淺析銀銅雙金屬一步法制備的黑硅多晶硅太陽電池的性能

徐義勝，何保楊，單 偉，何 勝，周盛永，黃海燕，陸 川

(海寧正泰新能源科技有限公司，海寧 314400)

0 引言

近年隨著光伏行業的持續發展，高效太陽電池所占的市場份額呈逐年擴大的趨勢。高效太陽電池的一個關鍵技術點就是要增加太陽光的吸收率，以便增加電子、空穴收集幾率[1]。

由于黑硅太陽電池具有高太陽光吸收率的優點，這些年在光伏行業得到越來越廣泛的應用，尤其以具有成本及效率雙重優勢的濕法黑硅太陽電池為代表[2]。黑硅太陽電池是通過刻蝕法對硅片表面進行再次改進，從而形成納米級結構。由于這種納米級結構可以在一個相當大的光譜范圍(250～2500 nm)內提升光的吸收率，因此可以顯著增加光的整體吸收率[3]。

現今市場上常見的濕法黑硅技術采用的是銀單金屬多步黑硅制絨方法，該方法存在工藝步驟多、槽體多不易控制、產能低、空間要求高與靈活性不佳等不足之處[4]。基于此，北京普揚科技有限公司通過與中國科學院物理研究所合作，開創性地開發出了銀銅雙金屬一步法黑硅技術。該技術可以在控制縱向刻蝕的同時，通過特殊手段控制橫向刻蝕，僅需一次刻蝕便可得到合適高寬比的硅片表面微觀結構；同時該技術也適合于現有太陽電池工藝流程，具有工藝簡單、槽體少等優點，能夠大幅降低生產成本[5-7]。

本文以北京普揚科技有限公司采用銀銅雙金屬一步法制備的黑硅多晶硅硅片為基礎，以浙江正泰太陽能科技有限公司的太陽電池產線為載體，制備出黑硅多晶硅太陽電池，并對制備出的黑硅多晶硅太陽電池與常規多晶硅太陽電池進行了性能對比實驗研究。

1 實驗過程

黑硅多晶硅硅片(下文簡稱“實驗組硅片”)與采用了常規制絨工藝的多晶硅硅片(下文簡稱“對比組硅片”)的片源均為p型、尺寸均為157 mm×157 mm、電阻率均為 1～3 Ω·cm。已完成黑硅制絨的實驗組硅片經產線預清洗處理后，從擴散工序開始采用常規多晶硅太陽電池的后續制備流程，流程如圖1所示。對比組硅片則全程按照產線中常規多晶硅太陽電池的流程制備。其中，實驗組硅片的擴散方阻為95 Ω/□，對比組硅片的擴散方阻為85 Ω/□。

圖1 黑硅多晶硅太陽電池制備流程Fig.1 Preparation process of black silicon multi-crystalline silicon solar cell

依據上述流程制備出黑硅多晶硅太陽電池(下文簡稱“實驗組電池”)，并利用對比組硅片制備出常規多晶硅太陽電池(下文簡稱“對比組電池”)；然后對實驗組硅片、對比組硅片、實驗組電池及對比組電池的性能進行測試。采用D8反射率測試儀測試實驗組硅片與對比組硅片的反射率，利用Hitachi公司的S-4800掃描電鏡進行實驗組硅片表面形貌與結構測試，使用Berger公司的I-V測試儀測試實驗組電池與對比組電池的電性能參數，利用PV Measurements公司的QEX7量子效率測試儀檢測電池外量子效率(EQE)，使用思弗瑞公司型號為ZLL-6072C的太陽電池光衰設備測試電池的光致衰減率。

2 結果與討論

2.1 反射率

硅片制絨后的反射率是檢測硅片品質的重要指標。因此，選取實驗組硅片與對比組硅片各5片進行反射率測試，結果如表1所示。

由表1可知，實驗組硅片的平均反射率為18.1%，對比組硅片的平均反射率為25.1%，兩者相差7%。采用銀銅雙金屬一步法黑硅技術可使硅片生成一定光譜范圍內的反射率，考慮到需要在短路電流提升與開路電壓降低之間取得平衡，因此，最佳的硅片反射率為18.1%左右。

表1 2類硅片的反射率Table 1 Reflectivities of 2 kinds of silicons

2.2 硅片表面形貌結構

圖2 實驗組硅片表面形貌Fig.2 Surface morphology of the experimental group silicon

圖2為實驗組硅片表面形貌圖。由圖可知，制絨后實驗組硅片表面會產生眾多不規則尺寸的孔洞。圖3為放大后的孔洞形貌，由圖可知，硅片表面已形成納米級結構。隨機選擇表面2處位置測試表面孔洞的寬度與深度，其中一處的寬度為580 nm，深度為314 nm；另一處的寬度為635 nm，深度為316 nm。

圖3 實驗組硅片表面孔洞微觀結構Fig.3 Microstructure of the experimental group silicon

對實驗組硅片表面進行元素能譜分析，結果顯示，其表面僅有硅、碳2種元素，如圖4所示。可以看出，實驗組硅片表面的清洗效果較為徹底，并無銀、銅等金屬離子殘留；而能譜中的碳元素殘留可能是由于制程中的污染導致[8]。

圖4 實驗組硅片表面能譜分析Fig.4 EDS of surface of the experimental group silicon

2.3 電池的實物形貌

實驗組電池與對比組電池的實物圖如圖5所示。實驗組電池的表面色差十分明顯，可能是由于銀銅雙金屬一步法黑硅技術加大了實驗組硅片表面不同晶相之間的反射率差異[7]。

圖5 實驗組電池與對比組電池的實物圖對比Fig.5 Comparison of physical pictures between the experimental group solar cell and the contrast group solar cell

2.4 電池的量子響應

實驗組電池與對比組電池的EQE曲線如圖6所示。由于實驗組硅片表面存在納米級結構，其反射率更低，因而可以吸收更多的光。量子響應結果顯示，實驗組電池的短波段EQE更優。

2.5 電性能參數

從實驗組電池與對比組電池分別選取371片電池，對2種電池的開路電壓Voc、短路電流Isc、填充因子FF、效率η進行測試，然后取平均值，電性能結果如表2所示。由表可知，與對比組電池相比，實驗組電池的η提高了0.27%；Isc提升了221 mA；而Voc降低了3.3 mV。

圖6 實驗組電池與對比組電池的EQE曲線對比Fig.6 Comparison of EQE curves between the experimental group solar cell and the contrast group solar cell

表2 2種電池的電性能參數Table 2 Electrical performance parameters of 2 kinds of solar cells

該電性能測試結果與硅片表面形貌及電池量子響應測試結果相匹配。由于實驗組硅片表面特殊的納米級結構，實驗組電池的短波段EQE更佳，與對比組電池相比，其Isc數值更大。同時由于實驗組硅片所形成的納米級結構導致其比表面積較對比組硅片增大5倍，相應的表面復合率也會增加，使實驗組電池的Voc比對比組電池的低[4]。

2.6 電池的光致衰減

實驗組和對比組電池各取10片，分別測試其初始效率、光致衰減4 h后與24 h后的效率，以及4 h后和12 h后的光致衰減率，結果如表3所示。由表可知，實驗組電池的光致衰減率優于對比組電池。

表3 2種電池的光致衰減數據Table 3 LID data of 2 kinds of solar cells

3 結論

本文對采用銀銅雙金屬一步法制備的黑硅多晶硅硅片與采用了常規制絨工藝的多晶硅硅片的性能，以及由2類硅片制備的2類太陽電池的電性能進行了對比實驗，得到以下結論：相同硅片片源條件下，黑硅多晶硅太陽電池的轉換效率比常規多晶硅太陽電池提升0.27 %；黑硅多晶硅太陽電池的短波響應有顯著改善，短路電流提升了221 mA，同時其光致衰減結果也優于常規多晶硅太陽電池。銀銅雙金屬一步法黑硅技術成本更低，本實驗結果表明了此方法具有一定的優勢。