单晶PERC电池串联电阻Rs研究

郭卫 贾宇龙 赵丽敏

【摘 要】 晶体硅太阳电池Rs（串联电阻）是电池生产中一个重要参数，在实际生产线中，正银印刷图形、硅片本身性能等对Rs有不同影响，而PERC（钝化发射极和背接触）单晶电池片背面是激光开孔后的局部铝背场烧结结构，相比普通单晶电池片背面全烧结结构，背面结构设计对Rs也有重要影响。因此，对PERC单晶电池串联电阻Rs进行研究，找到合适的控制参数等，可以有效地提高PERC单晶电池转换效率。PERC单晶生产线平均效率能够达到21.6%。

【关键词】 PERC单晶;串联电阻Rs;背激光

【中图分类号】 TM914 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）05-0099-04

太阳能是一种绿色无污染的可再生清洁能源，太阳能电池可以将太阳光能量转换为电能，有效利用太阳光辐照能量。单晶硅电池由于较高的转化效率和颜色较均一的外观，在分布式发电和集中式太阳能电站市场均占有一定的市场份额。PERC电池背面钝化工艺可以在普通单晶电池基础上有1.1%左右的效率提升，是目前研究的热点，PERC技术在目前的生产线基础上增加2-3道工艺就可以达到提升效率的目的。串联电阻Rs是影响电池转换效率的一个重要参数，通过对影响Rs的因素进行分析研究，适当调整生产线工艺，可以降低电池片Rs，达到提高PERC单晶电池转换效率的目的，使产线生产平均效率能够达到21.6%。

1实验材料及生产工艺

实验全部采用目前市场主流的金刚线切割M2规格的P型单晶硅片，硅片尺寸为156.75×156.75 ±0.25mm，厚度为180±20μm，电阻率为1-3 Ω·cm。生产工艺采用公司生产线上成熟的生产流程。工艺流程为：碱制绒——P扩散——背面酸抛光——背钝化PERC工艺——正面PECVD——背面激光开孔——丝网印刷——检测分选。

PERC单晶电池背面覆盖钝化层和Si3N4层，经过背面激光开孔，在开孔处将钝化层和Si3N4使用激光消融处理后露出硅背面本体，在印刷烧结时，背面铝浆通过这些激光开孔处与硅片背面接触，经过烧结形成局部铝背场结构。钝化层采用N2O、SiH4、NH3制备SiON，管式PECVD（等离子体增强化学气相沉积）设备可以在同一个工艺过程中完成SiON和Si3N4的制备。在生产中，正面电极图形、背面开槽图形、硅片本身品质等对电池串联电阻Rs有不同影响，通常我们希望电池片的Rs越低越好，但是电池片参数通常相互影响，在实验中需要综合考虑各类因素影响，以最终提高电池片效率为目的。

2不同工艺对串联电阻的影响

2.1电池正面印刷图形影响

电池片正面的细栅线是收集电流，将电流导出，细栅线数量直接影响电池片导电能力。实验过程中，选取印刷工艺之前的相同前道工艺相同批次的半成品硅片，印刷工艺选择相同轨道生产，确保全部实验片处于相同的实验条件。在实验硅片分组时，使用专用晶片夹夹取硅片，避免人工接触硅片造成的影响。

实验结果如上表所示：随着正电极细栅线数量的增多，电池片Uoc（开路电压）无明显变化，Rs逐渐降低，FF（填充因子）逐渐增大，说明细栅线数目的增多增强了电池片收集电流的能力，细栅线数目增加表明自由电子到栅线的传输距离减少，减小了电流传送的电阻。但同时细栅线数量的增多导致Isc（短路电流）也逐渐降低，主要原因就是细栅线的增多会导致电池片正面电极遮光面积增大，电池片吸收阳光面积减少，导致Isc降低，在正电极115线条件下，Isc的降低已經导致NCell（电池片效率）没有明显提升。

细栅线数目的增加会使电池串联电阻Rs线性下降，但是电池效率并没有线性变化，而是在106线条件下达到最高，可见在电池片正电极细栅线数量的选择上，并不是数目越多，电池效率越高，还要考虑细栅线遮挡对电池短路电流Isc的影响，既要有足够的细栅线数量保证良好的收集电流能力，降低串联电阻Rs，同时细栅线数量还不能过多，对电池正面遮挡造成Isc的下降，最终选择合适的细栅线数量，达到电池效率的最佳效果。

2.2背面激光开孔图形对Rs的影响

PERC电池背面由钝化层和Si3N4层覆盖，这两层薄膜是非导电介质膜，因此，背面铝浆直接印刷在背面时，铝浆不能与硅片接触，经过烧结后不能形成背面电极，需要通过激光开孔工艺将硅片背面部分钝化层和保护层去除，印刷时，背面铝浆与硅片接触，烧结后形成电极，所以背面激光的图形对电池片性能有重要影响。背面激光开孔图形实验条件同细栅线实验条件一致，激光开孔的不同图形均在同一个激光器完成，其余工艺保证相同的条件。

实验结果表明：背激光线之间的线距由1.3mm减小到0.9mm，单线图形改为双线图形后，电池片Rs逐渐降低，FF逐渐升高，Uoc逐渐降低。综合影响下，降低Rs对提高效率的作用非常明显，1.0mm双线结构条件下，能够达到20.06%的最佳转换效率。

单线背面激光图形是由单个圆形光斑相切而组成，光斑直径由激光器性能决定，生产实际中，通常改变相邻激光线之间的距离来改变背面激光开孔的面积。图3中参数D就是激光线距。双线结构是在单线结构的基础上，在单个激光线旁边再增加一条激光线，为了保证印刷工艺时铝浆能够更好地填充激光开槽位置，双线结构下，图4中圆心距d1长度小于一个激光光斑直径，这样可以保证左右激光线有一定的相交重合，尽可能地减少激光光斑之间的未开槽区域，圆心距的d2长度等于激光光斑的半径。这种设计结构下，可以保证开孔区域接触更多的铝浆，形成更好的烧结效果。

背激光单线结构变双线结构，激光开孔线距减少，均是为了提高开孔面积，背激光由1.3mm单线结构变为0.9mm双线结构的过程中，电池片Rs是始终下降的，是因为随着开孔面积的增大，电池片背面有更多的铝浆与硅片接触，烧结后背电极的面积增加了，电流收集能力增强，电流传输距离减少，使Rs降低。在1.3mm双线结构到1.0mm双线结构变化过程中，激光开孔面积增加，Uoc并没有明显变化，说明背面钝化的损失不大，而在1.0mm双线结构变为0.9mm双线结构的过程中，开路电压Uoc降低了0.0019V，电池效率降低了0.05%，说明0.9mm双线结构条件下，电池片背面钝化层去除过多，钝化效果变差，因此，背面激光开孔工艺也需要综合考虑开孔面积与钝化能力的影响，在保证钝化能力的前提下，提高开孔面积，增加浆料与硅片接触烧结，降低Rs提高电池效率。

2.3硅片本身品质的影响

通常单晶硅棒在拉制时，在原生硅料的基础上会掺入一定量的回收料，混合熔化后拉制成单晶硅棒，这样可以回收大量的硅料，节约成本，但是回收料通常是铸锭边皮料、拉晶头尾料及碎硅片等来源，这些回收料中通常各类杂质较多，甚至含有部分有害杂质，在拉晶时熔解在硅棒内部，通常回收料比例越高，硅片杂质含量越多，硅片的品质越差，而原生料是高纯多晶硅料，杂质含量少，对应的硅片品质也越好。

在进行硅片品质影响实验时，选取了在拉晶工艺中不同掺杂比例的硅棒，在后续的硅片切割时，使用相同的机台进行切割。在电池生产环节，全部采用同机台炉管，同设备槽体，同轨道进行生产，保证两组硅片处于相同的实验条件。实验结果如表3所示。

实验表明：掺入一定量的回收料时（原生料占70%比例），电池片Rs达到0.0045Ω，而全原生料硅片电池的Rs只有0.0038Ω，说明回收料的加入，增加了硅片内部的杂质含量，过多的内部杂质和缺陷的存在，增加了电池片内部的电阻，导致电池片电流传导能力变差，串联电阻Rs增高，造成填充因子FF的降低，故转换效率呈现较大的下降趋势。而全原生料条件下，杂质与缺陷少，Rs较低，转换效率可以达到20.21%，比混合料硅片电池效率提升了0.55%。

全原生料硅片可以很好地降低电池片Rs，从而提高电池片转换效率，但同时带来的是硅片成本的增加，因此在实际生产中，需要综合计算硅片成本与效率提升之间的差异，找到合适的回收料掺入含量，在保持电池效率影响较小的前提下，降低硅片制造成本。

3结语

选择合理的正面印刷图形和背激光开孔图形，可以达到降低串联电阻Rs，同時对其他电学参数又无较大影响，提高电池转换效率的效果。单晶拉棒过程中，原生硅料的纯度越高，杂质和晶体缺陷越少，对少子寿命的影响越小，可以获得较低的Rs值，提高PERC单晶电池的转换效率，保证电池良好的电学性能。

PERC技术目前已是一项成熟的技术，但PERC电池的量产历史并不长，寻求合理、合适的工艺改进技术来提高转换效率仍有很大的潜力发展空间，我们将继续为此进行深入的研究和分析。

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