激光参数对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响

韦 瑶，黄红娜，刘 旭，吕鹏飞，李严明

(晶澳(扬州)太阳能科技有限公司，扬州 225000)

0 引言

太阳能作为资源最丰富、清洁、具有巨大开发潜力的一种可再生能源，成为目前能源研究热点之一。光伏发电技术是太阳能最主要的应用技术之一，作为光伏发电系统中最重要的部分，太阳电池的光电转换效率的提升一直是行业发展的研究重点。

近几年，钝化发射极和背接触技术(passivated emitter and rear contact，PERC)叠加选择性发射极(selective emitter，SE)技术的产品成为光伏行业的主流产品[1]。截至2019年底，“SE+PERC”太阳电池的市场占有率达到70%[2]。

SE技术是在金属栅线与硅片接触部位及其附近进行高浓度掺杂，而在电极之外的区域进行低浓度掺杂[3]。这种结构不仅可以降低高浓度掺杂区域太阳电池的串联电阻[4]，提高填充因子，还能降低太阳电池少数载流子的复合，提高其短路电流和开路电压[5]；同时，低浓度掺杂还有利于实现更好的钝化效果[6]。目前，能够实现SE技术的工艺包括离子注入法、氧化物掩膜法和激光掺杂法等[7]，其中，被光伏行业厂商大规模应用的工艺为激光掺杂法，因为该工艺过程较为简单，只需要在常规PERC太阳电池生产线上增加1个工序就能够实现SE技术。激光是激光掺杂法中最为重要的影响因素，激光参数选择及其与现场其他工序的匹配性问题成为业内必要的研究课题。

本文在标准的“SE+PERC”单晶硅太阳电池生产线上，通过改变SE激光掺杂设备的激光功率、激光频率和激光扫描速度这3个影响因素，分析了进行SE激光掺杂处理时主要参数变化对硅片及“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响。

1 试验设计

1.1 试验仪器

使用的试验仪器有四探针方阻测试仪、扫描电子显微镜(SEM)、Mirco-Vu视觉测量仪、HALM电性能测试仪。

1.2 试验样品及设计

本试验采用p型直拉掺镓单晶硅片作为试验样品，尺寸为158.75 mm×158.75 mm，厚度为170 μm，电阻率范围为0.4～1.1 Ω·cm。

在标准的“SE+PERC”单晶硅太阳电池生产线上，对硅片样品进行制绒清洗、扩散工序处理。SE激光掺杂设备采用苏州迈为科技股份有限公司生产的激光器，通过改变SE激光掺杂设备的激光功率、激光频率、激光扫描速度这3个参数，对扩散后的硅片样品进行SE激光掺杂处理；然后再对经过SE激光掺杂处理后的不同样品进行湿刻→氧化→正、背面钝化→激光开槽→丝网印刷等一系列工序的加工处理，制成“SE+PERC”单晶硅太阳电池。

试验中，利用四探针方阻测试仪分别测试硅片扩散后和激光掺杂后的方阻值，利用Mirco-Vu视觉测试仪和SEM检测硅片的绒面微观结构，利用HALM电性能测试仪检测成品“SE+PERC”单晶硅太阳电池的各项电性能数据。

1.3 数据处理

SE激光掺杂设备的激光通过有固定大小的掩膜板形成光斑，目前“SE+PERC”单晶硅太阳电池生产线使用的激光光斑为120 μm×120 μm的正方形。通过改变SE激光掺杂设备的激光功率、激光频率、激光扫描速度这3个参数可影响激光光斑的重叠率。激光光斑重叠示意图如图1所示，图中：X为激光光斑的重叠率；L为激光光斑的边长，μm；S为开始打一个激光光斑到开始打下一个激光光斑的时间内激光前进的距离，μm。

图1 激光光斑重叠示意图Fig. 1 Schematic diagram of laser spots overlap

激光光斑重叠率的计算式为：

其中，开始打一个激光光斑到开始打下一个激光光斑的时间内激光前进的距离可表示为：

式中：a为实际距离系数，即距离的修正理论值与实际值之间的差异，通常a=1；v为激光扫描速度，mm/s；f为激光频率，kHz。

设同一块硅片SE激光掺杂处理前、后的方阻差值为ΔY，其计算式为：

式中：Y1为扩散后、激光掺杂前硅片的方阻值，Ω；Y2为激光掺杂后激光光斑处的硅片的方阻值，Ω。

本试验中，每个试验条件下各选取5片硅片样品进行方阻差值和熔融小球直径(测试区域为激光光斑重叠和不重叠区域的平均值)的计算；然后选取500块成品“SE+PERC”单晶硅太阳电池进行电性能计算分析，电性能参数包括短路电流Isc、开路电压Voc、填充因子FF和光电转换效率Eta。

本试验经过前期的预试验并在保证“SE+PERC”单晶硅太阳电池较高光电转换效率的基础上，选取的激光功率范围为25～35 W，激光频率范围为200～300 kHz，激光扫描速度范围为12000～23500 mm/s。

2 试验结果与分析

2.1 激光功率对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响

当SE激光掺杂设备的激光频率为200 kHz、激光扫描速度为23500 mm/s时，设定激光功率分别为25、30、35 W。此条件下，激光功率对硅片各参数的影响如表1所示，激光功率对激光光斑形貌及硅片绒面微观结构的影响分别如图2、图3所示。表中：R为熔融小球直径，nm。

表1 激光功率对硅片各参数的影响Table 1 Influence of laser power on the each parameters of silicon wafer

图2 激光功率对激光光斑形貌的影响Fig. 2 Influence of laser power on laser spot morphology

图3 激光功率对硅片绒面微观结构的影响Fig. 3 Influence of laser power on the textured microstructure of silicon wafer

从表1可以看出：激光功率的改变不影响激光光斑的重叠率。随着激光功率的增加，硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值(即同一片硅片SE激光掺杂处理前、后的方阻差值)的平均值增大。由于磷原子在熔融态硅中的扩散系数远高于其在固态硅中的[8]，当激光获得更大能量时，可以将更多磷硅玻璃(PSG)死层中的磷原子往更深的位置推进[9]，使SE区域掺杂磷原子浓度更高，硅片的方阻值会更小，从而增强硅片与栅线的欧姆接触，提高“SE+PERC”单晶硅太阳电池的填充因子。

从图2可以看出：不同激光功率下的激光光斑亮度有较为明显的变化，激光功率为35 W时的激光光斑亮度最亮、最均匀，且与未进行激光掺杂处的分界线较为明显；而在25 W和30 W的激光功率下，激光光斑亮度差异较小；当激光功率为25 W时，激光光斑的均匀性最差。

根据预试验的结果，激光光斑越亮，光斑所在位置的磷原子掺杂浓度越高，与未进行激光掺杂处的掺杂浓度相差越大，即硅片的方阻差值越大。表1中硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值平均值随激光功率的变大而变大，图2中激光光斑亮度随激光功率的变大而变亮，这两个结果相吻合。

结合表1和图3可以看出：激光功率越大，硅片绒面上的金字塔塔尖形成的熔融小球直径越大，说明激光会对硅片绒面金字塔结构造成一定的损伤，激光功率越大，绒面金字塔结构的损伤越大，从而会影响“SE+PERC”单晶硅太阳电池的各项电性能参数。

激光功率对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响如表2所示。

从表2可以看出：激光功率为25 W和30 W时，“SE+PERC”单晶硅太阳电池的光电转换效率相等；激光功率为35 W时，“SE+PERC”单晶硅太阳电池的光电转换效率略高出0.02%，填充因子有较为明显的提升、短路电流降低。这是因为较大的激光功率可使SE区域的掺杂磷浓度更高，改善栅线与硅片的接触，接触电阻变小，从而提升填充因子，但过大的激光功率具有更多的能量，会破坏硅片绒面金字塔结构，降低硅片表面的陷光效果，从而影响“SE+PERC”单晶硅太阳电池的短路电流。

表2 激光功率对“SE+PERC”单晶硅太阳电池 电性能的影响Table 2 Influence of laser power on the electrical performances of “SE+PERC” mono-Si solar cells

2.2 激光频率对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响

当SE激光掺杂设备的激光功率为30 W、激光扫描速度为23500 mm/s时，设定激光频率分别为200、250、300 kHz。此条件下，激光频率对硅片各参数的影响如表3所示，激光频率对激光光斑形貌及硅片绒面微观结构的影响分别如图4、图5所示。

图4 激光频率对激光光斑形貌的影响Fig. 4 Influence of laser frequency on the laser spot morphology

表3 激光频率对硅片各参数的影响Table 3 Influence of laser frequency on the each parameters of silicon wafer

从表3可以看出：随着激光频率的增加，激光光斑的重叠率变大，硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值平均值逐渐减小。更高的激光光斑重叠率并未带来更大的硅片方阻差值，这是因为激光频率增大也说明单个激光光斑的能量减小，使磷原子获得的激光能量减少，PSG死层中的磷原子只有较少部分被激活，导致激光光斑所在位置的磷原子掺杂浓度减小，使硅片的方阻值变大，因此未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值是减小的。

从图4可以看出：不同激光频率下的激光光斑亮度有较为明显的变动，激光频率越大，激光光斑的亮度越暗。该结果与表3中硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值平均值随激光频率增大而减小的结果相吻合。

结合表3和图5可以看出：激光频率越大，硅片绒面金字塔塔尖形成的熔融小球直径越小。说明较大的激光频率不会使硅片绒面金字塔塔尖结构遭到较大的破坏且有较小的掺杂量。

图5 激光频率对硅片绒面微观结构的影响Fig. 5 Influence of laser frequency on textured microstructure of silicon wafer

激光频率对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响如表4所示。

表4 激光频率对“SE+PERC”单晶硅太阳电池 电性能的影响Table 4 Influence of laser frequency on the electrical performances of “SE+PERC”mono-Si solar cells

从表4可以看出：随着激光频率的变大，“SE+PERC”单晶硅太阳电池的短路电流、开路电压和填充因子均有所降低，导致其光电转换效率明显下降。这是因为硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值减小，表明重掺处的掺杂浓度降低，使正面细栅线与硅片的欧姆接触变差，串联电阻变大，从而影响“SE+PERC”单晶硅太阳电池的各项电性能参数。总体体现为：随着激光频率增加，“SE+PERC”单晶硅太阳电池的光电转换效率下降。

2.3 激光扫描速度对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响

当SE激光掺杂设备的激光功率为30 W、激光频率为200 kHz时，设定激光扫描速度分别为12000、16000、23500 mm/s。此条件下，激光扫描速度对硅片各参数的影响如表5所示，激光扫描速度对激光光斑形貌及硅片绒面微观结构的影响分别如图6、图7所示。

表5 激光扫描速度对硅片各参数的影响Table 5 Influence of laser scanning speed on the each parameters of silicon wafer

图6 激光扫描速度对激光光斑形貌的影响Fig. 6 Influence of laser scanning speed on the laser spot morphology

图7 激光扫描速度对硅片绒面微观结构的影响Fig. 7 Influence of laser scanning speed on the textured microstructure of silicon wafer

从表5可以看出：随着激光扫描速度的变大，激光光斑的重叠率减小，硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值平均值减小。这是因为激光光斑重叠部分的磷原子比光斑不重叠部分的磷原子多接受一次激光能量的冲击，由于激光扫描速度的改变，对单脉冲激光能量无影响且不影响激光与硅片的接触时间，因此，硅片激光光斑重叠部分与未进行激光掺杂处的方阻差值增大；随着激光光斑重叠率的增大，硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值平均值也是增大的。从图6可以看出：不同激光扫描速度下的激光光斑亮度有较为明显的变动；激光扫描速度为16000 mm/s时的激光光斑亮度最不均匀，明暗分界线较为明显；激光扫描速度分别为12000 mm/s和23500 mm/s时，激光光斑亮度都较为均匀，但前者整体偏亮，后者整体偏暗。

结合表5和图7可以看出：激光扫描速度越大，硅片绒面上激光光斑重叠区域的金字塔塔尖形成的熔融小球直径越小，说明激光对硅片绒面金字塔形貌的破坏越小。

激光扫描速度对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响如表6所示。

表6 激光扫描速度对“SE+PERC”单晶硅太阳电池 电性能的影响Table 6 Influence of laser scanning speed on the electrical performances of “SE+PERC” mono-Si solar cells

结合表6和图7可以看出：当激光扫描速度从23500 mm/s下降到16000 mm/s时，“SE+PERC”单晶硅太阳电池的短路电流有较为明显地减少，这是因为激光光斑重叠率的增大使金字塔结构受破坏的程度增大，影响绒面的陷光结构。当激光扫描速度降到12000 mm/s时，“SE+PERC”单晶硅太阳电池的短路电流和开路电压皆降低，但填充因子略有增加，这是因为激光扫描速度为12000 mm/s时，硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值增大，硅片重掺处的方阻值变小，使硅片与栅线的欧姆接触得到较大的改善，但较高的方阻差值势必表明有着较高的掺杂浓度且绒面金字塔结构遭到了更大的破坏，综合表现为“SE+PERC”单晶硅太阳电池光电转换效率的整体降低。

3 结论

本文通过改变选择性发射极(SE)激光掺杂设备的激光功率、激光频率和激光扫描速度这3个影响因素，对经过SE掺杂处理后硅片的方阻差值、激光光斑形貌、硅片绒面微观结构，以及“SE+PERC”单晶硅太阳电池的电性能等方面进行了系统性测试分析，得到以下结论：

1)激光光斑的重叠率与激光频率和激光扫描速度有关，与激光功率无关；激光光斑重叠率随着激光频率的增大而增大，随着激光扫描速度的增大而减小。

2)激光功率的增大和激光频率的减小，都会加强单个激光光斑的能量，使磷硅玻璃(PSG)死层中更多的磷原子被激活到硅片内部，得到更大的掺杂浓度，导致硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值平均值变大；激光扫描速度则不影响单个激光光斑的能量，通过改变激光光斑的重叠率可以影响掺杂浓度；激光扫描速度越小，硅片未进行激光掺杂处与进行激光掺杂处的方阻差值平均值越大。

需要注意的是，各激光参数对“SE+PERC”单晶硅太阳电池电性能的影响需综合考虑掺杂浓度、硅片绒面微观结构，以及硅片与栅线欧姆接触的情况，因此“SE+PERC”单晶硅太阳电池生产线需结合自身情况，选择合适的SE激光掺杂设备并匹配合适的激光功率、激光频率和激光扫描速度等参数。本研究结果对今后“SE+PERC”单晶硅太阳电池生产线选择合适的SE激光参数具有一定的参考价值。