一種基于傳統工藝的晶硅電池提效方案研究

國家電投集團西安太陽能電力有限公司 劉軍保 李躍恒

從擴散、燒結和絲網印刷圖形三方面對晶硅電池的電性能參數的影響進行研究，通過實驗分析得出提升晶硅電池效率的工藝方向。通過柵線圖形線寬不細化來避免印刷質量問題的困擾，最終通過優化擴散和燒結工藝匹配網版圖形密化設計的工藝方案制備具有低表面濃度和高印刷質量的晶體硅光伏電池。在標準測試條件下測試，該方案制備的晶硅電池片開路電壓Uoc和短路電流Isc分別獲得了1mV和50mA的提升，光伏電池的效率提升0.15%以上。

引言：隨著無網結和二次印刷等網版印刷技術的推廣應用，柵線進一步細化的空間已經越來越小，對電池片印刷質量的要求也在不斷的提高，在這種情況下，通過柵線細化提升晶硅電池的轉換效率會越來越困難，本文通過對電池端的工藝進行分析，在柵線寬度不變的前提下，確定了一套涉及擴散、絲網印刷和燒結工藝的前后匹配方案，并通過實驗驗證確定，最終獲得了晶硅電池轉換效率的提升，為以后進行相關的試驗和實際應用提供一些參考。

晶硅太陽能電池通過絲網印刷技術在電池的正面印刷絲網圖形，印刷技術已經非常成熟。通過對絲網印刷圖形，包括對細柵線和主柵線的優化，以提高電池效率、降低成本，是最終實現平價上網的重要方式。絲網印刷技術已經非常成熟，特別是隨著無網結網版技術的發展。雖然網版圖形的柵線細化已經走在前面，但正電極銀漿的印刷質量限制著印刷圖形的繼續細化。正電極銀漿的開發需要時間，從實驗室研發到量產的時間段，決定了正電極銀漿對柵線細化的貢獻是臺階式進步的。然而，光伏太陽能的市場的總是倒逼著電池技術的不斷進步，這也是光伏太陽能走上成熟的過程。電池技術停滯不前，以后的日子將會越來越難過。PN結形成以后，載流子傳輸到電池表面，再橫向傳輸到正面柵線的過程，也是一個載流子復合的過程。硅晶體的禁帶寬度Eg為1.2eV，載流子的壽命是有限的，載流子一邊擴散、一邊復合所能夠走過的平均距離即為擴散長度，擴散長度越大，太陽能電池的量子效率和轉換效率也就越高，它是反映半導體材料質量很重要的一個參數。硅晶體的禁帶寬度是固定的，而從電池片表面傳輸到正面柵線的過程是載流子從電池片到外部輸出的最后一站，降低這一段的載流子復合是提高電池效率的重要手段。降低這一段的復合，我們確定了兩個方向，一個是降低電池片表面的摻雜濃度，也即需要改變擴散過程中的工藝參數；另一個是降低這一段的傳輸距離，這需要對正面柵線圖形進行改變，也即增加細柵線的根數。今后，在如何開發新技術以得到低價格、高效率的晶硅太陽能電池，早日實現綠色能源的普及，晶硅太陽能電池的工藝優化等方面還有許多工作可做。

1.實驗方案設計

1.1 擴散工藝優化

擴散層結深和濃度是影響電池核心部件PN結質量的決定性因素，一個適合實際電池生產需求的擴散工藝需要恰當的擴散結深和濃度，表面雜質濃度過高會導致擴散區能帶收縮、缺陷增加、“死層”明顯，低摻雜雖然死層小，但會導致表面接觸變差，引起串聯電阻增加。顧此失彼，都無法獲得最佳的電池轉換效率。

為了確定合適的擴散工藝。本文選擇不改變通入三氯氧磷的流量及時間，即不改變擴散的總摻雜量的情況下，通過改變有氧高溫推進的溫度和時間，實現對擴散表面濃度和結深的調整，提升方塊電阻，獲得如圖1中實線2的ECV曲線效果圖，最終實現電性能參數的提升。

圖1 擴散優化預期ECV曲線效果圖

1.2 印刷圖形優化

絲網印刷正面柵線起到與硅形成良好的歐姆接觸，收集電子、空穴并導出到外電路的作用，所以為了提高歐姆接觸和電子傳輸能力，需要進行必要的柵線細化和根數增加，也即金屬化柵線的細化和密化，在減小柵線寬度的同時增加柵線橫截面積，降低正面柵線遮光面積和提升正面銀漿接觸性能。

然而隨著無網結和二次印刷等網版印刷技術的應用，柵線進一步變細的空間已經越來越小，圖2為ITRPV2017年對于正面柵線寬度的細化趨勢預測，從中可以看出，柵線的細化趨勢會變緩，細化的幅度會變小，因此本實驗在保持柵線寬度不變的前提下，通過增加柵線的根數提高電流收集能力，提高金屬化柵線接觸橫截面積，最終實現電性能參數的提升。

1.3 燒結工藝優化

燒結的目的是干燥硅片上的漿料，燃盡漿料的有機組分，使漿料和硅片形成良好的歐姆接觸。雖然高溫在晶硅電池的制作過程中普遍存在，但在燒結工序，在極短時間內使硅片達到共晶溫度，才能減少高溫對硅片的損傷。

滿足燒結需求的情況下，為了提升晶硅電池的轉換效率，需要盡量降低高溫對晶硅電池的損傷。所以本實驗通過降低燒結爐的最高溫度，增加燒結爐的帶速，因此需要使用更低軟化溫度的正銀漿料，對比不同軟化溫度正銀對Rs和Eff的影響，本實驗在保持良好歐姆接觸的同時，通過減少硅片在高溫中的時間，最終實現電性能參數的提升。

2.實驗過程驗證

2.1 實驗準備

采用P型單晶硅片作為襯底，面積為156.75 mmX156 .75mm，厚度為200±20nm，使用Tempress擴散和ASYS印刷設備。

2.2 實驗方法

采用匹配疊加實驗方案，即通過增加絲網印刷網版圖形的細柵線根數，同步調整燒結爐的燒結溫度和時間，通過精確對比確定印刷圖形和燒結爐的參數優化幅度；在確定后道工序參數的基礎下，以相同方式匹配疊加擴散優化工藝。擴散優化工藝是在不改變通入磷源總量的情況下，通過改變低溫、高溫推進的時間和溫度，提高方塊電阻。

2.3 實驗數據

以下數據是持續精確對比試驗中的代表性數據。

表1的對比數據中，實驗組-A組是采用網版圖形和燒結優化后工藝的電性能參數，對比組-B組是采用網版圖形和燒結優化前工藝的電性能參數。

表1 印刷燒結優化實驗

表2的對比數據中，實驗組-A組是采用擴散、網版圖形和燒結優化后工藝的電性能參數，對比組-B組是采用擴散、網版圖形和燒結優化前工藝的電性能參數。

表2 印刷燒結擴散優化實驗

2.4 實驗結果

通過后道工序的優化，實現效率提升0.1%以上，疊加前道擴散工藝的優化，累計實現0.15%的效率提升。效率提升主要來源于開路電壓和短路電流的提升，電性能參數的變化符合實驗的預期。

3.結論

本文從影響晶體硅電池轉換效率的主要因素進行研究，分別從擴散、燒結和絲網印刷圖形三方面著手。通過擴散和燒結工藝與絲網印刷網版圖形的優化搭配，分析得出一種提升晶體硅太陽能電池的工藝方案。實驗表明通過優化擴散和燒結工藝匹配網版圖形密化設計的工藝方案，制備的具有低表面濃度和高印刷質量的晶體硅光伏電池, 開路電壓Uoc和短路電流Isc分別獲得了1mV和50mA的提升，光伏電池的效率提升0.15%以上，目前該方式制備的電池從生產可靠性、成本和效率方面都具備優勢。