铝粉活性对双面PERC太阳电池铝浆性能的影响

2022-03-29丁冰冰

太阳能 2022年3期

丁冰冰，谢欣

(广州市儒兴科技开发有限公司，广州 510530)

0 引言

p型晶体硅太阳电池的背电场是在p型硅背面制备一层与基区相同的重掺杂区p+。背电场的p-p+结使反射的光电子重新被收集，其内建电场加速了光电子的传输，从而增加了少子的收集几率，提高了太阳电池的短路电流。同时，在p-p+结两端会积累被其内建电场分离的光生载流子，随着p-p+结两端与n-p两端光电压的叠加使太阳电池的开路电压得到提高。由于背电场阻挡了基区少子向背面的扩散，从而降低了暗电流，同时也提高了开路电压，背电场会给太阳电池带来约10%的开路电压提升[1]。

在所有晶体硅太阳电池类型中，p型双面PERC太阳电池的产量占主导地位，其背面结构为110～180 μm的铝栅线与硅基形成接触，该太阳电池的结构如图1所示。

图1 p型双面PERC太阳电池结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of structure of p type bifacial PERC solar cells

晶体硅太阳电池的背电场是通过Ⅲ主族受主杂质元素制成的浆料与晶体硅通过共烧结形成。在Ⅲ主族元素中，铝具有导电性好、价格便宜、市场上易获得等优势，因此被认为是制作晶体硅太阳电池背电场的理想材料。铝浆料是由导电相铝粉、无机粘结体玻璃粉、有机载体及一些助剂组合而成。

铝粉的活性也称为铝粉的纯度，铝浆中铝粉的含量约为80%，其对铝浆的性能具有重要作用。铝粉颗粒呈球形，表层会形成氧化层。氧化层越厚，铝粉活性越低；氧化层越薄，铝粉活性越高。本文制备了3种不同活性的铝粉，并将其制作成双面PERC太阳电池用铝浆，以探究铝粉活性对铝浆烧结后的性能影响。

1 实验过程

1.1 铝粉的制备

将铝含量为99.90%的铝锭熔化后，与分散剂一起加入温度控制仪的雾化炉中进行雾化加热，雾化炉中保护气氛的氧含量分别控制在0.5%、0.7%和0.9%，并通过温度控制仪将雾化炉中铝液的温度。分别控制为860、870和880 ℃。然后由雾化炉的雾化器喷出3种原始铝粉，先经HLP-400氮气保护气流分级机进行二次分级，再通过400目筛网超声波过筛，分级机分级时离心叶轮的转速为2000 rpm，之后得到3种粒度中位径均为8 μm、跨度均为1.2、松装密度均为2.2 g/cm3的铝粉。由O-3000型氧气分析仪测得的这3种铝粉的活性分别为99.6%、99.4%、99.2%。不同活性铝粉的制备工艺如图2所示。

图2 不同活性铝粉的制备工艺Fig. 2 Preparation technology of different activie Al powder

1.2 铝浆的制备

将3种活性的铝粉分别与无机粘结体玻璃粉、有机载体、流平剂、触变剂混合，经真空搅拌机高速搅拌60 min且充分混合后，放置2 h，再由三辊研磨机松轧3次、紧轧3次，制成3款粘度均为25000 mPa·s、细度均为15 μm的铝浆。这3款铝浆分别标记为铝浆a、铝浆b、铝浆c，且其对应的铝粉活性分别为99.6%、99.4%、99.2%，具体如图3所示。

图3 铝浆的制备流程Fig. 3 Preparation process of Al paste

1.3 双面PERC太阳电池的制备

按照标准双面PERC太阳电池的制备工艺，在完成印刷环节之前的工艺后，对硅片进行背面银浆的印刷、烘干，接着印刷3种铝浆并烘干，然后翻转硅片在其正面印刷银浆，最后放入烧结炉烧结，由此分别得到3组双面PERC太阳电池，分别标记为太阳电池A、太阳电池B、太阳电池C，这3组太阳电池分别采用的是铝浆a、铝浆b、铝浆c，双面PERC太阳电池在印刷和烧结环节的工艺如图4所示。

图4 双面PERC太阳电池在印刷和烧结环节的工艺Fig. 4 Process of bifacial PERC solar cells

1.4 测试设备与表征

铝浆方阻测试：根据GB/T 17473.3—2008《微电子技术用贵金属浆料测试方法方阻测定》，利用Fluke 287C数显万用表进行铝浆方阻的测试。铝浆的印刷图案如图5所示。

图5 铝浆的印刷图案Fig. 5 Printing pattern of Al paste

铝浆线电阻的测试：利用TH2512B低电阻测试仪分别测试太阳电池A、B、C这3组太阳电池主栅线间的电阻，每组太阳电池测试5片，每片读取4个数据。具体的测试方式如图6所示。

图6 铝浆线电阻的测试方式Fig. 6 Test method of Al paste wire resistance

铝硅接触电阻率的测试：采用TLM法[2-3]测试铝硅的接触电阻率。

掺杂浓度测试：将烧结工艺后的常规单晶硅片去除铝层和合金层，利用WEP-CVP21扩散浓度测试仪测试硅片表面的掺杂浓度。

SEM测试：利用FlexSEM 1000测试双面PERC太阳电池的横截面、铝硅反应区域形成的背电池(BSF)层的厚度及激光线槽的宽度。

开路电压(Voc)测试：Sinton Suns-Voc测试印刷烧结后的双面PERC太阳电池在光注入条件下的Voc。

2 结果和分析

2.1 铝粉活性对铝浆方阻的影响

实验结果显示，铝浆a、铝浆b、铝浆c的方阻分别为19、23、29 mΩ/□。在烧结过程中，铝浆不会与氧化铝基片发生反应，因此，实验测得的铝浆方阻数值即为铝浆本身的方阻值。由于铝浆a的铝粉活性最高，铝粉颗粒表面的氧化层也最薄，烧结后铝粉颗粒可形成更致密的接触，因此其方阻值最低。同理，铝浆c中的铝粉活性最低、表面氧化层最厚，因此其方阻值最高。

2.2 铝粉活性对铝浆线电阻的影响

在铝浆烧结过程中，铝浆和氮化硅(SiN)钝化膜会发生一定程度的破坏性反应，基底的硅原子会扩散进入铝浆层，从而使主栅线处铝浆的线电阻增大。铝浆制备过程中，在其他材料、工艺均相同的情况下，铝粉活性越高，制备得到的铝浆的反应活性越高。铝浆的反应活性越高，一方面，铝浆在烧结过程中越易与硅及钝化膜发生反应，硅原子越易进入铝浆，铝浆线电阻值增加的幅度越大；另一方面，高活性的铝粉制成的铝浆的线电阻值更小，而且铝粉的活性越高，铝浆的线电阻阻值越小，该结论与铝浆的方阻测试结果一致。铝浆的线电阻测试结果如图7所示。其中：a1～a5为铝浆a的试样；b1～b5为铝浆b的试样；c1～c5为铝浆c的试样。

Fig. 7 Wire resistances value of there kinds of Al paste after sintering

从图7可以看出，铝浆a、b、c的线电阻分别为372.0～387.5、405.8～421.3、424.5～439.0 mΩ，由此可以得到铝浆线电阻的排列方式为：铝浆c＞铝浆b＞铝浆a。虽然铝浆在烧结过程中会因硅原子进入使其线电阻增加，但由此反应造成的主栅线处铝浆线电阻升高的显著性低于因铝粉活性高引起的铝浆线电阻的降低程度。

2.3 铝粉活性对铝硅接触电阻的影响

在烧结升温过程中，铝和硅熔融成液体后会相互扩散[4-5]，当达到峰值温度800 ℃时，硅在铝中的溶解度为27%；烧结降温过程中，硅外延生长形成p-p+内建电场——BSF[6]，同时形成铝硅合金，并在577 ℃达到共晶点，此时硅在铝中的溶解度约为12%[7-8]。由于铝浆烧结后的降温速率较快，形成的铝硅合金中硅的含量一般高于最低的固溶比例(12%)。烧结后双面PERC太阳电池剖面结构的SEM图如图8所示。

图8 烧结后双面PERC太阳电池剖面结构的SEM图Fig. 8 SEM image of crass-sectional structure of bifacial PERC solar cell after sintering

从图8可以看出，该剖面结构自下而上依次为BSF层、铝硅合金层和铝膜层，光生载流子由铝硅合金层传导至铝膜层。

利用能谱仪(EDS)对双面PERC太阳电池铝硅合金层中的元素含量进行分析，分析结果如表1所示。

表1 双面PERC太阳电池铝硅合金层中的元素含量占比Table 1 Proportion of element content on Al-Si alloy layer of bifacial PERC solar cell

从表1可以看出，在太阳电池A中，铝浆a形成的铝硅合金层中铝元素的含量最高、硅元素的含量最低；在太阳电池B中，铝浆c形成的铝硅合金层中铝元素的含量最低、硅元素的含量最高。在铝硅合金层中，铝元素的含量越高、硅元素的含量越低，合金层的导电性越好，接触电阻越低；反之则接触电阻越高，因此由铝浆a、b、c这3种铝浆制成的双面PERC太阳电池的铝硅合金层的接触电阻大小依为太阳电池A＜太阳电池B＜太阳电池C。

根据铝浆的线电阻大小顺序，可以得出铝浆的铝硅接触电阻的大小顺序为铝浆a＜铝浆b＜铝浆c。下文通过铝硅接触电阻率和接触面积测试来验证这一结论。

将双面PERC太阳电池切割成宽度为1 cm的测试样品条，以实现电学隔离，从而用于测试铝浆的接触电阻率。试样的制备图如图9所示[9]。

图9 铝硅接触电阻率测试时的试样制备图Fig. 9 Sample preparation diagram for Al paste contact resistivity test

从3类太阳电池试样中，每类取5片，每片各取3个测试条进行铝浆接触电阻率测试，测试结果如图10所示。从图10可以看出，3类太阳电池试样中，铝硅接触电阻率范围分别为11.5～13.2、14.8～17.0、16.9～18.7 mΩ·cm2，由此可知，铝硅接触电阻率大小依次为铝浆a＜铝浆b＜铝浆c。

图10 不同太阳电池的铝硅接触电阻率测试结果Fig. 10 Al-Si contact resistivity test results for different solar cells

分别从3类太阳电池A、B、C中各选取5片太阳电池，每片太阳电池选择5个点，利用FlexSEM1000分别测试这5个点的激光槽宽度，然后取平均值，用于铝浆烧结后的接触面积测试。测试结果如图11所示。

图11 3类太阳电池的激光线槽宽度Fig. 11 Corrosion width of aluminum paste after sintering

从图11中可以看出，太阳电池A、B、C的激光线槽的宽度分别为54.28～55.48、52.38～53.72、50.14～51.38 μm，均值分别为54.73、52.98、50.71 μm，这也意味着铝硅接触面积大小位次为铝浆a＞铝浆b＞铝浆c。这是因为铝浆a的铝粉活性最高，在相同的烧结反应时间内，其更容易与硅发生反应并形成更多的铝硅合金；同时，铝浆的反应活性高会腐蚀更多的钝化膜，因此会形成更大的激光开槽区域，铝硅间的接触面积最大。同理，铝浆c的活性最低，与硅发生的反应最少，形成的接触面积也最小。接触面积越大，接触电阻率就越小，相应的接触电阻也就越小。

2.4 铝粉活性对太阳电池Voc的影响

影响Voc的因素主要包括钝化膜被腐蚀的程度和形成的BSF层的质量。钝化膜被腐蚀的程度可由激光线槽的宽度表征，线槽越宽，表明钝化膜被腐蚀的越严重，3类太阳电池的钝化膜被腐蚀程度依次为太阳电池A＞太阳电池B＞太阳电池C。

BSF层的质量包括BSF层的厚度和掺杂浓度。利用WEP-CVP21扩散浓度测试仪分别测试了3种铝浆在p型硅片上烧结后的掺杂浓度曲线，测试结果如图12所示。

图12 3种铝浆在p型硅片上烧结后的掺杂浓度曲线Fig. 12 Doping concentration curve of three Al pastes sinteried on p type silicon wafers

从图12可以看出，最高掺杂浓度为2.4×1019～2.6×1019cm3，掺杂浓度随掺杂深度的增大而逐渐下降，这3种铝浆的掺杂浓度并无显著差异，可见，在此实验中铝粉活性未对铝浆烧结后的掺杂浓度产生影响。

分别从3类太阳电池A、B、C中各选取5片太阳电池，利用FlexSEM 1000测试铝浆在太阳电池中形成的BSF层的厚度，测试结果如图13所示。从图13中可以看出，太阳电池A、B、C中铝浆形成的BSF层的平均厚度分别为5.18、4.87、4.64 μm，由此可知，铝浆a形成的BSF层最厚。在掺杂浓度无明显差别的情况下，BSF层越厚，p-p+结内建电场的电势差越大，越有利于电子空穴向电极分离和收集，同时可降低串联电阻中的体电阻和铝硅接触电阻，对太阳电池的Voc越有利。

图13 3类太阳电池中的BSF层厚度Fig. 13 Thickness of BSF layer in three types of solar cell

利用Suns-Voc分别测试了采用本文铝浆的太阳电池A、B、C及采用商用铝浆制备的同类太阳电池的开路电压Voc，测试结果如表2所示。从表2可以看出，太阳电池A、B、C的Voc均值分别是690.152、690.478、690.774 mV，表现出太阳电池C＞太阳电池B＞太阳电池A的趋势，并且太阳电池B、C的Voc均高于采用商用铝浆的太阳电池。

表2 太阳电池A、B、C与采用商用铝浆的太阳电池的Voc测试结果Table 2 Vco test results of solar cells A，B，C and solar cells using commercial Al paste

综上可知，Voc的测试结果与BSF层厚度的测试结果并不一致，这主要是因为：BSF层的厚度能增加Voc，而对钝化膜的破坏又会降低Voc，这2种因素共同影响Voc。本实验表明，铝粉活性高的铝浆形成的BSF层虽然较厚但其对钝化膜的破坏程度更大；铝粉活性低的铝浆形成的BSF层虽然较薄但其对钝化膜的破坏程度小。实验结果显示：BSF层厚度为太阳电池A＞太阳电池B＞太阳电池C，而对钝化膜的破坏程度为太阳电池A＞太阳电池B＞太阳电池C。由于钝化膜被破坏程度产生的影响大于BSF层厚度产生的影响，最终Voc测试结果为太阳电池C＞太阳电池B＞太阳电池A，采用铝粉活性低的铝浆的太阳电池的Voc更高。