PERC光衰最優(yōu)降至0.03％ 是如何做到的？

:摘要：隨著p型晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，由于光致衰減（lid）造成的效率損失問題也日益突顯。文章通過光輻照的方式分別對(duì)電池片和經(jīng)過光衰處理后的電池片進(jìn)行抑制光衰和光衰恢復(fù)處理，前者光衰幅度極大下降，后者光衰得到很好的恢復(fù)，并且達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明光恢復(fù)處理可以很好地改善摻硼p型晶體硅太陽電池的lid現(xiàn)象。特別地，針對(duì)p型高效電池結(jié)構(gòu)鈍化發(fā)射區(qū)和背表面電池（perc）技術(shù)來說，光恢復(fù)處理工藝基本上克服了lid的現(xiàn)象，24h光衰幅度僅為0．03％。lid現(xiàn)象的解決，將為perc技術(shù)的大規(guī)模推廣奠定基礎(chǔ)。

（來源：微信公眾號(hào)“光伏” ID：pvmagazine）

引言

摻硼p型硅片的lid（光致衰減）現(xiàn)象由來已久，眾多科研機(jī)構(gòu)已對(duì)其進(jìn)行了廣泛深入的研究，光照下，硼氧復(fù)合物的形成是造成該現(xiàn)象的根本原因［1］?；谔娲饟诫s和降低氧含量，如mcz硅片、fz硅片、摻鎵硅片和摻磷n型硅片等［2］，雖然可以解決lid問題，但由于市場(chǎng)的現(xiàn)有狀況（p型晶硅電池占據(jù)了90％以上的晶硅市場(chǎng)份額）和技術(shù)上的壁壘（如直拉單晶棒電阻率分布過寬、電池制造設(shè)備及工藝亟需改進(jìn)和更新），均未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

據(jù)npdsolarbuzz預(yù)測(cè)，未來5年，高效p型單晶和多晶電池將主導(dǎo)光伏市場(chǎng)［3］，而perc（鈍化發(fā)射區(qū)和背表面電池）電池則是目前公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)p型高效電池的最佳途徑［4］。從2012年開始，眾多臺(tái)灣電池片廠家，包括旭泓、新日光和昱晶等已率先實(shí)現(xiàn)perc電池的量產(chǎn)；陸續(xù)地，包括sundison、recsolar和晶澳等也宣布進(jìn)入量產(chǎn)階段。perc電池效率的提升得益于背面鈍化和反射的增強(qiáng)，由此也帶來了perc電池極大的光衰；嚴(yán)重時(shí)，lid導(dǎo)致的效率衰減超過0．9％［5］。因此，發(fā)展一種可以有效抑制和克服摻硼p型電池lid現(xiàn)象的工藝，對(duì)p型高效太陽電池的發(fā)展具有積極而深遠(yuǎn)的意義。

本文依次對(duì)常規(guī)鋁背場(chǎng)電池結(jié)構(gòu)的各種提效工藝和perc高效電池結(jié)構(gòu)的光恢復(fù)現(xiàn)象進(jìn)行研究，有效實(shí)現(xiàn)了lid的抑制和改善。

1、實(shí)驗(yàn)

本文所有的電池片生產(chǎn)工藝均在常規(guī)的晶體硅太陽電池生產(chǎn)線上進(jìn)行：（1）在氫氧化鈉、異丙醇、硅酸鈉和制絨添加劑構(gòu)成的堿性溶液中進(jìn)行制絨，絨面金字塔大小在5μm以內(nèi)；（2）擴(kuò)散爐中高溫磷擴(kuò)散形成n型發(fā)射結(jié)，方阻在80Ω／□左右；（3）等離子體刻蝕去邊結(jié)后，在氫氟酸溶液中進(jìn)行二次清洗去除磷硅玻璃；（4）pecvd減反層鍍膜，膜厚在80nm左右，具體的鍍膜工藝根據(jù)再生恢復(fù)的需要，選擇sinx／siny或者siox／sinx／siny疊層結(jié)構(gòu)；（5）依次進(jìn)行背面銀漿、背面鋁漿和正面銀漿的絲網(wǎng)印刷及高溫?zé)Y(jié)；（6）電池片效率測(cè)試及分選。

perc在常規(guī)鋁背場(chǎng)電池?cái)U(kuò)散工藝后增加：（1）背面拋光（同時(shí)省略第（3）步工藝）；（2）背面鈍化層沉積后，進(jìn)行正面sinx減反層沉積；（3）進(jìn)行背面局部激光開窗后，進(jìn)行絲網(wǎng)印刷和高溫?zé)Y(jié)。

光衰抑制實(shí)驗(yàn)：電池片燒結(jié)完成后，直接進(jìn)入專門的光恢復(fù)裝置中，處理一定的時(shí)間后，進(jìn)行24h的光衰處理。光衰后恢復(fù)實(shí)驗(yàn)：電池片首先進(jìn)行24h的光衰處理，在專門的光恢復(fù)裝置處理后，再次進(jìn)行24h的光衰處理。

2、結(jié)果與討論

2．1siox／sinx／siny

正面減反層工藝lid與恢復(fù)2005年sunpower發(fā)現(xiàn)的pid（電勢(shì)誘發(fā)衰減）現(xiàn)象對(duì)組件可靠性提出了挑戰(zhàn)，在發(fā)射結(jié)與sinx減反層間生長(zhǎng)或者沉積一層siox薄膜［6］可以從電池端解決pid問題。因此，本節(jié)將首先研究和解決pid電池的lid現(xiàn)象。如圖1所示，為正面sinx／siny和siox／sinx／siny減反層結(jié)構(gòu)電池片在“24h光衰－24h光恢復(fù)－24h光衰”處理過程中各個(gè)電學(xué)參數(shù)的變化趨勢(shì)。兩組電池片初始轉(zhuǎn)換效率η分別為19．53％和19．68％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff分別為641．37和643．94mv、9．37和9．36a、78．91％和79．28％。經(jīng)過24h光衰處理后，兩組電池片轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為3．10％和2．16％，對(duì)應(yīng)開路電壓voc、短路電流isc和填充因子ff相對(duì)衰減分別為0．85％和0．72％、1．68％和1．11％、0．59％和0．36％；經(jīng)過再生恢復(fù)處理后，兩組電池片轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為1．23％和0．02％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．19％和0．03％、0．56％和0．06％、0．49％和－0．07％；再經(jīng)過24h光衰處理后，兩組電池片轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為1．86％和0．75％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．07％和－0．09％、1．00％和0．39％、0．80％和0．45％。

如上所述，光衰電池經(jīng)過光恢復(fù)處理后，效率明顯恢復(fù)，同時(shí)在進(jìn)行再次光衰后，lid明顯下降，效率的恢復(fù)得以保持；siox／sinx／siny結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的恢復(fù)效果，我們認(rèn)為這與siox／sinx／siny結(jié)構(gòu)更好的氫鈍化效果有關(guān)。接下來，對(duì)上述兩組電池的直接恢復(fù)效果進(jìn)行研究。如圖2所示，分別為兩組電池片進(jìn)行恢復(fù)后再進(jìn)行24h光衰各個(gè)電學(xué)參數(shù)的變化趨勢(shì)。兩組電池片初始轉(zhuǎn)換效率分別為19．68％和19．66％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff分別為641．78和645．33mv、9．40和9．40a、79．24％和78．73％。電池片經(jīng)過光恢復(fù)處理后，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為1．22％和0．57％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．23％和0．16％、0．07％和0．03％、0．92％和0．37％；經(jīng)過24h光衰后，電學(xué)參數(shù)基本保持。因此，直接的恢復(fù)處理同樣實(shí)現(xiàn)了lid的抑制和改善；同樣地，siox／sinx／siny結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的恢復(fù)效果。

結(jié)合量子效率測(cè)試，我們對(duì)lid的發(fā)生和恢復(fù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖3示出電池片光衰前后和恢復(fù)前后的量子效率對(duì)比，圖3（a）表明光衰發(fā)生后，因硼氧復(fù)合物的形成所導(dǎo)致的長(zhǎng)波響應(yīng)下降［7］；而圖3（b）表示光恢復(fù)后，長(zhǎng)波響應(yīng)恢復(fù)至與光衰前基本一致，因此，電池的衰減與恢復(fù)體現(xiàn)為長(zhǎng)波響應(yīng)的惡化與改善，說明光恢復(fù)對(duì)體硅復(fù)合中心的有效鈍化。

2．2sinx／siny／sioxny正面減反層工藝lid與恢復(fù)

采用折射率漸變的疊層結(jié)構(gòu)是降低入射光反射，提高電池效率的重要舉措［8］，如何解決隨之而來的lid問題則成為關(guān)鍵。圖4分別為對(duì)疊層結(jié)構(gòu)電池進(jìn)行光衰后再恢復(fù)處理和直接進(jìn)行光恢復(fù)處理電參數(shù)的變化趨勢(shì)。兩組電池片初始轉(zhuǎn)換效率分別為19．77％和19．80％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff分別為644．76和645．33mv、9．38和9．37a、79．39％和79．47％。第一組電池片經(jīng)過24h光衰處理后，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減為2．75％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．94％、0．94％和0．90％；經(jīng)過恢復(fù)處理后，isc基本恢復(fù)至初始值，voc、ff和轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別降低至0．23％、0．56％和0．64％；再經(jīng)過24h光衰處理后，voc和isc基本保持，由于ff衰減增大至1．15％，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)1．18％的衰減。第二組電池片經(jīng)過光恢復(fù)處理后，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減為0．26％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．13％、0．11％和0．02％；經(jīng)過24h光衰后，電學(xué)參數(shù)基本保持。因此，無論是光衰前還是光衰后，恢復(fù)處理均可使電池復(fù)合中心達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)lid較大程度上的抑制和改善［9］，從而使疊層減反結(jié)構(gòu)在提高電池轉(zhuǎn)換效率上的貢獻(xiàn)得到很好的保持與體現(xiàn)。

2．3背拋光電池lid與恢復(fù)

背拋光是perc技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一［10］，就其技術(shù)本身而言，也可一定程度上提高電池背面光學(xué)和電學(xué)性能。圖5所示為常規(guī)電池片和背拋光電池片進(jìn)行“24h光衰－24h光恢復(fù)－24h光衰”過程中各個(gè)電學(xué)參數(shù)的變化趨勢(shì)。電池片初始轉(zhuǎn)換效率分別為19．45％和19．60％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff分別為640．76和643．34mv、9．30和9．36a、79．26％和79．01％。經(jīng)過24h光衰處理后，兩組電池片轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為2．77％和1．80％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．37％和0．50％、1．11％和0．68％、1．32％和0．62％；經(jīng)過恢復(fù)處理后，兩組電池片轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別減小至0．33％和0．31％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．13％和0．14％、0．01％和0．11％、0．20％和0．06％；再經(jīng)過24h光衰處理后，兩組電池片轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為1．67％和1．43％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為0．08％和0．22％、0．38％和0．23％、1．22％和0．98％。

如圖6所示，為常規(guī)和背拋光電池片直接進(jìn)行光恢復(fù)后再進(jìn)行24h光衰各個(gè)電學(xué)參數(shù)的變化趨勢(shì)。電池片初始轉(zhuǎn)換效率分別為19．49％和19．66％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff分別為641．05和643．34mv、9．31和9．36a、79．29％和79．26％。電池片經(jīng)過光恢復(fù)處理后，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為1．12％和0．69％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為－0．05％和0．06％、0．72％和0．23％、0．46％和0．40％；經(jīng)過24h光衰后，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減分別為1．74％和1．14％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為－0．02％和－0．02％、0．96％和0．44％、0．81％和0．72％。由此可見，光恢復(fù)處理工藝可有效改善各種提效工藝的lid現(xiàn)象，具有普遍的適用性。

2．4perc電池光恢復(fù)

perc技術(shù)已經(jīng)在量產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)20％以上的轉(zhuǎn)換效率，但是，電池片高達(dá)5％以上的光衰幅度，基本吞噬了高效結(jié)構(gòu)帶來的效率增益，如何解決其lid問題是產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)不可回避的問題。實(shí)驗(yàn)電池均采用perc工藝［11］制備，電參數(shù)在光衰后恢復(fù)和制備后的直接恢復(fù)過程中的變化趨勢(shì)如圖7所示。兩組電池片初始轉(zhuǎn)換效率分別為20．25％和20．17％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff分別為659．04和657．73mv、9．31和9．32a、78．87％和78．65％。第一組電池片經(jīng)過24h光衰處理后，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減為5．21％，對(duì)應(yīng)voc、isc和ff相對(duì)衰減分別為2．12％、2．23％和0．95％；經(jīng)過恢復(fù)處理后，四個(gè)關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)已基本恢復(fù)至初始值；再經(jīng)過24h光衰處理后，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)衰減僅為0．78％。第二組電池片在經(jīng)過光恢復(fù)處理后，轉(zhuǎn)換效率基本與初始值持平，進(jìn)行24h光衰后，效率相對(duì)衰減僅為0．03％，繼續(xù)進(jìn)行24h光衰，效率相對(duì)衰減也僅為0．22％。由此可見，經(jīng)過光恢復(fù)處理的電池片光衰大幅度下降；同時(shí)，由于背面鈍化層提供了豐富的氫含量，用于體硅內(nèi)硼氧復(fù)合中心鈍化，perc電池恢復(fù)效果要比常規(guī)電池更好，具體的反應(yīng)機(jī)理在進(jìn)一步的研究當(dāng)中。

電池光衰前后和光恢復(fù)前后的量子效率變化如圖8所示，由于光衰導(dǎo)致的長(zhǎng)波響應(yīng)下降在恢復(fù)處理后，基本完全恢復(fù)。

3、結(jié)論

本工作通過光照的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)摻硼p型晶硅電池lid的控制，極大抑制和改善了電池光衰幅度。結(jié)合產(chǎn)線提效方案，具體討論了用于提高電池可靠性和轉(zhuǎn)化效率的pecvd鍍膜工藝、背拋光工藝和perc高效結(jié)構(gòu)的光衰和光恢復(fù)現(xiàn)象。針對(duì)光衰電池恢復(fù)和電池直接恢復(fù)過程進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明電池片制備完成后，直接進(jìn)行光輻照就可進(jìn)行抑制光衰的處理工藝；在合適的工藝條件下，直接進(jìn)行光恢復(fù)處理比光衰后恢復(fù)可獲得更好的效果。對(duì)于常規(guī)鋁背場(chǎng)電池，光衰幅度從2．0％以上，最優(yōu)可降至1．0％以內(nèi)；對(duì)于perc結(jié)構(gòu)，光衰幅度更是從5．0％以上，最優(yōu)可降至0．03％。perc高效結(jié)構(gòu)優(yōu)異的光衰恢復(fù)效果將極大推動(dòng)摻硼p型perc結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。

陳健生1，董 方1，楊德仁2，包大新1，趙 鋒1，傅曉敏1

1．橫店集團(tuán)東磁股份有限公司2．浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

原標(biāo)題:PERC光衰最優(yōu)降至0.03％ 是如何做到的？