激光開槽對MWT+PERC單晶硅太陽電池性能影響的研究

彭若瑩，席 曦，邵劍波，李少敏，劉桂林，路忠林，徐建華，黃 智，張向陽*

(1.江南大學理學院，無錫 214122；2.無錫日托光伏科技有限公司，無錫 214028)

0 引言

隨著各種環境問題及傳統能源危機的日趨嚴重，人們開始致力于開發可再生能源來實現可持續發展。光伏發電是太陽能發電的一種主要形式，其利用光生伏特效應，將光能直接轉換成電能[1]。

作為新一代太陽電池技術，目前，鈍化發射極及背接觸(PERC)技術正在大規模應用中[2]；最新的研究顯示，PERC技術將在2020年成為主要的商業化太陽電池技術[3]。與常規的太陽電池工藝相比，PERC技術僅增加了背面鈍化和激光開槽2個工序，但卻能有效提升太陽電池的轉換效率。

金屬纏繞穿透(MWT)技術是一種新型電池技術，通過激光打孔將發射極從硅基體體內引導到電池背面，從而形成發射極接觸電極和基極接觸電極都位于電池背面的背接觸結構[4]。這種結構消除了正面電極的主柵線，正面電極搜集的電流通過孔洞被引到背面，增大了受光面積，增加了電池產生電子的有效區域，進而提高了電池的轉換效率。對于常規的MWT太陽電池來說，其可以將傳統太陽電池的8%的柵線遮擋區域降為5%左右[5]。由于MWT技術具有良好的兼容性，其可以與各種先進硅太陽電池技術進行疊加。

與僅采用MWT技術或僅采用PERC技術的太陽電池相比，MWT+PERC硅太陽電池具有更高的轉換效率，其中，單晶硅的轉換效率為23%，多晶硅的轉換效率為21%[6]；此外，MWT+PERC硅太陽電池的厚度較薄，降低了硅材料的損耗，且具有較好的柔韌度。

鈍化技術的引入不僅能提升硅片的少子壽命，改善電池背面的復合，而且電池背面的疊層鈍化膜還起到了背反射器的作用，可將更多的長波長光反射回電池，提升硅太陽電池的長波響應[7]。背面鈍化膜開槽技術是影響MWT+PERC硅太陽電池轉換效率的一個重要工藝步驟。而在背面鈍化膜開槽技術中，激光熱熔法被認為是目前最具工業可行性的背面介質局部開槽方式，近年來得到了廣泛研究[8]。通過激光熱熔法將電池背面局部的AlOx和SiNx層熱熔，使金屬化燒結過程中的鋁漿和開槽區域的硅形成鋁硅合金的局部接觸，而影響鋁硅接觸面積的主要因素是激光開槽的開槽率。

本文在保持相同背面開槽率的基礎上，通過調節激光功率改變開槽寬度、開槽線間距及開槽線根數，研究了這些因素變化對MWT+PERC單晶硅太陽電池(下文簡稱“MWT+PERC太陽電池”)電性能及鋁硅接觸內部質量產生的影響。

1 實驗設計

本實驗采用標準商業級摻硼p型單晶硅片，硅片的電阻率為0.5～1.5 Ω·cm，厚度為160±10μm，尺寸為158.75 mm×158.75 mm。將實驗硅片采用標準的制備工序制備MWT+PERC太陽電池，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 MWT+PERC太陽電池的工序流程圖Fig. 1 Process flow of MWT+PERC solar cell

本實驗所用MWT+PERC太陽電池的具體工藝流程為：1)通過激光打孔將摻硼p型單晶硅片形成“6×6”個孔洞，再利用KOH溶液和添加劑等對硅片進行制絨，隨后采用低壓擴散工序形成p-n結，擴散后的方塊電阻控制在97±5 Ω/□；2)經過刻蝕去磷硅玻璃(PSG)，并進行背面堿拋光及氧化退火后在硅片表面形成SiO2膜；3)通過等離子化學氣相沉積(PECVD)方式在硅片背面沉積一層厚度分別為20±5 nm和130±20 nm的AlOx和SiNx膜層，同時正面采用PECVD方式沉積一層厚度為80±5 nm的SiNx:H鈍化層；4)利用脈沖寬度為532 nm的激光去除部分覆蓋在硅片背面的鈍化層后進行絲網印刷，在絲網印刷過程中，正電極和堵孔電極采用銀漿印刷，通過此類填充孔洞的工藝可以將正面電極收集的電流引到背面。背面通過鋁漿印刷形成局部背電場，經燒結后形成有效的鋁硅接觸。圖2為MWT+PERC太陽電池的結構示意圖。

圖2 MWT+PERC太陽電池的結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of MWT+PERC solar cell

研究初期，實驗小組進行了多次關于不同開槽率的測試實驗，通過對比實驗結果并進行再驗證，確定背面開槽率為2.10%時，MWT+PERC太陽電池的各項性能參數均較為理想。因此，本實驗以背面開槽率為2.10%作為控制條件，通過調節不同的激光功率來設定不同的開槽寬度、開槽線間距及開槽線根數，并分析這些因素變化對MWT+PERC太陽電池各參數的影響情況。

2 實驗方法與結果分析

2.1 實驗方法

首先以帝爾激光器的激光功率可調范圍及前期大量的實驗為基礎，確定了開槽寬度為29～37 μm且對應的開槽線間距為0.745～0.975 mm時，電池的電性能較為理想。針對此范圍的開槽寬度與開槽線間距進行實驗，并以開槽寬度為30μm、開槽線間距為0.765 mm時的電池作為參照；分別選用20片摻硼p型單晶硅片作為實驗硅片，每組實驗硅片除了在激光開槽工藝時需要設置不同的開槽參數外，其余制備步驟均與圖1所示工序流程相同，測量制備得到的MWT+PERC太陽電池的電性能參數，并進行對比。

2.2 不同開槽寬度時電池的電性能

背面開槽率保持不變，摻硼p型單晶硅片在不同開槽寬度時制備的MWT+PERC太陽電池的電性能參數情況，如圖3所示。由圖3可知，不同開槽寬度時短路電流密度Jsc的差異不大，這是因為首先，在開槽位置，入射到電池表面的太陽光依舊會被鈍化層正常反射，而部分太陽光則會透射進入電池內部；其次，開槽處附近位置的絨面能較好保持，對于進入電池內部的太陽光，其短波長光子會被硅片表面的鈍化層吸收，而長波長光子則會進一步向硅片內部遷移；此外，開槽寬度不同不會影響電池吸收光子的概率，在長波長光子繼續向內遷移時，會有少部分的長波長光子被電池背面的鈍化層再次反射而重新在硅片內部被吸收，而另一些長波長光子則會繼續穿過電池背面而消失，在此過程中鋁背場對光的反射影響較小。因此，進入硅片的光子數量差異不大，使電池在該條件下所產生的Jsc幾乎相等。當開槽寬度增加時，為保持開槽率為2.10%一直不變，開槽線間距需要增大，則開槽根數也相應減少。但隨著開槽線間距增大，空穴的橫向運動增加，因而串聯電阻Rs會隨之增加，同時填充因子FF會相應減小，從而影響電池的電性能。當開槽寬度為37 μm時，開槽線間距最大，開槽根數最少，在保持開槽率及背面鈍化層面積不變的情況下，較大的Rs仍會對FF及轉換效率Eff存在不利影響。當開槽寬度較窄時，由于開槽線間距較小，空穴的橫向運動減少，Rs也會隨之減小；而且開槽寬度較窄時，激光功率也較低，但較低的激光功率會使開槽不干凈，導致電池接觸不良。

圖3 不同開槽寬度時MWT+PERC太陽電池的電性能情況Fig. 3 Electrical performance of MWT+PERC solar cells with different slotted widths

表1為通過太陽模擬器測試得到的相同背面開槽率下不同開槽寬度時MWT+PERC太陽電池的電性能情況。從表1可以看出，隨著開槽寬度的增加，MWT+PERC太陽電池的Eff、FF及開路電壓Voc均呈現先上升后下降的趨勢，而Rs逐漸增大，Jsc則基本保持不變。

表1 在2.10%開槽率下不同開槽寬度時制備的MWT+PERC太陽電池的電性能情況Table 1 Comparison of electrical performance of MWT+PERC solar cells of different slotted widths based on 2.1% laser ablation rate

2.3 不同開槽寬度時硅片表面的激光光斑

圖4為采用型號為ZETA-20的3D顯微鏡觀察的利用2種方式(一種為通過圓上3點形成一個圓測量直徑，另一種為直接測量過圓心2點的長度)測量的開槽寬度分別為30和37 μm時硅片表面的激光光斑。由于測量時存在些許誤差，圖4a、圖4b的開槽寬度分別為30.50±0.5 μm和37.00±0.5 μm。

圖4 3D顯微鏡下不同開槽寬度時硅片表面的激光光斑情況Fig. 4 3D images of laser spot of silicon wafer surface with different slotted widths

由圖4a可知，當開槽寬度過窄時，光斑周圍疑似有SiNx殘留物，說明在此開槽形式下，開槽形貌粗糙不平；從圖4b可知，當開槽寬度過寬時，由于激光功率過大，激光能量在擊穿AlOx和SiNx膜的基礎上會對電池表面產生損傷，并且光斑周圍有明顯的黑圈，開槽形貌質量不佳且開槽周圍的腐蝕效果較差，導致電池Jsc和Voc均降低。

2.4 不同激光功率時電池鋁硅接觸區域的SEM圖

利用型號為JEOL JSM-6360LA的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同開槽寬度時電池鋁硅接觸區域(即為電池背面局部接觸區域)的形貌質量。圖5為在其他激光參數相同的情況下，激光功率分別為14.60 W(開槽寬度為29 μm)、25.21 W(開槽寬度為37 μm)時，經絲網印刷燒結后的電池鋁硅接觸區域剖面的SEM圖。

圖5 不同激光功率時電池背面局部接觸區域剖面的SEM圖Fig. 5 SEM images of local contact section on back of solar cell with different laser power

由圖5a可知，激光功率較小時對應的開槽寬度窄，局部鋁背場較薄，開槽深度較淺，在此開槽形式下雖然能夠減小電池的Rs，但會導致開槽不徹底，開槽區域會存在一些SiNx殘留物使電池接觸不良，最終導致轉換效率降低。由圖5b可知，激光功率較大時，開槽區域由于開槽深度過深，導致鋁漿填充不良，出現較多的空洞，這會導致電池的FF降低，很大程度上影響電池的轉換效率。

對于空洞的形成原因有種假設，即空洞是由于Kirkendall效應而形成的[9]，Si在Al/Si合金中的擴散速度快于Al在相反方向的局部接觸擴散[10]；由于冷卻速度非常快(約為5 s)，Si在Al顆粒中可能以片狀凝固，而不是到局部接觸區內再結晶，從而形了成空洞[11]。激光開槽完成后，電池背面會形成一個局部鋁背場(LBSF)，在燒結過程中需要選擇合適的漿料并適當調節燒結溫度來確保鋁硅接觸區域致密無空洞，形成均勻且連續的背場。因此可以看出，激光功率較大時會產生較高的空洞率及填充不良的現象，從而影響鋁硅接觸的質量，最終影響太陽電池的電性能。

2.5 小結

綜上所述，開槽寬度在33～35 μm、激光功率為21～23 W時，MWT+PERC太陽電池的電性能各參數的匹配及鋁硅接觸質量較好，此時，MWT+PERC太陽電池的平均轉換效率較開槽寬度為30 μm時提高了0.05%。

3 結論

本文在保證背面開槽率為2.10%的情況下，通過改變激光功率得到不同的開槽寬度，從而研究不同開槽寬度、開槽線間距及開槽根數對MWT+PERC太陽電池電性能的影響，以及鋁硅接觸區域的形貌，結論如下：

1)對于同一工藝流程的MWT+PERC太陽電池，激光功率增大即開槽寬度加寬，從而開槽線間距增大，空穴的橫向運動增加，電池的Rs變大。

2)當開槽寬度過寬時，過大的激光功率會影響激光光斑質量，使光斑周圍形貌呈現的腐蝕效果較差，且通過SEM可以觀察到此時鋁漿填充質量也不佳；當開槽寬度較窄時，開槽深度較淺，導致開槽不徹底，易在開槽界面附近留下SiNx等殘留物，所以上述2種情況都不利于電池的電性能改善。因此，適當增大開槽寬度會使電池的FF、Eff都有所提高，但寬度過大或過小也會對電池的電性能各參數有消極的影響。

3)當開槽寬度為33～35 μm時，MWT+PERC太陽電池的各項性能匹配最佳且光斑質量及鋁硅填充質量都達到一個較好的水平，此時電池的平均轉換效率較開槽寬度為30 μm時提高了0.05%。

激光開槽寬度與開槽線間距的匹配對鋁硅接觸質量及MWT+PERC太陽電池轉換效率的提升有較大效果，也是未來研究不同激光圖形對PERC太陽電池影響的一個思路和研究方向。