PERC太陽能電池的背面鈍化工藝研究

梁玲 郭麗 張波 孟秀峰

【摘 要】 區別于太陽能電池采用SiOx或AlOx與SiNx的疊層結構的背面鈍化工藝，本文采用一種PERC太陽能電池的背面鈍化工藝的新方法來疊層表面具有較高的固定正電荷。通過研究發現，優化后的新工藝制得的PERC高效電池具有更好的光電轉換效率，較常規工藝電池片效率提高了0.4%。并對 PERC高效電池的下一步優化和設計以及對工業應用提供了方法。

【關鍵詞】 太陽能電池;硅片;背面鈍化;轉化效率;工藝研究

隨著高效太陽能電池研發的不斷推進，優質的表面鈍化已成為高轉換效率太陽能電池不可或缺的組成部分。表面鈍化通過飽和半導體表面處的懸掛鍵，可降低界面態密度;同時鈍化膜的存在避免了雜質在表面層的引入，而形成復合中心，降低了表面活性，以此來降低少數載流子的表面復合速率，提高少子壽命。同時鈍化膜中的固定電荷能使半導體表面反型或堆積，形成表面結，阻止少子載流子流向表面，減小了表面復合的損失，從而提高了表面光生載流子的收集率。

但常規PECVD法制備的SiON與SiNx的疊層膜中，缺陷主要以K0、K+和N-三種形式存在，由于薄膜中的K中心的數量遠遠多于N中心，從而使薄膜與晶體硅的界面表現為正電性。在P型硅背面出現正電荷層，會形成反轉層造成漏電，增加表面復合速率。通用的太陽能電池采用SiOx或AlOx與SiNx的疊層結構的背面鈍化工藝，會使疊層表面具有較高的固定正電荷。鑒于此，如何合理、有效地降低疊層表面固定正電荷，是優化電池PECVD鍍減反射膜鈍化工藝重點。為此，本文對此進行了深入的研究。

1實驗方案及過程

1.1實驗設備與原料介紹

實驗所需設備為PECVD，用于晶體硅太陽能電池制造中電池片的減反射膜生長，以達到減反射和鈍化作用目的。它主要由冷卻系統、真空系統、反應室、抽排系統、軟著陸系統、控制系統等部分組成。PECVD設備其控制系統為德國BECKHOFF PLC與研華工控機人機界面相結合，可提供自動運行與手動操作。利用工控機提供人機操作界面，對鍍膜過程實現全自動監視與控制。其工藝流程為：石墨舟及硅片準備→插片→上料→選擇工藝運行→進舟→抽真空→升溫穩定→通特氣→抽尾氣→充氮氣→出舟→下舟冷卻→測試→卸片。

實驗中，單晶電池片外觀尺寸為156mm×156mm，厚度為200μm，電阻率為1～3Ω·cm。該單晶電池片為市場常見電池片。電池片生產工藝采用車間量產的PERC單晶電池生產工藝。

1.2實驗原理

本文是在保留AlOx膜較高固定的表面負電荷的基礎上，對AlOx與SiON、SiNx的疊層結構熱處理，控制熱處理過程中特定的溫度和時間，使薄膜內部較弱的N-H鍵斷裂，較強的Si-H未斷裂。這種N-H鍵斷裂后釋放出的氫原子，一部分與薄膜中的Si的懸掛鍵結合，使薄膜中K中心（N3≡Si）的數量減少;另一部分鈍化了晶體硅表面的懸掛鍵，使晶體硅表面的復合程度減小，從而提高了少數載流子壽命過程。

1.3實驗步驟

對單晶硅片依次進行單晶堿制絨→擴散制結→堿拋光濕法切邊;

將已背面拋光的硅片，兩兩正面對正面插入載體中，送入原子層沉積設備中;

在溫度300攝氏度條件下，使用流量為500sccm的攜帶有三甲基鋁TMA的氮氣通入沉積設備中，同時通入水蒸氣，輸入到沉積設備中的水蒸氣的質量與三甲基鋁TMA的質量比為3∶1，在硅片背面表面生成一層3-30nm的AlOx層，x為每個鋁原子與x個氧原子鍵合;

將沉積好AlOx層的硅片面作為鍍膜面反插入PECVD石墨舟，使在鍍膜時，電池片發射極面不被鍍膜，送入PECVD爐管;

采用PECVD法在硅片背面依次沉積SiON薄膜和SiNx薄膜，所述PECVD法的工藝參數為：第一層氮氧化硅，以氨氣、硅烷、笑氣為反應物，氨氣流量為3-6slm，硅烷流量為1-5slm，一氧化二氮流量為300-1000sccm，射頻功率為5700w，時間為800s;第二層氮化硅，以氨氣、硅烷為反應物，氨氣流量為3-6slm，硅烷流量為0.5-3slm，射頻功率為5700w，時間為800s;所述SiON與SiNx的疊層膜厚度為160-200nm;對完成背面SiON、SiNx疊層膜的硅片進行熱處理工藝;在N2（10slm）的氣氛下，進行升溫，將爐體溫度升至700℃;穩定2min;在N2（25slm）的氣氛下，以4℃/min的速度將環境溫度降至670℃;出舟，自然冷卻，完成;

將完成熱處理后的硅片進行后續激光開槽→絲網印刷燒結→制備得到高效電池片;

取各2000片單晶硅片，按照PERC高效電池和常規制備的電池實驗方案不鍍氧化鋁層進行實驗。

2結果與討論

將兩種工藝制備的電池的光電轉化效率進行對比，其結果如表1所示。

通過兩種工藝制備的電池的光電轉化效率進行對比可知，在電性能測試上，SiON、SiNx疊層膜鈍化層能有效提高開路電壓Uoc、短路電流Isc。新工藝制得的PERC高效電池具有更好的光電轉換效率為21.4%，普通產線制備高效電池光電轉換效率為21%，新工藝較常規工藝光電轉換效率提高了0.4%，并且開路電壓與短路電流都有明顯的提升，說明增加了AlOx膜層后，由于自身攜帶負電荷，它比常規氮氧化硅層更好地起到場鈍化與化學鈍化的效果，降低了背表面的缺陷，從而降低背表面復合，增強了鈍化效果，提升了少子壽命，進而提升了短路電流和光電轉換效率。

3結論

優化后的新工藝制得的PERC高效電池由于提高了鈍化效果具有更好的光電轉換效率，并且開路電壓與短路電流都有明顯的提升，較常規工藝電池片效率提高了0.4%。

有效地改善了電池PECVD鍍減反射膜鈍化效果。此類工藝參數的優化提升，對于PERC高效電池工藝的下一步優化和設計開拓了更為廣泛的思路，一定程度上促進PERC電池產業化發展。

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