賈艷飛

(山西機電職業(yè)技術學院，長治 046011)

0 引 言

目前光伏行業(yè)發(fā)展迅猛，整個產業(yè)鏈生產成本的下降和電池轉換效率的提升，為太陽能發(fā)電具備平價上網提供可能，從而實現與傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)的互補。新的電池技術日新月異，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、異質結電池(HJT)以及鈣鈦礦等開始引領光伏產業(yè)發(fā)展[1]。其中單晶背鈍化PERC電池由于成本低、轉換效率低，且與各電池廠商自有設備兼容性好，迅速成為現今太陽能電池環(huán)節(jié)的主流產品。據最新報道，在已經實現量產化的單晶PERC中，蘇民新能源采用了優(yōu)化柵線以及絨面實現平均轉換效率達到22.63%；而2019年初隆基單晶雙面PERC電池經國家光伏質檢中心(CPVT)測試，正面轉換效率達到了24.06%。

單晶背鈍化PERC電池技術的核心即在常規(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

由于硅片內部和硅片表面存在一定的雜質及缺陷，會加速表面載流子的復合從而對光伏電池的性能造成負面影響，鈍化主要通過以化學鈍化和場效應鈍化的方式來減小復合速率，提高少數載流子壽命?；瘜W鈍化，即使界面的各種缺陷態(tài)飽和，降低界面缺陷濃度，從而減少禁帶內的復合中心；場效應鈍化，是通過電荷積累，在界面處形成靜電場，從而降低少數載流子濃度。目前應用于單晶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，在量產化產線背鈍化環(huán)節(jié)普遍應用的是Al2O3/SiNx雙層結構[3]。目前已產業(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，本文擬采用正交實驗方法對背鈍化鍍膜工藝條件進行最優(yōu)化研究。影響鈍化效果的主要因素有工藝腔壓強、溫度、特氣流量以及微波功率等。為了提升實驗效率，通過正交實驗法優(yōu)化實驗次數，快速找出鈍化工藝的最優(yōu)化條件，并對實驗結果進行預測并做出可靠性評估，對產線工藝設定起到很好的指導作用。

1 實 驗

1.1 實驗原料及設備

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；設備：IV測試儀(Meyer Burger)，背鈍化設備(MAIA3400 2in1 R2.1),橢偏儀(SE400adv PV)。

1.2 實驗工藝流程

選取同一批次摻鎵硅片制作成電池片(每組實驗800 pcs)，為保證實驗可對照性，在電池片制作過程中各工序環(huán)節(jié)都選用同一設備，且工藝參數不做調整，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

通過對背鈍化工序設定不同的工藝參數，加工成電池片。對電池片膜厚、折射率等選取2%進行抽測，并且通過電致發(fā)光(EL)測試和I-V測試進行全檢，對鈍化質量進行最終評估。

2 結果與討論

2.1 正交實驗設計

背鈍化最終效果涉及工藝腔壓強、溫度、特氣流量以及微波功率四個單因素，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驗方法檢查四個單因素及其相互作用對實驗結果影響的效果，并初步給出最優(yōu)工藝條件的組合。結合目前兩次量產背鈍化工藝：0.1～0.3 mbar工藝腔壓強、300～400 ℃的溫度設定、2.0～3.0的NH3/SiH4比率以及1 000～2 000 W的微波功率，實驗選取0.15 mbar、0.2 mbar、0.25 mbar三個水平的工藝腔壓強，360 ℃、370 ℃、380 ℃三個水平的溫度設定，2.4、2.6、2.8三個水平的NH3/SiH4比率以及1 200 W，1 500 W，1 800 W三個水平的微波功率。采用正交實驗表，安排每次實驗的條件，如表1所示。工藝腔壓強(A)、溫度(B)、NH3/SiH4比率(C)、微波功率(D)為第1、2、3、4列，第5列為各組實驗電池片的測試效率，每次實驗的條件(各因素水平)由實驗序號所在行與代表處理工藝腔壓強(A)、溫度(B)、NH3/SiH4比率(C)、微波功率(D)的1、2、3、4列共同確定。比如序號為3的實驗,1、2、3、4列所對應的因素水平分別為1、3、3、3，則第3組實驗的實驗條件為工藝腔壓強0.15 mbar，溫度380 ℃，NH3/SiH4比率2.8，微波功率為1 800 W。

表1 正交實驗設計以及實驗結果Table 1 Orthogonal experimental design and experimental results

根據表1的實驗結果，表2、表3列出了主要的數據處理結果，以下簡要給出關鍵的數據處理步驟[5]。

(1)均值計算

取表1中9組實驗第5列Eff(轉換效率)的平均值(F0代表平均值，F(Xi)代表每組實驗對應的轉換效率值)。

(2)各因素水平均值計算

(3)極差計算

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)因素效應值計算

(5)因素方差計算

式中的n為實驗組數量。

(6)誤差方差計算

式中的F(Xi)代表每組實驗對應的轉換效率值，D(Fi)代表因素方差，i代表因素(A,B,C,D)。

(7)自由度計算

對于單因素，自由度fA=3-1=2

總自由度f=9-1=8

(8)F比計算

表2 正交實驗極差計算分析Table 2 Calculation and analysis of range in orthogonal experiment /%

從表2數據中可以得出對于A，B，C，D 4個因素，通過計算，D因素對應的效率數值極差最大，其因素變化影響作用相對其他3個因素較為顯著。即對鈍化質量影響相對最顯著的因素為微波功率，其次為NH3/SiH4比率、工藝腔壓強、溫度設定。

表3 正交實驗方差計算分析Table 3 Calculation and analysis of variance in orthogonal experiment

從表3分析技術的數據可以看出，通過F檢驗，對照F分布表(自由度為n-1=3-1=2)查得F表=4.46，F均小于F表，四個因素對測試效率的影響顯著性不明顯，其顯著性排列順序為D>C>A>B。

2.2 測試數據分析

結合表1中得到的實驗數據選擇各組實驗對應的電池片進行相應性能測試，并對測試數據進行分析。

2.2.1 膜厚以及折射率分析

對每組實驗選取2%(40 pcs)進行膜厚和折射率測試，表4為正交各組實驗膜厚及折射率抽測平均值。

表4 正交各組實驗膜厚及折射率抽測Table 4 Measurement of film thickness and refractive index by orthogonal test

通過表4中數據分析可以看出：

(1)微波功率的變化對膜厚的影響不明顯，但是能夠在一定程度上顯著影響折射率，當微波功率1 500 W時折射率達到最大，對應實驗組轉換效率最高，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，對應轉換效率有所增加；工藝腔壓強以及溫度增加時，膜厚與折射率沒有呈現相應變化，故影響相對較??；

(3)對比實驗數據，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，避免反射太多導致基體對光線的吸收減少，進而影響光電轉換效率[6]。

2.2.2 電學性能測試

對每組實驗制作的電池片進行相關電學性能測試，具體數據如表5所示。

表5 正交各組實驗電學性能測試Table 5 Electrical performance test of orthogonal group experiment

通過對電學性能數據分析，鈍化質量的提升主要是體現在降低硅片表面雜質造成缺陷對載流子復合的影響[7]。實驗7的Voc和Isc均處于一個相對較好的水平，因此對應的轉換效率最高。另外從表5數據中可以看出實驗7的串聯電阻為各組實驗中最高，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，鋁硅的接觸較差進而導致填充因子下降。

3 結 論

本文通過采用四因素三水平正交實驗方法分析出工藝腔壓強、溫度設定、NH3/SiH4比率以及微波功率對鈍化質量的影響，并通過對實驗數據進行方差以及極差分析，找出對背鈍化影響顯著性順序:微波功率>NH3/SiH4比率>工藝腔壓強>溫度設定。實驗數據表明，不考慮各因素間的相互作用，在0.25 mbar的工藝腔壓強、360 ℃溫度設定，2.8的NH3/SiH4比率，1 500 W的微波功率下鈍化質量效果最好，電池片轉換效率達到最大值，但對應的其他電學性能指標仍有一定的改善空間。