印刷氧化鋁技術在黑硅PERC多晶太陽電池中的應用

保定光為綠色能源科技有限公司 ■ 于琨 王占友 鄭海陸 郭明州 孫亞娟 賀美亮 李會玲

0 引言

在高效晶體硅太陽電池技術中，最利于產(chǎn)業(yè)化的是PERC技術，即鈍化膜氧化鋁/氧化硅、氧化鋁/氮化硅疊層鈍化技術，文獻[1-2]對相關技術進行了介紹。采用SE激光摻雜、熱氧化技術及先進金屬化技術的PERC單晶硅太陽電池的效率可超過22%，PERC多晶硅太陽電池的效率可達20%以上。PERC太陽電池的Al2O3鈍化膜制備技術主要有3種：原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)技術、等離子體增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，PECVD)技術，以及印刷氧化鋁技術。

根據(jù)相關文獻，2015年采用印刷氧化鋁技術制備的PERC多晶硅太陽電池的效率為18.77%[3]，2017年采用印刷氧化鋁技術結合SE工藝制備的PERC單晶硅太陽電池的效率為21.44%[4]。但關于印刷氧化鋁技術在黑硅PERC多晶太陽電池中的應用卻鮮有報道。

本文采用背拋光工藝制備了黑硅PERC多晶太陽電池，并采用氧化鋁及氮化硅鈍化所制備的電池，以求達到更高的轉換效率。

1 實驗準備及制備流程

1.1 實驗準備

1)物料：采用p型多晶硅片，尺寸規(guī)格為156.75±0.25 mm，厚度為190 μm，電阻率為1～3 Ω·cm。

2)化學品：時創(chuàng)PS30拋光劑，臺灣長陽IP1257-L型氧化鋁漿料。

3)檢測設備：膜厚測試設備SE400橢偏儀、D8-4積分反射儀、少子壽命測試儀WT-2000、JJ224BC電子天平、蔡司Axio Scope A1顯微鏡、Gemini Sigma 300 SEM場發(fā)射掃描電鏡、I-V測試設備Berger PSS10。

1.2 制備流程

采用氧化鋁漿料制備黑硅PERC多晶太陽電池的工藝流程為：①黑硅制絨→②擴散→③刻蝕去PSG→④背面拋光→⑤印刷氧化鋁漿料/燒結→⑥PECVD正面鍍膜→⑦PECVD背面鍍膜→⑧激光開槽→⑨印刷燒結測試→⑩電注入退火。相對黑硅多晶太陽電池的制備，增加了步驟④、⑤、⑦、⑧、⑩。

2 結果討論

2.1 背拋光效果

化學清洗對PERC結構的太陽電池的開路電壓有影響。Huang等[5]發(fā)現(xiàn)，使用HF→SC1→SC2→HF溶液清洗硅片后制備的太陽電池，較使用常規(guī)HCl→HF溶液清洗的開路電壓提升了3～4 mV。由于黑硅制絨已經(jīng)使用SC1去除金屬污染，因此背面拋光及清洗采用槽式設備依次經(jīng)過KOH+H2O2→KOH+PS30→DI→HCl+H2O2(SC2)→DI→HCl+HF→DI→加熱DI→N2烘干。其中，拋光槽體積配比為DI:KOH:PS30=280:13.5:7.5，溫度為70 ℃，時間為200～240 s，硅片減重在0.22～0.24 g/片，背面刻蝕深度在4.0±0.2 μm。使用Gemini Sigma 300 SEM場發(fā)射掃描電鏡觀察拋光效果，如圖1所示。

從圖1中可以看出，5000倍放大觀察，硅片部分區(qū)域存在凹凸；而圖1b是20000倍觀察，硅片表面相對平整，拋光效果較好。

圖1 多晶黑硅片SEM背拋光圖

背拋光后硅片背面反射率為47%～50%，比常規(guī)刻蝕后的背面反射率高15%左右，如圖2所示。由于短波段(＜500 nm)在硅片表面 1 μm深度內會被吸收，所以主要考慮硅片背面在長波段(800～1050 nm)的情況。背拋光硅片背面反射率為42.67%，較常規(guī)刻蝕的31.19%高出10%左右，結果也優(yōu)于鏈式濕刻的31.90%[6]。這表明，背拋光工藝在提升硅片背面反射率方面起到了重要作用。

圖2 背拋光與常規(guī)刻蝕后硅片的背面反射率對比

2.2 印刷氧化鋁

氧化鋁漿料的主要成分為：納米級氧化鋁前驅物、穩(wěn)定劑、四配位誘導劑。印刷氧化鋁后電池增重為0.22～0.24 g/片，漿料膜厚約20 μm。氧化鋁分子間主要由穩(wěn)定劑的空間位阻進行分散與支撐，使用Despatch燒結爐預燒結，氧化鋁分子開始聚集，經(jīng)過860 ℃峰值溫度燒結后形成較為致密的鈍化層，如圖3所示。鈍化層與硅接觸部分形成正四面體結構，晶體中多了1個氧的負電荷，可將p型電池的少子(電子)反射回去減少復合，實現(xiàn)電池背面的有效鈍化。

圖3 氧化鋁漿料燒結形成鈍化膜的示意圖

文獻[7]指出，峰值溫度過高將導致Al-O4減少，氧化鋁漿料燒結溫度通常低于金屬化燒結溫度，介質層中H的含量隨著氧化鋁沉積溫度的升高而降低，所以降低溫度有利于氫鈍化與氧化鋁鈍化平衡，以形成良好的鈍化效果[8]。

氧化鋁燒結后膜厚約為110～130 nm，如圖4所示。使用Roth & Rau SiNA XXL平板式鍍膜設備制備厚度為84～88 nm的正面氮化硅膜和厚度為130～140 nm的背面氮化硅膜，折射率范圍為2.08～2.10，背面氮化硅膜較厚是因為需要避免鋁漿中的侵蝕性成分腐蝕減薄氮化硅層，最后形成的氧化鋁/背面氮化硅疊層厚度約為230～250 nm，如圖5所示。

圖4 燒結后氧化鋁厚度

圖5 氧化鋁/背面氮化硅疊層厚度

背拋光后硅片印刷氧化鋁并燒結，使用WT-2000設備測試少子壽命值在10 μs左右；完成氧化鋁及正、背面氮化硅鍍膜后進行燒結，測試少子壽命，達到33 μs以上，如圖6所示；這與采用ALD方式制備的黑硅PERC多晶太陽電池的少子壽命38.92 μs相近[9]，但存在一定的波動性。

圖6 鈍化后硅片少子壽命情況

使用蔡司Axio Scope A1顯微鏡觀察氧化鋁燒結后的硅片背面，如圖7所示。背面局部存在一些微小的孔隙，造成這一現(xiàn)象的原因是燒結后氧化鋁漿料厚度驟降約200倍，分子成膜存在不均勻性。采用PECVD、ALD技術制備的氧化鋁膜厚度分別在8～20 nm、4～7 nm以內[10-11]，印刷氧化鋁膜厚是前者的幾十倍，其膜層較厚處比較薄處增加了10 nm以上(見圖4)。文獻[12]指出，采用ALD技術制備氧化鋁膜，隨著膜厚增加，樣品的少子壽命退化，由此推測印刷氧化鋁膜厚差異會影響少子壽命的穩(wěn)定性。

圖7 氧化鋁膜外觀

2.3 黑硅PERC多晶太陽電池的電性能分析

鍍膜鈍化后的硅片進行激光開槽，使用PERC經(jīng)印刷燒結進行五主柵太陽電池的制備；制備完成后使用時創(chuàng)Anti-LID 4800電注入設備進行退火處理，然后測試電池效率達到了20.06%，具體如表1所示。表1中的對比組為未經(jīng)過電注入處理的黑硅多晶太陽電池。

表1 制備的PERC多晶太陽電池的效率

采用背拋光結合氧化鋁/氮化硅疊層鈍化制備的電池的短路電流比黑硅多晶太陽電池提升了0.372 A；少子壽命達到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV；激光開槽造成電池背面鈍化層損傷，降低了填充因子；電注入退火后測試電池效率提升了0.98%，效率達到20%以上。

2017年12 月，協(xié)鑫集成、上海神舟新能源采用PECVD/ALD技術制備PERC多晶硅太陽電池，效率分別達到了20.15%和20.32%。采用印刷氧化鋁方式制備的太陽電池效率較前者約低0.1%～0.2%，可能的原因在于：1)燒結過程中氧化鋁膜厚急劇降至100 nm左右，顯微鏡觀察到膜存在一些孔隙，因此，成膜存在不均勻性；2)氧化鋁燒結后成膜的厚度差異超過10 nm，場鈍化存在不均勻性。

3 結論

本文制備了黑硅PERC多晶太陽電池，采用拋光工藝使硅片背面反射率較黑硅多晶太陽電池提升了10%以上；結合印刷氧化鋁及氮化硅鈍化后，制備的電池的少子壽命達到33 μs，開路電壓提升了15.2 mV，效率提升了0.98%，達到了20.06%。