PERC太阳能电池的背面钝化工艺研究

梁玲 郭丽 张波 孟秀峰

【摘 要】 区别于太阳能电池采用SiOx或AlOx与SiNx的叠层结构的背面钝化工艺，本文采用一种PERC太阳能电池的背面钝化工艺的新方法来叠层表面具有较高的固定正电荷。通过研究发现，优化后的新工艺制得的PERC高效电池具有更好的光电转换效率，较常规工艺电池片效率提高了0.4%。并对 PERC高效电池的下一步优化和设计以及对工业应用提供了方法。

【关键词】 太阳能电池;硅片;背面钝化;转化效率;工艺研究

随着高效太阳能电池研发的不断推进，优质的表面钝化已成为高转换效率太阳能电池不可或缺的组成部分。表面钝化通过饱和半导体表面处的悬挂键，可降低界面态密度;同时钝化膜的存在避免了杂质在表面层的引入，而形成复合中心，降低了表面活性，以此来降低少数载流子的表面复合速率，提高少子寿命。同时钝化膜中的固定电荷能使半导体表面反型或堆积，形成表面结，阻止少子载流子流向表面，减小了表面复合的损失，从而提高了表面光生载流子的收集率。

但常规PECVD法制备的SiON与SiNx的叠层膜中，缺陷主要以K0、K+和N-三种形式存在，由于薄膜中的K中心的数量远远多于N中心，从而使薄膜与晶体硅的界面表现为正电性。在P型硅背面出现正电荷层，会形成反转层造成漏电，增加表面复合速率。通用的太阳能电池采用SiOx或AlOx与SiNx的叠层结构的背面钝化工艺，会使叠层表面具有较高的固定正电荷。鉴于此，如何合理、有效地降低叠层表面固定正电荷，是优化电池PECVD镀减反射膜钝化工艺重点。为此，本文对此进行了深入的研究。

1实验方案及过程

1.1实验设备与原料介绍

实验所需设备为PECVD，用于晶体硅太阳能电池制造中电池片的减反射膜生长，以达到减反射和钝化作用目的。它主要由冷却系统、真空系统、反应室、抽排系统、软着陆系统、控制系统等部分组成。PECVD设备其控制系统为德国BECKHOFF PLC与研华工控机人机界面相结合，可提供自动运行与手动操作。利用工控机提供人机操作界面，对镀膜过程实现全自动监视与控制。其工艺流程为：石墨舟及硅片准备→插片→上料→选择工艺运行→进舟→抽真空→升温稳定→通特气→抽尾气→充氮气→出舟→下舟冷却→测试→卸片。

实验中，单晶电池片外观尺寸为156mm×156mm，厚度为200μm，电阻率为1～3Ω·cm。该单晶电池片为市场常见电池片。电池片生产工艺采用车间量产的PERC单晶电池生产工艺。

1.2实验原理

本文是在保留AlOx膜较高固定的表面负电荷的基础上，对AlOx与SiON、SiNx的叠层结构热处理，控制热处理过程中特定的温度和时间，使薄膜内部较弱的N-H键断裂，较强的Si-H未断裂。这种N-H键断裂后释放出的氢原子，一部分与薄膜中的Si的悬挂键结合，使薄膜中K中心（N3≡Si）的數量减少;另一部分钝化了晶体硅表面的悬挂键，使晶体硅表面的复合程度减小，从而提高了少数载流子寿命过程。

1.3实验步骤

对单晶硅片依次进行单晶碱制绒→扩散制结→碱抛光湿法切边;

将已背面抛光的硅片，两两正面对正面插入载体中，送入原子层沉积设备中;

在温度300摄氏度条件下，使用流量为500sccm的携带有三甲基铝TMA的氮气通入沉积设备中，同时通入水蒸气，输入到沉积设备中的水蒸气的质量与三甲基铝TMA的质量比为3∶1，在硅片背面表面生成一层3-30nm的AlOx层，x为每个铝原子与x个氧原子键合;

将沉积好AlOx层的硅片面作为镀膜面反插入PECVD石墨舟，使在镀膜时，电池片发射极面不被镀膜，送入PECVD炉管;

采用PECVD法在硅片背面依次沉积SiON薄膜和SiNx薄膜，所述PECVD法的工艺参数为：第一层氮氧化硅，以氨气、硅烷、笑气为反应物，氨气流量为3-6slm，硅烷流量为1-5slm，一氧化二氮流量为300-1000sccm，射频功率为5700w，时间为800s;第二层氮化硅，以氨气、硅烷为反应物，氨气流量为3-6slm，硅烷流量为0.5-3slm，射频功率为5700w，时间为800s;所述SiON与SiNx的叠层膜厚度为160-200nm;对完成背面SiON、SiNx叠层膜的硅片进行热处理工艺;在N2（10slm）的气氛下，进行升温，将炉体温度升至700℃;稳定2min;在N2（25slm）的气氛下，以4℃/min的速度将环境温度降至670℃;出舟，自然冷却，完成;

将完成热处理后的硅片进行后续激光开槽→丝网印刷烧结→制备得到高效电池片;

取各2000片单晶硅片，按照PERC高效电池和常规制备的电池实验方案不镀氧化铝层进行实验。

2结果与讨论

将两种工艺制备的电池的光电转化效率进行对比，其结果如表1所示。

通过两种工艺制备的电池的光电转化效率进行对比可知，在电性能测试上，SiON、SiNx叠层膜钝化层能有效提高开路电压Uoc、短路电流Isc。新工艺制得的PERC高效电池具有更好的光电转换效率为21.4%，普通产线制备高效电池光电转换效率为21%，新工艺较常规工艺光电转换效率提高了0.4%，并且开路电压与短路电流都有明显的提升，说明增加了AlOx膜层后，由于自身携带负电荷，它比常规氮氧化硅层更好地起到场钝化与化学钝化的效果，降低了背表面的缺陷，从而降低背表面复合，增强了钝化效果，提升了少子寿命，进而提升了短路电流和光电转换效率。

3结论

优化后的新工艺制得的PERC高效电池由于提高了钝化效果具有更好的光电转换效率，并且开路电压与短路电流都有明显的提升，较常规工艺电池片效率提高了0.4%。

有效地改善了电池PECVD镀减反射膜钝化效果。此类工艺参数的优化提升，对于PERC高效电池工艺的下一步优化和设计开拓了更为广泛的思路，一定程度上促进PERC电池产业化发展。

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