丁冰冰， 謝 欣

(廣州市儒興科技開(kāi)發(fā)有限公司，廣州 510530)

0 引言

p型晶體硅太陽(yáng)電池的背電場(chǎng)是在p型硅背面制備一層與基區(qū)相同的重?fù)诫s區(qū)p+。背電場(chǎng)的p-p+結(jié)使反射的光電子重新被收集，其內(nèi)建電場(chǎng)加速了光電子的傳輸，從而增加了少子的收集幾率，提高了太陽(yáng)電池的短路電流。同時(shí)，在p-p+結(jié)兩端會(huì)積累被其內(nèi)建電場(chǎng)分離的光生載流子，隨著p-p+結(jié)兩端與n-p兩端光電壓的疊加使太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓得到提高。由于背電場(chǎng)阻擋了基區(qū)少子向背面的擴(kuò)散，從而降低了暗電流，同時(shí)也提高了開(kāi)路電壓，背電場(chǎng)會(huì)給太陽(yáng)電池帶來(lái)約10%的開(kāi)路電壓提升[1]。

在所有晶體硅太陽(yáng)電池類型中，p型雙面PERC太陽(yáng)電池的產(chǎn)量占主導(dǎo)地位，其背面結(jié)構(gòu)為110～180 μm的鋁柵線與硅基形成接觸，該太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 p型雙面PERC太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of structure of p type bifacial PERC solar cells

晶體硅太陽(yáng)電池的背電場(chǎng)是通過(guò)Ⅲ主族受主雜質(zhì)元素制成的漿料與晶體硅通過(guò)共燒結(jié)形成。在Ⅲ主族元素中，鋁具有導(dǎo)電性好、價(jià)格便宜、市場(chǎng)上易獲得等優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為是制作晶體硅太陽(yáng)電池背電場(chǎng)的理想材料。鋁漿料是由導(dǎo)電相鋁粉、無(wú)機(jī)粘結(jié)體玻璃粉、有機(jī)載體及一些助劑組合而成。

鋁粉的活性也稱為鋁粉的純度，鋁漿中鋁粉的含量約為80%，其對(duì)鋁漿的性能具有重要作用。鋁粉顆粒呈球形，表層會(huì)形成氧化層。氧化層越厚，鋁粉活性越低；氧化層越薄，鋁粉活性越高。本文制備了3種不同活性的鋁粉，并將其制作成雙面PERC太陽(yáng)電池用鋁漿，以探究鋁粉活性對(duì)鋁漿燒結(jié)后的性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 鋁粉的制備

將鋁含量為99.90%的鋁錠熔化后，與分散劑一起加入溫度控制儀的霧化爐中進(jìn)行霧化加熱，霧化爐中保護(hù)氣氛的氧含量分別控制在0.5%、0.7%和0.9%，并通過(guò)溫度控制儀將霧化爐中鋁液的溫度。分別控制為860、870和880 ℃。然后由霧化爐的霧化器噴出3種原始鋁粉，先經(jīng)HLP-400氮?dú)獗Ｗo(hù)氣流分級(jí)機(jī)進(jìn)行二次分級(jí)，再通過(guò)400目篩網(wǎng)超聲波過(guò)篩，分級(jí)機(jī)分級(jí)時(shí)離心葉輪的轉(zhuǎn)速為2000 rpm，之后得到3種粒度中位徑均為8 μm、跨度均為1.2、松裝密度均為2.2 g/cm3的鋁粉。由O-3000型氧氣分析儀測(cè)得的這3種鋁粉的活性分別為99.6%、99.4%、99.2%。不同活性鋁粉的制備工藝如圖2所示。

圖2 不同活性鋁粉的制備工藝Fig. 2 Preparation technology of different activie Al powder

1.2 鋁漿的制備

將3種活性的鋁粉分別與無(wú)機(jī)粘結(jié)體玻璃粉、有機(jī)載體、流平劑、觸變劑混合，經(jīng)真空攪拌機(jī)高速攪拌60 min且充分混合后，放置2 h，再由三輥研磨機(jī)松軋3次、緊軋3次，制成3款粘度均為25000 mPa·s、細(xì)度均為15 μm的鋁漿。這3款鋁漿分別標(biāo)記為鋁漿a、鋁漿b、鋁漿c，且其對(duì)應(yīng)的鋁粉活性分別為99.6%、99.4%、99.2%，具體如圖3所示。

圖3 鋁漿的制備流程Fig. 3 Preparation process of Al paste

1.3 雙面PERC太陽(yáng)電池的制備

按照標(biāo)準(zhǔn)雙面PERC太陽(yáng)電池的制備工藝，在完成印刷環(huán)節(jié)之前的工藝后，對(duì)硅片進(jìn)行背面銀漿的印刷、烘干，接著印刷3種鋁漿并烘干，然后翻轉(zhuǎn)硅片在其正面印刷銀漿，最后放入燒結(jié)爐燒結(jié)，由此分別得到3組雙面PERC太陽(yáng)電池，分別標(biāo)記為太陽(yáng)電池A、太陽(yáng)電池B、太陽(yáng)電池C，這3組太陽(yáng)電池分別采用的是鋁漿a、鋁漿b、鋁漿c，雙面PERC太陽(yáng)電池在印刷和燒結(jié)環(huán)節(jié)的工藝如圖4所示。

圖4 雙面PERC太陽(yáng)電池在印刷和燒結(jié)環(huán)節(jié)的工藝Fig. 4 Process of bifacial PERC solar cells

1.4 測(cè)試設(shè)備與表征

鋁漿方阻測(cè)試：根據(jù)GB/T 17473.3—2008《微電子技術(shù)用貴金屬漿料測(cè)試方法 方阻測(cè)定》，利用Fluke 287C數(shù)顯萬(wàn)用表進(jìn)行鋁漿方阻的測(cè)試。鋁漿的印刷圖案如圖5所示。

圖5 鋁漿的印刷圖案Fig. 5 Printing pattern of Al paste

鋁漿線電阻的測(cè)試：利用TH2512B低電阻測(cè)試儀分別測(cè)試太陽(yáng)電池A、B、C這3組太陽(yáng)電池主柵線間的電阻，每組太陽(yáng)電池測(cè)試5片，每片讀取4個(gè)數(shù)據(jù)。具體的測(cè)試方式如圖6所示。

圖6 鋁漿線電阻的測(cè)試方式Fig. 6 Test method of Al paste wire resistance

鋁硅接觸電阻率的測(cè)試：采用TLM法[2-3]測(cè)試鋁硅的接觸電阻率。

摻雜濃度測(cè)試：將燒結(jié)工藝后的常規(guī)單晶硅片去除鋁層和合金層，利用WEP-CVP21擴(kuò)散濃度測(cè)試儀測(cè)試硅片表面的摻雜濃度。

SEM測(cè)試：利用FlexSEM 1000測(cè)試雙面PERC太陽(yáng)電池的橫截面、鋁硅反應(yīng)區(qū)域形成的背電池(BSF)層的厚度及激光線槽的寬度。

開(kāi)路電壓(Voc)測(cè)試：Sinton Suns-Voc測(cè)試印刷燒結(jié)后的雙面PERC太陽(yáng)電池在光注入條件下的Voc。

2 結(jié)果和分析

2.1 鋁粉活性對(duì)鋁漿方阻的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鋁漿a、鋁漿b、鋁漿c的方阻分別為19、23、29 mΩ/□。在燒結(jié)過(guò)程中，鋁漿不會(huì)與氧化鋁基片發(fā)生反應(yīng)，因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鋁漿方阻數(shù)值即為鋁漿本身的方阻值。由于鋁漿a的鋁粉活性最高，鋁粉顆粒表面的氧化層也最薄，燒結(jié)后鋁粉顆?？尚纬筛旅艿慕佑|，因此其方阻值最低。同理，鋁漿c中的鋁粉活性最低、表面氧化層最厚，因此其方阻值最高。

2.2 鋁粉活性對(duì)鋁漿線電阻的影響

在鋁漿燒結(jié)過(guò)程中，鋁漿和氮化硅(SiN)鈍化膜會(huì)發(fā)生一定程度的破壞性反應(yīng)，基底的硅原子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入鋁漿層，從而使主柵線處鋁漿的線電阻增大。鋁漿制備過(guò)程中，在其他材料、工藝均相同的情況下，鋁粉活性越高，制備得到的鋁漿的反應(yīng)活性越高。鋁漿的反應(yīng)活性越高，一方面，鋁漿在燒結(jié)過(guò)程中越易與硅及鈍化膜發(fā)生反應(yīng)，硅原子越易進(jìn)入鋁漿，鋁漿線電阻值增加的幅度越大；另一方面，高活性的鋁粉制成的鋁漿的線電阻值更小，而且鋁粉的活性越高，鋁漿的線電阻阻值越小，該結(jié)論與鋁漿的方阻測(cè)試結(jié)果一致。鋁漿的線電阻測(cè)試結(jié)果如圖7所示。其中：a1～a5為鋁漿a的試樣；b1～b5為鋁漿b的試樣；c1～c5為鋁漿c的試樣。

Fig. 7 Wire resistances value of there kinds of Al paste after sintering

從圖7可以看出，鋁漿a、b、c的線電阻分別為372.0～387.5、405.8～421.3、424.5～439.0 mΩ，由此可以得到鋁漿線電阻的排列方式為：鋁漿c＞鋁漿b＞鋁漿a。雖然鋁漿在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)因硅原子進(jìn)入使其線電阻增加，但由此反應(yīng)造成的主柵線處鋁漿線電阻升高的顯著性低于因鋁粉活性高引起的鋁漿線電阻的降低程度。

2.3 鋁粉活性對(duì)鋁硅接觸電阻的影響

在燒結(jié)升溫過(guò)程中，鋁和硅熔融成液體后會(huì)相互擴(kuò)散[4-5]，當(dāng)達(dá)到峰值溫度800 ℃時(shí)，硅在鋁中的溶解度為27%；燒結(jié)降溫過(guò)程中，硅外延生長(zhǎng)形成p-p+內(nèi)建電場(chǎng)——BSF[6]，同時(shí)形成鋁硅合金，并在577 ℃達(dá)到共晶點(diǎn)，此時(shí)硅在鋁中的溶解度約為12%[7-8]。由于鋁漿燒結(jié)后的降溫速率較快，形成的鋁硅合金中硅的含量一般高于最低的固溶比例(12%)。燒結(jié)后雙面PERC太陽(yáng)電池剖面結(jié)構(gòu)的SEM圖如圖8所示。

圖8 燒結(jié)后雙面PERC太陽(yáng)電池剖面結(jié)構(gòu)的SEM圖Fig. 8 SEM image of crass-sectional structure of bifacial PERC solar cell after sintering

從圖8可以看出，該剖面結(jié)構(gòu)自下而上依次為BSF層、鋁硅合金層和鋁膜層，光生載流子由鋁硅合金層傳導(dǎo)至鋁膜層。

利用能譜儀(EDS)對(duì)雙面PERC太陽(yáng)電池鋁硅合金層中的元素含量進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 雙面PERC太陽(yáng)電池鋁硅合金層中的元素含量占比Table 1 Proportion of element content on Al-Si alloy layer of bifacial PERC solar cell

從表1可以看出，在太陽(yáng)電池A中，鋁漿a形成的鋁硅合金層中鋁元素的含量最高、硅元素的含量最低；在太陽(yáng)電池B中，鋁漿c形成的鋁硅合金層中鋁元素的含量最低、硅元素的含量最高。在鋁硅合金層中，鋁元素的含量越高、硅元素的含量越低，合金層的導(dǎo)電性越好，接觸電阻越低；反之則接觸電阻越高，因此由鋁漿a、b、c這3種鋁漿制成的雙面PERC太陽(yáng)電池的鋁硅合金層的接觸電阻大小依為太陽(yáng)電池A＜太陽(yáng)電池B＜太陽(yáng)電池C。

根據(jù)鋁漿的線電阻大小順序，可以得出鋁漿的鋁硅接觸電阻的大小順序?yàn)殇X漿a＜鋁漿b＜鋁漿c。下文通過(guò)鋁硅接觸電阻率和接觸面積測(cè)試來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論。

將雙面PERC太陽(yáng)電池切割成寬度為1 cm的測(cè)試樣品條，以實(shí)現(xiàn)電學(xué)隔離，從而用于測(cè)試鋁漿的接觸電阻率。試樣的制備圖如圖9所示[9]。

圖9 鋁硅接觸電阻率測(cè)試時(shí)的試樣制備圖Fig. 9 Sample preparation diagram for Al paste contact resistivity test

從3類太陽(yáng)電池試樣中，每類取5片，每片各取3個(gè)測(cè)試條進(jìn)行鋁漿接觸電阻率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，3類太陽(yáng)電池試樣中，鋁硅接觸電阻率范圍分別為11.5～13.2、14.8～17.0、16.9～18.7 mΩ·cm2，由此可知，鋁硅接觸電阻率大小依次為鋁漿a＜鋁漿b＜鋁漿c。

圖10 不同太陽(yáng)電池的鋁硅接觸電阻率測(cè)試結(jié)果Fig. 10 Al-Si contact resistivity test results for different solar cells

分別從3類太陽(yáng)電池A、B、C中各選取5片太陽(yáng)電池，每片太陽(yáng)電池選擇5個(gè)點(diǎn)，利用FlexSEM1000分別測(cè)試這5個(gè)點(diǎn)的激光槽寬度，然后取平均值，用于鋁漿燒結(jié)后的接觸面積測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 3類太陽(yáng)電池的激光線槽寬度Fig. 11 Corrosion width of aluminum paste after sintering

從圖11中可以看出，太陽(yáng)電池A、B、C的激光線槽的寬度分別為54.28～55.48、52.38～53.72、50.14～51.38 μm，均值分別為54.73、52.98、50.71 μm，這也意味著鋁硅接觸面積大小位次為鋁漿a＞鋁漿b＞鋁漿c。這是因?yàn)殇X漿a的鋁粉活性最高，在相同的燒結(jié)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，其更容易與硅發(fā)生反應(yīng)并形成更多的鋁硅合金；同時(shí)，鋁漿的反應(yīng)活性高會(huì)腐蝕更多的鈍化膜，因此會(huì)形成更大的激光開(kāi)槽區(qū)域，鋁硅間的接觸面積最大。同理，鋁漿c的活性最低，與硅發(fā)生的反應(yīng)最少，形成的接觸面積也最小。接觸面積越大，接觸電阻率就越小，相應(yīng)的接觸電阻也就越小。

2.4 鋁粉活性對(duì)太陽(yáng)電池Voc的影響

影響Voc的因素主要包括鈍化膜被腐蝕的程度和形成的BSF層的質(zhì)量。鈍化膜被腐蝕的程度可由激光線槽的寬度表征，線槽越寬，表明鈍化膜被腐蝕的越嚴(yán)重，3類太陽(yáng)電池的鈍化膜被腐蝕程度依次為太陽(yáng)電池A＞太陽(yáng)電池B＞太陽(yáng)電池C。

BSF層的質(zhì)量包括BSF層的厚度和摻雜濃度。利用WEP-CVP21擴(kuò)散濃度測(cè)試儀分別測(cè)試了3種鋁漿在p型硅片上燒結(jié)后的摻雜濃度曲線，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 3種鋁漿在p型硅片上燒結(jié)后的摻雜濃度曲線Fig. 12 Doping concentration curve of three Al pastes sinteried on p type silicon wafers

從圖12可以看出，最高摻雜濃度為2.4×1019～2.6×1019cm3，摻雜濃度隨摻雜深度的增大而逐漸下降，這3種鋁漿的摻雜濃度并無(wú)顯著差異，可見(jiàn)，在此實(shí)驗(yàn)中鋁粉活性未對(duì)鋁漿燒結(jié)后的摻雜濃度產(chǎn)生影響。

分別從3類太陽(yáng)電池A、B、C中各選取5片太陽(yáng)電池，利用FlexSEM 1000測(cè)試鋁漿在太陽(yáng)電池中形成的BSF層的厚度，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。從圖13中可以看出，太陽(yáng)電池A、B、C中鋁漿形成的BSF層的平均厚度分別為5.18、4.87、4.64 μm，由此可知，鋁漿a形成的BSF層最厚。在摻雜濃度無(wú)明顯差別的情況下，BSF層越厚，p-p+結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的電勢(shì)差越大，越有利于電子空穴向電極分離和收集，同時(shí)可降低串聯(lián)電阻中的體電阻和鋁硅接觸電阻，對(duì)太陽(yáng)電池的Voc越有利。

圖13 3類太陽(yáng)電池中的BSF層厚度Fig. 13 Thickness of BSF layer in three types of solar cell

利用Suns-Voc分別測(cè)試了采用本文鋁漿的太陽(yáng)電池A、B、C及采用商用鋁漿制備的同類太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓Voc，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，太陽(yáng)電池A、B、C的Voc均值分別是690.152、690.478、690.774 mV，表現(xiàn)出太陽(yáng)電池C＞太陽(yáng)電池B＞太陽(yáng)電池A的趨勢(shì)，并且太陽(yáng)電池B、C的Voc均高于采用商用鋁漿的太陽(yáng)電池。

表2 太陽(yáng)電池A、B、C與采用商用鋁漿的太陽(yáng)電池的Voc測(cè)試結(jié)果Table 2 Vco test results of solar cells A，B，C and solar cells using commercial Al paste

綜上可知，Voc的測(cè)試結(jié)果與BSF層厚度的測(cè)試結(jié)果并不一致，這主要是因?yàn)椋築SF層的厚度能增加Voc，而對(duì)鈍化膜的破壞又會(huì)降低Voc，這2種因素共同影響Voc。本實(shí)驗(yàn)表明，鋁粉活性高的鋁漿形成的BSF層雖然較厚但其對(duì)鈍化膜的破壞程度更大；鋁粉活性低的鋁漿形成的BSF層雖然較薄但其對(duì)鈍化膜的破壞程度小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：BSF層厚度為太陽(yáng)電池A＞太陽(yáng)電池B＞太陽(yáng)電池C，而對(duì)鈍化膜的破壞程度為太陽(yáng)電池A＞太陽(yáng)電池B＞太陽(yáng)電池C。由于鈍化膜被破壞程度產(chǎn)生的影響大于BSF層厚度產(chǎn)生的影響，最終Voc測(cè)試結(jié)果為太陽(yáng)電池C＞太陽(yáng)電池B＞太陽(yáng)電池A，采用鋁粉活性低的鋁漿的太陽(yáng)電池的Voc更高。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)鋁漿的方阻、線阻、鋁硅接觸電阻率，以及太陽(yáng)電池的Voc進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比了不同活性鋁粉對(duì)鋁漿性能的影響，并利用WEPCVP21擴(kuò)散濃度測(cè)試儀進(jìn)行鋁漿摻雜濃度測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1)鋁粉的活性越高，鋁硅接觸電阻和線電阻越小。

2)鋁漿的鋁硅接觸電阻和線電阻與太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻的變化趨勢(shì)一致，即在其他材料工藝參數(shù)不變的情況下，鋁漿的鋁硅接觸電阻和線電阻越小，太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻越小。

3)在本文研究的鋁粉活性范圍內(nèi)，采用活性較低的鋁粉時(shí)太陽(yáng)電池具有較高的Voc，但并非鋁粉活性越低，太陽(yáng)電池的Voc就一定越高。這因?yàn)楫?dāng)鋁粉活性過(guò)低時(shí)會(huì)影響到BSF層的濃度和厚度，而B(niǎo)SF層也是鋁漿影響Voc的重要因素。