鋁粉活性對雙面PERC太陽電池鋁漿性能的影響

丁冰冰， 謝 欣

(廣州市儒興科技開發有限公司，廣州 510530)

0 引言

p型晶體硅太陽電池的背電場是在p型硅背面制備一層與基區相同的重摻雜區p+。背電場的p-p+結使反射的光電子重新被收集，其內建電場加速了光電子的傳輸，從而增加了少子的收集幾率，提高了太陽電池的短路電流。同時，在p-p+結兩端會積累被其內建電場分離的光生載流子，隨著p-p+結兩端與n-p兩端光電壓的疊加使太陽電池的開路電壓得到提高。由于背電場阻擋了基區少子向背面的擴散，從而降低了暗電流，同時也提高了開路電壓，背電場會給太陽電池帶來約10%的開路電壓提升[1]。

在所有晶體硅太陽電池類型中，p型雙面PERC太陽電池的產量占主導地位，其背面結構為110～180 μm的鋁柵線與硅基形成接觸，該太陽電池的結構如圖1所示。

圖1 p型雙面PERC太陽電池結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of structure of p type bifacial PERC solar cells

晶體硅太陽電池的背電場是通過Ⅲ主族受主雜質元素制成的漿料與晶體硅通過共燒結形成。在Ⅲ主族元素中，鋁具有導電性好、價格便宜、市場上易獲得等優勢，因此被認為是制作晶體硅太陽電池背電場的理想材料。鋁漿料是由導電相鋁粉、無機粘結體玻璃粉、有機載體及一些助劑組合而成。

鋁粉的活性也稱為鋁粉的純度，鋁漿中鋁粉的含量約為80%，其對鋁漿的性能具有重要作用。鋁粉顆粒呈球形，表層會形成氧化層。氧化層越厚，鋁粉活性越低；氧化層越薄，鋁粉活性越高。本文制備了3種不同活性的鋁粉，并將其制作成雙面PERC太陽電池用鋁漿，以探究鋁粉活性對鋁漿燒結后的性能影響。

1 實驗過程

1.1 鋁粉的制備

將鋁含量為99.90%的鋁錠熔化后，與分散劑一起加入溫度控制儀的霧化爐中進行霧化加熱，霧化爐中保護氣氛的氧含量分別控制在0.5%、0.7%和0.9%，并通過溫度控制儀將霧化爐中鋁液的溫度。分別控制為860、870和880 ℃。然后由霧化爐的霧化器噴出3種原始鋁粉，先經HLP-400氮氣保護氣流分級機進行二次分級，再通過400目篩網超聲波過篩，分級機分級時離心葉輪的轉速為2000 rpm，之后得到3種粒度中位徑均為8 μm、跨度均為1.2、松裝密度均為2.2 g/cm3的鋁粉。由O-3000型氧氣分析儀測得的這3種鋁粉的活性分別為99.6%、99.4%、99.2%。不同活性鋁粉的制備工藝如圖2所示。

圖2 不同活性鋁粉的制備工藝Fig. 2 Preparation technology of different activie Al powder

1.2 鋁漿的制備

將3種活性的鋁粉分別與無機粘結體玻璃粉、有機載體、流平劑、觸變劑混合，經真空攪拌機高速攪拌60 min且充分混合后，放置2 h，再由三輥研磨機松軋3次、緊軋3次，制成3款粘度均為25000 mPa·s、細度均為15 μm的鋁漿。這3款鋁漿分別標記為鋁漿a、鋁漿b、鋁漿c，且其對應的鋁粉活性分別為99.6%、99.4%、99.2%，具體如圖3所示。

圖3 鋁漿的制備流程Fig. 3 Preparation process of Al paste

1.3 雙面PERC太陽電池的制備

按照標準雙面PERC太陽電池的制備工藝，在完成印刷環節之前的工藝后，對硅片進行背面銀漿的印刷、烘干，接著印刷3種鋁漿并烘干，然后翻轉硅片在其正面印刷銀漿，最后放入燒結爐燒結，由此分別得到3組雙面PERC太陽電池，分別標記為太陽電池A、太陽電池B、太陽電池C，這3組太陽電池分別采用的是鋁漿a、鋁漿b、鋁漿c，雙面PERC太陽電池在印刷和燒結環節的工藝如圖4所示。

圖4 雙面PERC太陽電池在印刷和燒結環節的工藝Fig. 4 Process of bifacial PERC solar cells

1.4 測試設備與表征

鋁漿方阻測試：根據GB/T 17473.3—2008《微電子技術用貴金屬漿料測試方法 方阻測定》，利用Fluke 287C數顯萬用表進行鋁漿方阻的測試。鋁漿的印刷圖案如圖5所示。

圖5 鋁漿的印刷圖案Fig. 5 Printing pattern of Al paste

鋁漿線電阻的測試：利用TH2512B低電阻測試儀分別測試太陽電池A、B、C這3組太陽電池主柵線間的電阻，每組太陽電池測試5片，每片讀取4個數據。具體的測試方式如圖6所示。

圖6 鋁漿線電阻的測試方式Fig. 6 Test method of Al paste wire resistance

鋁硅接觸電阻率的測試：采用TLM法[2-3]測試鋁硅的接觸電阻率。

摻雜濃度測試：將燒結工藝后的常規單晶硅片去除鋁層和合金層，利用WEP-CVP21擴散濃度測試儀測試硅片表面的摻雜濃度。

SEM測試：利用FlexSEM 1000測試雙面PERC太陽電池的橫截面、鋁硅反應區域形成的背電池(BSF)層的厚度及激光線槽的寬度。

開路電壓(Voc)測試：Sinton Suns-Voc測試印刷燒結后的雙面PERC太陽電池在光注入條件下的Voc。

2 結果和分析

2.1 鋁粉活性對鋁漿方阻的影響

實驗結果顯示，鋁漿a、鋁漿b、鋁漿c的方阻分別為19、23、29 mΩ/□。在燒結過程中，鋁漿不會與氧化鋁基片發生反應，因此，實驗測得的鋁漿方阻數值即為鋁漿本身的方阻值。由于鋁漿a的鋁粉活性最高，鋁粉顆粒表面的氧化層也最薄，燒結后鋁粉顆粒可形成更致密的接觸，因此其方阻值最低。同理，鋁漿c中的鋁粉活性最低、表面氧化層最厚，因此其方阻值最高。

2.2 鋁粉活性對鋁漿線電阻的影響

在鋁漿燒結過程中，鋁漿和氮化硅(SiN)鈍化膜會發生一定程度的破壞性反應，基底的硅原子會擴散進入鋁漿層，從而使主柵線處鋁漿的線電阻增大。鋁漿制備過程中，在其他材料、工藝均相同的情況下，鋁粉活性越高，制備得到的鋁漿的反應活性越高。鋁漿的反應活性越高，一方面，鋁漿在燒結過程中越易與硅及鈍化膜發生反應，硅原子越易進入鋁漿，鋁漿線電阻值增加的幅度越大；另一方面，高活性的鋁粉制成的鋁漿的線電阻值更小，而且鋁粉的活性越高，鋁漿的線電阻阻值越小，該結論與鋁漿的方阻測試結果一致。鋁漿的線電阻測試結果如圖7所示。其中：a1～a5為鋁漿a的試樣；b1～b5為鋁漿b的試樣；c1～c5為鋁漿c的試樣。

Fig. 7 Wire resistances value of there kinds of Al paste after sintering

從圖7可以看出，鋁漿a、b、c的線電阻分別為372.0～387.5、405.8～421.3、424.5～439.0 mΩ，由此可以得到鋁漿線電阻的排列方式為：鋁漿c＞鋁漿b＞鋁漿a。雖然鋁漿在燒結過程中會因硅原子進入使其線電阻增加，但由此反應造成的主柵線處鋁漿線電阻升高的顯著性低于因鋁粉活性高引起的鋁漿線電阻的降低程度。

2.3 鋁粉活性對鋁硅接觸電阻的影響

在燒結升溫過程中，鋁和硅熔融成液體后會相互擴散[4-5]，當達到峰值溫度800 ℃時，硅在鋁中的溶解度為27%；燒結降溫過程中，硅外延生長形成p-p+內建電場——BSF[6]，同時形成鋁硅合金，并在577 ℃達到共晶點，此時硅在鋁中的溶解度約為12%[7-8]。由于鋁漿燒結后的降溫速率較快，形成的鋁硅合金中硅的含量一般高于最低的固溶比例(12%)。燒結后雙面PERC太陽電池剖面結構的SEM圖如圖8所示。

圖8 燒結后雙面PERC太陽電池剖面結構的SEM圖Fig. 8 SEM image of crass-sectional structure of bifacial PERC solar cell after sintering

從圖8可以看出，該剖面結構自下而上依次為BSF層、鋁硅合金層和鋁膜層，光生載流子由鋁硅合金層傳導至鋁膜層。

利用能譜儀(EDS)對雙面PERC太陽電池鋁硅合金層中的元素含量進行分析，分析結果如表1所示。

表1 雙面PERC太陽電池鋁硅合金層中的元素含量占比Table 1 Proportion of element content on Al-Si alloy layer of bifacial PERC solar cell

從表1可以看出，在太陽電池A中，鋁漿a形成的鋁硅合金層中鋁元素的含量最高、硅元素的含量最低；在太陽電池B中，鋁漿c形成的鋁硅合金層中鋁元素的含量最低、硅元素的含量最高。在鋁硅合金層中，鋁元素的含量越高、硅元素的含量越低，合金層的導電性越好，接觸電阻越低；反之則接觸電阻越高，因此由鋁漿a、b、c這3種鋁漿制成的雙面PERC太陽電池的鋁硅合金層的接觸電阻大小依為太陽電池A＜太陽電池B＜太陽電池C。

根據鋁漿的線電阻大小順序，可以得出鋁漿的鋁硅接觸電阻的大小順序為鋁漿a＜鋁漿b＜鋁漿c。下文通過鋁硅接觸電阻率和接觸面積測試來驗證這一結論。

將雙面PERC太陽電池切割成寬度為1 cm的測試樣品條，以實現電學隔離，從而用于測試鋁漿的接觸電阻率。試樣的制備圖如圖9所示[9]。

圖9 鋁硅接觸電阻率測試時的試樣制備圖Fig. 9 Sample preparation diagram for Al paste contact resistivity test

從3類太陽電池試樣中，每類取5片，每片各取3個測試條進行鋁漿接觸電阻率測試，測試結果如圖10所示。從圖10可以看出，3類太陽電池試樣中，鋁硅接觸電阻率范圍分別為11.5～13.2、14.8～17.0、16.9～18.7 mΩ·cm2，由此可知，鋁硅接觸電阻率大小依次為鋁漿a＜鋁漿b＜鋁漿c。

圖10 不同太陽電池的鋁硅接觸電阻率測試結果Fig. 10 Al-Si contact resistivity test results for different solar cells

分別從3類太陽電池A、B、C中各選取5片太陽電池，每片太陽電池選擇5個點，利用FlexSEM1000分別測試這5個點的激光槽寬度，然后取平均值，用于鋁漿燒結后的接觸面積測試。測試結果如圖11所示。

圖11 3類太陽電池的激光線槽寬度Fig. 11 Corrosion width of aluminum paste after sintering

從圖11中可以看出，太陽電池A、B、C的激光線槽的寬度分別為54.28～55.48、52.38～53.72、50.14～51.38 μm，均值分別為54.73、52.98、50.71 μm，這也意味著鋁硅接觸面積大小位次為鋁漿a＞鋁漿b＞鋁漿c。這是因為鋁漿a的鋁粉活性最高，在相同的燒結反應時間內，其更容易與硅發生反應并形成更多的鋁硅合金；同時，鋁漿的反應活性高會腐蝕更多的鈍化膜，因此會形成更大的激光開槽區域，鋁硅間的接觸面積最大。同理，鋁漿c的活性最低，與硅發生的反應最少，形成的接觸面積也最小。接觸面積越大，接觸電阻率就越小，相應的接觸電阻也就越小。

2.4 鋁粉活性對太陽電池Voc的影響

影響Voc的因素主要包括鈍化膜被腐蝕的程度和形成的BSF層的質量。鈍化膜被腐蝕的程度可由激光線槽的寬度表征，線槽越寬，表明鈍化膜被腐蝕的越嚴重，3類太陽電池的鈍化膜被腐蝕程度依次為太陽電池A＞太陽電池B＞太陽電池C。

BSF層的質量包括BSF層的厚度和摻雜濃度。利用WEP-CVP21擴散濃度測試儀分別測試了3種鋁漿在p型硅片上燒結后的摻雜濃度曲線，測試結果如圖12所示。

圖12 3種鋁漿在p型硅片上燒結后的摻雜濃度曲線Fig. 12 Doping concentration curve of three Al pastes sinteried on p type silicon wafers

從圖12可以看出，最高摻雜濃度為2.4×1019～2.6×1019cm3，摻雜濃度隨摻雜深度的增大而逐漸下降，這3種鋁漿的摻雜濃度并無顯著差異，可見，在此實驗中鋁粉活性未對鋁漿燒結后的摻雜濃度產生影響。

分別從3類太陽電池A、B、C中各選取5片太陽電池，利用FlexSEM 1000測試鋁漿在太陽電池中形成的BSF層的厚度，測試結果如圖13所示。從圖13中可以看出，太陽電池A、B、C中鋁漿形成的BSF層的平均厚度分別為5.18、4.87、4.64 μm，由此可知，鋁漿a形成的BSF層最厚。在摻雜濃度無明顯差別的情況下，BSF層越厚，p-p+結內建電場的電勢差越大，越有利于電子空穴向電極分離和收集，同時可降低串聯電阻中的體電阻和鋁硅接觸電阻，對太陽電池的Voc越有利。

圖13 3類太陽電池中的BSF層厚度Fig. 13 Thickness of BSF layer in three types of solar cell

利用Suns-Voc分別測試了采用本文鋁漿的太陽電池A、B、C及采用商用鋁漿制備的同類太陽電池的開路電壓Voc，測試結果如表2所示。從表2可以看出，太陽電池A、B、C的Voc均值分別是690.152、690.478、690.774 mV，表現出太陽電池C＞太陽電池B＞太陽電池A的趨勢，并且太陽電池B、C的Voc均高于采用商用鋁漿的太陽電池。

表2 太陽電池A、B、C與采用商用鋁漿的太陽電池的Voc測試結果Table 2 Vco test results of solar cells A，B，C and solar cells using commercial Al paste

綜上可知，Voc的測試結果與BSF層厚度的測試結果并不一致，這主要是因為：BSF層的厚度能增加Voc，而對鈍化膜的破壞又會降低Voc，這2種因素共同影響Voc。本實驗表明，鋁粉活性高的鋁漿形成的BSF層雖然較厚但其對鈍化膜的破壞程度更大；鋁粉活性低的鋁漿形成的BSF層雖然較薄但其對鈍化膜的破壞程度小。實驗結果顯示：BSF層厚度為太陽電池A＞太陽電池B＞太陽電池C，而對鈍化膜的破壞程度為太陽電池A＞太陽電池B＞太陽電池C。由于鈍化膜被破壞程度產生的影響大于BSF層厚度產生的影響，最終Voc測試結果為太陽電池C＞太陽電池B＞太陽電池A，采用鋁粉活性低的鋁漿的太陽電池的Voc更高。

3 結論

本文通過對鋁漿的方阻、線阻、鋁硅接觸電阻率，以及太陽電池的Voc進行測試，對比了不同活性鋁粉對鋁漿性能的影響，并利用WEPCVP21擴散濃度測試儀進行鋁漿摻雜濃度測試，得到以下結論：

1)鋁粉的活性越高，鋁硅接觸電阻和線電阻越小。

2)鋁漿的鋁硅接觸電阻和線電阻與太陽電池的串聯電阻的變化趨勢一致，即在其他材料工藝參數不變的情況下，鋁漿的鋁硅接觸電阻和線電阻越小，太陽電池的串聯電阻越小。

3)在本文研究的鋁粉活性范圍內，采用活性較低的鋁粉時太陽電池具有較高的Voc，但并非鋁粉活性越低，太陽電池的Voc就一定越高。這因為當鋁粉活性過低時會影響到BSF層的濃度和厚度，而BSF層也是鋁漿影響Voc的重要因素。