雙面PERC電池背面電極優化設計

屈小勇 程基寬 吳翔 杜喜霞

國家電投集團西安太陽能電力有限公司

雙面PERC電池背面電極優化設計

屈小勇 程基寬 吳翔 杜喜霞

國家電投集團西安太陽能電力有限公司

雙面PERC電池由于自身電池結構限制，具有較高的串聯電阻。本文通過對該電池背面電極圖形進行優化設計，發現在保證背面柵線總面積不增加前提下，通過收窄鋁柵線寬度、縮短鋁柵線間距的背面圖形化設計可以提高雙面PERC電池的轉化效率。采用細柵線寬度為90μm、柵線根數250根的背面圖形設計，雙面PERC電池正面效率達到了21.44%。

雙面PERC電池 電極圖形設計 空洞率 橫向傳輸電阻

引言

雙面PERC電池背面采用鋁柵線結構，替代常規PERC電池的全鋁背場，具有雙面發電、雙玻封裝組件可靠性高、鋁漿耗量低等優點。且與傳統電池技術兼容性很高，可以達到24%的轉換效率[1]，成為近幾年行業研究的熱點。

傳統電池中光生載流子空穴經過縱向傳輸，通過一個電池厚度（約180μm）距離，被電池鋁背場所收集。而雙面PERC電池中光生載流子空穴除了與傳統電池相同的縱向傳輸距離外，背面鈍化層上方的空穴還要經過橫向傳輸才能到達鄰近的接觸電極處被收集。雙面PERC電池背面鋁柵線間距通常為1.2mm,所以雙面PERC電池中空穴橫向傳輸距離遠大于縱向傳輸距離，這就導致雙面PERC電池具有高的串聯電阻。

本文基于工業化雙面PERC電池的生產設備和工藝，研究了不同背面鋁柵線圖形設計對PERC+電池性能的影響，旨在降低基體串聯電阻的影響，提高雙面電池轉化效率，對工業化生產PERC+電池提供一定的指導。

一、背電極圖形設計原理

雙面PERC電池短路電流密度和串聯電阻依賴于背面鋁柵線間距的變化，鋁柵線間距增大時，電池單元寬度（即Pitch值）也隨之增大。雙面PERC電池串聯電阻可表示為：

其中Rs,0包括基體垂直方向電阻、接觸電阻及金屬柵線電阻[2]，Rs,1依賴于Pitch寬度的串聯電阻，包括發射極擴散電阻和橫向傳輸電阻，其中dwafer為硅片厚度，為鋁柵線間距，為基底電阻率。隨著Pitch寬度增大，電池橫向傳輸電阻增大，電池串聯電阻也隨之增大。

根據上述公式推導可見，縮短背面鋁柵線間距有助于降低電池橫向傳導電阻，為了不增加背面鋁電極接觸復合，要求總的鋁柵線面積保持不變。

二、實驗設計

實驗使用156.75mm×156.75mm 大面積直拉P型單晶硅片，面積為244.32cm2，電阻率為2Ω·cm-3Ω·cm，厚度190μm。為了保證PERC電池良好背面鈍化效果，在不增加總的鋁柵線面積前提下，實驗增減鋁柵線根數同時收窄鋁柵線寬度，具體實驗設計方案如表1所示：

表1 實驗設計方案

對比組常規PERC電池和三個實驗組的雙面PERC電池生產工藝流程為：堿制絨、正面磷擴散（方阻90Ω/sq）、背面酸拋，背面沉積Al2O3/SiNx疊層膜鈍（厚度為18nm+70nm），正面沉積SiNx減反膜（厚度為75nm），背面激光開窗，印刷燒結。每組實驗50片，用于進行測試分析和電性能測試對比。

三、實驗結果分析

（一）不同背面圖形設計的鈍化效果對比

按上述PERC電池生產工藝流程，在完成背面激光開槽工序后，每組實驗中隨機抽取兩片只印刷背面鋁柵線，不印刷正面電極。完成燒結后在1×1016cm-3注入水平下用Sinton WCT-120設備測試，每組隱開路電壓imp.Voc平均值對比如圖1所示。

圖 1不同背面圖形設計imp.Voc對比

從圖1可以看出，四組實驗imp.Voc值都在677mV左右非常接近，說明幾組實驗的背面鋁柵線設計圖形都不會影響PERC電池背面良好鈍化效果。

（二）不同鋁柵線寬度對背面空洞率的影響

從每組成品實驗電池中隨機抽取5片，沿垂直背面細柵線方向從背面相鄰兩條主柵線間距的中心位置用激光劃開。每片電池片被劃成3塊，測量每塊區域的橫截面圖，統計得到每組的平均空洞率如表2所示：

表2 不同鋁柵線寬度的空洞率對比

不同鋁柵線寬度的空洞率測試結果顯示，隨著鋁柵線寬度增加空洞率升高，全鋁背場空洞率最大，達到了62%。空洞是由于燒結升溫過程中，硅擴散到到鋁柵線中的數量大于燒結降溫過程中鋁柵線中硅回到硅基體中而硅基體表面重新結晶的數量而形成的。

在燒結冷卻前，由于一定溫度下硅在鋁中的固溶度是一定的，所以柵線寬度越窄，鋁柵線中溶解的硅越小，當Al-Si共熔體中Si含量充足時，會限制后續Si繼續向Al-Si共熔體中進行擴散，從而減少了空洞的形成[3][4]。

（三）不同背面圖形設計的電性能對比

雙面PERC電池測試過程中，使用黑色測試臺面，消除背面影響。在標準測試條件下，測試每組電池片正面電性能參數，計算得到的平均值如表3所示：

表3 不同背面圖形設計的電性能測試對比

隨著鋁柵線根數增加，電池串聯電阻明顯降低，這是由于縮短柵線間距有助于降低橫向傳輸電阻的原因。雙面PERC電池正面效率隨著鋁柵線的增加而增加，背面鋁柵線寬度為90μm、250根細柵線的設計電池平均效率最高，達到了21.44%，接近全鋁背場常規PERC電池21.5%的轉化效率。

四、結論

本文在不增加背面鋁柵線總面積情況下，通過對雙面PERC電池背面電極圖形進行優化設計并與常規PERC電池進行對比研究。測試結果顯示，在背面鋁柵線總面積不變情況下，背面電極圖形變化不會影響PERC電池的背面鈍化效果；鋁柵線寬度降低有助于降低空洞率，縮短背面柵線間距有利于降低橫向傳輸電阻，所以在保證背面柵線總面積不增加前提下，通過收窄鋁柵線寬度、縮短鋁柵線間距的背面圖形化設計可以降低電池串聯電阻，提高雙面PERC電池的轉化效率。

[1] Min B, Wagner H, Müller M, et al. Incremental efficiency improvements of mass-produced PERC cells up to 24% predicted solely with continuous development of existing technologies and wafer materials[C]//Proceedings of the 30th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. 2015.

[2] A. Mohr. Silicon concentrator cells in a two-stage photovoltaic system with a concentration factor of 300x[D]. Fakultat fur Angewandte Wissenschaften, Universitat Freiburg, Freiburg, 2005.

[3] Chen Y, Altermatt P P, Dong J, et al. Al-alloyed local contacts for industrial PERC cells by local printing[C]//Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2014 IEEE 40th. IEEE, 2014: 3322-3325.

[4] Müller J, Bothe K, Gatz S, et al. Modeling the formation of local highly aluminum doped silicon regions by rapid thermal annealing of screen printed aluminum[J]. physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters, 2012, 6(3): 111-113.