高效PERC 單晶硅太陽(yáng)電池局部背表面場(chǎng)的工藝研究

王麗婷，黃國(guó)平，黃惜惜，賈 佳，周 肅,2，李菁楠

(1. 中節(jié)能太陽(yáng)能科技(鎮(zhèn)江)有限公司，鎮(zhèn)江 212132；2. 南京航空航天大學(xué)，南京 211106)

0 引言

目前，鈍化發(fā)射極和背面電池(Passivated Emitter and Rear Cell，PERC)技術(shù)已成為光伏行業(yè)中提升晶硅太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的主流高效技術(shù)。PERC 技術(shù)是通過在硅片的背面增加一層鈍化層(氧化鋁或氧化硅)，對(duì)硅片起到鈍化的作用，可有效提升少子壽命。為了防止鈍化層被破壞，影響鈍化效果，還會(huì)在鈍化層外面再鍍一層氮化硅層[1-3]。PERC 技術(shù)中引入的背面鈍化可將電池背表面載流子的復(fù)合速率降至 50 cm/s 以下[4]，表面懸掛鍵降至1011 eV·cm2以下[5]，因而可改善電池背面復(fù)合，提升電池的少子壽命。此外，PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的背面疊層鈍化膜起到了背反射器的作用，可將更多的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光反射回電池，從而提升電池的長(zhǎng)波響應(yīng)。但是由于PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的背鈍化層為絕緣層，無法與鋁背場(chǎng)形成電極通路，因而，需要通過激光在硅片背面開槽，形成PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的局部背表面場(chǎng)(local back surface field，LBSF)[6]。

現(xiàn)階段激光開槽通常選用波長(zhǎng)為532 nm 的激光器，可將背面表層的一部分氮化硅層消融(這個(gè)過程也稱為激光開槽過程)，之后在硅片的背面完成漿料印刷，并進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。由于在激光開槽區(qū)域無氮化硅層的阻擋，鋁漿可直接穿透鈍化層和硅接觸，并在高溫?zé)Y(jié)條件下，與硅基體形成鋁硅合金，從而降低串聯(lián)電阻，順利導(dǎo)出電流。

背面激光開槽區(qū)域的面積(即鈍化層被破壞的面積)對(duì)PERC 太陽(yáng)電池的鈍化效果有著決定性的影響，從理論上來講，激光開槽區(qū)域的面積越小，對(duì)鈍化層的破壞就越小，少子壽命就越高，開路電壓也就越高。但同時(shí)激光開槽區(qū)域的面積又不能過小，若開槽區(qū)域的面積太小，在高溫?zé)Y(jié)的過程中，鋁漿無法完全滲透激光開槽區(qū)域，即無法將開槽區(qū)域填滿，會(huì)形成所謂的空洞，那么空洞區(qū)域就無法形成良好的鋁硅接觸，會(huì)影響串聯(lián)電阻和填充因子，繼而影響電池的轉(zhuǎn)換效率。

目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)PERC 單晶硅太陽(yáng)電池背面激光圖形的研究已有較多報(bào)道。黎劍騎等[7]發(fā)明了在電池背面采用直線開槽區(qū)和線段開槽區(qū)共存且直線開槽區(qū)和線段開槽區(qū)間斷排列的激光開槽圖形方式。郁東旺等[8-9]發(fā)明了線段開槽與點(diǎn)孔開槽方式結(jié)合的圖形，包括點(diǎn)孔與間斷線段對(duì)應(yīng)排列和錯(cuò)位排列的方式。這些圖形均是為了保留更多的鈍化膜區(qū)域面積，減少對(duì)背鈍化層的破壞作用；同時(shí)，又能夠改善因線段開槽所引起的鋁硅接觸電阻大的問題，從而提高了PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的開路電壓和短路電流，進(jìn)而最終提升了電池的轉(zhuǎn)換效率。

本文對(duì)目前已有的激光圖形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比，探索可使PERC 單晶硅太陽(yáng)電池獲得最佳電性能的激光參數(shù)設(shè)置和激光圖形，并結(jié)合電性能的變化進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

本文實(shí)驗(yàn)的原材料采用太陽(yáng)能級(jí)摻硼p 型金剛線切割單晶硅片作為襯底，尺寸為156 mm×156 mm，厚度為180～200 μm，電阻率范圍為1～3 Ω·cm。

共設(shè)計(jì)了激光速度和激光實(shí)線比的正交實(shí)驗(yàn)、不同激光開槽間距對(duì)比實(shí)驗(yàn)、電池的背電極激光鏤空與激光填滿對(duì)比實(shí)驗(yàn)3 個(gè)實(shí)驗(yàn)。PERC單晶硅太陽(yáng)電池的背面激光圖形如圖1 所示。其中，d1為相鄰2 條激光開槽線的間距；d2為激光掃描距離；d3為1 個(gè)激光掃描周期距離。

圖1 PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的背面激光圖形Fig. 1 Laser pattern on back of PERC monocrystalline silicon solar cell

實(shí)驗(yàn)均采用德國(guó)Halm 測(cè)試儀來表征電池的電學(xué)性能，采用奧林巴斯顯微鏡來觀察硅片表面的激光光斑掃描形貌和電池的背面鋁漿填充率變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光速度和激光實(shí)線比的正交實(shí)驗(yàn)

PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的背面激光開槽位置的鋁漿填充率會(huì)直接影響電池的轉(zhuǎn)換效率，而電池的背面鋁漿填充率由激光速度和激光光斑在電池背面掃描的實(shí)線比(下文簡(jiǎn)稱“激光實(shí)線比”)這2 個(gè)參數(shù)共同控制。激光實(shí)線比即圖1中d2與d3的比值。激光速度會(huì)引起激光掃描光斑的間距發(fā)生變化，因而，激光速度的差異會(huì)造成激光光斑之間出現(xiàn)相交、相切和相離的狀態(tài)。因激光速度變化產(chǎn)生的激光光斑位置變化如圖2 所示。激光光斑的位置差異對(duì)漿料印刷的填充會(huì)造成一定影響。

圖2 不同激光速度對(duì)應(yīng)的激光光斑之間的位置變化形貌圖Fig. 2 Topography of position change between laser spots corresponding to different laser velocities

張金花等[10]研究了不同激光速度產(chǎn)生的激光光斑位置關(guān)系與鋁漿的延展腐蝕性能之間的匹配關(guān)系，結(jié)果表明：當(dāng)鋁漿的延展腐蝕性強(qiáng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的激光光斑位置為相離；當(dāng)鋁漿的延展腐蝕性弱時(shí)，對(duì)應(yīng)的激光光斑位置為相交；當(dāng)鋁漿的延展腐蝕性適中時(shí)，對(duì)應(yīng)的激光光斑位置為相切。激光速度與激光實(shí)線比直接共同影響了鋁漿與硅基體的接觸比例，從而影響了PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的接觸電阻。

激光速度和激光實(shí)線比共同影響了鋁漿和硅基體的接觸比例，本文采用正交實(shí)驗(yàn)得出不同激光速度和不同激光實(shí)線比情況下電池背面的鋁漿填充率的變化情況。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

激光開槽設(shè)備選用波長(zhǎng)為532 nm 的納秒脈沖激光器，且激光掃描選用直徑為35 μm 的圓形光斑。如前文所述，激光的速度會(huì)影響激光光斑之間的距離，因速度差異可能出現(xiàn)光斑相交、相切和相離3 種狀態(tài)。因此，本實(shí)驗(yàn)中激光速度分別 選 擇14000、16000、18000、20000 和22000 m/s，激光光斑在電池背面掃描的實(shí)線比分別選擇10%、30%、50%、70%和90%。

對(duì)激光速度和激光實(shí)線比這2 個(gè)參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，共計(jì)25 個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中每個(gè)實(shí)驗(yàn)選擇

100 片實(shí)驗(yàn)電池。激光開槽后的PERC 單晶硅太陽(yáng)電池經(jīng)過絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工序后，再對(duì)燒結(jié)后的電池背面的激光孔洞鋁漿填充率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過正交實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可得出不同激光速度和不同實(shí)線比條件下電池背面的鋁漿填充率。

背面鋁漿填充率直接影響了電池的歐姆接觸，從而影響了電池的填充因子和短路電流。鋁漿填充率的計(jì)算方式為背面激光位置經(jīng)過印刷燒結(jié)后，在激光位置處填滿鋁漿的激光光斑的數(shù)量與激光光斑總數(shù)量的比值。

然后再根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇背面鋁漿填充率分別為15%、25%、35%、45%和55%時(shí)的激光條件設(shè)置，即對(duì)應(yīng)的激光速度和激光實(shí)線比進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)選擇1000 片實(shí)驗(yàn)電池，共5000 片實(shí)驗(yàn)電池。

本實(shí)驗(yàn)除電池背面的鋁漿填充率不同外，其余各道工序的實(shí)驗(yàn)條件和控制標(biāo)準(zhǔn)均相同。

2.1.2 激光速度和激光實(shí)線比對(duì)電池電性能的影響

從圖2 的不同激光速度引起的激光光斑位置的差異可以看出，當(dāng)激光速度在18000 m/s 以下時(shí)，激光光斑處于相交的狀態(tài)；當(dāng)激光速度為18000 m/s 時(shí)，激光光斑處于相切的狀態(tài)；當(dāng)激光速度大于18000 m/s 時(shí)，激光光斑處于相離的狀態(tài)。

不同激光速度和不同激光實(shí)線比進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)得到的背面鋁漿填充率如表1 所示，表中橫向?yàn)榧す鈱?shí)線比變化，縱向?yàn)榧す馑俣茸兓?。正交?shí)驗(yàn)的結(jié)果是基于目前的產(chǎn)線和所使用的漿料水平這一前提下得出的。

表1 不同激光速度和不同激光實(shí)線比正交實(shí)驗(yàn)得到的背面鋁漿填充率Table 1 Filling ratios of back aluminum paste obtained by orthogonal experiments with different laser velocities and different laser solid line ratios

從表1 中可以看出，在激光速度確定的情況下，隨著激光實(shí)線比的逐漸增加，背面鋁漿填充率也在逐漸增加；在激光實(shí)線比確定的情況下，隨著激光速度的增加，背面鋁漿填充率逐漸降低。

根據(jù)表1 中背面鋁漿填充率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇15%、25%、35%、45%和55%這5 組不同的背面鋁漿填充率對(duì)應(yīng)的激光速度和激光實(shí)線比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電池的電性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。PERC 單晶硅太陽(yáng)電池在不同背面鋁漿填充率情況下對(duì)應(yīng)的電性能變化趨勢(shì)如圖3 所示。

從圖3 可以看出，隨著背面鋁漿填充率的增大，電池的開路電壓逐漸降低，填充因子逐漸增大，短路電流的變化幅度較小，電池轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)背面鋁漿填充率較低時(shí)，填充因子和電池轉(zhuǎn)換效率較小。

圖3 在不同背面鋁漿填充率下，實(shí)驗(yàn)電池的電性能變化趨勢(shì)Fig. 3 Variation trend of electrical properties of test solar cells under different back aluminum paste filling ratios

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在電池各項(xiàng)電性能數(shù)據(jù)中，當(dāng)背面鋁漿填充率較低時(shí)，電池的填充因子明顯較低，導(dǎo)致電池的轉(zhuǎn)換效率較低。這是由于背面鋁漿填充率的減小直接影響了鋁漿和硅基體的歐姆接觸，從而影響了電池的串聯(lián)電阻，進(jìn)而導(dǎo)致填充因子降低；當(dāng)背面鋁漿填充率增加時(shí)，相應(yīng)的激光開槽的量增加，從而增加了電池背面的缺陷復(fù)合中心數(shù)量，引起了開路電壓和短路電流的降低，尤其是開路電壓的降低更明顯。因此，要綜合考慮開路電壓和填充因子的變化，選擇更有利于提高電池轉(zhuǎn)換效率的背面鋁漿填充率。

分析圖中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)背面鋁漿填充率為35%時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率較高；再根據(jù)表1 中不同激光速度和不同激光實(shí)線比的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到最佳激光設(shè)置組合為：激光速度選擇16000 m/s、激光實(shí)線比選擇50%。

2.2 不同激光開槽間距對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在設(shè)置激光速度為16000 m/s 和激光實(shí)線比為50%基礎(chǔ)上，對(duì)激光開槽線之間的不同間距進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以相鄰2 條激光開槽線之間的間距d1(下文簡(jiǎn)稱“激光開槽間距”)為變量，將其分別設(shè)置為975、1075、1175、1275 和1375 μm，研究不同激光開槽間距對(duì)電池電性能的影響，并確定最佳的激光開槽間距。

實(shí)驗(yàn)選用5000 片背鈍化后的硅片進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共分成5 組，每組1000 片。

本實(shí)驗(yàn)除激光開槽間距不同外，其余實(shí)驗(yàn)條件和控制標(biāo)準(zhǔn)均相同。

2.2.2 激光開槽間距對(duì)電池電性能的影響

不同激光開槽間距對(duì)應(yīng)的電池電性能變化趨勢(shì)如圖4 所示。

從圖4 可以看出，隨著激光開槽間距的增大，開路電壓逐漸增加，短路電流也逐漸增加，填充因子則不斷降低。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，開路電壓和短路電流隨激光開槽間距的增大而增大，這是由于當(dāng)激光開槽間距逐漸增大時(shí)，電池背面的激光消融面積逐漸減少，則電池背面的鈍化面積相對(duì)地逐漸增加，因而電池背面的缺陷復(fù)合中心逐漸減少，從而導(dǎo)致開路電壓和短路電流逐漸增加。當(dāng)激光開槽間距不斷增大時(shí)，填充因子逐漸降低，這是由于當(dāng)激光開槽間距逐漸增大時(shí)，電池背面鋁漿與硅基體的接觸面積逐漸減少，從而導(dǎo)致串聯(lián)電阻逐漸增加，進(jìn)而引起填充因子逐漸下降。

圖4 在不同激光開槽間距下，電池電性能的變化趨勢(shì)Fig. 4 Variation trend of electrical properties of solar cells under different laser slotting spacing

因此經(jīng)過綜合考慮，當(dāng)激光開槽間距為1275 μm 時(shí)，電池的轉(zhuǎn)換效率最佳。

2.3 電池的背電極激光鏤空與激光填滿對(duì)比實(shí)驗(yàn)

PERC 單晶硅太陽(yáng)電池背面激光開槽比例綜合影響了電池背面的缺陷復(fù)合中心和電池背面歐姆接觸，因此為降低電池背面的缺陷復(fù)合中心，需在不影響電池背面歐姆接觸的情況下，盡可能的降低電池背面的激光開槽比例。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)背電極是否被激光開槽覆蓋設(shè)計(jì)了2 組實(shí)驗(yàn)，A 組實(shí)驗(yàn)為背電極激光填滿設(shè)計(jì)，背電極被激光開槽覆蓋，即在背電極位置進(jìn)行與其他位置相同的激光開槽設(shè)計(jì)；B 組實(shí)驗(yàn)為背電極激光鏤空?qǐng)D形設(shè)計(jì)，即在背電極位置未進(jìn)行激光開槽，未被激光開槽覆蓋，處于鏤空狀態(tài)。

每組實(shí)驗(yàn)選擇5000 片硅片，2 組實(shí)驗(yàn)除背電極位置激光開槽設(shè)計(jì)存在差異外，其余實(shí)驗(yàn)條件和控制標(biāo)準(zhǔn)均相同。

2.3.2 電池背電極激光鏤空與激光填滿對(duì)電池電性能的影響

背電極激光填滿和鏤空時(shí)，電池電性能的變化情況如表2 所示。

表2 背電極激光填滿和鏤空時(shí)，電池電性能的變化Table 2 Changes of solar cell electrical properties under the back electrode laser filling and hollowing out

從表2 中可以看出，當(dāng)電池的背電極為激光鏤空?qǐng)D形設(shè)計(jì)時(shí)，相比于電池背電極為激光填滿設(shè)計(jì)時(shí)，短路電流有所增加，但是填充因子會(huì)略微降低。這是由于銀漿燒結(jié)穿透鈍化膜的能力強(qiáng)于鋁漿對(duì)背面鈍化膜的穿透能力，當(dāng)電池背面背電極為激光鏤空?qǐng)D形設(shè)計(jì)(即在背電極位置未進(jìn)行激光開槽)時(shí)，相對(duì)于背電極激光填滿設(shè)計(jì)，背表面的缺陷復(fù)合中心相對(duì)減少，進(jìn)而短路電流增加，但是背電極位置的歐姆接觸幾乎不受影響。因此電池背電極采用激光鏤空?qǐng)D形設(shè)計(jì)更有利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換效率的提升約為0.06%。

3 結(jié)論

PERC 單晶硅太陽(yáng)電池背面激光開槽區(qū)域的面積(即鈍化層被破壞的面積)對(duì)PERC 單晶硅太陽(yáng)電池的鈍化效果有著決定性的影響，從而影響電池轉(zhuǎn)換效率。本文通過對(duì)比不同激光速度、激光實(shí)線比和背面激光圖形對(duì)電池電性能的影響，探索出更有利于提高電池轉(zhuǎn)換效率的激光工藝。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電池背面鋁漿填充率為35%時(shí)，可得到較高的電池轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)反推，激光速度最優(yōu)選16000 m/s，激光實(shí)線比最優(yōu)選50%；根據(jù)激光開槽間距的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激光開槽間距為1275 μm 時(shí)，電池轉(zhuǎn)換效率最佳；根據(jù)背電極是否采用激光鏤空的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在電池背面背電極采用激光鏤空?qǐng)D形設(shè)計(jì)的條件下，電池的轉(zhuǎn)換效率最佳。綜合分析原因，當(dāng)激光開槽區(qū)域的面積越小時(shí)，對(duì)鈍化層的破壞就越小，則缺陷復(fù)合中心就越少，相應(yīng)的少子壽命就越高，因而開路電壓也就越高。若激光開槽面積過小，在高溫?zé)Y(jié)的過程中，鋁漿就無法完全滲透激光開槽區(qū)域，會(huì)形成空洞，而空洞比例的增加會(huì)導(dǎo)致無法形成良好的歐姆接觸，從而影響串聯(lián)電阻，導(dǎo)致填充因子降低，繼而影響電池的轉(zhuǎn)換效率。因此，要綜合考慮各項(xiàng)電性能參數(shù)的變化情況，選擇最佳激光速度、激光實(shí)線比和激光開槽間距等參數(shù)設(shè)置背面激光圖形。

需要說明的是，該實(shí)驗(yàn)是基于目前的設(shè)備和漿料水平得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著鋁漿燒結(jié)穿透能力的提升，激光參數(shù)設(shè)置和激光圖形可能會(huì)隨之發(fā)生變化。