晶體硅太陽能電池?zé)Y(jié)匹配性研究

摘　要：良好的燒結(jié)能夠極大地提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。通過理論分析太陽能電池?zé)Y(jié)后各參數(shù)的變化情況，預(yù)測燒結(jié)的狀態(tài)以及燒結(jié)的調(diào)節(jié)方向，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析，從而得到工業(yè)生產(chǎn)中晶硅電池?zé)Y(jié)匹配優(yōu)化方法。通過不斷對燒結(jié)的優(yōu)化，從而達(dá)到了改善燒結(jié)效果，提升電池片功率的目的。 　　絲網(wǎng)印刷和快速燒結(jié)由于其生產(chǎn)相對方便和迅速高效，是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)太陽能電池大規(guī)模應(yīng)用的一種成熟工藝。 　　燒結(jié)的目的就是為了把印刷到硅片上的電極在高溫下燒結(jié)與硅片形成良好的歐姆接觸，從而更好地收集電池片表面由于光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)生的電流。電池片常規(guī)的生產(chǎn)工藝流程為：表面預(yù)清洗→化學(xué)腐蝕制作絨面→擴(kuò)散制結(jié)→等離子體刻蝕去邊→去磷硅玻璃→鍍減反射膜→絲網(wǎng)印刷→燒結(jié)→性能測試，其中燒結(jié)為電池片生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)之一。 　　燒結(jié)的好壞直接影響電池片的幾項(xiàng)重要參數(shù)：串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻和填充因子，從而決定了電池片的好壞。由于很多廠家所用的設(shè)備以及工藝條件的不同，以及印刷漿料的不斷更新，每個廠家都需要根據(jù)自身的實(shí)際情況，在實(shí)踐中不斷調(diào)整和修改，以達(dá)到更好的工藝匹配。本文通過理論分析串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻以及填充因子對于燒結(jié)效果的判斷，并以實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這些判斷指標(biāo)，進(jìn)而得到各參數(shù)與燒結(jié)溫度的相互關(guān)系。這對于工業(yè)生產(chǎn)過程中的燒結(jié)匹配性調(diào)節(jié)有一定的指導(dǎo)意義。 　　1燒結(jié)原理 　　燒結(jié)原理就是當(dāng)金屬材料和晶硅加熱到共晶的溫度時，晶硅的原子會以一定的比例擴(kuò)散到金屬當(dāng)中，而擴(kuò)散的晶硅原子的數(shù)量取決于金屬的溫度以及金屬體積。而此時的晶硅原子融入金屬的狀態(tài)就被稱之為合金系統(tǒng)。此后降低溫度，融入到金屬中的硅原子會重新以固態(tài)的形式結(jié)晶出來，這樣就在金屬和晶硅之間便形成了一層外延層。如果這個外延層含有與原先晶體相同類型的雜質(zhì)，金屬與晶體硅便形成了歐姆接觸。 　　每一批次硅片由于其雜質(zhì)摻入的比例以及深度的不同，每批硅片都有其最佳的燒結(jié)點(diǎn)，當(dāng)溫度過高或者過低，都不能達(dá)到我們理想的燒結(jié)效果。欠燒時，歐姆接觸沒有完全形成，串聯(lián)電阻便會偏大，填充因子偏低；過燒時，硅片表面的擴(kuò)散磷在高溫下被驅(qū)趕到硅片的深處，而銀漿中的磷不能形成充分的磷源補(bǔ)充，硅片表面的雜質(zhì)濃度就會下降，接觸電阻就會增加，同時銀硅合金也會消耗過多的銀，此時的銀硅合金層相當(dāng)于隔離層，阻止了載流子的輸出，也會增加接觸電阻，降低填充因子。 　　因此通過考察接觸電阻的好壞以及p-n結(jié)特性我們便可以判斷出燒結(jié)情況的好壞。結(jié)合并聯(lián)電阻以及反向電流的考察，我們便可以大體判斷出燒結(jié)的調(diào)節(jié)方向，過燒時會導(dǎo)致電極燒穿，更多的雜質(zhì)驅(qū)散到p-n結(jié)附近，增加了局部漏電的幾率，這時所表現(xiàn)出來的特征就是并聯(lián)電阻偏小，反向電流偏大，同時溫度過高時表面復(fù)合幾率增大，短路電流也會相應(yīng)減小。因此燒結(jié)匹配性的判斷主要是對串聯(lián)電阻中的接觸電阻、并聯(lián)電阻、填充因子、反向電流以及短路電流的綜合判斷。 　　2實(shí)驗(yàn) 　　2.1樣品 　　實(shí)驗(yàn)選用面積為156mm×156mm,晶向?yàn)?lt;100>的p型單晶硅片作為實(shí)驗(yàn)樣品，其電導(dǎo)率為0.5Ω·cm～2.0Ω·cm，原始硅片厚度約200μm。實(shí)驗(yàn)樣品共分為11組，每組樣品20片。 　　2.2實(shí)驗(yàn)步驟 　　實(shí)驗(yàn)步驟如下：清洗制絨→擴(kuò)散制結(jié)→刻蝕→去磷硅玻璃→鍍減反射膜→印刷→高溫?zé)Y(jié)→測試統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)→調(diào)節(jié)燒結(jié)工藝→分析結(jié)論。 　?。?）清洗制絨，采用低濃度的堿溶液腐蝕制備絨面，降低硅片的反射率。 　?。?）擴(kuò)散制結(jié)，使用液態(tài)POCl3作為磷源在高溫下擴(kuò)散形成p-n結(jié)，使用semilab公司的方阻測試儀SHR-1000測試方阻，控制方阻范圍53Ω/□～57Ω/□。 　?。?）采用CF4和O2的等離子體進(jìn)行硅片邊緣刻蝕。 　?。?）用適當(dāng)?shù)臐舛鹊腍F酸去除附著的磷硅玻璃。 　?。?）采用常規(guī)的工藝在硅片表面淀積一層SiNx:H減反射膜，使用semilab公司的LE-100PV橢偏儀測量薄膜的厚度以及折射率，顯示為膜厚75nm，折射率為2.01。 　?。?）印刷和燒結(jié)：用Baccini絲網(wǎng)印刷機(jī)對硅片進(jìn)行電極印刷，并用Despatch燒結(jié)爐以20片為一組，根據(jù)燒結(jié)結(jié)果對燒結(jié)爐進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)。這里主用采取控制變量法，先控制燒結(jié)爐1區(qū)～8區(qū)溫度不變，調(diào)節(jié)燒結(jié)爐的9區(qū)得到一個相對好的燒結(jié)點(diǎn)，然后控制1區(qū)～7區(qū)以及9區(qū)溫度不變，調(diào)節(jié)8區(qū)溫度，以獲得最佳匹配溫度。其中1區(qū)～7區(qū)在整個實(shí)驗(yàn)過程中未進(jìn)行調(diào)節(jié)，為常見的陡坡式燒結(jié)曲線，其溫度設(shè)置見表1。 　?。?）保持8區(qū)溫度不變，設(shè)為820℃，調(diào)節(jié)9區(qū)溫度得到的結(jié)果見表2。 　?。?）保持9區(qū)溫度不變，設(shè)為925℃，調(diào)節(jié)8區(qū)溫度得到表格3的結(jié)果。 　　3數(shù)據(jù)及分析 　　實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果是由pss10太陽能光伏模擬器測試得出，以20片的平均數(shù)據(jù)為參考，避免了單片的波動性造成的數(shù)據(jù)失真。對比表2和表3的燒結(jié)數(shù)據(jù)，我們不難發(fā)現(xiàn)Uoc、Isc、Rs、Rsh、FF和η在不同的燒結(jié)溫度下，都有了改變。尤其是Rs、Rsh、FF以及η變化比較明顯。 　　實(shí)驗(yàn)過程中，我們控制其余8個區(qū)域，分別向過燒以及欠燒的方向調(diào)節(jié)，以期找到最為合適的燒結(jié)點(diǎn)。為方便數(shù)據(jù)的分析，我們將燒結(jié)的數(shù)據(jù)調(diào)整為溫度逐漸升高的過程。 　　分析九區(qū)的燒結(jié)數(shù)據(jù)，如圖1所示，我們發(fā)現(xiàn)隨溫度的持續(xù)升高，電池背場燒結(jié)的更充分，電池的串聯(lián)電阻持續(xù)得到改善，填充因子增大，效率提高。繼續(xù)升高溫度，除了串聯(lián)電阻有了較大的下降以及填充因子有所上升外，其他的參數(shù)都變得更差，繼續(xù)調(diào)高溫度，電池的各項(xiàng)參都變得惡化。而串聯(lián)電阻在第5組溫度下得以改善，很有可能是溫度較高，正面銀電極部分燒穿，導(dǎo)致的串阻大幅度下降。而填充因子可以看成是串聯(lián)電阻的函數(shù)，如公式所示。 　　式中：FF為填充因子；Uoc為開路電壓；Rs為串聯(lián)電阻。 　　由公式，當(dāng)串聯(lián)電阻有較大下降時，F(xiàn)F有一個改善的過程。分析以上的燒結(jié)過程，當(dāng)8區(qū)溫度保持不變時，第4組數(shù)據(jù)燒結(jié)工藝溫度設(shè)置是最為理想的。與最初的燒結(jié)工藝相比，效率提高了0.28%。 　　由公式，當(dāng)串聯(lián)電阻有較大下降時，F(xiàn)F有一個改善的過程。分析以上的燒結(jié)過程，當(dāng)8區(qū)溫度保持不變時，第4組數(shù)據(jù)燒結(jié)工藝溫度設(shè)置是最為理想的。與最初的燒結(jié)工藝相比，效率提高了0.28%。 　　由公式，當(dāng)串聯(lián)電阻有較大下降時，F(xiàn)F有一個改善的過程。分析以上的燒結(jié)過程，當(dāng)8區(qū)溫度保持不變時，第4組數(shù)據(jù)燒結(jié)工藝溫度設(shè)置是最為理想的。與最初的燒結(jié)工藝相比，效率提高了0.28%。由公式，當(dāng)串聯(lián)電阻有較大下降時，F(xiàn)F有一個改善的過程。分析以上的燒結(jié)過程，當(dāng)8區(qū)溫度保持不變時，第4組數(shù)據(jù)燒結(jié)工藝溫度設(shè)置是最為理想的。與最初的燒結(jié)工藝相比，效率提高了0.28%。 　　經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，得到最佳的燒結(jié)溫度見表4。 　　在此燒結(jié)溫度下，我們又進(jìn)行了多次試驗(yàn)，獲得了較好的重復(fù)性。而在此溫度下，效率相對于初始的燒結(jié)工藝有了0.51%的改善。這說明以上的分析是正確的。 　　4結(jié)論 　　通過控制變量的方法，分別調(diào)節(jié)8區(qū)以及9區(qū)的溫度，得到了一個相對較好的燒結(jié)工藝，在得出此工藝的過程中，我們結(jié)合理論以及通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論： 　　（1）電池的串聯(lián)電阻與燒結(jié)工藝的匹配密切相關(guān)，一般好的燒結(jié)工藝，串聯(lián)電阻會相應(yīng)地降低； 　?。?）FF與串聯(lián)電阻密切相關(guān)，一般隨著串聯(lián)電阻的減小，F(xiàn)F會相應(yīng)地增大； 　?。?）一般過燒與欠燒都存在串聯(lián)電阻偏大的現(xiàn)象，此時應(yīng)該結(jié)合并聯(lián)電阻和反流進(jìn)行判斷，一般過燒都存在并聯(lián)電阻降低，反流偏大的現(xiàn)象； 　?。?）接觸電阻的改善能夠很好地預(yù)測燒結(jié)效果的改善，在不破壞p-n結(jié)的情況下，接觸電阻越小，則燒結(jié)效果越好； 　?。?）電池片由欠燒向最佳燒結(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)的過程中，串聯(lián)電阻持續(xù)降低，剛過了最佳點(diǎn)以后，串聯(lián)電阻依然會降低，此時需要結(jié)合效率以及反流來判斷； 　?。?）實(shí)在無法判斷此時的燒結(jié)點(diǎn)，可以通過控制變量法，對一個溫區(qū)進(jìn)行單向變動，觀察燒結(jié)效果，以判斷溫度調(diào)節(jié)的方向； 　　本文從理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的角度獲得了一個較好的燒結(jié)工藝，對工業(yè)生產(chǎn)中的燒結(jié)匹配有一定的指導(dǎo)意義。（楊達(dá)偉，高華，楊樂　上海超日太陽能科技股份有限公司，上海201406）