單晶PERC工藝優(yōu)化有哪些容易忽視的細節(jié)？

:摘要：以Al2O3/SixNy為鈍化層，制備了PERC單晶硅太陽電池，研究Al2O3鈍化層厚度對鈍化效果的影響，分析硅片少子壽命變化、燒結(jié)曲線對PERC電池電性能參數(shù)的影響。

引言

隨著能源日益緊張，環(huán)境保護越來越迫切，可再生綠色能源越來越受到人們的關(guān)注。硅太陽電池是研究熱點之一，也是目前唯一產(chǎn)業(yè)化的太陽電池。為了進一步優(yōu)化其生產(chǎn)工藝、提高晶體硅電池片效率、降低生產(chǎn)成本，此前已有諸多研究，20世紀80年代，澳大利亞新南威爾士大學光伏實驗室提出了PERC結(jié)構(gòu)太陽電池，打破了當時晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的記錄，也是目前唯一產(chǎn)業(yè)化的高效太陽電池技術(shù)[1,2]。PERC電池在常規(guī)電池基礎上增加了背面Al2O3/SiNxHy層疊鈍化與激光開孔工藝。利用Al2O3薄膜的場鈍化效應與SiNxHy薄膜的氫鈍化效應將硅片的有效載流子壽命由10～20μs提高到100～120μs[3,4]，同時利用激光對Al2O3/SiNxHy層疊薄膜進行局部開孔，使鋁漿能通過孔洞與硅片形成良好的歐姆接觸。本文研究工業(yè)生產(chǎn)中工藝參數(shù)與PERC電池轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系，分析工藝參數(shù)對硅片少子壽命的影響，并得出少子壽命與PERC電池轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系，探討燒結(jié)過程對PERC電池性能的影響及其內(nèi)在機理。

1、Al2O3對硅的鈍化機理

Al2O3中鋁原子存在兩種配位方式：6個氧原子的八面體中心位置和4個氧原子的四面體中心位置。在PECVD生長的Al2O3薄膜中，這兩種形態(tài)的Al2O3同時存在[5]。經(jīng)過高溫熱處理過程，八面體結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)換為四面體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生間隙態(tài)氧原子，間隙態(tài)氧原子奪取p型硅中的價態(tài)電子，形成固定負電荷，使Al2O3薄膜顯出負電性，在Al2O3/Si界面產(chǎn)生一個指向硅片內(nèi)部的界面電場，使載流子可迅速逃離界面，降低界面復合速率，提高硅片少子壽命[6-8]。

2、Al2O3厚度對電池特性的影響

采用梅耶博格公司的瑪雅設備來制備Al2O3/SixNy薄膜與背面保護氮化硅薄膜，高頻信號發(fā)生器頻率為13.56GHz。所用氣體為三甲基鋁(TMA)、高純氬氣、高純氨氣和高純硅烷，實驗時反應氣體直接通入反應腔體內(nèi)，反應腔體壓力為10～30Pa，反應溫度為300～400℃。正面氮化硅使用中國電子科技集團公司第四十八研究所PECVD設備制備，高頻信號發(fā)生器頻率為40kHz。采用西安隆基M2單晶硅片。使用Sinton公司的WCT120設備檢測硅片的少子壽命。使用Despatch公司生產(chǎn)的高溫燒結(jié)爐進行高溫快速熱處理。

2.1、 Al2O3厚度對硅片少子壽命的影響

為了研究Al2O3薄膜厚度對硅片少子壽命的影響，我們制備了不同厚度的Al2O3薄膜，保護SixNy薄膜的厚度為100nm，折射率為2.1，正面SixNy厚度為80nm，折射率為2.0。當Al2O3鍍膜時間為60s時，使用SENTECHSE800型橢偏儀測試Al2O3厚度為25nm，假定Al2O3薄膜生長速率恒定，通過調(diào)整鍍膜時間來調(diào)整Al2O3薄膜厚度。使用Sinton公司的WCT120型少子壽命測試儀分別測試快速熱處理前后的少子壽命，快速熱處理溫度曲線采用常規(guī)太陽電池燒結(jié)溫度曲線。結(jié)果如表1所示。

WCT120少子壽命測試儀的少子壽命測試結(jié)果為硅片的有效少子壽命，硅片有效少子壽命受載流子體壽命與載流子表面壽命的雙重影響，SixNy的鈍化作用主要體現(xiàn)在體鈍化效果上，Al2O3的鈍化作用主要體現(xiàn)在表面鈍化效果上。由于Al2O3的表面鈍化效果只有經(jīng)過熱處理過程才能體現(xiàn)出來，所以能夠以熱處理前后少子壽命增加量來衡量Al2O3薄膜的鈍化效果。從理論上講，5nm厚度的Al2O3薄膜就足以對硅片表面進行充分鈍化[9]，但在這組實驗中，厚度為5nm的Al2O3樣品在燒結(jié)前后的少子壽命增加只有11μs，而厚度為25μm的Al2O3樣品在燒結(jié)前后的少子壽命增加為103μs，少子壽命的增加量隨Al2O3薄膜厚度增加而增多。這種現(xiàn)象是由于在實際生產(chǎn)中硅片表面粗糙造成，粗糙的表面造成Al2O3薄膜分布不均勻，局部區(qū)域的Al2O3薄膜厚度過低，從而影響了鈍化效果，隨著薄膜整體厚度的增加，Al2O3薄膜的覆蓋率逐步增加，使得Al2O3薄膜的表面鈍化作用體現(xiàn)的更加明顯。

在熱處理前，硅片少子壽命隨著Al2O3薄膜后的增加而減少，這是由于Al2O3薄膜阻擋了背面SixNy對硅片的體鈍化作用導致。在SixNy薄膜的體鈍化作用與Al2O3薄膜的表面鈍化的共同作用下，硅片在熱處理后的少子壽命相差較小。

2.2 、Al2O3厚度對PERC電池電性能參數(shù)的影響

Al2O3厚度與PERC電池電性能參數(shù)的關(guān)系如表2所示。

隨著Al2O3厚度由5nm升高到20nm，電池片效率由19.45%升高到20.82%，開路電壓由641mV升高到662mV，短路電流由9.04A升高到9.42A，填充因子基本持平。這說明Al2O3的表面鈍化作用在PERC電池的效率提升中起到了關(guān)鍵作用。在Al2O3薄膜厚度增加到25nm后，電池轉(zhuǎn)換效率反而有所降低，尤其填充因子降低明顯，這可能是后續(xù)工序的激光能量偏低，對開膜部分的Al2O3薄膜清除不徹底，影響了鋁漿與硅片之間的歐姆接觸而導致。

3、燒結(jié)曲線對電池片性能的影響

3.1 、燒結(jié)溫度對鋁硅合金層厚度的影響

為了研究燒結(jié)溫度對鋁硅合金層的影響，首先以常規(guī)單晶電池燒結(jié)曲線對PERC電池片進行燒結(jié)，然后使用掃描電鏡觀察測量剖面，PERC背面鋁漿為南通天盛公司生產(chǎn)的BD-5型號鋁漿。

如圖1所示，以常規(guī)溫度曲線燒結(jié)的PERC電池的鋁硅合金層(BSF)只有約1μm。常規(guī)單晶電池的鋁硅合金層厚度通常約為10μm。PERC電池專用鋁漿為了保護背面Al2O3鈍化層而使用了弱刻蝕的玻璃體，這應是導致差異的主因。嘗試提高燒結(jié)爐溫區(qū)3、4溫度，再次進行燒結(jié)與檢測，如圖2所示，鋁硅合金層厚度為3.55～4.72μm，相對于常規(guī)燒結(jié)曲線，鋁硅合金層厚度明顯增加。鋁硅合金層厚度將直接影響鋁背場對載流子的收集效率，從而影響PERC電池的電性能參數(shù)。

鋁硅合金層厚度將直接影響載流子的復合速率，從而影響PERC電池的電性能參數(shù)，厚度大于2μm的鋁硅合金層可有效降低載流子復合速率[10]。

3.2、燒結(jié)曲線對PERC電池轉(zhuǎn)換效率的影響

對比了以下5組燒結(jié)曲線，分析對比開路電壓、短路電流、填充因子等電性能參數(shù)，燒結(jié)爐帶速為5m/min。其中編號a的曲線為常規(guī)電池燒結(jié)曲線。

開路電壓和短路電流呈相同變化趨勢，隨著溫區(qū)3、4溫度升高而上升，隨溫區(qū)5、6溫度升高而降低。由上述研究可知，在溫區(qū)3、4溫度上升的過程中，PERC電池的鋁硅合金層(BSF)厚度逐漸增加，所以開路電流和短路電壓隨之升高。當溫區(qū)5、6溫度升高時，鋁漿很可能燒穿了Al2O3薄膜上的氮化硅保護層，Al2O3鈍化層受到破壞，鈍化作用下降，所以導致開路電壓、短路電流下降。

當溫區(qū)3、4溫度升高時，填充因子、并聯(lián)電阻的變化并不明顯，但是隨著區(qū)溫5、6溫度的升高，填充因子迅速增大，并聯(lián)電阻迅速減小。在溫區(qū)3、4溫度升高階段，鋁漿對氮化硅保護層的侵蝕作用有限，氮化硅保護層起到了很好的保護作用，而隨著溫區(qū)5、6溫度的升高，鋁漿局部燒穿了氮化硅保護層與Al2O3層，直接接觸到了硅片，形成了額外的電流通道，所以填充因子上升，串聯(lián)電阻下降。

PERC電池的并聯(lián)電阻在燒結(jié)曲線變化的過程中基本保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率隨著鋁硅合金層厚度的增加而上升，隨著氮化硅保護層被鋁漿燒穿而迅速降低。

4、結(jié)論

Al2O3薄膜的鈍化作用可以由燒結(jié)前后的少子壽命變化量來衡量，在我們制備的5組樣品中，Al2O3薄膜越厚，少子壽命在燒結(jié)前后的增加量越大，但過厚的Al2O3薄膜會對激光開膜造成影響，降低PERC電池片的填充因子，在此次試驗中，Al2O3厚度為20nm的樣品獲得了最高的轉(zhuǎn)換效率。Al2O3的表面鈍化作用在PERC電池的效率提升中起到了關(guān)鍵作用。

由于PERC電池專用鋁漿使用了弱刻蝕性的玻璃體，所以相對與常規(guī)電池的燒結(jié)曲線，鋁漿燒結(jié)區(qū)需要升高溫度才能獲得良好的鋁硅合金層(BSF)。過高的峰值溫度會導致鋁漿燒穿Al2O3上的SixNy保護層，破壞Al2O3的鈍化效果，形成額外的導電通道，開路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻與轉(zhuǎn)換效率均會大幅降低，但并聯(lián)電阻相對保持穩(wěn)定。PERC電池的燒結(jié)既需要足夠高的溫度來保證鋁漿與硅片充分反應，又需要將燒結(jié)溫度限制在一定范圍內(nèi)，以保證鋁漿不會燒穿Al2O3上的SixNy保護層。

原標題:單晶PERC工藝優(yōu)化有哪些容易忽視的細節(jié)？