低，主要是NH3/SiH4比例較高，不利于形成富硅鈍化層，影響與印刷鋁漿的反應(yīng)，鋁硅的接觸較差進(jìn)而導(dǎo)致填充因子下降。

3 結(jié) 論

本文通過采用四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)方法分析出工藝腔壓強(qiáng)、溫度設(shè)定、NH3/SiH4比率以及微波功率對(duì)鈍化質(zhì)量的影響，并通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差以及極差分析，找出對(duì)背鈍化影響顯著性順序:微波功率>NH3/SiH4比率>工藝腔壓強(qiáng)>溫度設(shè)定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不考慮各因素間的相互作用，在0.25 mbar的工藝腔壓強(qiáng)、360 ℃溫度設(shè)定，2.8的NH3/SiH4比率，1 500 W的微波功率下鈍化質(zhì)量效果最好，電池片轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值，但對(duì)應(yīng)的其他電學(xué)性能指標(biāo)仍有一定的改善空間。