背處理對背鈍化晶體硅太陽電池性能的影響

■ 錢洪強 席曦 喬琦 陳麗萍 葛劍 吳文娟 陳如龍 楊健 朱景兵 施正榮 李果華

（1.江南大學理學院；2.無錫尚德太陽能電力有限公司）

0 引言

光伏行業雖然是新型綠色產業，但由于受到現國內生產過剩和無序競爭，以及各種“雙反”和削減補貼等影響，光伏企業的生存壓力增大。在此背景下，如何降低生產成本和提高太陽電池效率是企業最重視的兩個方面。不管是為了降低成本減薄硅片，還是高效電池如PERC(passivated emitter and rear cell)和PERL電池(passivated emitter and rear locally diffused)，都需通過背處理結合背鈍化來提高電池對長波段的反射和再吸收利用。

本文采用生產所使用的p型CZ單晶硅片進行實驗，并采用大規模應用的Roth&Rau平板PECVD沉積正反兩面鈍化減反膜(SiNx)。SiNx膜是目前太陽電池最常用的鈍化減反膜，Schmidt J 等人使用HF-PECVD沉積SiNx在1 Ω·cm的SiNx型硅片上得到低于10 cm/s的復合速率[1]。由于SiNx膜固有正束縛電荷(約1×1012cm-2)[2]，在p型硅片背表面會形成反型層而造成電池的寄生電容效應[3]，因此本文使用含有固定負束縛電荷的AlOx(電荷密度在1012～1013 cm-2)鈍化膜來消除該負面影響[4-7]。

本文首先使用PC1D模擬研究不同背反射對電池電性能參數的影響，在此基礎上理論和實驗分析堿性和酸性背面處理的差異，以及背處理對晶體硅太陽電池性能的影響。

1 PC1D模擬

采用常用的PC1D模擬軟件進行電池理論模擬，其中，設定面積1 cm2、標準絨面結構(絨面大小在3 μm)、表面沉積厚80 nm、折射率為2的減反膜，本體p型硅片(電阻率1.5 Ω·cm，體少子壽命150 μs)，擴散方塊電阻85 Ω/□，結深控制在0.3 μm，固定電池正反面復合速率1000 cm/s的情況下進行模擬。不同背面反射率情況下，電池表征出來的短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Uoc)的變化情況如圖1、2所示。

從模擬仿真結果看，背面反射率越高，電池的Jsc和Uoc就越高，綜合而言，電池的轉換效率應隨著背面反射率的提高而增大。因此，提高背面反射率，進行背處理是制備高效太陽電池的關鍵工藝點之一。

2 實驗與討論

從以上PC1D的模擬可看出，對于如何提高電池背面反射率對太陽電池的電性能改善也尤為重要。采用常規p型CZ硅片，厚度200±20 μm，電阻率1～3Ω·cm，硅片尺寸156 mm×200 mm，經過正常制絨和清洗后進行后續實驗。

2.1 酸性背處理和堿性背處理的比較

對制絨清洗后的硅片分別進行酸性背面處理(HNO3:HF:H2O=6:1:1)和堿性背面處理(NaOH 10 wt% 80 ℃)。酸處理采用水平鏈式腐蝕設備，背面腐蝕約5 min；堿處理采用恒溫水浴浸泡式處理，時間約5 min。由處理后的形貌(圖3、圖4)可看出，各項同性腐蝕和各項異性腐蝕的差異。但是經過激光顯微鏡掃描測試粗糙度，得出酸處理平均粗糙度為0.6 μm，堿處理平均粗糙度為0.5 μm，相差不大。然后在處理過的硅片正反面上使用PECVD沉積SiNx膜后進行測試反射率。由于入射光波傳輸通過整個電池到達背面，中短波長的光基本全部被吸收，僅剩長波段的光可重新被背面反射回電池內部，因此電池內部背面反射情況可通過正常測試電池反射率曲線中的長波區域來考查，結果如圖5所示。同時在此基礎上，背面印刷鋁漿后再次測試其反射率，結果如圖6所示。

圖3 酸性背面處理后的形貌

圖4 堿性背面處理后的形貌

對比圖5和圖6可知，進行堿性背處理的背面反射率比酸性背處理的略高，這是由于堿性處理比酸性處理后的背面形貌更易趨向鏡面拋光狀態。不過該差距會在背面存在金屬背場后縮小。

經過平整化后的晶體硅電池背面更加平緩，趨向于“鏡面”，這樣在太陽電池金屬化方面會有很大幫助。主要作用是背場印刷的漿料和硅片更加緊密，經過燒結爐共燒時受熱更加均勻，從而形成的合金層均勻性更好。將經過酸處理和堿處理的硅片，在不進行鈍化的基礎上直接印刷全鋁背場，相同條件下進行合金層的考查，從而對比酸、堿處理的差別，如圖7所示。

圖7 不同背處理后的背場合金情況

從圖7可看到，兩種處理結果對于合金層的影響幾乎一樣，沒有太大差別。也就是說，當背面平整度達到一定程度后，合金層的厚度和均勻性都開始趨于穩定。

堿性背面處理過程必須先在制絨清洗后的片子單面鍍較厚的保護膜(實驗中使用SiNx)，然后背面平整化后再設法去除，工藝較為復雜。而且從結果來看，做成電池后兩種方式背處理測試的背面反射率差異很小，故在現有條件狀況下選擇進行酸性背處理。

2.2 酸性背處理程度的比較

對制絨清洗后的硅片進行酸性背處理，分別采用3種方式：背面不處理、酸性背處理1次和酸性背處理3次，然后測試反射率查看背面反射情況。處理3次的總時間約5 min，與之前對比酸堿處理的時間一致。堿處理已經達到鏡面的效果，繼續增加酸處理時間或次數，背面平整度僅是趨于堿處理的效果。而上述已表明5 min的酸堿處理效果差異很小，因此這里對比的酸處理程度的上限設置為5 min。

從圖8和圖9可看出，酸性背面處理次數越多背面就越平整，其背面反射率會越高。

2.3 背面處理對電池性能影響的整體表現

根據實驗確定酸性背面處理程度的情況下使用酸性背處理3次后正面沉積80 nm、折射率為2的SiNx膜，背面沉積AlOx/SiNx疊層膜，AlOx的厚度僅為數納米，疊層膜的總膜厚為240 nm。有無背處理工藝的背鈍化電池的整體電性能情況見表1，QE情況如圖10所示。

表1 有無背處理工藝的背鈍化電池整體電性能情況

由表1和圖10可知，經過背處理后，電池的轉換效率絕對值可提升0.12%以上。開路電壓方面，相對于無背處理的電池而言基本無變化，變化主要來自于電池的短路電流密度。由于背處理后背面的反射率增強，長波段的光經過背反射后重新被電池吸收，光生載流子數量增加，因此電流會得到提升。

3 結論

PC1D模擬可知，較高的背面反射率對太陽電池電性能的改善很有幫助。從模擬計算可知，如果僅背反射率從40%提高到100%的情況下，Jsc提高5.31%，Uoc提高0.22%，短路電流密度的提升為主要貢獻。通過實驗可知，使用堿性背處理的電池背面反射率略高于酸性背處理，但僅限于未經過金屬化前的半成品。堿處理在反射率方面的優勢會在制作電池工藝過程中的印刷鋁背場后被縮小，酸堿處理幾乎無差別。考慮到工藝的復雜程度等方面因素，最終確定使用酸處理背面較為理想。酸處理過程中，酸處理時間越長或次數越多，背面的反射率將越高。但是酸處理最終也只是趨于堿處理的“鏡面”效果。當背面平整度達到一定程度后，背處理的效果會趨于“飽和”，因此本文最終確定了背面酸處理的程度。在此基礎上，正面使用SiNx作為減反膜，背面使用AlOx/SiNx疊層鈍化膜，制備的電池背處理后電池轉換效率絕對值可提高0.1%以上。

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