正交實驗法分析單晶PERC電池背鈍化最優(yōu)條件

賈艷飛

(山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長治 046011)

0 引 言

目前光伏行業(yè)發(fā)展迅猛，整個產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)成本的下降和電池轉(zhuǎn)換效率的提升，為太陽能發(fā)電具備平價上網(wǎng)提供可能，從而實現(xiàn)與傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)的互補。新的電池技術(shù)日新月異，單晶背鈍化發(fā)射極背面接觸電池(單晶PERC)、多晶背鈍化發(fā)射極背面接觸電池(多晶PERC)、鑄錠單晶電池、異質(zhì)結(jié)電池(HJT)以及鈣鈦礦等開始引領(lǐng)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。其中單晶背鈍化PERC電池由于成本低、轉(zhuǎn)換效率低，且與各電池廠商自有設(shè)備兼容性好，迅速成為現(xiàn)今太陽能電池環(huán)節(jié)的主流產(chǎn)品。據(jù)最新報道，在已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)化的單晶PERC中，蘇民新能源采用了優(yōu)化柵線以及絨面實現(xiàn)平均轉(zhuǎn)換效率達到22.63%；而2019年初隆基單晶雙面PERC電池經(jīng)國家光伏質(zhì)檢中心(CPVT)測試，正面轉(zhuǎn)換效率達到了24.06%。

單晶背鈍化PERC電池技術(shù)的核心即在常規(guī)電池沉積背面鈍化層，并通過開口形成背面接觸[2]，圖1是單晶PERC被鈍化示意圖。

圖1 單晶PERC電池背鈍化示意圖Fig.1 Schematic diagram of the monocrystal back passivation PERC cell

由于硅片內(nèi)部和硅片表面存在一定的雜質(zhì)及缺陷，會加速表面載流子的復(fù)合從而對光伏電池的性能造成負(fù)面影響，鈍化主要通過以化學(xué)鈍化和場效應(yīng)鈍化的方式來減小復(fù)合速率，提高少數(shù)載流子壽命。化學(xué)鈍化，即使界面的各種缺陷態(tài)飽和，降低界面缺陷濃度，從而減少禁帶內(nèi)的復(fù)合中心；場效應(yīng)鈍化，是通過電荷積累，在界面處形成靜電場，從而降低少數(shù)載流子濃度。目前應(yīng)用于單晶PERC背鈍化的材料主要有Al2O3，氧化硅以及氮氧化硅等，其中Al2O3由于電荷密度較高，在量產(chǎn)化產(chǎn)線背鈍化環(huán)節(jié)普遍應(yīng)用的是Al2O3/SiNx雙層結(jié)構(gòu)[3]。目前已產(chǎn)業(yè)化的單晶背鈍化PERC電池鈍化效果處于不斷持續(xù)優(yōu)化中，本文擬采用正交實驗方法對背鈍化鍍膜工藝條件進行最優(yōu)化研究。影響鈍化效果的主要因素有工藝腔壓強、溫度、特氣流量以及微波功率等。為了提升實驗效率，通過正交實驗法優(yōu)化實驗次數(shù)，快速找出鈍化工藝的最優(yōu)化條件，并對實驗結(jié)果進行預(yù)測并做出可靠性評估，對產(chǎn)線工藝設(shè)定起到很好的指導(dǎo)作用。

1 實 驗

1.1 實驗原料及設(shè)備

硅片：電阻率0.4～1.2 Ω·cm，規(guī)格156.75 mm×156.75 mm，厚度190 μm；摻鎵型特氣：SiH4/NH3，9 N，上海正帆科技股份有限公司；設(shè)備：IV測試儀(Meyer Burger)，背鈍化設(shè)備(MAIA3400 2in1 R2.1),橢偏儀(SE400adv PV)。

1.2 實驗工藝流程

選取同一批次摻鎵硅片制作成電池片(每組實驗800 pcs)，為保證實驗可對照性，在電池片制作過程中各工序環(huán)節(jié)都選用同一設(shè)備，且工藝參數(shù)不做調(diào)整，以減小誤差。圖2為單晶背鈍化PERC電池工藝流程圖。

圖2 單晶背鈍化PERC電池工藝流程圖Fig.2 Process flow of the monocrystal back passivation PERC cell

通過對背鈍化工序設(shè)定不同的工藝參數(shù)，加工成電池片。對電池片膜厚、折射率等選取2%進行抽測，并且通過電致發(fā)光(EL)測試和I-V測試進行全檢，對鈍化質(zhì)量進行最終評估。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗設(shè)計

背鈍化最終效果涉及工藝腔壓強、溫度、特氣流量以及微波功率四個單因素，此外還存在各因素兩兩之間的相互作用[4]。本文采用三水平正交實驗方法檢查四個單因素及其相互作用對實驗結(jié)果影響的效果，并初步給出最優(yōu)工藝條件的組合。結(jié)合目前兩次量產(chǎn)背鈍化工藝：0.1～0.3 mbar工藝腔壓強、300～400 ℃的溫度設(shè)定、2.0～3.0的NH3/SiH4比率以及1 000～2 000 W的微波功率，實驗選取0.15 mbar、0.2 mbar、0.25 mbar三個水平的工藝腔壓強，360 ℃、370 ℃、380 ℃三個水平的溫度設(shè)定，2.4、2.6、2.8三個水平的NH3/SiH4比率以及1 200 W，1 500 W，1 800 W三個水平的微波功率。采用正交實驗表，安排每次實驗的條件，如表1所示。工藝腔壓強(A)、溫度(B)、NH3/SiH4比率(C)、微波功率(D)為第1、2、3、4列，第5列為各組實驗電池片的測試效率，每次實驗的條件(各因素水平)由實驗序號所在行與代表處理工藝腔壓強(A)、溫度(B)、NH3/SiH4比率(C)、微波功率(D)的1、2、3、4列共同確定。比如序號為3的實驗,1、2、3、4列所對應(yīng)的因素水平分別為1、3、3、3，則第3組實驗的實驗條件為工藝腔壓強0.15 mbar，溫度380 ℃，NH3/SiH4比率2.8，微波功率為1 800 W。

表1 正交實驗設(shè)計以及實驗結(jié)果Table 1 Orthogonal experimental design and experimental results

根據(jù)表1的實驗結(jié)果，表2、表3列出了主要的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，以下簡要給出關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理步驟[5]。

(1)均值計算

取表1中9組實驗第5列Eff(轉(zhuǎn)換效率)的平均值(F0代表平均值，F(xiàn)(Xi)代表每組實驗對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率值)。

(2)各因素水平均值計算

(3)極差計算

FAmax-FAmin≈22.23%-22.15%≈0.08%

極差即因素水平均值的最大值與最小值之差。

(4)因素效應(yīng)值計算

(5)因素方差計算

式中的n為實驗組數(shù)量。

(6)誤差方差計算

式中的F(Xi)代表每組實驗對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率值，D(Fi)代表因素方差，i代表因素(A,B,C,D)。

(7)自由度計算

對于單因素，自由度fA=3-1=2

總自由度f=9-1=8

(8)F比計算

表2 正交實驗極差計算分析Table 2 Calculation and analysis of range in orthogonal experiment /%

從表2數(shù)據(jù)中可以得出對于A，B，C，D 4個因素，通過計算，D因素對應(yīng)的效率數(shù)值極差最大，其因素變化影響作用相對其他3個因素較為顯著。即對鈍化質(zhì)量影響相對最顯著的因素為微波功率，其次為NH3/SiH4比率、工藝腔壓強、溫度設(shè)定。

表3 正交實驗方差計算分析Table 3 Calculation and analysis of variance in orthogonal experiment

從表3分析技術(shù)的數(shù)據(jù)可以看出，通過F檢驗，對照F分布表(自由度為n-1=3-1=2)查得F表=4.46，F(xiàn)均小于F表，四個因素對測試效率的影響顯著性不明顯，其顯著性排列順序為D>C>A>B。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表1中得到的實驗數(shù)據(jù)選擇各組實驗對應(yīng)的電池片進行相應(yīng)性能測試，并對測試數(shù)據(jù)進行分析。

2.2.1 膜厚以及折射率分析

對每組實驗選取2%(40 pcs)進行膜厚和折射率測試，表4為正交各組實驗?zāi)ず窦罢凵渎食闇y平均值。

表4 正交各組實驗?zāi)ず窦罢凵渎食闇yTable 4 Measurement of film thickness and refractive index by orthogonal test

通過表4中數(shù)據(jù)分析可以看出：

(1)微波功率的變化對膜厚的影響不明顯，但是能夠在一定程度上顯著影響折射率，當(dāng)微波功率1 500 W時折射率達到最大，對應(yīng)實驗組轉(zhuǎn)換效率最高，可推知鈍化效果最好；

(2)NH3/SiH4比率的增加能夠一定程度上提升樣片折射率，而膜厚隨該因素變化的幅度不大，對應(yīng)轉(zhuǎn)換效率有所增加；工藝腔壓強以及溫度增加時，膜厚與折射率沒有呈現(xiàn)相應(yīng)變化，故影響相對較小；

(3)對比實驗數(shù)據(jù)，可以看出背鈍化鍍膜工藝保持低膜厚和高折射率能夠控制光線的發(fā)射，避免反射太多導(dǎo)致基體對光線的吸收減少，進而影響光電轉(zhuǎn)換效率[6]。

2.2.2 電學(xué)性能測試

對每組實驗制作的電池片進行相關(guān)電學(xué)性能測試，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 正交各組實驗電學(xué)性能測試Table 5 Electrical performance test of orthogonal group experiment

通過對電學(xué)性能數(shù)據(jù)分析，鈍化質(zhì)量的提升主要是體現(xiàn)在降低硅片表面雜質(zhì)造成缺陷對載流子復(fù)合的影響[7]。實驗7的Voc和Isc均處于一個相對較好的水平，因此對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率最高。另外從表5數(shù)據(jù)中可以看出實驗7的串聯(lián)電阻為各組實驗中最高，而填充因子偏低，主要是NH3/SiH4比例較高，不利于形成富硅鈍化層，影響與印刷鋁漿的反應(yīng)，鋁硅的接觸較差進而導(dǎo)致填充因子下降。

3 結(jié) 論

本文通過采用四因素三水平正交實驗方法分析出工藝腔壓強、溫度設(shè)定、NH3/SiH4比率以及微波功率對鈍化質(zhì)量的影響，并通過對實驗數(shù)據(jù)進行方差以及極差分析，找出對背鈍化影響顯著性順序:微波功率>NH3/SiH4比率>工藝腔壓強>溫度設(shè)定。實驗數(shù)據(jù)表明，不考慮各因素間的相互作用，在0.25 mbar的工藝腔壓強、360 ℃溫度設(shè)定，2.8的NH3/SiH4比率，1 500 W的微波功率下鈍化質(zhì)量效果最好，電池片轉(zhuǎn)換效率達到最大值，但對應(yīng)的其他電學(xué)性能指標(biāo)仍有一定的改善空間。