晶體硅太陽電池光誘導電鍍工藝的研究

西安黃河光伏科技股份有限公司 ■ 孫當民

0 引言

自工業發展以來，人們對能源的追求就從未中斷，而地球上的各種能源均是直接或間接來源于太陽，太陽能發電成為最具發展的研究領域。太陽電池的研制和開發進展神速，其中晶體硅太陽電池制造技術最為成熟，已經實現大規模的生產及應用[1]。近年來，高效晶體硅電池取得巨大成就，使光伏產業在未來發展中的地位和前景更為樂觀。澳大利亞新南威爾士大學光伏器件及研究中心是這一研究領域的佼佼者，他們研制的晶硅太陽電池轉換效率達到24%以上。美國、英國、日本等國的高效電池轉換效率也都超過了20%[2]。這些研究對大幅降低晶硅電池成本有重要意義。

就目前的技術水平而言，傳統的絲網印刷技術細柵線的高寬比難以有效提高，相對此技術，采用種子層加光誘導電鍍(LIP)的方法制備電池正面電極具備的優點為：增大細柵高寬比；減少細柵線電阻率；降低細柵寬度，提高電池受光面積；降低正面電極制作使用銀漿量，達到降低電池生產成本的目的。目前，已有許多國外光伏企業通過電鍍法制造晶硅太陽電池正面電極，取代了常規絲網印刷技術[3]。本文在現有條件下對LIP工藝和絲網印刷技術進行對比研究和探索。

1 實驗流程

1.1 實驗設備和材料

實驗采用156 mm×156 mm規格的p型單晶硅片，電阻率為1～3 Ω·cm，厚約 200±20 μm。制備的印刷網版參數為90線，設計線寬45 μm，網版膜厚16 μm，3條主電極，主電極寬1.5 mm。

1.2 實驗流程

光誘導電鍍工藝太陽電池的工藝流程如下：表面清洗→制絨→擴散濕法刻蝕→PECVD→印刷背電極→印刷背場→印刷正面電極種子層→燒結→LIP→測試。

首先對硅片表面進行堿腐蝕，制絨同時去掉表面損傷層，再進行磷擴散。擴散后，采用濕化學法去除硅片表面的磷硅玻璃，然后采用PECVD技術在正面鍍氮化硅減反射膜。硅片p-n結面鍍80 nm厚的減反射膜，再在非鍍膜面采用絲網印刷技術印刷背電極和背電場，然后在鍍膜面印刷銀漿種子層，進行燒結。最后采用LIP技術在種子層上制備電池電極，并進行轉換效率測試。本實驗在LIP工藝中采用ROHM和HAAS公司生產的ENLIGHT(TM)620和621電鍍銀溶液， 按照1:2的體積配比。電鍍設備采用德國RENA公司的電鍍銀工藝設備，該設備采用飛利浦LED光源進行光誘導電鍍工藝。此次電鍍銀重量控制在0.02 g，種子層銀漿濕重使用量控制在0.06 g，而采用普通的絲網印刷工藝正面電極銀漿使用量為0.13 g。

2 結果和分析

2.1 LIP技術和絲網印刷技術柵線形貌分析

在絲網印刷工藝中我們設計了45 μm線寬的網版，經過印刷燒結后柵線寬度在100～110 μm。在LIP技術中種子層采用40 μm線寬的網版，由于控制了印刷過程中銀漿使用量，使柵線塌陷寬度降低，燒結后柵線寬度在75～80 μm，LIP工藝以后總體柵線寬度在85～90 μm。從電鍍前后柵線的擴展情況來看，電鍍的銀較好地集聚在種子層上，沒有引起過多外延，且有效降低電池表面遮光率。

圖1為金相顯微鏡測試的絲網印刷技術和LIP技術制備的電極形貌。從圖1可看出，絲網印刷電極周邊有很多毛刺，不是很光滑整齊，而且電極表面有一些細小的空洞，顯得表面很是疏松。這些現象都會造成電極收集光生電流的能力下降，降低電池的轉換效率。經過LIP技術后，電極表面的空洞被電鍍的銀離子填充充實，邊緣的毛刺也被修復平滑，提升了電極的致密性，降低了電極的電阻率，有助于提升電池的光電轉換效率。

圖1 絲網印刷和LIP電極形貌對比

2.2 LIP技術和絲網印刷技術電池光致成像分析

電池生產過程中，通常借助光致成像(PL)分析電池的各項性能[4]。此試驗采用PL圖像分析絲網印刷技術和LIP技術制備的晶硅太陽電池柵線印刷導電能力。測得的PL分析圖像如圖2所示。

由圖2可知，絲網印刷技術在細柵線印刷過程中容易造成斷柵現象，如圖2a中①和②所示，柵線處細微的斷裂就使整個柵線喪失了將收集的光生電流導出的能力。在生產過程中細微的斷柵很難用肉眼分辨，只有通過儀器檢測，所以在生產過程中很難杜絕此現象。

圖2 絲網印刷電池和LIP電池光致成像圖

如圖2b所示，LIP技術制備的電池PL圖像中，斷柵現象明顯減少。這主要是由于在印刷種子層造成的斷柵在LIP技術中，銀離子對0.5 mm以內的斷柵進行了一定的修復。電鍍工藝使其原來斷柵部位之間相互連接，形成了良好的導電性能，提高了光生電流收集并導出的能力。因此，LIP技術對絲網印刷技術中的斷柵有較好地修復能力，從而降低生產中的電池印刷不良率，同時也提高電池的短路電流。

2.3 LIP技術對電池電性能的影響

電極主要用來收集電池p-n結在光照條件下產生的光生電流。而在實際情況中，由于正面電極附著在電池的正面，因此在受光照情況下，電池表面會有一部分光被正電極遮蔽掉[5]。同時，由于正電極柵線很細，導致截面積較小，電阻率會增大，因此，在電極制作中要求將電極制作的又高又細，通常采用高寬比來衡量[6]。

表1 絲網印刷技術和LIP技術制備電池電性能參數比較

經過測試，絲網印刷技術和LIP技術制備的電池電性能參數見表1。從表1可知，LIP技術使電池的Isc、FF均有一定幅度的提升。其中，Isc提升了0.06 A，FF提升了0.84%；并且LIP技術改善了電池的串聯電阻Rs，使其降低了0.21 mΩ，總體電池轉換效率提升了0.35%。由于LIP技術電池表面柵線的致密性得到了提升，并改善了正面電極的導電性能，還提高了正面電極收集光生電流的能力，所以LIP技術對電池的各項電性能參數有較好地提升。

3 結論

本文研究了LIP技術制備晶硅太陽電池正面銀電極的方法，通過絲網印刷銀漿作為該電極種子層然后進行電鍍。通過金相顯微鏡對樣品表面柵線形貌進行分析，比較LIP技術和絲網印刷技術制備的細柵寬度和致密性的差別，以及光致成像(PL)圖像分析LIP技術對電池印刷過程中斷柵的修復能力。結果表明：LIP技術能使銀漿使用量降低0.05 g，比絲網印刷技術銀漿使用成本降低38%；電池轉換效率提升0.35%，達到了19.03%。

[1]Green M A,Chong C M, F Zhang, et al. Conference Record[A].20thIEEE Photovoltaic Specialists Conference[C], Las Vegas，September, 1988(IEEE, New York, 1988).

[2]朱嶶樺. 晶體硅太陽電池電極研究[D]. 廣州:中山大學, 2010.

[3]Glun S W, Aleman M, Bartsch J, et al. Progress in advanced metallization technology at fraunhofer ISE[A]. 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference[C], San Diego, USA, 2008.

[4]Glun S W, Mette A, Aleman M, et al. New concepts for the front side metallization of silicon solar cells[A]. Proceeding of 21st EU PVSEC, Dresden, Germany,2006.

[5]Tamaki Y, Isomae S, Sagara K, et al. J. Electrochem.Sco. [J]135, 726(1988), 67.

[6]Coello J, Castro M, Antón I, et al. Conversion of commercial Si solar cells to keep their effi cient performance at 15 Suns [J].Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2004, 12(5):323-331.