雙面PERC單晶硅太陽電池工藝研究

湖南紅太陽光電科技有限公司 ■ 周小榮 謝湘洲 劉文峰 周子游 蔡先武

0 引言

目前，鈍化發射極背面接觸(Passivated Emitter Rear contact，PERC)技術已在晶體硅太陽電池領域批量使用，可商業化生產的PERC 太陽電池效率約在21.5%[1]。據中國光伏產業協會(CPIA)統計，2018年我國PERC 太陽電池產能將超過87.2 GW 。而隨著光伏“領跑者”項目的實施，對高效太陽電池的需求量加大，傳統的300 W 和305 W 光伏組件(60 片)已不能滿足市場需求，市場需要315 W 及更高功率的光伏組件。而當前傳統的PERC 太陽電池的提效空間已不大，難有進一步突破[3]。因此，為了滿足市場對高功率組件的需求，雙面PERC 太陽電池應運而生。

雙面PERC 太陽電池(也稱PERC+太陽電池)的結構示意圖如圖1a 所示，其背面采用鋁柵線結構，代替常規的單面PERC 太陽電池(圖1b)的全鋁背場結構。雙面PERC 太陽電池正、背面均可受光發電[4]，其背面可收集10%～30%[5]的太陽光，每W 組件發電量可增加20%[6]，每W度電成本可降低7%～10%[7]。由于雙面PERC 技術與現有PERC 產線的兼容度較高，適合大規模量產，是后PERC 時代降本提效的熱門技術。

圖1 雙面與單面PERC 太陽電池的結構示意圖

1 實驗過程與測試

1.1 實驗主設備與儀器

本實驗基于單面PERC 太陽電池產線，調整局部工藝生產雙面PERC 太陽電池。實驗所用主設備和儀器型號如表1所示。

表1 實驗所用主設備與儀器型號表

1.2 實驗設計

設計原則：在保證雙面PERC 太陽電池正面效率無損失或損失較小的前提下，盡可能提高其背面效率。

實驗主要探討背面反射率、背面鋁柵線間距和寬度對雙面PERC 太陽電池電性能的影響。基于前期大量的梯度實驗結果和現有設備的精度范圍，來確定適合當前實驗的最佳工藝范圍。

實驗參數：激光開膜窗口圖形為直線型，開窗寬度為40 μm，激光頻率為20 kHz，激光功率介于14～16 W；其余工藝參數均與單面PERC 太陽電池相同。實驗共分為3 組，設計方案如表2所示。

表2 實驗設計方案

1.3 實驗結果測試

運用二次元檢測儀來分析背面鋁柵線與激光圖形的對位偏移情況；運用D8 積分式反射儀測試背面拋光后的背面反射率；通過分選測試儀測試雙面PERC 太陽電池正、背面效率。

由于雙面PERC 太陽電池正、背面均能接收太陽光，因此，測試其中一面的效率時需要對機臺進行黑布處理，以保證測試結果的準確性。

2 實驗結果與分析

2.1 不同背面反射率對雙面PERC太陽電池電性能的影響

根據前期雙面PERC 太陽電池工藝調試結果和現有單面PERC 太陽電池(經背面拋光后)的背面反射率，選取背面反射率為20%、25%、28%的雙面PERC 太陽電池，電性能數據如表3所示。

表3 不同背面反射率對雙面PERC 太陽電池電性能的影響

由表3可知，雙面PERC 太陽電池的背面反射率越低，其背面效率就相對越高，但正面效率的趨勢卻相反。這與理論情況相符，背面反射率越低，其背面吸光性就越好，背面短路電流就越高，則背面效率就高；但對于正面效率而言，背面反射率降低，正面入射光光子反射路程變短，光吸收變差，短路電流下降較快。因此，不能只考慮背面效率，背面反射率選取太低會浪費電池的正面效率。

后續優化的調控目標是在保證背面微觀平整度的同時，通過調整 HF/HNO3的濃度配比適當降低雙面PERC 太陽電池的背面反射率。

綜上所述，選擇背面反射率為28%的雙面PERC 太陽電池。

2.2 背面鋁柵線間距對雙面PERC太陽電池電性能的影響

背面鋁柵線間距主要影響電池背面的受光面積和橫向傳輸電阻，因此需要權衡二者的影響。實驗選取了鋁柵線間距為0.8、1.0 和1.35 mm 的雙面PERC 太陽電池，其電性能數據如表4所示。

表4 不同鋁柵線間距對雙面PERC 太陽電池電性能的影響

由表4可知，背面鋁柵線間距越大，背面受光面積就越大，背面效率就越高。但由于背面鋁柵線距離的加大，使得收集電子時電子的橫向傳輸電阻就越大，Rs相應增加，使電池正面的FF降低，從而使電池正面效率降低。通過前期梯度實驗對比分析，當背面鋁柵線間距為 1.0 mm 時，雙面PERC 太陽電池可獲得較好的正面效率和背面效率，過寬或過窄的鋁柵線間距都不利于其綜合電性能的提高。

2.3 背面鋁柵線寬度對雙面PERC太陽電池電性能的影響

根據太陽電池基礎原理和工藝設計方案等相關理論，背面鋁柵線寬度設計需要滿足2 個條件：鋁柵線寬度能與激光開膜窗口圖形精確對位；背面鋁柵線設計需保證電池背面有良好的受光面積，以保證背面效率。

2.3.1 與激光開膜窗口圖形精確對位

因絲網印刷定位系統存在精度誤差，所以激光開膜窗口圖形也會出現畸變。圖2為背面鋁柵線與激光開膜窗口圖形的對位效果圖，圖中灰色粗線為太陽電池背面印刷的鋁柵線，底層紫白色細線為激光開膜窗口的直線。

從圖2可以看出，底層紫白色細線并未與灰色粗線完全居中對應，存在偏移；鋁柵線寬度越窄，偏移的風險就越大。當鋁柵線未印在激光開膜窗口線處時，就不能形成較好質量的局域鋁背面場(LBSF)；且因為鋁漿的特性決定了其不能穿透SiNx:H 膜和AlOx膜，鋁柵線與激光開膜窗口圖形對位不準，造成電池邊角EL 圖形出現發黑現象，影響了雙面PERC 太陽電池效率，如圖3所示。前期實驗結果發現，當鋁柵線寬度小于150 μm，對位偏移的風險變大。

圖2 背面鋁柵線與激光開膜窗口圖形對位圖

圖3 因對位不準導致的EL 發黑圖像

2.3.2 保證背面有良好的受光面積

鋁柵線寬度設計需保證電池背面有良好的受光面積，以保證其背面效率。鋁柵線寬度不同時，背面受光面積比和背面效率數據如表5所示。

背面接收的光照量是影響背面效率的關鍵。由表5可知，背面鋁柵線越窄，背面受光面積越大，背面效率越高。不同背面鋁柵線寬度下雙面PERC 太陽電池的正、背面效率如表6所示。

表5 不同背面鋁柵線寬度與背面效率的關系

表6 不同背面鋁柵線寬度對雙面PERC 太陽電池正、背面效率的影響

綜合考慮電池正、背面效率后決定，背面鋁柵線寬度選取150 μm。

3 優化后的雙面PERC太陽電池中批量實驗結果

3.1 中批量實驗結果

根據前文實驗，優化后的雙面PERC 太陽電池工藝參數為：背面反射率為28%，鋁柵線間距為1.0 mm，鋁柵線寬度為150 μm。根據此工藝參數進行雙面PERC 太陽電池中批量實驗，并選擇與雙面PERC 太陽電池正面版式相同的單面PERC 太陽電池作為基準組進行對比。實驗相關數據如表7所示。

由表7可知，與單面PERC 太陽電池相比，優化后的雙面PERC 太陽電池工藝能取得較好的效果：其正面效率損失在0.05%以內，背面效率大于16%，雙面因子大于74%。中批量生產的優化后的雙面PERC 太陽電池的正、背面如圖4所示。

表7 優化后的雙面PERC 太陽電池中批量實驗結果

圖4 優化后的雙面PERC 太陽電池正、背面圖(深色為正面，淺色為背面)

3.2 后續優化方向

1)優化背面鈍化膜AlOx與SiNx:H 的膜厚[8]，提高雙面PERC 太陽電池正面外量子效率，以提升其正面效率。2)W?hrl 等[9]通過模擬結果顯示，更細的鋁柵線是雙面PERC 太陽電池的發展方向。在提高對位精度的基礎上，需進一步細化優化鋁柵線寬度，以形成良好質量的LBSF 層，提高電池的正面效率。3)Kranz 等[10]通過模擬和實驗，驗證了不同的激光開膜窗口寬度對LBSF層中的空洞和深度的影響。我們后續將設計不同的激光開膜窗口圖形來獲得質量更好的LBSF 層質量，提高電池的正面效率。

4 結論

本文著重研究了背面反射率、背面鋁柵線間距與寬度對雙面PERC 太陽電池電性能的影響。通過實驗對比，得到背面反射率為28%、鋁柵線間距為1.0 mm、鋁柵線寬度為150 μm 的優化工藝條件。優化后的雙面PERC太陽電池的平均正面效率大于21.7%，平均背面效率大于16%，雙面因子大于74%。后續將繼續研究從不同角度提高電池的正面效率。