印刷氧化铝技术在黑硅PERC多晶太阳电池中的应用

2019-10-14保定光为绿色能源科技有限公司于琨王占友郑海陆郭明州孙亚娟贺美亮李会玲

太阳能 2019年9期

保定光为绿色能源科技有限公司 ■ 于琨王占友郑海陆郭明州孙亚娟贺美亮李会玲

0 引言

在高效晶体硅太阳电池技术中，最利于产业化的是PERC技术，即钝化膜氧化铝/氧化硅、氧化铝/氮化硅叠层钝化技术，文献[1-2]对相关技术进行了介绍。采用SE激光掺杂、热氧化技术及先进金属化技术的PERC单晶硅太阳电池的效率可超过22%，PERC多晶硅太阳电池的效率可达20%以上。PERC太阳电池的Al2O3钝化膜制备技术主要有3种：原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)技术、等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，PECVD)技术，以及印刷氧化铝技术。

根据相关文献，2015年采用印刷氧化铝技术制备的PERC多晶硅太阳电池的效率为18.77%[3]，2017年采用印刷氧化铝技术结合SE工艺制备的PERC单晶硅太阳电池的效率为21.44%[4]。但关于印刷氧化铝技术在黑硅PERC多晶太阳电池中的应用却鲜有报道。

本文采用背抛光工艺制备了黑硅PERC多晶太阳电池，并采用氧化铝及氮化硅钝化所制备的电池，以求达到更高的转换效率。

1 实验准备及制备流程

1.1 实验准备

1)物料：采用p型多晶硅片，尺寸规格为156.75±0.25 mm，厚度为190 μm，电阻率为1～3 Ω·cm。

2)化学品：时创PS30抛光剂，台湾长阳IP1257-L型氧化铝浆料。

3)检测设备：膜厚测试设备SE400椭偏仪、D8-4积分反射仪、少子寿命测试仪WT-2000、JJ224BC电子天平、蔡司Axio Scope A1显微镜、Gemini Sigma 300 SEM场发射扫描电镜、I-V测试设备Berger PSS10。

1.2 制备流程

采用氧化铝浆料制备黑硅PERC多晶太阳电池的工艺流程为：①黑硅制绒→②扩散→③刻蚀去PSG→④背面抛光→⑤印刷氧化铝浆料/烧结→⑥PECVD正面镀膜→⑦PECVD背面镀膜→⑧激光开槽→⑨印刷烧结测试→⑩电注入退火。相对黑硅多晶太阳电池的制备，增加了步骤④、⑤、⑦、⑧、⑩。

2 结果讨论

2.1 背抛光效果

化学清洗对PERC结构的太阳电池的开路电压有影响。Huang等[5]发现，使用HF→SC1→SC2→HF溶液清洗硅片后制备的太阳电池，较使用常规HCl→HF溶液清洗的开路电压提升了3～4 mV。由于黑硅制绒已经使用SC1去除金属污染，因此背面抛光及清洗采用槽式设备依次经过KOH+H2O2→KOH+PS30→DI→HCl+H2O2(SC2)→DI→HCl+HF→DI→加热DI→N2烘干。其中，抛光槽体积配比为DI:KOH:PS30=280:13.5:7.5，温度为70 ℃，时间为200～240 s，硅片减重在0.22～0.24 g/片，背面刻蚀深度在4.0±0.2 μm。使用Gemini Sigma 300 SEM场发射扫描电镜观察抛光效果，如图1所示。

从图1中可以看出，5000倍放大观察，硅片部分区域存在凹凸；而图1b是20000倍观察，硅片表面相对平整，抛光效果较好。

图1 多晶黑硅片SEM背抛光图

背抛光后硅片背面反射率为47%～50%，比常规刻蚀后的背面反射率高15%左右，如图2所示。由于短波段(＜500 nm)在硅片表面 1 μm深度内会被吸收，所以主要考虑硅片背面在长波段(800～1050 nm)的情况。背抛光硅片背面反射率为42.67%，较常规刻蚀的31.19%高出10%左右，结果也优于链式湿刻的31.90%[6]。这表明，背抛光工艺在提升硅片背面反射率方面起到了重要作用。

图2 背抛光与常规刻蚀后硅片的背面反射率对比

2.2 印刷氧化铝

氧化铝浆料的主要成分为：纳米级氧化铝前驱物、稳定剂、四配位诱导剂。印刷氧化铝后电池增重为0.22～0.24 g/片，浆料膜厚约20 μm。氧化铝分子间主要由稳定剂的空间位阻进行分散与支撑，使用Despatch烧结炉预烧结，氧化铝分子开始聚集，经过860 ℃峰值温度烧结后形成较为致密的钝化层，如图3所示。钝化层与硅接触部分形成正四面体结构，晶体中多了1个氧的负电荷，可将p型电池的少子(电子)反射回去减少复合，实现电池背面的有效钝化。

图3 氧化铝浆料烧结形成钝化膜的示意图

文献[7]指出，峰值温度过高将导致Al-O4减少，氧化铝浆料烧结温度通常低于金属化烧结温度，介质层中H的含量随着氧化铝沉积温度的升高而降低，所以降低温度有利于氢钝化与氧化铝钝化平衡，以形成良好的钝化效果[8]。

氧化铝烧结后膜厚约为110～130 nm，如图4所示。使用Roth & Rau SiNA XXL平板式镀膜设备制备厚度为84～88 nm的正面氮化硅膜和厚度为130～140 nm的背面氮化硅膜，折射率范围为2.08～2.10，背面氮化硅膜较厚是因为需要避免铝浆中的侵蚀性成分腐蚀减薄氮化硅层，最后形成的氧化铝/背面氮化硅叠层厚度约为230～250 nm，如图5所示。

图4 烧结后氧化铝厚度

图5 氧化铝/背面氮化硅叠层厚度

背抛光后硅片印刷氧化铝并烧结，使用WT-2000设备测试少子寿命值在10 μs左右；完成氧化铝及正、背面氮化硅镀膜后进行烧结，测试少子寿命，达到33 μs以上，如图6所示；这与采用ALD方式制备的黑硅PERC多晶太阳电池的少子寿命38.92 μs相近[9]，但存在一定的波动性。

图6 钝化后硅片少子寿命情况

使用蔡司Axio Scope A1显微镜观察氧化铝烧结后的硅片背面，如图7所示。背面局部存在一些微小的孔隙，造成这一现象的原因是烧结后氧化铝浆料厚度骤降约200倍，分子成膜存在不均匀性。采用PECVD、ALD技术制备的氧化铝膜厚度分别在8～20 nm、4～7 nm以内[10-11]，印刷氧化铝膜厚是前者的几十倍，其膜层较厚处比较薄处增加了10 nm以上(见图4)。文献[12]指出，采用ALD技术制备氧化铝膜，随着膜厚增加，样品的少子寿命退化，由此推测印刷氧化铝膜厚差异会影响少子寿命的稳定性。

图7 氧化铝膜外观

2.3 黑硅PERC多晶太阳电池的电性能分析

镀膜钝化后的硅片进行激光开槽，使用PERC经印刷烧结进行五主栅太阳电池的制备；制备完成后使用时创Anti-LID 4800电注入设备进行退火处理，然后测试电池效率达到了20.06%，具体如表1所示。表1中的对比组为未经过电注入处理的黑硅多晶太阳电池。

表1 制备的PERC多晶太阳电池的效率

采用背抛光结合氧化铝/氮化硅叠层钝化制备的电池的短路电流比黑硅多晶太阳电池提升了0.372 A；少子寿命达到33 μs，开路电压提升了15.2 mV；激光开槽造成电池背面钝化层损伤，降低了填充因子；电注入退火后测试电池效率提升了0.98%，效率达到20%以上。

2017年12 月，协鑫集成、上海神舟新能源采用PECVD/ALD技术制备PERC多晶硅太阳电池，效率分别达到了20.15%和20.32%。采用印刷氧化铝方式制备的太阳电池效率较前者约低0.1%～0.2%，可能的原因在于：1)烧结过程中氧化铝膜厚急剧降至100 nm左右，显微镜观察到膜存在一些孔隙，因此，成膜存在不均匀性；2)氧化铝烧结后成膜的厚度差异超过10 nm，场钝化存在不均匀性。