薄晶体硅PERC电池的工艺研究.pdf

1、0 前言太阳能光伏发电是新能源的重要 组 成部分 ，近年来在国内外受到了高度重视并迅速发展 。 光伏发电的核心技术 晶体硅电池技术也在取得持续进步 。钝化发射极及背局域接触电池 （PERC） 最早是由新南威尔士 大 学 研发的 ，由于对电池进行了双面钝化 ，背面电极采用局域接触的形式 ， 有效地降低了表面复合 ，减少了电池的翘曲断裂 。 另外 ，对电池背面进行了抛光处理 ， 提高了对长波的吸收 。 PERC电池制作流程如图 1 所示 。目 前 ，国内晶体硅电池的硅片原始厚度为180190 m，硅料消耗成本大幅降低 ，极大 地促进了光伏产业的迅速发展 。采用金刚线切割技术可以切割出厚度为 100

2、 m 的硅 片 ， 将 超薄电池的工艺技术又推进了一步 。Jan HendrikPetermann 采 用 蒸镀的方法已制备出厚度为 43m、效率 达 19.1%的高 效 PERC 电池1。 硅片减 薄 ， 会影响太阳电池的机械性能和吸光性能 ， 而 且必须对常规电池生产线进行改进 ，以适合批量投产 。本文对不同厚度 PERC 电 池 的 效 率 进 行了模拟 ， 并对常规电池生产工艺进行改进 ，制作 出 厚 度 分 别 为 110，130，150，170 m 的PERC 电 池 。1 不同厚度电池的效率模拟PC1D 是一款用于模拟晶体硅太阳电池的软件 ，它通过求解太阳电池中电子和空穴在准一维

3、传输时所满足的半导体基本方程进行器件 模拟 。 PC1D 对计 算 机软 、硬件要求较低 ，操作简单 ，可以输出载流子浓度 、电流密度 、I-U特性 、量子效率和反射率曲线等多种物理量关系 图 。 新 版的 PC1D 完善了材料物理模型和特性 等 参 数 ，对晶体硅电池模拟具有很高的准确性和可靠性 。反射模型如图 2 所示 。收 稿 日 期 ： 2014-12-29。基 金 项 目 ： 国家 “863”（高技术研究发展计划 ）项 目 （2012AA050302）； 广东省粤港重点项目 （2008A011800004）。作 者 简介 ： 尹庆磊 （1985-），男 ，硕 士 研究生 ，研究方向为

4、光伏技术 。 E-mail：薄 晶 体 硅 PERC 电池的工艺研究尹庆磊1，2， 姜辰明1， 王学孟2， 沈 辉1，2（1. 中山 大 学 物理科学与工程技术学院 ， 广东 广州 510006； 2. 顺德 中 山大学 太阳能研究院 ， 广东 佛山528300）摘 要 ： 随 着 切割技术的进步 ，晶体硅电池制作得越来越薄 ，这符合晶体硅电池降低成本 、提高效率的技术发展趋势 。 文章模拟了不同厚度钝化发射极及背局域接触 （PERC）电池的 效率 ；基于 110，130，150，170 m 4 种厚度的单晶硅薄片制作了 PERC 电 池 ，通 过 表征其 I-U 特 性 、量 子 效率 （Q

5、E）、电 致 发光 （EL）来研究薄片电池制作的 工 艺 问题 。关键词 ： 效率 ； 切割技术 ； 钝化发射极及背局域接触电池中图分类号 ： TM615 文献 标 志码 ： A 文章 编 号 ： 1671-5292（2015）10-1445-05图 1 PERC 电池 制 作流程Fig.1 Production process of PERC cell制绒扩散去背结背面抛光双面镀膜背面开膜印刷烧结 图 2 反射 模 型Fig.2 Reflection modelI2I1I4I3I6I5可再生能源Renewable Energy Resources第 33卷 第 10期2015年 10月Vol

6、.33 No.10Oct. 20151445DOI:10.13941/ki.21-1469/tk.2015.10.002在模拟 中 ，硅 的体电阻率设为 3 cm；背面 场 反 射 率 为 92%，即I4I3=92%；前 表 面 反 射率平均值为 7%，即I2I1=7%；前表面二次反射率 为 90%，即I6I5=90%。反 射 率 、扩散方阻以及硅材料本身的参数设 定后 ， 改变特定厚度下的表面复合速率 ，即可得到同一厚度下不同复合速率的硅片模拟效率 。 改变特定复合速率下的硅片厚度 ，即可得到同一复合速率下不同厚度的硅片模拟效率 。 J Schmidt 通过 ALD 沉积 Al2O3钝化 膜

7、 ，将表面复合速率降低至 20 cm/s2。 硅片 抛 光后 ，结合高效的钝化膜可以将表面复合降低至10 cm/s 以 下 。 模拟中将背表面复合 速 率设置为 10 cm/s 和 100 cm/s， 忽略 背面开膜部分的复 合 ，得到不同厚度的 PERC 电池在不同复合速率下的模拟效率 （图 3）。从 图 3 中可 以 看到 ， 只有当表面复合速率处于很低水平时 ， 电池的效率才会超过21%。 当电池的厚度超过 110 m 时 ，效率的 提升幅度明显降低 。2 实 验2.1 PERC 电池的制备工艺流程实验 采 用标准 156 mm156 mm P 型单晶硅 片 ，扩散后方阻均为 75 /，

8、厚 度 分 别 为110，130，150，170 m， 其他各项参数基本一致 。 实 验 采用单面双层 SiNx掩膜方法进行背面抛 光 ，这样既能实现单面抛光 ，又 可以防止碱液穿透掩膜层腐蚀绒面 。 抛光工艺如下 ：加热质量分数为 20%的 KOH 溶液 至 80 ，并保持 恒 温 ；将硅片放置其中 ，保持 3 min；硅 片 厚度 约减去 810 m。 这个过程中会释放大量的热 ，经过浓碱和高温的作用 ，原来 镀 的 SiNx已经失去了钝化效果 ，必须 洗 掉 ，重新镀膜 。工艺流程如图 4 所 示 。电池正面采用双层 SiNx膜 钝 化 ，有 效 地起到减反射和钝化的作用 ；背 面 采

9、用 3 层 膜钝 化 ，既能有效提高少子寿命 ，还 能 增 加 对长 波 的 反 射 ，起到背反射器的作用 ， 增 加 硅片对长波的吸收 。 图 5 为 制 作 的 PERC 电 池结 构 图 。2.2 少子寿命将镀膜后的硅片放置于烧结炉上进行1 min 的快 速 退火 ，激活 Al2O3钝化活性后进行少 子 寿 命测试 。 少子寿命测试采用 WCT120 少子寿 命 测试仪 ，经退火处理的硅片平均少子寿命为 70 s 左右 ，最 高 值达 89 s。 如果 能 严控实验过程中的表面污染 ，少子寿命还能有明显提高 。2.3 激光烧蚀开膜实现 PERC 电池背面电极局域接触 ，常见的方法有激光烧

10、结和激光烧蚀3，4。 激光 烧 结要先印刷铝浆再烧结 ， 然后用激光逐点烧结，使铝与硅基底融合形成铝硅点接触电极 。 激光烧蚀要在背面膜层上烧蚀出所需的图案 ，再通图 3 不同厚度电池的效率模拟Fig.3 Simulation of different thickness21.521.020.520.019.519.018.5效率/%30 50 70 90 110 130 150 170 190厚度 /m复 合 速 率 /10 cm/s复合 速 率 /100 cm/s图 4 工艺 流 程Fig.4 Technological process制绒扩散去背结正面镀膜背面抛光 酸洗去膜双面镀膜 激光

11、去膜印刷烧结图 5 PERC 电池 的 结构Fig.5 Structure of PERC cellAgSiNxSiO2SiAlAl2O3可再生能源 2015，33（10）1446过 丝网印刷制作背电极 。 激光烧结方法要求激光有良好的热效应， 常采用 ns 激光 ，在 熔 融背铝的同时烧穿介质膜 。 因此对激光的稳定性要求很高 ，否则会出现介质膜未烧穿或者对硅基底造成严重热损伤的情况 。实验所用激光的波长为 532 nm， 脉冲 间隔 为 10 ns。 烧蚀 时 ，激光的热效应会对硅片造成 损伤 。 实验中采用弱碱清洗和退火来降低激光的损伤 。 激光烧结工艺 ： 将硅片放入 1%的弱碱 溶

12、液 1 min， 再将硅片放入退火炉中 ，在500 下退 火 10 min。烧蚀接触采用线接触的形式 ，比点 接 触有更快的加工速度5，6。 通常 开 模比例控制在6%10%。 激光器开膜线宽为 45 m，开膜间距 分别设为 640，562，500 m， 去膜 比 例分别约为 6%，7%，8%。激光的能量分布为高斯分布 ， 去膜 时 要防止功率偏高 ，造成中间部分被刻出线槽7。图 6 为去膜区域的金相图 ， 边缘 部 分膜层没有去除干净 。 这部分膜已经失去了钝化效果 ，烧结后存在于铝和硅的中间层 ， 会增加铝硅的接触电阻 。3 测试及结果分析3.1 QE 及 EL 测试量 子 效率 （QE）

13、包括 内 量 子 效 率 （IQE）和外量 子 效率 （EQE）。 通过收集各波段光生 电流进行积分运算 ，可 以得到短路电流 ，反应出不同波长的入射光转化为电子空穴对的能力 。 图 7 为 EQE 测试 曲 线 。 从图 7 可以 看 到不 同 厚 度 的 PERC 电池量子效率的差异主要集中 在 9001 100 m 波段 。 这是因为晶体硅对长波的吸收较弱 ，硅 片 越薄 ，长波的吸收损失越明显 。电致发光 （EL）又称 为 电场发光 。 对电池加一正向偏压后， p-n 结势垒区和扩散区就会注入少数载流子 ，这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合 而发光 。 EL 结 合 红 外热成像

14、测试 ，可以了解电池结区有无损毁以及烧结工艺有无问题 。实验中 ， 部分 110 m 电池样品出现失效问题 。 图 8（a）、图 8（b）分别是失效电池样品和 正 常 样品的 EL 测试 图 。 失 效片只有边缘部分可以导通 ，其原因有待探究 ，但不是电极反印造成 。 其他厚度的片子翘曲度不大 ，所以没有出现失效的情况 。 可见硅片减薄后机械强度有明显降低 ，对电池工艺提出新的要求 。3.2 I-U 测试将各种厚度的样品设置了 3 组不 同 的开膜比例 。 在同一厚度 ， 不同开膜比例的样品间 ，整体效率没有大的差异 ，这可能是因为设置的 3 组开膜比例对背电极电流的收集 差 异不大 。 各组

15、电池的 I-U 测试最高效率如表 1所 示 。图 6 去膜区域金相图Fig.6 Metallographic microscope diagram of ablation area图 7 EQE 测试 曲 线Fig.7 EQE test量子效率/%100908070605040302010300 400 500 600 700 800 900 1000 1100170 m150 m130 m110 m波长 /nm图 8 110 m 失效电池与正常电池 EL 对比Fig.8 Comparative EL test of invalid andvalid cell of 110 m（a） 失效 片

16、 EL（110 m） （b） 正常 片 EL（110 m）1447尹庆 磊 ，等 薄晶体硅PERC电池的工艺研究I-U 测试 与 QE 吻合 得 很好 。 随着厚度的增加 ，电池对长波的吸收增多 ，导致短路电流密度也随之升高 。开路电压随着厚度上升而上升 ，这是因为硅片减薄后 ，表面复合对效率的影响越来越大 。 实验中表面钝化的效果不理想 ，因此开路电压随着厚度的下降而下降 。4 关键工艺问题分析4.1 电极制备实验中所用铝浆是专为 PERC 电 池 局 域接触电极开发的浆料 。常规铝浆中的玻璃粉主要与硅基底作用 ，而 PERC 电池铝浆中的玻璃粉主要与介质膜作用 ，两种浆料的区别主要在于添加

17、剂和玻璃粉的不同 。 PERC 电 池 浆 料能够使铝和硅形成良好的欧姆接触 ，降低接触电阻 ， 不会对介质膜造成不良影响 。 PERC 电池浆料的烧结温度为 930 ，高于常规电池铝浆料的 烧 结温度 。 在此烧结温度下 ，厚度为 110m 的电池出现了严重的翘曲 ， 并导 致 部分电池片失效 ； 厚度等于和大于 130 m 的电池 没有出现严重的翘曲和测试失效 （图 9）。 可 见 ，硅片在减薄至一定的 厚度后 ，机械性能严重降低 ，极易产生不良电池片 。研发低翘曲率浆料或者采用新的电极制备技术 ，可以解决电池翘曲的问题 。 尚德公司与新南威尔士大学采用电镀方法制作的激光掺杂发射极电池 （

18、LDSE）的 效 率 已突破 20%8。蒸镀制备电极 基本上不会导致电池翘曲 ，在 导电性方面也优于丝网印刷制备的电极 。 但 电镀和蒸镀的成本问题制约了其发展 。 如果超薄硅片的生产成本能够大幅度降低 ，那么蒸镀和电镀技术可成为制备优良电极的手段 。4.2 去背结与抛光实验中 ， 硅片抛光是在 SiNx掩膜 下 进行的 ，由于实验条件所限 ，抛光效果有待提高 。目前 ，制作常规厚度的 PERC 电池 ，是 在 去背结后进行背面抛光 。 企业生产时 ，普遍采用的是三线滚轮流水线去背结或抛光 ，酸液或者碱液可能漫过较薄的硅片 ，造成正面被腐蚀 ，破坏绒面和 p-n 结结 构 。5 结语晶 体硅电

19、池薄片化是光伏技术的发展趋势 。本 文采用正面 SiNx掩膜的方法对硅片进行背面 抛 光 ，使电池开路电压有一定的提升 。影响电池效率的主要因素是串联电阻和填充因子 。 本文通过不同厚度的 PERC 电池 的各 项参数对比 ，发现电池对长波部分的吸收随着其厚度的减小而降低 ，进而导致短路电流和转换效率的降低 。 在 电 池 厚 度 小 于 110 m时 ，出现严重的翘曲及失效现象 。本 文 还 分 析 了 PERC 电池薄片化在未 来生产的烧结与抛光工艺过程中可能遇 到的技术问题 ，旨在为 PERC 电池工业化生产提 供 解决关键技术的思路 。参考 文 献 ：1 Petermann J H，Z

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21、r -deposited Al2O3J.Progress inPhotovoltaics：Research and Applications，2008，16（6）：461-466.3 Tucci M，Talgorn E，Serenelli L，et al.Laser firedback contact for silicon solar cells J.Thin Solid表 1 不同厚度电池的最高效率Table 1 The best efficiency of different thicknesses厚度 /m Uoc/mV Jsc/mAcm-2FF/% /% Rs/110 631 37.

22、0 76.33 17.84 0.011 5130 634 37.0 77.86 18.26 0.005 3150 639 37.6 76.56 18.40 0.005 4170 637 37.8 77.50 18.65 0.005 3图 9 两种 厚 度的 PERC 电池Fig.9 Two kinds of thicknesses of PERC cell（a）厚度 110 m PERC 电池（b）厚度 150 m PERC 电池可再生能源 2015，33（10）1448Study on process technology of thin silicon PERC cellYin Qingl

23、ei1，2， Jiang Chenming1， Wang Xuemeng2， Shen Hui1，2（1. School of Physics and Engineering，Sun Yat -sen University， Guangzhou 510006， China； 2. Shunde SYSUInstitute for Solar Energy， Foshan 528300， China）Abstract： With the progress of wafer-cutting technology，decreasing of wafer thickness becomes asign

24、ificant trend. In this work，the efficiency of passivated emitter and rear contact （PERC）solar cellswith different thicknesses are simulated，and cells are prepared adopting wafers thickness of 110，130，150m and 170m. Corresponding preparation problems are analyzed by I-U， quantum efficiency（QE）and ele

25、ctroluminescent（EL）.Key words： efficiency； wafer-cutting technology； PERC cellFilms，2008，516（20）：6767-6770.4 Poulain G，Blanc D，Focsa A，et al.Characterizationof laser-induced damage in silicon solar cells duringselective ablation processesJ. Materials Science andEngineering：B，2013，178（9）：682-685.5 Ga

26、tz S，Dullweber T，Brendel R.Evaluation of seriesresistance losses in screen -printed solar cells withlocal rear contacts J.Photovoltaics，IEEE Journal，2011，1（1）：37-42.6 Liu P，Zhang X，Sun L，et al. Optimization of rearlocal Al-contacts on high efficiency commercial percsolar cells with dot and line open

27、ings J. Journal ofNanomaterials， 2014， 11（15）：373-385.7 Hameiri Z，Mai L，Puzzer T，et al.Influence of laserpower on the properties of laser doped solar cellsJ.Solar Energy Materials and Solar Cells，2011，95（4）：1085-1094.8 Wang Z，Han P，Lu H，et al. Advanced PERC andPERL production cells with 20.3% record efficiencyfor standard commercial p -type silicon wafers J.Progress in Photovoltaics：Research and Applications，2012，20（3）：262-263.1449尹庆 磊 ，等 薄晶体硅PERC电池的工艺研究