Al2 O3背鈍化太陽電池量產工藝研究

中電投西安太陽能電力有限公司 ■ 董鵬 陳璐 吳翔

0 引言

太陽能光伏發電隨著其轉換效率的不斷提升得到越來越廣泛的應用，晶體硅太陽電池的應用與發展一直是太陽能發電的主要發展方向。隨著晶體硅太陽電池技術的不斷提高，傳統結構的單晶硅太陽電池的量產轉換效率已達19.2%，多晶硅太陽電池量產轉換效率已達17.8%。傳統結構電池效率已沒有太大的提升空間，電池效率的提升必須依靠新型結構的晶體硅太陽電池發展。目前的新結構電池主要有PERC電池、PERL電池、IBC電池、MWT電池、EWT電池及HIT電池等。

在目前已有的硅基體高效電池技術中，由于Al2O3背鈍化太陽電池(PERC電池)將提升電池效率的工藝移至電池背面，因此其與其他的高效電池技術及新的提高電池效率的制造工藝有非常好的兼容性。Al2O3背鈍化技術可與其他高效技術同時整合在硅太陽電池中。因此，目前Al2O3背鈍化太陽電池技術在所有高效電池技術中是最有可能被工業化推廣的技術，研究其量產工藝對Al2O3背鈍化電池的大規模生產具有非常好的指導性作用[1-3]。

1 Al2O3背鈍化太陽電池的結構與原理

Al2O3背鈍化電池與常規電池結構的不同之處在于其在電池硅片背面鍍有一層Al2O3薄膜，在Al2O3薄膜上又覆蓋有一層SiNx薄膜，然后用激光在硅片背面進行打孔或開槽，將部分Al2O3與SiNx薄膜層打穿露出硅基體，背電場通過薄膜上的孔或槽與硅基體實現接觸[4]。

由于Al2O3/Si接觸面具有較高固定負電荷密度，通過屏蔽p型硅表面的少子電子而表現出顯著的場效應鈍化特性，使得硅片背面的鈍化效果較傳統的鋁背場鈍化技術有較大的提高[5]。研究表明，使用Al2O3作為鈍化層可使硅片表面符合速率降低至102cm/s數量級。

有效少子壽命與表面復合有如下關系：

式中：τeff為有效少子壽命；τb為體壽命；S為材料表面復合速度；L為材料厚度。

由式(1)可知，τeff隨表面復合速度增大而減小。因此背鈍化電池有較高的有效少子壽命，進而有較高的開路電壓與短路電流。

2 Al2O3背鈍化太陽電池的量產工藝

Al2O3背鈍化電池的工藝步驟為：制絨→擴散→刻蝕→拋光→鍍Al2O3→鍍背面SiNx→鍍正面SiNx→激光開槽→絲網印刷→燒結→測試。

Al2O3背鈍化電池與傳統電池在工藝步驟上的區別主要在于多出4道工藝步驟，分別為：拋光、背面鍍Al2O3、背面鍍SiNx及背面激光開槽，其余工藝步驟均與常規電池產線相同。

3 實驗

按照上述步驟進行Al2O3背鈍化電池的生產線實驗，實驗采用單晶156 mm×156 mm、φ200 mm硅片。實驗中常規工藝采用生產線大規模正常的生產工藝進行。實驗在不同時間共重復進行3次，以排除實驗過程中的偶然因素。

4 實驗結果對比分析

通過3次重復實驗，背鈍化實驗片的電性能參數特征基本相同，表現為Voc低、Isc低、Rs偏高。其效率平均值只有18.21%，與背鈍化電池應有的效率偏差較大。

通過對實驗片及實驗過程進行分析，總結出對電池效率影響的原因主要有：

表1 正常背鈍化電池效率與傳統電池效率對比

表2 3次背鈍化電池實驗數據

1)背鈍化電池使用的硅片電阻率應比傳統工藝電池片使用的硅片電阻率小，一般為1～1.5 Ω·cm。由于背鈍化電池背面只有激光開槽處能夠與背場進行接觸，導致其背場接觸電阻較傳統工藝電池偏大，因此，需選用電阻率略低的硅片才能確保最終電池片的串聯電阻不會過大。

2) 良好的背拋光工藝可明顯提升電池片的短路電流。硅片背拋光后，利用鏡面反射原理，光的背面反射率增加，透射損失減小，從而增加了輸出電流。同時由于拋光后背面的比表面積較少，使得背表面復合速率減小，硅片少子壽命顯著提升。

圖2 硅片拋光前后透射率比較

圖3 硅片拋光前后少子壽命比較

目前，一般將硅片背面的腐蝕深度控制在2 μm，以便達到較好的拋光效果。

3)硅片在拋光過后應在最短的時間內完成Al2O3鍍膜工藝，如果停留時間過長，硅片在鍍膜前表面受到污染，則做成電池片后會導致Voc與Isc偏低。

4)激光開槽工藝只需將硅片背面的SiNx薄膜與Al2O3薄膜劃開露出硅襯底即可，防止由于硅基體被激光劃開后引起的損傷造成少子壽命降低[6]。皮秒激光器開槽對硅片的損傷好于納秒激光器，納秒激光開膜過程中會有較多的殘渣，皮秒激光則不會有此問題。

圖4 納秒激光器與皮秒激光器打孔效果比較

5) 背鈍化電池背電場鋁漿對開槽處的填充無法達到100%，目前的鋁背場填充率達到80%即認為鋁背場填充正常。影響鋁背場填充的主要因素有：激光開槽工藝的好壞，開槽處SiNx薄膜與Al2O3薄膜去除的好壞將直接影響鋁漿的填充情況；燒結工藝，降低電池的燒結溫度和冷卻速度可降低空洞率；背場鋁漿的選擇，應選用專門為背鈍化電池研制的專用漿料；鋁背場印刷對鋁漿填充情況無明顯影響，鋁漿填充空洞主要是在燒結時硅鋁合金冷卻過程形成的。

圖5 激光刻槽效果對比圖

圖6 鋁背場填充效果

圖7 鋁背場填充正常與未填充比較

5 總結

通過在工業生產線上進行Al2O3背鈍化電池的試制，并對其最終結果進行分析?？偨Y出在大規模生產線上會對電池最終結果產生明顯影響的工藝因素：硅片電阻率的選擇、背表面拋光的狀態、硅片制程時間的控制、激光開槽工藝，以及激光器種類的選擇、合適的燒結工藝及鋁背場漿料選擇，都會對電池片最終效率產生明顯的影響。

感謝：

本次實驗的完成得到了中電投西安太陽能電力有限公司技術工藝中心的大力支持，在此對中電投西安太陽能電力有限公司技術工藝中心的各位工程師表示衷心的感謝。

[1] 管紹茂, 王 迅. 半導體表面鈍化技術及應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 1981.

[2] 陳庭金, 劉祖明, 徐潔磊. 多晶硅太陽電池的表面和界面復合[J]. 太陽能學報, 2000, 21(2): 133 – 139.

[3] 闕端麟. 硅材料科學與技術[M]. 杭州: 浙江大學出版社,2000.

[4] 陶路平, 陳達明, 洪瑞江. 背面點接觸結構在晶體硅太陽電池中的應用[J]. 材料導報, 2011, 25(13): 124 – 129.

[5] Arm N G. Aberle cristalline silicon solar cells advanced surface passivation and analysis[M]. Printed by bloxham and chambers pty Ltd, 1 Leeds Street, Rhodes NSW2138, Austrlia.

[6] Brendle W，Nguyen V X, Grohe A，et a1．20.5% effi cient silicon solar cell with a low temperature rear side process using laser-fired contact [J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2006, 14 (7): 653 – 662.