單硅片制備雙發(fā)電單元串聯(lián)的初步探索

浙江正泰太陽能科技有限公司 ■ 黃海燕 胡金艷 單偉 王仕鵬 陸川

0 引言

全球能源日益殆盡，太陽能發(fā)電憑借環(huán)境友好、取之不竭、使用靈活等優(yōu)勢得到廣泛重視和大力發(fā)展，近年來各大公司紛紛加大力度進行技術革新及降低成本。提高電池效率是技術革新的一個關鍵點[1]，同時，降低電池到組件之間的功率損失 (POCTM)也至關重要。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在提高電池效率時，提高開路電壓的提升比例可有效降低POCTM。目前多數(shù)廠家采用將電池片進行切割，利用小面積電池進行組件制備或利用激光對硅片表面的pn結進行隔離制備成組件，以獲取更高開路電壓及更低POCTM[2]。此種方法的不足之處在于，電池片進行切割時使用激光設備，一方面增加成本，另一方面增加電池碎片風險。本文利用堿液腐蝕及絲網(wǎng)印刷技術在不切割硅片的基礎上實現(xiàn)單硅片上制備兩個發(fā)電單元的串聯(lián)，進而提高組件的開路電壓及降低POCTM。

本文在常規(guī)多晶太陽電池制備工藝的基礎上增加硅片中心線附近的pn結腐蝕，步驟位于制絨和擴散之間。通過電性能測試顯示，本方法可實現(xiàn)雙發(fā)電單元的串聯(lián)。將該結構電池定義為單片雙電池。本文主要介紹研究雙電池初步實驗的的外觀形貌及初步性能。

1 實驗

實驗采用常規(guī)批量生產(chǎn)的p型多晶硅片，厚度約為180 μm，面積為156 mm×156 mm，電阻率0.5～1.0 Ω·cm。制備過程與常規(guī)多晶電池制備工藝類似：利用HNO3/HF溶液去除硅片表面損傷層并制備絨面→POCl3為摻雜源高溫擴散→去除硅片中心線附近pn結→等離子刻蝕去除邊緣pn結→二次清洗去磷硅玻璃→PECVD制備減反射膜→絲網(wǎng)印刷制備電極→燒結→測試。流程如圖1所示。

圖1 太陽電池制備流程

去除硅片中心線附近pn結的方法為：利用在15%NaOH中浸泡約2 min的模板在85 ℃對硅片中心區(qū)域進行腐蝕拋光，腐蝕時間為10～60 s。使用冷熱探針對拋光區(qū)域進行pn型測試。雙發(fā)電單元電極形成方法為：利用特制圖形網(wǎng)版采用絲網(wǎng)印刷工藝，一次印刷即可完成正面電極印刷及電池正背面串聯(lián)。

2 結果及討論

2.1 堿液腐蝕硅片正背面結果

圖2為利用15%NaOH在85 ℃對硅片中心區(qū)域的腐蝕結果。為保證腐蝕區(qū)域完全去除pn結及后續(xù)絲網(wǎng)印刷對準，絕緣區(qū)域?qū)挾榷? mm；腐蝕60 s后目測硅片表面已拋光，經(jīng)冷熱探針測試，腐蝕區(qū)域為p型，即該區(qū)域pn結已經(jīng)完全去除。

圖2 硅片中心線區(qū)域腐蝕結果

中心線pn結去除后相當于將硅片表面的pn結分成上、下對稱的兩個區(qū)域，當有光照射在硅片表面時即形成相互獨立的兩個發(fā)電單元。此常規(guī)電池片與單片雙電池的結構示意圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 常規(guī)電池結構示意圖

圖4 單片雙電池結構示意圖

2.2 單片雙電池的絲網(wǎng)印刷及電性能結果

圖5a顯示的是單片雙電池正面電極圖形設計，圖形中的繞體柵線是實現(xiàn)雙電池串聯(lián)的關鍵部分。本繞體柵線借助絲網(wǎng)印刷與正面電極同時印刷于硅片上。繞體柵線需要覆蓋如圖5a所示的硅片側(cè)邊區(qū)域，圖紙設計時正面繞體柵線(如圖5a)終點與硅片邊緣平行；印刷后效果如圖5b所示，印刷過程中由于漿料粘度、延展性等因素導致個別電池片繞體柵線印刷不完整，此類電池片需人工手動進行修補。通過后續(xù)電性能結果可知，上述實驗中的繞體柵線連接良好。

圖5 雙電池正面電極及繞體柵線示意圖

為增強導電性能，本實驗中主柵采用實心設計；下電池與焊帶連接主柵采用分段設計。為更清晰理解組件焊接后上、下電池結構，圖6為組件焊接示意圖。依照圖示進行焊接與現(xiàn)有傳統(tǒng)電池相比可節(jié)省50%焊帶。

圖7a為絲網(wǎng)印刷后的背電極圖，紅色區(qū)域為與正面繞體柵線對應的背面繞體柵線。背電場不印刷絕緣區(qū)域，如圖7b所示，以便將上、下電池區(qū)分開。圖7c顯示的是燒結后的雙電池。

表1顯示經(jīng)過燒結后，雙電池具有均值約10.8%的轉(zhuǎn)換效率，開路電壓均大于1 V，短路電流均值約4.13 A，證明本結構可正常收集電流并輸出電能。由于測試軟件最大電壓量程超出本結構所產(chǎn)生最大值，使得串聯(lián)電阻測試顯示異常。相信通過優(yōu)化測試軟件及繞體柵線設計可很大程度優(yōu)化本結構電池電性能。單電池最優(yōu)效率10.9%，漏電流0.11 A，低于產(chǎn)線傳統(tǒng)電池漏電流均值，以上數(shù)據(jù)證實由單硅片作為基底的雙電池結構并未因基底的導通而引起漏電流過大。

圖7 雙電池背電極、背電場及正面電極圖

表1 電池電性能參數(shù)

3 結論

本文通過堿液腐蝕硅片表面中心區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了上、下電池的串聯(lián)，并使用絲網(wǎng)印刷技實現(xiàn)一次印刷制備單硅片兩個發(fā)電單元。I-V測試結果顯示，本結構可有效收集硅片表面的載流子，并及時輸出電流，同時基底硅片并未引起漏電異常。雙電池電壓較傳統(tǒng)電池有明顯提升，由于測試系統(tǒng)原因并未測試出開路電壓真實值，相信通過測試改進繞體柵線可進一步大幅提高雙電池效率。同時本結構電池制備組件過程中可比目前傳統(tǒng)電池節(jié)省約50%焊帶用量。

[1]于世杰，何慧若[譯].太陽能的光伏利用[M].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，1991.

[2]Abbott M D， Trupke T. Laser isolation of shunted regions in industrial solar cells[J]. Progress in Photovoltaic: Research and Applications， 2007， 15(7): 613 － 620.